专利名称：煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置及方法
技术领域：
本发明涉及煤层气压裂开发的增产技术，特别涉及煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置及方法。
背景技术：
针对我国煤气层超低渗透性、低压、低含水饱和度地质特征及吸附性较强的开发难题，提出把高能气体脉冲加载压裂用于煤层气开发的新技术试验研究与探索。我国煤层气资源储量非常丰富，位列世界第三位，但利用率很低，煤气层多为低渗透率、低压力、低含水饱和度，富含煤层气的煤田大都具有构造复杂、煤体破坏严重等特点，开发难度较大。目前提高煤层渗透率主要有洞穴法和水力压裂法，其中包括:垂直井套管射孔完井、清水加砂压裂、活性水加砂压裂、洞穴完井等工艺及空气钻井，氮气泡沫压裂，清洁压裂液、胶加砂压裂，注入二氧化碳等研究与尝试，以提高煤层气井产量和采收率，积累了很多经验，但改造效果并不理想。我国煤气层主要特征及开发难点:煤气层具有特低渗、低压、煤气层构造复杂等特征，煤气层地层环境 复杂，开发难度较大，其中煤层气吸附性较强是煤层气开发的主要难点。煤层气吸附性分为物理吸附和化学吸附，物理吸附作用较容易解吸，而化学吸附作用就较困难。化学吸附作用状态转变为物理吸附作用就要克服吸附质与吸附剂表面形成化学键所需的能量，创造条件转变吸附状态。研究表明自然界煤层中的煤层气吸附条件、吸附过程与煤层气解吸条件、解吸过程明显本质不同，主要与作用过程、时间、条件、类型、影响因素等密切相关。煤层气解吸方法主要有降压解吸、升温解吸、置换解吸等，研究如何有效解吸煤层气的方法是煤层气开发的关键所在。煤储层的渗流能力是煤层中气体导流能力的反映，它关系到甲烷气体在煤中的赋存状态和开采抽放的难易程度。煤层气存在于煤的双孔隙系统中，煤的双孔隙系统为基质孔隙和裂缝孔隙。另外煤层气井一般井较浅一般小于1000m，层多、层薄、夹层较多、较大，施工较复杂等特点，与油气井地层特征相比煤地层一般破裂压力较低，地层塑性较强，水敏性较强等给水力压裂措施的有效性都带来难题。自上世纪八十年代初美国开始试验应用常规油气井开采煤层气并获得突破性进展，标志着世界煤层气开发进入一个新阶段，采用的技术与常规天然气生产技术基本相似，渗透率低的煤层往往需要采取煤层气激励增产措施。水力压裂是目前较常用的煤气层改造措施，由于其压力过程中压力上升缓慢，产生和形成的裂缝受到地层主应力约束，一般只能形成两翼对开的两条垂直裂缝，但离主裂缝较远的煤气层难以再产生裂缝，煤气层的渗透性和空隙度基本不受影响，地应力、温度基本不改变，而压力变化仅限于主裂缝附近，难以形成煤层气解吸环境和条件，煤层气也难以解吸出来，所以有些井水力压裂后衰减较快，重复压裂改造也难以改变。如何有效提高煤气层渗透性和基质空隙的连通性，创造有利煤层气解吸的环境和条件，促进煤层气有效解吸出来的方法是研究问题的关键。高能气体压裂技术在油田开发应用已日趋成熟，以实现可控脉冲压裂方法成为一项独特增产技术，尤其已成为复杂低渗特低渗油层储层改造的重要措施，并取得了较好效果，目前研究已向低渗储层深部层内或裂缝内再产生裂缝网络方向发展。由于油井一般较深大于1000米，岩性很致密，地层破裂压力较高，而高能气体压裂压力瞬间上升快，压力高，目前实施高能气体压裂工艺既要考虑压开地层的有效性，又要考虑到套管强度的限制和安全性，常采用敞开井口或半敞开井口工艺，以避免能量聚集压力快速上升而有利及时泄压，这样就损失了爆燃气体能量的有效利用率，特别对井深较浅的井，能量损失有时甚至达到约60% 80%，严重影响了对地层产生较长裂缝的施工目的和压裂效果。针对煤气层较复杂相比岩层塑性较强、破裂压力较低、特低渗、储层易受伤害、而且一般井较浅小于IOOOm等一系列问题，近多年来煤层气高能气体压裂工艺研究的实践证明，采用敞开井口或半敞开井口工艺效果较差，研究开发适合煤层气储层特征的高能气体多级次脉冲加载压裂装药控制结构、工艺设计方法是关键。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置及方法，采用中低燃速压裂药组合和多级延时控制装置复合装药结构，多级间歇脉冲压力多连续对煤气层压裂造缝作用，结合煤气层地质特征、地层压力参数及煤气层井身结构特点，设计计算合理的峰值压力及延伸脉冲压力；采用全封闭压裂工艺，实现了对煤气层的脉冲加载压裂以产生和形成多裂缝网络，松弛煤气层地应力，激励煤层气解吸渗流，达到增产目的，并对套管不造成损害的功能特点。