CN109707360B - 一种用于油气增产的高压氮气-低温液氮复合致裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于油气增产的高压氮气‑低温液氮复合致裂方法，采用高压氮气压裂地层岩石，形成大尺度的人工裂缝，然后向主裂缝内注入超低温液氮，利用液氮的超低温特性辅助致裂主裂缝壁面上的岩石，使之产生与主裂缝相互垂直的二次裂缝，提高主裂缝的自支撑能力和储层破裂程度，防止压后主裂缝的闭合，从而实现储层的高效开发。本发明在整个压裂过程中，高温高压氮气和低温液氮多次交替注入，克服了常规压裂中储层主要产生单一主裂缝的弊端，有助于在储层内部形成大体积的网络裂缝，有效提高了油气储层的压裂增产效果。

Description

一种用于油气增产的高压氮气-低温液氮复合致裂方法

技术领域

本发明涉及一种无水压裂方法，具体涉及一种用于油气增产的高压氮气-低温液氮复合致裂方法，属于油气增产改造技术领域。

背景技术

当前，页岩气等非常规天然气资源已经成为世界能源供应的重要组成部分。非常规储层的自然产能极低，一般需要经过水力压裂改造后才能实现工业化开采。但是该类储层质量较差，易受到外来流体的伤害。例如，在压裂结束后，水分的滞留以及黏土矿物的遇水膨胀会阻碍气体的流动。非常规天然气的开发还会涉及到水资源过度消耗和污染等问题，如页岩气压裂的单井用水量往往在10,000m³以上，这极大限制了水力压裂技术在干旱缺水地区的推广和大规模应用。另外，压裂液中还含有大量的化学物质，这些物质极容易随着压裂液进入地下水层。返排到地面的液体如果处理不当也会污染地表水。随着人们对水资源和环境保护的重视，水力压裂技术在部分国家和地区也开始受到不同程度的限制，甚至是采用立法的方式进行禁止。在这种情况下，各国的技术人员都在积极研发无水压裂技术，以实现非常规天然气资源的绿色高效开采。

在油气钻采领域，氮气是一种重要的工作流体，在钻井、完井以及提高采收率方面都得到广泛应用。氮气压裂的优势主要有以下几个方面：一是氮气是惰性气体，对储层没有伤害，不存在黏土膨胀、运移以及油水乳化等问题；二是在压后氮气返排迅速，能把对储层渗透率伤害降低到最小程度；三是没有液相入侵到微裂缝中，所以不会对储层的长期生产造成伤害；四是相比其他方式，氮气价格低廉，能够更快收回成本。正是因为上述优势，氮气压裂技术被应用于水敏性较强地层，并取得了较好的效果。

然而，由于氮气的黏度较低，无法携带大量支撑剂，这样压后裂缝容易闭合，产量递减较快，这也是制约氮气压裂技术在现场进行大规模推广应用的关键所在。由此可见，如何防止氮气压裂裂缝的闭合，增强裂缝自身的自支撑能力是提高氮气压裂效果的关键所在。鉴于氮气的低黏特性，无法像水基压裂液那样携带大量的支撑剂进入地层，形成有效的支撑裂缝。因此需要另辟蹊径，探索新型的致裂方法，从而保证氮气压裂的改造效果，使之适用于非常规储层的高效开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于油气增产的高压氮气-低温液氮复合致裂方法，能防止压后裂缝的闭合，形成具有自支撑能力的人工裂缝。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于油气增产的高压氮气-低温液氮复合致裂方法，包括以下步骤：

1)通过油管将带有封隔器的压裂工具下入到井筒的预定层段，然后安装井口，连接地面设备；所述地面设备包括通过氮气注入管路依次连接的氮气瓶组、气体压缩机、气体增压机、加热器和氮气阀门，以及通过液氮注入管路依次连接的液氮容器、液氮柱塞泵和液氮阀门，所述氮气注入管路、液氮注入管路分别与所述油管连通；

