CN1016001B - 加热油页岩的采油方法 - Google Patents

Abstract

应用本发明可不断从地下油页岩处理层段内采出页岩油，其中的处理层段最初基本上是不可渗透的，且具有特定的油页岩品位和厚度。所说处理层段是从井眼内部进行传导加热的，井眼内部温度高于约600℃，且其加热速度可使油页岩内形成的干酪根热解产物压开并流过水平裂缝，并继而使水平裂缝扩展进入处于特定位置的产液井。

Description

本发明涉及利用传导加热驱动工艺从地下油页岩中开采石油的方法。更具体地讲，本发明涉及利用传导加热的方法处理相当厚且基本上完全不渗透的地下油页岩的方法，其中的传导加热既能在油页岩所选定的层段造成一个渗透带又能随后开采油页岩油烃。

在瑞典，F.Ljungstroem发明了从地下油页岩中采油的助渗透性传导加热驱动工艺。四十年前发明的这一方法在五十年代小规模地在工业上使用过。该方法在下列文献中进行过说明：瑞典专利号121，737，123，136，123，137，123，138，125，712和126，674;美国专利号2，732，195以及杂志上的文章，如：“地下页岩油用Ljujngstroem法热解”，IVA卷24（1953）第3期，第118至123页，和“就地电介加热油页岩的净能回收”，油页岩讨论会论文集11，第311到330页（1978）。上述瑞典工艺方法是在近地表的渗透性油页岩地层中完成注热井和产液井，使井眼之间的间距小于3米。注热井装有电加热或其它类型的加热元件，在这些元件的周围有大量的物质，如砂或水泥，其安置的方式可将传给油页岩，同时又能防止流体的流入或流出。设计和试验瑞典工艺方法的油页岩，其渗透性能已达到了这样的程度，即由于地下水的不断流入，必须连续不断地抽水，以避免蒸发该地下水所带来的能耗。

就基本上完全不渗透，相当深且相当厚的油页岩沉积层而言，如美国Piceance盆地的油页岩沉积层，以前人们认为，根据先前的说法和认识，利用传导加热工艺采油的可能性，从经济角度考虑是无法实现的。例如，在上述油页岩讨论会上，Ljungst.roem方法的特征表述如下：该方法“……将管状电加热元件嵌入高品位油页岩沉积层中，从而成功地采出了页岩 油。该方法是借助于普通热扩散加热油页岩的，这当然需要很大的温度梯度，因此加热极不均匀;需要数月时间才能完全干馏完象小房间那样大小的油页岩层段。而且，由于对干馏带周边以外的油页岩加热不足以及对最靠近热源的油页岩的过渡加热而浪费了大量热能。在处理西部油页岩时，后一问题显得特别重要，因为过热区的热能，由于在大约600℃以上发生吸热反应，而不可能通过扩散全部得到回收。”（313页）

在基本上不渗透且相当厚的地下油页岩地层中，造成和保持一个热解产品能够通过的渗透带已成为一个严重的问题。美国专利3，468，376（第1和第2栏）报道：“将热传过油页岩的机理有两种。热靠传导作用传过油页岩中的固体物质。热也靠对流作用传过油页岩中的固体物质。靠传导作用传热是比较慢的过程。油页岩的平均热传导率和平均热扩散率与火砖大致相当。固体油页岩基质的渗透性极低，很象未上釉的瓷制品。因此，对流传热仅限于利用连通油页岩的孔道中的流体流动来加热。这些流道可以是天然的和人工产生的裂缝。……加热时，在流道壁上形成一层热解的油页岩层。这层热解的油页岩层为碳含量不同的无机矿物基质。它对于来自流道中加热流体的热流来说是一个不断扩大的隔层。”该专利涉及将加热过的油页岩-热解流体循环通过流道，同时向循环流体中添加研磨颗粒以冲刷流道壁上正在形成的热解油页岩层的方法。

虽然许多地下油页岩的热传导率和热扩散率事实上与未上釉的瓷制品和火砖很相似，但美国专利3，237，689指出，让油页岩和核反应堆冷却液之间进行热交换就可使“热前缘迅速扩展”（第3栏，第7行），该专利还说明了使用位于地表或油页岩沉积层内的这类反应堆的工作系统。

美国专利3，284，281指出（第1栏，第3-21行），“人们已尝试过用各种方法如……用电阻加热器……加热油页岩以从中采油，但几乎没有获得什么成功……。加热之前将油页岩压裂，再用就地燃烧法或其它方式加热，也几乎没有取得什么成功，因为油页岩受热时膨胀，结果使裂缝部分地或 完全闭合。该专利还描述了一种加热工艺方法，其操作顺序为：加热油页岩（并从而使其膨胀），然后注入流体，以水力压裂已膨胀的油页岩，之后再重复这些步骤，直至热稳定裂缝扩展进入产油井。

