坚硬煤层携砂氧化剂脉动注入-静态压裂组合储改方法

本发明涉及一种坚硬煤层携砂氧化剂脉动注入-静态压裂组合储改方法，属于煤层增透抽采瓦斯。

背景技术：

1、我国煤层气资源较为丰富，煤岩储层构造复杂，其渗透率普遍小于0.1md，属于致密型煤岩储层。由于煤岩低孔低渗、稳定性差等特征及压裂造成的储层损害，导致大部分煤层抽采困难，严重影响瓦斯的抽采利用率。因此煤层的高效增透抽采是降低瓦斯危害保证煤矿安全生产以及煤层气资源高效利用的关键。

2、目前致密型煤岩储层增产主要以水力化措施为主。水力压裂技术以及脉动水力压裂技术在国内多个矿井应用并取得了较好的效果。但是水力压裂技术在对坚硬煤层进行增透过程中存在压裂裂缝单一、区域性较强的缺点，很难形成复杂的压裂缝网；脉动水力压裂技术虽能改善上述缺点，脉冲波的水楔劣化效应能够在一定程度上增加煤体裂纹数量，但是在许多矿井中仍然不能达到较理想的压裂效果。此外，压裂后在地应力的作用下部分裂纹发生不同程度的闭合现象，降低了煤层气抽采效果。压裂的实质是微裂纹的延伸、扩展，汇聚成宏观裂纹，相关研究证明压裂井周围煤体的损伤程度对后期压裂效果具有重要的影响，若在压裂前能使压裂井周围煤体产生一定程度的微损伤，将能极大增强后期压裂效果。次氯酸钠溶液具有较强的氧化性，能够与煤体产生氧化反应溶解煤层割理周围有机质，增加煤体孔隙度，是压裂前煤体产生微损伤的优选试剂。

3、基于上述原因，如何提供一种新的方法，能解决煤层气开发过程中压裂裂缝扩展不均匀、局部化等缺点，使得压裂后在煤体储层内形成复杂的裂隙网络，且裂隙不易闭合，保证后续瓦斯高效抽采，是本发明所需研究的方向。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种坚硬煤层携砂氧化剂脉动注入-静态压裂组合储改方法，能解决煤层气开发过程中压裂裂缝扩展不均匀、局部化等缺点，使得压裂后在煤体储层内形成复杂的裂隙网络，且裂隙不易闭合，保证后续煤层气高效抽采。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种坚硬煤层携砂氧化剂脉动注入-静态压裂组合储改方法，具体步骤为：

3、a、组装脉动注入-静态压裂设备：将砂粒储罐一、砂粒储罐二和储液罐分别通过管路与砂液混合装置的各个进口连接，所述砂粒储罐一内装有石英砂小颗粒，砂粒储罐二内装有石英砂大颗粒，储液罐内装有氧化剂溶液；砂液混合装置的出口通过管路与高压柱塞泵的进口连接，高压柱塞泵的出口与压裂管一端连接，脉冲发生器通过管路与压裂管侧部连接；砂液混合装置和高压柱塞泵之间的管路上装有背压阀门，用于控制该管路的通断；压裂管上装有压力表，用于监测压裂管内的实时压力并反馈给数字控制终端，数字控制终端对高压柱塞泵和脉冲发生器进行控制；所述砂粒储罐一、砂粒储罐二和储液罐各自与砂液混合装置之间的管路上分别装有单向阀门一、单向阀门二和单向阀门三，用于控制各自管路的通断及单向流动；砂液混合装置与高压柱塞泵之间的管路、脉冲发生器与压裂管之间的管路分别装有单向阀门四和单向阀门五，用于控制对应管路的通断及单向流动；

4、b、施工压裂井：穿过岩层向目标煤层施工压裂井，将压裂管另一端送至目标煤层，并在压裂管上装设封隔器，使封隔器在岩层段对压裂井进行封堵；

5、c、氧化剂脉动注入：打开单向阀门一和单向阀门三，使储液罐中的氧化剂溶液和砂粒储罐一内的石英砂小颗粒分别输送至砂液混合装置，达到所需输送量后关闭单向阀门一和单向阀门三，启动砂液混合装置将氧化剂溶液和石英砂小颗粒充分搅拌混合形成携砂氧化液；然后打开单向阀门四、单向阀门五和背压阀门，通过数字控制终端控制高压柱塞泵与脉冲发生器启动，将砂液混合装置中充分混合的携砂氧化液经压裂管以脉冲的压力状态注入煤层，使其在脉冲波的水楔劣化效应下冲击煤体，同时氧化液在冲击过程中与煤体接触进行氧化反应使煤体形成压裂弱面产生微裂隙，进而使石英砂小颗粒挤入微裂隙内对微小裂缝扩孔、延孔的同时增大氧化液与煤体的接触面积，增强氧化效果；在脉动注入过程中，压力表实时反馈压裂管内的压力数据，数字控制终端根据反馈的压力数据调节高压柱塞泵与脉冲发生装置，持续压裂注入一定时间后停止，关闭单向阀门五、高压柱塞泵和脉冲发生装置；

