一种超临界CO2聚能压裂方法与流程

本发明涉及石油与天然气工程领域，特别涉及用于非常规油气开发过程中的一种超临界co2聚能压裂方法。

背景技术：

近年来，随着常规油气的大规模开发，现存的可采常规油气资源已经不能满足我国经济高速发展需求，非常规油气资源开发逐渐提上日程。目前，页岩气、致密气、煤层气等非常规能源的开发，普遍采用常规水力压裂方法，并取得了一定的开发效果。但该方法存在着压裂液返排难、水资源消耗大、储层污染严重等问题。为此，近年来人们开始着手研究新型无水压裂方法，目的是减少水的使用量，同时避免压裂液中的添加剂对储层及自然环境造成伤害，努力获得高效、环保的压裂开发效果。

co2是空气的主要组成成分之一，无色、无味、无毒不能燃烧也不能助燃，常温常压下密度比空气大，能溶于水。当温度达到31.04℃、压力达到7.38mpa时，co2将达到超临界状态。超临界co2是不同于气体和液体的一种特殊流体，它的密度接近于液体，粘度则接近于气体，表面张力接近于零，非常容易扩散，具有很强的渗透能力，可以进入任何大于其分子大小的微小空间中。

由于超临界co2的独特的物理性质，将其用于压裂改造时，显示出巨大的优势：①co2容易获得，且不易燃易爆，容易控制与运输；②超临界co2的黏度低，接近于气体，表面张力很低，接近于零，摩阻系数低，容易流动；③超临界co2流体不会导致储层中黏土膨胀，从根本上避免了水锁效应、岩石润湿性反转等危害的发生，有效保护储层不受损害；④用超临界co2进行压裂，返排迅速而彻底，是一种低伤害的清洁压裂液，还能缩短生产周期；⑤相对于常规压裂液，超临界co2压裂流体扩散能力强，渗透能力强，很容易渗入储层中的孔隙和微裂缝，有利于产生大量的微裂缝网络。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超临界co2聚能压裂方法，充分结合超临界co2和高压聚能的特点，实现同一层段多次聚能压裂，达到比常规压裂方法更好的增产效果。

为达到上述目的，本发明提出一种超临界co2聚能压裂方法，其中，所述超临界co2聚能压裂方法包括：

步骤1，油气井射孔完井后，利用油管将超临界co2聚能压裂管柱下入目标层段并固定，所述超临界co2聚能压裂管柱包括由上至下顺序设置的多个压裂段，多个所述压裂段均对应所述目标层段设置，每个压裂段内均安装有压裂单元，且每个所述压裂段的侧壁上开设有喷射通孔，所述压裂单元能够打开和封闭对应的所述喷射通孔；

步骤2，通过所述油管向所述超临界co2聚能压裂管柱内注入co2并持续加压，待co2达到开启压力后，通过最下方的所述压裂单元打开其对应的喷射通孔，co2通过该喷射通孔进入所述目标层段对应的储层并成为超临界co2，所述超临界co2冲击并压裂所述储层；

步骤3，持续向所述超临界co2聚能压裂管柱100内注入co2，直至达到设计用量后停止注入；

步骤4，重复步骤2和步骤3，由下至上依次通过多个所述压裂段的喷射通孔向储层内注入所述超临界co2。

如上所述的超临界co2聚能压裂方法，其中，所述压裂单元包括滑套、金属球和销钉，所述滑套上设有与所述金属球对应配合的球座，所述滑套套设在所述压裂段内并对应封闭所述喷射通孔，所述滑套通过所述销钉与所述压裂段的侧壁固定连接，所述压裂段的底端设有限位部，所述限位部的内径小于所述压裂段的内径形成限位台阶，所述销钉剪断后，所述滑套下滑至所述限位台阶并打开所述喷射通孔，由上至下顺序设置的多个所述滑套其球座的内径依次减小；所述步骤2包括：

步骤21，向所述超临界co2聚能压裂管柱内投入与最下方的所述滑套对应配合的所述金属球并使所述金属球坐封在最下方的所述滑套上；

步骤22，通过所述油管向所述超临界co2聚能压裂管柱内注入co2并持续加压，待已坐封所述滑套对应的所述销钉被剪断，所述已坐封的滑套下滑并打开其对应的所述喷射通孔，co2通过所述喷射通孔进入所述目标层段对应的储层并成为超临界co2，所述超临界co2冲击并压裂所述储层。

