CN115234200B - 一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法 - Google Patents

一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法 Download PDF

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Abstract

一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法，对压裂目的井段进行射孔作业；通过压裂管柱将井下工具输送到目的井段；对井底产出的气体进行监测和甲烷浓度测试；将高压氧气注入到井下的高压喷枪内；引爆射孔孔眼内的氧气‑甲烷混合物，并进行多次定点燃爆压裂；向射孔孔眼内泵注高压氧气与二氧化碳；利用甲烷的长时间燃烧产生的高温对周围地层进行加热，并在射孔孔眼和冲击裂缝周围形成高温区；利用液态二氧化碳对高温区岩石进行强制对流换热；不断对冲击裂缝进行二次改造，提高原有裂缝复杂程度和裂缝体积。该方法能够解决现有燃爆压裂技术所存在的燃爆时间短、燃爆压力衰减快、裂缝起裂位置难以控制、燃爆压力对井筒冲击作用强烈的问题。

Description

一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法
技术领域
本发明属于非常规油气开采及压裂增产技术领域，具体涉及一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法。
背景技术
近年来，随着世界对能源需求量的不断增加和勘探技术的快速进步，地下能源愈发的受到重视，特别是以页岩气为代表的非常规天然气，已经成为重要的国家战略资源。由于非常规天然气储层渗透率极低，开发难度极大，需要进行体积压裂形成高度密集的网状裂缝，使人工裂缝与天然裂缝相互交错形成“人造天然气藏”，方能获得工业化产能。水力压裂是最常用的储层改造方法，该方法通过向储层注入高压流体促进储层裂隙扩展延伸从而达到增产的效果。随着压裂规模的不断扩大，水力压裂技术也带来了一系列的问题。首先，对于大多数非常规天然气储层而言，水相的侵入和滞留会对储层产生较为严重的水锁和水敏性伤害。此外，由于低渗储层的压裂周期长、规模大，需要消耗大量的水资源，因此会引发水资源过度消耗等一系列环境问题。
为提高储层岩石的破裂程度和增加裂缝的复杂性，并能克服储层压裂对水资源的依赖性，有研究人员采取井筒燃爆压裂的方式压裂地层，从而在井筒周围形成复杂的裂缝体系。研究表明，井筒内可燃物快速燃爆可在短时间内产生60MPa以上的瞬时高压，裂缝扩展可突破地应力和岩石物性的限制，沿井筒径向形成多条放射状短裂缝。然而，现有的燃爆压裂技术存在燃爆时间短、燃爆压力衰减快、裂缝起裂位置难以控制的问题，从而不易在远离井筒位置形成有效的人工裂缝，不仅无法达到非常规天然气储层的压裂要求，而且燃爆产生的高压冲击作用容易造成套管和水泥环的损坏。因此，需要进一步突破非常规天然气储层改造现有技术框架的限制，研发新型的压裂工艺，尽可能提高非常规天然气储层的单井产量，实现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，本发明提供一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法，该方法步骤简单，实施成本低，其可通过控制甲烷原位燃爆位置的方式实现裂缝定点起裂与储层特定位置的改造，能够解决现有燃爆压裂技术所存在的燃爆时间短、燃爆压力衰减快、裂缝起裂位置难以控制、燃爆压力对井筒冲击作用强烈的问题，并可显著提高储层破裂程度和改造体积，有利于大幅度提高单井产量，同时，其环保性能好、开发效率高，适用于大面积推广应用。
为了实现上述目的，本发明提供一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法，具体包括以下步骤；
