CN111980649B - 一种水平井低温流体强化换热致裂方法 - Google Patents

一种水平井低温流体强化换热致裂方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水平井低温流体强化换热致裂方法，采用射孔枪设置多个裂缝区，通过注水管注水使水压封堵器充起形成密封压裂室，先对密封压裂室内注满过冷水，然后向处于密封压裂室内的热交换段内部注入低温流体，过冷水通过换热翅片与低温流体进行热交换，此时过冷水的温度快速下降，使水相变成冰，相变后体积增大从而利用其冰胀力对密封压裂室进行压裂，同时经过热交换后低温流体会相变形成气体，受负压影响使气体依次经过气体排出管、井内环空和抽气管排出，持续一段时间后完成冰胀致裂过程。不仅能有效保证煤岩体的致裂效果及降低水力压裂所需的高压，而且由于过冷水无化学剂添加，因此泄漏后不会对周围环境造成污染。

Description

一种水平井低温流体强化换热致裂方法
技术领域
本发明涉及一种水平井低温流体强化换热致裂方法，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：压裂液内添加特殊化学试剂，一旦泄露会污染地下水体，并且水力压裂在坚硬地层内启动压力高、水资源大量浪费等。
另外现有水力压裂均是通过高压水对煤岩层进行压裂，因此需要持续较大的高压，才能保证水对煤岩层的持续压裂，这样导致耗能较大；因此如何有效降低水力压裂过程中的耗能及防止泄漏后污染地下水体使本行业的研究方向。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种水平井低温流体强化换热致裂方法，通过过冷水与低温流体进行热交换，利用过冷水相变产生的冻胀力进行压裂过程，不仅能有效保证煤岩体的致裂效果及降低水力压裂所需的高压，而且由于过冷水无化学剂添加，因此泄漏后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：一种水平井低温流体强化换热致裂方法，具体步骤为：
A、先从地面钻井将射孔枪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、设置低温流体通道，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，水压封堵器侧部设有排气管，排气管上装有湿度传感器和电控阀，水压封堵器将低温流体通道的水平段分隔成热交换段和气体排出段，低温流体通道的热交换段内部设有气体排出管，气体排出管一端与热交换段内部连通，气体排出管另一端固定在低温流体通道的气体排出段、且其伸出气体排出段外；热交换段外表面均匀分布有多个换热翅片；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；设置过冷水管，过冷水管与低温流体通道平行设置、且过冷水管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，过冷水管另一端伸出地面钻井并与过冷水泵连接，过冷水泵装在过冷水存储车上；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罐车上；注水管另一端伸出地面钻井并与注水泵连接，注水泵装在水箱上；设置抽气管，将抽气管一端伸入地面钻井与井内环空连接，抽气管另一端与抽气泵连接；在处于地面钻井外部的过冷水管、注水管、低温流体通道和抽气管上均装有控制阀，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，启动注水泵将水箱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，关闭注水泵及控制阀使其保持当前水压，从而在水压封堵器与钻井封堵装置之间形成密封压裂室，使低温流体通道的热交换段处于密封压裂室内；
E、开启过冷水管上的控制阀及过冷水泵，使过冷水存储车内的过冷水以一定水压沿过冷水管注入密封压裂室内，密封压裂室内的气体从排气管排出，直至排气管处装有的湿度传感器检测到有水流出时，使其电控阀关闭；过冷水继续注入密封压裂室，直至过冷水管内的水压达到2MPa时停止过冷水泵工作，并关闭过冷水管上的控制阀，保持过冷水管内的水压，此时密封压裂室内注满过冷水；
F、开启低温流体泵、抽气泵、低温流体通道上的控制阀和抽气管上的控制阀，抽气泵通过抽气管对井内环空抽气，使其处于负压状态，进而使与井内环空连通的气体排出管内处于负压状态；同时低温流体从低温流体通道的竖直段流动到低温流体通道的热交换段，进而低温流体将温度传递给各个换热翅片，处于密封压裂室内的过冷水通过换热翅片与低温流体进行热交换，此时过冷水的温度快速下降，使水相变成冰，相变后体积增大从而利用其冰胀力对密封压裂室进行压裂，同时经过热交换后低温流体会相变形成气体，由于气体排出管处于负压状态，使气体依次经过气体排出管、井内环空和抽气管，最后从抽气泵排出；同时水压封堵器在低温流体流经时温度快速下降，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；如此持续一定时间后，停止低温流体泵和抽气泵，完成一次过冷水冰胀致裂过程；
G、间隔一段时间(随着时间推移，冰受地热影响会再次融化及裂隙的扩大，使其冰胀力降低)重复步骤E和F，如此循环多次，从而进行多次过冷水冰胀致裂过程，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G，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，所述过冷水为预冷至温度为0℃或接近0℃的低温水。
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。
