CN114876434A - 一种页岩气储层缝内甲烷原位燃爆压裂方法 - Google Patents
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Abstract
一种页岩气储层缝内甲烷原位燃爆压裂方法，搭建地面工作系统；向压裂工具停靠的目标工作位置泵注由天然石英砂与高压惰性气体混合而成的高压惰性气体磨料射流；向井筒和连续油管之间的环空内泵注高压惰性气体，向井筒和连续油管之间的环空内泵注由固态助燃剂、压裂支撑剂和惰性气体组成的混合流体；开启井口，使惰性气体返排到地面；向环空内注入氧气，通过连续油管的管腔内泵注甲烷，使甲烷经连续油管由压裂工具向环空内泵注，并于环空内与氧气混合；点火引爆甲烷‑氧气混合物；通过裂缝内的二次燃爆继续冲击页岩储层；完成整个井筒内多个位置的燃爆压裂作业。该方法破岩致裂程度高，增透效果理想，环保性能好，能实现页岩气资源的高效、绿色开发。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气开采及页岩气储层增产改造技术领域，具体涉及一种页岩气储层缝内甲烷原位燃爆压裂方法。
背景技术
当前在已探明的页岩气储量中，中国是页岩气储量是世界第一的国家，截止到2019年，累计探明储量就已经超过6.5万亿立方米。在天然气新增探明储量中，绝大部分也都是页岩气。现如今，以美国为代表的部分国家已经实现页岩气商业化开采，而中国在这方面起步较晚，且随着不断地勘探中发现，中国的页岩气储层较其他国家而言地质更为复杂，质量不佳，开采难度更大，因此亟需研发新技术来早日实现对页岩气资源的高效开发，这对于保障国家能源安全具有重大战略意义。
页岩储层主要以纳米孔隙为气体赋存空间，其渗透率为(0.001-1)×10-3mD，开发难度大，所以页岩气开采的核心技术在于破碎致裂页岩储层，使储层内部形成高度复杂的裂缝体系，由此来提升储层内渗透性以便于对页岩气的开采。目前，水力压裂为主要储层改造方式，但运用此技术需消耗大量水资源，此外随着勘探的页岩储层埋藏越来越深，常规水力压裂方式破岩致裂程度低，增透效果不理想，其已经无法有效应对储层岩石塑性强，地应力大等问题，因此迫切需要研发新型压裂工艺，实现对非常规天然气的绿色高效开发。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种页岩气储层缝内甲烷原位燃爆压裂方法，该方法步骤简单，实施成本低，破岩致裂程度高，增透效果理想，环保性能好，能实现页岩气资源高效、绿色开发的目的。
为了实现上述目的，本发明提供一种页岩气储层缝内甲烷原位燃爆压裂方法，具体包括以下步骤；
步骤一：准备工作；
S11：根据地质和井筒勘测数据确定待采页岩气储层的破岩致裂层段及压裂位置；
S12：搭建地面工作系统，并使地面工作系统连接连续油管，再通过连续油管将压裂工具下放到目标工作位置，所述压裂工具内置点火电极，点火电极通过内置在连续油管的电缆与地面工作系统中点火装置连接；
步骤二：惰性气体磨料射流射孔；
开启地面工作系统，经连续油管向压裂工具停靠的目标工作位置泵注由天然石英砂与高压惰性气体混合而成的高压惰性气体磨料射流，利用高压惰性气体磨料射流冲击页岩储层，并于页岩储层中形成射孔；
步骤三：气体体积压裂；
