煤层气井高能气体压裂器性能测试系统的研究

马铁华,崔春生,肖文聪

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051)

煤层气井高能气体压裂器性能测试系统的研究

马铁华1,2,崔春生1,2,肖文聪1,2

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051)

由于煤层气赋存的地质特殊性,高能气体压裂技术应用于煤层气井增产需要进一步优化。煤层气井高能气体压裂器的研制开发,以及压裂工艺优化设计必须有基础数据作为支撑,建立煤层气井高能气体压裂器性能和机理研究的信息获取平台,设计了压裂多参数测试和校准系统,测试系统测量压力范围达到环空0～210 MPa,枪内0～1 000 MPa,工作温度-20～150℃,校准系统实现模拟井下高温(150℃)、高压(静压50 MPa,动压150 MPa)的测试环境。结合环空压力测试仪实测数据分析了煤层气井高能气体压裂的作用过程,表明此高能气体压裂器性能测试系统适于压裂器性能优化和动态参数获取。

高能气体压裂器;煤层气;信息获取系统;动态测试

为提高低渗煤层气井的产能,必须在煤层中压裂出长度较大、连通性较好的裂隙系统,以便形成工业性气流。由于煤储层不同于常规砂岩储层,具有低杨氏模量、高泊松比、高滤失等特点,所以煤层气井的压裂工艺设计和施工都较难实施。中国煤层气具有“高储低渗”特点,渗透率小于 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],因而开发难度较大。

由于煤层气赋存地质特殊性,高能气体压裂技术应用于煤层气井的增产还不够成熟。因此笔者着眼于建立煤层气井高能气体压裂器性能和机理研究的信息获取平台,测试高能气体压裂煤层过程关键参量的基础数据,为煤层气高能气体压裂工艺设计提供更为精确的技术支撑。

1 压裂器工作原理及系统总体设计

高能气体压裂增产的机理主要借助火药产生的高压气体对井下岩石进行作用,沿射孔孔眼压裂多个径向裂缝,并由这些裂缝贯通连接更多的天然裂缝[5-7]。井下射孔/压裂过程是火工品按照特定的传爆序列爆炸燃烧,在井下环空形成动态压力脉冲。射孔弹引爆之后,炸药爆轰形成高速金属射流,金属射流穿透射孔器和套管,进入地层,建立起地层和井筒之间的通道。复合射孔器内装药同时被点燃,但是燃烧速度相对较慢,产生一个持续时间较长的压力脉冲,脉冲应力波从井眼向外传播,液体(气体)侵入近井的地层和孔隙,随着井眼压力增加,沿射孔孔眼扩展多条裂纹,裂解贯通天然裂缝,消除射孔压实损害,达到增产的目的[8-9]。

高能气体压裂岩层是综合多个物理化学作用的过程。该过程中井下环境参数变化剧烈,动态压力30～140 MPa,压力上升时间小于10 μs,冲击加速度达到几万克,如果药量控制不好有可能发生炸毁井壁、炸断枪身等事故,造成较大经济损失。为获取这种工艺过程的作用规律,必须在机理研究的基础上建立完善的测试平台,用获取的第一手资料优化设计。

射孔枪内测试系统中,导爆索将射孔弹按螺旋状连接起来,两发射孔弹间导爆索长度约80 mm,可根据爆速计算出相邻两发聚能射孔弹起爆时间间隔为10.56 μs。通过计算可知,射孔弹起爆点和爆炸结束点距离约为 10 mm,取常规黑索金(RDX)爆速8 000 m/s,可知单发射孔弹由导爆索点燃到爆轰结束约需要5.3 μs。工程上采样频率取理论值的7～10倍,即要准确获取射孔器内爆炸时压力快速变化过程,射孔器内测试系统的采样速度应达到2 MSa/ s。

油气井射孔/压裂测试环境狭窄恶劣,测试仪器受到高温(150℃)、高压(静压 50 MPa,动压200 MPa)、高冲击(50 000g)等因素剧烈影响。为实现恶劣环境下数据的可靠存储,提高系统整体的抗高冲击是前提。采用真空灌封技术增强电路抗冲击性能。现根据压裂器内实际结构和尺寸,设计压裂器测试系统结构如图1所示。

