CN115949381A - 注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法及实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法及实验装置，该方法包括：筛选纳米金属分散液，设置微波发射器，并启动，向辐射目标区块发射高功率微波，并监测地层温度，当储层温度高于第一预设温度阈值时，关闭微波发射器，向地层注入空气，之后进行焖井作业，焖井结束后，开井进行衰竭式开发，监测油藏压力，若油藏压力下降至第二预设压力阈值时，则进行下一轮吞吐，在下一轮吞吐中，注入空气的量及焖井时间设置为上一周期的1‑1.5倍，在焖井过程中向辐射目标区域发送低功率微波，按照步骤3至步骤6重复3‑5轮。本发明提供的注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法及实验装置，改善了储层孔隙裂缝结构，提高了采收率。
Description
技术领域
本发明涉及页岩油开发技术领域，特别是涉及一种注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法及实验装置。
背景技术
我国陆相页岩油资源丰富，技术可采储量超1.45×1010吨，是常规油气资源的重要接替领域。页岩油藏储层物性差，原油流动性差，因此传统水驱和化学驱难以开展。目前页岩油藏主要通过水力压裂技术进行开发。但经压裂后衰竭开发存在以下问题：单井产量低、产量递减快(年递减量为50.7％)和采出程度低(5％～10％)。因此，需要寻找压裂后高效开发页岩油藏的方法。
现阶段国内外学者认为注气(N2、CO2、空气等)技术是压裂开发后提高页岩油藏采收率的有效方法之一。但是，页岩经N2和CO2气驱后主要提高了中孔和大孔的采出程度，但小孔和微孔中原油难以动用，整体开发效果差；注空气技术在注气过程中气体指进现象严重，采用直接注气的方法使得有效波及系数较低，从而无法大幅度地提高采收率。现有技术中还有采用多轮空气吞吐方式，通过电点火产生燃烧腔，扩大单井控制范围，随后通过低压放喷生产的脉冲式操作提高页岩油藏采收率，但是，传统电点火方法应用于页岩油藏存在以下问题：1)页岩油藏埋藏深(部分储层埋深超过3000m)，点火器难以下入套管；2)远井地带电点火方式热传导效率较差，热前缘仅能波及近井地带。因此，设计一种注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法及实验装置是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法及实验装置，能够结合微波加热技术、水力压裂技术、纳米技术和注空气技术，减少了常规电点火过程中的能量消耗，提高了燃烧效率和热传导能力，改善了产出流体物性和储层孔隙裂缝结构，提高了采收率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法，包括如下步骤：
步骤1：筛选纳米金属分散液；
步骤2：设置微波发射器，并将其启动，向辐射目标区块发射高功率微波，并监测地层温度，当储层温度高于第一预设温度阈值时，关闭微波发射器；
步骤3：向地层注入空气，并监测地层压力，当压力达到第一预设压力阈值时，停止注入空气；
步骤4：进行焖井作业，并监测地层温度，若地层温度低于第二预设温度阈值时，启动微波发射器，向辐射目标区块发射高功率微波，加热储层；
步骤5：焖井结束后，开井进行衰竭式开发，监测油藏压力，若油藏压力下降至第二预设压力阈值时，则进行下一轮吞吐；
步骤6：在下一轮吞吐中，注入空气的量及焖井时间设置为上一周期的1-1.5倍，在焖井过程中向辐射目标区域发送低功率微波；
步骤7：按照步骤3至步骤6重复3-5轮。
可选的，步骤1中，筛选纳米金属分散液，具体为：
选择MnO2，将其配置成质量分数为0.1％的纳米分散液。
可选的，所述第一预设温度阈值为250℃，所述第二预设温度阈值为300℃。
可选的，所述第一预设压力阈值为原始地层压力的1-1.5倍，所述第二预设压力阈值为原始地层压力的一半。
可选的，所述高功率微波的频率为1000-2000W，所述低功率微波的频率为500-1000W。
可选的，步骤4中，还包括：设置焖井预设时间，在达到焖井预设时间后，获取生产井内气体含氧浓度，若小于8％，则进行下一步骤，若大于8％，则继续进行焖井处理。
