一種電脈沖輔助水力壓裂的非常規天然氣儲層增透方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及非常規天然氣儲層的增透方法，具體為一種電脈沖輔助水力壓裂的非常規天然氣儲層增透方法。
【背景技術】
[0002]非常規天然氣資源，是指尚未充分認識、還沒有可以借鑒的成熟技術和經驗進行開發的一類天然氣資源。主要包括:煤層氣(瓦斯)、頁(泥)巖氣、致密氣(致密砂巖氣、火山巖氣、碳酸鹽巖氣)等。隨著我國經濟的不斷發展，對能源的需求量也越來越大。非常規天然氣能源的開發和利用引起了當今社會廣泛關注。作為發展中的大國，中國正處于經濟和社會發展的關鍵時期，迫切需要大量的優質、清潔能源。天然氣具有高能源利用率和低0)2排放量的特點，是當前一段時期內較為理想的清潔能源，可廣泛應用于城市燃氣、汽車燃料、發電廠和加工廠等工業燃料，以及生產各種化工產品。與常規天然氣相比，包括煤層氣、頁巖氣等在內的非常規天然氣資源儲量更高，據權威估算，世界非常規天然氣資源量，約為常規天然氣資源量的4.56倍。因此非常規天然氣勘探開發潛力無限，是我國新能源發展的重要方向，對于保護大氣環境、緩解國內能源緊張、調整能源結構等都具有重要的意義。
[0003]然而由于非常規天然氣資源的埋藏、賦存狀態與常規天然氣資源有較大的差別，其主要的特點在于資源的“低品位”。目前我國絕大多數正在開采的高瓦斯礦井煤層屬低透氣性煤層。煤層透氣性差、煤質偏軟，從而導致了煤層氣抽采率低下、抽采鉆孔極易堵塞的問題，造成煤層氣開發困難。對于國內儲量豐富的頁巖氣資源，目前還沒有廣泛地勘探與開發，其根本原因是由于頁巖氣是充填于頁巖裂隙、微細孔隙及層面內的天然氣，其儲層的滲透率很低(一般小于lmD)、氣流的阻力比傳統天然氣大得多，頁巖氣井鉆井完成后，只有少數天然裂縫特別發育的井可直接投入生產，90%以上的井需要經過酸化、壓裂等儲層改造才能獲得比較理想的產量。而所謂致密氣，一般是指滲透率小于0.5mD的天然氣資源，包括致密砂巖氣、火山巖氣、碳酸鹽巖氣。這些非常規天然氣資源都具有相同的特點，那就是儲層滲透性差，完井后均需要通過人工的方法對儲氣層進行結構改造，提高儲層透氣性。
[0004]目前使用較為廣泛的儲層增透技術主要有以下幾種類型:傳統水力壓裂技術、水壓爆破致裂增透技術、高能氣體壓裂技術、氮氣泡沫壓裂技術、水力噴射壓力技術等。這些方法都有一定局限性，尤其是對于水資源的浪費和地下水系的污染問題，都嚴重制約了壓裂效果，同時，上述壓裂方法對吸附狀態的甲烷的影響甚微。這些都嚴重制約了我國非常規天然氣的開采和利用。
[0005]傳統水力壓裂增透技術是目前比較常用的一種增透技術，它的基本原理是通過在欲抽采的非常規天然氣儲層中注入由高壓水泵提供的高壓水，在水壓的作用下將儲層巖體破裂形成貫通的裂縫，然后將混入石英砂或其他支撐劑及凝膠的壓裂液壓入儲層裂隙中，壓裂液中細小而堅硬的支撐劑顆粒在卸壓后可以繼續支撐住裂隙，進而提儲層的滲透性。但該技術的水壓加載速度慢、壓力上升時間長、峰值壓力低15MPa)，只能形成一條垂直于最小主應力方向的裂紋，而且裂紋僅沿原生弱面擴展，不能生成垂直于層面的裂紋，使裂紋不易相互聯通，試驗及模擬證實該技術在儲層中產生的裂縫數量很少，不能顯著增加儲層的透氣性，同時，由于非常規天然氣在儲層中大部分是以吸附的狀態存在的，傳統水壓致裂技術對于吸附氣體的影響甚微，因此對于提高非常規天然氣的抽采效果也非常有限。