2)利用氮气对地面设备、地面管线、油管和环空进行循环洗井处理，使得井筒和地面管线内充满氮气；

3)打开氮气瓶减压阀和氮气阀门，保持液氮阀门和环空阀门关闭，利用气体压缩机、气体增压机对氮气瓶组流出的氮气进行加压处理，加压后的氮气经加热器加热后，通过油管注入井筒内；

4)待井底封隔器在高温高压氮气作用下膨胀坐封后，继续使用气体增压机对氮气进行增压，直至井底压力达到储层的破裂压力；当储层岩石发生破裂后，继续向井筒内注入高温高压氮气，促进裂缝的扩展延伸；

5)持续向井底注入高温高压氮气20～30min后，依次关闭气体增压机、加热器、气体压缩机、氮气瓶减压阀和氮气阀门，然后打开液氮阀门和液氮柱塞泵，通过油管向井筒内注入低温液氮；

6)注入低温液氮10～15min后，关闭液氮柱塞泵、液氮阀门和井口阀门，焖井15min；

7)重复步骤3)～6)，实现高温高压氮气和低温液氮反复交替注入；

8)当预定层段压裂作业结束后，将压裂工具上提到另一层段，继续进行步骤3)～7)，完成整个井筒的压裂改造作业；

9)待所有目的层段压裂结束后，使用氮气对地面所有管线进行加热处理，直至管线解冻。

优选的，步骤7)中所述高温高压氮气和低温液氮交替注入的循环次数为5～7次。

优选的，所述油管的材质为玻璃钢，具有较好的隔热和耐温性能。

优选的，步骤3)中所述的氮气加热温度为150～180℃。

优选的，步骤5)中所述的低温液氮注入压力小于高温高压氮气注入压力，同时高于裂缝闭合压力、小于裂缝延伸压力。

本发明采用高压氮气压裂地层岩石，形成大尺度的人工裂缝，然后向主裂缝内注入超低温液氮，利用液氮的超低温特性辅助致裂主裂缝壁面上的岩石，使之产生与主裂缝相互垂直的二次裂缝，提高主裂缝的自支撑能力和储层破裂程度，防止压后主裂缝的闭合，从而实现储层的高效开发。特别是当用于煤岩的增产改造时，煤岩在液氮超低温作用下，会有碎块脱落，可起到支撑裂缝的作用。由此可见，使用氮气-液氮复合致裂方法对储层进行增产改造时，氮气可充当“压裂液”的角色，而液氮起到类似于“支撑剂”的效果，有效克服了常规氮气压裂技术中，由于裂缝无支撑剂的支撑作用，裂缝容易闭合，压裂井产量递减较快的缺陷。

此外，本发明在整个压裂过程中，高温高压氮气和低温液氮多次交替注入，即边压裂边处理裂缝面。在压裂过程中，当储层岩石在高压氮气作用下发生破裂形成人工裂缝后，随后注入的低温液氮会在主裂缝面上形成二次裂缝，不仅增加了主裂缝的波及范围，而且还能提高储层改造体积和泄流面积。此外，已经形成的二次裂缝，在后续的高温高压氮气的作用下会进一步扩展。由此可见，通过注入低温液氮的方式，可以克服常规压裂中储层主要产生单一主裂缝的弊端，有助于在储层内部形成大体积的网络裂缝，进而提高压裂增产效果。

