CN105464638A - 煤层气井脉冲径向钻孔与双脉动水力压裂方法 - Google Patents

Abstract

一种煤层气井脉冲径向钻孔与双脉动水力压裂方法，及整套施工方案。该方法配套设备包括：连续油管作业机，高压泵，脉动泵组，导向器，脉冲发生器，多孔喷嘴等。在煤层气井中，利用脉冲发生器和多孔喷嘴，产生多股高压脉冲射流，带动高压软管快速钻进煤层，形成一定长度的径向孔眼；随后，从连续油管内投球憋压，剪断销钉，分离多孔喷嘴；最后，利用高压泵和脉动泵组分别从连续油管和油套环空中同时泵入压裂液，脉冲发生器产生高频率、低振幅压力波动，脉动泵组产生低频率、高振幅压力波动，形成兼具低频锤击与高频振荡效果的双脉动压裂施工，冲击、破坏煤层，最终实现体积压裂，达到大幅提升煤层渗透率、增加煤层气井单井产能的目的。

Description

煤层气井脉冲径向钻孔与双脉动水力压裂方法

技术领域

本发明涉及石油天然气开采领域，是一种煤层气井增产方法，具体为一种煤层气井脉冲径向钻孔与双脉动水力压裂方法。

背景技术

煤层气是一种与煤伴生，以甲烷为主要成分的可燃性气体，是一种潜力巨大清洁能源。我国煤层气资源极为丰富，地下2000米以浅的煤层气资源量超过36万亿方，占世界煤层气总资源量的10％以上，位居全球第三，仅次于俄罗斯和加拿大。有效开发煤层气等非常规油气资源，有助于降低我国油气对外依存度，缓解和改善能源生产和消费结构。

近几年，国内少数煤层气井产量的突破标志着我国煤层气产业进入了高速发展的初期阶段，但是，我国煤层大都具有非均质性强，“低压、低渗、低饱和”缺陷严重，构造煤发育等特点，这决定了我国煤层气井在投产前必须采取一定的增产措施。水力压裂是目前煤层气井增产的主要技术手段：水平井分段压裂技术具有增产效果好，压后稳产周期长的优点，但是施工难度大、成本高、建井周期长的缺陷，限制了其现场应用：直井套管压裂技术虽然增产效果相对较差，但相对低廉的施工成本使其成为目前煤层气井的主力增产措施。因此，以直井套管压裂为基础，发展出适宜我国煤层气藏地质特点的高效完井增产技术，成为提高煤层气单井产能的关键。目前，有两项新型完井增产技术体现出了巨大的潜力：一种是径向井技术，另一种是脉动水力压裂技术。

径向井技术是在超短半径水平井技术的基础上，衍生出来的储层改造新技术，是指在主井筒或者扩径后的主井筒中，利用一定的装置和设备，沿径向钻开若干小尺寸井眼的技术措施，该项技术能增大井筒影响范围，降低近井地带渗流阻力，一定程度上达到水平井的效果，但该项技术存在无法进行分段压裂，卸压范围小的局限性。

煤层脉动水力压裂技术是近几年来，为强化煤层瓦斯抽采效果而提出的一项新技术，该技术利用液体的脉动能量，反复锤击煤层，使煤岩产生疲劳破坏和剪切破坏，而形成体积缝网及卸压区，但压裂液的脉冲能量在天然裂缝和节理发育的煤层中衰减严重，作用范围有限，这严重限制了其现场应用。

鉴于此，本发明针对煤层气井提出了脉冲径向钻孔与双脉动水力压裂方法及整套施工方案，该方法立足于直井套管完井，结合径向钻孔与脉动水力压裂双重增产措施，可望在煤层中形成大范围体积缝网，大幅增加煤层渗透性，提高煤层气单井产能，为经济高效开采煤层气资源提供了一种行之有效的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的煤层气井增产方法，缓解我国煤层气单井产能低，经济性差的问题，为经济高效开采我国煤层气资源，优化我国能源产业结构，提供新的技术路线。

本发明结合了径向井和脉动水力压裂的技术优势，用径向井代替常规水力压裂所产生的主裂缝，联合井上脉动泵组和井下脉冲发生器所产生的不同形式的压力波动，在煤层深部形成兼具低频锤击和高频振荡的双脉动压裂施工，反复锤击、振荡煤层，迫使煤岩产生疲劳破坏和剪切破坏，在煤层中形成大范围应力扰动，产生大规模体积缝网并延伸一定长度，可望大幅提高近井地带渗透率，强化应力释放效果，而达到煤层气井增产、稳产的目的。

为实现上述目的，本发明提出了相应的整套施工方案，主要包括以下步骤：在煤层气井储层段，利用现有的技术手段，进行套管开窗，利用普通油管下入导向装置；随后，从普通油管中，通过连续油管下入带有脉冲发生器和多孔喷嘴的高压软管，在井下产生多股高压脉冲射流，带动高压软管在煤层中快速钻进，形成具有一定长度，井壁微裂缝充分发育的径向井眼；然后，从连续油管内投球形成憋压，剪断限位销钉，分离多孔喷嘴；最后，利用高压泵和脉动泵组分别从连续油管和油套环空中注入压裂液，在径向井中形成两种不同形式的压力波动并叠加，形成兼具低频锤击和高频振荡效果的双脉动压裂施工，大规模冲击、破坏煤层，达到体积压裂的目的。

本发明的优点为：

1、本发明利用叶轮式脉冲发生器和多孔喷嘴，在井下产生多股高压脉冲射流破碎煤岩，能够有效提高径向井钻进速度，节约作业时间；同时，在钻进过程中，脉冲射流能在井眼内形成压力波动，在径向井井壁及周围小范围内形成微裂缝，达到预压裂的效果。

