可控沖擊波解堵增透技術(shù)在延川南煤層氣田中的應(yīng)用

王喆

（中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇南京210019）

鄂爾多斯盆地延川南區(qū)塊煤層氣勘探工作始于2008年，經(jīng)過十多年的勘探開發(fā)，截至2019年底已建成年產(chǎn)近4億立方米的煤層氣田。根據(jù)構(gòu)造特征，延川南區(qū)塊可劃分為3個二級構(gòu)造單元，即譚坪構(gòu)造帶、西掌斷裂帶和萬寶山構(gòu)造帶[1]。該區(qū)塊含煤層系主要為二疊系山西組和石炭系太原組，兩套地層中縱向上共發(fā)育11層煤[1]。其中主力煤層是西部萬寶山構(gòu)造帶2號煤層，埋深大于1 000 m，構(gòu)造形態(tài)為北西向的鼻狀構(gòu)造，其西北部區(qū)域發(fā)育多個規(guī)模較小的正斷層；東部譚坪構(gòu)造帶2號煤層埋深小于1 000 m，構(gòu)造簡單，局部發(fā)育小斷層，地層傾向近北西，中間地層較平緩[1]（圖1）。目前部分煤層氣井遇到產(chǎn)氣量下降、煤粉堵塞等問題。針對遇到的問題，已經(jīng)嘗試的增產(chǎn)措施主要有可控沖擊波解堵增透、氮氣泡沫壓裂、大液量提液等。氮氣泡沫壓裂、大液量提液措施成本高，經(jīng)濟(jì)效益差，增產(chǎn)效果有限[2-3]。

可控沖擊波解堵增透技術(shù)在國內(nèi)油氣田已經(jīng)實施數(shù)百口井，在勝利油田、橋口油田、江蘇油田、安塞油田等都取得較好的效果。2010年以來，邱愛慈院士團(tuán)隊在國際上首先提出采用可控沖擊波激勵煤層的設(shè)想，隨后郭智棟等[4]和田守嶒等[5]根據(jù)這種設(shè)想在室內(nèi)利用實驗裝置進(jìn)行了大量試驗和研究工作，武杰、張聰?shù)萚6-10]也在沁水盆地部分煤層氣井進(jìn)行了試驗，取得了良好的效果。該文首次對該技術(shù)在延川南煤層氣田40余口井的試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析，并且對實施效果進(jìn)行了評價。

圖1 延川南區(qū)塊構(gòu)造井位Fig.1 Structure and well location of south Yanchuan block

1 可控沖擊波技術(shù)及現(xiàn)場實施

1.1 可控沖擊波解堵技術(shù)機理

可控沖擊波是針對煤層解堵增產(chǎn)的一項新技術(shù)，它的定義是沖擊波的波幅沖量可控，作業(yè)點數(shù)和每個點上重復(fù)作業(yè)次數(shù)可控[11]，有別于傳統(tǒng)煤層增透技術(shù)[12]，對煤層傷害較小，不會對煤層造成二次污染和傷害[13]。其原理是利用水中高壓放電的脈沖大電流或金屬絲電爆炸，在局部范圍內(nèi)形成能量快速沉積產(chǎn)生等離子體，使放電通道劇烈膨脹擴張，從而推動水介質(zhì)形成沖擊波，對煤層進(jìn)行壓裂增透[14]。

可控沖擊波技術(shù)相比之前的傳統(tǒng)技術(shù)有兩大明顯優(yōu)勢。一是在增透作業(yè)過程中形成許多孔隙,可控沖擊波發(fā)展到高強波時,擾動這些孔隙使煤層氣解吸、擴散,擴大煤層增透范圍；二是由于煤層抗壓強度小于巖層,增透時煤層容易塌陷垮落。對此,可控沖擊波可通過控制波動幅度值和有效作用區(qū)域,使在頂板與底板周圍鉆孔的煤層小幅度撕裂,同時也保證了煤層頂?shù)装宓耐暾訹15]。

沖擊波增產(chǎn)的機理主要表現(xiàn)為：一是造縫作用，當(dāng)沖擊波峰值壓力超過巖石的疲勞強度時,就會造成新的微裂縫或宏觀裂縫；二是解堵作用，沖擊波在非均質(zhì)性較強的介質(zhì)中產(chǎn)生的速度、加速度有很大的差異,從而在這些介質(zhì)中的固液和氣液等波阻抗相差較大的界面就會產(chǎn)生較強的剪切力與剪切位移，達(dá)到解堵目的；三是提高地層液體流動性，由于沖擊波在煤巖介質(zhì)不同位置上壓差的方向和大小交替變化,使液體由滯留區(qū)向排液活動區(qū)流動，改變孔隙中水、氣界面的動態(tài),克服束縛滯留效應(yīng),這樣就有利于地下水的重新分布、聚集和排出；四是清除地層污染，彈性沖擊波在多孔介質(zhì)中傳播時會使介質(zhì)時而被壓縮,時而被擴張,造成滲流道直徑大小變化,可使固態(tài)顆粒逐步通過孔道排出；五是改變地層靜電場分布，沖擊波在煤層產(chǎn)生的強電磁或彈性波場,可以改變煤層表面電場的分布,減少氣水的流動阻力[16-17]。

