CN112878972A - 液氮脉动压裂系统以及压裂方法 - Google Patents
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Abstract
本说明书提供的液氮脉动压裂系统以及压裂方法，该压裂系统包括：用于产生液氮和氮气的制氮装置；脉动发生装置，与制氮装置相连且用于产生液氮脉动压力；氮气蓄积装置，与制氮装置相连且用于存储氮气；磨料添加装置，用于输出磨料粒子且与氮气蓄积装置相连；压裂作业管柱，包括：套管；隔热压裂管柱；脉冲控制机构；波纹管，波纹管与隔热压裂管柱之间形成第一环空；滑套解锁机构；脉动发生装置与波纹管之间设置有第一流道，磨料添加装置与第一流道之间通过磨料分支管路连通；第一环空与氮气蓄积装置之间设置有第二流道。本申请结合了液氮低温致裂和脉动交变载荷的双重作用机制，有效提升压裂缝网的复杂性和连通性，改善储层的压裂改造效果。
Description
技术领域
本申请涉及石油与天然气工程技术领域，尤其涉及一种液氮脉动压裂系统以及压裂方法。
背景技术
页岩气、致密气和煤层气等非常规天然气资源作为极具潜力的清洁、优质资源，已经成为世界各国能源供应体系的重要组成部分。在优质洁净能源需求日益增长的今天，煤层气有望成为非常规天然气资源开发的主战场。因此，实现煤层气的高效开发利用，对于推动我国能源结构优化升级以及保障国家能源发展安全具有重要意义。
我国煤层气储层普遍呈现低孔、低渗、低含气饱和度的“三低“特性，导致煤层气井产量普遍较低，达不到经济生产的指标，因此针对煤层气储层需要经过压裂增产措施才能进行有效开采。而形成大规模、具有高导流能力的体积缝网，是煤层气储层改造的关键。目前针对煤层气储层进行压裂增产作业的主要方式之一是水力压裂，然而随着煤层气压裂改造措施的不断发展，水力压裂所导致的技术问题频频发生：
(1)水力压裂形成的压裂裂缝网格单一、复杂性差，连通性不足，储层改造效果差；
(2)水力压裂容易导致储层水锁伤害、粘土矿物遇水膨胀、煤层低压特性导致压裂液返排困难等一系列问题还会堵塞煤层气渗流通道，降低渗透率；
(3)大规模压裂作业所需水资源量巨大，造成了对水资源的严重浪费，且压裂液中的化学物质容易造成地下水和地表水资源污染等环境问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本申请提供了一种液氮脉动压裂系统以及压裂方法，结合了液氮低温致裂和脉动交变载荷的双重作用机制，有效提升压裂缝网的复杂性和连通性，改善储层的压裂改造效果。
为了达到上述目的，本申请提供的技术方案如下所述：
一种液氮脉动压裂系统，所述压裂系统包括：
用于产生液氮和氮气的制氮装置；
脉动发生装置，与所述制氮装置相连且用于产生液氮脉动压力；
氮气蓄积装置，与所述制氮装置相连且用于存储氮气；
磨料添加装置，用于输出磨料粒子且与所述氮气蓄积装置相连；
压裂作业管柱，包括：套管；位于所述套管内部的隔热压裂管柱；设置在所述隔热压裂管柱内的脉冲控制机构；位于所述隔热压裂管柱内部的波纹管，所述波纹管与所述隔热压裂管柱之间形成第一环空；位于所述波纹管出口的滑套解锁机构；
所述脉动发生装置与所述波纹管之间设置有第一流道，所述第一流道上设置有第一阀门，所述磨料添加装置与所述第一流道之间通过磨料分支管路连通，所述磨料分支管路上设置有第二阀门；所述第一环空与所述氮气蓄积装置之间设置有第二流道，所述第二流道上设置有第三阀门。
作为一种优选的实施方式，所述磨料分支管路上设置有混砂容器，在所述第一流道上，所述混砂容器与所述脉动发生装置之间设置有第四阀门。