在页岩储层内形成射孔后，通过地面工作系统向井筒和连续油管之间的环空内泵注高压惰性气体，使高压惰性气体进入由磨料射流形成的射孔中，压裂射孔周围储层形成裂缝；
步骤四：固态助燃剂与压裂支撑剂投放；
通过地面工作系统向井筒和连续油管之间的环空内泵注由固态助燃剂、压裂支撑剂和惰性气体组成的混合流体，向连续油管的管腔内泵注惰性气体，使惰性气体经连续油管由压裂工具泵出，推动混合流体进入裂缝；
步骤五：惰性气体返排；
在固态助燃剂、压裂支撑剂和惰性气体组成的混合流体进入裂缝后，开启井口，使惰性气体由裂缝扩散到井筒再返排到地面，利用留存在裂缝内的压裂支撑剂发挥间隔的支撑作用，在防止裂缝因地应力而完全闭合的同时使注入的固态助燃剂与压裂支撑剂交错分布；
步骤六：燃爆压裂；
S61：通过井筒和连续油管之间的环空内注入氧气，通过连续油管的管腔内泵注甲烷，使甲烷经连续油管由压裂工具向环空内泵注，并于环空内与氧气混合形成甲烷-氧气混合物；
S62：通过压裂工具内置的点火电极点火，以引爆甲烷-氧气混合物，利用甲烷-氧气混合物燃爆产生热力射流冲击页岩储层，并制造出新裂缝，同时，冲击已存留有固态助燃剂和压裂支撑剂的裂缝，触发裂缝内的二次燃爆压裂；
步骤七：二次燃爆压裂；
利用甲烷-氧气混合物燃爆产生的高温作用促使裂缝内的固态助燃剂分解产生氧气，同时，利用燃爆产生的高压作用将部分压裂支撑剂冲击到新形成的裂缝内，对新裂缝起到支撑作用，促使页岩储层内的甲烷渗透到裂缝中，并利用新产生的氧气与新渗入的甲烷的混合气作为后续燃爆源，通过裂缝内的二次燃爆继续冲击页岩储层，使裂缝继续扩展，并形成大范围、多尺度的复杂裂缝网络，实现压裂的目的；
步骤八：完成整个井筒内多个位置的燃爆压裂作业；
将压裂工具依次移动到下一工作位置，并依次重复进行步骤二至七，直至完成井筒内所有工作位置的燃爆压裂作业。
进一步，为了能更有效的增大煤体裂隙的密度和范围，并能改变煤体原生裂隙的状态，以强化增透效果，在步骤二中，所述石英砂的粒径为0.27～0.55mm。
进一步，为了能够在冲击页岩储层的过程中产生裂缝的效果更好，同时，为了能够更好的破坏内部孔隙结构，以有利于增加裂缝的复杂程度，在步骤二中，所述高压惰性气体的泵注压力不低于60MPa。
作为一种优选，在步骤二和步骤三中，所述高压惰性气体为CO2或N2；在步骤四和步骤五中，所述惰性气体为CO2或N2。
进一步，为了确保具有更好的燃爆压裂效果，在步骤四中，所述固态助燃剂为高锰酸钾，其粒径范围为0.150～0.212mm，所述压裂支撑剂为天然石英砂，其粒径范围为0.270～0.550mm。
为了获得更好的燃爆压裂效果，在步骤四中，所述混合流体中固体颗粒的浓度低于15％，且固态助燃剂与压裂支撑剂的体积比为1：2。
本发明中，利用由天然石英砂与高压惰性气体混合而成的高压惰性气体磨料射流冲击页岩储层，可以有效为后续的压裂作业提供通道。在射孔形成之后再利用高压惰性气体进行压裂作业，于页岩储层中形成许多主裂缝和次生裂缝，进而可形成复杂的网状裂缝系统，极大的提高储层的渗流能力，同时，有利于为后续注入固态助燃剂和压裂支撑剂提供更多的存放空间；利用惰性气体作为载体，不仅可以确保固态助燃剂和压裂支撑剂能够充分的进入主裂缝和次生裂缝中，而且可以克服以往的压裂过程中由于压后返排不及时造成的压裂残液在地层中沉淀而堵塞裂缝的情况发生，进而能确保不会出现因压裂残液的影响而产生新的地层污染、降低压裂效果的情况。