重復(fù)脈沖強(qiáng)沖擊波增透儲(chǔ)層技術(shù)(邱院士)

重復(fù)脈沖強(qiáng)沖擊波增透儲(chǔ)層技術(shù)(邱院士)第一頁(yè)，共39頁(yè)。西安交通大學(xué)2016年4月重復(fù)脈沖強(qiáng)沖擊波增透儲(chǔ)層技術(shù)邱愛慈張永民第一頁(yè)，共37頁(yè)。第二頁(yè)，共39頁(yè)。提綱一、研究背景二、重復(fù)脈沖強(qiáng)沖擊波產(chǎn)生技術(shù)三、沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理研究四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與新工藝探索五、結(jié)論第二頁(yè)，共37頁(yè)。第三頁(yè)，共39頁(yè)。我國(guó)規(guī)劃2020年的非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重僅達(dá)到15％左右，煤炭、油氣在一次能源消費(fèi)中，仍長(zhǎng)期占主導(dǎo)地位。一、研究背景第三頁(yè)，共37頁(yè)。第四頁(yè)，共39頁(yè)。煤炭、油氣儲(chǔ)層都需要改造，改造措施以力學(xué)作用為主；目前的力學(xué)措施以靜力學(xué)為主，動(dòng)力學(xué)為輔；靜力學(xué)措施通過加砂支撐，提高儲(chǔ)層的匯流能力，動(dòng)力學(xué)措施在孔、裂隙尺度提高儲(chǔ)層的滲透率?？上У氖乾F(xiàn)行動(dòng)力學(xué)措施只能單次加載。一、背景第四頁(yè)，共37頁(yè)。第五頁(yè)，共39頁(yè)。一、背景致密、低滲透、超低滲透、特低滲透油氣儲(chǔ)層僅僅依靠匯流縫實(shí)現(xiàn)不了高產(chǎn)；松軟煤儲(chǔ)層中難以形成砂子支撐的匯流縫；松軟煤層中難以形成順層的長(zhǎng)鉆孔；松軟煤層中更難以在水平井和順層孔中實(shí)施增透作業(yè)。油氣資源開發(fā)呼喚體積改造新技術(shù)、煤層增透新概念、新技術(shù)。第五頁(yè)，共37頁(yè)。第六頁(yè)，共39頁(yè)。脈沖功率技術(shù)是研究能產(chǎn)生各種強(qiáng)電脈沖功率輸出的技術(shù)。它以慢的方式儲(chǔ)存能量，然后，借助各種開關(guān)的快速切換實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮、功率放大、用很短的時(shí)間、很高的強(qiáng)度以單個(gè)脈沖或受控的重復(fù)脈沖形式，將能量瞬間釋放給負(fù)載；脈沖功率負(fù)載以各種物理原理將高功率電磁能量轉(zhuǎn)換為所需要的能放量形式，在有限的空間和有限的時(shí)間內(nèi)形成各種極端條件下的物理環(huán)境，以達(dá)到一般功率條件下達(dá)不到的目的。二、重復(fù)脈沖強(qiáng)沖擊波產(chǎn)生技術(shù)第六頁(yè)，共37頁(yè)。第七頁(yè)，共39頁(yè)。脈沖功率裝置的基本構(gòu)成等離子體輻射X射線激光離子束電子束EMP、超寬帶微波輻射微波負(fù)載脈沖傳輸與阻抗匹配脈沖儲(chǔ)能(脈沖成形、壓縮、傳輸)初級(jí)儲(chǔ)能初級(jí)能源脈沖功率系統(tǒng)sns負(fù)載電熱炮高能激光武器電磁炮激光聚變電源ms-ms水中沖擊波二、重復(fù)脈沖強(qiáng)沖擊波產(chǎn)生技術(shù)第七頁(yè)，共37頁(yè)。第八頁(yè)，共39頁(yè)。第一代第二代第三代高電壓擊穿換能器電爆炸絲換能器含能混合物換能器

