煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置及方法
2023-10-16 18:33:44
專利名稱：煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及煤層氣壓裂開發的增產技術，特別涉及煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置及方法。
背景技術：
針對我國煤氣層超低滲透性、低壓、低含水飽和度地質特徵及吸附性較強的開發難題，提出把高能氣體脈衝加載壓裂用於煤層氣開發的新技術試驗研究與探索。我國煤層氣資源儲量非常豐富，位列世界第三位，但利用率很低，煤氣層多為低滲透率、低壓力、低含水飽和度，富含煤層氣的煤田大都具有構造複雜、煤體破壞嚴重等特點，開發難度較大。目前提高煤層滲透率主要有洞穴法和水力壓裂法，其中包括:垂直井套管射孔完井、清水加砂壓裂、活性水加砂壓裂、洞穴完井等工藝及空氣鑽井，氮氣泡沫壓裂，清潔壓裂液、膠加砂壓裂，注入二氧化碳等研究與嘗試，以提高煤層氣井產量和採收率，積累了很多經驗，但改造效果並不理想。我國煤氣層主要特徵及開發難點:煤氣層具有特低滲、低壓、煤氣層構造複雜等特徵，煤氣層地層環境 複雜，開發難度較大，其中煤層氣吸附性較強是煤層氣開發的主要難點。煤層氣吸附性分為物理吸附和化學吸附，物理吸附作用較容易解吸，而化學吸附作用就較困難。化學吸附作用狀態轉變為物理吸附作用就要克服吸附質與吸附劑表面形成化學鍵所需的能量，創造條件轉變吸附狀態。研究表明自然界煤層中的煤層氣吸附條件、吸附過程與煤層氣解吸條件、解吸過程明顯本質不同，主要與作用過程、時間、條件、類型、影響因素等密切相關。煤層氣解吸方法主要有降壓解吸、升溫解吸、置換解吸等，研究如何有效解吸煤層氣的方法是煤層氣開發的關鍵所在。煤儲層的滲流能力是煤層中氣體導流能力的反映，它關係到甲烷氣體在煤中的賦存狀態和開採抽放的難易程度。煤層氣存在於煤的雙孔隙系統中，煤的雙孔隙系統為基質孔隙和裂縫孔隙。另外煤層氣井一般井較淺一般小於1000m，層多、層薄、夾層較多、較大，施工較複雜等特點，與油氣井地層特徵相比煤地層一般破裂壓力較低，地層塑性較強，水敏性較強等給水力壓裂措施的有效性都帶來難題。自上世紀八十年代初美國開始試驗應用常規油氣井開採煤層氣並獲得突破性進展，標誌著世界煤層氣開發進入一個新階段，採用的技術與常規天然氣生產技術基本相似，滲透率低的煤層往往需要採取煤層氣激勵增產措施。水力壓裂是目前較常用的煤氣層改造措施，由於其壓力過程中壓力上升緩慢，產生和形成的裂縫受到地層主應力約束，一般只能形成兩翼對開的兩條垂直裂縫，但離主裂縫較遠的煤氣層難以再產生裂縫，煤氣層的滲透性和空隙度基本不受影響，地應力、溫度基本不改變，而壓力變化僅限於主裂縫附近，難以形成煤層氣解吸環境和條件，煤層氣也難以解吸出來，所以有些井水力壓裂後衰減較快，重複壓裂改造也難以改變。如何有效提高煤氣層滲透性和基質空隙的連通性，創造有利煤層氣解吸的環境和條件，促進煤層氣有效解吸出來的方法是研究問題的關鍵。高能氣體壓裂技術在油田開發應用已日趨成熟，以實現可控脈衝壓裂方法成為一項獨特增產技術，尤其已成為複雜低滲特低滲油層儲層改造的重要措施，並取得了較好效果，目前研究已向低滲儲層深部層內或裂縫內再產生裂縫網絡方向發展。由於油井一般較深大於1000米，巖性很緻密，地層破裂壓力較高，而高能氣體壓裂壓力瞬間上升快，壓力高，目前實施高能氣體壓裂工藝既要考慮壓開地層的有效性，又要考慮到套管強度的限制和安全性，常採用敞開井口或半敞開井口工藝，以避免能量聚集壓力快速上升而有利及時洩壓，這樣就損失了爆燃氣體能量的有效利用率，特別對井深較淺的井，能量損失有時甚至達到約60% 80%，嚴重影響了對地層產生較長裂縫的施工目的和壓裂效果。針對煤氣層較複雜相比巖層塑性較強、破裂壓力較低、特低滲、儲層易受傷害、而且一般井較淺小於IOOOm等一系列問題，近多年來煤層氣高能氣體壓裂工藝研究的實踐證明，採用敞開井口或半敞開井口工藝效果較差，研究開發適合煤層氣儲層特徵的高能氣體多級次脈衝加載壓裂裝藥控制結構、工藝設計方法是關鍵。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置及方法，採用中低燃速壓裂藥組合和多級延時控制裝置複合裝藥結構，多級間歇脈衝壓力多連續對煤氣層壓裂造縫作用，結合煤氣層地質特徵、地層壓力參數及煤氣層井身結構特點，設計計算合理的峰值壓力及延伸脈衝壓力；採用全封閉壓裂工藝，實現了對煤氣層的脈衝加載壓裂以產生和形成多裂縫網絡，鬆弛煤氣層地應力，激勵煤層氣解吸滲流，達到增產目的，並對套管不造成損害的功能特點。