通过开启井口来使惰性气体返排，不仅可以利用留存在裂缝内的压裂支撑剂支撑住裂缝，而且还能通过与地应力对裂缝的收缩作用相配合，使固态助燃剂与压裂支撑剂于裂缝内形成相交错分布的布局。通过井筒和连续油管之间的环空注入氧气，并通过连续油管泵注甲烷，可以使氧气和甲烷在井筒内目标工作位置所在的环空处形成氧气-甲烷混合物，这样，能通过点火的方式引爆氧气-甲烷混合物，进而能利用燃烧产生的热力射流冲击页岩储层制造出新裂缝，同时，能冲击存留有固态助燃剂和压裂支撑剂的裂缝，促使其中的固态助燃剂产生氧气，并促使储层内的甲烷渗到裂缝中与产生的氧气混合作为后续燃爆源，可以通过二次燃爆的方式继续对储层进行冲击并促使裂缝扩展，进而可形成大范围、多尺度的复杂裂缝网络，并有效降低了燃爆压裂的技术难度。由于甲烷在裂缝内燃爆可在极短时间内产生60MPa以上的高压，这样，在燃爆过程中能使原裂缝周围储层得到大范围、高强度压裂破坏，同时，投放在原裂缝内的支撑剂被高压作用推进新产生裂缝内，对裂缝起到有效支撑作用，进一步增加其渗透性，提高储层增产效果。
本方法将流体射孔、气体体积压裂与甲烷原位燃爆压裂技术进行了有效的结合，通过射孔作业有利于改变储层原生裂隙的状态，强化了增透效果，再利用气体体积压裂能在页岩储层产生许多主裂缝和次生裂缝并作为为作业空间，最后利用填充进已生成裂缝内的助燃剂和支撑剂达到缝内原位燃爆致裂增透的效果，其中，在裂缝内燃爆利用的燃料甲烷是储层内赋存的开采资源，不需要外部加注，也避免了常规水力压裂方式对水资源的大量消耗，既节约成本又保护环境，另外，燃爆方式也有效克服地应力对裂缝扩展的制约，更高效便捷地增加裂缝的延伸程度和复杂程度，大大提高页岩储层破岩致裂与增透增产的效果。
附图说明
图1是本发明中地面工作系统与井筒中的连续油管、压裂工具的配合示意图；
图2是本发明利用惰性气体磨料射流射孔的示意图；
图3是本发明利用惰性气体体积压裂的示意图；
图4是本发明中固态助燃剂与压裂支撑剂投放的示意图；
图5是本发明中惰性气体返排的示意图；
图6是本发明中井筒燃爆压裂的示意图；
图7是本发明缝内压裂作业效果示意图；
图8是本发明中整体燃爆压裂效果的示意图。
图中：1、地面工作系统，2、页岩储层，3、连续油管，4、压裂工具，5、点火电极，6、井筒，7、高压惰性气体磨料射流，8、射孔，9、高压惰性气体，10、裂缝，11、固态助燃剂，12、压裂支撑剂，13、惰性气体，14、氧气，15、甲烷，16、复杂裂缝网络。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图8所示，本发明提供了一种页岩气储层甲烷原位燃爆压裂方法，具体包括以下步骤；
步骤一：准备工作；
S11：根据地质和井筒6勘测数据确定待采页岩气储层的破岩致裂层段及压裂位置；
S12：搭建地面工作系统1，并使地面工作系统1连接连续油管3，再通过连续油管3将压裂工具4下放到目标工作位置，所述压裂工具4内置点火电极5，点火电极5通过内置在连续油管3的电缆与地面工作系统1中点火装置连接；
步骤二：惰性气体磨料射流射孔；
开启地面工作系统1，经连续油管3向压裂工具4停靠的目标工作位置泵注由天然石英砂与高压惰性气体9混合而成的高压惰性气体磨料射流7，利用高压惰性气体磨料射流7冲击页岩储层2，并于页岩储层2中形成射孔8，以为后续压裂提供通道；
