煤層氣儲(chǔ)層多脈沖壓裂開發(fā)機(jī)理及工藝研究

張新宇 王天堯

摘要：我國煤層氣儲(chǔ)層一直存在單井產(chǎn)量低的難題，因此需要利用多脈沖壓裂技術(shù)進(jìn)行破巖處理，通過多級(jí)脈沖壓裂破巖的理論建立是力學(xué)模型。為多級(jí)脈沖下的煤層破裂提供了理論基礎(chǔ)，多級(jí)脈沖壓裂開發(fā)在進(jìn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生多條裂縫，形成有效的滲流過程，從而提升了煤層氣儲(chǔ)層的單井產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：煤層氣儲(chǔ)層;多脈沖;壓裂

我國煤層氣儲(chǔ)層的含量比較大，但是由于具有低滲、低壓、低孔等特征，在開采方面往往會(huì)出現(xiàn)很多技術(shù)難題。提高煤層滲透性的方法主要有洞穴法和水力壓裂法，在實(shí)際運(yùn)用過程中，對(duì)煤層產(chǎn)生裂縫而增加煤層的滲透性，但是這兩種方法在使用的過程中會(huì)有一定的局限性。為此提出了多脈沖壓裂開發(fā)技術(shù)，這種技術(shù)取決于火藥產(chǎn)生的高能氣體總量控制與作用地層的能量利用率，該方法能夠在很大程度上提升儲(chǔ)層裂縫，因此建立全封閉性多脈沖壓裂裝置和工藝，能夠進(jìn)一步提升煤層氣儲(chǔ)層的開采量。

1煤層氣儲(chǔ)層開發(fā)現(xiàn)狀

目前我國的常規(guī)石油和天然氣儲(chǔ)量一直在不斷減少，并且隨著開采的不斷深入，會(huì)增加開采成本和難度。而煤層氣作為一種非常規(guī)能源在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的地位越來越重要，另外由于我國的煤層多為結(jié)構(gòu)性煤層，在成煤后會(huì)對(duì)煤層構(gòu)造產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，這種情況的出現(xiàn)阻礙了煤層氣的解析，從而在開采過程中不會(huì)形成滲流能力，同時(shí)煤層中的低滲透率，低孔隙度、低壓力的存在，也對(duì)煤層氣的開采造成了難度，目前我國主要運(yùn)用的開發(fā)技術(shù)為水力壓裂技術(shù)，但由于該技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用的過程中會(huì)存在一定的局限性，并且開采成本比較高，嚴(yán)重制約了我國對(duì)煤層氣的開發(fā)。

2煤層氣儲(chǔ)層多脈沖壓裂開發(fā)機(jī)理

2.1煤層氣儲(chǔ)層裂縫的破巖依據(jù)

（1）假設(shè)煤層氣儲(chǔ)層為同性彈性介質(zhì)，煤層氣儲(chǔ)層中會(huì)存在大量的割理結(jié)構(gòu)，但是多極脈沖壓力引起的應(yīng)力波長會(huì)大于其寬度，當(dāng)應(yīng)力波傳送至微裂縫時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，煤層氣儲(chǔ)層中的應(yīng)力分布不會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，因此可以確定煤層氣儲(chǔ)層為同性彈性介質(zhì)。

（2）假設(shè)位移會(huì)沿重力的方向發(fā)生變化，動(dòng)力會(huì)處于平面應(yīng)變狀態(tài)。

（3）假設(shè)體積力為零。

煤層氣儲(chǔ)層在原始狀態(tài)下會(huì)受到最大水平應(yīng)力和最小水平應(yīng)力以及垂向用力的作用下，處于一種平衡狀態(tài)，因此可以對(duì)儲(chǔ)層中的某一井段選取一個(gè)微裂縫的體積單元，建立數(shù)學(xué)模型。

2.2多脈沖壓裂開發(fā)機(jī)理

多脈沖壓裂火藥在泄氣管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的高溫、高壓氣體，并且會(huì)以非常快的速度從泄氣孔噴射而出，由于射流速度比較快，一般不會(huì)在環(huán)空射流出現(xiàn)斷裂，所以可以這樣認(rèn)為，從泄氣孔射出的氣流會(huì)全部射入到孔眼內(nèi)，并且在孔眼內(nèi)迅速聚集，形成高壓狀態(tài)。會(huì)對(duì)煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)生破裂，從而會(huì)產(chǎn)生大量的裂縫，降低煤層氣儲(chǔ)層中的應(yīng)力使煤層氣能夠有效形成滲流，進(jìn)而提高煤層氣單井產(chǎn)能。

