一种提高页岩气井采收率的方法及系统.pdf

本发明涉及一种提高页岩气井采收率的方法及系统，该方法包括管线铺设；将高压CO2通入位于水平井内的管线中，高压空气爆震，形成一系列的高压空气脉动震动，击穿中空管壁和水平井壁，在页岩层内形成初缝；然后将液态CO2通过管线压入页岩层的初缝位置，再对页岩层初缝位置的岩石进行加热，使液态CO2相变迅速汽化，产生一系列的高压空气脉冲震动，对页岩层内的初缝进行再次开裂；位于水平井内的管线通过多个分割器分为多段，各段管线对应的页岩层段采用前述方法分段造缝。该方法通过CO2变相的方式，有效地提高了页岩层的开裂程度，进而提高页岩气井采收率。

1.  一种提高页岩气井采收率的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1:总管线铺设，在页岩层中打水平井，然后在水平井和为打水平井而形成的竖井内布置管线；
S2：将高压CO₂通入总管线中位于水平井内的管线中，高压空气爆震，形成一系列的高压空气脉动震动，击穿中空管壁和水平井壁，在页岩层内形成初缝；然后将液态CO₂通过管线压入页岩层的初缝位置，再对页岩层初缝位置的岩石进行加热，使液态CO₂相变迅速汽化，产生一系列的高压空气脉冲震动，对页岩层内的初缝进行再次开裂；
S3：总管线中位于水平井内的管线通过多个分割器分为多段，各段管线对应的页岩层段采用步骤S2中的方法分段造缝。

2.  如权利要求1所述提高页岩气井采收率的方法，其特征在于：从地表打入多个加热井，且加热井与所述页岩层开裂部分相对，加热井用于对页岩层的岩石和通入页岩层初缝位置的液态CO₂进行加热，使液态CO₂迅速汽化。

3.  一种实现权利要求2所述提高页岩气井采收率方法的系统，其特征在于：包括造缝系统和加热系统；
所述造缝系统（10）包括位于地表上的空气压缩机（11）、高压贮气瓶（12）、储存液态高压CO₂的储罐（17）、第一CO₂检测器（16）和造缝控制单元（13），还包括位于地表下的高压气枪（14）和裂缝监测器（15）；
所示储罐（17）的液态高压CO₂输出口与液态CO₂输送管线连通，所示液态CO₂输送管线靠近储罐（17）的部分设有控制储罐（17）输出的电子阀（17a）；
所述空气压缩机（11）的压缩气体出口与高压贮气瓶（12）的气体入口连通，高压贮气瓶（12）的高压气体出口与气态CO₂输送管线连接；液态CO₂输送管线与气态CO₂输送管线分别与总管线位于地表上的一端连通，所述高压气枪（14）与总管线中位于水平井内的管线一端连通；所述裂缝监测器（15）的检测端设置在页岩层，裂缝监测器（15）的数据输出端与造缝控制单元（13）的裂缝信号接收端连接，第一CO₂检测器（16）的汽化信号输出端与造缝控制单元（13）的汽化信号输入端连接，所述造缝控制单元（13）的气态CO₂控制信号输出端与空气压缩机（11）的控制信号输入端连接，造缝控制单元（13）的液态CO₂控制信号输出端与控制信号输入端与控制控制储罐（17）输出的电子阀（17a）连接；
所述加热系统（20）包括加热井、CO₂贮气瓶（21）、温度控制单元（27）、进气管线（22）、出气管线、气体预热机（24）、温度检测器（25）、加热棒（23）和第二CO₂检测器（26）；
所述加热井内设有套管，所述进气管线（22）和出气管线设置在套管内，进气管线（22）的一端与CO₂贮气瓶（21）的出气口连通，出气管线的底部与页岩层连通；
所述加热棒（23）设置在进气管线（22）内，加热棒（23）与气体预热机（24）连接；
所述第二CO₂检测器（26）的检测端设置在水平井中的管线内，第二CO₂检测器（26）的汽化信号输出端与温度控制单元（27）的汽化信号输入端连接，温度检测器（27）的检测端设置在进气管线（22）内，温度检测器（25）的温度信号输出端与温度控制单元（27）的温度信号输入端连接，温度控制单元（27）的第一温控信号输出端与气体预热机（24）的温控信号输入端连接。

4.  如权利要求3所述提高页岩气井采收率方法的系统，其特征在于：所述储存液态高压CO₂的储罐（17）上设有常压保护装置和常温保护装置。

5.  如权利要求3所述提高页岩气井采收率方法的系统，其特征在于：所述进气管线（22）位于套管外的部分上还设有气体预热器（28），温度控制单元（27）的第二温控信号输出端与气体预热器（28）的温控信号输入端连接。

