CN105332684A - 一种高压水爆与co2压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，包括地应力状态确定、封孔段钻孔与封固、钻孔与割缝、装药、注水封孔、高压水爆启裂、超临界或液态CO₂致裂和瓦斯抽采的步骤。其中，在超临界或液态CO₂内混有陶粒支撑剂，在液态CO₂的持续压裂过程中，用微地震监测仪实时监测爆生裂缝的扩展、延伸实况，在延伸达到设定范围的预期效果后停止压裂。导向割缝时，根据割缝数量和设定的相邻割缝间距，可采用先钻完孔后，再依次逐个割缝，也可每钻进一次后进行一次割缝的钻孔与割缝交替进行的方式完成。本发明的有益效果是，可有效对低渗透性煤层气储层进行增透，减少施工量，煤层气抽采效率高。

Description

一种高压水爆与CO2压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺

技术领域

本发明涉及压裂-驱替抽采煤层气技术领域，尤其是一种高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺。

背景技术

煤层气或称瓦斯(主要成分为甲烷，化学式CH₄)是一种清洁能源，也是造成煤矿瓦斯事故的重要因素。煤层气瓦斯抽采是改善能源结构和减少煤矿瓦斯灾害事故的重要措施。中国的煤层气开采技术以水力压裂法为主。水力压裂技术是一门广泛应用于油气增产、地热资源开发和核废物储存等领域的致裂技术。水力压裂是通过泵注系统向储层注入高压水破裂地层的致裂增透方法。其主要机理为高压水进入储层的原生孔隙，在水力劈裂作用下使其产生拉伸应变而起裂，并扩展、延伸这些原生及次生裂缝，增加透气性。

传统的井下煤岩水力压裂，如专利“ZL200810230940.4，煤矿井下钻孔水力压裂增透抽采瓦斯工艺”，专利“ZL200910012054.9，穿层钻孔水力压裂疏松煤体瓦斯抽放方法”及专利“ZL200910182752.3，一种区域瓦斯治理钻爆压抽一体化防突方法”撰述的工艺需大量施工钻孔，却常常因塌孔、卡钻等事故导致工期延长。针对产出多裂缝的致裂工艺及技术，专利“ZL201310107622.X，一种定向水压爆破提高煤层透气性的方法”采用间隔分段装药、常规水压爆破的增透方法，但装药量较大，在井下起爆可靠性无法保证。较佳的做法如专利“ZL200910182020.4，煤岩体水力爆破致裂弱化方法”采用不高于8MPa的水继续实施水力压裂，影响范围也仅为3～5倍孔径。

近年来，绿色发展与生态文明理念已成为时代发展的主旋律，煤层气、页岩气等非常规油气开发也因此进入新阶段，各国各矿区进行了许多针对致密煤岩储层致裂的工艺和技术试验。例如，水力割缝技术利用专用的喷嘴产生能量高度集中的高压水射流，可高效切割、破碎围岩，从而造成围岩卸压。然而，由于致密储层产量衰减较快，割缝后煤岩卸压影响范围较小，而一旦扩大割缝半径，则极易发生钻孔垮塌和卡钻事故。

使用水力压裂方法，会消耗大量淡水，且含多种添加剂的水基压裂液体系会伤害地层，易污染地下水。现有水力压裂工艺虽然在一定程度上能增透储层，但尚未出现普遍性突破，特别是多裂缝压裂。主要存在以下问题：1)耗水多，不可持续；2)水力致裂往往只会产生一条沿压裂钻孔对称分布、与最小主应力方向垂直而沿最大主应力方向扩展、延伸的主裂缝，增透效果不十分明显，导流能力不稳定；3)水基压裂液体系易污染地下水，不环保；4)井下煤岩储层致裂较少考虑地应力影响，不科学。因此，寻求一种无水或少水压裂工艺是较佳的选择。

相比之下，超临界流体技术是一项新兴的绿色化学技术。物质的临界状态是指物质的气态和液态平衡共存的一个边缘状态。当体系高于临界压力和临界温度时，即进入超临界状态。在此状态下，液体的体积质量与饱和蒸汽的体积质量相同，界面消失。在众多超临界流体中，二氧化碳化学性质相对稳定，无毒，非易燃、易爆物品。此外，其价廉且具有较低的临界温度(T_c＝31.060℃)和临界压力(P_c＝7.390MPa)。超临界流体介于气体和液体之间，兼有气、液体双重特性，密度接近液体，而粘度近似于气体，扩散系数是液体的近百倍。与煤层气(瓦斯)相比，具有更强的竞争吸附能力。因此，采用超临界或液态CO₂致裂煤岩储层，实施压裂-驱替抽采，是一种可供选择的煤层气增产技术工艺。

