CN111894542B - 一种用于水平井的低温流体强化注入冰堵压裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水平井的低温流体强化注入冰堵压裂方法，采用水力割缝设备设置多个裂缝区，通过注水管注水使水压封堵器充起形成密封压裂室，对密封压裂室内注入低温流体，气化的相变气体能及时从低温流体排气管排出，低温流体将密封压裂室注满后对裂缝区进行冷冲击致裂，水压封堵器接触到低温流体后温度快速下降，使其内部的水变成冰，会进一步增大水压封堵器与水平钻井内壁之间的压紧力，确保密封效果；当低温流体排气管内部气压超过安全泄压阀的开启阈值后，通过安全泄压阀的多次开启，对密封压裂室多进行气体膨胀力致裂。不仅便于低温流体快速注入，同时通过冰堵的方式保证低温流体循环压裂后的致裂效果，而且不会对周围环境造成污染。

Description

一种用于水平井的低温流体强化注入冰堵压裂方法

技术领域

本发明涉及一种用于水平井的低温流体强化注入冰堵压裂方法，属于煤岩体增透技术领域。

背景技术

中国非常规天然气资源丰富，发展潜力大，其中煤层气可采资源量约为10.87×10¹²m³,页岩气可采资源量为15×10¹²～25×10¹²m³，未来10～20年，中国非常规天然气产量将显著增长，在弥补常规油气产量短缺中扮演日益重要的角色。虽然我国非常规天然气资源储量虽大，但储层复杂且致密，储集空间主体为纳米级孔喉系统，局部发育微米～毫米级孔隙。因此，强化增透措施对于开发这类能源至关重要。国外页岩气规模开发的成功，离不开水力压裂增透技术，但同时问题也显露出来，如：压裂液泄露污染地下水体、水敏性地层孔隙堵塞、坚硬地层内启动压力高、水资源大量浪费等。

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℃纯气体时具有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，本发明提供一种用于水平井的低温流体强化注入冰堵压裂方法，通过抽气使钻井内处于负压状态，便于低温流体快速注入，同时通过冰堵的方式保证低温流体循环压裂后的致裂效果，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：一种用于水平井的低温流体强化注入冰堵压裂方法，具体步骤为：

A、先从地面钻井将水力割缝设备伸入到达水平钻井内，以水平钻井的轴线为中心沿垂直于水平钻井的方向等间距的割出多个裂缝区；

B、选择多个低温流体管首尾相连组成低温流体通道，低温流体通道分成水平段和竖直段，在低温流体通道的水平段上装有未充起的水压封堵器，注水管一端与水压封堵器固定连接、且注水管内部与水压封堵器内部的注水通道连通，注水管与低温流体通道平行设置；设置低温流体排气管，低温流体排气管由排气段、变径段和进气段组成，排气段一端和进气段一端分别连接在变径段的两端，其中变径段将注水管和大部分低温流体通道包裹，进气段另一端穿过水压封堵器，完成压裂系统的初步组装；