美国专利3，455，383描述了部分枯竭的油页岩碎片在流道内如由流道内流体压力支撑开的水平裂缝内的聚集。该专利揭示，如果将流道顶升高，以便在这样一个枯竭油页岩层之上保持流通渠道，那么其上覆地层就必然被弯曲，而且如果无预防措施，这样的弯曲会逐渐发展直至使裂缝延伸到地表。该专利提出间隙性降低诸如裂缝内的流体压力，从而允许上覆岩层的重量压碎并压实枯竭油页岩的工艺方法。

在相当大一部分基本上不渗透且相当厚的油页岩沉积层中，如Piceance盆地的沉积层中，有以片钠铝石形式存在的宝贵的铝资源。美国专利3，389，975提出从油页岩沉积层中开采出来并经干馏过的油页岩中采收铝的方法。其中指出，片钠铝石在大约1300°F且基本上无水的条件下转化成结晶铝酸钠。这样的无水干馏作业可使油页岩中的白云石分解并产生二氧化碳、方解石和氧化镁，从而使氧化镁与油页岩中的部分二氧化硅结合，其结合的方式允许通过浸提方法得到更高的铝收率。美国专利3，502，372提出利用溶液采矿法采收片钠铝石，其中指出，当热解受水基流体如蒸汽或者地下燃烧产物的影响时，必须在低温下进行且比较缓慢，以避免将片钠铝石和其它可溶解的铝化合物转化成不溶解的方沸石。在美国专利3，572，838中，把类似的比较温度下的热解与注入含有非酸溶性螯合剂的水基碱性流体交替进行，帮助浸提片钠铝石，同时又不会形成这类不溶解物质。

本发明涉及传导加热地下油页岩层的工艺方法，其加热方式适用于从原来基本上是不渗透的地下油页岩中采油。按照本发明，欲处理的那部分油页岩沉积层是根据其组成及其成分性质随深度的变化进行选择的，从而使其具有相互作用的特性，而其作用方式可将热前缘的均匀性提高到这样 的程度，即把采油所消耗的时间和能源的费用限制在低于所采出的油的价格的水平。处理层段是基于欲处理的那部分油页岩的品位和厚度进行选择的，并且它能提供的增强效率足以达到降低由于放热付反应所消耗的热能量和提高从给定品位油页岩中所采出的油量。

按照本发明，在地下油页岩处理层段内至少完成两口井，这一处理层段基本上是不渗透的，其中含有基本上不流动的水，而其厚度至少为大约30m，能够将工艺压力下的流体，至少是大部分流体限定在处理层段内，并其油页岩的品位和厚度可使Fischer    Assay法测定的以每吨油页岩的油加气当量的加仑数表示的平均品位至少为大约10，并且品位与以米计算的油页岩厚度的乘积至少为大约900。

地下油页岩可能包含一般来说适宜于用作处理层段（如上所述）的部分，这部分油页岩由于存在基本上不连通的自然裂缝和/或薄弱层面而具渗透性，以及在采油井网边界附近和/或潜在的活跃水体附近，在这样的地区，把本发明方法与位于采油井网边界附近和或产油井与水体之间的“保护井”结合起来进行作业可能是有利的。这些保护井至少要基本上延伸通过处理层段的垂直深度，并且其附近的岩层初期是以热传导作用进行加热的，其加热方式类似于注热井中所用的方式，只是这些保护井加热的温度不会使大部分油页岩中的有机成分汽化而又足以引起油页岩沉积层的岩石基质发生显著的热膨胀。

在有些情况下，可能需要在至少大部分页岩油采出工艺过程中保持这样比较低的加热保护井的温度。在另一些情况下，在最初以比较低的温度加热保护井之后，为了使热传导采油的井网膨胀，再以大致相当于为注热井选择的温度加热保护井、可能是很有利的。

至于欲处理油页岩部分的品位，“由Fischer    Assay法所测定的以每吨加仑数表示的平均品位”指的是：这种测定就是或相当于基本上按ASTM标准试验方法D3904-80中所述进行的测定。破碎的原生油页岩 的取样是用格槽分隔法进行的。在铸铝合金干馏炉中将原生油页岩从室温加热到500℃，确定从油页岩中得到的油加气当量的总量。将从样品中蒸出的蒸汽冷却并收集冷凝馏分。把油水馏分分离开，测定水的体积（换算成重量当量），并从油加水的重量中减去。然后用差值法计算出不可冷凝气（气加损失量）的重量。在“品位与以米计算的油页岩厚度”之积中品位，是以加仑计的油加烃气当量，它相当于加热所产生的油加烃气的总重量。

各井在处理层段内完成，并且井的布置至少提供一口注热井和一口产油井，它们的井眼基本上平行地穿过整个处理层段并且基本上等距离分开，间距至少约6m。在基本上穿过整个处理层段的每一口注热井中，油页岩层的井周表面上封有固体材料和/或水泥，这些材料热传导性相当好且基本上是不渗透流体的。在基本上穿过整个处理层段的每一产油井中，井眼和油页岩层之间是流体相通的，且井的布置便于从油页岩层段中采收流体。至少是在大部分的处理层段内，将每一口注热井内部加热，其加热的速度能够（a）将井眼内部的温度提高到至少大约600℃，以及（b）将井眼内部的温度维持在至少大约600℃，只是井眼内产生热的速度基本上等于油页岩层热传导率所允许的速度，就不会使井内温度过高而损坏井眼内部的设备。