本发明还提供了一种注空气协同微波提高页岩油藏采收率的实验装置，应用于上述的注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法，包括：微波加热装置、流量计、高温高压反应装置、气液分离器、液体收集瓶、气体收集瓶、空气压缩机、气体分析仪及数据采集箱，所述空气压缩机通过压力计及第一六通阀连接所述储气罐，所述ISCO泵连接储液罐，所述储液罐中设置有纳米分散液，所述储液罐及储气罐通过第二六通阀连接流量计，所述流量计连接所述高温高压反应装置的输入端，所述高温高压反应装置的内部设置有天然裂缝岩心，所述高温高压反应装置的外侧设置微波加热装置，所述微波加热装置连接所述数据采集箱，所述高温高压反应装置的输出端连接所述气液分离器的输入端，所述气液分离器的出气端及出液端分别连接气体收集瓶及液体收集瓶，所述气体收集瓶连接所述气体分析仪，所述高温高压反应装置上还设置有电点火器及热电偶。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法及实验装置，该方法包括筛选纳米金属分散液，设置微波发射器，并将其启动，向辐射目标区块发射高功率微波，并监测地层温度，当储层温度高于第一预设温度阈值时，关闭微波发射器，向地层注入空气，并监测地层压力，当压力达到第一预设压力阈值时，停止注入空气，进行焖井作业，并监测地层温度，若地层温度低于第二预设温度阈值时，启动微波发射器，向辐射目标区块发射高功率微波，加热储层，焖井结束后，开井进行衰竭式开发，监测油藏压力，若油藏压力下降至第二预设压力阈值时，则进行下一轮吞吐，在下一轮吞吐中，注入空气的量及焖井时间设置为上一周期的1-1.5倍，在焖井过程中向辐射目标区域发送低功率微波，按照步骤3至步骤6重复3-5轮；该方法将微波辐射技术与注空气技术结合，可以减少电点火方式所导致的能量消耗，提高热传导效率，增强远井地带的热波及范围，在微波辐射后区域注入空气，空气能够迅速与原油和有机质发生氧化反应放出热量，从而增强整体热效应，增强热致裂缝的扩张程度，将纳米材料与微波辐射和注空气技术相结合，纳米材料在储层中可以增强微波的吸收能力，提高微波的加热效率。加热后的纳米材料仍可以作为注空气过程中的催化剂，增强有机质氧化放热速率；通过实验装置对该方法进行验证，证明该方法有效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法流程示意图；
图2为本发明实施例注空气协同微波提高页岩油藏采收率的实验装置结构示意图；
图3为加入不同纳米金属分散液后页岩在微波场中温度变化曲线；
图4为不同纳米金属分散液与页岩中有机物混合燃烧过程中DSC曲线；
图5为本发明实施例提供的不同轮次微波辐射、注空气吞吐和注空气吞吐协同微波辐射吞吐采收率示意图；
图6为本发明实施例提供的原始页岩微观形貌图；
图7为本发明实施例提供的微波辐射后页岩微观形貌图；
图8为本发明实施例提供的注空气吞吐后页岩微观形貌图；
图9为本发明实施例提供的注空气吞吐协同微波辐射后页岩微观形貌图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法及实验装置，能够结合微波加热技术、水力压裂技术、纳米技术和注空气技术，减少了常规电点火过程中的能量消耗，提高了燃烧效率和热传导能力，改善了产出流体物性和储层孔隙裂缝结构，提高了采收率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
页岩储层导流能力差。现阶段主要采用水力压裂提高储层导流能力，但水力压裂多产生单一形态裂缝，难以沟通天然裂缝，常规电点火方法能源消耗大、热利用率低。因此，本发明采用微波辐射技术对储层进行预处理，储层中带电介质在微波场的作用下产生震动，并与临近的粒子产生碰撞和摩擦，从而产生热量，促使储层岩石矿物吸收热量达到产生裂缝的临界热应力，沟通热致裂缝和天然裂缝，为空气提供渗流通道。此外，微波加热能够提高干酪根的热解效率，从而改善油气的赋存状态。页岩储层是微波的弱吸收介质，微波辐射下加热作用和范围受限，影响热致裂缝的生成和页岩油赋存的改善情况。因此，本发明将纳米材料、注空气技术与微波辐射技术有效结合，纳米材料分散液可以增强微波的吸收能力，提高微波的加热效率；此外，纳米金属氧化物分散液可以抑制有机质热解产物半焦微晶结构的石墨化进程，增强芳香碳网的不规整度，有利于增强半焦的气化反应活性，为注入空气提供高活性燃料。在此高温条件下，向储层中注入空气，空气能够与原油在固体纳米材料的催化作用下快速发生氧化反应，放出大量热，从而增强整体热效应，进一步扩张原有裂缝的沟通程度。
