CN105507871A - 一种煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，属于油气井压裂技术领域。该方法包括：射开层段，排出井筒积液后，用液氮压开地层裂缝，并使液氮进入裂缝后，向裂缝入口处注入水，水在液氮的作用下在裂缝入口处冻结成冰，形成冰晶暂堵，完成此层段压裂。该压裂方法可有效增加裂缝周围煤岩渗透性，增大泄气面积，增产效果明显；另外，利用液氮压裂在储层中产生的极低储层环境，使得所注入的水在裂缝口及周围冻结，形成冰晶暂堵，只需要一个单通道封隔器就可以达到分段压裂的效果，程序简单，易于操作，节约了时间、空间，提高了作业效率。

Description

一种煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法

技术领域

本发明涉及油气井压裂技术领域，具体而言，涉及一种煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法。

背景技术

煤层气主要以吸附态赋存于煤岩基质孔隙内，作为一种非常规油气资源，在我国资源量巨大，埋深在2000米以内的煤层气资源量为36.81×10¹²m³，与所有常规天然气资源量相当。

我国煤层气通常具有低压、低渗、低饱和度的“三低”特征，给煤层气的开发过程带来了较大难度，常表现出“高资源、低产能”的现象。截止2012年底，全国共完成煤层气井共计11000多口，其中具有工业产气量的气井只有6000多口，且平均单井产气量只有1090-1700m³/d，与美国的3000-6000m³/d的平均产气量有较大差距。鉴于此，在开采的过程中，均会采用增产措施，而最常用的煤层气增产措施是水力压裂。

水力压裂的一般办法是：在目的储层注入高压水，使得目的储层受到压力后开裂，并向地层深处延伸，且为了防止裂缝闭合，均需要向裂缝中注入支撑剂。通过压裂，改变了地层中油、气的渗流方式，增加了渗流面积，减少了流动阻力，使油或气的产量成倍增加。然而，由于在页岩、泥岩或者煤层中，通常会含有大量的粘土矿物，粘土矿物遇水后水化膨胀，非常容易堵堵死压开的裂缝，且水力压裂存在较大的滤失，增产效果不理想。

另外，公布号为102493795A的中国专利申请公开了一种液化氮气在油气层内气化压裂方法。该工艺中，通过隔热油管和封隔器将液氮作为压裂液泵入地层进行目的层裂缝，然后关井、焖井，液氮在地层吸热、气化，裂缝内流体压力增加，岩石温度降低体积收缩，使裂缝继续扩展，直至恢复到地层原始温度，并指出为了防止裂缝闭合在液化氮气压裂液中内加入支撑剂。但是该工艺中，被压入裂缝中的液氮难免存在回返井筒的缺陷，一旦液氮回返井筒，则会影响裂缝延伸，从而造成压裂失败。同时，若将支撑剂与液氮一同注入时，支撑剂会与存在于储层中的小颗粒煤粉混合并沉降聚集，造成渗流通道被堵。

此外，水平井分段压裂技术是油、气井增产措施中重要的技术，是开发低渗透油气藏、页岩气、煤层气等非常规油气藏的有效手段，目前，主要的水平井分段压裂技术主要包括液体胶塞隔离技术、机械封隔分段压裂技术、封隔器+滑套喷砂器分段压裂技术、限流压裂技术等。

然而，对于液体胶塞隔离技术，其存在液体胶塞浓度高，对所隔离的层段伤害大，同时压后排液之前要冲开胶塞和砂子，冲砂过程中对上下储层均会造成伤害，而且施工工序繁杂，作业周期长，综合成本高的缺陷。机械封隔分段压裂技术存在需要频繁起下管柱，工艺周期长，封隔器砂卡风险较大的缺陷。封隔器+滑套喷砂器分段压裂技术存在对固井质量要求高，同时，封隔器砂埋危险大、管柱上提较为困难的缺陷。限流压裂技术多用于形成纵向裂缝的水平井，分段的针对性相对较差；裂缝(储层)覆盖率和水平段的改造不确定，不同段的应力和裂缝迂曲有差异时难以设计；各裂缝启裂和延伸不均衡，从而会影响增产效果。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，该分段压裂方法，以液氮作为压裂液，通过液氮冻结层段内部流体，从而降低了滤失，且被冻结的区域由于内部流体结冰膨胀，产生张应力将煤岩岩体破坏，从而产生更长的裂缝，提高了压裂效果；而且利用液氮压裂在储层中产生的极低储层环境，使得所注入的清水即可在射孔孔眼及周围冻结，形成的冰晶暂堵作用，只需要一个单通道封隔器就可以完成分段压裂，工序简单，易于操作，节约了时间、空间。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，包括以下步骤：

