CN105756648A - 一种煤储层相变改造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤储层相变改造方法，属于煤储层改造技术领域。本发明通过向煤储层中的孔眼内依次注入隔离液、相变液、隔离液和冷媒液，使冷媒液将冷能传导至相变液，使之发生相变，体积膨胀，从而使得孔眼周围的煤储层在低温以及相变液产生的膨胀应力下形成网状的裂缝，网状的裂缝分支较多，增加了煤层气的开采通道，较利于煤储层中吸附的煤层气的开采；而且，该方法使煤储层从孔眼处扩张从而产生裂缝，并不承受外在物体的冲刷，因此减少了煤岩产生的煤粉，从而避免了裂缝的堵塞，使得本发明形成的裂缝的导流能力较强，利于煤储层相变改造后的排采工作，提高了煤层气开采效率。

Description

一种煤储层相变改造方法

技术领域

本发明涉及煤储层改造技术领域，特别涉及一种煤储层相变改造方法。

背景技术

在煤层气开采中，煤储层具有硬度低、易破碎、渗透率低等特点，煤层气不易开采出来，所以需要对煤储层进行改造，目的是以不破坏煤储层为前提，扩大煤储层裂隙，使吸附的煤层气有通道被开采出来。

现有技术一般是采用水力压裂方式对煤储层进行改造，利用压裂泵车将水大排量注入煤储层中，当井底压力大于煤储层破裂压力后，煤储层中就会形成裂缝，从而提高煤储层的导流能力，使吸附的煤层气有通道被开采出来。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

水力压裂方式中大排量地向煤储层注入水，容易冲刷煤岩产生大量煤粉，从而容易堵塞压裂形成的裂缝，降低该裂缝的导流能力，影响压裂后的排采作业。

发明内容

为了解决现有技术的水力压裂易产生煤粉堵塞裂缝的问题，本发明实施例提供了一种煤储层相变改造方法。所述技术方案如下：

一种煤储层相变改造方法，所述方法包括：

步骤一：向煤层气井内下入套管，对煤储层进行射孔，向所述套管内下入保温油管和温度压力计，所述套管与所述保温油管之间设有环形空隙；

步骤二：利用地面冷交换注入系统，向所述保温油管内注入定量隔离液；

步骤三：利用地面冷交换注入系统，向所述保温油管内注入定量相变液；

步骤四：继续向所述保温油管内注入定量隔离液；

步骤五：通过所述地面冷交换注入系统，对冷媒液进行降温，并将降温后的所述冷媒液注入所述保温油管内，所述冷媒液将冷能传导至所述相变液，使所述相变液达到相变温度并发生体积膨胀，当所述温度压力计显示井底温度不再降低时，停止所述冷媒液的注入；

步骤六：再次向所述保温油管内注入定量隔离液，

若所述温度压力计显示井底压力大于等于煤储层的破裂压力，则重复所述步骤三至所述步骤六，继续对所述套管外的煤储层相变改造；

若所述温度压力计显示井底压力低于煤储层的破裂压力，则所述套管外的煤储层相变改造结束。

进一步地，所述步骤一中，对煤储层进行射孔，具体包括：

在所述套管、所述套管外的所述煤储层中射出多个直径为9-11mm的孔眼，多个所述孔眼的排列密度为10-16个/m，每个所述孔眼的相位角相等且均为60°-90°。

进一步地，所述步骤二：利用地面冷交换注入系统，向所述保温油管内注入定量隔离液，具体包括：

打开所述保温油管的顶部开口和所述套管的顶部开口；

利用所述地面冷交换注入系统中的改造液注入系统，通过所述保温油管的顶部开口向所述保温油管内以0.5-3.0m³/min的排量注入隔离液，所述隔离液经过所述保温油管的底部开口进入所述保温油管与所述套管之间的环形空隙中；

当所述保温油管与所述套管之间的环形空隙内的隔离液的液面位置高于所述煤储层中的多个所述孔眼的最高位置时，关闭所述套管的顶部开口；

所述改造液注入系统继续通过所述保温油管的顶部开口向所述保温油管内以0.5-3.0m³/min的排量注入定量的隔离液，促使所述隔离液经过所述孔眼进入所述煤储层。

进一步地，所述步骤三：利用地面冷交换注入系统，向所述保温油管内注入定量相变液，具体包括：

通过所述改造液注入系统向所述保温油管内以0.5-3.0m³/min的排量注入定量的相变液，并使所述相变液经过所述孔眼进入所述煤储层。

进一步地，所述步骤四：继续向所述保温油管内注入定量隔离液，具体包括：

通过所述改造液注入系统向所述保温油管内以0.5-3.0m³/min的排量注入定量的隔离液，并使所述隔离液经过所述孔眼进入所述煤储层。

进一步地，所述步骤五：通过地面冷交换注入系统，对冷媒液进行降温，并将降温后的所述冷媒液注入所述保温油管内，所述冷媒液将冷能传导至所述相变液，使所述相变液达到相变温度并发生体积膨胀，当所述温度压力计显示井底温度不再降低时，停止所述冷媒液的注入，具体包括：

在所述地面冷交换注入系统中，通过超低温冷源循环系统向冷交换装置输送冷源，并通过冷媒液循环系统向所述冷交换装置输送冷媒液，在所述冷交换装置中，所述冷源将冷能传导至所述冷媒液，使所述冷媒液的温度降至-10℃至-50℃；