图1 测试系统与射孔器总体装配结构Fig.1 The test system and perforating gun assembly structure

2 井下动态信息获取系统的设计

2.1 环空多参数测试仪的设计

环空测试系统的关键设计包括:采样策略的选择、负延迟技术的运用以及系统装置的防护。

由于系统整个采样过程存在测试时间长、下井过程数据变化缓慢、射孔数据变化迅速(毫秒级)、压力恢复时间较长等特点。为防止数据冗余、降低功耗,实时调整采样频率及触发点的判断是完整记录一条射孔、压裂压力变化曲线的关键。系统实现自适应采样策略以“低速(1 Hz)—高速(125 kHz)—中速(500 Hz)”的方式采集数据,根据下井及射孔过程的信号变化特点,实现系统的自适应变频采样[10]。表1是环空多参数测试仪的性能指标。

表1 油气井多参数测试仪性能Table 1 Performance parameters in multi-parameter tester

2.2 射孔枪内压力测试仪设计

2.2.1 射孔枪内压力测试仪结构设计

复合射孔器内压力信息获取过程中,环境存在动态高压、飞片、高温、碰撞以及冲击波的强烈作用[11-12]。本文要设计的射孔枪内动压测试仪是在不对射孔器本身结构进行任何修改情况下,可以安装在射孔器内任一射孔弹所在的位置进行地面或井下信息获取的测试装置,属于爆炸近场测试。

根据资料,射孔时射孔器内压力在200～1 000 MPa[13-16]。为此,所设计的壳体须能够承受1 000 MPa的压力,这样能够满足一般射孔条件下射孔器内压力变化信号的采集。

常规102型射孔器相关结构尺寸如下:射孔器内径82 mm,外径102 mm;穿弹孔直径52 mm,弹架直径62 mm。

壳体设计时要保证2点:① 测试系统的直径小于射孔弹安装孔,保证测试仪能直接放在弹架射孔弹位置上;②能够横向放置在射孔器内。其机械结构及装配示意如图2所示。

图2 射孔器内压力测试仪机械结构及安装示意Fig.2 Mechanical structure of perforator internal pressure tester and the installation instruction

2.2.2 射孔枪内压力测试仪性能设计

枪内压力测试仪由传感器、信号调理电路、微处理器、电源管理电路和采样存储电路构成[17-18]。传感器获取压力信号,经滤波、放大电路,在微控制器CPLD的控制下经AD采集,存储到存储器。利用计算机通过USB通信接口对存储器实现读数分析、处理和报表打印等。枪内压力测试系统完成对射孔过程中射孔器内压力变化的采集存储,对采集数据回放、分析和处理。其主要性能参数见表2。

3 地面模拟平台设计及原理

测试精度是动态测试的关键问题,恶劣环境下动态参量测试过程中,测试系统会对测试环境(温度、加速度等)激励产生误差响应,称为环境因子。为了确保测试结果的准确、可靠,减小测试环境对测试系统精度的影响,为压裂器设计提供实验环境,现根据环境因子校准理论研制了“高能气体压裂器性能测试平台”,变野外现场实验为室内实验考核,缩短仪器设备研制周期,提高研制质量,其结构如图 3所示。

表2 射孔器内压力测试系统性能Table 2 Performance parameters in perforator internal pressure test system

图3 油气井模拟实验装置的总体系统结构Fig.3 Overall system structure of oil and gas well simulation experiment device

该模拟实验装置主要由以下几部分组成:

(1)高温、超高压容器。此容器的工作静压力最高为50 MPa(表压),承受的脉冲压力峰值最高为150 MPa(表压),工作温度最高为150℃。

(2)高能气体双脉冲发生器。能够产生峰值达到150 MPa(表压),时间间隔为毫秒级的高能气体双脉冲压力信号。

(3)泵站、油路系统。用来向容器内输送传压介质,提供容器内常压至50 MPa(表压)的压力值要求。

(4)加热系统及保温措施。采用电阻丝对容器加热,采用温控系统对加热和整个实验过程中的温度进行控制,对容器包覆保温层。

(5)标准压力检测系统和脉冲控制及P-t特性检测、记录系统。前者对多参数测试系统的压力传感器进行动态特性检测和标定,后者包括3个经过溯源性校准的标准级压力传感器,其后连接有3个高精度电荷放大器和高精度瞬态波形记录仪记下3个标准P-t曲线,取其均值作为真值,实现对多参数测试系统进行与实际使用环境相同的高压、高温条件下的动态校准。模拟井下环境试验平台实物如图4所示。

