CN114922599B - 一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，涉及岩层压裂技术领域，该一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，包括以下步骤：选择待压裂的岩层，打钻至岩层内部，将高压管路末端置入钻孔内，并将钻孔密封；安装微地震监测装置以获取地震波信号；先向高压管路内注水增压，当压力达到阈值时，改用正弦脉冲泵注方式加压，根据管路长度L1初步确定最优脉冲频率；压裂过程中根据管路长度L1和裂缝长度L2重新计算最优脉冲频率，并根据其变化不断调整加载频率，通过调控脉冲泵注的频率实现裂缝内压裂液压力倍增的效果，达到高效压裂岩层的目的。本发明有助于大幅增强煤岩、页岩等岩层的压裂效果，有利于提高煤岩、页岩的渗透性，能够推动煤层气、页岩气的高效开发利用。
Description
技术领域
本发明涉及岩层压裂技术领域，具体是一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法。
背景技术
煤层气和页岩气作为清洁能源，其有效开发利用不仅可以缓解我国能源紧张的局面，还有助于我国加快实现“碳达峰、碳中和”战略目标，具有重要意义。但煤岩、页岩存在渗透率低的难题，致使煤层气和页岩气开采效率低。水力压裂是提高岩层(包括煤岩、页岩等)渗透性的关键技术，有利于提高煤层气、页岩气的开采效率。
以脉冲的方式泵注压裂液可以进一步提高岩层的水力压裂效果，脉冲水力压裂促使岩层断裂的机制主要包括两方面：一是周期性脉冲载荷促使岩层产生疲劳效应，促使其疲劳断裂；二是脉冲促使压裂液压力升高，导致岩层发生断裂。然而，目前如何促使压力进一步升高是增强脉冲水力压裂效果的关键。
申请人发现：在脉冲水力压裂过程中，如果正弦脉冲频率控制得当，则可以显著提高压裂液的压力，在压裂的每一时刻都存在一个最优脉冲频率，在该频率下压裂液压力最大，最优频率受管路长度、裂缝长度、波速的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，通过控制正弦脉冲频率，能够大幅提高压裂液的压力，进而实现对岩层的高效水力压裂。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，包括以下步骤：
选择待压裂的岩层，打钻至岩层内部，将高压管路末端置入钻孔内，并将钻孔密封；
安装微地震监测装置以获取地震波信号；
先向高压管路内注水增压，当压力达到阈值时，改用正弦脉冲泵注方式加压，根据管路长度L1初步确定最优脉冲频率；
在采用正弦脉冲泵注方式施压过程中，使用微地震监测装置记录裂缝破裂事件，定位裂缝起裂位置，统计分析裂缝的扩展长度信息；
根据微地震监测结果，估算裂缝长度L2，并结合脉冲压裂管路长度L1，重新计算最优脉冲频率；
采用调整后的最优脉冲频率，继续脉冲压裂，若达到预期压裂效果，则压裂结束。
本发明的进一步的技术方案为，选择的岩层是煤岩或页岩。
本发明的进一步的技术方案为，使用封隔器将钻孔密封，且封隔器至少能够承受50Mpa的压力。
本发明的进一步的技术方案为，微地震监测装置布置在钻孔周围的岩层上，以接收岩层断裂信号，并判断裂缝特征。
本发明的进一步的技术方案为，管路长度L1范围是1至10米，高压管路内的恒排量是某固定值，该值在0.1至1立方米/分钟范围内选取，根据脉冲频率公式一f＝f0/L1估算最优脉冲频率，f0的取值范围是：220至270。
本发明的进一步的技术方案为，根据岩层断裂时发出的微地震信号，选择能量较大的微地震信号，来确定裂缝起裂位置和裂缝特征。
本发明的进一步的技术方案为，综合考虑管路长度L1和裂缝长度L2，根据脉冲频率公式二f＝f0/L3计算获得新的最优脉冲频率，其中L3＝L1+L2，f0的取值范围是：220至270。
本发明的进一步的技术方案为，脉冲泵注压裂过程，仅脉冲频率和振幅可调整，脉冲波形保持不变，泵注压裂过程中实时评估压裂效果，动态统计裂缝平均长度，不断更新最优脉冲频率。
本发明的进一步的技术方案为，若未达到预期压裂效果，返回步骤四重复执行上述步骤，实现对岩层的高效压裂。
本发明的有益效果是：
本发明基于压力波的入射、反射和叠加增压原理，结合脉冲水力压裂技术，并充分利用正弦波的连续变化特征，通过计算找到最优脉冲频率，在此基础上通过控制脉冲泵注的频率，实现裂缝内压裂液压力倍增的效果，达到高效压裂岩层的目的。本发明有助于大幅增强煤岩、页岩等岩层的压裂效果，有利于提高煤岩、页岩的渗透性，能够推动煤层气、页岩气的高效开发利用。