步骤一：准备工作；
S11:根据非常规天然气井的投产要求，确定射孔位置与压裂目的井段，然后对压裂目的井段进行射孔作业，在井筒周围形成射孔孔眼；
S12：根据具体地质和气藏数据设计燃爆压裂的工艺参数；
步骤二：布置井下工具；
先通过压裂管柱向井筒内下放井下工具，并将井下工具输送到目的井段；再建立压裂管柱与地面设备的连接，并在地面环空出口处连接节流阀；
所述井下工具为高压喷枪，高压喷枪安装在压裂管柱的出口处，高压喷枪的径向上安装有侧向喷嘴，其中心轴向安装有前向喷嘴；
步骤三：地面气体监测；
在燃爆压裂施工之前，对井底产出的气体进行监测和甲烷浓度测试，确保在助燃剂投放之前，井口返出气体中甲烷的浓度大于90％；
步骤四：投放助燃剂；
通过压裂管柱将高压氧气注入到井下的高压喷枪内，利用高压喷枪的侧向喷嘴和前向喷嘴的节流作用，在井筒内形成高速氧气射流；在注入高压氧气的同时，以设定速度回收压裂管柱，通过拖动高压喷枪沿着井筒向上移动的方式将高压氧气沿着整个井筒进行投放；
在高压喷枪的移动过程中，利用侧向喷嘴将高压氧气径向高速喷出，并促使部分高压氧气进入射孔孔眼内，并与射孔孔眼内的甲烷充分混合形成氧气-甲烷混合物，同时，利用前向喷嘴将高压氧气轴向高速喷出，并驱替井筒内的甲烷；
在投放高压氧气的过程中，通过调节节流阀的开启程度来控制返排压力，确保节流阀的前后压差在5～7MPa范围内；
步骤五：定点燃爆压裂；
通过电击点火的方式引爆射孔孔眼内的氧气-甲烷混合物，利用射孔孔眼内混合气体燃爆后产生的大量高温高压气体冲击射孔孔眼的周围地层，形成多条放射状的冲击裂缝；
步骤六：重复定点燃爆压裂；
将井下工具重新下放到井筒的末端，然后多次重复进行步骤三至步骤五，通过在射孔孔眼内反复进行甲烷原位定点燃爆压裂的方式，促进冲击裂缝不断向储层内部延伸扩展，形成大范围冲击裂缝；
步骤七：投放助燃剂与二氧化碳；
先调整井下工具位置，保证高压喷枪上侧向喷嘴的出口与射孔孔眼的入口对齐，再采用压裂管柱与环空同步注入的方式向射孔孔眼内分别泵注高压氧气与二氧化碳，该过程中，保证高压喷枪和压裂管柱均处于固定状态，且二氧化碳12的注入流量低于高压氧气5的注入流量；
步骤八：甲烷长时燃烧；
S81：在投放高压氧气与二氧化碳一段时间后，通过电击点火的方式引燃射孔孔眼内的甲烷，使甲烷在射孔孔眼和冲击裂缝内燃烧并形成高温火焰；
S81：在燃烧过程中，继续向射孔孔眼内注入高压氧气和二氧化碳，保证甲烷能够长时间燃烧；利用射孔孔眼和冲击裂缝内甲烷燃烧过程中产生的压力将部分高压氧气压入地层的孔隙内，同时，将射孔孔眼和冲击裂缝内的燃烧火焰引入到地层孔隙，增大甲烷的燃烧范围；利用甲烷的长时间燃烧产生的高温对周围地层进行加热，并在射孔孔眼和冲击裂缝周围形成高温区；
S83：继续向射孔孔眼内分别泵注高压氧气与二氧化碳,保证甲烷的燃烧时间大于2h；
步骤九：液态二氧化碳冷冲击致裂；
当甲烷燃烧结束后，快速向射孔孔眼和冲击裂缝内泵入液态二氧化碳，利用液态二氧化碳对高温区岩石进行强制对流换热，达到快速降低储层岩石温度的目的；
步骤十：多次重复步骤七至步骤九；
通过不断交替进行助燃剂投放、甲烷长时燃烧和液态二氧化碳冷冲击致裂的方式，不断对已有的冲击裂缝内进行二次改造，提高原有裂缝复杂程度和裂缝体积。
作为一种优选，在步骤一中，采用聚能射孔工艺或者冲击喷砂射孔工艺或者高压射流深穿透射孔工艺进行射孔作业。
进一步，为了保证径向射流的效果，以更好的将气态助燃剂喷射到井筒周围的射孔孔眼内，在步骤二中，所述侧向喷嘴的数量为4～6个，且喷孔直径为1～2mm，为了保证轴向射流的效果，以能更好的驱替井筒中的甲烷，所述前向喷嘴的数量为1个，且喷孔直径为3～5mm。
进一步，为了能更好地控制井筒与射孔孔眼内甲烷的浓度，以确保射孔孔眼内甲烷浓度处于燃爆极限范围内，而井筒内甲烷浓度低于燃爆极限，在步骤四中，设定速度为0.10～0.20m/s。
进一步，为了防止甲烷燃烧传播到井筒内，同时保证甲烷的燃烧效率，在步骤七中，二氧化碳的注入流量为氧气注入流量的30％～40％，为了保证甲烷燃烧效果，同时防止燃烧传播到井筒内，在步骤八中的S83中，二氧化碳的注入流量为高压氧气的30％～40％。
