CN114278265B - 高原陆相页岩气试气及返排设备、试气方法及返排方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种高原陆相页岩气试气及返排设备、试气方法及返排方法，其中，试气及返排设备包括：管道，管道包括U形的内管和套设于内管外的外管，内管的U形沿井筒的延伸方向向上开口；内管的一端为第一进液端，另一端为第二进液端，内管的底部设有锥形射流孔；外管设有贯穿侧壁的过流孔；外管和内管之间设有检测组件，检测组件位于过流孔处；第一阀门，位于第二进液端，用于控制第二进液端的开启或关闭；第二阀门，位于射流孔，用于控制射流孔的开启或关闭；第三阀门，位于内管的管壁，用于控内管的内部与内管和外管之间的空间连通或断开；转接管，转接管与内管与外管之间的环形空间连通。本申请能够实现高原陆相页岩气试气及返排过程。

Description

高原陆相页岩气试气及返排设备、试气方法及返排方法

技术领域

本申请涉及高原陆相页岩气技术领域，尤其涉及一种高原陆相页岩气试气及返排设备、试气方法及返排方法。

背景技术

高原陆相页岩气储层孔隙度、基质渗透率极低，基本无自然产能，而且埋藏深、地层压力高，必须通过压裂改造才能实现其经济有效开发，因此压裂是页岩气开发的主体技术。

在开采前需要进行试气，以检测井下高原陆相页岩气的参数，进而指导高原陆相页岩气开采的预设参数设置。在开采高原陆相页岩气的过程中，通常采用压裂的方式进行开采，一般将压裂液压入井下，再将含有高原陆相页岩气的混合液返排至地上，以实现气井的稳定测试气产量，完成压裂效果评价和单井测试产量计算，并为投产后生产制度制定提供依据。

但是现有页岩气开发过程中的试气和返排过程需要不同的设备，测试时间滞后，无法及时反映储层在射孔后初期的压力温度变化及地层流体产出情况，而且两次下井，易造成二次井下污染，同时增加作业时间，延长作业时间，导致高原陆相页岩气的开采效率较低。

发明内容

鉴于上述的分析，本申请旨在提供一种高原陆相页岩气试气及返排设备、试气方法及返排方法，用以解决现有设备无法兼具高原陆相页岩气试气及返排的问题。

本申请的目的主要是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本申请实施例提供了一种高原陆相页岩气试气及返排设备，包括：管道，沿井筒延伸方向设置，管道包括U形的内管和套设于内管外的外管，内管的U形沿井筒的延伸方向向上开口；内管的一端为第一进液端，另一端为第二进液端，内管的底部设有尖端朝下的锥形射流孔；外管设有贯穿侧壁的过流孔；外管和内管之间设有检测组件，检测组件位于过流孔处；第一阀门，位于第二进液端，用于控制第二进液端的开启或关闭；第二阀门，位于射流孔，用于控制射流孔的开启或关闭；第三阀门，位于内管的管壁，用于控内管的内部与内管和外管之间的环形空间连通或断开；转接管，转接管与内管与外管之间的环形空间连通。

根据本申请实施例的第一方面，外管的底部与内管的底部之间的空间封闭，射流孔连通内管的内部与外管的外部。

根据本申请实施例的第一方面，转接管包括：盖部，覆盖于内管的顶部与外管的顶部之间的空间；连接部，与盖部连接，以使盖部的两侧连通。

根据本申请实施例的第一方面，还包括：液氮源，与内管的第二进液端连接，包括第一加压泵，用于将液氮加压泵入内管；压裂液源，与内管的第一进液端连接，包括第二加压泵，用于将压裂液泵入内管。

根据本申请实施例的第一方面，射流孔的内壁面为圆锥形，射流孔的锥角为60°-120°。

根据本申请实施例的第一方面，过流孔设有多个，围绕外管的外壁均布设置；检测组件设有多个，检测组件与过流孔一一对应。

第二方面，本申请实施例提供了一种高原陆相页岩气的试气方法，使用本申请实施例的第一方面的高原陆相页岩气试气及返排设备，高原陆相页岩气的试气方法包括：将高原陆相页岩气试气及返排设备的管道设置于井筒内；关闭第一阀门，打开第二阀门，关闭第三阀门；向内管的第一进液端通入压裂液，使压裂液从射流孔射出，进行井筒底部的射孔作业；射孔作业后的压裂液经由过流孔进入外管与内管之间；通过检测组件对流入的压裂液进行检测。

根据本申请实施例的第二方面，向内管的第一进液端通入压裂液，包括：注入所述压裂液的压力P满足：P₁-P₂+0.75P₀≤P≤P₁-P₂+1.25P₀；其中，P₁为压裂液摩阻损失，P₂为压裂液液柱压力，P₀为射流压力，单位均为MPa。

