CN102261238A - 微波加热地下油页岩开采油气的方法及其模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种微波加热地下油页岩开采油气的方法及其模拟实验系统，该方法包括：对地下油页岩矿层进行水平造缝和垂直造缝，分别生成横向裂缝和纵向裂缝，在生成的纵向裂缝中注入微波强吸收介质；对所述油页岩矿层和所述微波强吸收介质进行直接微波辐射加热，并使得温度升高的微波强吸收介质传导加热所述油页岩矿层，以及使得生成的油气通过所述横向裂缝导出。本发明实施例的方法利用微波加热，并通过对油页岩矿层进行造缝，填充入微波强吸收介质，故能有效提高微波吸收效率，使油页岩矿层升温迅速，提高油页岩的油气开采效率。

Description

微波加热地下油页岩开采油气的方法及其模拟实验系统

技术领域

本发明涉及原位油页岩开采，特别涉及一种微波加热地下油页岩开采油气的方法及其模拟实验系统。

背景技术

油页岩是一种低渗透性岩石，主要由矿物质和干酪根组成，干酪根是石油和天然气的地质前体。中国油页岩资源丰富，埋深在0-500m之间的资源约为2500亿吨，500-1000m之间的油页岩资源为2500亿吨。埋深小于300m的油页岩资源可以通过露天开采，运至干馏厂提炼出页岩油；埋深大于300m的油页岩只要通过对油页岩矿层加热转化为页岩油，然后利用生产井导至地面。后者技术目前尚处于研发阶段，尚未进入工业化生产。

目前，国际上油页岩就地干馏开采方法很多。根据热量传递的方式可以将加热方式分为直接传导加热、对流加热、辐射加热。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

就地干馏开采方法方法一，直接传导加热，如壳牌公司“传导加热地下油页岩以赋予其渗透性并随后采油”，直接利用电加热棒对油页岩层进行传导加热，由于油页岩的热传导系数低，存在传热速率慢的问题。

就地干馏开采方法方法二，对流加热和热传导加热，如EGL公司提出利用闭合的平行的水平井进行加热油页岩矿层，利用一系列的垂直井进行采集生成的油气。其过程是利用对流加热方式加热水平井筒，再利用高温井筒以热传导方式加热油页岩矿层，该方法存在的缺点与壳牌公司电加热棒加热方式一样，由于油页岩的热传导系数低，存在传热速率慢的问题。

就地干馏开采方法方法三，辐射加热，如美国雷神公司提出利用微波加热油页岩矿层，由于油页岩是一种微波弱吸收介质，同样存在油页岩温度升温速率慢的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种微波加热地下油页岩开采油气的方法及其模拟实验系统，以加速油页岩的加热过程和降低加热成本。

一方面，本发明实施例提供了一种微波加热地下油页岩开采油气的方法，包括：对地下油页岩矿层进行水平造缝和垂直造缝，分别生成横向裂缝和纵向裂缝，在生成的纵向裂缝中注入微波强吸收介质；对所述油页岩矿层和所述微波强吸收介质进行直接微波辐射加热，并使得温度升高的微波强吸收介质传导加热所述油页岩矿层，以及使得生成的油气通过所述横向裂缝导出。

另一方面，本发明实施例提供了一种微波加热地下油页岩开采油气的模拟实验系统，包括：微波加热系统，用于利用微波加热油页岩发及导出所述油页岩的热解产物，所述油页岩包括填充有微波强吸收介质的纵向裂缝；收集测量系统，用于进行所述油页岩的热解产物的冷凝、收集和测量；计算机处理系统，用于执行温度检测和分析采集的数据；功率控制系统，用于控制微波产生的功率；其中，所述功率控制系统、所述收集测量系统和所述计算机处理系统分别与所述微波加热系统相连。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例提供的一种微波加热地下油页岩开采油气的方法及应用上述方法的模拟实验系统，通过微波加热油页岩和吸收介质，温度迅速升高后的微波强吸收介质，又以热传导方式加热油页岩，所以反应系统中是以热辐射和热传导两种方式相结合加热油页岩，利用该实验系统可以开展不同微波功率条件下，不同地区油页岩微波开采的热传导规律和页岩油采收率等情况，为不同地区微波加热原位开采油页岩工艺提供参数和开发思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的微波加地下热油页岩开采油气方法的整体流程图；

