单井多层多次拖动式氮气震动压裂工艺的制作方法

本发明属于煤层气开采技术领域，具体涉及一种单井多层多次拖动式氮气震动压裂工艺。

背景技术：

压裂技术作为煤层气开发过程中的一项关键增产技术，其重要性在于对产层的改造以提高煤岩储层的渗流能力，当前水力压裂仍旧占据主导地位。但煤储层中有时含有大量的黏土矿物，特别是高岭石和伊利石的存在，该种硅铝酸盐矿物会贴附于颗粒表面或充填于粒间孔隙内，易于水结合膨胀，堵塞孔隙和喉道，尤其是在细小喉道中影响最大，从而降低孔隙度和渗透率，影响压裂效果。

同时水力压裂中的压裂液会添加一定比例的化学试剂，易对环境造成一定的污染，此外煤层气低产井、不产气井及高产转低产井较多，当前的重复压裂、径向井等增产解堵技术工艺复杂、投资较高，且增产效果有限，因此立足于我国地质背景、煤储层物性特征的压裂增产工艺及方法仍比较单一，新型的清洁压裂增产方式亟需研发。

技术实现要素：

本发明为了实现针对含有黏土矿物的煤储层中的压裂，解决煤层气低产井、不产气井及高产转低产井的产能问题，以及对环境无影响的一种清洁压裂方式，提供了一种单井多层多次拖动式氮气震动压裂工艺。

本发明采用如下技术方案：

一种单井多层多次拖动式氮气震动压裂工艺，采用地面投球、打压、大排量注入氮气、拖动的施工程序实现对含有黏土矿物的煤储层的口井的每个目的层的多次震动压裂。

震动压裂工艺的具体施工步骤为：

1）排液及试压

排液：下放油管至煤层气井完井底部，启动液氮泵车对井底进行氮气排液洗井工作，清洗后的井底气水混合物通过连续油管返出地面；

试压：排液完成并待液氮泵车冷却后，进行管汇试压，若承压并稳压一定时间后无压降，则试压合格；其中，稳压值不小于60mpa，稳压时间不少于5min；

2）单层单次氮气震动压裂：连接震动压裂工具串（5）并随油管下放到指定目的层后，通过地面投球装置进行一次投球，启动液氮泵车将密封球运送到震动压裂工具串（5）的震动触发处，达到预定压力后，球体破裂，高能气体通过释放装置进入到目的储层，随即进行大排量注入氮气，完成本次震动压裂；

3）单层多次氮气震动压裂：在地面投球装置处重复投球，按照上述步骤2）的压裂步骤进行多次氮气震动压裂；

4）多层多次氮气震动压裂：在上一目的层压裂完毕后，向上拖动震动压裂工具串（5）的杯型封隔器到下一目的层，按步骤3）重复投球震动，实现多层多次氮气震动压裂。

所述的排液过程中，地面返排管线上安装有回收罐及火炬，火炬单元距离井口不少于50m。

在地面投球装置投球后，液氮泵车启动时的排量为300m³/min；大排量注入时，排量不低于800m³/min。

密封球的预定压力由密封球与震动压裂工具串球座之间的匹配性决定，预定压力与测试压力误差不超过10mpa。

一种完成单井多层多次拖动式氮气震动压裂工艺的作业系统，包括液氮泵车、连续油管车、注入头和震动压裂工具串，液氮泵车的氮气输出管路分为两组，一组依次经连续油管车、注入头后进入震动压裂工具串，第二组直接通过油管接入井底。

所述液氮泵车组氮气输出管路与连续油管车之间的连接管路以及井底管路管汇后外接有回收池。

所述的震动压裂工具串包括由上到下依次连接的上封隔单元、震动触发单元、能量释放单元、压力记录单元、下封隔单元和导向引鞋，震动触发单元完成对投球密封球的震动，能量释放单元完成对密封球爆裂所产生的高能气体的释放，上封隔单元的顶端通过连续油管与地面压裂车泵车连接。

所述的上封隔单元和下封隔单元分别至少包括两组杯型封隔器，上封隔单元的两组杯型封隔器的皮碗开口向下，下封隔单元的两组杯型封隔器的皮碗开口向上，上封隔单元和下封隔单元构成对高能气体的密封单元。

