CN112878973A - 一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法 - Google Patents

一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法 Download PDF

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Abstract

一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法，适用于深部页岩储层致裂增透来增抽页岩气。使用射孔枪聚能射孔在水平井井壁生成聚能缝槽，调整聚能燃爆管的位置使聚能孔与聚能缝槽相对应，页岩储层原位解吸甲烷达到燃爆浓度后，点火释放助燃剂，通过助燃剂与甲烷气体协同燃爆产生的高温高压气体进行一级燃爆压裂，之后甲烷继续解吸达到燃爆浓度，二次点火释放助燃剂进行二级燃爆压裂，循环往复对页岩储层实施多级脉冲聚能燃爆压裂，形成燃爆‑裂缝相互促进的造缝过程，实现接力式深穿透大范围造缝。该方法不需要消耗大量的水资源，原位解吸甲烷，没有地上运输、地下投放、混合等过程，安全、经济、环保优势非常明显。

Description

一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法
技术领域
本发明涉及一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法，尤其适用于深部低孔隙、低渗透率、难抽采页岩储层，页岩气开采必须人为强化致裂页岩储层，构建页岩气立体流通缝网。
背景技术
页岩气通常以吸附和游离状态存在于泥页岩等产气岩中，储层普遍具有低孔隙度、低渗透率的特性，页岩气开发十分困难。因此，实现页岩气的商业化开采必须对页岩气储层进行人工压裂改造，形成连通的裂缝网络，达到增大页岩气产量的目的。
水力压裂技术作为页岩气增产的最有效措施，在北美页岩气革命中发挥了重要的作用，但是其还存在以下问题：一是水力压裂技术会消耗大量的水资源，而我国页岩气富集地区主要集中在西部水资源匮乏地区；二是水力压裂作业设备和规模庞大；三是清水压裂液滤失性大，水基压裂液返排困难，极易造成储层伤害、水锁效应明显。其他的无水压裂技术主要有高能气体压裂技术、液态二氧化碳压裂技术、泡沫压裂技术和液化石油气压裂技术等，虽然其取得了比较好的页岩气增产效果，但是其施工工艺复杂，成本较高。近年来，有专家学者提出利用储层解吸出来的甲烷进行甲烷原位燃爆来致裂增透页岩储层，实现页岩气的商业化开采，但是，相应的甲烷原位燃爆技术还不成熟。因此，针对上述问题，我国页岩气开采亟需一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足，提供一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法，为深部页岩储层页岩气开发、降低传统页岩气开发成本高昂、环境污染严重的问题。
技术方案：本发明的一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法，包括采用甲烷浓度监测仪、钻井压裂平台、电打火装置、脉冲聚能燃爆管路系统、正管器、封隔器和聚能射孔枪，原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法包括以下步骤：
a.施工水平井：通过钻井压裂平台控制定向钻机在选定区域施工，穿透地面岩层进入深部的页岩储层，先完成竖直井施工，然后调整定向钻机钻头向在页岩储层需要压裂位置施工水平井至设定位置，完成后退出定向钻机，在竖直井中下入固井套管，然后在井筒周围注一层水泥浆液，进行完井；
b.聚能射孔：向水平井中下入正管器和封隔器顶到水平井的端头位置，然后在射孔枪的聚能孔洞中装好射孔弹，将射孔枪下放到水平井中，利用正管器调整射孔枪的位置，然后对水平井进行聚能射孔，使水平井的井壁周围形成立体聚能缝槽，聚能射孔完成后，抽出射孔枪到地面；
