页岩气增产方法及页岩气增产设备

摘要

本发明提供一种页岩气增产方法及页岩气增产设备。页岩气增产方法包括以下步骤：向页岩气井的页岩层输送热能，并通过驱使所输送的热能在页岩层中实现热量传递而使页岩层温度升高；关闭页岩气井1－10天；打开页岩气井采气。本发明还提供了两种实现上述页岩气增产方法的页岩气增产设备。本发明解决了现有页岩气开采中的诸多问题，有效的提高页岩气解吸速度和渗流速度，进而提高页岩气产量。本发明提供的页岩气增产方法适合于直井、水平井或多分支井的页岩气开发。

说明书

技术领域

本发明涉及页岩气开采技术，尤其涉及一种页岩气增产方法及页岩气增产 设备。

背景技术

页岩气是赋存于暗色泥页岩层或高碳泥页岩层中的天然气，它可以生成 于有机成因的各种各个阶段，天然气一部分以游离相态（大约50％）存在于 页岩层裂缝、页岩层孔隙及其它储集空间，另一部分以吸附状态（大约50％） 存在于干酪根、粘土颗粒及粘土孔隙表面。页岩气是宝贵的资源、优质的能 源和化工原料，可作为常规天然气的接替能源或补充能源。

现有页岩气开采的主要是依靠其自身解吸，采气一段时间后，页岩气的 产量急剧降低，页岩气开采的效果不理想，产量低、产量不稳定，不能达到 工业开发标准。页岩气开采产气量低的原因主要是：与常规天然气相比，页 岩气的储存方式以吸附为主、储层能量低（压力低）、渗透性差，页岩气的 产出过程是先解吸，然后在孔隙介质中渗流。仅依靠自身解吸较难获得很高 的产气量和采收率，必须寻找和研究提高开采速度(或日产气量)和采收率的 新方法。

为了提高页岩气的采收率，可在页岩气开产量低于工业开发标准（单井 1000米³/日）时，采取增产措施。现有的增产措施主要采用水力压裂进行储 层改造。其原理是通过地面泵车将压裂液泵入到井底，高压压裂液在页岩气 储层内压裂出一条或多条裂缝，从而为页岩气的渗流提供更多的通道。这种 方法虽然增加了渗流通道，使部分解吸的页岩气流出，但没有从根本上加速 吸附态页岩气的解吸，增产效果有限。这种页岩气增产的设备投资大、运行 费用高，也限制了其广泛应用。

此外，还有一种针对页岩气的增产方法：CO₂吸附法，该方法是利用CO₂具有比甲烷（CH₄）高的吸附性，向页岩层注入CO₂，排挤甲烷或改变其吸 附特性。这种方法还必须适当地降压，在降压过程中CH₄解吸，CO₂具有强 吸附性而占据CH₄的位置，从而使CH₄保持游离状态。具体过程是：生产井 开页岩气井降压，注入井注入CO₂，降压后CH₄解吸为游离状态，CO₂吸附。 然后增加注入压力，CH₄沿页岩层孔隙流动从气井产出。按照上述方法生产 一段时间后，再次降压，进行下一个循环的注入和产出。但由于降压过程在 生产井，而CO₂是在注入井注入，导致CH₄与CO₂的竞争可能不同时发生， 另外由于升压与降压的反复循环，缩短了页岩气生产的有效时间，因此也不 能很大幅度地提高日产气量。且此增产方法设备复杂，制备成本极高，也使 其仅停留于实验室研究阶段。

综上，现有页岩气增产方法均无法快速、有效的实现页岩气的增产，同 时，也没有经济、合理的页岩气增产设备。所以亟待一种有效地页岩气增产 方法和增产设备，进而提高页岩气产量。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述页岩气开发问题，提出一种页岩气增产方 法，以提高页岩气解吸速度和渗流速度，进而提高页岩气产量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种页岩气增产方法，包 括以下步骤：（1）、向页岩气井的页岩层输送热能，并通过驱使所输送的热 能在页岩层中实现热量传递而使页岩层温度升高；（2）、关闭页岩气井1－ 10天；（3）、打开页岩气井采气。

进一步地，实现热量传递而使以页岩气井为圆心半径50米范围内页岩层 平均温度升高20-30℃。

进一步地，所述关闭页岩气井的时间为1－2天，等待热量进一步传递扩 散。

进一步地，所述输送热能包括过热水蒸汽加热或微波加热。

进一步地，所述过热水蒸汽加热方法为：向页岩气所在页岩层注入过热 水蒸汽，过热水蒸汽一般为100-300℃，过热水蒸汽的单井注汽压力比页岩 层孔隙压力高1-2MPa，注汽速度为5-10m³/h水当量过热水蒸汽，使进入页 岩气所在页岩层的过热水蒸汽干度大于50%。当过热水蒸汽干度小于50%时， 对页岩气的加热效果不佳，页岩气解析速度达不到要求。

