CN103726819A - 低温气体辅助煤层气压裂工艺的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油天然气勘探与开发领域，提供了一种低温气体辅助煤层气压裂工艺的方法，该方法利用液氮的超低温特性，对煤层进行冷冲击改造和形成结冰，对高渗通道（如裂缝）造成冰堵，起到无机无害可融解返排的降滤失剂甚至压裂转向剂等作用，从而达到改善常规煤层气压裂工艺的目的。本发明压裂工艺的方法适用于未压裂或井底存在天然裂缝的煤层气井的初次压裂，以及已经压裂但产能较低的煤层气井的重复压裂。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气勘探与开发领域，具体的涉及一种煤层气压裂工艺方法。
背景技术
煤层气作为一种重要的非常规天然气资源，日益受到世界各国的重视。与常规油气藏相比，煤岩具有低强度、低弹性模量、低渗透率、较高泊松比、割理发育、易破碎、各向异性、非均质性严重等特点。煤层气主要以吸附状态保存于煤岩基质孔隙的内表面，只有很少量呈游离态保存于煤岩割理和其他裂隙中，煤层气的产出须经过解析、扩散和渗流过程。
由于煤层渗透率普遍很低，为了提高煤层气产能，一般采取人工增产措施改善储层物性，扩大储层与高渗通道的接触面积。目前，水力压裂技术作为主要增产措施广泛应用于国内外煤层气开发中。由于活性水压裂液配制简单、价格便宜、对煤层伤害较小，因此得到普遍采用。但由于活性水本身性能的缺陷以及煤层气储层物性的特征，压裂过程中存在压裂液滤失严重、返排率低、支撑剂携带困难、压裂裂缝短而复杂等问题，使得增产效果一般不如砂岩气层压裂，这对煤层气水力压裂工艺提出了新的更高要求。
由于液氮和液态CO2易储运，气体对地层的伤害小等优点，国外在上世纪60年代就提出了利用液氮和液态CO2压裂/辅助压裂改造煤层的工艺，主要是利用气体的增能助排作用。80年代早期北美就开始了液态CO2压裂低渗储层的现场实践，90年代又出现了以液氮为基础的压裂液体系，至今液氮、液态CO2压裂/辅助压裂工艺已在上千口中得到应用，如在美国新墨西哥州圣胡安盆地煤层及砂岩储层、肯塔基州东部及弗吉尼亚州的泥盆纪页岩层中均有成功示范。
液氮、液态CO2压裂/辅助压裂工艺在我国石油行业应用的也较为广泛，在苏里格气田、克拉玛依五区气田、江苏油田、川西油气田等低渗油气藏中都有现场应用。近几年来，液氮和液态CO2压裂/辅助压裂工艺已成功应用到煤层气藏的增产改造中，在安徽淮北、河南焦作和陕西韩城的煤田都有CO2伴注压裂成功的现场实践，如2008年淮北矿区芦岭煤矿通过对常规活性水压裂和CO2伴注增能压裂（整个压裂过程均伴注液态CO2，CO2与压裂液的体积比为1：9）进行现场试验和效果对比，结果表明伴注CO2增能压裂不仅可以使煤层气井早产气，并且可以大大提高单井产量，对储层能量低、吨煤含气量低、煤层气解吸压力低的煤层气井具有较好的增产效果。
低温液态CO2压裂的工艺最早由Peterson在1964年提出（CanadianPatents687938和 745453）。液态CO2最大的优点在于克服了常规压裂压裂液返排较慢的缺点，但是Peterson没有考虑液态CO2携砂的问题。1973年，Bullen提出了一种液态CO2与凝胶混注来加速返排的工艺（CanadianPatent932655），较好地解决了携砂困难的问题，但现场应用结果表明，CO2-凝胶混注压裂液在返排性能上较单纯的CO2差了很多。后续的研究主要集中在开发更为有效的凝胶压裂液与CO2混注工艺（CanadianPatents1034363、1043091、1197977、1241826和1242389），应用液态CO2和凝胶压裂液或者未成胶的压裂液混注，产生气液两相流体系来克服滤失和水敏问题，同时还能够有效地携砂。
1982年Bullen提出了一种将支撑剂直接加入液态CO2的压裂工艺（CanadianPatent1134258），在完全不加入稠化剂或者只加入少量稠化剂的情况下，携砂性能依然能达到800kg/m3。其工艺流程如下，首先加压CO2使之液化，同时降低支撑剂至液态CO2的温度并加压至液态CO2的压力，然后将液态CO2和支撑剂混合搅拌，最后将混合流体同时注入地层进行压裂。这项工艺完全避免了水基压裂液的注入，因此消除了压裂液对地层污染的隐患。液态CO2与地层接触后气化促进了压裂液体系的返排。更重要的是，没有化学物质和凝胶成分滞留在地层中污染地层。
