CN116398106A - 页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法，包括：在水平井内构建页岩储层孔道；对水平井安装封隔装置；对所述封隔装置的密闭空间进行气体抽取；对所述密闭空间投放气态助燃剂，形成气态助燃剂混合物；对气态助燃剂混合物进行点火燃爆压裂，使水平井的井壁内裂缝发育贯通；重复进行气体抽取以及点火燃爆压裂，在水平井中形成高度复杂有效的立体裂缝网络。本发明能够实现甲烷的就地收集与高效利用，避免地面运输的安全风险，利用原位解析的甲烷与人工注入的助燃剂多次混合燃爆产生爆轰冲击波、高压爆生气体和高温效应协同致裂页岩气储层，促进裂缝网络的发育，提高采气率。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气开采及页岩气压裂增产技术领域，特别是涉及一种页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法。
背景技术
页岩气是以游离态和吸附态赋存于有机质泥页岩及其夹层中的非常规天然气，主要成分为甲烷。但目前页岩气的高效开发仍然面临许多难题亟待攻克，其中广泛认为在储层形成复杂的裂缝网络是实现页岩气藏高效开发的重要前提，因此改造储层层位形成沟通页岩气藏和井筒的复杂网络***至关重要。传统水力压裂虽然能够较为有效改造页岩储层，但却带来地下水污染、淡水耗损、压裂化学品泄漏和回流等潜在危险，为了克服上述难题，近年来，有专家学者提出了变革性的井筒内甲烷原位多级燃爆压裂技术，以获得发育良好的复杂裂缝网络，有效改造页岩储层。
甲烷原位多级燃爆技术虽然具备诸多优势，但也却受到相应的限制。水平井及孔道内完成一次燃爆后，会产生大量二氧化碳等非甲烷气体，导致甲烷浓度及纯度较低达不到理想燃爆效果，对后续多级燃爆压裂效果造成影响，因此需要对水平井及孔道内甲烷气体进行提纯和补充，此时会涉及到甲烷地面运输等安全风险。为了保证多级燃爆压裂的效果和减少安全隐患，因需寻求一种原位甲烷高效利用及多级燃爆压裂的方法以获得有效裂缝网络，提高页岩气的采气率。
发明内容
本发明的目的是提供一种页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法，包括以下步骤：
S1.在水平井内构建页岩储层孔道；
S2.对水平井安装封隔装置；
S3.对所述封隔装置的密闭空间进行气体抽取；
S4.对所述密闭空间投放气态助燃剂，形成气态助燃剂混合物；
S5.对所述气态助燃剂混合物进行点火燃爆压裂，使所述水平井的井壁内裂缝发育贯通；
S6.重复执行S3-S5，在水平井中形成高度复杂有效的立体裂缝网络。
可选地，所述S1包括：
经连续油管将聚能射孔装置运送到水平井中，对水平井进行多段聚能射孔，在水平井的井壁页岩储层上形成多条立体的孔道，形成待压裂段，待聚能射孔作业完成后，抽出聚能射孔装置至地面，重新更换聚能射孔装置，再次由连续油管运送到水平井内紧邻上次射孔作业位置继续进行射孔作业，重复3-5次。
可选地，所述聚能射孔装置包括射孔枪、***、正管器，通过所述***确定射孔装置位置，通过所述正管器调整射孔枪枪口位置。
可选地，所述S2包括：
通过连续油管将所述封隔装置投放于水平井内的待压裂段，将封隔装置与页岩储层井壁进行固定；
所述封隔装置的密闭空间一侧固定安装有点火器、甲烷浓度传感器、以及连续油管管头；通过所述连续油管管头向待压裂的密闭空间抽排或输入气体；所述连续油管管头内置阀门且贯穿封隔装置；所述封隔装置和所述连续油管管头的承压能力不低于200MPa。
可选地，所述S3包括：
基于工业抽气机对所述封隔装置的密闭空间进行气体抽取，使页岩储层裂缝内吸附状态的甲烷气体进一步解析；
