CN111173488A - 一种利用可控冲击波实现气井投产的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种利用可控冲击波实现气井投产的方法，包括步骤：根据收集的信息确定可控冲击波震裂的作业参数；在作业深度利用射孔枪开出作业孔；依次串联推动机、推杆和震裂器，启动推动机利用推杆将震裂器下入作业孔中的最深作业深度；启动震裂器的能量转换器释放冲击波，达到设定的冲击次数以后，提升震裂器至第二作业深度释放冲击波达到设定冲击次数；依次类推；完成整井筒作业以后，起出推杆和震裂器，下入带有排水功能的采气管柱，为后续排水采气做好准备，保证气井连续生产。
Description
技术领域
本申请涉及一种利用可控冲击波实现气井投产的方法，适用于地下天然气开采的技术领域。
背景技术
天然气具有密度小、浮力大、分子小、粘度低、吸附能力小、扩散作用强的特点，因此通过微孔的渗滤和扩散作用强烈。这就使盖层的封闭能力对天然气的聚集保存以及成藏具有重要的作用，同时天然气对盖层的要求也比石油要严格的多。在我国已探明的天然气储集层中，碎屑岩及碳酸盐岩占到绝大多数，是天然气储层研究的重点。碎屑岩储集层的非均质性强，储层的孔隙结构复杂，原始孔隙度低，主要以次生孔隙为主，非常规储集层占有很大的比例，主要以低孔、低渗储层为主；碳酸盐岩储层的孔隙类型多，孔、洞、缝连为一体是碳酸盐岩储集层的重要特征。碳酸盐岩与碎屑岩最大的差异在于碳酸盐岩矿物的易溶性和迁移性，导致了碳酸盐岩孔隙形成和变化的频繁与多期性。
目前，对于低渗碎屑岩储层气井的投产方式以水力压裂为主，但对于上气下水的储层，压裂会造成下部水层沟通，致使气井产水严重。同时对于纵向上发育多套气层的气井，压裂投产方式非常复杂，施工周期长，费用高，风险大，且造成气井后期作业实施难度大。另外，气井中会产生井底积液现象。如果无法及时将这些积液排出井外，则会对气井的产量有非常大的影响，影响气井开采的效率。
可控冲击波技术是研究能产生各种强电脉冲功率输出的技术，其借助各种设备实现脉冲压缩、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，使得其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。可控冲击波技术已经适用于煤气层的开采，其利用冲击波复合注水增压的技术，能使井眼周边煤层产生更多的微米级和毫米级的裂隙，增加煤体透气性，大幅提升煤气抽采率，保证安全生产。具体地，可控冲击波利用水中高压放电的脉冲大电流或金属丝电***，在局部范围内形成能量的快速沉积，使放电通道剧烈膨胀扩张，从而推动水介质形成冲击波对煤层实现致裂，形成多方向的多条裂隙，达到煤层增透效果。
由于可控冲击波技术需要强大的脉冲电流，通常会出现在多次进行脉冲放电以后，电源无法继续提供足够电力的情形，从而增大了开采难度和开采成本，也大幅降低了开采效率，甚至有时会因为冲击的中断而前功尽弃。另外，由于天然气的储层一般是岩石，而煤层气的储层是煤；岩石和煤的物理特性差别很大，导致用于开采煤气的方法并不适用于开采天然气，因此现有技术均没有将可控冲击波用于气井投产的先例。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的上述缺陷，提供一种利用可控冲击波实现气井投产的方法。
根据本申请的一种利用可控冲击波实现气井投产的方法，包括以下步骤：
(1)根据收集的信息确定可控冲击波震裂的作业深度和作业参数；
(2)在作业深度利用射孔枪开出作业孔；
(3)依次串联推动机、推杆和震裂器，同时在震裂器和推杆之间安装磁定位仪和压力传感器，启动推动机利用推杆将震裂器下入作业孔中的最深作业深度；