c.脉冲聚能燃爆管路系统安装：将脉冲聚能燃爆管路系统中的多个点火头经电打火电路和移动线路卷盘与电打火装置连接好，并将脉冲聚能燃爆管路系统中的多个甲烷传感器经甲烷浓度数据线和移动线路卷盘与甲烷浓度监测仪连接好；然后将脉冲聚能燃爆管路系统送入水平井，利用正管器旋转调整脉冲聚能燃爆管路系统中的聚能燃爆管位置，使聚能燃爆管上的聚能孔与射孔枪中的聚能孔洞聚能射孔的聚能缝槽相对应；
d.脉冲聚能燃爆压裂：将脉冲聚能燃爆管路系统推送至水平井底部的压裂段D1后，由内而外，分级实施脉冲聚能燃爆压裂，压裂过程中，页岩储层中的甲烷向水平井解吸，通过甲烷浓度监测仪记录多个甲烷传感器的示数，当解吸出来的甲烷气体达到燃爆浓度时，启动电打火装置依次控制脉冲聚能燃爆管路系统中的多个点火头产生电火花，依次破坏多个助燃剂包，释放出来的多个助燃剂依次与甲烷气体混合后，在多个电火花的作用下发生燃爆，形成多级脉冲燃爆裂缝，设置相应的可溶性封隔器、甲烷传感器、助燃剂包和点火头进行水平井压裂段D1的n级甲烷原位脉冲燃爆，形成n级脉冲燃爆裂缝；
e.分段脉冲燃爆压裂：完成水平井压裂段D1脉冲聚能燃爆压裂后，重复步骤c、d，在水平井中由内而外后退，执行分段脉冲燃爆压裂，直到完成压裂段Dn的压裂。
所述的脉冲聚能燃爆管路系统包括开有多个聚能孔的聚能燃爆管，聚能燃爆管的后部依次设有三个可溶性封隔器，由三个可溶性封隔器封隔的区段内依次设有三个甲烷传感器、三个助燃剂包和三个点火头。
所述的脉冲聚能燃爆管路系统在聚能燃爆管的后部，以助燃剂包一、点火头一、甲烷传感器一和可溶性封隔器一作为一个燃爆单元，助燃剂包一和点火头一捆绑在一起粘贴在聚能燃爆管的内壁上，甲烷传感器一和点火头一分别用电路连接穿过可溶性封隔器一与地面的甲烷浓度监测仪和电打火装置相连接，后退式依次建立燃爆单元来控制多级脉冲燃爆。
所述的分级实施脉冲聚能燃爆压裂的具体过程：通过甲烷浓度监测仪记录甲烷传感器一的示数，等甲烷达到燃爆浓度时，启动电打火装置控制点火头一产生电火花，电火花产生的同时破坏助燃剂包一，释放出来的助燃剂与甲烷气体混合在电火花的作用下发生燃爆，形成一级脉冲燃爆裂缝，而可溶性封隔器一在承受一次燃爆的高温高压后缓慢溶解，保护甲烷传感器二、助燃剂包二、点火头二和可溶性封隔器二在一次甲烷燃爆后不受破坏；经一级燃爆压裂后的页岩储层中的甲烷加速解吸，继续使用甲烷浓度监测仪记录甲烷传感器二的示数，等甲烷达到燃爆浓度时，启动电打火装置点燃点火头二释放助燃剂包二中的助燃剂并进行甲烷原位二级脉冲燃爆；可溶性封隔器二承压后在高温高压下溶解，继续监测甲烷传感器三，等甲烷达到燃爆浓度时重复上述步骤进行三级脉冲燃爆。
所述进行水平井压裂段D1的n级甲烷原位脉冲燃爆，形成n级脉冲燃爆裂缝的过程中，页岩储层裂缝的产生是一种接力式造缝过程，首先由射孔枪对页岩储层聚能射孔形成聚能缝槽，然后将聚能燃爆管上的聚能孔对准聚能缝槽进行甲烷原位一级燃爆、二级燃爆…n级燃爆，形成“聚能射孔→甲烷解吸→一级燃爆→裂缝扩展→甲烷解吸→脉冲燃爆→形成缝网”的接力式造缝。
所述的脉冲聚能燃爆管路系统的长度根据助燃剂包中助燃剂的量来确定，助燃剂与甲烷量Q的最佳比例：Q＝n×V，n为甲烷浓度，V为空间体积，V＝L×S，S为水平井截面积，因此，脉冲聚能燃爆管路系统的长度L＝Q/nS。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明利用储层甲烷气体实现甲烷原位燃爆压裂，与助燃剂协同作用通过燃爆产生的高温、高压气体冲击压裂页岩储层，多级脉冲聚能燃爆实现了裂缝接力式扩展，真正创造了立体裂缝网络，为页岩气提供高效运移通道。本方法不需要消耗大量的水和压裂液，环境污染小；同时，页岩储层原位解吸甲烷气体，没有地上运输和地下投放、混合等过程，安全、经济和环保优势非常明显。