附图说明
图1是本发明实现高效水力压裂的脉冲频率控制方法流程图；
图2是本发明脉冲泵输出的压力曲线结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
传统岩层压裂的方法无法找到最优脉冲频率，很难实现压裂液压力的显著放大效应，为了在岩层压裂过程中找到最优的脉冲频率，本发明通过动态计算并不断更新、控制最优脉冲频率，实现了压裂液压力的显著放大效应，能够明显提高岩层的压裂效率。
如图1所示，一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，包括以下步骤：
步骤S100：选择待压裂的岩层，沿着特定的方向向岩层内钻孔，钻孔深度根据所要压裂的范围来确定，其中特定方向可以是沿水平方向、竖直方向和任意倾斜方向，向岩层钻孔，将高压管路末端置入钻孔内，并将钻孔密封；
步骤S200：将高压管路入口端连接脉冲泵，脉冲泵可提供的流量范围是0.1～1立方米/分钟，脉冲泵可提供恒排量和变排量两种泵注方式，脉冲泵的压力可以按照正弦形式变化，脉冲泵的流量和压力均可实时记录，接着布置微地震监测装置，即将地震波传感器布置在钻孔周围的岩层上，地震波传感器与计算机相连接，计算机上的处理器根据地震波传感器获取到的地震波信号定位分析岩层断裂强度和断裂位置；
如图2所示，在步骤S300中：打开脉冲泵，为保证高压管路内压力平稳的上升，优选的先向高压管路内以恒定排量方式注水增压(如图2中所示的加压阶段)，当然也可以采用非恒定排量的方式向高压管路内注水增压；加压过程应持续进行，直至压裂管路出口端压力达到设定的阈值，该阈值在5Mpa至20Mpa范围内选取；然后改用正弦脉冲泵注方式加压，作为优选的，当压裂管路出口端压力达到10Mpa，改用正弦脉冲泵注方式加压，也就是水力脉冲变频加载阶段，(如图2所示的高频加载阶段、中频加载阶段以及低频加载阶段)；根据脉冲频率公式一f＝f0/L1，初步确定最优脉冲频率f,其中L1指压裂管路长度，单位m；模型公式中的数值f0是根据计算流体动力学(CFD)方法计算统计得到，f0的取值范围是：220至270。在本发明中，由于采用注水的方式加压，因此模型公式采用了如下假设：波速在900m/s至1100m/s范围内变化，若波速因流体性质发生改变，则应适当修正频率模型公式；
脉冲泵改用变排量方式泵注，泵注压力采用正弦形式控制，由于保证施加的脉冲频率始终是最优频率，这样获得的峰值压力最大，压裂效果最好，压裂效率最高，其中正弦压力指脉冲泵注压裂液的压力，正弦压力的数学表示形式为P(t)＝Ap﹡Sin(2πf﹡t)+P0其中Ap是指脉冲振幅，f是指脉冲频率，P0是指正弦脉冲的平均压力(范围在5至20Mpa之间)，脉冲振幅最好是在正弦脉冲的平均压力值的0.1倍至1倍范围内调整，例如，当正弦脉冲的平均压力的取值是10Mpa时，脉冲振幅设置在1Mpa至10mpa之间。
步骤S400：在采用正弦脉冲泵注方式施压过程中，使用微地震监测装置记录裂缝破裂事件，定位裂缝起裂位置，统计分析裂缝的扩展长度信息；
步骤S500：实时调整脉冲频率，根据微地震监测结果，估算裂缝长度L2，并结合脉冲压裂管路长度L1，根据脉冲频率公式二f＝f0/L3，其中L3＝L1+L2，重新计算最优脉冲频率，在最优频率下按照正弦脉冲方式持续泵注压裂。持续泵注压裂过程中，需要借助微地震装置动态监测等效裂缝长度，然后不断计算更新最优脉冲频率，并在压裂过程中实时调整脉冲频率。
步骤S600：采用调整后的最优脉冲频率，继续脉冲压裂，若达到预期压裂效果，则压裂结束。
本发明提供一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，具有诸多方面的优势：在最优脉冲频率控制下高压管路末端及裂缝内压裂液压力可显著放大，有助于增强岩层的压裂效果，能够实现岩层的高效压裂，在管路输入端压力不太高的前提下，可以实现管路末端的高压输出。
需要说明的是：在步骤S100中，选择的岩层是煤岩或页岩等岩层。
具体的，在步骤S100中，布置压裂管路出口端，将压裂管路出口端置入钻孔内，并用封隔器密封，压裂管路承压上限为50Mpa以上，避免压裂管路因抗压能力差而发生爆裂的问题，封隔器可采用液体加压封隔，也可采用注浆密封方式，例如注入石灰浆密封，封隔器承压上限也为50Map以上，避免钻孔压力过大发生封隔器密封处泄压的问题，压裂管路出口端安装有压力传感器，压力传感器与计算机相连接，实时读取压裂管路出口端压裂液的压力。
