深部地层水平井大规模体积压裂方法

摘要

本发明涉及深部地层水平井大规模体积压裂方法，包括以下步骤：S1：从地面向下钻探竖井，竖井底端到达深部地层，对竖井进行第一次固井；S2：从竖井的底端钻探横向的水平井，水平井处于深部地层内，对水平井进行第二次固井；S3：配置不同粘度的滑溜水压裂液和变粒径的支撑剂；S4：水平井远离竖井的一端为末端，靠近竖井的一端为始端，按照从末端向始端的方向，使用射孔枪对水平井进行分段射孔；每完成一段井段的射孔之后，对该井段进行压裂施工，再使用可溶性桥塞封堵已射孔的井段，再进行下一井段的射孔；S5：所有井段射孔完成后，再对水平井依次进行返排试气、通井、冲砂、下泵操作。

权利要求

1.深部地层水平井大规模体积压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：从地面向下钻探竖井，竖井底端到达深部地层，对竖井进行第一次固井；

S2：从竖井的底端钻探横向的水平井，水平井处于深部地层内，对水平井进行第二次固井；

S3：配置不同粘度的滑溜水压裂液和变粒径的支撑剂；

S4：水平井远离竖井的一端为末端，靠近竖井的一端为始端，按照从末端向始端的方向，使用射孔枪对水平井进行分段射孔；

每完成一段井段的射孔之后，对该井段进行压裂施工，再使用可溶性桥塞封堵已射孔的井段，再进行下一井段的射孔；

S5：所有井段射孔完成后，再对水平井依次进行返排试气、通井、冲砂、下泵操作；

步骤S4射孔时使用射孔装置，所述射孔装置从后至前依次包括电缆、射孔部分、可拆卸的座封工具和可溶性桥塞，电缆连接地面电源，用于控制射孔装置工作；

射孔部分包括若干个射孔段以及连接在相邻射孔段之间的定位短节，每个射孔段包括起爆器和射孔枪，最前端的射孔枪的前端可拆卸地依次连接座封工具和可溶性桥塞；

所述射孔装置包括定位行进器，定位行进器包括限位部、转动电机和若干个支撑部，限位部包括沿着射孔装置的长度方向设置的若干个限位圈和一个设在射孔装置中部的固定圈，限位圈和固定圈均可拆卸地套设在射孔装置的外部；限位圈的外侧面设有一个从动齿轮，转动电机设置固定圈的外侧面上，并通过若干个主动齿轮对应连接若干个从动齿轮，进而带动限位圈转动，从而带动射孔装置传动角度；

支撑部连接在限位圈的外侧面，包括若干个沿射孔装置的周向均匀设置的伸缩腿，用于支撑射孔装置在水平井内移动位置。

2.根据权利要求1所述的深部地层水平井大规模体积压裂方法，其特征在于，步骤S1中，竖井的底端到达深部地层的上部；第一次固井具体为：先在竖井靠近井壁处放置竖井套管，再在竖井套管与竖井井壁之间注入水泥浆固井，提高竖井的强度。

3.根据权利要求2所述的深部地层水平井大规模体积压裂方法，其特征在于，步骤S2中，从竖井底端开始，倾斜向下钻探一段倾斜向下的连接井段，再沿着预先规划的水平井的延伸方向，横向钻探水平井段，水平井段处于深部地层的中部，连接井段与水平井段连接形成水平井；

第二次固井具体为：先在竖井套管的底端设置悬挂器，再在靠近水平井段的井壁处放置若干个水平段套管，再在连接井段的井壁处放置若干个倾斜的连接段套管，最外侧的连接段套管的顶端连接所述悬挂器，然后在水平段套管、连接段套管与水平井的井壁之间注入水泥浆固井。

4.根据权利要求1所述的深部地层水平井大规模体积压裂方法，其特征在于，所述不同粘度的滑溜水压裂液包括低粘滑溜水和中粘滑溜水；所述低粘滑溜水的粘度为2‑3mPa·s，砂比为5‑14wt%，降阻率大于70%，稠化剂浓度控制在0.05%以内；