C、先将钻井封堵装置放置到水平钻井内，并通过其密封球密封固定在所处位置，将压裂系统中低温流体通道从地面钻井伸入达到水平钻井内、且至少两个裂缝区处于钻井封堵装置和水压封堵器之间；然后将地面钻井的井口进行密封，低温流体排气管的排气段另一端伸出地面钻井、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，注水管伸出地面钻井并与注水泵连接，注水泵装在储水车上；低温流体通道的竖直段伸出地面钻井并与低温流体泵连接，低温流体泵装在低温流体车上；在伸出地面钻井的注水管、低温流体通道和抽气泵与三通阀之间的管路上均装有控制阀，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，启动注水泵将储水车中的水以一定水压沿水管注入水压封堵器内，使水压封堵器受力充起与水平钻井的内壁压紧密封并保持当前水压，从而在水压封堵器与钻井封堵装置之间形成密封压裂室；在低温流体排气管进气段靠近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、先开启低温流体通道上的控制阀及低温流体泵，低温流体泵将低温流体车中的低温流体以一定压力沿低温流体通道注入密封压裂室，低温流体在密封压裂室内受热部分相变形成相变气体，然后开启抽气泵与三通阀之间的控制阀和抽气泵，此时抽气泵通过低温流体排气管对密封压裂室进行抽气，可以促进压裂室内低温流体相变气体的排出；同时水压封堵器接触到低温流体后温度快速下降，使其内部的水变成冰，从而进一步增大水压封堵器与水平钻井内壁之间的压紧力，确保密封效果；随着低温流体的持续注入，密封压裂室逐渐被低温流体注满，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，说明此时密封压裂室内充满低温流体，然后关闭抽气泵与三通阀之间的控制阀和抽气泵，并关闭低温流体通道上的控制阀及低温流体泵，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密封压裂室进行气化压裂，气化的相变气体会进入低温流体排气管到达安全泄压阀，当低温流体排气管内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀开启，此时低温流体排气管内的相变气体从安全泄压阀排出，从而使低温流体排气管和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，此时低温流体在密封压裂室内继续气化膨胀，对密封压裂室周围煤岩体再次施加气体膨胀力致裂，直至低温流体排气管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，从而进行多次低温流体冷冲击及气化致裂过程，最终完成该位置的致裂过程；

H、将压裂系统从地面钻井内取出，此时通过调节钻井封堵装置的密封球使其在水平钻井内移动一定距离后，再次调节密封球使钻井封堵装置密封固定在所处位置，然后重复步骤C至H，如此重复，直至完成整个水平钻井的致裂过程。

进一步，所述低温流体为液态氮、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30MPa。

与现有技术相比，本发明先采用水力割缝设备设置多个裂缝区，然后通过低温流体通道、注水管、水压封堵器和低温流体排气管组成低温流体循环压裂系统，将低温流体循环压裂系统从地面钻井伸入到水平钻井内完成装配，通过注水管注水使水压封堵器充起，从而使水压封堵器和钻井封堵装置之间形成密封压裂室，且使密封压裂室内有至少两个裂缝区，然后通过抽气泵促进相变气体排出，同时通过低温流体通道对密封压裂室内注入低温流体，气化的相变气体由于及时从低温流体排气管排出，从而保证密封压裂室内的气压不会过高，保证低温流体的快速且持续注入，然后低温流体将密封压裂室注满，并对密封压裂室内的裂缝区进行冷冲击致裂，然后对系统密封，其中水压封堵器接触到低温流体后温度快速下降，使其内部的水变成冰，由于冰的密度小于水，导致相变成冰的体积增大，因此会进一步增大水压封堵器与水平钻井内壁之间的压紧力，确保密封效果；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密封压裂室内部的气压，如此重复循环，对密封压裂室多次进行气体膨胀力致裂，通过多次重复，最终完成水平钻井的致裂过程。另外低温流体排气管的变径段将注水管和低温流体通道包裹，能有效起到降低低温流体通道与外部的传热，从而保证低温流体在低温流体通道内时降低其发生气化的速度，提高注入效果。因此本发明通过抽气使钻井内处于负压状态，便于低温流体快速注入，同时通过冰堵的方式保证低温流体循环压裂后的致裂效果，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中水平钻井部分的放大图。

图中：1、储水车，2、低温流体车，3、低温流体泵，4、低温流体通道，5、控制阀，6、变径段，7、水泥壁，8、排气段，9、注水管，10、安全泄压阀，11、抽气泵，12、注水泵，13、水平储层，14、钻井封堵装置，15、裂缝区，16、密封压裂室，17、水压封堵器，18、进气段。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明的具体步骤为：

