頁巖氣增產(chǎn)用脈沖放電沖擊波裝置研究

黃 昆， 李欣陽， 朱鑫磊， 孟慶陽， 曾凡輝

（1.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 四川成都 610213；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院, 四川成都 610500）

我國頁巖氣儲量豐富，但頁巖儲層具有低孔隙度、低滲透率的特性，開采難度大，需要采用可行的鉆井完井技術(shù)和必要的增產(chǎn)措施[1–4]。水力壓裂是目前主流的頁巖氣增產(chǎn)措施，通過將大量液體注入頁巖氣井筒中產(chǎn)生壓力，在儲層中壓開裂縫，擴展頁巖氣通道，達到增產(chǎn)目的[5–10]。但是，水力壓裂存在施工周期長、資源消耗大、污染環(huán)境等缺點。因此，脈沖放電沖擊波技術(shù)作為其替代或補充措施，受到了廣泛關(guān)注[11–13]。

脈沖放電沖擊波技術(shù)的增產(chǎn)原理是，在油氣井內(nèi)通過脈沖放電產(chǎn)生等離子體沖擊波，清除油氣井筒和儲層裂縫中的污垢和堵塞，疏通油氣通道，在儲層巖石中產(chǎn)生新的微裂縫，增強儲層的滲流能力，達到增產(chǎn)效果[12–13]。目前，該技術(shù)已在石油增產(chǎn)中得到了較為深入的研究和應(yīng)用。20世紀70年代起，美國和蘇聯(lián)率先研究利用該技術(shù)進行石油增產(chǎn)，目前國外多家公司已有成熟技術(shù)，一些技術(shù)還被國內(nèi)引進試用[12–15]；國內(nèi)自20世紀90年代起，部分科研單位開始進行該技術(shù)的研究和應(yīng)用[12,16–23]，目前已有比較成熟的裝置在油田進行試用，并獲得了較好的增產(chǎn)效果。但是，該技術(shù)在頁巖氣增產(chǎn)中的研究和應(yīng)用還比較少。截至目前，曹玉峰等人[24]總結(jié)歸納了脈沖放電提高頁巖氣產(chǎn)量的機理，付榮耀等人[25]研究了沖擊波對頁巖儲層的致裂效果，康忠健等人[26]基于頁巖頻譜共振的原理研制了儲層改善裝置并進行了室內(nèi)試驗研究?？傮w而言，相關(guān)理論研究還比較欠缺，并且尚無針對頁巖氣特點的增產(chǎn)裝置。

基于上述技術(shù)現(xiàn)狀和頁巖氣增產(chǎn)的工程需求，筆者針對頁巖氣的特點進行了脈沖放電沖擊波裝置的研究，研制了一套可用于井下作業(yè)的脈沖放電沖擊波裝置，通過地面調(diào)試檢驗了該裝置的工作穩(wěn)定性和解堵疏通、致裂巖石的效果，并在油井中進行了井下試驗，表明該裝置可以起到增產(chǎn)油氣的作用。

1 脈沖放電沖擊波技術(shù)增產(chǎn)原理

脈沖放電沖擊波技術(shù)是利用電容器儲能并通過放電裝置將能量瞬間釋放在負載上，形成強大的沖擊波。一個典型的脈沖放電沖擊波裝置系統(tǒng)，由電源、升壓變壓器、整流器、儲能電容器、放電開關(guān)、負載（即沖擊波發(fā)生器）組成，其基本電路如圖1所示。

圖1 脈沖放電系統(tǒng)基本電路Fig.1 Basic circuit of pulsed discharge system

其放電過程：電源經(jīng)過升壓變壓器和整流器對高壓儲能電容器進行充電，當電容器的電壓和儲存的電能達到設(shè)定值時，放電開關(guān)導(dǎo)通，電容器儲能釋放到水中負載上形成脈沖放電[27]；放電開關(guān)在一次放電過程完成后迅速恢復(fù)斷開狀態(tài)，儲能電容器繼續(xù)充電，如此循環(huán)，以實現(xiàn)多次充放電。

負載一般由一對金屬電極組成的水間隙構(gòu)成，電極間隙在高電壓下?lián)舸┖?，電容器儲存的巨大能量迅速注入間隙形成等離子體通道，溫度急劇升高，周圍液體汽化形成氣泡。由于液體很難被壓縮，在氣泡的膨脹作用下便會產(chǎn)生沖擊波，并以放電點為中心迅速向外傳播。脈沖放電沖擊波作用于頁巖儲層，主要有2方面的作用：

