CN108825197A - 一种强化页岩气采收率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种强化页岩气采收率的方法，该方法将携带有支撑剂的高压水流注入页岩中进行水力压裂，并收集页岩气，然后利用微波发生器对页岩进行微波辐照，利用微波对页岩中页岩气进行二次开采并收集页岩气，提高页岩气采收率；本发明在水力压裂首次开采页岩气过程中，利用天然金属矿石作为裂缝支撑剂；金属矿石具有较强的吸收微波能力，在微波辐照二次开采页岩气过程中，实现含气页岩的迅速升温，同时减少了页岩有机质中含氧官能团总量，促使页岩内部孔隙充分暴露，金属矿石和页岩中无机矿物吸收微波后形成热应力，进而诱导页岩损伤，显著提高页岩气采收率；本发明既提出了一种清洁高效的页岩气开采方法，又提供了一种微波和金属矿石的利用途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种强化页岩气采收率的方法，属于新兴的非常规天然气开采技术领域。
背景技术
煤炭和石油等传统化石能源是维持社会和经济发展的重要战略资源。伴随着煤炭和石油的大规模使用，环境污染和气候变化问题频发，进而对地球生态系统的平衡和人类社会的可持续发展造成严重威胁。因此，为了缓解和最终解决生态环境恶化和全球气候变暖的问题，亟需在全球范围内推广使用清洁能源。
作为一种最常见且储量丰富的清洁能源，天然气（主要组分为甲烷）有望在一次能源消费结构中占据主导地位。天然气包括常规天然气和非常规天然气，我国常规天然气资源短缺，对外依存度较高；相比常规天然气，我国页岩气（一种新兴的非常规天然气）资源储量丰富（陆域页岩气地质资源潜力为134.42万亿立方米，可采资源潜力为25.08万亿立方米（不含青藏区）），且开采寿命和生长周期较长。因此，页岩气的商业化开采有望改善我国常规天然气资源不能自给自足的现状。
页岩气是指赋存于富有机质页岩及其夹层中的非常规天然气（主要组分为甲烷）。截至目前，页岩气开采技术主要包括增产技术和井下微地震裂缝监测技术。增产技术是实现页岩气商业化开采的关键，其主要包括水平井技术、水力压裂增产技术及微波加热增产技术。专利号为CN201610567394.8的中国发明专利提出了一种水平井压裂装置、水平井压裂系统及其操作方法；专利号为CN200380106943.2的中国发明专利提出了一种通过射孔技术形成人工裂缝，进而开采页岩气的方法。
上述两种方法虽然可以降低施工成本，并实现地层压力下页岩气的有效开采，但是上述发明方法存在页岩气开采不彻底，水资源消耗量大，压裂用支撑剂成本高、支撑性及稳定性差等问题。因此，水资源消耗和支撑剂使用进而引发的资源消耗及环境污染问题备受公众关注。此外，大量事实表明水平井压裂增产技术存在页岩气采收率低、压裂液成本高的问题。位于美国Barnett等七大页岩气产区的典型气井的首年平均页岩气产量递减率为23%-49%，前三年的平均气产量递减率则上升至为80%-90%。美国作业公司试图利用重复压裂技术提高页岩气采收率；结果证实重复压裂过程中压裂缝长小于常规压裂，并且在二次加砂过程中裂缝延长缓慢。因此，重复压裂开采页岩气存在采收率低、开采成本较高的问题。
