一种页岩储层甲烷多重原位燃爆压裂方法

1.本发明属于非常规油气开采及页岩气压裂增产技术领域，具体涉及一种页岩储层甲烷多重原位燃爆压裂方法。


背景技术：

2.当前，以页岩气为代表的非常规天然气已经成为油气供应的重要组成部分，如何实现这类储层的高效开发也已成为石油工程领域研究热点。但是由于页岩气储层质量差，易受到外来入侵流体的伤害。例如在钻完井作业中，当水分滞留在岩石内部孔隙和裂缝中时，会导致地层含水饱和度的升高，进而会阻碍气体的流动；对于富含黏土矿物的地层，水相还会引起黏土矿物膨胀、运移，从而会堵塞气体流动通道。除此之外，页岩气开发还会消耗大量的水资源，例如压裂一口页岩气井的用水量常常高达几万方，而且注入到地层内的流体大都含有大量的杀菌剂、降阻剂以及黏土抑制剂等化学成分，这将会涉及到水资源使用和保护的问题。随着页岩气等非常规天然气资源逐渐受到重视，对于压裂技术也提出了新的要求。除了要尽量减少储层伤害和环境污染之外，更加重视压裂改造的体积，而不再仅仅关注裂缝的长度。比如对于页岩气而言，压裂的关键之一就是如何在页岩储层内形成高度复杂的立体缝网。然而，在实际作业中，页岩气储层压裂常常存在裂缝形态单一，储层岩石破裂度不足等问题，单纯依靠增加压裂规模提高裂缝复杂性的方式又会带来一系列环境问题。在这种情况下，迫切需要研发新型压裂工艺，实现页岩气等非常规天然气高效开发。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种页岩储层甲烷多重原位燃爆压裂方法，该方法可以在页岩储层内形成高度复杂的立体缝网，能有效的扩大压裂改造的体积，可实现页岩气等非常规天然气的高效开发；同时，其能极大的降低对水资源的消耗量，能有助于减少对储层的伤害，还能有利于降低对环境的污染程度。
4.为了实现上述目的，本发明提供一种页岩储层甲烷多重原位燃爆压裂方法，包括连续油管、水力锚、封隔器、压裂工具、地面点火装置和桥塞；所述连续油管内置电缆，所述水力锚上连接有锚爪，所述压裂工具内置点火电极；水力锚、封隔器和压裂工具由前到后依次连接在连续油管的末端；所述地面点火装置设置在地面上；
5.具体包括以下步骤；
6.步骤一：准备工作，具体步骤如下：
7.s11：根据页岩储层地质参数与测井数据，确定需要进行压裂的井段；
8.s12：按照从井底到井口的顺序对压裂井段进行分段编号，至少包括第一段压裂井段、第二段压裂井段和第三段压裂井段；
9.s13：向井筒内输送桥塞，并使桥塞坐封在第一段压裂井段的末端；
10.s14：使用连续油管将压裂工具下放到第一段压裂井段末端，并使点火电极通过电缆与地面点火装置连接；
11.步骤二：投放气态助燃剂；
12.通过连续油管向井下的压裂工具投放气态助燃剂，使气态助燃剂由压裂工具的喷嘴进入井筒环空后与甲烷混合，形成甲烷-气态助燃剂混合物；在投放气态助燃剂的同时，使连续油管按照一定的速度向上回收，从而拖动压裂工具向井口方向移动，并在压裂工具即将离开当前压裂井段时，停止对连续油管的回收作业；
13.步骤三：井筒燃爆压裂作业，具体步骤如下：
14.s31：在停止回收连续油管后，提高气态助燃剂的注入压力，利用流体压力的作用使水力锚的锚爪向外伸出并嵌入井壁，同时，利用流体压力的作用使与压裂工具连接的封隔器膨胀并坐封在井壁上；
