基于气液驱动脉冲的压裂方法

1.本发明属于油气田压裂开采技术领域，尤其涉及一种基于气液驱动脉冲的压裂方法。


背景技术：

2.低渗透油藏的岩石致密，孔隙度较小，流体的阻力较大，使得在实际开采过程中的开采产能与采收率都比较低。目前为了保证低渗透油藏的产量与质量，通常采用水力压裂技术对储层进行改造以提高储层渗透率。
3.水力压裂技术是指利用地面高压泵，通过井筒向油层挤注具有较高粘度的压裂液，当注入压裂液的速度超过油层的吸收能力时，则在井底油层上形成很高的压力，当这种压力超过井底附近油层岩石的破裂压力时，油层将被压开并产生裂缝，继续不停地向油层挤注压裂液，裂缝就会继续向油层内部扩张，为了保持压开的裂缝处于张开状态，接着向油层挤入带有支撑剂的携砂液，携砂液进入裂缝之后，一方面可以使裂缝继续向前延伸，另一方面可以支撑已经压开的裂缝使其不致于闭合，然后使压裂液破胶降解为低粘度流体流向井底，在油层中留下一条或多条长、宽、高不等的裂缝，使油层与井筒之间建立起一条高导流能力通道。
4.但是这种压裂方式只能形成长直水平缝，造缝单一，对于低渗透储层的改造效果不佳。


技术实现要素：

5.针对现有技术的上述缺陷或不足，本发明提供了一种基于气液驱动脉冲的压裂方法，旨在解决现有的水力压裂技术对于低渗透储层的改造效果不佳的技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种基于气液驱动脉冲的压裂方法，其中，基于气液驱动脉冲的压裂方法包括：
7.对目标地层试样进行模拟实验；
8.根据目标地层的地质信息以及模拟实验结果确定最佳施工方案；
9.根据最佳施工方案控制液态气体增压器对目标地层进行第一脉冲压裂操作，以及在第一压裂操作完成后控制液体增压器对目标地层进行第二脉冲压裂操作；
10.交替重复第一脉冲压裂操作和第二脉冲压裂操作，以形成立体压裂缝网。
11.在本发明实施例中，根据目标地层的地质信息以及模拟实验结果确定最佳施工方案包括：
12.根据目标地层的地质信息确定最佳施工方案中的气液压裂方式；
13.在模拟实验结果中选取最佳模拟实验结果，并将最佳模拟实验结果所对应的模拟实验参数确定为理想实验参数；
14.根据预设规则和理想实验参数确定最佳施工方案中的实际施工参数。
15.在本发明实施例中，利用多因素模糊决策方法在模拟实验结果选取最佳模拟实验
结果。
16.在本发明实施例中，预设规则的计算公式为：
[0017][0018]
其中，s1为理想实验参数，s2为实际施工参数，k1和k2均为常量。
[0019]
在本发明实施例中，气液压裂方式包括同时压裂、分层压裂和单层压裂，实际施工参数包括液态气体增压器和液体增压器的排量、液态气体增压器的输出液态气体的密度、液体增压器的输出液体的粘度以及第一脉冲压裂操作和第二脉冲压裂操作的单次压裂时长。
[0020]
在本发明实施例中，压裂方法还包括：
[0021]
单独注入或在液体增压器的输出液体中混合注入支撑剂，其中，支撑剂包括有仿贻贝黏附因子。
[0022]
在本发明实施例中，压裂方法还包括：
[0023]
对目标地层的地应力和压力释放进行感知检测；
[0024]
根据感知检测结果对液态气体增压器和液体增压器进行反馈调节。
[0025]
在本发明实施例中，压裂方法还包括：
[0026]
对目标地层的污染深度进行检测；
[0027]
在压裂完成后，根据污染深度检测结果注入修复药剂。
[0028]
在本发明实施例中，液态气体增压器输出为具有第一脉冲频率的脉冲射流对目标地层进行第一脉冲压裂操作，液体增压器输出为具有第二脉冲频率的脉冲射流对目标地层进行第二脉冲压裂操作。
[0029]
在本发明实施例中，液态气体增压器的输出液态气体为液氮或者液态二氧化碳，和/或液体增压器的输出液体为清水。
[0030]
在本发明实施例中，地质信息包括：岩石力学性质指标、地应力、孔隙度和渗透率。
[0031]
通过上述技术方案，本发明实施例所提供的基于气液驱动脉冲的压裂方法具有如下的有益效果：