其方法與工藝作用原理是在煤氣層目的層通過產生高溫高壓氣體快速膨脹作用及形成多級強脈衝壓力波加載作用壓裂煤氣層，促使煤氣層產生和形成較長多裂縫體系，鬆弛煤氣層地應力，提高和改善地層滲透導流能力和基質空隙的連通性，創造有利於煤層氣解吸的環境和條件，促進煤層氣的解吸和瀉出，並通過形成和產生的多裂縫溝通體系擴散到井筒，達到提高煤層氣井產量的目的；設計採用全關閉井口閥門，處於煤氣層目的層的高能氣體脈衝加載壓裂鬆弛地應力的氣體發生器，在井筒全封閉的條件完成對煤層氣的脈衝加載壓裂地層作用，極大的提高了高溫高壓氣體的能量利用率，明顯提高了對煤氣層地層的壓裂效果。 為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置，包括起爆裝置1，起爆裝置I連接有高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置2，高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置2通過連接體3連接有鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置4，鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置4通過轉換連接體5連接有夾層鋼製中心傳火管體6，夾層鋼製中心傳火管體6通過轉換連接管7連接有鋁製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置8，鋁製中心傳火徑向燃燒壓裂藥裝置8末端連接可燃導向引鞋9 ;所述的高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置2包括高強度徑向洩氣管12，高強度徑向洩氣管12內腔設置有鋁製中心傳火管11，鋁製中心傳火管11外套裝壓裂藥A13和壓裂藥B15的上下組合，鋁製中心傳火管11內部有輔助點火藥14，高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置2中各部件組成一級複合高壓脈衝壓裂裝置；所述的連接體3內置壓力起爆延時點火器16 ；所述的鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置4包括鋼製中心傳傳火管17，鋼製中心傳火管17內部有輔助點火藥19，鋼製中心傳傳火管17外套裝有壓裂藥B18，鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置4中各部件組成二級複合脈衝壓裂裝置；所述的轉換連接管5內置點火藥起爆延時點火器20 ；所述的夾層鋼製中心傳火管體6包括鋼製夾層管21，鋼製夾層管21內置輔助延時點火藥組分22 ；轉換連接管7內置引燃點火藥起爆延時點火器23，轉換連接管7連接鋁製中心傳火管11 ;所述的鋁製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置8，包括鋁製中心傳火管24，鋁製中心傳火管24內置輔助延時點火藥塊26，鋁製中心傳火管24外套裝有壓裂藥C25，末端連接可燃導向引鞋9，鋁製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置8各部件組成三級複合脈衝壓裂裝置。
基於上述裝置煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的方法，包括以下步驟:步驟一、根據煤層氣井地質特徵、儲層參數及井身結構特點，設計煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力設計施工方案，要求煤氣層目的層射孔參數大於13孔/米，層厚大於3.0米，套管射孔完井，固井質量合格；步驟二、確定煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力氣體發生器裝藥結構，該裝置的壓裂藥複合裝藥組合設計為:壓裂藥多級組配分別設計燃速4 8m/s、l 5m/s的複合藥；通過延時控制實現多級逐級間歇燃燒，設計時間:10 50ms、50 200ms、I 6s實現多級燃燒及I 3m小夾層延時控制；多級串聯裝藥結構與多級延時控制結構組合，實現多個煤氣層及多個小夾層一次組合壓裂施工，多層總厚一般不大於20m ；步驟三、設計第一級次為中燃速複合藥組合壓裂裝置，主要作用煤層氣儲層啟裂裂縫，峰值壓力設計範圍為煤氣層地層破裂壓力1.5 3.5倍，但小於套管屈服強度極限；步驟四、設計第二、三級次分別為低燃速複合藥組合壓裂裝置及次低燃速藥組合全燃燒壓裂裝置，第二、三級次功能是延伸多裂縫；各級次脈衝壓裂藥裝置通過多級延時點火裝置組合併逐級控制，從而實現所述的煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力裝置對煤氣層的多級次連續脈衝加載壓裂促進多裂縫的延伸與拓展，以鬆弛煤氣層地應力；步驟五、傳輸方式採用油管傳輸，起爆方式選撞擊或壓力起爆；壓力起爆泵壓設計為增壓3 8MPa ；步驟六、採用350型以上高壓井口裝置，大於1000米的較深井可選250型普通井
