CN113863913B - 一种页岩气层氧化爆裂改造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩气层氧化爆裂改造方法，包括：对待压裂的页岩气井进行水力压裂改造；在水力压裂过程中，采用滑溜水A‑氧化液‑含胶液滑溜水‑催化分解液‑滑溜水B的顺序，以段塞式泵入。本发明利用滑溜水A压裂释放的甲烷气体与氧化液中过氧化氢分解产生的氧气混合，诱发氧化爆裂，综合页岩物性特征及化学热力学性质提出压裂液用量与氧化爆裂波及半径计算方法，从而实现安全、高效、无损害的水力裂缝‑爆裂缝‑溶蚀孔缝多尺度增产改造。

Description

一种页岩气层氧化爆裂改造方法

技术领域

本发明涉及石油与天然气开采技术领域增产改造新方法，具体的说，涉及一种页岩气层氧化爆裂改造方法。

背景技术

页岩储层普遍基块致密、非均质性强等特点，基块孔喉以纳米尺度有机质孔、黏土矿物粒间孔为主，基块渗透率主要介于纳达西至微达西，页岩气体渗流阻力巨大，吸附/游离气并存。页岩气产出需经历解吸-扩散-渗流串联过程，然而纳米孔隙内吸附气解吸-扩散过程缓慢，游离气扩散-渗流阻力大，导致页岩气体传输能力极低，故需要有效的增产改造技术。

目前，水平井分段水力压裂是页岩油气储层主要增产改造手段，水力压裂破碎页岩基块，同时开启天然裂缝，使得气层内部形成复杂人工裂缝网络，缩短气体从基质孔隙到裂缝的渗流距离、增大泄流面积，实现页岩气层经济开发。然而，页岩气层采收率普遍偏低，页岩油气层采收率远低于常规油气层,只有约10％～16％。北美地区页岩气层采收率普遍在5％～20％，尤其是Barnett地区采收率仅10％左右。从长期发展的角度来看,提高采收率是页岩油气开发的必然选择。

其次，一次水力压裂形成的裂缝网络虽有利于提升页岩气层渗流能力，但仍无法解决裂缝远端基质孔隙内气体解吸-扩散传输能力低的难题，致使页岩基质供气能力远低于裂缝内气体传输能力，导致开采初期气井产量呈指数式递减，商业开采周期缩短，采收率降低且开发成本增加。

分析认为，提高页岩基块中甲烷气体产出效率，其根本是提高吸附气体和游离气体的扩散速率。由于页岩基块致密，微裂缝成为气体渗流主要通道，因此产生更多的微裂缝以缩短纳米孔内甲烷气体的扩散路径，是页岩气层水力压裂增产的主要思路。已有研究表明，与水力支撑裂缝相比，压裂过程应力扰动形成的无支撑裂缝与页岩基块接触面积更大，控制更大范围的渗流区域，对延缓页岩气井产量快速递减具有重要意义。因此，在水力压裂的基础上，获得更多的无支撑缝或者次级微裂缝，是强化压裂改造效果、提高页岩气采收率的重要突破口之一。

发明内容

本发明的目的在基于现有水力压裂技术之上，通过在压裂井段产生局部爆裂，实现页岩气层压后二次改造，以提高现有压裂改造方法的造缝效率与裂缝密度，补充增强现有压裂改造效果。本发明在入井压裂液中段塞式注入滑溜水A-氧化液-含胶液滑溜水-催化分解液-滑溜水B，利用滑溜水A压裂释放的甲烷气体与氧化液中过氧化氢分解产生的氧气混合，诱发氧化爆裂，从而实现快速、低成本、无损害的增产改造效果。

本发明的具体技术方案如下：

一种页岩气层氧化爆裂改造方法，包括：

对待压裂的页岩气井进行水力压裂改造；

在水力压裂过程中，采用滑溜水A-氧化液-含胶液滑溜水-催化分解液-滑溜水B的顺序，以段塞式的流态泵入。

其中，所述滑溜水A主要用于水力压裂造缝，并释放部分甲烷气体；

所述氧化液为过氧化氢与稀盐酸混合液，稀盐酸用于防止过氧化氢在井筒内分解；

所述含胶液滑溜水的注入量应当大于井筒有效容积，保证井筒内过氧化氢完全进入压裂裂缝中，避免催化分解液中催化分解剂与氧化液中的过氧化氢提前在井筒内反应；

所述催化分解液使用含催化分解剂的滑溜水，催化分解剂包括但不限于氢氧化钠和二氧化锰；

所述滑溜水B对氧化液进行封隔，使页岩水力裂缝内局部爆裂发生在远离井筒端，避免破坏井筒完整性。

作为优选的技术方案，根据下式计算滑溜水A的注入量：

式中，V₁分别为滑溜水A的体积；α为漏失系数，取1.0～1.5；D为套管外径；δ为套管壁厚；h为井深；L为爆点深度；H为水力压裂主裂缝高度；W为水力压裂主裂缝宽度。

