微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置及方法

摘要

本发明公开了一种微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置及方法,其装置包括微波照射组件、干冰压裂组件和页岩气收集组件，所述微波照射组件包括依次连接的微波发生器、波导管和微波发射器，微波通过射孔对水平井筒外的页岩层进行微波照射；所述干冰压裂组件包括依次连接的干冰制备装置、高压输送泵、干冰输送管控制阀和干冰输送管，干冰制备装置和高压输送泵均置于页岩气井外，干冰输送管的末端穿过竖直井筒置于水平井筒内，干冰制备装置中制备的干冰经过高压输送泵及干冰输送管送入水平井筒中，通过射孔对页岩层进行压裂。本发明可促进吸附气转换为游离气，加快解析速率，提升压裂效果，降低了开采成本，提高了页岩气开采效益。

权利要求

1.一种微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置，安装于页岩气井内，其特征在于：包括微波照射组件、干冰压裂组件和页岩气收集组件，所述页岩气井包括竖直井筒（1）和与该竖直井筒连通布置的水平井筒（2），在水平井筒的筒壁上开有射孔（3）；

所述微波照射组件包括依次连接的微波发生器（4）、波导管（5）和微波发射器（6），微波发射器置于水平井筒内并与射孔相对应布置，微波发生器通过波导管将微波传至微波发射器，微波发射器通过射孔对水平井筒外的页岩层（7）进行微波照射，形成高温的页岩层；

所述干冰压裂组件包括依次连接的干冰制备装置（8）、高压输送泵（9）、干冰输送管控制阀（10）和干冰输送管，所述干冰输送管包括主管（19）和若干支管（20），主管贯穿竖直井筒置于水平井筒内，支管连接于与射孔相对应处的主管上，在页岩气井外还设有温度报警器（21），该温度报警器上的温度传感器（22）伸入页岩气井内并置于主管末端，干冰制备装置和高压输送泵均置于页岩气井外，干冰制备装置中制备的干冰经过高压输送泵及干冰输送管送入水平井筒中，通过射孔对高温的页岩层进行压裂；

所述页岩气收集组件包括依次连接的页岩气储存装置（11）、抽气泵（12）和抽气控制阀（13），抽气控制阀与干冰输送管的前端相连通布置。

2.根据权利要求1所述的微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置，其特征在于：在水平井筒下方的竖直井筒内设有第一封隔器（14）。

3.根据权利要求1所述的微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置，其特征在于：在水平井筒末端设有第二封隔器（15）。

4.根据权利要求1所述的微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置，其特征在于：在干冰制备装置与高压输送泵之间设有用于添加支撑剂的补料口（16）。

5.根据权利要求1所述的微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置，其特征在于：所述微波照射组件还包括置于竖直井筒内的微波转换器（17），微波发生器置于页岩气井外且其微波输出端通过电缆（18）与微波转换器的微波输入端连接，微波转换器的微波输出端与波导管的微波输入端连接。

6.根据权利要求1所述的微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置，其特征在于：支管直径等于射孔直径且支管直径为主管直径的1/4至1/3。

7.根据权利要求1所述的微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置，其特征在于：所述干冰为干冰流。

8.一种微波照射联合干冰压裂开采页岩气的方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、在地层中连通布置竖直井筒（1）和水平井筒（2），且竖直井筒外侧为上覆岩层，水平井筒置于页岩层（7）内，且在水平井筒的筒壁上开设射孔（3）；

S2、在水平井筒内架设波导管（5），在波导管的输出端连接上与射孔对应布置的微波发射器（6），将微波发生器（4）连接于波导管输入端；

S3、在页岩气井内设置干冰输送管，在页岩气井外设置依次连接的干冰制备装置（8）、高压输送泵（9）和干冰输送管控制阀（10），在页岩气井外设置依次连接的页岩气储存装置（11）、抽气泵（12）和抽气控制阀（13），干冰输送管控制阀的出口和抽气控制阀的进口均与干冰输送管的前端相连通布置；

S4、开启微波发生器，微波发射器激发微波通过射孔对页岩层进行照射加热；

S5、页岩层温度逐步升高，待水平井筒内的温度达到温度报警器所设置的上限温度时，关闭微波发生器；

S6、打开高压输送泵和干冰输送管控制阀，利用干冰输送管持续将干冰送入水平井筒，水平井筒内的干冰通过射孔压裂高温页岩层；

S7、当水平井筒内的温度低于温度报警器所设置的下限温度时，关闭高压输送泵和干冰输送管控制阀，再次开启微波发生器对已经压裂形成的裂缝网再次进行照射；

S8、当水平井筒内的温度加热至温度报警器所设置的上限温度的1/2时，关闭微波发生器，打开抽气泵和抽气控制阀，将页岩气收集汇入页岩气储存装置。

说明书

微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于页岩气开采相关技术领域，尤其涉及一种微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置及方法。