15.s32：通过压裂工具内的点火电极对井筒内的甲烷-气态助燃剂混合物进行电击点火，使甲烷-气态助燃剂混合物在当前压裂井段内发生原位燃爆；利用甲烷-气态助燃剂混合物燃爆产生的瞬时高压对井筒周围地层进行冲击致裂，在井筒周围形成多条放射状的冲击裂缝；
16.步骤四：井筒重复燃爆压裂作业；
17.将压裂工具重新下放到当前压裂井段的末端，然后重复进行步骤二和三，对当前压裂井段实施重复燃爆压裂，利用甲烷-气态助燃剂混合物多次燃爆的高压作用反复冲击井筒周围地层，在井筒周围形成复杂裂缝；
18.步骤五：投放固态助燃剂；
19.利用超临界co2将固态助燃剂颗粒输送到步骤四所形成的复杂裂缝内，并利用超临界co2流体将页岩基质上的吸附态甲烷置换成游离态，在复杂裂缝内形成甲烷-固态助燃剂颗粒混合物；
20.步骤六：井筒
－
裂缝甲烷多重燃爆压裂作业；
21.先按照步骤二中的方式继续向井筒内投放气态助燃剂，再按照步骤三中的方式进行井筒燃爆压裂作业；利用井筒内甲烷-气态助燃剂混合物燃爆产生的高温高压气体引爆复杂裂缝内的甲烷-固态助燃剂颗粒混合物，继续进行复杂裂缝内甲烷原位燃爆压裂，通过井筒和复杂裂缝内甲烷多重原位燃爆的作用，促使已有的复杂裂缝继续扩展延伸形成更大尺度的复杂缝网；
22.步骤七：在页岩储层内形成高度复杂的立体裂缝网络；
23.重复进行步骤五和六，持续对井筒及复杂裂缝周围地层进行甲烷原位燃爆压裂，促进复杂裂缝增长，直至在页岩储层内形成高度复杂的立体裂缝网络；
24.步骤八：完成整个井筒的甲烷多重原位燃爆压裂作业；
25.将压裂工具移动到下一压裂井段，重复进行步骤二至七，直至完成所有待压裂井段中页岩储层的甲烷多重原位燃爆压裂作业，在井筒不同位置产生多组复杂立体裂缝网络。
26.进一步，为了保证封堵效果，所述桥塞和封隔器的承压能力均不低于200mpa。
27.进一步，为了使助燃效果更理想，在步骤二中，所述气态助燃剂为氧气。
28.作为一种优选，为了进一步提高气态助燃剂在压裂井段布置的均匀性，并能进一步增加甲烷与气态助燃剂的混合程度，在步骤二中，所述连续油管的回收速度为0.5～1.0m/s。
29.进一步，为了能确保形成高度复杂的裂缝网络，在步骤四中，利用下放连续油管的方式将压裂工具重新下放到当前压裂井段的末端，且重复进行步骤二和三3～4次。
30.进一步，为了使助燃效果更好，同时，还能确保在燃爆后形成可以填充到复杂裂缝内的固态反应物，以能确保在燃爆压裂之后裂缝不会在地应力作用下闭合，在步骤五中，所述固态助燃剂颗粒为高锰酸钾颗粒。
31.进一步，为了使高锰酸钾颗粒能更精准的投放到所有的复杂裂缝中，在步骤五中，先将高锰酸钾颗粒与超临界co2在地面进行充分混合形成超临界co
2-高猛酸钾颗粒混合物，再通过连续油管将超临界co
2-高猛酸钾颗粒混合物输送到步骤四中所形成的复杂裂缝内。
32.进一步，为了提高超临界co2对高锰酸钾颗粒的携带能力，在步骤五中，所述高锰酸钾颗粒的体积分数低于15％，颗粒直径为0.147～0.210mm。
33.进一步，为了降低井筒和裂缝内固体颗粒堵塞的风险，在步骤五中，所述超临界co2压力大于地层的裂缝延伸压力。
34.进一步，为了保证形成的立体裂缝网络可以有更大的扩展范围和更高的复杂程度，在步骤七中，重复步骤五和六的次数不低于3次。
