用于可燃冰开采的压裂作业方法、开采方法和开采系统与流程

本发明涉及能源开采技术，具体涉及一种应用增压减压成对压力场对地层进行压裂作业方法，以及用该压裂作业方法开采可燃冰地层天然气的方法和系统。

背景技术：

减压（负压）开采就是降低井眼中的压力，在局部打破可燃冰保存的温度和压力环境，使可燃冰融化。这个开采过程要考虑多个因素。随着可燃冰的融化，形成气体，局部压力会增加；可燃冰融化吸热使局部温度降低；局部温度和压力环境很快会回到结冰的温度压力条件范围，致使开采过程停止。为使可燃冰开采更持续，压裂作业自然成为了重要手段，然而，可燃冰开采所用的压裂作业方法却存在以下两个问题：

其一，由于压力在径向很短距离内就恢复了，满足可燃冰融化压力条件的空间范围很小，以均匀无穷厚地层为例分析，融化区域为从井壁到几十厘米的径向的圆柱空间范围。如果把射孔通道也当作井眼的延伸，则一口井的控制半径也只是约等于射孔半径加几十厘米而已。

其二，压裂作业成为了扩大单井开采范围的有效手段，压裂作业后，一口井的控制半径约大于压裂缝所覆盖的范围。但由于可燃冰上覆地层薄且松软，为保护可燃冰上覆地层免受破坏，不可采用页岩气开采那样的高强度压裂作业。此外，由于可燃冰的二次结冰，压裂作业所产生的裂缝很快被填满，使压裂作业产生的效果不能持续保留。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种应用增压减压成对压力场对地层进行压裂作业的方法，以及用该压裂作业方法开采可燃冰地层天然气的方法和系统。

在单井中应用的压裂作业方法，包括以下步骤：

1)在地层的采出层位钻至少一个采出分支井眼，在注入层位钻至少一个注入分支井眼；所述采出分支井眼和注入分支井眼的管道中均开设有若干射孔道以便压裂液流进或流出；

2)在完成下套管作业、固井作业、射孔作业和安装进口装置等后，将增压管线与压裂封隔用的堵头沿套管下放至采出分支井眼和注入分支井眼之间的套管内；

3）所述增压管穿过路径上的堵头与注入分支井眼连通；增压管连接有增压泵，从而使增压泵与注入分支井眼连通；所述增压管与套管之间的环形空间为减压通道；减压管的一端连接减压泵、另一端经减压通道连通采出分支井眼；

4)启动增压泵和减压泵，进行压裂作业：增压泵通过注入分支井眼，向地层注入压裂液，在注入分支井眼周围地层中形成正压力梯度场；减压泵通过减压通道从采出分支井眼中提出液体，在采出分支井眼周围地层中形成负压力梯度场；在注入分支井眼到采出分支井眼的之间的路径上，正、负压力梯度场相互推挽加强，产生较大压裂裂缝；在其它地层区域，正、负压力梯度场相互消减，产生较小压裂裂缝或不产生压裂裂缝。

应用上述压裂作业方法开采可燃冰地层天然气的方法：压裂作业完成后，将所述增压管换成温水管、将所述减压管换成气水通道，所述温水管连接温水调控系统，所述气水通道连接分离提升系统；

所述温水调控系统经温水管，向注入分支井眼中输送注入液，注入液经大裂缝向采出井渗流，地层中可燃冰融化液在压差驱动下流入采出分支井眼中，天然气经气水通道流至分离提升系统中。

在两口井中应用的压裂作业方法，包括以下步骤：

1)钻出左右两口井，左边井用于采出，右边井用于注入；

左边井中钻至少一个采出分支井眼，右边井中钻至少一个注入分支井眼，所述采出分支井眼和注入分支井眼的管道中均开设有若干射孔道以便压裂液流进或流出；

2)完成下套管作业、固井作业、射孔作业和安装进口装置作业；

3)在井中分别安装堵头，在左边的采出井中，减压管的输出端依次穿过路径上的堵头后连通采出分支井眼；在右边的井中，增压管的输出端依次穿过路径上的堵头后与注入分支井眼连通；