口裝置；步驟七、通井洗井，通過正反循環洗井洗至進出口液體水質一致，優選不傷害煤層的壓井液，起出全部管柱，準備下井工具；步驟八、按設計連接好煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力裝置及工具，開始下放施工管柱，下放施工管柱時通過敲擊或震動方法，清理乾淨每根油管內壁粘附的殘留物，並用與下井油管規格相匹配的通管規逐根通過方可下井；步驟九、下放管柱時下管速度小於40根/小時，下放速度要均勻，嚴禁發生頓井口，硬提硬下現象；在下放油管柱，當所述的煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力裝置的彈頂位置距人工井底100 200米時，準確核對油管尺寸、根數，下放速度減緩小於20根/小時，按要求調整位置至第一順序設計脈衝加載壓裂裝置頂彈位置，誤差應小於0.5m ；
步驟十、核對下管及附件數據，檢查壓井液是否灌滿至井口，如液柱低於井口 100米以上，由罐車注滿井口 ；安裝350型以上高壓井口裝置，連接防噴管線，檢查江口裝置，除油管閥門外先關閉所有閥門，準備投撞擊杆起爆點火；步驟十一、從井口油管位置投放下撞擊杆後迅速關閉油管閥門，立即快速撤離，距井口 30米外觀察井口變化，通過觀察井口震動及壓力變化等現象確認煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置施工點火起爆成功，完成封閉式脈衝加載壓裂工藝程序；完成所述的煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置在井下進行煤氣層壓裂鬆弛地應力的功能；步驟十二、施工後觀察1-5小時，打開井口閥門逐步洩壓，通過放噴管線放噴洩氣點火，如無高壓氣噴出或井噴現象，I小時後起出脈衝加載壓裂管柱，按設計順序號進行下次的脈衝加載壓裂施工；按施工設計所有層組組次施工完後，按原生產制度投產。步驟七所述的壓井液選用質量濃度1%的KCL溶液。所述的步驟十一具體的壓裂工藝為:首先通過撞擊或壓力起爆裝置I點火起爆，引燃高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置2:即起爆裝置I點火起爆通過鋁製中心傳火管11點燃輔助點火藥14，輔助點火藥14引燃壓裂藥A13、壓裂藥B15，壓裂藥A13、壓裂藥B15燃燒後產生高溫高壓氣體，通過高強度徑向洩氣管12洩氣產生一級較高壓脈衝壓力壓開煤層，啟裂裂縫並開始延伸；隨即一級燃氣脈衝壓力升壓至引爆壓力起爆延時點火器16，壓力起爆延時點火器16隨即引燃鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置4，即壓力起爆延時點火器16通過鋼製中心傳火管17引燃輔助點火藥19，輔助點火藥19引燃壓裂藥B18，壓裂藥B18隨即燃燒產生大量高溫高壓氣體，形成二級脈衝壓力波擴展煤地層多裂縫，促使裂縫繼續拓展延伸；輔助點火藥19同時引燃點火藥起爆延時點火器20，點火藥起爆延時點火器20通過鋼製夾層管21引燃輔助延時點火藥組分22，引燃輔助延時點火藥組分22點火引燃點火藥起爆延時點火器23，啟動下一級脈衝壓裂；點火藥起爆延時點火器23引燃通過鋁製中心傳火管24引燃輔助延時點火藥塊26，輔助延時點火藥塊26引燃壓裂藥C25，壓裂藥C25隨即燃燒產生大量高溫高壓氣體，形成三級脈衝壓力波進一步擴展煤地層多裂縫，促使裂縫繼續延伸與拓展，完成煤層氣儲層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的多次脈衝壓裂長生較長多裂縫體系的功能。本發明可實現在井口閥門關閉全密封的條件下完成完成煤層氣儲層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的多級次脈衝壓裂功能，通過調整裝藥結構也可實現半密封壓裂作用，保證結構的安全可靠性和有效性。