CN112523735A - 一种用于页岩储层改造的压裂方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于页岩储层改造的压裂方法，步骤一：确定压裂位置并安放井下压裂工具；步骤二：使用低温氮气对压裂管柱和井筒进行循环降温处理；步骤三：向井筒内持续泵注低温空气进行低温空气压裂；步骤四：先降低注入压力，再持续注入低温空气进行低温空气冷冻；步骤五：持续泵注低温空气进行低温空气压裂；步骤六：重复步骤三至五，完成作业层段的低温空气压裂作业；步骤七：预定层段压裂结束后，关井升温；步骤八：打开井口，使空气向地面返排；步骤九：对井下空气和甲烷混合气体进行点火，使其在井底燃爆；步骤十：将压裂工具移动到下一层段，重复步骤二至九，直至完成所有层段的压裂作业。该方法能有效提高储层裂缝的复杂程度和页岩气井的开采效率。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气开发及页岩气储层压裂改造技术技术领域，具体涉及一种用于页岩储层改造的压裂方法及装置。
背景技术
页岩气作为一种清洁、高效能源，已经成为世界天然气的重要增长点。我国页岩气资源潜力巨大，地质资源量约为134.42×1012m3，可采资源量约为25.08×1012m3，实现其规模化开发对于推进国家能源结构调整、保障油气供应安全具有重大战略意义。页岩储层主要以纳米孔隙为储集空间，渗透率在(0.001-1)×10-3mD范围内，必须经过体积改造后形成高度密集的网状裂缝才能达到开采要求。受地应力的影响，水力压裂所产生的人工裂缝主要为沿井眼径向方向的双翼缝，高压流体在缝内的流动主要是促进裂缝长度的增加，而对于增加裂缝体积作用有限，这十分不利于页岩气井的后期生产。因此，很多页岩气井在经过水力压裂后也很难获得理想的增产效果。
在这种情况下，页岩储层改造的技术要求要远高于常规油气储层，需要突破现有技术体系框架，研发能够有效提高储层裂缝复杂程度，获得复杂裂缝系统的储层改造方法，从而实现页岩气资源的高效开发。由此可见，如何在压裂中提高储层破裂程度，并有效增加裂缝的复杂性是页岩气开发的关键技术要求。此外，常规水力压裂技术还面临储层伤害与水资源过度消耗等问题，使其在推广应用中面临巨大挑战和争议。在这种情况下，亟需发展用于构建“人造页岩气藏”的新型压裂工艺，在有效解决储层伤害和水资源消耗等问题的基础上，进一步提高裂缝复杂性和储层破裂体积，从而实现页岩气资源的绿色高效开发。
发明内容
针对现有技术存在的一些问题，本发明提供一种用于页岩储层改造的压裂方法，该方法能够有效提高储层裂缝的复杂程度，能使裂缝的体积增加到开采要求，同时，能进一步增加人工裂缝的有效作用范围，可有效提高页岩气资源的开采效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于页岩储层改造的压裂方法，包括以下步骤：
步骤一：准备工作；
确定页岩储层的压裂层段和压裂位置；通过压裂管柱将井下压裂工具下放到井筒中的预定位置，安装压裂井口、连接地面设备；
步骤二：低温氮气循环降温；
使用高压低温氮气对压裂管柱和井筒进行循环处理，以降低井筒及井底温度，同时驱除压裂管柱和井筒内的残余流体；该过程的前期，通过高压低温氮气与高温储层的接触，在储层表面产生巨大的热冲击作用，形成热力裂缝；该过程的后期，通过持续注入的高压低温氮气，在井筒周围产生低温冷冻区，并使低温冷冻区内储层原有的天然裂缝重新张开，形成二次裂缝；
步骤三：第一次低温空气压裂；
