水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法及装置与流程

本申请属于石油工程压裂技术领域，特别涉及一种水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法及装置。

背景技术：

煤层气作为与煤伴生、共生的气体资源，其主要成分为甲烷。在煤炭的开采过程中，煤层气是导致煤矿井下发生瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害事故的主要有害源。煤层气作为一种清洁能源，合理开发利用不仅可以改善煤矿安全生产的条件，也可以起到保护环境的作用，同时对国家能源结构的调整也具有战略意义。我国煤层气资源比较丰富，储量位居世界第三，开发利用煤层气具有重要的现实价值。但与常规油气藏储层岩石相比，煤岩的渗透率较低，大部分煤层气储层具有低饱和、低渗透和低压力等特点，不经过有效地增产措施，煤层气井一般没有经济产能。煤层气在储层中的流动主要通过煤体自身裂隙系统，因此如何有效地连通井筒与煤层天然裂隙系统成为煤层气增产的关键因素。

近年来，通过自主研发和技术引进，我国煤层气产能得到了快速增长。目前煤层气开发的主体增产技术之一是水力压裂。由于煤岩具有松软、变形大且天然裂隙十分发育等特点，水力裂缝很容易沿着煤层天然裂隙进行扩展，形成的水力裂缝主要集中在井筒附近，很难对远处的煤层进行压裂，储层改造范围小，压裂效果差，对此目前尚未有有效的解决办法。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法及装置，其可以通过水和低温流体交替压裂来实现分段冰冻煤层，从而控制人工裂缝的走向。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供一种水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法，包括如下步骤：

获取煤层气井，所述煤层气井周围的煤层具有天然裂隙；

向所述煤层气井内注水，以对所述煤层气井周围第一设定区域注水压裂形成人工裂缝，所述人工裂缝沿所述天然裂隙扩展；

在所述第一设定区域完成注水压裂后，向所述煤层气井内注入低温流体，使煤层中的水结冰，进而将分散的煤岩颗粒冻结在一起；

继续向所述煤层气井内注入低温流体，使所述第一设定区域产生一条沿地层最大主地应力方向扩展的人工主裂缝；

在所述第一设定区域完成低温流体压裂后，继续向所述煤层气井内注水，以对所述第一设定区域外围的第二设定区域注水压裂，在所述第二设定区域完成注水压裂后，向所述煤层气井内注入低温流体，使所述人工主裂缝向前延伸，并穿过第二设定区域；

重复上述步骤，对第n设定区域分别进行注水和注入低温流体压裂，使所述人工主裂缝继续向前延伸，并穿过第n设定区域，其中n为大于等于3的正整数。

在一个优选的实施方式中，所述第一设定区域、所述第二设定区域、以及所述第n设定区域的范围根据所述煤层的饱和吸水能力和注水量进行划分。

在一个优选的实施方式中，所述第n设定区域环设在第n-1设定区域的外围。

在一个优选的实施方式中，在对第n设定区域完成水和低温流体交替压裂后，静置三天，使得煤层中的冰完全融化。

在一个优选的实施方式中，待煤层中的冰完全融化后，向所述煤层中依次注入携砂液和顶替液，使得人工主裂缝中填充支撑剂，完成压裂。

在一个优选的实施方式中，所述低温流体为醇类水溶液和/或液氮。

在一个优选的实施方式中，所述低温流体的温度为-196℃到-30℃。

在一个优选的实施方式中，所述水的温度为0℃。

另外，本发明还提供一种采用上述任一项所述的水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法的水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的装置，包括：

获取模块，被配置为获取煤层气井，所述煤层气井周围的煤层具有天然裂隙；

注水模块，被配置为向所述煤层气井内注水，以对所述煤层气井周围第一设定区域注水压裂形成人工裂缝，所述人工裂缝沿所述天然裂隙扩展；

第一注流体模块，被配置为在所述第一设定区域完成注水压裂后，向所述煤层气井内注入低温流体，使煤层中的水结冰，进而将分散的煤岩颗粒冻结在一起；

第二注流体模块，被配置为继续向所述煤层气井内注入低温流体，使所述第一设定区域产生一条沿地层最大主地应力方向扩展的人工主裂缝；

注入模块，被配置为在所述第一设定区域完成低温流体压裂后，继续向所述煤层气井内注水，以对所述第一设定区域外围的第二设定区域注水压裂，在所述第二设定区域完成注水压裂后，向所述煤层气井内注入低温流体，使所述人工主裂缝向前延伸，并穿过第二设定区域；