打开所述套管的顶部开口；

利用所述冷媒液循环系统，通过所述保温油管的顶部开口向所述保温油管内以0.5-3.0m³/min的排量注入降温后的冷媒液；

所述冷媒液将冷能传导至所述孔眼中的相变液，所述相变液接收所述冷能后达到相变温度并发生体积膨胀，使所述孔眼周围的煤储层产生裂缝；

传导冷能后的冷媒液经过所述套管与所述保温油管之间的环形空隙排出至所述煤层气井外的所述冷媒液循环系统中进行回收；

当所述温度压力计显示井底温度不再降低时，停止注入冷媒液。

进一步地，所述步骤六：再次向所述保温油管内注入定量隔离液，

若所述温度压力计显示井底压力大于等于煤储层的破裂压力，则重复所述步骤三至所述步骤六，继续对所述套管外的煤储层相变改造；

若所述温度压力计显示井底压力低于煤储层的破裂压力，则所述套管外的煤储层相变改造结束，具体包括：

关闭所述套管的顶部开口；

通过所述改造液注入系统向所述保温油管内以0.5-3.0m³/min的排量注入定量隔离液，

若所述温度压力计显示井底压力大于等于煤储层的破裂压力，则继续对所述套管外的煤储层进行相变改造，

重复所述步骤三至所述步骤六，

若所述温度压力计显示井底压力低于所述煤储层的破裂压力，则打开所述套管的顶部开口，

静待至所述温度压力计显示井底温度恢复且高于所述相变液的相变温度时，所述套管外的煤储层相变改造结束。

作为优选，所述冷媒液为饱和盐水，所述相变液为清水，所述隔离液为煤油。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明通过向煤储层中的孔眼内依次注入隔离液、相变液、隔离液和冷媒液，使冷媒液将冷能传导至相变液，使之发生相变，体积膨胀，从而使得孔眼周围的煤储层在低温以及相变液产生的膨胀应力下形成网状的裂缝，网状的裂缝分支较多，增加了煤层气的开采通道，较利于煤储层中吸附的煤层气的开采；而且，该方法使煤储层从孔眼处扩张从而产生裂缝，并不承受外在物体的冲刷，因此减少了煤岩产生的煤粉，从而避免了裂缝的堵塞，使得本发明形成的裂缝的导流能力较强，利于煤储层相变改造后的排采工作，提高了煤层气开采效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的煤储层相变改造方法流程图；

图2是本发明又一实施例提供的煤层气井内套管、保温油管和温度压力计的安装示意图；

图3是本发明又一实施例提供的地面冷交换注入系统的总体结构示意图；

图4是本发明又一实施例提供的超低温冷源循环系统的结构示意图；

图5是本发明又一实施例提供的冷媒液循环系统的结构示意图；

图6是本发明又一实施例提供的改造液注入系统的结构示意图；

其中：1超低温冷源循环系统，2冷交换装置，3冷媒液循环系统，4改造液注入系统，5井口，6冷源罐，7第一计量注入设备，8第一单流阀，9冷源三通阀，10蒸发器，11第二计量注入设备，12冷凝器，13压缩机，14压力计，15温度计，16冷源通道，17冷媒液通道，18截流控制阀，19第一冷媒液罐，20第二单流阀，21冷媒液三通阀，22第三计量注入设备，23第二冷媒液罐，24第四计量注入设备，25第三单流阀，26第一井口油管闸门，27井口套管闸门，28第四单流阀，29冷媒液返排罐，30第二井口油管闸门，31隔离液罐，32第五计量注入设备，33第五单流阀，34改造液三通阀，35相变液罐，36第六计量注入设备，37第六单流阀，38套管，39保温油管，40煤储层，41孔眼，42温度压力计。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

一方面，如图3所示，本发明实施例提供了一种地面冷交换注入系统，设置在地面上，所述地面冷交换注入系统包括：用于输送冷源的超低温冷源循环系统1、冷交换装置2、用于输送冷媒液的冷媒液循环系统3、用于输送相变液和隔离液的改造液注入系统4，所述超低温冷源循环系统1与所述冷交换装置2连接，所述冷媒液循环系统3、所述冷交换装置2与井口5内的油管顺次连接，所述油管还与所述改造液注入系统4连接，且所述油管外的套管38与所述冷媒液循环系统3连接；

所述超低温冷源循环系统1通过所述冷交换装置2，将所述冷源的冷能传递至所述冷媒液循环系统3输送来的所述冷媒液，获得冷能的所述冷媒液经所述油管进入煤储层，由所述改造液注入系统4输送至所述煤储层的相变液接收所述冷能，并对所述煤储层进行相变改造，所述冷媒液从所述油管外的套管38流入所述冷媒液循环系统3。

其中，用于输送冷源的超低温冷源循环系统1、冷交换装置2、用于输送冷媒液的冷媒液循环系统3和用于输送相变液和隔离液的改造液注入系统4组合构成本发明；其中，超低温冷源循环系统1与冷交换装置2首尾互相连接形成回路，实现冷源的循环利用，冷媒液循环系统3依次连接冷交换装置2和井口5，井口5再连接冷媒液循环系统3形成回路，实现冷媒液的冷却、注入和回收，井口5还连接有改造液注入系统4，实现改造液的注入；

冷媒液循环系统3与超低温冷源循环系统1通过冷交换装置2进行换热循环，即，将超低温的冷源与冷媒液同时注入冷交换装置2中进行冷交换，冷媒液吸收冷源的冷量后流出冷交换装置2再注入井内油管，可以实现在施工现场进行冷媒液的冷却，不用罐车大量运送和保温，节约了运送的时间和费用，降低了很大成本，而且，低温冷媒液的现产现用，完全能够直接供应上施工需求，且使冷媒液在下井之前都一直保持施工需要的温度，而不用担心运输当中的冷量损失；

