CN107816340A - 利用大功率超声波结合分支水平井热采页岩气的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用大功率超声波结合分支水平井热采页岩气的工艺方法。其技术方案是：包括以下工艺步骤：整个利用分支水平井体积压裂热采页岩气工艺应该包括以下五个阶段：射孔完井、体积压裂、注热、焖井、采气或者至少四个阶段：射孔完井、体积压裂、注热、采气，也可以采用循环注热和采气采用蒸汽吞吐的开采模式。有益效果是：页岩气储层内存在大量吸附气，提高温度则可将大量吸附气转换为游离气。其次，水力压裂形成的复杂裂缝网络将为热扩散提供传输通道，便于提高注热波及面积，增加注热效率，并且有利于热解流体的排出。整体上增加了页岩气稳产和高产时间，缩短了开发时间，利于资金快速回笼。工艺相对简单，作业方式灵活多样。

Description

利用大功率超声波结合分支水平井热采页岩气的工艺方法

技术领域

本发明涉及页岩气开采领域，特别涉及一种利用大功率超声波结合分支水平井热采页岩气的工艺方法。

背景技术

页岩气在全世界分布广泛且储量丰富，世界页岩气资源量为457万亿立方米，同常规天然气资源量相当，其中页岩气技术可采资源量为187 万亿立方米。其中中国页岩气储量约为36 万亿立方米，目前主要的生产区域有川南、黔北地区、黔东、皖南、川东地区等海相页岩气区块；也有延安、皖浙、山西等地区的陆相页岩气区块。

页岩气是指吸附态、游离态及溶解态为存储方式，位于暗黑色泥页岩或富碳泥页岩中的天然气。其中以吸附态存在于有机质颗粒表面、孔隙表面及干酪根内部的页岩气比重约占20%~85%，所以提高吸附气解吸量对页岩气井的长期、稳定产出有着重要意义。页岩气解吸与吸附受多因素综合影响，除干酪根含量与类型、黄铁矿含量和微、中孔的体积等岩石物理内部因素影响以外，还和压力和温度等外部因素相关。页岩气解吸与吸附实验表明，降低储层压力和提升储层温度都可利于提高页岩气解吸量。传统水力压裂模式主要通过自然降压的方式来促使吸附气解吸，开发投资回收期漫长，页岩气开发经济价值有限。

体积压裂是一种目前改造页岩气储层的主要技术手段，它通过向地层中注入大量高压低粘流体，可以充分打碎储集层，创造复杂裂缝网络，大幅度提高储层的整体渗流能力。超声波采油法是目前较多应用在稠油油藏和煤层气藏中的一种物理采油技术，利用大功率超声波产生的空化作用、机械振动和热效应不但可以产生超声波热量加热储层，促进原油降黏和煤层气解吸和扩散，同时还可以实现近井地带的解堵、增渗。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种利用大功率超声波结合分支水平井热采页岩气的工艺方法。

本发明提到的一种利用大功率超声波结合分支水平井热采页岩气的工艺方法，其技术方案是：包括以下工艺步骤：

(1) 综合利用地球物理、测井、地质等资料确定页岩气甜点位置，设计分支水平井井身结构，确定上部和下部的分支井井眼距离；

(2) 利用钻头一次性钻至目的层井深处形成主井眼，在页岩气储层上部，利用套管开窗技术，通过下入井下斜向器和造斜导向器，向不同方向钻取多个水平井眼，并结合地质导向和随钻资料，确定水平段的倾角和钻进距离；

(3) 在页岩气储层下部，同样利用套管开窗技术，通过下入井下斜向器和造斜导向器，向不同方向钻取多个水平井眼，并结合地质导向和随钻资料，确定水平段的倾角和钻进距离；最后，在页岩气储层中钻出多个水平分支井眼。

(4) 之后，下入套管进行水泥固井，固井材料采用具有高导热系数的泥浆；然后在页岩气储层位置进行定向射孔，实现体积压裂改造；通过分支井进行体积压裂之后，可以在地层内部形成复杂裂缝网络，增大页岩气储层与裂缝的接触表面积，而分支井上部和下部压裂后，之间可以产生缝间诱导应力，促使裂缝网络更加复杂，导流能力更好；

(5) 首先利用地层能量开采页岩气一段时间，在页岩气产量递减速率下降时，开始通过热采法开采下部分支井页岩气储层，在分支井垂直段中下油管，并在油管底部安装页岩气热采设备，油管和油套环空形成一个循环管路，热采设备主要动力源为大功率超声波加热装置，可以通过不断加热从地面泵入的流体介质，使其转换为气体进入地层；