其方法与工艺作用原理是在煤气层目的层通过产生高温高压气体快速膨胀作用及形成多级强脉冲压力波加载作用压裂煤气层，促使煤气层产生和形成较长多裂缝体系，松弛煤气层地应力，提高和改善地层渗透导流能力和基质空隙的连通性，创造有利于煤层气解吸的环境和条件，促进煤层气的解吸和泻出，并通过形成和产生的多裂缝沟通体系扩散到井筒，达到提高煤层气井产量的目的；设计采用全关闭井口阀门，处于煤气层目的层的高能气体脉冲加载压裂松弛地应力的气体发生器，在井筒全封闭的条件完成对煤层气的脉冲加载压裂地层作用，极大的提高了高温高压气体的能量利用率，明显提高了对煤气层地层的压裂效果。 为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置，包括起爆装置1，起爆装置I连接有高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置2，高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置2通过连接体3连接有钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置4，钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置4通过转换连接体5连接有夹层钢制中心传火管体6，夹层钢制中心传火管体6通过转换连接管7连接有铝制中心传火径向燃烧火药压裂装置8，铝制中心传火径向燃烧压裂药装置8末端连接可燃导向引鞋9 ;所述的高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置2包括高强度径向泄气管12，高强度径向泄气管12内腔设置有铝制中心传火管11，铝制中心传火管11外套装压裂药A13和压裂药B15的上下组合，铝制中心传火管11内部有辅助点火药14，高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置2中各部件组成一级复合高压脉冲压裂装置；所述的连接体3内置压力起爆延时点火器16 ；所述的钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置4包括钢制中心传传火管17，钢制中心传火管17内部有辅助点火药19，钢制中心传传火管17外套装有压裂药B18，钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置4中各部件组成二级复合脉冲压裂装置；所述的转换连接管5内置点火药起爆延时点火器20 ；所述的夹层钢制中心传火管体6包括钢制夹层管21，钢制夹层管21内置辅助延时点火药组分22 ；转换连接管7内置引燃点火药起爆延时点火器23，转换连接管7连接铝制中心传火管11 ;所述的铝制中心传火径向燃烧火药压裂装置8，包括铝制中心传火管24，铝制中心传火管24内置辅助延时点火药块26，铝制中心传火管24外套装有压裂药C25，末端连接可燃导向引鞋9，铝制中心传火径向燃烧火药压裂装置8各部件组成三级复合脉冲压裂装置。
基于上述装置煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的方法，包括以下步骤:步骤一、根据煤层气井地质特征、储层参数及井身结构特点，设计煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力设计施工方案，要求煤气层目的层射孔参数大于13孔/米，层厚大于3.0米，套管射孔完井，固井质量合格；步骤二、确定煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力气体发生器装药结构，该装置的压裂药复合装药组合设计为:压裂药多级组配分别设计燃速4 8m/s、l 5m/s的复合药；通过延时控制实现多级逐级间歇燃烧，设计时间:10 50ms、50 200ms、I 6s实现多级燃烧及I 3m小夹层延时控制；多级串联装药结构与多级延时控制结构组合，实现多个煤气层及多个小夹层一次组合压裂施工，多层总厚一般不大于20m ；步骤三、设计第一级次为中燃速复合药组合压裂装置，主要作用煤层气储层启裂裂缝，峰值压力设计范围为煤气层地层破裂压力1.5 3.5倍，但小于套管屈服强度极限；步骤四、设计第二、三级次分别为低燃速复合药组合压裂装置及次低燃速药组合全燃烧压裂装置，第二、三级次功能是延伸多裂缝；各级次脉冲压裂药装置通过多级延时点火装置组合并逐级控制，从而实现所述的煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力装置对煤气层的多级次连续脉冲加载压裂促进多裂缝的延伸与拓展，以松弛煤气层地应力；步骤五、传输方式采用油管传输，起爆方式选撞击或压力起爆；压力起爆泵压设计为增压3 8MPa ；步骤六、采用350型以上高压井口装置，大于1000米的较深井可选250型普通井