在國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，沖擊波產(chǎn)生技術(shù)由僅依賴于電容器中儲(chǔ)存的電能的液電效應(yīng)原理進(jìn)步為電爆炸絲驅(qū)動(dòng)含能混合物產(chǎn)生沖擊波的新原理。新一代增強(qiáng)型電熱脈沖裝置不僅從沖擊波的幅值，也從沖量參數(shù)大幅提高了沖擊波的性能，基于新原理的裝置已經(jīng)在油水井、煤層氣井和煤層鉆孔中開展了應(yīng)用，并產(chǎn)生了良好的效果。二、重復(fù)脈沖強(qiáng)沖擊波產(chǎn)生技術(shù)第八頁(yè)，共37頁(yè)。第九頁(yè)，共39頁(yè)。第一代第二代第三代高電壓擊穿換能器電爆炸絲換能器含能混合物換能器同樣儲(chǔ)能下，高壓擊穿產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值小，脈寬較寬，沖量也最?。槐ńz產(chǎn)生的沖擊波幅值最高，但脈寬較窄，高頻分量豐富，作用于儲(chǔ)層容易產(chǎn)生網(wǎng)狀裂縫；含能混合物產(chǎn)生的沖擊波脈寬較寬，沖量最大；因低頻分量豐富，容易產(chǎn)生大塊的裂隙。前兩代技術(shù)與第三代技術(shù)相比，猶如底火與子彈、引信與炮彈。二、重復(fù)脈沖強(qiáng)沖擊波產(chǎn)生技術(shù)第九頁(yè)，共37頁(yè)。第十頁(yè)，共39頁(yè)。三、重復(fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理3.1沖擊波的增注機(jī)理儲(chǔ)層既是沖擊波的作用對(duì)象，也是傳播沖擊波的介質(zhì)。在儲(chǔ)層中每一點(diǎn)上，因沖擊波作用而改變性質(zhì)或狀態(tài)，消耗部分沖擊波能量，并傳播剩余能量到下一區(qū)域。在距離井筒不同半徑上，沖擊波的波形和幅值以及與儲(chǔ)層的相互作用模式不同。沖擊波的幅值和脈寬對(duì)不同力學(xué)參數(shù)的儲(chǔ)層作用效果不一致。（1）沖擊波破裂儲(chǔ)層在沖擊波的幅值大于儲(chǔ)層的抗壓強(qiáng)度區(qū)域，以破裂模式致裂儲(chǔ)層。第十頁(yè)，共37頁(yè)。第十一頁(yè)，共39頁(yè)。3.1沖擊波的增注機(jī)理（2）壓縮應(yīng)力波撕裂儲(chǔ)層：

初始沖擊波的對(duì)儲(chǔ)層做功衰減成壓縮應(yīng)力波，在還大于儲(chǔ)層的抗張、抗剪強(qiáng)度的區(qū)域，就會(huì)撕裂儲(chǔ)層形成新的裂隙，起到提高滲透率的作用。（3）高強(qiáng)聲波解堵儲(chǔ)層：初始沖擊波的幅值低于儲(chǔ)層的抗張、抗剪強(qiáng)度后，衰減為高強(qiáng)彈性聲波，在儲(chǔ)層不同介質(zhì)中的速度、加速度因聲阻抗差異，產(chǎn)生剪切力，可剝離儲(chǔ)層表面的附著堵塞物，改善毛管力、偶電層的吸附滯留效應(yīng)，減小表面張力，促進(jìn)滲流，實(shí)現(xiàn)解堵。三、重復(fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理第十一頁(yè)，共37頁(yè)。第十二頁(yè)，共39頁(yè)。應(yīng)變(低周)疲勞靜斷裂中周疲勞高周疲勞無限壽命3.1沖擊波的增注機(jī)理在靜載荷上，疊加周期性循環(huán)或隨機(jī)的沖擊波載荷，經(jīng)過一定的疲勞次數(shù)后，可以在較低的靜載荷下，導(dǎo)致巖體的破裂。每一次沖擊波作用對(duì)于下一次作用都是一種疲勞過程。三、重復(fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理（4）多次沖擊波對(duì)儲(chǔ)層的疲勞效應(yīng)：第十二頁(yè)，共37頁(yè)。第十三頁(yè)，共39頁(yè)。3.2沖擊波致裂砂巖的物模實(shí)驗(yàn)