本发明的氮气-液氮复合致裂方法，克服了传统上氮气压裂技术的局限，将氮气高压致裂与液氮低温致裂结合起来，有效提高了油气储层的压裂增产效果。

附图说明

图1是本发明方法中工艺流程及设备示意图

图2是本发明方法中高温高压氮气压裂形成的主裂缝示意图；

图3是本发明方法中低温液氮在主裂缝面上产生的二次裂缝示意图；

图4是本发明方法中高温高压氮气二次注入时的裂缝延伸示意图；

图5是本发明方法中低温液氮二次注入时产生更多的二次裂缝示意图；

图6是本发明方法中高温高压氮气-低温液氮复合致裂产生的网络裂缝示意图；

图7是采用本发明的使用氮气-液氮复合致裂方法对油气井另一层段进行作业的示意图；

图8是采用本发明的氮气-液氮复合致裂方法在油气井所有层段产生的网络裂缝示意图。

图中，1、氮气瓶组，2、氮气瓶减压阀，3、气体压缩机，4、气体增压机，5、加热器，6、氮气阀门，7、氮气注入管路，8、液氮容器，9、液氮柱塞泵，10、液氮阀门，11、液氮注入管路，12、油管，13、环空，14、井筒，15、环空阀门，16、压裂工具，17、封隔器，18、高温高压氮气，19、主裂缝，20、局部密闭空间，21、低温液氮，22、二次裂缝，23、网络裂缝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种用于油气增产的高压氮气-低温液氮复合致裂方法，包括以下步骤：

1)如图1所示，通过油管12将带有封隔器17的压裂工具16下入到井筒14的待改造层段，然后安装井口，连接地面设备；所述地面设备包括通过氮气注入管路7依次连接的氮气瓶组1、气体压缩机3、气体增压机4、加热器5和氮气阀门6，以及通过液氮注入管路11依次连接的液氮容器8、液氮柱塞泵9和液氮阀门10，所述氮气注入管路7、液氮注入管路11分别与所述油管12连通；气体压缩机3用于对氮气进行初步加压，加压范围在3～5MPa之间，气体增压机4可对氮气大幅度增压，最大可将气体加压至120MPa；液氮容器用于贮存低温液氮，在大气压下其温度约为-195.8℃，液氮柱塞泵用于向井筒内泵入低温液氮，可以按照工作要求对液氮进行加压处理；

2)利用氮气对地面设备、地面管线、油管和环空进行循环洗井处理，使得井筒和地面管线内充满氮气，防止后续作业中管线和装置内流体遇冷结冰；

3)打开氮气瓶减压阀2和氮气阀门6，保持液氮阀门10和环空阀门15关闭，利用气体压缩机3、气体增压机4对氮气瓶组1流出的氮气进行加压处理，加压后的氮气经加热器5加热至150～180℃后，通过油管12注入井筒14；

4)待井底封隔器17在高温高压氮气18作用下膨胀坐封后，继续使用气体增压机4对氮气进行增压，直至井底压力达到储层的破裂压力；当储层岩石发生破裂后，继续向井筒14内注入高温高压氮气18，促进裂缝的扩展延伸；

5)持续向井底注入高温高压氮气18 20-30min后，依次关闭气体增压机4、加热器5、气体压缩机3、减压阀2和氮气阀门6，然后打开液氮阀门10和液氮柱塞泵9，通过油管12向井筒14内注入低温液氮21，低温液氮21注入压力小于高温高压氮气18注入压力，同时高于裂缝闭合压力、小于裂缝延伸压力；低温液氮21在人工裂缝流动过程中，在储层岩石和液氮的高温差作用下，裂缝面岩石会发生热力破坏，从而在主裂缝面上形成二次裂缝；此外，液氮遇热后会迅速气化膨胀，导致缝内压力升高，可进一步促进裂缝的扩展；

6)注入液氮10-15min后，关闭液氮柱塞泵9、液氮阀门10和井口阀门，焖井15min；

7)步骤3)～6)重复进行5-7次，实现高温高压氮气18和低温液氮21反复交替注入；利用高温高压氮气18进行造缝，利用低温液氮21处理裂缝面岩石，防止压后裂缝闭合，增强裂缝的自支撑能力；