1.2 延川南區(qū)塊可控沖擊波技術(shù)應(yīng)用

1.2.1 目的煤層儲層條件

延川南區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣南段，該區(qū)塊主力開發(fā)煤層是山西組2號煤，全區(qū)橫向分布穩(wěn)定，煤層平均厚度約為5 m[1]。

山西組2號煤普遍含有1～2層夾矸，局部發(fā)育3層夾矸，總厚度為0～0.8 m，平均為0.35 m。2號煤煤巖顯微組分主要由無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體組成，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體少見，其間分散著黏土和惰質(zhì)組碎片及少量黃鐵礦顆粒。2號煤鏡質(zhì)組反射率在1.96%～3.22%，變質(zhì)程度屬貧煤、無煙煤階段。2號煤層含氣量普遍較高，均值為12 m3/t。此外，該區(qū)塊煤巖微裂隙、割理較發(fā)育，機械強度低、易破碎[1]。

1.2.2 實施井基本參數(shù)

根據(jù)延川南區(qū)塊煤層氣井普遍存在煤粉堵塞、產(chǎn)氣量下降的問題，通過分析生產(chǎn)井產(chǎn)氣、產(chǎn)水、流壓和套壓等數(shù)據(jù)，歸納出4種問題類型（見表1），即低產(chǎn)氣、低產(chǎn)水，低產(chǎn)氣、不產(chǎn)水，不產(chǎn)氣、不產(chǎn)水，以及低產(chǎn)氣、產(chǎn)水4種類型。按照上述4種類型，在延川南區(qū)塊譚坪構(gòu)造帶和萬寶山構(gòu)造帶選擇40余口井進(jìn)行了可控沖擊波解堵增產(chǎn)試驗。其中，4口典型井實施前的具體數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 4口典型井實施前生產(chǎn)情況Table1 Production data of four typical wells before implementation

表2 4口典型井壓裂和地質(zhì)參數(shù)Table2 Fracturing and geological parameters of four typical wells

2 沖擊波解堵實施效果及分析

2.1 典型煤層氣井運行情況

2.1.1 Y1井效果

Y1井實施前狀態(tài)類型為低產(chǎn)氣、低產(chǎn)水井。該井于2019年4月25日進(jìn)行可控沖擊波解堵技術(shù)作業(yè)，從圖2可以看出，在實施初期，該井的產(chǎn)水量較先前明顯增大，由之前的日產(chǎn)水0.09 m3上升至0.98 m3，最高達(dá)1.09 m3，但在這之后產(chǎn)水量急劇下降，逐漸下降至0.03 m3。實施后的產(chǎn)氣量也較實施前有大幅度地提高，最高日產(chǎn)氣量為1 990 m3，但隨后產(chǎn)氣量緩慢下降，逐漸降至1 400 m3。實施后的井底流壓初期較先前明顯增大，由0.40 MPa 上升至3.91 MPa，最高達(dá)5.45 MPa，但隨后急劇下降，至2019年10月25日該井流壓下降至0.45 MPa。

圖2 Y1井生產(chǎn)曲線Fig.2 Production curve of well-Y1

2.1.2 Y2井效果

Y2井實施前狀態(tài)類型為低產(chǎn)氣、不產(chǎn)水井。該井于2019年3月10日實施可控沖擊波解堵作業(yè)，從圖3可以看出，該井產(chǎn)水量較實施前明顯增大，日產(chǎn)水上升至0.99 m3，隨后逐漸降低，下降至0.1 m3。實施后的產(chǎn)氣量也較實施前有大幅度地提高，最高日產(chǎn)氣量為1 715 m3，但隨后產(chǎn)氣量緩慢下降，至2019年9月10日穩(wěn)定在1 330 m3左右。實施后的井底流壓初期較先前變化不大，由之前的0.30 MPa下降至0.23 MPa，期間流壓有所波動，至2019年9月10日流壓穩(wěn)定在0.23 MPa。

圖3 Y2井生產(chǎn)曲線Fig.3 Production curves of well-Y2

2.1.3 Y3井效果

Y3井實施前狀態(tài)類型為不產(chǎn)氣、不產(chǎn)水井。該井于2018年8月20日實施可控沖擊波解堵作業(yè)，從圖4可以看出，在實施初期，該井的產(chǎn)水量較先前明顯增大，日產(chǎn)水上升至1.23 m3，之后產(chǎn)水量急劇下降，下降至0.07 m3。實施后的產(chǎn)氣量也較實施前有大幅度地提高，最高日產(chǎn)氣量為1 450 m3，但隨后產(chǎn)氣量緩慢下降，至2019年2月20日穩(wěn)定在650 m3左右。實施后的井底流壓初期較先前明顯增大，上升至3.99 MPa，但隨后急劇下降，至2019年2月20日后下降至0.17 MPa。