在多項(xiàng)國(guó)家項(xiàng)目的支持下，開展了沖擊波致裂儲(chǔ)層機(jī)理研究。采用儲(chǔ)能30kJ的裝置對(duì)從露頭區(qū)采集的長(zhǎng)6砂巖、南方海相頁(yè)巖和煤巖樣品進(jìn)行了致裂實(shí)驗(yàn)。在不損傷套管的條件下通過多次作用的累計(jì)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)致裂和裂縫的延伸。在樣品外緣粘貼了動(dòng)態(tài)應(yīng)變片測(cè)量透射樣品的波參數(shù)。致裂實(shí)驗(yàn)中，在樣品外緣實(shí)測(cè)到縱向1500個(gè)微應(yīng)變，環(huán)向300個(gè)殘余微應(yīng)變。環(huán)向應(yīng)變縱向應(yīng)變?nèi)?、重?fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理第十三頁(yè)，共37頁(yè)。第十四頁(yè)，共39頁(yè)。3.2沖擊波致裂砂巖的物模實(shí)驗(yàn)沖擊波主要以拉伸破壞模式拉伸、撕裂巖石形成微裂隙，并擴(kuò)大、延伸、改造儲(chǔ)層原有裂隙。作用到實(shí)驗(yàn)樣品的沖擊波以各向同性的模式在樣品四周產(chǎn)生了一定數(shù)量的裂隙或微裂隙，并隨著沖擊次數(shù)的增加繼續(xù)延展、擴(kuò)展。

新的裂隙提高了儲(chǔ)層的滲流能力，同時(shí)，降低了巖石的力學(xué)強(qiáng)度。2-72-112-102-9三、重復(fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理第十四頁(yè)，共37頁(yè)。第十五頁(yè)，共39頁(yè)。3.2沖擊波致裂砂巖的物模實(shí)驗(yàn)類別抗壓強(qiáng)度MPa抗拉強(qiáng)度MPa彈性模量GPa抗剪強(qiáng)度干燥飽和泊松比粘聚力MPa摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)前50.8145.392.854.790.224.030.68實(shí)驗(yàn)后34.4328.781.733.130.252.880.65致裂實(shí)驗(yàn)前后樣品的力學(xué)參數(shù)對(duì)比

沖擊實(shí)驗(yàn)后測(cè)得的孔滲結(jié)果發(fā)現(xiàn)，砂巖樣品的孔隙度增大，滲透率提高。

未污染巖石的平均滲透率由0.611md增至2.579md。平均孔隙度由15.37%增至16.21%。實(shí)驗(yàn)后，樣品的力學(xué)強(qiáng)度下降，應(yīng)用于水力壓裂前可降低初始的破壓，形成更為復(fù)雜的裂縫。三、重復(fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理第十五頁(yè)，共37頁(yè)。第十六頁(yè)，共39頁(yè)。3.3沖擊波致裂煤層的物模實(shí)驗(yàn)三、重復(fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理切片300切片100宏觀和微觀檢測(cè)結(jié)果表明：隨作用次數(shù)的增加，裂隙不斷擴(kuò)展和豐富第十六頁(yè)，共37頁(yè)。第十七頁(yè)，共39頁(yè)。類別抗壓強(qiáng)度(MPa)抗拉強(qiáng)度(MPa)

彈性模量(GPa)

