Novel method for identifying the stages of discharge underwater based on impedance change characteristic

It is difficult to determine the discharge stages in a fixed time of repetitive discharge underwater due to the arc formation process being susceptible to external environmental influences. This paper proposes a novel underwater discharge stage identification method based on the Strong Tracking Filter(STF) and impedance change characteristics. The time-varying equivalent circuit model of the discharge underwater is established based on the plasma theory analysis of the impedance change characteristics and mechanism of the discharge process. The STF is used to reduce the randomness of the impedance of repeated discharges underwater, and then the universal identification resistance data is obtained. Based on the resistance variation characteristics of the discriminating resistance of the pre-breakdown, main, and oscillatory discharge stages, the threshold values for determining the discharge stage are obtained. These include the threshold values for the resistance variation rate(K) and the moment(t).Experimental and error analysis results demonstrate the efficacy of this innovative method in discharge stage determination, with a maximum mean square deviation of Scrless than 1.761.

基于层次分析法的页岩气储层可压裂性评价研究

为评价页岩气储层的可压裂性,提高页岩气开发过程中压裂层段选取的经济有效性,首先利用岩心分析化验资料与测井资料综合研究脆性指数、脆性矿物含量、有机碳含量、黏土矿物、断裂韧度和水平应力差异系数等因素对页岩气储层可压裂性的影响;然后对正向、负向可压裂性评价参数进行归一化处理,并采用层次分析法建立了页岩气储层可压裂性评价模型;最后利用贵州岑巩地区牛蹄塘组页岩气井压裂层段微地震资料进行验证分析和压裂分级评价。结果表明:当有机碳含量小于7%时,可压裂指数变大,可压裂性增强,有机碳含量大于7%时,页岩的构造裂缝不发育,可压裂指数变小,可压裂性变差;脆性指数及脆性矿物含量与可压裂指数呈正相关性,黏土矿物含量和断裂韧度则与可压裂指数呈负相关性,水平应力差异系数与可压裂指数没有明显的相关性。基于层次分析法建立的可压裂性评价模型能够较为准确地识别不同储层段的可压裂性,为页岩气储层可压裂性评价提供了新思路。

综合矿物组分和弹性力学参数的页岩脆性评价方法

利用常规测井和阵列声波、元素俘获等特殊测井资料,结合X衍射和岩石三轴抗压强度等岩石力学实验,综合考虑不同矿物组分与弹性力学参数的关系,建立了一种新的脆性指数评价模型。新的岩石脆性计算方法既克服了岩石力学参数法不考虑微观矿物组分的缺点,又解决了矿物组分法对宏观岩石力学参数缺乏考虑的问题。与已有的脆性指数计算方法相比,新方法较准确地体现了不同矿物组分对页岩脆性的贡献率,为研究区页岩储层的压裂工作奠定了基础。

非常规储层电脉冲共振增产技术研究与应用

为了提高非常规油气的产量,解决非常规油气储层改善的难题,对储层的电脉冲共振技术进行研究,利用电脉冲激励源作为敲击锤实现对储层固有频率的检测,通过对电压电流环的控制实现放电频率的快速准确调节。研发了可用于现场施工作业的非常规储层共振增产装置样机,形成了初步的施工作业流程,完成了山西五口煤层气井的现场实验。实验结果表明电脉冲冲击波的有效作用范围可达400~500 m,对储层裂缝改善效果明显,应用前景十分广阔。

页岩储层中气体多机理耦合渗流研究

页岩储层中有纳米孔、微米孔、微裂隙、人工裂缝等储集空间和运移通道,多尺度的孔隙结构使气体具有扩散、滑脱、达西渗流等多种流动形式。当储层压力、温度、应力改变时,赋存气体的运动状态、孔隙结构会发生改变,使渗流复杂化。利用毛管束模型和平板模型,分别讨论了扩散、吸附、应力解吸对页岩中气体渗流的影响。研究表明:1当温度一定时,在低压小孔隙中,气体的扩散主要是Kudsen扩散;当压力和孔径变大时,则以Fick扩散为主;2在低压小孔隙储层中,扩散对渗流影响不可忽略;但当压力和孔径达到一定值后,可以忽略扩散的影响;3滑脱对气体渗流的影响程度与压力和孔隙尺度有关;4吸附会减小孔隙直径,影响气体渗流,孔隙越小,吸附对渗流的影响越严重;5随有效应力的增加,页岩渗透率降低;页岩中裂缝越多,渗透率降低越显著;气体解吸后页岩的渗透率变大。