(4)启动震裂器的能量转换器释放冲击波，达到设定的冲击次数以后，提升震裂器至第二作业深度释放冲击波达到设定冲击次数；依次类推，直至完成整井筒的冲击波作业深度和作业次数；每个作业深度的冲击完成以后，通过压力传感器检测井底压力5-10分钟，比较刚到达该作业深度时的压力和冲击完成后的压力，两者之差大于预设阈值时，才进入下一深度作业，否则在该作业深度继续增加作业次数，直至两者的压力差大于预设阈值；
(5)完成整井筒作业以后，起出推杆和震裂器，下入排水采气管柱；
(6)将安装好的排水采气管柱与***设备进行连接，组成排水采气***，利用所述排水采气***进行排水采气作业。
其中，所述震裂器可以包括从下到上依次设置的能量转换器、能量控制器、储能器、整流硅组件和增压变压器；所述震裂器的顶端还可以连接有磁定位仪和压力传感器。
其中，所述排水采气***包括排水采气设备、气水分流装置、干燥设备、燃气发电机和压缩机，排水采气设备的出口管线分为两个支路，第一支路连接到外输管网；第二支路连接有气水分流装置；外输管网通过单向阀连接到气水分流装置的上游；从气水分流装置的顶部流出的气体经过调节阀并经干燥设备干燥后分为两个支路，其中一个支路通过流量调节器流入燃气发电机，另一支路流入压缩机，燃气发电机通过燃烧天然气以向压缩机提供电能。
本申请的技术优势在于：
1、操作简单、投产费用大幅度降低；
2、冲击波以径向传播为主，作用半径大，改造范围广；
3、冲击波可实现无限级多层多段储层改造，无需封隔器硬隔离；
4、冲击波作业无任何外来流体进入地层，避免气层污染和伤害；
5、冲击波作业后，井内无任何工具及配件遗留，井筒干净、畅通，便于气井后期作业；
6、冲击波作业完成后，可直接下入排水采气管柱，在气井产量较高阶段，可利用套管生产；当气井产量难以携液时，改用排水采气管柱生产；若不能依靠***自身能量生产，可采用地面增压连续循环气举排水采气，实现气井全生命周期生产。
附图说明
图1显示了本申请的冲击波发生装置的结构示意图。
图2显示了本申请的排水采气设备的结构示意图。
图3显示了本申请的全生命周期排水采气***的整体布置示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
一、测试储层的含气饱和度
一般认为储层的骨架不可压缩，其中流体可压缩。在侵入压差作用下，储层中弹性流体被压缩，挤出一定体积被泥浆滤液所填充，形成侵入带，可以根据以下经验公式计算：
其中，r为侵入带的侵入半径，R为侵入带压差作用的外边界半径，ΔP为侵入压差，θw为水流体压缩系数，Sw为含水饱和度，θ0为油或气的压缩系数，S0为含油或气的饱和度。根据上述公式，在已知r，R，ΔP，θw，θ0参数值的情况下，可以通过实验测定Sw和S0，据此根据矿层的含水饱和度、含油或气的饱和度来获得储层参数。
具体地，实验测试储层含气饱和度的步骤可以包括：
(1)在待开采区域中选定至少三个测试点，在每个测试点钻孔至储层。
(2)向储层内加压注入泥浆，记录此时的侵入压差，保持压力恒定至少24小时；
(3)通过地层打孔的方式测定此时储层冲洗带和过滤带的宽度，得到上述公式中的r和R；其中冲洗带是指岩石孔隙受到泥浆滤液的冲洗，原始流体被挤走，空隙中为泥浆滤液和残留的地层水或油气；过滤带是指距离井壁一段距离后，泥浆滤液径向上逐渐减少，原始流体增加，冲洗带和过滤带合称为侵入带；上述公式中的r是指冲洗带的宽度，R是指冲洗带和过滤带的宽度之和；
(4)继续向储层中加压注入泥浆，记录加压后的侵入压差，保持压力恒定至少24小时；
(5)测定加压后的储层冲洗带和过滤带的宽度，得到新的r和R；
