CN113107447A - 一种井下多孔段并行动态压裂系统及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下多孔段并行动态压裂系统，属于煤层气抽采领域，包括分流缸体，所述分流缸体一端设有M个泵源输入端口，另一端设有N个泵源输出端口，N>M，所述每个泵源输入端口上设有输入监控模块，每个泵源输出端口上设有输出监控模块；还包括显示控制台、逻辑模块，所述显示控制台对逻辑模块进行配置参数，从而对输入监控模块和输出监控模块发送命令，控制各泵源输入端口和泵源输出端口的开启和关闭；所述输出监控模块还用于实时监测对应钻孔的压裂状态，并反馈给逻辑模块；所述逻辑模块还用于对各钻孔裂隙发育及对各钻孔压裂工作状态进行动态评价，并根据结果动态智能调控各钻孔压裂配置参数。还涉及一种施工方法。

Description

一种井下多孔段并行动态压裂系统及其施工方法

技术领域

本发明属于煤层气抽采领域，涉及一种井下多孔段并行动态压裂系统及其施工方法。

背景技术

目前井下移动压裂装备种类较多但并未实现智能化压裂装备，没有实质性实现智能化压裂，现有井下移动压裂范围较小，由于压裂泵组水压较高，需要人员操作，存在一定的人员安全风险，未能实现无人看守情况下自动压裂和压裂效果自动评估，现有技术无法再保证人员完全安全情况下、设定压裂参数后全自动压裂，并实现智能化压裂效果评估，现有技术没有实现井下区域压裂的完全智能化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种井下多孔段并行动态压裂系统及其施工方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种井下多孔段并行动态压裂系统，包括分流缸体，所述分流缸体一端设有M个泵源输入端口，另一端设有N个泵源输出端口，N>M，所述每个泵源输入端口上设有输入监控模块，每个泵源输出端口上设有输出监控模块；还包括显示控制台、逻辑模块，所述显示控制台对逻辑模块进行配置参数，从而对输入监控模块和输出监控模块发送命令，控制各泵源输入端口和泵源输出端口的开启和关闭；所述输出监控模块还用于实时监测对应钻孔的压裂状态，并反馈给逻辑模块；所述逻辑模块还用于对各钻孔裂隙发育及对各钻孔压裂工作状态进行动态评价，并根据结果动态智能调控各钻孔压裂配置参数。

进一步，还包括为各组件供电的电源模块。

进一步，还包括通讯模块，用于与远程终端进行通信，远程控制逻辑模块。

进一步，所述钻孔的压裂状态包括钻孔的泵源输出流量大小和的压力大小。

进一步，所述逻辑模块通过内置的三种压裂模型曲线按照实时监控程序监测压力曲线，从而反推出当前的压裂裂隙发育状态；

所述压裂模型曲线包括压力平衡型、压力持续下降型、波浪型；

所述压力平衡型为压裂孔出现在较大的原始裂缝内，无后续的张开型裂缝出现；

所述压力持续下降型为当煤层内压裂液压力达到一定程度后，煤层内形成一条较大的单一裂缝，其延伸距离较长，反映出煤层裂缝扩展具备张性破裂的力学特点，常在中硬煤层压裂过程中出现；

所述波浪型为当压裂裂缝前端或者尖灭侧出现新的裂缝系统后，即一个裂缝系统向另一个裂缝系统转移的过程中出现压裂液压力的起伏，多个裂缝系统转化形成后即表征为压裂液压力的波浪形态，波浪型压力曲线可作为多裂缝产生的一种判识依据；

所述压裂裂隙发育状态包括裂隙扩展期、裂隙扩展延缓期、裂隙扩展完全期。

进一步，针对泵源输出端口的流量稳定性、是否发生流量突变、累计压入水量参数进行综合分析，动态评价为以下状态：

(1)正常压裂状态流量相对稳定、不发生流量突变(设定流量变化量临界值△q≥50L/min)、累计压入水量未达到预设值(Q)，此时动态反馈为正常压裂，累计到达压入水量(Q)时自动停止压裂；

(2)压裂流量发生突变(设定流量变化量临界值△q≥50L/min)、累计压入水量未达到预设值，此时动态反馈为停止压裂，检查水泵管路或压裂区域是否存在大面积漏水情况；

(3)压裂状态流量相对稳定、未发生流量突变(设定流量变化量△q≥50L/min)、累计压入水量达到预设值(Q)，此时动态反馈为压裂完成；

(4)压裂状态流量相对稳定、未发生流量突变(设定流量变化量△q≥50L/min)，未达到设计注水量但相邻考察孔传感器识别稳定出水状态时认定为已压穿，停止相邻两个压裂孔供水，依次直到压裂全部完成；