基于页岩频谱共振的储层改善装置研制

研制了一种用于页岩气增产的基于页岩频谱共振的高压脉冲放电装置。装置基于共振原理和高压电脉冲压裂技术研制,装置工作在目标储层的固有频率下,用很小的周期力便可使裂缝发育,达到储层改善的目的。整套装置分为井上系统和井下系统,中间通过高压电缆连接,并考虑电缆的分布参数影响,为其配备增强型静止无功发生器(ASVG)。装置核心控制利用DSP 28335实现。设备体积小,可操作性强,工作稳定可靠,不污染环境。初步实验说明,装置在放电电压30 kV时的放电电流达4 kA,放电频率可达50 Hz,且能稳定工作1 h以上。

渝东南—黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩裂缝发育特征与主控因素

依据渝东南—黔北地区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩露头、岩心、薄片和扫描电镜下裂缝系统的观察描述、特征参数和对应样品分析测试数据,深入分析并探讨了牛蹄塘组页岩裂缝的发育特征与主控因素及其对页岩含气性的影响。结果表明:牛蹄塘组页岩中发育不同类型的宏观裂缝和微裂缝,宏观裂缝以构造缝为主,主要为高角度的剪切缝、张剪性裂缝、压扭性裂缝及低角度滑脱缝;微裂缝主要为非构造成因的层间缝、粒间缝和粒内缝。岩心中宏观裂缝大部分被充填,充填物主要为方解石、泥质及黄铁矿。裂缝的发育主要受构造应力及构造部位、有机质含量、矿物成分及含量、岩性与岩石力学性质等多种因素的影响,其中构造因素是裂缝发育最主要的控制因素,脆性矿物与有机质含量对页岩岩石力学性质与裂缝的发育具有重要影响。在良好保存条件下,裂缝的发育对牛蹄塘组页岩含气性与渗透性均具有贡献,而对渗透性的改善是其最主要的贡献。压扭与滑脱性裂缝缝面糜棱状矿物内部孔隙、裂缝发育,有效改善了页岩的孔渗能力。裂缝中方解石、石英等充填物内部发育开启的次级裂缝和溶蚀孔缝亦增加了充填裂缝的有效性。

川东南五峰组—龙马溪组与黔东南牛蹄塘组页岩储层特征对比分析与差异性探讨

以川东南JY1井五峰组—龙马溪组与黔东南TX1井牛蹄塘组为例,依据矿物学、有机地球化学、孔隙结构、甲烷吸附性、岩石力学和裂缝发育特征等对页岩储层发育特征进行系统对比分析。结果表明:(1)龙马溪组储集空间以迁移有机质(固体沥青)内部有机孔为主,孔径较大,可达微米级;牛蹄塘组有机孔发育程度低,有机孔径普遍小于30 nm,碎粉状有机—无机矿物粒间孔为重要储集空间,裂缝发育程度高,孔隙结构更为复杂,甲烷吸附/解吸能力更强;五峰组孔隙与裂缝发育规模介于龙马溪组与牛蹄塘组之间。(2) TOC含量与脆性的分段式关系使储层孔隙与裂缝发育特征存在显著差异,当w(TOC)<6%时,五峰组—龙马溪组与牛蹄塘组TOC含量、脆性、有机/无机孔与裂缝协同发育;当w(TOC)>6%时,牛蹄塘组塑性增强使裂缝总量降低,但具有擦痕面的滑脱和压扭/张扭性裂缝数量增加,裂缝有效性与储集空间得到显著改善。(3)龙马溪组、五峰组和牛蹄塘组代表不同地质条件下储层演化的阶段性特征:随热演化、成岩和构造(与泄压)作用的增强,有机孔规模逐渐降低,孔隙结构趋于复杂,甲烷吸附/解吸能力增强,无机孔与裂缝对储集空间贡献逐渐增大。