第三方面，本申请实施例提供了一种高原陆相页岩气的返排方法，使用本申请实施例的第一方面的高原陆相页岩气试气及返排设备，高原陆相页岩气的返排方法包括：将高原陆相页岩气试气及返排设备的管道设置于井筒内；打开第一阀门，关闭第二阀门，打开第三阀门；向内管的第一进液端通入压裂液，向内管的第二进液端通入液氮，进行压裂作业；打开第一阀门，关闭第二阀门，关闭第三阀门；通过内管与外管之间的空间进行返排作业。

根据本申请实施例的第三方面，向内管的第二进液端通入液氮，包括：液氮的用量V满足：1.5V₁·S·ρ₁/(ρ₂-S·ρ₂)≤V≤3V₁·S·ρ₁/(ρ₂-S·ρ₂)；其中，V₁为压裂液的用量，S为压裂液自喷返排的最小干度，ρ₁为氮气密度，ρ₂为液氮密度。

与现有技术相比，本申请至少具有如下有益效果之一：

(a)本申请的高原陆相页岩气试气及返排设备，通过内管与外管的嵌套设置，在试气和返排过程中调整第一阀门、第二阀门和第三阀门的状态，使得本申请的高原陆相页岩气试气及返排设备能够实现高原陆相页岩气试气及返排过程。

(b)本申请的高原陆相页岩气的试气方法，通过将压裂液从射流孔压出形成射流，实现对井筒底部的射孔作业，从而避免使用爆炸物爆炸进行射孔作业，在射孔作业后无需将设备取出，射孔使用的压裂液能够直接用于井下的检测，实现了射孔测试连作工艺，大幅简化了工艺，提高了效率，缩短了施工周期，降低了生产成本，测试更直接、更可靠，而且避免污染页岩储层。

(c)本申请的高原陆相页岩气的返排方法，在返排作业过程中，采用液氮配合压裂液的形式进行压裂，并控制液氮的用量和返排时机使得井下的含有高原陆相页岩气的混合液能够实现自返排。

本申请中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本申请的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本申请实施例的高原陆相页岩气试气及返排设备的一种结构示意图；

图2为本申请实施例的高原陆相页岩气试气及返排设备的一种内部结构示意图；

图3为本申请实施例的高原陆相页岩气试气及返排设备的另一种内部结构示意图；

图4为本申请实施例的高原陆相页岩气试气及返排设备的第二阀门的一种结构示意图；

图5为图2中的高原陆相页岩气试气及返排设备的A-A截面的剖视图；

图6为本申请实施例的高原陆相页岩气的试气方法的一种流程图；

图7为本申请实施例的高原陆相页岩气的返排方法的一种流程图。

附图标记：

1、外管；11、检测组件；12、过流孔；

2、内管；21、第一进液端；22、第二进液端；23、射流孔；

3、第一阀门；

4、第二阀门；41、伸缩组件；42、阀体；

5、第三阀门；

6、转接管；61、盖部；62、连接部；

A1、液氮源；A2、压裂液源；M1、第一加压泵；M2、第二加压泵。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本申请的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本申请的实施例一起用于阐释本申请的原理，并非用于限定本申请的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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申请中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

实施例1

图1为本申请实施例的高原陆相页岩气试气及返排设备的一种结构示意图。图2为本申请实施例的高原陆相页岩气试气及返排设备的一种内部结构示意图。

参考图1和图2，本申请实施例提供了一种高原陆相页岩气试气及返排设备，包括：管道，沿井筒延伸方向设置，管道包括U形的内管2和套设于内管2外的外管1，内管2的U形沿井的延伸方向向上开口，内管2的外壁与外管1的内壁之间形成环形空间；U形的内管2的一端为第一进液端21，另一端为第二进液端22，内管2的底部设有尖端朝下的锥形射流孔23；外管1设有贯穿侧壁的过流孔12；外管1和内管2之间设有检测组件11，检测组件11位于过流孔12处，靠近过流孔12布置；第一阀门3，位于第二进液端22，用于控制第二进液端22的开启或关闭；第二阀门4，位于射流孔23，用于控制射流孔23的开启或关闭；第三阀门5，位于内管2的管壁，用于控内管2的内部与内管2和外管1之间的环形空间连通或断开；转接管6，转接管6与内管2与外管1之间的环形空间连通。

管道采用内管2和外管1嵌套的形式。内管2的外壁为圆柱面，内管2的内部设有U形的通路，以使内管2形成U形管。外管1的内壁和外壁均为圆柱面，使得内管2与外管1之间形成环形空间。

