一种基于页岩气层压裂改造效果的氧化液用量确定方法

1.本发明涉及石油与天然气增产改造技术领域，涉及一种基于页岩气层压裂改造效果的氧化液用量确定方法。


背景技术：

2.页岩气是一种非常规天然气，资源量巨大，开采前景广阔，但页岩储层致密，渗透率低，基块渗透率主要介于纳达西至微达西，非均质性强，页岩气体渗流阻力巨大，导致页岩气体传输能力极低，而页岩气开采现有水平井分段水力压裂技术存在严重问题，页岩气层采收率低，气井产量递减快，成本高且经济效益低，因此页岩气开采亟需有效的增产改造技术。
3.为解决上述问题，中国专利cn 105484717 b提出了一种提高富有机质页岩基块渗透率的方法，主要通过在页岩气层注入液中添加氧化液氧化溶蚀页岩储层中的有机质与黄铁矿，并酸溶碳酸盐矿物，形成溶蚀孔隙，提高了页岩基块渗透率，与水力压裂协同发挥增产效能。但是该专利中并没有明确氧化液用量，使之难以真正实现工程应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：在现有水力压裂的基础上，在压裂液前置液中添加氧化液，氧化溶蚀页岩储层中的干酪根、黄铁矿、绿泥石，产生酸进一步溶解碳酸盐矿物如方解石与白云石，产生溶蚀孔缝，在设定扩大页岩气层压裂效果的基础上计算水平井分段压裂每段所需氧化液的用量，在工程实际应用中压裂液前置液以滑溜水-氧化液-滑溜水的顺序段塞式泵入，从而实现快速、低成本、无损害的增产改造效果。
5.为了实现上述目的，本发明的目的由以下技术措施实现：
6.一种基于页岩气层压裂改造效果的氧化液用量确定方法，包括：
7.(1)根据邻井数据及地质情况数值模拟结果，获取在水力压裂改造作用下页岩气层产生的裂缝总体积；
8.(2)根据水力压裂主裂缝与诱导裂缝之间的体积占比计算出诱导裂缝体积；
9.(3)设定页岩气层氧化改造效果，结合诱导裂缝体积计算得出每段页岩气层氧化改造产生次生裂缝体积，即每段氧化液作用消耗页岩气层的体积；
10.(4)通过实验获得氧化液作用下页岩中方解石、黄铁矿、白云石、绿泥石、干酪根的体积贡献率，结合氧化液作用消耗页岩气层的总体积计算得出五种矿物组分分别消耗的体积，即达到设定的氧化改造效果五种矿物组分分别需要提供的溶蚀体积，进而转化成五种矿物组分的物质的量；
11.(5)根据黄铁矿、方解石、白云石与氧化液作用的化学反应方程式，以及干酪根与绿泥石与氧化液作用的化学反应机制，利用化学计量数配比计算出五种矿物组分需要消耗的氧化液的物质的量，进而得到需要消耗的氧化液体积。
12.其中，所述水力压裂改造作用下页岩气层产生的裂缝总体积主要通过邻井数据及
地质情况进行数值模拟，预测单井裂缝体积，制定方案。
13.所述氧化液作用下页岩气层中方解石、黄铁矿、白云石、绿泥石、干酪根的体积贡献率由室内实验获得，步骤如下：
14.(1)现场取页岩岩样并干燥，粉碎并筛分，并取页岩粉样品将其中方解石、黄铁矿、白云石、绿泥石、干酪根的质量分别称重；
15.(2)将页岩粉样品与过量过氧化氢溶液在聚丙烯离心管中充分混合；
16.(3)离心管在储层温度下恒温水浴中摇动一定时间；
17.(4)反应后离心试管，分离上清液与残留物，通过微孔膜过滤后的上清液用于水化学分析；
18.(5)用去离子水清洗残留物，并反复离心，以去除溶解盐，然后将其在储层温度下干燥，收集并称重，得到溶解组分方解石、黄铁矿、干酪根、白云石和绿泥石的质量减少量分别为m1、m2、m3、m4、m5。
19.(6)根据下式计算方解石、黄铁矿、干酪根、白云石和绿泥石的体积贡献率：
[0020][0021][0022]
式中，v4为室内实验中氧化改造页岩产生的溶蚀孔体积，cm3；a为氧化改造方解石体积贡献率，％；b为氧化改造黄铁矿体积贡献率，％；c为氧化改造干酪根体积贡献率，％；d为氧化改造白云石体积贡献率，％；e为氧化改造绿泥石体积贡献率，％；ρ
方解石
为方解石密度；ρ
黄铁矿
为黄铁矿密度；ρ
干酪根
为干酪根密度；ρ
白云石
为白云石密度；ρ
绿泥石
为绿泥石密度。
[0023]
所述黄铁矿、方解石、白云石与氧化液作用的化学反应方程式如下：
[0024][0025]
caco3 2h