A、先从地面钻井将水力割缝设备伸入到达水平钻井内，以水平钻井的轴线为中心沿垂直于水平钻井的方向等间距的割出多个裂缝区15；

B、选择多个低温流体管首尾相连组成低温流体通道4，低温流体通道4分成水平段和竖直段，在低温流体通道4的水平段上装有未充起的水压封堵器17，注水管9一端与水压封堵器17固定连接、且注水管9内部与水压封堵器17内部的注水通道连通，注水管9与低温流体通道4平行设置；设置低温流体排气管，低温流体排气管由排气段8、变径段6和进气段18组成，排气段8一端和进气段18一端分别连接在变径段6的两端，其中变径段6将注水管9和大部分低温流体通道4包裹，进气段18另一端穿过水压封堵器17，完成压裂系统的初步组装；

C、先将钻井封堵装置14放置到水平钻井内，并通过其密封球密封固定在所处位置，将压裂系统中低温流体通道4从地面钻井伸入达到水平钻井内、且至少两个裂缝区15处于钻井封堵装置14和水压封堵器17之间；然后将地面钻井的井口进行密封，低温流体排气管的排气段8另一端伸出地面钻井、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10和抽气泵11连接，注水管9伸出地面钻井并与注水泵12连接，注水泵12装在储水车1上；低温流体通道4的竖直段伸出地面钻井并与低温流体泵3连接，低温流体泵3装在低温流体车2上；在伸出地面钻井的注水管9、低温流体通道4和抽气泵11与三通阀之间的管路上均装有控制阀5，从而完成压裂系统的布设过程；

D、先将注水管9上的控制阀5打开，启动注水泵12将储水车1中的水以一定水压沿水管注入水压封堵器17内，使水压封堵器17受力充起与水平钻井的内壁压紧密封并保持当前水压，从而在水压封堵器17与钻井封堵装置14之间形成密封压裂室16；在低温流体排气管进气段18靠近密封压裂室16的位置设置T型热电偶，用于实时测量该位置的温度；

E、先开启低温流体通道4上的控制阀5及低温流体泵3，低温流体泵3将低温流体车2中的低温流体以一定压力沿低温流体通道4注入密封压裂室16，低温流体在密封压裂室16内受热部分相变形成相变气体，然后开启抽气泵11与三通阀之间的控制阀5和抽气泵11，此时抽气泵11通过低温流体排气管对密封压裂室16进行抽气，促进相变相变气体沿低温流体排气管从抽气泵11排出；同时水压封堵器17接触到低温流体后温度快速下降，使其内部的水变成冰，从而进一步增大水压封堵器17与水平钻井内壁之间的压紧力，确保密封效果；随着低温流体的持续注入，密封压裂室16逐渐被低温流体注满，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，说明此时密封压裂室16内充满低温流体，然后关闭抽气泵11与三通阀之间的控制阀5和抽气泵11，并关闭低温流体通道4上的控制阀5及低温流体泵3，设定安全泄压阀10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，低温流体首先对密封压裂室16进行冷冲击压裂，然后随着低温流体气化增压对密封压裂室16进行气化压裂，气化的相变气体会进入低温流体排气管到达安全泄压阀10，当低温流体排气管内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀10开启，此时低温流体排气管内的相变气体从安全泄压阀10排出，从而使低温流体排气管和密封压裂室16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10关闭，此时低温流体在密封压裂室16内继续气化膨胀，对密封压裂室16周围煤岩体再次施加气体膨胀力致裂，直至低温流体排气管内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀10开启卸压，如此循环重复，对密封压裂室16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10不再开启，完成一次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，从而进行多次低温流体冷冲击及气化致裂过程，最终完成该位置的致裂过程；

H、将压裂系统从地面钻井内取出，此时通过调节钻井封堵装置14的密封球使其在水平钻井内移动一定距离后，再次调节密封球使钻井封堵装置14密封固定在所处位置，然后重复步骤C至H，如此重复，直至完成整个水平钻井的致裂过程。

上述的水压封堵器17和钻井封堵装置14为现有部件。

进一步，所述低温流体为液态氮、液态二氧化碳的其中一种。

进一步，所述水压封堵器17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17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17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10的开启阈值为30MPa。