作为优选的技术方案，所述氧化液为过氧化氢与稀盐酸混合液。

作为优选的技术方案，根据下式计算过氧化氢注入质量与氧化爆裂波及半径：

式中，P_o为原始地层压力；σ为岩石抗张强度；φ为致密气层孔隙度；r为氧化爆裂波及半径；R为理想气体常数；Z_o为氧化爆裂前气体压缩因子；Z_m为氧化爆裂后气体压缩因子；T_o为原始地层温度，K；m为过氧化氢注入质量；M_H2O2为过氧化氢摩尔质量；M_CH4为甲烷摩尔质量；C为甲烷的比热容；q为产物为气态水时甲烷的热值。

作为优选的技术方案，根据过氧化氢注入质量与氧化爆裂波及半径的计算公式，给定过氧化氢注入质量m，获得氧化爆裂波及半径r的一元高次方程，求解所述氧化爆裂波及半径r的一元高次方程，得到氧化爆裂波及半径r；

或者，根据过氧化氢注入质量与氧化爆裂波及半径的计算公式，给定氧化爆裂波及半径r，获得过氧化氢注入质量m的一元高次方程，求解所述过氧化氢注入质量m的一元高次方程，得到过氧化氢注入质量m。

作为优选的技术方案，所述含胶液滑溜水的注入量大于所述井筒有效容积。

作为优选的技术方案，根据下式计算含胶液滑溜水的注入量：

式中，V₂为含胶液滑溜水体积；β为安全系数，取1.0～1.5；D为套管外径；δ为套管壁厚，h为井深。

作为优选的技术方案，所述催化分解液通过往滑溜水中添加催化分解剂制备得到，所述催化分解剂包括但不限于氢氧化钠和二氧化锰。

作为优选的技术方案，根据下式计算所述催化分解液的注入量：

式中，V₄为催化分解液；ρ为滑溜水密度；m为过氧化氢注入质量。

作为优选的技术方案，所述滑溜水B，用于对氧化液进行封隔，使页岩水力裂缝内局部爆裂发生在远离井筒端，避免破坏井筒完整性；

根据下式计算所述滑溜水B的注入量：

式中，V₅为滑溜水B体积；D为套管外径；δ为套管壁厚；h为井深；L为爆点深度；H为水力压裂主裂缝高度；W为水力压裂主裂缝宽度。

有益效果在于：

(1)增大了缝网密度和复杂性。基于水力压裂形成的人工裂缝，氧化爆裂进一步提高裂缝密度和深度，从而形成更密集的球状裂缝网络。

(2)施工操作方便安全。在水力压裂过程中，随常规压裂液中一起段塞式注入储层，合理的压裂液注入量使氧化爆裂在远离井筒的水力裂缝内发生。

(3)充分利用化学能，经济成本低。结合可燃气体爆炸产生高温高压的复合作用计算出氧化爆裂波及范围，为工艺实施提供指导，同时过氧化氢溶液广泛应用在石油勘探开发多个环节，且价格相对低廉，有效控制压裂增产的经济成本。

(4)本发明利用过氧化氢分解产生氧气，诱发储层压裂缝内甲烷发生局部爆炸，进一步改造页岩气层，本发明中的方法建立于已有水力压裂页岩气井，无需额外钻井，且所需能量来源于储层烃类气体与过氧化氢分解产生的氧气，降低了页岩油气开采成本，进一步提升水力压裂改造效果。在对比同等水力压裂规模时，氧化爆裂协同水力压裂改造将有利提升储层改造体积(SRV)；而对于更深的页岩气储层(＞3500m)，在水力压裂效果欠佳的情况下，本发明为深层页岩气的有效开发提供新思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为根据本发明的实施例的页岩气层水平井分段水力压裂过程工作液流入的示意图；