具体的，在步骤S200中，微地震监测装置布置在钻孔周围的岩层上，以接收岩层断裂信号，并判断裂缝特征。
具体的，在步骤S300中，管路长度L1范围是1至10米，高压管路内的恒排量是某固定值，该值可在0.1至1立方米/分钟范围内选取，根据脉冲频率公式一f＝f0/L1，初步估算最优脉冲频率；脉冲振幅最好是在正弦脉冲的平均压力值的0.1倍至1倍范围内调整。
具体的，在步骤S400中，根据岩层断裂时发出的微地震信号，选择能量较大的微地震信号，确定裂缝起裂位置和裂缝特征。
具体的，在步骤S500中，随着压裂的进行，裂缝逐渐扩展，裂缝长度L2不断增加，根据脉冲频率公式二f＝f0/L3，其中L3＝L1+L2，那么总长L3随着裂缝长度L2的增加而增加，所以计算得到的最优脉冲频率f逐渐减小，即图2中所施加的脉冲频率逐渐减小，公式2中参数f0的取值范围是：220至270。
具体的，在步骤S600中，脉冲泵注压裂过程，仅脉冲频率和振幅可调整，脉冲波形保持不变，泵注压裂过程中实时评估压裂效果，动态统计裂缝平均长度，不断更新最优脉冲频率。
具体的，在步骤S600中，若未达到预期压裂效果，返回步骤四重复执行上述步骤，实现对岩层的高效压裂。
本发明的核心技术创新性在于压裂过程中找到了脉冲的最优频率，通过动态计算并不断更新、控制最优脉冲频率，实现了压裂液压力的显著放大效应，能够明显提高岩层的压裂效率。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S100：选择待压裂的岩层，打钻至岩层内部，将高压管路末端置入钻孔内，并将钻孔密封；
步骤S200：安装微地震监测装置以获取地震波信号；
步骤S300：先向高压管路内注水增压，当压力达到阈值时，改用正弦脉冲泵注方式加压，根据管路长度L1确定最优脉冲频率，其中在步骤S300中，管路长度L1范围是1至10米，高压管路内的恒排量是0.1至1立方米/分钟，根据脉冲频率公式一f=f0/L1估算最优脉冲频率，f0的取值范围是：220至270；
步骤S400：在采用正弦脉冲泵注方式施压过程中，使用微地震监测装置记录裂缝破裂事件，定位裂缝起裂位置，统计分析裂缝的扩展长度信息；
步骤S500：根据微地震监测结果，估算裂缝长度L2，并结合脉冲压裂管路长度L1，重新计算最优脉冲频率，其中在步骤S500中，综合考虑管路长度L1和裂缝长度L2，根据脉冲频率公式二f=f0/L3，计算新的最优脉冲频率，其中L3=L1+L2，f0的取值范围是：220至270
步骤S600：采用调整后的最优脉冲频率，继续脉冲压裂，若达到预期压裂效果，则压裂结束。
2.根据权利要求1所述的一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，其特征在于，在步骤S100中，选择的岩层是煤岩或页岩。
3.根据权利要求1所述的一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，其特征在于，在步骤S100中，使用封隔器将钻孔密封，且封隔器至少能够承受50Mpa的压力。
4.根据权利要求1所述的一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，其特征在于，在步骤S200中，微地震监测装置布置在钻孔周围的岩层上，以接收岩层断裂信号，并判断裂缝特征。
5.根据权利要求1所述的一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，其特征在于，在步骤S400中，根据岩层断裂时发出的微地震信号，选择能量较大的微地震信号，来确定裂缝起裂位置和裂缝特征。
6.根据权利要求1所述的一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，其特征在于，在步骤S600中，脉冲泵注压裂过程，仅脉冲频率和振幅可调整，脉冲波形保持不变，泵注压裂过程中实时评估压裂效果，动态统计裂缝平均长度，不断更新最优脉冲频率。
7.根据权利要求1所述的一种实现岩层高效水力压裂的脉冲频率控制方法，其特征在于，在步骤S600中，若未达到预期压裂效果，返回步骤S300重复执行上述步骤，实现对岩层的高效压裂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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