CN110924899B - 煤层气增产改造方法及开发方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤层气增产改造方法及开发方法，该煤层气增产改造方法应用在具有径向水平井的井网结构中，该方法包括：向主井筒中注入清水，所述清水波及区域形成注水煤层；在注清水作业完成后，向主井筒中注入驱替气，将主井筒及各径向分支井眼中的水压入煤层；注入根据目标冻结煤层控制体积确定的液氮体积，再注入预定体积的氮气驱替注入的液氮；在液氮注入完成后，向主井筒中注入防冻前置液；在注入防冻前置液后，再注入携带支撑剂压裂液，进行压裂。本发明能够提高煤层气单井产量。
Description
技术领域
本发明涉及石油与天然气开采技术领域，尤其涉及一种煤层气增产改造方法及开发方法。
背景技术
本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
煤层气是一种新型的清洁能源，它是一种与煤炭伴生并以吸附态的形式自生自储在煤层中的非常规天然气。我国是世界第三大煤层气储量国，埋深2000m以浅的煤层气资源达3.146×105亿m3，相当于450亿t标煤、350亿t标油，与陆上常规天然气资源量相当。因此，煤层气具有良好的资源基础，也形成了一定的产量规模，可作为我国天然气生产的重要补充。
我国煤层气普遍具备低压、低渗、低孔隙度的特征，导致煤层气产量较低。目前，国内主要采用水力加砂压裂对煤层气井进行增产改造。相比于常规油气藏储层，煤储层具有松软、表面积大、吸附性强、压力低、气水共存、天然裂缝系统发育等特点。在煤层气压裂过程中，存在如下问题。
1、压裂液在裂缝系统复杂的煤层中大量滤失，难以形成具有一定长度和导流能力的裂缝；
2、由于煤岩基质孔隙小、内表面积大、吸附性强，导致煤层极易受到压裂液的伤害，例如，吸附伤害、堵塞伤害、水化膨胀伤害和化学伤害等；
3、煤岩较为松软，对煤层进行压裂施工后，支撑剂在闭合应力作用下易嵌入煤岩基质面中，导致裂缝导流能力降低；
4、煤岩易破碎，在压裂过程中会产生煤碎屑，煤碎屑会沉积堵塞支撑裂缝的孔喉通道，引起压裂裂缝导流能力降低，进而使气产量降低；
5、煤岩具有较强的应力敏感性，当围压增大时，煤岩渗透率急剧降低，围压解除后，渗透率只能恢复到原渗透率的45％左右，因此压裂对煤层易造成压敏伤害；
6、煤岩内部结构复杂，有较大的非均值性，渗透率，压裂时难以根据地应力方向和大小控制裂缝方向，大小和形态；
为了在裂缝系统复杂的煤层中形成具有一定长度和导流能力的人工裂缝，提高煤层气产量，需要在压裂作业时，暂堵煤层天然裂缝、降低压裂液在煤层中的滤失量。
目前常用的煤层气井暂堵与降滤失方法包括：粉砂暂堵与泡沫压裂液降滤等。然而这些常规的暂堵及降滤失方法对煤层压裂效果的增幅较小，都存在一些不足。例如，粉砂进入地层后，返排时不易被压裂液带出，对煤层伤害较大。而泡沫压裂液摩阻较高，成本相对较高，放喷不及时会造成污染，在低渗低产煤层中应用受到限制。此外，液氮压裂为非常规油气资源高效开发的潜在技术手段，但液氮无法有效携带支撑剂，严重限制了其应用。
因此，有必要提出一种新的煤层气增产改造方法，以克服现有技术中的至少一个缺陷。
发明内容
本发明为了解决上述至少一个问题，提供了一种煤层气增产改造方法，能够提高煤层气单井产量。
本申请实施方式公开了一种煤层气增产改造方法，该煤层气增产改造方法包括：
在煤层气储层中同一层位或不同层位呈辐射状钻出一条或多条与主井筒相连通的径向水平井，所述径向水平井具有与其相连通的多个径向分支井眼；
向主井筒中注入清水，所述清水波及区域形成注水煤层；