35.在该技术方案中，通过使桥塞坐封在第一段压裂井段的末端，可以封堵第一压裂井段与井筒末端之间的区域，可以避免气态助燃剂向非压裂作业区域扩散，这样，不仅能有效节约气态助燃剂的用量，还能使注入的气态助燃剂集中作用于当前压裂井段。在向井筒内投放气态助燃剂时，同时拖动压裂工具向上移动，这种通过拖动压裂工具投放气态助燃剂的方式，不仅可以提高气态助燃剂在压裂井段内布置的均匀性，而且还能通过压裂工具的移动来改善井筒内甲烷与气态助燃剂的流动性，进而增加气态助燃剂与井筒内甲烷的接触面积，能有效提高甲烷与气态助燃剂的混合程度，同时有利于使当前压裂井段的各处充满甲烷-气态助燃剂混合物；通过流体的压力作用使水力锚的锚爪向外伸出并嵌入到井壁中，可以起到固定压裂工具和连续油管的作用，并能在燃爆过程中限制压裂工具的移动，从而可以使燃爆过程所产生的冲击集中作用于当前压裂井段。利用流体的压力使封隔器膨胀并坐封在井壁上，可以与桥塞共同作用使当前压裂井段形成密封的空间，这样，不仅可以使燃爆区域限定在当前压裂井段中，还能显著提高对当前压裂井段所在地层的冲击致裂的效果，能有助于形成延伸范围更广的冲击裂缝。利用甲烷-气态助燃剂混合物燃爆产生的瞬时高压冲击致裂储层岩石，能在页岩储层内形成复杂裂缝，同时，由于甲烷在井筒和裂缝内原位燃爆产生的压力可在数十毫秒内达到60mpa以上，这样，在燃爆过程中，所形成的冲击裂缝能够克服地应力对裂缝扩展方向的限制，最终沿着井筒不同方位进行扩展，进而能在井筒周围形成多条放射状的冲击裂缝，这不仅解决了传统水力压裂中裂缝容易沿着最大水平地应力方向扩展的局限性，还能有效增加裂缝复杂程度，有利于提高储层的增产效果。通过在当前压裂井段中重复进行燃爆压裂作业，可以进一步增加井筒复杂裂缝延伸的范围和复杂性，这样形成的复杂裂缝不仅可以为储层内甲烷原位燃爆提供更充分的燃爆空间，还能增加后续裂缝扩展的路径，有利于促进裂缝沿着更多的方向进行扩展，从而有助于形成高度复杂的裂缝网络。由于超临界co2是一种惰性流体，不含水相，与地层流体不易产生化学反应，使用超临界co2作为固态助燃剂的携带流体，并将固态助燃剂颗粒输送到复杂裂缝内，不仅可以防止固态助燃剂颗粒的溶解，还能将固态助燃剂颗粒与地层流体相隔离，进而能够对固体助燃剂颗粒起到隔离保护的作用，能有助于使固态助燃剂颗粒更精准的输送到
复杂裂缝内；当超临界co2流体与其所携带的固态助燃剂颗粒进入复杂裂缝后，超临界co2的流速的会迅速下降，固态助燃剂颗粒开始在裂缝内沉降；同时，由于超临界co2的扩散能力强、表面张力低，容易渗透到页岩微孔隙内，并能将页岩基质上的吸附态甲烷置换成游离态，进而能增加裂缝内甲烷的浓度，有利于使甲烷与高猛酸钾颗粒更充分的混合，这样，当固态助燃剂投放完毕后，在裂缝内形成的甲烷-固态助燃剂颗粒混合物的均匀性可以更好，从而可以有效增强后续燃爆的强度和效果。在利用甲烷进行多重燃爆压裂作业过程中，通过井筒和裂缝内布置不同类型助燃剂的方式，能综合利用井筒内的甲烷-气态助燃剂混合物与裂缝内的甲烷-固态助燃剂颗粒原位燃爆产生的压力致裂地层，从而能将常规燃爆压裂的有效范围从井筒周围拓展到页岩储层内部。这样，通过在井筒和页储层内部实施甲烷多重原位燃爆压裂的方式，能最大程度发挥甲烷原位燃爆致裂效果和范围，从而可以促使页岩储层内已有的裂缝扩展延伸形成更大尺度的复杂缝网，有利于实现低渗、超低渗页岩储层的体积压裂，并有助于构造出具有高导流能力的立体裂缝；同时，在多重燃爆压裂过程中，复杂裂缝内甲烷与固态助燃剂颗粒燃爆后，会产生大量的固态反应物，这些固态反应物可起到类似于“支撑剂”的作用，能有效的支撑填充于已经压开的裂缝中，有利于增加裂缝的张开度，并可在压裂结束后有效的防止裂缝在地应力作用下闭合的情况发生。反复对井筒及复杂裂缝周围地层进行甲烷原位燃爆压裂，能进一步促进复杂裂缝增长，进而能在页岩储层内形成高度复杂的立体裂缝网络。