6.  如权利要求3所述提高页岩气井采收率方法的系统，其特征在于：还包括增压泵和第一冷却器，所述增压泵和第一冷却器自上而下依次设置在总管线位于地表上的部分。

7.  如权利要求3所述提高页岩气井采收率方法的系统，其特征在于：还包括页岩气回收管线，所述页岩气回收管线的一端与总管线位于地表上端部连通。

8.  如权利要求7所述提高页岩气井采收率方法的系统，其特征在于：还包括第二冷却泵和液态分离器，所述第二冷却泵和液态分离器自下而上依次设置在页岩气回收管线上。

9.  如权利要求7或8所述提高页岩气井采收率方法的系统，其特征在于：所述页岩气回收管线、液态CO₂输送管线和气态CO₂输送管线通过四通阀分别与总管线位于地表上端部连通。

一种提高页岩气井采收率的方法及系统
技术领域
本发明涉及页岩气采集技术领域，具体指一种提高页岩气井采收率的方法及系统。
背景技术
页岩气是指赋存于富有机质泥岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主。近几年来，美国页岩气勘探开发技术突破，产量快速增长，实现其“天然气革命”，对国际天然气市场及世界能源格局产生重大影响，极大的改写了世界能源格局。
中国许多盆地发育有多套煤系及暗色泥、页岩地层，互层分布大套的致密砂岩存在根源气/页岩气发育的有利条件，不同规模的天然气发现，但目前尚未在大面积区域内实现天然气勘探的进一步突破。资料显示，中国南方海相页岩地层可能是页岩气的主要富集地区。除此外，松辽、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔等陆相沉积盆地的页岩地层也有页岩气富集的基础和条件。重庆綦江、万盛、南川、武隆、彭水、酉阳、秀山和巫溪等区县市页岩气资源最有利的成矿区带，因此被确定为首批实施地勘勘察工作目标区。
页岩岩石具有结构致密、坚硬、超低渗透率等特性，因而页岩气开发非常困难。目前美国开发页岩气井成熟的技术方案为水平井分段压裂。采用水平井分段压裂开发页岩气还存在如下不足：
1、耗水量巨大，压裂一口井一般要一万方水以上，从而使其应用受限，比如我国南方地区多山地、丘陵，供水十分困难，则不能应用该方法。
2、压裂液对地下水污染较严重，且不符合目前环保要求。
3、水平井分段压裂在水压裂时，每段只产生几条裂缝，产气的效率较低。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的第一个目的是提供一种耗能少，污染小，且能有效提高页岩气井采收率的方法。
本发明的第二个目的是提供一种实现前述提高页岩气井采收率方法的系统。
为实现上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种提高页岩气井采收率的方法，包括如下步骤：
S1:总管线铺设，在页岩层中打水平井，然后在水平井和为打水平井而形成的竖井内布置管线；
S2：将高压CO₂通入总管线中位于水平井内的管线中，高压空气爆震，形成一系列的高压空气脉动震动，击穿中空管壁和水平井壁，在页岩层内形成初缝；然后将液态CO₂通过管线压入页岩层的初缝位置，再对页岩层初缝位置的岩石进行加热，使液态CO₂相变迅速汽化，产生一系列的高压空气脉冲震动，对页岩层内的初缝进行再次开裂；
S3：总管线中位于水平井内的管线通过多个分割器分为多段，各段管线对应的页岩层段采用步骤S2中的方法分段造缝。
作为优化，从地表打入多个加热井，且加热井与所述页岩层开裂部分相对，加热井用于对页岩层的岩石和通入页岩层初缝位置的液态CO₂进行加热，使液态CO₂迅速汽化。
为实现上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：一种实现上述提高页岩气井采收率方法的系统，包括造缝系统和加热系统；
所述造缝系统包括位于地表上的空气压缩机、高压贮气瓶、储存液态高压CO₂的储罐、第一CO₂检测器和造缝控制单元，还包括位于地表下的高压气枪和裂缝监测器；
所示储罐的液态高压CO₂输出口与液态CO₂输送管线连通，所示液态CO₂输送管线靠近储罐的部分设有控制储罐输出的电子阀；