在注清水作业完成后，向主井筒中注入驱替气，将主井筒及各径向分支井眼中的水压入煤层；注入根据目标冻结煤层控制体积确定的液氮体积，再注入预定体积的氮气驱替注入的液氮；
在液氮注入完成后，向主井筒中注入防冻前置液；
在注入防冻前置液后，再注入携带支撑剂压裂液，进行压裂。
在一个优选的实施方式中，所述目标冻结煤层控制体积与所述液氮体积的关系如下：
式中：VLN为液氮体积，Vf为目标冻结煤层控制体积，单位均为m3；φf为地层平均孔隙度，单位％；Sw为地层平均含水饱和度，单位％；ρw，ρg，ρf，ρLN分别为地层水密度，地层气密度，地层岩石骨架密度，地面条件下液氮密度，单位Kg/m3；ΔT，Tb，Ti，Te分别为地层温度变化值，液氮沸点，液氮初始排出温度，平衡温度，单位K，其中地面温度变化值等于地层原始温度减去平衡温度；Cw，Cg，Cf，CLN，CGN分别为地层水定压比热容，地层气定压比热容，地层定压比热容，液氮定压比热容，氮气定压比热容，单位J/(Kg·K)；Hw，HLN分别为地层水的冻结潜热，液氮的沸腾潜热，单位J/Kg。
在一个优选的实施方式中，所述冻结煤层控制体积等于：所述径向水平井的个数为四个，四个所述径向水平井围绕主井筒以间隔90°相位布孔，所述径向水平井的孔眼方位与水平主应力呈45°夹角。
在一个优选的实施方式中，所述冻结煤层控制体积的计算公式如下：
Vf＝π(αL)2H；
式中，α为控制系数，该控制系数范围为2-3；L为径向水平井长度，H为煤层厚度。
在一个优选的实施方式中，所述氮气的预定体积为整个输送管柱体积的2-5倍。
一种煤层气开发方法，包括：
在地质勘探的基础上，选取厚度大于10米的煤层，进行钻井形成底端钻至所述煤层底部的主井筒，并在所述主井筒中下入套管固井；
在煤层气储层中同一层位或不同层位呈辐射状钻出一条或多条与主井筒相连通的径向水平井，所述径向水平井具有与其相连通的多个径向分支井眼；
钻井完成后，在所述主井筒中下入隔热油管，并安装封隔器；
向所述主井筒中注入清水，所述清水波及区域形成注水煤层；
在注清水作业完成后，向主井筒中注入驱替气，将主井筒及各径向分支井眼中的水压入煤层；注入根据目标冻结煤层控制体积确定的液氮体积，再注入预定体积的氮气驱替注入的液氮；
在液氮注入完成后，向主井筒中注入防冻前置液；
在注入防冻前置液后，再注入携带支撑剂压裂液，进行压裂。
在一个优选的实施方式中，所述目标冻结煤层控制体积与所述液氮体积的关系如下：
式中：VLN为液氮体积，Vf为目标冻结煤层控制体积，单位均为m3；φf为地层平均孔隙度，单位％；Sw为地层平均含水饱和度，单位％；ρw，ρg，ρf，ρLN分别为地层水密度，地层气密度，地层岩石骨架密度，地面条件下液氮密度，单位Kg/m3；ΔT，Tb，Ti，Te分别为地层温度变化值，液氮沸点，液氮初始排出温度，平衡温度，单位K，其中地面温度变化值等于地层原始温度减去平衡温度；Cw，Cg，Cf，CLN，CGN分别为地层水定压比热容，地层气定压比热容，地层定压比热容，液氮定压比热容，氮气定压比热容，单位J/(Kg·K)；Hw，HLN分别为地层水的冻结潜热，液氮的沸腾潜热，单位J/Kg。
在一个优选的实施方式中，所述冻结煤层控制体积等于：所述径向水平井的个数为四个，四个所述径向水平井围绕主井筒以间隔90°相位布孔，所述径向水平井的孔眼方位与水平主应力呈45°夹角。在一个优选的实施方式中，所述冻结煤层控制体积的计算公式如下：
Vf＝π(αL)2H；
式中，α为控制系数，该控制系数范围为2-3；L为径向水平井长度，H为煤层厚度。
一种煤层气增产改造方法，所述煤层气增产改造方法用于应用在预定井网结构中，所述预定井网结构包括：底端位于煤层底部的主井筒，与所述主井筒相连通的径向水平井，所述方法包括：