黔北地区海相页岩气保存条件——以贵州岑巩区块下寒武统牛蹄塘组为例

中国南方地区发育多套海相富有机质页岩,页岩气资源丰富,但与北美地区相比,具有形成时代老、热演化程度高、构造期次多、构造变形复杂、地应力状态与地表条件复杂及保存条件差异大等特点。与已获得突破的龙马溪组相比,下寒武统牛蹄塘组形成时代更老,储层特殊性与复杂性更大,对保存条件要求更高。为此,针对南方复杂构造区特殊地质条件,以贵州岑巩区块牛蹄塘组为例,通过地震资料精细解释与构造演化分析,结合物质基础、顶底板与区域盖层、天然气组分、地层水条件、地层压力等因素对页岩气保存条件进行了研究。结果表明,以断裂和剥蚀为主的后期改造是页岩气散失的根本原因。研究区构造演化具有"早期小幅抬升,长期相对稳定,后期强烈改造"的特点。区内北东-北北东向隔槽式褶皱、高角度逆冲与走滑断裂发育,中部宽缓构造部位断裂较少,埋深适中,保存条件较好。天然气组分与地层水特征表明,优良的顶、底板与区域盖层有效减缓了页岩气的散失与地层水的侵入。最后,提出了页岩气构造保存条件评价指标体系,并对研究区构造保存有利区进行了优选。

黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩储层发育特征:以岑巩区块为例

依据矿物学、有机地球化学、孔隙结构、甲烷吸附性、岩石力学性质、裂缝发育特征和保存条件等方面的资料,对研究区下寒武统牛蹄塘组页岩储层发育特征进行了系统研究。结果表明,牛蹄塘组页岩具有较高的有机质丰度、脆性矿物含量、热演化程度和甲烷吸附能力。与北美主要产气页岩及龙马溪组页岩相比,牛蹄塘组页岩以Ⅰ型有机质为主,有机孔发育规模较小,孔径多小于5nm,甲烷吸附/脱附能力强。矿物粒间与粒内孔缝是牛蹄塘组页岩储集空间与渗流通道的主要来源,高TOC含量伴随的高石英(刚性矿物)含量有利于微观孔缝的发育、保存及游离气的富集。牛蹄塘组宏观裂缝以构造缝为主,其次为层间缝,微观上主要为层间、粒间和粒内缝;方解石与石英等裂缝充填物内部发育开启的次级微裂缝、解理和溶蚀孔隙,滑脱缝与压扭/张扭性裂缝面糜棱化矿物粒间孔缝发育,增加了充填裂缝的有效性。在良好保存条件下,裂缝的发育对牛蹄塘组页岩含气性与渗透性均具有贡献,而对渗透性的改善是其最主要贡献。当TOC含量低于6.5%,TOC含量与孔隙度、总孔体积、脆性、兰氏压力、裂缝密度和游离气含量等储层参数具有正相关关系;当TOC含量大于6.5%时,正相关关系逐渐变为负相关。有机质类型、含量、成熟度及成岩作用对页岩储层宏观(脆性、裂缝发育程度)与微观(孔隙类型、孔隙结构、甲烷吸附性)性质均有重要影响。

上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩储层脆性评价:以贵州岑巩区块为例

页岩的脆性决定页岩储层的可压裂性,对页岩气的勘探开发影响重大。南方地区发育多套高脆性海相富有机质页岩,是我国页岩气勘探部署的重要战略地区。与已获得页岩气突破的龙马溪组页岩相比,下寒武统牛蹄塘组具有更大的沉积厚度与更广泛的分布面积,是我国页岩气勘探开发亟待突破的另一重点层系。为此,利用研究区牛蹄塘组岩心岩石力学实验、阵列声波测井、矿物组分和裂缝发育程度等资料,运用弹性参数法与脆性矿物含量法对牛蹄塘组页岩脆性特征与主控因素进行评价与分析。研究表明:牛蹄塘组页岩脆性与以石英为主的脆性矿物含量间并非呈单一正相关关系。页岩脆性与可压裂性受控于页岩的脆性矿物含量、TOC含量、热演化程度(成岩阶段)和天然裂缝发育程度。由于石英与TOC含量具有正相关性,当TOC含量小于6.5%时,牛蹄塘组页岩脆性与石英和TOC含量呈正相关关系;当TOC含量大于6.5%时,TOC对塑性贡献速率大于石英对脆性贡献速率,页岩脆性随石英与TOC含量的增加出现降低趋势。此外,岩心裂缝发育程度与页岩岩石力学脆性特征相关性较好,在过高TOC含量层段页岩脆性较低,岩心裂缝发育程度较差。对于中国南方海相页岩脆性评价,应结合不同地区、不同层位的实际地质条件进行多因素综合评价,以优选出最佳钻井与压裂层段。