在进行冷交换之后，冷源流回超低温冷源循环系统1中进行回收再冷却，然后随着新的冷源一起注入冷交换装置2再次与冷媒液进行冷交换，这样实现冷源循环使用，不用总是从仓库中运来现场换热后再运回去降温，所以也省去了一系列的运输时间和费用，而且还节约了生产成本；

低温的冷媒液用过之后温度升高，可通过井口5内的套管38排出，并流回冷媒液循环系统3进行回收再利用，节约了成本；改造液注入系统4可以给相变液、隔离液或者其它的井内所需介质的注入提供注入的装置，不但可以满足超低温地面冷交换的需求，还可以同时在系统中增加多个分支，使整个地面冷交换注入系统更加完整，实现多种介质的注入；另外，这样同时将上述几个系统进行综合利用，不但解决了运输的问题，而且提供这样一种全新且全面的地面冷交换注入系统，可以满足煤储层超低温相变改造的地面注入需求，也实现其它多种不同的煤储层改造方法的应用，非常符合实际需要。

如图4所示，也可参见图5，进一步地，所述冷交换装置2包括：冷源通道16和冷媒液通道17，所述超低温冷源循环系统1与所述冷源通道16连接，所述冷媒液循环系统3与所述冷媒液通道17连接，所述冷源的冷能通过所述冷源通道16传递至所述冷媒液通道17中的冷媒液。

其中，冷交换装置2是将一种流体的冷量传给另一种流体的装置，即热量的反向传递，其分为混合式和表面式两种。混合式冷交换装置中的传热过程是通过热流体与冷流体的直接混合，表面式冷交换装置中热量由一种流体通过固体壁传给另一种流体，即冷量从冷流体传给热流体。本发明优选表面式冷交换装置2，其内部包含两条通道：冷源通道16和冷媒液通道17，冷源通道16与超低温冷源循环系统1连接，冷媒液通道17与冷媒液循环系统3连接，超低温冷源与冷媒液各自从冷源通道16和冷媒液通道17注入冷交换装置2中，超低温冷源将冷媒液的热量吸收，即传递冷能给冷媒液，然后又各自从通道的出口流出，超低温冷源在超低温冷源循环系统1进行回收和再降温，冷媒液换热后成为低温冷媒液，就可以注入井中进行煤储层的超低温改造作业了。

如图4所示，进一步地，所述超低温冷源循环系统1包括：顺次连接的冷源罐6、第一计量注入设备7、第一单流阀8、冷源三通阀9、蒸发器10、第二计量注入设备11、所述冷源通道16、冷凝器12和压缩机13，所述压缩机13还与所述冷源三通阀9连接。

其中，冷源罐6的出口与第一计量注入设备7的入口连接，第一计量注入设备7的出口连接第一单流阀8的入口，第一单流阀8的出口通过冷源三通阀9分别与蒸发器10的入口、压缩机13的出口相连接，蒸发器10的出口与第二计量注入设备11的入口相连接，第二计量注入设备11的出口与冷交换装置2的冷源通道16入口连接，冷交换装置2的冷源通道16出口与冷凝器12的入口相连接，冷凝器12的出口与压缩机13的入口相连接，压缩机13的出口与冷源三通阀9相连，形成回路；

除了上述元件外，超低温冷源循环系统1还包括多个截流控制阀18，每个截流控制阀18有两个端口，其中，冷源罐6与第一计量注入设备7之间、蒸发器10与第二计量注入设备11之间、第二计量注入设备11与冷交换装置2的冷源通道16之间的管线上均分别设置有一个截流控制阀18，其两端的元件通过管线和截流控制阀18连通，而且，冷交换装置2的冷源通道16与冷凝器12之间设置有两个截流控制阀18，将冷源通道16与冷凝器12连通；

本系统当中元件之间的连接用的管线均选用耐低温管线，其连接方式为由壬连接。

其中，冷源罐6用于储存超低温冷源；截流控制阀18用于控制管线的开闭；计量注入设备相当于泵，给超低温冷源的输送提供动力；蒸发器10是备用给超低温冷源的再次降温的，以防超低温冷源在管线当中输送时可能出现的冷量不足；冷凝器12和压缩机13配合使用，用于对进行冷交换后的超低温冷源的回收和冷却降温，使其能够达到温度要求，重复利用。

如图5所示，进一步地，所述冷媒液循环系统3包括顺次连接的第一冷媒液罐19、第二单流阀20、冷媒液三通阀21、第三计量注入设备22、所述冷媒液通道17、第二冷媒液罐23、第四计量注入设备24和第三单流阀25，所述第三单流阀25与所述井口5内的油管连接，所述冷媒液循环系统3还包括连接的第四单流阀28和冷媒液返排罐29，所述第四单流阀28还与所述油管外的套管38连接，所述冷媒液返排罐29还与所述冷媒液三通阀21连接。

其中，第一冷媒液罐19的出口与第二单流阀20的入口连接，第二单流阀20的出口通过冷媒液三通阀21分别与第三计量注入设备22的入口、冷媒液返排罐29的出口相连接，第三计量注入设备22的出口与冷交换装置2的冷媒液通道17入口相连接，冷媒液通道17的出口与第二冷媒液罐23的入口相连接，第二冷媒液罐23的出口与第四计量注入设备24入口连接，第四计量注入设备24与第三单流阀25入口连接，第三单流阀25的出口通过第一井口油管闸门26连接至井内的油管，该油管外设置有套管38，套管38上在井口5位置设置有井口套管闸门27，其出口与第四单流阀28入口连接，第四单流阀28出口与冷媒液返排罐29的入口连接，冷媒液返排罐29的出口与冷媒液三通阀21相连接；

