一种液态二氧化碳循环致裂煤层气储层增透装置及方法

1.本发明涉及一种液态二氧化碳循环致裂煤层气储层增透装置及方法，尤其适用于富含膨润土、高吸附性的致密煤层气储层的致裂增透等工作中，属于煤层气井下安全高效开采的范畴。


背景技术：

2.以煤层气为代表的非常规能源，在我国能源结构的占有比重不断提升，逐渐成为我国未来能源消费的主流资源。但由于该类能源的赋存条件较为复杂，储层基质透气性较差，大规模开发起来存在着较大的困难，如储层易受伤害、开采效率低下、成本较高等。目前较为普遍的压裂增透方式是水力压裂技术，但是该技术存在着耗水量大、易附带水锁及水敏效应，设备体积较大等缺陷，因此以水基压裂液为核心的水力压裂技术已经不能满足高吸附、储层膨润土含量较高的气藏的开采需求。
3.无水压裂技术改变了传统水基压裂液的方式，采用不同相态的二氧化碳或氮气等作为压裂液，利用气体本身或汽化形成的高压气体对储层进行致裂。液态二氧化碳温度为-37℃，且在0℃下存在着1:557的液-气体积比，从而能够产生较大的气体压力。采用液态二氧化碳作为压裂液存在着以下优势：1.液态二氧化碳具有较煤岩较低的液态温度，接触煤岩时能够与其发生明显的热量交换，造成煤岩温度降低，而煤岩内部较高的温度分布能够于钻孔周围一定范围内形成温度梯度，进而可诱发温度应力；2.煤岩温度降低过程中，如果煤岩内部含有自由水，负温条件则可使自由水固结成冰，于层理或孔隙内发生9％的体积膨胀，形成的冰体楔入煤岩弱面，造成煤岩内部微裂纹成核，扩展及延伸；3.液-气相变的液态二氧化碳所形成的高压气体，在钻孔高密封条件下，能够对煤岩造成高压气体冲击，当超过煤岩抗压强度时，则会导致大型裂隙的形成；4.二氧化碳具有高吸附性，能够驱替吸附态的煤层气，驱替效果较好，能够实现致裂及驱替双重功能。但是现有的液态二氧化碳致裂技术局限于单次大容量注入，依靠瞬间形成的高压气体来实现致裂的目的。这种方式并不适用于高原寒区冻土或冻岩地区的煤矿，由于高原寒区冻土或冻岩受到季节更替的影响，在秋冬季节土体或岩石内部的水分冻结成冰，而在春夏季节高温作用出现冰体融冻，一定周期的冻结-融冻作用历程极大程度地弱化介质内部自身强度，导致介质内部出现严重的劣化现象，最终增大介质破碎程度。而寒区冻土的作用周期过长，介质破坏则需要较久的时空演化进程。这样煤层内部会存在较多的裂隙，在进行液态二氧化碳致裂过程中，目前无法有效的对煤层钻孔进行密封，进而导致液态二氧化碳注入钻孔后气化的二氧化碳气体会从一些已有的裂隙内逃逸，降低钻孔内部的气化压力，最终无法实现对钻孔深部煤层的瞬间气化冲击压裂作用，并且现有的方式仅进行单次大容量注入，由于高原寒区冻土或冻岩本身的特性，现有的方式无法在钻孔密封效果较差，同时仅进行单次注入的瞬间压裂过程后实现较好的煤层增透效果，因此如何提供一种方法，能对压裂钻孔的内部进行有效密封，同时能持续实现液态二氧化碳低温冻结、相变膨胀的双重致裂效果，最终有效提高煤层气储层渗透率，是本行业的研究方向之一。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种液态二氧化碳循环致裂煤层气储层增透装置及方法，能对压裂钻孔的内部进行有效密封，同时能持续实现液态二氧化碳低温冻结、相变膨胀的双重致裂效果，最终有效提高煤层气储层渗透率。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种液态二氧化碳循环致裂煤层气储层增透装置，包括内耐压封孔器、外耐压封孔器、注浆管、压裂管、限流器、负温分流器、注浆泵、浆液罐体、注液泵、回流管路、液态二氧化碳储罐、多级冷凝器和空气压缩机；
6.所述内耐压封孔器和外耐压封孔器均设置在压裂钻孔内，注浆管一端穿过外耐压封孔器处于内耐压封孔器和外耐压封孔器之间，注浆管另一端与注浆泵的出口连接，注浆泵的进口通过管路与浆液罐体连接；
