CN111894540B - 一种上向钻孔负压前进式注入低温流体分段循环压裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种上向钻孔负压前进式注入低温流体分段循环压裂方法，先采用水射流割缝设备设置三个裂缝区，通过注水管注水使水压封堵器充起，从而形成三个密封压裂室，并使三个密封压裂室内处于负压状态，向三个密封压裂室内注入低温流体，低温流体依次注满各个密封压裂室，并对三个密封压裂室内的裂缝区进行冷冲击致裂，随着密封压裂室内的低温流体受地热升温气化，低温流体排气管内部气压超过安全泄压阀的开启阈值后，安全泄压阀开启使相变气体排出，从而降低低温流体排气管和各个密封压裂室内部的气压，如此重复循环，对各个密封压裂室多次进行气体膨胀力致裂。能有效保证低温流体快速注入及对煤岩体的致裂效果，而且不会对周围环境造成污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种上向钻孔负压前进式注入低温流体分段循环压裂方法，属于煤岩体增透技术领域。
背景技术
中国煤层气资源丰富，发展潜力大，可采资源量约为10.87×1012m3，未来 10～20年，中国煤层气产量将显著增长，在弥补常规油气产量短缺中扮演日益重要的角色。随着开采深度的增加，煤层中的煤层气含量、压力也逐渐增大，煤层渗透率逐渐减下，煤层气爆炸、煤与瓦斯突出等瓦斯灾害也日趋严重，煤层气抽采必不可少。通过调研发现，目前煤层气抽采普遍出现抽放浓度低、抽放量小的问题，传统增透措施多为水力化措施，如水力压裂、水射流割缝等，无法形成复杂的抽采裂隙网络且用水量巨大，压裂液还会造成地下水污染，亟需研发无水化的新型压裂技术。
低温流体具有极低的冷冲击温度，同时受热能气化膨胀，主要包括液氮、液态二氧化碳和液态氧等，以液氮为例，其常压下温度为-196℃，与固体接触时可迅速降低固体的温度，使固体收缩且沿内部径向形成热应力；同时，液氮汽化膨胀为21℃纯氮气时具有696倍的膨胀率，在有限空间内可产生巨大气压；若固体内部孔隙中有水，还会导致水冰相变产生约9%的体积膨胀，理论上能够产生高达207MPa的冻胀力。这些特性若能充分作用于储层，增透效果将十分明显。
通过调研发现，现有低温流体注井工艺，均为带压注入，最高注入压力最大可到20MPa，该压力将显著抑制低温流体与储层表面的接触，从而大大削弱因低温流体与储层温差造成的热应力。如何使得低温流体充分作用于储层表面，提高储层致裂效率，成为目前无水化增透技术研发的关键问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种上向钻孔负压前进式注入低温流体分段循环压裂方法，通过分段式低温流体注入及循环压裂过程，不仅能有效保证低温流体快速注入及对煤岩体的致裂效果，而且不会对周围环境造成污染。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种上向钻孔负压前进式注入低温流体分段循环压裂方法，具体步骤为：
A、先将水射流割缝设备伸入到上向钻孔内，以上向钻孔的轴线为中心沿垂直于上向钻孔的方向等间距的割出三个裂缝区，分别为第一裂缝区、第二裂缝区和第三裂缝区；
