本發(fā)明屬于煤層氣開采技術領域，具體涉及一種單井多層多次拖動式氮氣震動壓裂工藝。

背景技術：

壓裂技術作為煤層氣開發(fā)過程中的一項關鍵增產技術，其重要性在于對產層的改造以提高煤巖儲層的滲流能力，當前水力壓裂仍舊占據(jù)主導地位。但煤儲層中有時含有大量的黏土礦物，特別是高嶺石和伊利石的存在，該種硅鋁酸鹽礦物會貼附于顆粒表面或充填于粒間孔隙內，易于水結合膨脹，堵塞孔隙和喉道，尤其是在細小喉道中影響最大，從而降低孔隙度和滲透率，影響壓裂效果。

同時水力壓裂中的壓裂液會添加一定比例的化學試劑，易對環(huán)境造成一定的污染，此外煤層氣低產井、不產氣井及高產轉低產井較多，當前的重復壓裂、徑向井等增產解堵技術工藝復雜、投資較高，且增產效果有限，因此立足于我國地質背景、煤儲層物性特征的壓裂增產工藝及方法仍比較單一，新型的清潔壓裂增產方式亟需研發(fā)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了實現(xiàn)針對含有黏土礦物的煤儲層中的壓裂，解決煤層氣低產井、不產氣井及高產轉低產井的產能問題，以及對環(huán)境無影響的一種清潔壓裂方式，提供了一種單井多層多次拖動式氮氣震動壓裂工藝。

本發(fā)明采用如下技術方案：

一種單井多層多次拖動式氮氣震動壓裂工藝，采用地面投球、打壓、大排量注入氮氣、拖動的施工程序實現(xiàn)對含有黏土礦物的煤儲層的口井的每個目的層的多次震動壓裂。

震動壓裂工藝的具體施工步驟為：

1）排液及試壓

排液：下放油管至煤層氣井完井底部，啟動液氮泵車對井底進行氮氣排液洗井工作，清洗后的井底氣水混合物通過連續(xù)油管返出地面；

試壓：排液完成并待液氮泵車冷卻后，進行管匯試壓，若承壓并穩(wěn)壓一定時間后無壓降，則試壓合格；其中，穩(wěn)壓值不小于60mpa，穩(wěn)壓時間不少于5min；

2）單層單次氮氣震動壓裂：連接震動壓裂工具串（5）并隨油管下放到指定目的層后，通過地面投球裝置進行一次投球，啟動液氮泵車將密封球運送到震動壓裂工具串（5）的震動觸發(fā)處，達到預定壓力后，球體破裂，高能氣體通過釋放裝置進入到目的儲層，隨即進行大排量注入氮氣，完成本次震動壓裂；

3）單層多次氮氣震動壓裂：在地面投球裝置處重復投球，按照上述步驟2）的壓裂步驟進行多次氮氣震動壓裂；

4）多層多次氮氣震動壓裂：在上一目的層壓裂完畢后，向上拖動震動壓裂工具串（5）的杯型封隔器到下一目的層，按步驟3）重復投球震動，實現(xiàn)多層多次氮氣震動壓裂。

所述的排液過程中，地面返排管線上安裝有回收罐及火炬，火炬單元距離井口不少于50m。

在地面投球裝置投球后，液氮泵車啟動時的排量為300m³/min；大排量注入時，排量不低于800m³/min。

密封球的預定壓力由密封球與震動壓裂工具串球座之間的匹配性決定，預定壓力與測試壓力誤差不超過10mpa。

一種完成單井多層多次拖動式氮氣震動壓裂工藝的作業(yè)系統(tǒng)，包括液氮泵車、連續(xù)油管車、注入頭和震動壓裂工具串，液氮泵車的氮氣輸出管路分為兩組，一組依次經(jīng)連續(xù)油管車、注入頭后進入震動壓裂工具串，第二組直接通過油管接入井底。