所述累计压入水量计算步骤如下：

先计算水力压裂半径，根据压裂半径R设计钻孔间距，钻孔间距d＝2R，煤层水力压裂半径R按下式计算：

获取煤层孔隙率φ、厚度H和坚固性系数f，计算煤层水力压裂半径：

式中：H为煤层厚度，f为煤层坚固性系数，φ为煤层孔隙率；

累计压入水量Q按下式计算：

式中：π为圆周率，H为煤层厚度，R为圆的半径，φ为煤层孔隙率。

另一方面，本发明提供一种多孔段并行动态压裂施工方法，包括以下步骤：

S1：在需要压裂区域间隔一定距离施工多个压裂钻孔，其中两端钻孔采用正常压裂及水泥封孔，内侧钻孔采用定向囊袋封隔器封孔，钻孔施工深度根据现场具体条件确定；

S2：开启压裂调试试机开启压裂作业，根据煤层软硬程度、地应力大小、煤层渗透性参数设定压裂注水量、起裂后压力大小参数进行自动作业；

S3：作业完成待停机后关闭孔口的阀门进行保压，此时拆卸高压水尾，移动保压阀门外的所有设备进行下一组并行压裂。

进一步，在需要压裂区域间隔50m施工4-6个孔径为90-95mm的压裂钻孔。

进一步，压裂泵组采用同一种型号泵组单泵或双泵并联作业。

进一步，一次作业影响范围200～300m。

进一步，在每两个压裂钻孔之间布置有效检钻孔，其直径73-84mm。

进一步，压裂泵组采用BYW220/50或BYW390/34或BYW315/55中的一种。

本发明的有益效果在于：通过本发明所提供的泵源自适应分流器及相应的压裂钻孔裂隙实时评估系统，可通过有限泵源实现对若干钻孔并行压裂作业。可实现并行压裂施工，7×24 不间断压裂施工，压裂实时在线监测的有益效果。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述井下多孔段并行动态压裂系统结构示意图；

图2为本发明所述井下多孔段并行动态压裂系统工作流程图；

图3(a)为压力平衡型压力曲线，图3(b)为压力持续下降型压力曲线，图3(c)为波浪型压力曲线；

图4为发明所述井下多孔段并行动态压裂施工示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图4，为一种井下多孔段并行动态压裂系统及其施工方法。针对煤层气地下抽采过程中的压裂施工，本发明提供了一种多孔段并行压裂系统及其施工方式。通过本发明所提供的泵源自适应分流器及相应的压裂钻孔裂隙实时评估系统，可通过有限泵源实现对若干钻孔并行压裂作业。本发明所涉及的关键技术包括如下3点：1)压裂钻孔裂隙实时评估系统，2)泵源自适应分流器，3)多孔段并行压裂施工方法。可实现1)并行压裂施工，2)7×24 不间断压裂施工，3)压裂实时在线监测的有益效果。

关键技术的逻辑关系为：“泵源自适应分流器”对泵源压力进行等压分流输出，根据多个并行压裂钻孔的实时流量反馈，“压裂钻孔裂隙实时评估系统”对压裂钻孔的裂隙发育程度进行评估计算，从而调节“泵源自适应分流器”对单个输出端口进行动态实时调节，以达到同步并行压裂的效果。

为了达到7×24不间断压裂施工的目标，“泵源自适应分流器”可以通过人为设置对指定输出端进行关闭，此时可以匹配链接新钻孔管路，期间未关闭端口的压裂施工不受影响。

此外，“压裂钻孔裂隙实时评估系统”可对“泵源自适应分流器”的实时输入输出参数进行在线报告及异常压裂行为预警。有助于提高压裂施工的安全性。

如图1所示，以2输入6输出为例，“泵源自适应分流器”工作逻辑为：通过“泵源输入”端口输入2组泵源，泵源工作状态可由“输入监控模块”进行控制，泵源输入至“分流缸体”，而后由“泵源输出”端口输出，输出端口工作状态可由“输出监控模块”进行控制。

“输入监控模块”及“输出监控模块”由“逻辑模块”进行控制，“逻辑模块”可通过“显示控制台”与“通信模块”实现井下与远程在线配置。整个“泵源自适应分流器”及其组件由“电源模块”负责供电。