(6) 之后在下部分支井处下入封隔器，主要是保障产生热蒸汽充分进入页岩气储层，提升页岩气解吸量，并减少热量损失；

(7) 之后，上托油管到上部分支水平井位置，再次进行加热页岩气储层，加热后令蒸汽进入上部分支水平井眼，上部分支井和下部分支井之间沟通的复杂裂缝网络将为热蒸汽交换提供通道；

(8) 然后关井并焖井一段时间，使地层和热蒸汽之间充分进行热交换，之后通过连续油管一次打开所有的封隔器，使地层中解吸出来的大量页岩气进入井筒和环空中被开采出来，而生产一段时间之后，热蒸汽冷凝之后变成水则被抽吸泵抽到地面上，被进行重复利用。

优选的，上述的大功率超声波加热装置包括注入水口（18）、储水腔（19）、超声波作用腔（20）、蒸汽腔（21）、换能器（22）、超声波发生器（25）、超声波聚能器（26）、蒸汽雾化喷嘴（27），所述储水腔（19）的上部设有注入水口（18），储水腔（19）的右侧设有超声波作用腔（20），超声波作用腔（20）的右侧设有蒸汽腔（21），蒸汽腔（21）的右侧设有蒸汽雾化喷嘴（27）；所述超声波作用腔（20）内设有换能器（22）和超声波发生器（25），超声波发生器（25）通过超声波聚能器（26）连接到蒸汽腔（21）。

优选的，上述的超声波发生器（25）的电缆（24）通过穿线管连接在外侧。

优选的，上述的超声波作用腔（20）的外壁设有密封圈（23）。

优选的，上述的流体介质可以为水、CO₂、甲醇、丙酮、乙醇或乙二醇中的一种或几种。

优选的，上述的分支井眼的长度控制在500m以内。

本发明的有益效果是：（1）科学高效。页岩气储层内存在大量吸附气，提高温度则可将大量吸附气转换为游离气。其次，水力压裂形成的复杂裂缝网络将为热扩散提供传输通道，便于提高注热波及面积，增加注热效率，并且有利于热解流体的排出。其次，超声波产生机械破碎和声场作用不但可以促使复杂缝网进一步扩展，同时也有利于帮助页岩气解吸和流动（2）经济环保。注热开采页岩气虽然增加了新的超声波工艺操作成本，但整体上增加了页岩气稳产和高产时间，缩短了开发时间，利于资金快速回笼。其次，热采页岩气储层时由于注入热量来自外部蒸汽或热水，在这一过程中虽然造成一定的热损失，但是相对来说，热采页岩气耗水量较小，对环境影响较低。（3）工艺相对简单，作业方式灵活多样。蒸汽驱和蒸汽吞吐技术作为开发稠油油藏的一种成熟技术，其工艺和技术都可以借鉴并加以改造利用到热采页岩气储层当中。其次，可以根据不同储层特点，选取 “井工厂”蒸汽吞吐开采模式或者重复压裂与注热交替的开发模式，同时排采出的冷凝水还可作为后续压裂液循环进行使用。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是大功率超声波加热装置的示意图；

上图中：超声波供电源（1）、大功率超声波发生器（2）、气水分离设备（3）、表层套管（4）、隔温套管（5）、分支井垂直段（6）、环空封隔器（7）、超声波发射器（8）、高温加热腔（9）、分支井水平段（10）、盖层（11）、射孔（12）、体积压裂复杂裂缝网络（13）、井底封隔器（14）、隔温油管（15）、页岩气产层（16）、固井水泥环（17）、注入水口（18）、储水腔（19）、超声波作用腔（20）、蒸汽腔（21）、换能器（22）、密封圈（23）、电缆（24）、超声波发生器（25）、超声波聚能器（26）、蒸汽雾化喷嘴（27）。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提到的一种大功率超声波结合分支水平井体积压裂热采页岩气的方法，可以帮助页岩气的生产逐渐向气田“工厂化”井网布置和压裂-热采一体化开发等工作提供重要支撑。具体步骤如下：

(1) 综合利用测井、地球化学、和地球物理等资料，计算页岩气吸附量含量，确定页岩气甜点区位置；

(2) 选取页岩气储层16和盖层11，在盖层11地面区域，采用大尺寸钻头钻取分支井垂直井段6上部井眼，下入表层套管4，然后常规水泥浆进行固井，形成固井水泥环17；