(6)根据至少两次测量的结果，计算储层的含水饱和度和含气饱和度。
二、利用可控冲击波改造储层
可控冲击波释放的能量依次在储层中形成冲击波带、压缩波带和弹性波带，通过破裂、撕裂、高弹性波扰动作用于储层，提高储层渗透率，提高气井产量。可控冲击波在一个区域通过多次重复作业可以实现改造储层的效果，随着冲击波作业次数的增加，裂缝条数不断增加、裂缝长度不断延伸最终形成了裂隙网络，较大程度地提高储层的渗透率。由于储层是连续介质材料，微观上存在大量的层理、节理和裂隙。多次冲击波作用于储层时，每次作用对于下次作用都是一种疲劳过程。冲击波重复作用的疲劳效应使得裂隙两端不断扩展。冲击波的最小强度为能够对储层起增渗作用并创造新的裂缝，最大强度以不伤害套管、能够保持储层结构并保持内部空隙，避免储层发生堵塞或出现坍塌。
可控冲击波释放的工作原理为初级电源被升压整流后为储能器充电蓄能，当蓄能达到能量控制器的设定阈值后，能量控制器迅速接通储能器与能量转换器，储存在电容器中的电能通过能量转换器产生冲击波。冲击波产生设备分为三大部分：脉冲功率驱动源、能量转换器和配套仪器设备。其中由直流电源、储能器和能量控制器构成的脉冲功率驱动源，产生高电压脉冲加载到能量转换器上产生冲击波。直流电源升压整流后为储能器充电。当充电到能量控制器的控制阈值时，能量控制器接通储能器与能量转换器，将电能传送给能量转换器，能量转换器转换电能为冲击波能量作用于储层。在能量控制器中，放电电流迅速加热、汽化、电离金属丝发生电***从而发出冲击波。通过调整冲击波输出窗口，可以使得发出的冲击波主要沿着储层的径向传播，而限制其纵向传播区域。
如图1所示，震裂器30包括从下到上依次设置的能量转换器31、能量控制器32、储能器33、整流硅组件34、增压变压器35，震裂器30的顶端还连接有磁定位仪36和压力传感器37。能量转换器31、能量控制器32、储能器33、整流硅组件34和增压变压器35的作用原理上面均已经详细描述，不再赘述。本申请中设置磁定位仪36的目的是实时定位监测震裂器30下放到井中的位置，压力传感器37的目的是实时对震裂器30的受力进行监测。
具体地，利用可控冲击波改造储层的步骤可以包括：
(1)收集开采区域的储层信息和地质信息，根据收集的信息确定可控冲击波震裂的作业深度和作业参数；其中，作业参数可以包括作业间隔、冲击强度和冲击次数等参数，收集的信息可以包括如上所述的储层含气饱和度，还可以包括储层的其他力学信息。
(2)在作业深度利用射孔枪开出作业孔；
(3)依次串联推动机、推杆和震裂器，同时在震裂器和推杆之间安装磁定位仪和压力传感器，启动推动机利用推杆将震裂器下入作业孔中的最深作业深度；
(4)启动能量转换器释放冲击波，达到设定的冲击次数以后，提升震裂器至第二作业深度释放冲击波达到设定冲击次数；依次类推，直至完成整孔的冲击波作业深度和作业次数；每个作业深度的冲击完成以后，通过压力传感器检测井底压力5-10分钟，比较刚到达该作业深度时的压力和冲击完成后的压力，两者之差大于预设阈值时，才进入下一深度作业，否则在该作业深度继续增加作业次数，直至两者的压力差大于预设阈值，该预设阈值本领域技术人员可以根据储层信息和地质信息等进行确定；
(5)完成整井筒作业以后，起出推杆和震裂器，下入排水采气管柱。
三、气举排水采气***的安装和作业
在一种实施例中，气举排水采气***的安装和作业的步骤可以包括：
(1)在已经完成冲击波作业的井内下入排水采气管柱；
(2)将安装好的排水采气管柱与***设备进行连接，组成全生命周期的排水采气***；该排水采气***包括排水采气设备、气水分流装置、干燥设备、燃气发电机和压缩机等；
(3)在气井产量较高阶段，可利用套管生产；当气井产量难以携液时，改用排水采气管柱生产；若不能依靠***自身能量生产，可利用全生命周期的排水采气***实现气井全生命周期生产。