尤其适用于深部页岩储层致裂增透来增抽页岩气，通过射孔枪聚能射孔在水平井井壁生成聚能缝槽，调整聚能燃爆管的位置使聚能孔与聚能缝槽相对应，页岩储层原位解吸甲烷达到燃爆浓度后，点火释放助燃剂，通过助燃剂与甲烷气体协同燃爆产生的高温高压气体进行一级燃爆压裂，之后甲烷继续解吸达到燃爆浓度，二次点火释放助燃剂进行二级燃爆压裂，循环往复对页岩储层实施多级脉冲聚能燃爆压裂，形成燃爆-裂缝相互促进的造缝过程，实现接力式深穿透大范围造缝。其方法简单，不需要消耗大量的水资源，原位解吸甲烷，没有地上运输、地下投放、混合等过程，安全、经济、环保优势非常明显，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法示意图；
图2是本发明的脉冲聚能燃爆管路系统；
图3是本发明的聚能射孔枪。
图中：1-甲烷浓度监测仪，2-甲烷浓度数据线，3-移动线路卷盘，4-钻井压裂平台，5-电打火电路，6-电打火装置，7-地面岩层，8-竖直井，9-固井套管，10-水泥浆液，11-页岩储层，12-深部岩层，13-水平井，14-聚能缝槽，15-一级脉冲燃爆裂缝，16-n级脉冲燃爆裂缝，17-脉冲聚能燃爆管路系统，17-1-聚能孔，17-2-聚能燃爆管，17-3-甲烷传感器一，17-4-可溶性封隔器一，17-5-甲烷传感器二，17-6-可溶性封隔器二，17-7-甲烷传感器三，17-8-可溶性封隔器三，17-9-点火头三，17-10-助燃剂包三，17-11-点火头二，17-12-助燃剂包二，17-13-点火头一，17-14-助燃剂包一，18-正管器，19-封隔器，20-射孔枪，21-聚能孔洞，D1-聚能燃爆压裂第一段，Dn-聚能燃爆压裂第n段。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明进行进一步的描述：
如图1-图3所示，本发明一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法，采用甲烷浓度监测仪1、钻井压裂平台4、电打火装置6、脉冲聚能燃爆管路系统17、正管器18、封隔器19和聚能射孔枪20，实施甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法的步骤如下：
a.施工水平井：通过钻井压裂平台4控制定向钻机在选定区域施工，穿透地面岩层7进入深部页岩储层11，先完成竖直井8施工，然后调整定向钻机钻头向在页岩储层11需要压裂位置施工水平井13至设定位置，完成后退出定向钻机，在竖直井8中下入固井套管9，然后在井筒周围注一层水泥浆液10，进行完井；
b.聚能射孔：向水平井13中下入正管器18和封隔器19顶到水平井13的端头位置，然后在射孔枪20的聚能孔洞21中装好射孔弹，将射孔枪20下放到水平井13中，利用正管器18调整射孔枪20的位置，然后对水平井13进行聚能射孔，使水平井13的井壁周围形成立体聚能缝槽14，聚能射孔完成后，抽出射孔枪20到地面；
c.脉冲聚能燃爆管路系统安装：将脉冲聚能燃爆管路系统中的点火头一17-13、点火头二17-11和点火头三17-9经电打火电路5和移动线路卷盘3与电打火装置6相连接；将甲烷传感器一17-3、甲烷传感器二17-5和甲烷传感器三17-7经甲烷浓度数据线2和移动线路卷盘3与甲烷浓度监测仪2相连接。将脉冲聚能燃爆管路系统17送入水平井13，利用正管器18旋转调整聚能燃爆管17-2的位置，使聚能燃爆管17-2上的聚能孔17-1与射孔枪20中的聚能孔洞21聚能射孔制造的聚能缝槽14相对应。