除了上述元件外，冷媒液循环系统3还包括多个截流控制阀18，每个截流控制阀18有两个端口，组成冷媒液循环系统3，其中，第一冷媒液罐19与第二单流阀20之间、第三计量注入设备22与冷媒液通道17之间、第二冷媒液罐23与第四计量注入设备24之间、第四单流阀28与冷媒液返排罐29之间、冷媒液返排罐29与冷媒液三通阀21之间的管线上均分别设置有一个截流控制阀18，其两端的元件通过管线和截流控制阀18连通，

而且，冷媒液通道17的出口与第二冷媒液罐23之间设置有两个截流控制阀18，控制二者之间的管线通闭；而且，第三单流阀25通过管线通入井口5，该处的管线上设置有第一井口油管闸门26，和上述的井口套管闸门27一样，两个闸门都是截流控制阀18；

其中，第一冷媒液罐19用于储存换热冷却前的冷媒液，第二冷媒液罐23用于存放换热冷却后的低温冷媒液，冷媒液返排罐29用于存放从井内进行煤储层改造作业后排出的冷媒液；本系统当中各元件之间的连接用的管线均选用耐低温管线，其连接方式为由壬连接。

如图6所示，进一步地，所述改造液注入系统4包括顺次连接的隔离液罐31、第五计量注入设备32、第五单流阀33和改造液三通阀34，所述改造液三通阀34还与所述井口5内的油管连接，所述改造液注入系统4还包括顺次连接的相变液罐35、第六计量注入设备36、第六单流阀37，所述第六单流阀37还与所述改造液三通阀34连接。

其中，除了上述各元件，本系统当中还包括多个截流控制阀18，其两端分别连接一个元件；隔离液罐31的出口通过截流控制阀18连接第五计量注入设备32的入口，第五计量注入设备32的出口连接第五单流阀33的入口，第五单流阀33的出口通过截流控制阀18与改造液三通阀34相连接，该改造液三通阀34还分别与第六单流阀37的出口、第二井口油管闸门30连接，第二井口油管闸门30连接在井口5的油管上；相变液罐35的出口通过一个截流控制阀18与第六计量注入设备36的入口连接，第六计量注入设备36的出口连接第六单流阀37的入口，第六单流阀37的出口与改造液三通阀34之间连接有截流控制阀18；第二井口油管闸门30使用的也是截流控制阀18；各元件之间的连接管线选用耐低温管线，其连接方式为由壬连接。

如图4所示，也可参见图5和图6，进一步地，所述地面冷交换注入系统还包括压力计14和温度计15，所述第一计量注入设备7与所述第一单流阀8之间、所述第二计量注入设备11与所述冷源通道16之间、所述压缩机13与所述冷源三通阀9之间、所述第三计量注入设备22与所述冷媒液通道17之间、所述第三单流阀25与所述油管之间、所述第四单流阀28与所述冷媒液返排罐29之间、所述改造液三通阀34与所述油管之间均设置有所述压力计14和所述温度计15；所述冷媒液通道17与第二冷媒液罐23之间设置有温度计15。

其中，各位置的压力计14和温度计15的作用都是即时测试该位置的管线的内部温度和压力，通过这些数据的收集，可以及时调整各计量注入设备的输出液体的排量，以控制输入到井里的液体的压力，综合实际需求，可以将各液体的最优排量选择为0.5～3.0m3/min。

另一方面，如图1所示，本发明实施例提供了一种煤储层相变改造方法，所述方法包括：

步骤一：向煤层气井内下入套管38，对煤储层40进行射孔，向所述套管38内下入保温油管39和温度压力计42，所述套管38与所述保温油管39之间设有环形空隙，该过程可称之为“井筒准备”；

其中，套管38、保温油管39二者的直径和下入深度由钻井深度、煤层厚度、煤层质量等情况而决定，因此可根据实际情况灵活选定，其中，套管38直径可选为139.7m，下入深度可选为690m，保温油管39直径可选为73-88.9m，下入深度可选665m，煤储层40射孔的位置的深度可选为650-656m；

温度压力计42通过丝扣连接在保温油管39的底部，与保温油管39一起深入至煤层气井内的套管38中，保温油管39的底部低于煤储层40中射孔的位置的最底端，且距离优选5-25m，使温度压力计42能够靠近煤储层40中射孔的位置，从而进行实时测量井底的温度和压力，温度压力计42优选温度测量范围为-50℃-100℃、压力测量范围为0-70Mpa的直读存储式电子温度压力计；在煤储层40射孔的位置的附近，可设置多个温度压力计42，每个温度压力计42均由耐低温电缆连接至煤层气井外，便于工作人员直接在地面采集井底的温度和压力值；

保温油管39靠近井口5的位置设有顶部开口，保温油管39通过该顶部开口与地面冷交换系统中的第一井口油管闸门26、第二井口油管闸门30均连通，而且，第一井口油管闸门26用于控制保温油管39与冷媒液循环系统3中的第二冷媒液罐23之间的连通，第二井口油管闸门30用于控制保温油管39与改造液注入系统4之间的连通；

套管38靠近井口5的位置也设有顶部开口，并且通过井口套管闸门27来控制套管38与保温油管39之间的环形空隙的开闭，同时，套管38通过该井口套管闸门27从而与冷媒液循环系统3中的冷媒液返排罐29连通。

步骤二：利用地面冷交换注入系统，向所述保温油管39内注入定量隔离液；

步骤三：利用地面冷交换注入系统，向所述保温油管39内注入定量相变液；

步骤四：继续向所述保温油管39内注入定量隔离液；

其中，地面冷交换注入系统中的改造液注入系统4，通过第二井口油管闸门30向保温油管39内依次注入一定量的隔离液、相变液和隔离液，此时，隔离液的作用是使相变液与煤储层40之间不直接发生接触，从而避免相变液与煤储层40发生化学反应而对煤储层40造成破坏，隔离液和相变液的注入量均可根据实际情况灵活设定。