[0006]水壓爆破致裂增透技術是指在鉆孔內，以水為不耦合介質進行不耦合裝藥。爆破時，藥柱爆轟后產生側向膨脹，炸藥的爆轟波在藥卷周圍的水中形成沖擊波。沖擊波作用于孔壁后迅速產生反射，反射波到達分界面后水體便達到準靜態壓力狀態。隨后水中的準靜態壓力與反射波共同作用，使孔壁產生振動、變形直至開裂。從而達到增加儲層裂隙，提高滲透性的目的。水壓爆破致裂增透技術是利用炸藥爆破的方式來增加儲層滲透性的，因此每次其加載過程是瞬時的，且不具有周期加載的特性。同時，由于炸藥的爆炸壓力遠高于圍巖的屈服強度，導致鉆孔壁嚴重破碎垮塌，形成殘余“應力籠”。不利于在較大范圍內提高儲層的透氣性。
[0007]高能氣體壓裂技術就是指將燃燒劑和推進劑制成的壓裂彈下放到目的層(儲層)，在承壓條件下引爆壓裂彈，利用其裝藥爆燃時產生的高溫、高壓氣體，對儲層實施瞬時沖擊加載，在鉆孔周圍形成多條放射狀裂縫，改善儲層的透氣性的一種壓裂技術。高能氣體壓裂的固井質量差，容易造成井壁坍塌，鉆孔堵塞，造成抽采設備下放困難，不能提高抽采效率。而且由于化學反應產生的能量有限，所形成的裂縫規模還遠不及水力壓裂，裂縫延伸長度一般只有3~8m。而且不能加支撐劑，因此壓裂形成的裂縫有效作用期較短。加之對井的要求較高，不適宜于低滲透性的儲層。高能氣體壓裂是一個復雜的燃燒過程，其設計參數的選擇復雜，目前尚無定量的認識，因此必須根據本地區的實際情況對選井選層提出要求。
[0008]氮氣泡沫壓裂技術及水力噴射壓裂技術對施工設備要求較高，壓裂成本大，僅適用于一些埋深較淺的儲層，且工藝過程較為復雜，不易于大面積推廣使用。
【發明內容】
[0009]本發明為了解決現有的非常規天然氣儲層增透技術不能有效提高儲層的透氣性的問題，提供了一種電脈沖輔助水力壓裂的非常規天然氣儲層增透方法。
[0010]本發明是采用如下的技術方案實現的:一種電脈沖輔助水力壓裂的非常規天然氣儲層增透方法，包括以下步驟:
1)在儲層位置鉆地面非常規天然氣井筒，通過絞車下放放電電極至欲增透儲層位置；
2)通過上部封孔器和下部封孔器將欲增透儲層部位封孔，然后利用高壓水泵通過注水管向封孔內注水達到設定靜壓；
3)針對不同的地質環境，選擇不同的放電參數及加載模式，利用高壓電源車通過放電電極對儲層進行可控脈沖放電加載；
4)放電過程結束后，排空注水儲層鉆孔，接入天然氣抽采設備，然后通過抽采設備采集天然氣。
[0011]自80年代開始，高壓脈沖放電作為一種低頻電脈沖解堵工藝，在油田開采中已經成功應用，廣泛應用于油井的解堵增產增注中。該技術利用高壓脈沖放電產生的壓力效應，使油井周圍巖石介質振動，改造底層原生裂縫并產生新的微裂縫，解除油層孔道里的沉積物，從而達到解堵的目的。本方法借鑒這一思路，創造性地將高壓脈沖放電與水力壓裂技術集成，利用鉆孔高壓注水的良好傳能特性，在靜壓注水的同時，在鉆孔內實施高壓電脈沖放電，放電電極之間產生具有高密度存儲能和高膨脹效應的高壓等離子體，在水介質中形成水激波和空化效應，水激波沖擊載荷經過管道中壓力水的傳遞，作用在非常規天然氣儲層原生裂隙尖端，在對儲層巖性、地應力、原生裂隙等情況進行分析的基礎上，通過對放電能量、放電次數、不同能量下放電次序及動(電脈沖)-靜(靜水壓裂)加載組合模式的選擇實現對儲層的有效可控脈沖加載，使得儲層巖體裂隙分叉、擴展，在鉆孔周圍形成多條放射狀裂縫，貫通并延展儲層自然裂隙，最終在鉆孔周圍巖層中形成豐富的立體裂隙網絡，起到疏通天然氣等流通擴散通道，減少氣體運移阻力的目的，同時脈動氣泡的空化效應促進了非常規天然氣的物態轉化(從吸附狀態轉化為游離狀態)，有效提高了天然氣的抽采效率。