所述中粘滑溜水的粘度为3‑5mPa·s，砂比为15‑40wt%，降阻率大于70%，稠化剂浓度控制在0.05‑0.1%以内。

5.根据权利要求1所述的深部地层水平井大规模体积压裂方法，其特征在于，所述变粒径的支撑剂包括第一支撑剂和第二支撑剂，第一支撑剂包括目数为70‑140目的石英砂，第二支撑剂包括目数为40‑70目的石英砂。

6.根据权利要求1所述的深部地层水平井大规模体积压裂方法，其特征在于，步骤S4中，射孔时，射孔枪处于所在的水平段套管的圆心处，射孔相位角为60°和180°，即射孔方向与竖直向下方向的夹角为±60°和±180°，每个射孔方向上的孔密度为12‑15孔/米。

7.根据权利要求4或5所述的深部地层水平井大规模体积压裂方法，其特征在于，步骤S4中，压裂施工具体为：使用注入泵按先后顺序依次向射孔后的井段内注入前置液、携砂液和顶替液；

前置液阶段注入低粘度滑溜水，前期排量在2‑5m³/min，后期排量为16‑18m³/min，排量稳定后，加入70‑140目石英砂的支撑剂；

携砂液阶段前期注入低粘度滑溜水，支撑剂采用70‑140目石英砂；后期注入中粘度滑溜水，支撑剂采用40‑70目石英砂，排量为16‑18m³/min；

顶替液阶段注入低粘度滑溜水，排量为16‑18m³/min。

8.根据权利要求1所述的深部地层水平井大规模体积压裂方法，其特征在于，所述伸缩腿远离射孔装置的一端设有带有弹簧的滚轮，另一端设有液压装置，用于控制伸缩腿的伸缩长度。

说明书

深部地层水平井大规模体积压裂方法

技术领域

[0001] 本发明属于深部地层煤层气开采技术领域，具体涉及深部地层水平井大规模体积压裂方法。

背景技术

[0002] 深部地层中蕴涵大量煤层气，是极其丰富的地下矿藏资源，深部地层煤层气的大规模开采有利于缓解人类能源紧张的现状。从深部地层中开采煤层气，首先要对钻井侧壁进行射孔，促进深部地层的裂隙形成及扩大，有利于后续煤层气采出，然后向钻井内注入压裂液，克服深部地层的较高的地层压力，压裂液从射孔中穿出，进入深部地层，进一步使得裂隙扩大、扩展，有利于后续煤层气采出。

[0003] 目前，深部地层的煤层气开采井大多采用竖井形式，在钻井内沿着竖直方向一次性射孔，统一射孔，对钻井的稳定性影响较大，一次射孔所形成的孔数量有限，各个孔组成的集体孔结构单一，进而使得射孔所形成的裂隙结构单一，不利于大规模体积压裂的实施，不利于大规模深部地层煤层气的开采。

发明内容

[0004] 针对上述问题，本发明提供深部地层水平井大规模体积压裂方法，包括以下步骤：

[0005] S1：从地面向下钻探竖井，竖井底端到达深部地层，对竖井进行第一次固井；

[0006] S2：从竖井的底端钻探横向的水平井，水平井处于深部地层内，对水平井进行第二次固井；

[0007] S3：配置不同粘度的滑溜水压裂液和变粒径的支撑剂；

[0008] S4：水平井远离竖井的一端为末端，靠近竖井的一端为始端，按照从末端向始端的方向，使用射孔枪对水平井进行分段射孔；

[0009] 每完成一段井段的射孔之后，对该井段进行压裂施工，再使用可溶性桥塞封堵已射孔的井段，再进行下一井段的射孔；

[0010] S5：所有井段射孔完成后，再对水平井依次进行返排试气、通井、冲砂、下泵操作。

[0011] 本发明在深部地层内创造性的采用水平井的形式，进行压裂和开采，水平井处于深部地层内，能够极大地扩大扩展射孔、压裂、开采的范围，更有利于实现大规模体积压裂。而传统的竖井受深部地层高度的限制，竖井自身的高度有限，竖井射孔后的裂隙非常容易集中在深部地层的某一小区域，延展性较差，严重限制了压裂规模。本发明对水平井采用由远到近地分段射孔、分段封堵的施工形式，有利于保持水平井的稳定。

