CN110185425B - 一种页岩气的开采方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种页岩气的开采方法及系统，该方法为向页岩气储层内注入夹带有支撑剂颗粒的推进剂，推进剂在水平井内进行可控燃烧，燃烧产生的热量会传递到页岩气储层，提高页岩气的自由能并降低分子间的相互作用力，使吸附于页岩基质孔隙网络中的甲烷等气体脱附，并使固体干酪根热解产生热解气，从而获得页岩气，支撑剂则保证生成的裂缝处于开启状态，有利于页岩气在储层内的流动和收集；该系统包括注气模块，集气模块和气体输入量调节模块。本发明结构简单，实施方便，通过控制输入推进剂的量来控制燃烧的进行，易于操作；在密封的水平井内进行燃烧，燃烧稳定，火焰不进入竖井，安全可靠；燃烧产物为二氧化碳，水和氮气等，对环境污染小。

Description

一种页岩气的开采方法及系统

技术领域

本发明属于页岩气开采技术领域，尤其涉及一种页岩气的开采方法及系统。

背景技术

页岩气储层是一种烃源岩，在地质时期保留了碳氢化合物，是一种高效清洁的能源，主要成分是甲烷等气体。页岩气是指赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，是连续生成的生物化学成因气、热成因气或二者的混合。页岩气以多种形式存在于页岩气储层中，以游离态存在于天然裂缝和孔隙中，以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒表面，还有以溶解状态储存于干酪根和沥青质中。其中，绝大多数页岩气以吸附态和游离态存在于页岩气储层中。

我国的页岩气资源储量十分丰富，技术可采资源量为36万亿立方米，有着巨大的商业价值。然而，页岩气储层的特性(例如：孔隙度低，渗透率低等问题)使页岩气在储层内的流动阻力较大，不利于页岩气的产出。同时，我国页岩气埋藏深度大，产气区多为水资源匮乏地区(如新疆、川南等)。这些问题的存在限制了传统的水力压裂技术在我国的应用。同时，水力压裂技术会对土壤和地下水造成污染，不是最为理想的开采方式。目前，有很多学者对页岩气的开采方式进行了探究。但大多都存在着极为明显的弊端，例如，通过微波加热页岩气储层来提高产气量的，也有使用爆炸的方式来提高储层渗透率的。但这些方法都存在着安全隐患或者效率低下的缺点。

因此，有必要提供一种更安全、更经济、更高效的页岩气开采方法及系统，以使我国的页岩气开采技术体系更为丰富。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种页岩气的开采方法及系统，通过向页岩气储层内注入推进剂(如偏二甲肼和四氧化二氮等)，利用其比冲量高和燃烧产热高的特点，来提高页岩气储层的渗透率和孔隙度，并使干酪根热解产生热解气，从而提高页岩气的开采效率和采气量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种页岩气的开采方法，其包括步骤：

获取页岩气储层；

选取页岩气储层中的燃烧井，向该燃烧井中注入夹带有支撑剂颗粒的推进剂；

调节推进剂的输入量实现推进剂的可控燃烧；

燃烧产生的热量向所述页岩气储层传递，使吸附于页岩基质孔隙网络中的气体脱附，并使固体干酪根热解产生热解气，从而获得页岩气。

进一步的，所述向该燃烧井中注入夹带有支撑剂颗粒的推进剂前还包括步骤：

将常温下处于液态的推进剂预先加热成气态。

进一步的，燃烧反应开始后还包括步骤：

停止注入推进剂，并进行设定时间阈值的闷井。

为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：

一种页岩气的开采系统，包括页岩气储层，所述页岩气的开采系统还包括：

注气模块，用于向页岩气储层内注入夹带有支撑剂颗粒的推进剂；

气体输入量调节模块，用于对注气模块注入的推进剂的输入量进行调节；

集气模块，用于收集解吸和热解生成的页岩气。

进一步的，所述注气模块包括注气管道，所述页岩气储层包括若干个水平井，若干水平井中至少一个用于燃烧，其余用于集气，所述注气模块仅与用于燃烧的水平井连通，与其他用于集气的水平井不连通，所述注气管道延伸入用于燃烧的水平井内，所述推进剂通过注气管道被传送至该水平井。