中国南方海相与陆相页岩裂缝发育特征及主控因素对比——以黔北岑巩地区下寒武统为例

依据裂缝发育特征与对应分析测试资料,分析了下寒武统变马冲组二段(变二段)页岩裂缝发育特征、主控因素及海相与陆相页岩裂缝发育的差异性。结果表明,变二段兼具海相与陆相页岩部分特征,页岩段裂缝以低角度层理、层间和滑脱缝为主,与陆相页岩相似;砂泥互层与砂岩段裂缝发育程度高,以高角度构造缝为主。裂缝发育受构造应力、岩性与矿物组分、地层厚度、TOC和储层非均质性影响,主要表现为:岩性与岩石力学性质控制构造缝的发育,地层厚度控制裂缝的密度与尺度,TOC控制层间超压裂缝发育,储层非均质性控制层理缝的发育。海相与陆相页岩TOC、石英、脆性和裂缝具有不同耦合特征,海相页岩较大的脆性与单层厚度利于储层改造,但在强改造下易发育穿层裂缝,不利于保存。陆相页岩较低的单层厚度、较强的塑性与非均质性能有效避免穿层裂缝的发育,利于页岩气保存。变二段不同岩性组合及其裂缝发育特征与主控因素对海相与陆相页岩气保存、富集与储层改造等方面具有一定参考价值。

吸附对页岩中气体临界参数的影响

页岩孔隙细小,气体存在吸附现象。应用毛管束模型,在考虑吸附的基础上,建立了气体临界参数变化计算模型,研究了气体组成、压力、孔隙半径等因素对气体临界参数变化的影响。研究发现:页岩有效孔隙半径随气藏平均压力的增加而增大;随着孔隙半径的减小,气体的临界温度和临界压力变化率明显增加;临界温度变化率和临界压力变化率随着压力减小而增加。研究对于页岩气藏储层评价和开发方案设计具有重要意义。

水中脉冲放电电极的烧蚀特性

为研究水中大功率脉冲放电电极的烧蚀特性,研制了基于液电效应、脉冲功率、频谱共振理论的页岩储层改善装置,该装置最高脉冲电压为30 kV,最大脉冲频率为50 Hz,充分满足页岩储层共振需求。利用COMSOL有限元仿真软件求解装置水中二维轴对称的放电模型,得到剧烈放电阶段水间隙的温度场分布变化特性,以及电极表面的温度分布特性和烧蚀特性。模拟结果表明:剧烈放电初始阶段阳极温度更高,并呈现钟形向阴极快速发展;剧烈放电尾声,阴极附近的温度更高;放电结束后,电极表面温度最高点呈现出与电极同圆心的圆环状,越靠近圆环,电极表面温度越高;放电结束后阳极的熔池半径为阴极的1.45倍,阳极的熔池深度为阴极的2.25倍,导致阳极烧蚀程度比阴极严重,该结论与试验结果相符;并通过仿真得到了不同电极间隙距离、不同水压工况对电极烧蚀程度的影响。

黔东南岑巩地区下寒武统黑色页岩孔隙结构特征

利用矿物组分、有机地球化学、氮气吸附、物性及扫描电镜等资料,对黔东南岑巩地区下寒武统牛蹄塘组和变马冲组页岩孔隙结构特征进行了系统研究。牛蹄塘组与变马冲组贫有机质页岩以平板和狭缝形黏土粒间孔为主,平均孔径普遍大于5 nm;牛蹄塘组富有机质页岩以狭缝形和少量墨水瓶状孔为主,平均孔径普遍小于3～4 nm,比表面积为贫有机质页岩的2～3倍。页岩总孔容与比表面积、黏土含量与平均孔径均为正相关关系,而前二者与后二者均为负相关关系。有利保存条件下页岩具有相对"高孔低渗"特征,峰值孔径较大,有机质孔发育程度较高,孔渗相关性强。不利保存条件下页岩储层致密,孔隙度与峰值孔径较低,裂缝过度发育造成相对"低孔高渗"特征。有机碳含量对孔隙结构具有重要控制作用,与孔容、比表面及孔隙度总体正相关,与平均孔径负相关;过高有机碳含量层段页岩塑性增强,孔径较低,压实作用和不利保存条件等因素使部分狭窄孔喉发生萎缩、坍塌与闭合,导致孔隙度、孔容、比表面和脆性与有机碳含量出现负相关关系。

