郭智棟 曾雯婷 方惠軍 葛騰澤 韓 軍 藺景德

（1 中石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院；2 中石油煤層氣有限責(zé)任公司）

0 引言

基于國內(nèi)煤儲層的物性條件，中國煤層氣開發(fā)必須進(jìn)行壓裂改造才能獲得工業(yè)氣流[1]?？紤]到儲層傷害，煤層氣壓裂主要采用活性水、滑溜水等壓裂液體系。但由于體系黏度低，懸砂性能不好，為了滿足加砂施工要求，過程中以提高排量來實現(xiàn)攜砂。受煤層厚度薄、煤巖與頂?shù)装鍛?yīng)力差小等因素的影響，大排量壓裂施工導(dǎo)致縫高失控和竄層問題突出，裂縫沿煤層有效延伸距離不夠，壓裂效果不佳[2-4]。

煤層氣開采的滲流通道要充分利用煤巖割理系統(tǒng)，即面割理和端割理。水力壓裂形成的主裂縫主要受應(yīng)力控制，一般形成平行于最大主應(yīng)力方向的單一或多條裂縫。但壓裂改造并不能增大煤巖基質(zhì)滲透率，人工裂縫只能部分溝通煤巖的面割理系統(tǒng)，煤巖的孔隙、端割理和部分面割理多數(shù)未形成連通。因此，如何有效溝通這些孔隙、裂隙，最大限度釋放甲烷的技術(shù)研究成為煤層氣產(chǎn)量飛躍的關(guān)鍵[5-6]。

沖擊波是通過能量轉(zhuǎn)換器在井筒內(nèi)以液電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成機械能，并作用于儲層達(dá)到儲層改造目的。前蘇聯(lián)是將沖擊波技術(shù)用于油田增產(chǎn)的先驅(qū)，其采用沖擊波增產(chǎn)措施的有效率為87.5%。由于中國煤儲層物性較差，該技術(shù)引進(jìn)后除了初期試用外，后期再無應(yīng)用。2010年以來，西安交通大學(xué)邱愛慈院士團(tuán)隊首先提出基于脈沖功率技術(shù)激勵煤儲層的設(shè)想，通過一系列工程試驗與探索，確立了煤層氣井強沖擊波煤儲層增滲作業(yè)的工藝基礎(chǔ)，初步驗證了該項原創(chuàng)性技術(shù)在煤儲層增滲的可行性，展示出增產(chǎn)解堵效果以及煤儲層無傷害等方面的技術(shù)優(yōu)勢[7-12]。秦勇等研究人員在室內(nèi)利用實驗裝置對沖擊波煤巖增滲的作業(yè)機理、沖擊傳播、裂縫演化過程等做了大量研究工作，從基礎(chǔ)實驗角度證明了技術(shù)的有效性。現(xiàn)場試驗方面雖取得部分成果，但仍需要開展大量研究[13-16]。

1 沖擊波改造煤儲層的原理及適用條件

1.1 技術(shù)原理

沖擊波技術(shù)是在飽和水煤儲層中進(jìn)行高電壓脈沖放電，通過液電效應(yīng)將高功率電磁能量轉(zhuǎn)換為沖擊波能量，利用液體和固體介質(zhì)的動態(tài)擊穿場強存在差異，即當(dāng)一高能量短脈沖施加于液體—固體界面時，固體介質(zhì)表面比液體更容易發(fā)生擊穿，從而實現(xiàn)對巖石的破壞和碎裂，是一種基于物理原理的增滲技術(shù)。脈沖式?jīng)_擊波所產(chǎn)生的重復(fù)加載應(yīng)力主要集中在煤體缺陷處，新生沖擊裂隙主要追蹤原有裂隙進(jìn)一步擴展，相關(guān)理論已在室內(nèi)實驗中得到很好的驗證。重復(fù)脈沖強沖擊波激勵煤儲層的技術(shù)原理為：