有数据表明，西南地区以页岩气为代表的清洁能源产业，在未来五年内将迎来发展机遇期。为了页岩气产业的可持续发展，我国亟需研发既具有较高采收率，又对环境友好的页岩气开采技术，以弥补现有页岩气开采技术的缺陷。研究证实，页岩储层中页岩气的赋存形态主要包括游离态、吸附态和溶解态。虽然吸附态页岩气含量最高（体积分数可达40%-90%），但实际开采过程中吸附态页岩气采收率通常较低（仅为5%-60%），所以实现吸附态页岩气的高效解吸对于提升页岩气采收率具有重要意义。页岩对于页岩气的吸附过程主要以物理吸附为主。物理吸附是可逆过程，因此升温可以实现吸附态页岩气的解吸。现有的开采页岩气技术任然存在利用效率低、页岩气采收率低的不足。为此，需要采取措施以完善微波辐照开采页岩气技术。
发明内容
本发明在现有水力压裂开采页岩气技术基础上，提出了一种联合水力压裂和微波辐照开采页岩气的新方法；该方法首先利用天然金属矿石作为裂缝支撑剂，显著减少了水力压裂开采页岩气的成本；其次，利用微波对掺杂天然金属矿石的水流压裂后的含气页岩进行辐照，实现页岩气的二次开采；最后，利用天然金属矿石优异的微波吸收特性，提高微波能量利用效率。
本发明强化页岩气采收率的方法是将携带有支撑剂的高压水流注入页岩中进行水力压裂，并收集页岩气，然后利用微波发生器对页岩进行微波辐照，利用微波对页岩中页岩气进行二次开采并收集页岩气，提高页岩气采收率。
本发明方法压裂过程中，利用天然金属矿石作为裂缝支撑剂，实现页岩气的一次开采；对一次开采后的含气页岩，进行微波辐照以实现页岩气的二次开采；本发明方法既提供了一种清洁高效开采页岩气的方法，又提供了一种金属矿石和微波的利用途径。
所述支撑剂为粒度为20-60目的天然金属矿石，例如铁矿石、铜矿石或磁铁矿石。
所述水力压裂压力为20-40 MPa，支撑剂在水中的携砂比为15%-40%（体积比）。
所述微波辐照中微波频率为2450 MHz，辐照功率为1000-3000 W，辐照时间为15-40 min。
本发明中页岩类型包括暗色泥页岩、高碳泥页岩、海相页岩。
如图2所示，本发明的原理为：
（1）天然金属矿石具有较高硬度。水力压裂页岩过程中，具有较高硬度的金属矿石作为支撑剂，能够充分地填充新鲜裂缝并形成高渗透带，进而提高页岩储层的导流能力，最终保证页岩气的一次采收率；
（2）天然金属矿石除了具备支撑剂的功能，还具有强微波吸收能力（天然金属矿石具有较高的介电常数），因此，利用微波辐照二次开采页岩气过程中，天然金属矿石能够明显地吸收微波，促使水力压裂后含气页岩的迅速升温，进而强化物理吸附态甲烷的解吸，提高页岩气的采收率；
（3）傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）表征结果显示：利用微波辐照二次开采页岩气过程中，微波能够促使页岩有机质中含氧官能团分解；含氧官能团的分解，有助于页岩内部孔隙进一步暴露，促进孔隙结构二次发育，进而利于甲烷在页岩储层中的解吸；
（4）作为支撑剂的天然金属矿石和页岩内部的无机矿物组分（主要包括黏土和石英）具有不同的微波吸收能力；微波辐照过程中，页岩储层内部由此出现局部温差，并形成热应力，进而诱导页岩损伤；上述损伤作用有助于提升页岩孔隙连通性，进而强化甲烷在页岩储层中的解吸与扩散。
本发明的有益效果为：
（1）现今的水力压裂开采页岩气技术普遍采用昂贵的陶粒作为裂缝支撑剂，本发明采用廉价易得，且具有较高硬度的天然金属矿石作为裂缝支撑剂，既显著降低了本发明提出的首次水力压裂开采页岩气的成本，又有效维持了水力压裂后生成的新鲜裂缝，有助于开采页岩气；
