CN114991736B - 一种定向割槽装置及煤层气直井煤储层改造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种定向割槽装置和煤层气直井煤储层改造方法，该方法通过所述定向割槽装置实现，包括以下步骤：步骤1、煤层气直井井眼完钻后下套管固井完井，并获取钻井地质数据；步骤2、根据得到的钻井地质数据选择径向水平孔眼的布设层位，以直井为中心完成径向水平孔眼作业，且每个所述的径向水平孔眼均与直井井眼连通；步骤3、采用连接有定向割槽装置的水力喷射工具，在径向水平孔眼内才进行径向水平孔眼割槽，得到沿径向水平孔眼轴向延伸的定向槽；步骤4、径向水平孔眼割槽施工结束后，以径向水平孔眼为压裂通道进行水力压裂施工。采用本发明方法可在煤层内形成复杂缝网，达到体积压裂的效果，节省成本，提高抽采效率。
Description
技术领域
本发明属于煤层气开发技术领域，具体涉及一种定向割槽装置及煤层气直井煤储层改造方法。
背景技术
直井水力压裂是我国煤层气开发的主要方式之一，经过几十年的实践发现其煤层改造效果与常规储层差异大，究其原因是常规储层较煤层具有明显的脆性，裂缝在储层中伸展长度大，而对于煤层，尤其是松软煤层，裂缝在煤层中伸展长度小，压裂砂展布在以井筒为中心的椭圆状范围，且压裂裂缝受地层水平应力方向影响，裂缝主要沿最大主应力方向伸展，造成煤层改造范围小，单井控制面积有限，产气效益低。
近些年，专业技术人员又研发出了不同的开采方法，如，通过煤层顶板/底板水平井分段压裂来预裂煤层顶板或煤层底板，进而开发煤层气的技术得到了应用，其缺陷在于：水平井分段压裂技术复杂、成本高、煤层顶板/底板的水力喷砂所形成的射孔孔眼穿透力有限、压裂起裂压力高、控制裂缝范围小；采用井上下联合压裂增透抽采瓦斯方法可在煤储层或其顶、底板中施工井下大直径定向长钻孔，通过与地面垂直井相连通、进行煤层压裂改造，其缺陷在于：对于地面垂直井的轨迹控制、垂直井与定向长钻孔连接部分要求高，对于定向长钻孔进行整体压裂，实际上裂缝可能只是在整个长钻孔的某一点形成，由于煤层应力小，裂缝延伸到煤层后可能难以联通到卸压孔，难以形成文“立体裂隙网络”，虽然现有技术中对水力割槽对压裂裂缝的导向作用进行了大量研究，但地面煤层气直井开发鲜见报道。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤层气直井煤储层改造方法，以解决现有煤层气开发中储层改造成本高、技术复杂的技术问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种定向割槽装置及煤层气直井煤储层改造方法，以解决现有技术的上述不足。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种定向割槽装置，包括高压软管，还包括自进式定向割槽喷头，所述自进式定向割槽喷头通过转动连接组件连接在所述高压软管的端部；
所述自进式定向割槽喷头包括喷头本体，所述喷头本体前端封闭且内部设置内腔体，所述喷头本体的侧壁上开设有至少两个割槽喷孔，所述割槽喷孔的开口向后端倾斜设置，且割槽喷孔喷出的高压水流驱动所述自进式定向割槽喷头向前移动；
所述内腔体中还设置有球体，所述球体通过定位销与喷头本体相连；
当作用于球体的水压大于定位销的剪切强度时，定位销被剪断，球体在高压流体的推动下在喷头本体内上浮或下沉，封堵至少一个割槽喷孔。
本发明还具有以下技术特征：
具体的，所述喷头本体包括一体化连接设置的第一连接部和第二连接部，所述第一连接部呈半球形，所述割槽喷孔对应设置在所述第一连接部的侧壁上，所述定位销竖直设置在第二连接部的内壁上。