进一步地，所述过热水蒸汽注入总量为每米页岩层厚注5~15吨水当量 过热水蒸汽，或8~12吨水当量过热水蒸汽。

进一步地，所述微波加热为采用微波发生器发射微波加热页岩气所在页 岩层。所述微波频率为1MHZ-10GHZ，或所述微波频率2MHZ-5GHZ；所述 微波发生器功率为100千瓦-800千瓦，或所述微波发生器功率为300千瓦-500 千瓦。

本发明的另一个目的是还提出了一种页岩气增产设备，在用于页岩气增 产时可快速有效的实现页岩气增产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种页岩气增产设备，包 括蒸汽发生器、注入泵、内管和套设在内管外侧且固定在页岩气井内壁上的 外管，所述注入泵的入口端与蒸汽发生器连通，所述注入泵的出口端与内管 连通。所述外管上端用于固定页岩气井井壁，位于页岩气所在页岩层一端给 自页岩层中解析出的页岩气提供通道，使解析后的页岩气汇入内管中。

进一步地，所述内管为不锈钢管或塑料内衬管。如石油行业常用的油管。

进一步地，所述内管外侧设置有隔热层，防止过热水蒸汽在未达到页岩 气所在页岩层前热量散失。

进一步地，所述隔热层为包覆在内管外侧的隔热材料（如高分子泡沫材 料）层；或

设置在所述内管和外管间的惰性气体层或氮气层。

进一步地，所述内管和外管位于页岩气所在页岩层的一段，均开设有筛 孔。

本发明的另一个目的是还提出了一种页岩气增产设备，快速有效的实现 页岩气增产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种页岩气增产设备，包 括微波发生器、电源、内管和套设在内管外侧且固定在页岩气井内壁上的外 管，所述微波发生器可拆卸固定在内管下端，且与电源电联，所述外管上与 微波发生器对应的设置有微波发射孔。所述外管上端用于固定页岩气井内壁， 所述微波发射孔用于使微波发生器发射的微波通过，还可给页岩层中解析的 页岩气提供通道，使解析的页岩气汇入内管中。

进一步地，所述微波发生器包括基座和两个以上微波发射头，所述两个 以上微波发射头均布在基座上，可向其四周和下侧发射微波。所述微波发生 器发射的微波频率为1MHZ-10GHZ；所述微波发生器功率为100千瓦-800 千瓦。

进一步地，所述内管为不锈钢管或塑料内衬管，如油管。

进一步地，所述内管靠近微波发生器的一段设置有筛孔。

进一步地，所述外管位于页岩气所在页岩层的一段设有筛孔，为解析的 页岩气提供更多的流通通道。

本发明的工作原理：向页岩气井的页岩层输送热能（过热水蒸汽加热或 微波加热），并通过驱使所输送的热能在页岩层中实现热量传递而使页岩气 所页岩层温度升高，使吸附在页岩层上的呈吸附态的页岩气（甲烷）迅速解 吸，变为游离态。随着热量向页岩层深部传递，大量页岩气解吸为游离状态， 游离状态的页岩气又受热膨胀。当开页岩气井生产时，这些游离态的页岩气 迅速产出，从而大幅度地提高页岩气井的产量。

页岩气增产选择采用何种热能，主要根据注入规模、设备投资、运行费 用等因素综合考虑。一般蒸汽加热的投入高，但热量也高，增产效果最好； 微波加热的特点是设备投资小，应用灵活方便，适合于小型气田或井组试验。

页岩气通常是以吸附状态存在于页岩层孔隙表面的，它的产出至少要经 过解吸、扩散和渗流三个过程，其中解吸速度和渗流速度是决定产气速度的 主要因素。本发明页岩气增产方法，通过向页岩气所在岩层注入热能，增加 吸附态页岩气（甲烷）的自由能，从而提高甲烷从页岩层孔隙表面上解吸的 速度；同时页岩气受热膨胀加速渗流流动，从而达到大幅度提高页岩气产量、 实现页岩气的工业化开发的目的；采用本发明页岩气增产方法开采页岩气具 有灵活、可靠、投资小的特点。本发明提供一种页岩气增产方法适合于直井、 水平井或多分支井的页岩气开发。