（2）本发明使用的天然金属矿石具有较强的吸收微波能力。第一次水力压裂页岩过程中，高压水流能将天然金属矿石输送到页岩储层内部。第二次微波辐照页岩过程中，金属矿石显著地吸收微波。一方面，相比单纯微波辐照解吸页岩气，分散有金属矿石的页岩对微波能量利用效率更高；另一方面，金属矿石吸收微波，促使水力压裂后含气页岩的迅速升温，进而强化物理吸附态甲烷的解吸，提高页岩气的采收率；
（3）天然金属矿石和页岩中无机矿物吸收微波产生的页岩损伤效应，可以提升页岩孔隙结构连通性，强化页岩气的解吸与扩散；
（4）本发明提出的强化页岩气采收率的方法，对于清洁高效地开采页岩气资源、扩大天然金属矿石用途、提高页岩气解吸过程中的微波能量利用效率均具有重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明联用水力压裂和微波辐照技术开采页岩气流程示意图；
图2为本发明联用水力压裂和微波辐照技术强化页岩气采收率机理示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容，实施例分别针对暗色泥页岩、高碳泥页岩和海相页岩实施了本发明提出的强化页岩气采收率的方法。
实施例1：如图1所示，本强化页岩气采收率的方法，具体包括以下步骤：
（1）从含气页岩储层中取出一块含水的柱状暗色泥页岩样品；
（2）将柱状页岩样品放入耐压容器中；
（3）采用真空泵对步骤（2）中的耐压容器进行抽真空处理，使耐压容器内绝对压力达到6 Pa以下，抽真空时间为6 h；
（4）对步骤（3）中的耐压容器充入15 MPa的甲烷气体，促使页岩充分吸附甲烷，并达到吸附平衡状态；
（5）将步骤（4）中的耐压容器内柱状页岩用携带支撑剂的高压水流进行水力压裂，进行页岩气的一次开采；支撑剂为天然铁矿石，粒度为20-60目、水力压裂压力为20 MPa、携砂比为15%（体积比）；
（6）将步骤（5）中的耐压容器置于可控源微波场辐照装置中，利用微波二次解吸页岩气，微波频率为2450 MHz，微波辐照功率为1000 W，微波辐照时间为40 min；
（7）利用排水集气法测定第一次压裂过程和第二次微波辐照过程中甲烷总解吸量；
（8）通过与单纯水力压裂（采用的支撑剂为普遍使用的商业陶粒，粒度为20-60目、水力压裂压力为20 MPa、携砂比为15%）获得的页岩气解吸量，以及单纯微波辐照（辐照功率为1000 W，辐照时间为40 min）获得的解吸量进行对比，进而明确本发明提出的先采用水力压裂（支撑剂为天然金属矿石）后采用微波辐照强化页岩气采收率的可行性。
结果表明：（1）相比单纯水力压裂对应的甲烷解吸量，实施本发明对应的甲烷解吸量提高了35%；（2）相比单纯微波辐照对应的甲烷解吸量，实施本发明对应的甲烷解吸量提高了21%。
上述实施例表明：以暗色泥页岩为样品，本发明提出的强化页岩气采收率的方法，既能够利用铁矿石的硬度及发达的孔隙结构支撑形成的新鲜裂缝，进而提高页岩层的导流能力，又能够利用其强吸波能力提高微波能量利用效率，进而强化页岩气解吸率；此外，微波能够降低页岩有机质中含氧官能团含量及增强页岩孔隙连通性，因而有助强化页岩气采收率。
实施例2：本强化页岩气采收率的方法，具体包括以下步骤：
（1）从含气页岩储层中取出一块含水的柱状暗色泥页岩样品；
（2）将柱状页岩样品放入耐压容器中；
（3）对步骤（2）中的耐压容器进行抽真空处理，使耐压容器内绝对压力达到6 Pa以下，抽真空时间为6 h；