页岩有机碳含量测井评价方法及应用——以贵州岑巩区块下寒武统牛蹄塘组为例

我国页岩气资源丰富,目前已在四川盆地及周缘下志留统龙马溪组页岩获得突破。与龙马溪组相比,下寒武统牛蹄塘组黑色页岩具有更大的沉积厚度和更广泛的分布面积,为我国页岩气勘探开发亟待突破的重点层系。页岩气"源储一体"的特性使对总有机碳(TOC)含量的连续定量评价成为其勘探开发中一项重要的研究内容。本次研究依据岑巩区块下寒武统牛蹄塘组页岩的测井响应特征,采用Δlg R法、自然伽马与自然伽马能谱测井法、密度测井法和多元参数回归分析法对研究区牛蹄塘组页岩TOC含量进行计算,并对模型计算精度与适用性进行对比分析。结果显示:Δlg R法计算精度较低,对南方构造复杂、保存条件差异较大地区的过成熟海相页岩适用性较低;自然伽马与自然伽马能谱法和密度测井法计算精度较高;通过选取与TOC含量具有相关性的测井参数进行多元回归分析可进一步提高模型计算精度。此外,地层电阻率与声波时差对含气性及保存条件响应敏感,可作为页岩含气性与保存条件的判识性指标。

基于数学形态学的页岩频谱共振发生装置井下放电频率检测

高压强脉冲功率放电频率在井下难以实现自动检测,提出一种在井上测量脉冲功率放电频率的方法,对高压强脉冲功率放电频率检测的方法进行研究,利用数学形态学的基本算法对所得电压信号进行滤波处理,并研究了结构元素的尺度对处理结果的影响,实现了频率的检测,具有一定的实用性。

黔中隆起及周缘地区牛蹄塘组含氮页岩气分布特征及有利勘探方向

黔中隆起及周缘地区位于四川盆地以南的复杂构造改造区,广泛发育的下古生界海相牛蹄塘组页岩具有分布面积广、厚度大和有机质类型好等特点,页岩气资源潜力巨大。但是,该区页岩气勘探效果不佳,多口井揭示N2含量高。为揭示四川盆地外牛蹄塘组页岩气高氮低烃的原因,本次研究选取牛蹄塘组高N2含量与低N2含量的页岩样品,对比其地质与地球化学特征,初步分析牛蹄塘组N2的成因,并结合气体组分的区域分布特征,阐明了不同地区页岩气气体组成差异的原因。结果表明,牛蹄塘组页岩解吸气中N2可能来源于有机质高成熟氨化作用或过成熟热解作用。牛蹄塘组早期生成的烃类气受通天断层的影响可能发生了散失,而当等效镜质组反射率大于3.5%时,N2的产率显著增加,N2相对含量也相应增加,导致牛蹄塘组页岩气具有高氮低烃的组成特征。综合研究认为,黔中古隆起金沙、大方一带,雪峰古隆起松桃、岑巩、黄平和麻江一带为复杂构造改造区过成熟牛蹄塘组页岩气有利勘探区域。

黔东南地区下寒武统页岩裂缝发育特征与主控因素

黔东南地区下寒武统发育牛蹄塘组与变马冲组两套黑色页岩,利用岩心、薄片观察、样品矿物组分、总有机碳(TOC)质量分数和岩石力学性质等,分析页岩裂缝发育特征及主控因素。结果表明:牛蹄塘组页岩裂缝以构造缝为主,构造缝主要为高角度剪性缝、张/压扭性裂缝及低角度滑脱缝;变马冲组二段页岩裂缝以非构造缝为主,主要为层理缝和层间缝。张/压扭性裂缝与低角度滑脱缝充填程度低、有效性高,能够改善储层孔渗能力。裂缝发育受构造因素、岩性与矿物组分、TOC质量分数及地层厚度等因素影响,裂缝密度与页岩脆性具有良好相关关系;TOC质量分数的增加有利于层间缝、低角度滑脱缝及张/压扭性裂缝发育。牛蹄塘组和变马冲组二段页岩TOC质量分数、石英质量分数、脆性及裂缝密度具有良好耦合关系;牛蹄塘组中部TOC质量分数(大于6.00%)过高层段裂缝总量降低,但低角度滑脱缝与张/压扭性裂缝比例增大,裂缝有效性增强。该结果对中国南方页岩气勘探开发具有参考意义。

井下电磁换能器结构设计与COMSOL有限元仿真

针对页岩气开采产能低的问题,参考油井的振动增产原理,根据电磁学理论提出一种可扫频的井下电磁换能器结构设计方案。由于换能器直径受到油管内径的限制,为达到最优电磁效果,在Matlab中编程对铁芯几何参数优化分析。最后在COMSOL软件中选择“AC/DC,Magnetic”与“Structural Mechanics,Solid Mechanics”模块构建电磁场与固体力学场的多物理场耦合模型并做瞬态研究。研究结果验证了换能器结构设计方案的可行性,为页岩气增产提供了一种新的途径。