→
ca
2
co2 h2o
[0026]
camg(co3)2 4h

→
ca
2
mg
2
2co2 2h2o
[0027]
所述干酪根与氧化液作用的化学反应机制以c-o与c＝o化学键的断裂为主，绿泥石与氧化液反应作用的化学反应机制以fe
2
氧化成fe
3
为主，而绿泥石中的fe
2
以feo的形式存在。
[0028]
作为优选的技术方案，所述氧化液中氧化剂为主要反应消耗物，为过氧化氢；并配以降阻剂、助排剂与粘土稳定剂；在水力压裂过程中，氧化液置于前置液中。
[0029]
作为优选的技术方案，根据下式计算水力压裂诱导裂缝体积与每段氧化液作用消耗页岩气层的体积：
[0030]v2
＝xv1[0031]
式中，v1为水力压裂诱导裂缝体积，m3；vc为水力压裂改造作用下页岩气层产生的裂缝总体积，m3；v2为氧化液作用消耗页岩气层的总体积，m3；x为设定的页岩气层氧化改造效果；v3为水平井分段压裂每段氧化液作用消耗页岩气层的体积，m3；y为水平井分段压裂段数；z为水力压裂主裂缝与诱导裂缝之间的体积占比。
[0032]
作为优选的技术方案，根据下式计算达到设定的氧化改造效果五种矿物组分分别需要提供的溶蚀体积与相应的物质的量：
[0033]v方解石
＝av3[0034]v黄铁矿
＝bv3[0035]v干酪根
＝cv3[0036]v白云石
＝dv3[0037]v绿泥石
＝ev3[0038]
式中，v
方解石
为氧化作用下方解石提供的溶蚀体积，m3；n
方解石
为氧化作用下方解石消耗的物质的量，mol；m
方解石
为方解石的摩尔质量；v
黄铁矿
为氧化作用下黄铁矿提供的溶蚀体积，m3；n
黄铁矿
为氧化作用下黄铁矿消耗的物质的量，mol；m
黄铁矿
为黄铁矿的摩尔质量；v
干酪根
为氧化作用下干酪根提供的溶蚀体积，m3；n
干酪根
为氧化作用下干酪根消耗的物质的量，mol；m
干酪根
为干酪根的摩尔质量；v
白云石
为氧化作用下白云石提供的溶蚀体积，m3；n
白云石
为氧化作用下白云石消耗的物质的量，mol；m
白云石
为白云石的摩尔质量；v
绿泥石
为氧化作用下绿泥石提供的溶蚀体积，m3；n
绿泥石
为氧化作用下绿泥石消耗的物质的量，mol；m
绿泥石
为绿泥石的摩尔质量。
[0039]
作为优选的技术方案，根据下式计算五种矿物需要消耗的氧化液的物质的量与体积：
[0040]
n(h