如上所述的超临界co2聚能压裂方法，其中，在所述步骤2中，待所述超临界co2聚能压裂管柱内的co2压力达到测试压力值后，暂停co2的注入并观察所述超临界co2聚能压裂管柱内压力值变化，若5分钟内压力值损失不超过5％即达到坐封要求，继续向所述超临界co2聚能压裂管柱注入co2。

如上所述的超临界co2聚能压裂方法，其中，所述测试压力值为25mpa。

如上所述的超临界co2聚能压裂方法，其中，所述超临界co2聚能压裂方法还包括：

步骤5，利用混砂车将支撑剂与co2混合形成混合流体，并将所述混合流体泵注到所述储层中，以支撑所述储层内的裂缝。

如上所述的超临界co2聚能压裂方法，其中，所述超临界co2聚能压裂方法还包括：

步骤6，根据产层情况进行焖井，焖井结束后进行返排作业。

如上所述的超临界co2聚能压裂方法，其中，所述销钉的抗剪切强度高于所述储层的地层破裂压力5-8mpa。如上所述的超临界co2聚能压裂方法，其中，所述滑套的高度小于0.4米。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

本发明提出的超临界co2聚能压裂方法，针对同一储层能够实现单层多次增效压裂，尤其适用于地层起裂后裂缝不容易扩展，难以形成有效缝网的储层，充分提高地层可压性较差的储层的超临界co2压裂的效果。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明提出的超临界co2聚能压裂管柱的结构示意图；

图2为本发明中压裂单元的结构示意图；

图3为本发明提出的超临界co2聚能压裂管柱第一次聚能压裂时的结构示意图；

图4为本发明提出的超临界co2聚能压裂管柱第二次投球时的结构示意图；

图5为本发明提出的超临界co2聚能压裂管柱第四次聚能压裂时的结构示意图。

附图标记说明：

100、超临界co2聚能压裂管柱；10、管柱本体；

11、压裂段；20、压裂单元；

21、滑套；211、球座；

22、金属球；23、销钉；

24、喷射通孔；25、限位部；

12、压裂段；13、压裂段；

14、压裂段；31、滑套；

41、滑套；51、滑套；

32、金属球；42、金属球；

52、金属球。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

请参考图1至图5，本发明提出一种超临界co2聚能压裂方法，该超临界co2聚能压裂方法包括：

步骤1，油气井射孔完井后，利用油管将超临界co2聚能压裂管柱100下入目标层段并固定，超临界co2聚能压裂管柱包括由上至下顺序设置的多个压裂段11，多个压裂段11均对应该目标层段设置，每个压裂段11内均安装有压裂单元20，且每个压裂段11的侧壁上开设有喷射通孔24，压裂单元20能够打开和封闭对应的喷射通孔24；

步骤2，通过油管向超临界co2聚能压裂管柱100内注入液态co2并持续加压，待co2达到开启压力后，通过最下方的压裂单元20打开其对应的喷射通孔24，co2通过该喷射通孔24进入目标层段对应的储层并成为超临界co2，超临界co2冲击并压裂储层；

步骤3，持续向超临界co2聚能压裂管柱100内注入co2，直至达到设计用量后停止注入；

步骤4，重复步骤2和步骤3，由下至上依次通过多个压裂段11的喷射通孔24向储层内注入超临界co2。

如图1、图2所示，超临界co2聚能压裂管柱100包括呈筒状的管柱本体10，管柱本体10竖直设置并包括由上至下顺序设置的多个压裂段11，多个压裂段11均对应同一储层，每个压裂段11内均对应安装有压裂单元20，且每个压裂段11的侧壁上开设有喷射通孔24，压裂单元20能够打开和封闭对应的喷射通孔24。

本发明提出的超临界co2聚能压裂方法及管柱，针对同一储层能够实现单层多次增效压裂，尤其适用于地层起裂后裂缝不容易扩展，难以形成有效缝网的储层，能够充分提高地层可压性较差的储层的超临界co2压裂的效果。

本发明提出的超临界co2聚能压裂方法，聚能压裂作业时，高压超临界co2瞬间释放，作用于储层，使储层形成更多而复杂的裂缝网；高压瞬时压裂减少了超临界co2滤失，作业成功率更高，也适合于高渗透和漏失严重的储层压裂改造；压裂完成后，co2易返排，而且对储层的伤害很小。