在本发明方法的优选实施方案中，在至少一口注热井的井眼中密封油页岩表面的材料为一封闭的底部套管，同时灌注水泥浆，使水泥浆基本上填满井眼内部每一最外层金属件与相邻的油页岩层表面之间的所有空间，该水泥的热传导率至少是与油页岩的热传导率大致相当。

对油页岩的沉积层的组成和性质随深度的变化情况进行测算，并且根据油页岩沉积层的热传导率随深度的变化情况，按特别优选的程序对注热井进行加热，从而在与热传导率较低的油页岩沉积层各部分相邻近的深度上达到相对较高的温度。另外，或者作为一种选择办法，是在井内的不同位置，使部分井眼扩大并使导热金属元件从井眼内部向外延伸接近井眼扩 大部分的壁，从而增加至少一口注热井的有效半径。

本发明方法在含有其它重要矿物如片钠铝石和/或苏打石的油页岩的处理层段内使用是有价值的。在这种情况下，本发明方法是在处理层段以内并且基本上是在采油井网的边界以内在所选择的地方造成渗透带。所造成的渗透带就是可通过溶液采矿法采收所述的其它矿物的开采带。

一般来讲，本发明可用于几乎所有包含基本上不渗透的油页岩层段的地下油页岩沉积层，这样的油页岩层段基本上不含可流动的水，厚度大于30m，且具有足够高的每吨加仑数（Fischer    Assay法）表示的平均品位，使品位和厚度的乘积达到大约900或更高。加热层段的平均品位应当高于约每吨10加仑（Fischer    Assay法）。在这些条件下，如果其它条件如深度保持不变，则品位和厚度的乘积越高，越理想。

以下将参照附图更详细地解释本发明。

图1为用本发明方法生产页岩油（以1982年价格计算）的设备和作业投资（1982年美元）的相对收益率（RR）与油页岩品位-厚度乘积（G×TH）的函数关系曲线。

图2为观察井的热力剖面曲线，其中各温度值是在观察井内的不同深度（D）和在不同的时间测得的。

图3为不同加热时间后加热带中部的径向热力剖面关系曲线。

图4为平行于和垂直于油页岩层面的热传导率与温度的函数关系曲线。

图5为地下油页岩加热部分内部和其以上部分的Fischer    Assay法产率与深度的关系曲线。

图6和图7为地下油页岩层内水平的和垂直的温度剖面曲线。

图8为适用于实施本发明的完井装置的部分示意图。

据申请人所知，最相近的在先的方法包括上述的瑞典方法。瑞典方法是设计来用于可渗透的油页岩层的，在其中是让流体流过可渗透的油页岩层来提高由注热井到产液井的传热速度的。在这种油页岩中，一旦一部分 流体（如地下水和/或干酪根热解产物）变热并受到热压作用，使其体积大于更远处相同流体的体积，增大的压力和体积就开始驱动加热的流体离开注热井。这就形成了对流传热，并使传热的速度远远大于所有成分都不可流动且不渗透的油页岩层热传导所允许的传热速度。由于这样传热要使流体象如上述那样流动，且井眼间隔的距离小于2.7m，已经发现上述瑞典方法从经济上看是不可取的，其应用已经停止。

正如上述有关从基本上不渗透的油页岩沉积层中采油的专利所指出的，注热井和产油井之间流体渗透渠道的形成和保持是极其困难且非常昂贵的。据此认为，不能指望有把传导加热方法应用于不渗透油页岩层的可能性。实践表明，传导加热太慢，效率太低，经济上不实用，即使在已进行部分生产的可渗透油页岩中也是如此。上述瑞典方法的发明人好象也有相同的看法。他认为需要预先存在渗透的带或流道，这已由美国专利2，780，450予以举例说明。在说明先前实地试验过的热解油页岩的方法怎样才能适用于不渗透流体的物质如Athabasca焦油砂时，Ljungstroem指出，就地加热和热解应在这样一部分不渗透的油页岩层中进行，这部分油页岩层在垂直方向上与连通井的裂缝邻接，或者与具有不同地质特性并可使加热或热解的流体产物能在其中渗流的地层邻接。

与这些先前的说法和观点不同，申请人发现本说明书说明的传导加热方法用于基本上不渗透的地下油页岩时，经济上是可取的。这并非是显而易见的，特别是考虑到本发明方法所用的井间距离远远大于上述瑞典方法所用的井间距离，并且本发明方法是把注热井加热到至少约600℃（虽然已经说过600℃下易于引起因热量浪费而在经济上不可取的吸热反应;参看上述油页岩讨论会论文集）。