进一步的，所述注气管道上设有恒温加热装置，所述恒温加热装置用于使常温下处于液体状态的推进剂气化。

进一步的，所述注气管道上设有气体浓度探测器，用于对水平井内的气态的推进剂的气体浓度进行实时监测。

进一步的，所述页岩气储层还包括竖井，所述水平井与所述竖井连通，所述注气管道包括安装在水平井与竖井连接处的金属密封套。

进一步的，所述注气管道上设有将注气管道分隔成多个区域的隔板，所述注气管道上对应被分隔出的多个区域位置处设有若干小孔。

进一步的，所述集气模块包括集气管道，所述集气管道与用于集气的水平井连通，所述解吸和热解生成的页岩气由用于集气的水平井进入集气管道。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例的页岩气的开采方法及系统结构简单，实施方便，通过控制输入夹带有支撑剂颗粒的推进剂的量来控制燃烧的进行，易于操作；通过利用推进剂燃烧比冲量高、热值高的优势，将其在水平井内燃烧放热，对页岩气进行开采，燃烧产生的大量的热一方面提高了甲烷分子的自由能，使吸附于页岩基质孔隙网络中的页岩气脱附；另一方面促使储层基质中的干酪根热解，生成热解气，从而提高页岩气的产量；同时，反应的高比冲量使页岩气储层产生大量的裂缝，支撑剂则保证生成的裂缝处于开启状态，有利于页岩气在储层内的流动和收集；在密封的水平井内进行燃烧，燃烧稳定，火焰不进入竖井，安全可靠；燃烧产物为二氧化碳，水和氮气等，对环境污染小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明可通过控制推进剂的供给量来控制燃烧的程度，相比于爆炸的页岩气开采方式更加安全可靠。

2、本发明所用的夹带有支撑剂颗粒的推进剂与氧化剂接触即自动着火，无需点火装置，使结构简单，操作方便；燃烧温控范围大，现场适应性强。

3、本发明所使用的推进剂比冲值高，可有效打开页岩气储层的孔隙网络，有利于页岩气的运移。

4、本发明的燃烧产物主要为水、二氧化碳和氮气等，产物污染较小。

5、支撑剂可使生成的裂缝不因应力释放而闭合，有效地提高了储层的导流能力，增加产气量。

附图说明

图1是本发明页岩气的开采方法的流程图。

图2是本发明页岩气的开采系统的示意图。

图3是本发明页岩气的开采系统中注气模块与水平井(燃烧)及竖井的连接示意图。

图4是本发明页岩气的开采系统水平井中通气管道的示意图。

其中：1-页岩气储层、2-竖井、3-水平井(燃烧)、4-水平井(集气)、5-金属密封套、6-注气管道、7-恒温加热装置、8-燃料推进剂输气管道(如偏二甲肼)、9-氧化剂推进剂输气管道(如四氧化二氮)、10-支撑剂输送管(如石英砂)、11-输气孔、12-隔板、13-防堵塞孔。

具体实施方式

本发明公开了一种页岩气的开采方法及系统，通过向页岩气储层内注入推进剂(如偏二甲肼和四氧化二氮等)，利用其比冲量高和燃烧产热高的特点，来提高页岩气储层的渗透率和孔隙度，并使干酪根热解产生热解气，从而提高页岩气的开采效率和采气量。

如图1所示，本发明的页岩气的开采方法，其包括步骤：

S101：获取页岩气储层。

其中，获取合适的页岩气储层后，对页岩气储层进行钻井获得竖井，每口竖井均在页岩气储层范围内连接多个水平井，选择其中一个水平井作为燃烧用。在一个实施例中，可以钻一口竖井，该竖井在页岩气储层范围内连接五口水平井。在其他实施例中，竖井及与竖井连接的水平井的数量根据实际需求确定。在一个实施例中，为了使得后续步骤中页岩储层传递热量快，选择靠近中间的水平井作为燃烧用的燃烧井，其余非燃烧用的水平井均作为集气井。

