重复脉冲强冲击波增透储层技术(邱院士)

西安交通大学2016年4月重复脉冲强冲击波增透储层技术邱爱慈张永民提纲一、研究背景二、重复脉冲强冲击波产生技术三、冲击波作用储层的机理研究四、现场实践与新工艺探索五、结论我国规划2020年的非化石能源占一次能源消费的比重仅达到15％左右，煤炭、油气在一次能源消费中，仍长期占主导地位。一、研究背景煤炭、油气储层都需要改造，改造措施以力学作用为主；目前的力学措施以静力学为主，动力学为辅；静力学措施通过加砂支撑，提高储层的汇流能力，动力学措施在孔、裂隙尺度提高储层的渗透率。可惜的是现行动力学措施只能单次加载。一、背景一、背景致密、低渗透、超低渗透、特低渗透油气储层仅仅依靠汇流缝实现不了高产；松软煤储层中难以形成砂子支撑的汇流缝；松软煤层中难以形成顺层的长钻孔；松软煤层中更难以在水平井和顺层孔中实施增透作业。油气资源开发呼唤体积改造新技术、煤层增透新概念、新技术。脉冲功率技术是研究能产生各种强电脉冲功率输出的技术。它以慢的方式储存能量，然后，借助各种开关的快速切换实现脉冲压缩、功率放大、用很短的时间、很高的强度以单个脉冲或受控的重复脉冲形式，将能量瞬间释放给负载；脉冲功率负载以各种物理原理将高功率电磁能量转换为所需要的能放量形式，在有限的空间和有限的时间内形成各种极端条件下的物理环境，以达到一般功率条件下达不到的目的。二、重复脉冲强冲击波产生技术脉冲功率装置的基本构成等离子体辐射X射线激光离子束电子束EMP、超宽带微波辐射微波负载脉冲传输与阻抗匹配脉冲储能(脉冲成形、压缩、传输)初级储能初级能源脉冲功率系统sns负载电热炮高能激光武器电磁炮激光聚变电源ms-ms水中冲击波二、重复脉冲强冲击波产生技术第一代第二代第三代高电压击穿换能器电爆炸丝换能器含能混合物换能器在国家863计划项目的支持下，冲击波产生技术由仅依赖于电容器中储存的电能的液电效应原理进步为电爆炸丝驱动含能混合物产生冲击波的新原理。新一代增强型电热脉冲装置不仅从冲击波的幅值，也从冲量参数大幅提高了冲击波的性能，基于新原理的装置已经在油水井、煤层气井和煤层钻孔中开展了应用，并产生了良好的效果。二、重复脉冲强冲击波产生技术第一代第二代第三代高电压击穿换能器电爆炸丝换能器含能混合物换能器同样储能下，高压击穿产生的冲击波压力峰值小，脉宽较宽，冲量也最小；爆炸丝产生的冲击波幅值最高，但脉宽较窄，高频分量丰富，作用于储层容易产生网状裂缝；含能混合物产生的冲击波脉宽较宽，冲量最大；因低频分量丰富，容易产生大块的裂隙。前两代技术与第三代技术相比，犹如底火与子弹、引信与炮弹。二、重复脉冲强冲击波产生技术三、重复冲击波作用储层的机理3.1冲击波的增注机理储层既是冲击波的作用对象，也是传播冲击波的介质。在储层中每一点上，因冲击波作用而改变性质或状态，消耗部分冲击波能量，并传播剩余能量到下一区域。在距离井筒不同半径上，冲击波的波形和幅值以及与储层的相互作用模式不同。冲击波的幅值和脉宽对不同力学参数的储层作用效果不一致。（1）冲击波破裂储层在冲击波的幅值大于储层的抗压强度区域，以破裂模式致裂储层。3.1冲击波的增注机理（2）压缩应力波撕裂储层：初始冲击波的对储层做功衰减成压缩应力波，在还大于储层的抗张、抗剪强度的区域，就会撕裂储层形成新的裂隙，起到提高渗透率的作用。（3）高强声波解堵储层：初始冲击波的幅值低于储层的抗张、抗剪强度后，衰减为高强弹性声波，在储层不同介质中的速度、加速度因声阻抗差异，产生剪切力，可剥离储层表面的附着堵塞物，改善毛管力、偶电层的吸附滞留效应，减小表面张力，促进渗流，实现解堵。三、重复冲击波作用储层的机理应变(低周)疲劳静断裂中周疲劳高周疲劳无限寿命3.1冲击波的增注机理在静载荷上，叠加周期性循环或随机的冲击波载荷，经过一定的疲劳次数后，可以在较低的静载荷下，导致岩体的破裂。每一次冲击波作用对于下一次作用都是一种疲劳过程。三、重复冲击波作用储层的机理（4）多次冲击波对储层的疲劳效应：3.2冲击波致裂砂岩的物模实验在多项国家项目的支持下，开展了冲击波致裂储层机理研究。