向主井筒中注入清水，所述清水波及区域形成注水煤层；
在注清水作业完成后，向主井筒中注入驱替气，将主井筒及各径向分支井眼中的水压入煤层；注入根据目标冻结煤层控制体积确定的液氮体积，再注入预定体积的氮气驱替注入的液氮；
在液氮注入完成后，向主井筒中注入防冻前置液；
在注入防冻前置液后，再注入携带支撑剂压裂液，进行压裂。
本发明的特点和优点是：利用本申请实施方式中所提供的煤层气增产改造方法在对煤层气进行增产改造时，可以首先在煤层中钻径向水平井，增大储层接触面积。接着，向主井筒中注入清水，所述清水波及区域形成注水煤层。在注清水作业完成后，向主井筒中注入诸如氮气等成本较低且对储层没有污染的驱替气，将主井筒及各径向分支井眼中的水压入煤层；注入根据目标冻结煤层控制体积确定的液氮体积，再注入预定体积的氮气驱替注入的液氮。在液氮注入完成后，向主井筒中注入防冻前置液。在注入防冻前置液后，再注入携带支撑剂压裂液，进行径向水平井压裂。本申请实施方式中所提供的煤层气增产改造方法综合了暂堵煤层天然裂缝、降低压裂液滤失与径向水平井压裂的优势，能以径向水平井所在层理面水平起裂，在煤层中形成较大范围的缝网，从而高效开采煤层气资源。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
图1为本申请实施方式中提供的一种煤层气增产改造方法步骤流程图；
图2为通过径向水平井向煤层中注清水作业的俯视图；
图3为通过径向水平井向煤层中注清水作业的侧视图；
图4为通过径向水平井向煤层中注液氮的作业示意图；
图5为通过径向水平井压裂的作业示意图；
图6为本申请实施方式中提供的一种煤层气开发方法步骤流程图。
附图标记说明：
1、煤层；12、注水煤层；13、冰冻煤层；2、径向水平井；21、主井筒；22、径向分支井眼；3、隔热油管；31、清水；32、氮气；33、液氮；34、防冻前置液；35、支撑剂压裂液；4、封隔器；5、天然裂缝；6、人工裂缝。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
水力喷射径向水平井技术能够垂直于主井眼沿径向钻出成辐射状分布的一口或多口水平孔眼。辐射状的分支水平孔眼与原始裂隙在储层中形成相互连通的网络，更大限度的沟通储层裂缝，大大降低了裂隙内流体的流动阻力，极大地提高了油气藏开发效益。另外，利用径向水平井进行水力压裂更是一种针对煤层气等非常规油气的高效增产方式，径向孔眼诱导水力压裂起裂位置、延伸方向及扩展长度。径向水平井压裂形成的组合封网极大促进煤层中气体解吸、扩散、渗流、汇聚，形成工业气流。
本发明提出的煤层气径向水平井液氮暂堵压裂结合了液氮冻结暂堵煤层与径向井压裂的优点，可有效克服目前煤层气压裂中存在的一些缺陷，提高煤层气单井产量。
如图1至图5所示，本说明书的实施方式中所提供的煤层气增产改造方法，为一种水力压裂煤层的新方法，既利用液氮冻结暂堵煤层1，然后进行径向水平井2压裂，综合了暂堵煤层1的天然裂缝5、降低压裂液滤失与径向水平井2压裂的优势，促进煤层气的高效开采。
该煤层气增产改造方法主要包括如下步骤：
步骤S10：在煤层气储层中同一层位或不同层位呈辐射状钻出一条或多条与主井筒21相连通的径向水平井2，所述径向水平井2具有与其相连通的多个径向分支井眼22；
步骤S12：向主井筒21中注入清水31，所述清水31波及区域形成注水煤层12；
步骤S14：在注清水31作业完成后，向主井筒21中注入驱替气，将主井筒21及各径向分支井眼22中的水压入煤层1；注入根据目标冻结煤层1控制体积确定的液氮33体积，再注入预定体积的氮气32驱替注入的液氮33；