本發明可根據煤地層目的層地質特點、地層的分布及工藝要求可調整裝藥裝置的整體結構設計，高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置2、鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置4，鋁製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置8可分別多組連接與設計，夾層鋼製中心傳火管體6可根據夾層位置調整設計，總設計要滿足使用工藝設計與整體功能要求，本發明的特點是採用中、低燃速壓裂藥匹配組合，由轉換連接件內的多種獨自特製的延時點火器控制，高溫高壓氣體能量間歇釋放形成多級強脈衝壓力，對煤地層實施多次連續的脈衝加載壓裂作用，促使煤地層裂縫的快速延伸與拓展，產生和形成較長的多裂縫體系。可實現全封閉壓裂，一次總裝藥量較大，總能量大，能量利用率高，保證了對煤地層壓裂作用時間較長， 對地層的作用效果明顯，不傷害套管。施工時可根據煤氣層目的層地質特點、層系薄厚及夾層長短等設計合理調整裝藥結構設計，可採用一次壓裂、分段分組壓裂，多層分級壓裂等方法完成作用功能；並可根據煤層儲層特點，合理避開如泥巖層等不需要壓裂的井段，提高了技術的可操作性和實用性，降低了成本。
圖1是本發明的裝置結構原理圖。圖2煤層氣儲層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力施工示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作詳細敘述。參照圖1，煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置，其特徵在於，包括起爆裝置1，起爆裝置I連接有高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置2，高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置2通過連接體3連接有鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置4，鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置4通過轉換連接體5連接有夾層鋼製中心傳火管體6，夾層鋼製中心傳火管體6通過轉換連接管7連接有鋁製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置8，鋁製中心傳火徑向燃燒壓裂藥裝置8末端連接可燃導向引鞋9 ；所述的高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置2包括高強度徑向洩氣管12，高強度徑向洩氣管12內腔設置有鋁製中心傳火管11，鋁製中心傳火管11外套裝壓裂藥A13和壓裂藥B15的上下組合，鋁製中心傳火管11內部有輔助點火藥14，高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置2中各部件組成一級複合高壓脈衝壓裂裝置；
所述的連接體3內置壓力起爆延時點火器16 ；所述的鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置4包括鋼製中心傳傳火管17，鋼製中心傳火管17內部有輔助點火藥19，鋼製中心傳傳火管17外套裝有壓裂藥B18，鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置4中各部件組成二級複合脈衝壓裂裝置；所述的轉換連接管5內置點火藥起爆延時點火器20 ；所述的夾層鋼製中心傳火管體6包括鋼製夾層管21，鋼製夾層管21內置輔助延時點火藥組分22 ;夾層鋼製中心傳火管體6主要作用隔斷小夾層一般小於3米，承載式連接下一層的脈衝壓裂裝置，實現薄層、多層組合的一次完成脈衝加載壓裂施工。轉換連接管7內置引燃點火藥起爆延時點火器23，轉換連接管7連接鋁製中心傳火管11 ;所述的鋁製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置8，包括鋁製中心傳火管24，鋁製中心傳火管24內置輔助延時點火藥塊26，鋁製中心傳火管24外套裝有壓裂藥C25，末端連接可燃導向引鞋9，鋁製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置8各部件組成三級複合脈衝壓裂裝置。參照圖2，基於上述裝置煤層氣儲層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的方法，包括以下步驟:步驟一、根據煤層氣井地質特徵、儲層參數及井身結構特點，設計煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力設計施工方案，要求煤氣層目的層射孔參數大於13孔/米，層厚大於3.0米，套管射孔完井，固井質量合格；