[0012] 可选的，步骤S1中，竖井的底端到达深部地层的上部；第一次固井具体为：先在竖井靠近井壁处放置竖井套管，再在竖井套管与竖井井壁之间注入水泥浆固井，提高竖井的强度。

[0013] 可选的，步骤S2中，从竖井底端开始，倾斜向下钻探一段倾斜向下的连接井段，再沿着预先规划的水平井的延伸方向，横向钻探水平井段，水平井段处于深部地层的中部，连接井段与水平井段连接形成水平井；

[0014] 第二次固井具体为：先在竖井套管的底端设置悬挂器，再在靠近水平井段的井壁处放置若干个水平段套管，再在连接井段的井壁处放置若干个倾斜的连接段套管，最外侧的连接段套管的顶端连接所述悬挂器，然后在水平段套管、连接段套管与水平井的井壁之间注入水泥浆固井。

[0015] 可选的，步骤S3中，所述不同粘度的滑溜水压裂液包括低粘滑溜水和中粘滑溜水；所述低粘滑溜水的粘度为2‑3mPa·s，砂比为5‑14wt%，降阻率大于70%，稠化剂浓度控制在
0.05%以内；低粘滑溜水作为前置液和顶替液使用，能够减少对煤岩渗透性的伤害；

[0016] 所述中粘滑溜水的粘度为3‑5mPa·s，砂比为15‑40wt%，降阻率大于70%，稠化剂浓度控制在0.05‑0.1%以内。以上两种粘度的滑溜水均要求满足连续混配，稠化剂为胍胶及其衍生物、田菁胶及其衍生物等常规稠化剂。

[0017] 可选的，步骤S3中，所述变粒径的支撑剂包括第一支撑剂和第二支撑剂，第一支撑剂包括目数为70‑140目的石英砂，第二支撑剂包括目数为40‑70目的石英砂。

[0018] 可选的，步骤S4中，射孔时，射孔枪处于所在的水平段套管的圆心处，射孔相位角为60°和180°，即射孔方向与竖直向下方向的夹角为±60°和±180°，每个射孔方向上的孔密度为12‑15孔/米。

[0019] 本发明特别设计了上述射孔相位角，与竖直向下方向分别向左右两侧偏转60°和180°，形成四道射孔路径，使得裂缝扩展方向分别朝向两侧最大的水平地应力方向，使射孔后沿孔眼展开的裂缝始终在储层内延伸。经实践验证，这是对于正断层地应力的最佳射孔方向，不仅近井筒的裂缝重合面积较小，而且扩展方向较多，起裂压力也较小；对于逆断层，上述180°的射孔方向所形成的裂缝扩展，垂直于最小地应力，180°定向射孔在水平最大主应力方向上，扩展速度优于其他射孔方式。

[0020] 可选的，步骤S4射孔时使用射孔装置，所述射孔装置从后至前依次包括电缆、射孔部分、可拆卸的座封工具和可溶性桥塞，电缆连接地面电源，用于控制射孔装置工作；

[0021] 射孔部分包括若干个射孔段以及连接在相邻射孔段之间的定位短节，每个射孔段包括起爆器和射孔枪，最前端的射孔枪的前端可拆卸地依次连接座封工具和可溶性桥塞。

[0022] 由于每个井段的长度较长，本发明使用上述多级射孔部分，采用多级点火方式，每个起爆器控制对应的射孔枪射孔，并与下一级射孔枪电路相通，上一级射孔枪射孔后，井段内液体压力推动起爆器的开关杆向后运动，断开对应射孔枪的线路，并接通下一级射孔枪的线路。

[0023] 可选的，步骤S4中，压裂施工具体为：使用注入泵按先后顺序依次向射孔后的井段内注入前置液、携砂液和顶替液；

[0024] 前置液阶段主要注入低粘度滑溜水，前期排量在2‑5m³/min，后期排量为16‑18m³/min，排量稳定后，加入前置液塞，即加入70‑140目石英砂的支撑剂；携砂液阶段（主加砂阶段）前期注入低粘度滑溜水，支撑剂采用70‑140目石英砂，后期注入中粘度滑溜水，支撑剂采用40‑70目石英砂，排量为16‑18m³/min；顶替液阶段注入低粘度滑溜水，排量为16‑18m³/min。