B、设置相变气体排出通道，相变气体排出通道由进气段、变径段和排气段组成，进气段一端和排气段一端分别连接在变径段的两端，从排气段另一端开始在相变气体排出通道的进气段上依次装有三组水压封堵装置，分别为第三水压封堵装置、第二水压封堵装置和第一水压封堵装置，且进气段另一端伸出第三水压封堵装置，其中第一水压封堵装置和第二水压封堵装置均由两个未充起的水压封堵器相互平行组成，第三水压封堵装置由一个未充起的水压封堵器组成，注水管依次与各个水压封堵器固定连接、且注水管内部分别与各个水压封堵器内部的注水通道连通，注水管与相变气体排出通道的进气段平行设置；设置低温流体注入管，低温流体注入管一端伸入第一水压封堵装置的两个水压封堵器之间；相变气体排出通道的变径段将部分注水管和部分相变气体排出通道包裹，第一水压封堵装置和第二水压封堵装置之间装有第一流通管，第一流通管一端伸入第一水压封堵装置的两个水压封堵器之间，第一流通管另一端伸入第二水压封堵装置的两个水压封堵器之间；第二水压封堵装置和第三水压封堵装置之间装有第二流通管，第二流通管一端伸入第二水压封堵装置的两个水压封堵器之间，第二流通管另一端伸出第三水压封堵装置的水压封堵器，完成压裂系统的初步组装；
C、将压裂系统中相变气体排出通道伸入上向钻孔内、且使第一裂缝区处于第一水压封堵装置的两个水压封堵器之间，第二裂缝区处于第二水压封堵装置的两个水压封堵器之间，第三裂缝区处于第三水压封堵装置的水压封堵器与上向钻孔最深处之间；然后将上向钻孔的孔口进行密封，相变气体排出通道的排气段另一端伸出上向钻孔、且与三通阀其中一个接口连接，三通阀另外两个接口分别通过管路与安全泄压阀和抽气泵连接，注水管伸出上向钻孔并与注水泵连接，注水泵装在储水箱上；低温流体注入管另一端伸出上向钻孔并与低温流体罐连通；在伸出上向钻孔的注水管、低温流体注入管和抽气泵与三通阀之间的管路上均装有控制阀，所述低温流体罐上装有空压泵，空压泵通过增压管与低温流体罐内部连通，从而完成压裂系统的布设过程；
D、先将注水管上的控制阀打开，启动注水泵将储水箱中的水以一定水压沿注水管注入各个水压封堵装置的水压封堵器内，使各个水压封堵器受力充起与上向钻孔的内壁压紧密封并保持当前水压，从而形成第一密封压裂室、第二密封压裂室和第三密封压裂室；在相变气体排出通道进气段靠近第三密封压裂室的位置设置T型热电偶，用于实时测量该位置的温度；
E、开启抽气泵与三通阀之间的控制阀并开启抽气泵，此时抽气泵通过相变气体排出通道对第一密封压裂室、第二密封压裂室和第三密封压裂室进行抽气，使第一密封压裂室、第二密封压裂室、第三密封压裂室和相变气体排出通道内处于负压状态；同时开启低温流体注入管上的控制阀及空压泵，空压泵将低温流体罐中的低温流体以一定压力沿低温流体注入管先注入第一密封压裂室，低温流体在第一密封压裂室内受热部分相变形成相变气体，相变气体受负压作用通过第一流通管进入第二密封压裂室，然后再经过第二流通管进入第三密封压裂室，最后通过相变气体排出通道从抽气泵排出；随着低温流体的持续注入，第一密封压裂室会先被低温流体注满，然后第二密封压裂室和第三密封压裂室依次被低温流体注满，当T型热电偶实时测得温度值降低至低温流体的沸点温度时，说明此时三个密封压裂室均充满低温流体，然后关闭抽气泵与三通阀之间的控制阀和抽气泵，并关闭低温流体注入管上的控制阀及空压泵，设定安全泄压阀的开启阈值，进入低温流体压裂过程；