所述液氮泵車組氮氣輸出管路與連續(xù)油管車之間的連接管路以及井底管路管匯后外接有回收池。

所述的震動壓裂工具串包括由上到下依次連接的上封隔單元、震動觸發(fā)單元、能量釋放單元、壓力記錄單元、下封隔單元和導向引鞋，震動觸發(fā)單元完成對投球密封球的震動，能量釋放單元完成對密封球爆裂所產生的高能氣體的釋放，上封隔單元的頂端通過連續(xù)油管與地面壓裂車泵車連接。

所述的上封隔單元和下封隔單元分別至少包括兩組杯型封隔器，上封隔單元的兩組杯型封隔器的皮碗開口向下，下封隔單元的兩組杯型封隔器的皮碗開口向上，上封隔單元和下封隔單元構成對高能氣體的密封單元。

所述的震動觸發(fā)單元是一個具有緩沖性能的錐形球座，錐形球座的兩端通道寬、中間通道窄，中間窄通道直徑小于投球密封球直徑，兩端寬通道直徑大于投球密封球直徑。

所述能量釋放單元是一個兩側各有一個泄壓孔的短節(jié)。

所述壓力記錄單元包括承載體和存儲式壓力傳感器，承載體采用實心油管，存儲式壓力傳感器安裝于實心油管端頭。

所述密封球的直徑為38.1mm或34.9mm。

本發(fā)明具有如下有益效果：

（1）本發(fā)明采用氮氣作為壓裂介質，可實現(xiàn)對含有黏土礦物的煤儲層中的壓裂；

（2）本發(fā)明能夠補國內煤層氣在氮氣震動壓裂領域的一項空白，單井多層多次拖動式氮氣震動壓裂工藝的研發(fā)，可以實現(xiàn)每口井的每個目的層均實現(xiàn)了多次震動壓裂，既節(jié)省了時間，也降低了工具串的消耗強度；

（3）震動壓裂工具串的震動觸發(fā)單元能實現(xiàn)對密封球的震動觸發(fā)作用，震動及大排量注入氮氣釋放的高能氣體，能夠在煤基質中發(fā)展異常微裂縫網(wǎng)絡系統(tǒng)并與原始裂隙溝通，提高煤儲層滲透率，有效解決煤層氣低產井、不產氣井及高產轉低產井的產能問題，解除近井地帶阻塞，疏通產氣通道；

（4）壓裂中不添加任何化學試劑，返排的氮氣對環(huán)境也不造成任何污染，是一種清潔的壓裂方式。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的作業(yè)施工流程圖；

圖2為震動壓裂工具串的結構示意圖；

圖3為震動觸發(fā)單元的結構示意圖；

圖4為能量釋放單元的結構示意圖；

圖中：1-液氮罐車、2-液氮壓裂車、3-連續(xù)油管車、4-注入頭、5-震動壓裂工具串、6-節(jié)流管匯、7-回收池（泥漿池）、①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩-閥門；

51-上封隔單元、52-震動觸發(fā)單元、53-能量釋放單元、54-壓力記錄單元、55-下封隔單元、56-導向引鞋、57-母扣、58-錐形球座、59-公扣、60-泄壓孔。

具體實施方式

結合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明：

本發(fā)明的施工流程如圖1所示，完成氮氣震動壓裂工藝的作業(yè)系統(tǒng)包括液氮泵車組、連續(xù)油管車3、注入頭4和震動壓裂工具串5，液氮泵車的氮氣輸出管路分為兩組，一組依次經(jīng)連續(xù)油管車3、注入頭4后進入震動壓裂工具串5，第二組直接通過油管接入井底。所述液氮泵車組氮氣輸出管路與連續(xù)油管車3之間的連接管路以及井底管路管匯后外接有回收池。其中，液氮泵車至少設置兩組，包括相連接的液氮罐車1和液氮壓裂車2。管路之間可通過三通連接，在圖1管路中的①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩位置處分別設有控制管路通斷的球閥閥門。