背景技术

[0002] 目前全球传统能源枯竭加剧，且对清洁能源的需求不断扩大，为缓解和最终解决能源短缺、生态环境恶化和全球气候变暖等问题，亟需在全球范围内推广使用清洁能源。随着水平井与压裂技术的不断进步，人类对页岩气的勘探开发正逐步形成热潮，页岩气极有可能在全球一次能源消费结构中占据主要地位。

[0003] 页岩气的主要成分为CH4，常以吸附态和游离态存在于页岩地层中。页岩渗透率极低，一般小于0.001mD，这使得页岩气储层具有自生自储的特点。和常规天然气储层不同，超过90％的页岩气储层在开采时必须进行储层改造，使储层产生复杂的裂隙网络，使得裂隙和孔隙中处于吸附态和游离态的页岩气被顺利采出，所以，储层改造效果和解析速率对页岩气的开采显得尤为重要。

[0004] 水力压裂是页岩气开采储层改造的传统技术手段，即通过向页岩气井内泵入高压水，以达到高压水通过射孔后直接压裂岩石的目的。但是，这种压裂技术的发展也受到水资源消耗量大、不利于干旱地区使用、易造成水锁效应、诱发地震、环境污染等诸多不利因素的制约。甚至，一些国家和地区出于资源与环境的考虑，已经严令禁止使用水力压裂开采页岩气。

[0005] 为满足页岩气开采中对储层性质以及地理环境等因素的高标准和严要求，同时解决开发效果较差的世界性难题，发展无水压裂技术开采页岩气的需求越来越紧迫，且受到世界各国的高度重视。

[0006] 其中，授权公告号为CN102747998B的中国专利，公开了一种页岩气增产方法及页岩气增产设备，该专利是利用向页岩层注热以提升页岩气的解析速率和流速，达到页岩气开采的效率，然而该专利所公开内容并不能保证热应力的造缝效果，且流程复杂，成本高昂；

[0007] 申请公布号为CN110159241A的中国专利申请，公开了一种微波辐照与水力压裂协同开采页岩气的装置，该装置是利用微波照射水力压裂后的页岩层，页岩层迅速升温产生的热应力使得之前水力压裂产生的水力裂缝进一步扩展，一定程度上提高了页岩气开采率。然而，该专利所公开的内容并没有解决依赖水力压裂所带来的生态环境等问题；

[0008] 授权公告号为CN105822275B的中国专利，公开了一种针对页岩的压裂造缝的技术和方法，该技术通过微波照射结合液氮分段压裂页岩气，以解决水力压裂过程中生产压差过小导致井眼附近液相挥发速度较慢造成水锁堵塞渗流通道的问题。然而，该技术并没有考虑页岩气的解析速率，且一次压裂无法根本保证不同储层环境的压裂效果，液氮制备及输送成本较大。

[0009] 因此，如何加快页岩气解析速率，确保压裂效果，并使成本低廉，是页岩气开采中亟需解决的问题。

发明内容

[0010] 本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种压裂效果更好、页岩气解析速率更快、成本更低的微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置及方法。

[0011] 本发明提供的这种微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置，安装于页岩气井内，包括微波照射组件、干冰压裂组件和页岩气收集组件，所述页岩气井包括竖直井筒和与该竖直井筒连通布置的水平井筒，在水平井筒的筒壁上开有射孔；所述微波照射组件包括依次连接的微波发生器、波导管和微波发射器，微波发射器置于水平井筒内并与射孔相对应布置，微波发生器通过波导管将微波传至微波发射器，微波发射器通过射孔对水平井筒外的页岩层进行微波照射；所述干冰压裂组件包括依次连接的干冰制备装置、高压输送泵、干冰输送管控制阀和干冰输送管，干冰制备装置和高压输送泵均置于页岩气井外，干冰输送管的末端穿过竖直井筒置于水平井筒内，干冰制备装置中制备的干冰经过高压输送泵及干冰输送管送入水平井筒中，通过射孔对页岩层进行压裂；所述页岩气收集组件包括依次连接的页岩气储存装置、抽气泵和抽气控制阀，抽气控制阀与干冰输送管的前端相连通布置。