基于天然气分离设备将抽取的气体分离解析为甲烷轻烃气体，并将所述甲烷轻烃气体储存于甲烷储罐内。
可选地，所述S4包括：
基于甲烷浓度传感器显示密闭空间内的甲烷浓度，当甲烷浓度达到合适燃爆范围时，基于空气压缩机将气态助燃剂经连续油管输入所述密闭空间内，形成气态助燃剂混合物。
可选地，若密闭空间内的甲烷浓度未达到合适燃爆条件时，基于空气压缩机将地面分离后储存于甲烷储罐内的甲烷轻烃气体输入密闭空间内，直至达到最佳燃爆浓度。
可选地，所述S5包括：
基于所述封隔装置的点火器对密闭空间内的气态助燃剂混合物进行点火燃爆，利用燃爆产生的爆轰冲击波、高压爆生气体和高温效应协同冲击页岩气储层，促进裂缝发育贯通。
本发明的技术效果为：
本发明利用页岩储层原位解析的甲烷气体与多次人工注入的助燃剂混合，点燃引爆产生爆轰冲击波、高压爆生气体和高温效应协同冲击页岩气储层，对页岩储层进行持续的改造，获得有效的立体裂缝网络。空气中甲烷燃爆极限为5％-15％，而纯氧作为助燃剂时，最高燃爆极限可达到61％，甲烷浓度很大程度上决定了燃爆效果，而燃爆效果直接影响着页岩储层改造效果，因此为了获取最佳燃爆效果，需保证甲烷能够在密闭空间内达到最佳燃爆浓度。对水平井燃爆段的密闭空间内气体进行抽排，密闭空间内压强减小，进一步促进储层裂缝内吸附甲烷的解析，抽排的杂质气体在地面进行甲烷等轻烃气体的分离提纯，又可以补充到密闭空间以保证多级燃爆过程中甲烷的最佳燃爆浓度；该方法可以适用于单次较大长度范围内的水平井段燃爆压裂，极大提高页岩储层改造效率。该方法简单有效，燃爆甲烷来自于原位解析和现场地面提纯，没有地面运输等过程，安全优势明显，本领域内具有广泛应用的价值。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中多级聚能燃爆后页岩储层内的复杂立体网络示意图；
图2为本发明实施例中聚能射孔装置在水平井页岩储层射孔孔道示意图；
图3为本发明实施例中多次射孔作业后射孔孔道及封隔装置示意图；
图4为本发明实施例中地面工作与地下工作示意图；
图中：射孔枪1、***2、正管器3、连接器4、水平井5、连续油管6、射孔孔道7、封隔器8、甲烷浓度传感器9、连续油管管头10、点火器11、三通阀门12、工业抽气机13、天然气分离设备14、甲烷储存罐15、空气压缩机16、助燃剂储存罐17、复杂立体裂缝网络18。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1-3所示，本实施例中提供一种页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法，包括：
步骤一：形成水平井页岩储层孔道；
如图2所示，经连续油管6将聚能射孔装置运送到水平井5中，对水平井5进行多段聚能射孔，在水平井的井壁页岩储层上形成多条立体的孔道7，形成待压裂段，待聚能射孔作业完成后，抽出聚能射孔装置至地面，重新更换聚能射孔装置，再次由连续油管6运送到水平井5内紧邻上次射孔作业位置继续进行射孔作业，重复3-5次。
步骤二：安装封隔装置；
通过连续油管6将封隔装置投放于水平井5内的待压裂段，封隔装置与页岩储层井壁良好固定。所述封隔装置密闭空间一侧固定安装有点火器11、甲烷浓度传感器9、以及连续油管管头10。所述连续油管管头10用于向待压裂密闭空间抽排或输入气体，如图3所示。
步骤三：抽取密闭空间内气体；
封隔装置安装完成后，密闭空间内混杂较多杂质气体，甲烷浓度难以达到最佳燃爆浓度，打开三通阀门12，通过工业抽气机13抽取密闭空间内气体，压强减小，促使页岩储层裂缝内吸附状态的甲烷气体进一步解析，增加甲烷浓度。特别的，抽取的气体进入天然气分离设备14内，分离解析出甲烷等轻烃气体储存于甲烷储罐15内。
步骤四：投放气态助燃剂；
