CN110984941B - 用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的方法，有效利用液氮对地层的冷却作用，实施压裂前对井筒附近地层进行降温预处理，增加天然气水合物储层的脆性，降低地层的起裂压力；再利用液态二氧化碳其独特的物理性质，在压裂过程中，压裂液进入地层中后与后者进行热量交换，液态二氧化碳受热其相态发生变化，转化为超临界态二氧化碳和气态二氧化碳，超临界二氧化碳具有气体的流动性和液体的密度，能够流动到渗透率较低的天然气水合物储层深部，对其进行压裂改造，体积大幅度增加；同时当液态二氧化碳、超临界态二氧化碳相变为气态二氧化碳时，体积迅速增加压力上升，提高压裂形成裂缝的复杂程度。

Description

用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的方法。

背景技术

天然气水合物俗称“可燃冰”，它是由天然气和水分子在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。天然气水合物大都存在于大陆边缘的深水海域和高纬度永久冻土带。目前，全球在多个勘探点位发现了天然气水合物。天然气水合物具有资源量大、分布范围广、埋藏深度浅、清洁无污染等特点。将全球天然气水合物中所蕴含的天然气资源量折算成有机碳含量，其量值约为现有地球化石燃料(石油、天然气和煤)含碳量总和的两倍，在油气领域被认为是最有具有开发前景的新型能源。出于能源战略的角度考虑，天然气水合物的开发逐渐被很多国家和地区所重视。

我国南海海域蕴含大量天然气水合物，我国石油界对天然气水合物的研究也提上了日程。目前研究已提出的水合物开采方法有降压分解法、热分解法、注入抑制剂法、CO₂置换法以及这些方法之间的联合开采方法。降压分解法中天然气水合物的生产速率、持续时间均由地层的渗透性决定；热分解法中由于热流方向和产出的流体共用同一渗流通道，能量效率较低；注入抑制剂法与CO₂置换法由于水合物储层渗透性差没有为反应提供较大的接触面积，严重制约了生产效率。为此需要提出新的储层改造方法，来增加地层与井筒的沟通能力，使后续的开采方法具有可持续性、并大幅提高单井产能。

水力压裂技术在低渗油气藏、页岩气开采等领域得到广泛应用，是一项应用于油气井增产的重要措施。将压裂技术与天然气水合物开采方式相结合，一方面能够在其压裂后形成裂缝网络增加地层渗透率，提高生产效率；另一方面，在近井筒附近可以起到防砂的作用解决开采过程中出现砂堵的问题。但由于我国南海海域天然气水合物储层主要为泥质粉砂岩储层，具有成岩差、弱胶结、渗透率低等特点。传统的水力压裂在此类储层难以起裂，或起裂后裂缝迅速闭合，达不到预期的压裂效果，因此，需要一种能够满足我国南海海域天然气水合物增产的压裂技术。

发明内容

基于上述背景，本发明提供了一种用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的方法。

本发明采用以下的技术方案：

一种用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的方法，基于用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的装置实施，所述装置包括井筒、压力传感器、液氮供应单元、液态二氧化碳供应单元、含有支撑剂的液态二氧化碳供应单元和压裂泵组，井筒穿过储层上覆岩层到达位于储层上覆岩层和储层下覆岩层之间的天然气水合物储层，井筒包括绝热压裂管柱和套管，绝热压裂管柱设置在套管内，固井作业后套管外形成有水泥环；压裂泵组与绝热压裂管柱相连，压力传感器设置在绝热压裂管柱上，液氮供应单元、液态二氧化碳供应单元和含有支撑剂的液态二氧化碳供应单元分别与压裂泵组相连；

包括以下步骤：

(1)液氮降温预处理：启动液氮供应单元，通过压裂泵组向绝热压裂管柱内注入液氮，对注入的液氮施加压力后关闭井筒进行焖井或通过绝热压裂管柱在井筒内循环液氮；

上述技术方案步骤(1)中，两种预处理方法的主要作用是使通过井筒注入到地层内的液氮能与地层充分接触冷却地层温度，冻结地层中孔隙水、岩石骨架收缩，从而增加天然气水合物储层的脆性，利于后续压裂作业顺利进行。

向绝热压裂管柱内注入液氮，并施加一定压力后关闭井筒进行焖井；或在井筒内循环液氮。液氮温度为-196℃，远小于地层温度。液氮在压力的作用下与天然气水合物储层充分接触冷却其温度，使近井筒附近的地层岩石孔隙水冻结、岩石骨架受冷收缩，从而增加储层的脆性，降低储层岩石的抗拉强度和起裂压力，以便后续压裂作业顺利进行；另一方面受到液氮冷冲击作用的岩石其内部会形成大量微裂缝，利于后续压裂作业过程中主裂缝与微裂缝相互作用，形成复杂的裂缝网络。其中，绝热压裂管柱穿设于井筒内。