更进一步的，所述割槽喷孔包括上射割槽喷孔和下射割槽喷孔，且所述上射割槽喷孔和下射割槽喷孔相对于自进式定向割槽喷头的中轴线呈镜面对称设置。
更进一步的，所述球体包括空心球体和实心球体，当封堵上射割槽喷孔时，所述球体为空心球体；当封堵下射割槽喷孔封堵时，所述球体为实心球体。
本发明还公开了一种煤层气直井煤储层改造方法，所述方法通过上述的定向割槽装置实现，包括以下步骤：
步骤1、煤层气直井井眼完钻后下套管固井完井，并获取钻井地质数据；
步骤2、根据得到的钻井地质数据选择径向水平孔眼的布设层位，以直井为中心完成径向水平孔眼作业，且每个所述的径向水平孔眼均与直井井眼连通；
步骤3、采用连接有定向割槽装置的水力喷射工具，在径向水平孔眼内进行径向水平孔眼割槽，得到沿径向水平孔眼轴向延伸的定向槽；
步骤4、径向水平孔眼割槽施工结束后，以径向水平孔眼为压裂通道进行水力压裂施工。
更进一步的，所述径向水平孔眼的布设层位包括煤层顶板岩层、煤层底板岩层和煤层间岩层。
步骤3具体包括：
步骤3.1、将自进式定向割槽喷头下放到已完成的径向水平孔眼孔底，调整水压剪断球体；
步骤3.2.从径向水平孔眼的孔口缓慢回拉高压软管，自进式定向割槽喷头进行垂直于径向水平孔眼壁的定向割槽作业，直至割槽沟通煤层原始裂隙，其中，
当径向水平孔眼布设在煤层顶板时，定向割槽作业后形成沿径向水平孔眼径向延伸的水滴状割槽；
当径向水平孔眼布设在煤层底板时，定向割槽作业后形成沿径向水平孔眼径向延伸的倒水滴状割槽；
当径向水平孔眼布设在煤层间岩层时，定向割槽作业后，向上形成沿径向水平孔眼径向延伸的倒水滴状割槽，向下形成沿径向水平孔眼径向延伸的倒水滴状割槽。
更进一步的，所述水滴状割槽和倒水滴状割槽的截面轮廓均包括相连的圆弧段和锥形段，且所述锥形段的锐角夹角为5°～45°。
更进一步的，所述径向水平孔眼的布设位置与煤层顶板的底面或煤层底板顶面的垂直距离为0.5m~2m。
更进一步的，所述割槽的槽深为5~20cm。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
（1）本发明装置通过与高压软管相连的自进式定向割槽喷头的结构设计，尤其是通过球体的设置，在剪断球体后，从径向水平孔眼的孔口缓慢回拉高压软管，自进式定向割槽喷头实现定向割槽喷孔，操作方法简单。
（2）本发明方法在可在煤层顶板或煤层底板内钻取多个与直井井眼连通的径向水平孔眼，通过沟通煤层原始裂隙的水滴形或倒水滴形裂缝，实现了对地层原始地应力的改变，利于在煤层内形成复杂裂缝，同时，水滴状断面的径向井水平孔眼压裂时起裂压力小，能够诱导裂缝主要向煤层延伸，可防止沟通含水层。
（3）采用本发明方法进行水力压裂时，可在煤层内形成多条复杂缝网，达到体积压裂的效果，在单一直井的径向水平孔眼中可以借助多个定向割缝的径向水平孔形成多条主裂缝，多条主裂缝的形态进一步增大了压裂面积，从而可实现精准压裂、缩小压裂规模、提高了开采率。
附图说明
图1为自进式定向割槽喷头的剖视图；
图2为球体封堵上射割槽喷孔的示意图；
图3为应用例1中煤储层改造井身结构及孔眼布置示意图；
图4为实施例2的压裂裂缝延展截面示意图；
图5为实施例2得到的割槽形状截面图，其中，（a）为径向水平孔眼布设在煤层顶板时得到的割槽，（b）为径向水平孔眼布设在煤层间岩层时得到的割槽，（c）径向水平孔眼布设在煤层底板时得到的割槽；
附图中标号含义：