口装置；步骤七、通井洗井，通过正反循环洗井洗至进出口液体水质一致，优选不伤害煤层的压井液，起出全部管柱，准备下井工具；步骤八、按设计连接好煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力装置及工具，开始下放施工管柱，下放施工管柱时通过敲击或震动方法，清理干净每根油管内壁粘附的残留物，并用与下井油管规格相匹配的通管规逐根通过方可下井；步骤九、下放管柱时下管速度小于40根/小时，下放速度要均匀，严禁发生顿井口，硬提硬下现象；在下放油管柱，当所述的煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力装置的弹顶位置距人工井底100 200米时，准确核对油管尺寸、根数，下放速度减缓小于20根/小时，按要求调整位置至第一顺序设计脉冲加载压裂装置顶弹位置，误差应小于0.5m ；
步骤十、核对下管及附件数据，检查压井液是否灌满至井口，如液柱低于井口 100米以上，由罐车注满井口 ；安装350型以上高压井口装置，连接防喷管线，检查江口装置，除油管阀门外先关闭所有阀门，准备投撞击杆起爆点火；步骤十一、从井口油管位置投放下撞击杆后迅速关闭油管阀门，立即快速撤离，距井口 30米外观察井口变化，通过观察井口震动及压力变化等现象确认煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置施工点火起爆成功，完成封闭式脉冲加载压裂工艺程序；完成所述的煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置在井下进行煤气层压裂松弛地应力的功能；步骤十二、施工后观察1-5小时，打开井口阀门逐步泄压，通过放喷管线放噴泄气点火，如无高压气喷出或井喷现象，I小时后起出脉冲加载压裂管柱，按设计顺序号进行下次的脉冲加载压裂施工；按施工设计所有层组组次施工完后，按原生产制度投产。步骤七所述的压井液选用质量浓度1%的KCL溶液。所述的步骤十一具体的压裂工艺为:首先通过撞击或压力起爆装置I点火起爆，引燃高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置2:即起爆装置I点火起爆通过铝制中心传火管11点燃辅助点火药14，辅助点火药14引燃压裂药A13、压裂药B15，压裂药A13、压裂药B15燃烧后产生高温高压气体，通过高强度径向泄气管12泄气产生一级较高压脉冲压力压开煤层，启裂裂缝并开始延伸；随即一级燃气脉冲压力升压至引爆压力起爆延时点火器16，压力起爆延时点火器16随即引燃钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置4，即压力起爆延时点火器16通过钢制中心传火管17引燃辅助点火药19，辅助点火药19引燃压裂药B18，压裂药B18随即燃烧产生大量高温高压气体，形成二级脉冲压力波扩展煤地层多裂缝，促使裂缝继续拓展延伸；辅助点火药19同时引燃点火药起爆延时点火器20，点火药起爆延时点火器20通过钢制夹层管21引燃辅助延时点火药组分22，引燃辅助延时点火药组分22点火引燃点火药起爆延时点火器23，启动下一级脉冲压裂；点火药起爆延时点火器23引燃通过铝制中心传火管24引燃辅助延时点火药块26，辅助延时点火药块26引燃压裂药C25，压裂药C25随即燃烧产生大量高温高压气体，形成三级脉冲压力波进一步扩展煤地层多裂缝，促使裂缝继续延伸与拓展，完成煤层气储层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的多次脉冲压裂长生较长多裂缝体系的功能。本发明可实现在井口阀门关闭全密封的条件下完成完成煤层气储层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的多级次脉冲压裂功能，通过调整装药结构也可实现半密封压裂作用，保证结构的安全可靠性和有效性。