因此本发明致力于开发一种针对低透气性煤岩储层多裂缝增透工艺，其关键在于采用导向割缝后实施超临界或液态CO₂压裂、驱替抽采。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，该工艺通过水力割缝、水爆启裂和超临界或液态CO₂压裂的方式实现增透，并利用CO₂驱替抽采煤层气，适用于低渗透性煤层气储层增透，可有效减少钻孔施工量，提高煤层气抽采效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，包括以下步骤：

第一步，高压水爆启裂：将填设于具有高水压环境的钻孔或钻井内的乳化炸药通过雷管引爆爆炸，使煤岩产生大量爆生裂缝；

第二步，超临界或液态CO₂致裂：将已混有支撑剂的超临界或液态CO₂压裂液注入钻孔或钻井内，并由已混有支撑剂的超临界或液态CO₂压裂液实施压裂，以使导向割缝和爆生裂缝进一步扩展、延伸，并由支撑剂充填裂缝，保持裂缝开度；并持续压裂至预定影响范围后停止作业；

第三步，瓦斯抽采：利用抽采井或抽采孔进行瓦斯抽采。

采用前述技术方案的本发明，水压爆破启裂的多裂缝和流体携支撑剂压裂的裂缝延伸优势，即先通过高压水压爆破，在钻孔周边沿径向产生大量爆生裂缝，然后用超临界或液态CO₂作压裂液携带支撑剂，将爆生裂缝进一步压裂扩展，并利用压裂液内的支撑剂支撑裂缝，直至扩展到预定影响范围。其增透效果更明显，裂缝宽度和导流能力稳定。水压爆破在高水压条件下进行，既减少了炸药量，又使爆破冲击波具有优异的传递效率，以形成大量爆生裂缝，同时，也会使部分钻孔周围的岩体崩落、剥离于原岩，可有效支撑裂缝，维持裂缝的导流能力，有助于压裂液顺利进入并进一步延伸裂缝；而超临界或液态CO₂作无水压裂，减少了压裂液对地层的伤害，且清理迅速，有助于解决CO₂的永久埋存。瓦斯在抽采过程中由于CO₂的竞争吸附效应对瓦斯气构成驱赶、替换而形成驱替抽采，水压爆破后钻孔或钻井内的残余水不需返排，而作为压裂液的前导液，是一种环保、高效的低渗透性煤层气储层增透工艺。基于本技术方案的方法，可采用较少的抽采孔或抽采井完成抽采，可有效减少煤层开采准备时间，提高抽采效率。该方法适用于地下或地面抽采，分别对应钻孔和钻井。

优选的，在所述高压水爆启裂步骤前还包括高压水力导向割缝，通过与泵注系统匹配的割缝-压裂一体化喷嘴，利用高压水射流沿最小主应力方向实施导向水力割缝，以形成沿最小主应力方向人工导向裂缝。

进一步优选的，在所述高压水力导向割缝之前还包括，通过地应力测试确定煤储层的地应力状态，并将割缝段的钻孔或钻井方向确定为与最小主应力方向垂直；进而形成沿最小主应力方向延伸的裂缝，从而便于水压爆破沿导向裂缝延伸方向起裂。其中，割缝段的钻孔或钻井由割缝-压裂一体化喷嘴在割缝前形成，以避免机械钻孔在煤层中出现卡钻问题。

更进一步优选的，在所述割缝前还包括采用机械或液压钻进方式形成封孔段钻孔或钻井，并装固套管，在套管外壁与封孔段钻孔或钻井的孔壁之间由水泥砂浆封固，且养护72小时以上。由于该段内通常会涉及岩石层，故可充分利用机械或液压钻孔效率高的特点，提高钻孔效率。

再进一步优选的，在所述封固所述套管后的割缝前还包括采用割缝-压裂一体化喷嘴一次或逐段形成割缝段钻孔或钻井。以避免机械钻孔或钻井在煤层内出现的卡钻现象，确保钻孔效率。可采用先完成整段钻孔或钻井，后依次割缝，或者每钻进一段就进行一次割缝的钻孔与割缝交替进行的方式完成。