F、在低温流体压裂过程中，低温流体首先对三个密封压裂室进行冷冲击压裂，然后随着低温流体气化增压对三个密封压裂室进行气化压裂，气化的相变气体会进入相变气体排出通道到达安全泄压阀，当相变气体排出通道内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀开启，此时相变气体排出通道内的相变气体从安全泄压阀排出，从而使相变气体排出通道和各个密封压裂室内部的气压降低，当气压低于设定的开启阈值后安全泄压阀关闭，此时低温流体在各个密封压裂室内继续气化膨胀，对各个密封压裂室周围煤岩体再次施加气体膨胀力致裂，直至相变气体排出通道内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀开启卸压，如此循环重复，对各个密封压裂室多次进行气体膨胀力致裂，直至低温流体排气管内的低温流体完全气化后安全泄压阀不再开启，完成一次分段式的低温流体冷冲击及气化致裂过程；
G、重复循环步骤E和F多次，从而进行多次分段式的低温流体冷冲击及气化致裂过程，最终完成上向钻孔的致裂过程。
进一步，所述低温流体为液氮、液态二氧化碳的其中一种。
进一步，所述水压封堵器由带有注水通道的钢制堵头和橡胶密封环组成，橡胶密封环固定在钢制堵头的外沿。水压封堵器可以采用本结构也可以采用全橡胶制备，采用本结构能有效增加水压封堵器的封堵强度及支撑强度，从而提高封堵效果。
进一步，所述安全泄压阀的开启阈值为15MPa。
与现有技术相比，本发明先采用水射流割缝设备设置三个裂缝区，然后通过低温流体注入管、注水管、水压封堵装置和相变气体排气通道组成低温流体循环压裂系统，将低温流体循环压裂系统伸入到上向钻孔内完成装配，通过注水管注水使水压封堵器充起，从而形成三个密封压裂室，每个密封压裂室分别处于三个裂缝区，然后通过抽气泵使三个密封压裂室内处于负压状态，同时通过低温流体注入管对三个密封压裂室内注入低温流体，气化的相变气体由于负压作用从低温流体排气管排出，从而保证三个密封压裂室内的气压不会过高，保证低温流体的持续注入，然后低温流体先对第一密封压裂室注满，然后依次注满第二密封压裂室和第三密封压裂室，低温流体对三个密封压裂室内的裂缝区进行冷冲击致裂，然后对整个系统密封，随着三个密封压裂室内的低温流体受地热升温气化，低温流体排气管内部气压超过安全泄压阀的开启阈值后，安全泄压阀开启使相变气体排出，从而降低低温流体排气管和各个密封压裂室内部的气压，如此重复循环，对各个密封压裂室多次进行气体膨胀力致裂，通过多次重复，最终完成上向钻孔的致裂过程。另外相变气体排出通道的变径段将注水管和低温流体注入管包裹，能有效起到降低低温流体注入管与外部的传热，从而保证低温流体在低温流体注入管内时降低其发生气化的速度，提高注入效果。因此本发明通过分段式低温流体注入及循环压裂过程，不仅能有效保证低温流体快速注入及对煤岩体的致裂效果，而且不会对周围环境造成污染。
附图说明
图1是本发明的致裂过程示意图；
图2是图1中各个密封压裂室部分的局部放大图；
图3是图1中井巷部分的局部放大图。
图中：1、裂缝区，2、煤层，3、岩石段，4、井巷，5、水压封堵器，6、低温流体注入管，7、注水管，8、相变气体排出通道，9、第一密封压裂室，10、第二密封压裂室，11、快插接头，12、第三密封压裂室，13、第二流通管，14、第一流通管，15、控制阀，16、空压泵，17、增压管，18、低温流体罐，19、储水箱，20、抽气泵，21、安全泄压阀，22、注水泵。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，本发明的具体步骤为：
A、先将水射流割缝设备伸入到上向钻孔内，以上向钻孔的轴线为中心沿垂直于上向钻孔的方向等间距的割出三个裂缝区1，分别为第一裂缝区、第二裂缝区和第三裂缝区；