1）對頁巖儲層的致裂作用。所有材料都存在一定的力學(xué)強度，當沖擊波強度高于頁巖儲層的耐受程度時，就會造成儲層巖石斷裂，形成頁巖氣的流通通道[16,25]。如果頁巖儲層本身就存在一定的微裂隙，在沖擊波作用下，微裂隙將進一步延伸和發(fā)展并相互連通起來，形成一個大范圍的微裂隙通道。此外，頁巖儲層由很多復(fù)雜的、物理特性不同的礦物質(zhì)組成，在沖擊波作用下，各類物質(zhì)產(chǎn)生的振動加速度會有所差異，從而在各種介質(zhì)分界面上產(chǎn)生剪切應(yīng)力，導(dǎo)致連續(xù)介質(zhì)斷裂，形成可供頁巖氣流通的裂縫[28]。

2）對吸附態(tài)頁巖氣的解吸作用。頁巖氣儲層最顯著的特點是，大量頁巖氣以吸附態(tài)存在于干酪根和黏土顆粒表面，占比通常達到20%～80%[2]。頁巖氣的吸附普遍認為是物理吸附，即儲層和吸附在其上的頁巖氣通過范德華力建立吸附關(guān)系，其吸附平衡狀態(tài)受諸多因數(shù)影響。通過脈沖放電沖擊波的振動作用、加熱作用和電場作用，減小分子之間的范德華力，加劇甲烷分子的布朗運動，可使頁巖氣更容易從儲層表面脫離出來[24]。

2 脈沖放電沖擊波裝置的研制

針對頁巖氣儲層普遍埋藏較深、吸附態(tài)頁巖氣占比較大等特征，研制了適用于頁巖氣井下作業(yè)的脈沖放電沖擊波裝置，其基本電路見圖1，井下部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 脈沖放電沖擊波裝置井下部分的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of downhole part of shock wave device with pulsed discharge

脈沖放電沖擊波裝置工作時電源部分位于地面，其余部分下至儲層射孔段，二者通過電纜連接。該裝置設(shè)計最大儲存能量5 kJ，最高工作電壓10 kV，釋放電能的最大瞬時功率大于120 MW，放電頻率6～15次/min，單次入井的重復(fù)放電次數(shù)大于4 000次。該裝置的設(shè)計最大作業(yè)深度3 000 m，最高工作環(huán)境溫度95 ℃，最高工作環(huán)境圍壓30 MPa。

研制脈沖放電沖擊波裝置的關(guān)鍵在儲能方式、負載電極和高壓電容器等3方面，因此，從這3方面進行了研究設(shè)計。

2.1 儲能方式的選擇

按照儲能方式劃分，脈沖放電沖擊波裝置有地面儲能式和井下儲能式2種。

地面儲能式的優(yōu)點在于，變壓器和儲能電容器都位于地面，尺寸和工作環(huán)境不受限制，可以實現(xiàn)很大的充電電量。但它需要通過長電纜傳輸高壓大電流到達井下作業(yè)點，傳輸過程中能量損耗極大，因此只適用于較淺的油氣井[18]。

考慮頁巖氣井的井深普遍較深，該裝置采用了井下儲能式，將變壓器與整流器、儲能電容器、空氣開關(guān)和負載均置于井下。但是，井下空間狹窄，工作環(huán)境惡劣，脈沖放電沖擊波裝置入井部分只能是細長的圓柱形，外徑要小于井筒內(nèi)徑，并能承受井下幾十兆帕的靜水壓力。而且，由于井內(nèi)液體具有導(dǎo)電性，該裝置必須要做好絕緣防護。此外，由于放電產(chǎn)生的沖擊波對該裝置自身也會產(chǎn)生較強的振動作用，因此還必須保證該裝置自身的機械強度。

基于上述分析，脈沖放電沖擊波裝置井下部分全部封裝在外徑為102.0 mm的圓柱形不銹鋼外筒中，各節(jié)不銹鋼外筒之間通過螺紋連接，使其可以耐受30 MPa的靜水壓力；各組件通過聚醚酰亞胺（PEI）與不銹鋼外筒固定，使其在保證絕緣性能的同時，又具有較強的機械穩(wěn)定性。