[0012]本發明帶來如下有益效果:
(1)高壓脈沖放電可在短時間內重復進行，克服了傳統水壓致裂加載速度慢、壓力上升時間長的缺點；
(2)壓力水中高壓脈沖放電時，等離子通道內的壓力可達IGpa,其有效作用范圍達60m，影響范圍可達200m ；
(3)可精確壓裂處理小范圍內的儲層，極大地節約了壓裂過程中的水及其他能源材料的消耗；
(4)地面抽采鉆孔間距可達到數百米，大大提高單位長度鉆孔的抽采效率。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的施工方案圖。
[0014]圖中:1-高壓電源車，2-高壓放電電纜，3-絞車井架，4-起重鋼絲繩，5-絞車，6-非常規天然氣井筒，7-注水管，8-上部封孔器，9-放電電極，10-高壓水泵，11-地表，12-儲層頂板，13-儲層底板，14-下部封孔器，15-欲增透儲層。
【具體實施方式】
[0015]一種電脈沖輔助水力壓裂的非常規天然氣儲層增透方法，包括以下步驟:
1)在儲層位置鉆地面非常規天然氣井筒6，通過絞車5下放放電電極9至欲增透儲層位置；
2)通過上部封孔器8和下部封孔器14將欲增透儲層部位封孔，然后利用高壓水泵10通過注水管7向封孔內注水達到設定靜壓；
3)針對不同的地質環境，選擇不同的放電參數及加載模式，利用高壓電源車I通過放電電極9對儲層進行可控脈沖放電加載；
4)放電過程結束后，排空注水儲層鉆孔，接入天然氣抽采設備，然后通過抽采設備采集天然氣。
【主權項】
1.一種電脈沖輔助水力壓裂的非常規天然氣儲層增透方法，其特征在于包括以下步驟: 1)在儲層位置鉆地面非常規天然氣井筒6，通過絞車5下放放電電極9至欲增透儲層位置； 2)通過上部封孔器8和下部封孔器14將欲增透儲層部位封孔，然后利用高壓水泵10通過注水管7向封孔內注水達到設定靜壓； 3)針對不同的地質環境，選擇不同的放電參數及加載模式，利用高壓電源車I通過放電電極9對儲層進行可控脈沖放電加載； 4)放電過程結束后，排空注水儲層鉆孔，接入天然氣抽采設備，然后通過抽采設備采集天然氣。
【專利摘要】本發明涉及非常規天然氣儲層增透方法，具體為一種利用高壓電脈沖輔助水力壓裂的天然氣儲層增透方法，包括以下步驟：在非常規天然氣儲層中鉆孔，通過絞車下放放電電極至欲增透儲層位置；儲層鉆孔封孔并通過注水管向儲層鉆孔內注水達到設定靜壓；利用放電設備通過放電電極進行脈沖放電；放電過程結束后，排空注水儲層鉆孔，接入天然氣抽采設備，然后通過抽采設備采集天然氣。本發明創造性地將高壓脈沖放電與水力壓裂技術集成，利用高壓脈沖放電的空化效應和水激波的瞬時加載作用來達到改變天然氣的賦存狀態、增加儲層裂隙、弱化強度、改善滲透性，進而提高天然氣抽采效率的目的。同樣在非常規天然氣抽采中也具有非常廣闊的應用前景。
【IPC分類】E21B28-00, E21B43-26
【公開號】CN104832149
【申請號】CN201510248281
【發明人】趙金昌, 卞德存, 閆東, 薛榮芳
【申請人】太原理工大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月16日