B、设置相变气体排出通道8，相变气体排出通道8由进气段、变径段和排气段组成，进气段一端和排气段一端分别连接在变径段的两端，进气段采用多个圆管首位相连通过快插接头11连接组成，从排气段另一端开始在相变气体排出通道8的进气段上依次装有三组水压封堵装置，分别为第三水压封堵装置、第二水压封堵装置和第一水压封堵装置，且进气段另一端伸出第三水压封堵装置，其中第一水压封堵装置和第二水压封堵装置均由两个未充起的水压封堵器5相互平行组成，第三水压封堵装置由一个未充起的水压封堵器5组成，注水管7依次与各个水压封堵器5固定连接、且注水管7内部分别与各个水压封堵器5内部的注水通道连通，注水管7与相变气体排出通道8的进气段平行设置；设置低温流体注入管6，低温流体注入管6一端伸入第一水压封堵装置的两个水压封堵器5之间；相变气体排出通道8的变径段将部分注水管7和部分相变气体排出通道8包裹，第一水压封堵装置和第二水压封堵装置之间装有第一流通管14，第一流通管14一端伸入第一水压封堵装置的两个水压封堵器5之间，第一流通管14另一端伸入第二水压封堵装置的两个水压封堵器5之间；第二水压封堵装置和第三水压封堵装置之间装有第二流通管13，第二流通管13一端伸入第二水压封堵装置的两个水压封堵器5之间，第二流通管13另一端伸出第三水压封堵装置的水压封堵器5，完成压裂系统的初步组装；
C、将压裂系统中相变气体排出通道8伸入上向钻孔内、且使第一裂缝区处于第一水压封堵装置的两个水压封堵器5之间，第二裂缝区处于第二水压封堵装置的两个水压封堵器5之间，第三裂缝区处于第三水压封堵装置的水压封堵器5与上向钻孔最深处之间；然后将上向钻孔的孔口进行密封，相变气体排出通道8的排气段另一端伸出上向钻孔、且与三通阀其中一个接口连接，三通阀另外两个接口分别通过管路与安全泄压阀21和抽气泵20连接，注水管7伸出上向钻孔并与注水泵22连接，注水泵22装在储水箱19上；低温流体注入管6另一端伸出上向钻孔并与低温流体罐18连通；在伸出上向钻孔的注水管7、低温流体注入管6和抽气泵20与三通阀之间的管路上均装有控制阀15，所述低温流体罐18上装有空压泵16，空压泵16通过增压管17与低温流体罐18内部连通，从而完成压裂系统的布设过程；
D、先将注水管7上的控制阀15打开，启动注水泵22将储水箱19中的水以一定水压沿注水管7注入各个水压封堵装置的水压封堵器5内，使各个水压封堵器5受力充起与上向钻孔的内壁压紧密封并保持当前水压，从而形成第一密封压裂室9、第二密封压裂室10和第三密封压裂室12；在相变气体排出通道8进气段靠近第三密封压裂室12的位置设置T型热电偶，用于实时测量该位置的温度；
E、开启抽气泵20与三通阀之间的控制阀5并开启抽气泵20，此时抽气泵20通过相变气体排出通道8对第一密封压裂室9、第二密封压裂室10和第三密封压裂室12进行抽气，使第一密封压裂室9、第二密封压裂室10、第三密封压裂室12和相变气体排出通道8内处于负压状态；同时开启低温流体注入管6上的控制阀5及空压泵16，空压泵16将低温流体罐18中的低温流体以一定压力沿低温流体注入管6先注入第一密封压裂室9，低温流体在第一密封压裂室9内受热部分相变形成相变气体，相变气体受负压作用通过第一流通管14进入第二密封压裂室10，然后再经过第二流通管13进入第三密封压裂室12，最后通过相变气体排出通道8从抽气泵20排出；随着低温流体的持续注入，第一密封压裂室9会先被低温流体注满，然后第二密封压裂室10和第三密封压裂室12依次被低温流体注满，当T型热电偶实时测得温度值降低至低温流体的沸点温度时，说明此时三个密封压裂室均充满低温流体，然后关闭抽气泵20与三通阀之间的控制阀5和抽气泵20，并关闭低温流体注入管6上的控制阀5及空压泵16，设定安全泄压阀21的开启阈值，进入低温流体压裂过程；