向井筒内持续泵注高压低温空气，并确保高压低温空气的泵注速率超过地层的漏失速率，使井底压力会不断上升并超过地层破裂压力，促进页岩储层发生破裂并形成主裂缝；该过程中，通过持续的流体压力作用，在高压低温氮气循环降温处理时所产生的热力裂缝和二次裂缝不断延伸，形成复杂裂缝网络；
步骤四：低温空气冷冻；
在高压低温空气压裂持续一段时间后，先降低高压低温空气的注入压力到设定范围内，使已经形成的主裂缝处于张开状态但不继续扩展，再通过后续注入并在主裂缝内流动的高压低温空气，对主裂缝周围地层起到低温冷冻的效果，然后继续不断注入低温空气，使主裂缝周围地层温度不断降低，并最终形成一个低温冷冻区，促使在冷冻区内地层原有的天然裂缝重新张开；
步骤五：第二次低温空气压裂；
持续泵注高压低温空气，继续进行低温空气压裂，促进主裂缝和低温冷冻区天然裂缝共同扩展，最终形成复杂的网络裂缝；
步骤六：重复步骤三至五，完成作业层段的低温空气压裂作业；
步骤七：关井升温；
预定层段低温空气压裂结束后，关闭井口环空阀门，利用空气升温产生的高压促使一部分空气进入地层内部，为地层提供额外的能量；
步骤八：放喷；
打开井口环空阀门，使井筒及裂缝内的空气在地层压力作用下向地面返排，同时，通过降低井筒内的压力，使储层内甲烷气体流入裂缝并与裂缝内的空气进行混合；监测返排气体的甲烷浓度，待甲烷浓度到达空气中燃烧极限时，关闭井口环空阀门；
步骤九：甲烷燃爆压裂；
对井下空气和甲烷混合气体进行点火，使其在井底条件下燃爆；利用井底、主裂缝以及二次裂缝内甲烷燃爆所产生的高压进一步压裂储层，以在页岩储层内形成人工裂缝和天然裂缝相互交错的复杂裂缝系统；
步骤十：将压裂工具移动到下一层段，重复步骤二至九，直至完成所有页岩气井所有层段的作业。
进一步，为了能更有效的降低井筒及井底温度，同时，也能更好的驱除压裂管柱和井筒内的残余流体，在步骤二中，低温氮气的温度范围为-100～-50℃，循环降温的次数为3～5次。
进一步，为了更有效的促进页岩储层发生破裂并能更好的形成主裂缝，在步骤三和步骤五中，高压低温空气温度的范围均为-80～-60℃，注入压力均高于储层破裂压力或裂缝延伸压力。
进一步，为了使主裂缝能更好的维持张开状态但不继续扩展，在步骤四中，高压低温空气温度的范围为-80～-60℃，高压低温空气注入压力的设定范围低于裂缝延伸压力并高于裂缝闭合压力。
进一步，为了更有效的增强裂缝的自支撑能力，在步骤七中，关井的时间为0.5～1.0h，在关井过程中，利用迅速升温膨胀的低温空气对裂缝周围以及远井地层产生的气压冲击作用，促进裂缝壁面发生滑移错动，以增强裂缝自支撑能力。
作为一种优选，在步骤九中，通过地面点火控制器利用电火花点燃的方式进行点火。
进一步，为了保证作业过程的可控性，在步骤一中，在完成安装压裂井口、连接地面设备后，对地面管线和压裂井口进行试压，确保管线、接头以及压裂井口在高压低温状态下不刺不漏。
进一步，为了更方便的操作，在步骤一中，地面设备包括空气瓶组、氮气瓶组、空气压缩机、空气增压机、冷浴箱和地面点火控制器，所述空气压缩机与空气增压机连接，用于通过输出的低压空气驱动空气增压机工作；所述空气瓶组和氮气瓶组各自通过管路均与冷浴箱的进气口连接，冷浴箱的出气口通过管路与空气增压机的进气口连接，空气增压机的出气口通过管路与压裂管柱的进气端连接；所述冷浴箱中采用液氮作为制冷剂，用于将箱内的气体进行降温；所述地面点火控制器通过设置在压裂管柱内的电缆与安装在压裂工具上的点火电极连接。