射开层段，排出井筒积液后，用液氮压开地层裂缝，并使液氮进入裂缝后，向裂缝入口处注入水，水在液氮的作用下在裂缝入口处冻结成冰，形成冰晶暂堵，完成此层段压裂。

本发明提供的这种煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，液氮作为压裂液进入裂缝内，能够冻结煤岩割理和天然微裂缝内流体，从而有效降低煤层压裂过程中的滤失；液氮接触裂缝壁面后，煤岩骨架发生剧烈收缩，发生不规则破碎，压后可以对裂缝进行支撑；液氮在裂缝周围冻结区域，由于骨架收缩及孔隙内流体结冰体积膨胀，会产生大量微裂缝，有效增加裂缝周围煤岩渗透性；压后关井过程，液氮气化膨胀，缝内流体压力增加，裂缝继续延伸，在主裂缝周围形成复杂裂缝网络，增大泄气面积，增产效果明显。

另外，利用液氮压裂在储层中产生的极低储层环境，使得所注入的水在裂缝口及周围冻结，形成冰晶，并暂堵完成压裂层段的孔眼及裂缝，保证液氮在裂缝内气化膨胀增加压力过程中，流体不会向井筒内返排。该冰晶暂堵的操作无需专门的封隔器或桥塞，即可进行下一段压裂的过程，只需要一个单通道封隔器就可以完成分段压裂的效果，程序简单，易于操作，节约了时间、空间。

可选的，所述方法包括以下步骤：

1)、射开层段，向水平井内的套管中下入隔热油管，并用单通道封隔器坐封待压裂层段，向套管和隔热油管之间的环空内注入热氮气，排出井筒积液；

2)、向所述隔热油管和所述环空内注入热氮气直至压力接近破裂压力时停止注入热氮气并维持压力稳定；

3)、向隔热油管内注入液氮，并维持所述环空内氮气压力接近破裂压力且恒定，液氮经隔热油管末端的出液口喷出，与所述环空内的热氮气共同在与所述出液口位置相对的套管射孔孔眼的端部聚集，压开地层裂缝，裂缝起裂并延伸；

4)、注入完液氮后，向所述隔热油管内注入热氮气将所述液氮顶入裂缝内；

5)、向所述隔热油管内注入水，水在所述射孔孔眼与裂缝入口处冻结成冰形成暂堵，完成此层段压裂。

在步骤1)中，布设套管时以及在套管上打开射孔孔眼时，难免会用到水，并产生积液；另外，地层中也可能会有一些地下水通过射孔孔眼进入井筒内；如果这些积液不排出去的话，在后续通入液氮的过程中必会发生冻结，并堵套管或者射孔孔眼，进而会对整个操作造成严重的阻碍。

因此，在本发明中，待单通道封隔器坐封后，通过在套管和隔热油管之间的环空内注入热氮气，并将井筒内的积液从出液口压入隔热油管内，并从其管口排出。另外，热氮气排积液的过程中，会对整个管道形成保温效果，防止在后续通入液氮压裂液时，具有极低温度的液氮对管道造成损害。

在步骤2)中，向环空内注入热氮气，直至井内的压力接近待压裂层的破裂压力时，维持压力恒定。在该步骤中之所以注入热氮气，其效果在于，氮气具有较低的热传导系数，可以减少后续所注入的液氮在油管运输过程中吸收的热量，起到保温作用，防止液氮由于热量下降快而在注入过程中就发生相变；另外，加热的氮气可以保护套管不会因为长时间接触温度极低的液氮而遭到损坏。

此外，在液氮注入过程，被单通道封隔器封隔的井筒区域内的氮气的压力，可防止液氮向周围流动。最后，环空内的氮气提供的压力同时能够阻碍储层流体通过射孔孔眼流入井筒。

在步骤3)中，液氮以大排量从隔热油管注入，并保持液态到达井底，从隔热油管末端的出液口处喷出，由于速度较高，在射孔孔眼附近一定区域会形成低压区，环空内氮气向该区域流动，压力不断增加，将地层压开。

