煤层气井脉冲压裂技术研究现状

(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)

随着世界经济的发展，对能源的需求量逐渐增加，而常规的油气资源在日益减少，很多国家都在努力寻找可以替代的能源，填补常规油气资源的缺口。煤层气是一种优质、洁净的能源，而且资源储量丰富，合理地进行开发，可以减少对常规油气资源的依赖，同时减少了煤矿瓦斯事故所带来的灾害。根据最新数据显示，俄罗斯、加拿大、中国、美国及澳大利亚5个国家的煤层气资源储量居于世界前5位，如表1所示，很多国家都已经展开了对煤层气开发的研究工作，并实现了煤层气的开采[1-2]。

表1 世界主要煤层气资源分布(据国际能源机构IEA，2017)

目前，主要采用水力压裂技术来提高煤层气井产量。1947年，Stanolind公司在美国Kansas西南部的Hugoton油田进行了第1次水力压裂试验。1949年，哈里伯顿公司在美国Oklahoma和Texas两地进行了第1次商业性的压裂作业。此后，全球的勘探与生产公司开始广泛采用该技术以提高或延长油井产能。由于水力压裂的局限性，各国逐渐开始研究新的压裂技术，脉冲压裂就是其中的一种。脉冲压裂主要是依靠气体爆炸、高能粒子产生的脉冲能量，或者机械式结构产生脉冲能量来实现压裂。现有的脉冲压裂技术主要分为高能气体脉冲压裂、等离子脉冲压裂、金属丝电爆炸压裂以及机械式脉冲压裂。

1 高能气体脉冲压裂技术

1947年，美国人Henry Mophaupt将喷气技术引入油气开采工业；1965年，Henry H. Mohaupt等人在油层爆炸水力压裂激发方法中提到了一种通过爆炸气体形成的地层压力脉冲进行压裂的方法[3]；1987年，美国气体研究所和美国能源部一起赞助J.F.Cuderman等人，在美国桑迪亚实验室进行模拟试验及理论研究，确定了产生径向裂缝的增压时间关系式[4]。我国于1984年开始对这项技术进行研究，并已形成初步成果，基于现场配制的液体药高能气体压裂技术也在研究和试验中。2010—2011年，在中石油某煤层气区块选择了部分井进行了探索试验及应用，煤层气产量从500 m3/d提高到1 450 m3/d，产能增加2.9倍[5]。

高能气体脉冲压裂工艺管柱的主要结构如图1所示。将多种压裂爆炸物以一定的比例混合，通过传输装置送入到指定位置，点燃爆炸物，会产生高温、高压的气体。控制气体释放的间隔，使得高温、高压气体被有序释放。首先，在目的层段产生第1个峰值压力，其压力远高于地层破裂压力，从之前射孔的位置进入，冲破煤层形成微小裂缝；之后，第2个和第3个峰值压力依次进入，进一步拓展裂缝，最后形成复杂的裂缝网络。

1—第1封隔器；2—减震器；3—油管；4—点火装置；5—泄压和传火组件；6—第1燃气发生器；7—延时传火装置；8—第2燃气发生器；9—射孔压力计；10—第2封隔器。

2 等离子脉冲压裂技术

等离子脉冲压裂的原理是将等离子脉冲发生装置通过连续油管下放到目标煤层，地面操纵控制器产生周期性的高能等离子束。高能等离子束通过射孔孔眼击穿煤层，形成多条裂缝，并与煤层的天然裂缝连通，极大地提高了煤层的渗透率。等离子脉冲压裂是一种全新的煤层气井开采技术，能够提高煤层气的产量和注水量。它具有以下优势：

1) 环保洁净，不需要使用化学产品，无污染。

2) 在油田开发中后期，对高含水储层，增产效果同样显著。

3) 适用于多种复杂储层的增产作业。

4) 设备轻便，能耗小，效率高，操作安全性高。

等离子脉冲压裂技术是2003年由俄罗斯NOVAS公司开发。该技术适合煤层气井的开采，能够有效提高煤层气的产量。2009年，西西伯利亚油田应用等离子脉冲压裂技术，日产煤层气22 t，含水率26.7%，并且持续生产超过1 a，增产十分明显。2013年，华东石油局的煤层气井应用等离子脉冲压裂技术，日产煤层气2.7 t，含水率46.7%，增产同样很明显。2014年，苏权生对等离子脉冲压裂技术的特点进行了总结[6]。

3 金属丝电爆炸压裂技术

2010年以来，西安交通大学邱爱慈院士团队在国际上首先提出采用基于脉冲功率技术的重复可控强冲击波激励煤层的构想[7]，研制了可用于煤层气井开采的脉冲冲击波产生装置。该装置以脉冲功率技术为基础，利用水中金属丝电爆炸，产生高能量的等离子体，使放电通道快速膨胀，从而推动水形成脉冲波。这一技术的产生，为煤层气井的开采提供了新思路。该技术具有对储层伤害低，污染小，开采经济性高等优势，使得金属丝电爆炸技术可能成为未来的煤层气井开采的主要技术。

2012年，以色列理工学院的研究人员初步探索了电热化学法对于提升冲击波能量的效果，通过在放电水介质中添加0.1 μm和11 μm的铝粉，形成悬浊液，可大幅度提升冲击波强度[8]。

