FeCl3在页岩气开采中的应用及水力压裂液和提高页岩气采收率的方法与流程

fecl3在页岩气开采中的应用及水力压裂液和提高页岩气采收率的方法
技术领域
1.本发明属于非常规天然气开采技术领域，更具体地，涉及fecl3在页岩气开采中的应用，一种用于页岩气开采的水力压裂液以及一种提高页岩气采收率的方法。


背景技术：

2.页岩气(主要组分为ch4)属于新兴非常规天然气资源。推广使用页岩气对于优化全球能源消费结构和保护生态环境具有重要意义。因此，研发清洁、高效的页岩气开采技术具有重要意义。大量研究表明页岩气在页岩储层中的主要存在形式包括：孔隙和裂缝中的自由压缩气体；有机质和无机矿物表面的吸附气体；沥青质、干酪根、液态烃和残留水中的溶解气体。其中，以吸附态形式赋存于有机质颗粒、粘土矿物颗粒以及孔隙表面的吸附气体占总体积的20％-85％。
3.截至目前，页岩气开采技术主要包括水平井技术和多层压裂技术、清水压裂技术、页岩气开发重复压裂技术及最新的同步压裂技术。大量研究证实支撑剂的选择是水力压裂技术是否成功实施的关键因素之一。支撑剂性能的优劣及成本的高低直接影响水力压裂技术的有效实施。实践证明：支撑剂伴随压裂液进入含气页岩储层并填充于水力压裂形成的新鲜裂缝中，以避免裂缝受应力释放而重新闭合，进而提高页岩气采收率，延长页岩气井服务年限。使用支撑剂压裂的页岩气井的页岩气产量可提高30％-50％。成本核算数据显示：水力压裂总成本中，支撑剂约占25％。因此，研制低成本支撑剂对于降低页岩气开采成本具有重要现实意义。
4.现有水力压裂支撑剂主要为石英砂和陶瓷颗粒。对于陶瓷颗粒支撑剂，其以生铝矾土或轻烧铝矾土为主要原料，并添加部分稀土精矿制成。cn101691486a公开了一种超高强度的陶粒支撑剂及其制造方法，但其密度达到3.50g/cm3，必须使用压裂液进行压注和导出，且所用的压裂液会引发较严重的环境污染问题，对工艺及设备要求高，施工难度大。cn107151554a提出一种应用于清水压裂的超轻陶粒支撑剂及其制备方法。使用该方法虽然可以减少压裂液对生态环境的污染，但支撑剂制备温度条件高达1500℃，增加了支撑剂的制备能耗。此外，上述两种支撑剂的制备原料价格较昂贵，且储量已近枯竭，不易购得，无法批量生产。ru2235703c1公开了一种镁硅酸盐陶粒支撑剂的生产方法。虽然制备该支撑剂的原料廉价易得，但是部分镁硅酸盐在页岩储层条件下会发生水合反应，并减弱了支撑剂颗粒的机械耐久性。
5.由于现有支撑剂存在的上述不足，以及由于页岩气存在埋藏深度深、孔隙率低和渗透率低的问题，导致页岩气开采成本较大。因此，亟需研发新的水力压裂支撑剂，以弥补现有页岩气开采技术的缺陷。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术的不足，提出fecl3在页岩气开采中的应用，一种用
于页岩气开采的水力压裂液以及一种提高页岩气采收率的方法。所述提高页岩气采收率的方法能够清洁、高效、廉价地开采页岩气。
7.为了实现上述目的，本发明的第一方面提供了fecl3在页岩气开采中的应用。
8.本发明的第二方面提供了一种用于页岩气开采的水力压裂液。
9.本发明的第三方面提供了一种提高页岩气采收率的方法，将所述的水力压裂液注入页岩储层，通过水力压裂法开采页岩气。
10.本发明的技术方案具有如下有益效果：
11.(1)本发明中通过将fecl3与水力压裂液混合，可显著地降低水力压裂注入泵的轴功率，并提高水力压裂注入泵的输送效率。
12.(2)本发明充分利用fecl3在含气页岩储层条件下易于发生水解反应的特点，利用水解产物之一的hcl与页岩中部分无机矿物质发生反应，溶蚀部分无机矿物并提高页岩孔隙率和储层渗透率，进而提高页岩气的解吸、扩散和流动能力。