作为一种优选的实施方式，所述隔热压裂管柱与所述套管之间形成第二环空，所述第二流道上设置有注气分支管路，所述第二环空与所述注气分支管路相连通，所述注气分支管路上设置有第五阀门。
作为一种优选的实施方式，所述氮气蓄积装置包括：用于储存所述制氮装置产生氮气的氮气瓶，所述氮气瓶上设置有第一压力表；用于为所述氮气增压的气体增压泵；设置在所述气体增压泵与所述氮气瓶之间的第六阀门；用于蓄积氮气的氮气蓄压瓶，所述氮气蓄压瓶上设置有第二压力表，所述氮气蓄压瓶与所述磨料添加装置相连；设置在所述氮气蓄压瓶与所述气体增压泵之间的第七阀门。
作为一种优选的实施方式，所述脉动发生装置包括：用于存储所述制氮装置产生液氮的自增压液氮存储罐，所述自增压液氮存储罐设置有第三压力表；用于产生脉动压力的柱塞泵，所述柱塞泵与所述自增压液氮存储罐相连通；设置在所述柱塞泵与所述自增压液氮存储罐之间的第八阀门；用于调节所述柱塞泵的工作参数的第一调速电机；设置在所述第一调速电机下游的第四压力表。
作为一种优选的实施方式，所述压裂系统还包括与所述第一环空和所述第二环空相连的反排回收装置，所述反排回收装置包括：排水箱；用于控制所述排水箱与所述第一环空通断的第九阀门；用于控制所述排水箱与所述第二环空通断的第十阀门；与所述排水箱相连的多级过滤器，所述多级过滤器与所述制氮装置通过回流支路相连。
作为一种优选的实施方式，所述隔热压裂管柱包括内壁和外壁，所述内壁与所述外壁之间形成夹层环空；所述压裂系统还包括：与所述夹层环空相连的真空泵，用于对所述夹层环空抽真空，所述真空泵与所述夹层环空之间设置有第十一阀门。
作为一种优选的实施方式，所述磨料添加装置还包括：盛装有磨料粒子的磨料容器；设置在所述磨料容器中的螺旋绞龙输送机构；用于控制所述螺旋绞龙输送机构转速的第二调速电机。
作为一种优选的实施方式，所述压裂方法包括：
打开所述第三阀门，通过所述第二流道向所述隔热压裂管柱注入第一预定量的氮气后关闭所述第三阀门；
向所述隔热压裂管柱内投球并坐入所述滑套解锁机构以封堵管柱；
打开所述第一阀门，通过所述第一流道向所述波纹管内注入第二预定量的液氮后关闭所述第一阀门；
封堵所述第一环空，打开所述第一阀门，通过所述第一流道向所述波纹管内注入第三预定量的液氮直至将所述滑套解锁机构解锁后，再打开所述第二阀门，完成液氮磨料射流套管开窗作业；
待所述开窗作业完成后，关闭所述第二阀门，并打开所述第一阀门，通过所述脉动发生装置和所述脉冲控制机构产生脉动压力，对储层进行液氮脉动压裂；
待脉动压裂裂缝起裂后，打开所述第二阀门，进行脉冲加砂以支撑裂缝；
加砂结束后，进行焖井；
焖井预定时间后，对所述压裂作业管柱泄压，将氮气放出。
作为一种优选的实施方式，在对储层进行液氮脉动压裂的步骤中，还包括：打开所述第五阀门，通过所述第二流道向所述第二环空注入氮气。
有益效果：
本申请提供的液氮脉动压裂系统以及压裂方法能够综合利用液氮低温致裂作用以及液氮脉动载荷下岩石疲劳破坏效应，提升压裂缝网的复杂度和连通性，改善非常规油气储层的压裂增产效果。同时，作为一种无水压裂方法，可有效避免对储层的伤害，同时解决常规水力压裂所面临的耗水量巨大、环境污染等问题。在焖井过程中，液氮在地层内的气化增压，可有助于促使裂缝进一步扩展，增加压裂裂缝的延伸长度，进一步提升压裂改造效果。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动力的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本说明书实施例提供的液氮脉动压裂系统的结构示意图；
