馬鐵華,崔春生,肖文聰

(1.中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室,山西太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西太原 030051)

煤層氣井高能氣體壓裂器性能測試系統(tǒng)的研究

馬鐵華1,2,崔春生1,2,肖文聰1,2

(1.中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室,山西太原 030051;2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西太原 030051)

由于煤層氣賦存的地質(zhì)特殊性,高能氣體壓裂技術(shù)應用于煤層氣井增產(chǎn)需要進一步優(yōu)化。煤層氣井高能氣體壓裂器的研制開發(fā),以及壓裂工藝優(yōu)化設計必須有基礎數(shù)據(jù)作為支撐,建立煤層氣井高能氣體壓裂器性能和機理研究的信息獲取平臺,設計了壓裂多參數(shù)測試和校準系統(tǒng),測試系統(tǒng)測量壓力范圍達到環(huán)空0～210 MPa,槍內(nèi)0～1 000 MPa,工作溫度-20～150℃,校準系統(tǒng)實現(xiàn)模擬井下高溫(150℃)、高壓(靜壓50 MPa,動壓150 MPa)的測試環(huán)境。結(jié)合環(huán)空壓力測試儀實測數(shù)據(jù)分析了煤層氣井高能氣體壓裂的作用過程,表明此高能氣體壓裂器性能測試系統(tǒng)適于壓裂器性能優(yōu)化和動態(tài)參數(shù)獲取。

高能氣體壓裂器;煤層氣;信息獲取系統(tǒng);動態(tài)測試

為提高低滲煤層氣井的產(chǎn)能,必須在煤層中壓裂出長度較大、連通性較好的裂隙系統(tǒng),以便形成工業(yè)性氣流。由于煤儲層不同于常規(guī)砂巖儲層,具有低楊氏模量、高泊松比、高濾失等特點,所以煤層氣井的壓裂工藝設計和施工都較難實施。中國煤層氣具有“高儲低滲”特點,滲透率小于 0.1×10-15m2的占35%;0.1×10-15～1.0×10-15m2的占 37%;大于10-15m2的占 28%,而大于 10×10-15m2的非常少[1-4],因而開發(fā)難度較大。

由于煤層氣賦存地質(zhì)特殊性,高能氣體壓裂技術(shù)應用于煤層氣井的增產(chǎn)還不夠成熟。因此筆者著眼于建立煤層氣井高能氣體壓裂器性能和機理研究的信息獲取平臺,測試高能氣體壓裂煤層過程關(guān)鍵參量的基礎數(shù)據(jù),為煤層氣高能氣體壓裂工藝設計提供更為精確的技術(shù)支撐。

1 壓裂器工作原理及系統(tǒng)總體設計

高能氣體壓裂增產(chǎn)的機理主要借助火藥產(chǎn)生的高壓氣體對井下巖石進行作用,沿射孔孔眼壓裂多個徑向裂縫,并由這些裂縫貫通連接更多的天然裂縫[5-7]。井下射孔/壓裂過程是火工品按照特定的傳爆序列爆炸燃燒,在井下環(huán)空形成動態(tài)壓力脈沖。射孔彈引爆之后,炸藥爆轟形成高速金屬射流,金屬射流穿透射孔器和套管,進入地層,建立起地層和井筒之間的通道。復合射孔器內(nèi)裝藥同時被點燃,但是燃燒速度相對較慢,產(chǎn)生一個持續(xù)時間較長的壓力脈沖,脈沖應力波從井眼向外傳播,液體(氣體)侵入近井的地層和孔隙,隨著井眼壓力增加,沿射孔孔眼擴展多條裂紋,裂解貫通天然裂縫,消除射孔壓實損害,達到增產(chǎn)的目的[8-9]。

高能氣體壓裂巖層是綜合多個物理化學作用的過程。該過程中井下環(huán)境參數(shù)變化劇烈,動態(tài)壓力30～140 MPa,壓力上升時間小于10 μs,沖擊加速度達到幾萬克,如果藥量控制不好有可能發(fā)生炸毀井壁、炸斷槍身等事故,造成較大經(jīng)濟損失。為獲取這種工藝過程的作用規(guī)律,必須在機理研究的基礎上建立完善的測試平臺,用獲取的第一手資料優(yōu)化設計。

射孔槍內(nèi)測試系統(tǒng)中,導爆索將射孔彈按螺旋狀連接起來,兩發(fā)射孔彈間導爆索長度約80 mm,可根據(jù)爆速計算出相鄰兩發(fā)聚能射孔彈起爆時間間隔為10.56 μs。通過計算可知,射孔彈起爆點和爆炸結(jié)束點距離約為 10 mm,取常規(guī)黑索金(RDX)爆速8 000 m/s,可知單發(fā)射孔彈由導爆索點燃到爆轟結(jié)束約需要5.3 μs。工程上采樣頻率取理論值的7～10倍,即要準確獲取射孔器內(nèi)爆炸時壓力快速變化過程,射孔器內(nèi)測試系統(tǒng)的采樣速度應達到2 MSa/ s。