d.脉冲聚能燃爆压裂：聚能射孔完成后，将脉冲聚能燃爆管路系统17推送水平井13的压裂段D1，页岩储层11中的甲烷向水平井13解吸，通过甲烷浓度监测仪2记录甲烷传感器一17-3的示数，等甲烷达到燃爆浓度时，启动电打火装置6控制点火头一17-13产生电火花，电火花产生的同时破坏助燃剂包一17-14，助燃剂与甲烷气体混合在电火花的作用下发生燃爆，形成一级脉冲燃爆裂缝15，而可溶性封隔器一17-4在承受一次燃爆的高温高压后缓慢溶解，保护甲烷传感器二17-5、助燃剂包二17-12、点火头二17-11和可溶性封隔器二17-6在一次甲烷燃爆后不受破坏。经一级燃爆压裂后的页岩储层11中的甲烷加速解吸，继续利用甲烷浓度监测仪2记录甲烷传感器二17-5的示数，等甲烷达到燃爆浓度时，启动电打火装置6点燃点火头二17-11释放助燃剂包二17-12中的助燃剂并进行甲烷原位二级脉冲燃爆。可溶性封隔器二17-6承压后在高温高压下溶解，继续监测甲烷传感器三17-7，等甲烷达到燃爆浓度时重复上述步骤进行三级脉冲燃爆。设置相应的可溶性封隔器、甲烷传感器、助燃剂包和点火头可以进行水平井13压裂段D1的n级甲烷原位脉冲燃爆，形成n级脉冲燃爆裂缝16。页岩储层11裂缝的产生是一种接力式造缝过程，首先由射孔枪20对页岩储层11聚能射孔形成聚能缝槽14，然后将聚能燃爆管17-2上的聚能孔17-1对准聚能缝槽14进行甲烷原位一级燃爆、二级燃爆…n级燃爆，形成“聚能射孔→甲烷解吸→一级燃爆→裂缝扩展→甲烷解吸→脉冲燃爆→形成缝网”的接力式造缝。
e.分段脉冲燃爆压裂：水平井13压裂段D1的长度根据脉冲聚能燃爆管路系统17的长度确定的，D1段脉冲聚能燃爆压裂后，重复步骤c、d，在水平井13中由内而外后退，执行分段脉冲燃爆压裂，直到压裂段Dn压裂完成。其中脉冲聚能燃爆管路系统17的长度是根据助燃剂包中助燃剂的多少来确定的，助燃剂与甲烷量Q存在一个最佳比例，可以使甲烷燃爆达到最佳效果，经济成本最低，甲烷量Q＝n×V，n为甲烷浓度，V为空间体积，V＝L×S，S为水平井截面积，因此，脉冲聚能燃爆管路系统的长度L＝Q/nS。
压裂缝网构建完成后，联接页岩气抽采管网进行页岩气抽采。

Claims (6)

1.一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法，包括采用甲烷浓度监测仪(1)、钻井压裂平台(4)、电打火装置(6)、脉冲聚能燃爆管路系统(17)、正管器(18)、封隔器(19)和聚能射孔枪(20)，其特征在于包括以下步骤：
a.施工水平井：通过钻井压裂平台(4)控制定向钻机在选定区域施工，穿透地面岩层(7)进入深部的页岩储层(11)，先完成竖直井(8)施工，然后调整定向钻机钻头向在页岩储层(11)需要压裂位置施工水平井(13)至设定位置，完成后退出定向钻机，在竖直井(8)中下入固井套管(9)，然后在井筒周围注一层水泥浆液(10)，进行完井；
b.聚能射孔：向水平井(13)中下入正管器(18)和封隔器(19)顶到水平井(13)的端头位置，然后在射孔枪(20)的聚能孔洞(21)中装好射孔弹，将射孔枪(20)下放到水平井(13)中，利用正管器(18)调整射孔枪(20)的位置，然后对水平井(13)进行聚能射孔，使水平井(13)的井壁周围形成立体聚能缝槽(14)，聚能射孔完成后，抽出射孔枪(20)到地面；
c.脉冲聚能燃爆管路系统安装：将脉冲聚能燃爆管路系统(17)中的多个点火头经电打火电路(5)和移动线路卷盘(3)与电打火装置(6)连接好，并将脉冲聚能燃爆管路系统(17)中的多个甲烷传感器经甲烷浓度数据线(2)和移动线路卷盘(3)与甲烷浓度监测仪(1)连接好；然后将脉冲聚能燃爆管路系统(17)送入水平井(13)，利用正管器(18)旋转调整脉冲聚能燃爆管路系统中的聚能燃爆管位置，使聚能燃爆管上的聚能孔与射孔枪(20)中的聚能孔洞(21)聚能射孔的聚能缝槽(14)相对应；
d.脉冲聚能燃爆压裂：将脉冲聚能燃爆管路系统(17)推送至水平井(13)底部的压裂段D1后，由内而外，分级实施脉冲聚能燃爆压裂，压裂过程中，页岩储层(11)中的甲烷向水平井(13)解吸，通过甲烷浓度监测仪(1)记录多个甲烷传感器的示数，当解吸出来的甲烷气体达到燃爆浓度时，启动电打火装置(6)依次控制脉冲聚能燃爆管路系统中的多个点火头产生电火花，依次破坏多个助燃剂包，释放出来的多个助燃剂依次与甲烷气体混合后，在多个电火花的作用下发生燃爆，形成多级脉冲燃爆裂缝，设置相应的可溶性封隔器、甲烷传感器、助燃剂包和点火头进行水平井(13)压裂段D1的n级甲烷原位脉冲燃爆，形成n级脉冲燃爆裂缝(16)；