图2为本说明书实施例提供的压裂作业管柱的结构示意图；
图3为本说明书实施例提供的压裂方法的流程图。
附图标记说明：
1、储层上覆岩层；2、储层；3、储层下覆岩层；4、制氮装置；5、氮气瓶；6、自增压液氮存储罐；7、气体增压泵；8、柱塞泵；9、第一调速电机；10、氮气蓄压瓶；11、磨料容器；12、第二调速电机；13、混砂容器；14、真空泵；15、排水箱；16、多级过滤器；17、液氮存储罐阀门；18、第六阀门；19、第八阀门；20、第七阀门；21、第四阀门；22、第三阀门；23、第二阀门；24、第一阀门；25、第十一阀门；26、第十二阀门；27、第五阀门；28、第十阀门；29、第九阀门；30、第一压力表；31、第三压力表；32、流量计；33、第四压力表；34、第二压力表；35、井口压力表；36、螺旋绞龙输送机构；37、表层套管；38、生产套管；39、隔热压裂管柱；40、波纹管；41、投球；42、滑套解锁机构；43、脉冲控制机构。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所限定的范围内。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
下面将结合图1至图3对本说明书实施例的液氮脉动压裂系统以及压裂方法进行解释和说明。需要说明的是，为了便于说明，在本发明的实施例中，相同的附图标记表示相同的部件。而为了简洁，在不同的实施例中，省略对相同部件的详细说明，且相同部件的说明可互相参照和引用。
具体的，将图1中所示意的向上的方向定义为“上”，将图1中所示意的向下的方向定义为“下”。值得注意的是，本说明书中的对各方向定义，只是为了说明本说明书技术方案的方便，并不限定本说明书实施例的液氮脉动压裂系统以及压裂方法在包括但不限定于使用、测试、运输和制造等等其他可能导致装置方位发生颠倒或者位置发生变换的场景中的方向。
应用液氮代替常规水基压裂液的优点在于：(1)液氮压裂能够完全避免水资源浪费，且与储层完全配伍，不存在水敏、水锁伤害以及环境污染等问题；(2)液氮无色无味，性质稳定，温度极低(大气压条件下沸点为-195.8℃)，在进入储层时，由于液氮的低温致裂作用，会在岩石内部产生新的裂缝或造成天然裂缝的进一步扩展，在主裂缝和微裂缝的相互作用下，从而有效降低地层破裂压力、提升压裂缝网复杂度和连通性；(3)压裂结束后，地层内的液氮气化易返排，且不会在地层内留下残留物。
基于此，本说明书实施例提供了一种液氮脉动压裂系统，如图1和图2所示，所述压裂系统包括：制氮装置4、氮气蓄积装置、脉动发生装置、磨料添加装置和压裂作业管柱。
具体的，制氮装置4用于产生液氮和氮气。所述制氮装置4包括沿空气的流动方向依序排布设置的空气压缩机、多级空气过滤器、冷冻干燥机、膜组、氮气增压机和高压冷凝器，即空气能依次经过压缩、过滤、冷却、分离、增压冷凝以得到液氮。
制氮时，将空气进行预处理操作以输出纯氮气，所述预处理操作为空气进行预处理操作输出为纯氮气，所述预处理操作为空气经压缩机进行压缩增压后被吸入多级空气过滤器，除去空气中绝大部分灰尘等固体颗粒杂质。随后空气进入冷冻干燥机，水蒸气被冷凝析出，净化后的空气进入由中空纤维膜串联而成的膜组中，废氧通过膜放出，分离出的氮气经氮气增压机多级压缩并储存氮气蓄积装置中，另外，纯氮气出口处还连接有一高压冷凝器以得到纯液氮，并供给脉动发生装置。
氮气蓄积装置用于蓄积压裂所用的氮气，包括：用于储存所述制氮装置4产生氮气的氮气瓶5，所述氮气瓶5上设置有第一压力表30；用于为所述氮气增压的气体增压泵7；用于蓄积氮气的氮气蓄压瓶10，所述氮气蓄压瓶10上设置有第二压力表34，所述氮气蓄压瓶10与所述磨料添加装置相连。