如图1所示，本发明实施例提供的注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法，包括如下步骤：
步骤1：筛选纳米金属分散液；
从过渡态金属(Fe、Cu、Mn等)的氧化物中筛选出一种具有良好微波吸收性能和催化氧化特性的纳米金属分散液，随后掺入压裂液注入地层，所筛选的具有良好微波吸收性能的纳米材料分散液使温度场迅速升高200℃以上；所筛选的具有良好催化氧化特性的纳米材料分散液应将页岩油高温氧化阶段峰值热流量所对应的温度降低至少40℃。
步骤2：设置微波发射器，并将其启动，向辐射目标区块发射高功率微波，并监测地层温度，当储层温度高于第一预设温度阈值时，关闭微波发射器；
步骤3：向地层注入空气，并监测地层压力，当压力达到第一预设压力阈值时，停止注入空气；
若采用直接注气的方法，严重的气窜导致气体难以与基质内原油充分接触，因而无法建立持续稳定的热前缘，整体开发效率差，因此，本发明采用吞吐方法，促使原油、有机质干酪根等充分与注入空气发生氧化反应，放出热量，进一步扩张热致裂缝的扩张程度，沟通天然裂缝，提高页岩储层的导流能力，微波辐射下难以热解的干酪根与空气能够发生燃烧，进一步提高储层孔隙-裂缝的沟通程度，此外，干酪根原位转换生成液态轻烃，提高可动油量。
步骤4：进行焖井作业，并监测地层温度，若地层温度低于第二预设温度阈值时，启动微波发射器，向辐射目标区块发射高功率微波，加热储层；
注入空气可以与原油发生氧化反应放出热量，但温度可能上升缓慢，并不能形成燃烧，以往方法主要是选择低燃点物质作为助燃剂，但页岩储层裂缝沟通程度低，注入的助燃剂可能只分布在高渗主裂缝带附近，其加热作用范围和效果受到限制，因此，在焖井步骤开展微波辐射，增强地层温度，使得油藏达到可以发生燃烧的门槛温度。
步骤5：焖井结束后，开井进行衰竭式开发，监测油藏压力，若油藏压力下降至第二预设压力阈值时，则进行下一轮吞吐；
步骤6：在下一轮吞吐中，注入空气的量及焖井时间设置为上一周期的1-1.5倍，在焖井过程中向辐射目标区域发送低功率微波；
考虑到经第一轮加热后，较大孔道(微米级)中干酪根、油气等能够充分反应，而处于微孔和介孔(纳米级)中的干酪根、微裂缝中以游离和吸附态存在的油气难以充分反应，因此从第二轮开始，在焖井过程中采用低功率微波持续加热地层，增强分子间热运动，促使氧气分子与干酪根的碰撞概率增强，从而增强氧化反应速率。
步骤7：按照步骤3至步骤6重复3-5轮。
步骤1中，筛选纳米金属分散液，具体为：
选择MnO2，将其配置成质量分数为0.1％的纳米分散液；其中，筛选过程具体为：
选取Mn、Ni、Fe和Cu的金属氧化物配置成质量分数为0.1％的纳米分散液，采用微波加热装置，研究不同纳米金属分散液对页岩在微波场升温中的影响，准确称取一定量的页岩样品，将页岩样品与配置好质量分数为0.1％的纳米金属分散液混合均匀，放入微波加热装置内，设置微波辐射功率为1000W，加热30min，热终止温度设置为750℃，得到结果如图3所示，可知，MnO2可以获得较强的微波吸收效果；
采用差示扫描量热仪(DSC)来评价纳米金属分散液的催化氧化性能，将配置好的质量分数为0.1％的纳米金属分散液与原油混合均匀，装入测试仪器。设定空气流量为50mL/min，升温速率为10℃/min，实验温度范围为30～600℃，结果如图4所示，可见加入MnO2、Ni2O3、Fe3O4和CuO后页岩油高温氧化阶段峰值热流量所对应的温度分别为487、494、500和514℃，相较于页岩油(527℃)，分别降低40、33、27和13℃，由此可知MnO2具有较强的催化氧化效果。
所述第一预设温度阈值为250℃，所述第二预设温度阈值为300℃。
所述第一预设压力阈值为原始地层压力的1-1.5倍，所述第二预设压力阈值为原始地层压力的一半。
所述高功率微波的频率为1000-2000W，所述低功率微波的频率为500-1000W。
步骤4中，还包括：设置焖井预设时间，在达到焖井预设时间后，获取生产井内气体含氧浓度，若小于8％，则进行下一步骤，若大于8％，则继续进行焖井处理。其中，实施例中的小型物模实验是在6h后，氧气浓度就降低到8％，所以取6h，在实际油藏应用中，往往是20～30天的时间，通过监测含氧浓度确定具体天数。