（4）对步骤（3）中的耐压容器充入18 MPa的甲烷气体，促使页岩充分吸附甲烷，并达到吸附平衡状态；
（5）将步骤（4）中的耐压容器内柱状页岩用携带支撑剂的高压水流进行水力压裂，进行页岩气的一次开采，支撑剂为天然铁矿石，粒度为20-60目、水力压裂压力为24 MPa、携砂比为20%（体积比）；
（6）将步骤（5）中的耐压容器置于可控源微波场辐照装置中，利用微波二次解吸页岩气，微波频率为2450 MHz，微波辐照功率为1400 W，微波辐照时间为35 min；
（7）利用排水集气法测定第一次压裂过程和第二次微波辐照过程中甲烷总解吸量；
（8）通过与单纯水力压裂（采用的支撑剂为普遍使用的商业陶粒，粒度为20-60目、水力压裂压力为24 MPa、携砂比为20%）获得的页岩气解吸量，以及单纯微波辐照（辐照功率为1400 W，辐照时间为35 min）获得的解吸量进行对比，进而明确本发明提出的先采用水力压裂（支撑剂为天然金属矿石）后采用微波辐照强化页岩气采收率的可行性。
结果表明：（1）相比单纯水力压裂对应的甲烷解吸量，实施本发明对应的甲烷解吸量提高了36%；（2）相比单纯微波辐照对应的甲烷解吸量，实施本发明对应的甲烷解吸量提高了24%。
上述实施例表明：以暗色泥页岩为样品，本发明提出的强化页岩气采收率的方法，既能够利用铁矿石的硬度及发达的孔隙结构支撑形成的新鲜裂缝，进而提高页岩层的导流能力，又能够利用其强吸波能力提高微波能量利用效率，进而强化页岩气解吸率；此外，微波能够降低页岩有机质中含氧官能团含量及增强页岩孔隙连通性，因而有助强化页岩气采收率。
实施例3：本强化页岩气采收率的方法，具体包括以下步骤：
（1）从含气页岩储层中取出一块含水的柱状高碳泥页岩样品；
（2）将柱状页岩样品放入耐压容器中；
（3）对步骤（2）中的耐压容器进行抽真空处理，使耐压容器内绝对压力达到6 Pa以下，抽真空时间为6 h；
（4）对步骤（3）中的耐压容器充入21 MPa的甲烷气体，促使页岩充分吸附甲烷，并达到吸附平衡状态；
（5）将步骤（4）中的耐压容器内柱状页岩用携带支撑剂的高压水流进行水力压裂，进行页岩气的一次开采，支撑剂为天然铜矿石，粒度为20-60目、水力压裂压力为28 MPa、携砂比为25%（体积比）；
（6）将步骤（5）中的耐压容器置于可控源微波场辐照装置中，利用微波二次解吸页岩气，微波频率为2450 MHz，微波辐照功率为1800 W，微波辐照时间为30 min；
（7）利用排水集气法测定第一次压裂过程和第二次微波辐照过程中甲烷总解吸量；
（8）通过与单纯水力压裂（采用的支撑剂为普遍使用的商业陶粒，粒度为20-60目、水力压裂压力为28 MPa、携砂比为25%）获得的页岩气解吸量，以及单纯微波辐照（辐照功率为1800 W，辐照时间为30 min）获得的解吸量进行对比，进而明确本发明提出的先采用水力压裂（支撑剂为天然金属矿石）后采用微波辐照强化页岩气采收率的可行性；
结果表明：（1）相比单纯水力压裂对应的甲烷解吸量，实施本发明对应的甲烷解吸量提高了33%；（2）相比单纯微波辐照对应的甲烷解吸量，实施本发明对应的甲烷解吸量提高了23%。
上述实施例表明：以高碳泥页岩为样品，本发明提出的强化页岩气采收率的方法，既能够利用铜矿石的硬度及发达的孔隙结构支撑形成的新鲜裂缝，进而提高页岩层的导流能力，又能够利用其强吸波能力提高微波能量利用效率，进而强化页岩气解吸率；此外，微波能够降低页岩有机质中含氧官能团含量及增强页岩孔隙连通性，因而有助强化页岩气采收率。