7.所述空气压缩机的出口通过管路与多级冷凝器的进口连接，多级冷凝器的出口通过管路与液态二氧化碳储罐的进口连接，液态二氧化碳储罐的出口通过液态二氧化碳管路与注液泵的进口连接，注液泵的出口与传输管一端连接，传输管另一端通过管箍与压裂管一端连接，压裂管另一端依次穿过外耐压封孔器和内耐压封孔器伸入压裂钻孔内，负温分流器和限流器装在传输管上，限流器其中一个端口通过回流管路及回流三通连接在空气压缩机和多级冷凝器之间的管路；负温分流器其中一个端口通过传输支管及三通接头与注浆管连接。
8.进一步，在负温分流器和限流器之间的传输管上装有第二单向阀，且第二单向阀的进口朝向负温分流器；在传输支管上装有第一单向阀，且第一单向阀的进口朝向负温分流器。增设单向阀能使流体按照单一方向流动，防止逆流。
9.进一步，所述液态二氧化碳储罐上装有安全阀，传输支管上装有第一压力表，压裂管上装有第二压力表。通过设置安全阀能在防止压力过大发生危险，另外设置压力表能对所需的位置进行压力的实时监测。
10.上述液态二氧化碳循环致裂煤层气储层增透装置的工作方法，具体步骤为：
11.步骤1：利用钻机预先向冻土或冻岩地区煤层气储层钻取多个钻孔组合，其中每个钻孔组合包括1个压裂钻孔和2～4个监测钻孔，且监测钻孔以压裂钻孔为中心均匀分布；
12.步骤2：将液态二氧化碳循环致裂煤层气储层增透装置完成安装布设，使内耐压封孔器和外耐压封孔器分别对压裂钻孔进行封堵；且初始状态第一单向阀和第二单向阀均处于关闭状态；
13.步骤3：将具有二氧化碳吸附特性的多孔骨料与水混合成浆液，并将形成的浆液放入浆液罐体，接着启动注浆泵，将浆液经过注浆管注入内耐压封孔器和外耐压封孔器之间的压裂钻孔内，持续注入直至通过第一压力表观察注浆管内的压力值达到设定值时，停止注浆并保压30min；
14.步骤4：完成保压后，关闭注浆泵并打开第一单向阀，此时将二氧化碳气体供给管路与空气压缩机连接，并启动空气压缩机，空气压缩机对二氧化碳气体进行压缩，压缩后的空气流经多级冷凝器进行液化，形成液态二氧化碳，液态二氧化碳进入注液泵后，经过注液泵增压后，高压液态二氧化碳经过负温分流器、第一单向阀及注浆管后注入内耐压封孔器和外耐压封孔器之间的压裂钻孔内，此时液态二氧化碳与浆液内的水进行热交换，水的温度快速下降形成冰增大体积，同时热交换后液态二氧化碳气化，气化后的二氧化碳气体被
多孔骨料吸收进而使多孔骨料体积膨胀，在多孔骨料体积膨胀和水相变成冰增大体积的双重作用下，实现对内耐压封孔器和外耐压封孔器之间的压裂钻孔进行自增压封孔，形成封孔段；
15.步骤5：完成后，关闭第一单向阀，打开第二单向阀，并保持空气压缩机、多级冷凝器和注液泵的工作状态，使液态二氧化碳依次经过第二单向阀、限流器和压裂管注入至封孔段封堵的压裂钻孔内，持续注液直至达到设定的注液时间后停止注液，关闭第二单向阀对压裂钻孔进行保压，此时液态二氧化碳与周围煤岩进行热交换使煤岩温度骤降，热交换过程能在煤岩体内形成明显的温度梯度，从而诱发温度应力的生成对煤岩体进行劣化，同时热交换后液态二氧化碳气化，气化后的二氧化碳气体由于封孔段的封堵作用，使得压裂钻孔内气压持续增大，从而在温度应力和高压气体冲击的双重作用下完成一次对煤岩体的压裂过程；
16.步骤6：当保压30min后，打开第二单向阀，根据设定的注液时间再完成一次压裂过程，如此重复循环，直至从各个监测钻孔内监测的二氧化碳气体浓度均超过15％时，停止循环注液过程，完成煤层气储层的增透过程；
17.步骤7：将各个监测钻孔分别进行封孔，接着将各个监测钻孔与压裂管一起并入煤层气抽采网路中，进行负压抽采。
18.进一步，在压裂钻孔内形成的封孔段的最小极限强度为：
[0019][0020]
其中，λ为压裂钻孔壁面的摩擦系数，l
总封孔段
为压裂钻孔的封孔总长度，p
co2
为co2的注入压力，s
端截面
为压裂钻孔截面积，p
封孔器
为封孔器内压力，s
表面积
为封孔器截面积，l
注浆段
为压裂钻孔封孔注浆段的距离，p
骨料浆液
为注浆段内的注浆压力。
[0021]