e.分段脉冲燃爆压裂：完成水平井(13)压裂段D1脉冲聚能燃爆压裂后，重复步骤c、d，在水平井(13)中由内而外后退，执行分段脉冲燃爆压裂，直到完成压裂段Dn的压裂。
2.根据权利要求1所述的一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法，其特征在于：所述的脉冲聚能燃爆管路系统(17)包括开有多个聚能孔(17-1)的聚能燃爆管(17-2)，聚能燃爆管(17-2)的后部依次设有三个可溶性封隔器(17-4，17-6，17-8)，由三个可溶性封隔器封隔的区段内依次设有三个甲烷传感器(17-3，17-5，17-7)、三个助燃剂包(17-14，17-12，17-10)和三个点火头(17-13，17-11，17-9)。
3.根据权利要求1或2所述的一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法，其特征在于：所述的脉冲聚能燃爆管路系统(17)中，在聚能燃爆管(17-2)的后部，以助燃剂包一(17-14)、点火头一(17-13)、甲烷传感器一(17-3)和可溶性封隔器一(17-4)作为一个燃爆单元，助燃剂包一(17-14)和点火头一(17-13)捆绑在一起粘贴在聚能燃爆管(17-2)的内壁上，甲烷传感器一(17-3)和点火头一(17-13)分别用电路连接穿过可溶性封隔器一(17-4)与地面的甲烷浓度监测仪(1)和电打火装置(6)相连接，后退式依次建立燃爆单元来控制多级脉冲燃爆。
4.根据权利要求1或2所述的一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法，其特征在于：所述的分级实施脉冲聚能燃爆压裂的具体过程：通过甲烷浓度监测仪(2)记录甲烷传感器一(17-3)的示数，等甲烷达到燃爆浓度时，启动电打火装置(6)控制点火头一(17-13)产生电火花，电火花产生的同时破坏助燃剂包一(17-14)，释放出来的助燃剂与甲烷气体混合在电火花的作用下发生燃爆，形成一级脉冲燃爆裂缝(15)，而可溶性封隔器一(17-4)在承受一次燃爆的高温高压后缓慢溶解，保护甲烷传感器二(17-5)、助燃剂包二(17-12)、点火头二(17-11)和可溶性封隔器二(17-6)在一次甲烷燃爆后不受破坏；经一级燃爆压裂后的页岩储层(11)中的甲烷加速解吸，继续使用甲烷浓度监测仪(2)记录甲烷传感器二(17-5)的示数，等甲烷达到燃爆浓度时，启动电打火装置(6)点燃点火头二(17-11)释放助燃剂包二(17-12)中的助燃剂并进行甲烷原位二级脉冲燃爆；可溶性封隔器二(17-6)承压后在高温高压下溶解，继续监测甲烷传感器三(17-7)，等甲烷达到燃爆浓度时重复上述步骤进行三级脉冲燃爆。
5.根据权利要求1或2所述的一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法，其特征在于：所述进行水平井(13)压裂段D1的n级甲烷原位脉冲燃爆，形成n级脉冲燃爆裂缝(16)的过程中，页岩储层(11)裂缝的产生是一种接力式造缝过程，首先由射孔枪(20)对页岩储层(11)聚能射孔形成聚能缝槽(14)，然后将聚能燃爆管(17-2)上的聚能孔(17-1)对准聚能缝槽(14)进行甲烷原位一级燃爆、二级燃爆…n级燃爆，形成“聚能射孔→甲烷解吸→一级燃爆→裂缝扩展→甲烷解吸→脉冲燃爆→形成缝网”的接力式造缝。
6.根据权利要求1所述的一种页岩储层甲烷原位多级脉冲聚能燃爆压裂方法，其特征在于：所述的脉冲聚能燃爆管路系统(17)的长度根据助燃剂包中助燃剂的量来确定，助燃剂与甲烷量Q的最佳比例：Q＝n×V，n为甲烷浓度，V为空间体积，V＝L×S，S为水平井截面积，因此，脉冲聚能燃爆管路系统的长度L＝Q/nS。
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