步骤三：气体体积压裂；
在页岩储层2内形成射孔8后，通过地面工作系统1向井筒6和连续油管3之间的环空内泵注高压惰性气体9，使高压惰性气体9进入由磨料射流形成的射孔8中，压裂射孔8周围储层形成裂缝10，以为后续固态助燃剂和压裂支撑剂提供存放空间；
步骤四：固态助燃剂与压裂支撑剂投放；
通过地面工作系统1向井筒6和连续油管3之间的环空内泵注由固态助燃剂11、压裂支撑剂12和惰性气体13组成的混合流体，向连续油管3的管腔内泵注惰性气体13，使惰性气体13经连续油管3由压裂工具4泵出，推动混合流体进入裂缝10；
步骤五：惰性气体返排；
在固态助燃剂11、压裂支撑剂12和惰性气体13组成的混合流体进入裂缝10后，开启井口，使惰性气体13由裂缝10扩散到井筒6再返排到地面，利用留存在裂缝10内的压裂支撑剂12发挥间隔的支撑作用，在防止裂缝10因地应力而完全闭合的同时使注入的固态助燃剂11与压裂支撑剂12交错分布；
步骤六：燃爆压裂；
S61：通过井筒6和连续油管3之间的环空内注入氧气，通过连续油管3的管腔内泵注甲烷15，使甲烷15经连续油管3由压裂工具4向环空内泵注，并于环空内与氧气混合形成甲烷-氧气混合物；
S62：通过压裂工具4内置的点火电极5点火，以引爆甲烷-氧气混合物，利用甲烷-氧气混合物燃爆产生热力射流冲击页岩储层2，并制造出新裂缝，同时，冲击已存留有固态助燃剂11和压裂支撑剂12的裂缝10，触发裂缝10内的二次燃爆压裂；
步骤七：二次燃爆压裂；
利用甲烷-氧气混合物燃爆产生的高温作用促使裂缝10内的固态助燃剂11分解产生氧气，同时，利用燃爆产生的高压作用将部分压裂支撑剂12冲击到新形成的裂缝内，对新裂缝起到支撑作用，促使页岩储层2内的甲烷渗透到裂缝10中，并利用新产生的氧气与新渗入的甲烷的混合气作为后续燃爆源，通过裂缝内的二次燃爆继续冲击页岩储层2，使裂缝10继续扩展，并形成大范围、多尺度的复杂裂缝网络16，实现压裂的目的；
步骤八：完成整个井筒内多个位置的燃爆压裂作业；
将压裂工具3依次移动到下一工作位置，并依次重复进行步骤二至七，直至完成井筒6内所有工作位置的燃爆压裂作业。
为了能更有效的增大煤体裂隙的密度和范围，并能改变煤体原生裂隙的状态，以强化增透效果，在步骤二中，所述石英砂的粒径为0.27～0.55mm。
为了能够在冲击页岩储层的过程中产生裂缝的效果更好，同时，为了能够更好的破坏内部孔隙结构，以有利于增加裂缝的复杂程度，在步骤二中，所述高压惰性气体9的泵注压力不低于60MPa。
作为一种优选，在步骤二和步骤三中，所述高压惰性气体9为CO2或N2；在步骤四和步骤五中，所述惰性气体13为CO2或N2。
为了确保具有更好的燃爆压裂效果，在步骤四中，所述固态助燃剂11为高锰酸钾，其粒径范围为0.150～0.212mm，所述压裂支撑剂12为天然石英砂，其粒径范围为0.270～0.550mm。
为了获得更好的燃爆压裂效果，在步骤四中，所述混合流体中固体颗粒的浓度低于15％，且固态助燃剂11与压裂支撑剂12的体积比为1：2。