(3) 大于尺寸钻头钻取分支井垂直井段6下部井眼，钻穿盖层后钻遇页岩气储层2，调节钻井速度继续向下钻进，至钻头位于页岩气储层底部上部1-3m处停止；

(4)下入隔温生产套管5，并利用高导热水泥浆固井，同时在井底下封隔器14；

(5) 在页岩气储层上部，下入井下斜向器和造斜导向器，向不同方向钻取分支井下部1～4个井眼，并利用地质导向钻具控制水平井眼倾角小于5°，水平段钻进距离为100～800m，下入套管固井，并在井底下入封隔器14；

(6) 在页岩气储层下部，下入井下斜向器和造斜导向器，向不同方向钻取分支井下部1～4个井眼，并利用地质导向钻具控制水平井眼倾角小于5°，水平段钻进距离为100～800m，下入套管固井，并在井底下入封隔器14；

(7) 利用合适定面射孔工具，对储层上部水平井分支井段进行定面射孔，获得合理分布的大尺寸射孔孔眼12；

(8)采用水平井分段压裂技术，分别对页岩气储层水平井分支进行体积压裂，压裂液为低粘度滑溜水，在分支井上下部形成复杂裂缝网络13，为后续热蒸汽的进入提供渗流通道；

(9) 下入隔温油管，利用体积压裂技术进行页岩气采气，监测井底流压和产量，在生产一段时间产量下降后，开始进行大功率超声波页岩气热采；

(10)下入大功率超声波加热系统到分支井下部井口，通过地面注入泵从井口注入，并通过入口18后，注入水进入储水腔19，同时通过电缆线24对超声波作用腔进行供电，启动超声波发生器22，超声波发生器22发出的超声波经过换能器25、超声聚能器26之后发出热量将液体转化为热蒸汽，然后再通过蒸汽雾化喷嘴进入27进入到水平井下部分支井眼内；

(11) 对环空开采出来的流体进行热量利用，并将冷却后的流体通过垂直井段6的油套环空再次回注到页岩气储层当中；

(12) 下入环空封隔器封堵油管与套管之间的环空，防止作用于分支井下部的热蒸汽串流到上部；

(13) 移动大功率超声波加热系统到分支井上部井口，通过地面注入泵从井口注入，并通过入口18后，注入水进入储水腔19，同时通过电缆线24对超声波作用腔进行供电，启动超声波发生器22，超声波发生器22发出的超声波经过换能器25、超声聚能器26之后发出热量将液体转化为热蒸汽，然后再通过蒸汽雾化喷嘴进入27进入到水平井上部分支井眼内；

(14) 对环空开采出来的流体进行热量利用，并将冷却后的流体通过垂直井段6的油套环空再次回注到页岩气储层当中；

(15) 完成热采加热之后，上提大功率超声波加热系统，并移出井口，同时密封井口焖井一段时间，令高温蒸汽与页岩气储层充分反应。开井后，通过气水分离装置进行采气和液体回收分离，回收液体可以作为压裂液制备材料或其他井的注入介质循环利用。

另外，需要说明的是：

步骤 (1)中，分支井垂直段尺寸尽量大，大主井眼直径尺寸大，以利于后续带超声波发生系统加热装置连续油管的进入。

进行页岩气热采的关键是确定合适的页岩气甜点区，需要准确的结合地球化学、地质和测井等资料评价页岩气吸附气的含量，确定页岩气的可采储量。

进行页岩气热采时需要首先进行常规页岩气体积压裂改造技术，所以要求分支水平井井口距离不能相距过远，同时可以根据产层厚度设置分支水平井眼个数，合理规划水平井眼的方位和长度，但是为了保证足够的加热效率，分支井眼长度不宜过长，应控制在500m以内。

固井泥浆、油管、封隔器等体积压裂工具的类型和施工质量决定着体积压裂的成败，也同时影响着注热和保温效率，所以需要高导热系数的泥浆，油管和封隔器则需要具有隔热功能。

进行页岩气热采的核心装置是大功率超声波发生系统加热装置，该装置要求小型化和微型化，并且可以悬挂于连续油管的末端，便于移动。同时，该套设备还应该具有相态、温度、压力实时监测功能，以保证在分支井井口将温度与压力控制在最佳范围，促使传热流体能迅速从液态转化气态，释放大量的热量。大功率超声波发生系统需要包括超声波发生器和超声波探头，超声波发生器的能源输入端与逆变器连接，超声波发生器的能源输出端与超声波探头通过控制线缆连接。