所述空气压缩机的压缩气体出口与高压贮气瓶的气体入口连通，高压贮气瓶的高压气体出口与气态CO₂输送管线连接；液态CO₂输送管线与气态CO₂输送管线分别与总管线位于地表上的一端连通，所述高压气枪与总管线中位于水平井内的管线一端连通；所述裂缝监测器的检测端设置在页岩层，裂缝监测器的数据输出端与造缝控制单元的裂缝信号接收端连接，第一CO₂检测器的汽化信号输出端与造缝控制单元的汽化信号输入端连接，所述造缝控制单元的气态CO₂控制信号输出端与空气压缩机的控制信号输入端连接，造缝控制单元的液态CO₂控制信号输出端与控制信号输入端与控制控制储罐输出的电子阀连接；
所述加热系统包括加热井、CO₂贮气瓶、温度控制单元、进气管线、出气管线、气体预热机、温度检测器、加热棒和第二CO₂检测器；
所述加热井内设有套管，所述进气管线和出气管线设置在套管内，进气管线的一端与CO₂贮气瓶的出气口连通，出气管线的底部与页岩层连通；
所述加热棒设置在进气管线内，加热棒与气体预热机连接；
所述第二CO₂检测器的检测端设置在水平井中的管线内，第二CO₂检测器的汽化信号输出端与温度控制单元的汽化信号输入端连接，温度检测器的检测端设置在进气管线内，温度检测器的温度信号输出端与温度控制单元的温度信号输入端连接，温度控制单元的第一温控信号输出端与气体预热机的温控信号输入端连接。
作为优化，所述储存液态高压CO₂的储罐上设有常压保护装置和常温保护装置。
作为优化，所述进气管线位于套管外的部分上还设有气体预热器，温度控制单元的第二温控信号输出端与气体预热器的温控信号输入端连接。
作为优化，所述系统还包括增压泵和第一冷却器，所述增压泵和第一冷却器自上而下依次设置在总管线位于地表上的部分。
作为优化，所述还包括页岩气回收管线，所述页岩气回收管线的一端与总管线位于地表上端部连通。
作为优化，所述还包括第二冷却泵和液态分离器，所述第二冷却泵和液态分离器自下而上依次设置在页岩气回收管线上。
作为优化，所述页岩气回收管线、液态CO₂输送管线和气态CO₂输送管线通过四通阀分别与总管线位于地表上端部连通。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1、 本发明提供的提高页岩气井采收率的方法采用CO₂空气爆震对水平井进行初步造缝，然后将液态CO₂压入页岩层的初缝位置，最后再对页岩层初缝位置的岩石加热，使页岩层初缝位置内的液态CO₂达到CO₂临界温度，从而迅速汽化产生一系列的高压空气脉冲震动，作用在页岩层的岩石上，脉冲震动在页岩中迭加在岩石内部，产生压涨条件，使得岩石内部初缝末端继续向页岩层内部发展，从而提高页岩气井采收率。
2、 另外，从地表打入的加热井将岩石加热后，不仅能降低页岩气在岩石的吸附率，还能提高岩石的开裂能力，从而进一步提高页岩气井采收率。
3、 本发明提供的提高页岩气井采收率的方法主要是通过CO₂变相进行造缝，相比现有的通过高压水来造缝，不但对地下水的污染小，更环保，而且应用不受水源限制，应用更广泛，更重要的是，该方法的对页岩层的造缝效果更好。
4、 本发明提供的系统具有如下有益效果是： 该发明的系统是由两套组成独立系统组成，克服了地形地貌复杂多样的因素，能够在任意环境下简单可靠、高效地、高抽采率的实施页岩层采收，特别是低渗透的页岩层，并且系统操作简单，方便工作人员操作和维修；本发明系统的核心是给液态CO₂加热到临界温度致使其相变欲裂页岩层，它解决了目前水力压裂法目前广泛争议的环境污染问题，同时普通的水力压裂法在注入水力介质的时候容易堵塞管线，但是超临界CO₂兼具气体具有低粘度和易扩散、液体的高密度和易溶解的特性，能够有效的解决管线堵塞问题。此外目前页岩层分布主要是在西南地区，西南地区缺水，故在开采页岩气时选择水力压裂成本较高。因此，综上，本发明系统具有易管理、节能以及较高的经济价值、又有较高的综合社会效益。
附图说明
图1是实现提高页岩气井采收率方法的系统的结构示意图。
图2为造缝系统原理图。
图3为加热系统原理图。