圖4 Y3井生產(chǎn)曲線Fig.4 Production curves of well-Y3

2.1.4 Y4井效果

Y4井實施前狀態(tài)類型為低產(chǎn)氣、產(chǎn)水井。該井于2018年2月7日實施可控沖擊波解堵作業(yè)，從圖5可以看出，在實施初期，該井產(chǎn)水量較先前明顯增大，日產(chǎn)水上升至1.6 m3，之后產(chǎn)水量下降，降至0.05 m3。實施后產(chǎn)氣量也較實施前有所提升，最高日產(chǎn)氣量為625 m3，但隨后產(chǎn)氣量有所波動，至2018年8月7日穩(wěn)定在430 m3左右。實施后的井底流壓初期較先前明顯增大，上升至2.1 MPa，但隨后急劇下降，至2018年8月7日后下降至0.12 MPa。

圖5 Y4井生產(chǎn)曲線Fig.5 Production curves of well-Y4

2.2 可控沖擊波解堵實施效果分析

通過對比40余口煤層氣井在可控沖擊波解堵作業(yè)實施前后日產(chǎn)氣、日產(chǎn)水等的變化情況，可以評價該技術(shù)在延川南區(qū)塊整體應(yīng)用的效果。通過應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：實施初期有效果的增產(chǎn)煤層氣井有30余口，約占實施總井?dāng)?shù)的80%；生產(chǎn)6個月后日產(chǎn)氣仍高于實施前的井有20余口，約占實施總井?dāng)?shù)的60%，說明沖擊波解堵技術(shù)在延川南區(qū)塊的應(yīng)用效果良好。

圖6是4口典型井在措施前后的產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量對比，從圖中可以看出，4口井無論實施前是否產(chǎn)氣、產(chǎn)水，在沖擊波解堵后的初期，產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量較實施前明顯增加，井底流壓也有一定程度的增加，尤其是Y2井，日產(chǎn)氣量從解堵前的500 m3增加至1 715 m3，日產(chǎn)水量也從之前的不產(chǎn)水增大至0.99 m3，初期增產(chǎn)效果非常明顯，說明可控沖擊波解堵技術(shù)可以撕開裂縫、清除煤粉堵塞物、溝通滲流通道，提升井筒附近滲流能力，促進(jìn)煤層氣解吸擴散，提高單井產(chǎn)氣量。

但是這種高產(chǎn)的狀態(tài)對于某些井來說不能長久保持。Y3井和Y4井，初期最高日產(chǎn)氣量分別達(dá)1 450 m3、625 m3，但隨后產(chǎn)氣量緩慢下降。運行6個月后日產(chǎn)氣降至約650 m3、430 m3；產(chǎn)水量更是急劇下降，在運行6個月后日產(chǎn)水分別下降至0.09 m3、0.05 m3。說明可控沖擊波解堵對延川南區(qū)塊的有效作用半徑較小，解堵、提升液體流動和促進(jìn)氣體解吸等作用主要集中在煤粉堵塞的近井地帶，并不能延伸到煤層遠(yuǎn)處，這可能與Y3井煤層煤體結(jié)構(gòu)較破碎及Y4井壓力系數(shù)較低有關(guān)。

另外，從實施整體效果看，Y1井和Y2井在運行6個月后產(chǎn)氣量下降不明顯，日產(chǎn)氣保持在1 700 m3和1 300 m3左右，仍然高于實施前的日產(chǎn)氣量，說明可控沖擊波解堵技術(shù)在煤體結(jié)構(gòu)完整、煤層強度較高的煤層氣井中解堵、提升產(chǎn)量方面有比較穩(wěn)定的增產(chǎn)效果。

2.3 可控沖擊波解堵技術(shù)的適應(yīng)性分析

2.3.1 對煤儲層的適應(yīng)性選擇

通過對煤儲層的對比，發(fā)現(xiàn)實施效果好的井有如下特點：一是煤體結(jié)構(gòu)均是原生—碎裂煤；二是煤層含夾矸層數(shù)多，夾矸厚度相對較大。與之相反，效果差的井大多有如下特點：一是煤體結(jié)構(gòu)大多是碎裂—糜棱煤；二是煤層不含夾矸或者夾矸層數(shù)較少，且夾矸厚度較小。分析原因主要有2個方面：一是煤體結(jié)構(gòu)本身破碎的井，由于強度低、滲透率低，沖擊波能量無法向遠(yuǎn)處傳遞，波及范圍??；二是煤層中含有夾矸的井非均質(zhì)性強，沖擊波可以從硬煤層和夾矸送進(jìn)煤層，波及范圍更廣。