如图2所示，其中显示了本申请的排水采气设备1的结构示意图，包括地下设备和地面设备。地下设备包括套管20、油管21和小油管22，其中套管20用来支撑地层壁面，油管21放置在套管20内并与套管20之间形成第一环空。小油管22放置在油管21内并与油管21之间形成第二环空。小油管22上设有至少一个压力调节器24，压力调节器24上设有空气入口并连通小油管和第二环空。油管21的底部设有密封件25和容纳腔26，容纳腔26用于密封件25被打开以后回收密封件。容纳腔26上设有通孔，这样在密封件25被打开以后，可以将油管21的内部与第一环空连通。第二环空内设有上液位传感器27和下液位传感器23，上液位传感器27的设置位置高于最上面的压力调节器24，下液位传感器23的设置位置低于最下面的压力调节器24，上液位传感器27和下液位传感器23之间还可以根据需要设置至少一个液位传感器，以实时监测油管内的液位。
地面设备包括三个四通件，分别是上四通件13、中四通件14和下四通件15。上四通件13连通出口管线12，中四通件14连通进口管线11，下四通件15连通第一环空。上四通件13的顶端设有压顶件10，以防止设备中的气体冒出。中四通件14设有小油管固定件，小油管22固定在小油管固定件上，油管固定在下四通件15上。小油管22与出口管线12连通，小油管22与油管21之间的第二环空与进口管线11连通。需要说明的是，本申请中的小油管是本领域的常用技术术语，是指相对于油管21的尺寸来说更小的油管，无需限定其尺寸的范围。另外，附图2中的设备只是示意性的，并不构成对其具体结构的限定。
如图3所示，其中示出了本申请的一种产水气井全生命周期排水采气***的整体布置示意图。如图所示，该排水采气***包括排水采气设备1、气水分流装置2、干燥设备3、燃气发电机4、压缩机5。排水采气设备1的出口管线分为两个支路，第一支路连接有调节阀6、流量调节器8和气压表7，并最终连接到天然气的外输管网51；第二支路连接有气水分流装置2，用于将第二支路中传送的气体和液体进行分流。气水分流装置2的主体呈倒圆台型，上侧壁设有切向入口，以将混有液体的气体从切向引入，利用气体切向引入造成的旋转运动，使具有较大惯性离心力的液滴甩向外壁面进而将气体和液体分开。分流后的气体从气水分流装置2的顶部流出，分流后的液体流入底部汇集，当汇集到一定液位深度时，底部的阀门打开从而将液体排出。因此，气水分流装置2的顶部还需设置气体出口，气水分流装置2的底部还设有液体收集器，其侧壁的一定高度处连接有液位传感器201，当其中分离出的液体超出设定液位时，打开气水分流装置底部的调节阀，排出液体收集器中收集的液体。气水分流装置将生产的气水分离，提供满足燃气发电机4运转所需的天然气燃料，并使得开采出的天然气能够被作为压缩载气而循环使用。
从气水分流装置2的顶部流出的气体经过调节阀并经干燥设备3干燥后分为两个支路，其中一个支路通过流量调节器8流入燃气发电机4，另一支路流入压缩机5，燃气发电机4通过燃烧天然气以向压缩机5提供电能，从而避免了外接电源造成的设备冗繁和额外的电能损耗。众所周知，气井作业都是在野外环境下，想要连接到现场电源非常困难，如果能够实现气井***的自给自足，显然是对现有技术的巨大贡献。优选地，还可以在燃气发电机4上连通至少一块蓄能电池9，以将多余的电量储存在蓄能电池9中作为备用电源，供压缩机或其他设备使用。通过干燥设备3干燥后的燃气中去除了混入其中的液滴，避免了潮湿的天然气进入压缩机而造成的压缩机内壁结垢，避免了压缩机压缩效率的损失，更重要的是避免了结垢过多而造成的压缩机损坏和气井的停工；同时，也避免了潮湿的天然气进入发电机后造成的发电机效率损失和线路短路故障，解决了现有技术中出现的很多故障问题。压缩机5的出口管路上依次通过流量调节器8和气压表7连接到排水采气设备1的油管环空内。