如图2所示，压裂钻孔裂隙实时评估系统逻辑：系统初始工作状态可由“显示控制台”从本地或者“通讯模块”通过远程控制“逻辑模块”进行压裂参数配置。“逻辑模块”通过给定的压力参数配置，控制“输入监控模块”按设计工作条件启动泵源输入。逻辑模块”通过给定的压力参数配置，控制“输出监控模块”按设计工作条件启动泵源输出。压裂施工过程中“输出监控模块”将实时监测各钻孔的压裂状态(流量、压力等指标性数据)。根据所监测数据，“压裂钻孔裂隙实时评估系统”将对各钻孔裂隙发育及对各钻孔压裂工作状态进行动态评价。评价结果实时反馈于“逻辑模块”，“逻辑模块”将动态智能调控各钻孔压裂配置参数。通过上述流程，实现“压裂钻孔裂隙实时评估系统”。

判识多裂缝的产生是压裂过程中压裂参数调整及预判压裂效果的前提。在压裂过程中主要监测参数为泵注压力及流量，一般可根据压裂过程中压力曲线的变化形态判识裂缝的发展形态，压裂曲线大致可以分为3种类型，如图3所示。

(1)压力平衡型。压裂孔出现在较大的原始裂缝内，无后续的张开型裂缝出现；

(2)压力持续下降型。当煤层内压裂液压力达到一定程度后，煤层内形成一条较大的单一裂缝，该裂缝延伸距离较长，反映出了煤层裂缝扩展具备张性破裂的力学特点，常在中硬煤层压裂过程中出现；

(3)波浪型。当压裂裂缝前端或者尖灭侧出现新的裂缝系统后，即一个裂缝系统向另一个裂缝系统转移的过程即可出现压裂液压力的起伏，多个裂缝系统转化形成后即表征为压裂液压力的波浪形态，波浪型压力曲线可作为多裂缝产生的一种判识依据。

裂隙发育评价系统模块内置压裂三种模型曲线按照实时监控程序监测压力曲线反推目前的压裂裂隙发育状态。整体压裂形态三种平衡型、持续下降型、波浪形，利用压裂曲线反推整体裂隙发育状态分为三个阶段裂隙扩展期、裂隙扩展延缓期、裂隙扩展完全期，在系统中反馈评价。逻辑关系以钻孔动态评价主导。

钻孔压裂状态动态评价系统针对泵源输出端口的流量稳定性、是否发生流量突变、累计压入水量参数进行综合分析，动态评价为三状态：

(1)正常压裂状态流量相对稳定、不发生流量突变(设定流量变化量临界值△q≥50L/min)、累计压入水量未达到预设值(Q)。此时动态反馈为正常压裂，累计到达压入水量(Q)时自动停止压裂。

(2)压裂流量发生突变(设定流量变化量临界值△q≥50L/min)、累计压入水量未达到预设值。此时动态反馈为停止压裂，检查水泵管路或压裂区域是否存在大面积漏水情况。

(3)压裂状态流量相对稳定、未发生流量突变(设定流量变化量△q≥50L/min)、累计压入水量达到预设值(Q)。此时动态反馈为压裂完成。

(4)压裂状态流量相对稳定、未发生流量突变(设定流量变化量△q≥50L/min)，未达到设计注水量但相邻考察孔传感器识别稳定出水状态时可认定已压穿，可停止相邻两个压裂孔供水，依次直到压裂全部完成。