当甲烷浓度传感器9显示密闭空间内甲烷浓度达到合适燃爆范围时，使用空气压缩机16将助燃剂储罐17内气态助燃剂经连续油管6输入密闭空间内，形成甲烷-气态助燃剂混合物。
步骤五：点火燃爆压裂；
通过封隔器上的点火器11对密闭空间内的甲烷-气态助燃剂混合物进行点火燃爆，利用燃爆产生的爆轰冲击波、高压爆生气体和高温效应协同冲击页岩气储层，促进射孔孔道7和水平井5井壁内裂缝发育贯通；
步骤六：原位甲烷多级燃爆压裂；
经历一级燃爆压裂后，密闭空间内产生大量等气体，甲烷浓度较低，重复进行步骤三、四和五，持续对水平井筒5和射孔7孔道周围复杂裂缝网络进行甲烷原位燃爆压裂，促使复杂网络持续扩展增长，直至形成高度复杂有效的立体裂缝网络18，如图1所示。
优选的，所述聚能射孔装置包括射孔枪1、***2、正管器3，其中***2用于确定射孔装置位置以保证对水平井段页岩储层分段连续射孔作业，形成长度范围可观的待爆燃段；正管器3用于调整射孔枪枪口位置。
优选的，所述的封隔器8和连续油管管头10承压能力不低于200MPa。
优选的，连续油管管头10具有内置阀门且贯穿封隔器8
优选的，通过连续油管6下入连接甲烷浓度传感器9、点火器11和控制连续油管管头10阀门开闭的电缆。
优选的，三通阀12的具体通道开闭取决于向密闭空间抽取或输入气体；
优选的，所述气态助燃剂为纯氧。
优选的，密闭空间内原位解析的甲烷浓度未达到合适燃爆条件时，通过空气压缩机16将地面分离后储存于甲烷储罐15内的甲烷输入密闭空间内，直至达到最佳燃爆浓度，进而再将气态助燃剂注入，形成燃爆混合物。
实施例二
如图4所示，本实施例中提供一种页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法的另一种实现方式，其中使用的装置包括聚能射孔装置、地面工作***和井下工作***。
待聚能射孔装置在水平井页岩储层上形成射流孔道后，通过连续油管向井下水平井段投放井下工作***，封隔器与水平井形成密闭空间，待甲烷浓度达到浓度要求时，空气压缩机将助燃剂送入密闭空间内，通过点火器点火引爆，甲烷原位燃爆冲击促使储层裂隙扩展。燃爆产生大量非甲烷气体，降低密闭空间内甲烷浓度，影响后续燃爆性能，通过工业抽气机抽取燃爆后密闭空间内气体，送入天然气分离设备内分离出甲烷等轻烃气体储存于甲烷储罐内以备密闭空间内甲烷浓度不足时补充使用，同时密闭空间内压强降低进一步促进天然裂缝内甲烷的解析，待甲烷浓度达到最佳燃爆要求时，送入助燃剂进行二级燃爆，循环往复实现对页岩储层的多级循环聚能燃爆压裂。
本发明能够实现甲烷的就地收集与高效利用，避免地面运输的安全风险，利用原位解析的甲烷与人工注入的助燃剂多次混合燃爆产生爆轰冲击波、高压爆生气体和高温效应协同致裂页岩气储层，促进裂缝网络的发育，提高采气率。
本发明提出的页岩储层甲烷高效利用及原位多级聚能燃爆压裂方法，在聚能射孔阶段，射孔枪具体型号根据现场实际工况确定，首先通过连续油管将聚能射孔装置输送到待射孔段，对水平井段内页岩储层进行射孔作业，完成一次射孔之后，通过连续油管将射孔装置取出，完成射孔枪的更换后，再次下入射孔装置，根据***对水平井段页岩储层继续进行分段射孔作业，重复射孔作业3-5次后，取出射孔装置，形成较大长度范围的待燃爆段。由连续油管下入封隔器，当封隔器与页岩储层形成密闭空间后，首先打开左侧连接工业抽气机方向的三通阀通道，进行密闭空间内杂质气体的抽排，具体抽排时间取决于甲烷浓度传感器的检测结果，当检测显示甲烷浓度变化不大时，关闭左侧三通阀通道、工业抽气机，若此时密闭空间内甲烷浓度达不到理想燃爆浓度，打开上侧连接空气压缩机的三通阀通道和甲烷存储罐通道，将原地提取的甲烷输入密闭空间以获得理想燃爆浓度，然后关闭甲烷存储罐通道，打开助燃剂存储罐通道，将助燃剂输入密闭空间，形成最佳燃爆效果的甲烷-助燃剂混合物。所述的理想甲烷燃爆浓度可以根据不同助燃剂类型进行区别选取，在空气中，甲烷燃爆极限约为5％-15％，为获得更大的燃爆威力，会注入助燃剂，例如纯氧作为助燃剂时，甲烷最高***极限可达到61％，再根据理论手段确定获得最佳燃爆效果的助燃剂剂量。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在水平井内构建页岩储层孔道；
