CN117432383A - 一种干热层储层改造的径向井协同液氮循环压裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种干热层储层改造的径向井协同液氮循环压裂方法，步骤如下：S1、依据储层条件，在干热岩储层水平井或直井中钻取多个径向井，获取径向井参数；S2、将超低温液氮注入径向井，关井憋压，重复闷井多次，在径向井方向形成三维尺度微裂纹系统，构建径向井损伤弱面；S3、多次循环闷井结束后，对已经产生损伤的径向井径向压裂动作，定向构建径向井方向上的复杂裂缝系统，可以解决干热岩储层压裂造储起裂压力过高，裂缝扩展难以预测的问题，实现兼顾降低岩石破裂压力及复杂缝网定向构建的干热岩储层地热资源高效开发技术。
Description
技术领域
本发明涉及储存改造领域，特别是涉及一种干热层储层改造的径向井协同液氮循环压裂方法。
背景技术
干热岩地热资源具有储量丰富、稳定高效、低碳环保等优点，其高效开采对我国能源结构转型，实现碳达峰、碳中和具有重大意义。目前，开发干热岩地热资源的核心是建立高效的增强型地热系统(EGS，Enhanced Geotherma lSystem)，其关键在于通过水力压裂技术改造储层，构建高效的裂缝网络系统，形成高渗透的流体流动通道。干热岩地热储层主要由花岗岩组成，其岩石成分主要由石英、长石、云母等矿物颗粒构成，呈现高强度、高致密、低渗透等特点，因此大规模体积压裂技术成为开发该类储层的关键技术。截止至2022年初，世界成功开发EGS的项目累计发电量仅为37.41MW，在开发过程中主要面临3个关键问题：(1)由于干热花岗岩岩石基质坚硬，强度高，压裂过程中裂缝扩展往往需要极高的起裂压力，压裂成本高，施工安全性低；(2)干热花岗岩由矿物颗粒组成，且储层通常发育有天然裂缝及断层，裂缝起裂及扩展是一个复杂的三维过程，裂缝形态不可控；(3)干热岩储层温度较高，低温压裂液及高温基岩间的相互作用机理复杂，微裂纹发育及扩展难以控制。所以现场急需一种干热岩储层定向引导复杂裂缝扩展的新方法。
由于干热岩储层条件苛刻，现有水力压裂技术压裂干热岩压开储层难度大，储层裂缝扩展可控性差，改造效率低，目前尚未有“可复制”的应用于干热岩储层商业开发的水力压裂技术。
目前，超低温流体应用于油气储层开发在降低储层起裂压力及复杂缝网构建方面的有效性已得到验证，但尚无超低温流体与径向井相结合循环压裂干热岩的复合压裂技术。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种干热层储层改造的径向井协同液氮循环压裂方法，可解决干热岩储层压裂造储起裂压力过高，裂缝扩展难以预测的问题。
本发明的技术方案是：
一种干热岩储层改造的径向井协同液氮循环压裂方法，包括如下步骤：
S1、依据储层条件，在干热岩储层水平井或直井中钻取多个径向井，获取径向井参数；
S2、将超低温液氮注入径向井，关井憋压，重复闷井多次，在径向井方向形成三维尺度微裂纹系统，构建径向井损伤弱面；
S3、多次循环闷井结束后，对已经产生损伤的径向井径向压裂动作，定向构建径向井方向上的复杂裂缝系统。
所述步骤S2，闷井包括如下步骤：
在井口设置压力传感器记录闷井开始至结束时候的井口压力曲线，待井口压力曲线稳定的时候，视为第一次闷井结束，记录闷井时间T1，闷井开始及结束时井口压力差ΔP1，η为闷井循环系数，其中下标为循环闷井的次数，令η1＝ΔP1/T1，第一次闷井结束后，对井底持续注入超低温液氮，重复多次闷井，记录每次闷井时间Tn，ηn＝ΔPn/Tn，当ηn/η1的值为1/3～2/3时可选择结束闷井，通过多次闷井损伤径向井周岩石，形成径向井方向的三维立体损伤弱化面。
所述三维立体损伤弱化面为低温液氮与高温基岩在径向井方向相互多次循环接触所产生的循环交变诱导热应力渐进损伤岩石，形成微裂纹分布的损伤弱化面。
所述损伤弱面所涉及的径向井圆柱形损伤体积满足以下公示：
VRES≤nπ(R-r)2L
其中VRES为径向井圆柱形损伤体积，n为径向井个数，R为单个径向井损伤弱化面圆形半径，r为径向井半径，L为单个径向井长度。
所述损伤弱化面分布范围在直井开发中近似拟合为纵向分布的多个圆柱形体积叠加，在水平井开发中近似拟合为沿水平井方向横向分布圆柱形体积叠加。
多个所述径向井间的距离范围满足R<d<2R，其中d为径向井间距离，对于水平井压裂改造中一次压裂径向井横向排布数量不宜超过3个。
本发明的有益效果是：