S102：选取页岩气储层中的燃烧井，向该燃烧井中注入夹带有支撑剂颗粒的推进剂，如石英砂。

推进剂可以有多种选择，比如可以为偏二甲肼和四氧化二氮两种，通过利用推进剂燃烧比冲量高、热值高的优势，来提高页岩气储层的渗透率和孔隙度，将其两者在水平井内燃烧放热，对页岩气进行开采，燃烧产生的大量的热一方面提高了甲烷分子的自由能，使吸附于页岩基质孔隙网络中的页岩气脱附；另一方面促使储层基质中的干酪根热解，生成热解气，从而提高页岩气的开采效率和采气量；同时，两者反应的高比冲量使页岩气储层产生大量的裂缝，支撑剂则保证生成的裂缝处于开启状态，有利于页岩气在储层内的流动和收集。推进剂与氧化剂接触即自动着火，无需点火装置，使结构简单，操作方便；燃烧温控范围大，现场适应性强。

在其他实施例中，推进剂，可以选择如混肼，一甲肼等，实现方式均与偏二甲肼相似，可以采用。

S103：调节夹带有支撑剂颗粒的推进剂的输入量实现推进剂的可控燃烧。

通过控制通入推进剂的量来控制燃烧的进行，易于操作；在密封的水平井内进行燃烧，点火容易，燃烧稳定，火焰不进入竖井，安全可靠；燃烧产物为二氧化碳，水和氮气等，对环境污染小，支撑剂使裂缝常开，储层导流能力高。

S104：燃烧产生的热量向所述页岩气储层传递，使吸附于页岩基质孔隙网络中的气体脱附，并使固体干酪根热解产生热解气，从而获得页岩气。

其中，待页岩气储层的压力稳定后，通过集气系统对水平井和竖井内的气体进行收集；并对收集到的气体进行提纯，得到页岩气。

其中，燃烧产生的热量对页岩气储层有加热的效果，同时也会在燃烧井内形成高压区域，使页岩气储层产生有利于气体流动的裂缝，促使储层内的甲烷向低压的集气用的水平井流动；同时，燃烧生成的二氧化碳比甲烷有更强的吸附能力，能够置换出储层孔隙中的甲烷分子，提高产气量。

其中，在所述向该燃烧井中注入气态的推进剂前还包括步骤：

将常温下处于液态的推进剂预先加热成气态。

其中，在燃烧反应开始后还包括步骤：

停止注入推进剂，并进行设定时间阈值的闷井。

本发明的页岩气的开采系统，其包括：

注气模块，用于向页岩气储层内注入夹带有支撑剂颗粒的推进剂；

气体输入量调节模块，用于对注气模块注入的推进剂的输入量进行调节；

集气模块，用于收集解吸和热解生成的页岩气。

本发明通过向页岩气储层内注入推进剂(如偏二甲肼和四氧化二氮等)，利用其比冲量高和燃烧产热高的特点，来提高页岩气储层的渗透率和孔隙度，并使干酪根热解产生热解气，从而提高页岩气的开采效率和采气量。

支撑剂则保证生成的裂缝处于开启状态，有利于页岩气在储层内的流动和收集，支撑剂使裂缝常开，储层导流能力高。本发明结构简单，通过控制通入推进剂的量来控制燃烧的进行，易于操作。

所述页岩气储层选择好后，对页岩气储层进行钻井获得竖井，每口竖井均在页岩气储层范围内连接多个水平井，水平井作为燃烧和集气用。在一个实施例中，可以钻一口竖井，该竖井在页岩气储层范围内连接五口水平井。在其他实施例中，竖井及与竖井连接的水平井的数量根据实际需求确定。在密封的水平井内进行燃烧，点火容易，燃烧稳定，火焰不进入竖井，安全可靠；燃烧产物为二氧化碳，水和氮气等，对环境污染小，支撑剂使裂缝常开，储层导流能力高。

在一个实施例中，为了使后续步骤中页岩储层传递热量快，选择靠近中间的水平井作为燃烧用的燃烧井，其余非燃烧用的水平井均作为集气井。

所述注气模块包括注气管道，所述页岩气储层包括若干个水平井，若干水平井中至少一个用于燃烧，其余用于集气，所述注气模块仅与用于燃烧的水平井连通，与其他用于集气的水平井不连通，所述注气管道延伸入用于燃烧的水平井内，所述推进剂通过注气管道被传送至该水平井。所述注气管道上设有恒温加热装置，所述恒温加热装置用于使常温下处于液体状态的推进剂气化。