[0032]
上述技术方案中，利用模拟实验确定最佳施工方案，在压裂过程中根据最佳施工方案先控制液态气体增加器对目标地层进行第一脉冲压裂操作，然后在第一压裂操作完成后控制液体增压器对目标地层进行第二脉冲压裂操作，并如此交替重复第一脉冲压裂操作和第二脉冲压裂操作，由于使用液态气体和液体的脉冲射流对目标地层进行交替重复压裂，裂隙延伸长，连通效果好，并且脉冲射流由峰值压力与谷底压力构成周期性的脉冲波可以建立振动场，在目标地层内产生张压应力和剪切应力，从而能够沿不同方向形成张性裂缝和剪切裂缝交错的立体压裂缝网，造缝形式多样，可以达到有效提高低渗透储层的改造效果的目的。此外，利用液态气体和液体的交替压裂，并且液态气体压裂在液体压裂之前，则在液态气体汽化之后还可以促进压裂液的返排，以达到减少储层损害的目的。
[0033]
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0034]
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下
面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
[0035]
图1是根据本发明一实施例的基于气液驱动脉冲的压裂方法的流程图；
[0036]
图2是根据本发明一实施例的基于气液驱动脉冲的压裂方法中的步骤200的流程图。
具体实施方式
[0037]
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
[0038]
需要说明，若本技术实施方式中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0039]
另外，若本技术实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
[0040]
图1示意性示出了根据本发明一实施例的基于气液驱动脉冲的压裂方法的流程图。如图1所示，在本发明提供了一种基于气液驱动脉冲的压裂方法，其中，基于气液驱动脉冲的压裂方法包括以下步骤：
[0041]
步骤100，对目标地层试样进行模拟实验。
[0042]
具体地，可以利用目标地层的地质信息制作目标地层试样，在目标地层试样的顶面中心位置上钻取一定长度的井眼，将模拟井筒用固井胶固结在井眼中，模拟井筒上可以配有密封橡胶圈，井筒长度略短于井眼，例如：井眼长度为13cm时，井筒长度可以设置为12cm。此外，模拟实验可以采用大型真三轴物理模拟实验系统，对目标地层试样加载三轴围压，并对目标地层试样进行气液脉冲压裂模拟实验，并且压裂液中可加入一定量的荧光粉作为裂缝扩展的示踪剂，压开裂缝后注入支撑剂，观测裂缝扩展形态和支撑剂的运移分布特征。更具体地，目标地层试样可以取自原位土样与天然露头制作。通过在室内实验条件下进行先期实验，模拟现场压裂情况，利用所得施工参数进行优选，给现场施工提供更可靠的参考，节约施工成本。
[0043]
步骤200，根据目标地层的地质信息以及模拟实验结果确定最佳施工方案。
[0044]
具体地，可以制作多个目标地层试样，并预设多组模拟施工参数以分别对多个目标地层试样进行模拟实验，并能够根据多个目标地层试样的模拟实验结果能够确定出最佳的模拟施工参数，则通过目标地层的地质信息和最佳的模拟施工参数能够确定实际的最佳施工方案。
[0045]
步骤300，根据最佳施工方案控制液态气体增压器对目标地层进行第一脉冲压裂操作，以及在第一压裂操作完成后控制液体增压器对目标地层进行第二脉冲压裂操作。
[0046]
具体地，在确定好最佳施工方案后，将钻具下入至目标地层，钻具的上部设置有压
裂液出口和连接帽，并连接有压裂设备，压裂设备包括气罐、液罐、支撑剂罐、混砂罐、脉冲器、设置为液态气体增压器的气压泵、设置为液体增压器的水压泵以及自动控制及采集系统，自动控制及采集系统可以根据最佳施工方案控制气压泵输出液态气体的脉冲射流对目标地层进行第一脉冲压裂操作，在第一次第一脉冲压裂操作完成后可以继续控制水压泵输出液体的脉冲射流对目标地层进行第二脉冲压裂操作，并且自动控制及采集系统还可以在变量工况下实现气液转换自适应控制程序以能够完成气液压裂的连续混输。