步骤五：通过所述地面冷交换注入系统，对冷媒液进行降温，并将降温后的所述冷媒液注入所述保温油管39内，所述冷媒液将冷能传导至所述相变液，使所述相变液达到相变温度并发生体积膨胀，当所述温度压力计42显示井底温度不再降低时，停止所述冷媒液的注入；

其中，在冷媒液与相变液之间注入的隔离液的作用是防止冷媒液与相变液之间发生化学反应或离子交换，避免了冷媒液与相变液之间的互相影响而降低作用效果；

通过地面冷交换注入系统中的冷媒液循环系统3和超低温冷源循环系统1分别将冷媒液、低温的冷源输入至冷交换装置2中，使冷媒液在冷交换装置2中吸取低温的冷源的冷能，从而使冷媒液的温度降低至施工所需的温度，并储存至第二冷媒液罐23中备用；

冷媒液循环系统3将储存在第二冷媒液罐23中的降温后的冷媒液，通过第一井口油管闸门26注入至保温油管39中，从而进入井底的煤储层40中的各个孔眼41内，冷媒液与相变液之间发生冷能传递，使相变液达到相变温度而发生体积膨胀，膨胀的体积压迫到各个孔眼41周围的煤储层40，使之产生裂缝；

当井底温度不再下降时，停止冷媒液的注入。

步骤六：再次向所述保温油管39内注入定量隔离液，

若所述温度压力计42显示井底压力上升至高于或等于煤储层40的破裂压力，则说明所述套管38外的煤储层相变改造不完全，重复所述步骤三至所述步骤六，继续对所述套管38外的煤储层进行相变改造，

若所述温度压力计42显示井底压力始终低于煤储层40的破裂压力，则说明所述套管38外的煤储层40相变改造完全，静待一段时间，当所述温度压力计42显示井底温度恢复至高于所述相变液的相变温度时，煤储层40相变改造结束。

其中，冷媒液与相变液发生冷交换之后，井底温度不再降低时，再等待一段时间，使相变液充分相变后，再注入定量的隔离液，并依据上述条件判断井底套管38外的煤储层40是否相变改造完全，若该煤储层40可继续造缝，则重复步骤三至步骤六，若该煤储层40已经不能再继续造缝，则停止所有介质的注入，该过程可称之为“试井”，目的在于使套管38外的煤储层40得到最大程度的造缝改造，当结果显示该煤储层40已达到改造的极限时，即井下压力在注入隔离液之后始终保持在煤储层破裂压力以下，则停止一切介质的注入，静待一段时间，当温度压力计42显示井底温度恢复至高于相变液的相变温度时，结束施工。

本发明通过向煤储层40中射孔，并向孔眼41内依次注入隔离液、相变液、隔离液和冷媒液，使冷媒液将冷能传导至相变液，使之发生相变，体积膨胀，从而使得孔眼41周围的煤储层40在低温以及相变液产生的膨胀应力下形成网状的裂缝，网状的裂缝分支较多，增加了煤层气的开采通道，较利于煤储层40中吸附的煤层气的开采；而且，该方法使煤储层40从孔眼41处扩张从而产生裂缝，并不承受外在物体的冲刷，因此减少了煤岩产生的煤粉，从而避免了裂缝的堵塞，使得本发明形成的裂缝的导流能力较强，利于煤储层40相变改造后的排采工作，提高了煤层气开采效率。

如图1所示，也可参见图2，进一步地，所述步骤一中，对煤储层40进行射孔，具体包括：

在所述套管38、所述套管38外的所述煤储层40中射出多个直径为9-11mm的孔眼41，多个所述孔眼41的排列密度为10-16个/m，每个所述孔眼41的相位角相等且均为60°-90°。

其中，多个孔眼41深入到煤储层40中，并与套管38上的孔隙一一对正，使得相变液能够通过进入每个孔眼41内而深入至煤储层40中，当孔眼41内的相变液发生相变，即体积膨胀时，能够对孔眼41周围的煤储层40造成压迫，从而使该位置的煤储层40产生裂缝；孔眼41的相位角优选60°，排列密度优选16个/m，直径优选10mm。

如图1所示，进一步地，所述步骤二：利用地面冷交换注入系统，向所述保温油管39内注入定量隔离液，具体包括：

打开所述保温油管39的顶部开口和所述套管38的顶部开口；

即，通过打开保温油管39的顶部开口连接的第二井口油管闸门30，从而接通保温油管39与改造液注入系统4，通过打开与套管38的顶部开口连接的井口套管闸门27以及套管38到冷媒液返排罐29之间的截流控制阀18和井口套管38闸门27，从而将套管38与保温油管39之间的环形空隙、冷媒液返排罐29二者连通。

利用所述地面冷交换注入系统中的改造液注入系统4，通过所述保温油管39的顶部开口向所述保温油管39内以0.5-3.0m³/min的排量注入隔离液，所述隔离液经过所述保温油管39的底部开口进入所述保温油管39与所述套管38之间的环形空隙中；

其中，隔离液依次通过隔离液罐31、第五计量注入设备32、第五单流阀33、改造液三通阀34、第二井口油管闸门30注入至保温油管39内，第五计量注入设备32控制隔离液的排量为0.5～3.0m³/min，优选1.0-2.0m³/min，注入压力小于煤层的破裂压力，一般选取小于21Mpa的注入压力；

当所述保温油管39与所述套管38之间的环形空隙内的隔离液的液面位置高于所述煤储层40中的多个所述孔眼41的最高位置时，关闭所述套管38的顶部开口，即井口套管闸门27，使套管38与保温油管39之间的环形空隙关闭；