步骤S16：在液氮33注入完成后，向主井筒21中注入防冻前置液34；
步骤S18：在注入防冻前置液34后，再注入携带支撑剂压裂液35，进行压裂。
在本实施方式中，在对煤层气进行增产改造时，可以首先在煤层1中钻径向水平井2，增大储层接触面积。接着，向主井筒21中注入清水31，所述清水31波及区域形成注水煤层12。在注清水31作业完成后，向主井筒21中注入诸如氮气32等成本较低且对储层没有污染的驱替气，将主井筒21及各径向分支井眼22中的水压入煤层1；注入根据目标冻结煤层1控制体积确定的液氮33体积，再注入预定体积的氮气32驱替注入的液氮33。在液氮33注入完成后，向主井筒21中注入防冻前置液34。在注入防冻前置液34后，再注入携带支撑剂压裂液35，进行径向水平井2压裂。本申请实施方式中所提供的煤层气增产改造方法综合了暂堵煤层1的天然裂缝5、降低压裂液滤失与径向水平井压裂的优势，以径向水平井所在层理面水平起裂，在煤层中形成较大范围的缝网，从而能高效开采煤层气资源。
以下结合具体的实施步骤进行举例说明。
本发明以储层中的径向水平井2为基础。因此，首先在煤层气储层中同一层位或不同层位呈辐射状钻出一条或多条径向水平井2。其中，该煤层气储层为具有一定厚度的储层，该储层的厚度至少为10米以上。在该储层中设置有主井筒21，在该主井筒21的径向可以沿着圆周方向设置多条径向水平井2。其中，该径向水平井2的长度本申请在此并不作具体的限定，径向水平井2的长度在经济技术许可的情况下尽可能的长。
如图2所示，在一个实施方式中，所述径向水平井2的个数为四个，四个所述径向水平井2围绕主井筒以21间隔90°相位布孔，所述径向水平井2的孔眼方位与水平主应力呈45°夹角。
在本实施方式中，当采用的四个径向水平井2围绕主井筒21均匀间隔分布，即采用4分支布孔可以最大程度降低起裂与延伸压力，此外，当径向水平井2的井眼方向与水平主用力呈45°夹角时，可避免当上覆岩层压力为最大主应力时，某一个分支与最大水平主应力太接近而发生垂直起裂，产生主裂缝方向垂直于储层方向的T型裂缝。
在形成上述井网结构后，向主井筒21中注入清水31，由于径向井眼沟通了大量的地层天然裂缝5，因此清水31可通过径向井眼进入地层裂缝中。注入清水31后一段时间，清水31会波及到径向井眼周围的大块区域中，并且当清水31通过岩层孔喉、微裂隙等狭小空间时，在毛细管力等阻力的作用下，部分清水31会滞留在孔喉、微裂隙中。由于径向井存在多个分支井眼，每条井眼周围岩层均被清水31波及，所有清水31波及区域连在一起导致整个目标储层都有注入清水31滞留。
注清水31作业完成后，向主井筒21中注入氮气32，将主井筒21及各径向分支井眼22中的水压入煤层1。然后注入根据控制体积传热量计算体积的液氮33，液氮33体积主要由目标冻结煤层1控制体积，物性，深度和含水率确定，其目的是完全冻结煤层1，并使其在压裂液处理阶段仍保持冰冻状态。液氮33体积估算公式如下：
式中：VLN为液氮体积，Vf为目标冻结煤层控制体积，单位均为m3；
为地层平均孔隙度，单位％；Sw为地层平均含水饱和度，单位％；ρw，ρg，ρf，ρLN分别为地层水密度，地层气密度，地层岩石骨架密度，地面条件下液氮密度，单位Kg/m3；ΔT，Tb，Ti，Te分别为地层温度变化值，液氮沸点，液氮初始排出温度，平衡温度，单位K，其中地面温度变化值等于地层原始温度减去平衡温度；Cw，Cg，Cf，CLN，CGN分别为地层水定压比热容，地层气定压比热容，地层定压比热容，液氮定压比热容，氮气定压比热容，单位J/(Kg·K)；Hw，HLN分别为地层水的冻结潜热，液氮的沸腾潜热，单位J/Kg。