具体的，经制氮装置4分离出的氮气经氮气增压机多级压缩并储存氮气瓶5中，然后通过气体增压泵7进行增压，纯氮气通过大功率的气体增压泵7对氮气进行增压并存储到氮气蓄压瓶10中，以进行储存。氮气存储过程中，能够通过第一压力表30和第二压力表34即时显示压力。
所述脉动发生装置用于提供液氮脉动压力，包括：用于存储制氮装置4产生液氮的自增压液氮存储罐6，所述自增压液氮存储罐6设置有第三压力表31；用于产生脉动压力的柱塞泵8，所述柱塞泵8与所述自增压液氮存储罐6相连通；用于调节所述柱塞泵8的工作参数的第一调速电机9；设置在所述第一调速电机9下游的第四压力表33。
具体的，自增压液氮存储罐6与制氮装置4相连通，用于存储冷凝后的纯液氮。该存储罐配置有液氮存储罐阀门17，通过该阀门与第三压力表31保证设备的安全性。柱塞泵通过柱塞的往复运动产生压力脉动，并由第一调速电机9驱动，第一调速电机9设置有脉冲调节器，脉冲调节器通过控制电机转速，控制柱塞的往复频率，以调节液氮脉动压力的幅度和频率。进一步的，下文所述的压裂作业管柱内包括脉冲控制机构43，用于控制对储层2进行的液氮脉动，液氮脉动压力通过柱塞泵8和脉冲控制机构43共同作用产生，形成对储层2的脉动交变载荷。
采用该种压裂方式综合利用了液氮低温致裂作用以及脉动载荷下岩石疲劳破坏效应，降低了储层的起裂压力，提升压裂缝网的复杂度和连通性。一方面，液氮的低温特性会对储层岩石力学特性造成劣化，同时诱导次级裂缝，有助于形成相互贯通的复杂裂缝网络；另一方面，液氮脉动压力不断叠加并向岩石传递形成交变应力场，对岩石造成疲劳损伤破坏，从而进一步提高岩石内裂缝网络的连通性和复杂度。
进一步的，所述脉动发生装置还包括流量计32，所述流量计32可以位于柱塞泵8的下游，流量计32可以实现对液氮流量的精准注入和实时监控。
所述磨料添加装置用于输出磨料粒子，能够实现磨料射流射孔作业以及在储层2内形成的裂缝充分起裂后，进行加砂作业，以对裂缝进行支撑。磨料添加装置包括：盛装有磨料粒子的磨料容器11；设置在所述磨料容器11中的螺旋绞龙输送机构36；用于控制所述螺旋绞龙输送机构36转速的第二调速电机12。
磨料容器11与氮气蓄压瓶10相连，平衡磨料容器11内部的压力，磨料容器11的下部设置有出口，靠近该出口处设置所述螺旋绞龙输送机构36。第二调速电机12能够控制螺旋绞龙输送机构36的转速，调节磨料输送浓度。磨料容器11内的磨料粒子在自身重力和压力的作用下进入螺旋绞龙输送机构36，通过控制外部的调速电机控制绞龙转速，调节磨料输送浓度。
进一步的，磨料添加装置还包括混砂容器13，用于混合磨料粒子和脉动液氮，该混砂容器13与脉动加压装置和磨料容器11相连通，从而通过第一调速电机9和第二调速电机12进行脉动加砂，对裂缝进行支撑。
在脉动作用下，由于支撑剂的不连续泵入以及脉动压力对压裂液的扰动作用，能有效抑制压裂砂沉降，促进均匀铺砂，加强压裂液携砂能力，降低砂堵风险，从而将支撑剂携带到更远处，提高裂缝导流能力。
如图1和图2所示，所述压裂作业管柱包括：套管；位于所述套管内部的隔热压裂管柱39；设置在所述隔热压裂管柱39内的脉冲控制机构43；位于所述隔热压裂管柱39内部的波纹管40，所述波纹管40与所述隔热压裂管柱39之间形成第一环空；位于所述波纹管40出口的滑套解锁机构42。