[0012] 在水平井筒下方的竖直井筒内设有第一封隔器。

[0013] 在水平井筒末端设有第二封隔器。

[0014] 在干冰制备装置与高压输送泵之间设有用于添加支撑剂的补料口。

[0015] 为进一步降低传输损失，所述微波照射组件还包括置于竖直井筒内的微波转换器，微波发生器置于页岩气井外且其微波输出端通过电缆与微波转换器的微波输入端连接，微波转换器的微波输出端与波导管的微波输入端连接。

[0016] 所述干冰输送管包括主管和若干支管，主管贯穿竖直井筒置于水平井筒内，支管连接于与射孔相对应处的主管上。

[0017] 在页岩气井外还设有温度报警器，该温度报警器上的温度传感器伸入页岩气井内并置于主管末端。

[0018] 支管直径等于射孔直径且支管直径为主管直径的1/4至1/3。

[0019] 所述干冰为干冰流。

[0020] 本发明这种微波照射联合干冰压裂开采页岩气的方法，包括如下步骤：

[0021] S1、在地层中连通布置竖直井筒和水平井筒，且竖直井筒外侧为上覆岩层，水平井筒置于页岩层内，且在水平井筒的筒壁上开设射孔；

[0022] S2、在水平井筒内架设波导管，在波导管的输出端连接上与射孔对应布置的微波发射器，将微波发生器连接于波导管输入端；

[0023] S3、在页岩气井内设置干冰输送管，在页岩气井外设置依次连接的干冰制备装置、高压输送泵和干冰输送管控制阀，在页岩气井外设置依次连接的页岩气储存装置、抽气泵和抽气控制阀，干冰输送管控制阀的出口和抽气控制阀的进口均与干冰输送管的前端相连通布置；

[0024] S4、开启微波发生器，微波发射器激发微波通过射孔对页岩层进行照射加热；

[0025] S5、页岩层温度逐步升高，待水平井筒内的温度达到温度报警器所设置的上限温度时，关闭微波发生器；

[0026] S6、打开高压输送泵和干冰输送管控制阀，利用干冰输送管持续将干冰送入水平井筒，水平井筒内的干冰通过射孔压裂高温页岩层；

[0027] S7、当水平井筒内的温度低于温度报警器所设置的下限温度时，关闭高压输送泵和干冰输送管控制阀，再次开启微波发生器对已经压裂形成的裂缝网再次进行照射；

[0028] S8、当水平井筒内的温度加热至温度报警器所设置的上限温度的1/2时，关闭微波发生器，打开抽气泵和抽气控制阀，将页岩气收集汇入页岩气储存装置。

[0029] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0030] 1、页岩气被广泛吸附于页岩层中，页岩能够有效吸收微波，微波照射页岩层，一方面提高储层温度，促进吸附气转换为游离气，加快解析速率，另一方面微波照射产生的热应力也有益于破岩和帮助解析的页岩气流动。

[0031] 2、干冰注入，可使经微波照射后的高温页岩层因受到剧烈的冷冲击而形成复杂的裂缝网，干冰的汽化将进一步冲击冷冲击形成的裂缝网，极大地提升压裂效果；同时，由于CO2的吸附能力远大于CH4，汽化后的干冰能够有效的将吸附在岩石表面的CH4置换出来，迅速加快解析速率。

[0032] 3、干冰压裂能减少水资源的浪费和环境污染，降低了开采成本，提高了页岩气开采效益，能保证提升压裂效果的同时保证加快吸附页岩气的解析速率；同时，能够一定程度上促进地质封存CO2，缓解温室效应。

[0033] 本发明相对简单，技术可靠，作业方式灵活，可以根据不同储层特点，开展多次重复压裂的开发模式，在页岩气开采工程领域中有良好的应用前景和广泛的工程实际应用。

附图说明

[0034] 图1为本发明中微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置的结构示意图。

[0035] 图中示出的标记及所对应的构件名称为：

[0036] 1、竖直井筒；2、水平井筒；3、射孔；4、微波发生器；5、波导管；6、微波发射器；7、页岩层；8、干冰制备装置；9、高压输送泵；10、干冰输送管控制阀；11、页岩气储存装置；12、抽气泵；13、抽气控制阀；14、第一封隔器；15、第二封隔器；16、补料口；17、微波转换器；18、电缆；19、主管；20、支管；21、温度报警器；22、温度传感器。

