CN113586022A - 一种天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法及装置，应用于水平井，其中，所述增产改造方法包括：初次冻结步骤：冻结管柱下入井筒内，通过冻结管柱向井筒内注入制冷剂进行第一次冻结，焖井第一时间后，在井筒外形成第一冻结区域，取出冻结管柱；射孔步骤：射孔枪下入井筒内，射孔枪在第一冻结区域内进行射孔，射孔操作完成后取出射孔枪；再次冻结步骤：冻结管柱再次下入井筒内，向井筒内注入制冷剂，制冷剂流入射孔内进行再次冻结，焖井第二时间后，在井筒外形成第二冻结区域，取出冻结管柱；压裂施工步骤：压裂工具连接压裂管柱下入井筒内，在第二冻结区域内进行分段压裂增产作业。

Description

一种天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法及装置

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采领域，更具体地说，涉及一种天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法及装置。

背景技术

天然气水合物是一种资源量丰富的清洁能源，其含碳总量是目前传统石化能源含碳总量的两倍，其中97％以上的天然气水合物赋存于海域中。我国南海海域天然气水合物资源丰富，是我国天然气水合物开采的热点区域。南海海域天然气水合物储层沉积物为泥质粉砂，渗透率极低，处于未胶结或者弱胶结状态，地层软，力学强度低。目前天然气水合物开采主要有降压法、热激发法、置换法、注抑制剂法等，但是无论使用何种方法，天然气水合物储层渗透率低是制约其开采的重要因素。未经增产改造的储层难以获得工业量级的气流。

水平井水力压裂是页岩气、致密气、致密油等低渗透储层非常规油气资源成功商业开发的核心技术。利用水力压裂技术进行水合物储层增产改造，形成水力裂缝，可以建立高导流能力的天然气流动通道，增加降压开采时的泄压范围，增加热激发法的热流体、置换法的置换物质、注抑制剂法注入的抑制剂与天然气水合物的接触面积，解除钻井、完井过程中对储层造成的损伤，能够极大的提高各种开采方法的开采效率，具有极好的应用前景。但是天然气水合物泥质粉砂储层较软，处于弱胶结或未胶结状态使得常规水力压裂技术难以直接应用于天然气水合物开发。

天然气水合物储层中天然气水合物与冰可以提高地层沉积物的胶结强度，并且其所占比例越高，地层强度和脆性越高，地层可压性越好。冻结法在煤矿开采和地铁隧道等地下通道挖掘工程中应用广泛，通过冻结软弱地层、地层水复杂地层，确保工程的顺利实施。将冻结法应用于天然气水合物开发中，通过人工冻结天然气水合物储层提高地层强度和脆性，就能将压裂增产技术应用于天然气水合物开发。现有的增产改造方法未能解决天然气水合物储层水平井压裂增产的问题，实际上水平井配合压裂增产技术对于低渗透储层增产效果更好。同时现有的增产改造方法无法控制水力裂缝的起裂位置，不能控制和引导水力裂缝的扩展，实施多口井压裂时，无法避免不同井裂缝间的干扰。且现有的增产改造方法未考虑大范围冻结时，冻膨效应对管道强度的影响。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法，应用于水平井，所述增产改造方法包括：

初次冻结步骤：冻结管柱下入井筒内，通过冻结管柱向井筒内注入制冷剂进行第一次冻结，焖井第一时间后，在井筒外形成第一冻结区域，取出冻结管柱；

射孔步骤：射孔枪下入井筒内，射孔枪在第一冻结区域内进行射孔，射孔操作完成后取出射孔枪；

再次冻结步骤：冻结管柱再次下入井筒内，向井筒内注入制冷剂，制冷剂流入射孔内进行再次冻结，焖井第二时间后，在井筒外形成第二冻结区域，取出冻结管柱；

压裂施工步骤：压裂工具连接压裂管柱下入井筒内，在第二冻结区域内进行分段压裂增产作业。

在本发明所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法中，在压裂施工步骤之后，所述增产改造方法还包括：