注：累计压裂水量Q计算方法：

先计算水力压裂半径，根据压裂半径R设计钻孔间距，钻孔间距d＝2R，煤层水力压裂半径R可按下式计算：

获取煤层孔隙率φ、厚度H和坚固性系数f，计算煤层水力压裂半径

式中：H为煤层厚度，f为煤层坚固性系数，φ为煤层孔隙率；

累计压入水量Q可按下式计算：

式中：π为圆周率，H为煤层厚度，R为圆的半径，φ为煤层孔隙率。

在需要压裂区域(穿层或顺层)间隔50m施工4-6个孔径为90-95mm的压裂钻孔(其中外两端外侧钻孔采用正常压裂及水泥封孔，内侧2-4个钻孔采用定向囊袋封隔器封孔)，钻孔施工深度根据现场具体条件确定。压裂泵组采用BYW220/50或BYW390/34或BYW315/55，必须采用同一种型号泵组单泵或双泵(并联)作业。压裂钻孔采用囊袋封孔后开启压裂调试试机开启压裂作业，根据煤层软硬程度、地应力大小、煤层渗透性等参数设定压裂注水量、起裂后压力大小等参数进行自动作业，作业完成待停机后关闭孔口的阀门进行保压，此时可以拆卸高压水尾，移动保压阀门外的所有设备进行下一组并行压裂。一次作业影响范围200～300m。示意图如图4所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种井下多孔段并行动态压裂系统，其特征在于：包括分流缸体，所述分流缸体一端设有M个泵源输入端口，另一端设有N个泵源输出端口，N>M，所述每个泵源输入端口上设有输入监控模块，每个泵源输出端口上设有输出监控模块；还包括显示控制台、逻辑模块，所述显示控制台对逻辑模块进行配置参数，从而对输入监控模块和输出监控模块发送命令，控制各泵源输入端口和泵源输出端口的开启和关闭；所述输出监控模块还用于实时监测对应钻孔的压裂状态，并反馈给逻辑模块；所述逻辑模块还用于对各钻孔裂隙发育及对各钻孔压裂工作状态进行动态评价，并根据结果动态智能调控各钻孔压裂配置参数。

2.根据权利要求1所述的井下多孔段并行动态压裂系统，其特征在于：还包括为各组件供电的电源模块。

3.根据权利要求1所述的井下多孔段并行动态压裂系统，其特征在于：还包括通讯模块，用于与远程终端进行通信，远程控制逻辑模块。

4.根据权利要求1所述的井下多孔段并行动态压裂系统，其特征在于：所述钻孔的压裂状态包括钻孔的泵源输出流量大小和的压力大小。

5.根据权利要求1所述的井下多孔段并行动态压裂系统，其特征在于：所述逻辑模块通过内置的三种压裂模型曲线按照实时监控程序监测压力曲线，从而反推出当前的压裂裂隙发育状态；

所述压裂模型曲线包括压力平衡型、压力持续下降型、波浪型；

所述压力平衡型为压裂孔出现在较大的原始裂缝内，无后续的张开型裂缝出现；

所述压力持续下降型为当煤层内压裂液压力达到一定程度后，煤层内形成一条较大的单一裂缝，其延伸距离较长；

所述波浪型为一个裂缝系统向另一个裂缝系统转移的过程中出现压裂液压力的起伏，多个裂缝系统转化形成后即表征为压裂液压力的波浪形态；

所述压裂裂隙发育状态包括裂隙扩展期、裂隙扩展延缓期、裂隙扩展完全期。

6.根据权利要求1所述的井下多孔段并行动态压裂系统，其特征在于：针对泵源输出端口的流量稳定性、是否发生流量突变、累计压入水量参数进行综合分析，动态评价为以下状态：

(1)正常压裂状态流量相对稳定、不发生流量突变、累计压入水量未达到预设值，此时动态反馈为正常压裂，累计到达压入水量时自动停止压裂；

(2)压裂流量发生突变、累计压入水量未达到预设值，此时动态反馈为停止压裂，检查水泵管路或压裂区域是否存在大面积漏水情况；

(3)压裂状态流量相对稳定、未发生流量突变、累计压入水量达到预设值，此时动态反馈为压裂完成；

(4)压裂状态流量相对稳定、未发生流量突变，未达到设计注水量但相邻考察孔传感器识别稳定出水状态时认定为已压穿，停止相邻两个压裂孔供水，依次直到压裂全部完成；

所述累计压入水量计算步骤如下：

先计算水力压裂半径，根据压裂半径R设计钻孔间距，钻孔间距d＝2R，煤层水力压裂半径R按下式计算：

获取煤层孔隙率φ、厚度H和坚固性系数f，计算煤层水力压裂半径：

式中：H为煤层厚度，f为煤层坚固性系数，φ为煤层孔隙率；

累计压入水量Q按下式计算：

式中：π为圆周率，H为煤层厚度，R为圆的半径，φ为煤层孔隙率。

7.一种多孔段并行动态压裂施工方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在需要压裂区域间隔一定距离施工多个压裂钻孔，其中两端钻孔采用正常压裂及水泥封孔，内侧钻孔采用定向囊袋封隔器封孔，钻孔施工深度根据现场具体条件确定；

S2：开启压裂调试试机开启压裂作业，根据煤层软硬程度、地应力大小、煤层渗透性参数设定压裂注水量、起裂后压力大小参数进行自动作业；

S3：作业完成待停机后关闭孔口的阀门进行保压，此时拆卸高压水尾，移动保压阀门外的所有设备进行下一组并行压裂。

8.根据权利要求7所述的多孔段并行动态压裂施工方法，其特征在于：压裂泵组采用同一种型号泵组单泵或双泵并联作业。

9.根据权利要求7所述的多孔段并行动态压裂施工方法，其特征在于：在每两个压裂钻孔之间布置有效检钻孔，其直径73-84mm。

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