重复模块，被配置为重复上述步骤，对第n设定区域分别进行注水和注入低温流体压裂，使所述人工主裂缝继续向前延伸，并穿过第n设定区域，其中n为大于等于3的正整数。

此外，本发明还提供一种水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的装置，包括存储器和处理器，存储器中存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时，实现以下步骤：如上述任一项所述的水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法。

借由以上的技术方案，本申请的有益效果在于：

本发明提供的水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法及装置，与现有技术相比，通过水和低温流体交替压裂来实现分段冰冻煤层，从而控制人工裂缝走向，使得人工裂缝沟通煤层中更多的天然裂隙，提高储层改造效果，增加煤层气运移通道，提高煤层气采收率。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

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申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，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申请。在附图中：

图1为本申请实施方式的水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法流程图；

图2为本申请实施方式的第一设定压裂区域水力压裂人工裂缝示意图；

图3为本申请实施方式的水和低温流体交替压裂人工裂缝扩展示意图；

图4为本申请实施方式的压裂完成后最终得到的相互沟通裂缝示意图；

图5为本申请实施方式的水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的装置模块图。

以上附图的附图标记：1、第一水力压裂改造区域；2、煤层气井；3、人工裂缝；4、天然裂隙；5、人工主裂缝；6、第一设定区域；7、第二设定区域；8、第n设定区域；9；沟通人工裂缝的天然裂隙；10、支撑剂；101、获取模块；102、注水模块；103、第一注流体模块；104、第二注流体模块；105、注入模块；106、重复模块。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明提供一种水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法，该方法包括如下步骤：

s1：获取煤层气井2，所述煤层气井2周围的煤层具有天然裂隙4。

s2：向所述煤层气井2内注水，以对所述煤层气井2周围第一设定区域6注水压裂形成人工裂缝3，所述人工裂缝3沿所述天然裂隙4扩展。

s3：在所述第一设定区域6完成注水压裂后，向所述煤层气井2内注入低温流体，使煤层中的水结冰，进而将分散的煤岩颗粒冻结在一起。

s4：继续向所述煤层气井2内注入低温流体，使所述第一设定区域6产生一条沿地层最大主地应力方向扩展的人工主裂缝5。

s5：在所述第一设定区域6完成低温流体压裂后，继续向所述煤层气井2内注水，以对所述第一设定区域6外围的第二设定区域7注水压裂，在所述第二设定区域7完成注水压裂后，向所述煤层气井2内注入低温流体，使所述人工主裂缝5向前延伸，并穿过第二设定区域7。

s6：重复上述步骤，对第n设定区域8分别进行注水和注入低温流体压裂，使所述人工主裂缝5继续向前延伸，并穿过第n设定区域8，其中n为大于等于3的正整数。

在本实施方式中，请参见附图2，首先获取需要改造的煤层气井2，向该煤层气井2内注水压裂，形成第一水力压裂改造区域1。进而，水会通过煤层气井2注入煤层，使煤层充分吸水，进而对煤层气井2周围的第一设定区域6进行压裂，形成人工裂缝。在通常情况下，由于煤层含有层理、割理等很多天然裂隙4，因此向煤层中注水进行压裂得到的人工裂缝3主要沿着天然裂隙4进行扩展。较佳地，所述水的温度可以为0℃。一方面，可以降低未冰冻区煤层的温度，便于后续注入低温流体进行冰冻。另一方面，在水通过冰冻煤层区域中人工主裂缝5时，避免因水温度高于0℃导致人工主裂缝5两侧冰体的融化，从而避免人工主裂缝5两侧出现分支裂缝导致水流失。