采用储能30kJ的装置对从露头区采集的长6砂岩、南方海相页岩和煤岩样品进行了致裂实验。在不损伤套管的条件下通过多次作用的累计效应实现致裂和裂缝的延伸。在样品外缘粘贴了动态应变片测量透射样品的波参数。致裂实验中，在样品外缘实测到纵向1500个微应变，环向300个残余微应变。环向应变纵向应变三、重复冲击波作用储层的机理3.2冲击波致裂砂岩的物模实验冲击波主要以拉伸破坏模式拉伸、撕裂岩石形成微裂隙，并扩大、延伸、改造储层原有裂隙。作用到实验样品的冲击波以各向同性的模式在样品四周产生了一定数量的裂隙或微裂隙，并随着冲击次数的增加继续延展、扩展。新的裂隙提高了储层的渗流能力，同时，降低了岩石的力学强度。2-72-112-102-9三、重复冲击波作用储层的机理3.2冲击波致裂砂岩的物模实验类别抗压强度MPa抗拉强度MPa弹性模量GPa抗剪强度干燥饱和泊松比粘聚力MPa摩擦系数实验前50.8145.392.854.790.224.030.68实验后34.4328.781.733.130.252.880.65致裂实验前后样品的力学参数对比冲击实验后测得的孔渗结果发现，砂岩样品的孔隙度增大，渗透率提高。未污染岩石的平均渗透率由0.611md增至2.579md。平均孔隙度由15.37%增至16.21%。实验后，样品的力学强度下降，应用于水力压裂前可降低初始的破压，形成更为复杂的裂缝。三、重复冲击波作用储层的机理3.3冲击波致裂煤层的物模实验三、重复冲击波作用储层的机理a-d，煤样裂隙实物图；e-h，煤样裂隙素描图；i-l，煤样裂隙分形维数50次0次切片300切片100（a）冲击0次（b）冲击50次（c）冲击100次（d）冲击150次宏观和微观检测结果表明：随作用次数的增加，裂隙不断扩展和丰富类别抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)弹性模量(GPa)泊松比粘聚力(MPa)摩擦系数干燥饱和冲击前贫煤13.9127.480.753.650.312.720.73无烟煤15.2729.371.584.010.293.170.82冲击后贫煤7.6421.050.432.310.391.350.69无烟煤9.3122.931.162.650.411.720.73增加量贫煤6.276.430.321.34-0.081.370.04无烟煤5.966.440.421.36-0.121.450.09变化率（%）贫煤-45.08-23.40-42.67-36.7125.81-50.37-5.48无烟煤-39.03-21.93-26.58-33.9241.38-45.74-10.983.3冲击波致裂煤层的物模实验三、重复冲击波作用储层的机理3.4冲击波致裂南方海相页岩的物模实验在三轴压力试验平台上的冲击波致裂实验两次冲击波作用后的外表面出现裂纹三、重复冲击波作用储层的机理3.4冲击波致裂南方海相页岩的物模实验实验中在样品边缘实测到了由冲击波引起的应变三、重复冲击波作用储层的机理3.4冲击波致裂南方海相页岩的物模实验三次冲击波作用后，在样品外缘观察到了渗透到边缘的示踪剂，显示已有裂隙扩展到边界三、重复冲击波作用储层的机理3.4冲击波致裂南方海相页岩的物模实验三次冲击波作用后，实测的漏失曲线显示样品内部出现裂隙三、重复冲击波作用储层的机理3.4冲击波致裂南方海相页岩的物模实验三次冲击波试验后，沿横向切开的样品，两侧均出现几乎贯穿的裂缝三、重复冲击波作用储层的机理4.1页岩油层的致裂实验在140米深的油页岩层中，采用冲击波作业和声波测井交替进行的试验，实测了冲击前和冲击5次、10次、30次后的声幅变化。根据声幅变化研究致裂效果。随冲击次数的增加，测井声幅减小。在距作业点20米的上方，声幅也随冲击次数衰减，指示冲击致裂区域半径大于20米。四、现场实践与总结4.2、在油、水井中的应用采用新的技术原理提高了冲击波幅值后，冲击波技术不仅具有原来的解堵机理，也以全方位撕裂储层的机理创造了新的渗流通道。