重复所述再次冻结步骤和压裂施工步骤，直至增产改造作用完成。

在本发明所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法中，所述冻结管柱包括位于直井段内的隔热钢管、以及位于斜井段和水平井段的无缝钢管，所述隔热钢管和无缝钢管之间通过转换接头连接，所述无缝钢管上靠近所述转换接头位置处安装有可用于密封井筒内环空区域的隔热封隔器。

在本发明所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法中，在所述初次冻结步骤之前，所述增产改造方法还包括：

固井步骤：注入水泥，水泥返高至设计位置；

井筒清理步骤：对井筒内进行清洁。

在本发明所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法中，所述制冷剂为液氮、液态二氧化碳或低温氯化钙盐水。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：构造一种天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置，所述增产改造装置包括设置于钻井平台上的平台井口装置、设置于海底的海底井口装置、与所述平台井口装置固定连接并穿过海底井口装置伸入至天然气水合物储层内的井筒、设置于钻井平台上的压裂系统、设置于钻井平台上的制冷系统、以及射孔枪；

所述制冷系统包括制冷设备、与所述制冷设备连通并可下入井筒内的冻结管柱；

所述压裂系统包括压裂车、与所述压裂车连通并可下入井筒内的压裂管柱、与所述压裂管柱连接的压裂工具。

在本发明所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置中，所述冻结管柱包括位于直井段内的隔热钢管、以及位于斜井段和水平井段的无缝钢管，所述隔热钢管和无缝钢管之间通过转换接头连接，所述无缝钢管上靠近所述转换接头位置处安装有可用于密封井筒内环空区域的隔热封隔器。

在本发明所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置中，所述隔热钢管为真空隔热钢管。

在本发明所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置中，所述压裂工具包括与压裂管柱连接的压裂滑套、设置于压裂滑套第一端的第一封隔器、以及设置于压裂滑套第二端的第二封隔器。

在本发明所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置中，所述冻结管柱外侧壁上设有用于检测井筒环空区域内的温度及压力的温度传感器和压力传感器。

实施本发明的天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法及装置，具有以下有益效果：实施本发明的天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法及装置时，在进行压裂增产作业前，先对储层进行初次冻结，在初次冻结完成之后，对第一冻结区域进行射孔，在射孔完成后，再进行再次冻结，形成第二冻结区域，最后，再下入压裂工具进行分段压裂增产作业。通过人工冻结储层，提高了地层固结强度，增强了地层脆性，创造了水合物储层水力压裂增产改造的条件。进一步的，通过射孔降低了水力裂缝起裂压力，确定了裂缝起裂的大致位置，引导了裂缝扩展，避免了裂缝起裂位置不可预测的不可控状况，沿射孔位置起裂的横切缝有效切割储层，能够获得更高的储层改造体积。同时，通过进行再次人工冻结，制冷剂可以向射孔孔眼扩散，能够提高人工冻结储层的效率，扩大储层冻结范围。地层被冻结时由于冻膨效应体积会膨胀，射孔孔眼为沉积物体积膨胀提供了一定空间，降低了冻膨效应造成井筒损坏的可能性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法第一实施例的流程示意图；

图2是本发明天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置第一实施例中初次冻结的结构示意图；

图3是本发明天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置第一实施例中射孔步骤的结构示意图；

图4是本发明天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置第一实施例中压裂施工步骤的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，在本发明的天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法第一实施例中，该增产改造方法应用于水平井，该增产改造方法包括：

初次冻结步骤S101：冻结管柱下入井筒内，通过冻结管柱向井筒内注入制冷剂进行第一次冻结，焖井第一时间后，在井筒外形成第一冻结区域，取出冻结管柱。

具体的，按照井身结构，地层厚度等情况设计冻结管柱组合，将冻结管柱下入井中设定深度。天然气水合物储层顶部以上选用隔热管，隔热管优选真空隔热型油管，转换接头下连接无缝钢管，转换接头位置优先设置在储层与上覆地层分界的位置，转换接头下部安装隔热封隔器，通过设置隔热封隔器，冻结管柱组合能够有效减少经冻结管柱向地层输送制冷剂时，制冷剂与环境之间的发生热传递，能够减少低温对环境的影响，有利于集中对储层进行制冷。