本发明可根据煤地层目的层地质特点、地层的分布及工艺要求可调整装药装置的整体结构设计，高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置2、钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置4，铝制中心传火径向燃烧火药压裂装置8可分别多组连接与设计，夹层钢制中心传火管体6可根据夹层位置调整设计，总设计要满足使用工艺设计与整体功能要求，本发明的特点是采用中、低燃速压裂药匹配组合，由转换连接件内的多种独自特制的延时点火器控制，高温高压气体能量间歇释放形成多级强脉冲压力，对煤地层实施多次连续的脉冲加载压裂作用，促使煤地层裂缝的快速延伸与拓展，产生和形成较长的多裂缝体系。可实现全封闭压裂，一次总装药量较大，总能量大，能量利用率高，保证了对煤地层压裂作用时间较长， 对地层的作用效果明显，不伤害套管。施工时可根据煤气层目的层地质特点、层系薄厚及夹层长短等设计合理调整装药结构设计，可采用一次压裂、分段分组压裂，多层分级压裂等方法完成作用功能；并可根据煤层储层特点，合理避开如泥岩层等不需要压裂的井段，提高了技术的可操作性和实用性，降低了成本。
图1是本发明的装置结构原理图。图2煤层气储层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力施工示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细叙述。参照图1，煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置，其特征在于，包括起爆装置1，起爆装置I连接有高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置2，高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置2通过连接体3连接有钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置4，钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置4通过转换连接体5连接有夹层钢制中心传火管体6，夹层钢制中心传火管体6通过转换连接管7连接有铝制中心传火径向燃烧火药压裂装置8，铝制中心传火径向燃烧压裂药装置8末端连接可燃导向引鞋9 ；所述的高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置2包括高强度径向泄气管12，高强度径向泄气管12内腔设置有铝制中心传火管11，铝制中心传火管11外套装压裂药A13和压裂药B15的上下组合，铝制中心传火管11内部有辅助点火药14，高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置2中各部件组成一级复合高压脉冲压裂装置；
所述的连接体3内置压力起爆延时点火器16 ；所述的钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置4包括钢制中心传传火管17，钢制中心传火管17内部有辅助点火药19，钢制中心传传火管17外套装有压裂药B18，钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置4中各部件组成二级复合脉冲压裂装置；所述的转换连接管5内置点火药起爆延时点火器20 ；所述的夹层钢制中心传火管体6包括钢制夹层管21，钢制夹层管21内置辅助延时点火药组分22 ;夹层钢制中心传火管体6主要作用隔断小夹层一般小于3米，承载式连接下一层的脉冲压裂装置，实现薄层、多层组合的一次完成脉冲加载压裂施工。转换连接管7内置引燃点火药起爆延时点火器23，转换连接管7连接铝制中心传火管11 ;所述的铝制中心传火径向燃烧火药压裂装置8，包括铝制中心传火管24，铝制中心传火管24内置辅助延时点火药块26，铝制中心传火管24外套装有压裂药C25，末端连接可燃导向引鞋9，铝制中心传火径向燃烧火药压裂装置8各部件组成三级复合脉冲压裂装置。参照图2，基于上述装置煤层气储层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的方法，包括以下步骤:步骤一、根据煤层气井地质特征、储层参数及井身结构特点，设计煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力设计施工方案，要求煤气层目的层射孔参数大于13孔/米，层厚大于3.0米，套管射孔完井，固井质量合格；