当进行高原陆相页岩气的试气过程时，需要先进行射孔作业。关闭第一阀门3，打开第二阀门4，关闭第三阀门5。此时，内管2的第二进液端22关闭，内管2内部与内管2与外管1之间的环形空间不连通，从内管2的第一进液端21注入的压裂液只能够从射流孔23排出，经由锥形的射流孔23排出时形成压裂液的射流，实现射流作业。完成射流作业后，进行检测过程。压裂液在射流后会在井筒的底部形成混合液，混合液包括压裂液、高原陆相页岩的碎屑和高原陆相页岩气，并经由过流孔12流入内管2与外管1之间的环形空间，经由转接管6排出。在此过程中位于过流孔12的检测组件11能够对混合液进行检测，从而获得井下的参数，井下的参数可以包括温度、压力、页岩气含量等，并用于指导后续高原陆相页岩气的开采。相关技术中，需要通过设置爆炸物来进行射孔作业，在完成射孔作业后，需要将重新设置管道，再进行检测。因此，本申请只需完成一次管道的架设，就可以完成高原陆相页岩气的试气过程，不仅提高了试气的效率，实现可射孔检测的连作工艺，检测的结果能够更加真实地反映高原陆相页岩气的参数，更具备高原陆相页岩气开采的指导意义。

当进行高原陆相页岩气的返排过程时，需要先进行压裂作业。打开第一阀门3，关闭第二阀门4，打开第三阀门5。此时，内管2的第一进液端21和第二进液端22仅处于打开的状态，内管2的底部与外管1和内管2之间的空间连通，外管1和内管2之间的空间与井筒连通。第一进液端21注入压裂液，第二进液端22注入液氮，液氮和压裂液在内管2的内部混合，并流入内管2与外管1之间的环形空间，经一部通过过流孔12流入管道与井筒之间，实现对井下高原陆相页岩的压裂作业。在完成压裂作业后，需要进行返排作业。打开第一阀门3，关闭第二阀门4，关闭第三阀门5。此时，内管2的底部与外管1和内管2之间的环形空间不连通。混有高原陆相页岩气的混合液，在液氮汽化膨胀的作用下，经由过流孔12进入外管1和内管2之间的环形空间，并进一步经过转接管6被排至地面，并进一步用于获取高原陆相页岩气，实现高原陆相页岩气的返排过程。液氮汽化能够加强压裂液的膨胀，通过液氮伴注的工艺能够使促进混有高原陆相页岩气的混合液的返排。

本申请实施例的高原陆相页岩气试气及返排设备，能够通过一套设备实现高原陆相页岩气试气及返排过程，从而实现试气-返排的高效作业。

进一步地，继续参考图1和图2，外管1的底部与内管2的底部之间的环形空间封闭，射流孔23连通内管2的内部与外管1的外部。在射孔作业中，能够使压裂液只能够通过射流孔23排出，并经由射流孔23形成压裂液的射流，进而完成射孔作业。

进一步地，继续参考图1和图2，转接管6包括：盖部61，覆盖于内管2的顶部与外管1的顶部之间的空间；连接部62，与盖部61连接，以使盖部61的两侧连通。在高原陆相页岩气的返排的过程中，混有高原陆相页岩气的混合液通过内管2与外管1之间的环形空间返排至地面，反排过程中通过在不同阶段采用不同尺寸的油嘴，以控制放喷过程。内管2和外管1采用嵌套的形式，内管2与外管1之间的空间的截面形状可以看作为环形。转接管6能够方便将内管2与外管1之间的空间内的混有高原陆相页岩气的混合液引出，盖部61能够使地面处的内管2与外管1之间的空间封闭，连接部62与内管2形成并列的管路，从而使内管2的注入与内管2与外管1之间的空间的返排不会互相影响。此外连接管也方便将混有高原陆相页岩气的混合液导出，并用于高原陆相页岩气的采集。

在其中一种可选实施方式中，连接部62可拆的连接有油嘴，以备在放喷过程中通过更换不同尺寸的油嘴以控制排量。

图3为本申请实施例的高原陆相页岩气试气及返排设备的另一种内部结构示意图。

进一步地，参考图3，高原陆相页岩气试气及返排设备还包括：液氮源A1，与内管2的第二进液端22连接，包括第一加压泵M1，用于将液氮加压泵入内管2；压裂液源A2，与内管2的第一进液端21连接，包括第二加压泵M2，用于将压裂液泵入内管2。液氮源A1用于在高原陆相页岩气的压裂作业中提供液氮。液氮经由内管2的第二进液端22进入内管2，第一阀门3能够控制第二进液端22的打开或关闭，从而控制是否向内管2内注入液氮。压裂液源A2用于在高原陆相页岩气的射孔作业以及压裂作业中提供压裂液。压裂液经由内管2的第一进液端21进入内管2。压裂液可以为水基压裂液，包括支撑剂，示例性地，支撑剂可以为石英颗粒。