图2为根据本发明的实施例的第一级水力压裂后，压裂液流入及氧气产生过程示意图；

图3为根据本发明的实施例的第一级页岩气层氧化爆裂改造的示意图；

图中，a-页岩气层；b-滑溜水B；c-催化分解液；d-含胶液滑溜水；e-氧化液；f-滑溜水A；g-桥塞；h-水平井；i-水力压裂主裂缝；j-氧化液与催化分解液；k-氧化爆裂缝网。

具体实施方式

下面将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的一部分实施例，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。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，根据本发明对页岩气层水平井进行水力压裂改造，入井工作液以段塞式依次注入，早期泵入滑溜水A(图1f)进行水力压裂改造(图2)，为后续注入的氧化液(图2e)与催化分解液(图2c)在人工压裂缝中的充分接触创造条件，含胶液滑溜水(图2d)用于分隔井筒内的氧化液与催化分解液。然后，通过泵入滑溜水B(图3b)将氧化液驱替至裂缝内部，使氧化爆裂爆点远离井筒。考虑压裂期间泵压作用，人工压裂缝中的甲烷含量一定，当过氧化氢溶液被催化分解产生的氧气量达到页岩氧化爆裂所需的范围，甲烷和氧气混合气体在高温高压下爆燃，致裂页岩基块，产生爆裂缝网(图3K)，实现储层二次改造。

考虑甲烷与不同的气体混合时爆炸极限存在差异：常温常压下，甲烷在空气中的爆炸极限约为5％～15％；而在纯氧中甲烷爆炸极限约为5.0％～61％；高温高压下分子热运动更剧烈，甲烷-空气混合物在20MPa，100℃爆炸极限为2.87％-64.40％，爆炸理论临界氧含量可降低至5.74％。故可以通过调节过氧化氢注入量以达到甲烷爆炸所需的比例值。

本发明实施例，以四川盆地龙马溪组某深层页岩气井为例，计算氧化爆裂所需的压裂液用量。

(1)滑溜水A

滑溜水A用量根据爆点位置及水力裂缝形态确定，根据小型压裂测试调整。

式中，V₁分别为滑溜水A体积，m3；α为漏失系数，取1.0-1.5；D为套管外径，m；δ为套管壁厚，m；h为井深，m；L为爆点深度，m；H为水力压裂主裂缝高度，m；W为水力压裂主裂缝宽度，m。

套管外径为139.7mm，壁厚12.7mm，井身5100m，第一个爆点深度70m，水力压裂主裂缝高度20m，水力压裂主裂缝宽度0.03m，滑溜水A用量164m³。

(2)氧化液和氧化爆裂波及范围

氧化液选用过氧化氢与稀盐酸混合液(过氧化氢质量浓度20％)，氧化爆裂的发生依赖过氧化氢的分解生成氧气、氧气和甲烷的混合燃烧两步反应。过氧化氢注入质量决定波及范围，即氧化爆裂缝网半径，混合物爆炸时产生的最大爆炸压力可按压力与热力学温度及摩尔数呈正比的关系确定，过氧化氢注入质量与氧化爆裂波及范围计算如下：

式中，P_o为原始地层压力，Pa；σ为岩石抗张强度，Pa；φ为致密气层孔隙度；r为氧化爆裂波及半径，Pa；R为理想气体常数，8.314J·mol^-1·K^-1；Z_o为氧化爆裂前气体压缩因子；Z_m为氧化爆裂后气体压缩因子；T_o为原始地层温度，K；m为过氧化氢注入质量，g；M_H2O2为过氧化氢摩尔质量，34g/mol；M_CH4为甲烷摩尔质量，16g/mol；C为甲烷的比热容，2.227kJ/(kg·K)；q为产物为气态水时甲烷的热值，50200kJ/kg。

根据上式，给定m，得到r的一元高次方程，并通过二分法求解。

示例中，原始地层压力为66.8MPa，经水化作用后岩石抗张强度取6.3MPa，原始地层温度为393K，平均孔隙度为4.17％，氧化爆裂前、后气体压缩因子取1.2，氧化液用量5000kg(过氧化氢1000kg)，氧化爆裂波及半径为8.5m。