如图2所示，本发明还提供了一种注空气协同微波提高页岩油藏采收率的实验装置，应用于上述的注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法，包括：微波加热装置、流量计、高温高压反应装置、气液分离器、液体收集瓶、气体收集瓶、空气压缩机、气体分析仪及数据采集箱，所述空气压缩机通过压力计及第一六通阀连接所述储气罐，所述ISCO泵连接储液罐，所述储液罐中设置有纳米分散液，所述储液罐及储气罐通过第二六通阀连接流量计，所述流量计连接所述高温高压反应装置的输入端，所述高温高压反应装置的内部设置有天然裂缝岩心，所述高温高压反应装置的外侧设置微波加热装置，所述微波加热装置连接所述数据采集箱，所述高温高压反应装置的输出端连接所述气液分离器的输入端，所述气液分离器的出气端及出液端分别连接气体收集瓶及液体收集瓶，所述气体收集瓶连接所述气体分析仪，所述高温高压反应装置上还设置有电点火器及热电偶，分别通过电点火器加热及微波加热进行实验，所述热电偶用于检测高温高压反应装置内部的温度；
该装置的使用过程具体为：
进行微波辐射实验：将天然裂缝岩心放入所述高温高压反应装置中，关闭空气压缩机和高温高压反应装置的电点火器，采用ISCO泵将筛选的配置为质量分数为0.1％的MnO2纳米金属分散液注入岩心，注液速度设置为0.5mL/min，注入0.1倍孔隙体积的纳米金属分散液后，关闭注入端，开始微波辐射实验，设置微波辐射功率为1000W，加热30min，热终止温度设置为750℃，随后记录产出油量，当高温高压反应装置温度降低至室温，开始下一轮微波辐射，累计辐射5轮次；
进行注空气吞吐实验：将天然裂缝岩心放入所述高温高压反应装置中，关闭微波加热器，采用ISCO泵将中筛选的配置为质量分数为0.1％的MnO2纳米金属分散液注入岩心，注液速度设置为0.5mL/min，注入0.1倍孔隙体积的纳米分散液后，关闭注入端，开展注空气吞吐实验，以1.5mL/min的速率开始注入空气，注入0.5倍孔隙体积的空气，打开点火器(点火温度设置为400℃)，实时监控注入端温度，当注入端附近形成稳定的燃烧腔体(温度＞350℃)后，焖井6h，达到焖井时间后，以同一压降梯度进行衰竭开发，记录产出油量，当高温高压反应装置温度降低至室温，开始下一轮吞吐，后续每一轮注入空气的量和焖井时间设置为上一周期的1～1.5倍，累计吞吐5次；
注空气吞吐辅助微波辐射吞吐实验：将天然裂缝岩心放入高温高压反应装置中，采用ISCO泵将筛选的配置为质量分数为0.1％的MnO2纳米金属分散液注入岩心，注液速度设置为0.5mL/min，注入0.1倍孔隙体积的纳米分散液后，关闭注入端，打开微波加热器，设置微波加热器的功率为1000W，加热岩心，通过温度传感器观测岩心外壁温度高于250℃后，关闭微波加热器。以1.5mL/min的速率开始注入空气，注入0.5倍孔隙体积的空气，打开点火器(点火温度设置为400℃)，通过温度传感器观测注入端附近形成稳定的燃烧腔体(温度＞350℃)后，焖井6h，达到焖井时间后，以同一压降梯度进行衰竭开发，记录产出油，当高温高压反应装置温度降低至室温，开始下一轮吞吐，后续每一轮注入空气的量和焖井时间设置为上一周期的1～1.5倍，焖井过程中以低功率微波(500～1000W)辐射目标区块，累计吞吐5次。
由图5可知，微波辐射、注空气吞吐和注空气协同微波辐射吞吐第一轮吞吐采收率分别为21.5％、26.5％和30.2％；第二轮分别为7.5％、11.5％和18.9％；第三轮分别为3.5％、6.5％和10.3％；第四轮分别为2％、3.5％和6.5％；第五轮分别为1.4％、2％和3.5％。可以看出三种方法提高采收率效果为注空气吞吐协同微波辐射吞吐＞注空气吞吐＞微波辐射。
如图6、图7、图8及图9所示，采用扫描电镜观察原始页岩、经微波辐射后页岩、经注空气吞吐后页岩和经空气吞吐协同微波辐射后页岩微观形貌图，可发现经空气吞吐协同微波辐射后页岩孔隙-裂缝结构扩展作用最明显。
综上所述，注空气吞吐协同微波辐射吞吐效果最好。当注空气吞吐协同微波辐射吞吐轮次达到第5轮，采收率低于5％，因此，优选吞吐轮次为4轮。