1991年Mack设计了一种氮气、液态CO2混合伴注水基压裂液的工艺（U.S.Patent5069283），利用氮气、液态CO2提供一种不易燃的加速压裂液返排的气体，这些气体同时还减少了水基压裂液的注入量，从而降低了水基压裂液对地层的污染。但是，这项工艺同样需要一种压裂液稠化剂来提高携砂能力和降低滤失性。尽管气体的引入能够有效的降低水基压裂液的注入，但压裂液滞留引起的地层污染仍较为严重。
1995年Wilson等人在其美国专利（U.S.Patent5464061）中指出在液氮压裂煤层气过程中可以利用液氮产生冰晶来充当支撑剂和转向剂，冰晶可以利用安装在地面管线或井筒中的喷雾器，将水以水雾的形式喷射到正在注入的液氮中形成。
1999年Tudor提出了氮气和液态CO2混合压裂工艺（U.S.Patent5883053），将氮气按照一定比例混合到液态CO2中，既不降低携砂性能，又可以降低压裂过程中的井口压力，从而降低了注入费用，提高了压裂液注入的安全性。
目前国内外提出和现场应用的纯液氮、液态CO2压裂或辅助煤层气压裂工艺，主要是利用液氮和液态CO2的气化膨胀增能助排、气体贾敏效应降滤失以及惰性气体对地层伤害小等优点，对液氮和液态CO2低温特性的利用还未引起重视。鉴于以上情况，本发明在充分利用液氮超低温特性（液氮温度可低至-200℃）的基础上，结合常规水基压裂工艺，提出了一种低温气体辅助煤层气压裂工艺的新方法。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种低温气体辅助煤层气压裂工艺的方法，该方法利用液氮的超低温特性，对煤层进行冷冲击改造和形成结冰，对高渗通道（如裂缝）造成冰堵，起到无机无害可融解返排的降滤失剂甚至压裂转向剂等作用，从而达到改善常规煤层气压裂工艺的目的。
本发明的技术方案为：一种低温气体辅助煤层气压裂工艺的方法，具体步骤如下：
（1）选取煤层气井，并选取具有高强度、耐低温、导热系数小的玻璃纤维钢管作为油管；
（2）向油管和套管之间的环空中持续注入常温氮气，以达到隔热保温和保护套管的效果；
（3）向油管中注入常温氮气，将井筒和近井煤层中的地层水驱至离井筒2-6m以外的地带；
（4）向油管中注入液氮，对近井4-50m以内煤层进行冷冲击改善煤岩物性，或者进行小型压裂，并形成低温煤层环境；
（5）向油管中注入常温氮气并伴注或喷射2-5m3水基压裂液，水基压裂液进入近井4-50m以内煤层的优势通道中，在近井2-25m以内煤层遇冷结冰，并产生暂堵；
（6）注入一个1-2m3防冻液段塞，以防止后续注入的水基压裂液在井筒、井底以及近井煤层中结冰；
（7）注入水基压裂液进行初次或重复压裂；
（8）关井观察井底温度和压力，随着煤层温度回升，冰晶融化；开井放喷，水基压裂液在高压气体的膨胀力作用下顺利返排。
优选的是，步骤（2）中，常温氮气的注入速度为30-60m3/min。
优选的是，步骤（3）中，常温氮气的注入速度为240-480m3/min。
优选的是，步骤（5）中，常温氮气的注入速度为60-120m3/min。
优选的是，步骤（2）、步骤（3）和步骤（5）中，所述的常温氮气为由低温气体储罐中的液氮通过低温气体注入泵泵送至气体加热调温装置加热至环境温度为10-30℃时获得的氮气。
优选的是，步骤（4）中，所述液氮的注入条件如下：注入速度为0.5-2m3/min、注入总量为20-80m3，可将近井周围4-6m内、3-8m厚的煤层冷却至-30℃以下，当煤层中存在大的天然或人工裂缝，则可沿裂缝形成一条20-50m长、温度在-30℃以下的低温冷却带，其中，井底周围2-3m内温度最低，可控制在-100℃以下。
优选的是，步骤（5）中，所述的优势通道为煤层中的大孔隙、天然裂缝或人工裂缝。