步骤二、确定煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力气体发生器装药结构，该装置的压裂药复合装药组合设计为:压裂药多级组配分别设计燃速4 8m/s、l 5m/s的复合药；通过延时控制实现多级逐级间歇燃烧，设计时间:10 50ms、50 200ms、I 6s实现多级燃烧及I 3m小夹层延时控制；多级串联装药结构与多级延时控制结构组合，实现多个煤气层及多个小夹层一次组合压裂施工，多层总厚一般不大于20m ；步骤三、设计第一级次为中燃速复合药组合压裂装置，主要作用煤层气储层启裂裂缝，峰值压力设计范围为煤气层地层破裂压力1.5 3.5倍，但小于套管屈服强度极限；步骤四、设计第二、三级次分别为低燃速复合药组合压裂装置及次低燃速药组合全燃烧压裂装置，第二、三级次功能是延伸多裂缝；各级次脉冲压裂药装置通过多级延时点火装置组合并逐级控制，从而实现所述的煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力装置对煤气层的多级次连续脉冲加载压裂促进多裂缝的延伸与拓展，以松弛煤气层地应力；步骤五、传输方式采用油管传输，起爆方式选撞击或压力起爆；压力起爆泵压设计为增压3 8MPa ；步骤六、采用350型以上高压井口装置，大于1000米的较深井可选250型普通井
口装置；步骤七、 通井洗井，通过正反循环洗井洗至进出口液体水质一致，优选不伤害煤层的压井液，起出全部管柱，准备下井工具；步骤八、按设计连接好煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力装置及工具，开始下放施工管柱，下放施工管柱时通过敲击或震动方法，清理干净每根油管内壁粘附的残留物，并用与下井油管规格相匹配的通管规逐根通过方可下井；步骤九、下放管柱时下管速度小于40根/小时，下放速度要均匀，严禁发生顿井口，硬提硬下现象；在下放油管柱，当所述的煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力装置的弹顶位置距人工井底100 200米时，准确核对油管尺寸、根数，下放速度减缓小于20根/小时，按要求调整位置至第一顺序设计脉冲加载压裂装置顶弹位置，误差应小于0.5m ；步骤十、核对下管及附件数据，检查压井液是否灌满至井口，如液柱低于井口 100米以上，由罐车注满井口 ；安装350型以上高压井口装置，连接防喷管线，检查江口装置，除油管阀门外先关闭所有阀门，准备投撞击杆起爆点火；步骤十一、从井口油管位置投放下撞击杆后迅速关闭油管阀门，立即快速撤离，距井口 30米外观察井口变化，通过观察井口震动及压力变化等现象确认煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置施工点火起爆成功，完成封闭式脉冲加载压裂工艺程序；完成所述的煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置在井下进行煤气层压裂松弛地应力的功能；步骤十二、施工后观察1-5小时，打开井口阀门逐步泄压，通过放喷管线放噴泄气点火，如无高压气喷出或井喷现象，I小时后起出脉冲加载压裂管柱，按设计顺序号进行下次的脉冲加载压裂施工；按施工设计所有层组组次施工完后，按原生产制度投产。步骤七所述的压井液选用质量浓度1%的KCL溶液。所述的步骤十一具体的压裂工艺为:首先通过撞击或压力起爆装置I点火起爆，引燃高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置2:即起爆装置I点火起爆通过铝制中心传火管11点燃辅助点火药14，辅助点火药14引燃压裂药A13、压裂药B15，压裂药A13、压裂药B15燃烧后产生高温高压气体，通过高强度径向泄气管12泄气产生一级较高压脉冲压力压开煤层，启裂裂缝并开始延伸；随即一级燃气脉冲压力升压至引爆压力起爆延时点火器16，压力起爆延时点火器16随即引燃钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置4，即压力起爆延时点火器16通过钢制中心传火管17引燃辅助点火药19，辅助点火药19引燃压裂药B18，压裂药B18随即燃烧产生大量高温高压气体，形成二级脉冲压力波扩展煤地层多裂缝，促使裂缝继续拓展延伸；辅助点火药19同时引燃点火药起爆延时点火器20，点火药起爆延时点火器20通过钢制夹层管21引燃辅助延时点火药组分22，引燃辅助延时点火药组分22点火引燃点火药起爆延时点火器23，启动下一级脉冲压裂；点火药起爆延时点火器23引燃通过铝制中心传火管24引燃辅助延时点火药块26，辅助延时点火药块26引燃压裂药C25，压裂药C25随即燃烧产生大量高温高压气体，形成三级脉冲压力波进一步扩展煤地层多裂缝，促使裂缝继续延伸与拓展，完成煤层气储层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的多次脉冲压裂长生较长多裂缝体系的功能。