外输管网51通过单向阀50连接到气水分流装置2的上游，以在***初始运行时通过外输管网51中的天然气向井下注入压缩气体，以开采出压缩机正常运行所需的天然气。当***运行稳定以后，单向阀50可以视情况而关闭，此时依靠地面下采出的天然气提供压缩机正常运行所需的循环载气。上述压缩气体可以是氮气等惰性气体。
下面说明采用本申请的上述排水采气***进行的产水气井全生命周期排水采气方法的详细步骤：
1.作业准备
1.1测量井内压力、温度分布和液面高度；
1.2泵车设备排尽地面管线空气，并对地面管线进行分级试压，最高试压压力稳压10分钟，压降小于0.5MPa视为合格；
1.3地面试压正常以后，逐一将设备吊至井口进行安装；
1.4根据小油管与井口的距离，拉出足够长度的小油管后，引导小油管进入上四通件，根据气举作业深度和井内液面高度，控制小油管上压力调节器在地下的定点位置，并计算各压力调节器的打开压力；其中，小油管可以卡于卡管盒中，拉出的小油管弯曲度不得大于5％；
气举生产过程中，由于开启压力较高，这就要求压缩机额定输出压力较大，但由于气举***在正常生产时，其工作压力比开启压力小得多，势必造成压缩机功率的浪费。为了降低压缩机的开启压力与工作压力之差，必须降低开启压力。压力调节器的主要作用是降低压缩机的开启压力，以减小能量损耗。压力调节器的其他作用还包括：可灵活的改变注气点深度，以适应井的供液能力；作为注气通道，以通过第二环空向小油管内提供压缩气体，迫使第二环空内的液面升入小油管并排出；压力调节器是单向通道，可以防止井内液体从第二环空内倒流；
1.5向小油管中打压，将密封件打开，准备气举作业；
2.气举作业
2.1打开压缩机和连接到外输管网的单向阀，缓慢开启压缩机和排水采气设备之间的流量调节器，初期采用小排量向第二环空内注气，每10分钟注气压力增大值不超过0.8MPa；
2.2关闭排水采气设备出口管线上第一支路的调节阀，使开始采出的天然气优先供应到燃气发电机和压缩机；
2.3将第二环空内的液体液面逐渐压低，蓄能后达到开启压力，逐级启动小油管上设置的压力调节器以举升井筒积液，使注气压力达到预设压力范围并稳定一段时间，直至高压气体从小油管底部进入；
2.4待压缩机能够正常运行以后，关闭连接到外输管网的单向阀，打开上述第一支路的调节阀，此时***进入正常自动运行阶段；
2.5通过多个液位传感器检测第二环空内的液面位置，并对应地调整各管路上设置的流量调节器，使得***能够自动稳定运行；当液面高度较高时，增大流入第二环空内的天然气流量，当液面高度较低时，减少流入第二环空内的天然气流量；当液面高度高于上液位传感器的位置时，说明此时第二环空内积液较多而且仅通过压缩循环的天然气已经不能满足需求，此时还可将连接到外输管网的单向阀打开，增加注入的压缩气体量。
采用本申请的上述全生命周期排水采气方法，***能够快速进入正常自动运行阶段，压缩机能够进行连续性作业，其所需能量可以通过开采并分流干燥后的天然气自动供给，使得压缩机长时间在稳定生产状态工作，保持稳定的工作压力和负荷，减少损耗；同时，该方法能够根据井下检测到的液面高度，自动调节外部管路上的流量调节器，使得***能够维持平衡，花费最小的能量实现了开采的最大效能。
在一种优选实施方式中，可以采用以下公式计算压力调节器在井下的深度：
顶部压力调节器的深度为
第i级压力调节器的深度为