圖6 實施前后煤層氣井產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量變化及其對比Fig.6 Comparison of gas and water production of CBM wells before and after the implementation

2.3.2 對煤層氣井壓力系統(tǒng)的適應(yīng)性選擇

分析措施井前期壓裂改造情況和其他地質(zhì)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，實施效果好的煤層氣井破裂壓力低、加砂量大，如Y3井破裂壓力最高（53.8 MPa），Y4井加砂量最少（40 m3），這兩口井沖擊波解堵效果就不如Y1、Y2井；沖擊波解堵效果好的井煤層含氣量和地層壓力系數(shù)高，如Y1、Y2井地層壓力系數(shù)明顯高于Y3、Y4井。所以應(yīng)選擇破裂壓力低、加砂量大、煤層含氣性好、地層壓力系數(shù)相對較高的井進(jìn)行可控沖擊波解堵作業(yè)，這樣才會取得比較好的效果。

2.3.3 對作業(yè)技術(shù)參數(shù)的適應(yīng)性選擇

在應(yīng)用初期，使用普通型聚能棒進(jìn)行沖擊，且沖擊點位控制在3～6個，沖擊次數(shù)控制在3～5次，獲得的效果有限；隨后對點位、次數(shù)和聚能棒進(jìn)行了調(diào)整，減少了沖擊點位并且增大了沖擊次數(shù)，普通型聚能棒改為增強型聚能棒，效果有一定提升；而后進(jìn)一步對沖擊點位和次數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，增強型聚能棒改為威力型聚能棒，增加對夾矸的沖擊次數(shù)，煤層其他部位沖擊4～6次，并且根據(jù)單井的地質(zhì)特征和工程參數(shù)對其進(jìn)行優(yōu)化，效果得到進(jìn)一步提升。以4口典型井為例，Y3和Y4井是實施較早的井，Y3井使用普通型聚能棒在煤層中3個點位分別沖擊5次，Y4井使用增強型聚能棒在煤層中4個點位分別沖擊5次。這兩口井的實施效果都比較差。而Y1和Y2井是之后實施的井，對聚能棒類型、沖擊點位和沖擊次數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，其中聚能棒類型調(diào)整為威力型，沖擊點位增加為8～10個，沖擊次數(shù)增加為8次，并且在夾矸部分沖擊次數(shù)增加為10次，效果明顯優(yōu)于Y3和Y4井。這說明根據(jù)延川南區(qū)塊煤儲層煤體結(jié)構(gòu)、孔滲性等地質(zhì)特征，不斷摸索和優(yōu)化沖擊波的聚能棒類型、沖擊點位和沖擊次數(shù)等技術(shù)參數(shù)，解堵改造煤儲層的效果會逐步提升。

3 結(jié)論

1）可控沖擊波解堵技術(shù)解決延川南區(qū)塊部分煤層氣井煤粉堵塞、產(chǎn)氣量下降等問題有較好效果，初期產(chǎn)氣量增加明顯，有些井效果可持續(xù)6個月以上，說明該技術(shù)在延川南區(qū)塊煤層氣井中的應(yīng)用可以改善煤層滲透性，提高液體流動能力，加速煤層氣解吸擴散，達(dá)到煤層解堵的目的。該技術(shù)的甜點區(qū)主要在井筒附近，應(yīng)盡量選在煤層滲透率好、強度高和煤體結(jié)構(gòu)完整的煤層氣井中應(yīng)用，同時煤層夾矸對沖擊波也有一定的影響作用。在適宜的煤層氣井條件下，有望成為低產(chǎn)、低效井的一項新型解堵增產(chǎn)技術(shù)。

2）進(jìn)一步加強選井、選層及井筒完整性研究，對典型井的各類地質(zhì)、工程參數(shù)和試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得出延川南區(qū)塊應(yīng)用可控沖擊波解堵選井標(biāo)準(zhǔn)是煤層破裂壓力較低，壓裂改造效果好，含有夾矸，煤層含氣性好，壓力系數(shù)相對較高等。

3）在可控沖擊波解堵實施過程中使用不同的沖擊點位、次數(shù)和聚能棒類型，不斷優(yōu)化沖擊波工程參數(shù)，低產(chǎn)低效的煤層氣井的增產(chǎn)效果就不斷提升，說明應(yīng)根據(jù)煤層煤體結(jié)構(gòu)、孔滲性等綜合地質(zhì)特征，針對性地制定實施方案，優(yōu)化沖擊波的作用位置、沖擊次數(shù)等工程技術(shù)參數(shù)，才能有效地提升低效井的增產(chǎn)改造效果。