进一步，为了能够在保证作业效率的前提下，在所有作业井段的射孔孔眼周围均能形成复杂度更好裂缝，在步骤六中，重复次数为3～4次。
进一步，为了产生更强烈的冷冲击效应，并能显著提高地层的增产改造效果，在步骤九中，液态二氧化碳的注入流量大于1.0m3/min。
进一步，为了进一步增加储层内部的微裂缝密度，进一步改善储层的孔隙结构和微裂缝网络，并显著提高增产增渗效果，在步骤十中，重复次数为4～7次。
本方法利用地面投放的气态助燃剂与储层原位解吸的甲烷气体在射孔孔眼内混合，然后通过控制射孔位置的方式实现定点燃爆压裂形成冲击裂缝，再进行储层甲烷原位长时间燃烧形成大范围高温区，最后利用低温流体对高温区进行冷冲击致裂作用，可在冲击裂缝的基础上形成大量热力裂缝。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、在气态助燃剂的投放过程中，采用前向喷嘴与侧向喷嘴相结合的射流投放方式，侧向喷嘴产生的径向射流可将气态助燃剂有效喷射到射孔孔眼内部，进而能促使气态助燃剂与甲烷在射孔孔眼内的充分混合，形成可燃爆的混合流体，同时，利用前向喷嘴产生的轴向射流可以有效驱替井筒内的甲烷，并能对井筒内的甲烷进行充分稀释，使井筒内甲烷的浓度低于最低燃爆极限。由于在投放助燃剂过程中，高压喷枪处于被拖动的状态，这样，通过控制喷枪的拖动速度与高压喷枪参数，便能调节井筒与射孔孔眼内甲烷的浓度，可确保射孔孔眼内的甲烷浓度处于燃爆极限范围内，而井筒内甲烷浓度低于燃爆极限。以井筒周围的射孔孔眼作为燃爆空间，并在射孔孔眼内实施燃爆压裂作业，同时，配合井筒内甲烷浓度和射孔孔眼内甲烷浓度的控制，可以确保燃爆仅发生在射孔孔眼内，而不会发生在井筒的内部，这样，不仅有助于控制裂缝的起裂位置，可充分实现裂缝的定点起裂和储层特定位置的改造，而且还能有效降低燃爆产生的高压对井筒的冲击作用，有助于保证燃爆压裂过程中井筒的完整性，避免了燃爆产生的瞬时高压对井筒完整性的破坏，有效的保护了井筒，从而能在确保井筒安全的前提下实现储层冲击裂缝的高效制造。燃爆过程中，燃爆作用会在岩石表面产生冲击波，进而在岩石内部衰减成不断向前传播的应力波，冲击波能够使射孔孔眼表面附近的岩石中形成多条短裂缝，应力波会使射孔孔眼周围的岩石发生拉张与剪切破坏，进而产生裂隙，并继续向前传播。同时，燃爆作用还会使射孔孔眼内的温度急剧升高，进而产生巨大的气体膨胀压力，有利于促进裂隙延伸、扩展，并增加裂缝尺度。这样，在射孔孔眼内进行定点燃爆压裂，可以使射孔孔眼的周围同时受到冲击波、应力波和气体膨胀压力等多种因素的复合致裂作用，有助于形成复杂裂缝。通过重复在射孔孔眼内进行定点燃爆压裂作业，可以确保在井筒内所有作业井段的射孔孔眼周围均能形成复杂裂缝。
2、本发明将储层甲烷原位燃烧与低温流体冷冲击致裂技术进行了有效的结合，通过地面向冲击裂缝投放高压氧气的方式，可以使得储层甲烷与助燃剂在射孔孔眼内充分混合，进而进行高效燃烧。由于高压氧气通过压裂管柱注入，并通过高压喷枪的侧向喷嘴和前向喷嘴高速喷出，同时，二氧化碳通过环空的方式注入，且二氧化碳的注入流量低于高压氧气的注入流量，这样，通过前向喷嘴喷出的高压氧气与二氧化碳混合后，会被侧向喷嘴喷出的高速射流卷吸到射孔孔眼内，使井筒内不会产生甲烷与氧气的混合物，进而在燃烧过程中，可以有效防止燃烧火焰传播到井筒的内部，进一步确保了井筒的安全与完整性。通过射孔孔眼和冲击裂缝内甲烷的长时间燃烧，能够进一步以燃爆产生的冲击裂缝为作业空间，利用燃烧产生的高温对裂缝周围储层进行加热并形成高温火焰，进而能利用燃烧过程中不断增大的气体压力将部分高压氧气压入地层的孔隙内，同时，能将燃烧火焰引入到地层的孔隙内，有效的增大了甲烷的燃烧范围，随着燃烧的持续，能够有效的加热裂缝周围储层的岩石，使得岩石温度不断升高，甚至可达到几百到几千度高温。另外，随着储层温度的急剧升高，岩石表面附着的甲烷会快速解吸，这在一定程度上有利于提高燃烧效果和燃烧持续时间，从而在裂缝周围形成了大范围的高温区。