所述的震動壓裂工具串5的結構如圖2所示，包括由上到下依次連接的上封隔單51、震動觸發(fā)單元52、能量釋放單元53、壓力記錄單元54、下封隔單元55和導向引鞋56，震動觸發(fā)單元52完成對投球密封球的震動，能量釋放單元53完成對密封球爆裂所產生的高能氣體的釋放，上封隔單元51的頂端通過連續(xù)油管與地面壓裂車泵車連接。該裝置能滿足震動、釋放兩項主要內容，且釋放出的氣體能進入到目的層位，各單元所起的作用如下：

1）上、下杯型封隔器單元

上封隔單元51和下封隔單元55分別至少包括兩組杯型封隔器，上封隔單元51的兩組杯型封隔器的皮碗開口向下，下封隔單元55的兩組杯型封隔器的皮碗開口向上，上封隔單元51和下封隔單元55構成對高能氣體的密封單元。上封隔器的作用是當震動觸發(fā)單元動作，高壓氣體（n2）由連續(xù)油管向上下封隔器之間釋放時，阻止氣體向上泄漏的密封單元，下封隔器的作用是當震動觸發(fā)單元動作，高壓氣體（n2）由連續(xù)油管向上下封隔器之間釋放時，阻止氣體向下泄漏的密封單元。

2）震動觸發(fā)單元

如圖3所示，該單元的設計為一個具有緩沖性能的錐形球座，錐形球座的兩端通道寬、中間通道窄，中間窄通道直徑小于投球密封球直徑，兩端寬通道直徑大于投球密封球直徑。在未投球前，因錐形球座只是一個縮徑的通道，允許氮氣n2自連續(xù)油管向杯形封隔器之間及煤層（套管已射孔）流動或擴散；在投球后，密封球卡于錐形球座的中間窄通道處，阻止了n2向下擴散的通道，使地面壓裂泵車及該震動觸發(fā)單元形成密閉空間，在地面壓裂泵車的作用下，這個密閉單元儲存高壓氮氣n2，當?shù)獨鈔2壓力達到額定值時，使得密封球體爆裂，連續(xù)油管及地面泵車系統(tǒng)中儲存的高壓n2向煤儲層釋放（上下封隔器的作用），形成瞬間高壓震動，從而改造儲層。

3）能量釋放單元

能量釋放單元的結構如圖4所示，主要為一個兩側各有一個泄壓孔的短節(jié)，當球體破裂時，高壓氮氣通過該泄壓孔進入目的層，引起近井地帶的震動，從而形成新的裂縫，改造儲層。

4）壓力記錄單元

壓力記錄單元是在能量釋放單元的下部，位于下封隔器之上，其中包括一段壓力記錄短節(jié)，擬采用一小段實心油管作為壓力記錄設備的承載體，安裝存儲式壓力傳感器，以測量、記錄并保存在震動壓裂過程中井底壓力的變化情況，便于后期數(shù)據(jù)分析及不同井氮氣震動壓裂試驗成果的比較。

5）密封球的設計

用于坐封及開啟的密封球是最關鍵的一個部件，要求該密封球具有一定的抗壓能力，采用特殊的材料制成，既有抗壓能力又能在指定的壓力范圍內爆裂從而開啟氣體通道，坐封球的大小選擇11/2″（38.1mm）或13/8″（34.9mm）。密封球為成熟產品，只需要根據(jù)煤層條件選擇合適抗壓值和直徑的密封球即可。

震動壓裂工具串的使用原理如下：

1）井口投球

氮氣震動壓裂過程中，先通過連續(xù)油管自井口向井下的該壓裂裝置進行投球，同時注入高能氣體（n2）。

2）投球到位，持續(xù)加壓

當投球到位（即錐形球座處）后，震動觸發(fā)單元阻止了高能氣體（n2）向下擴散，使地面壓裂車及震動觸發(fā)單元形成密閉空間，在地面壓裂車的作用下，密閉震動觸發(fā)單元儲存高壓氣體（n2）。