(2)液态二氧化碳压裂液压裂：启动液态二氧化碳供应单元，采取步进式压裂方法，通过压裂泵组向绝热压裂管柱内注入液态二氧化碳压裂液，对已经通过液氮预处理后增脆的地层实施压裂改造；

上述技术方案步骤(2)中，该阶段主要是通过液态二氧化碳的物理性质对地层进行压裂。液态二氧化碳具有低粘度、低密度等特点，能够进入地层深部从而增加压裂改造体积。同时，液态二氧化碳进入储层后，与储层进行热量交换其温度上升，物理形态向超临界态和气态转换，超临界态具有较好的流动性，可进入到深部地层；液态二氧化碳、超临界态二氧化碳向气态转换时体积迅速增加，压力迅速增加，提高裂缝复杂程度，增强压裂效果。

(3)携带有支撑剂的液态二氧化碳压裂液压裂：在步骤(2)结束后启动含有支撑剂的液态二氧化碳供应单元，通过压裂泵组注入携带有支撑剂的液态二氧化碳压裂液压裂，继续对储层进行压裂改造；

上述技术方案步骤(3)中，在上一次步骤结束后注入携带有一定浓度支撑剂的液态二氧化碳，保持井筒压力。此时从井筒内注入目标储层的压裂液能够通过上一步骤压裂形成的裂缝，支撑剂能在已形成的裂缝内沉降，支撑已压裂形成的裂缝，避免因在地应力的作用下裂缝闭合；同时该压裂液能继续深入地层进行压裂，对地层的压裂效果同液态二氧化碳压裂液压裂相同。

(4)重复步骤(2)、(3)，直至完成余下天然气水合物储层的压裂改造，达到预计压裂规模。

上述技术方案中，井筒压力由井口的压力传感器实时监测。

进一步地，所述绝热压裂管柱选用真空隔热油管。

上述技术方案中，为了降低液氮、液态二氧化碳在井筒内从井口到目标储层流动过程中地层与井筒之间的热量交换。在井筒中的绝热压裂管线使用真空隔热油管，由于其良好的隔热效果，降低了管线内流体与外界环境的热交换，从而保证了液氮、液态二氧化碳到达目标储层的温度在有效范围内，利于后续的液氮降温冷却井筒附近储层以及液态二氧化碳压裂地层。

进一步地，步骤(3)中，所述支撑剂为密度与液态二氧化碳相适应的低密度支撑剂。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明能够有效利用液氮对地层的冷却作用，实施压裂前对井筒附近地层进行降温预处理，增加天然气水合物储层的脆性，降低地层的起裂压力，解决了我国南海海域天然气水合物储层岩石基质松散、成岩差、弱胶结等不利于裂缝起裂的问题，利于后续液态二氧化碳对目标储层的压裂改造。

2、本发明在对液氮降温预处理后的地层进行压裂时，利用液态二氧化碳其独特的物理性质，裂缝产生的诱导应力场能够促进主裂缝和微裂缝相互作用形成裂缝网络提高裂缝复杂程度。在后续开采作业中，复杂的裂缝网络能够起到防砂的作用，保证后续开采过程中天然气水合物产量。

3、本发明利用液态二氧化碳压裂过程中，液态二氧化碳进入到储层中后会与天然气水合物发生置换反应形成二氧化碳水合物，提高了储层的强度。由于压裂过程中液态二氧化碳与近井筒附近地层接触时间最长，置换反应效果更明显，近井筒附近储层强度增加会提升井壁的稳定性、有效降低储层出砂对后续开采作业的影响。

4、本发明利用液态二氧化碳压裂过程中，压裂液进入地层中后与后者进行热量交换。液态二氧化碳受热其相态发生变化，转化为超临界态二氧化碳和气态二氧化碳。超临界二氧化碳具有气体的流动性和液体的密度，能够流动到渗透率较低的天然气水合物储层深部，对其进行压裂改造，压裂改造体积大幅度增加；同时当液态二氧化碳、超临界态二氧化碳相变为气态二氧化碳时，体积迅速增加压力上升，提高压裂形成裂缝的复杂程度。