待储层内形成高温区域后，再通过泵注液态二氧化碳的方式可以对高温区域岩石进行快速冷却降温，达到了冷冲击致裂作业的目的，进一步增大了对储层岩石的损伤效果，该过程中，能在冲击裂缝周围产生多条热力裂缝，增加了裂缝波及范围，提高了储层内部裂缝的体积和密度，有效的改善了储层的孔隙结构和微裂缝网络，最终实现了非常规天然气井高效压裂改造，达到了增产增渗的效果。同时，液态二氧化碳在吸热过程中会产生相变，进而进入超临界状态，导致冲击裂缝内的压力不断升高，进而能促进超临界二氧化碳能够不断渗入储层内部，并置换吸附在岩石表面的甲烷，增大了储层内游离态甲烷的含量，进一步提高了储层的增产改造效果。通过不断交替进行助燃剂投放、甲烷长时燃烧和液态二氧化碳冷冲击致裂的方式，可以有效提高原有裂缝复杂程度和裂缝体积，显著改善了非常规天然气井的增产效果，提高了单井产量。
本发明将助燃剂定点投放、甲烷原位燃爆、甲烷长时燃烧以及低温流体冷冲击相结合，不仅实现了非常规天然气井的高效压裂改造目的，而且通过控制甲烷原位燃爆位置的方式实现了裂缝定点起裂与储层特定位置的改造，有效降低了燃爆产生的高压对井筒冲击作用，保证燃爆压裂过程中井筒的完整性。该方法步骤简单，实施成本低，能够解决现有的燃爆压裂技术存在的燃爆时间短、燃爆压力衰减快、裂缝起裂位置难以控制、燃爆压力对井筒冲击作用强烈的问题，其可实现非常规天然气储层定点压裂改造，能显著提高储层破裂程度和改造体积，有利于提高单井产量，同时，其环保性能好，开发过程高效，适用于大面积推广应用。
附图说明
图1是本发明中待压裂井段及其射孔孔眼分布示意图；
图2是本发明中井下工具布置示意图；
图3是本发明中甲烷原位定点燃爆助燃剂投放示意图；
图4是本发明中甲烷原位定点燃爆压裂效果示意图；
图5是本发明中甲烷长时间燃烧助燃剂投放示意图；
图6是本发明中液态二氧化碳冷冲击致裂效果示意图。
图中：1、井筒，2、射孔孔眼，3、高压喷枪，4、压裂管柱，5、高压氧气，6、高速氧气射流，7、氧气-甲烷混合物，8、节流阀，9、地层，10、冲击裂缝，11、环空，12、二氧化碳，13、液态二氧化碳，14、热力裂缝。
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6所示，本发明提供了一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法，具体包括以下步骤；
步骤一：准备工作；
S11:根据非常规天然气井的投产要求，确定射孔位置与压裂目的井段，然后对压裂目的井段进行射孔作业，在井筒1周围形成射孔孔眼2；
S12：根据具体地质和气藏数据设计燃爆压裂的工艺参数；
步骤二：布置井下工具；
先通过压裂管柱4向井筒1内下放井下工具，并将井下工具输送到目的井段；再建立压裂管柱4与地面设备的连接，并在地面环空出口处连接节流阀8；
所述井下工具为高压喷枪3，高压喷枪3安装在压裂管柱4的出口处，高压喷枪3的径向上安装有侧向喷嘴，其中心轴向安装有前向喷嘴；
步骤三：地面气体监测；
在燃爆压裂施工之前，对井底产出的气体进行监测和甲烷浓度测试，确保在助燃剂投放之前，井口返出气体中甲烷的浓度大于90％；
步骤四：投放助燃剂；
通过压裂管柱4将高压氧气5注入到井下的高压喷枪3内，利用高压喷枪3的侧向喷嘴和前向喷嘴的节流作用，在井筒1内形成高速氧气射流6；在注入高压氧气5的同时，以设定速度回收压裂管柱4，通过拖动高压喷枪3沿着井筒1向上移动的方式将高压氧气5沿着整个井筒1进行投放；
在高压喷枪3的移动过程中，利用侧向喷嘴将高压氧气5径向高速喷出，并促使部分高压氧气5进入射孔孔眼2内，并与射孔孔眼2内的甲烷充分混合形成氧气-甲烷混合物7，由于高压喷枪3处于移动状态，所以通过侧向喷嘴向射孔孔眼2内注入的高压氧气5的体积有限，有助于避免射孔孔眼2内的甲烷被过分稀释，从而确保射孔孔眼2内的甲烷浓度处于燃爆极限范围内；同时，利用前向喷嘴将高压氧气5轴向高速喷出，并驱替井筒1内的甲烷，该过程中，能将井筒1内的甲烷充分稀释，使得井筒1的甲烷浓度低于最低燃爆极限；
