CN110107271A - 一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，包括以下步骤：在原始地层压力不低于22.1MPa的页岩气储层中钻取至少一口水平井，并实施分段水力压裂；页岩气井水力压裂施工结束后进行焖井然后开井返排水力裂缝和井筒中的残留水；下入井下气体加热装置，向储层段注入压力不低于气藏原始地层压力和温度不低于374℃的气体传热介质，以空气、氧气等氧化性气体为传热介质，以水力裂缝为起点，储层滞留压裂液由近及远逐渐转换为超临界水；然后持续注入上述的气体传热介质，形成氧化溶蚀孔缝。本发明可扩展基质中的气体输运空间，显著缩短基质气体扩散路径和提高扩散速率，从而达到绿色、高效、安全、低成本地提高页岩气藏吸附气采出程度的效果。

Description

一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法

技术领域

本发明涉及一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，属于能源与环境技术领域。

背景技术

我国页岩气分布广、资源量大。与常规天然气藏相比，页岩气藏具有基质孔喉细小且连通性差、黏土矿物含量高、富含有机质和非均质性强等特点。对于富有机质页岩储层，吸附气是页岩气的主要赋存方式之一，占总含气量的20％～85％，吸附气产出主要依赖于纳米孔扩散，因此，页岩基质中的气体扩散效率直接决定了吸附气的有效开采程度，而提高扩散速率和缩短扩散路径则是提升基质气体扩散效率的有效途径。

目前国内外页岩气井普遍面临着稳产期短、产量递减快和采出程度低等问题，尤其是处于开发中后期的页岩气井、深层页岩气井和水力压裂后的常压页岩气井，由于地层能量不足、基质供气能力差等客观原因，导致气井产量仍有较大提升空间。

通过实施水平井分段压裂，可大幅度提高页岩气井产量，实现经济开采。但是当前页岩气采收率仍有较大提升空间，主要表现为：(1)压裂液返排率普遍偏低，滞留压裂液一般位于基质孔隙或闭合裂缝中，不可避免会引发水相圈闭损害，尤其是制约了基质微纳孔缝中的气体输运能力；(2)页岩气产出历经了多种尺度的气体输运过程，在水力压裂形成缝网基础上，如果能够进一步缩短基质气体扩散路径和提高扩散速率，可更为显著提升页岩基质向水力裂缝的供气能力。

水的临界温度为374℃、临界压力为22.1MPa，从我国页岩气有利区的成藏地质条件来看，其地层压力普遍大于水的临界压力。水力压裂页岩气井的超临界水基质增渗方法正是利用储层滞留大量压裂液这一客观条件，通过井下加热的方式，以空气、氧气或其它气体氧化剂为传热介质，将储层中的压裂液温度升至374℃以上，即可将滞留压裂液原地转换为超临界水。超临界水通常具有极强氧化能力、溶解能力、催化能力等特点，其具有类似于液体的密度，以及类似于气体的黏度和扩散系数。因此，在加热滞留压裂液的同时，向储层中持续通入的空气、氧气或其它气体氧化剂又能促使页岩中的有机质和黄铁矿等还原性组分在超临界水中被氧化分解。此外，页岩中的有机质和氧气将在超临界水中实现完全混溶，整个体系为均一相，上述反应速率极快，可在短时间内将页岩中99％以上的还原性组分迅速氧化生成二氧化碳、水及其它无毒无害的产物。而在整个反应过程将瞬时释放大量热能，产生的热应力可进一步诱发微裂缝。

因此，上述方法利用滞留于储层中的压裂液，一方面缓解了水相圈闭损害，另一方面通过氧化分解有机质和黄铁矿等还原组分产生溶蚀孔缝、生热促进吸附气解吸-扩散、生成二氧化碳置换吸附态甲烷、以及诱发热致裂缝，提高了气体扩散效率，对于在水力压裂基础上进一步提高页岩气藏采收率具有重要意。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，该方法利用滞留于储层中的大量压裂液，通过原位加热将其转变为超临界水，并以空气、氧气等氧化性气体为传热介质，将页岩中的有机质和黄铁矿等还原性组分氧化分解为二氧化碳、水及其它无毒无害物质，并形成氧化溶蚀孔缝，同时，反应生成的二氧化碳将有利于置换更多的吸附态甲烷，而产生的瞬时热量还可在基质的弱结构面诱发热致裂缝，通过上述物理/化学反应过程，可扩展基质中的气体输运空间，显著缩短基质气体扩散路径和提高扩散速率，从而达到绿色、高效、安全、低成本地提高页岩气藏吸附气采出程度的效果，为高效开采页岩气提供新思路。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，包括以下步骤：