与现有技术相比，本发明先采用射孔枪设置多个裂缝区，然后通过低温流体通道、注水管、抽气管、过冷水管、水压封堵器和换热翅片组成冰胀压裂系统，将冰胀压裂系统从地面钻井伸入到水平钻井内完成装配，通过注水管注水使橡胶封堵器充起，从而在水压封堵器与钻井封堵装置之间形成密封压裂室，通过过冷水管向密封压裂室内注入过冷水，直至过冷水注满密封压裂室，且过冷水管内的水压达到2MPa时完成注入过程；最后将低温流体从低温流体通道的竖直段流动到低温流体的热交换段，同时使井内环空及气体排出管均处于负压状态，处于密封压裂室内的过冷水通过换热翅片与低温流体进行热交换，此时过冷水的温度快速下降，使水相变成冰，进而使其体积膨胀约9％，理论上能够产生高达207MPa的冻胀力，从而利用其冰胀力对密封压裂室进行压裂，同时经过热交换的低温流体相变形成的气体，由于气体排出管处于负压状态，使气体依次经过气体排出管、井内环空和抽气管排出；同时水压封堵器在低温流体流经时温度快速下降，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；如此持续一定时间后，停止低温流体泵和抽气泵，完成该位置的过冷水冰胀致裂过程；调整钻井封堵装置的位置并重复上述致裂过程，直至完成整个水平钻井的致裂。因此本发明通过过冷水与低温流体进行热交换，利用过冷水相变产生的冻胀力进行压裂过程，不仅能有效保证煤岩体的致裂效果及降低水力压裂所需的高压，而且由于过冷水无化学剂添加，因此泄漏后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、过冷水存储车，2、过冷水泵，3、过冷水管，4、低温流体通道，5、低温流体泵，6、低温流体罐车，7、井内环空，8、注水管，9、注水泵，10、水箱，11、抽气管，12、抽气泵，13、钻井封堵装置，14、水压封堵器，15、排气管，16、换热翅片，17、密封压裂室，18、气体排出管，19、裂缝区。
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、先从地面钻井将射孔枪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19；
B、设置低温流体通道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14，水压封堵器14侧部设有排气管，排气管15上装有湿度传感器和电控阀，水压封堵器14将低温流体通道4的水平段分隔成热交换段和气体排出段，低温流体通道4的热交换段内部设有气体排出管18，气体排出管18一端与热交换段内部连通，气体排出管18另一端固定在低温流体通道4的气体排出段、且其伸出气体排出段外；热交换段外表面均匀分布有多个换热翅片16；注水管8一端与水压封堵器14固定连接、且注水管8内部与水压封堵器14内部的注水通道连通，注水管8与低温流体通道4平行设置；设置过冷水管3，过冷水管3与低温流体通道4平行设置、且过冷水管3一端穿过水压封堵器14，完成压裂系统的初步组装；
C、先将钻井封堵装置13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19处于钻井封堵装置13和水压封堵器14之间；然后将地面钻井的井口进行密封，过冷水管3另一端伸出地面钻井并与过冷水泵2连接，过冷水泵2装在过冷水存储车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5连接，低温流体泵5装在低温流体罐车6上；注水管8另一端伸出地面钻井并与注水泵9连接，注水泵9装在水箱10上；设置抽气管11，将抽气管11一端伸入地面钻井与井内环空7连接，抽气管11另一端与抽气泵12连接；在处于地面钻井外部的过冷水管3、注水管8、低温流体通道4和抽气管11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8上的控制阀打开，启动注水泵9将水箱10中的水以一定水压沿注水管8注入水压封堵器14内，使水压封堵器14受力充起与水平钻井的内壁压紧密封，关闭注水泵9及控制阀使其保持当前水压，从而在水压封堵器14与钻井封堵装置13之间形成密封压裂室17，使低温流体通道4的热交换段处于密封压裂室17内；
E、开启过冷水管3上的控制阀及过冷水泵2，使过冷水存储车1内的过冷水以一定水压沿过冷水管3注入密封压裂室17内，密封压裂室17内的气体从排气管15排出，直至排气管15处装有的湿度传感器检测到有水流出时，使其电控阀关闭；过冷水继续注入密封压裂室17，直至过冷水管3内的水压达到2MPa时停止过冷水泵2工作，并关闭过冷水管3上的控制阀，保持过冷水管3内的水压，此时密封压裂室17内注满过冷水；
F、开启低温流体泵5、抽气泵12、低温流体通道4上的控制阀和抽气管11上的控制阀，抽气泵12通过抽气管11对井内环空7抽气，使其处于负压状态，进而使与井内环空7连通的气体排出管18内处于负压状态；同时低温流体从低温流体通道4的竖直段流动到低温流体通道4的热交换段，进而低温流体将温度传递给各个换热翅片16，处于密封压裂室17内的过冷水通过换热翅片16与低温流体进行热交换，此时过冷水的温度快速下降，使水相变成冰，相变后体积增大从而利用其冰胀力对密封压裂室17进行压裂，同时经过热交换后低温流体会相变形成气体，由于气体排出管18处于负压状态，使气体依次经过气体排出管18、井内环空7和抽气管11，最后从抽气泵12排出；同时水压封堵器14在低温流体流经时温度快速下降，使其内部的水变成冰，从而进一步增大水压封堵器14与水平钻井内壁之间的压紧力，确保密封效果；如此持续一定时间后，停止低温流体泵5和抽气泵12，完成一次过冷水冰胀致裂过程；
G、间隔一段时间(随着时间推移，冰受地热影响会再次融化及裂隙的扩大，使其冰胀力降低)重复步骤E和F，如此循环多次，从而进行多次过冷水冰胀致裂过程，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13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13密封固定在所处位置，然后重复步骤C至G，如此重复，直至完成整个水平钻井的致裂过程。
上述的换热翅片16、水压封堵器14和钻井封堵装置13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，所述过冷水为预冷至温度为0℃或接近0℃的低温水。
进一步，所述水压封堵器14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14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14的封堵强度及支撑强度，从而提高封堵效果。