（1）在沖擊載荷作用下，煤巖斷裂強度和疲勞強度明顯小于靜態(tài)，當(dāng)沖擊波峰值壓力超過煤巖疲勞強度時，會造成新的裂縫，即造縫作用。

（2）沖擊波在煤儲層不同位置上，壓差的方向和大小交替變化，使流體克服束縛滯留效應(yīng)，由滯留區(qū)向排液活動區(qū)流動，有利于地下水的重新分布、聚集和排出，提高流體的流動性。脈沖放電在煤儲層中產(chǎn)生的強電磁或彈性波場，可以改變煤儲層表面靜電場的分布，減少氣水流動阻力。

（3）煤巖中不同界面之間的沖擊波速度、加速度的差異，導(dǎo)致煤—煤、煤—水和氣—水界面產(chǎn)生較強剪切力。彈性沖擊波對煤儲層裂縫的重復(fù)壓縮—擴張（擠壓—松弛）作用將裂縫內(nèi)固態(tài)顆粒逐步排出滲流通道，空化作用可以松動煤儲層裂隙中堵塞物并將其抽吸、推擠到井筒，起到解堵作用。利用該機理對煤層氣老井進(jìn)行解堵，已在現(xiàn)場應(yīng)用中取得一定效果[9]。

本文重點探討重復(fù)脈沖強沖擊波技術(shù)在煤儲層增滲方面的作用。

1.2 適用條件

重復(fù)脈沖強沖擊波技術(shù)在基礎(chǔ)理論和室內(nèi)實驗已經(jīng)取得成果，但現(xiàn)場的成功實施需要充分結(jié)合煤儲層特點和現(xiàn)場的工藝條件，因此應(yīng)從以下幾方面考慮：

（1）基于改造煤巖原生裂縫系統(tǒng)（面割理和端割理）的重復(fù)脈沖強沖擊波技術(shù)應(yīng)用，需要考慮盡量減少井筒及近井地帶的煤體缺陷帶來的沖擊波能量損耗。根據(jù)工程實踐，由于煤巖質(zhì)軟，壓裂改造的沖刷作用容易在井筒周圍形成大的空洞，有的甚至被壓裂砂填充，造成沖擊波能量在井筒周圍出現(xiàn)大幅衰竭，影響工藝實施效果。另外，沖擊波產(chǎn)生的新生裂隙主要追蹤原有裂縫進(jìn)一步擴展。壓裂裂縫會誘導(dǎo)沖擊波能量集中于對已有裂縫的延展，而減弱對煤巖原生裂縫系統(tǒng)的增滲。因此，利用沖擊波的造縫作用改造煤巖基質(zhì)滲透性，更適合應(yīng)用于未壓裂井。

（2）高電壓脈沖放電需要有良好介質(zhì)，沖擊波在煤巖中傳播時，如果孔隙和裂隙沒有導(dǎo)電介質(zhì)，顯然不利于沖擊波的傳播。含水煤層較適合于沖擊波技術(shù)的應(yīng)用。對于部分低含水煤層，在工藝實施過程中可以輔助以低壓注水（鹽水），提高裂隙導(dǎo)電性能。

（3）為了保證沖擊波的作業(yè)效果，最大限度改造煤層，應(yīng)選取質(zhì)硬煤，便于沖擊波傳播。在選層過程中，選取泊松比小、楊氏模量高的煤儲層進(jìn)行作業(yè)；井筒方面需考慮井筒穩(wěn)定性和固井質(zhì)量等因素。

2 重復(fù)脈沖強沖擊波技術(shù)現(xiàn)場試驗及效果分析

2.1 試驗方法

考慮到?jīng)_擊波的適應(yīng)條件以及中石油煤層氣有限責(zé)任公司所屬區(qū)塊的儲層物性，選取HC-X3井（11號煤層）進(jìn)行沖擊波作業(yè)，射孔段為702～705m，該井未進(jìn)行過壓裂改造，挑選井眼穩(wěn)定性好、固井質(zhì)量好的井段實施作業(yè)。