附图说明

图1为本发明过热水蒸汽加热示意图；

图2为本发明过热水蒸汽加热开采示意图；

图3为本发明微波加热示意图；

图4为本发明微波加热开采示意图；

图5为图3中微波发生器的俯视图。

具体实施方式

实施例1

图1为本发明过热水蒸汽加热示意图；图2为本发明过热水蒸汽加热开 采示意图。

本实施例中需要开采的页岩气所在页岩层埋藏深度约1000米，页岩气所在 页岩层原始温度约50℃。页岩气井经过一段时间的正常采气后，当单井日产量 低于工业开发标准时（1000米³/日），采用页岩气增产方法继续开采页岩气， 具体为采用过热水蒸汽方法（也称过热水蒸汽吞吐）开采页岩气，包括以下步 骤：

（1）、向页岩气井的页岩层4输送热能，并通过驱使所输送的热能在页岩 层4中实现热量传递而使页岩层温度升高；具体地，通过注入泵2向页岩气所 在页岩层4注入蒸汽发生器1产生的过热水蒸汽，加热页岩气所在页岩层4，过 热水蒸汽温度为180-200℃，单井注汽压力比页岩层孔隙压力高1MPa，注汽速 度为5-7m³/h水当量过热水蒸汽，使进入页岩气所在页岩层的过热水蒸汽干度大 于60%。过热水蒸汽注入总量为：每米页岩层厚注10吨水当量过热水蒸汽，使 以页岩气井为圆心半径50米范围内页岩层平均温度升高20℃。加热温度不宜太 高，以防止过热水蒸汽加热时热流体将页岩气推向远井地带；

（2）、关闭页岩气井2天，关闭页岩气井的作用是防止热量散失，并使注 入的热量在页岩层内进一步传递扩散，在一定范围内温度分布均匀；

（3）、打开页岩气井采气：大量高温的游离状态的页岩气（甲烷）由远井 地带页岩层依次流入外管5和内管3，经内管3输送到达地面汇入页岩气输气管 线。

吸附于页岩层的页岩气在被过热水蒸汽加热后，页岩气的解吸速度提高， 吸附能力大大降低；同时在热能向页岩层传递的过程中页岩气受热膨胀，有利 于建立生产压差，从而大幅度地增加气井日产量。本实施例中原始地层温度约 50℃，加热后页岩气井底半径50米范围内页岩层平均温度可达到70℃，此时页 岩层的吸附能力约降低到原来的约1/7，解吸速度提高约7倍，气井日产量提高 约7倍（比较未增产前，下同）。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中过热水蒸汽温度为250℃，单井注汽压力 比页岩层孔隙压力高1MPa，注汽速度为10m³/h水当量过热水蒸汽，使进入页岩 气所在页岩层的过热水蒸汽干度大于60%。过热水蒸汽注入总量为每米页岩层 厚注15吨水当量水蒸汽，使以页岩气井为圆心半径50米范围内页岩层平均温 度升高30℃。

本实施例中原始地层温度约50℃，加热后页岩气井底半径50米范围内页岩 层平均温度可达到80℃，此时页岩层的吸附能力约降低到原来的约1/10，解吸 速度提高约10倍，气井日产量提高约10倍。

实施例3

图3为本发明微波加热示意图；图4为本发明微波加热开采示意图。

本实施例中需要开采的页岩气所在页岩层埋藏深度约800米，页岩层原 始温度约40℃。页岩气井经过一段时间的正常采气后，当单井日产量低于工 业开发标准时（1000米³/日）。采用页岩气增产方法继续开采页岩气，具体 为采用微波加热的方法开采页岩气，包括以下步骤：

（1）、向页岩气井的页岩层4输送热能，并通过驱使所输送的热能在页 岩层4中实现热量传递而使页岩层温度升高；具体地，将微波发生器7置于 页岩气所在页岩层4，通过电源6通过电缆8为微波发生器7供电，微波发 生器7发射微波加热页岩气所在页岩层4，使以页岩气井为圆心半径50米范 围内页岩层平均温度升高20℃；微波频率为300MHZ；微波发生器的功率为 2500千瓦；

（2）、关闭页岩气井1-2天；

（3）、打开页岩气井采气。由于页岩气所在页岩层温度提高，加速了页 岩气的解吸，加上页岩气的热膨胀，使得页岩气由页岩层加速流向页岩气井， 依次通过外管5和内管3，经内管输送到地面，并汇入输气管网。

本实施例通过在井底设置微波发生器7向页岩气施加热能，使吸附态页 岩气的自由能增加、解吸速度提高、受热膨胀，并蒸发页岩层中的水分提高 气相流动能力，提高页岩气单井日产量6~8倍。