具体实施方式

[0037] 从图1可以看出，本发明这种微波照射联合干冰压裂开采页岩气的装置，安装于页岩气井内，包括微波照射组件、干冰压裂组件和页岩气收集组件，其中，

[0038] 页岩气井包括竖直井筒1和水平井筒2，竖直井筒1竖直布置在上覆岩层中，竖直井筒1的顶部与地表相平齐布置、底部低于页岩层7布置，水平井筒2水平布置在竖直井筒1一侧的页岩层7中，水平井筒2前端与竖直井筒1垂直连通布置，在水平井筒2末端的筒壁上开有若干上下对称布置射孔3，在水平井筒2下方的竖直井筒1内密封连接有第一封隔器14，在水平井筒2末端密封连接有第二封隔器15；

[0039] 微波照射组件包括微波发生器4、微波转换器17、波导管5和微波发射器6，微波发生器4置于竖直井筒1一侧的地表上，微波转换器17置于竖直井筒1内的第一封隔器14上，微波发生器4的微波输出端通过电缆18与微波转换器17的微波输入端连接，微波发射器6水平布置在与射孔3相对应处的水平井筒2内，波导管5的微波输入端与微波转换器17的微波输出端连接，波导管5的微波输出端折弯伸入水平井筒2内与微波发射器6的微波输入端连接，微波发生器4通过微波转换器17和波导管5将微波传至微波发射器6，微波发射器6通过射孔3对水平井筒2外的页岩层7进行微波照射；

[0040] 干冰压裂组件包括干冰制备装置8、高压输送泵9、干冰输送管控制阀10和干冰输送管，干冰输送管包括主管19和若干支管20，干冰制备装置8和高压输送泵9均置于竖直井筒1一侧的地表上，干冰制备装置8的出口通过管道与高压输送泵9的进口相连通，高压输送泵9的出口通过管道与干冰输送管控制阀10的进口相连通，干冰输送管控制阀10的出口与主管19的前端相连通，主管19的末端穿过竖直井筒1置于水平井筒2内，支管20一对一的连接于与射孔3相对应处的主管19上，干冰制备装置8中制备的干冰经过高压输送泵9及干冰输送管送入水平井筒2后，通过射孔3对页岩层7进行压裂；

[0041] 页岩气收集组件包括页岩气储存装置11、抽气泵12和抽气控制阀13，页岩气储存装置11和抽气泵12均置于竖直井筒1另一侧的地表上，页岩气储存装置11的进口通过管道与抽气泵12的出口相连通，抽气泵12的进口通过管道与抽气控制阀13的出口相连通，抽气控制阀13的进口与主管19的前端相连通。

[0042] 从图1可以看出，在干冰制备装置8与高压输送泵9之间的管道上设有用于添加支撑剂的补料口16。

[0043] 从图1可以看出，在页岩气井外还设有温度报警器21，该温度报警器21上的温度传感器22伸入页岩气井内并置于主管19末端，用于记录数据并反馈于微波发生器4和高压输送泵9。

[0044] 在本发明中，主管19和支管20通过密封胶胶结实现连接，主管19和支管20均采用高低温绝热不锈钢材质制成，支管20的直径等于射孔3的直径且支管20直径为主管19直径的1/4至1/3。

[0045] 在本发明中，干冰为干冰流。

[0046] 本发明这种微波照射联合干冰压裂开采页岩气的方法，包括如下步骤：

[0047] S1、根据页岩气开采的压裂位置，在页岩层7的上覆岩层中构筑竖直井筒1，在页岩层7中构筑与竖直井筒1相垂直连通布置的水平井筒2，在水平井筒2末端的筒壁上开设射孔3；

[0048] S2、在与射孔3对应处的水平井筒2内架设微波发射器6，在竖直井筒1内放置微波转换器17，在微波转换器17的微波输出端与微波发射器6的微波输入端间连接波导管5，在竖直井筒1一侧的地表上放置微波发生器4，通过电缆18将微波发生器4的微波输出端与微波转换器17的微波输入端进行连接；

[0049] S3、在页岩气井内设置干冰输送管，在竖直井筒1外部一侧的地表上设置依次连接的干冰制备装置8、高压输送泵9和干冰输送管控制阀10，在竖直井筒1外部另一侧的地表上设置依次连接的页岩气储存装置11、抽气泵12和抽气控制阀13，干冰输送管控制阀10的出口和抽气控制阀13的进口均与干冰输送管的前端相连通布置；

[0050] S4、开启微波发生器4，微波发射器6激发微波通过射孔3对页岩层7进行微波照射加热，由于页岩能够吸收微波，微波照射一定时间页岩层7迅速升温，从而加快页岩气的解析速度，提高页岩层7的温度和页岩气解析速率；

