CN114718539B - 一种多轮次甲烷层内原位燃爆压裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多轮次甲烷层内原位燃爆压裂方法，属于油气田压裂技术领域，包括以下步骤：前置液泵注，起裂扩展裂缝；氧化剂固体颗粒与携砂液泵注，将氧化剂携带充填裂缝；顶替液泵注，将氧化剂和携砂夜送到预定位置，并将井筒中的全部携砂夜和氧化剂颗粒替入裂缝中；控制压力，排液产气，让地层中的页岩气充满裂缝，直到达到甲烷的爆炸极限为止；点火装置引燃起爆器开始燃爆；继续使甲烷不断充满地层裂缝孔隙，开始第二次燃爆压裂，直至氧化剂用完为止。利用循环爆炸冲击波产生的微裂缝进行扩展延伸，形成相互连通的裂缝网，有效地沟通了地层中的天然裂缝，扩大了油层泄流面积，提高了地层的渗透性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于页岩气储层压裂改造中的多轮次甲烷层内原位燃爆压裂工艺，属于油气田压裂技术领域。
背景技术
水力压裂和酸化技术成本高昂，对施工现场存在诸多限制。传统的燃爆工艺改善效果有限，且存在药量有限、火药不能有效进入地层和孔隙等诸多问题，导致开发效果不明显。
发明内容
针对现有技术的不足，为了更好的利用水力压裂在地层中造出的水力裂缝，使甲烷循环燃爆增渗效果更好，同时保证施工的安全性及对井筒、套管的保护，本发明提供一种多轮次甲烷层内原位燃爆压裂工艺，为突破页岩储层低成本、高效能压裂改造困境提供一种新思路。
本发明的技术方案如下：
一种多轮次甲烷层内原位燃爆压裂方法，利用水力压裂方式在压裂层中形成一定长度、高度和宽度的水力裂缝，然后将支撑剂与固体氧化剂的混合物压入主裂缝中，以不损坏井筒、套管的原则在地层中引爆；爆炸包括两个阶段：第一个阶段是甲烷燃爆阶段，利用水力压裂工艺将固体颗粒状的氧化剂和一定比例的压裂支撑剂混合，正常压裂携砂入缝，造出一条充满氧化剂和支撑剂混合的裂缝，然后有控制的释放压力，排液产气，让甲烷气充满裂缝，然后用井筒内点火装置点火，引燃井筒内的甲烷氧气混合流体，进而引燃裂缝内的甲烷爆燃，从而在裂缝两侧形成损伤破裂，使岩壁不断破碎，产生微裂缝，同时爆炸产生的碎屑将会充当新的支撑剂，起一定的支撑作用；第二个阶段是循环燃爆阶段，由于裂缝内氧化剂颗粒是过量的，所以爆燃一次后，继续控制压力排液产气，让甲烷再次充满裂缝，再次爆燃，让裂缝两侧岩石重复损伤扩展裂纹，从而使地层进行二次燃爆，不断循环，直到氧化剂用完为止。
利用循环爆炸产生的气体对冲击波产生的微裂缝进行扩展延伸，形成相互连通的裂缝网，有效地沟通了地层中的天然裂缝，扩大了油层泄流面积，提高了地层的渗透性。
一种多轮次甲烷层内原位燃爆压裂方法，具体包括以下步骤：
(1)前置液泵注，起裂扩展裂缝；
(2)氧化剂固体颗粒与支撑剂混合携砂液泵注，将氧化剂携带充填裂缝；顶替液泵注，将氧化剂和携砂液送到预定位置，并将井筒中的全部携砂液和氧化剂颗粒替入裂缝中；
(3)控制压力，排液产气，让地层中的页岩气充满裂缝以及井筒，直到达到甲烷最剧烈的爆炸极限为止；同时携砂液中的固体氧化剂颗粒会在地层中不断分解产生氧气，与甲烷一起不断充满地层裂缝、井筒区域；
(4)点火装置引燃起爆器开始初次燃爆压裂；打开地面点火开关，引燃井筒内的甲烷氧气混合流体，进而引燃裂缝内的甲烷爆燃，从而在裂缝两侧形成损伤破裂，使岩壁不断破碎，产生微裂缝，同时爆炸产生的碎屑将会充当新的支撑剂，起一定的支撑作用；
(5)爆炸结束后控制压力排液产气，使甲烷继续充满裂缝；