制冷剂可以是液氮、液态二氧化碳或其他制冷物质，本发明优选以液氮作为一个实施例。由制冷设备经冻结管柱向储层输送液氮，液氮从冻结管柱尾端流出，气化吸热，并向冻结管柱和井筒环空流动扩散。标准大气压下，液氮温度能够达到-196℃，能够有效降低储层温度实现人工冻结，提高储层胶结强度，脆性，提高井筒与井壁固结强度。通过井底压力和温度传感器可以监测环空温度和压力，向地层注入液氮，并进行一段时间的焖井，根据井底的温度、焖井时间、储层物性等资料，可以预测焖井一段时间水平井周围被冻结的地层范围，将第一次人工冻结储层范围记为第一冻结区域。在初次冻结完成之后，将冻结管柱从井筒内取出。

射孔步骤S102：射孔枪下入井筒内，射孔枪在第一冻结区域内进行射孔，射孔操作完成后取出射孔枪。

将射孔枪下入水平井内，射孔枪可以通过连续油管、钻柱或电缆等下入井中。本发明以连续油管传送射孔枪为例，将射孔枪送入水平井段设计的位置以优选的射孔参数进行射孔，所选射孔深度，大于井筒(包括生产套管、水泥环)范围而小于第一冻结区域的储层范围。

射孔能够降低地层力学强度，因而，一般水力裂缝均沿射孔起裂。通过射孔能够降低地层起裂压力，控制水力裂缝起裂的位置，和裂缝扩展方向。进行第二次人工冻结时，液氮可以向射孔孔眼扩散，能够提高人工冻结储层的效率。地层被冻结时由于冻膨效应体积会膨胀，射孔孔眼为沉积物体积膨胀提供了一定空间，降低了冻膨效应造成井筒损坏的可能性。地层冻膨过程中，射孔孔眼周围应力重新分布可能会造成一定的裂缝扩展。

再次冻结步骤S103：冻结管柱再次下入井筒内，向井筒内注入制冷剂，制冷剂流入射孔内进行再次冻结，焖井第二时间后，在井筒外形成第二冻结区域，取出冻结管柱。

在射孔步骤完成之后，取出射孔枪及连续油管等，冻结管柱再次下入井筒内进行第二次人工冻结，此次冻结主要目的在于形成更大的储层人工冻结范围，提高储层强度及脆性为压裂增产改造创造有利条件。

在下入冻结管柱之前需进行通井，清理井筒中射孔施工时掉入的储层沉积物，再次通过冻结管柱向井筒内注入制冷剂，制冷剂流入射孔内进行再次冻结，焖井第二时间后，在井筒内外形成第二冻结区域，取出冻结管柱。第二冻结区域大于第一冻结区域。

压裂施工步骤S104：压裂工具连接压裂管柱下入井筒内，在第二冻结区域内进行分段压裂增产作业。

取出冻结管柱，清理井筒，下入压裂管柱进行压裂增产改造。为获得更大的储层改造体积，本发明选用水平井分段多簇压裂技术作为一个实施例，压裂管柱连接压裂工具,压裂工具包括压裂滑套和封隔器，在压裂作用过程中，通过封隔器进行坐封，将水平井分段，每段内的压裂滑套为压裂液出口，注入压裂液，沿射孔进入地层，压裂地层，压裂工具封隔器在预定位置坐封将水平井水平段分成多段，根据优选的压裂方案进行压裂增产作业。

由于人工冻结之后地层温度较低，所选压裂液在低温条件下应当满足压裂工艺对压裂液的性能要求。

实施本发明的天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法时，在进行压裂增产作业前，先对储存进行初次冻结，在初次冻结完成之后，对第一冻结区域进行射孔，在射孔完成后，再进行再次冻结，形成第二冻结区域，最后，再下入压裂工具进行分段压裂增产作业。通过人工冻结储层，提高了地层固结强度，增强了地层脆性，创造了水合物储层水力压裂增产改造的条件。进一步的，通过射孔降低了水力裂缝起裂压力，确定了裂缝起裂的大致位置，引导了裂缝扩展，避免了裂缝起裂位置不可预测的不可控状况，沿射孔位置起裂的横切缝有效切割储层，能够获得更高的储层改造体积。同时，通过进行再次人工冻结，制冷剂可以向射孔孔眼扩散，能够提高人工冻结储层的效率。地层被冻结时由于冻膨效应体积会膨胀，射孔孔眼为沉积物体积膨胀提供了一定空间，降低了冻膨效应造成井筒损坏的可能性。