13.(3)本发明利用另一水解产物fe(oh)3的分解产物fe2o3作为支撑剂，以替代现今水力压裂开采页岩气技术普遍采用的昂贵的陶粒支撑剂。fe2o3作为支撑剂，一方面，可以弥补现有商业支撑剂易发生水合作用，从而降低支撑剂机械耐久性的缺陷；另一方面，减少了商业支撑剂的使用成本，有利于显著降低水力压裂开采页岩气的总成本。
14.(4)本发明提出的提高页岩气采收率的方法，对于清洁、高效、廉价地开采页岩气，减少制备商业化陶粒支撑剂原料(如铝矾土)的消耗量均具有重要现实意义。
15.本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
16.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
17.图1示出了根据本发明的实施例提出的一种提高页岩气采收率的方法的模拟运行装置的示意图。
18.图2示出了根据本发明的实施例的提出的fecl3在页岩气开采中的应用以及一种提高页岩气采收率的方法的原理示意图。
19.附图标记说明：
20.1-甲烷气瓶、2-第一增压泵、3-真空泵、4-第二增压泵、5-恒温装置、6-耐压容器、7-排水集气装置、8-第一阀门、9-第二阀门、10-第三阀门、11-第四阀门、12-第五阀门、13-第六阀门、14-装有水力压裂液的装置、15-fecl3加料口。
具体实施方式
21.下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
22.本发明的发明人经过研究发现，利用fecl3良好的水溶性，将其溶于水力压裂液
中，并伴随水力压裂液充分进入所述高温页岩储层内部。由于所述高温页岩储层的温度较高，fecl3极易发生水解反应，形成hcl和fe(oh)3。一方面，水解产物hcl与页岩中无机矿物(钾长石、斜长石、菱铁矿、方解石、白云石、高岭石、伊利石和蒙脱石)反应，提高页岩基质孔隙率及页岩储层渗透率，进而强化ch4的解吸、扩散和流动。另一方面，水解产物fe(oh)3易于70-95℃条件下发生分解，并生成fe2o3。fe2o3硬度较高(莫氏硬度范围：5.5-6.5)，可以作为支撑剂，支撑水力压裂形成的新鲜裂缝，以促进ch4的解吸、扩散和流动。上述两方面协同作用，并最终提高页岩气采收率。
23.水解产物hcl与页岩中无机矿物(钾长石、斜长石、菱铁矿、方解石、白云石、高岭石、伊利石和蒙脱石)反应的化学方程式如下：
24.与钾长石反应：kalsi3o8 4hcl h2o＝kcl alcl3 3h2sio325.与斜长石反应：naalsi3o8 4hcl h2o＝nacl alcl3 3h2sio326.caal2si2o8 8hcl＝cacl2 2alcl3 2h2sio3 2h2o
27.与菱铁矿反应：2feco3 4hcl＝2fecl2 2co2 2h2o
28.与方解石反应：caco3 2hcl＝cacl2 co2 h2o
29.与白云石反应：camg(co3)2 4hcl＝mgcl2 cacl2 2co2 2h2o
30.与高岭石反应：al2si2o5(oh)4 14hcl＝2alcl3 2sicl4 9h2o
31.与伊利石反应：
32.k3fe4si
14
al7o
40
(oh)8 88hcl＝3kcl 4fecl2 14sicl4 7alcl3 48h2o
33.与蒙脱石反应：
34.si6al4mgfe3na4o
20
(oh)8 48hcl＝6sicl4 4alcl3 mgcl2 4nacl 3fecl2 28h2o。
35.基于上述发现，本发明的第一方面提供了fecl3在页岩气开采中的应用。
36.具体地，fecl3作为压裂液组分。优选地，fecl3在压裂液中的含量为10％-35％。
37.本发明的含有fecl3的压裂液特别适用于开采来自高温页岩储层的页岩气，因此，根据本发明一种优选实施方式，所述页岩气来自高温页岩储层。