在投放高压氧气5的过程中，通过调节节流阀8的开启程度来控制返排压力，确保节流阀8的前后压差在5～7MPa范围内；
步骤五：定点燃爆压裂；
通过电击点火的方式引爆射孔孔眼2内的氧气-甲烷混合物7，利用射孔孔眼2内混合气体燃爆后产生的大量高温高压气体冲击射孔孔眼2的周围地层9，形成多条放射状的冲击裂缝10；
甲烷燃爆作用会压缩射孔孔眼2周围的岩石，并在岩石表面产生冲击波，进而在岩石内部衰减成不断向前传播的应力波。冲击波能够压缩射孔孔眼2表面附近的岩石，形成多条短裂缝。应力波会导致射孔孔眼2周围的岩石发生拉张与剪切破坏，产生裂隙，并继续向前传播。燃爆会造成射孔孔眼2内温度的急剧升高，产生巨大的气体膨胀压力，在气体膨胀压力作用下，气体会进入射孔孔眼2周围岩石的裂隙内，促进裂隙延伸、扩展，增加裂缝尺度。由此可见，在燃爆压裂过程中，射孔孔眼2的周围会同时受到冲击波、应力波与气体膨胀压力等多种因素的致裂作用，有助于促进复杂裂缝的形成；
步骤六：重复定点燃爆压裂；
将井下工具重新下放到井筒1的末端，然后多次重复进行步骤三至步骤五，通过在射孔孔眼2内反复进行甲烷原位定点燃爆压裂的方式，促进冲击裂缝10不断向储层内部延伸扩展，形成大范围冲击裂缝；
步骤七：投放助燃剂与二氧化碳；
先调整井下工具位置，保证高压喷枪3上侧向喷嘴的出口与射孔孔眼2的入口对齐，再采用压裂管柱4与环空11同步注入的方式向射孔孔眼2内分别泵注高压氧气5与二氧化碳12，该过程中，保证高压喷枪3和压裂管柱4均处于固定状态，且二氧化碳12的注入流量低于高压氧气5的注入流量；
由于高压氧气5通过压裂管柱4注入，这样，当高压氧气5通过压裂管柱4后从高压喷枪3喷出，其中通过侧向喷嘴喷出的高压氧气5以高速射流的形式进入射孔孔眼2内，然后进入射孔孔眼2周围的冲击裂缝10内。而从前向喷嘴喷出的高压氧气5与环空注入的二氧化碳12混合后，会被侧向喷嘴喷出的高速射流卷吸到射孔孔眼2内，从而保证了环空11内不会产生甲烷与氧气混合物，有效的避免了井筒1内发生甲烷燃烧爆炸等不利现象的发生，保障了井筒1的完整性；
步骤八：甲烷长时燃烧；
S81：在投放高压氧气5与二氧化碳12一段时间后，通过电击点火的方式引燃射孔孔眼2内的甲烷，使甲烷在射孔孔眼2和冲击裂缝10内燃烧并形成高温火焰；
S81：在燃烧过程中，继续向射孔孔眼2内注入高压氧气5和二氧化碳12，保证甲烷能够长时间燃烧；在甲烷燃烧过程中，由于射孔孔眼2和冲击裂缝10内温度不断升高，射孔孔眼2和冲击裂缝10内气体压力会不断增大，这样，便可以利用射孔孔眼2和冲击裂缝10内甲烷燃烧过程中产生的压力将部分高压氧气5压入地层9的孔隙内，同时，将射孔孔眼2和冲击裂缝10内的燃烧火焰引入到地层9孔隙，增大甲烷的燃烧范围；由于甲烷燃烧能够产生上千度的高温，，这样，便能利用甲烷的长时间燃烧产生的高温对周围地层9进行加热，并最终在射孔孔眼2和冲击裂缝10周围形成高温区；
S83：继续向射孔孔眼2内分别泵注高压氧气5与二氧化碳12,保证甲烷的燃烧时间大于2h；
步骤九：液态二氧化碳冷冲击致裂；
当甲烷燃烧结束后，快速向射孔孔眼2和冲击裂缝10内泵入液态二氧化碳13，利用液态二氧化碳13对高温区岩石进行强制对流换热，达到快速降低储层岩石温度的目的；
由于高温区岩石与液态二氧化碳13之间存在巨大的温差，液态二氧化碳13会对岩石产生强烈的冷冲击效应，从而在岩石表面会产生热应力，沿冲击裂缝面形成多条热力裂缝14，实现了液态二氧化碳13的冷冲击致裂作业。在液态二氧化碳13与高温区岩石进行对流换热过程中，液态二氧化碳13由于吸收热量产生相变，进而进入超临界状态，并导致冲击裂缝10内的压力不断升高。在冲击裂缝10内流体压力的作用下，超临界二氧化碳能够不断渗入储层内部，置换吸附在岩石表面的甲烷，增大储层内游离态甲烷的含量，实现了对原冲击裂缝的二次改造，进而提高了储层的增产改造效果。
步骤十：多次重复步骤七至步骤九；