油氣井射孔/壓裂測試環(huán)境狹窄惡劣,測試儀器受到高溫(150℃)、高壓(靜壓 50 MPa,動壓200 MPa)、高沖擊(50 000g)等因素劇烈影響。為實現(xiàn)惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)的可靠存儲,提高系統(tǒng)整體的抗高沖擊是前提。采用真空灌封技術(shù)增強電路抗沖擊性能?，F(xiàn)根據(jù)壓裂器內(nèi)實際結(jié)構(gòu)和尺寸,設計壓裂器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)與射孔器總體裝配結(jié)構(gòu)Fig.1 The test system and perforating gun assembly structure

2 井下動態(tài)信息獲取系統(tǒng)的設計

2.1 環(huán)空多參數(shù)測試儀的設計

環(huán)空測試系統(tǒng)的關(guān)鍵設計包括:采樣策略的選擇、負延遲技術(shù)的運用以及系統(tǒng)裝置的防護。

由于系統(tǒng)整個采樣過程存在測試時間長、下井過程數(shù)據(jù)變化緩慢、射孔數(shù)據(jù)變化迅速(毫秒級)、壓力恢復時間較長等特點。為防止數(shù)據(jù)冗余、降低功耗,實時調(diào)整采樣頻率及觸發(fā)點的判斷是完整記錄一條射孔、壓裂壓力變化曲線的關(guān)鍵。系統(tǒng)實現(xiàn)自適應采樣策略以“低速(1 Hz)—高速(125 kHz)—中速(500 Hz)”的方式采集數(shù)據(jù),根據(jù)下井及射孔過程的信號變化特點,實現(xiàn)系統(tǒng)的自適應變頻采樣[10]。表1是環(huán)空多參數(shù)測試儀的性能指標。

表1 油氣井多參數(shù)測試儀性能Table 1 Performance parameters in multi-parameter tester

2.2 射孔槍內(nèi)壓力測試儀設計

2.2.1 射孔槍內(nèi)壓力測試儀結(jié)構(gòu)設計

復合射孔器內(nèi)壓力信息獲取過程中,環(huán)境存在動態(tài)高壓、飛片、高溫、碰撞以及沖擊波的強烈作用[11-12]。本文要設計的射孔槍內(nèi)動壓測試儀是在不對射孔器本身結(jié)構(gòu)進行任何修改情況下,可以安裝在射孔器內(nèi)任一射孔彈所在的位置進行地面或井下信息獲取的測試裝置,屬于爆炸近場測試。

根據(jù)資料,射孔時射孔器內(nèi)壓力在200～1 000 MPa[13-16]。為此,所設計的殼體須能夠承受1 000 MPa的壓力,這樣能夠滿足一般射孔條件下射孔器內(nèi)壓力變化信號的采集。

常規(guī)102型射孔器相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸如下:射孔器內(nèi)徑82 mm,外徑102 mm;穿彈孔直徑52 mm,彈架直徑62 mm。

殼體設計時要保證2點:① 測試系統(tǒng)的直徑小于射孔彈安裝孔,保證測試儀能直接放在彈架射孔彈位置上;②能夠橫向放置在射孔器內(nèi)。其機械結(jié)構(gòu)及裝配示意如圖2所示。

圖2 射孔器內(nèi)壓力測試儀機械結(jié)構(gòu)及安裝示意Fig.2 Mechanical structure of perforator internal pressure tester and the installation instruction

2.2.2 射孔槍內(nèi)壓力測試儀性能設計

槍內(nèi)壓力測試儀由傳感器、信號調(diào)理電路、微處理器、電源管理電路和采樣存儲電路構(gòu)成[17-18]。傳感器獲取壓力信號,經(jīng)濾波、放大電路,在微控制器CPLD的控制下經(jīng)AD采集,存儲到存儲器。利用計算機通過USB通信接口對存儲器實現(xiàn)讀數(shù)分析、處理和報表打印等。槍內(nèi)壓力測試系統(tǒng)完成對射孔過程中射孔器內(nèi)壓力變化的采集存儲,對采集數(shù)據(jù)回放、分析和處理。其主要性能參數(shù)見表2。