应用实例我们先后在云南恩洪、辽宁阜新、山西柳林等进行了煤层气高能气体压裂松弛地层地应力的现场试验，取得了工艺试验成功与初步效果，与中联煤层气有限责任公司合作云南恩洪地区煤层气资源普查EH-03井进行射孔和高能气体压裂改造试验先期邻井EH-02井进行了水力压裂，产量递减非常快，其目的是探索煤层气改造新方法。该井深仅有490米，层薄、层多，设计工艺较复杂，如果按照油田高能气体压裂设计工艺要求基本不具备试验条件，很难实施。经过一系列室内实验与地面试验研究，在工艺上进行了一些尝试性的试验与设计，基于高能气体压裂作用原理，研究设计的煤层气地应力松弛压裂开发装置及工艺方法，在复合药燃速等性能参数设计、复合药组配、多级间歇燃烧延时控制、整体装药结构及设计方法等方面进行了优化，并开展了现场应用试验，从全开井口压裂逐步到完全封闭压裂完成了现场高能气体压裂施工，施工工艺一次成功。EH-03井井深670m，复合射孔脉冲压裂施工煤层7#、8#、9#、11#、13#、15#、16#、19#、20#、21#共有10层， 地层破裂压力梯度0.02269 0.02828Map/m,地层最大破裂压力约
16.9Map，所处井段在465.85-592.0m,射孔及脉冲压裂总组层厚17.84m,总跨度126.52m ；套管规格J55，177.8mmX 8.05mmX 670m。其特点是井较浅，层多、层薄、夹层较多、较大，施工较复杂等，对复合射孔多级脉冲压裂施工成本相对较高，尤其井浅对多级脉冲压裂工艺及效果不利，工艺设计要求高。在多级脉冲压裂工艺上，多个煤气层相邻小夹层设计采用夹层传火管装置合并分组，减少施工次数，降低施工成本，设计分四组层进行四次压裂施工，采用2-3级脉冲压裂，设计燃速分别为3mm/s、6mm/s的压裂药A剂、B剂复合组配多级串联装药结构,并通过多级延时控制结构组合，延时时间控制为10 30ms，可实现多层一次强脉冲压裂施工多层总厚小于20m，以保证压裂效果。由于首次在煤层气井进行多级脉冲压裂，从井况、安全、工艺效果等因素考虑，设计分组层多级脉冲压裂方案，确保每层达到压裂效果，设计最大峰值压力58MPa，约为地层破裂压力的3.4倍。由于采用普通井口 250型，考虑井口承压仅25MPa，为确保套管保护和井口安全，第一次敞开井口阀门关闭预留4-5mm缝隙压裂方式、第二次采用井口阀门关闭、改为套管环空阀门2_油嘴泄压的多级脉冲压裂方式，虽压裂工艺成功，但损失能量较大，不利于煤层压裂多裂缝的形成；根据前二次现场施工情况，经过多煤气层分析认为煤层破裂压力较低，地层裂缝易启裂有利于能量释放，因此尝试了第三次、四次井口阀门全关闭实施全封闭压裂，压裂工艺十分成功，大大提高了能量利于率，煤层气储层的压裂效果非常明显。从施工后2 3小时井口压力仍保持大约2MPa，后经逐步泄压观察井筒中即有明显煤层气压力显示，通过放喷管线放噴现场点火，点火火苗高约0.5m，燃烧持续20min火力不减，现场试验取得初步效果。现场施工时完全按本发明的设计思想和方法进行，实现了本发明用于煤层气开发压裂增产的技术功能和目的，既保证了安全施工，又提高和保证了多级脉冲压裂的效果。通过现场试验证明煤层气储层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的开发方法，极大提高了能量利于率，能使煤气层产生和形成了多裂缝体系，有效松弛煤层地应力，并有效沟通了天然裂缝，以提高了煤气层的渗透性，激励煤层气解吸泄出，达到提高煤层气产量的目的。因此，本发明设计研究探索适合我国煤层气高能气体压裂开发方法-煤层气储层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的开发方法，对促进煤层气开发技术与水平具有重要的现实意义和应用前景。本发明装置及方法为进一步确保其压裂施工的安全可靠性及有效性，针对小于1000米浅层煤层气井实施本发明装置及工艺压裂方法设计采用350型以上井口装置完成封闭式压裂的设计功能。·
权利要求