超临界co2聚能压裂，能够利用超临界co2特殊的性质，结合聚能效应，在压裂过程中能产生明显的技术优势：(1)超临界co2渗透能力强，能够进入任何大于其分子大小的微小空间中，有利于微裂缝的形成；(2)co2压裂完成后，容易返排，而且对储层造成的伤害小；(3)这种聚能压裂的方式，能够利用瞬时高压冲击储层，形成更多的裂缝和缝网，对地层的改造效率更高；(4)这种聚能瞬时压裂方法，作用储层产生裂缝时间段，避免了由于超临界co2高渗透性能，无法建立储层高压而致裂的后果，也适用于高渗透、漏失严重的储层压裂；(5)相对于炸药爆炸的方式，这种聚能压裂操作性更强、更安全，对管柱和工具的损害更小。

在本发明中，向超临界co2聚能压裂管柱100内注入的co2为高压液态co2，由地面的高压泵组持续泵入，上述高压液态co2的具体压力根据井下压力确定，一般要高于对应储层的地层破裂压力。其中，地层破裂压力是指，在井筒中，当地层压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层破裂压力。一般在钻井前后均要进行地质参数的测试，如地震测试，测井等方法，地层破裂压力就是在这一过程中测试得到的。

在本发明中，当高压液态co2沿油管持续下行时被地层加热至高温高压的超临界co2，具体的，地层温度的计算公式为：地层温度＝地表温度+(1.5～3)×井深/100，例如，一般2000米的油气井井底温度约60℃左右，而当温度超过31.1℃，压力超过7.38mpa时，co2便是超临界态，因此进入地层时的co2为超临界co2，压裂过程为超临界co2压裂。当喷射通孔24打开的瞬间，上述高压超临界co2突然膨胀，产生冲击波，呈爆破形式进入储层，其压力高于地层破裂压力，能对储层产生高能冲击波，有助于复杂裂缝网络生成。在上述过程中，虽然co2突然膨胀后，其温度会由于焦耳汤姆逊效应有所降低，但是进入储层后co2会被迅速加热至超临界态，仍然能对储层产生极大的冲击力。

在本发明一个可选的例子中，压裂单元20包括滑套21、金属球22和销钉23，滑套21上设有与金属球22对应配合的球座211，压裂段11的侧壁上开设有喷射通孔24，滑套21套设在压裂段11内并对应封闭喷射通孔24，滑套21通过销钉23与压裂段11的侧壁固定连接，压裂段11的底端设有限位部25，限位部25的内径小于压裂段11的内径形成限位台阶，销钉23剪断后，滑套21下滑至限位台阶并打开喷射通孔24，由上至下顺序设置的多个滑套21其球座211的内径(也是滑套21的内径)依次减小。

进一步的，步骤2还包括步骤21和步骤22，其中，

步骤21，向所述超临界co2聚能压裂管柱100内投入与最下方的滑套21对应配合的金属球22并使金属球22坐封在最下方的滑套21上；

步骤22，通过油管向超临界co2聚能压裂管柱100内注入co2并持续加压，待已坐封滑套21对应的销钉23被剪断，已坐封的滑套21下滑并打开其对应的喷射通孔24，co2通过喷射通孔24进入目标层段对应的储层并成为超临界co2，上述超临界co2冲击并压裂所述储层。

本发明提出的超临界co2聚能压裂方法，通过销钉固定不同内径的滑套21，压裂作业前投入不同直径的金属球22座封不同内径的滑套21(滑套的内径由下至上逐渐增加，投入的金属球其直径也依次增加)，来实现同一层段的多次重复聚能压裂作业，压裂效果更佳，达到比常规压裂方法更好的增产效果。

在本发明中，滑套21具有上下贯通的容置腔，球座211设置在滑套21的内壁上，金属球22投入后，坐封在球座211上将滑套21的容置腔封闭。

在本发明中，销钉23抗剪强度要根据地层破裂压力进行设计；通过改变销钉的抗剪强度，可以调节超临界co2聚能压裂管柱100内压力大小，从而满足不同地层的压裂需求，增强该方法的实用性。

在一个可选的例子中，开启压力即为销钉23能承受的最大剪切力(销钉的抗剪强度)，销钉23能承受的最大剪切力高于对应储层的地层破裂压力5-8mpa，以便产生更好的聚能冲击效果。