[0025] 本发明将所述低粘滑溜水作为前置液和顶替液使用，砂比较低，能够减少对煤岩渗透性的伤害，避免储层（深部地层）污染，而且粘度较低，能提高施工排量，促进返排，增加压裂规模，有利于沟通形成复杂网状裂隙，从而释放更大产能。

[0026] 前置液塞及主加砂阶段的前期采用70‑140目支撑剂，降滤和打磨近井地带裂缝摩阻；主加砂阶段后期采用40‑70目支撑剂，提高裂缝导流能力，两种支撑剂配合使用，能够优化储层改造效果，增大煤层支撑裂缝长度与导流能力。

[0027] 在所述射孔装置下放的过程中，由于射孔装置为细长的杆状，其自身具有定位和行进都依靠油管或钻杆，定位不准确，行进不流畅，在射孔时自身也不够稳定，影响射孔准确性。本发明还提供了以下定位行进器，用于配合辅助射孔装置的移动和射孔。

[0028] 可选的，所述定位行进器包括限位部、转动电机和若干个支撑部，限位部包括沿着射孔装置的长度方向设置的若干个限位圈和一个设在射孔装置中部的固定圈，限位圈和固定圈均可拆卸地套设在射孔装置的外部；限位圈的外侧面设有一个从动齿轮，转动电机设置固定圈的外侧面上，并通过若干个主动齿轮对应连接若干个从动齿轮，进而带动限位圈转动，从而带动射孔装置传动角度；

[0029] 支撑部连接在限位圈的外侧面，包括若干个沿射孔装置的周向均匀设置的伸缩腿，用于支撑射孔装置在水平井内移动位置。

[0030] 进一步可选的，所述伸缩腿远离射孔装置的一端设有带有弹簧的滚轮，另一端设有液压装置，用于控制伸缩腿的伸缩长度。

附图说明

[0031] 图1为实施例1的钻井结构的示意图；

[0032] 图2为实施例1的射孔相位角的示意图；

[0033] 图3为实施例1的射孔装置的结构示意图；

[0034] 图4为实施例2的射孔装置的结构示意图；

[0035] 图5为实施例2的射孔装置的立体示意图。

[0036] 附图中，1‑水平井，2‑深部地层，3‑连接井段，4‑水平井段，5‑电缆，6‑座封工具，7‑可溶性桥塞，8‑定位短节，9‑起爆器，10‑射孔枪，11‑竖井，12‑转动电机，13‑限位圈，14‑固定圈，15‑从动齿轮，16‑主动齿轮，17‑伸缩腿，18‑转轴，19‑弹簧，20‑滚轮。

具体实施方式

[0037] 实施例1

[0038] 本实施例提供深部地层水平井大规模体积压裂方法，如图1所示，包括以下步骤：

[0039] S1：从地面向下钻探竖井11，竖井11底端到达深部地层2，对竖井11进行第一次固井；

[0040] S2：从竖井11的底端钻探横向的水平井1，水平井1处于深部地层2内，对水平井1进行第二次固井；

[0041] S3：配置不同粘度的滑溜水压裂液和变粒径的支撑剂；

[0042] S4：水平井1远离竖井11的一端为末端，靠近竖井11的一端为始端，按照从末端向始端的方向，使用射孔枪10对水平井1进行分段射孔；

[0043] 每完成一段井段的射孔之后，对该井段进行压裂施工，再使用可溶性桥塞7封堵已射孔的井段，再进行下一井段的射孔；

[0044] S5：所有井段射孔完成后，再对水平井1依次进行返排试气、通井、冲砂、下泵操作。

[0045] 步骤S1中，竖井11的底端到达深部地层2的上部；第一次固井具体为：先在竖井11靠近井壁处放置竖井11套管，再在竖井11套管与竖井11井壁之间注入水泥浆固井，提高竖井11的强度。

[0046] 步骤S2中，从竖井11底端开始，倾斜向下钻探一段倾斜向下的连接井段3，再沿着预先规划的水平井1的延伸方向，横向钻探水平井段4，水平井段4处于深部地层2的中部，连接井段3与水平井段4连接形成水平井1；