步骤S10、在原始地层压力不低于22.1MPa的页岩气储层中钻取至少一口水平井，并实施分段水力压裂；

步骤S20、页岩气井水力压裂施工结束后进行焖井，用以增加基质纳米孔吸水量，然后开井返排水力裂缝和井筒中的残留水；

步骤S30、当压裂返排液日产出量呈现显著下降后，下入井下气体加热装置，向储层段注入压力不低于气藏原始地层压力和温度不低于374℃的气体传热介质，以水力裂缝为起点，储层滞留压裂液由近及远逐渐原位转换为超临界水；

步骤S40、然后持续注入上述的气体传热介质，其页岩基质中的还原性组分在超临界水中被氧化分解，形成氧化溶蚀孔缝。

进一步的技术方案是，所述步骤S40中还原性组分在超临界水中发生氧化分解会生成二氧化碳、水及其它无毒无害的产物并释放热能，其二氧化碳置换吸附态甲烷，且温度升高从而提高吸附气解吸及扩散速率。

进一步的技术方案是，上述超临界水氧化分解释放的热能在页岩中形成热应力，并使温度升高形成水热增压效应，进而在页岩基质弱结构面诱发热致裂缝，进一步缩短基质气体传输至水力裂缝的扩散路径。

进一步的技术方案是，所述步骤S10中所述水力压裂使用的是页岩气藏常用水基压裂液。

进一步的技术方案是，所述步骤S20中的闷井时间能满足焖井期间的压裂液改造效果。

进一步的技术方案是，所述井下气体加热装置具有加热气体、检测输出气体温度和控制输出气体压力功能。

进一步的技术方案是，所述气体传热介质为空气、氧气、氯气、臭氧、溴气中的任意一种。

进一步的技术方案是，为了达到安全、环保要求，使用压缩空气、氧气等无毒无害气体作为气体传热介质。

本发明具有以下优点：

(1)就地取材，实现滞留压裂液向超临界水的原位转换；该方法充分利用了页岩气藏压裂液返排率低和储层压力本身即高于水的临界压力等客观条件，并且外界注入气体的压力不低于原始地层压力，确保了滞留压裂液所处压力环境不低于水的临界压力值，而滞留压裂液主要成为水，因此只需将温度升高至水的临界温度，即可将滞留压裂液转换为超临界水；

(2)超临界水处理的可操作性强且作用范围广；无论是加热储层，还是向储层中通入空气、氧气或其它气体氧化剂，均具有较强的可操作性，并且水力压裂所形成的裂缝网络有利于输送空气、氧气等气体传热介质，从而实现不限于井周的更大范围的储层热处理；

(3)实现页岩基质还原性组分的充分反应；水力压裂后的页岩气井在一段时间焖井过程中，压裂液可通过渗吸等方式充分分布于页岩基质或闭合裂缝中，因而转换为超临界状态的滞留压裂液将与基质中的有机质、黄铁矿等还原性组分充分接触；

(4)热致裂缝进一步缩短基质气体的扩散路径；页岩基质中的还原性组分在超临界水中的氧化反应将瞬间释放大量热能，利用页岩各组分热膨胀系数的非均质性和各向异性，基质中将产生热应力，同时，高温下形成的水热增压效果将进一步促进热致裂缝的萌生、扩展；

(5)升温效应加快基质气体解吸和扩散效率；储层热处理过程和超临界水氧化过程均是升温/放热过程，将提升基质吸附气解吸和扩散速率；

(6)置换吸附态甲烷；二氧化碳是有机质等还原组分在超临界水中发生氧化分解的主要产物，其竞争吸附效应将促使吸附态甲烷置换成游离态；

(7)安全、环保；不仅通过“矛盾转换”缓解了滞留压裂液的水相圈闭损害、提高了基质吸附气扩散至水力裂缝网络的效率，而且实现了压裂液原位处理，反应产物无毒无害，降低了压裂返排液的处理成本。

附图说明

图1为根据发明的实施例的强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法的主要步骤流程图；

图2为根据本发明的实施例的水力压裂页岩气井分段压裂后，通过实施储层段加热将压裂液原位转换为超临界态的超临界水处理效果示意图；

图3为根据本发明的实施例的页岩基质中的有机质、黄铁矿等还原性组分被氧化分解前后的孔隙图像；

图4为根据本发明的实施例的页岩基质经高温作用后产生热致裂缝的情况图。

图中：1—连接注气通道的井下加热装置；2—加热前的注入气体(较低温)；3—加热后的注入气体(达设定温度)；4—水力压裂缝；5—超临界水氧化溶蚀孔缝、热诱导裂缝。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，包括以下步骤：

S1、在原始地层压力高于水的临界压力值(22.1MPa)的页岩气储层中钻取至少一口水平井，对水平井实施分段水力压裂，压裂施工结束后关井焖井一段时间，以增加页岩基质纳米孔的吸水量；

S2、为了便于实施以气体为传热介质的井下加热，开井返排水力裂缝和井筒中的残留水，当压裂返排液日产出量显著下降后，下入井下加热装置，通入空气、氧气或其它气体氧化剂作为气体传热介质；