在步骤4)中，利用热氮气将液氮顶入裂缝内，通入的热氮气对隔热油管起到加热效果，保证在步骤5)通入水的过程中，水不会由于隔热油管具有较低的温度而结冰。当注入的水通过射孔孔眼进入裂缝后，由于液氮的存在，储层具有较低的温度，而且射孔孔眼处的温度也很低，所以所注的水在裂缝的开口处以及射孔孔眼出结冰，形成暂堵，使其在下一段压裂的过程中不会进行不必要的重复压裂，而且还保证液氮在裂缝内气化膨胀增加压力过程中，流体不会通过射孔孔眼向井筒内返排。另外，冰晶暂堵还保证了下一段压裂的顺利进行，无需设置专门的桥塞或者封隔器即可实现封端压力，极大地方便了操作，简化了流程。

可选的，向隔热油管内注入液氮的时间小于30分钟。

由于液氮的温度极低，若长时间存在于隔热油管内，可能会对常规的隔热油管造成损坏，因此在注入液氮的过程中，将时间控制在30分钟内，在该时间内，液氮不会对隔热油管造成损害，保证了整个压裂过程的顺利进行。

可选的，向所述隔热油管内注入水的速率为0.4-0.6m³/min。

液氮具有较低的温度，使射孔孔眼和裂缝均处于低温的环境下，一般在储层压力条件下，液氮会吸热发生汽化以氮气的形式从射孔孔眼排出，从而不能实现裂缝继续延伸的目的。因此需要低排量(0.4-0.6m³/min)注入少量水，注入的水会在射孔孔眼附近发生冻结，且在极低的温度下，冻结强度较强，其破裂压裂要远大于储层的破裂压力，保护已压层位不会被再次压开，同时裂缝内液氮不会因为气化膨胀升压而返出到井筒。

可选的，所述套管的管壁上间隔设置多个射孔孔眼；

优选的，在所述套管处于水平段的管壁上沿轴向对称设置两行射孔孔眼。

在布设套管的过程中，需要依据待压裂的目的层段的位置设置射孔孔眼，为了实现分段压裂效果，在套管上的射孔孔眼间隔设置为多个(一般为4-6个)，且在套管处于水平段的管壁上沿轴向对称设置两行射孔孔眼；使得压裂过程中同时从套管的两侧进行。

可选的，所述出液口的由内向外减缩。

具有该结构的出液口，其可以使得在隔热油管中的液氮，以非常高的速度喷出，并进入相对应的射孔孔眼内，液氮进入射孔孔眼后发生逐渐滞留，根据伯努利原理，滞止压力将高于环空压力，两者差值即为射流增压值。当孔内滞留压力达到地层破裂压力时，射流孔道顶端将产生裂缝并延伸，而此时环空压力仍低于地层破裂压力，不会压开其它层位，从而实现了定点压裂。压开地层后,由于裂缝的延伸压力低于破裂压力，在基本保持环空压力的情况下裂缝不断延伸。

可选的，所述出液口的口径小于所述射孔孔眼的孔径。

从具有较小口径的出液口喷出的液氮可以实现精准、大量地进入对应的射孔孔眼内，并且不断聚集，直至将目的层段压开裂缝，液氮在井内高压的作用下迅速进入裂缝内。

可选的，步骤2)具体包括：

向所述隔热油管和所述环空内注入热氮气直至压力达到该层段破裂压力的80-90％时，停止注入热氮气并维持压力稳定。

为了防止井内压力控制不当而发生热氮气将目的层段压开的无效操作，在通入热氮气的过程中，当压力达到该层段破裂压力的80-90％时，停止注入热氮气并维持压力稳定，再通入液氮进行压裂。

优选的，在完成压裂之后，解封单通道封隔器，将所述隔热油管上提，重复所述压裂方法进行下一层段压裂。

完成一层段的压裂后，为了实现分段压裂的效果，通过解封单通道封隔器，通过管柱将隔热油管上提，使得出液口与下一层段上的射孔孔眼相对，坐封单通道封隔器，重复所述压裂方法进行下一层段压裂，直至完成所有层段压裂。

需要指出的是，该方法中使用的单通道封隔器(类似可洗井封隔器)，其具有单向通道效果，即氮气只能从环空内进入井筒底部，但是不能从井筒底部进入环空内。在压裂过程可以对压裂层段起到封隔作用，不会对其它层段造成影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)、本发明的煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，可形成大量微裂缝，扩大泄气面积，增产效果明显，优于常规压裂。