)1＝361.1n
绿泥石
n
黄铁矿
n
干酪根
[0041]
n(h

)2＝2n
方解石
4n
白云石
[0042][0043][0044]
式中，n(h

)1为过氧化氢与绿泥石、黄铁矿与干酪根反应产生h

的物质的量，mol；n(h

)2为消耗方解石与白云石需要h

的物质的量，mol；为产生相应氧化改造体积需要消耗过氧化氢的物质的量，mol；为过氧化氢的密度；为过氧化氢的摩尔质量。
[0045]
有益效果在于：
[0046]
(1)通过理论推导计算氧化液用量，方法简单，计算快捷，准确度高；
[0047]
(2)结合氧化改造扩大压裂效果，根据现场情况随时调整氧化液用量，计算投入产出比，有效提高页岩气井的经济效益；
[0048]
(3)氧化改造页岩气层可以有效减少方解石、白云石、绿泥石与黄铁矿等固相的量，并通过本方法可以实现具体计算，有效评价氧化改造页岩气层的效果。
附图说明
[0049]
图1是本发明一种基于页岩气层压裂改造效果的氧化液用量确定方法的流程图。
具体实施方式
[0050]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
[0051]
本发明实施例，以四川地区龙马溪组某深层页岩气井为例，计算基于页岩气层压裂改造效果的氧化液用量。
[0052]
(1)每段氧化改造产生次生裂缝体积
[0053]v2
＝xv1[0054]
式中，v1为水力压裂诱导裂缝体积，m3；vc为水力压裂改造作用下页岩气层产生的裂缝总体积，m3；v2为氧化液作用消耗页岩气层的总体积，m3；x为设定的页岩气层氧化改造效果；v3为水平井分段压裂每段氧化液作用消耗页岩气层的体积，m3；y为水平井分段压裂段数；z为水力压裂主裂缝与诱导裂缝之间的体积占比。
[0055]
水力压裂改造作用下页岩气层产生的裂缝总体积为454m3，水力压裂诱导裂缝体积为227m3，设定的页岩气层氧化改造效果为30％，水平井分段压裂段数为9段，水力压裂主裂缝与诱导裂缝之间的体积占比为1:1；每段氧化改造产生次生裂缝体积为25.22m3。
[0056]
(2)氧化液作用下五种矿物的体积贡献率
[0057]
1)现场取页岩岩样并干燥，粉碎并筛分至粒径小于75μm，并取1g页岩粉样品将其中方解石、黄铁矿、白云石、绿泥石、干酪根的质量分别称重；
[0058]
2)将1g页岩粉样品与20ml过氧化氢溶液在50ml聚丙烯离心管中充分混合；
[0059]
3)过氧化氢浓度取1mol/l，离心管在65℃恒温水浴中摇动48小时；
[0060]
4)反应后以4000rpm离心试管2min，分离上清液与残留物，通过微孔膜过滤后的上清液用于水化学分析；
[0061]
5)用去离子水清洗残留物，以4000rpm离心2分钟，反复进行3次，以去除溶解盐，然后将其在65℃下干燥36小时，收集并称重，得到溶解组分方解石、黄铁矿、干酪根、白云石和绿泥石的质量减少量分别为m1、m2、m3、m4、m5。
[0062]
6)根据下式计算方解石、黄铁矿、干酪根、白云石和绿泥石的体积贡献率：
[0063][0064][0065]
式中，v4为氧化改造1g页岩产生的溶蚀孔体积，cm3；a为氧化改造方解石体积贡献率，％；b为氧化改造黄铁矿体积贡献率，％；c为氧化改造干酪根体积贡献率，％；d为氧化改造白云石体积贡献率，％；e为氧化改造绿泥石体积贡献率，％；ρ
方解石
为方解石密度，取2.7g/cm3；ρ
黄铁矿
为黄铁矿密度，取4.9g/cm3；ρ
干酪根
为干酪根密度，取1.5g/cm3；ρ
白云石
为白云石密度，取2.85g/cm3；ρ
绿泥石
为绿泥石密度，取3.6g/cm3。
[0066]
氧化改造方解石体积贡献率为62.84％，氧化改造黄铁矿体积贡献率为13.44％，氧化改造干酪根体积贡献率为12.87％，氧化改造白云石体积贡献率为5.18％，氧化改造绿泥石体积贡献率为5.67％。
[0067]
(3)五种矿物组分分别需要提供的物质的量
[0068]v方解石
＝av3[0069]v黄铁矿
＝bv3[0070]v干酪根
＝cv3[0071]v白云石
＝dv3[0072]v绿泥石
＝ev3[0073]
式中，v
方解石
为氧化作用下方解石提供的溶蚀体积，m3；n
方解石
为氧化作用下方解石消耗的物质的量，mol；m
方解石
为方解石的摩尔质量，取100g/mol；v
黄铁矿
为氧化作用下黄铁矿提供的溶蚀体积，m3；n
黄铁矿
为氧化作用下黄铁矿消耗的物质的量，mol；m
黄铁矿
为黄铁矿的摩尔质量，取120g/mol；v
干酪根
为氧化作用下干酪根提供的溶蚀体积，m3；n
干酪根
为氧化作用下干酪根消耗的物质的量，mol；m
干酪根
为干酪根的摩尔质量，取30g/mol；v
白云石
为氧化作用下白云石提供的溶蚀体积，m3；n
白云石
为氧化作用下白云石消耗的物质的量，mol；m
白云石
为白云石的摩尔质量，取184.4g/mol；v
绿泥石
为氧化作用下绿泥石提供的溶蚀体积，m3；n
绿泥石
为氧化作用下绿泥石消耗的物质的量，mol；m
绿泥石
为绿泥石的摩尔质量，取72g/mol。
[0074]
氧化作用下方解石提供的溶蚀体积为15.848m3；氧化作用下黄铁矿提供的溶蚀体积为3.39m3；氧化作用下干酪根提供的溶蚀体积3.246m3；氧化作用下白云石提供的溶蚀体积为1.3064m3；氧化作用下绿泥石提供的溶蚀体积为1.43m3。
[0075]
(4)氧化液用量
[0076]
n(h