1-自进式定向割槽喷头，2-内腔体，3-割槽喷孔，4-球体，5-定位销，6-煤层气直井井眼，7-径向水平孔眼；11-第一连接部，12-第二连接部，31-上射割槽喷孔，32-下射割槽喷孔。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明在进行方位描述时，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在未作相反说明的情况下，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，本发明中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。
本发明中的高压流体包括高压水，高压空气或氮气等。
实施例1：
遵从上述技术方案，如图1至图2所示，本实施例提供一种定向割槽装置，包括高压软管，还包括自进式定向割槽喷头1，自进式定向割槽喷头1通过转动连接组件连接在所述高压软管的端部；高压软管可以连接孔口高压动力设备，自进式定向割槽喷头1可在高压软管输送的高压液流的推动下，在钻孔内移动。
自进式定向割槽喷头1包括喷头本体，喷头本体前端封闭且内部设置内腔体2，内腔体2为液流通道，喷头本体的侧壁上开设有至少两个割槽喷孔3，割槽喷孔3的开口向后端倾斜设置，且割槽喷孔3喷出的高压水流驱动喷头向前移动；高压流体从割槽喷孔3中喷出，割槽喷孔3处于割槽状态，射流可以向上/下割出缝隙。
作为优选，割槽喷孔3的直径为3mm～10mm。
内腔体2中还设置有球体4，球体4通过定位销5与喷头本体相连；
当作用于球体4的水压大于定位销5的剪切强度时，定位销5被剪断，球体4在高压流体的推动下在喷头本体内上浮或下沉，封堵至少一个割槽喷孔3。
作为本实施例的一种优选方案，喷头本体包括一体化连接设置的第一连接部11和第二连接部12，第一连接部11呈半球形，割槽喷孔3设置在第一连接部11的侧壁上，定位销5竖直设置在第二连接部12的内壁上。
作为本实施例的一种优选方案，割槽喷孔3包括上射割槽喷孔31和下射割槽喷孔32，且上射割槽喷孔31和下射割槽喷孔32相对于自进式定向割槽喷头1的中轴线两两对称设置。
上射割槽喷孔31用于向上
作为本实施例的一种优选方案，球体4包括空心球体和实心球体，当封堵上射割槽喷孔31时，球体4为空心球体；当封堵下射割槽喷孔封堵时32，球体4为实心球体。
当空心球体在高压液流的作用下向喷孔方向动作时，在浮力作用下向上浮起，堵塞上射割槽喷孔31，保留下射割槽喷孔32，此时水流从下射割槽喷孔32向径向水平孔眼的下方进行喷射割槽。当实心球体在高压液流的作用下向喷孔方向动作时，实心球体在重力作用下下沉，堵塞下射割槽喷孔32，保留上射割槽喷孔31，此时水流从上射割槽喷孔31向径向水平孔眼的上方进行喷射割槽。最终形成的割槽的槽深为3~15cm。
本实施例中，空心球体的材质为复合材料，实心球体的材质为复合材料，空心时整体浮力大于重力，实心时整体重力大于浮力。
本装置的工作过程如下：
首先，选择自进式定向割槽喷头：
当径向水平孔眼的布设在煤层顶板时，选择配备空心球体的自进式定向割槽喷头，以便向下割缝，当径向水平孔眼的布设在煤层底板时，选择配备孔心球体的自进式定向割槽喷头，以便向上割缝。如果选择将径向水平孔眼布设在煤层中间的岩层，则可以不配备空心球体。以确保自进式定向割槽喷头可以同时向上和向下割缝，以形成诱导压裂的预制裂缝。
然后，完成定向割槽作业：
将连接了高压软管的自进式定向割槽喷头下放到已完成的径向水平孔眼孔底，然后进行垂直于径向水平孔眼壁的定向割槽作业，一边回拉高压软管，一边进行定向割槽。
最后，将自进式定向割槽喷头退出径向水平孔眼。
实施例2
本实施例公开了一种煤层气直井煤储层改造方法，该方法通过实施例1公开的定向割槽装置实现，包括以下步骤：
步骤1、煤层气直井井眼完钻后下套管固井完井，并获取钻井地质数据；所述钻井地址数据包括煤层深度，煤层顶底板岩层深度、煤层气井煤层埋深等。