通过对于本发明方法进行实验室的和现场的试验测试及数学模拟，申请人发现当按本说明书所述对于各井确定井距，完井和实地作业时，吸热反应消耗热能的区域还不到加热面积的1%，并且以这种方式损失的热能 是微不足道的。申请人测定了基本上不渗透的油页岩层的传导加热速度并确定了热解干酪根和热力加压能热解产物达到能够将较深油页岩压裂的压力以及热力驱动热解产物通过这样建立起来的渗透裂缝所需的热量。

在现场和实验室这样测量取得的数据曾用来在数学模拟中计算需电量、经济效益、开始生产的时间、工程实施持续时间和总产量等。数学模拟可以把现场的和实验室的数据相关起来，并从而表明全面实施这一方法时上述各参数的数量极。这些计算表明，本说明书所定义的方法为申请人所知晓的唯一能够比较经济地从品位相当低如Fischer    Assay法测值仅为每吨15加仑或更低的油页岩层中生产页岩油的方法。这可将大部分油页岩层的石油储量提高5倍。此外，从地下采矿和油页岩就地改性干馏方法来看，本发明方法由于不需要在各采矿带之间的支柱及中间隔层并且提供了处理基本上所有非常厚的油页岩层段的办法，因而大大提高了可获得的资源量。

本发明方法可有效地用于诸如片钠铝石或苏打石等矿物质浓度相当高的油页岩层。在这样的油页岩层中，本发明方法可提供一个可从中采收这些矿物质的渗透带。此外，本发明方法可特别有效地将片钠铝石转化成水溶性的铝化合物（可能成ρ-氧化铝形态），从而适于用（不管是从化学角度看还是从物理角度看）溶液采矿工艺采出以生产铝-一种美国供应短缺的基本原料。与先前的各方法相比，本发明方法基本上不需要水，损坏的土地最少，且工艺操作带来的环境污染最轻。

图1为利用现场和实验室测试数据对本发明方法现场应用进行数学模拟得出的设备和操作投资（1982年美元）的相对收益率。

实施例1

在120m表土层下厚48m油页岩层中钻了一系列的注热井和采油井。层段内用Fischer    Assay法确定的平均油品位为每吨20加仑。

井网按七点法布置，在围绕一口中心采油井的规则七边形的每一个角 上有一口注热井。采油井和注热井之间的井距为22.5m。这种井网是以采油井在每一方位上都共用注热井的方式进行重复布置的，并一直持续到形成能采出大量油的整个油田范围的井网。在比较大的油田内，注热井与采油井的比例接近2比1。实施例1中在工程有效运转期间每天的总采油量为25，000桶。

注热井电加热器用水泥固结在油页岩层内并与地面电源连通。采油井中装有标准的油田用抽油泵以便将产出的油抽至地面。电力注热速度为每天8.14×10⁸卡/井，注热井的温度达750℃。操作33-34年后采油井的最终温度达300℃。这段时间内每口井的平均采油量为5-6桶/天，平均有效采油井数约为4000至5000口。耗热量为2.77×10⁸卡/桶液态油产量。

采油井中收集的气态产物可用于现场发电或作其它用途。这样采出的油相石油优于常规干馏出的页岩油。图1中以“EX.1”标线示出实施例1情况下可期望得到的相对收益率。

实施例2

在300m表土层下厚225m的油页岩层中建立一系列的注热井和采油井。用Fischer    Assay法确定的油页岩层段的平均品位为每吨26加仑。

与实施例1所述相同，井网按七点法布置，只是井间的距离为13.5m，而不是22.5m。在工程有效运转期间的总产量为25，000桶/天。注热井与采油井的比例仍接近2比1。井中加热器和生产设备与实施例1所述相似。电力注热速度为每天2.66×10⁹卡/井。注热井温度达750℃，而采油井在生产9-10年后的最终温度达300℃。这期间的平均产量为每口井42-43桶/天，平有效采油井数约为600口。耗热量为1.41×10⁸卡/桶采出的液态油。

同实施例1，气态产物用于现场发电或作其它用途，而液态油在质量 上比常规干馏出的页岩油高。图1中以“EX.2”标线示出可期望得到的相对收益率。

表1列出一般适用于本发明方法的油页岩品位，厚度以及品位一厚度乘积的组合情况。在图1中，从相对资金收益率角度考虑，以标线“优选范围”（P.R.）和“特别优选范围（E.P.R.）示出了这些品位一厚度乘积的相对位置。

表1

品位（加仑/吨）    厚度（m）    品位×厚度

30    30    900

20    45    900

10    90    900

更为符合要求的品位厚度实施例如下：

品位（加仑/吨）    厚度（m）    品位×厚度

30    150    4500

25    60    1500

20    300    6000

15    600    9000

10    225    2250

一般来说，品位厚度乘积越大越好，实际应用仅受到加热欲处理层段的能力的限制。

现场试验测量

试验是在典型的基本上不渗透的且相当厚的油页岩层的露头中进行 的。在6至12m深度范围内钻了13个井眼，这些井眼排列成注热井、观察井和产液井构成的井网，井眼间距为约0.6m，以便快速获得数据。5天内注热速度为每米约1000瓦。注热井温度达450℃之后，进行了一天的降温试验。