(6)点火装置引燃，继续燃爆压裂，重复步骤(3)-(6)，使地层进行多次燃爆，直到氧化剂用完为止。由于过碳酸钠是过量的，第一次燃爆压裂结束后，产生的高温高压以及燃爆产生的水汽会迅速使过碳酸钠分解，产生大量氧气，继续控制压力排液产气，使甲烷再次充满地层裂缝。
优选的，步骤(2)中，支撑剂为20/40目的陶粒，氧化剂为20目以下的固体颗粒。其用量根据裂缝设计规模和裂缝扩展模拟进行计算确定。
进一步优选的，步骤(2)中，所述氧化剂为固态氧，由过碳酸钠、稳定剂制成的白色或彩色颗粒状增氧剂，稳定剂采用在成品表面喷涂的方法，在过碳酸钠表面先后喷涂质量分数为0.01％～1％的氯化镁和0.02％～0.5％的聚乙二醇类化合物，同时采用不溶于水的高分子材料对所制成的固态氧表面进行包覆，以提高氧化剂在携砂液中的稳定性，其中活性氧的质量分数占比在固体氧化剂颗粒中达到14.5％。本申请将氧化剂直接泵入到水力裂缝中，且所使用的氧化剂更加安全高效。
优选的，步骤(2)中，固体氧化剂的最低用量根据目标井压裂层的储层特性和裂缝几何参数按公式(1)确定：
式中，m为所述氧化剂的质量，kg；l为水力裂缝的长度，m；b为水力裂缝宽度，m；为水力裂缝高度，m；φ为裂缝孔隙度；c为燃爆时甲烷浓度；p1为地层静压，MPa；p0为大气压力，MPa；T1为地层温度，华氏度。
优选的，步骤(3)中，排液产气至裂缝内甲烷浓度为5％～30％，氧气浓度为甲烷浓度的两倍，井筒下入封隔器，准备燃爆。
优选的，步骤(1)中，前置液成分为胍胶压裂液，粘度在50mPa·s以上。其用量根据裂缝设计规模和裂缝扩展模拟进行计算确定。
本发明的有益效果在于：
1.该工艺依托水力压裂携砂入缝的工艺方法，将气体炸药充满各种裂缝和孔隙，从而实现了裂缝内部和一些微小裂缝的爆燃压裂改造。
2.本申请明确指出了所使用的氧化剂为过碳酸钠固体氧化剂颗粒以及采用了过量注入的方式，无需反复注入氧化剂以对地层中的氧气进行补充，大大减少了施工成本，同时保证了燃爆时的富氧条件；其次，本申请所使用的氧化剂颗粒会随着支撑剂一起泵入地层，从而使得氧化剂在水力裂缝中释放氧气与甲烷气进行燃爆，进而实现了甲烷的层内燃爆；再者，为了保证燃爆后所形成的裂缝能够形成一定的导流能力，本申请在压裂时泵注的支撑剂会在与冲击波的作用下充分填充燃爆裂缝，从而获得更广泛的改造体积与更好的改造效果。
3.本申请所适用的井型为直井，便于操作；其次，从施工程序上来说，本申请旨在利用甲烷多轮次燃爆压裂形成具有工业性气流后再进行生产而不是边燃爆边生产，这样的好处在于多轮次的重复燃爆能够在地层中形成更高导流能力的裂缝和更大的改造面积，以获得更高的产气能力；再者，本申请所用的过碳酸钠为制氧剂，同时通过对过碳酸钠表面喷涂稳定剂以及包覆高分子材料的方式来提高整个泵注过程中的稳定性，更加安全可靠，且过碳酸钠中活性氧的质量分数可达到14.5％。
4.本发明的技术方案可大规模增加裂缝复杂程度，大幅度改善储层的渗流特性。与常规水力压裂比较，多轮次甲烷层内燃爆压裂工艺更容易激发难以被水力压裂沟通的裂缝，更容易裂缝两侧激发若干随机裂缝，形成三维体积改造，大幅提高压裂改造效果。与传统的燃爆工艺相比，本发明采用多轮次压裂，它可以持续性的改造储层，其产生的能量在一次次的冲击下更容易压裂地层。
附图说明
图1是本发明的施工流程框图。
图2是本发明的地面设备与地下设备示意图。
图3是本发明目标井第一阶段初次燃爆压裂施工示意图。
图4是本发明目标井第二阶段燃爆压裂施工示意图。