6、d、静态压裂：打开单向阀门二和单向阀门三，使储液罐中的氧化剂溶液和砂粒储罐二内的石英砂大颗粒分别输送至砂液混合装置，达到所需输送量后关闭单向阀门二和单向阀门三，启动砂液混合装置将氧化剂溶液和石英砂大颗粒充分搅拌混合形成携砂压裂液；然后通过数字控制终端控制高压柱塞泵启动，将砂液混合装置中充分混合的携砂压裂液经压裂管注入目标煤层，通过保持注入压力的方式对扩孔后的微裂隙进行静态压裂，使石英砂大颗粒挤入步骤c扩孔后微裂隙内进一步扩孔、延孔的同时增大氧化液与煤体的接触面积，增强氧化效果；在静态压裂过程中，通过压力表实时监测压裂管内的压力数据，当压裂管内压力出现明显的压降后说明本次静态压裂完成，此时关闭高压柱塞泵；

7、e、递进式增透煤层：重复步骤c和d多次，交替进行氧化剂脉动注入和静态压裂过程，持续使煤层内部形成复杂的裂隙网络，最终完成对目标煤层进行原位氧化-静态压裂递进式增透。

8、进一步，所述目标煤层为普氏系数f＞3.0的坚硬煤层，尤其是高矿物含量的坚硬煤层，储层改造后石英砂小颗粒和石英砂大颗粒进入裂缝内，在地应力作用下能够支撑裂缝使之不易产生闭合。

9、进一步，所述步骤c中，脉冲波的幅值为4～6mpa，频率为10～20hz。脉冲波主要作用包括两个方面，其一，脉冲波的水楔劣化作用对煤体产生疲劳损伤并将氧化剂溶液挤进微小裂缝，对微小裂缝扩孔、延孔的同时增大氧化剂与煤体的接触面积，增强氧化效果；其二，脉冲波的非稳定状态能够保持压裂液中石英砂小颗粒的悬浮状态，防止堆积，能够更好地将石英砂小颗粒送进煤体微裂隙内进行扩孔及支撑作用。

10、进一步，所述氧化剂溶液为浓度10％的次氯酸钠溶液。该溶液的氧化能力较强，能够有效提高煤体孔隙度，增加裂隙宽度，刻蚀割理表面，在脉动注入过程中对煤体氧化冲击形成压裂弱面，为后续静态压裂提供压裂基础。

11、进一步，所述石英砂小颗粒为100目～150目粒度范围的石英砂颗粒，石英砂大颗粒为20目～50目粒度范围的石英砂颗粒。

12、进一步，所述步骤d中明显压降为压力下降10mpa以上。在这种压降情况下，说明裂隙发育较好，使得压裂液随着裂隙扩展伸入煤层内部，导致压力下降，从而达到本次静态压裂的效果。

13、与现有技术相比，本发明采用氧化剂脉动注入和静态压裂相结合的方式，具有如下优点：

14、1、本发明先布设脉动注入-静态压裂设备，然后将氧化剂溶液和石英砂小颗粒混合形成携砂氧化液，并通过脉动注入的方式将携砂氧化液注入目标煤层，携砂氧化液在脉冲波的水楔劣化效应下冲击煤体，同时氧化液在冲击过程中与煤体接触进行氧化反应使煤体形成压裂弱面产生微裂隙，进而使石英砂小颗粒及氧化液挤入微裂隙内对微小裂缝扩孔、延孔的同时增大氧化液与煤体的接触面积，增强氧化效果，最终使压裂井周围煤体氧化形成微小裂隙网，为后续静态压裂提供较多压裂弱面；接着将氧化剂溶液和石英砂大颗粒混合形成携砂压裂液，并通过静态压裂的方式将携砂压裂液注入目标煤层进行持续静态压裂，使压裂弱面中各个微小裂隙汇聚、发育、纵向扩展，并使石英砂大颗粒挤入扩孔后裂隙内进一步扩孔、延孔的同时增大氧化液与煤体的接触面积，增强氧化效果，通过交替进行氧化剂脉动注入和静态压裂过程，持续使煤层内部形成复杂的裂隙网络，解决了煤层气开发过程中压裂裂缝扩展不均匀、局部化等缺点，最终完成对目标煤层进行原位氧化-静态压裂递进式增透煤层。

15、2、本发明在脉动注入时将石英砂小颗粒挤入微裂隙，并在后续静态压裂时将石英砂大颗粒挤入扩孔后的裂隙内，由于石英砂大颗粒的进入，会推动之前进入的石英砂小颗粒继续随着裂隙扩展深入裂隙内部，这样在完成压裂增透进行瓦斯抽采时，由于石英砂小颗粒和石英砂大颗粒持续留存在裂隙内，后续裂隙受地应力影响具有闭合趋势时，由于石英砂小颗粒、石英砂大颗粒和煤层均较为坚硬，因此石英砂小颗粒和石英砂大颗粒能对裂隙进行支撑，降低裂隙闭合的程度，从而保证高效且持续稳定的瓦斯抽采。