S2.对水平井安装封隔装置；
S3.对所述封隔装置的密闭空间进行气体抽取；
S4.对所述密闭空间投放气态助燃剂，形成气态助燃剂混合物；
S5.对所述气态助燃剂混合物进行点火燃爆压裂，使所述水平井的井壁内裂缝发育贯通；
S6.重复执行S3-S5，在水平井中形成高度复杂有效的立体裂缝网络。
2.根据权利要求1所述的页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法，其特征在于，所述S1包括：
经连续油管将聚能射孔装置运送到水平井中，对水平井进行多段聚能射孔，在水平井的井壁页岩储层上形成多条立体的孔道，形成待压裂段，待聚能射孔作业完成后，抽出聚能射孔装置至地面，重新更换聚能射孔装置，再次由连续油管运送到水平井内紧邻上次射孔作业位置继续进行射孔作业，重复3-5次。
3.根据权利要求2所述的页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法，其特征在于，所述聚能射孔装置包括射孔枪、***、正管器，通过所述***确定射孔装置位置，通过所述正管器调整射孔枪枪口位置。
4.根据权利要求1所述的页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法，其特征在于，所述S2包括：
通过连续油管将所述封隔装置投放于水平井内的待压裂段，将封隔装置与页岩储层井壁进行固定；
所述封隔装置的密闭空间一侧固定安装有点火器、甲烷浓度传感器、以及连续油管管头；通过所述连续油管管头向待压裂的密闭空间抽排或输入气体；所述连续油管管头内置阀门且贯穿封隔装置；所述封隔装置和所述连续油管管头的承压能力不低于200MPa。
5.根据权利要求1所述的页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法，其特征在于，所述S3包括：
基于工业抽气机对所述封隔装置的密闭空间进行气体抽取，使页岩储层裂缝内吸附状态的甲烷气体进一步解析；
基于天然气分离设备将抽取的气体分离解析为甲烷轻烃气体，并将所述甲烷轻烃气体储存于甲烷储罐内。
6.根据权利要求1所述的页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法，其特征在于，所述S4包括：
基于甲烷浓度传感器显示密闭空间内的甲烷浓度，当甲烷浓度达到合适燃爆范围时，基于空气压缩机将气态助燃剂经连续油管输入所述密闭空间内，形成气态助燃剂混合物。
7.根据权利要求6所述的页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法，其特征在于，若密闭空间内的甲烷浓度未达到合适燃爆条件时，基于空气压缩机将地面分离后储存于甲烷储罐内的甲烷轻烃气体输入密闭空间内，直至达到最佳燃爆浓度。
8.根据权利要求1所述的页岩储层原位解析甲烷高效利用及多级聚能燃爆压裂方法，其特征在于，所述S5包括：
基于所述封隔装置的点火器对密闭空间内的气态助燃剂混合物进行点火燃爆，利用燃爆产生的爆轰冲击波、高压爆生气体和高温效应协同冲击页岩气储层，促进裂缝发育贯通。
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