2.2 負載電極的設(shè)計

利用脈沖放電沖擊波技術(shù)在頁巖儲層進行增產(chǎn)作業(yè)時，需多次反復(fù)脈沖放電，以達到更好的解除吸附效果。因此，要求負載電極具有很高的可靠性，能在井下承受上千次的脈沖放電。

基于上述原因，脈沖放電沖擊波裝置的負載采用一對金屬電極組成的水間隙，并將放電電極設(shè)計為圓錐形狀，以增強局部電場強度。進行井下作業(yè)時，上千次的脈沖放電會造成電極尖端嚴重?zé)g，導(dǎo)致電極間隙增大，從而削弱沖擊波強度，甚至導(dǎo)致脈沖放電失敗。為了減弱電極燒蝕的影響，改進了放電電極形狀，設(shè)計為尖–板形狀（見圖3）：上電極保持為圓錐形，可以產(chǎn)生較強的畸變電場；下電極設(shè)計為平板結(jié)構(gòu)，將因放電燒蝕而造成的間隙距離增長幅度減小了一半?，F(xiàn)場實際施工時，可根據(jù)不同的放電次數(shù)和強度需求，選用不同形狀的放電電極。

圖3 兩種形狀的放電電極結(jié)構(gòu)Fig.3 Two shapes of discharge electrode structures

此外，電極尖端材料采用了銅鎢合金（銅和鎢的質(zhì)量分別占20%和80%），使其兼具銅的韌性和鎢的耐燒蝕特性。

通過優(yōu)選電極的材料和優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，提高了脈沖放電沖擊波裝置負載電極的可靠性，單次入井能重復(fù)放電4 000次以上。

2.3 高壓電容器的設(shè)計

高壓電容器是脈沖放電沖擊波裝置的儲能元件，也是影響沖擊波強度的最重要元件。電容器的額定電壓越高、電容越大，則電容器可儲存的能量越大，但與此同時其體積也越大。因此，在一定尺寸的限制下，電容器的額定電壓和電容是一對相互制約、此消彼長的物理量：電壓較高、電容較小的電容器脈沖放電形成沖擊波的幅值較大，但持續(xù)時間較短，脈寬較窄，等效頻率較高；電壓較低、電容較大的電容器脈沖放電形成沖擊波的幅值較小，但持續(xù)時間較長，等效頻率較低。為增大沖擊波作用范圍，使其達到頁巖儲層深處，應(yīng)盡量選用頻率較低的沖擊波，即低電壓、大電容的電容器。此外，由于頁巖氣井井下壓力較高，若電壓過低，難以擊穿水間隙，大部分能量在預(yù)擊穿過程中被耗散掉，電容器儲能轉(zhuǎn)化為沖擊波能量的效率很低，因此，必須根據(jù)使用場景選擇適當參數(shù)的電容器。通過前期模擬計算和試驗觀測，最終確定儲能電容器的額定電壓為 10 kV，電容為 100 μF，最大儲能為 5 kJ。

早期的脈沖放電油氣增產(chǎn)裝置通常采用多只電解電容器串并聯(lián)的方式[18]，穩(wěn)定性不夠，不利于在井下長期工作。因此，本裝置將同軸式金屬化PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）薄膜高壓大電容的電容器與外徑為102.0 mm的不銹鋼筒固化為一體，在高溫條件下仍然具有較好的電學(xué)性能，可在環(huán)境溫度120 ℃下長期使用。為方便調(diào)節(jié)電容器的參數(shù)，實際加工的每只電容器的電容為50 μF，2只電容器前后相接并聯(lián)使用，電容即可達到設(shè)計的100 μF?，F(xiàn)場施工時，也可以根據(jù)放電參數(shù)設(shè)計的需要，使用一只或多只電容器。