4)启动增压泵和减压泵，进行压裂作业；增压泵通过注入分支井眼向地层注入压裂液，在周围地层中形成正压力梯度场；减压泵通过采出分支井眼从减压通道中提出液体，在周围地层中形成负压力梯度场；在注入分支井眼到采出分支井眼的路径上，正、负压力梯度场相互推挽加强产生较大压裂裂缝；在其它地层区域，正、负压力梯度场相互消减产生较小压裂裂缝或不产生压裂裂缝。

应用上述两口井压裂作业方法开采可燃冰天然气的方法：将所述增压管换成温水管、将所述减压管换成气水通道，所述温水管的上端连接温水调控系统，所述气水通道的上端连接分离提升系统；所述温水调控系统经温水管向注入分支井眼中输送注入液，注入液经大裂缝向采出井渗流，地层中可燃冰融化液在压差驱动下流入采出分支井眼中，天然气经气水通道流至分离提升系统中。

应用上述压裂作业方法开采可燃冰天然气用的开采系统，该开采系统应用在直井中，包括套管、温水调控系统和分离提升系统，所述套管内设有温水管和井下调控装置，所述温水管的上端连接温水调控系统、下端连接井下调控装置；所述套管和温水管之间的空间形成气水通道，所述气水通道连接分离提升系统；

所述采出分支井眼处的地层为可燃冰储层，所述注入分支井眼处的地层为孔隙储层；

在可燃冰储层处和孔隙储层处的套管中分别设置有防砂筛管，每个防砂筛管的上下两端均安装有封隔装置，且防砂筛管的上设置有若干用于液体流动的通孔；所述井下调控装置设置在孔隙储层处的套管。

本发明的有益效果：

（1）用增压减压成对方式进行压裂作业，通过负压力梯度场的引导，使大多压裂裂缝最终指向采出分支井眼，大幅降低了压裂作业对上覆地层的破坏，保护可燃冰上覆盖层，是可燃冰安全开采的保障之一；

（2）通过增压减压成对方式进行压裂作业，大幅提高单井对可燃冰资源的开采控制范围，提高单井产量，降低布井密度；

（3）开采时，注入分支井眼和采出分支井眼间也采用增压减压成对推挽式工作，有利于保持注入到采出渗流通道畅通，防止压裂裂缝二次结冰充填，维持长期稳定的可燃冰天然气开采。

（4）在停产后恢复时，也可进行沿旧裂缝的二次压裂作业，降低二次压裂作业成本。

（5）开采过程中，如因阻塞产出率下减严重，可以将注入分支井眼和采出分支井眼交换，即把原注入分支井眼当成采出分支井眼，把原采出分支井眼当成注入分支井眼，正负推挽式加压，造成流体在地层中反向流动，达到清除阻塞的效果。

附图说明

图1为可燃冰形成和保存的温度和压力条件范围图（专业领域常识）；

图2为井下压力径向变化估算结果图；

图3为井下压力梯度径向变化估算结果图；

图4为增压减压成对压裂作业方法示意图；

图5为增压减压成对压裂作业效果示意图；

图6为应用增压减压成对压裂作业开采可燃冰地层天然气的系统示意图；

图7为在直井中应用增压减压成对压裂作业开采可燃冰地层天然气的系统结构示意图；

图8为在两口井间实施增压减压成对压裂作业方法示意图；

图9为在两口井间实施增压减压成对压裂作业方法的压裂效果示意图。

图中：11为增压泵、12为减压泵、13为增压管、14为负压管、15为套管、16为采出分支井眼、17为注入分支井眼、18为射孔道、19为堵头、21为温水调控系统、22为分离提升系统、23为温水管、24为气水通道、25为防砂筛管、26为封隔装置、27为井下调控装置、