具体的，所述套管可以包括表层套管37和生产套管38。所述表层套管支撑于储层上覆岩层1，所述生产套管38支撑于储层上覆岩层1与储层下覆岩层3之间。所述隔热压裂管柱39为双层结构，具有较好的隔热效果。所述波纹管40用于输送液氮和磨料料子，为防止液氮在井筒流动过程中温度降低，在双层隔热压裂管柱39内下入波纹管40输送液氮，一方面能对压裂管柱进行充分预冷，另一方面可以避免常规直接压裂管柱预冷方式的液氮大量损耗。
所述滑套解锁机构42设置在所述隔热压裂管柱39中，并位于波纹管40的出口下方。该滑套解锁机构42可以采用现有的投球滑套解锁机构，该解锁机构可以包括滑套、剪切销钉以及设置在隔热压裂管柱39内壁上的喷射通孔，所述滑套内部设置有用于坐入投球41的球座，该滑套设在压裂段内并对应封闭喷射通孔，滑套通过所述剪切销钉与所述隔热压裂管柱39的内壁固定连接。当坐入投球时，在滑套上方的压力作用下剪切销钉被剪断，使得滑套下滑并打开所述喷射通孔，从而通过该喷射通孔将磨料粒子输出，以完成套管开窗作业以及后续的加砂作业。
进一步的，所述隔热压裂管柱上设置有井口压力表35，在向所述压裂管柱内注入液氮的过程中，通过井口压力表35获取液氮的当前压力。当井口压力表35第一次出现骤降时，表明滑套下行，喷射通孔已露出。当井口压力表35再次发生突降时，表明地层发生第一次破裂。
所述脉动发生装置与所述波纹管40之间设置有第一流道，所述第一流道上设置有第一阀门24，通过该第一阀门24控制向波纹管40的液氮的注入。磨料添加装置与第一流道之间通过磨料分支管路连通，磨料分支管路上设置有所述混砂容器13和第二阀门23，通过打开和关闭第二阀门23，以控制向混砂容器13供给磨料粒子。
进一步的，在所述第一流道上，混砂容器13与所述脉动发生装置之间设置有第四阀门21。具体的，当打开所述第四阀门21和第二阀门23，并关闭所述第一阀门24时，通过脉动发生装置向混砂容器13提供脉动液氮；当打开所述第二阀门23时，通过螺旋绞龙输送机构36配置满足作业要求浓度的磨料；当关闭所述第四阀门21和所述第二阀门23，并打开所述第一阀门24时，开始脉动加砂。因此，通过第四阀门21、第二阀门23和第一阀门24的配合，能满足不同压裂作业工序的要求。
波纹管40与隔热压裂管柱39之间形成第一环空，所述第一环空与氮气蓄积装置之间设置有第二流道，所述第二流道上设置有第三阀门22，通过该第三阀门22控制向第一环空的氮气的注入。隔热压裂管柱39与套管之间形成第二环空，第二流道上设置有注气分支管路，第二环空与注气分支管路相连通，注气分支管路上设置有第五阀门27。从而，通过第三阀门22和第五阀门27的配合，实现向第一环空和第二环空注入氮气。
具体的，当打开第三阀门22，通过大功率的气体增压泵7驱动氮气到双层隔热压裂管柱39内，然后经隔热压裂管柱39与套管之间的第二环空驱替井内积液。在脉动压裂过程中，当打开第一阀门24，对储层2进行液氮脉动压裂时，可以打开第五阀门27在第二环空中注入氮气，一方面降低地层和液氮之间的导热速率，另一方面能够对第二环空进行憋压，防止下方液氮上返，对上部固定造成损害。
进一步的，所述气体增压泵7与所述氮气瓶5之间设置第六阀门18，所述氮气蓄压瓶10与所述气体增压泵7之间设置第七阀门20，所述柱塞泵8与所述自增压液氮存储罐6之间设置第八阀门19。
在本说明书中，所述压裂系统还包括与所述第一环空和所述第二环空相连的反排回收装置，用于回收从井筒反排出来的液氮。所述反排回收装置包括：排水箱15；用于控制所述排水箱15与所述第一环空通断的第九阀门29；用于控制所述排水箱15与所述第二环空通断的第十阀门28；与所述排水箱15相连的多级过滤器16，所述多级过滤器16与所述制氮装置4通过回流支路相连。