[0051] S5、页岩层7温度逐步升高，产生热应力使得页岩产生热损伤，待水平井筒2内的温度达到温度报警器21所设置的上限温度时，关闭微波发生器4；

[0052] S6、打开高压输送泵9和干冰输送管控制阀10，通过补料口16加入支撑剂，与干冰混合形成干冰流压裂液，利用干冰输送管持续将干冰流压裂液送入水平井筒2中，水平井筒2内的干冰流压裂液通过射孔3压裂正处于高温的页岩层7，页岩层17因遭受剧大的温度梯度差而产生冷冲击，致裂页岩层7，形成复杂的裂缝网，干冰则迅速汽化，体积剧烈膨胀，将已形成的裂缝网进行再次扩展；同时，由于CO2的吸附能力远大于CH4，汽化后的干冰能够有效的将吸附在岩石表面的CH4置换出来，迅速加快解析速率；

[0053] S7、当水平井筒2内的温度低于温度报警器21所设置的下限温度，关闭高压输送泵9和干冰输送管控制阀10，再次开启微波发生器4对已经压裂形成的裂缝网再次进行照射，通过产生热应力将干冰压裂产生的裂缝进一步扩展并促使页岩气进一步解析；

[0054] S8、当水平井筒2内的温度加热至温度报警器21所设置的上限温度的1/2时，关闭微波发生器4，打开抽气泵12和抽气控制阀13，抽取经多次和充分压裂后产生的页岩气，将页岩气收集汇入页岩气储存装置11中。

[0055] 在本发明的使用过程中，考虑到干冰压裂的原理可能会导致抽采过程中混杂有CO2，因此在投入使用前应进行除杂处理。

[0056] 本发明简单可靠、技术成熟、经济成本低，既能大大提高干冰压裂下温度应力致裂页岩层的压裂效果，又能强化页岩气解析速率，提高开采的效果，避免水资源消耗量大、诱发地震和环境污染等传统水力压裂技术所带来的突出难题；且可经设置温度报警器参数实现多次压裂的开发模式，扩大了微波照射和干冰的工程应用领域。

[0057] 在本发明的使用过程中，还可根据所压裂水平井筒2所处的储层地质环境，合理的调节温度报警器的预设值，适时开展照射‑压裂的重复压裂，灵活运用。

[0058] 标准大气压下、‑78.5℃存在的固态CO2被称为干冰，其储冷能力是冰的2倍。干冰吸收热量后升华成CO2气体，无任何残留、无毒性、无异味，同时，其体积会迅速膨胀约600‑800倍；因此若处在有限空间内，转化成的气态CO2会对有限空间产生超高压，且有可能产生剧烈的爆炸冲击。当CO2的温度、压力达到31.1℃和7.4MPa时，其处于超临界状态。超临界二氧化碳兼有气体和液体双重性质：密度大，通常是气体的几百倍，近于液体；粘度低，比液体粘度要小两个数量级，扩散系数高，约为液体的10‑100倍。

[0059] 因此，将干冰注入页岩储层可以形成一定的温度差，冷冲击所产生的温度应力可以致裂页岩层，形成复杂的裂隙网络，从而提高页岩气的产量。气化后的CO2具有高扩散性、低粘性和低表面张力，比水更容易渗透到岩石的微裂纹和孔隙之中，且产生同等的破裂程度，所需的气体压力要比水压更小。同时，CO2具有较强的吸附能力，其吸附能力是CH4的4‑20倍，CO2的注入能够有效的将吸附在岩石表面的CH4置换出来。

[0060] 将干冰注入页岩层，利用冷冲击产生应力致裂储层可以有效防止储层受损和水资源浪费，一定程度上解决水力压裂造成的环境问题，且使用区域不受限制；同时，也可地质封存CO2，缓解温室效应。然而，这种压裂方式在不同温度压力条件下所产生的温度应力异巨大，而我国目前商业化成功开采的储层又多为浅层，温度在100℃以下，干冰注入页岩层的瞬时温度差有限，因此简单的干冰压裂或许并不能保证压裂造缝效果。为此，将微波照射配合干冰压裂形成新的页岩气高效增产技术，统筹了干冰压裂造缝、CO2置换吸附页岩气、微波照射加热储层、高温加快页岩气解析，且可以很好地配合形成多次压裂；本发明既能保证加快页岩气解析速率，又能保证压裂效果，且系统工艺简单，干冰制备及输送成本低廉，能最大限度地提高目标储层的页岩气开采效果，对页岩气开发具有重要现实意义。