通过将超低温液氮注入井中，多次进行闷井，构建径向井损伤弱面，进而定向构建径向井方向上的复杂裂缝系统，可以用于分析干热岩储层压裂造储起裂压力，可以有效的预测裂缝扩展情况，可以对储层裂缝扩展控制、改造提供有效的参考，可以广泛应用于干热岩储层商业开发的水力压裂技术。
附图说明
图1为本发明实施例一种干热层储层改造的径向井协同液氮循环压裂方法的流程图。
图2为干热岩地热储层直井开发方式中径向井结构及分布剖面图。
图3为干热岩地热储层水平井开发方式中径向井结构及分布剖面图。
图4为直井开发径向井协同液氮循环压裂损伤体积拟合图。
图5为水平井开发径向井协同液氮循环压裂损伤体积拟合图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
实施例：
如图1-图5所示，步骤S1，根据储层地应力条件，在目标储层深度钻取多个径向井(开发方式包括水平井和直井)，并确定径向井参数；
径向井是高效人工导流通道，可有效降低流体渗流阻力，将压裂液有效输送至储层深部。在径向井辅助压裂中，构造径向井会明显改变径向井周应力状态，在低储层应力差下(低于4MPa)可起到定向引导裂缝扩展的作用。此外，径向井可充当流体流动通道，压裂液可流入储层深部，当多径向井协同压裂时，多径向井内部压裂流体高压效应可定向引导储层内部裂缝扩展。
在进行径向井协同液氮压裂作业时，超低温液氮与高温干热岩在径向井内部接触，固液间的强大温度差、液氮的冻胀及汽化作用，使径向井周干热岩产生复杂微裂纹，在径向井长度方向诱导形成以微裂纹为主的损伤弱化面。
所述损伤弱化面的形成，不仅降低了岩石强度，使储层压裂过程起裂及裂缝延伸压力降低，更增加了径向井方向微裂纹体积，提高了向井辅助压裂定向引导裂缝扩展及复杂缝网构建的能力，相比传统径向井辅助压裂措施，能在更高地应力差储层实现裂缝扩展的定向引导及复杂缝网构建。
利用高压水射流在选定目标储层区域钻取多个径向井，构建低温液氮与高温干热岩接触流动通道，通过低温液氮与高温干热岩之间的温度效应，在径向井方向形成复杂微裂纹，根据多个径向井微裂纹间的叠加，在径向井长度方向构建立体损伤弱面，同时实现降低压裂起裂压力及复杂缝网定向构建作用。
在直井筒或水平井筒中钻取多个径向井包括：径向井分布均呈直线线性排布，径向井分布间距根据储层温度、应力、超低温液氮闷井循环参数确定；
对于直井压裂开发储层，径向井分布方式如图2所示，垂向多径向井分布可实现储层厚度内裂缝定向引导及扩展。
根据储层厚度平均钻取多个径向井，径向井垂向间距根据储层热力学参数、应力参数、液氮循环闷井次数、闷井时间确定。
干热岩储层温度越高，液氮与基岩接触时温差越大，产生的诱导热应力作用效果越明显，相同闷井循环次数下热应力损伤径向井周的范围越大，单位储层厚度所需径向井数量越少。
低温液氮注入径向井循环闷井次数越大，循环交变热应力对径向井周基岩渐进损伤效果越明显，微裂纹体积及作用范围越大，储层单位厚度内所需径向井数量越少，井间距越大。本实施例中，径向井孔径不低于50mm。
对于水平井开发储层，径向井分布方式如图3所示，水平井方向径向井分布可有效增加裂缝扩展复杂度及引导裂缝定向扩展。
根据水平井钻井方向，在水平井拟压裂段钻取多个径向井，其分布方式沿水平井方向呈线性直线分布，径向井横向间距根据储层热力学参数、地应力参数、液氮循环闷井次数及闷井时间确定。在本实施例中，一簇压裂采用1～3个径向井分布，孔径不低于50mm，一次水平井压裂方案中可进行多次、多簇径向井压裂。
步骤S2，将超低温液氮注入径向井，关井憋压，通过多次憋压闷井，在径向井方向形成三维尺度微裂纹系统，构建径向井损伤弱面。
对径向井注入液氮方式包括：定井口压力注入和定压裂液排量注入，如此可形成稳定的压裂液注入条件。
在井口设置压力传感器，待井口压力或注入排量稳定后，停止压裂液注入，关闭井口，开始闷井。
闷井开始后，使用压力传感器记录闷井开始至闷井结束时井口压力曲线，待井口压力趋于稳定时第1次闷井循环结束，并记录闷井时间T1，闷井开始及结束时井口压力差ΔP1，η为闷井循环系数，其中下标为循环闷井的次数，令η1＝ΔP1/T1，η1为闷井结束条件参数，循环闷井时长可用以判定循环闷井次数。
第1次闷井结束后，继续对径向井持续注入超低温液氮，反复多次进行闷井操作，记录每次闷井时间Tn，ηn＝ΔPn/Tn，当ηn/η1的值为1/3-2/3时可选择结束闷井。
多次闷井中，低温液氮与高温干热岩接触所产生的循环交变热应力可渐进损伤径向井周基岩，起到有效降低岩石起裂压力及定向构建复杂缝网的作用。