图4为本申请实施例的高原陆相页岩气试气及返排设备的第二阀门的结构示意图。

进一步地，参考图4，射流孔23的内壁面为圆锥形，射流孔23的锥角为60°-120°。通过优化射流孔23的锥角使得压裂液形成的射流，既能够具备充足的射程长度，还能够具备较强的破坏力，从而使其具备堪比爆炸物的射孔能力。此外，由于压裂液中添加了有石英颗粒，而石英晶体通常为六方柱形，在石英颗粒随压裂液形成射流时，60°-120°的锥角能够减轻石英颗粒对射流孔23内壁的冲击，从而增加射流孔23的使用寿命。

进一步地，继续参考图4，第二阀门4包括伸缩组件41和阀芯42。伸缩组件41位于内管2的底部，伸缩组件41的伸缩方向与射流孔23的轴线方向重合。伸缩组件41包括固定端与伸缩端，固定端与内管2的内壁固定连接，伸缩端与阀芯42连接。阀芯42的至少一部分为圆台形结构，阀芯42的轴线与射流孔23的轴线重合，阀芯42的侧面的锥角与射流孔23的锥角相等。阀芯42的侧面为弹性面。当伸缩组件41伸长时，阀芯42的侧面抵接在射流孔23的内壁面上，阻塞射流孔23，实现第二阀门4的关闭，由于阀芯42的侧面具有弹性，使得密封效果好。当伸缩组件41缩短时，阀芯42与射流孔23的内壁脱离，实现第二阀门4的打开。示例性地，伸缩组件41可以为液压伸缩杆、气动伸缩杆或直线电机伸缩杆。阀芯42与伸缩组件41连接的一端的截面直径大于伸缩组件41的伸缩端的截面直径。此外，本申请实施例的高原陆相页岩气试气及返排设备进行压裂作业时，第二阀门4会关闭，内管中为压裂液和液氮的混合液，在混合液的液压作用下阀芯42会被进一步地压紧在射流孔23上，从而进一步增强第二阀门4的密封效果。

在其中一种可选实施方式中，伸缩组件41的伸缩端为杆状，阀芯42可滑动地套设在伸缩组件41的伸缩端上。伸缩组件41的伸缩端设有限位结构，用于防止阀芯42与伸缩组件41的伸缩端脱离。限位结构与阀芯42的之间设有弹性件。当第二阀门4关闭时，阀芯42被压紧在射流孔23的孔壁上，进一步伸长伸缩组件41，伸缩组件41的伸缩端会压紧弹性件，从而使阀芯42被进一步压紧在射流孔23上，由于弹性件的存在，使得阀芯42向射流孔23的孔壁施加的压力逐渐增加，避免阀芯42的瞬间撞击而对射流孔23造成损害。

可选的，阀芯42的锥形侧面上设有两个密封凸起环，密封凸起环具有弹性，凸出于阀芯42的侧面设置，且密封凸起环的弹性变形能力大于阀芯42侧面的弹性变形能力。通过在阀芯42的侧面设置密封凸起环，以提升密封性效果。

可选的，阀芯42的侧面包括弹性层，由阀芯42的前端至尾端，弹性层的厚度逐渐增大，也就是说，弹性层表面形成的锥角大于射流孔23的锥角。当阀芯42挤压射流孔23过程中，阀芯42与射流孔23先形成线接触，随着伸缩组件41的继续伸长，阀芯42继续向射流孔23挤压，弹性层发生弹性形变，阀芯42与射流孔23形成面挤压接触，由于阀芯后端的弹性层厚度大，弹性形变大，从而保证了密封效果，而且即便混合液中混有支撑剂或岩屑，因阀芯42的侧面的弹性层存在，也不会影响射流孔23的密封性，密封可靠性高。

图5为图2中的高原陆相页岩气试气及返排设备的A-A截面的剖视图。

进一步地，继续参考图5，过流孔12设有多个，围绕外管1的外壁均布设置；检测组件11设有多个，检测组件11与过流孔12一一对应，靠近每个过流孔12均布置一个检测组件11，可选的，检测组件11与过流孔12交替布置。在进行高原陆相页岩气的压裂作业的过程中，压裂液和液氮的混合液经由过流孔12流入管道和井筒之间，对高原陆相页岩气的目标储层进行压裂，多个过流孔12能够提高高原陆相页岩目标储层的压裂效率，从而获得更多的高原陆相页岩气，提高高原陆相页岩气的开采效率。为了使压裂更加充分，过流孔12在外管1的周向均布设置，且沿外管1的周向设置有多个。检测组件11与过流孔12一一对应，可以获得不同的过流孔12对应位置的高原陆相页岩气的参数，使得检测结果更加准确可靠。