气体推进剂通过注气管道被送入水平井内，两者在水平井内相互接触并自行燃烧。燃烧产生的热量对页岩气储层有加热的效果，同时也会在燃烧井内形成高压区域，使页岩气储层产生有利于气体流动的裂缝，促使储层内的甲烷向低压的集气水平井流动；通过注气管道进入储层的支撑剂可使孔隙网络不闭合，使储层导流能力提高；同时，燃烧生成的二氧化碳比甲烷有更强的吸附能力，能够置换出储层孔隙中的甲烷分子，提高产气量。

所述注气管道上设有气体浓度探测器，用于对水平井内的气态的推进剂的气体浓度进行实时监测。

所述页岩气储层还包括竖井，所述水平井与所述竖井连通，所述注气管道包括安装在水平井与竖井连接处的金属密封套。

所述注气管道上设有将注气管道分隔成多个区域的隔板，所述注气管道上对应被分隔出的多个区域位置处设有若干输气孔。

管道由耐高温的高强度钢材制成，初始段进行氧化剂和支撑剂的混合，主体段内部被隔板分隔成两块互不连通的区域，分别为燃料推进剂输气管道和氧化剂推进剂输气管道，分别用于输送燃料和氧化剂，在水平管道两侧开有两排输气孔，使推进剂气体在水平井内分布更均匀，燃烧更充分，水平管道末端开有一排防堵塞孔，防止支撑剂堵塞。

所述集气模块包括集气管道，所述集气管道与用于集气的水平井连通，所述解吸和热解生成的页岩气由用于集气的水平井进入集气管道。

所述竖井包括若干个水平井，所述注气模块仅与其中一个水平井连通，与其他用于集气的水平井不连通。

所述竖井包括若干个，每个竖井包括若干个水平井，若干所述水平井与相应的竖井连通。各个水平井均可实现燃烧和集气的功能，提高了井筒的利用效率。被选择作为燃烧用的水平井的周围的水平井将被作为集气用的水平井，从而有效地利用了各个水平井，也使页岩气开采的广度和深度得到了极大的提高。

通入设定量的推进剂气体后，关闭注气模块并进行闷井，闷井的时间即为设定的时间阈值，该时间阈值可以根据实际情况而定。待页岩气储层压力稳定后，通过集气系统对水平井和竖井内的气体进行收集；并对收集到的气体进行提纯，得到页岩气。

通过控制通入推进剂的量来控制燃烧的进行，易于操作；在密封的水平井内进行燃烧，点火容易，燃烧稳定，火焰不进入竖井，安全可靠；燃烧产物为二氧化碳，水和氮气等，对环境污染小，支撑剂使裂缝常开，储层导流能力高。

下面结合具体的附图对本发明页岩气的开采系统的一个实施例作进一步描述。

如图2所示，根据现有的施工技术，通过选取合适的页岩气储层1并钻取一口竖井2，与竖井连通有五口水平井。以图2为例，水平井3用于燃烧；其余四口水平井4用于集气。

如图3所示，在水平井3与竖井连接处安装有金属密封套5，用于对水平井的密封；在竖井的合适位置也安装有金属密封套5，进一步防止高温高压气体的泄露。本方案中，以偏二甲肼和四氧化二氮两种推进剂为例，以石英砂颗粒为支撑剂。在注气管道的初始段，通过氧化剂推进剂输气管道9和支撑剂输送管10将四氧化二氮气体与支撑剂颗粒混合，利用气流将细小的支撑剂颗粒送至水平井内。在竖井管段内的注气管道上装有恒温加热装置7，使常温下处于液体状态的偏二甲肼气化，便于输送。将注气管道6伸入水平井3内，并将水平井3的开口端通过金属密封套5进行密封。注气管道6上装有气体浓度探测装置，对水平井3内的推进剂气体浓度进行实时监测。

如图4所示，通过隔板12将注气管道6分隔为燃料推进剂输气管道8和氧化剂推进剂输气管道9，分别用于输送本案例中的偏二甲肼和四氧化二氮。推进剂与氧化剂接触即自动着火，无需点火装置，使结构简单，操作方便；燃烧温控范围大，现场适应性强。