通过不断交替进行助燃剂投放、甲烷长时燃烧和液态二氧化碳13冷冲击致裂的方式，不断对已有的冲击裂缝10内进行二次改造，提高原有裂缝复杂程度和裂缝体积，从而改善非常规天然气井的增产效果，提高单井产量。
作为一种优选，在步骤一中，采用聚能射孔工艺或者冲击喷砂射孔工艺或者高压射流深穿透射孔工艺进行射孔作业。
为了保证径向射流的效果，以更好的将气态助燃剂喷射到井筒周围的射孔孔眼内，在步骤二中，所述侧向喷嘴的数量为4～6个，且喷孔直径为1～2mm，为了保证轴向射流的效果，以能更好的驱替井筒中的甲烷，所述前向喷嘴的数量为1个，且喷孔直径为3～5mm。
为了能更好地控制井筒与射孔孔眼内甲烷的浓度，以确保射孔孔眼内甲烷浓度处于燃爆极限范围内，而井筒内甲烷浓度低于燃爆极限，在步骤四中，设定速度为0.10～0.20m/s。
为了防止甲烷燃烧传播到井筒1内，同时保证甲烷的燃烧效率，在步骤七中，二氧化碳12的注入流量为氧气5注入流量的30％～40％，为了保证甲烷燃烧效果，同时防止燃烧传播到井筒内，在步骤八中的S83中，二氧化碳12的注入流量为高压氧气5的30％～40％。
为了能够在保证作业效率的前提下，在所有作业井段的射孔孔眼周围均能形成复杂度更好裂缝，在步骤六中，重复次数为3～4次。
为了产生更强烈的冷冲击效应，并能显著提高地层的增产改造效果，在步骤九中，液态二氧化碳13的注入流量大于1.0m3/min。
为了进一步增加储层内部的微裂缝密度，进一步改善储层的孔隙结构和微裂缝网络，并显著提高增产增渗效果，在步骤十中，重复次数为4～7次。
本发明中，在气态助燃剂的投放过程中，采用前向喷嘴与侧向喷嘴相结合的射流投放方式，侧向喷嘴产生的径向射流可将气态助燃剂有效喷射到射孔孔眼内部，进而能促使气态助燃剂与甲烷在射孔孔眼内的充分混合，形成可燃爆的混合流体，同时，利用前向喷嘴产生的轴向射流可以有效驱替井筒内的甲烷，并能对井筒内的甲烷进行充分稀释，使井筒内甲烷的浓度低于最低燃爆极限。由于在投放助燃剂过程中，高压喷枪处于被拖动的状态，这样，通过控制喷枪的拖动速度与高压喷枪参数，便能调节井筒与射孔孔眼内甲烷的浓度，可确保射孔孔眼内的甲烷浓度处于燃爆极限范围内，而井筒内甲烷浓度低于燃爆极限。以井筒周围的射孔孔眼作为燃爆空间，并在射孔孔眼内实施燃爆压裂作业，同时，配合井筒内甲烷浓度和射孔孔眼内甲烷浓度的控制，可以确保燃爆仅发生在射孔孔眼内，而不会发生在井筒的内部，这样，不仅有助于控制裂缝的起裂位置，可充分实现裂缝的定点起裂和储层特定位置的改造，而且还能有效降低燃爆产生的高压对井筒的冲击作用，有助于保证燃爆压裂过程中井筒的完整性，避免了燃爆产生的瞬时高压对井筒完整性的破坏，有效的保护了井筒，从而能在确保井筒安全的前提下实现储层冲击裂缝的高效制造。燃爆过程中，燃爆作用会在岩石表面产生冲击波，进而在岩石内部衰减成不断向前传播的应力波，冲击波能够使射孔孔眼表面附近的岩石中形成多条短裂缝，应力波会使射孔孔眼周围的岩石发生拉张与剪切破坏，进而产生裂隙，并继续向前传播。同时，燃爆作用还会使射孔孔眼内的温度急剧升高，进而产生巨大的气体膨胀压力，有利于促进裂隙延伸、扩展，并增加裂缝尺度。这样，在射孔孔眼内进行定点燃爆压裂，可以使射孔孔眼的周围同时受到冲击波、应力波和气体膨胀压力等多种因素的复合致裂作用，有助于形成复杂裂缝。通过重复在射孔孔眼内进行定点燃爆压裂作业，可以确保在井筒内所有作业井段的射孔孔眼周围均能形成复杂裂缝。
本发明将储层甲烷原位燃烧与低温流体冷冲击致裂技术进行了有效的结合，通过地面向冲击裂缝投放高压氧气的方式，可以使得储层甲烷与助燃剂在射孔孔眼内充分混合，进而进行高效燃烧。由于高压氧气通过压裂管柱注入，并通过高压喷枪的侧向喷嘴和前向喷嘴高速喷出，同时，二氧化碳通过环空的方式注入，且二氧化碳的注入流量低于高压氧气的注入流量，这样，通过前向喷嘴喷出的高压氧气与二氧化碳混合后，会被侧向喷嘴喷出的高速射流卷吸到射孔孔眼内，使井筒内不会产生甲烷与氧气的混合物，进而在燃烧过程中，可以有效防止燃烧火焰传播到井筒的内部，进一步确保了井筒的安全与完整性。