一种提高富有机质页岩基块渗透率的方法

摘要

本发明提供了一种提高富有机质页岩基块渗透率的方法。本发明通过在页岩气层注入液中添加酸和氧化性溶液，将液体注入富有机质页岩基块内部，氧化分解页岩有机质与黄铁矿，并酸溶碳酸盐矿物，形成溶蚀孔隙，实现纳米尺度孔隙改造，使渗流通道变大，连通性变好，从而提高页岩基块渗透率。该方法包括：根据有机质类型、含量选择氧化性溶液及浓度；将氧化性溶液和盐酸分别加入页岩气层注入液；注入液注入富有机质页岩基块内部；注入液与页岩充分反应之后，返排注入液。本发明可与页岩气井水力压裂改造协同作用，大范围提高基块渗透率，提升水力压裂后页岩气井产量，其操作工艺简单，经济成本低。

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气开采技术领域，涉及一种提高富有机质页岩基 块渗透率的方法，主要用于提高页岩气层基块岩石渗透率。

背景技术

页岩气是一种典型的非常规天然气，全球资源量巨大，极具开采价值。 但页岩基块渗流通道以纳米尺度为主，基块渗透率主要介于纳达西至微达 西，甲烷渗流阻力巨大，钻开页岩气层后，气井无自然产能，或日产气量 极低，需要采取水力压裂增产措施，增加气井日产量。

水力压裂增产原理是“打碎”页岩，在气层内部形成人工裂缝网络， 缩短基块内部甲烷气体流向裂缝的距离，增加气层整体渗透率，可以大幅 提高压裂后气井日产量。

但纯力学的水力压裂是以产生尽可能多且复杂的裂缝为目的，对页岩 基块孔隙或渗透率无改造作用。

为此，距离裂缝较远处的甲烷气体难以快速产出，导致压裂后页岩气 井日产量下降速率快，并只能维持较低日产量，延缓了经济投资回报速率。 因而，提高页岩基块渗透率，是增加水力压裂改造后气井日产量的重要方 法。

页岩属于细粒沉积碎屑岩，是安静水体沉积与还原环境产物。因而， 有机质与黄铁矿较为富集，在地质成岩与生烃过程中，加之碳酸盐矿物的 胶结作用，严重充填了原生储集空间，使页岩致密化，基块渗透率降低至 微达西至纳达西级别。为此，溶蚀或去除该三类组分，对于提高页岩基块 渗透率至关重要。

页岩中的有机质、黄铁矿均属于强还原环境产物，在氧化条件下易被 氧化分解。在土壤研究中，广泛利用氧化剂来去除土壤中有机质，去除效 果显著；而露头页岩在风化作用下，其内部黄铁矿易被氧化，形成可溶性 硫酸盐，并被雨水淋滤带出，表明黄铁矿易被氧化；同时，页岩碳酸盐矿 物组分属于酸溶性矿物，遇盐酸极易被溶蚀。

室内实验与现场测试均表明，强氧化剂溶液可以很好解除油气层岩石 孔隙内部的有机物堵塞，并显著提高岩石渗透率。但目前提高页岩基块渗 透率的已有方法或措施，均未涉及通过氧化分解有机质、黄铁矿来改善页 岩基块渗透率。因此，利用氧化性溶液氧化分解、含酸溶液溶蚀页岩组分， 以改造纳米级孔隙，是提高页岩基块渗透率的主要方法，也是一种具备现 场可操作性的有效方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高富有机质页岩基块渗透率的方法，该 方法利用盐酸溶液溶蚀碳酸盐矿物，利用强氧化性溶液氧化分解页岩有机 质与黄铁矿，形成溶蚀孔隙，扩大页岩基块气体流动通道，并增加通道之 间连通性，从而达到提高富有机质页岩基块渗透率目的。

该方法能够用于提高富有机质页岩基块内甲烷气体渗流能力，协同页 岩气层水力压裂体积改造，充分发挥工作液与页岩之间力学-化学作用，显 著提高压裂改造后页岩气井产量。

为达到以上目的，本发明提供以下技术方案。

优质页岩气层富含有机质、黄铁矿以及碳酸盐矿物。其中，有机质含 量一般大于2％，黄铁矿含量介于1％～5％，碳酸盐矿物含量主要介于5％～20％， 这三类组分的体积占页岩总体积的比例可达到10％以上，且在页岩中主要呈 随机分布状态。因此，通过溶蚀或氧化分解去除上述三类组分，形成溶蚀 孔隙，扩大页岩基块气体流动通道，并增加通道之间连通性，可以极大提 高页岩基块渗透率。

一种提高富有机质页岩基块渗透率的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据页岩气井测井、岩心分析化验数据确定富有机质页岩；

(2)向步骤(1)中页岩基块内部注入5％～15％质量浓度的盐酸，对页 岩内部碳酸盐矿物组分进行溶蚀，形成碳酸盐矿物溶蚀孔隙，扩大页岩基 块气体流动通道，从而提高页岩基块渗透率；