[0047]
步骤400，重复第一脉冲压裂操作和第二脉冲压裂操作，以形成立体压裂缝网。
[0048]
上述技术方案中，利用模拟实验确定最佳施工方案，在压裂过程中根据最佳施工方案先控制液态气体增加器对目标地层进行第一脉冲压裂操作，然后在第一压裂操作完成后控制液体增压器对目标地层进行第二脉冲压裂操作，并如此交替重复第一脉冲压裂操作和第二脉冲压裂操作，由于使用液态气体和液体的脉冲射流对目标地层进行交替重复压裂，裂隙延伸长，连通效果好，并且脉冲射流由峰值压力与谷底压力构成周期性的脉冲波可以建立振动场，在目标地层内产生张压应力和剪切应力，从而能够沿不同方向形成张性裂缝和剪切裂缝交错的立体压裂缝网，造缝形式多样，可以达到有效提高低渗透储层的改造效果的目的。此外，利用液态气体和液体的交替压裂，并且液态气体压裂在液体压裂之前，则在液态气体汽化之后还可以促进压裂液的返排，以达到减少储层损害的目的。
[0049]
图2示意性示出了根据本发明一实施例的基于气液驱动脉冲的压裂方法中步骤200的流程图。如图2所示，在本发明实施例中，步骤200，根据目标地层的地质信息以及模拟实验结果确定最佳施工方案包括：
[0050]
步骤210，根据目标地层的地质信息确定最佳施工方案中的气液压裂方式。
[0051]
具体地，根据目标地层的地质信息可以将地层划分为均质地层和非均质地层，由此，可以有针对性地对两种地层选用合适的气液压裂方式。
[0052]
步骤220，在模拟实验结果中选取最佳模拟实验结果，并将最佳模拟实验结果所对应的模拟实验参数确定为理想实验参数。
[0053]
步骤230，根据预设规则和理想实验参数确定最佳施工方案中的实际施工参数。
[0054]
此外，通过模拟实验可以获得多组模拟实验结果，则在多组模拟实验结果中可以选取最佳模拟实验结果，并可以将最佳模拟实验结果对应的模拟实验参数确定为理想实验参数。由于理想实验参数是在目标地层试样的基础上获得的，则根据预设规则对理想实验参数进行转换可以使之获得与目标地层相适应的实际施工参数。
[0055]
在本发明实施例中，利用多因素模糊决策方法在模拟实验结果选取最佳模拟实验结果。进一步地，通过将模拟实验的模拟施工参数和模拟实验结果建立多因素综合控制图版，采用多因素模糊决策方法进行评价，从而能够很好地处理类似模糊决策的问题，减少个人主观臆断。结合室内模拟实验结果，运用独立性权重系数法完善气液驱动压裂可压裂性评价指标体系，建立土层参数、施工参数与评价指标之间的关联模型，综合分析不同类型岩石物性、地层流体和天然裂隙系统等因素对压裂裂缝扩展特征的影响，建立多因素综合控制图版，采用离散元数值方法，优选关键评价参数，绘制多因素交汇分析图版。
[0056]
在本发明实施例中，预设规则的计算公式为：
[0057]
[0058]
其中，s1为理想实验参数，s2为实际施工参数，k1和k2均为常量。
[0059]
即可以在理想实验参数和实际施工参数之间建立相似度模型，以能够通过此模型准确地将理想实验参数转换为实际施工参数。此外，本发明还可以通过预先建立理想实验参数与实际施工参数之间的对应表格，然后根据获得的理想实验参数采用查表的方式获得相应的实际施工参数。
[0060]
在本发明实施例中，气液压裂方式包括同时压裂、分层压裂和单层压裂。其中，同时压裂适用于均质地层，可有效减小施工量，缩短工期，降低成本；分层压裂可以实现压裂靶向控制，对于上下地层储层物性不同，储层面积存在差异，可以针对性地进行压裂施工；单层压裂通过设置多口注入井对每一地层单独施工，针对性强但施工强度大。
[0061]
在本发明实施例中，实际施工参数包括液态气体增压器和液体增压器的排量、液态气体增压器的输出液态气体的密度、液体增压器的输出液体的粘度以及第一压裂操作和第二压裂操作的单次压裂时长。相应的模拟施工参数也包括排量、液态气体的密度、液体的粘度以及第一压裂操作和第二压裂操作的单次压裂时长。