本发明以低温空气作为工作流体，以低温氮气作为前置流体，以页岩储层甲烷作为燃料，将常规的单纯依靠流体压裂的方式拓展到依靠流体压裂和甲烷燃爆压裂的联合作业方式，充分利用了流体产生的热冲击、低温冷冻、高压致裂以及甲烷燃爆产生的高温高压冲击致裂作用共同压裂页岩储层，并在储层内产生复杂的裂缝系统，从而通过多重作用共同实现了对低孔低渗页岩储层的压裂改造，达到了增强储层渗透性和井眼连通性的目的。采用本发明所提出的页岩储层压裂方法不仅可以克服页岩压裂存在的裂缝复杂性不高、有效影响范围有限的局限性，还可以克服页岩储层改造对水资源的过度消耗和依赖，能够有效节约水资源，保护开发地区的生态环境。此外，压裂中所需要的原材料空气来源广泛、价格低廉且储存运输便利，所使用的甲烷气体为页岩储层内部原始赋存的气体，无需额外制备或者运输，从而大大降低了页岩储层压裂施工的成本，便于大面积进行推广应用。本发明所提出的方法是一项绿色、高效、低成本的压裂新工艺，能有效提高页岩储层的压裂改造效果，显著提高了页岩气资源的开采效率。
附图说明
图1是本发明中地面设备的布置示意图；
图2是本发明中低温氮气循环降温的示意图；
图3是本发明中低温空气压裂作业的示意图；
图4是本发明中低温空气冷冻作业的示意图；
图5是本发明中在低温空气冷冻后继续进行低温空气压裂的示意图；
图6是本发明中甲烷燃爆压裂的示意图；
图7是本发明在页岩储层中形成的裂缝系统示意图。
图中：1、页岩储层，2、压裂管柱，3、压裂工具，4、空气瓶组，5、氮气瓶组，6、空气压缩机，7、空气增压机，8、冷浴箱，9、地面点火控制器，10、电缆，11、点火电极，12、低压氮气，13、高压低温氮气，14、井口环空阀门，15、低压空气，16、高压低温空气，17、主裂缝，18、低温冷冻区，19、复杂裂缝系统。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种用于页岩储层改造的压裂方法，包括以下步骤：
步骤一：准备工作；
根据地质和测井数据确定页岩储层1的压裂层段和压裂位置，然后设计具体的施工参数；通过压裂管柱2将井下压裂工具3下放到井筒中的预定位置，安装压裂井口、连接地面设备；
为了保证作业过程的可控性，在完成安装压裂井口、连接地面设备后，对地面管线和压裂井口进行试压，确保管线、接头以及压裂井口在高压低温状态下不刺不漏。
为了更方便的操作，如图1所示，地面设备包括空气瓶组4、氮气瓶组5、空气压缩机6、空气增压机7、冷浴箱8和地面点火控制器9，所述空气压缩机6与空气增压机7连接，用于通过输出的低压空气15驱动空气增压机7工作；所述空气瓶组4和氮气瓶组5各自通过管路均与冷浴箱8的进气口连接，冷浴箱8的出气口通过管路与空气增压机7的进气口连接，空气增压机7的出气口通过管路与压裂管柱3的进气端连接；所述冷浴箱8中采用液氮作为制冷剂，用于将箱内的气体进行降温，以满足施工时的温度要求；所述地面点火控制器9通过设置在压裂管柱3内的电缆10与安装在压裂工具3上的点火电极11连接。
作为一种优选，地面设备还包括设置在井口处的甲烷浓度传感器和与甲烷浓度传感器电性连接的显示仪表，通过甲烷浓度传感器可以实时监测甲烷的浓度信号，并通过显示仪表进行甲烷浓度的实时显示。
作为一种优选，空气瓶组4和氮气瓶组5上各自设置有阀门，冷浴箱8的出气口设置有出气阀门。冷浴箱8设置有温度传感器和与温度传感器相连接的显示仪表，以便于能直观的看到冷浴箱8内部的温度，同时，冷浴箱8设置有处理器，处理器与温度传感器连接，用于通过温度传感器采集到的温度信号获得冷浴箱8内的温度值，同时，用于根据所获得的温度值控制冷浴箱8中的制冷机构进行设定温度范围的制冷作业。
步骤二：低温氮气循环降温；
使用高压低温氮气13对压裂管柱2和井筒进行循环处理，以降低井筒及井底温度，同时驱除压裂管柱2和井筒内的残余流体。作为一种优选，高压低温氮气13的温度范围为-100～-50℃。