本发明中，利用由天然石英砂与高压惰性气体混合而成的高压惰性气体磨料射流冲击页岩储层，可以有效为后续的压裂作业提供通道。在射孔形成之后再利用高压惰性气体进行压裂作业，于页岩储层中形成许多主裂缝和次生裂缝，进而可形成复杂的网状裂缝系统，极大的提高储层的渗流能力，同时，有利于为后续注入固态助燃剂和压裂支撑剂提供更多的存放空间；利用惰性气体作为载体，不仅可以确保固态助燃剂和压裂支撑剂能够充分的进入主裂缝和次生裂缝中，而且可以克服以往的压裂过程中由于压后返排不及时造成的压裂残液在地层中沉淀而堵塞裂缝的情况发生，进而能确保不会出现因压裂残液的影响而产生新的地层污染、降低压裂效果的情况。通过开启井口来使惰性气体返排，不仅可以利用留存在裂缝内的压裂支撑剂支撑住裂缝，而且还能通过与地应力对裂缝的收缩作用相配合，使固态助燃剂与压裂支撑剂于裂缝内形成相交错分布的布局。通过井筒和连续油管之间的环空注入氧气，并通过连续油管泵注甲烷，可以使氧气和甲烷在井筒内目标工作位置所在的环空处形成氧气-甲烷混合物，这样，能通过点火的方式引爆氧气-甲烷混合物，进而能利用燃烧产生的热力射流冲击页岩储层制造出新裂缝，同时，能冲击存留有固态助燃剂和压裂支撑剂的裂缝，促使其中的固态助燃剂产生氧气，并通过储层内的甲烷渗到裂缝中与产生的氧气混合作为后续燃爆源，可以通过二次燃爆的方式继续对储层进行冲击并促使裂缝扩展，进而可形成大范围、多尺度的复杂裂缝网络，并有效降低了燃爆压裂的技术难度。由于甲烷在裂缝内燃爆可在极短时间内产生60MPa以上的高压，这样，在燃爆过程中能使原裂缝周围储层得到大范围、高强度压裂破坏，同时，投放在原裂缝内的支撑剂被高压作用推进新产生裂缝内，对裂缝起到有效支撑作用，进一步增加其渗透性，提高储层增产效果。
本方法将流体射孔、气体体积压裂与甲烷原位燃爆压裂技术进行了有效的结合，通过射孔作业有利于改变储层原生裂隙的状态，强化了增透效果，再利用气体体积压裂能在页岩储层产生许多主裂缝和次生裂缝并作为为作业空间，最后利用填充进已生成裂缝内的助燃剂和支撑剂达到缝内原位燃爆致裂增透的效果，其中，在裂缝内燃爆利用的燃料甲烷是储层内赋存的开采资源，不需要外部加注，也避免了常规水力压裂方式对水资源的大量消耗，既节约成本又保护环境，另外，燃爆方式也有效克服地应力对裂缝扩展的制约，更高效便捷地增加裂缝的延伸程度和复杂程度，大大提高页岩储层破岩致裂和增透增产的效果。
Claims (6)
1.一种页岩气储层缝内甲烷原位燃爆压裂方法，其特征在于，具体包括以下步骤；
步骤一：准备工作；
S11：根据地质和井筒(6)勘测数据确定待采页岩气储层的破岩致裂层段及压裂位置；
S12：搭建地面工作系统(1)，并使地面工作系统(1)连接连续油管(3)，再通过连续油管(3)将压裂工具(4)下放到目标工作位置，所述压裂工具(4)内置点火电极(5)，点火电极(5)通过内置在连续油管(3)的电缆与地面工作系统(1)中点火装置连接；
步骤二：惰性气体磨料射流射孔；
开启地面工作系统(1)，经连续油管(3)向压裂工具(4)停靠的目标工作位置泵注由天然石英砂与高压惰性气体(9)混合而成的高压惰性气体磨料射流(7)，利用高压惰性气体磨料射流(7)冲击页岩储层(2)，并于页岩储层(2)中形成射孔(8)；
步骤三：气体体积压裂；
在页岩储层(2)内形成射孔(8)后，通过地面工作系统(1)向井筒(6)和连续油管(3)之间的环空内泵注高压惰性气体(9)，使高压惰性气体(9)进入由磨料射流形成的射孔(8)中，压裂射孔(8)周围储层形成裂缝(10)；
