基於重複頻率衝擊波的地面抽採煤層氣井改造方法
2023-06-17 06:32:16
專利名稱：基於重複頻率衝擊波的地面抽採煤層氣井改造方法
技術領域：
本發明屬於能源領域，特別是種改造煤層結構的方法，可用於地面抽採煤層氣的直井、斜井和裸眼井，也可應用於礦井中水平抽排孔中的煤層改造。
背景技術：
煤炭是世界上儲量最多、分布最廣的常規能源，在一次能源消費中所佔比重為四％。我國的煤炭資源十分豐富，煤儲量達1萬億噸以上，是世界最大的煤炭生產國和消費國。國內煤炭在能源生產和消費中的比例一直在70%以上，預計到2050年，仍佔60%以上。煤炭生產中的瓦斯(煤層氣)災害是我國煤礦傷亡、損失最大以及發生最頻繁的重大惡性事故，嚴重威脅著礦井的安全生產。煤層氣還是造成溫室效應、破壞臭氧層等大氣環境汙染之源，其溫室效應是等體積二氧化碳的20 M倍，對大氣臭氧層的破壞能力是二氧化碳的7倍。雖然煤層氣是安全生產的罩門，但也是一種高熱、潔淨、方便的新型能源，其具有其它能源無法比擬的無汙染、無油汙等多種優點。2006年6月，國務院發布了「國務院辦公廳關於加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽採利用的若干意見」，明確提出了在高瓦斯礦區實施「先採氣後採煤」和「採氣採煤一體化」以及對煤層氣和煤炭資源進行綜合勘查評價的規定。煤層氣事業是國家積極扶持的事業，2010年全國規劃的煤層氣產量100億m3，其中地面抽排50億m3，坑道抽排50億m3。坑道抽排已達到規劃產量，由於煤層改造和氣井增產措施的限制，地面抽排尚未達到規劃產量。由於80 %的煤層氣是以吸附狀態賦存在煤層中，為了實現煤層氣的工業開採和加快礦井中煤層氣的抽排速度，需要對煤層進行改造。目前的煤層改造方法基本沿用了油層改造的傳統工藝，以水力壓裂為主要方法。這些傳統的方法存在以下缺點首先，由於傳統改造油氣儲層的方法都是或多或少向煤層注入異物，必然會造成對煤層的傷害；其次，因水力壓裂的靜壓力可能使煤層被壓實，導致煤層氣井不產氣；其三，水力壓裂僅僅是以提高煤層滲流通道、擴大解吸面積為主，對提高煤層解吸能力、抑制煤層吸附能力沒有作用。
發明內容
本發明的目的在於克服上述傳統方法的缺點，根據煤層與油氣地層的性質和結構特點，提出一種基於重複頻率衝擊波的地面抽採煤層氣井改造方法，以在不傷害煤層的情況下，提高煤層的滲流能力、解析能力和抑制煤層的再吸附能力，最終提高煤層氣井的產量和產能。實現本發明目的的技術方案是採用水介質火花開關在煤層的水中進行重複頻率高電壓脈衝放電，通過液電效應在煤層的水中激起高強衝擊波，通過射孔炮眼和套管重複多次作用於煤層，在煤層中創造新的裂縫，解除煤層的堵塞，從而提高煤層的解吸、滲流能力，抑制煤層的再吸附能力，其具體步驟包括如下
(1)起出井下所有管柱；(2)下通井規，以保證下井儀器通行無阻；(3)向煤層氣井中持續注入本井或鄰井抽排出的地下水到井口高度；(4)將高聚能大功率電脈衝裝置的井下設備送到煤層的射孔段，將煤層射孔段分為若干個區段，每個區段為一個作業點；(5)用電脈衝裝置在每個作業點進行重複頻率高壓放電，對煤層的各個區段進行重複頻率衝擊波處理；(6)對所有作業點處理完畢後，起出井下設備；(7)按要求下生產管柱完井，投入排採。上述地面抽採煤層氣井改造方法，其中衝擊波的峰值壓力大於lOOMpa，衝擊波脈寬小於0. 4msο上述地面抽採煤層氣井改造方法，其中每個區段的距離為30cm 100cm。上述的地面抽採煤層氣井改造方法，其中衝擊波的重複頻率為0. 05Hz-0. 33Hz。上述地面抽採煤層氣井改造方法，其中作業點距煤層頂底板的距離大於50cm。上所述的地面抽採煤層氣井改造方法，其中各個區段進行重複頻率衝擊波處理的參數為50 200次。本發明具有如下優點1)本發明所採用的電脈衝技術是純物理方法，利用煤層所產的水作為能量轉換和傳遞的介質，因此不傷害煤層；2)本發明由於以衝擊波作用於煤層，可以避免傳統改造方法的靜壓作用於煤層時可能造成的壓實作用。