通过射孔孔眼和冲击裂缝内甲烷的长时间燃烧，能够进一步以燃爆产生的冲击裂缝为作业空间，利用燃烧产生的高温对裂缝周围储层进行加热并形成高温火焰，进而能利用燃烧过程中不断增大的气体压力将部分高压氧气压入地层的孔隙内，同时，能将燃烧火焰引入到地层的孔隙内，有效的增大了甲烷的燃烧范围，随着燃烧的持续，能够有效的加热裂缝周围储层的岩石，使得岩石温度不断升高，甚至可达到几百到几千度高温。另外，随着储层温度的急剧升高，岩石表面附着的甲烷会快速解吸，这在一定程度上有利于提高燃烧效果和燃烧持续时间，从而在裂缝周围形成了大范围的高温区。待储层内形成高温区域后，再通过泵注液态二氧化碳的方式可以对高温区域岩石进行快速冷却降温，达到了冷冲击致裂作业的目的，进一步增大了对储层岩石的损伤效果，该过程中，能在冲击裂缝周围产生多条热力裂缝，增加了裂缝波及范围，提高了储层内部裂缝的体积和密度，有效的改善了储层的孔隙结构和微裂缝网络，最终实现了非常规天然气井高效压裂改造，达到了增产增渗的效果。同时，液态二氧化碳在吸热过程中会产生相变，进而进入超临界状态，导致冲击裂缝内的压力不断升高，进而能促进超临界二氧化碳能够不断渗入储层内部，并置换吸附在岩石表面的甲烷，增大了储层内游离态甲烷的含量，进一步提高了储层的增产改造效果。通过不断交替进行助燃剂投放、甲烷长时燃烧和液态二氧化碳冷冲击致裂的方式，可以有效提高原有裂缝复杂程度和裂缝体积，显著改善了非常规天然气井的增产效果，提高了单井产量。
本发明将助燃剂定点投放、甲烷原位燃爆、甲烷长时燃烧以及低温流体冷冲击相结合，不仅实现了非常规天然气井的高效压裂改造目的，而且通过控制甲烷原位燃爆位置的方式实现了裂缝定点起裂与储层特定位置的改造，有效降低了燃爆产生的高压对井筒冲击作用，保证燃爆压裂过程中井筒的完整性。该方法步骤简单，实施成本低，能够解决现有的燃爆压裂技术存在的燃爆时间短、燃爆压力衰减快、裂缝起裂位置难以控制、燃爆压力对井筒冲击作用强烈的问题，其可实现非常规天然气储层定点压裂改造，能显著提高储层破裂程度和改造体积，有利于提高单井产量，同时，其环保性能好，开发过程高效，适用于大面积推广应用。

Claims (8)

1.一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法，其特征在于，具体包括以下步骤；
步骤一：准备工作；
S11:根据非常规天然气井的投产要求，确定射孔位置与压裂目的井段，然后对压裂目的井段进行射孔作业，在井筒(1)周围形成射孔孔眼(2)；
S12：根据具体地质和气藏数据设计燃爆压裂的工艺参数；
步骤二：布置井下工具；
先通过压裂管柱(4)向井筒(1)内下放井下工具，并将井下工具输送到目的井段；再建立压裂管柱(4)与地面设备的连接，并在地面环空出口处连接节流阀(8)；
所述井下工具为高压喷枪(3)，高压喷枪(3)安装在压裂管柱(4)的出口处，高压喷枪(3)的径向上安装有侧向喷嘴，其中心轴向安装有前向喷嘴；
步骤三：地面气体监测；
在燃爆压裂施工之前，对井底产出的气体进行监测和甲烷浓度测试，确保在助燃剂投放之前，井口返出气体中甲烷的浓度大于90％；
步骤四：投放助燃剂；
通过压裂管柱(4)将高压氧气(5)注入到井下的高压喷枪(3)内，利用高压喷枪(3)的侧向喷嘴和前向喷嘴的节流作用，在井筒(1)内形成高速氧气射流(6)；在注入高压氧气(5)的同时，以设定速度回收压裂管柱(4)，通过拖动高压喷枪(3)沿着井筒(1)向上移动的方式将高压氧气(5)沿着整个井筒(1)进行投放；
在高压喷枪(3)的移动过程中，利用侧向喷嘴将高压氧气(5)径向高速喷出，并促使部分高压氧气(5)进入射孔孔眼(2)内，并与射孔孔眼(2)内的甲烷充分混合形成氧气-甲烷混合物(7)，同时，利用前向喷嘴将高压氧气(5)轴向高速喷出，并驱替井筒(1)内的甲烷；
在投放高压氧气(5)的过程中，通过调节节流阀(8)的开启程度来控制返排压力，确保节流阀(8)的前后压差在5～7MPa范围内；
步骤五：定点燃爆压裂；