所述改造液注入系统4继续通过所述保温油管39的顶部开口向所述保温油管39内以0.5-3.0m³/min的排量注入定量的隔离液，促使所述隔离液经过所述孔眼41进入所述煤储层40。

优选以1.5m³/min的排量，小于21Mpa的注入压力继续向保温油管39中注入隔离液，将套管38与保温油管39之间的环形空隙关闭，就能够迫使继续注入的隔离液进入煤储层40中的各孔眼41内。

如图1所示，进一步地，所述步骤三：利用地面冷交换注入系统，向所述保温油管39内注入定量相变液，具体包括：

通过所述改造液注入系统向所述保温油管39内以0.5-3.0m³/min的排量注入定量的相变液，并使所述相变液经过所述孔眼41进入所述煤储层40。其中，相变液依次通过相变液罐35、第六计量注入设备36、第六单流阀37、改造液三通阀34、第二井口油管闸门30注入至保温油管39内，第六计量注入设备37控制相变液的排量为0.5～3.0m³/min，优选1.5m³/min，注入压力小于21Mpa；孔眼41中的隔离液位于相变液与煤储层40之间，防止相变液与煤储层40之间发生化学反应对煤储层40造成破坏。

如图1所示，进一步地，所述步骤四：继续向所述保温油管39内注入定量隔离液，具体包括：

通过所述改造液注入系统4向所述保温油管39内以0.5-3.0m³/min的排量注入定量的隔离液，并使所述隔离液经过所述孔眼41进入所述煤储层40。

同理地，隔离液依次通过隔离液罐31、第五计量注入设备32、第五单流阀33、改造液三通阀34、第二井口油管闸门30注入至保温油管39内，第五计量注入设备32控制隔离液的排量为0.5～3.0m³/min，优选1.5m³/min，注入压力小于21Mpa，此次注入孔眼41内的隔离液位于相变液与冷媒液之间，防止相变液与冷媒液之间发生化学反应而影响使用效果。

如图1所示，进一步地，所述步骤五：通过地面冷交换注入系统，对冷媒液进行降温，并将降温后的所述冷媒液注入所述保温油管39内，所述冷媒液将冷能传导至所述相变液，使所述相变液达到相变温度并发生体积膨胀，当所述温度压力计42显示井底温度不再降低时，停止所述冷媒液的注入，具体包括：

在所述地面冷交换注入系统中，通过超低温冷源循环系统1向冷交换装置2输送冷源，并通过冷媒液循环系统3向所述冷交换装置2输送冷媒液，在所述冷交换装置2中，所述冷源将冷能传导至所述冷媒液，使所述冷媒液的温度降至-10℃至-50℃；

其中，打开超低温冷源循环系统1中的所有截流控制阀18，循环超低温冷源，打开第一冷媒液罐19到冷交换装置2再到第二冷媒液罐23这一段线路上的截流控制阀18，其它所有截流控制阀18关闭，将超低温冷源和冷媒液分别注入冷交换装置2的冷源通道16和冷媒液通道17中，利用冷交换装置2对超低温冷源和冷媒液进行冷交换，将冷媒液温度降至-10℃至-50℃，优选-20～-40℃,并输送至第二冷媒液罐23中储存。

打开所述套管的顶部开口，即井口套管闸门27，使套管38与保温油管39之间的环形空隙与冷媒液返排罐29连通；

利用所述冷媒液循环系统，通过所述保温油管39的顶部开口向所述保温油管39内以0.5-3.0m³/min的排量注入降温后的冷媒液；

其中，将冷媒液注入井内的保温油管39中，先打开保温油管39的顶部开口，即，依次打开第二冷媒液罐23到井口5之间的截流控制阀18和第一井口油管闸门26，同时也打开冷媒液循环系统3当中所有其它的截流控制阀18和井口套管闸门27，冷媒液从第二冷媒液罐23通过第四计量注入设备24控制排量为0.5～3.0m³/min，优选1.0m³/min，注入到井内的保温油管39中；

所述冷媒液将冷能传导至所述孔眼41中的相变液，所述相变液接收所述冷能后达到相变温度并发生体积膨胀，使所述孔眼41周围的煤储层40产生裂缝；

冷媒液的作用是将自身携带的冷能传递给相变液，使孔眼41中的相变液发生相变，体积膨胀，从而迫使孔眼41周围的煤储层40产生裂缝，为煤层气的开采提供采气的通道。

传导冷能后的冷媒液经过所述套管38与所述保温油管39之间的环形空隙排出至所述煤层气井外的所述冷媒液循环系统3中进行回收；

其中，传导冷能后的冷媒液从套管38与保温油管39之间的环形空隙中，经井口套管闸门27排向冷媒液返排罐29，然后通过冷媒液三通阀21流向冷交换装置2中，重新进行冷交换，回收利用。