具体操作时，如图2所示，可以先打开氮气瓶组5的阀门，使氮气瓶组5内的低压氮气12进入冷浴箱8进行降温，待冷浴箱8内低压氮气12温度降低至-50～-100℃时，再打开冷浴箱8出气口的出气阀门，使低温的低压氮气12进入空压增压机7，空气增压机7在空气压缩机6输入的低压空气的驱动下工作，经过空气增压机7的加压使低温的低压氮气12形成高压低温氮气13，增压形成高压低温氮气13后通过压裂管柱2泵入井底。此时，保持井口环空阀门14为打开状态，进入井底的高压低温氮气13经环空可以返排到地面，从而实现对压裂管柱2和井筒的循环降温处理。作为一种优选，使用高压低温氮气13对压裂管柱2和井筒循环降温3～5次，在降低井筒温度的同时，驱替压裂管柱2和井筒内残余流体。待高压低温氮气13循环降温结束后，关闭井口环空阀门14。该过程的前期，通过高压低温氮气13与高温储层的接触，在储层表面产生巨大的热冲击作用，形成热力裂缝；该过程的后期，通过持续注入的高压低温氮气13，在井筒周围产生低温冷冻区18，并使低温冷冻区18内储层原有的天然裂缝重新张开，形成二次裂缝，这对于后续压裂作业十分有利。
步骤三：第一次低温空气压裂；
向井筒内持续泵注高压低温空气16，并确保高压低温空气16的泵注速率超过地层的漏失速率，使井底压力会不断上升并超过地层破裂压力，促进页岩储层1发生破裂并形成主裂缝17；作为一种优选，高压低温空气16温度的范围为-80～-60℃。
具体操作时，如图3所示，可以先打开空气瓶组4的阀门，使空气瓶组4输出的低压空气15首先进入冷浴箱8进行降温，待冷浴箱8内空气温度降至-80～-60℃时，再打开冷浴箱8的出气阀门，使低温的低压空气15再进入空气增压机7，空气增压机7在空气压缩机6输入的低压空气的驱动下工作，经过空气增压机7的加压使低压空气15形成高压低温空气16，使低温空气以高压状态通过压裂管柱2泵注到井底。当进入井底的高压低温空气16速率超过地层的漏失速率时，井底压力会不断上升。当井底压力超过地层破裂压力时，储层会发生破裂并形成主裂缝17。同时，前期高压低温氮气13循环处理时所产生的裂缝也会在流体压力作用下不断延伸，进而形成复杂裂缝网络。在此过程中高压低温空气16的注入压力高于储层破裂压力或裂缝延伸压力。
步骤四：低温空气冷冻；
在高压低温空气16压裂持续一段时间后，先降低高压低温空气16的注入压力到设定范围内，该设定范围低于裂缝延伸压力并高于裂缝闭合压力，作为一种优选，注入高压低温空气16的温度范围为-80～-60℃，从而使已经形成的主裂缝17处于张开状态但不继续扩展，再通过后续注入并在主裂缝17内流动的高压低温空气16，对主裂缝17周围地层起到低温冷冻的效果，然后继续不断注入低温空气，使主裂缝17周围地层温度不断降低，并最终形成一个低温冷冻区18，促使在冷冻区内地层原有的天然裂缝重新张开，如图4所示；此时高压低温空气16主要作用是对主裂缝17周围的地层进行冷冻处理，扩大低温冷冻区18的范围，产生更大尺度的二次裂缝。
步骤五：第二次低温空气压裂；
提高低温空气16注入压力，使注入压力高于储层破裂压力或裂缝延伸压力。持续泵注低温空气16，继续进行低温空气压裂，促进主裂缝17和低温冷冻区18天然裂缝共同扩展，最终形成复杂的网络裂缝，如图5所示；
作为一种优选，低温空气温度的范围为-80～-60℃，
步骤六：重复步骤三至五，完成作业层段的低温空气压裂作业；
步骤七：关井升温；
预定层段低温空气压裂结束后，关闭井口环空阀门14，作为一种优选，关井的时间为0.5～1.0h，利用空气升温产生的高压促使一部分空气进入地层内部，为地层提供额外的能量；