优选的是，步骤（6）中，防冻液段塞为甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇中的一种或几种混合的水溶液或纯溶液。
优选的是，步骤（5）、步骤（6）和步骤（7）中，所述的水基压裂液为活性水。
优选的是，活性水由清水和质量分数为1%-2%的KCl配制而成。
本发明的有益效果为：本发明利用液氮的超低温特性，对煤层进行冷冲击改造和形成结冰，对高渗通道（如裂缝）造成冰堵，降低压裂液滤失甚至起到压裂转向剂的作用，有助于改善常规煤层气压裂工艺实施效果，适用于未压裂或井底存在天然裂缝的煤层气井的初次压裂，以及已经压裂但产能较低的煤层气井的重复压裂。本发明压裂过程中，注入的液氮会对煤层产生冷冲击，可以初步改善近井煤层的裂缝系统和岩石力学性质，同时为后续煤层孔隙和裂缝系统中的冰冻暂堵提供一个热力学稳定时间的低温环境，由于煤岩具有较小的导热系数和敏感的热胀冷缩特性，当近井煤层短时间内与大量液氮接触时，局部温度会迅速而大幅度降低，导致煤岩基质剧烈收缩，煤岩孔隙度、渗透率增大，产生的收缩应力超过煤岩的抗拉强度时，会在煤层内部形成许多微裂缝，煤岩甚至碎裂成小煤块，部分脱落的煤屑填充至裂缝，可以起到支撑剂作用，防止裂缝闭合。冷冲击后煤层的抗拉抗压强度以及破裂压力都会有所降低，有利于压裂裂缝延伸至更深地层。液氮形成的低温环境可使煤层裂缝中的地层水和伴注的活性水结冰膨胀，在裂缝壁面上产生附加应力，造成煤岩的挤压破坏，生成更多微裂缝，地层水和活性水结冰也会堵塞煤层的高渗通道，为后续注入常规压裂液起到降滤失和压裂转向的作用。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的工作原理图。
其中，1、煤层，2、套管，3、油管，4、井口装置，5、低温气体储罐，6、低温气体注入泵，7、气体加热调温装置，8、气体注入管线，9、低温气体注入泵，10、气体加热调温装置，11、气体注入管线，12、防冻液储罐，13、防冻液注入泵，14、防冻液注入管线，15、压裂液注入泵，16、压裂液和支撑剂混合罐，17、压裂液储罐，18、支撑剂储罐，19、压裂液注入管线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种低温气体辅助煤层气压裂工艺的方法，具体步骤如下：
（1）选取一口煤层气井，并选取具有高强度、耐低温、导热系数小的玻璃纤维钢管作为 油管3；
（2）将低温气体储罐5中的液氮通过低温气体注入泵6泵送至气体加热调温装置7加热至常温10-30℃，再通过气体注入管线8向油管3和套管2之间的环空中持续注入，其注入速度为30-60m3/min，以达到隔热保温和保护套管的效果；
（3）将低温气体储罐5中的液氮通过低温气体注入泵9泵送至气体加热调温装置10加热至常温10-30℃，再通过气体注入管线11向油管3中注入，其注入速度为240-480m3/min，将井筒和近井煤层中的地层水驱至离井筒2-6m以外的地带；
（4）关闭气体加热调温装置10，同时提高低温气体注入泵9的排量，将其排量提高至0.5-2m3/min，通过气体注入管线11向油管3中注入液氮，对近井4-50m以内煤层进行冷冲击改善煤岩物性，或者进行小型压裂，并形成低温煤层环境；
（5）打开气体加热调温装置10，继续向油管3中注入加热后的氮气，同时将压裂液储罐17中的水基压裂液通过压裂液注入泵15和压裂液注入管线19以小排量注入或喷射入油管3，并与氮气混合一起到达井底，活性水进入近井4-50m以内煤层的大孔隙、天然裂缝或人工裂缝等优势通道中，在煤层深度2-25m处遇冷结冰，并产生暂堵；停止向油管中注入氮气和压裂液，关闭煤层气井5-10min，使近井煤层降温并使煤层孔隙和裂缝中的地层水和活性水结冰。
（6）打开煤层气井，将防冻液储罐12中的防冻液通过防冻液注入泵13和防冻液注入管线14注入油管3，在近井周围1-3m以内形成一个1-2m3的防冻液段塞，以防止后续注入的水基压裂液在井筒、井底以及近井煤层中结冰，停止注入防冻液；