[0062]
在本发明实施例中，压裂方法还包括：
[0063]
步骤500，单独注入或在液体增压器的输出液体中混合注入支撑剂，其中，支撑剂包括有仿贻贝黏附因子。
[0064]
具体地，通过将仿贻贝黏附因子与具有温度相变性能的高分子材料复合与搅拌，形成化学交联，通过回转炉加工工艺，实现支撑剂均匀覆膜。带有仿贻贝黏附因子的支撑剂具有高悬浮性(沉降时间提升30％)、高导流能力(压力导流性能提升50％)，总体应用成本低于国外同类覆膜支撑剂30％以上，并且利用仿贻贝黏附因子可以让支撑剂黏附在裂缝壁面上不容易被返排，以及在裂缝深处成团提高裂缝宽度及导流能力，实现复杂缝网靶向黏附与药剂高效导流。此外，支撑剂注入可分为压裂后单独注入与混合注入这两种方式，压裂后单独注入适用于脆性较强的岩石地层，防止堵塞微裂隙，影响压裂效果；混合注入适用于塑性较强的土壤地层，可有效防止压裂后注入支撑剂时裂缝闭合，支撑剂在缝内聚集堵塞裂缝。
[0065]
在本发明实施例中，压裂方法还包括：
[0066]
步骤600，对目标地层的地应力和压力释放进行感知检测。
[0067]
步骤700，根据感知检测结果对液态气体增压器和液体增压器进行反馈调节。
[0068]
具体地，可以采用mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)技术建立对目标地层的地应力和压力释放的感知反馈，在压裂设备的自动控制及采集系统获得感知检测结果后可以对液态气体增压器和液体增压器的单次压裂时长和射出的脉冲射流的脉冲频率进行反馈调节，从而可以在变工况的条件下进行适应性的调节，以使得进一步形成提升对低渗透储层的改造效果。需要特别说明的是，液态气体增压器和液体增压器的首次压裂时长以及首次脉冲频率可以是根据优选的模拟施工参数确定的。
[0069]
在本发明实施例中，压裂方法还包括：
[0070]
步骤800，对目标地层的污染深度进行检测。
[0071]
步骤900，在压裂完成后，根据污染深度检测结果注入修复药剂。
[0072]
具体地，可以采用mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)技术建立对目标地层的污染深度进行检测，在压裂设备的自动控制及采集系统获得污染深度检测
结果后可以控制注入目标地层的修复药剂的用量和浓度。更具体地，修复药剂的注入在支撑剂注入之后，以便于对污染土壤进行修复。
[0073]
在本发明实施例中，液态气体增压器输出为具有第一脉冲频率的脉冲射流对目标地层进行第一脉冲压裂操作，液体增压器输出为具有第二脉冲频率的脉冲射流对目标地层进行第二脉冲压裂操作。具体地，实际施工参数还可以包括第一脉冲压裂操作的脉冲射流的第一脉冲频率以及第二压裂操作的脉冲射流的第二脉冲频率，即第一脉冲频率和第二脉冲频率可以由模拟实验确定。更具体地，第一脉冲频率可以不等于第二脉冲频率，并且第一脉冲频率与第二脉冲频率在压裂过程中可以是动态变化的。
[0074]
在本发明实施例中，液态气体增压器的输出液态气体为液氮或者液态二氧化碳，和/或液体增压器的输出液体为清水。采用液态气体进行压裂易形成毛细裂隙与微裂隙，形成网状裂隙；液体压裂主要采用清水压裂，易于形成一条或多条主裂缝，延伸距离长、有效沟通面积广，从而通过气液交替压裂能够形成主裂缝和次生裂缝有效连通的立体缝网。此外，液态气体压裂对储层伤害较小，并且可以增加地层天然能量，二氧化碳还可作为驱替溶剂，可以有效地驱替储层中原油与游离的天然气，其驱替效率最高可超过80％，二氧化碳吸附性强，能够在提高产量和采收率的基础上实现二氧化碳的埋存。
[0075]
在本发明实施例中，地质信息包括：岩石力学性质指标、地应力、孔隙度和渗透率。
[0076]