步驟二、確定煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力氣體發生器裝藥結構，該裝置的壓裂藥複合裝藥組合設計為:壓裂藥多級組配分別設計燃速4 8m/s、l 5m/s的複合藥；通過延時控制實現多級逐級間歇燃燒，設計時間:10 50ms、50 200ms、I 6s實現多級燃燒及I 3m小夾層延時控制；多級串聯裝藥結構與多級延時控制結構組合，實現多個煤氣層及多個小夾層一次組合壓裂施工，多層總厚一般不大於20m ；步驟三、設計第一級次為中燃速複合藥組合壓裂裝置，主要作用煤層氣儲層啟裂裂縫，峰值壓力設計範圍為煤氣層地層破裂壓力1.5 3.5倍，但小於套管屈服強度極限；步驟四、設計第二、三級次分別為低燃速複合藥組合壓裂裝置及次低燃速藥組合全燃燒壓裂裝置，第二、三級次功能是延伸多裂縫；各級次脈衝壓裂藥裝置通過多級延時點火裝置組合併逐級控制，從而實現所述的煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力裝置對煤氣層的多級次連續脈衝加載壓裂促進多裂縫的延伸與拓展，以鬆弛煤氣層地應力；步驟五、傳輸方式採用油管傳輸，起爆方式選撞擊或壓力起爆；壓力起爆泵壓設計為增壓3 8MPa ；步驟六、採用350型以上高壓井口裝置，大於1000米的較深井可選250型普通井
口裝置；步驟七、 通井洗井，通過正反循環洗井洗至進出口液體水質一致，優選不傷害煤層的壓井液，起出全部管柱，準備下井工具；步驟八、按設計連接好煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力裝置及工具，開始下放施工管柱，下放施工管柱時通過敲擊或震動方法，清理乾淨每根油管內壁粘附的殘留物，並用與下井油管規格相匹配的通管規逐根通過方可下井；步驟九、下放管柱時下管速度小於40根/小時，下放速度要均勻，嚴禁發生頓井口，硬提硬下現象；在下放油管柱，當所述的煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力裝置的彈頂位置距人工井底100 200米時，準確核對油管尺寸、根數，下放速度減緩小於20根/小時，按要求調整位置至第一順序設計脈衝加載壓裂裝置頂彈位置，誤差應小於0.5m ；步驟十、核對下管及附件數據，檢查壓井液是否灌滿至井口，如液柱低於井口 100米以上，由罐車注滿井口 ；安裝350型以上高壓井口裝置，連接防噴管線，檢查江口裝置，除油管閥門外先關閉所有閥門，準備投撞擊杆起爆點火；步驟十一、從井口油管位置投放下撞擊杆後迅速關閉油管閥門，立即快速撤離，距井口 30米外觀察井口變化，通過觀察井口震動及壓力變化等現象確認煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置施工點火起爆成功，完成封閉式脈衝加載壓裂工藝程序；完成所述的煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置在井下進行煤氣層壓裂鬆弛地應力的功能；步驟十二、施工後觀察1-5小時，打開井口閥門逐步洩壓，通過放噴管線放噴洩氣點火，如無高壓氣噴出或井噴現象，I小時後起出脈衝加載壓裂管柱，按設計順序號進行下次的脈衝加載壓裂施工；按施工設計所有層組組次施工完後，按原生產制度投產。步驟七所述的壓井液選用質量濃度1%的KCL溶液。所述的步驟十一具體的壓裂工藝為:首先通過撞擊或壓力起爆裝置I點火起爆，引燃高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置2:即起爆裝置I點火起爆通過鋁製中心傳火管11點燃輔助點火藥14，輔助點火藥14引燃壓裂藥A13、壓裂藥B15，壓裂藥A13、壓裂藥B15燃燒後產生高溫高壓氣體，通過高強度徑向洩氣管12洩氣產生一級較高壓脈衝壓力壓開煤層，啟裂裂縫並開始延伸；隨即一級燃氣脈衝壓力升壓至引爆壓力起爆延時點火器16，壓力起爆延時點火器16隨即引燃鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置4，即壓力起爆延時點火器16通過鋼製中心傳火管17引燃輔助點火藥19，輔助點火藥19引燃壓裂藥B18，壓裂藥B18隨即燃燒產生大量高溫高壓氣體，形成二級脈衝壓力波擴展煤地層多裂縫，促使裂縫繼續拓展延伸；輔助點火藥19同時引燃點火藥起爆延時點火器20，點火藥起爆延時點火器20通過鋼製夾層管21引燃輔助延時點火藥組分22，引燃輔助延時點火藥組分22點火引燃點火藥起爆延時點火器23，啟動下一級脈衝壓裂；點火藥起爆延時點火器23引燃通過鋁製中心傳火管24引燃輔助延時點火藥塊26，輔助延時點火藥塊26引燃壓裂藥C25，壓裂藥C25隨即燃燒產生大量高溫高壓氣體，形成三級脈衝壓力波進一步擴展煤地層多裂縫，促使裂縫繼續延伸與拓展，完成煤層氣儲層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的多次脈衝壓裂長生較長多裂縫體系的功能。