实施例4：本强化页岩气采收率的方法，具体包括以下步骤：
（1）从含气页岩储层中取出一块含水的柱状高碳泥页岩样品；
（2）将柱状页岩样品放入耐压容器中‘’
（3）对步骤（2）中的耐压容器进行抽真空处理，使耐压容器内绝对压力达到6 Pa以下，抽真空时间为6 h；
（4）对步骤（3）中的耐压容器充入24 MPa的甲烷气体，促使页岩充分吸附甲烷，并达到吸附平衡状态；
（5）将步骤（4）中的耐压容器内柱状页岩用携带支撑剂的高压水流进行水力压裂，进行页岩气的一次开采；支撑剂为天然铜矿石，粒度为20-60目、水力压裂压力为32 MPa、携砂比为30%（体积比）；
（6）将步骤（5）中的耐压容器置于可控源微波场辐照装置中，利用微波二次解吸页岩气，微波频率为2450 MHz，微波辐照功率为2200 W，微波辐照时间为25 min；
（7）利用排水集气法测定第一次压裂过程和第二次微波辐照过程中甲烷总解吸量；
（8）通过与单纯水力压裂（采用的支撑剂为普遍使用的商业陶粒，粒度为20-60目、水力压裂压力为32 MPa、携砂比为30%）获得的页岩气解吸量，以及单纯微波辐照（辐照功率为2200 W，辐照时间为25 min）获得的解吸量进行对比，进而明确本发明提出的先采用水力压裂（支撑剂为天然金属矿石）后采用微波辐照强化页岩气采收率的可行性；
结果表明：（1）相比单纯水力压裂对应的甲烷解吸量，实施本发明对应的甲烷解吸量提高了36%；（2）相比单纯微波辐照对应的甲烷解吸量，实施本发明对应的甲烷解吸量提高了26%。
上述实施例表明：以高碳泥页岩为样品，本发明提出的强化页岩气采收率的方法，既能够利用铜矿石的硬度及发达的孔隙结构支撑形成的新鲜裂缝，进而提高页岩层的导流能力，又能够利用其强吸波能力提高微波能量利用效率，进而强化页岩气解吸率；此外，微波能够降低页岩有机质中含氧官能团含量及增强页岩孔隙连通性，因而有助强化页岩气采收率。
实施例5：本强化页岩气采收率的方法，具体包括以下步骤：
（1）从含气页岩储层中取出一块含水的柱状海相页岩样品；
（2）将柱状页岩样品放入耐压容器中；
（3）对步骤（2）中的耐压容器进行抽真空处理，使耐压容器内绝对压力达到6 Pa以下，抽真空时间为6 h；
（4）对步骤（3）中的耐压容器充入27 MPa的甲烷气体，促使页岩充分吸附甲烷，并达到吸附平衡状态；
（5）将步骤（4）中的耐压容器内柱状页岩用携带支撑剂的高压水流进行水力压裂，进行页岩气的一次开采，支撑剂为天然磁铁矿石，粒度为20-60目、水力压裂压力为36 MPa、携砂比为35%（体积比）；
（6）将步骤（5）中的耐压容器置于可控源微波场辐照装置中，利用微波二次解吸页岩气，微波频率为2450 MHz，微波辐照功率为2600 W，微波辐照时间为20 min；
（7）利用排水集气法测定第一次压裂过程和第二次微波辐照过程中甲烷总解吸量；
（8）通过与单纯水力压裂（采用的支撑剂为普遍使用的商业陶粒，粒度为20-60目、水力压裂压力为36 MPa、携砂比为35%）获得的页岩气解吸量，以及单纯微波辐照（辐照功率为2600 W，辐照时间为20 min）获得的解吸量进行对比，进而明确本发明提出的先采用水力压裂（支撑剂为天然金属矿石）后采用微波辐照强化页岩气采收率的可行性；