其中，冻结煤层控制体积等于以煤层1厚度为高，2～3倍径向水平井2长度为半径的圆柱体积。具体的，所述冻结煤层控制体积的计算公式如下：
Vf＝π(αU2H；
式中，α为控制系数，该控制系数范围为2-3；L为径向水平井长度，H为煤层厚度。
例如：在一顶深500m，厚度50m，径向水平井长20m，
为20％，Sw为30％，初始温度为303K(约30℃)的煤层中，ρw，ρg，ρf，ρLN分别取，1050，880，1300，1251Kg/m3；ΔT，Tb，Ti，Te分别取50，77，70，253.15K；Cw，Cg，Cf，CLN，CGN分别取4200，2160，1300，2041，1040J/(Kg·K)；HW，HLN分别取320000J/kg，199000J/kg。
取控制体积为Vf＝π(αL)2H＝3.9×105m3，式中α为控制系数，L为径向水平井长度，H为煤层厚度。
代入液氮体积估算公式，得所需的液氮体积VLN为：
在进行下一步压裂液压裂前，必须先将井筒内未注入地层的液氮33压入地层，且使液氮33深入地层一段距离。
本申请实施方式中，可以通过注入预定体积的氮气32实现。需要说明的是，注入氮气32的过程为加压实现，为了安全施工，应采用抗压能力强的井口装置。该所述氮气32的预定体积为输送管柱体积的2-5倍。若低于2倍，则驱替过程不完整，若高于5倍，则可能使煤岩解冻，影响压裂效果。其中，该输送管柱体积为储层中所有用于输送流体的管柱体积之和。
液氮33进入各径向分支后，由于其极低的温度引起各径向分支的周围煤层1结冰，形成冰冻煤层13。当水结冰后，体积膨胀，将煤层1原生孔隙、裂缝堵塞，从而达到减少压裂液的滤失目的。同时，由于径向分支的存在会大幅增加传热波及范围。此外，含水煤层1冻结以后，其物性发生变化。
在液氮33注入完成后，注入防冻前置液34，然后注入携带支撑剂压裂液35，进行常规压裂。
在注入液氮33和氮气32后，输送管柱内温度较低，若直接输入水基压裂液，可能导致压裂液结晶，结冰，影响压裂效果，甚至出现事故，因此，需要在注入压裂液前，需要先注入防冻前置液34。
在本申请实施方式中所提供的煤层气增产改造方法，由于液氮33暂堵作用，可在地层中产生稳定长裂缝，可将支撑剂有效输送进裂缝，实现有效支撑；在径向井的沟通下，可形成大范围的压裂，单井改造范围大；同时，液氮33在压裂时会气化，体积急剧增大，导致原生裂缝内流体压力增大，进而使原生裂缝扩展并产生更多新的裂缝，促进煤层气的扩散、渗流。综上所述，可在煤层1中形成较大范围的复杂裂缝网，从而达到高效开发煤层气的目的。
整体上，本申请实施方式中提出的一种煤层气增产改造方法具体为一种液氮暂堵煤层与径向水平井压裂结合的煤层气增产改造方法。该方法所产生的有益效果有以下几点：
(1)液氮33流入煤层1中气化吸热，使煤层1温度快速下降到水的结冰点以下，煤层1原生孔隙含水、天然裂缝5含水均结冰，体积膨胀，堵塞煤层1缝隙，降低后续压裂液在煤层1中的滤失，进而使压裂产生长度更长、导流能力更强的人工裂缝6，最终增大煤层气单井产量。
(2)液氮33在高温煤层1中气化，体积急剧增大；煤层1含水结冰，形成冰冻煤层13，体积也会膨胀增大。两者共同导致煤层1天然裂缝5中流体压力快速升高，进而使煤层1的天然裂缝5尺寸增大，且产生新的裂缝或微裂隙，促进煤层气在复杂裂缝系统中的扩散与渗流，提高煤层气产量。
(3)另外，相关研究结果显示，虽然含水煤岩冰冻后的抗拉强度会随温度降低而升高，但是煤岩本身破裂压力低，由冰冻带来的升高的幅度(2-6MPa)可以忽略，同时冰填补了煤层中的割理、孔隙和裂隙，既降低了煤层的非均值性，极大减少了煤层的渗透率。因此在压裂过程中，更容易产生可控性好、尺寸大、导流能力强的人工裂缝6，且裂缝更易沿层理开裂，沟通天然裂缝后形成“一平多纵”的裂缝形态，而不是产生效果较差的T型缝网，尤其是在垂直应力较小的浅煤层中，促进煤层气开采，提高煤层气产量。