多级过滤器16内部设置有不同目数的筛网，用于对岩屑和磨料等固相物质进行过滤和回收。当压裂作业结束后，关闭各电机电源，打开第九阀门29和第十阀门28泄压，将反排液收集至排水箱15中，再打开多级过滤器16上的第十二阀门26，通过多级过滤器16实现对流体中固体颗粒的回收利用，氮气经过滤器后再次进入制氮装置4生成液氮，实现氮气的循环利用。
在本说明书中，所述隔热压裂管柱39包括内壁和外壁，所述内壁与所述外壁之间形成夹层环空；所述压裂系统还包括：与所述夹层环空相连的真空泵14，用于对所述夹层环空抽真空，所述真空泵14与所述夹层环空之间设置有第十一阀门25。在注入液氮脉动压力之前，还能通过开启第十一阀门25和真空泵14对双层隔热压裂管柱39的夹层环空抽真空以隔热。
在本说明书中，上述设备之间可以通过耐压管线连通，一旦压力检测超过管线和装置所能承受的压力上限，可以打开相应的阀门泄压，保证设备和人员的安全。
本说明书还提供了一种利用所述液氮脉动压裂系统的压裂方法，如图3所示，所述压裂方法包括：
步骤S10：打开所述第三阀门22，通过所述第二流道向所述隔热压裂管柱39注入第一预定量的氮气后关闭所述第三阀门22；
步骤S20：向所述隔热压裂管柱39内投球并坐入所述滑套解锁机构42以封堵管柱；
步骤S30：打开所述第一阀门24，通过所述第一流道向所述波纹管40内注入第二预定量的液氮后关闭所述第一阀门24；
步骤S40：封堵所述第一环空，打开所述第一阀门24，通过所述第一流道向所述波纹管40内注入第三预定量的液氮直至将所述滑套解锁机构42解锁后，再打开所述第二阀门23，完成液氮磨料射流套管开窗作业；
步骤S50：待所述开窗作业完成后，关闭所述第二阀门23，并打开所述第一阀门24，通过所述脉动发生装置和所述脉冲控制机构产生脉动压力，对储层2进行液氮脉动压裂；
步骤S60：待脉动压裂裂缝起裂后，打开所述第二阀门23，进行脉冲加砂以支撑裂缝；
步骤S70：加砂结束后，进行焖井；
步骤S80：焖井预定时间后，对所述压裂作业管柱泄压，将氮气放出。
在本说明书中，在对储层2进行液氮脉动压裂的步骤中，还包括：打开所述第五阀门27，通过所述第二流道向所述第二环空注入氮气。在所述脉动压裂过程中，在隔热压裂管柱39和套管之间的第二环空注入氮气，一方面降低地层和液氮之间的导热速率，另一方面对环空憋压，防止下部液氮上返，对上部固井造成损害。
为了更好的理解本申请提供的液氮脉动压裂方法，本说明书实施例将结合图1至图3对该压裂方法作进一步阐述。
如图1所示，空气进入制氮装置4产生纯氮气并储存在氮气瓶5内，随后通过气体增压泵7进行增压进入氮气蓄压瓶10内储存，纯氮气经过制氮装置4的高压冷凝器输出为纯液氮进入自增压液氮存储罐6储存起来；
在步骤S10中，在进行压裂作业前，首先打开第三阀门22，高压驱动一定量的氮气进入双层隔热压裂管柱39内，通过环空排除井筒中的积液至地面。待注入第一预定量的氮气后关闭所述第三阀门22。进一步的，在该步骤中，在打开第三阀门22的同时，还可以打开第十阀门28，当显示氮气从第十阀门28中排除时，认为注气替液作业完成，作业完成后关闭第十阀门28。所述第一预定量可以是判断出氮气从环空返出时的氮气注入量。
然后下入投球41，以封堵压裂作业管柱。在步骤S20与步骤S30之间，还可以包括：打开第十一阀门25，通过真空泵14持续对隔热压裂管柱39的夹层环空进行抽真空，以实现隔热压裂管柱更好的隔热。