液氮作为压裂液大大降低了压裂液的滤失，能造更长裂缝，有利于提高压裂效果。液氮冻结的区域，由于岩石内部流体结冰膨胀，产生张应力将煤岩岩体破坏，具体的，孔隙冰在-5℃、-10℃、-22℃时产生的膨胀压力分别为61MPa、113MPa、211.5MPa，远远超过一般煤岩的强度，因此裂缝内部的冻结冰会产生较大冻胀力，可使裂缝进一步延伸。同时，裂缝中的流体在发生相变的过程中，也会不断膨胀，产生大量微裂缝。压裂后关井过程中，液氮不断吸热，汽化膨胀，做大量的功作用于周围的岩石上，由于液氮冻结融化降低了煤岩的强度，因此已经被压开的裂缝及割理都会得到扩展，继续延伸，在主裂缝周围形成大量的微裂缝，最终形成复杂的裂缝网络，从而增大泄气面积，真正实现储层渗透率的提高。因此，液氮压裂后的效果更优于常规压裂。

(2)、液氮本身对储层基本无伤害，有利于保护储层。

水力压裂是目前国内外进行煤层气井增产最主要的技术手段，90％以上的煤层气井都要进行压裂改造。压裂液的性能是影响压裂能否取得成功的关键，往往由于压裂液的性能较差，而造成煤层气井的储层伤害，研究表明目前压裂液对煤层的伤害主要为：吸附伤害、堵塞伤害、水化膨胀伤害和化学伤害。煤层中存在大量的割理，割理的渗透率很低，压裂残渣或因压裂液破胶不完全，往往造成割理堵塞，而液氮的作用机理与高粘度冻胶压裂液不同，不需要交联，也不需要破胶，同时几乎没有残渣存在，所以极大程度上保护了储层，液氮本身对储层基本没有伤害。同时煤层具有很强的吸附能力，能够吸附压裂液中的水，引起煤层基质的水化膨胀，而液氮压裂液是无水压裂液，且压裂液温度极低，因此并不会产生由吸附引起的水化膨胀。

(3)、有效降低压裂过程中的滤失。

在进行压裂的同时必须要注意降低滤失，如果滤失过于严重不仅达不到预期增产改造效果，甚至导致压裂施工失败。而采用液氮作为压裂液，在不采取任何其它降滤措施的情况下，煤层内的滤失速率也会大大降低。首先，煤岩割理、孔隙及裂缝内的流体因为极低的地层温度会被冻结成冰，堵塞流动孔道，从而降低滤失；其次，液氮压裂液进行压裂造缝的同时，与储层不断发生热交换，吸收热量，不断汽化，增加储层压力，阻碍流体流向地层，为此降低压裂液滤失。

(4)、节约水资源，缓解压裂后排水降压的压力。

液氮压裂作为一种无水压裂工艺技术，不仅能够极大的减小对储层煤岩的污染，同时对环境也不产生任何污染，没有腐蚀性，较为安全可靠，同时也缓解了水资源紧缺的问题，因此不受水源的限制。液氮在与地层充分热交换后，发生相态变化，最终以气态形式排出，具有极强的助排作用，因此不需要以往的压裂液返排过程，大大缓解了压裂后排水的压力。

(5)、分段压裂过程中减少了井下作业工具的使用，简化了施工工序。

利用液氮压裂在储层中产生的极低储层环境，注入少量清水，即可在射孔孔眼及周围冻结，形成的冰晶暂堵作用，只需要一个单通道封隔器就可以完成分段压裂，工序简单，易于操作，节约了时间、空间。

(6)、该方法适用性广，尤其可适用于井身条件不好的井。

在分段压裂的过程中，如果遇到套管变形或井身条件不好的井，则不能用常规的方法进行压裂，为了安全起见，有时甚至放弃压裂措施。

而在本发明的分段压裂方法中，应用了冰晶暂堵技术进行分段压裂改造。此工艺使用较少作业工具，降低了砂卡等施工风险，而且不会对储层造成伤害，工艺设计合理对套管也不会造成伤害。

(7)、有利于防煤粉。

在进行液氮压裂施工后，储层仍然处于较低的地层环境中，液氮在储层中汽化返排，但此时煤层仍然处于低温环境中，此时煤粉也处于被“冻结”状态。

由于在煤层气田排水降压过程水对煤粉的悬浮性能较差，煤粉不易随水流动，容易聚团形成沉淀堵塞渗流通道，影响煤层产气。而由于此压裂过程中采用的无水压裂液，液氮汽化后以气体形式排出，加大了井底的压力，提高了液体的携煤粉能力，同时形成的高压将部分将被煤粉堵住的裂缝又撑开。较其它压裂液进行压裂而言，液氮压裂后所需排水量小，且往往以小排量进行返排，减小了紊流对煤粉的冲击，有利于防煤粉。煤粉容易形成三个部位的堵塞，其中在支撑裂缝中的煤粉堵塞较为严重，煤粉颗粒会与支撑剂完全混合，沉降聚集后堵塞渗流通道，污染形成的有效支撑裂缝，但在我们的工艺中可不加入支撑剂，不会与煤粉混合堵塞有效支撑裂缝。