泊松比粘聚力(MPa)摩擦系數(shù)干燥飽和沖擊前貧煤13.9127.480.753.650.312.720.73無煙煤15.2729.371.584.010.293.170.82沖擊后貧煤7.6421.050.432.310.391.350.69無煙煤9.3122.931.162.650.411.720.73增加量貧煤6.276.430.321.34-0.081.370.04無煙煤5.966.440.421.36-0.121.450.09變化率（%）貧煤-45.08-23.40-42.67-36.7125.81-50.37-5.48無煙煤-39.03-21.93-26.58-33.9241.38-45.74-10.983.3沖擊波致裂煤層的物模實(shí)驗(yàn)三、重復(fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理第十七頁(yè)，共37頁(yè)。第十八頁(yè)，共39頁(yè)。3.4沖擊波致裂南方海相頁(yè)巖的物模實(shí)驗(yàn)在三軸壓力試驗(yàn)平臺(tái)上的沖擊波致裂實(shí)驗(yàn)兩次沖擊波作用后的外表面出現(xiàn)裂紋三、重復(fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理第十八頁(yè)，共37頁(yè)。第十九頁(yè)，共39頁(yè)。3.4沖擊波致裂南方海相頁(yè)巖的物模實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中在樣品邊緣實(shí)測(cè)到了由沖擊波引起的應(yīng)變?nèi)⒅貜?fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理第十九頁(yè)，共37頁(yè)。第二十頁(yè)，共39頁(yè)。3.4沖擊波致裂南方海相頁(yè)巖的物模實(shí)驗(yàn)三次沖擊波作用后，在樣品外緣觀察到了滲透到邊緣的示蹤劑，顯示已有裂隙擴(kuò)展到邊界三、重復(fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理第二十頁(yè)，共37頁(yè)。第二十一頁(yè)，共39頁(yè)。3.4沖擊波致裂南方海相頁(yè)巖的物模實(shí)驗(yàn)三次沖擊波作用后，實(shí)測(cè)的漏失曲線顯示樣品內(nèi)部出現(xiàn)裂隙三、重復(fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理第二十一頁(yè)，共37頁(yè)。第二十二頁(yè)，共39頁(yè)。3.4沖擊波致裂南方海相頁(yè)巖的物模實(shí)驗(yàn)三次沖擊波試驗(yàn)后，沿橫向切開的樣品，兩側(cè)均出現(xiàn)幾乎貫穿的裂縫三、重復(fù)沖擊波作用儲(chǔ)層的機(jī)理第二十二頁(yè)，共37頁(yè)。第二十三頁(yè)，共39頁(yè)。4.1頁(yè)巖油層的致裂實(shí)驗(yàn)

在140米深的油頁(yè)巖層中，采用沖擊波作業(yè)和聲波測(cè)井交替進(jìn)行的試驗(yàn)，實(shí)測(cè)了沖擊前和沖擊5次、10次、30次后的聲幅變化。根據(jù)聲幅變化研究致裂效果。

隨沖擊次數(shù)的增加，測(cè)井聲幅減小。在距作業(yè)點(diǎn)20米的上方，聲幅也隨沖擊次數(shù)衰減，指示沖擊致裂區(qū)域半徑大于20米。四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與總結(jié)第二十三頁(yè)，共37頁(yè)。第二十四頁(yè)，共39頁(yè)。4.2、在油、水井中的應(yīng)用采用新的技術(shù)原理提高了沖擊波幅值后，沖擊波技術(shù)不僅具有原來的解堵機(jī)理，也以全方位撕裂儲(chǔ)層的機(jī)理創(chuàng)造了新的滲流通道。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中，選擇了特殊井況的油水井，既驗(yàn)證了裝置的可靠性，也驗(yàn)證沖擊波的致裂效果：四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與總結(jié)選擇了其它措施難于實(shí)施的長(zhǎng)9層新投注井，以沖擊波技術(shù)作為完井措施，作業(yè)后達(dá)到了配注要求。既驗(yàn)證了沖擊波的致裂機(jī)理，也拓展了新的應(yīng)用層位。第二十四頁(yè)，共37頁(yè)。第二十五頁(yè)，共39頁(yè)。4.2、在油、水井中的應(yīng)用四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與總結(jié)姚4-45姚3-40作業(yè)兩口新投注井達(dá)到了配注第二十五頁(yè)，共37頁(yè)。第二十六頁(yè)，共39頁(yè)。4.2、在油、水井中的應(yīng)用張21-13井作業(yè)后，日產(chǎn)量從1噸增加到3噸四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與總結(jié)在不能實(shí)施壓裂措施的薄夾層區(qū)塊作業(yè)了三口油井，大幅提高了油井的產(chǎn)量。有效期已經(jīng)一年以上，且持續(xù)有效。從另一方面驗(yàn)證了沖擊波致裂儲(chǔ)層的機(jī)理，為難于改造的薄夾層油層提供了一種新的改造措施。第二十六頁(yè)，共37頁(yè)。第二十七頁(yè)，共39頁(yè)。4.2、在油、水井中的應(yīng)用張23-13井作業(yè)后，日產(chǎn)量從2噸增加到3噸四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與總結(jié)薄夾層油井增產(chǎn)第二十七頁(yè)，共37頁(yè)。第二十八頁(yè)，共39頁(yè)。4.2、在油、水井中的應(yīng)用四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與總結(jié)鎮(zhèn)47-39井作業(yè)后，日產(chǎn)量從0.5噸增加到2噸薄夾層油井增產(chǎn)第二十八頁(yè)，共37頁(yè)。第二十九頁(yè)，共39頁(yè)。在完成沖擊波產(chǎn)生裝置的防爆改造后，已在礦井下的穿層、順層鉆孔中實(shí)施了致裂增透試驗(yàn)，開辟在煤礦瓦斯治理中的新應(yīng)用。四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與總結(jié)4.3、在井下煤層鉆孔中的應(yīng)用第二十九頁(yè)，共37頁(yè)。第三十頁(yè)，共39頁(yè)。