在步骤S30中，下入波纹管40至隔热压裂管柱39内，并打开第一阀门24，通过波纹管40向双层隔热压裂管柱39内注入纯液氮，实现对地面管线及压裂管柱的预冷，直至波纹管40与隔热压裂管柱39之间的第一环空返出液氮，预冷结束。预冷结束之后需重新紧固各个管线和设备的连接处，避免高压引起伤亡事故。另外，在该步骤中，在打开第一阀门24的同时，还可以打开第九阀门29，当显示液氮从第九阀门29中排除时，认为预冷作业完成，作业完成后关闭第九阀门29。所述第二预定量可以是判断出液氮从环空返出时的液氮注入量。
预冷作业结束后，关闭波纹管40与双层隔热压裂管柱39之间的第一环空，即保持第九阀门29和第三阀门22关闭，持续注入液氮憋压，在压力作用下，投球41推动滑套下移，从而将剪切销钉剪断，使得喷射通孔打开，此时井口压力表35明显下降。在步骤S40中，将第二阀门23打开，将磨料容器11中的磨料粒子输出至混砂容器13中，完成液氮磨料射流射孔作业。另外，在该步骤S40中，还包括打开第四阀门21，以输出脉动液氮。所述第三预定量可以是判断出井口压力表35显示下降时的液氮注入量。
射孔结束后，关闭第二阀门23，继续向双层隔热压裂管柱39内注入液氮，通过第一调速电机9以及脉冲控制机构43产生脉动压力，对储层进行液氮脉动压裂。在该步骤S50中，还包括：打开第五阀门27在隔热压裂管柱39和套管之间的第二环空注入氮气，一方面降低地层和液氮之间的导热速率，另一方面对环空憋压，防止下部液氮上返，对上部固井造成损害。
在判断出脉动压裂裂缝充分起裂后，在步骤S60中，打开第二阀门23，通过第二调速电机12控制螺旋绞龙输送机构36开始脉冲加砂，对裂缝进行支撑。
加砂结束后，在步骤S70和步骤S80中，停泵并关井，进行焖井作业，液氮开始气化增压，促使裂缝二次扩展。压裂施工结束后，后打开第九阀门29和第十阀门28，将氮气安全放出，对系统进行泄压。当氮气及地层流体、固体颗粒从井筒中流出后，进入多级过滤器16，分离并筛分流体中的固相颗粒和液体，从多级过滤器16出来后，氮气再次经制氮装置4生成液氮，实现氮气的回收利用。
其中，隔热压裂管柱39上设置的井口压力表35,在向所述压裂管柱内注入液氮并对其施加压力的过程中，通过井口压力表35获取液氮的当前压力。当所述井口压力表35第一次出现骤降时，表明滑套解锁机构42已解锁，喷射通孔已露出，可大排量压裂目标层位。当井口压力表35显示的压力再次发生突降时，表明地层发生第一次破裂。
本说明书提供的液氮脉动压裂方法，还包括：在进行多段压裂时，可在上一段压裂结束后，通过隔热压裂管柱39向压裂层内泵注一定体积的水，水进入地层裂缝内会冻结成冰，从而达到封隔已压开层段目的；随后调整管柱位置，在不同位置进行射孔，继续重复上述液氮脉动压裂操作，直至完成预计压裂规模和经济要求。
本说明书提供的液氮脉动压裂方法，还包括：为扩大液氮与储层岩石的作用面积，提高渗透率，可在压裂前在目的储层径向钻若干径向分支井，开展径向井-液氮脉动复合压裂。
上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。
Claims (10)
1.一种液氮脉动压裂系统，其特征在于，所述压裂系统包括：
用于产生液氮和氮气的制氮装置；
脉动发生装置，与所述制氮装置相连且用于产生液氮脉动压力；
氮气蓄积装置，与所述制氮装置相连且用于存储氮气；
磨料添加装置，用于输出磨料粒子且与所述氮气蓄积装置相连；
压裂作业管柱，包括：套管；位于所述套管内部的隔热压裂管柱；设置在所述隔热压裂管柱内的脉冲控制机构；位于所述隔热压裂管柱内部的波纹管，所述波纹管与所述隔热压裂管柱之间形成第一环空；位于所述波纹管出口的滑套解锁机构；