3 脈沖放電沖擊波裝置的地面調(diào)試

脈沖放電沖擊波裝置研制完成后，在地面開展了一系列調(diào)試試驗，包括重復(fù)充放電試驗、解堵試驗和巖樣致裂試驗。

3.1 重復(fù)充放電試驗

將脈沖放電沖擊波裝置的開關(guān)和電極部分置于水箱內(nèi)，其余部分置于地面，通過臨時高壓線纜將電容器與開關(guān)連接，進行重復(fù)充放電試驗。采用RHS-10標準水聽器測量水中脈沖放電所產(chǎn)生的沖擊波幅值，水聽器探頭與放電中心的距離為5～25 cm可調(diào)。同時，采用TEK-P6015A高壓探頭測量放電開關(guān)高壓側(cè)的放電電壓，采用PEARSON4418羅氏線圈測量放電回路電流。在典型的放電參數(shù)（電容器電容 100 μF，充電電壓 8 kV，放電間隙 2 mm，間隙介質(zhì)電導(dǎo)率0.2 mS/cm）下，測得的波形如圖4所示（圖4中：U0為電容器充電電壓，U0=8.0 kV；I0為預(yù)擊穿階段的泄漏電流，I0=400 A；t1為水間隙擊穿的時刻，t1=62.4 μs；U1為水間隙擊穿時的電壓，U1=7.7 kV；t2為沖擊波傳導(dǎo)至測量探頭的時刻，t2=146.5 μs；Pm為沖擊波的最大幅值，Pm=3.1 MPa）。

圖4 脈沖放電沖擊波裝置的放電波形Fig.4 Discharge waveforms of shock wave device with pulsed discharge

由圖4可知，開關(guān)導(dǎo)通后，先經(jīng)歷預(yù)擊穿階段加熱水間隙，到t1時刻水間隙擊穿產(chǎn)生沖擊波，到t2時刻沖擊波傳導(dǎo)至測量探頭產(chǎn)生信號。放電現(xiàn)象和波形特征與實驗室條件下的脈沖放電波形一致，表明該裝置工作正常。

3.2 解堵試驗

進行解堵試驗時，在現(xiàn)場選取了一段長時間使用后的地面輸油管道，其外徑約13.0 cm，內(nèi)壁平均結(jié)垢厚度1.0 cm，以此來代替井下套管的結(jié)垢堵塞情況。將脈沖放電沖擊波裝置的負載電極置于油管內(nèi)部，然后整體置于水箱中，以8 kV的放電電壓和3.2 kJ的單次放電能量持續(xù)放電50次，放電前后油管內(nèi)壁的形貌如圖5所示。

圖5 油管放電前后的形貌Fig.5 Appearance of tubing before and after discharges

從圖5可以看出，放電點附近的結(jié)垢絕大部分被清除干凈。放電前后油管內(nèi)壁的變化情況從側(cè)面反映了脈沖放電沖擊波在井下具有解堵效果。

為模擬帶射孔的套管段，在油管表面切下直徑為20.0和30.0 mm不等的金屬層，保留其結(jié)垢層，模擬射孔結(jié)垢的情況，如圖6（a）所示。將脈沖放電沖擊波裝置的負載電極置于油管內(nèi)部并整體置于水箱中，以8 kV的放電電壓和3.2 kJ的單次放電能量持續(xù)放電10次，結(jié)果如圖6（b）所示。從圖6（b）可以看出，不僅放電點側(cè)方的孔洞得到了疏通，放電點斜上方最遠25 cm處的孔洞也得到了疏通，由此可見，對于射孔段套管結(jié)垢堵塞的情況，脈沖放電沖擊波能夠解堵除垢，且作用范圍較大。

圖6 帶孔油管放電前后的形貌Fig.6 Appearance of tubing with holes before and after discharges

3.3 巖樣致裂試驗

為了模擬井下高壓環(huán)境，將脈沖放電沖擊波裝置置于密封加壓倉內(nèi)，進行了圍壓下的放電試驗。密封加壓倉總長7.80 m，主體部分內(nèi)徑155.0 mm，可以容納該裝置的井下部分并施加最高100 MPa的靜水壓。密封加壓倉尾部（對應(yīng)脈沖放電沖擊波裝置放電窗口處）內(nèi)徑擴大到220.0 mm，可以放置試驗巖樣。

在脈沖放電沖擊波裝置周圍固定放置若干形狀不規(guī)則的砂巖、頁巖和碳酸鹽巖巖樣，密封加壓倉加壓至 30 MPa，以 9 kV 的放電電壓和 4.1 kJ的單次放電能量持續(xù)放電30次。放電前后各巖樣的外觀如圖7所示（圖7中：1號為砂巖巖樣，2號、5號、6號和8號為頁巖巖樣，3號、7號為花崗巖巖樣，4號為大理石巖樣）。

圖7 圍壓下放電前后的巖石樣品外觀Fig.7 Appearance of rock samples before and after discharges under confining pressure