36.本发明中，先向井筒内投放气态助燃剂，与页岩储层中的甲烷混合形成甲烷-气态助燃剂混合物，进而利用井筒内甲烷-气态助燃剂混合物原位燃爆在井筒周围形成初始裂缝，制造出储层内甲烷燃爆空间，再向复杂裂缝内投放固态助燃剂颗粒，与页岩储层中的甲烷混合形成甲烷-固态助燃剂混合物，继而通过井筒内的甲烷-气态助燃剂混合物燃爆引爆裂缝内甲烷-固体助燃剂颗粒混合物，最终实现了井筒-地层内甲烷的多重原位燃爆压裂。该方法以页岩储层中的甲烷作为燃料，通过在地面向井筒和复杂裂缝内投放不同类型的助燃剂，与页岩储层内的甲烷进行原位混合，从而将传统的燃爆压裂的作业范围从井筒拓展到页岩储层裂缝内，实现了甲烷原位燃爆与储层改造技术的相结合，同时，这种方式还可以最大程度的发挥甲烷原位燃爆的威力，进而能显著提高对储层岩石的致裂效果。
附图说明
37.图1是本发明中压裂井段的划分示意图；
38.图2是本发明中井下压裂工具的布置结构示意图；
39.图3是本发明中向井筒投放气态助燃剂的示意图；
40.图4是本发明中井筒甲烷原位燃爆压裂的示意图；
41.图5是本发明中向复杂裂缝中投放固体助燃剂颗粒的示意图；
42.图6是本发明中井筒内甲烷与裂缝内甲烷多重原位燃爆压裂的示意图；
43.图7是本发明中页岩储层内甲烷多重原位燃爆压裂整体效果示意图。
44.图中：1、页岩储层，2、井筒，3、第一段压裂井段，4、第二段压裂井段，5、第三段压裂井段，6、桥塞，7、连续油管，8、压裂工具，9、封隔器，10、水力锚，11、氧气，12、甲烷-氧气混合物，13、锚爪，14、复杂裂缝，15、超临界co
2-高猛酸钾颗粒混合物，16、高锰酸钾颗粒，17、立体裂缝网络。
具体实施方式
45.下面结合附图对本发明作进一步说明。
46.如图1至图7所示，本发明提供了一种页岩储层甲烷多重原位燃爆压裂方法，包括连续油管7、水力锚10、封隔器9、压裂工具8、地面点火装置和桥塞6；所述连续油管7内置电缆，所述水力锚10上连接有锚爪13，所述压裂工具8内置点火电极；水力锚10、封隔器9和压裂工具8由前到后依次连接在连续油管7的末端；所述地面点火装置设置在地面上；
47.该方法具体包括以下步骤；
48.步骤一：准备工作，具体步骤如下：
49.s11：根据页岩储层1地质参数与测井数据，确定需要进行压裂的井段；
50.s12：按照从井底到井口的顺序对压裂井段进行分段编号，依次为第一段压裂井段3、第二段压裂井段4、第三段压裂井段5、
……
、第n段压裂井段；压裂井段可以连续布置，也可以非连续布置，作为一种优选，本技术优选为非连续布置的方式，即各压裂井段之间存在一定的间距，同时，压裂井段的数量至少不低于3段，如图1和图2所示；
51.s13：向井筒2内输送桥塞6，使桥塞6坐封在第一段压裂井段3的末端，从而封堵第一段压裂井段3至井筒末端之间的区域，以防止井筒2内的助燃剂进入该区域；为了提高封堵效果，所述桥塞6的承压能力不低于200mpa。
52.s14：如图2所示，使用连续油管7将压裂工具8下放到第一段压裂井段3末端，并使点火电极通过电缆与地面点火装置连接，进而可以方便的通过地面点火装置来启动点火电极；
53.步骤二：投放气态助燃剂；