进一步的，在压裂施工步骤之后，该增产改造方法还包括：

重复该再次冻结步骤和压裂施工步骤，直至增产改造作用完成。

在进行压裂增产作业完成之后，可重复进行再次冻结步骤和压裂施工步骤，以实现连续开采，提高开采效率。

为防止制冷剂与海洋环境之间的发生热传递，减少低温对海洋环境的影响。该冻结管柱包括位于直井段内的隔热钢管、以及位于斜井段和水平井段的无缝钢管，该隔热钢管和无缝钢管之间通过转换接头连接，该无缝钢管上靠近该转换接头位置处安装有可用于密封井筒内环空区域的隔热封隔器。

在制冷剂流经隔热钢管时，通过隔热钢管进行隔热，可减少或避免制冷剂与海洋环境之间的发生热传递。进一步的，通过设置隔热封隔器，将制冷剂限制在储层内流动，同样可减少或避免制冷剂与海洋环境之间的发生热传递，有利于集中对储层进行制冷。该隔热管优选为真空隔热型油管。

进一步的，在该初次冻结步骤之前，该增产改造方法还包括：

固井步骤：注入水泥，水泥返高至设计位置；

井筒清理步骤：对井筒内进行清洁。

在完井过程中，需要注入水泥完井。注入水泥，水泥返高至设计位置。待水泥固结完成后，进行通井，确保下入管柱时井筒内畅通，确保隔热分隔器所在井筒位置清洁，确保隔热封隔器顺利坐封。

在第一次冻结前注入水泥固井，固结井筒与地层环空。常规注水泥固井，水泥水化放热，会引起储层水合物部分分解，固结效果较差。而在本申请中，通过初次冻结，可保障地层与井筒之间能够有效固结，避免压裂液压开地层与井筒环空，不沿射孔孔眼起裂。

本发明中，该制冷剂为液氮、液态二氧化碳或低温氯化钙盐水。优选的，该制冷剂为液氮。

如图2-4所示，在本发明的天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置第一实施例中，该增产改造装置1包括设置于钻井平台2上的平台井口装置3、设置于海底的海底井口装置4、与该平台井口装置3固定连接并穿过海底井口装置4伸入至天然气水合物储层内的井筒5、设置于钻井平台2上的压裂系统6、设置于钻井平台2上的制冷系统7、以及射孔枪15；该制冷系统7包括制冷设备、与该制冷设备连通并可下入井筒5内的冻结管柱8；该压裂系统6包括压裂车、与该压裂车连通并可下入井筒5内的压裂管柱16、与该压裂管柱16连接的压裂工具。

使用本发明的天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置1时，将冻结管柱8与制冷设备连接，然后将冻结管柱8下入井筒5内预定位置处，注入制冷剂进行初次冻结，形成第一冻结区域13。取出冻结管柱8，将射孔枪15通过连续油管14下入井筒5内的第一冻结区域13，进行射孔作业。在射孔完成后，取出射孔枪15，将冻结管柱8再次下入井筒5内第一冻结区域13，注入制冷剂进行再次冻结，制冷剂流入射孔内冻结形成第二冻结区域17。取出冻结管柱8，将压裂工具通过压裂管柱16与压裂车连接，然后将压裂管柱16和压裂工具下入井筒5的第二冻结区域17，进行分段压裂增产作用。

优选的，该冻结管柱8包括位于直井段内的隔热钢管11、以及位于斜井段和水平井段的无缝钢管12，该隔热钢管11和无缝钢管12之间通过转换接头9连接，该无缝钢管12上靠近该转换接头9位置处安装有可用于密封井筒5内环空区域的隔热封隔器10。

