重复脉冲强冲击波技术在煤储层改造中的初步应用

郭智栋 曾雯婷 方惠军 葛腾泽 韩 军 蔺景德

（1 中石油煤层气有限责任公司工程技术研究院；2 中石油煤层气有限责任公司）

0 引言

基于国内煤储层的物性条件，中国煤层气开发必须进行压裂改造才能获得工业气流[1]。考虑到储层伤害，煤层气压裂主要采用活性水、滑溜水等压裂液体系。但由于体系黏度低，悬砂性能不好，为了满足加砂施工要求，过程中以提高排量来实现携砂。受煤层厚度薄、煤岩与顶底板应力差小等因素的影响，大排量压裂施工导致缝高失控和窜层问题突出，裂缝沿煤层有效延伸距离不够，压裂效果不佳[2-4]。

煤层气开采的渗流通道要充分利用煤岩割理系统，即面割理和端割理。水力压裂形成的主裂缝主要受应力控制，一般形成平行于最大主应力方向的单一或多条裂缝。但压裂改造并不能增大煤岩基质渗透率，人工裂缝只能部分沟通煤岩的面割理系统，煤岩的孔隙、端割理和部分面割理多数未形成连通。因此，如何有效沟通这些孔隙、裂隙，最大限度释放甲烷的技术研究成为煤层气产量飞跃的关键[5-6]。

冲击波是通过能量转换器在井筒内以液电效应将电能转换成机械能，并作用于储层达到储层改造目的。前苏联是将冲击波技术用于油田增产的先驱，其采用冲击波增产措施的有效率为87.5%。由于中国煤储层物性较差，该技术引进后除了初期试用外，后期再无应用。2010年以来，西安交通大学邱爱慈院士团队首先提出基于脉冲功率技术激励煤储层的设想，通过一系列工程试验与探索，确立了煤层气井强冲击波煤储层增渗作业的工艺基础，初步验证了该项原创性技术在煤储层增渗的可行性，展示出增产解堵效果以及煤储层无伤害等方面的技术优势[7-12]。秦勇等研究人员在室内利用实验装置对冲击波煤岩增渗的作业机理、冲击传播、裂缝演化过程等做了大量研究工作，从基础实验角度证明了技术的有效性。现场试验方面虽取得部分成果，但仍需要开展大量研究[13-16]。

1 冲击波改造煤储层的原理及适用条件

1.1 技术原理

冲击波技术是在饱和水煤储层中进行高电压脉冲放电，通过液电效应将高功率电磁能量转换为冲击波能量，利用液体和固体介质的动态击穿场强存在差异，即当一高能量短脉冲施加于液体—固体界面时，固体介质表面比液体更容易发生击穿，从而实现对岩石的破坏和碎裂，是一种基于物理原理的增渗技术。脉冲式冲击波所产生的重复加载应力主要集中在煤体缺陷处，新生冲击裂隙主要追踪原有裂隙进一步扩展，相关理论已在室内实验中得到很好的验证。重复脉冲强冲击波激励煤储层的技术原理为：

（1）在冲击载荷作用下，煤岩断裂强度和疲劳强度明显小于静态，当冲击波峰值压力超过煤岩疲劳强度时，会造成新的裂缝，即造缝作用。

（2）冲击波在煤储层不同位置上，压差的方向和大小交替变化，使流体克服束缚滞留效应，由滞留区向排液活动区流动，有利于地下水的重新分布、聚集和排出，提高流体的流动性。脉冲放电在煤储层中产生的强电磁或弹性波场，可以改变煤储层表面静电场的分布，减少气水流动阻力。

（3）煤岩中不同界面之间的冲击波速度、加速度的差异，导致煤—煤、煤—水和气—水界面产生较强剪切力。弹性冲击波对煤储层裂缝的重复压缩—扩张（挤压—松弛）作用将裂缝内固态颗粒逐步排出渗流通道，空化作用可以松动煤储层裂隙中堵塞物并将其抽吸、推挤到井筒，起到解堵作用。利用该机理对煤层气老井进行解堵，已在现场应用中取得一定效果[9]。

