利用氮气泡沫压裂液对煤层气藏进行压裂的方法与流程

本发明属于油气资源开发领域，具体地，涉及一种利用氮气泡沫压裂液对煤层气藏进行压裂的方法。

背景技术：

煤层气作为一种清洁能源，是我国非常规天然气的重要构成部分，它是一种自生和自储于煤层中的气体，其主要成分为甲烷。煤层气在煤层中以吸附和游离两种状态存在。由于游离状态的煤层气较少，导致煤层气井产量普遍较低，达不到经济量产的指标，因此需要对煤层气藏进行压裂增产作业。目前对煤层气井进行压裂增产作业的主要方式包括：水基压裂(活性水、冻胶压裂液、清洁压裂液)、油基压裂和co2干法压裂。上述这些方法在煤层气井压裂作业过程中主要存在以下技术难题。

(1)活性水压裂法形成复杂缝网的可能性较小、储层改造效果差。这主要因为煤岩强度低、孔隙度高、节理裂缝发育，而水基压裂液携带的能量释放较快，导致煤层很快就被压穿，压裂液大量漏失，不能形成复杂裂缝网络。

(2)冻胶压裂法在压裂过程中大量的冻胶残渣滞留在储层中导致储层污染较为严重。压裂完成后不易破胶，堵塞了储层水的返排通道，显著降低煤层气井的产气能力。

(3)油基和清洁压裂液法施工成本高、安全性低、破胶不易控制，导致其在煤层气井压裂中应用程度不高。

(4)co2干法压裂法对设备要求高、加砂能力差(co2存在密封罐内无法就行大量加砂)，不能实现对压裂过程中裂缝尺寸和形态进行有效调控。

基于上述原因亟需发明一种利用氮气泡沫压裂液对煤层气藏进行压裂的方法，解决水基压裂(活性水、冻胶压裂液、清洁压裂液)、油基压裂和co2干法压裂方法在煤层气压裂开发过程中存在的难点和不足。该技术具有以下优点：压裂液滤失量低、储层污染小、较为容易形成复杂裂缝网络；施工安全性高，压裂液返排快、施工周期短；用液量少，节能环保。

技术实现要素：

针对煤层气藏压裂过程中，水基压裂(活性水、冻胶压裂液、清洁压裂液)、油基压裂和co2干法压裂方法存在：压裂液大量漏失、不能形成复杂裂缝网络、存储污染严重、施工成本高、安全性低、破胶不易控制等缺点，本发明提供一种利用氮气泡沫压裂液对煤层气藏进行压裂的方法，解决已有方法在煤层气藏压裂过程中存在的缺点和技术难题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

利用氮气泡沫压裂液压裂的煤层气井，包括：压裂作业管柱、完井套管、封隔器、水力锚和滑套；其特征在于：完井套管从上至下依次穿过上覆地层和煤层气藏直至下卧地层上部；完井套管顶部安装有油套环空阀门，完井套管底部有人工井底，煤层气藏中的完井套管上有射孔，完井套管上部有同心的技术套管，技术套管底部安装有套管鞋；技术套管与上覆地层通过固井水泥环胶结在一起；完井套管与技术套管上部、上覆地层、煤层气藏和下卧地层通过固井水泥环胶结在一起；压裂作业管柱从地面通过完井套管下入到煤层气藏的中间部位；压裂作业管柱在井口位置处安装有井口阀门和放喷阀门，压裂作业管柱在煤层气藏顶部位置处安装有封隔器，封隔器上面安装有水力锚，压裂作业管柱底部安装有滑套，封隔器以上的完井套管与压裂作业管柱的环空中有环空压力平衡液。

氮气泡沫压裂设备，包括：砂罐、混砂车、配液罐、配液泵、液氮车、液氮泵、泡沫流体发生器、压裂泵车、高压三通；其特征在于：混砂车与砂罐和配液罐通过管线相连，配液泵通过管线与配液罐相连，液氮泵通过管线与液氮车、泡沫流体发生器相连，高压三通一端与泡沫发生器通过管线相连，一端与压裂泵车通过管线相连，高压三通的第三出口通过管线与井口阀门相连。