54.通过连续油管7向井下的压裂工具8投放气态助燃剂，使气态助燃剂由压裂工具8的喷嘴进入井筒环空后与甲烷混合，形成甲烷-气态助燃剂混合物；作为一种优选，为了使助燃效果更理想，所述气态助燃剂为氧气11，如图3所示。在投放气态助燃剂的同时，使连续油管7按照一定的速度向上回收，从而拖动压裂工具8向井口方向移动；作为一种优选，为了进一步提高气态助燃剂在压裂井段布置的均匀性，并能进一步增加甲烷与气态助燃剂的混合程度，所述连续油管7的回收速度为0.5～1.0m/s。当压裂工具8即将离开当前压裂井段时，停止对连续油管7的回收作业，以在第一段压裂井段3内充满如图2所示的甲烷-氧气混合物12。
55.步骤三：井筒2燃爆压裂作业，具体步骤如下：
56.s31：在停止回收连续油管7后，提高气态助燃剂的注入压力，如图4所示，随着氧气11注入压力的增加，水力锚10的锚爪13在流体压力作用下会伸出，进而可以利用流体压力的作用使水力锚10的锚爪13向外伸出并嵌入井壁中，以对压裂工具8和连续油管7进行固定，并对燃爆过程中压裂工具8的移动进行限制；同时，利用流体压力的作用使与压裂工具8连接的封隔器9膨胀并坐封在井壁上，以在封隔器9与桥塞6之间形成密闭空间；作为一种优选，为了确保封堵效果，封隔器9的承压能力不低于200mpa。
57.图4中示意出了随着氧气11注入压力增加的同时，水力锚10的锚爪13在流体压力作用下向外伸出的状态。
58.s32：通过压裂工具8内的点火电极对井筒2内的甲烷-气态助燃剂混合物进行电击点火，当气态助燃剂为氧气11时，电击点火的对象为甲烷-氧气混合物12，使甲烷-气态助燃
剂混合物在当前压裂井段内发生原位燃爆；利用甲烷-气态助燃剂混合物燃爆产生的瞬时高压对井筒周围地层进行冲击致裂，并在页岩储层内形成冲击裂缝，同时，在燃爆过程中，形成的冲击裂缝克服地应力的限制并沿着井筒2不同方位进行扩展，在井筒2周围形成多条放射状的冲击裂缝；
59.步骤四：井筒2重复燃爆压裂作业；
60.利用下放连续油管7的方式将压裂工具8重新下放到当前压裂井段的末端，然后重复进行步骤二和三，以对当前压裂井段实施重复燃爆压裂；作为一种优选，为了能确保形成高度复杂的裂缝网络，在第一压裂井段3内重复进行步骤二和三3～4次，以反复实施井筒甲烷原位燃爆，利用甲烷-气态助燃剂混合物多次燃爆的高压作用反复冲击井筒2周围的地层，进一步增加井筒2周围裂缝延伸范围和复杂性，以最终在井筒2周围形成如图4所示的形成复杂裂缝14，并为后续储层甲烷燃爆提供空间；
61.步骤五：投放固态助燃剂；
62.利用超临界co2将固态助燃剂颗粒输送到步骤四所形成的复杂裂缝14内，当超临界co2流体与其所携带的固态助燃剂颗粒进入复杂裂缝14后，超临界co2的流速的会迅速下降，固态助燃剂颗粒开始在裂缝内沉降；作为一种优选，为降低井筒和裂缝内固体颗粒堵塞的风险，所述超临界co2压力大于地层的裂缝延伸压力；如图5所示，所述固态助燃剂颗粒优选为高锰酸钾颗粒16，且其颗粒直径为0.147～0.210mm。这样，能利用超临界co2流体将页岩基质上的吸附态甲烷置换成游离态，以增加裂缝内甲烷的浓度，提高后续燃爆强度；在固态助燃剂颗粒投放完毕后，裂缝内形成甲烷-固态助燃剂颗粒混合物；
63.为了使高锰酸钾颗粒能更精准的投放到所有的复杂裂缝中，在该过程中，可以先将高锰酸钾颗粒16与超临界co2在地面进行充分混合形成超临界co
2-高猛酸钾颗粒混合物15，然后再通过连续油管7将超临界co