实验时,将多参数测试系统编程设置并上电,使压力传感器的传压孔和3个标准压力传感器孔相对,固定被校测试系统,密封模拟油井。在双脉冲压力发生器中分别放入发射药,通过泵路给模拟油井内部加静压并对主体部分升温,达到预定初始压力和温度后,通过定时系统对双脉冲压力发生器点火,多参数测试系统触发并记录下压力变化曲线。同时,计算机采集卡记录三路标准P-t曲线,取其均值作为真值,对多参数测试系统进行校准修正,实现一次对多参数测试系统进行与实际使用环境相似的压力、温度条件下的动态校准。在不同温度下对多参数测试系统进行多次校准,分别求出各温度下系统灵敏度[19-20]。

经过多次实验,得出用模拟油气井装置测得的校准曲线如图5所示,红色曲线是3个标准压电传感器测得数据的平均值。蓝色曲线是P-T仪测得的数据。两条曲线的相关性是0.999。由3个标准压电传感器测得的数据处理,可知标准系统的最大峰值伸展不确定度为0.092 MPa。该灵敏度是经过模拟应用环境校准,修正了系统的温度效应的修正值。

4 压裂器井下实测与分析

采用本设计测试系统在煤层气井共进行了4次测试,均可靠采集到数据,图6是典型的实测曲线。该煤层埋藏较浅,渗透率较低,含气量较高,拟采用复合射孔对煤储层进行改造,通过实测该井压裂过程的动态数据来评价和分析作用效果。埋深 420～1 000 m,煤层厚度6 m,渗透率0.01×10-15～1.0× 10-15m2,解吸压力2.5 MPa,含气量10.8 m3/t。

图6 某煤层气井下复合射孔实测曲线Fig.6 Composite perforating measured curves in a coal-bed methane well

采用内置式复合射孔器,射孔器每米16发射孔弹,相位90°,每发弹装药28 g RDX,射孔直径12～16 mm,射孔深约1 m。射孔层位深度1 150 m,井内液体为清水。射孔器总长3 m,内部装压裂药为固体推进剂,总质量为3 kg。套管内径124.26 mm,壁厚7.72 mm。

井内液体产生的静压为11.5 MPa。由图6可知,复合射孔过程从时间上可以分为2个部分。开始的部分t1脉冲是雷管起爆后,射孔弹内部炸药爆炸生成的气体在射孔器内部多次冲击反射并冲出射孔孔眼到达环空液体中,形成不平衡的动态压力脉冲。这个过程可以称为射孔过程,压力峰值达到60 MPa,持续时间约为0.8 ms。

该射孔过程完成后到t2时刻,复合射孔器内部火药被点燃,爆燃的火药产生大量高温高压气体,该压力使射孔器内部和外部压力迅速升高,由曲线可以看到燃烧持续时间10 ms,峰值压力达到20 MPa。本次施工的压裂峰值相对砂岩等含油层来讲偏低很多,主要原因是煤层硬度低、脆性大,容易起裂,同时在爆燃过程煤层中端、面割理使高能气体大量滤失,使得峰值压力较低。

5 结 论

(1)高能气体压裂器性能测试系统设计方案有效,设计由环空多参数测试仪和射孔枪内压力测试仪组成,主要测试环空压力、温度、加速度以及射孔器内的压力等参数,这些参数对于分析高能气体压裂器性能、研究压裂机理,从而优化开采工艺是非常关键的。

(2)通过井下实时实况测试的典型数据可以看出,受煤层特殊的地质构造的强烈影响,煤层气井压裂的峰值压力偏低为20 MPa,持续时间较短,小于10 ms,可进一步提高压裂规模和效果。

(3)针对煤层气的特点,应以大量实测性能参数为依据,进一步开展增大压裂规模、裂缝延伸和不闭合条件等研究,对探索适合我国煤层气经济开采的有效技术具有重要意义。

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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 责任编辑:常 琛

山西省煤层气联合研究基金资助项目(2013012010);2014年山西省回国留学人员科研资助项目(2014-052)

马铁华(1964—),男,山西交城人,教授,博士生导师。Tel:0351-3922132,E-mail:matiehua@nuc.edu.cn

马铁华,崔春生,肖文聪.煤层气井高能气体压裂器性能测试系统的研究[J].煤炭学报,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