附图说明

图1.1为本发明实施例1-2中压裂过程中的井筒示意图；

图1.2为本发明实施例1-2中注氮气排井筒积液过程示意图；

图1.3为本发明中液氮压开地层过程示意图；

图1.4为本发明中射孔孔眼区域冻结过程示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明提的这种煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，包括以下步骤：

S1、射开层段，排出井筒积液后，用液氮压开地层裂缝，并使液氮进入裂缝；

S2、向裂缝入口处注入水，水在液氮的作用下在裂缝入口处冻结成冰，形成冰晶暂堵，完成此层段压裂。

该分段压裂方法，以液氮作为压裂液，通过液氮冻结层段内部流体，从而降低了滤失，且被冻结的区域由于内部流体结冰膨胀，产生张应力将煤岩岩体破坏，从而产生更长的裂缝，提高了压裂效果；而且利用液氮压裂在储层中产生的极低温储层环境，使得所注入的水可在裂缝开口周围冻结，形成的冰晶暂堵作用，液氮在裂缝内不断吸热，气化膨胀，做大量的功作用于周围的岩石上，由于液氮冻结融化降低了煤岩的强度，因此已经被压开的裂缝及割理都会得到扩展，继续延伸，在主裂缝周围形成大量的微裂缝，最终形成复杂的裂缝网络，从而增大泄气面积，真正实现储层渗透率的提高。

结合上述的内容，为了使得本发明的方案更加清楚明了，并易于实现，请参考图1.1-图1.4，特对煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法举出以下实施例：

实施例1

本实施例的煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，包括以下步骤：

S11：射开层段，向水平井内的外套100中下入隔热油管200，并用单通道封隔器300坐封待压裂层段，向外套100和隔热油管200之间的环空内注入热氮气，排出井筒积液；

根据现场的施工设计，射开所有层段，下入隔热油管200并坐封单通道封隔器300(设置于隔热油管200的外壁上，坐封后与外套100的内壁相对固定)，使得隔热油管200的出液口201与外套100上需要压裂层段对应的射孔孔眼101相对，向外套100和隔热油管200之间的环空内注入热氮气，排出井筒积液；以防止后续注入液氮过程中积液被冻结进而造成管道或者射孔孔眼101被堵塞。

S12：向所述隔热油管200和所述环空内注入热氮气直至压力接近破裂压力(达到破裂压力的80％-90％)时停止注入热氮气并维持压力稳定；

当环空的压力接近破裂压力时，整个环空内具有很大的压力，此时地层中的流体不会通过射孔孔眼101渗入井筒内。

S13：向隔热油管200内注入液氮，并维持所述环空内氮气压力接近破裂压力且恒定，液氮经隔热油管200末端的出液口201喷出，与所述环空内的热氮气共同在与所述出液口201位置相对的外套100射孔孔眼101的端部聚集，压开地层裂缝，裂缝起裂并延伸；

通过注入液氮，液氮经过油管末端的孔眼喷出，在外套100射孔孔眼101附近产生较高速度的流动，形成低压区，环空氮气向射孔孔眼101聚集，使得该部位的压力不断升高，高于破裂压力后，裂缝起裂并延伸；由于环空内一直保持低于破裂压力的压力加之单通道封隔器300的存在(处于井底与单通道封隔器300的氮气不会进入其他环空)，保证了其它层段不会被压开。

S14：注入完液氮后，向所述隔热油管200内注入热氮气将所述液氮顶入裂缝内；

S15：向所述隔热油管200内注入水，水在所述射孔孔眼101与裂缝入口处冻结成冰形成暂堵，完成此层段压裂。

由于在步骤14中利用热氮气将隔热油管200中的液氮顶入裂缝中，因此，在完成该操作时，整个油管内的温度也接近氮气的温度，所以保障了在注水的过程中，隔热油管200中的水不发生相变，其可以流入射孔孔眼101；而且在裂缝口处，由于液氮使得储存的温度很低，水会在瞬间结冰并且将裂缝口和射孔孔眼101堵住，实现了的冰晶暂堵效果。