实施例4

与实施例3不同的是，本实施例通过采用微波发生器发射微波加热页岩 气所在页岩层，使以页岩气井为圆心半径50米范围内页岩层平均温度升高 30℃；微波频率为300MHZ；微波发生器的功率为4000千瓦；关闭页岩气井 1-2天；打开页岩气井采气，提高页岩气单井日产量9~10倍。

实施例5

图1为本发明过热水蒸汽加热示意图；图2为本发明过热水蒸汽加热开 采示意图。

本实施例公开了一种页岩气增产的设备，如图1和图2所示，包括蒸汽发 生器1、注入泵2、内管3和套设在内管3外侧且固定在页岩气井内壁上的外管 5，注入泵2的入口端与蒸汽发生器1连通，注入泵2的出口端与内管3连通。

本实施例中的内管3采用石油行业常用的塑料内衬油管，可防止长期注入 过热水蒸汽使内管3内壁生锈。内管3位于页岩气所在页岩层4的一段设置有 作为过热水蒸汽和页岩气通道的筛孔。内管3与外管5间设置有作为隔热层的 氮气层，防止过热水蒸汽在未达到页岩气所在页岩层前热量散失。可以理解， 其他形式的管路隔热方式均可应用在本设备中。

本实施例中外管5位于页岩气所在页岩层4的一段设置有作为过热水蒸汽 和页岩气通道的筛孔。外管5上端用于固定页岩气井井壁，其位于页岩气所在 页岩层一端给自页岩层4中解析出的页岩气提供通道，进而汇入内管3中。

本实施例页岩气增产的设备的工作原理：通过注入泵2将蒸汽发生器1产 生的过热水蒸汽通入内管3，在内管3外侧隔热层的保护下，过热水蒸汽的热量 损失较少，过热水蒸汽依次通过设置在内管3上的筛孔和外管上的筛孔输送到 页岩气所在页岩层4，在页岩气所在页岩层4中实现热量传递而使页岩层4温度 升高；当以页岩气井为圆心半径50米范围内页岩层平均温度升高20-30℃时， 停止输送过热水蒸汽；关闭页岩气井1-10天；被加热的页岩层4中的页岩气解 析速度提高，且受热膨胀，流向页岩气井，依次通过设置在外管5上的筛孔和 内管3上的筛孔，进入内管3；打开气井采气，经内管3流到地面，并汇入页岩 气输气管网。

实施例1和实施例2的采用过热水蒸汽加热页岩气的增产方法均可采用本 设备完成。

实施例6

图3为本发明微波加热示意图；图4为本发明微波加热开采示意图；图 5为图3中微波发生器的俯视图。

本实施例公开了一种用于实现页岩气增产的设备，如图3和图4所示，包 括微波发生器7、电源6，内管3和套设在内管3外侧且固定在页岩气井内壁上 的外管5。微波发生器7通过螺栓可拆卸固定在内管3下端，微波发生器7通过 电缆8与电源6电联；外管5上与微波发生器7对应的设置有微波发射孔。

如图5所示，本实施例所采用的微波发生器包括柱状基座和8个微波发射 头10，8个微波发射头10均布在柱状基座的圆周上，使微波发射头10正对页 岩气所在页岩层4。一般微波发射头10的个数依据微波发射头的功率和页岩气 开采需要而定。

本实施例中内管3为不锈钢管，内管3靠近微波发生器7的一段设置有筛 孔，作为解析出的页岩气通道。

本实施例中外管5位于页岩气所在页岩层4的一段设有筛孔，为解析的页 岩气提供更多的流通通道。外管5上端用于固定页岩气井井壁。

本实施例页岩气增产设备的工作步骤：将微波发生器7固定在内管3的下 端，由内管3携带进入页岩气井内，并置于页岩气所在页岩层中，接通电源6， 启动微波发生器7向页岩气所在页岩层4发射微波，微波穿过外管5上的微波 发射孔，在页岩层4中实现热量传递而使页岩层4温度升高；当以页岩气井为 圆心半径50米范围内的页岩层平均温度升高20-30℃时，关闭微波发生器7的 电源；关闭页岩气井1-2天；被加热的页岩层4中的页岩气解析速度提高，且受 热膨胀，依次经过外管5上的筛孔和内管3的筛孔，页岩气流入到内管3内，打 开页岩气井采气，经内管3流到地面，并汇入页岩气输气管网。

实施例3和实施例4的采用过微波发射加热页岩气的增产方法均可采用本 设备完成。

最后应说明的是：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。