附图说明

图1为用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造装置的结构示意图；

图2为液态二氧化碳压裂过程井筒结构示意图；

图3为液态二氧化碳压裂改造方法的流程示意图。

其中，1、储层上覆岩层；2、天然气水合物储层；3、储层下覆岩层；4、井筒；4-1、绝热压裂管柱；4-2、套管；4-3、水泥环；5、压力传感器；6、压裂泵组；7、液氮供应单元；8、液态二氧化碳供应单元；9、含有支撑剂的液态二氧化碳供应单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明：

参阅图1和图3，一种用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的方法，基于用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的装置实施，所述装置包括井筒4、压力传感器5、液氮供应单元7、液态二氧化碳供应单元8、含有支撑剂的液态二氧化碳供应单元9和压裂泵组6，井筒4穿过储层上覆岩层1到达位于储层上覆岩层1和储层下覆岩层3之间的天然气水合物储层2，井筒4包括绝热压裂管柱4-1和套管4-2，绝热压裂管柱4-1设置在套管4-2内，固井作业后套管4-2外形成有水泥环4-3；压裂泵组6与绝热压裂管柱4-1相连，压力传感器5设置在绝热压裂管柱4-1上，液氮供应单元7、液态二氧化碳供应单元8和含有支撑剂的液态二氧化碳供应单元9分别与压裂泵组6相连；

包括以下步骤：

步骤1.液氮降温预处理：通过液氮供应单元7、压裂泵组6向绝热压裂管柱4-1内注入液氮，并对其施加一定压力后关闭井筒4进行焖井或通过绝热压裂管柱4-1在井筒4内循环液氮；

液氮温度为-196℃，远小于地层温度，液氮在压力的作用下与所述天然气水合物储层2充分接触冷却其温度，使近井筒4附近的地层岩石孔隙水冻结、岩石骨架受冷收缩，从而增加储层2的脆性，降低储层岩石的抗拉强度和起裂压力，以便后续压裂作业顺利进行；另一方面受到液氮冷冲击作用的岩石其内部会形成大量微裂缝，利于后续压裂作业过程中主裂缝与微裂缝相互作用，形成复杂的裂缝网络。其中，所述绝热压裂管柱4-1穿设于井筒4内，如图2所示。

为了降低液氮在井筒4内从井口到目标储层流动过程中地层与井筒4之间的热量交换。在井筒4中的绝热压裂管柱4-1可以使用真空隔热油管，由于其良好的隔热效果，降低了绝热压裂管柱4-1内液氮及后续的液态二氧化碳与井筒之间的热量交换，从而保证了液氮、液态二氧化碳到达目标储层的温度在有效范围内，利于降温地层。

步骤2.液态二氧化碳压裂：在步骤1液氮降温预处理后，采取步进式压裂方法，通过液态二氧化碳供应单元8、压裂泵组6向绝热压裂管柱4-1内注入液态二氧化碳，进行压裂作业，当地层发生破裂后，继续注入液态二氧化碳，以使压裂形成的裂缝能够继续向前扩展。

施工完成后停泵，不拆压裂设备和管线，以便后续作业的顺利进行；

其中，绝热压裂管柱4-1上设置有压力传感器6，在向绝热压裂管柱4-1内注入液态二氧化碳并对其施加压力的过程中，通过压力传感器6获取井筒内的当前压力；当压力发生突降时，表明地层发生第一次破裂。当地层发生破裂的瞬间，液态二氧化碳流入地层内，从而使得井筒内的压力发生突降。因此能通过井筒内当前压力的变化来获知地层是否发生破裂。

在压裂过程中，地层内的液态二氧化碳因为其较好的流动性，能够进入到地层深处，同时由于液态二氧化碳与地层之间的热量交换，前者由于温度升高相态发生变化。液态二氧化碳向超临界态和气态转化。超临界态二氧化碳具有液体的密度、气体的流动性，可以到达更深处地层进行压裂，增加压裂改造体积；液态二氧化碳和超临界态二氧化碳向气态二氧化碳转换时，能充分气化，体积迅速膨胀压力升高使地层发生第二次破裂。在这一过程中，二氧化碳气体会向裂缝中流动，压力降低。通过压力传感器6监测井筒4内的当前压力，当压力小于预定的值时，向绝热压裂管柱4-1内注入液态二氧化碳增压以提高第二次破裂的效果。该预定的值是可以使地层发生第二次破裂的压力。地层发生的第二次破裂可以连通第一次破裂所形成的微裂纹和孔隙，有效沟通第一次破裂所形成的裂缝，以使地层内形成较为复杂的裂缝网络，提高压裂改造效果。