3)本發明由於所採用的衝擊波壓力峰值遠大於煤層的抗壓強度，會在原生煤中造縫和構造煤留痕，產生溝通流體介質的通道，提高煤層的滲流能力。4)本發明由於所採用的衝擊波會在煤層中波阻抗相差較大的介質界面上產生較強的剪切力，剝離煤層孔隙、裂隙、滲流通道中附著在煤巖表面的雜物，起到解除煤層堵塞作用，提高煤層滲流能力。5)本發明由於對煤層採用多重複頻率多次衝擊波作用，使煤巖分子與吸附氣體的範德化健不僅斷裂，而且遭受強烈破壞，加速煤層氣的解吸、抑制煤層再吸附能力。6)本發明由於對煤層進行分段處理，不僅可以對煤層進行精細處理，可以有選擇的處理需要處理的區段，而且不傷害煤層的頂底板。7)本發明由於衝擊波以重複頻率作用於煤層，可以選擇各個作業點上作業的重複頻率和作業次數。
圖1是本發明的作業流程圖；圖2是本發明使用的高聚能大功率電脈衝裝置井下設備電原理圖；圖3是在本發明實施現場不同時刻和角度拍攝的井噴效果圖。
具體實施例方式作業前，首先需要收集待作業煤層氣井的有關數據，根據所收集的煤巖性質、煤層物性、成井方式、生產和改造歷史、區塊生產狀況這些數據分析降產原因；調整高聚能大功率電脈衝裝置的電路參數、工作電壓，設計衝擊波的幅值、脈衝寬度和重複頻率，用電脈衝裝置的井下設備對煤層進行重複頻率作業。參照圖1，本發明的作業流程如下步驟一起出井下所有管柱。在作業前將井筒中包括水泵、水管、抽水杆全部起出，以使電脈衝裝置的井下設備能夠下井作業。步驟二 在井中下通井規。通常煤層氣井套管的直徑為139. 7mm,電脈衝裝置井下設備的直徑為102mm，由於煤層氣井套管可能有變形等意外情況，所以，在電脈衝裝置井下設備下井前，需要用直徑 102mm、長度7m的鋼管作為通井規試下井到煤層位置，以確保電脈衝裝置的井下設備能夠順利下井到煤層位置。步驟三向煤層氣井中持續注入水，並將高聚能大功率電脈衝裝置的井下設備送到煤層。由於電脈衝裝置工作時，需要水作為介質，而井下水的礦化度較高，與水質不同的地表水相遇後會產水複雜的化學反應，導致不良的後果，為避免這一問題本發明利用本井或鄰井所產的水，在作業前將其注入到井筒，以消除不同水質引起的不良反應。由於井筒中水柱的壓力可以壓迫電脈衝裝置產生的衝擊波的能量集中在與裝置垂直的方向，更有利於發揮衝擊波的作用，為此在作業前要將水注滿到井口，再將高聚能大功率電脈衝裝置的井下設備送到煤層，在作業過程中一直保持井筒中的水液面在井口位置。步驟四將煤層分為若干個區段，每個區段為一個作業點。由於衝擊波在垂直於裝置的縱向上有效作用範圍為30cm，煤層物性、堵塞情況在縱向厚度上也有變化，因此可以將煤層分成最小30cm到最大IOOcm的區段，每個區段作為一個作業點，作業點距煤層頂底板的距離設為大於50cm，以保證衝擊波不會傷害煤層頂底板。步驟五用高聚能大功率電脈衝裝置的井下設備，對每個作業點進行重複頻率衝擊波處理；5a)設置高聚能大功率電脈衝裝置井下設備的技術參數如下放電電壓30kV，放電電流50kA，裝置儲能5kJ，設備外徑102_，工作溫度·· lOOMpa，衝擊波脈寬< 0. 4ms,衝擊波縱向有效範圍30cm，工作頻率0. 05 0. 33Hz ；5b)對各個作業點進行相同或者不同重複頻率和次數的衝擊波處理由於原生煤層的抗壓強度不大於lOMPa，選擇衝擊波峰值壓力大於IOOMPa時，衝擊波通過井筒作用於煤層時就可強力撕裂煤層，為了延伸裂縫，不同作業點只能作業到最大200次，更多的次數會擊碎煤層，導致相反的效果，衝擊波撕裂煤層的作用可在原生煤中造縫，也可以在構造煤中留痕；衝擊波對一個作業點多次作用後會使煤體中產生網狀裂縫， 造成煤的裂隙型孔隙局部增多，提高煤層的滲流能力；
