液氮喷射射孔-压裂可行性实验研究

Hydraulic fracturing is an effective method to stimulate low permeability oil and gas wells. However, the fracturing liquid is difficult to be discharged out of fractures thoroughly even for a longer time, damaging the formations especially in low temperature and pore pressure wells. Up to date, it always adopts the method of filling liquid nitrogen into the fracturing liquid to enhance the discharging rate. But this can not resolve the root problems. This proposal presents the hydra-jet fracturing method completely using liquid nitrogen as the fracturing liquid, that is, applying the high pressure liquid nitrogen to initiate the formations and deliver the proppants into the fractures. Once completed, the liquid nitrogen will gasfy under the formation temperature and discharge automatically. Therefore, this proposal will focus on: the mechanisms of the liquid nitrogen fracturing rocks; the tunnel configuration in the rock blasting with liquid nitrgen jet; the features of liquid nitrogen initiating fractures when gasfying; the characteristic of the liquid nitrogen suspending proppants, etc. Through the research mentioned above, we will try to reveal the mechanisms of the initial pressure decrease when the temperature going down suddenly, analyze the ability of liquid nitrogen initiating fractures and suspending proppants, and then explore the feasibility of using liquid nitrogen completely displacing the conventional fracturing liquid for pin-point hydra-jet fracturing. Finally, the results will be able to provide basis to form a new "clean" fracturing method with the proprietary intellectual property rights.

水力压裂是低渗透油气田增产改造的有效手段，但普遍存在压裂液难以完全返出裂缝造成储层污染、返排周期较长等问题，尤其对低温低压井更为明显。目前，国内外常用在压裂液中伴注液氮的方法提高压裂液的返排率，但难以从根本上解决这些问题。本课题提出了完全采用液氮作为压裂液的喷射压裂思路：高压低温液氮直接压开地层，并把支撑剂带入裂缝，然后液氮气化、完全自喷返出地层，将可有效避免常规压裂液的滤失污染问题，提高返排率，缩短返排周期。计划研究：低温液氮降低地层起裂压力机理分析；液氮高速喷射岩石的成孔规律和液氮在岩石中的完全气化压力升高的致裂造缝特性；数值模拟研究支撑剂在液氮中的沉降特性等。通过上述基础研究，意在揭示温度急剧下降而引起地层起裂压力降低的机理，分析液氮气化压开地层并携带支撑剂的能力，探索完全采用液氮代替常规压裂液进行定点喷射压裂的可行性，为形成具有自主知识产权的新型高效无污染压裂方法提供前期基础。

目前，我国的油气资源勘探开发逐步迈向低渗特低渗储层，水力压裂成为了重要的增产改造技术。对于地层压力、渗透率较低的储层普遍存在压后返排困难的情况，进而导致产量低下、储层污染和水资源的浪费。如何改善水力压裂的施工效果和环境效应一直是国内外所关注的热点和难点问题。.为了实现低渗特低渗和非常规储层的高效、清洁压裂，本课题提出了液氮喷射射孔-压裂联作的技术思路，并且针对其中涉及到的关键基础科学问题进行了系列研究，主要研究内容和研究成果如下：.(1) 低温液氮降低地层起裂压力机理研究：采用电镜扫描、核磁共振、渗透率测试、声波速度测试和拉压强度测试等手段，研究了液氮低温作用下干燥和含水岩石的孔隙结构变化、损伤演变特征和强度变化规律，从微观和宏观的角度揭示了液氮降低地层起裂压力的机理。.(2) 液氮高速喷射岩石的成孔实验研究：通过液氮喷射破岩室内实验，得到了液氮射流与常规水射流在破岩成孔形态方面的重要区别；得出了不同喷射参数和岩性对破岩效率的影响规律，成果可为液氮压裂技术的实施提供实验支撑。.(3) 液氮在岩石中的致裂造缝特性实验研究：针对液氮沸点低、易气化的特性，实验研究了液氮在密闭岩石内气化膨胀致裂造缝的特性，对比液氮在页岩和煤岩中的造缝形态，揭示了液氮气化膨胀效应对形成体积缝网的促进作用。.(4) 支撑剂在液氮中的沉降特性研究：基于高速摄影和图像处理技术，研究了不同类型和大小的支撑剂颗粒在液氮中的沉降速度规律，研究结果可为液氮压裂施工支撑剂的选型提供指导。.项目研究成果共发表SCI论文8篇，EI论文9篇；出版英文专著1部；申请国家发明专利2件；共做国际/国内学术会议报告8次，其中特邀报告1次。