其中所述井下加热装置可实现气体增温和监测注入储层气体温度的要求，加热温度不低于374℃，同时，为了确保井周地层压力不低于水的临界压力，注入气体压力应高于气藏原始地层压力；

S3、在步骤S2中所述的气体注入一段时间后，以水力裂缝壁面为起始点，储层滞留压裂液由近及远逐渐原位转换为超临界水；

S4、以上述注入压力和温度持续注入气体传热介质，页岩中的有机质和黄铁矿等还原性组分在超临界水中被氧化分解，形成氧化溶蚀孔缝(如图3所示)；

S5、页岩基质中的有机质和黄铁矿等还原性组分在超临界水环境中发生氧化分解所生成二氧化碳和瞬间释放热量，其二氧化碳可将更多的吸附态甲烷置换为游离态，且释放的热量使得温度升高也有利于加速吸附气解吸和扩散；

S6、上述氧化反应瞬间释放的大量热量将在页岩中形成热应力，使温度升高形成水热增压效应，热应力和水热增压效应共同进一步在页岩基质弱结构面诱发热致裂缝(如图4所示)。

根据本发明，利用页岩气藏水力压裂后大量滞留于储层中的压裂液，将其原位转换为超临界水，加热储层所用传热介质本身为空气、氧气等氧化性气体，加热温度仅需高于水的临界温度(374℃)，可操作性强，为提高页岩基质向水力裂缝供气效率提供了新途径。

上述方法的机理为:超临界水具有极强的氧化能力，其表现出的高流动性、高扩散速率和对有机物及各种气体良好的溶解性，可使得页岩中的有机质、黄铁矿等还原性组分与通入的气体氧化剂(空气或氧气等)迅速混合形成均一相，并且迅速发生氧化分解，生成二氧化碳、水及其它无毒无害的产物，并在短时间内放出大量热能。

上述过程一方面通过氧化分解有机质和黄铁矿而形成氧化溶蚀孔缝，增加基质气体输运空间，缩短基质气体传输至水力裂缝的扩散路径；第二，由于页岩基质中存在弱结构面，各岩石组分的热膨胀系数具有非均质性和各向异性，因而上述反应所产生的大量热能可在基质中诱发热致裂缝，起到进一步缩短扩散路径的作用；第三，在将储层滞留压裂液转换为超临界水过程中，以及超临界水氧化过程中，均属于升温/放热过程，有利于提升页岩基质吸附气解吸速率和扩散速率；第四，二氧化碳是上述超临界水氧化反应的主要产物，由于页岩基质吸附二氧化碳的能力强于甲烷，因此反应生成的二氧化碳有利于将吸附态甲烷置换为游离态。上述四点机理可起到强化页岩基质气体产出效率的效果。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10、在原始地层压力不低于22.1MPa的页岩气储层中钻取至少一口水平井，并实施分段水力压裂；

步骤S20、页岩气井水力压裂施工结束后进行焖井，用以增加基质纳米孔吸水量，然后开井返排水力裂缝和井筒中的残留水；

步骤S30、当压裂返排液日产出量呈现显著下降后，下入井下气体加热装置，向储层段注入压力不低于气藏原始地层压力和温度不低于374℃的气体传热介质，以水力裂缝为起点，储层滞留压裂液由近及远逐渐转换为超临界水；

步骤S40、然后持续注入上述的气体传热介质，其页岩基质中的还原性组分在超临界水中被氧化分解，形成氧化溶蚀孔缝。

2.根据权利要求1所述的一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，其特征在于，所述步骤S40中还原性组分在超临界水中发生氧化分解会生成二氧化碳、水及其它无毒无害的产物并释放热能，其二氧化碳置换吸附态甲烷，且温度升高从而提高吸附气解吸及扩散速率。

3.根据权利要求2所述的一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，其特征在于，上述超临界水氧化分解释放的热能在页岩中形成热应力，并使温度升高形成水热增压效应，进而在页岩基质弱结构面诱发热致裂缝，进一步缩短基质气体传输至水力裂缝的扩散路径。

4.根据权利要求1所述的一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，其特征在于，所述步骤S10中所述水力压裂使用的是页岩气藏常用水基压裂液。

5.根据权利要求3所述的一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，其特征在于，所述步骤S20中的闷井时间能满足焖井期间的压裂液改造效果。

6.根据权利要求4所述的一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，其特征在于，所述井下气体加热装置具有加热气体、检测输出气体温度和控制输出气体压力功能。

7.根据权利要求1所述的一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，其特征在于，所述气体传热介质为空气、氧气、氯气、臭氧、溴气中的任意一种。

8.根据权利要求7所述的一种强化页岩基质气体输运能力的超临界水处理方法，其特征在于，所述气体传热介质为压缩空气或氧气。