在现场实施中，选择了特殊井况的油水井，既验证了装置的可靠性，也验证冲击波的致裂效果：四、现场实践与总结选择了其它措施难于实施的长9层新投注井，以冲击波技术作为完井措施，作业后达到了配注要求。既验证了冲击波的致裂机理，也拓展了新的应用层位。4.2、在油、水井中的应用四、现场实践与总结09182736452018/7/12018/7/162018/7/312018/8/152018/8/302018/9/142018/9/292018/10/142018/10/292018/11/132018/11/282018/12/132018/12/28注水量，m3/d油压配注实注05101520252018/7/312018/8/102018/8/202018/8/302018/9/92018/9/192018/9/292018/10/92018/10/192018/10/292018/11/82018/11/182018/11/282018/12/82018/12/182018/12/28注水量，m3/d油压配注实注姚4-45姚3-40作业两口新投注井达到了配注4.2、在油、水井中的应用张21-13井作业后，日产量从1吨增加到3吨四、现场实践与总结在不能实施压裂措施的薄夹层区块作业了三口油井，大幅提高了油井的产量。有效期已经一年以上，且持续有效。从另一方面验证了冲击波致裂储层的机理，为难于改造的薄夹层油层提供了一种新的改造措施。4.2、在油、水井中的应用张23-13井作业后，日产量从2吨增加到3吨四、现场实践与总结薄夹层油井增产4.2、在油、水井中的应用四、现场实践与总结镇47-39井作业后，日产量从0.5吨增加到2吨薄夹层油井增产在完成冲击波产生装置的防爆改造后，已在矿井下的穿层、顺层钻孔中实施了致裂增透试验，开辟在煤矿瓦斯治理中的新应用。四、现场实践与总结4.3、在井下煤层钻孔中的应用2015年12月17日完成了130米煤层的增透作业，截止3月17日的抽采数据：累积抽放量：454200m3。已超出传统预估方法给出的预计抽采量375858m3。四、现场实践与总结抽采一个月后，在增透试验孔旁不同距离上打了数个探查孔，在距作业孔25米的探查孔中实测到了负压，验证了作业范围25米。目前，巷道已开始掘进。探查孔掘进巷道孔四、现场实践与新工艺探索中井矿瓦斯治理通过煤科院评估，给予该矿引进的定向钻孔和重复脉冲预裂煤层增透技术等新工艺较好的评价。四、现场实践与新工艺探索国内页岩气开发经济效益不高的原因主要是储层改造代价大：当水平最大、最小主应力差小于5MPa时，水力压裂可形成网状裂缝。典型区块如中石化的涪陵开发区。反之，当水平最大、最小主应力差大于5MPa时一般形成树状裂缝，甚至单一裂缝，如中石油的长宁威远区块。解决问题的技术路线有：增大储层改造的缝网复杂性以提高产量；或降低储层压裂改造成本。4.4、新的应用工艺探索四、现场实践与新工艺探索4.4、新的应用工艺探索冲击波脉冲致裂串联水力压裂工艺：在射孔工艺的条件下，先以冲击波全方位脉冲致裂井筒附近的页岩层，为水力压裂形成复杂缝网提供前提。冲击波脉冲致裂复合水力压裂工艺：冲击波脉冲致裂页岩与水力压裂同步进行。在页岩破压压裂下（设想为破裂压力的一半），并控制排量（从单台水泥车的排量开始），以脉冲压力叠加在水力压力上。超过页岩强度短时间破裂页岩，因排量小而不形成泄流的大裂缝。因全方位的微裂隙泄压后，再补充压力和重复致裂不断扩展裂缝。人工井底射孔段电缆防喷器四通放喷阀门注水加压四、现场实践与新工艺探索4.4、新的应用工艺探索四、现场实践与新工艺探索针对油、气井降产的原因，在一个井组区域，设计一个冲击波专业井。以冲击波产生装置长期在一个专业井中以一定频率工作，长期激励储层，对井组控制储层既起到疲劳作用，也起到解堵作用。5.1、油气开发中的应用五、结论越来越多低渗透、超低渗透油气资源的开发不仅需要静力学措施创造汇流缝，