（7）将压裂液储罐17中的水基压裂液经压裂液和支撑剂混合罐16通过压裂液注入泵15和压裂液注入管线19注入油管3中作为前置液地层压开，然后将压裂液储罐17中的水基压裂液和支撑剂储罐18中的支撑剂经压裂液和支撑剂混合罐16混合后通过压裂液注入泵15和压裂液注入管线19注入油管3中作为携砂液进行造缝，最后，将压裂液储罐17中的水基压裂液经压裂液和支撑剂混合罐16通过压裂液注入泵15和压裂液注入管线19注入油管3中作为顶替液将支撑剂推入裂缝深处，进行初次或重复压裂；
（8）关闭煤层气井，观察井底温度和压力，随着煤层温度回升，冰晶融化；打开煤层气井放喷，水基压裂液在高压气体的膨胀力作用下顺利返排，应当注意放喷的速度，防止煤碎屑随着水基压裂液一同排出。
由于井筒内结冰会导致水基压裂液无法注入，注入压力升高，为了避免水基压裂液在井筒及井底结冰，堵塞水基压裂液进入煤层的通道，本实施例中在注入水基压裂液之前，先注入一个防冻剂段塞，该防冻剂段塞为甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇中的一种或几种混合的水 溶液或纯溶液。
为了降低对地层的污染程度，上述的水基压裂液为活性水，该活性水由清水和质量分数1%-2%的KCl配制而成。
为保证冷冲击效果，对注入的液氮量有一定要求，要确保近井煤层中形成的低温区能使地层水和伴注常温10-30℃氮气进入优势通道中的活性水迅速结冰并产生暂堵，并在后续压裂液注入过程中保持较长时间的稳定性。数值模拟结果表明，当液氮注入速度在0.5-2m3/min，注入总量在20-80m3，可将近井周围4-6m内、3-8m厚的煤层冷却至-30℃以下；当煤层中存在大的天然或人工裂缝，则液氮可沿裂缝形成一条20-50m长、温度在-30℃以下的低温冷却带；井底周围2-3m内温度最低，可控制在-100℃以下；对于深度为300-800m的较浅的井，在采取玻璃纤维钢管为油管以及向油管和套管之间的环空中持续注入常温10-30℃氮气以及氮气的注入速度为30-60m3/min等措施下，液氮与周围地层热交换量较小，适当排量下，液氮到达井底时温度上升不大。关闭煤层气井后，煤层温度缓慢上升，但在200min内变化不大，可维持较长时间的低温，确保冰冻暂堵的稳定性，为后续的降滤失及转向压裂工艺提供足够长的作业时间窗口。
为证明液氮对煤岩的冷冲击和冰冻暂堵降滤失效果，选用山西沁水盆地的高阶无烟煤（A1-A9）和内蒙古包头的中阶烟煤（B1-B3），加工成标准煤岩试样进行实验。将煤样在液氮中侵泡10min后取出，利用声波对煤岩孔隙和裂缝的响应原理，根据波速和波幅的变化，分析判断冷冲击前后煤岩强度和裂缝系统的变化。利用压力衰竭法测量常温下冷冲击前后干燥煤样的渗透率，以及饱和水煤样冷冲击后在低温环境中的渗透性，评价煤岩的冰冻暂堵性能。实验结果表明，冷冲击作用后的煤岩内部产生了大量热应力裂缝，而且在液氮浸泡过程中，可以明显听到煤岩内部裂缝开启和延伸时发出的噼啪声，同时还可以观察到煤屑颗粒从煤样表面脱落，以及新裂缝在煤样表面的形成；热应力裂缝的产生可导致煤岩声速衰减9.12%-30.13%，抗压强度下降14.70%-33.70%，弹性模量下降10.53%-25.00%，渗透率增大2.56-12.3倍（如表1和表2）；此外，饱和水煤样冷冲击后，孔隙水结冰封堵了煤岩孔隙空间，在低温环境中（<0℃），可保持长达50min以上的良好封堵效果，煤样渗透率几乎降为0。
表1冷冲击前后煤样纵波波速及岩石力学性质变化
表2冷冲前后煤样渗透率变化
| 煤样编号 | 长度/cm | 冷冲击前渗透率，mD | 冲击后渗透率，mD | 渗透率增大倍数 |
| A4 | 4.83 | 0.57 | 4.94 | 8.7 |
| A5 | 4.72 | 4.17 | 13.95 | 3.35 |
| A6 | 5.13 | 0.43 | 1.1 | 2.56 |
| A7 | 4.83 | 0.36 | 2.81 | 7.8 |
| A8 | 5.13 | 0.146 | 1.79 | 12.3 |
| A9 | 4.5 | 0.317 | 2.37 | 7.48 |