對比發(fā)現(xiàn)：放電作用后，砂巖巖樣的尖銳邊角粉碎性脫落；頁巖巖樣局部巖石碎片沿著原來層狀分界線掉落；花崗巖巖樣的尖銳邊角，在沖擊波震動作用下呈現(xiàn)出因碰撞而斷裂的特征；大理石巖樣因質(zhì)地比較堅硬，放電后沿初始薄弱帶斷裂為3截，其余地方無明顯變化。上述試驗現(xiàn)象表明，在30 MPa環(huán)境壓力下，脈沖放電沖擊波仍然具有一定致裂巖石的作用。

同時，試驗中也發(fā)現(xiàn)，當充電電壓小于7 kV時，在30 MPa環(huán)境壓力下無法正常脈沖放電，即電壓無法擊穿水間隙，全部能量用于加熱液體而耗散掉。這也進一步表明，脈沖放電沖擊波裝置將最高充電電壓設(shè)定為10 kV具有合理性。

4 脈沖放電沖擊波裝置的井下試驗

考慮油井井況相對頁巖氣井較為簡單，同時脈沖放電沖擊波技術(shù)在油井中的應(yīng)用也相對成熟，在完成脈沖放電沖擊波裝置地面調(diào)試后，在油井中開展了井下試驗，以進一步驗證該裝置的可靠性和增產(chǎn)效果。

選用新疆油田一口處于長期關(guān)井狀態(tài)的老舊生產(chǎn)井進行井下試驗。該井在完井初期作為注水井使用，后轉(zhuǎn)為油井生產(chǎn)，儲層為砂礫巖，井深1 527 m，射孔段累計長度21.50 m，射孔段圍壓約 16 MPa。

由于供液通道受阻，該井在施工前的近100 d時間內(nèi)僅有12 d有產(chǎn)液記錄，平均日產(chǎn)液量1.29 t，含水率52.2%，平均日產(chǎn)油量0.62 t。初步分析診斷認為，油水通道內(nèi)結(jié)垢，堵塞比較嚴重，適合采用脈沖放電沖擊波技術(shù)進行解堵增產(chǎn)。采用研制的脈沖放電沖擊波裝置進行解堵作業(yè)，放電電壓設(shè)定為9 kV，單次放電能量為4.1 kJ，放電頻率為11次/min，井下累計放電3 300次。采用脈沖放電沖擊波裝置解堵后，該井平均日產(chǎn)液量 4.22 t，日產(chǎn)油量 1.84 t，含水率56.4%，放電前后含水率變化不大，產(chǎn)液量和產(chǎn)油量比解堵作業(yè)前分別提高了227%和197%，取得了較好的增產(chǎn)效果。

井下試驗結(jié)果表明，脈沖放電沖擊波裝置可以在油井中穩(wěn)定、可靠地工作，并且具有一定的增產(chǎn)效果，具備進一步在頁巖氣井中試用的條件。但是，對頁巖氣的增產(chǎn)效果還有待于進一步驗證。

5 結(jié)論與建議

1）針對頁巖氣儲層普遍較深、吸附態(tài)頁巖氣占比較大等特點，研制了適用于頁巖氣井井下作業(yè)的脈沖放電沖擊波裝置。該裝置包括位于地面的電源系統(tǒng)和位于井下的儲能、放電系統(tǒng)，井下部分被封裝在外徑為102.0 mm的不銹鋼外筒內(nèi)，具有較好的絕緣性能和機械強度。該裝置的最高電壓和最大儲能分別設(shè)計為 10 kV 和 5 kJ，井下重復(fù)放電 4 000 次以上。

2）地面調(diào)試試驗表明，脈沖放電沖擊波裝置工作穩(wěn)定性好，具有解堵疏通、致裂巖石的效果。井下試驗表明，產(chǎn)液量和產(chǎn)油量比施工前分別提高了227%和197%，取得了較好的增產(chǎn)效果。

3）理論研究認為，利用脈沖放電沖擊波技術(shù)對頁巖氣井進行增產(chǎn)具有可行性。研制的脈沖放電沖擊波裝置在油井中可取得較好的增產(chǎn)效果，但其對頁巖氣井是否有增產(chǎn)效果還有待于進一步驗證。

4）建議盡快在頁巖氣井進行脈沖放電沖擊波裝置增產(chǎn)試驗，同時進一步深化理論分析和試驗研究，尤其應(yīng)加強脈沖放電沖擊波對吸附態(tài)頁巖氣作用機理和效果的探索。