步骤2、根据得到的钻井地质数据选择径向水平孔眼的布设层位，以直井为中心完成径向水平孔眼作业，且每个所述的径向水平孔眼均与直井井眼连通；
其中，所述径向水平孔眼的布设层位包括煤层顶板岩层、煤层底板岩层和煤层间岩层。
作为优选，所述径向水平孔眼的布设位置与煤层顶板的底面或煤层底板顶面的垂直距离为0.5m~2m。
径向水平孔眼作为高导流通道，作业时可有效降低渗流阻力，降低近井压降。每个径向水平孔眼在高压流体(高压流体可以为水或其他液体)的作用下进行破岩钻孔时，都会构成对应的径向水平孔眼应力场，当两个径向水平孔眼之间的距离很近时，两个径向水平孔眼的应力场出现叠加，出现干扰，最终对实现对原始地应力的改变，利于形成复杂的裂缝，沟通煤层中原有的裂隙。在以直井井眼为中心，在相同层位，如煤层顶板或煤层底板上钻取多个水平方向的径向水平孔眼，然后对多个径向水平孔眼进行压裂时，可以在煤层中形成复杂缝网，实现体积压裂。
步骤3、采用连接有定向割槽装置的水力喷射工具，在径向水平孔眼内进行径向水平孔眼割槽，得到沿径向水平孔眼轴向延伸的定向槽；
具体包括以下子步骤：
步骤3.1、将自进式定向割槽喷头下放到已完成的径向水平孔眼孔底，调整水压剪断球体；
步骤3.2.从径向水平孔眼的孔口缓慢回拉高压软管，自进式定向割槽喷头进行垂直于径向水平孔眼壁的定向割槽作业，直至割槽沟通煤层原始裂隙，其中，
当径向水平孔眼布设在煤层顶板时，定向割槽作业后形成沿径向水平孔眼径向延伸的水滴状割槽；
当径向水平孔眼布设在煤层底板时，定向割槽作业后形成沿径向水平孔眼径向延伸的倒水滴状割槽；
当径向水平孔眼布设在煤层间岩层时，定向割槽作业后，向上形成沿径向水平孔眼径向延伸的倒水滴状割槽，向下形成沿径向水平孔眼径向延伸的倒水滴状割槽。
步骤4、径向水平孔眼施工结束后，以径向水平孔眼为压裂通道进行水力压裂施工。
压裂时，水滴状割槽或倒水滴状割槽的锥形段尖端部位应力出现集中，当应力大于岩层的抗拉强度时，岩层受到破坏产生裂缝。此时，破坏孔壁所需流体压力远小于未割槽时孔壁破坏所需的流体压力，而且在水滴状割槽或倒水滴状割槽的引导下，裂缝向煤层延伸，从而进入或贯穿煤层，在实际操作中，可以控制裂缝高度，防止裂缝向上延伸沟通含水层，避免为后期排水造成困难。
例如，在将径向水平孔眼布设在煤层顶板时，能够获得长度大于径向孔眼长度的裂缝，然后沿割槽形成的裂缝向下延伸切割煤层，在煤层中形成长度至少大于径向孔眼长度的裂缝，在垂向上形成切割顶板岩层-煤层的裂缝面，裂缝从顶板岩层起裂延伸，能够增加裂缝长度。
在同一平面内，可以形成以井筒为中心，多个方位上长度至少大于径向孔眼长度的裂缝，使得裂缝较均匀分布在井筒周边，提高采收率和抽采效率。
通过对裂缝起裂、延伸的控制，能够避免常规压裂中支撑剂堆积在井筒周边、裂缝延展长度短且不可控的弊端。
作为本实施例的一种优选方案，所述水滴状割槽和倒水滴状割槽的截面轮廓均包括相连的圆弧段和锥形段，且所述锥形段的锐角夹角为5°～45°。
作为本实施例的一种优选方案，所述割槽的槽深为5~20cm。
应用例
本应用例采用实施例1公开的装置和实施例2公开的方法。
本应用例中，某地的煤层气井煤层埋深为502.6米，煤层厚度为3米，将径向水平孔眼布置在煤层顶板内井深501.6米处，以直井周向施工四个径向水平井眼，相邻径向水平井眼中轴线的夹角为90°，各个径向水平井眼完钻后，即进行向下的定向割缝施工，再在煤层底板内井深506.6米处，施工与煤层顶板内设置的四个径向水平井眼方位相对应的四个径向水平井眼，各孔完钻后即进行向上定向割缝施工。