基于上述实施方式中所提供的煤层气增产改造方法，本申请还提供一种包含上述煤层气增产改造方法的煤层气开发方法。请参阅图6，该煤层气开发方法而言，其可以包括如下步骤。
步骤S101：在地质勘探的基础上，选取厚度大于10米的煤层1，进行钻井形成底端钻至所述煤层1底部的主井筒21，并在所述主井筒21中下入套管固井；
步骤S102：在煤层气储层中同一层位或不同层位呈辐射状钻出一条或多条与主井筒21相连通的径向水平井2，所述径向水平井2具有与其相连通的多个径向分支井眼22；
步骤S103：钻井完成后，在所述主井筒21中下入隔热油管3，并安装封隔器4；
步骤S104：向所述主井筒21中注入清水31，所述清水31波及区域形成注水煤层12；
步骤S105：在注清水31作业完成后，向主井筒21中注入驱替气，将主井筒21及各径向分支井眼22中的水压入煤层1；注入根据目标冻结煤层1控制体积确定的液氮33体积，再注入预定体积的氮气32驱替注入的液氮33；
步骤S106：在液氮33注入完成后，向主井筒21中注入防冻前置液34；
步骤S107：在注入防冻前置液34后，再注入携带支撑剂压裂液35，进行压裂。
在本实施方式中，利用本申请实施方式中所提供的煤层气开发方法进行开发时，首先以地质勘查为基础，选定大于10m厚度的煤层1。如图2和图3所示，设计钻井方案，钻井至煤层1底部，并对主井筒21下套管固井。
接着，在煤层气储层中同一层位或不同层位呈辐射状钻出一条或多条水平井眼。对于该水平井眼可选择套管固井或裸眼完井方式。
进一步的，可以在水平井眼基础上选择适当距离钻出径向分支井眼22。平井上的径向井分支井眼的设置位置可以由地应力，煤层1物性等经济性因素决定。在一个完全均值的煤层1中，若水平井长度较短，仅需在水平井趾端和中部钻出径向井；若水平井长度较长，则应根据数值模拟软件优选长度，一般取20～30米间距。
如图4所示，钻井完成后，在所述主井筒21中下入隔热油管3，并安装封隔器4。其中，隔热油管3主要用于隔热保温，防止注入的流体在注入过程中过多的与储层进行热交换，保证液氮33不在井筒中发生气化。其中，该封隔器4用于设置在隔热油管3与主井筒21之间的环空中，保证注入的流体能迅速流入径向水平井2中，同时能防止注入的流体从环空返出。
如图2所示，当需要对煤层气进行增产改造时，首先向主井筒21中注入清水31。注入的清水31经水平井、径向分支井眼22注入地层。由于径向分支井眼22沟通了大量的煤层1天然裂缝5，因此清水31可通过径向分支井眼22进入天然裂缝5中。注入清水31后一段时间，清水31会波及到径向分支井眼22周围，且当清水31通过岩层孔喉、微裂隙等狭小空间时，在毛细管力等阻力的作用下，部分清水31会滞留在孔喉、微裂隙中。由于径向水平井2存在多个径向分支井眼22，每条径向分支井眼22周围岩层均被清水31波及，所有清水31波及区域形成大面积注水煤层12。
如图3所示，注清水31作业完成后，向主井筒21中注入氮气32，将主井筒21及各径向分支井眼22中的水压入煤层1。
根据注入控制体积传热量计算体积的液氮33，再注入输送管柱体积2～5倍体积氮气32驱替液氮33。液氮33进入各径向分支井眼22后，由于其极低的温度引起各径向分支井眼22的周围煤层1结冰。当水结冰后，体积膨胀，将煤层1原生孔隙、裂缝堵塞，从而达到减少压裂液的滤失目的。同时，由于径向分支井眼22的存在能大幅增加传热波及范围。此外，含水煤层1冻结以后形成冻结煤层1，其物性发生变化。
