汪长栓¹  姚元文¹  冯国富¹  杨兴波²  袁结连³

(1．北方斯伦贝谢油田技术(西安)有限公司，陕西西安，710065；2．长庆油田第七采油厂，陕西西安，710000；3中国石化河南油田分公司采油一厂，河南南阳，473132)

摘要：PFGun脉冲爆燃压裂技术利用火药能源在近井带燃烧产生多级脉冲气体压力，在裂缝方向不受地应力控制的前提下，使地层产生多条裂缝体系，改善了地层近井带的导流能力。为验证脉冲爆燃压裂技术在煤层气井的应用效果，选择部分井层开展了现场试验及使用效果评价。结果表明，在煤层气井吱拖脉冲爆燃压裂措施，工艺简单，成本较低，不污染煤层，对提高煤层气井开发初期出水埘．解除煤层气储层近井带污染及堵塞，提高产气量，具有较好的效果。

关键词：脉冲；爆燃压裂；煤层气；应用；效果评价

煤层气是指储存于煤层及其周围的天然气，全世界煤层气中的99％集中分布在俄罗斯、美国、加拿大、中国等12个国家^[1，2]。中国煤炭资源居世界第二位，煤层气资源丰富，已将其视为战略性接替能源，但是中国73％的煤气层渗透率在0．05× 10^-3～25 x 10^-3μm²，具有低含气量、低渗透率和低原始地层压力“三低”等的特点^[3]，这是中国煤层气开发需要解决的难题。

目前，国内外煤层气开采的主要手段是水力加砂压裂措施^[4]，由于我国煤层多埋深在1000m以内，地层温度低、易吸附，易受伤害、污染，并且层多、层薄，夹层较多、较大，投产一定时间后因地层污染堵塞导致出气量降低的井越来越多，而水力压裂措施受地应力的控制，只能形成某一方向的一条或两条裂缝，因此多次重复水力压裂，出气效果并不理想。针对煤层气的地质特点及开发现状，在分析了高能气体压裂技术^[5]研究成果的基础上，提出并开展了煤层气井PFGun脉冲爆燃压裂技术的试验及应用。

1脉冲爆燃压裂技术

1．1技术原理

PFGun脉冲爆燃压裂是一种新型的高能气体压裂技术，它以不同燃速的推进剂为动力源，通过装药结构的优化设计，精确地控制压力上升时间、压力峰值和压力作用过程，对多段煤气层可同时压裂改造，产生多条裂缝，并与煤层内的天然裂缝沟通，获得增产效果。

美国气体研究所和美国能源部共同资助J．F．Cuderman等人在美国桑迪亚实验室经过模拟实验及理论研究确定了产生径向裂缝的增压时间关系式^[5](见式(5))：

πD／2C_R<t_m<8πD／2C_R    (1)

式中t_m——达到峰值压力的增压时间；

    D——井径；

    C_R——瑞利表Ⅲ波速度。

压力上升到地层破裂压力的增压时间t_m决定着压开裂缝的分布形状和方向。高能气体压裂的增压时间为毫秒级，t_m一般控制在l～100ms，相应加载速率为l～lOOMPa／ms，它不像爆炸压裂(增压时间为微秒级)会使井眼周围岩石产生压实带，也不像水力压裂(增压时间为分秒级)那样形成受地应力控制的单条裂缝，而是在井筒周围形成多条放射状裂缝(见图1)。这种放射状裂缝可以和煤储层中的割理(见图2)、天然裂缝沟通，提高煤气层初期出水量和最终产气量。

1．2影响PFGun脉冲压裂效果的主要因素

煤层气压裂效果与压裂装置的装药结构、装药量、点传火结构、井筒液面高度、套管射孔密度、射孔孔径以及煤层气的孔隙度、渗透率、地层破裂压力等多数参数有关。井筒内峰值压力和相关参数的关系式见式(2)^[6]