与现有技术相比，本发明采用加强封孔段的密封效果、液态二氧化碳的温度应力及二氧化碳气体的气压冲击相结合的方式，其中液态二氧化碳的低温相变特性能够较大程度的造成煤岩劣化，实现煤岩渗透率的大幅度提高。一方面，二氧化碳注入富含二氧化碳吸附的多孔骨料浆液中，能够激励多孔骨料极大限度的吸收二氧化碳，使其体积发生膨胀实现压裂钻孔的二次自增压封孔，较大程度地增大钻孔的高密封性。另一方面，低温的液态二氧化碳能够与煤岩发生热量交换，使煤岩温度骤降及自身汽化增压。热交换过程易在煤岩体内形成明显的温度梯度，从而诱发温度应力的生成，而气化形成的高压气体也可对煤岩体造成高压冲击。循环的注入方式弥补了传统单一注入方式的压力不足等缺陷，依靠高原寒区冻土或冻岩地区本身的循环冻结-融冻过程及低温二氧化碳循环注入时的温度多次降低过程共同作用，使得煤岩基质循环式的收缩-扩张，从而于煤岩体内不断累积疲劳损伤，弱化煤岩强度，当损伤积累到一定程度时，劣化后煤样的屈服强度降低至液态二氧化碳气化后的气体压力时，则煤岩内部衍生出大量的裂隙，通过封孔段的高密封性及循环的注入方式可持续弥补因裂隙扩展而衰减的气体压力及冻土或冻岩地区本身密封性较差的问题，从而增加裂隙延伸广度及贯通复杂性。最后，压裂完成后二氧化碳与水形成的酸化环境能够实现解堵，促进煤层气流动通道的连通性，循环注入的二氧化碳气体能够最大程度的驱替煤层气，实现吸附饱和。该方法操作简单，既能够实现冻土或冻岩地区煤层气的高效抽采，也能够较为有效的封存二氧化碳气体，实现压裂-封存的双重效果。
附图说明
[0022]
图1是本发明整体布设结构示意图；
[0023]
图2是本发明中封孔段部分的结构示意图；
[0024]
图3是本发明中钻孔组合的位置示意图；
[0025]
图4是图3的a-a向剖视图。
[0026]
图中：1―煤层气储层；2―压裂钻孔；3―监测钻孔；4―压裂管；5―内耐压封孔器；6―外耐压封孔器；7―多孔骨料浆液；8―注浆管；9―三通接头；10―第一压力表；11―管箍；12―限流器；13―第二单向阀；14―第一单向阀；15―负温分流器；16―注浆泵；17―浆液罐体；18―注液泵；19―液态二氧化碳管路；20―回流管路；21―安全阀；22―液态二氧化碳储罐；23―多级冷凝器；24―回流三通；25―空气压缩机。
具体实施方式
[0027]
下面将对本发明作进一步说明。
[0028]
如图1所示，一种液态二氧化碳循环致裂煤层气储层增透装置，包括内耐压封孔器5、外耐压封孔器6、注浆管8、压裂管4、限流器12、负温分流器15、注浆泵16、浆液罐体17、注液泵16、回流管路20、液态二氧化碳储罐22、多级冷凝器23和空气压缩机25；
[0029]
所述内耐压封孔器5和外耐压封孔器6均设置在压裂钻孔2内，注浆管8一端穿过外耐压封孔器6处于内耐压封孔器5和外耐压封孔器6之间，注浆管8另一端与注浆泵16的出口连接，注浆泵16的进口通过管路与浆液罐体17连接；
[0030]
所述空气压缩机25的出口通过管路与多级冷凝器23的进口连接，多级冷凝器23的出口通过管路与液态二氧化碳储罐22的进口连接，液态二氧化碳储罐22的出口通过液态二氧化碳管路19与注液泵16的进口连接，注液泵16的出口与传输管一端连接，传输管另一端通过管箍11与压裂管4一端连接，压裂管4另一端依次穿过外耐压封孔器6和内耐压封孔器5伸入压裂钻孔2内，负温分流器15和限流器12装在传输管上，限流器12其中一个端口通过回流管路20及回流三通24连接在空气压缩机25和多级冷凝器23之间的管路；负温分流器15其中一个端口通过传输支管及三通接头9与注浆管8连接；在负温分流器15和限流器12之间的传输管上装有第二单向阀13，且第二单向阀13的进口朝向负温分流器15；在传输支管上装有第一单向阀14，且第一单向阀14的进口朝向负温分流器。增设单向阀能使流体按照单一方向流动，防止逆流。所述液态二氧化碳储罐22上装有安全阀21，传输支管上装有第一压力表10，压裂管4上装有第二压力表。通过设置安全阀21能在防止压力过大发生危险，另外设置压力表能对所需的位置进行压力的实时监测。
[0031]