Claims (4)

1.一种用于水平井的低温流体强化注入冰堵压裂方法，其特征在于，具体步骤为：

A、先从地面钻井将水力割缝设备伸入到达水平钻井内，以水平钻井的轴线为中心沿垂直于水平钻井的方向等间距的割出多个裂缝区；

B、选择多个低温流体管首尾相连组成低温流体通道，低温流体通道分成水平段和竖直段，在低温流体通道的水平段上装有未充起的水压封堵器，注水管一端与水压封堵器固定连接、且注水管内部与水压封堵器内部的注水通道连通，注水管与低温流体通道平行设置；设置低温流体排气管，低温流体排气管由排气段、变径段和进气段组成，排气段一端和进气段一端分别连接在变径段的两端，其中变径段将注水管和大部分低温流体通道包裹，进气段另一端穿过水压封堵器，完成压裂系统的初步组装；

C、先将钻井封堵装置放置到水平钻井内，并通过其密封球密封固定在所处位置，将压裂系统中低温流体通道从地面钻井伸入达到水平钻井内、且至少两个裂缝区处于钻井封堵装置和水压封堵器之间；然后将地面钻井的井口进行密封，低温流体排气管的排气段另一端伸出地面钻井、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，注水管伸出地面钻井并与注水泵连接，注水泵装在储水车上；低温流体通道的竖直段伸出地面钻井并与低温流体泵连接，低温流体泵装在低温流体车上；在伸出地面钻井的注水管、低温流体通道和抽气泵与三通阀之间的管路上均装有控制阀，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，启动注水泵将储水车中的水以一定水压沿注水管注入水压封堵器内，使水压封堵器受力充起与水平钻井的内壁压紧密封并保持当前水压，从而在水压封堵器与钻井封堵装置之间形成密封压裂室；在低温流体排气管进气段靠近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、先开启低温流体通道上的控制阀及低温流体泵，低温流体泵将低温流体车中的低温流体以一定压力沿低温流体通道注入密封压裂室，低温流体在密封压裂室内受热部分相变形成相变气体，然后开启抽气泵与三通阀之间的控制阀和抽气泵，此时抽气泵通过低温流体排气管对密封压裂室进行抽气，能促进密封压裂室内低温流体相变气体的排出；同时水压封堵器接触到低温流体后温度快速下降，使其内部的水变成冰，从而进一步增大水压封堵器与水平钻井内壁之间的压紧力，确保密封效果；随着低温流体的持续注入，密封压裂室逐渐被低温流体注满，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，说明此时密封压裂室内充满低温流体，然后关闭抽气泵与三通阀之间的控制阀和抽气泵，并关闭低温流体通道上的控制阀及低温流体泵，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密封压裂室进行气化压裂，气化的相变气体会进入低温流体排气管到达安全泄压阀，当低温流体排气管内的气压超过设定的开启阈值，则安全泄压阀开启，此时低温流体排气管内的相变气体从安全泄压阀排出，从而使低温流体排气管和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，此时低温流体在密封压裂室内继续气化膨胀，对密封压裂室周围煤岩体再次施加气体膨胀力致裂，直至低温流体排气管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，从而进行多次低温流体冷冲击及气化致裂过程，最终完成该位置的致裂过程；

H、将压裂系统从地面钻井内取出，此时通过调节钻井封堵装置的密封球使其在水平钻井内移动一定距离后，再次调节密封球使钻井封堵装置密封固定在所处位置，然后重复步骤C至H，如此重复，直至完成整个水平钻井的致裂过程。

2. 根据权利要求1 所述的一种用于水平井的低温流体强化注入冰堵压裂方法，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 所述的一种用于水平井的低温流体强化注入冰堵压裂方法，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 所述的一种用于水平井的低温流体强化注入冰堵压裂方法，其特征在于，所述安全泄压阀的开启阈值为30MPa。

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