与现有技术相比，本申请实施例提供的高原陆相页岩气试气及返排设备，通过内管与外管的嵌套设置，在试气和返排过程中调整第一阀门、第二阀门和第三阀门的状态，使得本申请的高原陆相页岩气试气及返排设备能够实现高原陆相页岩气试气及返排过程，简化了工艺，提高了效率，缩短了施工周期，降低了生产成本，测试更直接、更可靠，而且避免污染页岩储层。通过将压裂液从射流孔压出形成射流，实现对井筒底部的射孔作业，从而避免使用爆炸物爆炸进行射孔作业，在射孔作业后无需将设备取出，射孔使用的压裂液能够直接用于井下的检测，实现了射孔测试连作工艺，克服了现有技术中采用爆炸物先进行射孔作业再另外铺设管道进行检测，导致施工成本高、耗时久的缺陷。本申请的高原陆相页岩气试气及返排设备，在返排作业过程中，采用液氮配合压裂液的形式进行压裂，并控制液氮的用量使得井下的含有高原陆相页岩气的混合液能够实现自返排。

实施例2

本申请实施例提供了一种高原陆相页岩气的试气方法使用本申请实施例1中的高原陆相页岩气试气及返排设备。

图6为本申请实施例的高原陆相页岩气的试气方法的一种流程图。

参考图6，本申请实施例的高原陆相页岩气的试气方法包括：

S1.1、设备搭建

预先挖掘井筒，将高原陆相页岩气试气及返排设备的管道设置于井筒内，同时连接压裂液源A2。

S1.2、调整阀门

关闭第一阀门3，打开第二阀门4，关闭第三阀门5。此时，内管2的第一进液端21、内管2、射流孔23和井筒形成通路。

S1.3、压裂液射孔

向内管2的第一进液端21通入压裂液，使压裂液从射流孔23射出，进行井筒底部的射孔作业。压裂液依次经过内管2的第一进液端21、内管2、射流孔23，在射流孔23处形成压裂液射流，压裂液射流冲击井筒底部，完成井筒底部的射孔作业。

注入压裂液的压力P满足：P₁-P₂+0.75P₀≤P≤P₁-P₂+1.25P₀；其中，P₁为压裂液摩阻损失，P₂为压裂液液柱压力，P₀为射流压力，单位均为MPa。当压裂液的压力满足上述条件，能够使得在射流孔23处的压裂液形成足够大的压力，并以射流的形式射出。此时，压裂液的射流的能量、射程长度，能够使高原陆相页岩目标储层发生破坏，并形成射孔。

S1.4、压裂液回流

射孔作业后的压裂液经由过流孔12进入外管1与内管2之间。射孔后的压裂液会形成混有高原陆相页岩气和高原陆相页岩的混合液。由于过流孔12使内管2和外管1之间的环形空间与井筒连通，混有高原陆相页岩气和高原陆相页岩的混合液会经过过流孔12流入内管2和外管1之间的环形空间，形成回流。

S1.5、检测井下参数

压裂过程中的井下压力与时间的变化关系可以反映地下裂缝的延伸规律和地层特性，井底的温度直接影响到压裂液、支撑剂性能。因此，准确掌握压裂作业过程中的井下压力、温度等状态参数，对指导压裂作业、进行作业效果评价等具有重要意义。

通过检测组件11对流入的压裂液进行检测。当混有高原陆相页岩气和高原陆相页岩的混合液会经过过流孔12流入内管2和外管1之间的环形空间时，检测组件11同步对混有页岩气、岩屑和高原陆相页岩的混合液进行检测，并获得井下的温度、压力和页岩气含量等状态参数，以指导高原陆相页岩气的开采。其中，检测组件11用于实时监测井下的温度、压力等状态参数信息，并能够实时上传至地表的仪器端，检测组件11包括温度传感器、压力传感器、流量传感器等，当然，也可以根据需要监测的参数如气相密度和返排液密度等设置相应的传感器。需要说明的是，本实施例的检测组件11采用现有的监测传感器就能实现井下状态参数的监测。