实际煤层中产生热应力裂缝的条件与煤层的有效应力、温度变化和煤岩物性有关。假设煤层的有效应力梯度为0.018MPa/m，温度梯度为0.027℃/m，煤岩线性膨胀系数为3.87×10-51/℃，弹性模量为3.65×103MPa，煤岩抗拉强度2MPa，煤岩抗压强度39MPa，则如果使埋深在500m内的煤层产生拉伸破坏，需要将煤层温度冷却至-30℃，若使1500m深处的煤层也产生拉伸破坏，则需要将煤层温度冷却至-100℃以下。因此，考虑液氮在注入过程中与周围地层的热交换，进行冷冲击的煤层埋藏不能太深。此外，原生煤和碎裂煤受构造运动破坏程度小，原生层理和结构形态保存完整，煤体呈现为较大的块体，在冷冲击作用下较易产生拉伸破坏，形成微裂缝。因此，适合液氮冷冲击的煤层主要是中浅部的原生煤和碎裂煤，冷冲击的效果由具体的储层条件和注入工艺所决定。
以上是本发明的一个具体实施方式，本发明具体实施方式不能仅限于此，对于本领域内的技术人员来说，在未脱离本发明思路的前提下，还可做出其他类似的改变，而这都应视为本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种低温气体辅助煤层气压裂工艺方法，其特征在于：其具体地工艺步骤为：
（1）选取煤层气井，并选取具有高强度、耐低温、导热系数小的玻璃纤维钢管作为油管；
（2）向油管和套管之间的环空中持续注入常温氮气，以达到隔热保温和保护套管的效果；
（3）向油管中注入常温氮气，将井筒和近井煤层中的地层水驱至离井筒2-6m以外的地带；
（4）向油管中注入液氮，对近井4-50m以内煤层进行冷冲击改善煤岩物性，或者进行小型压裂，并形成低温煤层环境；
（5）向油管中注入常温氮气并伴注或喷射2-5m3水基压裂液，水基压裂液进入近井4-50m以内煤层的优势通道中，在近井2-25m以内煤层遇冷结冰，并产生暂堵；
（6）注入一个1-2m3防冻液段塞，以防止后续注入的水基压裂液在井筒、井底以及近井煤层中结冰；
（7）注入水基压裂液进行初次或重复压裂；
（8）关井观察井底温度和压力，随着煤层温度回升，冰晶融化；开井放喷，水基压裂液在高压气体的膨胀力作用下顺利返排。
2.如权利要求1所述的低温气体辅助煤层气压裂工艺方法，其特征在于：步骤（2）中所述常温氮气的注入速度为30-60m3/min。
3.如权利要求1所述的低温气体辅助煤层气压裂工艺方法，其特征在于：步骤（3）中所述常温氮气的注入速度为240-480m3/min。
4.如权利要求1所述的低温气体辅助煤层气压裂工艺方法，其特征在于：步骤（5）中所述常温氮气的注入速度为60-120m3/min。
5.如权利要求1至4任意一项所述的低温气体辅助煤层气压裂工艺方法，其特征在于：步骤（2）、步骤（3）和步骤（5）中，所述的常温氮气为由低温气体储罐中的液氮通过低温气体注入泵泵送至气体加热调温装置加热至环境温度为10-30℃时获得的氮气。
6.如权利要求1所述的低温气体辅助煤层气压裂工艺方法，其特征在于：步骤（4）中，所述液氮的注入条件如下：注入速度为0.5-2m3/min、注入总量为20-80m3，可将近井周围4-6m内、3-8m厚的煤层冷却至-30℃以下，当煤层中存在大的天然或人工裂缝，则可沿裂缝形成一条20-50m长、温度在-30℃以下的低温冷却带，其中，井底周围2-3m内温度最低，可控制在-100℃以下。
7.如权利要求1所述的低温气体辅助煤层气压裂工艺方法，其特征在于：步骤（5）中，所述的优势通道为煤层中的大孔隙、天然裂缝或人工裂缝。
8.如权利要求1所述的低温气体辅助煤层气压裂工艺方法，其特征在于：步骤（6）中，防冻液段塞为甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇中的一种或几种混合的水溶液或纯溶液。
9.如权利要求1所述的低温气体辅助煤层气压裂工艺方法，其特征在于：步骤（5）、步骤（6）和步骤（7）中，所述的水基压裂液为活性水。
10.如权利要求9所述的低温气体辅助煤层气压裂工艺方法，其特征在于：活性水由清水和质量分数为1%-2%的KCl配制而成。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20160224 Termination date: 20191227 |