当所述温度压力计42显示井底温度不再降低时，停止注入冷媒液。

如图1所示，进一步地，所述步骤六：再次向所述保温油管39内注入定量隔离液，

若所述温度压力计42显示井底压力上升至高于或等于煤储层40的破裂压力，则重复所述步骤三至所述步骤六，继续对所述套管38外的煤储层40进行相变改造，

若所述温度压力计42显示井底压力始终低于煤储层40的破裂压力，则煤储层40相变改造结束，具体包括：

关闭所述套管38的顶部开口；

通过所述改造液注入系统4向所述保温油管39内以0.5-3.0m³/min的排量注入定量隔离液，该隔离液的量可根据实际当中煤层气井的需要而定。

若所述温度压力计42显示井底压力上升至高于或等于煤储层40的破裂压力，则说明所述套管38外的煤储层40相变改造不完全，

重复所述步骤三至所述步骤六，即重复依次注入相变液、隔离液、冷媒液和隔离液的过程，使井底的套管38周围的煤储层40得到最大限度的造缝改造，

若所述温度压力计42显示井底压力始终低于所述煤储层40的破裂压力，则所述套管38外的煤储层40已经达到了相变改造产生裂缝的极限，

此时，打开所述套管38的顶部开口，井底的温度慢慢上升，压力慢慢下降，

静待至所述温度压力计42显示井底温度恢复，且高于所述相变液的相变温度时，煤储层40相变改造结束。

作为优选，所述冷媒液为饱和盐水，所述相变液为清水，所述隔离液为煤油。

其中，冷源是用于保存冷能量的，可采用液氮、液态CO2、低温氮气，或直接由低温压缩机13组制冷；相变液吸收冷能量后可产生相态变化，即体积膨胀，利用其结冰膨胀对煤储层40造缝进行改造，优选清水或低浓度盐水，也可采用其他低浓度易受低温而相变的液体；冷媒液用于携带低温的冷源的冷能量，并传递至相变液，使其吸收冷能后相变，从而对煤储层40进行改造，优选饱和盐水；隔离液用于隔离各流体或固体，使冷媒液与相变液、煤储层40与相变液不发生相互化学反应和离子交换，而且，其本身也不会与各流体和固体发生反应，优选煤油。

实施例二

本发明又一实施例提供了一种煤储层相变改造方法，包括：

煤层气井钻井深度为690m，煤层埋深650-656m，煤层厚度为6m,煤层的温度为30℃，煤层顶板为8.5m的砂质泥岩,煤层底板为6.7m的粉砂岩,煤层破裂压为21MPa；采用液氮作为低温的冷源，浓度为28％的氯化钙溶液作为冷媒液，清水作为相变液，煤油作为隔离液，

步骤一，井筒准备：向煤层气井中下入直径为139.7mm套管38，然后对深度为650-656m的煤储层40进行射孔，所射出的孔眼41的相位角为60°，直径为10mm，排列密度为16个/m；向套管38内下入直径为88.9mm的保温油管39，保温油管39的下入深度为665m，同时，保温油管39的底部安装温度压力计42，该温度压力计42的测量温度范围为-50-100℃，测量压力范围为0-70MPa；保温油管39底部与温度压力计42之间用丝扣连接,用耐低温电缆将温度压力计42连通至地面，用于采集井底温度和压力值。

步骤二，地面准备：将地面冷交换注入系统在靠近井口5的位置摆放好，用浓度为28％的氯化钙溶液以35MPa的注入压力、-40℃的温度对冷媒液循环系统3进行试压和试温；用清水和煤油以压力为35MPa对改造液注入系统4进行试压；调试显示各设备均合格后开始进行煤层气井内的施工。

步骤三，地面冷交换：启动地面冷交换注入系统的冷媒液循环系统3、超低温冷源循环系统1和冷交换装置2，进行冷媒液冷却流程，即，将浓度为28％的氯化钙溶液，即冷媒液，在冷交换装置2内冷却至温度为-30--35℃。

步骤四，启动地面冷交换注入系统的改造液注入系统4，向保温油管39中注入隔离液：打开第二井口油管闸门30和井口套管闸门27，将煤油，即隔离液依次通过隔离液罐31、第五计量注入设备32、第五单流阀33、改造液三通阀34、第二井口油管闸门30注入至保温油管39内，第五计量注入设备32控制煤油的排量为1.0～2.0m³/min，注入压力小于21Mpa，当保温油管39与套管38之间的环形空隙内的煤油的液面位置高于煤储层40中的多个所述孔眼41的最高位置时，关闭套管38的顶部开口。

步骤五，继续以小于21MPa的注入压力，1.5m³/min的排量将煤油经第二井口油管闸门30注入至井内的保温油管39内，迫使煤油经孔眼41进入煤储层40内。

步骤六，向保温油管39中注入相变液：停止煤油的注入，以小于21MPa的注入压力，1.5m³/min的排量将清水，即相变液，通过第二井口油管闸门30和保温油管39注入煤储层40的孔眼41内。

步骤七，二次注入隔离液：重复本实施例中的步骤五。

步骤八，冷媒液循环，冷却煤层：停止煤油，即隔离液的注入，打开井口套管闸门27，启动冷媒液循环系统3,以1m³/min的排量将-30--35℃的浓度为28％的氯化钙溶液，即冷媒液，通过第一井口油管闸门26注入井内的保温油管39中，对井内的煤储层40进行降温，同时冷媒液与相变液之间发生冷交换，使各个孔眼41内的相变液发生相变，体积膨胀，压迫孔眼41周围的煤储层40，使之产生裂缝。冷交换后的冷媒液沿保温油管39与套管38之间的环形空隙返排出煤层气井外，再进入冷媒液循环系统3中制冷后回收利用。

步骤九，当温度压力计42监测井底温度不再下降时，重复本实施例中的步骤五到步骤八，反复多次对煤储层40进行相变改造，增加孔眼41周围的煤储层40产生的裂缝，扩大煤储层40相变改造的范围；

步骤十：关闭井口套管闸门27，再次向保温油管39中以压力22MPa、排量1.2～1.5m³/min注入煤油，即隔离液，并通过井底温度压力计42监测井底的压力变化，当井底压力上升至高于或等于21MPa时，说明井底的套管38周围的煤储层40仍能够继续产生裂缝，则重复本实施例中的步骤四至步骤十，而当井底压力始终小于21MPa时，则停止煤油的注入。