1.煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置，其特征在于，包括起爆装置(I)，起爆装置(I)连接有高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置(2)，高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置(2)通过连接体(3)连接有钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置(4)，钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置(4)通过转换连接体(5)连接有夹层钢制中心传火管体(6)，夹层钢制中心传火管体(6)通过转换连接管(7)连接有铝制中心传火径向燃烧火药压裂装置(8 )，铝制中心传火径向燃烧压裂药装置(8 )末端连接可燃导向引鞋(9 ); 所述的高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置(2)包括高强度径向泄气管(12)，高强度径向泄气管(12)内腔设置有铝制中心传火管(11)，铝制中心传火管(11)外套装压裂药A (13)和压裂药B (15)的上下组合，铝制中心传火管(11)内部有辅助点火药(14)，高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置(2)中各部件组成一级复合高压脉冲压裂装置； 所述的连接体(3)内置压力起爆延时点火器(16)； 所述的钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置(4)包括钢制中心传火管(17)，钢制中心传火管(17)内部有辅助点火药(19)，钢制中心传火管(17)外套装有压裂药B (18)，钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置(4)中各部件组成二级复合脉冲压裂装置； 所述的转换连接管(5)内置点火药起爆延时点火器(20)； 所述的夹层钢制中心传火管体(6)包括钢制夹层管(21)，钢制夹层管(21)内置辅助延时点火药组分(22)；` 转换连接管(7)内置引燃点火药起爆延时点火器(23)，转换连接管(7)连接铝制中心传火管(11); 所述的铝制中心传火径向燃烧火药压裂装置(8)，包括铝制中心传火管(24)，铝制中心传火管(24)内置辅助延时点火药块(26)，铝制中心传火管(24)外套装有压裂药C (25)，末端连接可燃导向引鞋(9)，铝制中心传火径向燃烧火药压裂装置(8)各部件组成三级复合脉冲压裂装置。
2.基于上述装置煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的方法，包括以下步骤: 步骤一、根据煤层气井地质特征、储层参数及井身结构特点，设计煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力设计施工方案，要求煤气层目的层射孔参数大于13孔/米，层厚大于3.0米，套管射孔完井，固井质量合格； 步骤二、确定煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力气体发生器装药结构，该装置的压裂药复合装药组合设计为:压裂药多级组配分别设计燃速4 8m/s、l 5m/s的复合药；通过延时控制实现多级逐级间歇燃烧，设计时间:10 50ms、50 200ms、I 6s实现多级燃烧及I 3m小夹层延时控制；多级串联装药结构与多级延时控制结构组合，实现多个煤气层及多个小夹层一次组合压裂施工，多层总厚一般不大于20m ； 步骤三、设计第一级次为中燃速复合药组合压裂装置，主要作用煤层气储层启裂裂缝，峰值压力设计范围为煤气层地层破裂压力1.5 3.5倍，但小于套管屈服强度极限； 步骤四、设计第二、三级次分别为低燃速复合药组合压裂装置及次低燃速药组合全燃烧压裂装置，第二、三级次功能是延伸多裂缝；各级次脉冲压裂药装置通过多级延时点火装置组合并逐级控制，从而实现所述的煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力装置对煤气层的多级次连续脉冲加载压裂促进多裂缝的延伸与拓展，以松弛煤气层地应力；步骤五、传输方式采用油管传输，起爆方式选撞击或压力起爆；压力起爆泵压设计为增压3 8MPa ； 步骤六、采用350型以上高压井口装置，大于1000米的较深井可选250型普通井口装置； 步骤七、通井洗井，通过正反循环洗井洗至进出口液体水质一致，优选不伤害煤层的压井液，起出全部管柱，准备下井工具； 