本文重点探讨重复脉冲强冲击波技术在煤储层增渗方面的作用。

1.2 适用条件

重复脉冲强冲击波技术在基础理论和室内实验已经取得成果，但现场的成功实施需要充分结合煤储层特点和现场的工艺条件，因此应从以下几方面考虑：

（1）基于改造煤岩原生裂缝系统（面割理和端割理）的重复脉冲强冲击波技术应用，需要考虑尽量减少井筒及近井地带的煤体缺陷带来的冲击波能量损耗。根据工程实践，由于煤岩质软，压裂改造的冲刷作用容易在井筒周围形成大的空洞，有的甚至被压裂砂填充，造成冲击波能量在井筒周围出现大幅衰竭，影响工艺实施效果。另外，冲击波产生的新生裂隙主要追踪原有裂缝进一步扩展。压裂裂缝会诱导冲击波能量集中于对已有裂缝的延展，而减弱对煤岩原生裂缝系统的增渗。因此，利用冲击波的造缝作用改造煤岩基质渗透性，更适合应用于未压裂井。

（2）高电压脉冲放电需要有良好介质，冲击波在煤岩中传播时，如果孔隙和裂隙没有导电介质，显然不利于冲击波的传播。含水煤层较适合于冲击波技术的应用。对于部分低含水煤层，在工艺实施过程中可以辅助以低压注水（盐水），提高裂隙导电性能。

（3）为了保证冲击波的作业效果，最大限度改造煤层，应选取质硬煤，便于冲击波传播。在选层过程中，选取泊松比小、杨氏模量高的煤储层进行作业；井筒方面需考虑井筒稳定性和固井质量等因素。

2 重复脉冲强冲击波技术现场试验及效果分析

2.1 试验方法

考虑到冲击波的适应条件以及中石油煤层气有限责任公司所属区块的储层物性，选取HC-X3井（11号煤层）进行冲击波作业，射孔段为702～705m，该井未进行过压裂改造，挑选井眼稳定性好、固井质量好的井段实施作业。

作业前后分别设计小型注入压降测试和压力计监测，定量评价储层渗透率改善程度。冲击波作业过程中，在井筒灌入2%KCl溶液，保持液柱压力，促进冲击波增渗。考虑到HC-X3井煤层含水饱和度低，作业过程中增加脉冲式注水，即先进行冲击波改造，然后保持井口在一定压力下脉冲式注水。本次施工主要分为两个阶段：第一阶段，沿煤层段分3个作业点完成20次冲击波作业，然后脉冲式注水24次；第二阶段，集中在射孔井段平均分布完成40次冲击波作业，然后脉冲式注水12次。共计完成冲击波作业60次，脉冲式注水36次，累计注入7.0m3的2%KCl溶液。全程进行井下压力监测，获得3段压力恢复数据用于试井解释。两次试验阶段的注入情况如图1所示。

图1 HC-X3井脉冲注水曲线Fig.1 Pulse injection curve of Well HC-X3

2.2 试验效果分析

脉冲式注水包括多次注入和停注阶段，注入过程中压力迅速上升，停注后压力降落，当停注时间较长时压力降落测试数据较多，能够满足试井解释要求。选取压降数据录取较好的曲线段（第一阶段②段和第二阶段③段压降数据），均采用“有限导流裂缝+双孔拟稳态+无限大边界”煤层气模型进行试井分析[17-20]，曲线拟合结果如图2和图3所示。

通过拟合HC-X3井两个阶段的压力测试曲线，解释得到储层渗透率和外推地层压力参数，如表1所示。

从表1中的参数解释结果看，随着作业次数的增加，储层渗透率略有增加，增加幅度为17%。同时分析注水压降过程，对比3个长压降曲线（图4）发现，随着冲击波作业次数增加，第①段和第②段压力降落明显用时更短，说明冲击波作业改善了煤层的渗透性。

图2 HC-X3井第一阶段试井解释曲线Fig.2 Well test interpretation curves of Well HC-X3 1st test stage