所述的震动触发单元是一个具有缓冲性能的锥形球座，锥形球座的两端通道宽、中间通道窄，中间窄通道直径小于投球密封球直径，两端宽通道直径大于投球密封球直径。

所述能量释放单元是一个两侧各有一个泄压孔的短节。

所述压力记录单元包括承载体和存储式压力传感器，承载体采用实心油管，存储式压力传感器安装于实心油管端头。

所述密封球的直径为38.1mm或34.9mm。

本发明具有如下有益效果：

（1）本发明采用氮气作为压裂介质，可实现对含有黏土矿物的煤储层中的压裂；

（2）本发明能够补国内煤层气在氮气震动压裂领域的一项空白，单井多层多次拖动式氮气震动压裂工艺的研发，可以实现每口井的每个目的层均实现了多次震动压裂，既节省了时间，也降低了工具串的消耗强度；

（3）震动压裂工具串的震动触发单元能实现对密封球的震动触发作用，震动及大排量注入氮气释放的高能气体，能够在煤基质中发展异常微裂缝网络系统并与原始裂隙沟通，提高煤储层渗透率，有效解决煤层气低产井、不产气井及高产转低产井的产能问题，解除近井地带阻塞，疏通产气通道；

（4）压裂中不添加任何化学试剂，返排的氮气对环境也不造成任何污染，是一种清洁的压裂方式。

附图说明

图1为本发明的作业施工流程图；

图2为震动压裂工具串的结构示意图；

图3为震动触发单元的结构示意图；

图4为能量释放单元的结构示意图；

图中：1-液氮罐车、2-液氮压裂车、3-连续油管车、4-注入头、5-震动压裂工具串、6-节流管汇、7-回收池（泥浆池）、①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩-阀门；

51-上封隔单元、52-震动触发单元、53-能量释放单元、54-压力记录单元、55-下封隔单元、56-导向引鞋、57-母扣、58-锥形球座、59-公扣、60-泄压孔。

具体实施方式

结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明的施工流程如图1所示，完成氮气震动压裂工艺的作业系统包括液氮泵车组、连续油管车3、注入头4和震动压裂工具串5，液氮泵车的氮气输出管路分为两组，一组依次经连续油管车3、注入头4后进入震动压裂工具串5，第二组直接通过油管接入井底。所述液氮泵车组氮气输出管路与连续油管车3之间的连接管路以及井底管路管汇后外接有回收池。其中，液氮泵车至少设置两组，包括相连接的液氮罐车1和液氮压裂车2。管路之间可通过三通连接，在图1管路中的①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩位置处分别设有控制管路通断的球阀阀门。

所述的震动压裂工具串5的结构如图2所示，包括由上到下依次连接的上封隔单51、震动触发单元52、能量释放单元53、压力记录单元54、下封隔单元55和导向引鞋56，震动触发单元52完成对投球密封球的震动，能量释放单元53完成对密封球爆裂所产生的高能气体的释放，上封隔单元51的顶端通过连续油管与地面压裂车泵车连接。该装置能满足震动、释放两项主要内容，且释放出的气体能进入到目的层位，各单元所起的作用如下：

1）上、下杯型封隔器单元

上封隔单元51和下封隔单元55分别至少包括两组杯型封隔器，上封隔单元51的两组杯型封隔器的皮碗开口向下，下封隔单元55的两组杯型封隔器的皮碗开口向上，上封隔单元51和下封隔单元55构成对高能气体的密封单元。上封隔器的作用是当震动触发单元动作，高压气体（n2）由连续油管向上下封隔器之间释放时，阻止气体向上泄漏的密封单元，下封隔器的作用是当震动触发单元动作，高压气体（n2）由连续油管向上下封隔器之间释放时，阻止气体向下泄漏的密封单元。

2）震动触发单元

如图3所示，该单元的设计为一个具有缓冲性能的锥形球座，锥形球座的两端通道宽、中间通道窄，中间窄通道直径小于投球密封球直径，两端宽通道直径大于投球密封球直径。在未投球前，因锥形球座只是一个缩径的通道，允许氮气n2自连续油管向杯形封隔器之间及煤层（套管已射孔）流动或扩散；在投球后，密封球卡于锥形球座的中间窄通道处，阻止了n2向下扩散的通道，使地面压裂泵车及该震动触发单元形成密闭空间，在地面压裂泵车的作用下，这个密闭单元储存高压氮气n2，当氮气n2压力达到额定值时，使得密封球体爆裂，连续油管及地面泵车系统中储存的高压n2向煤储层释放（上下封隔器的作用），形成瞬间高压震动，从而改造储层。