應用實例我們先後在雲南恩洪、遼寧阜新、山西柳林等進行了煤層氣高能氣體壓裂鬆弛地層地應力的現場試驗，取得了工藝試驗成功與初步效果，與中聯煤層氣有限責任公司合作雲南恩洪地區煤層氣資源普查EH-03井進行射孔和高能氣體壓裂改造試驗先期鄰井EH-02井進行了水力壓裂，產量遞減非常快，其目的是探索煤層氣改造新方法。該井深僅有490米，層薄、層多，設計工藝較複雜，如果按照油田高能氣體壓裂設計工藝要求基本不具備試驗條件，很難實施。經過一系列室內實驗與地面試驗研究，在工藝上進行了一些嘗試性的試驗與設計，基於高能氣體壓裂作用原理，研究設計的煤層氣地應力鬆弛壓裂開發裝置及工藝方法，在複合藥燃速等性能參數設計、複合藥組配、多級間歇燃燒延時控制、整體裝藥結構及設計方法等方面進行了優化，並開展了現場應用試驗，從全開井口壓裂逐步到完全封閉壓裂完成了現場高能氣體壓裂施工，施工工藝一次成功。EH-03井井深670m，複合射孔脈衝壓裂施工煤層7#、8#、9#、11#、13#、15#、16#、19#、20#、21#共有10層， 地層破裂壓力梯度0.02269 0.02828Map/m,地層最大破裂壓力約
16.9Map，所處井段在465.85-592.0m,射孔及脈衝壓裂總組層厚17.84m,總跨度126.52m ；套管規格J55，177.8mmX 8.05mmX 670m。其特點是井較淺，層多、層薄、夾層較多、較大，施工較複雜等，對複合射孔多級脈衝壓裂施工成本相對較高，尤其井淺對多級脈衝壓裂工藝及效果不利，工藝設計要求高。在多級脈衝壓裂工藝上，多個煤氣層相鄰小夾層設計採用夾層傳火管裝置合併分組，減少施工次數，降低施工成本，設計分四組層進行四次壓裂施工，採用2-3級脈衝壓裂，設計燃速分別為3mm/s、6mm/s的壓裂藥A劑、B劑複合組配多級串聯裝藥結構,並通過多級延時控制結構組合，延時時間控制為10 30ms，可實現多層一次強脈衝壓裂施工多層總厚小於20m，以保證壓裂效果。由於首次在煤層氣井進行多級脈衝壓裂，從井況、安全、工藝效果等因素考慮，設計分組層多級脈衝壓裂方案，確保每層達到壓裂效果，設計最大峰值壓力58MPa，約為地層破裂壓力的3.4倍。由於採用普通井口 250型，考慮井口承壓僅25MPa，為確保套管保護和井口安全，第一次敞開井口閥門關閉預留4-5mm縫隙壓裂方式、第二次採用井口閥門關閉、改為套管環空閥門2_油嘴洩壓的多級脈衝壓裂方式，雖壓裂工藝成功，但損失能量較大，不利於煤層壓裂多裂縫的形成；根據前二次現場施工情況，經過多煤氣層分析認為煤層破裂壓力較低，地層裂縫易啟裂有利於能量釋放，因此嘗試了第三次、四次井口閥門全關閉實施全封閉壓裂，壓裂工藝十分成功，大大提高了能量利於率，煤層氣儲層的壓裂效果非常明顯。從施工後2 3小時井口壓力仍保持大約2MPa，後經逐步洩壓觀察井筒中即有明顯煤層氣壓力顯示，通過放噴管線放噴現場點火，點火火苗高約0.5m，燃燒持續20min火力不減，現場試驗取得初步效果。現場施工時完全按本發明的設計思想和方法進行，實現了本發明用於煤層氣開發壓裂增產的技術功能和目的，既保證了安全施工，又提高和保證了多級脈衝壓裂的效果。通過現場試驗證明煤層氣儲層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的開發方法，極大提高了能量利於率，能使煤氣層產生和形成了多裂縫體系，有效鬆弛煤層地應力，並有效溝通了天然裂縫，以提高了煤氣層的滲透性，激勵煤層氣解吸洩出，達到提高煤層氣產量的目的。因此，本發明設計研究探索適合我國煤層氣高能氣體壓裂開發方法-煤層氣儲層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的開發方法，對促進煤層氣開發技術與水平具有重要的現實意義和應用前景。本發明裝置及方法為進一步確保其壓裂施工的安全可靠性及有效性，針對小於1000米淺層煤層氣井實施本發明裝置及工藝壓裂方法設計採用350型以上井口裝置完成封閉式壓裂的設計功能。·
權利要求