3为套管、4为可燃冰储层、5为孔隙储层、6为热水层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步解释说明。

图1给出了可燃冰形成和保存的温度和压力条件。负压开采就是降低井眼中的压力，在局部打破可燃冰保存的温度和压力环境，使可燃冰融化。这个开采过程要考虑多个因素。随着可燃冰的融化形成甲烷气体，压力会增加，可燃冰融化吸热使局部温度降低，局部温度和压力环境很快会回到结冰区域；所以需要不断地提升井眼流体以保持负压差环境，同时补充热能和物质。地层在负压差的作用下，当压差梯度大于破裂压差临界值后，地层破裂。出砂和破裂共同作用下，地层会局部坍塌。负压差控制区域大小直接决定单井产出量，直接决定井网密度，直接决定是否需要利用水平井等。

给地层施加一个负压差后，地层的反应与压裂过程相同。只不过常规压裂是正压差而已。对于井眼穿过无穷厚地层，在忽略孔隙和裂缝中流体传递压力的情况下，其压力分布是一个径向一维问题，径向半径r点的压力可以粗略写成：

（ⅰ）

其中，是原状地层压力，对于海床面下几百米的疏松地层来说，近似等于此处的海水静压力；是井眼压力；是井眼半径。

图2为压力径向变化简易估算结果。其中，原状地层压力为10mpa(相当于1000m水深处的压力),井眼压力6mpa(相当于600m水深处的压力)，井眼半径为0.1m，所使用的模型为径向一维。图中所示的实线是根据式（ⅰ）所计算的压力径向变化。当考虑了孔隙通道和裂缝中流体的压力传递作用后，如图2中的虚线所示，计算公式复杂了许多，且与多个其它地层参数有关。从图可以看出，由于压力的径向恢复，压力满足可燃冰融化压力条件的范围不是很大，以图2为例分析，若临界压力是9mpa，则融化区域为从井壁到25cm的径向范围。如果把射孔通道也当作井眼的延伸，则一口井的控制半径约等于射孔半径加25cm。如果再把压裂缝也考虑进去，则一口井的控制半径约等于压裂缝所覆盖的范围。但由于可燃冰上覆地层薄且松软，不可采用页岩气开采那样的大规模压裂。此外，由于可燃冰的二次结冰，压裂所产生的裂缝很快被填满。

地层中可燃冰的减压开采过程中，在负压差的作用下，地层可能会破裂。地层中的压力梯度可以模拟计算出，对于井眼穿过无穷厚地层，忽略孔隙和裂缝中流体传递压力的情况下，其压力分布是一个径向一维问题，径向半径r点的压力梯度可以粗略写成：

。（ⅱ）

图3为压力梯度径向变化简易估算结果。图中，原状地层压力为10mpa(相当于1000m水深处的压力),井眼压力6mpa(相当于600m水深处的压力)，井眼半径为0.1m，所使用的模型为径向一维。图3中的实线是按照式（ⅱ）计算得到的当考虑孔隙和裂缝时，压力梯度如虚线所示。如果压力梯度大于地层的破裂临界值，地层就会破裂，产生裂缝。地层一般会有出砂临界压力梯度和裂缝临界压力梯度，控制好地层中的压力梯度是可燃冰开采过程控制的重要内容之一。通过往地层注入液体，补充亏空的物质，可以实现压差控制。

实施例1

本发明以水平分支井效果最好。如图4和5所示的压裂方法，其压裂步骤为：

1)在可燃冰储层4的位置水平钻采出分支井眼16，在可燃冰储层4下方的孔隙储层5水平钻注入分支井眼17；所述采出分支井眼16和注入分支井眼17的管道中均开设有若干射孔道18以透出压力；