3）高壓震動，改造儲層

當高壓氣體（n2）壓力達到額定值時球體爆裂，連續(xù)油管及地面泵車系統(tǒng)中儲存的高壓氣體（n2）向煤儲層釋放（上、下封隔器的作用），形成瞬間高壓震動，從而改造儲層。

4）壓力記錄

采用一小段實心油管作為壓力記錄設備的承載體，安裝存儲式壓力傳感器，以測量、記錄并保存在震動壓裂過程中井底壓力的變化情況，便于后期數(shù)據(jù)分析及不同井氮氣震動壓裂試驗成果的比較。

本發(fā)明具體的震動壓裂工藝步驟如下：

1）排液及試壓：

排液：在連續(xù)油管下入距離底部約2m位置——起動一組壓裂泵車，打開閥門②③⑥⑩，關閉閥門①④⑤，由壓裂車泵出的高壓氮氣通過閥門③以低排量向油管和套管環(huán)空注入氮氣——井底的氣水混合物通過連續(xù)油管返出地面，通過閥門⑩②進入節(jié)流管匯，經(jīng)過節(jié)流管匯的限流后經(jīng)閥門⑥排入泥漿池形成氣舉排水。

在排水的過程中應該利用節(jié)流閥來控制回流，當排水口水量減小氣量增大時，打開閥門⑤，關閉閥門⑥，使回流氣體從火炬處釋放，當確認回流中無水及雜物時應停止氮氣泵車注入，保持管路系統(tǒng)進行泄壓，泄壓后將連續(xù)油管提出井外。

試壓：將氮氣壓裂車冷卻后，對所有管線進行氮氣壓力測試，關閉①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩閥門，打開①②閥門，緩慢起壓，觀察壓力變化及各連接部位密封情況，確認無明顯漏氣后，繼續(xù)打壓到70mpa，停泵5min后，確認壓力平穩(wěn)無泄漏后，打開閥門⑤控制放壓。

2）單層單次氮氣震動壓裂：起動一組壓裂泵車，打開閥門①④⑩，關閉閥門②③⑤⑥，在⑦⑧⑨閥門位置處投球，由壓裂車泵出的高壓氮氣以低排量通過閥門①⑩進入連續(xù)油管車，將球泵送到錐形球座處，壓力逐漸升高，當達到預定壓力且連續(xù)油管車里監(jiān)測到的壓力突降時，啟動另一組氮氣壓裂泵車，兩臺泵車同時向連續(xù)油管車供高壓氮氣，并以大排量（不低于800m³/min）通過連續(xù)油管向目標煤層注入，直到把全部氮氣注完，停泵。

3）單層多次氮氣震動壓裂：通過⑦⑧⑨閥門位置進行重復投球，在投球過程中應以300m3/min的排量往下送球，后續(xù)重復單層單次氮氣震動壓裂的步驟。

4）多層多次氮氣震動壓裂：計算好下一目的層位置，向上拖動杯型封隔器到目的層位，開始重復單層多次氮氣震動壓裂步驟，完成后繼續(xù)向上拖動到下一目的層位，開始壓裂，直至所有目的層壓裂完成為止。

本發(fā)明施工工藝過程中，需符合以下安全要求：

1、施工現(xiàn)場嚴禁煙火，現(xiàn)場應配備滅火器等消防設施；

2、火炬要能夠及時對高能氮氣泄壓，節(jié)流管匯要有固定的和可調的全通徑旁通，且所有管匯要匯集到距離井口50m的火炬單元；

3、井場要有排污回收罐，出井液要全部進入其中；

4、施工中注意井噴、井口刺漏，注意周邊生產井、村莊等，做好相關井控工作。