在关井过程中，低温空气会迅速升温膨胀，利用迅速升温膨胀的低温空气对裂缝周围以及远井地层产生的气压冲击作用，促进裂缝壁面发生滑移错动，以增强裂缝自支撑能力。
步骤八：放喷；
打开井口环空阀门14，使井筒及裂缝内的空气在地层压力作用下向地面返排，同时，通过降低井筒内的压力，使储层内甲烷气体流入裂缝并与裂缝内的空气进行混合；在井口处监测返排气体的甲烷浓度，待甲烷浓度到达空气中燃烧极限时，关闭井口环空阀门14；
步骤九：甲烷燃爆压裂；
当压裂时泵注的空气与页岩储层析出的甲烷充分混合后，通过电火花点燃的方式对井下空气和甲烷混合气体进行点火，作为一种优选，通过地面点火控制器9利用电火花点燃的方式进行点火，使井底的甲烷-空气混合气体燃烧、爆炸。利用井底、主裂缝以及二次裂缝内的甲烷燃爆所产生的高压进一步压裂储层，从而对储层进行进一步的燃爆压裂改造，在页岩储层内形成人工裂缝和天然裂缝相互交错的复杂裂缝系统19，如图6所示。
步骤十：将压裂工具3移动到下一层段，重复步骤二至九，直至完成所有页岩气井所有层段的作业，最终形成如图7所示沿井筒分布的多簇复杂裂缝系统19。。
对于页岩储层而言，常规水力压裂或气体压裂的目的主要是为了改善储层的渗透性，增强气体从储层岩石流入井筒的能力。在具体施工过程中，水力或气体压裂所产生的裂缝体系主要受地应力控制，裂缝扩展方向一般沿着最大水平地应力方向。特别是随着储层埋深增加，岩石塑性增强且水平应力差增大，在压裂过程中更加不易产生复杂裂缝网络，改造后储层泄流面积有限，达不到预期增产效果。本发明提出的方法将水力\气体压裂和甲烷燃爆压裂两种作业方式相结合，首先利用低温空气在储层内形成主裂缝，然后再通过使井筒和裂缝内甲烷进行燃爆的方式对储层进行二次改造。通过大量的实践表明，燃爆压裂能够有效克服地应力对裂缝扩展方向的限制，可沿燃爆区域形成多条放射状裂缝，可有效增加裂缝的复杂性。由此可见，采用空气压裂和甲烷燃爆的联合压裂方式，能够有效克服地应力对裂缝扩展的制约，提高主裂缝的作用范围，从而达到提升页岩储层改造效率的目的。
Claims (8)
1.一种用于页岩储层改造的压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：准备工作；
确定页岩储层(1)的压裂层段和压裂位置；通过压裂管柱(2)将井下压裂工具(3)下放到井筒中的预定位置，安装压裂井口、连接地面设备；
步骤二：低温氮气循环降温；
使用高压低温氮气(13)对压裂管柱(2)和井筒进行循环处理，以降低井筒及井底温度，同时驱除压裂管柱(2)和井筒内的残余流体；该过程的前期，通过高压低温氮气(13)与高温储层的接触，在储层表面产生巨大的热冲击作用，形成热力裂缝；该过程的后期，通过持续注入的高压低温氮气(13)，在井筒周围产生低温冷冻区(18)，并使低温冷冻区(18)内储层原有的天然裂缝重新张开，形成二次裂缝；
步骤三：第一次低温空气压裂；
向井筒内持续泵注高压低温空气(16)，并确保高压低温空气(16)的泵注速率超过地层的漏失速率，使井底压力会不断上升并超过地层破裂压力，促进页岩储层(1)发生破裂并形成主裂缝(17)；该过程中，通过持续的流体压力作用，在高压低温氮气(13)循环降温处理时所产生的热力裂缝和二次裂缝不断延伸，形成复杂裂缝网络；
步骤四：低温空气冷冻；
在高压低温空气(16)压裂持续一段时间后，先降低高压低温空气(16)的注入压力到设定范围内，使已经形成的主裂缝(17)处于张开状态但不继续扩展，再通过后续注入并在主裂缝(17)内流动的高压低温空气(16)，对主裂缝(17)周围地层起到低温冷冻的效果，然后继续不断注入低温空气(16)，使主裂缝(17)周围地层温度不断降低，并最终形成一个低温冷冻区(18)，促使在冷冻区内地层原有的天然裂缝重新张开；