作業(yè)前后分別設(shè)計小型注入壓降測試和壓力計監(jiān)測，定量評價儲層滲透率改善程度。沖擊波作業(yè)過程中，在井筒灌入2%KCl溶液，保持液柱壓力，促進(jìn)沖擊波增滲?？紤]到HC-X3井煤層含水飽和度低，作業(yè)過程中增加脈沖式注水，即先進(jìn)行沖擊波改造，然后保持井口在一定壓力下脈沖式注水。本次施工主要分為兩個階段：第一階段，沿煤層段分3個作業(yè)點完成20次沖擊波作業(yè)，然后脈沖式注水24次；第二階段，集中在射孔井段平均分布完成40次沖擊波作業(yè)，然后脈沖式注水12次。共計完成沖擊波作業(yè)60次，脈沖式注水36次，累計注入7.0m3的2%KCl溶液。全程進(jìn)行井下壓力監(jiān)測，獲得3段壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)用于試井解釋。兩次試驗階段的注入情況如圖1所示。

圖1 HC-X3井脈沖注水曲線Fig.1 Pulse injection curve of Well HC-X3

2.2 試驗效果分析

脈沖式注水包括多次注入和停注階段，注入過程中壓力迅速上升，停注后壓力降落，當(dāng)停注時間較長時壓力降落測試數(shù)據(jù)較多，能夠滿足試井解釋要求。選取壓降數(shù)據(jù)錄取較好的曲線段（第一階段②段和第二階段③段壓降數(shù)據(jù)），均采用“有限導(dǎo)流裂縫+雙孔擬穩(wěn)態(tài)+無限大邊界”煤層氣模型進(jìn)行試井分析[17-20]，曲線擬合結(jié)果如圖2和圖3所示。

通過擬合HC-X3井兩個階段的壓力測試曲線，解釋得到儲層滲透率和外推地層壓力參數(shù)，如表1所示。

從表1中的參數(shù)解釋結(jié)果看，隨著作業(yè)次數(shù)的增加，儲層滲透率略有增加，增加幅度為17%。同時分析注水壓降過程，對比3個長壓降曲線（圖4）發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊波作業(yè)次數(shù)增加，第①段和第②段壓力降落明顯用時更短，說明沖擊波作業(yè)改善了煤層的滲透性。

圖2 HC-X3井第一階段試井解釋曲線Fig.2 Well test interpretation curves of Well HC-X3 1st test stage

圖3 HC-X3井第二階段試井解釋曲線Fig.3 Well test interpretation curves of Well HC-X3 2nd test stage

表1 HC-X3井注入壓降解釋評價結(jié)果Table 1 Injection test analysis results of Well HC-X3

圖4 HC-X3井壓降曲線Fig.4 Well HC-X3 pressure drop curve

不同壓降階段的壓力變化和壓降速度等參數(shù)如表2所示，對比壓降速度可以發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊波作業(yè)次數(shù)的增多，壓降速度有了顯著的提高，綜合曲線形態(tài)及統(tǒng)計參數(shù)的認(rèn)識，認(rèn)為沖擊波有效增加了煤巖割理系統(tǒng)的連通性，提高了儲層的滲透率。

表2 HC-X3井注入壓降速度變化情況Table 2 Pressure drop rate of injection test on Well HC-X3

3 沖擊波作業(yè)井的生產(chǎn)效果

3.1 HC-X3井生產(chǎn)效果

采用油管壓裂方式對HC-X3井進(jìn)行壓裂施工，區(qū)別于該區(qū)塊其他井，該井壓裂施工平穩(wěn)，靜壓力波動較小，達(dá)到較好壓裂改造效果。該井壓裂完成后開始投產(chǎn)，排采曲線如圖5所示。該井排采12天后見氣，說明煤巖基質(zhì)孔隙、裂隙與壓裂裂縫形成有效溝通，達(dá)到預(yù)期效果。目前套壓較高，產(chǎn)氣量為400m3/d，綜合分析該井產(chǎn)氣量有望達(dá)到1500m3/d。