2015年，西安交通大学周海滨等在金属丝外围包覆含能材料，被加热的金属丝首先引爆含能材料。含能材料快速爆炸，产生更强的水中冲击波，有望在煤层气开采等应用中产生更好的经济效益[9-12]。通过试验，他们发现包覆含能材料的水中金属丝电爆炸能够产生更大能量的脉冲，比水中金属丝电爆炸要大得多。同时，能够最快击穿煤层，产生有效裂缝。

2017年，中国石油大学(北京)刘奔等研究了水温度对冲击波的影响[13]。水温在25～75 ℃，水的压缩性基本保持不变。对于0.2 mm的铜丝，水温在75 ℃时放电的峰值电压比水温在25 ℃时放电的峰值电压大，电流略微下降，峰值电阻更高，更多的能量沉积在汽化过程，但产生的冲击波峰值压力降低了。作者认为，是温度升高导致水的热导率升高，放电过程中有更多的储能转移到周围水介质中。刘奔等还研究了水的电导率对冲击波的影响，对比了电导率为0.5 mS/cm的测试水和电导率为10 mS/cm的盐水在不同铜丝直径及不同电容下的峰值电流、峰值电压、峰值压强[13]。高电导率的盐水对汽化过程的电压和电流的影响十分明显，峰值电压会显著下降,峰值电流略微增加，沉积能量降低，产生的冲击波峰值压力也降低，这种现象可以用放电通道电阻的变化来解释。铜丝在汽化过程中，电阻逐渐增大，当电阻达到一定值时，高导电的水介质的分流效应不可忽视，此时，电流并不是完全通过金属丝。即储存的能量不会完全沉积在金属丝上，周围的盐水也会消耗能量。

4 机械式脉冲压裂发生器

1973年，Clarence W. Brandon等人[14]发明了一种通过机械振动方式产生水力脉冲的装置，用于处理油井，可在压裂、固井及钻井等工艺中使用；1988年，Duane C. Uhri等人研究了一种多级连续压裂工艺，其中，控制脉冲压裂(CPF)与同一井筒中的水力压裂相结合，由控制脉冲压裂产生多个径向垂直裂缝之后，在随后的水力压裂过程中，可固化凝胶材料被引导到所形成的裂缝中。在这一过程中，多个垂直水力裂缝在控制脉冲压裂过程中产生，并扩散开来，从而使井筒与所需的自然资源相连通[15]；1993年，Alfred R. Jennings等人[16]提出了一种利用2口井与控制脉冲压裂相结合，通过水力压裂创造和延伸多个垂直径向水力裂缝的方法。首先，在1个地层中钻好第1和第2口井，以便在之后的每口井压裂后，这些井将通过流体连通。随后，通过在第2口井中进行控制脉冲压裂方法产生的能量，在地下地层中形成多个垂直径向裂缝。这些裂缝的长度较短。然后，在第1口井进行水力压裂作业，导致在储层中形成水力裂缝。在这一过程中，多个垂直裂缝在控制脉冲压裂产生的裂缝中扩散开，从而使第2个井筒裂缝系统与第1个井筒的裂缝系统进行流体连通，提高压裂效果。2010年，David John Kusko等人[17]发明了脉冲压裂钻井(PFD)装置的流动液压放大装置，可进行脉冲压裂作业，疏通动脉，打开地下储层，还可在井下产生用于地震目的的大脉冲。

在最近的几年，脉冲压裂发生器的研究也有很大的进展。2015年，重庆地质矿产研究院李少荣等[18]发明了一种井下水力脉冲分段压裂增渗装置及方法，如图2所示。此装置利用压裂液推动滑套-弹簧进行往复运动，产生水力脉冲，击穿岩石，形成复杂的网状裂缝，能够提高煤层气的渗透率。

1—缸体一；2—芯轴；3—滑套；4—喷嘴；5—密封圈一；6—密封圈二；7——缸体二；8—弹簧；9—接头。

2017年，中南大学曹函等[19]发明了低渗储层可调频脉冲水力压裂改造装置，能实现密封-压裂-解封一体化作业。

2017年，西安石油大学聂翠平等[20]发明了一种油气井水力压裂井下低频水力脉冲发生装置，如图3所示。此装置利用压裂液推动复合锥台活塞-弹簧做往复运动，产生水力脉冲，脉冲频率在10 Hz左右，提高压裂的效果。

1—上接头；2—缸体；3—复合锥台活塞；4—通孔；5—弹簧；6—支撑座；7—下接头。

5 结语

针对煤层气井，介绍了4种脉冲压裂技术。目前，高能气体脉冲压裂技术和等离子脉冲压裂技术都已经在煤层气井的开采中应用，压裂后增产效果十分显著。金属丝电爆炸压裂技术和机械式脉冲压裂发生器还都处于理论研究阶段。虽然这2种压裂技术的研究起步较慢，但有着很大的优势。金属丝电爆炸技术产生的脉冲能量高，对煤层伤害小；机械式脉冲压裂发生器可以在深井下进行压裂作业，能量损耗小，节约资源。相信这2种技术在未来的煤层气井的压裂作业中会成为主要压裂技术。