38.所述高温页岩储层的含义为本领域技术人员公知，通常指温度为70-95℃的高温页岩储层，因此，优选地，所述高温页岩储层的温度为70-95℃。
39.根据本发明，优选地，所述高温页岩储层为暗色泥页岩储层、黑色泥页岩储层或高碳泥页岩储层。
40.本发明的第二方面提供了一种用于页岩气开采的水力压裂液。
41.根据本发明，优选地，所述fecl3在水力压裂液中的质量分数为10％-35％。在此含量范围内的水力压裂液具有更好的压裂效果。
42.本发明的第三方面提供了一种提高页岩气采收率的方法，将所述的水力压裂液注入页岩储层，通过水力压裂法开采页岩气。
43.根据本发明，水力压裂的工艺条件可采用本领域常规条件，优选地，所述水力压裂的操作压力范围为25-50mpa。
44.实施例1
45.本实施例用于说明fecl3作为压裂液组分在页岩气开采中的作用，通过如图1所示的模拟运行系统模拟开采过程。
46.所述模拟系统包括甲烷气瓶1、第一增压泵2、真空泵3、第二增压泵4、恒温装置5、
耐压容器6、排水集气装置7；其中，
47.所述耐压容器6设置于所述恒温装置5内；
48.所述甲烷气瓶1、所述第一增压泵2、第一阀门8依次连接；所述真空泵3与第二阀门9连接；所述第一阀门8和第二阀门9均通过第三阀门10与所述耐压容器6连接；
49.所述第二增压泵4的一端与装有水力压裂液的装置14连接，所述第二增压泵4的另一端依次通过第四阀门11、第五阀门12与所述耐压容器6连接；所述第四阀门11与第五阀门12之间设有fecl3加料口15；
50.所述耐压容器6通过第三阀门10、第六阀门13与所述排水集气装置7连接。
51.采用该模拟运行系统的模拟运行方法包括如下步骤：
52.(1)从所述含气页岩储层中取出一块柱状样品；
53.(2)关闭所有阀门，将所述柱状样品放入所述恒温为95℃的耐压容器6内；
54.(3)打开所述第二阀门9和第三阀门10，利用所述真空泵3对所述耐压容器6抽真空，使所述耐压容器6内的绝对压力达到6pa以下；
55.(4)关闭第二阀门9，打开第一阀门8，对经过步骤(3)处理的耐压容器6充入30mpa的甲烷气体，使所述柱状样品吸附甲烷，并达到吸附平衡；
56.(5)关闭第一阀门8，打开第四阀门11和第五阀门12，将所述fecl3与所述水力压裂液混合并进入步骤(4)中的耐压容器6，通过水力压裂法对经过步骤(4)处理的柱状样品进行水力压裂处理；所述fecl3在水力压裂液中的质量分数为35％。所述水力压裂的操作压力范围为50mpa。
57.(6)关闭第四阀门11和第五阀门12，打开第六阀门13，利用排水集气法测定经过步骤(5)处理的柱状样品的甲烷气体总解吸量。
58.上述实施例表明：以高碳泥页岩为样品，充分利用fecl3易于水解的化学特性：一方面，水解产物hcl与页岩中无机矿物反应(即矿物溶蚀)，提高页岩基质孔隙率及页岩储层渗透率，进而强化ch4从高碳泥页岩中解吸、扩散和流动。另一方面，水解产物fe(oh)3易于95℃条件下发生分解，并生成fe2o3。fe2o3硬度较高，可以作为支撑剂，支撑水力压裂形成的新鲜裂缝，以促进ch4的解吸、扩散和流动。上述两方面将显著提高高碳泥页岩储层中页岩气的采收率。最终获得的采收率为70％。
59.对比例1
60.采用实施例1的模拟运行系统和模拟运行方法，不同之处仅在于，采用商业陶粒作为压裂液的支撑剂。支撑剂粒度为20-60目，水力压裂压力为50mpa，携砂比为40％。
61.将本发明的结果与采用商业陶粒作为支撑剂的水力压裂法获得的页岩气解吸量进行对比，结果表明：相比采用商业陶粒为支撑剂的水力压裂法的甲烷解吸量，利用本发明的水力压裂液的甲烷解吸量提高了24％。证实了本发明技术方案的可行性。
62.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。