8)当预定层段压裂作业结束后，将压裂工具16上提到另一层段，继续进行步骤3)～7)，完成整个井筒14的压裂改造作业；

9)待所有目的层段压裂结束后，使用氮气对地面所有管线进行加热处理，直至管线解冻。

高温高压氮气和低温液氮均从油管12注入，要求所使用的油管12具有较好的隔热和耐温性能，本实施例采用玻璃钢材质的油管进行作业。

在实施压裂作业之前，如图1所示，由于油管12内没有注入高压流体，封隔器17处于解封状态，封隔器17外边缘和井筒14之间存在间隙，因此，由压裂工具16流出的流体可以经过环空13上返至地面。

在进入压裂阶段时，首先利用高温高压氮气进行压裂造缝。如图2所示，打开氮气瓶减压阀2和氮气阀门6，保持液氮阀门10和环空阀门15关闭。从氮气瓶组1流出的氮气首先经气体压缩机3进行初步加压至3～5MPa，然后在气体增压机4内继续增压。加压后的氮气经过加热器5加热至150～180℃后，在高温高压状态下经油管12注入到井底。井底的封隔器17在流体压力作用下会发生膨胀，从而在两个封隔器17与井筒14之间产生一个局部的密闭空间20。随着高温高压氮气不断进入密闭空间20，该空间内压力不断上升，直至超过储层破裂压裂，在储层内形成压裂主裂缝19。随着高温高压氮气18的不断注入，裂缝19会不断延伸。由于氮气的温度高于裂缝附近的岩石，因此在裂缝面附近地层内将产生一个人工加热区。当氮气的加热温度超过地层温度时，还有望使岩石产生热破裂。

注入高温高压氮气20～30min后，关闭减压阀2和氮气阀门6，同时气体压缩机3、气体增压机4和加热器5也停止工作。如图3所示，打开液氮阀门10，使用液氮柱塞泵9将液氮容器8内的液氮加压到高压状态，然后经油管12泵入到井底。在本实施例中，液氮主要用来对主裂缝壁面进行处理，而不是用来造缝。因此，液氮的注入压力要小于氮气注入压力，其值高于裂缝闭合压力而低于裂缝延伸压力。储层的裂缝闭合压力和裂缝延伸压力可以通过前期的小型压裂测试或者根据邻井的作业施工参数获得。当低温液氮21进入人工裂缝后，液氮会迅速吸收裂缝表面的热量，导致裂缝面岩石温度骤降，从而产生较大的热应力。在热应力作用下，裂缝面岩石发生破裂，形成与主裂缝19相交的二次裂缝22。二次裂缝22不仅可以有效增加裂缝总面积，而且还可以解决氮气压裂主裂缝容易闭合的技术难题，从而有效的提高增产效果。由于液氮的降温作用，此时裂缝面周围又形成了一个低温区。在该实施例中，液氮的注入时间为氮气注入时间的一半(10～15min)。液氮注入结束后，关闭液氮柱塞泵9、液氮阀门10和井口阀门，焖井15min。此时，液氮在地层内部会继续气化膨胀，利用液氮气化膨胀产生的压力促进裂缝继续延伸和扩展。

如图4所示，在液氮注入和焖井结束后，按照图2所叙述的方法，继续向储层内注入高温高压氮气18。在高温高压氮气18的作用下，主裂缝19和二次裂缝22都会进一步延伸，使得裂缝整体尺度增加。因此，在该阶段高温高压氮气18能够促进整个裂缝体系的发展，形成更加复杂的网络裂缝。另外，当高温氮气与低温区的岩石接触后，岩石内部仍然会产生较大的热应力，二次裂缝22的数量还会进一步增加。如图5所示，当高温高压氮气18二次注入结束后，再次注入液氮21，继续利用液氮的超低温特性处理已形成的裂缝面，进而形成更多的二次裂缝22。将一个完整的氮气和液氮交替注入程序称为一个施工步骤，在一个目的层段，反复进行施工步骤3～5次，从而完成该层段的压裂改造作业。由此可见，利用氮气-液氮反复交替注入，地层岩石在压力和温度的共同作用下会发生高度的体破裂，形成如图6所示的复杂网络裂缝23。