)1＝361.1n
绿泥石
n
黄铁矿
n
干酪根
[0077]
n(h

)2＝2n
方解石
4n
白云石
[0078][0079][0080]
式中，n(h

)1为过氧化氢与绿泥石、黄铁矿与干酪根反应产生h

的物质的量，mol；n(h

)2为消耗方解石与白云石需要h

的物质的量，mol；为产生相应氧化改造体积需要消耗过氧化氢的物质的量，mol；为过氧化氢的密度，取1.463g/cm3；为过氧化氢的摩尔质量，取34g/mol。
[0081]
过氧化氢与绿泥石、黄铁矿与干酪根反应产生h

的物质的量为7787662.5mol，消耗方解石与白云石需要h

的物质的量为281946.6mol；可以得出：一般而言过氧化氢与绿泥
石、黄铁矿与干酪根反应产生h

的物质的量远远大于消耗方解石与白云石需要h 的物质的量，因此不考虑产生h 的物质的量不足的情况；消耗黄铁矿所需过氧化氢体积为7.237933m3，消耗干酪根所需过氧化氢体积为2.2632m3，消耗绿泥石所需过氧化氢体积为0.24927m3。
[0082]
该页岩气井分段水力压裂中每段前置液用量为100m3，计算结果得其中需加入9.75m3的过氧化氢，即在现场应用中配制成由9.75％浓度的过氧化氢、0.05％的降阻剂、0.05％的助排剂与1％的粘土稳定剂组成的氧化液以氧化液-滑溜水的顺序泵入，可以达到扩大压裂效果30％。
[0083]
并且在实际应用中每方30％过氧化氢价格在700元左右，结合上述计算每段压裂需要30％过氧化氢32.5m3，计算得每段压裂增加氧化液成本在2.5万元左右，单井成本增加22.5万元。
[0084]
该地区页岩气井平均日产量10000m3，根据邻井数据及地质情况数值模拟结果扩大压裂效果30％情况下增产效果在25％左右，及日增产2500m3，结合页岩气补贴标准0.2元/m3，日增收500元，450天内回本。
[0085]
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，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。