     图中的标号表示，10-造缝系统，11-空气压缩机，12-高压贮气瓶，13-造缝控制单元，14-高压气枪，15-裂缝监测器，16-分割器；20-加热系统，21-贮气瓶，22-进气管线，23-加热棒，24-气体预热机，25-温度检测器，26-CO₂检测器，27-温度控制单元，28-气体预热器，29-加热井；30-页岩层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1：一种提高页岩气井采收率的方法，包括如下步骤：
S1:管线铺设，在页岩层中打水平井，然后在水平井和为打水平井而形成的竖井内布置管线；
S2：将高压CO₂通入总管线中位于水平井内的管线中，高压空气爆震，形成一系列的高压空气脉动震动，击穿中空管壁和水平井壁，在页岩层内形成初缝；
然后采用水力压裂的原理，将液态CO₂通过管线压入页岩层的初缝位置，再对页岩层初缝位置的岩石进行加热，使液态CO₂相变迅速汽化，产生一系列的高压空气脉冲震动，对页岩层内的初缝进行再次开裂。
液态CO₂达到CO₂临界温度迅速汽化，产生一系列的高压空气脉冲震动作用在页岩层的岩石上，脉冲震动在页岩中迭加在岩石内部产生压涨条件，使得岩石内部初缝末端继续向页岩层内部发展，从而提高了页岩层内的初缝的开裂程度。
S3：总管线中位于水平井内的管线通过多个分割器分为多段，各段管线对应的页岩层段采用步骤S2中的方法分段造缝。
作为优化，从地表打入多个加热井，且加热井与所述页岩层开裂部分相对，具体实施时，水平井内每段管线对应的页岩层段至少对应一个加热井，加热井竖直设置。加热井用于对页岩层的岩石和通入页岩层初缝位置的液态CO₂进行加热，使液态CO₂迅速汽化，对页岩层内的初缝进行再次开裂。从地表打入的加热井将岩石加热后，不仅能降低页岩气在岩石的吸附率，还能提高岩石的开裂能力，从而进一步提高页岩气井采收率。
该提高页岩气井采收率方法的原理如下：
岩石力学研究特别是岩石的动仔特性研究证明，在井下对岩石一系列脉动冲击，可以是岩石孔隙度和渗透率增加，若对脉动冲击加以控制，则可有效的避免对岩石的压密作用。岩石材料在冲击荷载作用下，岩石体积变小，荷载卸去后，存在残余的体积压缩变形，由于荷载的不均匀性，岩石在三向不均匀压力作用下，体积不仅没有减小反而增大，这就是岩石的“压涨现象”。
1.  CO₂相变提高页岩气井采收率的基本原理是岩石的“压涨现象”和CO₂临界温度。在温度31℃以下是CO₂以液态存在，当温度超过31℃时，无论压力多大，液态CO₂将在40毫秒内气化；1.0kg液态CO₂吸收60.0KJ的热量才能气化.有研究发现，当岩石的最小压应力与最大压应力之比在0.15~0.30之间，就会发生“压涨现象”。由于地层的最小主应力与最大主应力之比不在此范围内，所以自然条件不会发生“压涨现象”。由于在裂缝尖端应力值非常高，所以在裂缝尖处更容易产生压涨现象。
CO₂相变的方法是先应用CO₂空气爆震对水平井进行初步造缝，然后采用水力压裂的方法，将液态CO₂裂入进页岩层初缝位置，最后再通过从地表打入加热井对页岩层初缝位置的岩石加热，使液态CO₂达到CO₂临界温度，让裂入的液态CO₂迅速汽化产生一系列的高压空气脉冲震动作用在页岩层的岩石上，脉冲震动在页岩中迭加在岩石内部产生压涨条件，使得岩石内部初缝末端继续向页岩层内部发展，提高页岩层内裂缝的开裂程度，同时打入的加热井将岩石加热后，不仅能降低页岩气在岩石的吸附率，还能提高岩石的开裂能力，进一步提高页岩气井采收率。
实施例2：实现实施1中提高页岩气井采收率的方法的系统，其包括造缝系统和加热系统。
造缝系统10包括位于地表上的空气压缩机11、高压贮气瓶12、储存液态高压CO₂的储罐17、第一CO₂检测器16和造缝控制单元13，还包括位于地表下的高压气枪14和裂缝监测器15。
储罐17的液态高压CO₂输出口与液态CO₂输送管线连通，所示液态CO₂输送管线靠近储罐17的部分设有控制储罐17输出的电子阀17a。储存液态高压CO₂的储罐17上设有常压保护装置和常温保护装置。
空气压缩机11的压缩气体出口与高压贮气瓶12的气体入口连通，高压贮气瓶12的高压气体出口与气态CO₂输送管线连接；为了方便回收页岩气地表上还具有页岩气回收管线； 液态CO₂输送管线、气态CO₂输送管线和页岩气回收管线的端部分别与总管线位于地表上端部连通。为了方便，液态CO₂输送管线，气态CO₂输送管线和页岩气回收管线通过四通阀分别与总管线位于地表上端部连通，四通阀最好为电子阀，便于控制。