(3)待步骤(2)中大部分碳酸盐矿物组分溶蚀之后，返排注入的盐酸 溶液；上述碳酸盐矿物组分溶蚀程度根据具体页岩渗透率需要决定。

(4)取氧化剂5～20份与页岩气层注入液100份按体积比混合，得到 强氧化性溶液，将其注入步骤(2)、(3)中盐酸溶蚀后的页岩基块内部， 对页岩内部有机质与黄铁矿进行氧化分解，形成有机质与黄铁矿溶蚀孔隙， 扩大页岩基块气体流动通道，并增加通道之间连通性，从而提高基块渗透 率；

(5)待步骤(4)中大部分有机质、黄铁矿组分氧化分解之后，返排注 入的氧化性溶液。上述有机质、黄铁矿组分氧化分解程度根据具体页岩渗 透率需要决定。

所述氧化剂是指具有强氧化性的固体或液体氧化剂。具体是次氯酸钠、 高锰酸钾、溴水、双氧水中的一种。

所述注入是指通过毛管自吸或强制渗吸方式使液体进入页岩基块内 部。

本发明根据页岩气井测井、岩心分析化验数据判断有机质含量TOC、 碳酸盐矿物含量，选取TOC＞2％、碳酸盐矿物含量＞5％的富有机质页岩作为 注入页岩。

与现有技术相比，本发明通过页岩与盐酸溶液、氧化性溶液之间化学 作用提高页岩基块渗透率，具有以下有益效果：

(1)在水力压裂形成缝网基础上，改造裂缝附近基块孔隙，扩大基块 孔隙直径，增加孔隙连通性，从而大幅提高基块渗透率，扩大页岩气藏改 造范围；

(2)与水力压裂体积改造协同作用，将页岩气层注入液易滞留难返排 不利因素转换为该方法实施的有利条件与必要条件，使滞留注入液进入基 块孔隙，溶蚀碳酸盐矿物，氧化基块中有机质、黄铁矿，扩大渗透通道；

(3)提供了一种新的储层改造思路，为富含有机质岩石储层改造提供 借鉴；

(4)操作工艺简单，经济成本低。

附图说明

图1至图3是本发明富有机质页岩样品与盐酸、双氧水溶液反应前后 孔隙图像。

图1放大20449倍，表示反应前有机质及其纳米级孔隙；图2放大500 倍，表示反应前无溶蚀孔隙；图3放大300倍，表示反应后碳酸盐矿物、 有机质、黄铁矿微米级溶蚀孔隙。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，结合 附图对本发明的一个实施例作进一步描述。实施例只用于对本发明进行进 一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根 据本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范 围。

实施例1

为验证本发明的可靠性，利用富有机质页岩、盐酸溶液、强氧化性溶 液开展了实验，验证了页岩碳酸盐矿物、有机质、黄铁矿的溶蚀或氧化分 解特性，并分析了反应后孔隙数量、大小以及渗透率参数。具体操作步骤 如下：

a、根据页岩气井测井、岩心分析化验数据选取富有机质页岩，要求该 页岩样品有机质含量＞2％、碳酸盐矿物含量＞5％；

b、向步骤a中页岩基块内部注入5％～15％质量浓度的盐酸，对页岩内 部碳酸盐矿物组分进行溶蚀，形成碳酸盐矿物溶蚀孔隙；

c、待步骤b中大部分碳酸盐矿物组分溶蚀之后，返排注入的盐酸溶液， 并检测反应后盐酸溶液的离子组成；

d、取双氧水5～20份与页岩气层注入液100份按体积比混合，得到强 氧化性溶液，将其注入盐酸溶蚀后的页岩基块内部，对页岩内部有机质与 黄铁矿进行氧化分解，形成有机质与黄铁矿溶蚀孔隙；

e、待步骤d中大部分有机质、黄铁矿组分氧化分解之后，返排注入的 氧化性溶液，并检测反应后氧化性溶液离子组成、页岩有机质含量变化， 测试反应后页岩孔隙数量、大小、渗透率。

实验结果显示：反应后，盐酸溶液中Ca²⁺、Mg²⁺离子浓度大幅增加， 表明碳酸盐矿物(CaCO₃与MgCa(CO₃)₂)发生了溶蚀；反应后，氧化性 溶液中Fe³⁺、SO₄^2-离子浓度大幅增加，表明黄铁矿(FeS₂)发生氧化分解； 反应后，页岩有机质含量减少约90％，硫含量减少约98％，表明绝大部分有 机质、黄铁矿被氧化分解。同时，基于扫描电镜观察，反应后页岩出现大 量溶蚀孔隙，该溶蚀孔隙直径为微米级，孔隙数量与大小的增加使孔隙体 积增加了50％以上，而渗透率增加数十倍。见附图。

综上，本发明可以扩大页岩基块气体流动通道，改造页岩基块纳米尺 度孔隙，大幅提高富有机质页岩基块渗透率，协助水力压裂体积改造，提 升水力压裂后页岩气井产量。