优选的，在所述高压水爆启裂步骤前还包括装药和注水封孔的步骤，其中，装药包括，将装设有雷管的乳化炸药依次送至具有割缝的钻孔或钻井段设定部位，并将雷管引线电连接至孔口或井口外；

注水封孔包括，向钻孔或钻井内注水至爆破要求水压，并对孔口或井口进行封闭。其中要求水压是以不导致煤层起裂的最大值为上限，以满足爆破和压裂密封要求，从而形成良好的爆破、压裂钻孔或钻井，以及良好的孔口或井口结构和良好的爆破起裂装药位置，确保爆破、压裂过程中井口部牢固可靠，且爆破效果好，同时，便于爆破、压裂操控。

优选的，所述超临界或液态CO₂致裂步骤前，还包括在压裂液内混砂：利用混砂泵，将支撑剂与超临界或液态CO₂按设定配比充分混合，并加入添加剂，形成备用的压裂液。

优选的，在所述超临界或液态CO₂致裂步骤中，还包括采用微地震监测仪进行裂缝延伸的实时监测。以准确确定裂缝的影响范围。

本发明的有益效果是，(1)采用超临界CO₂无水压裂，可减少水耗，并很大程度减少了可能产生的污染；既减少了压裂液对储层的伤害，又能永久封存大量CO₂，减少温室气体量；此外，CO₂来源广泛，供给充足；(2)本发明采用耐受高地应力和高地温的陶粒支撑剂，支撑效果更好，更适用于深部低渗透性煤层气储层；(3)本发明共用一套泵注系统，可简化地面及井下设备布置；通过合理的布置，还可实现地面抽采与地下驱替抽采相结合的井上下联合抽采；(4)既适用于地面井大面积驱替抽采，也可实施井下小型爆压驱替抽采，灵活性强；(5)在一定储层范围内，可仅需施工一个措施井或措施钻孔和一个抽采井或抽采孔，以及少量辅助孔，减少了钻孔施工量；(6)导向割缝、高压水爆启裂，有助于开启较多原生孔隙裂隙，在高压超临界或液态CO₂的劈裂及竞争吸附效应的共同作用下实现驱替作业，增透效果明显。

附图说明

图1是本发明方法用于井下作业时，钻孔及割缝等布置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参见图1，一种高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，包括以下步骤：

第一步，地应力状态确定：通过地应力测试确定煤岩层1的地应力状态；

第二步，封孔段钻孔与封固：采用机械或液压钻进方式沿垂直于煤岩层1最大主应力方向形成封孔段钻孔2，并装固套管3，在套管3外壁与封孔段钻孔2的孔壁之间采用水泥砂浆4封固，且养护72小时以上，以形成封孔段；

第三步，钻孔与割缝：采用水力钻孔和割缝方式，由割缝-压裂一体化喷嘴将封孔段钻孔2延伸至煤岩层1形成水力割缝段钻孔5；并在割缝段钻孔5上形成至少一个扇形、半圆形或圆环形裂缝6，以形成具有沿最小主应力方向的割缝6的钻井；其中，根据割缝数量和设定的相邻割缝间距，可采用先钻完孔后，再依次逐个割缝，也可每钻进一次后进行一次割缝的钻孔与割缝交替进行的方式完成；

第四步，装药：将装配有雷管的乳化炸药7依次送至具有割缝段钻孔5设定部位，并将雷管引线电连接至钻孔孔口外部；且在孔口设置换向阀9，以使钻井内部选择与高压注水管路10或压裂管路11连通；

