CN115110938B - 基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法,其步骤为,确定压裂管道的材质、长度、内径、壁厚。选择准备压裂改造的岩层,计算确定岩层钻孔直径和长度,在岩层中打出钻孔。将部分压裂管道置入钻孔内,用封隔器密封。计算压力波传播速度。将压裂管道入口端与脉冲泵连接,将脉冲泵分别与电机、溢流阀、水箱、控制器相连接。选定脉冲泵输出的压力波的波形。依照最优脉冲频率公式f=0.25ka/L计算最优脉冲频率,脉冲泵采用该频率进行泵注施压。确定脉冲泵输出的压力波的振幅,在选定的脉冲波形、频率和振幅条件下,连续泵注施压,对岩层持续压裂。本方法能够大幅提高管道末端流体的压力,实现对岩层的高效压裂。
Description
技术领域
本发明涉及岩层压裂技术领域,具体涉及一种基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法。
背景技术
页岩内富含有页岩气,页岩气是一种清洁能源,在我国储量巨大;煤岩内含有煤层气,煤层气在我国储量也非常丰富。页岩气和煤层气的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“双碳”战略目标,具有重要意义。但目前页岩、煤岩等存在渗透率低的难题,致使页岩气、煤层气的开采效率低。脉冲水力压裂是提高岩层渗透性的关键技术,有利于提高页岩气的开采效率。
传统水力压裂因泵注流量相对恒定,叠加管道摩擦阻力,使得管道内流体的压力损失较明显,致使管道末端压力较低,压裂效果不理想。脉冲水力压裂因采用脉冲泵注方式加压,管道内存在脉冲波的叠加增压效应,致使管道末端压力相对较高,对岩石的压裂效果较好。但在目前的脉冲水力压裂条件下,管道末端压力仍然不高,在一些深部岩层中,难以将岩层压裂。即对于起裂压力较高的岩层(例如深部岩层),往往需要更高的流体压力才能将岩石压裂。因此,提高管道末端流体压力意义重大。
申请人发现,在脉冲水力压裂过程中,如果脉冲频率控制得当,则可以显著提高管道末端的流体压力,这将有助于岩石起裂。即在脉冲水力压裂过程中,存在最优的脉冲频率,以最优脉冲频率周期性泵注施压可以大幅提高流体压力,这将加速岩石或岩层断裂。
通过大量调研,申请人发现,目前尚没有关于最优频率控制的成熟理论和方法。现有理论无法给出最优脉冲频率,现有方法也无法大幅提高管道末端流体的压力。因此有必要提出基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法,通过控制脉冲的频率、波形和振幅,能够大幅提高管道末端流体的压力,进而实现对岩层的高效压裂。
为实现上述目的,本发明的基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法包括以下步骤:
S1:根据施工要求选定压裂管道的类型,确定压裂管道的材质、长度、内径、壁厚;
S2:选择准备压裂改造的岩层,根据压裂管道的尺寸,计算确定岩层钻孔直径和长度,在岩层中打出钻孔;
S3:将部分压裂管道置入钻孔内,用封隔器密封,选择压裂液类型,确定压裂液的密度、粘度;
S4:根据压裂管道的基本参数和压裂液的基本参数,计算压力波传播速度;
S5:连接压裂系统,将压裂管道入口端与脉冲泵连接,将脉冲泵分别与电机、溢流阀、水箱、控制器相连接;
S6:选定脉冲泵输出的压力波的波形;
S7:依照最优脉冲频率公式f=0.25ka/L计算最优脉冲频率,脉冲泵采用该频率进行泵注施压,L代表钻孔长度,a代表压力波传播速度,参数k代表任意正奇数;
S8:根据施工要求和脉冲泵性能,确定脉冲泵输出的压力波的振幅,在选定的脉冲波形、频率和振幅条件下,连续泵注施压,对岩层持续压裂;
S9:根据微地震监测结果判断岩层断裂特征,若达到预期压裂效果,则脉冲压裂结束,回收压裂装置。
进一步地,在步骤S1中,选用钢管作为压裂管道。
进一步地,在步骤S2中,选择的所述岩层为煤岩或页岩。
进一步地,在步骤S3中,封隔器承受的压力大于岩层断裂压力。
进一步地,在步骤S5中,脉冲泵的频率控制范围在0至250Hz范围内选取。
进一步地,在步骤S6中,选定脉冲泵输出的压力波的波形为周期性的矩形脉冲或正余弦脉冲或梯形脉冲。
进一步地,在步骤S7中,K=1。
本发明的有益效果是:针对脉冲泵输出的压力波的任意周期性波形(矩形、正弦、余弦、梯形等),首次提出了选取最优脉冲频率应该遵循的准则公式,根据本发明所提出的最做强脉冲频率公式,计算得到最优脉冲频率,按照该最优频率实施脉冲水力压裂,可以大幅提高管道末端流体的压力,有助于加速岩层断裂。
附图说明
图1是基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法的流程图;