通过电击点火的方式引爆射孔孔眼(2)内的氧气-甲烷混合物(7)，利用射孔孔眼(2)内混合气体燃爆后产生的大量高温高压气体冲击射孔孔眼(2)的周围地层(9)，形成多条放射状的冲击裂缝(10)；
步骤六：重复定点燃爆压裂；
将井下工具重新下放到井筒(1)的末端，然后多次重复进行步骤三至步骤五，通过在射孔孔眼(2)内反复进行甲烷原位定点燃爆压裂的方式，促进冲击裂缝(10)不断向储层内部延伸扩展，形成大范围冲击裂缝；
步骤七：投放助燃剂与二氧化碳；
先调整井下工具位置，保证高压喷枪(3)上侧向喷嘴的出口与射孔孔眼(2)的入口对齐，再采用压裂管柱(4)与环空(11)同步注入的方式向射孔孔眼(2)内分别泵注高压氧气(5)与二氧化碳(12)，该过程中，保证高压喷枪(3)和压裂管柱(4)均处于固定状态，且二氧化碳(12)的注入流量低于高压氧气(5)的注入流量；
步骤八：甲烷长时燃烧；
S81：在投放高压氧气(5)与二氧化碳(12)一段时间后，通过电击点火的方式引燃射孔孔眼(2)内的甲烷，使甲烷在射孔孔眼(2)和冲击裂缝(10)内燃烧并形成高温火焰；
S81：在燃烧过程中，继续向射孔孔眼(2)内注入高压氧气(5)和二氧化碳(12)，保证甲烷能够长时间燃烧；利用射孔孔眼(2)和冲击裂缝(10)内甲烷燃烧过程中产生的压力将部分高压氧气(5)压入地层(9)的孔隙内，同时，将射孔孔眼(2)和冲击裂缝(10)内的燃烧火焰引入到地层(9)孔隙，增大甲烷的燃烧范围；利用甲烷的长时间燃烧产生的高温对周围地层(9)进行加热，并在射孔孔眼(2)和冲击裂缝(10)周围形成高温区；
S83：继续向射孔孔眼(2)内分别泵注高压氧气(5)与二氧化碳(12),保证甲烷的燃烧时间大于2h；
步骤九：液态二氧化碳冷冲击致裂；
当甲烷燃烧结束后，快速向射孔孔眼(2)和冲击裂缝(10)内泵入液态二氧化碳(13)，利用液态二氧化碳(13)对高温区岩石进行强制对流换热，达到快速降低储层岩石温度的目的；
步骤十：多次重复步骤七至步骤九；
通过不断交替进行助燃剂投放、甲烷长时燃烧和液态二氧化碳(13)冷冲击致裂的方式，不断对已有的冲击裂缝(10)内进行二次改造，提高原有裂缝复杂程度和裂缝体积。
2.根据权利要求1所述的一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法，其特征在于，在步骤一中，采用聚能射孔工艺或者冲击喷砂射孔工艺或者高压射流深穿透射孔工艺进行射孔作业。
3.根据权利要求1或2所述的一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法，其特征在于，在步骤二中，所述侧向喷嘴的数量为4～6个，且喷孔直径为1～2mm，所述前向喷嘴的数量为1个，且喷孔直径为3～5mm。
4.根据权利要求3所述的一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法，其特征在于，在步骤四中，设定速度为0.10～0.20m/s。
5.根据权利要求4所述的一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法，其特征在于，在步骤七中，二氧化碳(12)的注入流量为氧气(5)注入流量的30％～40％，在步骤八中的S83中，二氧化碳(12)的注入流量为高压氧气(5)的30％～40％。
6.根据权利要求5所述的一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法，其特征在于，在步骤六中，重复次数为3～4次。
7.根据权利要求6所述的一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法，其特征在于，在步骤九中，液态二氧化碳(13)的注入流量大于1.0m3/min。
8.根据权利要求7所述的一种非常规天然气储层甲烷原位定点燃爆压裂方法，其特征在于，在步骤十中，重复次数为4～7次。
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