所述脉动发生装置与所述波纹管之间设置有第一流道，所述第一流道上设置有第一阀门，所述磨料添加装置与所述第一流道之间通过磨料分支管路连通，所述磨料分支管路上设置有第二阀门；所述第一环空与所述氮气蓄积装置之间设置有第二流道，所述第二流道上设置有第三阀门。
2.如权利要求1所述的液氮脉动压裂系统，其特征在于，所述磨料分支管路上设置有混砂容器，在所述第一流道上，所述混砂容器与所述脉动发生装置之间设置有第四阀门。
3.如权利要求1所述的液氮脉动压裂系统，其特征在于，所述隔热压裂管柱与所述套管之间形成第二环空，所述第二流道上设置有注气分支管路，所述第二环空与所述注气分支管路相连通，所述注气分支管路上设置有第五阀门。
4.如权利要求3所述的液氮脉动压裂系统，其特征在于，所述氮气蓄积装置包括：用于储存所述制氮装置产生氮气的氮气瓶，所述氮气瓶上设置有第一压力表；用于为所述氮气增压的气体增压泵；设置在所述气体增压泵与所述氮气瓶之间的第六阀门；用于蓄积氮气的氮气蓄压瓶，所述氮气蓄压瓶上设置有第二压力表，所述氮气蓄压瓶与所述磨料添加装置相连；设置在所述氮气蓄压瓶与所述气体增压泵之间的第七阀门。
5.如权利要求1所述的液氮脉动压裂系统，其特征在于，所述脉动发生装置包括：用于存储所述制氮装置产生液氮的自增压液氮存储罐，所述自增压液氮存储罐设置有第三压力表；用于产生脉动压力的柱塞泵，所述柱塞泵与所述自增压液氮存储罐相连通；设置在所述柱塞泵与所述自增压液氮存储罐之间的第八阀门；用于调节所述柱塞泵的工作参数的第一调速电机；设置在所述第一调速电机下游的第四压力表。
6.如权利要求3所述的液氮脉动压裂系统，其特征在于，所述压裂系统还包括与所述第一环空和所述第二环空相连的反排回收装置，所述反排回收装置包括：排水箱；用于控制所述排水箱与所述第一环空通断的第九阀门；用于控制所述排水箱与所述第二环空通断的第十阀门；与所述排水箱相连的多级过滤器，所述多级过滤器与所述制氮装置通过回流支路相连。
7.如权利要求1所述的液氮脉动压裂系统，其特征在于，所述隔热压裂管柱包括内壁和外壁，所述内壁与所述外壁之间形成夹层环空；所述压裂系统还包括：与所述夹层环空相连的真空泵，用于对所述夹层环空抽真空，所述真空泵与所述夹层环空之间设置有第十一阀门。
8.如权利要求1所述的液氮脉动压裂系统，其特征在于，所述磨料添加装置还包括：盛装有磨料粒子的磨料容器；设置在所述磨料容器中的螺旋绞龙输送机构；用于控制所述螺旋绞龙输送机构转速的第二调速电机。
9.一种利用权利要求3所述的液氮脉动压裂系统的压裂方法，其特征在于，所述压裂方法包括：
打开所述第三阀门，通过所述第二流道向所述隔热压裂管柱注入第一预定量的氮气后，关闭所述第三阀门；
向所述隔热压裂管柱内投球并坐入所述滑套解锁机构以封堵管柱；
打开所述第一阀门，通过所述第一流道向所述波纹管内注入第二预定量的液氮后关闭所述第一阀门；
封堵所述第一环空，打开所述第一阀门，通过所述第一流道向所述波纹管内注入第三预定量的液氮直至将所述滑套解锁机构解锁后，再打开所述第二阀门，完成液氮磨料射流套管开窗作业；
待所述开窗作业完成后，关闭所述第二阀门，并打开所述第一阀门，通过所述脉动发生装置和所述脉冲控制机构产生脉动压力，对储层进行液氮脉动压裂；
待脉动压裂裂缝起裂后，打开所述第二阀门，进行脉冲加砂以支撑裂缝；
加砂结束后，进行焖井；
焖井预定时间后，对所述压裂作业管柱泄压，将氮气放出。
10.如权利要求9所述的压裂方法，其特征在于，在对储层进行液氮脉动压裂的步骤中，还包括：打开所述第五阀门，通过所述第二流道向所述第二环空注入氮气。
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