2)在井中放置好套管3、做好固井、射孔和安装进口装置；

3)将堵头19以及增压管13沿套管3下放，所述增压管13依次穿过路径上的堵头19后与注入分支井眼17连通；增压管13连接增压泵11；

增压管13与套管3之间的环形空间为负压的通道；负压管14的一端连接减压泵、另一端连接负压通道，从而与采出分支井眼16连通；

4)启动增压泵11和减压泵12。结合图5，正负压力对压裂效果示意图：采出分支井眼16连通减压泵12，注入分支井眼17连通增压泵11；在注入分支井眼16到采出分支井眼17的地层中，正负压力场相互推挽加强，产生较大压裂裂缝；在其它区域，正负压力场相互消减，产生较小压裂裂缝甚至不产生压裂裂缝。由于正压力幅度一般会大于负压力幅度，在注入分支井眼17下方的裂缝为中等、采出分支井眼16上方的裂缝较小。

至此，经过上述压裂作业后，地层中出现相应大裂缝、中裂缝和小裂缝，所述大裂缝出现在采出分支井眼16与注入分支井眼17之间的地层中，所述中裂缝出现在注入分支井眼17下方的地层中，所述小裂缝出现在采出分支井眼16上方的地层中。

图6是正负压力对压裂后开采系统示意图：将压裂作业中的正压管13改换成温水管23、负压管14改换成气水通道24采出分支井眼16连通分离提升系统22，注入分支井眼17连通温水调控系统21实现温水吸入、加热、加压。注入液经过大裂缝向采出分支井眼16渗流，将热能、活化剂传递给可燃冰储层4，同时温水注入液能够补充地层物质亏空。

图7是应用增压减压成对压裂作业方法，在直井中开采可燃冰地层天然气的系统结构示意图：在可燃冰储层4处和孔隙储层5处的套管3中分别设置有防砂筛管25，每个防砂筛管25的上下两端均安装有封隔装置26，且防砂筛管25的上设置有若干用于液体流动的通孔。在孔隙储层5处的套管3内安装有井下调控装置27，井下调控装置27调整温水液注入到孔隙储层5中的速度和注入量。当深部地层热水可以利用时，深部地层热水同时从下方流入孔隙储层5中。

实施例2

如图8所示的压裂方法在多井中实施，以两口井为例。在两口井之间实施，其压裂步骤为：

1)钻出左右两口井，其中左边的井打至可燃冰储层4的采出位置，右侧的井打到孔隙储层5的注入位置。

在可燃冰储层4的位置钻水平采出分支井眼16，在可燃冰储层4下方的孔隙储层5钻水平注入分支井眼17；所述采出分支井眼16和注入分支井眼17的管道中均开设有若干射孔道18以透出压力；

2)在左右两口井中分别放置套管3、做好固井、射孔和安装进口装置；

3)在左右两口井中分别安装堵头19，如图8中所示，在左边的井中，负压管14的输出端依次穿过路径上的堵头19后连通采出分支井眼16；在右边井中，增压管13的输出端依次穿过路径上的堵头19后连通注入分支井眼17；

4)启动增压泵11和减压泵12。采出分支井眼16连通减压泵12，注入分支井眼17连通增压泵11；在注入分支井眼16到采出分支井眼17的地层中，正负压力场相互推挽加强，产生较大压裂裂缝；在其它区域，正负压力场相互消减，产生较小压裂裂缝甚至不产生压裂裂缝。由于正压力幅度一般会大于负压力幅度，在注入分支井眼17下方的压裂裂缝为中等、采出分支井眼16上方的裂缝较小。

图9为正负压力对压裂开采方法在两口井中应用：将压裂作业中的正压管13改换成温水管23、负压管14改换成气水通道24。采出分支井眼16经气水通道24连通分离提升系统22，注入分支井眼17经温水管23连通温水调控系统21。温水注入液经过大压裂裂缝向采出分支井眼16渗流，将热能、活化剂传递给可燃冰储层4，同时温水注入液能够补充地层物质亏空。