F、在低温流体压裂过程中，低温流体首先对三个密封压裂室进行冷冲击压裂，然后随着低温流体气化增压对三个密封压裂室进行气化压裂，气化的相变气体会进入相变气体排出通道8到达安全泄压阀21，当相变气体排出通道8内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀21开启，此时相变气体排出通道8内的相变气体从安全泄压阀21排出，从而使相变气体排出通道8和各个密封压裂室内部的气压降低，当气压低于设定的开启阈值后安全泄压阀21关闭，此时低温流体在各个密封压裂室内继续气化膨胀，对各个密封压裂室周围煤岩体再次施加气体膨胀力致裂，直至相变气体排出通道8内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀21开启卸压，如此循环重复，对各个密封压裂室多次进行气体膨胀力致裂，直至低温流体排气管8内的低温流体完全气化后安全泄压阀21不再开启，完成一次分段式的低温流体冷冲击及气化致裂过程；
G、重复循环步骤E和F多次，从而进行多次分段式的低温流体冷冲击及气化致裂过程，最终完成上向钻孔的致裂过程。
上述的水压封堵器5为现有部件。
进一步，所述低温流体为液氮、液态二氧化碳的其中一种。
进一步，所述水压封堵器5由带有注水通道的钢制堵头和橡胶密封环组成，橡胶密封环固定在钢制堵头的外沿。水压封堵器5可以采用本结构也可以采用全橡胶制备，采用本结构能有效增加水压封堵器的封堵强度及支撑强度，从而提高封堵效果。
进一步，所述安全泄压阀21的开启阈值为15MPa。
Claims (4)
1.一种上向钻孔负压前进式注入低温流体分段循环压裂方法，其特征在于，具体步骤为：
A、先将水射流割缝设备伸入到上向钻孔内，以上向钻孔的轴线为中心沿垂直于上向钻孔的方向等间距的割出三个裂缝区，分别为第一裂缝区、第二裂缝区和第三裂缝区；
B、设置相变气体排出通道，相变气体排出通道由进气段、变径段和排气段组成，进气段一端和排气段一端分别连接在变径段的两端，从排气段另一端开始在相变气体排出通道的进气段上依次装有三组水压封堵装置，分别为第三水压封堵装置、第二水压封堵装置和第一水压封堵装置，且进气段另一端伸出第三水压封堵装置，其中第一水压封堵装置和第二水压封堵装置均由两个未充起的水压封堵器相互平行组成，第三水压封堵装置由一个未充起的水压封堵器组成，注水管依次与各个水压封堵器固定连接、且注水管内部分别与各个水压封堵器内部的注水通道连通，注水管与相变气体排出通道的进气段平行设置；设置低温流体注入管，低温流体注入管一端伸入第一水压封堵装置的两个水压封堵器之间；相变气体排出通道的变径段将部分注水管和部分相变气体排出通道包裹，第一水压封堵装置和第二水压封堵装置之间装有第一流通管，第一流通管一端伸入第一水压封堵装置的两个水压封堵器之间，第一流通管另一端伸入第二水压封堵装置的两个水压封堵器之间；第二水压封堵装置和第三水压封堵装置之间装有第二流通管，第二流通管一端伸入第二水压封堵装置的两个水压封堵器之间，第二流通管另一端伸出第三水压封堵装置的水压封堵器，完成压裂系统的初步组装；
C、将压裂系统中相变气体排出通道伸入上向钻孔内、且使第一裂缝区处于第一水压封堵装置的两个水压封堵器之间，第二裂缝区处于第二水压封堵装置的两个水压封堵器之间，第三裂缝区处于第三水压封堵装置的水压封堵器与上向钻孔最深处之间；然后将上向钻孔的孔口进行密封，相变气体排出通道的排气段另一端伸出上向钻孔、且与三通阀其中一个接口连接，三通阀另外两个接口分别通过管路与安全泄压阀和抽气泵连接，注水管伸出上向钻孔并与注水泵连接，注水泵装在储水箱上；低温流体注入管另一端伸出上向钻孔并与低温流体罐连通；在伸出上向钻孔的注水管、低温流体注入管和抽气泵与三通阀之间的管路上均装有控制阀，所述低温流体罐上装有空压泵，空压泵通过增压管与低温流体罐内部连通，从而完成压裂系统的布设过程；