多次循环闷井循环渐进损干热岩所形成的损伤弱面，满足VRES≤nπ(R-r)2L，其中n为径向井个数，R为单个径向井损伤弱化面圆形半径，r为径向井半径，L为单个径向井长度。
多个径向井间的距离范围为R<d<2R，其中d为径向井间距离，对于水平井压裂改造中一次压裂径向井横向排布数量不超过3个。
步骤S3，循环关井结束后，对径向井储层进行压裂操作，形成径向井方向上的复杂裂缝系统。
在循环闷井步骤结束后，采用液氮对已损伤径向井进行压裂，通过高压液氮的汽化、低温冻胀作用压裂形成径向井方向的主裂缝，起到定向构建复杂裂缝系统的作用。
在闷井过后，径向井周岩石损伤，岩石强度降低，起到了降低起裂压力及定向引导裂缝扩展的目的，有效降低压裂施工风险。
在循环闷井结束后，径向井周形成复杂微裂纹系统，压裂过程中裂纹扩展模式复杂，以实现多径向井立体压裂过程中定向构建复杂裂缝系统，强化干热岩储层体积改造。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种干热岩储层改造的径向井协同液氮循环压裂方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、依据储层条件，在干热岩储层水平井或直井中钻取多个径向井，获取径向井参数；
S2、将超低温液氮注入径向井，关井憋压，重复闷井多次，在径向井方向形成三维尺度微裂纹系统，构建径向井损伤弱面；
S3、多次循环闷井结束后，对已经产生损伤的径向井径向压裂动作，定向构建径向井方向上的复杂裂缝系统。
2.根据权利要求1所述的一种干热岩储层改造的径向井协同液氮循环压裂方法，其特征在于，所述步骤S2，闷井包括如下步骤：
在井口设置压力传感器记录闷井开始至结束时候的井口压力曲线，待井口压力曲线稳定的时候，视为第一次闷井结束，记录闷井时间T1，闷井开始及结束时井口压力差ΔP1，η为闷井循环系数，其中下标为循环闷井的次数，令η1＝ΔP1/T1，第一次闷井结束后，对井底持续注入超低温液氮，重复多次闷井，记录每次闷井时间Tn，ηn＝ΔPn/Tn，当ηn/η1的值为1/3～2/3时可选择结束闷井，通过多次闷井损伤径向井周岩石，形成径向井方向的三维立体损伤弱化面。
3.根据权利要求2所述的一种干热岩储层改造的径向井协同液氮循环压裂方法，其特征在于，所述三维立体损伤弱化面为低温液氮与高温基岩在径向井方向相互多次循环接触所产生的循环交变诱导热应力渐进损伤岩石，形成微裂纹分布的损伤弱化面。
4.根据权利要求3所述的一种干热层储层改造的径向井协同液氮循环压裂方法，其特征在于，所述损伤弱面所涉及的径向井圆柱形损伤体积满足以下公示：
VRES≤nπ(R-r)2L
其中VRES为径向井圆柱形损伤体积，n为径向井个数，R为单个径向井损伤弱化面圆形半径，r为径向井半径，L为单个径向井长度。
5.根据权利要求3所述的一种干热层储层改造的径向井协同液氮循环压裂方法，其特征在于，所述损伤弱化面分布范围在直井开发中近似拟合为纵向分布的多个圆柱形体积叠加，在水平井开发中近似拟合为沿水平井方向横向分布圆柱形体积叠加。
6.根据权利要求1所述的一种干热层储层改造的径向井协同液氮循环压裂方法，其特征在于，多个所述径向井间的距离范围满足R<d<2R，其中d为径向井间距离，对于水平井压裂改造中一次压裂径向井横向排布数量不宜超过3个。
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| "油井焖井放喷管路办法探索", pages 3, Retrieved from the Internet <URL:https://6viyij.smartapps.baidu.com/pages/view/view?docId=d6eb98e7571252d380eb6294dd88d0d233d43cde&wkFrom=_share&_swebfr=1&_swebFromHost=heytapbrowser> * |
| 洪纯阳 等: "液氮循环压裂裂缝起裂与形态特征可视化研究", 石油科学通报, vol. 8, no. 1, 28 February 2023 (2023-02-28), pages 87 - 101 * |
| 田雨;曲占庆;郭天魁;田洋阳;李小龙;张伟;: "径向井引导水力压裂裂缝定向扩展技术", 科学技术与工程, no. 20, 18 July 2017 (2017-07-18), pages 154 - 158 * |
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