利用氮气泡沫压裂液对煤层气藏进行压裂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、氮气泡沫压裂施工前准备

s2、氮气泡沫压裂液泵注

s3、压裂裂缝控制

s4、压裂施工参数监测与调控

s5、压裂液返排

s6、压裂后评估。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：可以显著降低煤层气藏压裂过程中压裂液的漏失量，储层污染小，较为容易形成复杂裂缝网络；施工安全性高，压裂液返排速度快，施工周期短；操作步骤简单，施工参数明确，可操作性强。

附图说明

图1是利用氮气泡沫压裂液压裂的煤层气井井身结构示意图；

图2是地面设备设施流程结构示意图；

图中：1、井口阀门，2、放喷阀门，3、油套环空阀门，4、压裂作业管柱，5、技术套管，6、套管鞋，7、固井水泥环，8、完井套管，9、环空压力平衡液，10、氮气泡沫压裂液，11、上覆地层，12、水力锚，13、封隔器，14、压裂裂缝，15、滑套，16、射孔，17、煤层气藏，18、人工井底，19、下卧地层，20、砂罐，21、混砂车，22、配液罐，23、配液泵，24、液氮车，25、液氮泵，26、泡沫流体发生器，27、压裂泵车，28、高压三通，29、管线。

具体实施方式

如图1所示，利用氮气泡沫压裂液压裂的煤层气井，包括：压裂作业管柱4、完井套管8、封隔器13、水力锚12和滑套15；完井套管8从上至下依次穿过上覆地层11和煤层气藏17直至下卧地层19上部；完井套管8顶部安装有油套环空阀门3，用于环空压力平衡液的注入和排出；完井套管8底部有人工井底18，煤层气藏17中的完井套管上有射孔16，射孔为氮气泡沫压裂液10泵入煤层气藏17和为煤层气抽采提供通道；完井套管上部有同心的技术套管5，用于辅助浅表上覆地层11钻井，技术套管5底部安装有套管鞋6；技术套管5与上覆地层11通过固井水泥环7胶结在一起；完井套管与技术套管5上部、上覆地层11、煤层气藏17和下卧地层19通过固井水泥环7胶结在一起；压裂作业管柱4从地面通过完井套管8下入到煤层气藏的中间部位；压裂作业管柱在井口位置处安装有井口阀门1和放喷阀门2，其中井口阀门1用于控制氮气泡沫压裂液的注入，放喷阀门2用于压裂结束后控制氮气泡沫压裂液的放喷；压裂作业管柱在煤层气藏顶部位置处安装有封隔器13，用于密封氮气泡沫压裂液10；封隔器13上面安装有水力锚12，用于固定压裂作业管柱；压裂作业管柱底部安装有滑套15，用于测试压裂作业管柱的密封性；氮气泡沫压裂液通过压裂作业管柱被输送至煤层气藏中，并通过射孔向煤层气藏中输送，并在煤层气藏内形成压裂裂缝14；封隔器以上的完井套管与压裂作业管柱的环空中有环空压力平衡液9，用于平衡压裂过程中压裂作业管柱受到的内压。

如图2所示，氮气泡沫压裂设备，包括：砂罐20、混砂车21、配液罐22、配液泵23、液氮车24、液氮泵25、泡沫流体发生器26、压裂泵车27、高压三通28；混砂车21与砂罐20和配液罐22通过管线29相连，将砂罐中的砂和配液罐中的活性水充分混合，然后泵入压裂泵车中，形成含砂悬浊液；配液泵23通过管线29与配液罐相连，将配液罐中的活性水泵入泡沫流体发生器26中；液氮泵25通过管线与液氮车24、泡沫流体发生器26相连，将液氮车24中的液氮泵入泡沫流体发生器26中；活性水与液氮在泡沫发生器中充分混合，形成氮气泡沫流体；高压三通28一端与泡沫发生器26通过管线相连，一端与压裂泵车27通过管线相连，泡沫流体与砂悬浊液在高压三通内充分混合，形成氮气泡沫压裂液；氮气泡沫压裂液由高压三通的第三出口排出，第三出口通过管线29与图1中的井口阀门1相连，然后经压裂作业管柱被注入到煤层气气藏层中。