在制冷剂流经隔热钢管11时，通过隔热钢管11进行隔热，可减少或避免制冷剂与海洋环境之间的发生热传递。进一步的，通过设置隔热封隔器10，将制冷剂限制在储层内流动，同样可减少或避免制冷剂与海洋环境之间的发生热传递，有利于集中对储层进行制冷。

在本实施方式中，该隔热钢管11为真空隔热钢管11，优选为真空隔热型油管。

具体的，为更好的进行分段压裂增产作用，该压裂工具包括与压裂管柱16连接的压裂滑套18、设置于压裂滑套18第一端的第一封隔器19、以及设置于压裂滑套18第二端的第二封隔器20。在压裂作用过程中，可通过第一封隔器19和第二封隔器20对压裂滑套18两端进行坐封，然后进行压裂施工作用。

为便于操作人员掌握井筒5内的冻结状况，该冻结管柱8外侧壁上设有用于检测井筒5环空区域内的温度及压力的温度传感器和压力传感器。该温度传感器和压力传感器与钻井平台2上的监控显示设备电连接，实时反馈井筒5内环空区域的温度及压力信息。

此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“层叠”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法，其特征在于，应用于水平井，所述增产改造方法包括：

初次冻结步骤：冻结管柱下入井筒内，通过冻结管柱向井筒内注入制冷剂进行第一次冻结，焖井第一时间后，在井筒外形成第一冻结区域，取出冻结管柱；

射孔步骤：射孔枪下入井筒内，射孔枪在第一冻结区域内进行射孔，射孔操作完成后取出射孔枪；

再次冻结步骤：冻结管柱再次下入井筒内，向井筒内注入制冷剂，制冷剂流入射孔内进行再次冻结，焖井第二时间后，在井筒外形成第二冻结区域，取出冻结管柱；

压裂施工步骤：压裂工具连接压裂管柱下入井筒内，在第二冻结区域内进行分段压裂增产作业。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法，其特征在于，在压裂施工步骤之后，所述增产改造方法还包括：

重复所述再次冻结步骤和压裂施工步骤，直至增产改造作用完成。

3.根据权利要求1所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法，其特征在于，所述冻结管柱包括位于直井段内的隔热钢管、以及位于斜井段和水平井段的无缝钢管，所述隔热钢管和无缝钢管之间通过转换接头连接，所述无缝钢管上靠近所述转换接头位置处安装有可用于密封井筒内环空区域的隔热封隔器。

4.根据权利要求1所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法，其特征在于，在所述初次冻结步骤之前，所述增产改造方法还包括：

固井步骤：注入水泥，水泥返高至设计位置；

井筒清理步骤：对井筒内进行清洁。

5.根据权利要求1所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造方法，其特征在于，所述制冷剂为液氮、液态二氧化碳或低温氯化钙盐水。

6.一种天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置，其特征在于，所述增产改造装置包括设置于钻井平台上的平台井口装置、设置于海底的海底井口装置、与所述平台井口装置固定连接并穿过海底井口装置伸入至天然气水合物储层内的井筒、设置于钻井平台上的压裂系统、设置于钻井平台上的制冷系统、以及射孔枪；

所述制冷系统包括制冷设备、与所述制冷设备连通并可下入井筒内的冻结管柱；

所述压裂系统包括压裂车、与所述压裂车连通并可下入井筒内的压裂管柱、与所述压裂管柱连接的压裂工具。

7.根据权利要求6所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置，其特征在于，所述冻结管柱包括位于直井段内的隔热钢管、以及位于斜井段和水平井段的无缝钢管，所述隔热钢管和无缝钢管之间通过转换接头连接，所述无缝钢管上靠近所述转换接头位置处安装有可用于密封井筒内环空区域的隔热封隔器。

8.根据权利要求7所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置，其特征在于，所述隔热钢管为真空隔热钢管。

9.根据权利要求6所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置，其特征在于，所述压裂工具包括与压裂管柱连接的压裂滑套、设置于压裂滑套第一端的第一封隔器、以及设置于压裂滑套第二端的第二封隔器。

10.根据权利要求6所述的天然气水合物储层冻结压裂增产改造装置，其特征在于，所述冻结管柱外侧壁上设有用于检测井筒环空区域内的温度及压力的温度传感器和压力传感器。

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