2015年12月17日完成了130米煤層的增透作業(yè)，截止3月17日的抽采數(shù)據(jù)：累積抽放量：454200m3

。已超出傳統(tǒng)預(yù)估方法給出的預(yù)計(jì)抽采量375858m3。四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與總結(jié)第三十頁(yè)，共37頁(yè)。第三十一頁(yè)，共39頁(yè)。抽采一個(gè)月后，在增透試驗(yàn)孔旁不同距離上打了數(shù)個(gè)探查孔，在距作業(yè)孔25米的探查孔中實(shí)測(cè)到了負(fù)壓，驗(yàn)證了作業(yè)范圍25米。目前，巷道已開始掘進(jìn)。探查孔掘進(jìn)巷道孔四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與新工藝探索第三十一頁(yè)，共37頁(yè)。第三十二頁(yè)，共39頁(yè)。中井礦瓦斯治理通過煤科院評(píng)估，給予該礦引進(jìn)的定向鉆孔和重復(fù)脈沖預(yù)裂煤層增透技術(shù)等新工藝較好的評(píng)價(jià)。四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與新工藝探索第三十二頁(yè)，共37頁(yè)。第三十三頁(yè)，共39頁(yè)。

國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益不高的原因主要是儲(chǔ)層改造代價(jià)大：當(dāng)水平最大、最小主應(yīng)力差小于5MPa時(shí)，水力壓裂可形成網(wǎng)狀裂縫。典型區(qū)塊如中石化的涪陵開發(fā)區(qū)。

反之，當(dāng)水平最大、最小主應(yīng)力差大于5MPa時(shí)一般形成樹狀裂縫，甚至單一裂縫，如中石油的長(zhǎng)寧威遠(yuǎn)區(qū)塊。

解決問題的技術(shù)路線有：增大儲(chǔ)層改造的縫網(wǎng)復(fù)雜性以提高產(chǎn)量；或降低儲(chǔ)層壓裂改造成本。4.4、新的應(yīng)用工藝探索四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與新工藝探索第三十三頁(yè)，共37頁(yè)。第三十四頁(yè)，共39頁(yè)。4.4、新的應(yīng)用工藝探索沖擊波脈沖致裂串聯(lián)水力壓裂工藝：在射孔工藝的條件下，先以沖擊波全方位脈沖致裂井筒附近的頁(yè)巖層，為水力壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)提供前提。沖擊波脈沖致裂復(fù)合水力壓裂工藝：沖擊波脈沖致裂頁(yè)巖與水力壓裂