图2中表明了观察井内作为时间函数的垂直方向的热力剖面曲线。图上的试验数据符合于说明热传导率（平行于层理面）3.25m    cal/cm-sec-℃和热传导率（垂直于层理面）3.25m    cal/cm-sec-℃的介质中有限长度线源周围温度分布的数学解。计算中所用比热容是钻井期间所取岩芯的热传到率、热扩散率以及平均体积密度计算出来的。进行试验的油页岩的热物理性质示表2。

表2

最初的油藏温度    9.8℃

Fischer    Assay法测值    20加仑/吨

体积密度： 2.20gm/cm³

热扩散率： 6.6×10^-3cm²/sec

比热系数：    0.224cal/gm.℃

图3示出了在不同加热时间（t）内对加热带中部计算出的径向温度剖面曲线。在140.5小时的升温试验结束时，加热井和观察井间的平均地层温度为120℃。

图4中对有关平行于和垂直于油页岩层层理面的热传导率实验室试验值和现场试验数据作为温度的函数进行了比较。实验室热传到率的测定是用观察井岩芯的邻接样品进行的，在所用的岩芯中，一部分是平行于层理面选取的，另一部分是垂直于层理面选取的。操作中充氮气以消除氧化反应。在垂直方向上对样品进行限定，但在径向上样品可自由膨胀，样品加 热到800℃之后，径向膨胀平均为1.45%。如图所示，实验室试验值与由现场测试数据计算出的值吻合很好。试验表明，在垂直于层理面的方向上热传导率较低，因为干酪根层的传导率比白云岩基质低。温度低于100℃时，正如现场试验所观察到的，热传导率基本上是各向同性的。但是，当干酪根被消除（300至400℃之间）且气体开始占据层间空间时，该传导率就日益变得各向异性了。700℃以上时，平行传导率和垂直传导率均因白云岩分解并产生二氧化碳而急剧下降。

加热地下油页岩层时，油页岩随温度的升高而不断膨胀。油页岩温度达到干酪根热解温度（例如，从约275-325℃）时，会产生附加的膨胀力。干酪根转换成流体，占据比干酪根更大的体积，且温度升高时这些流体不断受压。当有更多的流体形成并有更多的流体受热时，油页岩层内就会形成水力引起的裂缝。

地下地层中由水力引起的裂缝是沿着垂直于在任何地下地层中都存在的三个压应力（即一个垂直压应力和两个相互垂直的水平压应力）中最小一个的平面形成的。但是，在水力裂缝倾向于垂直的地方，可以通过注入加热流体以加热垂直裂缝的壁，直至垂直裂缝膨胀闭合，然后，提高流体注入压力至大于上覆层的压力，就可形成水平裂缝。自外部注入加热并且增压的流体以达到受热形成水平裂缝的这类方法，在专利文献如上述美国专利3，284，281;C.S.Matthews，P.Vanmeurs和C.W.Volek的美国专利3，455，391以及P.J.Closmann的美国专利3，613，785中均有说明。

申请人现已发现，具有本说明书所述品位和厚度组合的基本上不渗透的地下油页岩按本说明书所述进行传导加热时，在油页岩内各井之间会建立起渗透带。尽管本发明并不以任何特定的机理为前提条件，但在这样的处理过程中，受热油页岩的动态变化与经受上述类型工艺过程以受热形成水平裂缝的动态变化相类似。这样的动态变化曾是无法预测的，因为本发 明方法在操作过程中并不注入任何流体。看来当本发明方法在不渗透的油页岩中作业时，不时地就地产生并驱替受热和受高压的流体，并且达到了顺序通过各油页岩部分（当这些部分受到传导加热时）进行继续扩展和沿水平方向造成裂缝的程度。加热带看来是以油页岩热传导率所限定的速度进行相当均匀的、水平的和径向的膨胀。在顺序达到干酪根热解温度的每一个加热带内，流体立即形成，受热并受压，从而使加热带内形成的基本上垂直的任何裂缝都随后转变成水平裂缝。

申请人进行的试验表明，基本上所有的油页岩流体热解产物都倾向于保留在其形成地点或其附近，直至它们被驱替通过基本上水平的裂缝流入与注热井连接的产液井内为止。此外，水平裂缝内流体的起裂压力在这些流体膨胀时即已降低，并在它们移离加热带的最热部分时被冷却下来。

这样一来，本发明方法看来是在紧挨裂缝是水平裂缝或马上变成水平裂缝的局部压裂带之外诱发干酪根热解温度带移动通过油页岩的。各个加热和压裂带看来是以基本上均匀的、水平的和径向的膨胀通过油页岩，直到压裂带达到可从其中采出油页岩热解产物的地点（如采油井的井眼）为止。