结果表明：（1）相比单纯水力压裂对应的甲烷解吸量，实施本发明对应的甲烷解吸量提高了30%；（2）相比单纯微波辐照对应的甲烷解吸量，实施本发明对应的甲烷解吸量提高了22%；
上述实施例表明：以海相页岩为样品，本发明提出的强化页岩气采收率的方法，既能够利用磁铁矿石的硬度及发达的孔隙结构支撑形成的新鲜裂缝，进而提高页岩层的导流能力，又能够利用其强吸波能力提高微波能量利用效率，进而强化页岩气解吸率；此外，微波能够降低页岩有机质中含氧官能团含量及增强页岩孔隙连通性，因而有助强化页岩气采收率。
实施例6：本强化页岩气采收率的方法，具体包括以下步骤：
（1）从含气页岩储层中取出一块含水的柱状海相页岩样品；
（2）将柱状页岩样品放入耐压容器中；
（3）对步骤（2）中的耐压容器进行抽真空处理，使耐压容器内绝对压力达到6 Pa以下，抽真空时间为6 h；
（4）对步骤（3）中的耐压容器充入30 MPa的甲烷气体，促使页岩充分吸附甲烷，并达到吸附平衡状态；
（5）将步骤（4）中的耐压容器内柱状页岩用携带支撑剂的高压水流进行水力压裂，进行页岩气的一次开采，支撑剂为天然磁铁矿石，粒度为20-60目、水力压裂压力为40 MPa、携砂比为40%（体积比）；
（6）将步骤（5）中的耐压容器置于可控源微波场辐照装置中，利用微波二次解吸页岩气，微波频率为2450 MHz，微波辐照功率为3000 W，微波辐照时间为15 min；
（7）利用排水集气法测定第一次压裂过程和第二次微波辐照过程中甲烷总解吸量；
（8）通过与单纯水力压裂（采用的支撑剂为普遍使用的商业陶粒，粒度为20-60目、水力压裂压力为40 MPa、携砂比为40%）获得的页岩气解吸量，以及单纯微波辐照（辐照功率为3000 W，辐照时间为15 min）获得的解吸量进行对比，进而明确本发明提出的先采用水力压裂（支撑剂为天然金属矿石）后采用微波辐照强化页岩气采收率的可行性；
结果表明：（1）相比单纯水力压裂对应的甲烷解吸量，实施本发明对应的甲烷解吸量提高了37%；（2）相比单纯微波辐照对应的甲烷解吸量，实施本发明对应的甲烷解吸量提高了27%；
上述实施例表明：以海相页岩为样品，本发明提出的强化页岩气采收率的方法，既能够利用磁铁矿石的硬度及发达的孔隙结构支撑形成的新鲜裂缝，进而提高页岩层的导流能力，又能够利用其强吸波能力提高微波能量利用效率，进而强化页岩气解吸率；此外，微波能够降低页岩有机质中含氧官能团含量及增强页岩孔隙连通性，因而有助强化页岩气采收率。
Claims (5)
1.一种强化页岩气采收率的方法，其特征在于：将携带有支撑剂的高压水流注入页岩中进行水力压裂，并收集页岩气，然后利用微波发生器对页岩进行微波辐照，利用微波对页岩中页岩气进行二次开采并收集页岩气，提高页岩气采收率。
2.根据权利要求1所述的强化页岩气采收率的方法，其特征在于：支撑剂为粒度为20-60目的天然金属矿石。
3.根据权利要求2所述的强化页岩气采收率的方法，其特征在于：天然金属矿石为铁矿石、铜矿石或磁铁矿石。
4.根据权利要求1所述的强化页岩气采收率的方法，其特征在于：水力压裂压力为20-40 MPa，支撑剂在水中的携砂比为体积比15%-40%。
5.根据权利要求1所述的强化页岩气采收率的方法，其特征在于：微波辐照中微波频率为2450 MHz，辐照功率为1000-3000 W。
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