步骤五：第二次低温空气压裂；
持续泵注高压低温空气(16)，继续进行低温空气压裂，促进主裂缝(17)和低温冷冻区(18)天然裂缝共同扩展，最终形成复杂的网络裂缝；
步骤六：重复步骤三至五，完成作业层段的低温空气压裂作业；
步骤七：关井升温；
预定层段低温空气压裂结束后，关闭井口环空阀门(14)，利用空气升温产生的高压促使一部分空气进入地层内部，为地层提供额外的能量；
步骤八：放喷；
打开井口环空阀门(14)，使井筒及裂缝内的空气在地层压力作用下向地面返排，同时，通过降低井筒内的压力，使储层内甲烷气体流入裂缝并与裂缝内的空气进行混合；监测返排气体的甲烷浓度，待甲烷浓度到达空气中燃烧极限时，关闭井口环空阀门(14)；
步骤九：甲烷燃爆压裂；
对井下空气和甲烷混合气体进行点火，使其在井底条件下燃爆；利用井底、主裂缝(17)以及二次裂缝内甲烷燃爆所产生的高压进一步压裂储层，以在页岩储层内形成人工裂缝和天然裂缝相互交错的复杂裂缝系统(19)；
步骤十：将压裂工具(3)移动到下一层段，重复步骤二至九，直至完成所有页岩气井所有层段的作业。
2.根据权利要求1所述的一种用于页岩储层改造的压裂方法，其特征在于，在步骤二中，低温氮气的温度范围为-100～-50℃，循环降温的次数为3～5次。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于页岩储层改造的压裂方法，其特征在于，在步骤三和步骤五中，高压低温空气(16)温度的范围均为-80～-60℃，注入压力均高于储层破裂压力或裂缝延伸压力。
4.根据权利要求3所述的一种用于页岩储层改造的压裂方法，其特征在于，在步骤四中，高压低温空气(16)温度的范围为-80～-60℃，高压低温空气(16)注入压力的设定范围低于裂缝延伸压力并高于裂缝闭合压力。
5.根据权利要求4所述的一种用于页岩储层改造的压裂方法，其特征在于，在步骤七中，关井的时间为0.5～1.0h，在关井过程中，利用迅速升温膨胀的低温空气对裂缝周围以及远井地层产生的气压冲击作用，促进裂缝壁面发生滑移错动，以增强裂缝自支撑能力。
6.根据权利要求5所述的一种用于页岩储层改造的压裂方法，其特征在于，在步骤九中，通过地面点火控制器(9)利用电火花点燃的方式进行点火。
7.根据权利要求6所述的一种用于页岩储层改造的压裂方法，其特征在于，在步骤一中，在完成安装压裂井口、连接地面设备后，对地面管线和压裂井口进行试压，确保管线、接头以及压裂井口在高压低温状态下不刺不漏。
8.根据权利要求7所述的一种用于页岩储层改造的压裂方法，其特征在于，在步骤一中，地面设备包括空气瓶组(4)、氮气瓶组(5)、空气压缩机(6)、空气增压机(7)、冷浴箱(8)和地面点火控制器(9)，所述空气压缩机(6)与空气增压机(7)连接，用于通过输出的低压空气(15)驱动空气增压机(7)工作；所述空气瓶组(4)和氮气瓶组(5)各自通过管路均与冷浴箱(8)的进气口连接，冷浴箱(8)的出气口通过管路与空气增压机(7)的进气口连接，空气增压机(7)的出气口通过管路与压裂管柱(3)的进气端连接；所述冷浴箱(8)中采用液氮作为制冷剂，用于将箱内的气体进行降温；所述地面点火控制器(9)通过设置在压裂管柱(3)内的电缆(10)与安装在压裂工具(3)上的点火电极(11)连接。
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