步骤八、按设计连接好煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力装置及工具，开始下放施工管柱，下放施工管柱时通过敲击或震动方法，清理干净每根油管内壁粘附的残留物，并用与下井油管规格相匹配的通管规逐根通过方可下井； 步骤九、下放管柱时下管速度小于40根/小时，下放速度要均匀，严禁发生顿井口，硬提硬下现象；在下放油管柱，当所述的煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力装置的弹顶位置距人工井底100 200米时，准确核对油管尺寸、根数，下放速度减缓小于20根/小时，按要求调整位置至第一顺序设计脉冲加载压裂装置顶弹位置，误差应小于0.5m ； 步骤十、核对下管及附件数据，检查压井液是否灌满至井口，如液柱低于井口 100米以上，由罐车注满井口 ；安装350型以上高压井口装置，连接防喷管线，检查江口装置，除油管阀门外先关闭所有阀门，准备投撞击杆起爆点火； 步骤十一、从井口油管位置投放下撞击杆后迅速关闭油管阀门，立即快速撤离，距井口30米外观察井口变化，通过观察井口震动及压力变化等现象确认煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置施工点火起爆成功，完成封闭式脉冲加载压裂工艺程序；完成所述的煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置在井下进行煤气层压裂松弛地应力的功倉泛; 步骤十二、施工后 观察1-5小时，打开井口阀门逐步泄压，通过放喷管线放噴泄气点火，如无高压气喷出或井喷现象，I小时后起出脉冲加载压裂管柱，按设计顺序号进行下次的脉冲加载压裂施工；按施工设计所有层组组次施工完后，按原生产制度投产。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤七所述的压井液选用质量浓度1%的KCL溶液。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤十一具体的压裂工艺为:首先通过撞击或压力起爆装置(I)点火起爆，引燃高强度泄气管内腔爆燃气体径向泄气压裂装置(2):即起爆装置(I)点火起爆通过铝制中心传火管(I I)点燃辅助点火药(14)，辅助点火药(14)引燃压裂药A (13)、压裂药B (15)，压裂药A (13)、压裂药B (15)燃烧后产生高温高压气体，通过高强度径向泄气管(12)泄气产生一级较高压脉冲压力压开煤层，启裂裂缝并开始延伸；随即一级燃气脉冲压力升压至引爆压力起爆延时点火器(16)，压力起爆延时点火器(16)随即引燃钢制中心传火径向燃烧火药压裂装置(4)，即压力起爆延时点火器(16)通过钢制中心传火管(17)引燃辅助点火药(19)，辅助点火药(19)引燃压裂药B (18)，压裂药B (18)随即燃烧产生大量高温高压气体，形成二级脉冲压力波扩展煤地层多裂缝，促使裂缝继续拓展延伸；辅助点火药(19)同时引燃点火药起爆延时点火器(20)，点火药起爆延时点火器(20)通过钢制夹层管(21)引燃辅助延时点火药组分(22)，引燃辅助延时点火药组分(22)点火引燃点火药起爆延时点火器(23)，启动下一级脉冲压裂；点火药起爆延时点火器(23)引燃通过铝制中心传火管(24)引燃辅助延时点火药块(26)，辅助延时点火药块(26)引燃压裂药C (25)，压裂药C (25)随即燃烧产生大量高温高压气体，形成三级脉冲压力波进一步扩展煤地层多裂缝，促使裂缝继续延伸与拓展，完成煤层气储层封闭式脉冲加载压裂 松弛地应力的多次脉冲压裂长生较长多裂缝体系的功能。
全文摘要
煤气层封闭式脉冲加载压裂松弛地应力的装置及方法，设计了一种多级次中低燃速压裂药组合和多级延时控制的装置，多级间歇脉冲压力多次连续对煤气层压裂造缝作用以松弛煤气层地应力，结合煤气层地质特征、地层压力参数及煤气层井身结构特点，设计计算合理的峰值压力及延伸脉冲压力；采用封闭式脉冲加载压裂工艺，处于煤气层目的层的高能气体脉冲加载压裂松弛地应力的气体发生器在井筒全封闭的条件完成对煤层气的脉冲加载压裂地层作用，极大的提高了高温高压气体的能量利用率，明显提高了对煤气层地层的压裂作用效果。
文档编号E21B43/263GK103244096SQ20131019243
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月22日 优先权日2013年5月22日
发明者吴晋军, 刘敬 申请人:西安石油大学