其中，Pke表示开启压力(Mpa)，Pwh为井口油管内的流动压力(Mpa)，Pso[i]为第i个压力调节器的地面注气压力(Mpa)，ds为井内液体的重度，Gg为第二环空内气柱的压力梯度(Mpa/m)，Pt[i]为第i个压力调节器处的气层压力(Mpa)。采用上述公式，计算简单，得出的压力调节器的深度能够满足实际采气作业的需要。
优选地，本申请步骤2.3中所述逐级启动小油管上设置的压力调节器的具体步骤可以包括：
1)注入气通过入口进入第二环空，随着压力升高，环空液面下降，小油管内的液位上升；
2)第一级压力调节器暴露后，气体从第一级压力调节器进入小油管，与小油管内的液体混合，密度减小，气液混合物被排出地面；
3)气体继续进入环空，环空液面继续下降，直至第二级压力调节器暴露；
4)注入压力下降至第一级压力调节器的关闭压力，气体从第二级压力调节器处注入；
5)气体继续注入，重复上述过程，直至气体从小油管底部进入，实现气井连续生产。
采用本申请的全生命周期排水采气方法，***能够快速进入正常自动运行阶段，压缩机能够进行连续性作业，其所需能量可以通过开采并分流干燥后的天然气自动供给，使得压缩机长时间在稳定生产状态工作，保持稳定的工作压力和负荷，减少损耗；同时，该方法能够根据井下检测到的液面高度，自动调节外部管路上的流量调节器，使得***能够维持平衡，花费最小的能量实现了开采的最大效能。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属技术领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (4)
1.一种利用可控冲击波实现气井投产的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据收集的信息确定可控冲击波震裂的作业深度和作业参数；
(2)在作业深度利用射孔枪开出作业孔；
(3)依次串联推动机、推杆和震裂器，同时在震裂器和推杆之间安装磁定位仪和压力传感器，启动推动机利用推杆将震裂器下入作业孔中的最深作业深度；
(4)启动震裂器的能量转换器释放冲击波，达到设定的冲击次数以后，提升震裂器至第二作业深度释放冲击波达到设定冲击次数；依次类推，直至完成整井筒的冲击波作业深度和作业次数；每个作业深度的冲击完成以后，通过压力传感器检测井底压力5-10分钟，比较刚到达该作业深度时的压力和冲击完成后的压力，两者之差大于预设阈值时，才进入下一深度作业，否则在该作业深度继续增加作业次数，直至两者的压力差大于预设阈值；
(5)完成整井筒作业以后，起出推杆和震裂器，下入排水采气管柱；
(6)将安装好的排水采气管柱与***设备进行连接，组成排水采气***，利用所述排水采气***进行排水采气作业。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述震裂器包括从下到上依次设置的能量转换器、能量控制器、储能器、整流硅组件和增压变压器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述震裂器的顶端还连接有磁定位仪和压力传感器。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述排水采气***包括排水采气设备、气水分流装置、干燥设备、燃气发电机和压缩机，排水采气设备的出口管线分为两个支路，第一支路连接到外输管网；第二支路连接有气水分流装置；外输管网通过单向阀连接到气水分流装置的上游；
从气水分流装置的顶部流出的气体经过调节阀并经干燥设备干燥后分为两个支路，其中一个支路通过流量调节器流入燃气发电机，另一支路流入压缩机，燃气发电机通过燃烧天然气以向压缩机提供电能。
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