另外，申请人还发现，至少在上覆层压力比较小的地方，相邻井间建立起的渗透带在油页岩层冷却后仍保留有很高的渗透性。因此，即使上覆层压力比较高，应用本发明方法也能形成井间连通带，其中的渗透性在部分或全部热消耗之后通过注入流体就可保持离水平或者很容易恢复。而且，控制产油井采出流体的速度就能控制上述渗透性的水平和层位。

在上述形式的现场试验中测量求得的数据包括：油页岩层的热传导率，加热前后用Fischer法分析确定的油页岩各加热层段不同深度处的可采油量，采出的热解产物量等等。尽管试验开始时注热井和产油井间不存在连通性，但在注热试验终了时表明已形成渗透性通道。常规工程计算结果表明，上述概念是适用于试验所得结果的。

图5是Fischer    Assay法测出的现场试验目的层的产率与深度D的函数关系曲线。加热层段为4.2至6m。实线表示加热处理前的产率，虚线表示完成干馏之后的产率。在加热带以外加热前后的产率基本上是相同的。加热前用从井网中心取出的岩芯和加热后用在约15cm以外取出的岩芯进行了测定。在这些产率中出现的变化均在这些值的测定精度标准范围以内。

加热区内，Fischer    Assay法测得的产率从试验前的平均20加仑/吨下降到注热后的低于2加仑/吨。因此，加热处理带内的干馏效率大于Fischer    Assay法测值的90%。

采油井网和采出程度确证，在整个出油层范围内几乎没有油通过垂直裂缝而损失掉。此外，加热带内干馏效率的均匀性也表明，在大部分加热层段范围内热前缘基本上是均匀的。

热前缘的均匀性在图6和图7中更为明显。两图表示对五点法四边形井网中以一系列垂直注热井计算的水平和垂直温度剖面曲线。计算中采用的是四口注热井和一口中心产油井（图中未示出，但位于图中各加热器的中心）。每一个加热器假设为长24m，并以814W/m的速度加热。

图6中的剖面（温度随离注热井的距离而变化的曲线）是沿延伸通过四边形对角上加热器的中点的水平线段I₁I₃进行计算得出的。图7是沿井网的对称轴上的垂直线段I₅I₆进行计算得出的类似剖面。

这样进行的计算表明，到井网中心温度达到干馏温度（275-325℃）时，其体积的87%以上都已转化，而只有约14%的转化体积加热到了325℃以上。而且计算还表明，如果在中心达到目标温度如325℃之前关掉或关小电源，则热前缘趋于稳定，仍会将井网中心加热到干馏温度，同时还会降低加热器的温度升高趋势。这样的作业模式保证小于10%的加热体积加热到325℃，并从而提高该工艺方法的热效率。

从上述试验结果以及用这些结果进行的计算来看，与先前的说法和观 点相反，油页岩沉积层最初的不可渗透性可以作为优点加以利用，最初的不可渗透性可将流体和裂缝限定在井网之内，因为直到在注热井和产液井间的地带经注热产生水平裂缝网而变为可渗透的之前不存在渗透性。

在本发明方法中，向油页岩沉积层传热的速度在很大程度上受到注热井和周围地层之间温度梯度的影响。在优选的实施方案中，对油页岩沉积层的组成和特性随深度的变化进行的测定，包括测定邻近注热井的地层内热传导率与深度的关系。基于这些测定的结果，至少一口注热井加热达到的温度在相邻地层热传导率比较低的各个深度上是比较高的。这样就可使沿注热井轴线通过地层的传热速度基本上均匀。可利用已知的操作方法来提高与热传导率较低的地层相邻近的注热井部分的温度。例如，在利用电阻加热的井内，可在需要另外更多加热的位置安置附加的电阻元件，同时最好采取预防措施以避免建立起“超速热点”，其原因是因为升高了的温度进一步提高了电阻并从而强化了加热，如同在例如1984年4月6日提交由P.Van    Mears和C.F.Van    Eagond共同转让的序列号为597，764的专利申请中叙述的。在以燃烧加热的井中，可在这些部位安置更多，或更大，或燃烧更强烈的燃烧元件。

应用已知的测井、油藏取样等分析方法，可适当地测定油页岩沉积层的矿物和/或有机组分的组成和性质以及这些性质随深度的变化。进行测定时可利用先前测定的地球物理或地球化学数据或实验室或岩芯分析数据等等。例如，相邻地层热传导率随深度的变化情况，可以根据现存物质的种类和数量计算确定，和/或通过热传导率测井数据等计算确定。美国专利3，807，227说明了包括恒定输出热源和三个温度探测器以测取不同深度处相对热传导率曲线的测井工具。美国专利3，892，128说明了使用恒定输出热源和三个温度探测器测定下套管井眼或裸眼以获得温度、比热和热传导率的方法。美国专利3，864，969说明了通过加热岩层一段时间，然后测定温度下降到室温的速度以定点测定热传导率的测井装置。美国专利 3，981，187则说明了通过测定受热探头沿套管壁移动前后套管壁的温度来测出下套管井的热传导率的方法。