3煤層氣儲(chǔ)層多脈沖壓裂工藝研究

通過大量實(shí)踐表明，煤層基質(zhì)中的滲流通道受到地應(yīng)力的作用會(huì)處于閉合狀態(tài)，要想實(shí)現(xiàn)流通道打開，就必須采用一些技術(shù)手段來產(chǎn)生新的裂縫和天然裂縫進(jìn)行相連，從而緩解圍城中的地應(yīng)力，提高儲(chǔ)層的滲透率，增強(qiáng)煤層氣的解吸能力，由于煤層的地質(zhì)特性，常規(guī)的方法在進(jìn)行壓裂過程中會(huì)有一定的局限性，因此需要利用高能氣體進(jìn)行壓裂，高能氣體壓裂主要是依靠火藥在燃燒后所產(chǎn)生的高溫高壓氣體會(huì)以脈沖波的形式對(duì)地層產(chǎn)生裂縫，從而減少地層中的地應(yīng)力。該壓裂技術(shù)在使用過程中的成本比較低，而且不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，使用范圍比較廣。

3.1設(shè)計(jì)方法

低滲煤氣層與其他油層相比，煤氣層儲(chǔ)層的滲透率非常低，而且可塑性比較大，容易受到外力的影響而造成破壞，油層雖然也有低滲透率，地層中的巖石致密性比較強(qiáng)，抗破壞能力比較強(qiáng)，因此兩者所產(chǎn)生的裂縫條件不完全一樣，利用高能氣體來改善油田的增產(chǎn)效果，使用范圍比較廣，由于煤層氣儲(chǔ)層比較復(fù)雜，巖層中的可塑性較強(qiáng)，低滲透性儲(chǔ)層非常容易受到傷害。很難利用高能氣體對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造，通過這些因素可以得知，應(yīng)當(dāng)選擇脆性煤氣層儲(chǔ)層來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出相關(guān)的裂縫延伸條件以及溝通條件，開發(fā)煤層的高能氣體壓裂技術(shù)，滿足煤層氣壓裂的使用功能和條件，這是研究煤層氣多脈沖壓裂技術(shù)的基本構(gòu)想。

3.2設(shè)計(jì)原理

針對(duì)煤氣層儲(chǔ)層的特征完井方式以及井身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用高能氣體壓裂作用原理，通過具體的實(shí)驗(yàn)，研究煤層氣多脈沖高能氣體壓裂技術(shù)，其主要的作用原理就是通過中低燃速組合和特種延時(shí)控制技術(shù)，形成多脈沖壓裂高能氣體發(fā)射器，各級(jí)燃燒產(chǎn)生的大量高溫高熱氣體進(jìn)行釋放，形成高脈沖壓力對(duì)地層進(jìn)行連續(xù)的壓裂，其主要的功能就是通過延時(shí)點(diǎn)火系統(tǒng)來進(jìn)行延時(shí)點(diǎn)火，高壓泄氣槍夠促使儲(chǔ)層產(chǎn)生裂縫，低燃泄氣足能夠使裂縫迅速進(jìn)行擴(kuò)展，以達(dá)到對(duì)煤層氣實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓力，進(jìn)而產(chǎn)生比又長又多的裂縫。

3.3作用機(jī)理

利用多脈沖壓力裝置在煤氣層的中進(jìn)行引燃產(chǎn)生大量的高溫高壓氣體，從而形成較高的脈沖壓力。對(duì)地層進(jìn)行強(qiáng)脈沖壓力作用，能夠使煤氣層中產(chǎn)生裂縫，并且利用所產(chǎn)生的裂縫來連接天然裂縫，最終形成裂縫網(wǎng)絡(luò)來改善煤氣層的泄氣通道，隨著多脈沖的震蕩作用，煤氣層中的基質(zhì)空間隙會(huì)出現(xiàn)很好的連通性和滲透性，通過網(wǎng)絡(luò)裂縫，熱效作用以及脈沖震動(dòng)可以改善煤層氣中的解吸環(huán)境，有利于煤層氣的解吸和泄出，提升煤氣層的滲透率，從而達(dá)到煤層氣單井產(chǎn)量增高的目的。

4結(jié)束語

利用煤層氣儲(chǔ)層裂縫破裂理論所建立的力學(xué)模型，能夠?yàn)槎嗝}沖壓裂技術(shù)提供技術(shù)理論，利用多脈沖壓裂技術(shù)能夠有效的對(duì)煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)生裂縫，從而改善煤層氣儲(chǔ)層中的滲流能力，有效提高煤層氣的產(chǎn)量，通過多脈沖壓列技術(shù)產(chǎn)生的裂縫體系，不會(huì)受地應(yīng)力影響。該技術(shù)的研究能夠提高我國煤層氣的有效開發(fā)，為非常規(guī)天然氣的開采提供了新的研究思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉安邦.煤儲(chǔ)層多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓裂破巖機(jī)理理論研究[J].石油化工應(yīng)用，2017（01）：39-41+89.

[2]吳晉軍，喻鵬，周培堯，崔金榜，譚宏強(qiáng)，張洋，陳偉.沁水地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層多脈沖壓裂技術(shù)試驗(yàn)及應(yīng)用研究[J].鉆采工藝，2015（03）：12+66-69.

[3]吳晉軍，楊娟，郭文.淺層煤層氣多脈沖壓裂工藝及能量利用率模型研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，v.43;No.49 3（12）：125-130.