上述内耐压封孔器5、外耐压封孔器6、三通接头9、限流器12、第一单向阀14、第二单向阀、负温分流器15、注液泵16、安全阀21、多级冷凝器23和空气压缩机25均为现有设备或部件，能通过市场购买得到。其中三通接头9内结构存在递级式孔径，仅允许液态二氧化碳流体进入注浆管8内，浆液无法返流；注液泵18选择矿用防爆型、往复循环的泵体，泵出流量和压力能够根据需要进行调节；注浆泵16选择隔膜气动式注浆泵，利用高压风流作为动力源。注浆管8和液态二氧化碳管路19均使用矿用高压胶管，液态二氧化碳管路19外部包裹保温材料；负温分流器15的限压阈值为15mpa，当注液过程中的实际压力超过该阈值时，能够自动调节分流阀。
[0032]
上述液态二氧化碳循环致裂煤层气储层增透装置的工作方法，具体步骤为：
[0033]
步骤1：利用钻机预先向冻土或冻岩地区煤层气储层1钻取多个钻孔组合，如图3和4所示，其中每个钻孔组合包括1个压裂钻孔2和4个监测钻孔3，且监测钻孔3以压裂钻孔2为中心均匀分布；每个钻孔组合之间距离为3～5m；钻孔组合内压裂钻孔2与监测钻孔3之间的距离为5～10m；
[0034]
步骤2：将液态二氧化碳循环致裂煤层气储层增透装置完成安装布设，使内耐压封孔器5和外耐压封孔器6分别对压裂钻孔2进行封堵；且初始状态第一单向阀14和第二单向阀均处于关闭状态；
[0035]
步骤3：将具有二氧化碳吸附特性的多孔骨料与水混合成浆液(其中多孔骨料为现有材质，其与水的混合比例，根据其需要膨胀的情况确定)，并将形成的浆液放入浆液罐体17，接着启动注浆泵16，将浆液经过注浆管8注入内耐压封孔器5和外耐压封孔器6之间的压裂钻孔2内，持续注入直至通过第一压力表10观察注浆管8内的压力值达到设定值时，停止注浆并保压30min；
[0036]
步骤4：完成保压后，关闭注浆泵16并打开第一单向阀14，此时将二氧化碳气体供给管路与空气压缩机25连接，并启动空气压缩机25，空气压缩机25对二氧化碳气体进行压缩，压缩后的空气流经多级冷凝器23进行液化，形成液态二氧化碳，液态二氧化碳进入注液泵18后，经过注液泵18增压后，高压液态二氧化碳经过负温分流器15、第一单向阀14及注浆管8后注入内耐压封孔器5和外耐压封孔器6之间的压裂钻孔2内，此时液态二氧化碳与浆液内的水进行热交换，水的温度快速下降形成冰增大体积，同时热交换后液态二氧化碳气化，气化后的二氧化碳气体被多孔骨料吸收进而使多孔骨料体积膨胀，在多孔骨料体积膨胀和水相变成冰增大体积的双重作用下，实现对内耐压封孔器5和外耐压封孔器6之间的压裂钻孔进行自增压封孔，如图2所示，形成封孔段；所述封孔段的最小极限强度为：
[0037][0038]
其中，λ为压裂钻孔壁面的摩擦系数，l
总封孔段
为压裂钻孔的封孔总长度，p
co2
为co2的注入压力，s
端截面
为压裂钻孔截面积，p
封孔器
为封孔器内压力，s
表面积
为封孔器截面积，l
注浆段
为压裂钻孔封孔注浆段的距离，p
骨料浆液
为注浆段内的注浆压力。当封孔段满足这个条件时能保证其封堵效果，进而提高后续循环压裂的效果。
[0039]
步骤5：完成后，关闭第一单向阀14，打开第二单向阀，并保持空气压缩机25、多级冷凝器23和注液泵18的工作状态，使液态二氧化碳依次经过第二单向阀、限流器12和压裂管4注入至封孔段封堵的压裂钻孔2内，持续注液直至达到设定的注液时间后停止注液，关闭第二单向阀对压裂钻孔2进行保压，此时液态二氧化碳与周围煤岩进行热交换使煤岩温度骤降，热交换过程能在煤岩体内形成明显的温度梯度，从而诱发温度应力的生成对煤岩体进行劣化，同时热交换后液态二氧化碳气化，气化后的二氧化碳气体由于封孔段的封堵作用，使得压裂钻孔2内气压持续增大，从而在温度应力和高压气体冲击的双重作用下完成一次对煤岩体的压裂过程；
[0040]
步骤6：当保压30min后，打开第二单向阀，根据设定的注液时间再完成一次压裂过程，如此重复循环，直至从各个监测钻孔3内监测的二氧化碳气体浓度均超过15％时，停止循环注液过程，完成煤层气储层1的增透过程；
[0041]
步骤7：将各个监测钻孔3分别进行封孔，接着将各个监测钻孔与压裂管4一起并入煤层气抽采网路中，进行负压抽采。
[0042]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。