第五步，注水封孔：操作换向阀9，使高压注水管路10与钻孔内部连通，向钻孔内注水至爆破要求水压后，关闭换向阀9以对孔口进行封闭；

第六步，高压水爆启裂：将填设于具有高水压环境的钻孔内的乳化炸药7通过雷管引爆爆炸，使煤岩产生大量爆生裂缝；

第七步，超临界或液态CO₂致裂：操作换向阀9，使压裂管路11与钻孔内部连通，将已混有陶粒支撑剂的超临界或液态CO₂压裂液注入钻孔内，并由已混有陶粒支撑剂的超临界或液态CO₂压裂液实施压裂，以使割缝和爆生裂缝进一步扩展、延伸，并由陶粒支撑剂充填裂缝，保持裂缝开度；并持续压裂至预定影响范围后停止；其中，在液态CO₂的持续压裂过程中，用微地震监测仪实时监测爆生裂缝的扩展、延伸实况；在延伸达到设定范围的预期效果后停止压裂，从而有效地提高了煤层气储层的渗透性；在压裂液管11的液态或超临界CO₂的供给路径上设有混砂泵，以由混砂泵将陶粒支撑剂和如交联剂等必要的添加剂与超临界或液态CO₂充分混合，以形成携支撑剂的液态或超临界CO₂的压裂液；

第八步，瓦斯抽采：利用在压裂区已形成抽采井或抽采孔8进行瓦斯抽采，在抽采过程中，压入煤体裂缝中的超临界或液态CO₂由于竞争吸附效应和高能高压而实现驱替。

本实施例中的封固套管3可采用多表层套管和工作套管的两层结构，也可在两层套管之间加过渡套管的形式，其中，换向阀9设在工作套管上，相邻层套管之间，以及套管与岩壁的钻孔之间均形成密封固定。在采用单层封固套管3时，换向阀9设在封固套管3上，该封固套管3也作为工作套管使用。

本方法用于地面抽采时，其中的钻孔为钻井。

以上虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员也可以意识到对所附权利要求的范围内作出各种变化或修改，这些修改和变化应理解为是在本发明的范围和意图之内的。

Claims (9)

1.一种高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，高压水爆启裂：将填设于具有高水压环境的钻孔或钻井内的乳化炸药(7)通过雷管引爆爆炸，使煤岩产生大量爆生裂缝；

第二步，超临界或液态CO₂致裂：将已混有支撑剂的超临界或液态CO₂压裂液注入钻孔或钻井内，并由已混有支撑剂的超临界或液态CO₂压裂液实施压裂，以使导向割缝和爆生裂缝进一步扩展、延伸，并由支撑剂充填裂缝，保持裂缝开度；并持续压裂至预定影响范围后停止作业；

第三步，瓦斯抽采：利用抽采井或抽采孔(8)进行瓦斯抽采。

2.根据权利要求1所述的高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，其特征在于，在所述高压水爆启裂步骤前还包括高压水力导向割缝，通过与泵注系统匹配的割缝-压裂一体化喷嘴，利用高压水射流沿最小主应力方向实施导向水力割缝，以形成沿沿最小主应力方向人工导向裂缝(6)。

3.根据权利要求2所述的高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，其特征在于，在形成所述高压水力导向割缝之前还包括，通过地应力测试确定煤储层的地应力状态，并将割缝段的钻孔或钻井方向确定为与最小主应力方向垂直。

4.根据权利要求3所述的高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，其特征在于，在所述割缝前还包括采用机械或液压钻进方式形成封孔段钻孔或钻井(2)，并装固套管(3)，在套管(3)外壁与封孔段钻孔或钻井(2)的孔壁之间由水泥砂浆(4)封固，且养护72小时以上。

5.根据权利要求4所述的高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，其特征在于，在所述封固所述套管(3)后的割缝前还包括采用割缝-压裂一体化喷嘴一次或逐段形成割缝段钻孔(5)。

6.根据权利要求1所述的高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，其特征在于，在所述高压水爆启裂步骤前还包括装药和注水封孔的步骤，其中，装药包括，将装设有雷管的乳化炸药依次送至具有割缝的钻井段设定部位，并将雷管引线电连接至孔口或井口外；

注水封孔包括，向钻孔或钻井内注水至爆破要求水压，并对孔口或井口进行封闭。

7.根据权利要求1～6中任意一项权利要求所述的高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，其特征在于，所述超临界或液态CO₂致裂步骤前，还包括在压裂液内混砂：利用混砂泵，将支撑剂与超临界或液态CO₂按设定配比充分混合，并加入添加剂，形成备用的压裂液。

8.根据权利要求7所述的高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，其特征在于，所述的支撑剂为陶粒支撑剂。

9.根据权利要求1～6中任意一项权利要求所述的高压水爆与CO₂压裂相结合的煤层气驱替抽采工艺，其特征在于，在所述超临界或液态CO₂致裂步骤中，还包括采用微地震监测仪进行裂缝延伸的实时监测。