由于总管线回收的气体中，除了有页岩气外，还可能有CO₂气体和地下的其他气态，因此，页岩气回收管线上自下而上依次设有第二冷却泵和液态分离器，第二冷却泵和液态分离器的设置可以有效对对页岩气与其他气体进行分离，从而提高了页岩气的回收率。
总管线位于地表上的部分，自上而下依次设有增压泵和第一冷却器。由于输入液态和气态CO₂的管线比较长，在输送过程中液态和气态CO₂都会产生压力损失，增压泵的设置可以更好的弥补液态和气态CO₂输送过程中的压损，有利于开缝。高压气枪14与总管线中位于水平井内的管线一端连通。
裂缝监测器15的检测端设置在页岩层，裂缝监测器15的数据输出端与造缝控制单元13的裂缝信号接收端连接，第一CO₂检测器16的汽化信号输出端与造缝控制单元13的汽化信号输入端连接，所述造缝控制单元13的气态CO₂控制信号输出端与空气压缩机11的控制信号输入端连接，造缝控制单元13的液态CO₂控制信号输出端与控制信号输入端与控制控制储罐17输出的电子阀17a连接；气态CO₂或气态CO₂通过各自的输送管线，然后再通过总管线到达水平井，最后通过高压气枪喷出。
第一CO₂检测器16的检测端设置在水平井中的管线内，用于检测液态CO₂的汽化程度，造缝控制单元13根据第一CO₂检测器反馈的页岩层内液态CO₂的汽化程度控制电子阀17a的开启程度，从而控制储存液态高压CO₂的储罐17向水井中输送液态CO₂的量。
高压气枪14的工作压力位5000psi，高压气枪的梭阀两段分别有一个起爆气室和一个主气室，从高压贮气瓶12出来的CO₂高压气体，经控制面板调压分流后进入了高压气枪主气室的排气口。当电磁阀点火后，首先释放掉启爆气室内的气体，此时梭阀失去平衡，向启爆室方向滑动，同时打开主气室的排气口，使高压CO₂气体迅速释放，产生脉冲。高压贮气瓶中的压力通过控制空气压缩机进行控制。
在CO₂相变再次开裂岩石后，通过安装在水平井内的检波器实时监测高压CO₂爆破效果，并及时传递给地面的造缝控制单元。造缝控制单元根据检波器反馈的爆破效果和裂缝监测器反馈的裂缝效果及时调节空气压缩机提供给高压贮气瓶中CO₂的压力。使整个水平井初步造缝过程形成闭环控制，有效控制初缝的大小，达到在增加采收率的同时，避免了能量的浪费，取得更大的经济效率。
加热系统20包括加热井、CO₂贮气瓶21、温度控制单元27、进气管线22、出气管线、气体预热机24、温度检测器25、加热棒23和第二CO₂检测器26。
加热井内设有套管，进气管线22和出气管线设置在套管内，进气管线22的一端与CO₂贮气瓶的出气口连通，出气管线的底部与页岩层连通，出气管线用以将页岩层的相关热解产物排出。
加热棒23设置在进气管线22内，加热棒23与气体预热机24连接，用于对进气管线22中的CO₂进行加热。实施时，进气管线22位于套管外的部分上还设有气体预热器28，温度控制单元27的第二温控信号输出端与气体预热器28的温控信号输入端连接。用以进一步对进气管线22内的CO₂气体进行预先加热，增强对页岩层岩石的加热效果。
第二CO₂检测器26的检测端设置在水平井中的管线内，用于检测液态CO₂的汽化程度，第二CO₂检测器26的汽化信号输出端与温度控制单元27的汽化信号输入端连接；温度检测器27的检测端设置在进气管线22内，用于检测进气管线22内CO₂气体的温度，温度检测器25的温度信号输出端与温度控制单元27的温度信号输入端连接，温度控制单元27的第一温控信号输出端与气体预热机24的温控信号输入端连接。
温度控制单元根据温度检测器反馈的进气管线内的CO₂气体的温度和第二CO₂检测器反馈的页岩层内液态CO₂的汽化程度控制气体预热机和气体预热器的工作，从而使整个水平井在初步造缝基础上的再次开裂过程形成闭环控制，有效控制再次开裂缝隙的大小，达到在增加采收率的同时，避免了能量的浪费，取得更大的经济效率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。