本发明提供的注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法及实验装置，该方法包括筛选纳米金属分散液，设置微波发射器，并将其启动，向辐射目标区块发射高功率微波，并监测地层温度，当储层温度高于第一预设温度阈值时，关闭微波发射器，向地层注入空气，并监测地层压力，当压力达到第一预设压力阈值时，停止注入空气，进行焖井作业，并监测地层温度，若地层温度低于第二预设温度阈值时，启动微波发射器，向辐射目标区块发射高功率微波，加热储层，焖井结束后，开井进行衰竭式开发，监测油藏压力，若油藏压力下降至第二预设压力阈值时，则进行下一轮吞吐，在下一轮吞吐中，注入空气的量及焖井时间设置为上一周期的1-1.5倍，在焖井过程中向辐射目标区域发送低功率微波，按照步骤3至步骤6重复3-5轮；该方法将微波辐射技术与注空气技术结合，可以减少电点火方式所导致的能量消耗，提高热传导效率，增强远井地带的热波及范围，在微波辐射后区域注入空气，空气能够迅速与原油和有机质发生氧化反应放出热量，从而增强整体热效应，增强热致裂缝的扩张程度，将纳米材料与微波辐射和注空气技术相结合，纳米材料在储层中可以增强微波的吸收能力，提高微波的加热效率。加热后的纳米材料仍可以作为注空气过程中的催化剂，增强有机质氧化放热速率；通过实验装置对该方法进行验证，证明该方法有效。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：筛选纳米金属分散液；
步骤2：设置微波发射器，并将其启动，向辐射目标区块发射高功率微波，并监测地层温度，当储层温度高于第一预设温度阈值时，关闭微波发射器；
步骤3：向地层注入空气，并监测地层压力，当压力达到第一预设压力阈值时，停止注入空气；
步骤4：进行焖井作业，并监测地层温度，若地层温度低于第二预设温度阈值时，启动微波发射器，向辐射目标区块发射高功率微波，加热储层；
步骤5：焖井结束后，开井进行衰竭式开发，监测油藏压力，若油藏压力下降至第二预设压力阈值时，则进行下一轮吞吐；
步骤6：在下一轮吞吐中，注入空气的量及焖井时间设置为上一周期的1-1.5倍，在焖井过程中向辐射目标区域发送低功率微波；
步骤7：按照步骤3至步骤6重复3-5轮。
2.根据权利要求1所述的注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法，其特征在于，步骤1中，筛选纳米金属分散液，具体为：
选择MnO2，将其配置成质量分数为0.1％的纳米分散液。
3.根据权利要求1所述的注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法，其特征在于，所述第一预设温度阈值为250℃，所述第二预设温度阈值为300℃。
4.根据权利要求1所述的注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法，其特征在于，所述第一预设压力阈值为原始地层压力的1-1.5倍，所述第二预设压力阈值为原始地层压力的一半。
5.根据权利要求1所述的注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法，其特征在于，所述高功率微波的频率为1000-2000W，所述低功率微波的频率为500-1000W。
6.根据权利要求1所述的注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法，其特征在于，步骤4中，还包括：设置焖井预设时间，在达到焖井预设时间后，获取生产井内气体含氧浓度，若小于8％，则进行下一步骤，若大于8％，则继续进行焖井处理。
7.一种注空气协同微波提高页岩油藏采收率的实验装置，应用于权利要求1-5任一所述的注空气协同微波提高页岩油藏采收率的方法，其特征在于，包括：微波加热装置、流量计、高温高压反应装置、气液分离器、液体收集瓶、气体收集瓶、空气压缩机、气体分析仪及数据采集箱，所述空气压缩机通过压力计及第一六通阀连接所述储气罐，所述ISCO泵连接储液罐，所述储液罐中设置有纳米分散液，所述储液罐及储气罐通过第二六通阀连接流量计，所述流量计连接所述高温高压反应装置的输入端，所述高温高压反应装置的内部设置有天然裂缝岩心，所述高温高压反应装置的外侧设置微波加热装置，所述微波加热装置连接所述数据采集箱，所述高温高压反应装置的输出端连接所述气液分离器的输入端，所述气液分离器的出气端及出液端分别连接气体收集瓶及液体收集瓶，所述气体收集瓶连接所述气体分析仪，所述高温高压反应装置上还设置有电点火器及热电偶。
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