正如前面指出的，即使使用由四口注热井包围一口产液井的五点法井网，基本上所有介入油页岩都能被干馏并成为可渗透的。但是，本发明最好是用于一系列邻接的七点或十三点井网-就这两种系统中的任一种而论（特别是十三点井网），有六口或十二口注热井围住每一口产液井，可大大提高干馏速度。

几乎可以用任何一种方法钻一个井眼和/或打开一个原先存在的井眼使其与将作为油页岩处理层段的地下油页岩层流体相通，来完成本发明方法所使用的井。除了前面说明的不存在大量的可流动的水，并具有前面说明的油页岩厚度和品位以外，应用本发明的层段应能够把流体至少基本上限定在处理层段以内，而当流体压力达到工艺要求的压力时至少不会出现明显向上覆地层渗漏的现象，并在处理层段以内压开地层。为本发明方法应用而完成的各井眼应当基本上是平行的且基本上以至少约6m的等距离分隔开。注热井和产油井间特别适宜的分隔距离为约9至30m。特别适宜的是不脱离平行的无偏斜井眼，因为脱离平行的偏斜会引起井间距离发生约20%以上的变化。

在本发明所用注热井中，用于密封油页岩层表面的水泥或其类似的材料最好是热传导性相当好且基本上是不渗透流体的。特别优选的水泥在至少约800℃时是稳定的，其热传导率相当高，而渗透率相当低，几乎没有或完全没有收缩性，容易泵送且抗化学侵蚀性能好等等。密封材料的渗透性和配置方式应能够提供良好的密封，以防止在井眼内部和油页岩层表面之间出现任何明显的流体流动，从而使由井到地层的传热基本上完全靠传导作用。如果在处理层段上边缘和下边缘附近部分利用例如井下扩眼器有效增加注热井眼的直径，则最好使扩眼部分的直径至少约为公称井眼直径的110%。铝酸钙粘结的混凝土和/或含硅酸铝团料（或细颗粒料）的水 泥特别适宜于用作这种地层表面的密封材料。适用水泥和混凝土的例子包括在美国专利如3，379，252;3，507，332和3，595，642中所描述的水泥和混凝土。

图8示出适于用于本发明并位于地下油页岩沉积层处理层段内的注热井井眼的一部分，即井眼1。井眼1包括扩大段，如扩大段2和3，这可在钻井期间用常规的方法如井下扩眼器等形成。图中所示套管4置于井眼内并不用渗透流体的热传导材料如水泥固井定位。

在井眼的每一扩大段，套管4装有至少一个热传导金属元件，加热传导圈6，它包括径向延伸的元件如柔性金属件7。这种热传导材料构成了相当好的传导渠道，将热从井眼内部基本上传到井眼扩大段的壁上。适用的热传导金属元件的例子包括金属壁刮片、湍流引发元件、扶正器和类似的元件如可从Bakerlinedivisionof    Baker    Oil    Tools购得的Hammer-Lol型涡轮接合器或Boltlok型涡轮接合器或可从Antelope    Oil    Tool    ang    Manufacturing    Company购得的101    Bar    S型扶正器等等。

按图8所示的排列方式，至少在某种程度上说，可使从注热井向传热的热前缘沿横穿热传导率相当低的岩层的垂直线更加均匀，而不需要在邻接该岩层的井段维持更高的温度。当在井眼内部维持均匀的温度时，沿井眼扩大段的地层表面会受热而达到与沿井眼较窄段的地层表面基本相同的温度。由于邻接井眼的地层表面加热到了地层中的最高温度，所以从井眼扩大段沿径向向外扩展的温度梯度是从井眼沿径向变化的。

一般来说，注热井内部的加热基本上可用任何类型的加热装置进行，如可用燃烧和/或电加热元件等等。加热元件应当延伸基本上贯穿整个处理层段（最好至少贯穿处理层段的约80%）。如用燃烧加热元件，最好是气体燃烧加热器。燃烧加热器的燃烧和氧化剂（如甲烷和氧气）最好是用独立的管道提供，这些管道连通换热器，在换热器中用外流的燃烧产物 加热进入的流体。燃烧加热器的燃烧器外壳和流体管道最好是装在由环形空间围住的井的套管内，环形空间注满水泥以密封油页岩的表面。一般适用于本发明方法的各类燃烧加热器在美国专利如2，670，802;2，780，450和2，902，270中进行了说明。

电阻加热器特别适宜于加热本发明方法中的注热井的内部且优选的是使用多个电阻元件。电阻元件可装在内套管或操作杆的内部或外部，或简单地伸入井眼内。当电阻元件装在支撑构件如套管或操作杆的外部或在没有这些支撑构件的情况下，最好将这些电阻元件嵌入沿处理层段密封油页岩的水泥内。一般适用于本发明方法的各类电加热器在美国专利如2，472，445;2，484，063;2，670，802;2，732，195及2，954，826中进行了说明。