与现有技术相比，本申请实施例提供的高原陆相页岩气的试气方法，采用实施例1的高原陆相页岩气试气及返排设备，能够实现射孔检测连作工艺，使得检测结果更具时效性，能够更加准确地反映井下的实时情况，以获得更加真实可靠的高原陆相页岩气的试气参数，对实现高原陆相页岩气的大规模开发具有重要意义。并通过精确计算注入压裂液的压力P，保证压裂液在射流孔以足够大的压力射出，对高原陆相页岩目标储层发生破坏，并形成射孔，避免压裂液注入压力不足导致射孔效果不理想，压裂液注入压力过大造成能源浪费，以及对压裂设备要求高、成本过高。

实施例3

压裂液的返排是决定压裂成败的一个重要过程，制定科学的过程能够让压裂液的滤失尽可能少，从而降低对储层的伤害，进而改善增产效果。返排时机选择不合理，造成支撑剂的回流，或在靠近气井周围的地层破碎，从而使裂缝中的支撑剂不足以形成合适的导流能力，从而会导致压裂施工效果差，其次是返排流量控制不好，流量不足又会造成压裂液长时间的滞留，使地层受到更多损害。

本申请实施例提供了一种高原陆相页岩气的返排方法，使用本申请实施例1的高原陆相页岩气试气及返排设备。

图7为本申请实施例的高原陆相页岩气的返排方法的一种流程图。

参考图7，本申请实施例的高原陆相页岩气的返排方法包括：

S2.1、设备搭建

预先挖掘井筒，将高原陆相页岩气试气及返排设备的管道设置于井筒内，同时连接压裂液源A2和液氮源A1。需要说明的是，如果已经通过本申请实施例2的高原陆相页岩气的试气方法，完成了高原陆相页岩气试气过程，那么，本步骤可以与实施例2的步骤S1.1一通完成。

S2.2、第一次调整阀门

打开第一阀门3，关闭第二阀门4，打开第三阀门5。此时，内管2的第一进液端21和第二进液端22、内管2、内管2与外管1之间的环形空间、过流孔12和井筒形成通路。

S2.3、压裂作业

向内管2的第一进液端21通入压裂液，向内管2的第二进液端22通入液氮，进行压裂作业，压裂液和液氮会在内管2的底部混合，经由第三阀门5进入内管2与外管1之间的环形空间，再经由过流孔12进入井筒中，此时液氮汽化膨胀，实现对高原陆相页岩的压裂作业。

虽然液氮量越大返排能力越强，但对于规模较大的压裂而言，以混气方式实现完全自喷返排，液氮用量非常可观，导致成本高昂。受经济因素的制约，不能片面追求液氮消耗量。基于上述问题，在步骤S2.3中，注入液氮的用量V满足：1.5V₁·S·ρ₁/(ρ₂-S·ρ₂)≤V≤3V₁·S·ρ₁/(ρ₂-S·ρ₂)；其中，V₁为压裂液的用量，S为压裂液自喷返排的最小干度，ρ₁为氮气密度，ρ₂为液氮密度。当液氮的用量和压裂液的用量满足上述关系，在压裂液和液氮的混合液完成对高原陆相页岩的压裂过程后，气态的氮气能够置换一部分高原陆相页岩气，从而进一步提高高原陆相页岩气的开采效率。此外，液氮能够进一步汽化，使得混有高原陆相页岩气的混合液进一步膨胀，实现自返排工艺，进一步提高了高原陆相页岩气的开采效率。

S2.4、第二次调整阀门

打开第一阀门3，关闭第二阀门4，关闭第三阀门5。此时，井筒、过流孔12、内管2与外管1之间的环形空间和转接管6形成通路。

S2.5、返排作业

通过内管2与外管1之间的环形空间进行返排作业。压裂后的压裂液会形成混有高原陆相页岩气的混合液，随着液氮的进一步汽化膨胀，混有高原陆相页岩气的混合液经由过流孔12，进入内管2与外管1之间的环形空间，并进一步经由转接管6返排至地面，以获取其中的高原陆相页岩气，得到气井稳定测试气产量数据，完成压裂效果评价和单井测试产量计算，并为投产后生产制度制定提供依据。

为了避免因返排时机选择不合理，造成支撑剂回流，或靠近气井周围的地层破碎，使裂缝中的支撑剂不足以形成合适的导流能力，影响压裂施工效果。本实施例的返排方法，在步骤S2.5中进行返排作业时，采用强制闭合返排工艺，压裂停泵后60-90分钟内开始放喷返排，并根据压裂工艺、管柱特点和地层的需要，采用闭合控制阶段、放大排量阶段、压力上升阶段、间歇放喷阶段的放喷过程，有效减少支撑剂回流，并大幅度减少气井周围的地层破碎，保证高原地区陆相页岩储层在压裂后能够形成良好导流能力，进而保证压裂施工效果。