实施例2

煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，包括以下步骤：

S21：射开层段，向水平井内的外套100中下入隔热油管200，并用单通道封隔器300坐封待压裂层段，向外套100和隔热油管200之间的环空内注入温度为30℃的氮气，排出井筒积液；

其中，在该步骤中，根据需要压裂的层段，在事先在外套100处于水平段的管壁上沿轴向对称设置两行射孔孔眼101，并且为了方便压裂，将射孔孔眼101处对应的外套100外的水泥环也钻开小缝隙。

S22：向所述隔热油管200和所述环空内注入热氮气直至压力达到破裂压力的85-90％时，停止注入热氮气并维持压力稳定；

举例而言，以沁水盆地南部煤层气储层为例，地层破裂压力梯度在0.025-0.027MPa/m，也就是1000m深的井，地下的破裂压力为25MPa-27MPa。

S23：向隔热油管200内注入液氮，并维持所述环空内氮气压力接近破裂压力且恒定，液氮经隔热油管200末端的出液口201喷出，与所述环空内的热氮气共同在与所述出液口201位置相对的外套100射孔孔眼101的端部聚集，压开地层裂缝，裂缝起裂并延伸；

其中，在该步骤中，由于液氮是一种温度极低的液体，当注入液氮的时间过长往往会导致外套100的破坏；注入液氮的时间控制在30分钟内，优选为20-25分钟。

S24：注入完液氮后，向隔热油管200内注入温度为30℃的氮气将所述液氮顶入裂缝内。

S25：向所述隔热油管200内以0.5m³/min的速率注入水，水在射孔孔眼101与裂缝入口处冻结成冰形成暂堵，完成此层段压裂。

以该排量注入的水，到达裂缝后，基于液氮给予储层以及射孔孔眼101处的低温效果，水会在瞬间被冻结，并将裂缝开口以及射孔孔眼101堵塞，此时液氮被堵在裂缝内无法返排，液氮接触裂缝壁面后，煤岩骨架发生剧烈收缩，发生不规则破碎(煤岩受到超低温冲击会发生破碎，在大气压条件下进行了实验研究，当煤样与液氮接触，煤样破碎，分割成小的立方体单元。每一次煤样接触液氮，样品将分成若干更小的立方体，重复接触将导致煤样继续分成更小的立方体单元)，压后可以对裂缝进行支撑，无需注入支撑剂，即可防止裂缝复合。

综合而言，液氮注入地层后形成的剧烈热冲击作用使裂缝壁面产生物理变化，足以防止水力裂缝和热诱导裂缝在闭合应力的作用下闭合。另外，还会产生与水力裂缝正交的热诱导微裂缝。除了少数地热储层(非油气储层)的压裂过程，一般压裂几乎不会产生剧烈的热冲击作用。因此，液氮压裂即使在没有支撑剂下，产生的破碎也能够支撑裂缝张开，液氮完全可以代替常规压裂液，且是一种对储层基本没有伤害的压裂液。

S26：解封单通道封隔器300，将隔热油管200上提，重复该压裂方法进行下一层段压裂，直至完成所有射孔孔眼101处对应层段的压裂。

具体的，在该步骤中，提升隔热油管200，并使隔热油管200上的出液口201与和外套100上完成压裂操作的射孔孔眼101相邻的射孔孔眼101相对，重复该压裂方法，进行一层段压裂。

另外在该实施例中，出液口201由内向外减缩；出液口201的口径小于所述射孔孔眼101的孔径。

此外，在进行下一层段压裂时，单通道封隔器300使得热氮气能够通过环空进入井筒，同时又隔离了井筒高压流体，冰晶的高强度保证已射开层段不会被再次压开。

同时，由于液氮出液口201特殊的设计，在液氮在隔热油管200中流动，较高速度的液氮从孔径相对较小的隔热油管200出液口201喷出，进入射孔孔眼后发生逐渐滞留，根据伯努利原理，滞止压力将高于环空压力，两者差值即为射流增压值。当孔内滞留压力达到地层破裂压力时，射流孔道顶端将产生裂缝并延伸，而此时环空压力仍低于地层破裂压力，不会压开其它层位，从而实现了定点压裂。压开地层后，由于裂缝的延伸压力低于破裂压力,在基本保持环空压力的情况下裂缝不断延伸。