3 地面模擬平臺設計及原理

測試精度是動態(tài)測試的關(guān)鍵問題,惡劣環(huán)境下動態(tài)參量測試過程中,測試系統(tǒng)會對測試環(huán)境(溫度、加速度等)激勵產(chǎn)生誤差響應,稱為環(huán)境因子。為了確保測試結(jié)果的準確、可靠,減小測試環(huán)境對測試系統(tǒng)精度的影響,為壓裂器設計提供實驗環(huán)境,現(xiàn)根據(jù)環(huán)境因子校準理論研制了“高能氣體壓裂器性能測試平臺”,變野外現(xiàn)場實驗為室內(nèi)實驗考核,縮短儀器設備研制周期,提高研制質(zhì)量,其結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

表2 射孔器內(nèi)壓力測試系統(tǒng)性能Table 2 Performance parameters in perforator internal pressure test system

圖3 油氣井模擬實驗裝置的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall system structure of oil and gas well simulation experiment device

該模擬實驗裝置主要由以下幾部分組成:

(1)高溫、超高壓容器。此容器的工作靜壓力最高為50 MPa(表壓),承受的脈沖壓力峰值最高為150 MPa(表壓),工作溫度最高為150℃。

(2)高能氣體雙脈沖發(fā)生器。能夠產(chǎn)生峰值達到150 MPa(表壓),時間間隔為毫秒級的高能氣體雙脈沖壓力信號。

(3)泵站、油路系統(tǒng)。用來向容器內(nèi)輸送傳壓介質(zhì),提供容器內(nèi)常壓至50 MPa(表壓)的壓力值要求。

(4)加熱系統(tǒng)及保溫措施。采用電阻絲對容器加熱,采用溫控系統(tǒng)對加熱和整個實驗過程中的溫度進行控制,對容器包覆保溫層。

(5)標準壓力檢測系統(tǒng)和脈沖控制及P-t特性檢測、記錄系統(tǒng)。前者對多參數(shù)測試系統(tǒng)的壓力傳感器進行動態(tài)特性檢測和標定,后者包括3個經(jīng)過溯源性校準的標準級壓力傳感器,其后連接有3個高精度電荷放大器和高精度瞬態(tài)波形記錄儀記下3個標準P-t曲線,取其均值作為真值,實現(xiàn)對多參數(shù)測試系統(tǒng)進行與實際使用環(huán)境相同的高壓、高溫條件下的動態(tài)校準。模擬井下環(huán)境試驗平臺實物如圖4所示。

實驗時,將多參數(shù)測試系統(tǒng)編程設置并上電,使壓力傳感器的傳壓孔和3個標準壓力傳感器孔相對,固定被校測試系統(tǒng),密封模擬油井。在雙脈沖壓力發(fā)生器中分別放入發(fā)射藥,通過泵路給模擬油井內(nèi)部加靜壓并對主體部分升溫,達到預定初始壓力和溫度后,通過定時系統(tǒng)對雙脈沖壓力發(fā)生器點火,多參數(shù)測試系統(tǒng)觸發(fā)并記錄下壓力變化曲線。同時,計算機采集卡記錄三路標準P-t曲線,取其均值作為真值,對多參數(shù)測試系統(tǒng)進行校準修正,實現(xiàn)一次對多參數(shù)測試系統(tǒng)進行與實際使用環(huán)境相似的壓力、溫度條件下的動態(tài)校準。在不同溫度下對多參數(shù)測試系統(tǒng)進行多次校準,分別求出各溫度下系統(tǒng)靈敏度[19-20]。

經(jīng)過多次實驗,得出用模擬油氣井裝置測得的校準曲線如圖5所示,紅色曲線是3個標準壓電傳感器測得數(shù)據(jù)的平均值。藍色曲線是P-T儀測得的數(shù)據(jù)。兩條曲線的相關(guān)性是0.999。由3個標準壓電傳感器測得的數(shù)據(jù)處理,可知標準系統(tǒng)的最大峰值伸展不確定度為0.092 MPa。該靈敏度是經(jīng)過模擬應用環(huán)境校準,修正了系統(tǒng)的溫度效應的修正值。

4 壓裂器井下實測與分析

采用本設計測試系統(tǒng)在煤層氣井共進行了4次測試,均可靠采集到數(shù)據(jù),圖6是典型的實測曲線。該煤層埋藏較淺,滲透率較低,含氣量較高,擬采用復合射孔對煤儲層進行改造,通過實測該井壓裂過程的動態(tài)數(shù)據(jù)來評價和分析作用效果。埋深 420～1 000 m,煤層厚度6 m,滲透率0.01×10-15～1.0× 10-15m2,解吸壓力2.5 MPa,含氣量10.8 m3/t。

圖6 某煤層氣井下復合射孔實測曲線Fig.6 Composite perforating measured curves in a coal-bed methane well