Claims (4)

1.一种水平井低温流体强化换热致裂方法，其特征在于，具体步骤为：
A、先从地面钻井将射孔枪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割出多圈裂缝形成一个裂缝区，并在水平钻井的轴线方向上等间距的割出多个裂缝区；
B、设置低温流体通道，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，水压封堵器侧部设有排气管，排气管上装有湿度传感器和电控阀，水压封堵器将低温流体通道的水平段分隔成热交换段和气体排出段，低温流体通道的热交换段内部设有气体排出管，气体排出管一端与热交换段内部连通，气体排出管另一端固定在低温流体通道的气体排出段、且其伸出气体排出段外；热交换段外表面均匀分布有多个换热翅片；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；设置过冷水管，过冷水管与低温流体通道平行设置、且过冷水管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，过冷水管另一端伸出地面钻井并与过冷水泵连接，过冷水泵装在过冷水存储车上；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罐车上；注水管另一端伸出地面钻井并与注水泵连接，注水泵装在水箱上；设置抽气管，将抽气管一端伸入地面钻井与井内环空连接，抽气管另一端与抽气泵连接；在处于地面钻井外部的过冷水管、注水管、低温流体通道和抽气管上均装有控制阀，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，启动注水泵将水箱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，关闭注水泵及控制阀使其保持当前水压，从而在水压封堵器与钻井封堵装置之间形成密封压裂室，使低温流体通道的热交换段处于密封压裂室内；
E、开启过冷水管上的控制阀及过冷水泵，使过冷水存储车内的过冷水以一定水压沿过冷水管注入密封压裂室内，密封压裂室内的气体从排气管排出，直至排气管处装有的湿度传感器检测到有水流出时，使其电控阀关闭；过冷水继续注入密封压裂室，直至过冷水管内的水压达到2MPa时停止过冷水泵工作，并关闭过冷水管上的控制阀，保持过冷水管内的水压，此时密封压裂室内注满过冷水；
F、开启低温流体泵、抽气泵、低温流体通道上的控制阀和抽气管上的控制阀，抽气泵通过抽气管对井内环空抽气，使其处于负压状态，进而使与井内环空连通的气体排出管内处于负压状态；同时低温流体从低温流体通道的竖直段流动到低温流体通道的热交换段，进而低温流体将温度传递给各个换热翅片，处于密封压裂室内的过冷水通过换热翅片与低温流体进行热交换，此时过冷水的温度快速下降，使水相变成冰，相变后体积增大从而利用其冰胀力对密封压裂室进行压裂，同时经过热交换后低温流体会相变形成气体，由于气体排出管处于负压状态，使气体依次经过气体排出管、井内环空和抽气管，最后从抽气泵排出；同时水压封堵器在低温流体流经时温度快速下降，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；如此持续一定时间后，停止低温流体泵和抽气泵，完成一次过冷水冰胀致裂过程；
G、间隔一段时间重复步骤E和F，如此循环多次，从而进行多次过冷水冰胀致裂过程，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G，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 所述的一种水平井低温流体强化换热致裂方法，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 所述的一种水平井低温流体强化换热致裂方法，其特征在于，所述过冷水为预冷至温度为0℃或接近0℃的低温水。
4. 根据权利要求1 所述的一种水平井低温流体强化换热致裂方法，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。
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