1.煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置，其特徵在於，包括起爆裝置(I)，起爆裝置(I)連接有高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置(2)，高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置(2)通過連接體(3)連接有鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置(4)，鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置(4)通過轉換連接體(5)連接有夾層鋼製中心傳火管體(6)，夾層鋼製中心傳火管體(6)通過轉換連接管(7)連接有鋁製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置(8 )，鋁製中心傳火徑向燃燒壓裂藥裝置(8 )末端連接可燃導向引鞋(9 ); 所述的高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置(2)包括高強度徑向洩氣管(12)，高強度徑向洩氣管(12)內腔設置有鋁製中心傳火管(11)，鋁製中心傳火管(11)外套裝壓裂藥A (13)和壓裂藥B (15)的上下組合，鋁製中心傳火管(11)內部有輔助點火藥(14)，高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置(2)中各部件組成一級複合高壓脈衝壓裂裝置； 所述的連接體(3)內置壓力起爆延時點火器(16)； 所述的鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置(4)包括鋼製中心傳火管(17)，鋼製中心傳火管(17)內部有輔助點火藥(19)，鋼製中心傳火管(17)外套裝有壓裂藥B (18)，鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置(4)中各部件組成二級複合脈衝壓裂裝置； 所述的轉換連接管(5)內置點火藥起爆延時點火器(20)； 所述的夾層鋼製中心傳火管體(6)包括鋼製夾層管(21)，鋼製夾層管(21)內置輔助延時點火藥組分(22)；` 轉換連接管(7)內置引燃點火藥起爆延時點火器(23)，轉換連接管(7)連接鋁製中心傳火管(11); 所述的鋁製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置(8)，包括鋁製中心傳火管(24)，鋁製中心傳火管(24)內置輔助延時點火藥塊(26)，鋁製中心傳火管(24)外套裝有壓裂藥C (25)，末端連接可燃導向引鞋(9)，鋁製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置(8)各部件組成三級複合脈衝壓裂裝置。
2.基於上述裝置煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的方法，包括以下步驟: 步驟一、根據煤層氣井地質特徵、儲層參數及井身結構特點，設計煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力設計施工方案，要求煤氣層目的層射孔參數大於13孔/米，層厚大於3.0米，套管射孔完井，固井質量合格； 步驟二、確定煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力氣體發生器裝藥結構，該裝置的壓裂藥複合裝藥組合設計為:壓裂藥多級組配分別設計燃速4 8m/s、l 5m/s的複合藥；通過延時控制實現多級逐級間歇燃燒，設計時間:10 50ms、50 200ms、I 6s實現多級燃燒及I 3m小夾層延時控制；多級串聯裝藥結構與多級延時控制結構組合，實現多個煤氣層及多個小夾層一次組合壓裂施工，多層總厚一般不大於20m ； 步驟三、設計第一級次為中燃速複合藥組合壓裂裝置，主要作用煤層氣儲層啟裂裂縫，峰值壓力設計範圍為煤氣層地層破裂壓力1.5 3.5倍，但小於套管屈服強度極限； 步驟四、設計第二、三級次分別為低燃速複合藥組合壓裂裝置及次低燃速藥組合全燃燒壓裂裝置，第二、三級次功能是延伸多裂縫；各級次脈衝壓裂藥裝置通過多級延時點火裝置組合併逐級控制，從而實現所述的煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力裝置對煤氣層的多級次連續脈衝加載壓裂促進多裂縫的延伸與拓展，以鬆弛煤氣層地應力；步驟五、傳輸方式採用油管傳輸，起爆方式選撞擊或壓力起爆；壓力起爆泵壓設計為增壓3 8MPa ； 步驟六、採用350型以上高壓井口裝置，大於1000米的較深井可選250型普通井口裝置； 