采用內(nèi)置式復合射孔器,射孔器每米16發(fā)射孔彈,相位90°,每發(fā)彈裝藥28 g RDX,射孔直徑12～16 mm,射孔深約1 m。射孔層位深度1 150 m,井內(nèi)液體為清水。射孔器總長3 m,內(nèi)部裝壓裂藥為固體推進劑,總質(zhì)量為3 kg。套管內(nèi)徑124.26 mm,壁厚7.72 mm。

井內(nèi)液體產(chǎn)生的靜壓為11.5 MPa。由圖6可知,復合射孔過程從時間上可以分為2個部分。開始的部分t1脈沖是雷管起爆后,射孔彈內(nèi)部炸藥爆炸生成的氣體在射孔器內(nèi)部多次沖擊反射并沖出射孔孔眼到達環(huán)空液體中,形成不平衡的動態(tài)壓力脈沖。這個過程可以稱為射孔過程,壓力峰值達到60 MPa,持續(xù)時間約為0.8 ms。

該射孔過程完成后到t2時刻,復合射孔器內(nèi)部火藥被點燃,爆燃的火藥產(chǎn)生大量高溫高壓氣體,該壓力使射孔器內(nèi)部和外部壓力迅速升高,由曲線可以看到燃燒持續(xù)時間10 ms,峰值壓力達到20 MPa。本次施工的壓裂峰值相對砂巖等含油層來講偏低很多,主要原因是煤層硬度低、脆性大,容易起裂,同時在爆燃過程煤層中端、面割理使高能氣體大量濾失,使得峰值壓力較低。

5 結(jié) 論

(1)高能氣體壓裂器性能測試系統(tǒng)設計方案有效,設計由環(huán)空多參數(shù)測試儀和射孔槍內(nèi)壓力測試儀組成,主要測試環(huán)空壓力、溫度、加速度以及射孔器內(nèi)的壓力等參數(shù),這些參數(shù)對于分析高能氣體壓裂器性能、研究壓裂機理,從而優(yōu)化開采工藝是非常關(guān)鍵的。

(2)通過井下實時實況測試的典型數(shù)據(jù)可以看出,受煤層特殊的地質(zhì)構(gòu)造的強烈影響,煤層氣井壓裂的峰值壓力偏低為20 MPa,持續(xù)時間較短,小于10 ms,可進一步提高壓裂規(guī)模和效果。

(3)針對煤層氣的特點,應以大量實測性能參數(shù)為依據(jù),進一步開展增大壓裂規(guī)模、裂縫延伸和不閉合條件等研究,對探索適合我國煤層氣經(jīng)濟開采的有效技術(shù)具有重要意義。

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Experimental study on the performance test system of high energy gas fracturing apparatus in coal-bed methane extraction

MA Tie-hua1,2,CUI Chun-sheng1,2,XIAO Wen-cong1,2

(1.National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Education Ministry Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Due to the special geological characteristics of coal-bed methane occurrence,there are a lot potential for improving the high energy gas fracturing technology,which is currently applied in coal-bed methane production.The basic data must be collected to support the research and development on the high energy gas fracturing apparatus and the optimization of fracturing process in coal-bed methane extraction.Also,an information retrieval platform was established for studying the performance and mechanism of high energy gas fracturing apparatus and a fracturing multi-parameter testing and calibration system was developed.The test range achieved at 150 MPa in the annulus,and 1 000 MPa in the perforating gun.Working temperature ranged from-20 to 150℃.The calibration system can simulate the high temperature and high pressure environment(150℃,static pressure 50 MPa,dynamic pressure 150 MPa)in downhole.The authors analyzed the effect of high energy gas fracturing process according to the annulus pressure data.The study indicate that the high energy gas fracturing performance test system is suitable for fracture apparatus optimization and dynamic parameter acquisition.

high-energy gas fracturing apparatus;coal-bed methane;information retrieval system;dynamic test

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1857-05

2014-04-16 責任編輯:常 琛

山西省煤層氣聯(lián)合研究基金資助項目(2013012010);2014年山西省回國留學人員科研資助項目(2014-052)

馬鐵華(1964—),男,山西交城人,教授,博士生導師。Tel:0351-3922132,E-mail:matiehua@nuc.edu.cn

馬鐵華,崔春生,肖文聰.煤層氣井高能氣體壓裂器性能測試系統(tǒng)的研究[J].煤炭學報,2014,39(9):1857-1861.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8016

Ma Tiehua,Cui Chunsheng,Xiao Wencong.Experimental study on the performance test system of high energy gas fracturing apparatus in coal-bed methane extraction[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1857-1861.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8016