上述利用氮气泡沫压裂液对煤层气藏进行压裂的方法，包括以下步骤：

s1、氮气泡沫压裂施工前准备

按照设计要求下入压裂作业管柱至设计深度；根据设计要求准备相应容积的配液罐，将配液罐清洗干净；按照设计要求注入足量水质合格的清水，注入清水体积不宜超过配液罐容积的95％；依次向配液罐中加入防膨剂、助排剂、杀菌剂，混合均匀；向配液罐中加入稳泡剂、起泡剂，静置12小时以上，配制形成活性水，检测合格后留着后期使用；如图2所示，按照设计要求准备砂罐、混砂车、配液罐、配液泵、液氮车、液氮泵、泡沫流体发生器、压裂泵车、高压三通、管线和井口装置；按图2所示的地面设备设施流程示意图进行摆放并用管线将它们依次连接；井口装置上安装有井口阀门、放喷阀门和油套环空阀门；关闭井口阀门，进行循环走泵试压，直至试压合格，以检查地面设备实施是否满足实际氮气泡沫压裂施工需求；

s2、氮气泡沫压裂液泵注

循环走泵试压合格后，打开油套环空阀门泵入环空压力平衡液，至设计压力，保持压力稳定至设计时间，关闭油套环空阀门；打开井口阀门，关闭放喷阀门，向压裂作业管柱内泵注活性水至设计排量，待泵注压力稳定后开始向泡沫发生器泵入氮气，形成氮气泡沫流体；持续向压裂作业管柱内注入氮气泡沫流体，根据压裂设计流程进行分阶段加砂，形成氮气泡沫压裂液，并根据泵注压力变化调整加砂量；第一阶段加砂的质量百分比为10％，每个阶段加砂的质量百分比增加5％-10％，最大加砂的质量百分比不大于40％；加入设计加砂量后，停止加砂，关闭氮气注入管线阀门，继续泵入等于压裂作业管柱容积的活性水，将压裂作业管柱内的氮气泡沫压裂液全部挤入煤层气藏中，并向活性水中加入质量分数为4％的消泡剂，以方便后期起出压裂作业管柱；

s3、压裂裂缝控制

根据压裂设计流程依次进行各个阶段的氮气泡沫压裂液和砂子的注入，通过控制注入氮气量、加砂的质量百分比、砂量、排量实现对压裂储层裂缝网络控制；每个阶段加砂结束后，继续泵入氮气泡沫流体至泵入压力稳定后开始下一阶段加砂，直至压裂结束；如果施工过程，泵注压力异常升高提前结束本阶段加砂；

s4、压裂施工参数监测与调控

利用微震技术监测压裂过程中裂缝起裂、扩展方向、裂缝长度和宽度，结合施工过程中泵压、井口油管压力和套管压力变化及时调整压裂施工参数，以确保能够在煤层气藏中形成的压裂裂缝满足设计要求；

s5、压裂液返排

压裂施工结束后，关闭井口阀门，将放喷阀门与放喷管线相连，静置1小时后，打开放喷阀门开始放喷；根据放喷压力变化，调整放喷阀门开合尺寸，按照设计分阶段放喷，直至井口压力为零；拆卸井口装置，起出压裂作业管柱，下入生产管柱开始生产；

s6、压裂后评估

压裂后评估指标包括：施工参数和返排液及生产数据；评估排量、加砂量、加砂程序、氮气排量及用量、泡沫质量、注入活性水量是否达到设计要求；评估井口油管压力、井口套管压力、日产液量、日产气量、累积产气量、累积产液量、返排液中含砂量、累积砂量、煤灰量、生产时间是否达到预期设计目标。

至此，利用本发明方法给出了一种利用氮气泡沫压裂液对煤层气藏进行压裂的方法，可以实现对煤层气藏进行有效改造，增加煤层气井单井产量及煤层气的累积采收率，具有操作步骤明确、参数取值范围清晰优点。