图2是脉冲水力压裂示意图;
图3是在非最优频率下管道终点压力曲线图;
图4是在最优频率下管道终点压力曲线图;
图5是管道截面示意图I;
图6是管道截面示意图II;
图7是脉冲水力压裂中压力曲线图;
图中,1-岩石,2-密封层,3-管道,4-流体;
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法的流程图,如图1所示,具体步骤如下:
S1选定压裂管道类型,确定管道的内径、壁厚和管道材料。管道类型通常为具有圆形截面的钢管。压裂管道内径,其范围通常小于20cm,但不局限于20cm。压裂管道壁厚应均匀,壁厚通常小于1cm,但不局限于1cm。
S2选择准备压裂改造的岩层,根据压裂管道尺寸,计算确定岩层钻孔的直径和长度,在岩层中打出钻孔。岩层可以是页岩、煤岩等。打钻孔是沿着特定方向向岩层内钻孔,钻孔方向可以是水平方向、竖直方向和任意倾斜方向。钻孔直径应略大于管道外径,以保证管道可以置入钻孔中。钻孔长度应根据所要压裂的区域位置来确定,钻孔末端应尽量平整。图2为脉冲水力压力示意图,图中L的长度为钻孔长度。
S3将部分压裂管道置入钻孔内,并用封隔器密封。封隔器应能承受较大压力,所能承受的压力应是岩石断裂压力的2倍以上。密封形式可采用橡胶密封,将高压水注入橡胶内使其膨胀实现密封,压裂结束后通过降压排水实现对密封橡胶的回收。
S4获取压力波传播速度。可以采用两种方法获得压力波传播速度,第一种方法是根据已有参数计算波速,即通过计算获得波速,则按照如下步骤:波速a的计算公式如下
对于岩层内部埋藏式钢管(无加强筋),管道综合抗力系数的计算公式为公式中变量含义参照图5和图6进行说明,在图5中,岩石1,密封层2,管道3,流体4,图6中,r1是管道内半径,r2是管道外半径,r3是钻孔有效半径,Ec是密封层材料的弹性模量,μc是密封层材料的泊松比。
第二种方法,是在施工现场实测波速,其步骤如下:向管道内注满水,在管道入口安装压力表,并在管道入口施加压力扰动,计算扰动从入口发出到第一次返回所需的时间,则两倍管道长度除以时间即为波速。
S5将高压管道入口端与脉冲泵连接。高压管道入口应安装有压力表,压力数据可实时传输到计算机上。脉冲泵压力可按照预定形式精确控制。将脉冲泵分别与电机、溢流阀、水箱、控制器等相连接。溢流阀应该具有足够控制精度。控制器可以实现定时定量控制。
在钻孔周围布置微地震信号接收传感器,并将传感器与计算机连接。布置微地震监测装置,将地震波传感器布置在钻孔周围的岩层上。传感器与计算机相连接,计算机根据地震波信号定位分析岩层断裂强度和断裂位置。
S6选定脉冲泵输出的压力波的波形,脉冲的形式可以是矩形波、梯形波、正弦波和余弦波等周期性波形。
S7根据管道长度和波速,依照频率模型公式计算最优脉冲频率。最优脉冲频率模型公式为f=0.25ka/L。频率模型公式中,a是波速,L是管道长度,k是任意正奇数,通常可以选择。频率模型公式是根据理论分析和计算流体动力学(CFD)方法得到。
最优脉冲频率公式的理论依据为:最优脉冲频率公式是f=0.25ka/L。以T0=L/a表示脉冲波单程时间(从入口到端点),因为脉冲水力压裂过程中的压力波传播过程与水击过程中的压力波传播过程类似,因此可以从水击理论角度解释。根据水击理论,在0<t<2T0时间段内,压力波从入口发出经管道终点反射再次回到入口,时间恰好是2T0,在该过程中,管道内流体压力增加,该时间段内流体正向速度大于等于0。在2T0<t<4T0时间段内,压力波从入口发出经管道终点再次反射回到入口,时间恰好也是2T0,在该过程中,管道内流体压力减小,该时间段内流体正向速度小于等于0。若入口脉冲频率采用f=0.25ka/L,则在随后4T0<t<8T0时间段内,重复上述过程,管道终点流体峰值压力会周期性放大,直至岩石破裂。由上述分析可知入口脉冲的施加周期为4T0,即T=4T0=4L/a。根据频率f与周期T互为倒数关系,则可推出入口脉冲的频率为f=1/T=0.25a/L,即f=0.25a/L。考虑到脉冲波具有周期性,因此脉冲频率前面乘以一个正奇数k,只有当k取正奇数时压力波的叠加增加效果才最明显。
S8根据施工要求和脉冲泵性能,确定脉冲泵输出的压力波的振幅,在选定的脉冲波形、频率和振幅条件下,连续泵注施压,对岩层持续压裂。
向管道内注水增压,使管道内压力达到预定压力P0。预定压力应小于岩石起裂压力,通常预定压力为岩石起裂压力的五分之一至二分之一之间。
改用特定的脉冲泵注方式向管道内连续施压,施压频率采用最优脉冲频率。脉冲压力指脉冲泵注流体的压力,这里以正弦脉冲为例,则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。正弦脉冲的平均压力为上述预定压力P0,脉冲的振幅范围是0.1~1P0。最优脉冲频率采用f=0.25ka/L来计算。