[0047] 第二次固井具体为：先在竖井11套管的底端设置悬挂器，再在靠近水平井段4的井壁处放置若干个水平段套管，再在连接井段3的井壁处放置若干个倾斜的连接段套管，最外侧的连接段套管的顶端连接所述悬挂器，然后在水平段套管、连接段套管与水平井1的井壁之间注入水泥浆固井。

[0048] 步骤S2之后、射孔之前还依次包括通井、刮削、洗井、试压的操作，预处理竖井11和水平井1；具体为：（1）使用通井规对竖井11和水平井1整体进行通井；（2）使用套管刮削器对竖井11和水平井1整体进行刮削；若刮管不顺畅，在阻力大的井段反复刮削，直到刮管顺畅为止；（3）采用清水洗井，直到进水与出水水质基本一致，结束洗井；（4）对水平井1进行试压，对井口阀门以上的设备和地面压裂流程管线进行承受高压性能试验，试验压力为预测泵压的1.2倍，稳压5min，不刺不漏，压力不降为合格。

[0049] 步骤S3中，所述不同粘度的滑溜水压裂液包括低粘滑溜水和中粘滑溜水；所述低粘滑溜水的粘度为2‑3mPa·s，砂比为10wt%，降阻率大于70%，稠化剂浓度控制在0.05%以内；

[0050] 所述中粘滑溜水的粘度为3‑5mPa·s，砂比为30wt%，降阻率大于70%，稠化剂浓度控制在0.05‑0.1%以内。稠化剂为胍胶及其衍生物。

[0051] 步骤S3中，所述变粒径的支撑剂包括第一支撑剂和第二支撑剂，第一支撑剂包括目数为70‑140目的石英砂，第二支撑剂包括目数为40‑70目的石英砂。

[0052] 步骤S4中，水平井1内采用等孔径限流射孔，等孔径能避免射孔枪10的套管变形，提升射孔簇效率，减少出砂量；

[0053] 射孔时，射孔枪10处于所在的水平段套管的圆心处，如图2所示，射孔相位角为60°和180°，即射孔方向与竖直向下方向的夹角为±60°和±180°，每个射孔方向上的孔密度为12孔/米。

[0054] 步骤S4的射孔位置避开相邻的两个水平段套管的连接处和套管质量较差处；所述相邻的两个水平段套管的连接处设置套管接箍。

[0055] 最靠近水平井1末端的水平段套管为第一井段，相邻的水平段套管为第二井段，以此类推，越靠近水平井1始端，井段的编号越大。

[0056] 步骤S4射孔时使用射孔装置，所述射孔装置从后至前依次包括电缆5、射孔部分、可拆卸的座封工具6和可溶性桥塞7，电缆5连接地面电源，用于控制射孔装置工作；

[0057] 射孔部分包括若干个射孔段以及连接在相邻射孔段之间的定位短节8，每个射孔段包括起爆器9和射孔枪10，最前端的射孔枪10的前端可拆卸地依次连接座封工具6和可溶性桥塞7；

[0058] 水平井1末端的第一井段射孔时，射孔枪10通过油管传输至第一井段，射孔后取出，再进行第一井段的压裂。第一井段压裂施工后，将所述桥塞与射孔枪10连接在一起，用电缆5连接射孔枪10和可溶性桥塞7，通过水力泵送方式输送桥塞到第一井段与第二井段之间，点火坐封桥塞；然后上提射孔枪10至第二井段的预设位置，进行第二井段射孔，第二井段射孔后，利用电缆5将射孔装置和桥塞下入工具起出，放入可溶性球到桥塞球座进行坐封，封隔第一井段已压裂层段，再对第二井段进行压裂作业。

[0059] 第二井段压裂施工后，再将射孔装置下放回第三井段，在第二井段与第三井段之间安装可溶性桥塞7，然后再进行第三井段的射孔，以此类推，直至最靠近水平井1始端的井段射孔完成，将射孔装置拉回地面。

[0060] 步骤S4中，在水平井1的地面井口用地锚、钢丝固定安装压裂井口，再进行压裂施工，压裂施工具体为：使用注入泵按先后顺序依次向射孔后的井段内注入前置液、携砂液和顶替液；