步骤四：固态助燃剂与压裂支撑剂投放；
通过地面工作系统(1)向井筒(6)和连续油管(3)之间的环空内泵注由固态助燃剂(11)、压裂支撑剂(12)和惰性气体(13)组成的混合流体，向连续油管(3)的管腔内泵注惰性气体(13)，使惰性气体(13)经连续油管(3)由压裂工具(4)泵出，推动混合流体进入裂缝(10)；
步骤五：惰性气体返排；
在固态助燃剂(11)、压裂支撑剂(12)和惰性气体(13)组成的混合流体进入裂缝(10)后，开启井口，使惰性气体(13)由裂缝(10)扩散到井筒(6)再返排到地面，利用留存在裂缝(10)内的压裂支撑剂(12)发挥间隔的支撑作用，在防止裂缝(10)因地应力而完全闭合的同时使注入的固态助燃剂(11)与压裂支撑剂(12)交错分布；
步骤六：燃爆压裂；
S61：通过井筒(6)和连续油管(3)之间的环空内注入氧气，通过连续油管(3)的管腔内泵注甲烷(15)，使甲烷(15)经连续油管(3)由压裂工具(4)向环空内泵注，并于环空内与氧气混合形成甲烷-氧气混合物；
S62：通过压裂工具(4)内置的点火电极(5)点火，以引爆甲烷-氧气混合物，利用甲烷-氧气混合物燃爆产生热力射流冲击页岩储层(2)，并制造出新裂缝，同时，冲击已存留有固态助燃剂(11)和压裂支撑剂(12)的裂缝(10)，触发裂缝(10)内的二次燃爆压裂；
步骤七：二次燃爆压裂；
利用甲烷-氧气混合物燃爆产生的高温作用促使裂缝(10)内的固态助燃剂(11)分解产生氧气，同时，利用燃爆产生的高压作用将部分压裂支撑剂(12)冲击到新形成的裂缝内，对新裂缝起到支撑作用，促使页岩储层(2)内的甲烷渗透到裂缝(10)中，并利用新产生的氧气与新渗入的甲烷的混合气作为后续燃爆源，通过裂缝(10)内的二次燃爆继续冲击页岩储层(2)，使裂缝(10)继续扩展，并形成大范围、多尺度的复杂裂缝网络(16)，实现压裂的目的；
步骤八：完成整个井筒内多个位置的燃爆压裂作业；
将压裂工具(3)依次移动到下一工作位置，并依次重复进行步骤二至七，直至完成井筒(6)内所有工作位置的燃爆压裂作业。
2.根据权利要求1所述的一种页岩气储层缝内甲烷原位燃爆压裂方法，其特征在于，在步骤二中，所述石英砂的粒径为0.27～0.55mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种页岩气储层缝内甲烷原位燃爆压裂方法，其特征在于，在步骤二中，所述高压惰性气体(9)的泵注压力不低于60MPa。
4.根据权利要求3所述的一种页岩气储层缝内甲烷原位燃爆压裂方法，其特征在于，在步骤二和步骤三中，所述高压惰性气体(9)为CO2或N2；在步骤四和步骤五中，所述惰性气体(13)为CO2或N2。
5.根据权利要求4所述的一种页岩气储层缝内甲烷原位燃爆压裂方法，其特征在于，在步骤四中，所述固态助燃剂(11)为高锰酸钾，其粒径范围为0.150～0.212mm，所述压裂支撑剂(12)为天然石英砂，其粒径范围为0.270～0.550mm。
6.根据权利要求5所述的一种页岩气储层缝内甲烷原位燃爆压裂方法，其特征在于，在步骤四中，所述混合流体中固体颗粒的浓度低于15％，且固态助燃剂(11)与压裂支撑剂(12)的体积比为1：2。
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