加热流体可以为水、CO2、甲醇、丙酮、乙醇、乙二醇等中的一种或几种。流体的选择关键是与地层的配伍性和传热性能优良。

整个利用分支水平井体积压裂热采页岩气工艺应该包括以下五个阶段：射孔完井、体积压裂、注热、焖井、采气或者至少四个阶段：射孔完井、体积压裂、注热、采气，也可以采用循环注热和采气采用蒸汽吞吐的开采模式。

在井口应存在气液分离器，以用以处理产出的页岩气和温度降低时的冷凝液体。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种利用大功率超声波结合分支水平井热采页岩气的工艺方法，其特征是：包括以下工艺步骤：

(1) 综合利用地球物理、测井、地质等资料确定页岩气甜点位置，设计分支水平井井身结构，确定上部和下部的分支井井眼距离；

(2) 利用钻头一次性钻至目的层井深处形成主井眼，在页岩气储层上部，利用套管开窗技术，通过下入井下斜向器和造斜导向器，向不同方向钻取多个水平井眼，并结合地质导向和随钻资料，确定水平段的倾角和钻进距离；

(3) 在页岩气储层下部，同样利用套管开窗技术，通过下入井下斜向器和造斜导向器，向不同方向钻取多个水平井眼，并结合地质导向和随钻资料，确定水平段的倾角和钻进距离；最后，在页岩气储层中钻出多个水平分支井眼；

(4) 之后，下入套管进行水泥固井，固井材料采用具有高导热系数的泥浆；然后在页岩气储层位置进行定向射孔，实现体积压裂改造；通过分支井进行体积压裂之后，可以在地层内部形成复杂裂缝网络，增大页岩气储层与裂缝的接触表面积，而分支井上部和下部压裂后，之间可以产生缝间诱导应力，促使裂缝网络更加复杂，导流能力更好；

(5) 首先利用地层能量开采页岩气一段时间，在页岩气产量递减速率下降时，开始通过热采法开采下部分支井页岩气储层，在分支井垂直段中下油管，并在油管底部安装页岩气热采设备，油管和油套环空形成一个循环管路，热采设备主要动力源为大功率超声波加热装置，可以通过不断加热从地面泵入的流体介质，使其转换为气体进入地层；

(6) 之后在下部分支井处下入封隔器，主要是保障产生热蒸汽充分进入页岩气储层，提升页岩气解吸量，并减少热量损失；

(7) 之后，上托油管到上部分支水平井位置，再次进行加热页岩气储层，加热后令蒸汽进入上部分支水平井眼，上部分支井和下部分支井之间沟通的复杂裂缝网络将为热蒸汽交换提供通道；

(8) 然后关井并焖井一段时间，使地层和热蒸汽之间充分进行热交换，之后通过连续油管一次打开所有的封隔器，使地层中解吸出来的大量页岩气进入井筒和环空中被开采出来，而生产一段时间之后，热蒸汽冷凝之后变成水则被抽吸泵抽到地面上，被进行重复利用。

2.根据权利要求1所述的利用大功率超声波结合分支水平井热采页岩气的工艺方法，其特征是：所述的大功率超声波加热装置包括注入水口（18）、储水腔（19）、超声波作用腔（20）、蒸汽腔（21）、换能器（22）、超声波发生器（25）、超声波聚能器（26）、蒸汽雾化喷嘴（27），所述储水腔（19）的上部设有注入水口（18），储水腔（19）的右侧设有超声波作用腔（20），超声波作用腔（20）的右侧设有蒸汽腔（21），蒸汽腔（21）的右侧设有蒸汽雾化喷嘴（27）；所述超声波作用腔（20）内设有换能器（22）和超声波发生器（25），超声波发生器（25）通过超声波聚能器（26）连接到蒸汽腔（21）。

3.根据权利要求2所述的利用大功率超声波结合分支水平井热采页岩气的工艺方法，其特征是：所述的超声波发生器（25）的电缆（24）通过穿线管连接在外侧。

4.根据权利要求2所述的利用大功率超声波结合分支水平井热采页岩气的工艺方法，其特征是：所述的超声波作用腔（20）的外壁设有密封圈（23）。

5.根据权利要求1所述的利用大功率超声波结合分支水平井热采页岩气的工艺方法，其特征是：所述的流体介质可以为水、CO₂、甲醇、丙酮、乙醇或乙二醇中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的利用大功率超声波结合分支水平井热采页岩气的工艺方法，其特征是：所述的分支井眼的长度控制在500m以内。