為了避免衝擊波對煤層的壓實作用和對井筒套管產生不良影響，限制衝擊波的脈衝寬度小於0. 4ms ；由於單個作業點的作業次數少於50次和重複頻率低於0. 05Hz時，衝擊波對煤層的改造力度較弱，不足以提高煤層氣井的產量，但當衝擊波重複頻率高於0. 33Hz和單個作業點的作業次數大於200次時，會擊碎煤層，並對煤層產生壓實作用，故衝擊波重複頻率要控制在0. 05Hz 0. 33Hz內，對作業點進行重複頻率的衝擊波次數控制在50 200次以內。步驟六在對整個煤層需要處理的各個區段作業完成後，起出電脈衝裝置的井下設備。步驟七重新組裝煤層氣井中的水泵、水管和抽水杆，根據作業前對煤層物性參數的分析，結合作業過程中煤層氣井的變化，採用強力排採或者緩速排採的工藝投入排採。參照圖2，本發明使用的高聚能大功率電脈衝裝置的井下設備，主要由高壓直流電源、高聚能儲能器、能量控制器和能量轉換器組成。其中高壓直流電源由中頻變壓器T和全波整流器D組成；高聚能儲能器由電容器Cl、C2、C3和C4並聯組成；能量控制器由第一高壓電極dl和第一低壓電極d2組成；能量轉換器由第二高壓電極d3和第二低壓電極d4組成。作業時，從地面輸入的1000Hz中頻和1000V電源先經高壓直流電源中的中頻升壓變壓器升壓，再經全波整流後為高聚能儲能器充電；當高聚能儲能器充電到能量控制器的工作閾值時，能量控制器將高聚能儲能器中積蓄的電能瞬間傳遞給能量轉換器；能量轉換器以液電效應將高功率電能轉換為水中的衝擊波P作用於煤層。圖3是採用陝西威迅石油科技有限公司的WXEB30/4. 5高聚能大功率電脈衝裝置實施本發明的過程中，在煤層氣井場不同時刻和從不同方向拍攝的井噴照片，其中圖3(a) 是在距井口 5m處拍攝的結果，圖3(b)是在距井口約IOm處拍攝的結果。從圖3可見，用本發明方法對煤層的改造起到了良好的效果。
權利要求
1.一種基於重複頻率衝擊波的地面抽採煤層氣井改造方法，包括如下步驟(1)起出井下所有管柱；(2)下通井規，以保證下井儀器通行無阻；(3)向煤層氣井中持續注入本井或鄰井抽排出的地下水到井口高度，並將高聚能大功率電脈衝裝置的井下設備送到煤層；(4)將煤層分為若干個區段，每個區段為一個作業點；(5)用高聚能大功率電脈衝裝置的井下設備對每個作業點進行重複頻率衝擊波處理；(6)在所有作業點處理完畢後，起出井下設備；(7)按要求下生產管柱完井，投入排採。
2.根據權利要求書1所述的地面抽採煤層氣井改造方法，其特徵在於衝擊波的峰值壓力設為大於lOOMpa，衝擊波脈寬小於0. 4msο
3.根據權利要求書1所述的地面抽採煤層氣井改造方法，其特徵在於每個區段的距離為 30cm IOOcm0
4.根據權利要求書1所述的地面抽採煤層氣井改造方法，其特徵在於衝擊波的重複頻率為 0. 05Hz-0. 33Hz。
5.根據權利要求書1所述的地面抽採煤層氣井改造方法，其特徵在於作業點距煤層頂底板的距離大於50cm。
6.根據權利要求書1所述的地面抽採煤層氣井改造方法，其特徵在於各個區段進行重複頻率衝擊波處理的次數為50 200次。
7.根據權利要求書1所述的地面抽採煤層氣井改造方法，其特徵在於高聚能大功率電脈衝裝置的井下設備的放電電壓設為30kV，放電電流設為50kA。
8.根據權利要求書1所述的地面抽採煤層氣井改造方法，其特徵在於衝擊波縱向有效範圍為30cm。
全文摘要
本發明公開了一種基於重複頻率衝擊波的地面抽採煤層氣井改造方法，主要解決現有技術對煤層的傷害、對煤層的壓實和不能同時提高煤層滲流和解吸的問題。其作業流程是(1)起出井下所有管柱；(2)下通井規，以保證下井儀器通行無阻；(3)向煤層氣井中持續注入本井或鄰井抽排出的地下水到井口高度，將高聚能大功率電脈衝裝置的井下設備送到煤層；(4)將煤層分為若干個區段，每個區段為一個作業點；(5)用電脈衝裝置的井下設備在每個作業點進行重複頻率衝擊波處理；(6)對所有作業點處理完畢後，起出井下設備；(7)按要求下生產管柱完井，投入排採。本發明具有不傷害煤層和對煤層進行單點重複頻率作業的優點，可用於提高煤層氣井的產量和產能。
文檔編號E21F7/00GK102155253SQ20111002731
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月26日 優先權日2011年1月26日
發明者呂曉琳, 張碩 申請人:呂曉琳, 張碩