2-高猛酸钾颗粒混合物15输送到步骤四中所形成的复杂裂缝14内。作为一种优选，为了提一步提高对高猛酸钾颗粒的输送效果，所述超临界co
2-高猛酸钾颗粒混合物15中高锰酸钾颗粒16的体积分数低于15％；
64.步骤六：井筒-裂缝甲烷多重燃爆压裂作业；
65.先按照步骤二中的方式继续向井筒2内投放气态助燃剂，再按照步骤三中的方式进行井筒燃爆压裂作业；利用井筒2内甲烷-气态助燃剂混合物燃爆产生的高温高压气体引爆复杂裂缝14内的甲烷-固态助燃剂颗粒混合物，继续进行复杂裂缝14内甲烷原位燃爆压裂；在井筒2和复杂裂缝14内甲烷多重原位燃爆作用下，促使已有的裂缝会继续扩展延伸，形成更大尺度的复杂缝网；该过程中，利用裂缝内甲烷与固态助燃剂颗粒燃爆所产生的固态反应物来增加裂缝张开度，以防止裂缝在地应力作用下闭合；当固态助燃剂采用高猛酸钾颗粒16时，裂缝内的甲烷与高猛酸钾颗粒16在燃爆后还会产生锰酸钾和二氧化锰等固态反应物，这些固态反应物可填充到已形成的裂缝内，起到类似于“支撑剂”的作用，防止燃爆压裂之后裂缝会在地应力作用下闭合。
66.步骤七：在页岩储层1内形成高度复杂的立体裂缝网络17；
67.重复进行步骤五和六，持续对井筒2及复杂裂缝14周围地层进行不同类型的甲烷原位燃爆压裂，在井筒-裂缝甲烷多重原位燃爆压裂作用下，促进页岩储层1内的裂缝不断延伸、增长，复杂性不断提高，直至在页岩储层1内形成高度复杂的立体裂缝网络17，如图6所示；
68.作为一种优选，为了保证形成的立体裂缝网络可以有更大的扩展范围和更高的复杂程度，重复步骤五和六的次数不低于3次。
69.步骤八：完成整个井筒2的甲烷多重原位燃爆压裂作业；
70.将压裂工具8移动到下一压裂井段，依次在第二段压裂井段4和第三段压裂井段5内重复进行步骤二至七，直至完成所有待压裂井段中页岩储层1的甲烷多重原位燃爆压裂作业，可以在井筒2不同位置、沿井筒2不同位置产生多组复杂立体裂缝网络17，如图7所示，从而完成整个页岩气井的压裂改造作业。
71.在本发明中的页岩储层甲烷原位燃爆工艺，充分考虑了不同空间内甲烷的赋存特性。当甲烷由页岩储层解吸到井筒后，由于井筒空间较大、形状规则，而且压裂工具可以通过连续油管等装置下放到井筒内，在进行井筒内助燃剂投放时，首要考虑甲烷能与助燃剂在较大的空间内进行充分混合，并能保证混合的均匀性。为确保井筒内甲烷的体积分数在燃爆极限范围之内，综合考虑甲烷密度、流动特性等因素，首选气态助燃剂投放到井筒内。如若在井筒内使用固态助燃剂，在投放过程中井筒内容易发生固体颗粒沉降和堵塞等有害现象，易导致压裂工具被卡在井筒内，这样，不仅无法进行甲烷原位燃爆压裂，甚至还会影响页岩气井后期的生产作业。若在井筒内投放液态助燃剂，由于甲烷与液态助燃剂之间存在密度差，液态助燃剂会沉降在井筒下部，而甲烷则会浮在井筒上部，从而会发生二者相互分离的现象，这对井筒内甲烷原位燃爆十分不利。
72.而对于储层裂缝内的狭窄空间而言(裂缝宽度不足一厘米)，流体在裂缝内的流动状态以层流为主，甲烷不易与气态助燃剂混合。此外，当向裂缝内投放气态助燃剂时，甲烷极易被气态助燃剂驱替到井筒，会使裂缝内甲烷的体积分数降低，甚至无法达到燃爆条件。因此，在本发明中，裂缝内选择投放固态助燃剂颗粒，这能有效降低裂缝内助燃剂占据的空间，并能增大裂缝内甲烷体积浓度。而且，甲烷还能进入固态助燃剂颗粒之间的缝隙内，与固态助燃剂充分接触，从而能够保证后续的燃爆效果。