在本发明一个可选的例子中，每个压裂段11的侧壁上均开设有多个喷射通孔24，多个喷射通孔24沿压裂段11的周向均布。

在本发明一个可选的例子中，滑套21的高度小于0.4米，以保证整个超临界co2聚能压裂管柱100的尺寸不会过长，使得超临界co2能够更容易的进入同一层裂缝(储层)中。

在本发明一个可选的例子中，管柱本体10包括4个压裂段11，即超临界co2聚能压裂管柱100可以针对同一储层进行四次压裂，一般情况下，四次压裂产量可以达到一次压裂产量的1.5-2倍。

在本发明一个可选的例子中，超临界co2聚能压裂方法还包括：

步骤5，利用混砂车将支撑剂与液态co2混合形成混合流体，并将混合流体泵注到储层中，以支撑储层内的裂缝，避免闭合裂缝，从而完成聚能压裂。

在本发明一个可选的例子中，在混合流体中，按照质量百分比计算，支撑剂占2-5％。

在本发明一个可选的例子中，超临界co2聚能压裂方法还包括：步骤6，根据产层情况进行焖井，焖井结束后进行返排作业。

在本发明一个可选的例子中，在步骤2中，待超临界co2聚能压裂管柱100内液态的co2压力达到测试压力值后，暂停液态co2的注入并观察超临界co2聚能压裂管柱100内压力值变化，若5分钟内压力值损失不超过5％，即达到坐封要求，可以继续向超临界co2聚能压裂管柱100内注入液态co2。

在本发明一个可选的例子中，测试压力值为25mpa。

现以具有四个压裂段的超临界co2聚能压裂管柱100为例，详细说明本发明提出的超临界co2聚能压裂方法。

如图3、图4和图5所示，该超临界co2聚能压裂管柱包括由上至下顺序设置的压裂段11、压裂段12、压裂段13和压裂段14，压裂段11内安装有滑套21、压裂段12内安装有滑套31、压裂段13内安装有滑套41、压裂段14内安装有滑套51，其中滑套21的内径(也是滑套21的球座211的内径)、滑套31的内径、滑套41的内径和滑套51的内径依次增加，相应的，金属球22的直径、金属球32的直径、金属球42的直径和金属球52的直径依次增加。

如图3至图5所示，本发明提出的超临界co2聚能压裂方法具体实施过程如下：

首先，油井固井射孔后，利用油管连接超临界co2聚能压裂管柱100下入井中，超临界co2聚能压裂管柱100经过井口装置和井筒进入井底目的层段(射孔段)，再将超临界co2聚能压裂管柱100的底部水力锚定；

待超临界co2聚能压裂管柱100下到目标层段并固定后，投入与滑套21匹配的金属球22，让金属球22座封滑套21，打开co2高压泵，开始通过油管向超临界co2聚能压裂管柱100内泵入co2到一定压力值(如25mpa)，关泵，观察超临界co2聚能压裂管柱100内压力值变化，5分钟内若管内压力损失不超过5％即达到要求，表示封堵效果良好(整个系统密封效果良好)，可实施下一步操作；

在整个系统密封效果良好的条件下，打开co2高压泵，继续向超临界co2聚能压裂管柱100内泵入co2直至达到销钉23抗剪强度，此时销钉23会被剪断，滑套21和金属球22沿压裂段11的内壁下滑至限位部25处，喷射通孔24被打开，高压超临界co2呈爆炸状态进入储层，同时持续注入co2，直至达到设计要求，完成第一次聚能压裂；

若针对目的层段的第一次压裂不能达到预期效果，则需要利用金属球32坐封滑套31进行第二次压裂，利用金属球42坐封滑套41进行第三次压裂，利用金属球52坐封滑套51进行第四次压裂，每次压裂过程均和第一级压裂相同，投球后必须检查密封效果，再次开泵加压，进而实现针对同一储层多次超临界co2聚能压裂；

利用超临界co2多次聚能压裂压开地层，形成缝网后，继续向超临界co2聚能压裂管柱100内泵入携砂液、顶替液等，通过将支撑剂泵入裂缝中，避免裂缝闭合。

最后，根据产层情况确定焖井时间，最后进行返排作业，完成整个压裂过程。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。