当一次目的层段压裂作业结束后，如图7所示将工具上提至下一层段，继续进行氮气-液氮交替注入工作，最终在所有层段上都形成如图8所示的网络裂缝。

本发明将常规高压氮气压裂方式与低温液氮致裂方法相结合，高温高压氮气不仅用于压裂储层形成主裂缝，而且还可以对裂缝面附近的岩石进行加热处理。在后续泵注液氮时，可以增加岩石与液氮之间的温度差，增强液氮对裂缝面岩石的致裂效果。在压裂过程中，高温高压氮气和低温液氮反复交替注入，即不断重复氮气造缝-液氮处理裂缝面-氮气继续造缝-液氮继续处理裂缝面这一过程。

Claims (5)

1.一种用于油气增产的高压氮气-低温液氮复合致裂方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过油管(12)将带有封隔器(17)的压裂工具(16)下入到井筒(14)的预定层段，然后安装井口，连接地面设备；所述地面设备包括通过氮气注入管路(7)依次连接的氮气瓶组(1)、气体压缩机(3)、气体增压机(4)、加热器(5)和氮气阀门(6)，以及通过液氮注入管路(11)依次连接的液氮容器(8)、液氮柱塞泵(9)和液氮阀门(10)，所述氮气注入管路(7)、液氮注入管路(11)分别与所述油管(12)连通；

2)利用氮气对地面设备、地面管线、油管(12)和环空(13)进行循环洗井处理，使井筒(14)和地面管线内充满氮气；

3)打开氮气瓶减压阀(2)和氮气阀门(6)，保持液氮阀门(10)和环空阀门(15)关闭，利用气体压缩机(3)、气体增压机(4)对氮气瓶组(1)流出的氮气进行加压处理，加压后的氮气经加热器(5)加热后，通过油管(12)注入井筒(14)；

4)待井底封隔器(17)在高温高压氮气(18)作用下膨胀坐封后，继续使用气体增压机(4)对氮气进行增压，直至井底压力达到储层的破裂压力；当储层岩石发生破裂后，继续向井筒内注入高温高压氮气(18)，促进裂缝的扩展延伸；

5)持续向井底注入高温高压氮气(18)20-30min后，依次关闭气体增压机(4)、加热器(5)、气体压缩机(3)、氮气瓶减压阀(2)和氮气阀门(6)，然后打开液氮阀门(10)和液氮柱塞泵(9)，通过油管(12)向井筒(14)内注入低温液氮(21)；

6)注入低温液氮(21)10-15min后，关闭液氮柱塞泵(9)、液氮阀门(10)和井口阀门，焖井15min；

7)重复步骤3)～6)，实现高温高压氮气(18)和低温液氮(21)反复交替注入；

8)当预定层段压裂作业结束后，将压裂工具(16)上提到另一层段，继续进行步骤3)～7)，完成整个井筒(14)的压裂改造作业；

9)待所有目的层段压裂结束后，使用氮气对地面所有管线进行加热处理，直至管线解冻。

2.根据权利要求1所述的一种用于油气增产的高压氮气-低温液氮复合致裂方法，其特征在于，步骤7)中所述高温高压氮气(18)和低温液氮(21)交替注入的循环次数为5～7次。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于油气增产的高压氮气-低温液氮复合致裂方法，其特征在于，所述油管(12)的材质为玻璃钢。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于油气增产的高压氮气-低温液氮复合致裂方法，其特征在于，步骤3)中所述的氮气加热温度为150～180℃。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于油气增产的高压氮气-低温液氮复合致裂方法，其特征在于，步骤5)中所述的低温液氮(21)注入压力小于高温高压氮气(18)注入压力，同时高于裂缝闭合压力、小于裂缝延伸压力。