具体而言，放喷过程包括如下四个阶段：

①闭合控制阶段，根据压后停泵压力的大小，及压力降落情况来确定。停泵压力高，压力降落慢的井要选择小口径的油嘴，反之选择大口径的油嘴。采用2-6mm油嘴控制，排量控制在100-200L/min。

②放大排量阶段，采用8-10mm油嘴控制或畅放，排量控制在500L/min以下，以地层不出砂、放喷管线出口不见砂粒为控制原则。

③压力上升阶段，采用6-10mm油嘴进行控制，并随着气量增大、压力上升而逐步减小油嘴。

④间歇放喷阶段，由于深入地层远处的液体向油管聚集速度小于气体，返排液量减少，出气量增大，排液效率降低，则应关井恢复，采取间开工作制度，选择4-8mm转接管径放喷。

与现有技术相比，本申请实施例提供的高原陆相页岩气的返排方法，采用液氮配合压裂液的形式进行压裂，通过精确计算目标储层压裂所需液氮量，使得井下的含有高原陆相页岩气的混合液能够实现自返排，避免因液氮量不足导致反排效果差或者因液氮量过多造成资源浪费。通过合理选择返排时机，采用强制闭合返排工艺，压裂停泵后60-90分钟内开始放喷返排，并采用闭合控制阶段、放大排量阶段、压力上升阶段、间歇放喷阶段的放喷过程，有效减少支撑剂回流，并大幅度减少气井周围的地层破碎，保证高原地区陆相页岩储层在压裂后能够形成良好导流能力，进而保证压裂施工效果。

实施例4

本申请实施例提供一种用于高原陆相页岩储层压裂施工方法，应用于实施例2或实施例3中。

由于高原地区页岩储层致密、造缝宽度小，缝高控制难，压裂初期加砂困难，施工过程中易砂堵。基于上述问题，本申请实施例提供了一种用于高原陆相页岩储层压裂施工方法，针对高原地区页岩储层致密、造缝宽度小，缝高控制难的特点，本实施例压裂施工方法采用全程滑溜水压裂液体系，能够实现大排量、大液量体造压裂改造，以提升压裂造缝效果，可用于实施例2的试气方法、实施例3的反排方法中的压裂施工。

本实施例的用于高原陆相页岩储层压裂施工方法，对压裂液以及支撑剂选取进行了优化。

具体的，用于高原陆相页岩储层压裂施工方法采用压裂液的体系配方为：以质量分数计，0.15％减阻剂+0.5％助排剂+0.5％KCl+0.5％粘土稳定剂，余量为水。由于减阻剂为大分子聚合物，会对储层造成伤害，采用上述参数配比，能够在保证压裂液性能的前提下，尽量降低压裂液体系对高原地区页岩储层的伤害。

由于近井筒问题是影响支撑剂铺置的一个很重要因素，很多情况下，近井筒问题和射孔入口或者近井筒裂缝宽度有关。距井筒几英寸到几英尺距离内裂缝绕流会造成近井筒区域裂缝宽度太窄。在近井筒地区裂缝需要克服的岩石应力比最小主应力大得多。裂缝宽度太窄可能是由于在近井筒附近产生了多裂缝造成的。此外，裂缝还可能不从孔眼处起裂，而是沿着微裂隙起裂，这可能会限制支撑剂的泵入。因此，支撑剂材料的性能直接影响到裂缝导流能力，是影响压裂效果的关键因素，选择合适的支撑剂以及支撑剂的铺置工艺是压裂增产措施的关键。

本实施例的用于高原陆相页岩储层压裂施工方法中：压裂过程采用多支撑剂段塞技术对裂缝进行支撑，延长压裂有效周期，提高措施改造效果。具体而言，在压裂液中添加不同规格粒径的支撑剂，采用组合支撑剂对裂缝进行有效支撑，采用100目石英砂支撑远端微裂缝，40-70目石英砂支撑分支小裂缝，30-50目石英砂支撑主裂缝，采用段塞式加砂为主，尾端连续加砂大粒径陶粒支撑主裂缝及近井地带，增大裂缝导流能力。也就是说，在压裂初期，加入粒径较小的支撑剂低砂比段塞(砂比为7-9％)，小裂缝被支撑剂段塞堵塞，在地层形成一条或多条较宽的主裂缝，能够有效地减小地层的滤失，并且能起到打磨主裂缝和微裂缝的作用。在压裂中后期，前期小粒径的支撑剂已经降低了液体的滤失，通过加入粒径较大粒径的支撑剂以更好的支撑多裂缝形成网络通道，可以根据实际施工情况加入组合粒径的支撑剂。故优选100目粉砂前置段塞打磨，40-70目和30-50目组合粒径加砂，以满足缝网压裂的要求。