图3 HC-X3井第二阶段试井解释曲线Fig.3 Well test interpretation curves of Well HC-X3 2nd test stage

表1 HC-X3井注入压降解释评价结果Table 1 Injection test analysis results of Well HC-X3

图4 HC-X3井压降曲线Fig.4 Well HC-X3 pressure drop curve

不同压降阶段的压力变化和压降速度等参数如表2所示，对比压降速度可以发现，随着冲击波作业次数的增多，压降速度有了显著的提高，综合曲线形态及统计参数的认识，认为冲击波有效增加了煤岩割理系统的连通性，提高了储层的渗透率。

表2 HC-X3井注入压降速度变化情况Table 2 Pressure drop rate of injection test on Well HC-X3

3 冲击波作业井的生产效果

3.1 HC-X3井生产效果

采用油管压裂方式对HC-X3井进行压裂施工，区别于该区块其他井，该井压裂施工平稳，静压力波动较小，达到较好压裂改造效果。该井压裂完成后开始投产，排采曲线如图5所示。该井排采12天后见气，说明煤岩基质孔隙、裂隙与压裂裂缝形成有效沟通，达到预期效果。目前套压较高，产气量为400m3/d，综合分析该井产气量有望达到1500m3/d。

图5 HC-X3井排采曲线Fig.5 Well HC-X3 production curve

冲击波煤层改造技术是以不破坏煤岩结构、沟通孔隙与割理系统的增产技术。改造所达到的效果不能明显体现在注入压降试井解释结果中，而是直观反映在压降速度这一参数。由于HC-X3井没有进行压裂改造，产能未能及时释放，所以冲击波改造成果也不能及时体现。这表明，重复脉冲强冲击波技术需要辅助水力压裂才能实现更好的储层改造效果。

3.2 HQ-X2井生产效果

为了研究冲击波增渗技术在含水煤层的适应性，2016年11月选取另一区块HQ-X2井进行试验。该区煤储层渗透率较高，产水量较大，煤层含水。作业过程中，设计了前后两次注入压降测试，评价改造效果。HQ-X2井选取8号+9号煤层进行冲击波煤层改造试验，射孔段为545～551.5m。共计进行冲击波作业20次，累计注入13.9m3的2%KCl溶液。

施工前通过注入压降试井获得储层渗透率为63.5mD，经过20次冲击波改造后，求得储层渗透率为78mD，渗透率增幅为23%，改造效果较好。说明冲击波煤层改造技术在含水煤层中的改造效果更为明显。

4 结论

重复脉冲强冲击波技术在改善煤储层原岩裂隙、增加煤岩基质渗透率方面具有非常积极的作用。但在技术应用时要充分考虑井筒及储层条件，减少对冲击波能量的损耗和不利诱导。研究认为，在改善基质渗透率方面，该技术对于含水饱和度高、泊松比小、杨氏模量高且未进行压裂改造的储层更为适用，此外选井还需考虑井径扩大率、固井质量等因素的影响。

利用冲击波的增渗作用，先进行重复脉冲强冲击波改造，然后进行水力压裂，通过压裂形成的有效支撑裂缝来有效沟通已增渗的基质裂隙，将获得更好的储层改造效果。从排采情况看，未发现气井产煤粉，说明重复脉冲强冲击波技术不会破坏煤岩结构、产生煤粉而影响后期生产。

利用冲击波对煤储层裂缝的重复压缩—扩张和空化作用，可以松动近井地带储层裂隙中的煤粉堵塞物，将固态颗粒逐步排出渗流通道，起到解堵作用，有利于气井的产量恢复。

目前煤层气开发主要面临平均单井产量低、低产井占比高的问题。提高单井产量和产量恢复是解决现有问题的重要途径，其关键在于工程技术的突破。重复脉冲强冲击波技术在气井增产和产量恢复方面具有积极的作用，同时也会带来生产成本的上升。但随着技术试验和推广应用，降本和增效的优势会逐步显现，极有可能成为煤层气新的、重要的储层改造技术。