本发明提供的基于气液驱动脉冲的压裂方法利用物理模拟实验获得所需施工参数，采用气液交替压裂技术对低渗透地层进行压裂形成复杂缝网，实现低渗透地层的立体高效增渗，并在压裂过程中将压裂液以有周期性的脉冲射流进行输出，形成主裂缝和次生裂缝有效联通的立体缝网，之后注入仿贻贝可控黏附自悬浮支撑剂，使支撑剂有效运移并均匀展布在裂缝内，实现支撑剂在复杂缝网内的靶向黏附，防止裂缝闭合使裂缝保持高效导流的能力，则该压裂方法不仅能有效提高压裂裂缝与储层的沟通面积，而且能使压裂液有效返排，同时也能保证裂缝网络的长期有效导流能力，最终整体上实现低渗储层体积改造，提高压裂效果。
[0077]
实施例1
[0078]
本实例以煤层深度为957.6m-965.3m，垂厚度7.7m，临井最小井距623m为例，进行压裂方法的具体应用。
[0079]
步骤一：对目标地层试样进行模拟实验。
[0080]
步骤二：根据目标地层的地质信息以及模拟实验结果确定最佳施工方案。
[0081]
步骤三：根据已知地质信息钻井至目标层位，下套管完井并射孔，选择射孔段为959m-963m，射孔方式为螺旋射孔，连接压裂设备。
[0082]
步骤四：配置含有0.05％质量分数的减阻剂的滑溜水压裂液。
[0083]
步骤五：采用液态二氧化碳进行脉冲射流压裂，脉冲频率为15hz，压裂液量为15m3。
[0084]
步骤六：支撑剂与滑溜水经混砂泵混合后继续进行压裂，液态二氧化碳与混合液交替注入进行压裂，交替时间间隔为10min，排量为15m3/min。
[0085]
通过上述具体实例的具体应用，可以实现复杂缝网的压裂，形成较长较高导流能力通道的同时形成沟通微裂缝，并实现支撑剂在煤层中的有效铺置，同时二氧化碳与压裂液的混合注入也有效促进了压裂液的返排，在压裂投产后大幅降低产气周期，并提高了产
量。
[0086]
本发明应用于产建区的17口实验井后，产气量较老区提高了近10倍，平均单井产气量9712方/天，最高达20947方/天；水平井稳产20732方/天，最高5.5万方/天，见气周期由平均360天缩短至60天左右，大大提高了经济效益和开发效率。
[0087]
实施例2
[0088]
奉贤海湾科学实验场地处长江三角洲东南缘，地块区域地貌类型属滨海平原地貌类型。奉贤海湾科学实验场10m以浅地层主要由粘性土、粉质性土及淤泥质粉质粘土组成，整体含水率较高，土壤和地下水中主要污染物为苯系物，包括邻苯二甲酸二辛酯(dop)、苯并芘、二苯并蒽和苯并荧蒽，其中邻苯二甲酸二辛酯浓度为934mg/kg，苯并芘浓度为8.3mg/kg，二苯并蒽浓度为6.79mg/kg，苯并荧蒽浓度为56.8mg/kg，土壤修复厚度0～9m，土方量为19840m3。该实验场地采用本发明的方法进行修复治理。
[0089]
工程实施：
[0090]
(1)气液驱动脉冲压裂注射井布设和建立：根据已知地质信息开展室内气液驱动低渗土壤原位压裂物模实验，优选单层压裂与井口方位对目标层位实施压裂，采用直压静推的方式将钻具压入目标层位，其中该钻具外径58mm、内径24mm，可直接注液进行气液驱动压裂，下入深度8m，井口超出地面0.5m并配有旋转接头，旋转接头与压裂设备相连。
[0091]
(2)气液驱动脉冲压裂：钻杆钻头下入目标深度，通过压裂设备注射液氮与清水交替进行脉冲射流压裂，脉动频率为5hz，压裂液交替频率为3min，脉冲压裂每隔6m进行，测得破裂压力为2.8mpa，压裂完成后注入仿贻贝可控黏附自悬浮支撑剂防止裂缝闭合。
[0092]
(3)药剂注入和充分反应：压裂完成后，注入氧化药剂，药剂充分反应0.5、1.0、2.0个月后，检测土壤中苯系污染物含量，2个月后土壤中邻苯二甲酸二辛酯浓度为26.7mg/kg，苯并芘浓度为0.15mg/kg，二苯并蒽浓度为0.84mg/kg，苯并荧蒽浓度为6.1mg/kg，达到目标修复值。
[0093]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0094]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。