式中p_max——压裂火药燃烧时产生的最大峰值压力，MPa；

 p₀——井筒压挡液柱的静压力，MPa；

 K——经验系数，无量纲；

 m——压裂火药装药量，kg；

f——压裂火药的火药力，kg·m／kg；

Ψ——达到最大峰值压力时火药燃烧的质量分数；

 V_o——压裂火药在套管中燃烧形成的气体空腔，m³；

  ρ——压裂火药的密度，kg／m³；

   α——压裂火药燃烧产物的余容，m³／kg。

煤层气中脉冲压裂产生的裂缝长度L见式(3)^[6]：

式中E——岩石弹性模量，MPa；

 V_t——岩石裂缝总体积，0．1～0．3 m³；

 μ——泊松比；

 p_max——井筒最大压力，MPa；

p_o——压挡液柱静压力，MPa；

 q_∞——地层侧向应力，MPa；

  h——裂缝垂直高度，m，为射孔井段长度的0．7～0．8。

影响压裂效果的因素主要是峰值压力、压力上升时间和作用时间，合理控制峰值压力和压力上升时间可以在保护套管的前提下，对煤层产生多级脉冲压裂造缝效果。

1．3 PFGun脉冲压裂工艺设计要求

(1)压挡方式：根据高能气体压裂作用机理及负压效应原理，考虑煤层气井原始地层压力较低，一般选择液压压挡方式。

(2)环空介质：井筒环空介质的选择，直接影响煤层的配伍性，决定是否产生二次污染。对于一般煤层宜采用清水或活性水压挡。

(3)负压值或井筒液柱高度：选择最佳的环空临界负压值，是负压效应压裂增产的关键。井筒液面静压值原则上应小于或等于煤层压力，负压值越大，越有利于近井流体进入井筒。一般来说，对地层压力较高，渗透率小于20×10^-3μm²的新井投产，都要把井筒灌满，以获得燃烧时的最大压力，使地层达到最大的破裂效果。而对于储层压力较低、渗透率大于20×10^-3μm²的煤层气储层，燃烧时既要使地层破裂，又要使近井地带的污染堵塞得到清除，这就要使井筒液柱压力小于或等于储层压力，产生负压或平衡压力。

(4)压裂火药位置：压裂火药位置直接影响压裂效果及对套管的伤害程度。一般来说，压裂火药分布于射孔段，有利于能量释放，直接作用于储层改造段，提高压裂效果显著。在选层压裂时必须使装药直接对准目的层。

(5)药量控制：药毁计多少决定着作用是否有效以及对套管的伤害程度。设计药量多效果好，但有可能损伤瑚膏，设计药量少则效果不佳。一般浚计药量的原则是药量产生的峰值压力大于地层破裂压力舟霸．0—1．5倍，并低于套管极限压力值为最佳。

2煤层气井应用效果评价

煤气层中有许多面、端割理，只有将割理系统中的全部水开采出来，降低储层压力之后才能大量开采气体。在人多数煤层气储层中，最初产水量都很高，随着水从割理和裂缝内移出，水产量降低，气饱和度和气产量就会增加。

依据PFGun脉冲压裂原理及设计工艺要求，结合煤层气井的地质结构特点，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。该煤层区块基本地质特征见表1，该煤层埋藏较浅，渗透率较低，含气量较高，经水力加砂压裂后能获得较好的产气量，但是部分井初期产水量较低，生产一段周期后产气量下降较快，判断地层污染堵塞情况严重，采用二次水力压裂，效果不佳。为了正确评价脉冲爆燃压裂技术效果，分别筛选了部分产气量下降的井开展施工作业，通过观测该井排采曲线的变化来评价作用效果^[7]。表2提供了部分煤层气井脉冲爆燃压裂装药量数据。图3是MCQl004井施工前后排采曲线效果图。结果显示，施工后MCQl003井、MCQ2008井恢复了产量，MCQl004井产量从500m³／d提高到1 450m³／d，产能增加2．9倍。

3结论

(1)PFGun脉冲爆燃压裂技术利用火药能源在近井带燃烧产生多级脉冲气体压力，在裂缝方向不受地应力控制的前提下，使地层产生多条裂缝体系，改善了地层近井带的导流能力。该技术工艺简单，成本较低，不污染煤层，对提高煤层气井开发初期出水量、解除煤层气储层近井带污染及堵塞、恢复产能、增加产气量，具有较好的效果。

(2)PFGun脉冲爆燃压裂技术在煤层气井的深入研究及应用，对探索适合我国煤层气低成本有效开发具有重要的经济意义。

参考文献

 [1]赵庆波，等．煤层气地质与勘探技术[M]．北京：石油工业出版社，1999．

[2]孙茂远．国外煤层气开发的特点及鼓励政策[J]．中国煤炭，2001(2)：55～58．

[3]张新民．中国煤层气地质与评价[M]．北京：科学出版社，2002．

[4]鲜保安．煤层气高效开发技术[J]．特种油气藏，2004(4)：63～66．

[5]J．F．Cuderman．杨海滨译．高能气体压裂技术年度报告[R]．美国：1987．4．

[6]王安仕，秦发动．高能气体压裂技术[M]．西安：西北大学出版社，1998．

[7]李颖川．采油工程[M]。北京：石油工业出版社，2002，2：l～16．

摘自《中国爆破新进展》