[0061] 前置液阶段主要注入低粘度滑溜水，前期排量在2m³/min，后期排量为16m³/min，排量稳定后，加入前置液塞，即加入70‑140目石英砂的支撑剂；携砂液阶段（主加砂阶段）前期注入低粘度滑溜水，支撑剂采用70‑140目石英砂，后期注入中粘度滑溜水，支撑剂采用40‑70目石英砂，排量为16m³/min；顶替液阶段注入低粘度滑溜水，排量为16m³/min。

[0062] 步骤S4中，安装可溶性桥塞7包括以下步骤：

[0063] （a）扫井筒：使用连续油管设备的平底磨削钻头扫井筒；

[0064] （b）将安装有座封工具6和可溶性桥塞7的射孔装置下放至桥塞坐封位置，座封工具6点火，发射桥塞，将桥塞打在所述压裂井口靠近射孔装置的一侧，实现桥塞坐封。

[0065] 所述可溶性桥塞7使用维泰“魔法师”系列低温全可溶桥塞，耐压等级70MPa，适用温度30‑60℃，所述座封工具6为贝克20坐封工具。可溶性桥塞7通体可溶，减少了后续开采煤层气时，拆除桥塞的工序和成本。

[0066] 步骤S5中，返排试气时使得所述桥塞完全溶解，返排试气按照本领域常规操作即可；

[0067] 采用配有螺杆马达和磨鞋的连续油管进行通井和冲砂，如遇未完全溶解桥塞，则开泵进行钻磨作业及冲砂；

[0068] 所述下泵是指将煤层气开采时所用的什么泵，下放至水平井1内，准备后续通过水平井1开采深部地层2内的煤层气。

[0069] 实施例2

[0070] 本实施例提供深部地层水平井大规模体积压裂方法，与实施例1相同，区别在于，如图4‑图5所示，所述射孔装置的定位行进器包括限位部、转动电机12和若干个支撑部，限位部包括沿着射孔装置的长度方向设置的六个限位圈13和一个设在射孔装置中部的固定圈14，限位圈13和固定圈14均可拆卸地套设在射孔装置的外部；限位圈13的外侧面设有一个从动齿轮15，转动电机12设置固定圈14的外侧面上，并通过六个主动齿轮16对应连接六个从动齿轮15，进而带动限位圈13转动，从而带动射孔装置传动角度；

[0071] 支撑部连接在限位圈13的外侧面，包括三个沿射孔装置的周向均匀设置的伸缩腿17，用于支撑射孔装置在水平井1内移动位置。

[0072] 所述射孔装置为细长的圆柱体，限位圈13套设在所述定位短节8上，使得一个限位圈13对应一个射孔部分，均匀承担射孔装置的重量，且控制其稳定转动；限位圈13与定位短节8的位置相对固定。

[0073] 所述转动电机12的前后端分别设有一个转轴18，两个转轴18在同一直线上且平行于射孔装置，转轴18上套设六个主动齿轮16，主动齿轮16与从动齿轮15一一对应且相互啮合，转动电机12通过转动、主动齿轮16与从动齿轮15的配合带动所有限位圈13转动相同角度，便于射孔枪10准确找到射孔相位角。

[0074] 所述伸缩腿17远离射孔装置的一端设有带有弹簧19的滚轮20，另一端设有液压装置，用于控制伸缩腿17的伸缩长度。

[0075] 射孔装置连接油管或钻杆，随油管或钻杆下放时，射孔装置的前端向下（即桥塞向下），当射孔装置进入倾斜的连接段套管中，最前端的伸缩腿17先触底，后面的伸缩腿17后续依次触底，直至所有支撑部的伸缩腿17都触底，避免射孔装置的前端容易触碰连接段套管的底面而伤害桥塞。带有弹簧19的滚轮20负责行进，若井底有小块障碍物，通过弹簧19的伸缩，滚轮20能够较为平稳的行进。若伸缩杆的长度等于井段的半径，则可以准确将射孔装置定位在井段的圆心处。射孔枪10向下射孔时，有反坐力，射孔装置上方的伸缩腿17的弹簧19能够提供一定的振动移动空间，保护射孔装置。