其中：1、支撑剂；2、氧化剂；3、液体；4、混砂车；5、泵车；6、地面点火开关；7、井口；8、井筒套管；9、生产管柱；10、封隔器；11、水力裂缝；12、前置液；13、携砂液；14、页岩气储层；15、点火装置；16、压力控制阀；17、传感探头；18、甲烷-氧气浓度监测系统；19、氧化剂与支撑剂的混合物。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种缝内充填式爆燃聚能体积压裂方法，该方法包括以下步骤，如图1所示：
(1)压裂用前置液(12)泵注，在页岩气储层(14)内起裂扩展水力裂缝(11)；前置液成分为胍胶压裂液，粘度在50mPa·s以上。其用量根据裂缝设计规模和裂缝扩展模拟进行计算确定。地面设备与地下设备如图2所示，本申请适用竖井，井筒套管(8)内放置生产管柱(9)，底部设置点火装置(15)和传感探头(17)。
(2)支撑剂(1)与固体氧化剂(2)液体(3)经过混砂车(4)混合携砂液(13)利用泵车5泵注，支撑剂选用20/40目的陶粒。固体氧化剂的用量根据目标井压裂层的储层特性和裂缝几何参数按公式(1)确定，只多不少。
计算公式为：
式中，m为所述氧化剂的质量，kg；l为水力裂缝的长度，m；b为水力裂缝宽度，m；为水力裂缝高度，m；φ为裂缝孔隙度；c为燃爆时甲烷浓度；p1为地层静压，MPa；p0为大气压力，MPa；T1为地层温度，华氏度。
所述氧化剂为固态氧，由过碳酸钠、稳定剂制成的白色或彩色颗粒状增氧剂，其中过碳酸钠的含量为98.5％，无机稳定剂氯化镁含量为1％，有机稳定剂聚乙二醇的含量为0.5％，稳定剂采用在成品表面喷涂的方法，在过碳酸钠表面先后喷涂质量分数为1％的氯化镁和0.5％的聚乙二醇类化合物，采用不溶于水的高分子材料对所制成的固态氧表面进行包覆，以提高氧化剂在携砂液中的稳定性，其中活性氧的质量分数占比在固体氧化剂颗粒中达到14.5％。制成20目以下的固体颗粒。不溶于水的高分子材料可以为pa、pmma、pvc、氟树脂、氟橡胶及一些塑料ps pe pp等任一现有的材料。
(3)控制压力，排液产气。启动压力控制阀(16)，控制井底压力，使压裂液返排，同时携砂液(13)中的固体氧化剂颗粒会在地层中不断分解产生氧气，与甲烷一起不断充满地层裂缝、井筒区域，当甲烷浓度达到5％～30％，氧气浓度约为甲烷浓度的两倍时，井筒下入封隔器(10)。井口(7)设置地面点火开关(6)和甲烷-氧气浓度监测系统(18)，通过传感探头(17)检测浓度。
(4)初次燃爆压裂。打开地面点火开关(6)，引燃井筒内的甲烷氧气混合流体，进而引燃裂缝内的甲烷爆燃，从而在裂缝两侧形成损伤破裂，使岩壁不断破碎，产生微裂缝，同时爆炸产生的碎屑将会充当新的支撑剂，起一定的支撑作用。如图3所示。
(5)循环燃爆压裂。由于过碳酸钠是过量的，第一次压裂结束后，产生的高温高压以及燃爆产生的水汽会迅速使过碳酸钠分解，产生大量氧气，继续控制压力排液产气，使甲烷再次充满地层裂缝，观察地面甲烷-氧气浓度监测仪，当甲烷浓度达到5％～30％，氧气浓度约为甲烷浓度的两倍时，进行第二次燃爆。重复步骤(3)-(6)，使地层进行多次燃爆，直到氧化剂用完为止。如图4所示。
本实施例中，所述目标井的基本参数，详见表1：
表1目标井基础数据
根据压裂层位的裂缝几何参数，设定裂缝孔隙度为30％。
计算裂缝中甲烷的体积为：120×0.005×7.2×0.3×0.3＝0.3888m3；
因为要保证氧化剂过量，所以按照甲烷体积0.4m3计算，地层中所需要的氧气体积为：0.4×2＝0.8m3；
则地面氧气的体积为：；
因此一次燃爆需要的氧化剂的质量为：