步骤十一，改造后温度恢复：打开井口套管38闸门，以1.2-1.5m³/min的排量向煤储层40中挤入煤油，并通过温度压力计42监测井底温度和压力的变化，当井底温度恢复至0℃时，停止煤油的注入，完成施工。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种煤储层相变改造方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一：向煤层气井内下入套管，对煤储层进行射孔，向所述套管内下入保温油管和温度压力计，所述套管与所述保温油管之间设有环形空隙；

步骤二：利用地面冷交换注入系统，向所述保温油管内注入定量隔离液；

步骤三：利用地面冷交换注入系统，向所述保温油管内注入定量相变液；

步骤四：继续向所述保温油管内注入定量隔离液；

步骤五：通过所述地面冷交换注入系统，对冷媒液进行降温，并将降温后的所述冷媒液注入所述保温油管内，所述冷媒液将冷能传导至所述相变液，使所述相变液达到相变温度并发生体积膨胀，当所述温度压力计显示井底温度不再降低时，停止所述冷媒液的注入；

步骤六：再次向所述保温油管内注入定量隔离液，

若所述温度压力计显示井底压力大于等于煤储层的破裂压力，则重复所述步骤三至所述步骤六，继续对所述套管外的煤储层相变改造；

若所述温度压力计显示井底压力低于煤储层的破裂压力，则所述套管外的煤储层相变改造结束。

2.根据权利要求1所述的煤储层相变改造方法，其特征在于，所述步骤一中，对煤储层进行射孔，具体包括：

在所述套管、所述套管外的所述煤储层中射出多个直径为9-11mm的孔眼，多个所述孔眼的排列密度为10-16个/m，每个所述孔眼的相位角相等且均为60°-90°。

3.根据权利要求2所述的煤储层相变改造方法，其特征在于，所述步骤二：利用地面冷交换注入系统，向所述保温油管内注入定量隔离液，具体包括：

打开所述保温油管的顶部开口和所述套管的顶部开口；

利用所述地面冷交换注入系统中的改造液注入系统，通过所述保温油管的顶部开口向所述保温油管内以0.5-3.0m³/min的排量注入隔离液，所述隔离液经过所述保温油管的底部开口进入所述保温油管与所述套管之间的环形空隙中；

当所述保温油管与所述套管之间的环形空隙内的隔离液的液面位置高于所述煤储层中的多个所述孔眼的最高位置时，关闭所述套管的顶部开口；

所述改造液注入系统继续通过所述保温油管的顶部开口向所述保温油管内以0.5-3.0m³/min的排量注入定量的隔离液，促使所述隔离液经过所述孔眼进入所述煤储层。

4.根据权利要求3所述的煤储层相变改造方法，其特征在于，所述步骤三：利用地面冷交换注入系统，向所述保温油管内注入定量相变液，具体包括：

通过所述改造液注入系统向所述保温油管内以0.5-3.0m³/min的排量注入定量的相变液，并使所述相变液经过所述孔眼进入所述煤储层。

5.根据权利要求4所述的煤储层相变改造方法，其特征在于，所述步骤四：继续向所述保温油管内注入定量隔离液，具体包括：

通过所述改造液注入系统向所述保温油管内以0.5-3.0m³/min的排量注入定量的隔离液，并使所述隔离液经过所述孔眼进入所述煤储层。

6.根据权利要求5所述的煤储层相变改造方法，其特征在于，所述步骤五：通过地面冷交换注入系统，对冷媒液进行降温，并将降温后的所述冷媒液注入所述保温油管内，所述冷媒液将冷能传导至所述相变液，使所述相变液达到相变温度并发生体积膨胀，当所述温度压力计显示井底温度不再降低时，停止所述冷媒液的注入，具体包括：

在所述地面冷交换注入系统中，通过超低温冷源循环系统向冷交换装置输送冷源，并通过冷媒液循环系统向所述冷交换装置输送冷媒液，在所述冷交换装置中，所述冷源将冷能传导至所述冷媒液，使所述冷媒液的温度降至-10℃至-50℃；

打开所述套管的顶部开口；

利用所述冷媒液循环系统，通过所述保温油管的顶部开口向所述保温油管内以0.5-3.0m³/min的排量注入降温后的冷媒液；

所述冷媒液将冷能传导至所述孔眼中的相变液，所述相变液接收所述冷能后达到相变温度并发生体积膨胀，使所述孔眼周围的煤储层产生裂缝；

传导冷能后的冷媒液经过所述套管与所述保温油管之间的环形空隙排出至所述煤层气井外的所述冷媒液循环系统中进行回收；

当所述温度压力计显示井底温度不再降低时，停止注入冷媒液。

7.根据权利要求6所述的煤储层相变改造方法，其特征在于，所述步骤六：再次向所述保温油管内注入定量隔离液，

若所述温度压力计显示井底压力大于等于煤储层的破裂压力，则重复所述步骤三至所述步骤六，继续对所述套管外的煤储层相变改造；

若所述温度压力计显示井底压力低于煤储层的破裂压力，则所述套管外的煤储层相变改造结束，具体包括：

关闭所述套管的顶部开口；

通过所述改造液注入系统向所述保温油管内以0.5-3.0m³/min的排量注入定量隔离液，

若所述温度压力计显示井底压力大于等于煤储层的破裂压力，则继续对所述套管外的煤储层进行相变改造，

重复所述步骤三至所述步骤六，

若所述温度压力计显示井底压力低于所述煤储层的破裂压力，则打开所述套管的顶部开口，

静待至所述温度压力计显示井底温度恢复且高于所述相变液的相变温度时，所述套管外的煤储层相变改造结束。

8.根据权利要求1-7任一项所述的煤储层相变改造方法，其特征在于，所述冷媒液为饱和盐水，所述相变液为清水，所述隔离液为煤油。