圖5 HC-X3井排采曲線Fig.5 Well HC-X3 production curve

沖擊波煤層改造技術(shù)是以不破壞煤巖結(jié)構(gòu)、溝通孔隙與割理系統(tǒng)的增產(chǎn)技術(shù)。改造所達(dá)到的效果不能明顯體現(xiàn)在注入壓降試井解釋結(jié)果中，而是直觀反映在壓降速度這一參數(shù)。由于HC-X3井沒有進(jìn)行壓裂改造，產(chǎn)能未能及時釋放，所以沖擊波改造成果也不能及時體現(xiàn)。這表明，重復(fù)脈沖強沖擊波技術(shù)需要輔助水力壓裂才能實現(xiàn)更好的儲層改造效果。

3.2 HQ-X2井生產(chǎn)效果

為了研究沖擊波增滲技術(shù)在含水煤層的適應(yīng)性，2016年11月選取另一區(qū)塊HQ-X2井進(jìn)行試驗。該區(qū)煤儲層滲透率較高，產(chǎn)水量較大，煤層含水。作業(yè)過程中，設(shè)計了前后兩次注入壓降測試，評價改造效果。HQ-X2井選取8號+9號煤層進(jìn)行沖擊波煤層改造試驗，射孔段為545～551.5m。共計進(jìn)行沖擊波作業(yè)20次，累計注入13.9m3的2%KCl溶液。

施工前通過注入壓降試井獲得儲層滲透率為63.5mD，經(jīng)過20次沖擊波改造后，求得儲層滲透率為78mD，滲透率增幅為23%，改造效果較好。說明沖擊波煤層改造技術(shù)在含水煤層中的改造效果更為明顯。

4 結(jié)論

重復(fù)脈沖強沖擊波技術(shù)在改善煤儲層原巖裂隙、增加煤巖基質(zhì)滲透率方面具有非常積極的作用。但在技術(shù)應(yīng)用時要充分考慮井筒及儲層條件，減少對沖擊波能量的損耗和不利誘導(dǎo)。研究認(rèn)為，在改善基質(zhì)滲透率方面，該技術(shù)對于含水飽和度高、泊松比小、楊氏模量高且未進(jìn)行壓裂改造的儲層更為適用，此外選井還需考慮井徑擴大率、固井質(zhì)量等因素的影響。

利用沖擊波的增滲作用，先進(jìn)行重復(fù)脈沖強沖擊波改造，然后進(jìn)行水力壓裂，通過壓裂形成的有效支撐裂縫來有效溝通已增滲的基質(zhì)裂隙，將獲得更好的儲層改造效果。從排采情況看，未發(fā)現(xiàn)氣井產(chǎn)煤粉，說明重復(fù)脈沖強沖擊波技術(shù)不會破壞煤巖結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生煤粉而影響后期生產(chǎn)。

利用沖擊波對煤儲層裂縫的重復(fù)壓縮—擴張和空化作用，可以松動近井地帶儲層裂隙中的煤粉堵塞物，將固態(tài)顆粒逐步排出滲流通道，起到解堵作用，有利于氣井的產(chǎn)量恢復(fù)。

目前煤層氣開發(fā)主要面臨平均單井產(chǎn)量低、低產(chǎn)井占比高的問題。提高單井產(chǎn)量和產(chǎn)量恢復(fù)是解決現(xiàn)有問題的重要途徑，其關(guān)鍵在于工程技術(shù)的突破。重復(fù)脈沖強沖擊波技術(shù)在氣井增產(chǎn)和產(chǎn)量恢復(fù)方面具有積極的作用，同時也會帶來生產(chǎn)成本的上升。但隨著技術(shù)試驗和推廣應(yīng)用，降本和增效的優(yōu)勢會逐步顯現(xiàn)，極有可能成為煤層氣新的、重要的儲層改造技術(shù)。