3）能量释放单元

能量释放单元的结构如图4所示，主要为一个两侧各有一个泄压孔的短节，当球体破裂时，高压氮气通过该泄压孔进入目的层，引起近井地带的震动，从而形成新的裂缝，改造储层。

4）压力记录单元

压力记录单元是在能量释放单元的下部，位于下封隔器之上，其中包括一段压力记录短节，拟采用一小段实心油管作为压力记录设备的承载体，安装存储式压力传感器，以测量、记录并保存在震动压裂过程中井底压力的变化情况，便于后期数据分析及不同井氮气震动压裂试验成果的比较。

5）密封球的设计

用于坐封及开启的密封球是最关键的一个部件，要求该密封球具有一定的抗压能力，采用特殊的材料制成，既有抗压能力又能在指定的压力范围内爆裂从而开启气体通道，坐封球的大小选择11/2″（38.1mm）或13/8″（34.9mm）。密封球为成熟产品，只需要根据煤层条件选择合适抗压值和直径的密封球即可。

震动压裂工具串的使用原理如下：

1）井口投球

氮气震动压裂过程中，先通过连续油管自井口向井下的该压裂装置进行投球，同时注入高能气体（n2）。

2）投球到位，持续加压

当投球到位（即锥形球座处）后，震动触发单元阻止了高能气体（n2）向下扩散，使地面压裂车及震动触发单元形成密闭空间，在地面压裂车的作用下，密闭震动触发单元储存高压气体（n2）。

3）高压震动，改造储层

当高压气体（n2）压力达到额定值时球体爆裂，连续油管及地面泵车系统中储存的高压气体（n2）向煤储层释放（上、下封隔器的作用），形成瞬间高压震动，从而改造储层。

4）压力记录

采用一小段实心油管作为压力记录设备的承载体，安装存储式压力传感器，以测量、记录并保存在震动压裂过程中井底压力的变化情况，便于后期数据分析及不同井氮气震动压裂试验成果的比较。

本发明具体的震动压裂工艺步骤如下：

1）排液及试压：

排液：在连续油管下入距离底部约2m位置——起动一组压裂泵车，打开阀门②③⑥⑩，关闭阀门①④⑤，由压裂车泵出的高压氮气通过阀门③以低排量向油管和套管环空注入氮气——井底的气水混合物通过连续油管返出地面，通过阀门⑩②进入节流管汇，经过节流管汇的限流后经阀门⑥排入泥浆池形成气举排水。

在排水的过程中应该利用节流阀来控制回流，当排水口水量减小气量增大时，打开阀门⑤，关闭阀门⑥，使回流气体从火炬处释放，当确认回流中无水及杂物时应停止氮气泵车注入，保持管路系统进行泄压，泄压后将连续油管提出井外。

试压：将氮气压裂车冷却后，对所有管线进行氮气压力测试，关闭①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩阀门，打开①②阀门，缓慢起压，观察压力变化及各连接部位密封情况，确认无明显漏气后，继续打压到70mpa，停泵5min后，确认压力平稳无泄漏后，打开阀门⑤控制放压。

2）单层单次氮气震动压裂：起动一组压裂泵车，打开阀门①④⑩，关闭阀门②③⑤⑥，在⑦⑧⑨阀门位置处投球，由压裂车泵出的高压氮气以低排量通过阀门①⑩进入连续油管车，将球泵送到锥形球座处，压力逐渐升高，当达到预定压力且连续油管车里监测到的压力突降时，启动另一组氮气压裂泵车，两台泵车同时向连续油管车供高压氮气，并以大排量（不低于800m³/min）通过连续油管向目标煤层注入，直到把全部氮气注完，停泵。

3）单层多次氮气震动压裂：通过⑦⑧⑨阀门位置进行重复投球，在投球过程中应以300m3/min的排量往下送球，后续重复单层单次氮气震动压裂的步骤。

4）多层多次氮气震动压裂：计算好下一目的层位置，向上拖动杯型封隔器到目的层位，开始重复单层多次氮气震动压裂步骤，完成后继续向上拖动到下一目的层位，开始压裂，直至所有目的层压裂完成为止。

本发明施工工艺过程中，需符合以下安全要求：

1、施工现场严禁烟火，现场应配备灭火器等消防设施；

2、火炬要能够及时对高能氮气泄压，节流管汇要有固定的和可调的全通径旁通，且所有管汇要汇集到距离井口50m的火炬单元；

3、井场要有排污回收罐，出井液要全部进入其中；

4、施工中注意井喷、井口刺漏，注意周边生产井、村庄等，做好相关井控工作。