如图5所示，在液氮33注入完成后，注入防冻前置液34，然后注入携带支撑剂压裂液35，进行常规压裂。其中，该压裂液35应使用黏度适中，抗冻能力较强的。压裂液35黏度过大将导致流动性差易结冰，难以返排，黏度过小将导致破裂面积小，抗冻能力强将保证其在地下不冻结。
由于液氮33暂堵作用，可在煤层1产生稳定的人工裂缝6，可将支撑剂有效输送进人工裂缝6，实现有效支撑。在径向分支井眼22的沟通下，可形成大范围的压裂，单井改造范围大。同时，液氮33在压裂时会气化，体积急剧增大，导致天然裂缝5内流体压力增大，进而使天然裂缝5扩展并产生更多新的人工裂缝6，促进煤层气的扩散、渗流。综上所述，可在煤层1中形成较大范围的复杂裂缝网(即“一平多纵”的裂缝形态)，从而达到高效开发煤层气的目的。
需要说明的是，本申请所提供的煤层气增产改造方法并不排除直接应用在设置有上述井网结构的煤层中。即可以利用现有的井网结构与本申请所提供的煤层气增产改造相结构，实现煤层气的高效开发。
基于此，本申请还提供一种煤层气增产改造方法，所述煤层气增产改造方法用于应用在预定井网结构中，所述预定井网结构包括：底端位于煤层1底部的主井筒21，与所述主井筒21相连通的径向水平井2，所述径向水平井2具有多个与其相连通的径向分支井眼22，所述方法包括：
向主井筒21中注入清水31，所述清水31波及区域形成注水煤层12；
在注清水31作业完成后，向主井筒21中注入驱替气，将主井筒21及各径向分支井眼22中的水压入煤层1；注入根据目标冻结煤层1控制体积确定的液氮33体积，再注入预定体积的氮气32驱替注入的液氮33；
在液氮33注入完成后，向主井筒21中注入防冻前置液34；
在注入防冻前置液34后，再注入携带支撑剂压裂液35，进行压裂。
该煤层气增产改造方法中各个步骤的具体描述以及其能够实现的技术效果可以参照上述实施方式，本申请在此不再赘述。
本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种煤层气增产改造方法，其特征在于，包括：
在煤层气储层中同一层位或不同层位呈辐射状钻出一条或多条与主井筒相连通的径向水平井，所述径向水平井具有与其相连通的多个径向分支井眼；
向主井筒中注入清水，所述清水波及区域形成注水煤层；
在注清水作业完成后，向主井筒中注入驱替气，将主井筒及各径向分支井眼中的水压入煤层；注入根据目标冻结煤层控制体积确定的液氮体积，再注入预定体积的氮气驱替注入的液氮；所述目标冻结煤层控制体积与所述液氮体积的关系如下：
式中：VLN为液氮体积，Vf为目标冻结煤层控制体积，单位均为m3；φf为地层平均孔隙度，单位％；Sw为地层平均含水饱和度，单位％；ρw，ρg，ρf，ρLN分别为地层水密度，地层气密度，地层岩石骨架密度，地面条件下液氮密度，单位Kg/m3；ΔT，Tb，Ti，Te分别为地层温度变化值，液氮沸点，液氮初始排出温度，平衡温度，单位K，其中地面温度变化值等于地层原始温度减去平衡温度；Cw，Cg，Cf，CLN，CGN分别为地层水定压比热容，地层气定压比热容，地层定压比热容，液氮定压比热容，氮气定压比热容，单位J/(Kg·K)；Hw，HLN分别为地层水的冻结潜热，液氮的沸腾潜热，单位J/Kg；
在液氮注入完成后，向主井筒中注入防冻前置液；
在注入防冻前置液后，再注入携带支撑剂压裂液，进行压裂。
2.如权利要求1所述的煤层气增产改造方法，其特征在于，所述径向水平井的个数为四个，四个所述径向水平井围绕主井筒以间隔90°相位布孔，所述径向水平井的孔眼方位与水平主应力呈45°夹角。
3.如权利要求1所述的煤层气增产改造方法，其特征在于，所述目标冻结煤层控制体积的计算公式如下：
Vf＝π(αL)2H；