步驟七、通井洗井，通過正反循環洗井洗至進出口液體水質一致，優選不傷害煤層的壓井液，起出全部管柱，準備下井工具； 步驟八、按設計連接好煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力裝置及工具，開始下放施工管柱，下放施工管柱時通過敲擊或震動方法，清理乾淨每根油管內壁粘附的殘留物，並用與下井油管規格相匹配的通管規逐根通過方可下井； 步驟九、下放管柱時下管速度小於40根/小時，下放速度要均勻，嚴禁發生頓井口，硬提硬下現象；在下放油管柱，當所述的煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力裝置的彈頂位置距人工井底100 200米時，準確核對油管尺寸、根數，下放速度減緩小於20根/小時，按要求調整位置至第一順序設計脈衝加載壓裂裝置頂彈位置，誤差應小於0.5m ； 步驟十、核對下管及附件數據，檢查壓井液是否灌滿至井口，如液柱低於井口 100米以上，由罐車注滿井口 ；安裝350型以上高壓井口裝置，連接防噴管線，檢查江口裝置，除油管閥門外先關閉所有閥門，準備投撞擊杆起爆點火； 步驟十一、從井口油管位置投放下撞擊杆後迅速關閉油管閥門，立即快速撤離，距井口30米外觀察井口變化，通過觀察井口震動及壓力變化等現象確認煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置施工點火起爆成功，完成封閉式脈衝加載壓裂工藝程序；完成所述的煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置在井下進行煤氣層壓裂鬆弛地應力的功倉泛; 步驟十二、施工後 觀察1-5小時，打開井口閥門逐步洩壓，通過放噴管線放噴洩氣點火，如無高壓氣噴出或井噴現象，I小時後起出脈衝加載壓裂管柱，按設計順序號進行下次的脈衝加載壓裂施工；按施工設計所有層組組次施工完後，按原生產制度投產。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，步驟七所述的壓井液選用質量濃度1%的KCL溶液。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述的步驟十一具體的壓裂工藝為:首先通過撞擊或壓力起爆裝置(I)點火起爆，引燃高強度洩氣管內腔爆燃氣體徑向洩氣壓裂裝置(2):即起爆裝置(I)點火起爆通過鋁製中心傳火管(I I)點燃輔助點火藥(14)，輔助點火藥(14)引燃壓裂藥A (13)、壓裂藥B (15)，壓裂藥A (13)、壓裂藥B (15)燃燒後產生高溫高壓氣體，通過高強度徑向洩氣管(12)洩氣產生一級較高壓脈衝壓力壓開煤層，啟裂裂縫並開始延伸；隨即一級燃氣脈衝壓力升壓至引爆壓力起爆延時點火器(16)，壓力起爆延時點火器(16)隨即引燃鋼製中心傳火徑向燃燒火藥壓裂裝置(4)，即壓力起爆延時點火器(16)通過鋼製中心傳火管(17)引燃輔助點火藥(19)，輔助點火藥(19)引燃壓裂藥B (18)，壓裂藥B (18)隨即燃燒產生大量高溫高壓氣體，形成二級脈衝壓力波擴展煤地層多裂縫，促使裂縫繼續拓展延伸；輔助點火藥(19)同時引燃點火藥起爆延時點火器(20)，點火藥起爆延時點火器(20)通過鋼製夾層管(21)引燃輔助延時點火藥組分(22)，引燃輔助延時點火藥組分(22)點火引燃點火藥起爆延時點火器(23)，啟動下一級脈衝壓裂；點火藥起爆延時點火器(23)引燃通過鋁製中心傳火管(24)引燃輔助延時點火藥塊(26)，輔助延時點火藥塊(26)引燃壓裂藥C (25)，壓裂藥C (25)隨即燃燒產生大量高溫高壓氣體，形成三級脈衝壓力波進一步擴展煤地層多裂縫，促使裂縫繼續延伸與拓展，完成煤層氣儲層封閉式脈衝加載壓裂 鬆弛地應力的多次脈衝壓裂長生較長多裂縫體系的功能。
全文摘要
煤氣層封閉式脈衝加載壓裂鬆弛地應力的裝置及方法，設計了一種多級次中低燃速壓裂藥組合和多級延時控制的裝置，多級間歇脈衝壓力多次連續對煤氣層壓裂造縫作用以鬆弛煤氣層地應力，結合煤氣層地質特徵、地層壓力參數及煤氣層井身結構特點，設計計算合理的峰值壓力及延伸脈衝壓力；採用封閉式脈衝加載壓裂工藝，處於煤氣層目的層的高能氣體脈衝加載壓裂鬆弛地應力的氣體發生器在井筒全封閉的條件完成對煤層氣的脈衝加載壓裂地層作用，極大的提高了高溫高壓氣體的能量利用率，明顯提高了對煤氣層地層的壓裂作用效果。
文檔編號E21B43/263GK103244096SQ20131019243
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月22日 優先權日2013年5月22日
發明者吳晉軍, 劉敬 申請人:西安石油大學