S9在脉冲泵注施压过程中,采用微地震装置记录裂缝破裂事件,达到预期压裂效果时压裂结束,回收压裂装置。预期压裂效果通常是指形成裂缝网络。
下面为最优脉冲频率公式的数值实验证明,结合附图3和附图4进行说明。首先以L=25m的管道长度为例,假设波速为1000m/s,按照本发明所提出的最优脉冲频率公式,则最优脉冲频率是f=10k,这里选择k=1为例进行验证,则f=10Hz是最优频率之一(Hz是频率单位,赫兹)。本发明选用f=10Hz和f=5Hz为例验证管道末端峰值压力的放大效果。如图3所示,在非最优脉冲频率条件下(例如f=5Hz),管道终点流体压力放大不明显,最大峰值压力为1.2MPa。通过对比,如图4所示,在最优脉冲条件下(f=10Hz),管道终点流体压力放大明显,最大峰值压力超过2MPa。上述数值实验结果证明,f=10Hz对压力的放大效果显著优于f=5Hz。通过大量数值实验的对比,我们证明了在f=0.25ka/L频率下,压力放大效果显著优于其它脉冲频率。
综上所述,本发明提供基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法,首次给出了选取最优脉冲频率的准则公式,该公式具有普适性。本发明提出的方法可大幅提高管道末端流体的压力,能够实现对岩层的快速压裂,能增强破岩效果。在脉冲泵注压力较低的条件下,可以实现管道末端的高压输出,非常适合起裂压力较高岩层的压裂作业。图7以正弦脉冲为例,展示了脉冲水力压裂中压力的整个过程。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于此,在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内,在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化,都处于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:根据施工要求选定压裂管道的类型,确定压裂管道的材质、长度、内径、壁厚;
S2:选择准备压裂改造的岩层,根据压裂管道的尺寸,计算确定岩层钻孔直径和长度,在岩层中打出钻孔;
S3:将部分压裂管道置入钻孔内,用封隔器密封,选择压裂液类型,确定压裂液的密度、粘度;
S4:根据压裂管道的基本参数和压裂液的基本参数,计算压力波传播速度;
S5:连接压裂系统,将压裂管道入口端与脉冲泵连接,将脉冲泵分别与电机、溢流阀、水箱、控制器相连接;
S6:选定脉冲泵输出的压力波的波形;
S7:依照最优脉冲频率公式f=0.25ka/L计算最优脉冲频率,脉冲泵采用该频率进行泵注施压,其中L代表钻孔长度,a代表压力波传播速度,参数k代表任意正奇数;
S8:根据施工要求和脉冲泵性能,确定脉冲泵输出的压力波的振幅,在选定的脉冲波形、频率和振幅条件下,连续泵注施压,对岩层持续压裂;
S9:根据微地震监测结果判断岩层断裂特征,若达到预期压裂效果,则脉冲压裂结束,回收压裂装置。
2.根据权利要求1所述的基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法,其特征在于:在步骤S1中,选用钢管作为压裂管道。
3.根据权利要求1所述的基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法,其特征在于:在步骤S2中,选择的所述岩层为煤岩或页岩。
4.根据权利要求1所述的基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法,其特征在于:在步骤S3中,封隔器承受的压力大于岩层断裂压力。
6.根据权利要求1所述的基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法,其特征在于:在步骤S5中,脉冲泵的频率控制范围在0至250Hz范围内选取。
7.根据权利要求1所述的基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法,其特征在于:
在步骤S6中,选定脉冲泵输出的压力波的波形为周期性的矩形脉冲或正余弦脉冲或梯形脉冲。
8.根据权利要求1所述的基于最优频率控制的脉冲水力压裂方法,其特征在于:
在步骤S7中,k=1。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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