在注水量达到要求后，第一设定区域6完成注水压裂。在此需要说明的是，由于不同煤层煤岩饱和吸水量不同，因此注水量也有所不同，具体的注水量需要根据实际生产的需要进行设置，本申请对此不作任何限制。

然后，请参见附图3，向所述煤层气井2内注入低温流体。该低温流体可以选择醇类水溶液和/或液氮等，例如，甲醇水溶液，和/或乙醇水溶液。在通常情况下，该低温流体的温度上限需要根据煤层中煤岩吸水后导热能力大小来设定，需要保证低温流体能够在适当时间内能把周围吸水煤岩完全冻结。低温流体温度的下限应根据压裂设备能够承受的低温极限来确定。优选地，所述低温流体的温度可以为-196℃到-30℃。低温流体温度也不能过高，避免因低温流体温度过高导致低温流体在注入地层的过程中不能迅速有效冰冻水力压裂区域的煤层。

煤层中注入低温流体后，煤层中的水因低温作用而结冰，从而将分散的煤岩颗粒冻结在一起，可以基本消除煤层天然裂隙4对人工裂缝3的干扰。继续向所述煤层气井2内注入低温流体，使所述第一设定区域6产生一条沿地层最大主地应力方向扩展的人工主裂缝5，即完成了第一设定区域6的低温流体压裂。

对于第一设定区域6完成低温流体压裂的判断条件为注入低温流体的压力突然大幅下降。这是由于向压裂管柱内注入低温流体，井筒周围的煤岩会因低温作用而结冰，将煤岩颗粒冻结在一起，此时人工裂缝3的扩展主要沿着地层最大主地应力方向扩展。在人工主裂缝5扩展的过程中，由于人工主裂缝5的前端温度很低，其周围的吸水煤岩同样会发生冻结，之后人工主裂缝5进一步向前延伸。当人工主裂缝5到达第一设定区域6的边界时，由于煤岩比较干燥，人工主裂缝5前端的煤岩颗粒不会发生冻结，此时低温流体会迅速沿着水力压裂改造区域之外的煤岩天然裂隙进行扩展，使得注入的低温流体压力会发生突然大幅度下降。由此，可以通过这个压力突然大幅下降来判断第一设定区域6完成低温流体压裂。

在对第一设定区域6完成低温流体压裂后，再依照上述步骤继续向所述煤层气井内注水，以对所述第一设定区域6外围的第二设定区域7注水压裂。此时，使用水对煤层进行压裂的过程中，由于水沿着冰冻煤层区域中人工主裂缝5流动的阻力最小，因此水会优先通过此裂缝到达裂缝的末端，从而实现对第二设定区域7的水力压裂。在所述第二设定区域7完成注水压裂后，依然采用上述步骤继续向所述煤层气井内注入低温流体，使所述人工主裂缝5向前延伸，并穿过第二设定区域7，完成第二设定区域7低温流体压裂。同理，在使用低温流体对煤层进行压裂的过程中，由于低温流体沿着冰冻煤层区域中人工主裂缝5流动的阻力最小，因此低温流体会优先通过此裂缝到达裂缝的末端，从而实现对第二设定区域7的低温流体压裂。

假设煤层中有n个设定区域，则要重复上述步骤，对第n设定区域8分别进行注水和注入低温流体压裂，使所述人工主裂缝5继续向前延伸，并穿过第n设定区域8，其中n为大于等于3的正整数。在通常情况下，所述第n设定区域8可以环设在第n-1设定区域的外围。此时，人工主裂缝5可以与其周围的天然裂隙4(即沟通人工裂缝的天然裂隙9)连通。

在对第n设定区域8完成水和低温流体交替压裂后，需要静置三天，使得煤层中的冰完全融化。然后，请参见附图4，向所述煤层中依次注入携砂液和顶替液，使得人工主裂缝5中填充支撑剂10，即完成了对煤层的最终压裂。

需要说明的是，第一设定区域6、第二设定区域7、以及第n设定区域8的范围可以根据所述煤层的饱和吸水能力和注水量进行划分。而不同煤层的饱和吸水能力和注水量都不同，因此，本申请将按照实际煤层的情况对各个区域的范围进行划分，具体的范围在此不做任何限定。