(3)含胶液滑溜水

含胶液滑溜水用于将氧化液从井筒挤进地层，防止过氧化氢与催化剂在井筒内反应，用量为井筒容积的1.2倍。

式中，V₂为含胶液滑溜水体积，m3；β为安全系数，取1.0～1.5。

参数与滑溜水A中的参数相同，含胶液滑溜水用量为63m³。

(4)催化分解液

催化分解液使用含催化分解剂的滑溜水，体积与氧化液相同，催化分解剂包括但不限于氢氧化钠和二氧化锰。

式中，V₄为催化分解液，m3；ρ为滑溜水密度，kg/m3。

滑溜水密度取1000kg/m³，催化分解液用量5m³。

(5)滑溜水B

滑溜水B用于将过氧化氢、催化剂驱替至裂缝内部，避免氧化爆裂波及井筒，保护井筒完整性。

式中，V₅为滑溜水B体积，m³。

其他参数与滑溜水A中的参数相同，滑溜水B用量为136m³。

根据本发明提供的计算方法，氧化爆裂压裂液用量总计373m³，在井筒两翼70m处各产生一个氧化爆裂缝网，缝网半径8.5m。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种页岩气层氧化爆裂改造方法，其特征在于：包括：

对待压裂的页岩气井进行水力压裂改造；

在水力压裂过程中，采用滑溜水A-氧化液-含胶液滑溜水-催化分解液-滑溜水B的顺序，以段塞式泵入；

根据下式计算滑溜水A的注入量：

式中，V₁为滑溜水A的体积；α为漏失系数，取1.0～1.5；D为套管外径；δ为套管壁厚；h为井深；L为爆点深度；H为水力压裂主裂缝高度；W为水力压裂主裂缝宽度。

2.据权利要求1所述的一种页岩气层氧化爆裂改造方法，其特征在于：所述氧化液为过氧化氢与稀盐酸混合液。

3.根据权利要求2所述的一种页岩气层氧化爆裂改造方法，其特征在于：根据下式计算过氧化氢注入质量与氧化爆裂波及半径：

式中，P_o为原始地层压力；σ为岩石抗张强度；φ为致密气层孔隙度；r为氧化爆裂波及半径；R为理想气体常数；Z_o为氧化爆裂前气体压缩因子；Z_m为氧化爆裂后气体压缩因子；T_o为原始地层温度，K；m为过氧化氢注入质量；M_H2O2为过氧化氢摩尔质量；M_CH4为甲烷摩尔质量；C为甲烷的比热容；q为产物为气态水时甲烷的热值。

4.根据权利要求3所述的一种页岩气层氧化爆裂改造方法，其特征在于：根据过氧化氢注入质量与氧化爆裂波及半径的计算公式，给定过氧化氢注入质量m，获得氧化爆裂波及半径r的一元高次方程，求解所述氧化爆裂波及半径r的一元高次方程，得到氧化爆裂波及半径r；

或者，根据过氧化氢注入质量与氧化爆裂波及半径的计算公式，给定氧化爆裂波及半径r，获得过氧化氢注入质量m的一元高次方程，求解所述过氧化氢注入质量m的一元高次方程，得到过氧化氢注入质量m。

5.根据权利要求1所述的一种页岩气层氧化爆裂改造方法，其特征在于：所述含胶液滑溜水的注入量大于所述井筒有效容积。

6.根据权利要求1或5所述的一种页岩气层氧化爆裂改造方法，其特征在于：根据下式计算含胶液滑溜水的注入量：

式中，V₂为含胶液滑溜水体积；β为安全系数，取1.0～1.5；D为套管外径；δ为套管壁厚，h为井深。

7.根据权利要求1所述的一种页岩气层氧化爆裂改造方法，其特征在于：所述催化分解液通过往滑溜水中添加催化分解剂制备得到，所述催化分解剂包括但不限于氢氧化钠和二氧化锰。

8.根据权利要求3所述的一种页岩气层氧化爆裂改造方法，其特征在于：根据下式计算所述催化分解液的注入量：

式中，V₄为催化分解液；ρ为滑溜水密度；m为过氧化氢注入质量。

9.根据权利要求1所述的一种页岩气层氧化爆裂改造方法，其特征在于：所述滑溜水B，用于对氧化液进行封隔，使页岩水力裂缝内局部爆裂发生在远离井筒端，避免破坏井筒完整性；

根据下式计算所述滑溜水B的注入量：

式中，V₅为滑溜水B体积；D为套管外径；δ为套管壁厚；h为井深；L为爆点深度；H为水力压裂主裂缝高度；W为水力压裂主裂缝宽度。

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