单通道封隔器300、冰晶的存在以及压裂液的定点注入，不会导致井筒其它部位形成高压，并压开新裂缝，也不会导致已有裂缝重新张开。

本发明还对实施例2所举出的煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法进行了室内模拟实验，具体包括以下内容：

一、煤层气井冰晶暂堵室内模拟实验

模拟实验所用设备的基本功能：可在模拟地层稳定的负温和高压条件下，安全便捷地模拟冰晶暂堵压裂工艺中压裂液在裂缝内的流动及向地层中的滤失情况，高效地测定相关参数，以便对冰晶降滤及封堵能力进行分析和研究。

1.1、室内实验研究

实验过程：先将直径为1英寸的煤岩中心造孔，然后放入仪器进行实验，为了防止岩心压碎，实验过程施加较低围压，待冰晶形成后，随着进口压力增加，同时增加围压，防止液体从胶皮筒周围流出，最后观察冰晶的封堵强度。

经过大量的实验研究，测得的冰晶强度高于20MPa，在沁水盆地煤层气井的破裂压力一般在10MPa左右，最大一般不会超过20MPa，因此在低温环境下形成的冰晶强度足够大，完全能够达到封堵的要求。

1.2低温对煤岩岩石力学性质影响实验研究

实验过程采用间接的巴西圆盘劈裂法。为了解温度对煤岩抗张强度的影响，实验过程中对不同温度下的煤岩进行抗张强度的测试，测试过程中为了减小人为的原因而造成的测试不准确，在同一温度下进行多个煤岩的测试，取平均值，其中测试结果由表1所示。

表1不同温度下煤岩抗张强度测试结果

通过实验结果可知：在温度低于5℃时，随着温度的降低，煤岩的抗张强度不断的增加，当温度低于40℃时抗张强度高于2MPa；当温度高于5℃时，随着温度的升高煤岩的抗张强度又不断的增加。研究表明液氮具有极低的温度(标准状况下为-195.8℃)，同时研究在采用普通油管进行注液氮时随井深的增加而温度增加，一般对于垂直段7.5℃/100m，我国煤层气井一般埋深较浅，大部分为几百米，超过1000米的井较少，因此在达到目标储层时，温度还维持在-100℃以下；如果采用隔热油管可大大降低热量的流失，能够保证液氮在到达目标储层时仍然具有很低的温度，此时的煤岩抗张强度也较大。对于一般砂岩、页岩、煤岩等，抗拉强度随温度的降低，抗拉强度增加，经模拟结果证实在-160℃时比在15℃增加约50％～100％。煤岩一般渗透率很低，几乎可以认为煤岩是非渗透性岩石，计算其破裂压力时可以应用Hubbert-Willis(H-W)公式：

p_b＝3σ_h-σ_H+σ_f-p₀(2.1)

其中，Pb为井筒破裂压力，MPa；σh为地层的最小水平主应力，MPa；σH为地层的最大水平主应力，MPa；σf为岩石的单向拉伸应力强度，即破裂应力，MPa；Po为岩石孔隙中的流体压力，即孔隙压力，MPa。

由公式2.1可看出当岩石的抗拉强度增加时，其地层的破裂压力也随之增加，虽然地层的最小/大水平主应力也对煤层的破裂压力产生一定的影响，但是温度对其影响程度相对较小。因此，当压裂过程中应用冰晶进行暂堵时，不仅因为温度的降低使裂缝孔眼等部分由于形成冰晶而具有暂堵作用，同时由于低温使周围煤岩的破裂压力增大，也有利于多级压裂的实验，防止在压相邻层时，对已压裂的层位造成影响。因此，冰晶确实能让煤岩强度增大到地层破裂压力以上，从而实现压裂过程中的转向。

二、液氮冰晶暂堵分段压裂方法的可行性模拟研究

室内实验研究冰晶暂堵的封堵强度，即能否堵住的问题。计算机模拟主要包括井筒温度场计算、液氮流入过程地层温度场变化、清水注入过程冻结以及地层温度场升温解冻的过程，整个模拟过程研究能“暂堵”多久。

通过模拟计算发现在液氮压裂工程中应用液氮冰晶暂堵进行分段压裂具有可行性，射孔孔眼被“封堵”5个小时左右，同时由于在进行下一段压裂时会注入液氮，会使温度有所降低，冰晶的封堵时间会略有增长。根据计算结果发现，如果进行压裂时所分段数较多，五个小时不能完成，可以根据需求打入一定量的桥塞；如果进行压裂时所分段数较少(4-6个射孔孔眼)，五个小时能完成，那么只需要抽提管柱即可。