与现有技术相比，本实施例提供的用于高原陆相页岩储层压裂施工方法，针对高原地区页岩储层致密、造缝宽度小，缝高控制难的特点，采用全程滑溜水压裂液体系，能够实现大排量、大液量体造压裂改造，以保证压裂改造施工成功。采用的压裂液体系用少量稠化剂降阻，几乎不用其它添加剂，支撑剂采用不同规格粒径组合的支撑技术，有利于形成网状缝，可以大幅度提高裂缝体积及压后效果，而且所需支撑剂用量少，对地层伤害小，成本低。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高原陆相页岩气试气及返排设备，其特征在于，包括：

管道，沿井筒延伸方向设置，所述管道包括U形的内管和套设于所述内管外的外管，所述内管的U形沿所述井筒的延伸方向向上开口；所述内管的一端为第一进液端，另一端为第二进液端，所述内管的底部设有尖端朝下的锥形射流孔；所述外管设有贯穿侧壁的过流孔；所述外管和所述内管之间设有检测组件，所述检测组件位于所述过流孔处；

第一阀门，位于所述第二进液端，用于控制所述第二进液端的开启或关闭；

第二阀门，位于所述射流孔，用于控制所述射流孔的开启或关闭；

第三阀门，位于所述内管的管壁，用于控所述内管的内部与所述内管和所述外管之间的环形空间连通或断开；

转接管，所述转接管与所述内管与所述外管之间的环形空间连通；

所述外管的底部与所述内管的底部之间的空间封闭，所述射流孔连通所述内管的内部与所述外管的外部。

2.根据权要求1所述的高原陆相页岩气试气及返排设备，其特征在于，所述转接管包括：

盖部，覆盖于所述内管的顶部与所述外管的顶部之间的空间；

连接部，与所述盖部连接，以使所述盖部的两侧连通。

3.根据权利要求2所述的高原陆相页岩气试气及返排设备，其特征在于，还包括：

液氮源，与所述内管的第二进液端连接，包括第一加压泵，用于将液氮加压泵入所述内管；

压裂液源，与所述内管的第一进液端连接，包括第二加压泵，用于将压裂液泵入所述内管。

4.根据权利要求3所述的高原陆相页岩气试气及返排设备，其特征在于，所述射流孔的内壁面为圆锥形，所述射流孔的锥角为60°-120°。

5.根据权利要求4所述的高原陆相页岩气试气及返排设备，其特征在于，所述过流孔设有多个，围绕所述外管的外壁均布设置；所述检测组件设有多个，所述检测组件与所述过流孔一一对应。

6.一种高原陆相页岩气的试气方法，其特征在于，使用权利要求1至5任一项所述的高原陆相页岩气试气及返排设备，所述高原陆相页岩气的试气方法包括：

将所述高原陆相页岩气试气及返排设备的管道设置于井筒内；

关闭所述第一阀门，打开所述第二阀门，关闭所述第三阀门；

向所述内管的第一进液端通入压裂液，使所述压裂液从所述射流孔射出，进行井筒底部的射孔作业；

射孔作业后的所述压裂液经由所述过流孔进入所述外管与所述内管之间；

通过所述检测组件对流入的所述压裂液进行检测。

7.根据权利要求6所述的高原陆相页岩气的试气方法，其特征在于，所述向所述内管的第一进液端通入压裂液，包括：

注入所述压裂液的压力P满足：

P₁-P₂+0.75P₀≤P≤P₁-P₂+1.25P₀；

其中，P₁为压裂液摩阻损失，P₂为压裂液液柱压力，P₀为射流压力，单位均为MPa。

8.一种高原陆相页岩气的返排方法，其特征在于，使用权利要求1至5任一项所述的高原陆相页岩气试气及返排设备，所述高原陆相页岩气的返排方法包括：

将所述高原陆相页岩气试气及返排设备的管道设置于井筒内；

打开所述第一阀门，关闭所述第二阀门，打开所述第三阀门；

向所述内管的第一进液端通入压裂液，向所述内管的第二进液端通入液氮，进行压裂作业；

打开所述第一阀门，关闭所述第二阀门，关闭所述第三阀门；

通过所述内管与外管之间的空间进行返排作业。

9.根据权利要求8所述的高原陆相页岩气的返排方法，其特征在于，所述向所述内管的第二进液端通入液氮，包括：

所述液氮的用量V满足：1.5V₁·S·ρ₁/(ρ₂-S·ρ₂)≤V≤3V₁·S·ρ₁/(ρ₂-S·ρ₂)；其中，V₁为压裂液的用量，S为压裂液自喷返排的最小干度，ρ₁为氮气密度，ρ₂为液氮密度。

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