2、利用脉冲能量冲击煤层，能有效降低煤岩的起裂压力，从而降低压裂施工对地面设备的要求；同时，周期性的水力锤击和高频振荡作用，能在煤层中产生反复交替的应力，迫使煤岩产生疲劳破坏和剪切破坏，形成大面积体积缝网，并有效沟通节理和天然裂缝，大幅增加煤岩渗透性。

3、脉冲发生器所产生的压力波动直接作用于径向井端部，有效缓解了波动能量在天然裂缝发育的煤岩中损失严重的问题，可增大压裂施工波及范围，提高脉动压裂效果。

4、径向钻孔时产生的脉冲和压裂时的井下脉冲源于同一脉冲发生器，两个过程在井下直接完成转换，工具利用率高，作业时间短。

5、多支径向井眼施工采用从下往上，螺旋布孔，钻一支压一支的方式，该施工方式能集中能量于一支径向井眼上，在其周围形成更大范围的破碎区，不同径向井眼的多个区域组合能在整体上增大脉动压裂施工的影响范围，沟通整个纵向储层。

附图说明

图1为本发明现场施工示意图；

图2为多支径向井眼空间螺旋式分布示意图；

图3为叶轮式脉冲发生器与高压喷嘴的爆炸视图；

图4为脉冲发生器本体结构图。

附图符号说明：

1、脉动泵组；2、连续油管；3、高压泵；4、连续油管卷盘；5、地层；6、水泥环；7、套管；8、普通油管；9、导向器；10、高压软管；11、煤层；12、脉冲发生器和多孔喷嘴；13、主井筒；14、径向井筒；15a-15b、销钉；16a-16b、销钉孔；17、主喷射孔；18、副喷射孔；19、球座；20、多孔喷嘴本体；21、叶轮轴；22、叶轮；23、叶轮轴孔；24、销钉槽；25、脉冲发生器本体；26、叶轮挡板；27、导流斜面。

具体实施方式

本发明提出了一种煤层气井脉冲径向钻孔和双脉动压裂的方法，同时，公开了相应的井下工具与整套施工方案，为增大煤层渗透性，增加煤层气井产能，延长稳产周期，经济、高效开采煤层气提供了一种新的技术手段。下面结合附图对本发明的井下工具和施工流程作进一步的描述：

首先，在套管完井的煤层气井主井筒(13)中，利用套管开窗技术，在指定位置和指定方位进行套管开窗；开窗完成后，利用普通油管(8)下入导向器(9)，定位、定向并固定；从普通油管中下入连续油管(2)，连续油管下端连接带有叶轮式脉冲发生器(25)和多孔喷嘴(20)的高压软管(10)；利用高压泵(3)向连续油管(2)中注入高压流体，高压流体流经高压软管(10)，经导流斜面(27)引导后，推动叶轮(22)转动，叶轮叶片周期性的介入主流道，使多孔喷嘴(20)产生多股高压脉冲射流，带动高压软管(10)快速破碎煤岩，形成具有一定长度，井壁微裂缝充分发育的径向井眼(14)。

获得预定径向进尺后，继续喷射一段时间，将井下煤屑循环出井并在多孔喷嘴(20)前端形成一定空穴，停泵；从连续油管内投球并开泵，在水流的推动下，投球通过叶轮上部的挡板(26)，落在多孔喷嘴(20)前的球座(19)上；向井中泵注高压流体，形成憋压，当井内压力达到一定值时剪断销钉(15)，释放多孔喷嘴(20)。

然后，在油套环空接入脉动泵组(1)，与高压泵(3)同时向井中注入压裂液，在井下形成两种不同形式的压力波动并叠加，在煤层中产生周期性的应力扰动，反复锤击和振荡煤层，使煤岩产生疲劳破坏和剪切破坏，形成大规模体积裂缝并延伸一定长度和范围，此时，一支径向井眼的钻进和压裂施工完成，下入桥塞封隔径向井眼，重复上述步骤进行下一支径向井眼的施工作业。

若干支径向井眼采用从下到上，空间螺旋展布的布孔方式，并采用钻开一支压裂一支的施工程序，所有径向井眼施工结束后，提出井内工具和管柱并循环洗井，完成整个压裂施工。

以上所述具体实施方式仅为本发明较佳实施方案，并不用以限制本发明的范围，在本发明原则和思想的基础上，所作的同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种煤层气井脉冲径向钻孔与双脉动水力压裂方法，以及整套施工方案，其系统组成主要包括：连续油管作业机、高压泵、脉动注水泵组、导向器、高压软管、脉冲发生器、多孔喷嘴等，其特征在于：利用脉冲发生器和多孔喷嘴，在井下产生多股高压脉冲射流，在煤层中钻开一支径向井眼，随后从连续油管中投球憋压，分离多孔喷嘴，最后利用高压泵和脉动泵组，分别从连续油管和油套环空中同时泵注压裂液，进行双脉动压裂施工。

2.根据权利要求1所述的方法，其中脉冲发生器为叶轮式脉冲发生器，特征在于：叶轮上部覆有带割槽的挡板，挡板与导流斜面连接，在不影响工作液推动叶轮转动的同时，避免了投球与高速旋转的叶轮发生碰撞。

3.根据权利要求1所述的方法，其所述双脉动压裂施工，特征在于：脉动泵组产生低频率、高振幅压力波动，井下脉冲发生器产生高频率、低振幅压力波动，两种不同形式的压力波动在井下共同作用，完成双脉动压裂施工。

4.多支径向井眼采用沿主井筒从下至上、螺旋展布的方式，一支径向井眼压裂完成后，下入桥塞封隔，再开展下一支径向井眼的钻进和压裂，依此类推，依次进行。