此外，本发明还对煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法进行了经济可行性评价：

(1)常规压裂液

通常煤层气井进行常规压裂液时，首先注入前置压裂液(不加砂)，主体压裂液(加砂)，压裂液中同时要加入防膨剂，支撑剂，及一定量的处理剂。其中支撑剂为目前应用最为广泛的石英砂，防膨剂应用较为常见的KCl。

表2压裂用化学品价格明细表

(2)液氮压裂液

目前液氮的来源主要有三种：

1)直接购买已经制好的液氮成品。目前市场上出售的纯度为99.999％的液氮大概800元/吨，但是还要加上几百元的运费，大概每吨1000-1500元/吨。

2)购置现场制单设备。现场制氮的三种技术—深冷空分制氮、PSA制氮和膜分离制氮各有特点，且在不同产氮量及纯度范围各有优势。用户自购设备现场制取高纯氮，前期一次性投资较大，但由于原料直接来源于空气，相当于零成本。后期费用仅包括电能消耗、设备维护与折旧、人工等费用，运行成本较低。如果需要长期应用，建议购买。

3)租赁现场制氮设备。近年来又出现了一种租赁供氮方式，即由用户租赁制氮设备现场制备或由制氮设备生产企业在使用现场制氮，用户买氮，按量付款。虽然单位制氮成本比自购设备现场制氮要高，但一次性投资少，使用方便，用户无风险。用来较少，建议使用。

通过对上述三种液氮来源的对比，并结合压裂用量的实际要求，一般油田现场，用户可以根据需要选择购置或租赁现场制氮设备，省去中途运输环节，可以有效地降低成本。相对于直接购买，每吨液氮成本大大降低，价格300-400元/吨左右。

在经济方面对液氮作为压裂液与常规压裂液进行对比，可以很直观地看出选择购置或租赁现场制氮设备制取液氮将从很大程度上减小经济投入，虽然应用液氮作为压裂液是必须应用隔热油管，提高了部分成本，但总体上节约了总投资成本，验证了液氮作为压裂液在经济方面的可行性。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：射开层段，排出井筒积液后，用液氮压开地层裂缝，并使液氮进入裂缝后，向裂缝入口处注入水，水在液氮的作用下在裂缝入口处冻结成冰，形成冰晶暂堵，完成此层段压裂。

2.根据权利要求1所述的煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)、射开层段，向水平井内的套管中下入隔热油管，并用单通道封隔器坐封待压裂层段，向套管和隔热油管之间的环空内注入热氮气，排出井筒积液；

2)、向所述隔热油管和所述环空内注入热氮气直至压力接近破裂压力时停止注入热氮气并维持压力稳定；

3)、向隔热油管内注入液氮，并维持所述环空内氮气压力接近破裂压力且恒定，液氮经隔热油管末端的出液口喷出，与所述环空内的热氮气共同在与所述出液口位置相对的套管射孔孔眼的端部聚集，压开地层裂缝，裂缝起裂并延伸；

4)、注入完液氮后，向所述隔热油管内注入热氮气将所述液氮顶入裂缝内；

5)、向所述隔热油管内注入水，水在所述射孔孔眼与裂缝入口处冻结成冰形成暂堵，完成此层段压裂。

3.根据权利要求2所述的煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，其特征在于，所述热氮气的温度为28-32℃。

4.根据权利要求2所述的煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，其特征在于，向隔热油管内注入液氮的时间小于30分钟。

5.根据权利要求2所述的煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，其特征在于，向所述隔热油管内注入水的速率为0.4-0.6m3/min。

6.根据权利要求2所述的煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，其特征在于，所述套管的管壁上间隔设置多个射孔孔眼；

优选的，在所述套管处于水平段的管壁上沿轴向对称设置两行射孔孔眼。

7.根据权利要求2所述的煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，其特征在于，所述出液口由内向外减缩。

8.根据权利要求2所述的煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，其特征在于，所述出液口的口径小于所述射孔孔眼的孔径。

9.根据权利要求2所述的煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，其特征在于，步骤2)具体包括：

向所述隔热油管和所述环空内注入热氮气直至压力达到该层段破裂压力的80-90％时，停止注入热氮气并维持压力稳定。

10.根据权利要求1-9任一项所述的煤层气水平井液氮冰晶暂堵分段压裂方法，其特征在于，在完成压裂之后，解封单通道封隔器，将所述隔热油管上提，重复所述压裂方法进行下一层段压裂。