[发明专利]页岩气开采的气动脆裂法与设备

说明书

技术领域

本发明属于页岩气开采领域，特别涉及一种用气体动态疲劳脆性致裂技术致裂页岩岩层实现页岩气开采的方法与设备。

背景技术

页岩气是从页岩层中开采出来的天然气,成分以甲烷为主,是一种重要的非常规天然气资源。全球页岩气资源非常丰富,据预测,世界页岩气资源量为456万亿立方米,页岩气藏具有分布范围广、开采寿命长和生产周期长的优点。随着社会对清洁能源需求的不断扩大,以及天然气价格不断上涨, 页岩气的开采影响到国家能源战略安全，因而越来越得到各国的重视。

页岩气被束缚在岩石内，如何使被束缚在岩石内的“致密气（页岩气）”高效释放是制约页岩气开采的瓶颈。现有页岩油气资源开采均采用水力压裂技术，即通过将压裂液压入油井中，将岩层压裂，产生高导流能力的裂缝通道，再注入支撑剂（主要是石英砂）撑住裂缝，进而提高油气采收率的开采工艺。页岩气开采所使用的压裂液中，98wt%为水， 2wt%为化学添加剂。因而存在以下问题：（1）耗水量巨大，对贫水、缺水的页岩气分布区域无法利用该技术进行油气开采；（2）虽然水力压裂有很高的起裂压力（最高达140MPa），但是水力压裂形成的主裂纹数目有限，压裂形式单一，对页岩的破裂程度不高，且液体表面张力大，液体分子相对较大，渗透性差，难以进入页岩致密孔隙，难以有效提高页岩中油气的渗透性油气，采出率低；（3）压裂液中的化学添加剂和页岩气（主要是甲烷）进入地下水中，对生态环境破坏严重，严重制约了页岩气的开采。

发明内容

本发明的目的在于提供一种页岩气开采的气动脆裂法与设备，以促进贫水、缺水地区页岩气的开采，并提高页岩气的采出率，保护生态环境。

本发明所述页岩气开采的气动脆裂法，是对页岩岩层反复交替施加至少两种不同压力的高温压缩气体，直至页岩岩层形成裂隙结构为止，所述高温压缩气体的温度至少为80℃,其最大压力至少为25MPa，最小压力为最大压力的1/4～1/3。所述裂隙结构是指页岩破裂，岩层内部致密的微孔隙相互贯通，具备了收集页岩气的条件。

上述方法中，所述高温压缩气体优选高温压缩空气或高温压缩二氧化碳气体。当高温压缩气体为高温压缩空气时，其温度至少为150℃，其最大压力至少为45MPa；为了提高对页岩岩层的致裂效果，高温压缩空气的含水量优选控制在10 vol. %~50 vol. %。当高温压缩气体为高温压缩二氧化碳气体时，其温度至少为80℃，其最大压力至少为25MPa。

本发明所述页岩气开采的气动脆裂法，采用以下操作步骤：

A、钻取伸入页岩岩层的竖井和与竖井连通的水平井，在竖井和水平井中安装具有保温性能的高压气体输送管，所述高压气体输送管的外径小于竖井和水平井的内径，安装在水平井中的高压气体输送管，其管壁上设置有出气孔，在水平井的内表面与高压气体输送管的外表面所围成的环形空间内，每隔30m～50m设置一环形封堵器，形成多个环形气室；

B、将符合最大压力要求的高温压缩气体输入高压气体输送管，并保持该压力0.5~1小时，保压时间到达后，将高压气体输送管内的气体压力降低至符合最小压力要求的压力，使各环形气室内交替充满符合最大压力要求的高温压缩气体和符合最小压力要求的高温压缩气体，作用于页岩岩层；

C、重复步骤B的操作，重复次数以页岩岩层形成裂隙结构为止。

本发明所述页岩气开采的气动脆裂设备有以下两种结构：

1、第一种结构

页岩气开采的气动脆裂设备包括压缩机、增压机和压力控制系统，压力控制系统由压力控制器、第一控制阀和第二控制阀组成，所述第一控制阀安装在高压气体输送管的进气管路上，所述第二控制阀安装在高压气体输送管的排气管路上，所述压缩机的排气口与增压机的进气口通过管件连接，所述增压机的排气口与所述第一控制阀的进气口通过管件连接，所述压力控制器通过数据线分别与压缩机、增压机、第一控制阀和第二控制阀连接，用于控制高温压缩气体的形成及高压气体输送管内压力的反复交替变化与保压。此种页岩气开采的气动脆裂设备，适用于压缩气体过程中产生的温度即能使压缩气体达到所要求的高温的情况。

2、第二种结构