步骤3.携带有支撑剂的液态二氧化碳压裂：在步骤2结束后，通过含有支撑剂的液态二氧化碳供应单元9、压裂泵组6向绝热压裂管柱4-1内注入携带有支撑剂的液态二氧化碳，进行压裂作业。

此时注入的携带有支撑剂的液态二氧化碳能够通过上一压裂阶段形成的裂缝到达裂缝前缘，继而压裂较深处的地层，同时支撑剂能够在已形成的裂缝内沉降，起到支撑裂缝的作用，避免因为裂缝的闭合导致后续压裂作业的失败；

步骤4.重复循环步骤2、3，依次完成余下的天然气水合物储层压裂改造。

本发明与常规水力压裂方式相比，采用液氮作为压裂前置液，利用其低温的物理性质对我国南海海域天然气水合物储层进行降温冷却预处理。避免了由于南海海域天然气水合物储层成岩差、弱胶结等特点而导致的储层难以起裂等问题。通过液态二氧化碳对储层进行压裂改造，作业结束后能够提高地层渗透率，增加地层与井筒的沟通能力，为后续开采持续性、高效性提供保障；液态二氧化碳能够与天然气水合物发生置换反应形成二氧化碳水合物增加储层强度，在近井筒附近储层强度增加，井壁不易发生失稳等事故；液态二氧化碳在压裂过程中与地层发生热量交换其相态向超临界态和气态转变，超临界态二氧化碳能够流动到储层深处增大压裂改造体积，液态和超临界态二氧化碳向气态转变时，体积迅速增加，压力迅速升高，能够对储层进行二次压裂，沟通已形成的裂缝，增加裂缝网络复杂程度。液态二氧化碳作为一种特殊压裂液，具有较强的环境友好性，对储层污染程度低，利于后续的开采作业。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的方法，其特征在于，基于用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的装置实施，所述装置包括井筒、压力传感器、液氮供应单元、液态二氧化碳供应单元、含有支撑剂的液态二氧化碳供应单元和压裂泵组，井筒穿过储层上覆岩层到达位于储层上覆岩层和储层下覆岩层之间的天然气水合物储层，井筒包括绝热压裂管柱和套管，绝热压裂管柱设置在套管内，固井作业后套管外形成有水泥环；压裂泵组与绝热压裂管柱相连，压力传感器设置在绝热压裂管柱上，液氮供应单元、液态二氧化碳供应单元和含有支撑剂的液态二氧化碳供应单元分别与压裂泵组相连；

包括以下步骤：

（1）液氮降温预处理：启动液氮供应单元，通过压裂泵组向绝热压裂管柱内注入液氮，对注入的液氮施加压力后关闭井筒进行焖井或通过绝热压裂管柱在井筒内循环液氮；

（2）液态二氧化碳压裂液压裂：启动液态二氧化碳供应单元，采取步进式压裂方法，通过压裂泵组向绝热压裂管柱内注入液态二氧化碳压裂液，对已经通过液氮预处理后增脆的地层实施压裂改造，当地层发生破裂后，继续注入液态二氧化碳，使压裂形成的裂缝继续向前扩展；该步骤（2）具体为：首先通过压裂泵组向绝热压裂管柱内注入液体二氧化碳并对其施加压力，并通过压力传感器获取井筒内的当前压力，当压力发生突降时，表明地层发生第一次破裂；当地层发生第一次破裂后，液体二氧化碳流入地层内并进入地层深处，通过与地层进行热量交换，发生气化并体积膨胀使地层发生第二次破裂，同时二氧化碳气体向裂缝中流动，压力降低；当压力传感器检测井筒内的当前压力小于预定值时，再次向绝热压裂管柱内注入液态二氧化碳增加提高第二次破裂效果，所述压力预定值是能够使地层发生第二次破裂的压力；

（3）携带有支撑剂的液态二氧化碳压裂液压裂：在步骤（2）结束后启动含有支撑剂的液态二氧化碳供应单元，通过压裂泵组注入携带有支撑剂的液态二氧化碳压裂液压裂，继续对储层进行压裂改造；

（4）重复步骤（2）、（3），直至完成余下天然气水合物储层的压裂改造，达到预计压裂规模。

2.根据权利要求1所述的一种用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的方法，其特征在于，所述绝热压裂管柱选用真空隔热油管。

3.根据权利要求1所述的一种用于天然气水合物储层的液态二氧化碳压裂改造的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述支撑剂为密度与液态二氧化碳相适应的低密度支撑剂。

Images