本发明的水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法采用水和低温流体交替对煤层进行压裂，能够分段实现对远离煤层气井的煤层区域进行冰冻，从而控制远处煤层中人工裂缝5的走向，使得人工裂缝5继续向前延伸，沟通煤层中更多的天然裂隙4。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的装置，如下面的实施例所述。由于一种水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的装置解决问题的原理与一种水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法相似，因此水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的装置的实施可以参见水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

如图5所示，一种采用上述任一项所述的水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法的水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的装置，包括：

获取模块101，被配置为获取煤层气井2，所述煤层气井2周围的煤层具有天然裂隙4；

注水模块102，被配置为向所述煤层气井2内注水，以对所述煤层气井2周围第一设定区域6注水压裂形成人工裂缝3，所述人工裂缝3沿所述天然裂隙4扩展；

第一注流体模块103，被配置为在所述第一设定区域6完成注水压裂后，向所述煤层气井2内注入低温流体，使煤层中的水结冰，进而将分散的煤岩颗粒冻结在一起；

第二注流体模块104，被配置为继续向所述煤层气井2内注入低温流体，使所述第一设定区域6产生一条沿地层最大主地应力方向扩展的人工主裂缝5；

注入模块105，被配置为在所述第一设定区域6完成低温流体压裂后，继续向所述煤层气井2内注水，以对所述第一设定区域6外围的第二设定区域7注水压裂，在所述第二设定区域7完成注水压裂后，向所述煤层气井2内注入低温流体，使所述人工主裂缝5向前延伸，并穿过第二设定区域7；

重复模块106，被配置为重复上述步骤，对第n设定区域8分别进行注水和注入低温流体压裂，使所述人工主裂缝5继续向前延伸，并穿过第n设定区域8，其中n为大于等于3的正整数。

在优选的实施方式中，所述第一设定区域6、所述第二设定区域7、以及所述第n设定区域8的范围可以根据所述煤层的饱和吸水能力和注水量进行划分。

在优选的实施方式中，所述第n设定区域8环设在第n-1设定区域的外围。

此外，水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的装置还包括静置模块(图中未示出)，其被配置为在对第n设定区域8完成水和低温流体交替压裂后，静置三天，使得煤层中的冰完全融化。

进而，水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的装置还包括压裂模块(图中未示出)，其被配置为待煤层中的冰完全融化后，向所述煤层中依次注入携砂液和顶替液，使得人工主裂缝中填充支撑剂10，完成压裂。

在优选的实施方式中，所述低温流体为醇类水溶液和/或液氮等。

在优选的实施方式中，所述低温流体的温度为-196℃到-30℃。

在优选的实施方式中，所述水的温度为0℃。

另外，本发明还提供一种水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的装置，包括存储器和处理器，存储器中存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时，实现以下步骤：如上述所述的水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法。

在本实施方式中，所述存储器可以包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方法的媒体加以存储。本实施方式所述的存储器又可以包括：利用电能方式存储信息的装置，如ram、rom等；利用磁能方式存储信息的装置，如硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、u盘；利用光学方式存储信息的装置，如cd或dvd。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。

在本实施方式中，所述处理器可以按任何适当的方式实现。例如，所述处理器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式等等。

本说明书实施方式提供的服务器，其处理器和存储器实现的具体功能，可以与本说明书中的前述实施方式相对照解释。

在另外一个实施方式中，还提供了一种软件，该软件用于执行上述实施例及优选实施方式中描述的技术方案。

在另外一个实施方式中，还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有上述软件，该存储介质包括但不限于：光盘、软盘、硬盘、可擦写存储器等。

从以上的描述中可以看出，本发明实施方式实现了如下技术效果：本发明提供的水和低温流体交替压裂控制煤层裂缝扩展的方法及装置，与现有技术相比，通过水和低温流体交替压裂来实现分段冰冻煤层，从而控制人工裂缝走向，使得人工裂缝沟通煤层中更多的天然裂隙，提高储层改造效果，增加煤层气运移通道，提高煤层气采收率。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

本发明披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。