D、先将注水管上的控制阀打开，启动注水泵将储水箱中的水以一定水压沿注水管注入各个水压封堵装置的水压封堵器内，使各个水压封堵器受力充起与上向钻孔的内壁压紧密封并保持当前水压，从而形成第一密封压裂室、第二密封压裂室和第三密封压裂室；在相变气体排出通道进气段靠近第三密封压裂室的位置设置T型热电偶，用于实时测量该位置的温度；
E、开启抽气泵与三通阀之间的控制阀并开启抽气泵，此时抽气泵通过相变气体排出通道对第一密封压裂室、第二密封压裂室和第三密封压裂室进行抽气，使第一密封压裂室、第二密封压裂室、第三密封压裂室和相变气体排出通道内处于负压状态；同时开启低温流体注入管上的控制阀及空压泵，空压泵将低温流体罐中的低温流体以一定压力沿低温流体注入管先注入第一密封压裂室，低温流体在第一密封压裂室内受热部分相变形成相变气体，相变气体受负压作用通过第一流通管进入第二密封压裂室，然后再经过第二流通管进入第三密封压裂室，最后通过相变气体排出通道从抽气泵排出；随着低温流体的持续注入，第一密封压裂室会先被低温流体注满，然后第二密封压裂室和第三密封压裂室依次被低温流体注满，当T型热电偶实时测得温度值降低至低温流体的沸点温度时，说明此时三个密封压裂室均充满低温流体，然后关闭抽气泵与三通阀之间的控制阀和抽气泵，并关闭低温流体注入管上的控制阀及空压泵，设定安全泄压阀的开启阈值，进入低温流体压裂过程；
F、在低温流体压裂过程中，低温流体首先对三个密封压裂室进行冷冲击压裂，然后随着低温流体气化增压对三个密封压裂室进行气化压裂，气化的相变气体会进入相变气体排出通道到达安全泄压阀，当相变气体排出通道内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀开启，此时相变气体排出通道内的相变气体从安全泄压阀排出，从而使相变气体排出通道和各个密封压裂室内部的气压降低，当气压低于设定的开启阈值后安全泄压阀关闭，此时低温流体在各个密封压裂室内继续气化膨胀，对各个密封压裂室周围煤岩体再次施加气体膨胀力致裂，直至相变气体排出通道内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀开启卸压，如此循环重复，对各个密封压裂室多次进行气体膨胀力致裂，直至低温流体排气管内的低温流体完全气化后安全泄压阀不再开启，完成一次分段式的低温流体冷冲击及气化致裂过程；
G、重复循环步骤E和F多次，从而进行多次分段式的低温流体冷冲击及气化致裂过程，最终完成上向钻孔的致裂过程。
2.根据权利要求1所述的一种上向钻孔负压前进式注入低温流体分段循环压裂方法，其特征在于，所述低温流体为液态氮、液态二氧化碳的其中一种。
3. 根据权利要求1 所述的一种上向钻孔负压前进式注入低温流体分段循环压裂方法，其特征在于，所述水压封堵器由带有注水通道的钢制堵头和橡胶密封环组成，橡胶密封环固定在钢制堵头的外沿。
4. 根据权利要求1 所述的一种上向钻孔负压前进式注入低温流体分段循环压裂方法，其特征在于，所述安全泄压阀的开启阈值为15MPa。
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