式中，α为控制系数，该控制系数范围为2-3；L为径向水平井长度，单位为米；H为煤层厚度，单位为米。
4.如权利要求3所述的煤层气增产改造方法，其特征在于，所述氮气的预定体积为整个输送管柱体积的2-5倍。
5.一种煤层气开发方法，其特征在于，包括：
在地质勘探的基础上，选取厚度大于10米的煤层，进行钻井形成底端钻至所述煤层底部的主井筒，并在所述主井筒中下入套管固井；
在煤层气储层中同一层位或不同层位呈辐射状钻出一条或多条与主井筒相连通的径向水平井，所述径向水平井具有与其相连通的多个径向分支井眼；
钻井完成后，在所述主井筒中下入隔热油管，并安装封隔器；
向所述主井筒中注入清水，所述清水波及区域形成注水煤层；
在注清水作业完成后，向主井筒中注入驱替气，将主井筒及各径向分支井眼中的水压入煤层；注入根据目标冻结煤层控制体积确定的液氮体积，再注入预定体积的氮气驱替注入的液氮；所述目标冻结煤层控制体积与所述液氮体积的关系如下：
式中：VLN为液氮体积，Vf为目标冻结煤层控制体积，单位均为m3；φf为地层平均孔隙度，单位％；Sw为地层平均含水饱和度，单位％；ρw，ρg，ρf，ρLN分别为地层水密度，地层气密度，地层岩石骨架密度，地面条件下液氮密度，单位Kg/m3；ΔT，Tb，Ti，Te分别为地层温度变化值，液氮沸点，液氮初始排出温度，平衡温度，单位K，其中地面温度变化值等于地层原始温度减去平衡温度；Cw，Cg，Cf，CLN，CGN分别为地层水定压比热容，地层气定压比热容，地层定压比热容，液氮定压比热容，氮气定压比热容，单位J/(Kg·K)；Hw，HLN分别为地层水的冻结潜热，液氮的沸腾潜热，单位J/Kg；
在液氮注入完成后，向主井筒中注入防冻前置液；
在注入防冻前置液后，再注入携带支撑剂压裂液，进行压裂。
6.如权利要求5所述的煤层气开发方法，其特征在于，所述径向水平井的个数为四个，四个所述径向水平井围绕主井筒以间隔90°相位布孔，所述径向水平井的孔眼方位与水平主应力呈45°夹角。
7.如权利要求5所述的煤层气开发方法，其特征在于，所述目标冻结煤层控制体积的计算公式如下：
Vf＝π(αL)2H；
式中，α为控制系数，该控制系数范围为2-3；L为径向水平井长度，单位为米；H为煤层厚度，单位为米。
8.一种煤层气增产改造方法，其特征在于，所述煤层气增产改造方法用于应用在预定井网结构中，所述预定井网结构包括：底端位于煤层底部的主井筒，与所述主井筒相连通的径向水平井，所述方法包括：
向主井筒中注入清水，所述清水波及区域形成注水煤层；
在注清水作业完成后，向主井筒中注入驱替气，将主井筒及各径向分支井眼中的水压入煤层；注入根据目标冻结煤层控制体积确定的液氮体积，再注入预定体积的氮气驱替注入的液氮；所述目标冻结煤层控制体积与所述液氮体积的关系如下：
式中：VLN为液氮体积，Vf为目标冻结煤层控制体积，单位均为m3；φf为地层平均孔隙度，单位％；Sw为地层平均含水饱和度，单位％；ρw，ρg，ρf，ρLN分别为地层水密度，地层气密度，地层岩石骨架密度，地面条件下液氮密度，单位Kg/m3；ΔT，Tb，Ti，Te分别为地层温度变化值，液氮沸点，液氮初始排出温度，平衡温度，单位K，其中地面温度变化值等于地层原始温度减去平衡温度；Cw，Cg，Cf，CLN，CGN分别为地层水定压比热容，地层气定压比热容，地层定压比热容，液氮定压比热容，氮气定压比热容，单位J/(Kg·K)；Hw，HLN分别为地层水的冻结潜热，液氮的沸腾潜热，单位J/Kg；
在液氮注入完成后，向主井筒中注入防冻前置液；
在注入防冻前置液后，再注入携带支撑剂压裂液，进行压裂。
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