在不同的油藏位置，如在我们的母申请中所述，一般适于用作处理层段的各油页岩沉积层部分可能由于天然裂缝和/或薄弱层面的存在而是可渗透的。当从注热井排出的受压流体进入这些相当薄弱的岩层中时，这些岩层中会出现相当长的垂直裂缝。这就可能使流体通道在开口以外延伸到产油井中和/或相邻的水体中，使进入的水量达到不利于采油工艺的程度。

我们现在发现，在注热井和产液井井网的周围地带和/或在注热井或产液井与相邻水体之间的地带在那些相当薄弱的油页岩带内钻“保护井”并将其加热，就可避免这些过早出现的裂缝扩展。这些保护井用来传导加热基本上横贯整个油页岩处理层段的邻接岩层，使其温度达到既不会使大部分油页岩中的有机成分气化，而又足以使岩石发生明显的热膨胀。当这些岩石被加热时，天然裂缝保持闭合状态，而由接近的受压流体（自注热并向外驱替的）引起的压裂倾向于仅形成沿最接近注热井的各边集中的水平裂缝。如果各产液井基本上处于注热井和保护井之间，则裂缝优先延伸进入流体的高压由于产出流入的流体而迅速降低的那些井中。

钻遇这种相当薄弱的油藏岩石的贴切标志是有水进入钻进到这种岩石的各井中。一般来说，造成相对薄弱岩石和/或有水流入的天然裂缝，只要其孔隙度不大于约5%，进行相对温和的加热就能使其受热闭合。

Claims (11)

1、加热油页岩的采油方法其步骤是在沉积层中至少建立起注热井和产液井各一口，在每一口注热井内部和邻接的沉积层之间建立起不渗透流体的热传导屏障，然后加热每一口注热井的内部，其加热温度足以传导加热油页岩中的干酪根并使热解产物在油页岩沉积层中引发形成裂缝，且热解产物经过这些裂缝被驱替进入至少一口采油井，其中提高穿过油页岩沉积层的热前缘的均匀性的改进方法的特征在于：

确定油页岩沉积层的组成和性质随深度的变化情况；

选择性地将所说的注热井和产液井完成在油页岩的处理层段内，其中的油页岩沉积层(a)厚度至少约30m，(b)基本上不可渗透且无可流动水，(c)其组成和厚度应使处理层段内平均Fischr Assay品位与厚度的乘积达到约900，和(d)因而含有能以提高传导传热的热前缘的均匀性的方式相互作用的成分，且所说的各井的布井方式可达到，在至少基本上整个处理层段内，使井眼基本上平行且基本上以至少约6m的等距离分隔开；以及

在每一口注热井的内部维持一平均温度，该温度沿所说的处理层段选为至少约600℃，但又不会太高而以热力损坏井中的设备，同时从井中向外传热的速度不会明显地比邻接井中加热井段的地层的热传导率所允许的速度快。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于要求在一定程度上维持通过油页岩沉积层的传热速度沿注热井加热井段的轴线基本上均匀，至少对一口注热井加热的温度在邻接热传导率相当低的各油页岩沉积层部分的深度上是相当高的。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于至少一口注热井内部的加热速度变化的程度应能有效地平衡热前缘，使热前缘穿过油页岩向前移动的速度以基本上相同的速度继续下去，且同时大大降低井眼内部温度升高的速度。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于注热井和产液井布置在一系列相邻接的井网之中，其中的每一口产液井由至少四口注热井包围着。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于每一口产液井由十二口注热井包围着。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于油页岩品位至少约为每吨20加仑且品位-厚度的乘积至少约为4500。

7、根据权利要求1所述的方法，特征在于还包括如下步骤

在每一口注热井中，在基本上整个处理层段内，用热传导性相当好且基本上是不可渗透流体的固体材料密封油页岩层表面，

在至少一口注热井中，扩大处理层段内至少一部分井眼的有效直径并使至少一个热传导金属元件从井眼内部延伸接近井眼的已扩大部分的表面，

在每一口产液井中，在基本上整个处理层段内，于井眼和油页岩层之间建立起流体相通渠道，并装备井以便从油页岩井中采出流体。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于沿注热井井眼密封油页层表面的材料为水泥且填入的水泥基本上充满了井眼内部的最外层金属元件与油页岩层表面之间的整个空间，所用水泥的热传导率至少基本上与油页岩层的热传导率同样高。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于在注热井和产液井所构成的井网的边缘附近至少有一口井基本上延伸穿过整个处理层段，且其加热温度足以使邻近地层受热膨胀和/或引起压应力，但又可避免油页岩中的有机成分受热而明显移动。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于至少一口这样加热过的井随后以大致相当于为加热注热井所选用的温度进行加热。

11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于注热井和产液井的井眼基本上以约9至30m的等距离分隔开。

Images