如图4所示，在燃料推进剂输气管道8和氧化剂推进剂输气管道9的每一侧均打有两排输气孔11，使两种气体在水平井3内分布更均匀，燃烧更充分。通过支撑剂输送管10将支撑剂输送到氧化剂推进剂输气管道9，由于氧化剂推进剂输气管道9需要输送支撑剂，末端开有一排防堵塞孔13，防止支撑剂颗粒堵塞注气管道。反应过程中可适量继续通入两种气体以控制反应的进度。具体通入量视实际情况而定。气体推进剂通过注气管道6被送入水平井内3，两者在水平井3内相互接触并自行燃烧。燃烧产生的热量对页岩气储层有加热的效果，同时也会在水平井3内形成高压区域，使页岩气储层产生有利于气体流动的裂缝，促使储层内的甲烷向低压的集气水平井流动；同时，燃烧生成的二氧化碳比甲烷有更强的吸附能力，能够置换出储层孔隙中的甲烷分子，提高产气量。所使用的推进剂比冲值高，可有效打开页岩气储层的孔隙网络；裂缝在支撑剂的作用下不会因高压而闭合，有利于页岩气的运移。通入设定量的推进剂气体后，停止注气，并进行闷井操作，闷井时间为10-15天，具体时间可根据实际情况而定。

待页岩气储层内的压力稳定后，进行集气操作，通过集气系统将页岩气从集气水平井4中收集至地面装置中，并通过提纯得到所需的页岩气。

本发明结构简单，通过向页岩气储层内注入推进剂(如偏二甲肼和四氧化二氮等)，利用其比冲量高和燃烧产热高的特点，来提高页岩气储层的渗透率和孔隙度，并使干酪根热解产生热解气，从而提高页岩气的开采效率和采气量。本发明的页岩气的开采方法及系统结构简单，实施方便，通过控制输入推进剂的量来控制燃烧的进行，易于操作；在密封的水平井内进行燃烧，燃烧稳定，火焰不进入竖井，安全可靠；燃烧产物为二氧化碳，水和氮气等，对环境污染小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明可通过控制推进剂的供给量来控制燃烧的程度，相比于爆炸的页岩气开采方式更加安全可靠。

2、本发明所用的推进剂与氧化剂接触即自动着火，无需点火装置，使结构简单，操作方便；燃烧温控范围大，现场适应性强。

3、本发明所使用的推进剂比冲值高，可有效打开页岩气储层的孔隙网络，有利于页岩气的运移。

4、本发明的燃烧产物主要为水、二氧化碳和氮气等，产物污染较小。

5、支撑剂可使生成的裂缝不因应力释放而闭合，有效地提高了储层的导流能力，增加产气量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种页岩气的开采系统，包括页岩气储层，其特征在于，所述页岩气的开采系统还包括：

注气模块，用于向页岩气储层内注入夹带有支撑剂颗粒的推进剂，所述注气模块包括注气管道，所述页岩气储层包括若干个水平井，若干水平井中至少一个用于燃烧，其余用于集气，所述注气模块仅与用于燃烧的水平井连通，与其他用于集气的水平井不连通，所述注气管道延伸入用于燃烧的水平井内，所述推进剂通过注气管道被传送至该水平井；

所述注气管道上设有恒温加热装置，所述恒温加热装置用于使常温下处于液体状态的推进剂气化；

所述注气管道上设有气体浓度探测器，用于对水平井内的气态的推进剂的气体浓度进行实时监测；

所述注气管道上设有将注气管道分隔成多个区域的隔板，所述注气管道上对应被分隔出的多个区域位置处设有若干小孔；

气体输入量调节模块，用于对注气模块注入的推进剂的输入量进行调节；

集气模块，用于收集解吸和热解生成的页岩气。

2.根据权利要求1所述的页岩气的开采系统，其特征在于，所述页岩气储层还包括竖井，所述水平井与所述竖井连通，所述注气管道包括安装在水平井与竖井连接处的金属密封套。

3.根据权利要求1所述的页岩气的开采系统，其特征在于，所述集气模块包括集气管道，所述集气管道与用于集气的水平井连通，所述解吸和热解生成的页岩气由用于集气的水平井进入集气管道。

Images