所需两次循环燃爆所需要的氧化剂质量为2200.708kg；多次燃爆时增加氧化剂含量。
Claims (6)
1.一种多轮次甲烷层内原位燃爆压裂方法，其特征在于，利用水力压裂方式在压裂层中形成一定长度、高度和宽度的水力裂缝，然后将支撑剂与固体氧化剂的混合物压入主裂缝中，在地层中引爆；爆炸包括两个阶段：第一个阶段是甲烷燃爆阶段，利用水力压裂工艺将固体颗粒状的氧化剂和一定比例的压裂支撑剂混合，正常压裂携砂入缝，造出一条充满氧化剂和支撑剂混合的裂缝，然后释放压力，排液产气，让甲烷气充满裂缝，然后用井筒内点火装置点火，引燃井筒内的甲烷氧气混合流体，进而引燃裂缝内的甲烷爆燃，从而在裂缝两侧形成损伤破裂，使岩壁不断破碎，产生微裂缝，同时爆炸产生的碎屑将会充当新的支撑剂；第二个阶段是循环燃爆阶段，由于裂缝内氧化剂颗粒是过量的，所以爆燃一次后，继续控制压力排液产气，让甲烷再次充满裂缝，再次爆燃，让裂缝两侧岩石重复损伤扩展裂纹，从而使地层进行二次燃爆，不断循环，直到氧化剂用完为止；具体包括以下步骤：
(1)前置液泵注，起裂扩展裂缝；
(2)氧化剂固体颗粒与支撑剂混合携砂液泵注，将氧化剂携带充填裂缝；顶替液泵注，将氧化剂和携砂液送到预定位置，并将井筒中的全部携砂液和氧化剂颗粒替入裂缝中；
(3)控制压力，排液产气，让地层中的页岩气充满裂缝以及井筒，直到达到甲烷最剧烈的爆炸极限为止；同时携砂液中的固体氧化剂颗粒会在地层中不断分解产生氧气，与甲烷一起不断充满地层裂缝、井筒区域；
(4)点火装置引燃起爆器开始初次燃爆压裂；打开地面点火开关，引燃井筒内的甲烷氧气混合流体，进而引燃裂缝内的甲烷爆燃，从而在裂缝两侧形成损伤破裂，使岩壁不断破碎，产生微裂缝，同时爆炸产生的碎屑将会充当新的支撑剂，起一定的支撑作用；
(5)爆炸结束后控制压力排液产气，使甲烷继续充满裂缝；
(6)点火装置引燃，继续燃爆压裂，重复步骤(3)-(6)，使地层进行多次燃爆，直到氧化剂用完为止。
2.根据权利要求1所述的多轮次甲烷层内原位燃爆压裂方法，其特征在于，步骤(2)中，支撑剂为20/40目的陶粒，氧化剂为20目以下的固体颗粒。
3.根据权利要求1所述的多轮次甲烷层内原位燃爆压裂方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氧化剂为固态氧，由过碳酸钠、稳定剂制成的白色或彩色颗粒状增氧剂，稳定剂采用在成品表面喷涂的方法，在过碳酸钠表面先后喷涂质量分数为0.01％～1％的氯化镁和0.02％～0.5％的聚乙二醇类化合物，同时采用不溶于水的高分子材料对所制成的固态氧表面进行包覆，其中活性氧的质量分数占比在固体氧化剂颗粒中达到14.5％。
4.根据权利要求1所述的多轮次甲烷层内原位燃爆压裂方法，其特征在于，步骤(2)中，固体氧化剂的最低用量根据目标井压裂层的储层特性和裂缝几何参数按公式(1)确定：
式中，m为所述氧化剂的质量，kg；l为水力裂缝的长度，m；b为水力裂缝宽度，m；h为水力裂缝高度，m；φ为裂缝孔隙度；c为燃爆时甲烷浓度；p1为地层静压，MPa；p0为大气压力，MPa；T1为地层温度，华氏度。
5.根据权利要求1所述的多轮次甲烷层内原位燃爆压裂方法，其特征在于，步骤(3)中，排液产气至裂缝内甲烷浓度为5％～30％，氧气浓度为甲烷浓度的两倍，井筒下入封隔器，准备燃爆。
6.根据权利要求1所述的多轮次甲烷层内原位燃爆压裂方法，其特征在于，步骤(1)中，前置液成分为胍胶压裂液，粘度在50mPa·s以上。
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