然后，进行光套管压裂，压裂裂缝在定向槽的诱导下向下、向上延伸进入煤层，在碎软煤层中形成多条复杂裂缝，本应用例中，采用本发明的方法最终解决了碎软煤层压裂困难的技术问题，实现了精准压裂、缩小压裂规模、提高了开采率，而且本应用例与水平压裂相比，施工简单，大大降低了施工成本。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所发明的内容。
Claims (5)
1.一种煤层气直井煤储层改造方法，其特征在于，所述方法通过定向割槽装置实现；
所述定向割槽装置包括高压软管，还包括自进式定向割槽喷头（1），所述自进式定向割槽喷头（1）通过转动连接组件连接在所述高压软管的端部；所述自进式定向割槽喷头（1）包括喷头本体，所述喷头本体前端封闭且内部设置内腔体（2），所述喷头本体的侧壁上开设有至少两个割槽喷孔（3），所述割槽喷孔（3）的开口向后端倾斜设置，且割槽喷孔（3）喷出的高压水流驱动所述自进式定向割槽喷头（1）向前移动；
所述内腔体（2）中还设置有可拆卸的球体（4），所述球体（4）通过定位销（5）与喷头本体相连；
当作用于球体（4）的水压大于定位销（5）的剪切强度时，定位销（5）被剪断，球体（4）在高压流体的推动下在喷头本体内上浮或下沉，封堵至少一个割槽喷孔（3）；
所述割槽喷孔（3）包括上射割槽喷孔（31）和下射割槽喷孔（32），且所述上射割槽喷孔（31）和下射割槽喷孔（32）相对于自进式定向割槽喷头（1）的中轴线呈镜面对称设置；
当封堵上射割槽喷孔（31）时，所述球体（4）为空心球体；当封堵下射割槽喷孔（32）时，所述球体（4）为实心球体；
所述方法包括以下步骤：
步骤1、煤层气直井井眼完钻后下套管固井完井，并获取钻井地质数据；
步骤2、根据得到的钻井地质数据选择径向水平孔眼的布设层位，以直井为中心完成径向水平孔眼作业，且每个所述的径向水平孔眼均与直井井眼连通；
步骤3、采用连接有定向割槽装置的水力喷射工具，在径向水平孔眼内进行径向水平孔眼割槽，得到沿径向水平孔眼轴向延伸的定向槽；
步骤4、径向水平孔眼割槽施工结束后，以径向水平孔眼为压裂通道进行水力压裂施工；
所述步骤3具体包括以下子步骤：
步骤3.1、将自进式定向割槽喷头下放到已完成的径向水平孔眼孔底，调整水压剪断球体；
步骤3.2.从径向水平孔眼的孔口缓慢回拉高压软管，自进式定向割槽喷头进行垂直于径向水平孔眼壁的定向割槽作业，直至割槽沟通煤层原始裂隙，其中，
当径向水平孔眼布设在煤层顶板时，定向割槽作业后形成沿径向水平孔眼径向延伸的水滴状割槽；
当径向水平孔眼布设在煤层底板时，定向割槽作业后形成沿径向水平孔眼径向延伸的倒水滴状割槽；
当径向水平孔眼布设在煤层间岩层时，定向割槽作业后，向上形成沿径向水平孔眼径向延伸的倒水滴状割槽，向下形成沿径向水平孔眼径向延伸的倒水滴状割槽；
所述水滴状割槽和倒水滴状割槽的截面轮廓均包括相连的圆弧段和锥形段，且所述锥形段的锐角夹角为5°～45°。
2.如权利要求1所述的煤层气直井煤储层改造方法，其特征在于，所述喷头本体包括一体化连接设置的第一连接部（11）和第二连接部（12），所述第一连接部（11）呈半球形，所述割槽喷孔（3）设置在所述第一连接部（11）的侧壁上，所述定位销（5）竖直设置在第二连接部（12）的内壁上。
3.如权利要求1所述的煤层气直井煤储层改造方法，其特征在于，所述径向水平孔眼的布设层位包括煤层顶板岩层、煤层底板岩层和煤层间岩层。
4.如权利要求1所述的煤层气直井煤储层改造方法，其特征在于，所述径向水平孔眼的布设位置与煤层顶板的底面或煤层底板顶面的垂直距离为0.5m~2m。
5.如权利要求1所述的煤层气直井煤储层改造方法，其特征在于，所述割槽的槽深为5~20cm。
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