图2A是本发明实施例1的微波加热油页岩开采油气方法的应用原理图；

图2B是本发明实施例1的微波加热油页岩开采油气方法的具体流程图；

图3是本发明实施例2的模拟实验系统的整体结构示意图；

图4是本发明实施例2中微波加热系统、收集测量系统的结构示意图；

图5是本发明实施例2的图4中沿A-A’线的旋转剖视图。

附图标号：

1微波发生器，2微波导入管，3波导管，4微波发射孔，5纵向裂缝，6反应釜体，7保温层，8、9、10、11温度检测器，12上封头，13上油气出口，14上油气导出管，15压力传感器，16压力数显仪表，17上套管式冷凝器，18气液分离器，19、25液体收集罐，20、26电子天平，21气体质量流量计，22下出油口，23下油气导出管，24，下套管式冷凝器，27工作台，28盖子，29、30、31、32温度检测器，33采油井，34横向裂缝，35油页岩矿层，36加热井。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的微波加热地下油页岩开采油气的方法及其模拟实验系统是：1.利用微波辐射加热地下油页岩矿层，2.利用微波辐射加热微波强吸收介质，微波强吸收介质传导加热地下油页岩矿层，两种加热方式共同使油页岩中的干酪根热解产生油气，然后将油气开采出来的方法。

本发明实施例的构思主要源于微波技术，微波对物质具有介电热效应是通过离子迁移和极性分子的旋转使分子运动而实现的，即极性分子相对静态瞬间转变为动态，通过分子偶极以数十亿的高速旋转产生热效应。由于此瞬间变态是从被作用物质内部进行，故常称为内加热。由于油页岩是热的不良导体，利用直接传导加热和对流加热速度十分缓慢。通过本发明实施例的上述两种加热方式共同热解干酪根，生成油气，并通过压裂制造的横向裂缝导至采油井排至地面，有利于加速油页岩的加热过程和降低加热成本。

实施例1：

图1为本发明实施例1的一种微波加地下热油页岩开采油气的方法的整体流程图。如图1所示，该方法包括：

100、对地下油页岩矿层进行水平造缝和垂直造缝，分别生成横向裂缝和纵向裂缝，在生成的纵向裂缝中注入微波强吸收介质；

110、对所述油页岩矿层和所述微波强吸收介质进行直接微波辐射加热，并使得温度升高的微波强吸收介质传导加热所述油页岩矿层，以及使得生成的油气通过所述横向裂缝导出。

以下进行详细说明，请结合参阅图2A和图2B，其中，图2A是本发明实施例1的微波加热油页岩开采油气方法的应用原理图；图2B是本发明实施例1的微波加热油页岩开采油气方法的具体流程图；图1所示方法具体可以包括如下步骤：

步骤200，对油页岩矿层进行水平和垂直造缝，具体地，本发明实施例利用原油开采中的压裂技术对油页岩层制造多条横向裂缝34，以提高油页岩矿层的渗透率；在加热井36和采油井33之间的位置采用水力压裂技术制造例如两条纵向裂缝5，用来填充微波强吸收介质，该微波强吸收介质包括油页岩半焦、石墨和人工合成微波吸收介质等物质。

步骤210，微波发生器(图中未绘示)产生的微波通过微波导入管(图中未绘示)、波导管3和微波发射孔4发射到油页岩矿层35中，油页岩矿层35会以两种加热方式被加热：①是微波发生器产生的微波以热辐射的方式加热油页岩矿层35；②是微波发生器产生的微波以热辐射的方式加热纵向裂缝5中的微波强吸收介质，温度升高后的微波强吸收介质又以热传导方式加热周围的油页岩矿层35，两种加热方式可将油页岩矿层很快加热到500℃以上。

步骤220，有机质裂解生成油气，油气会通过微小裂缝渗流到横向裂缝34中，当采油井33阀门打开时，由于采油井33井口压力小于油页岩矿层内部压力，油气会通过横向裂缝向采油井33运移，最终通过采油井33排采到地面。

本发明实施例的优点在于：本发明实施例的方法是利用微波加热，其属于内部加热方式，电磁能直接作用于介质分子转换成热，且透射性能使物料内外介质同时受热，不需要仅靠热传导加热油页岩。油页岩是微波弱吸收介质，本发明实施例通过对油页岩矿层进行造缝，充填入微波强吸收介质，故能有效提高微波吸收效率，使油页岩矿层升温迅速，提高了油页岩的开采效率，并降低了开采成本。

实施例2：

本发明实施例2提供了一种微波加热地下油页岩开采油气的模拟实验系统。本模拟实验系统主要通过微波加热油页岩和微波强吸收介质，微波强吸收介质温度升高后，又以热传导方式加热油页岩，所以反应系统中是以热辐射和热传导两种方式相结合加热油页岩，利用该模拟实验系统可以开展不同微波功率下，不同地区油页岩微波开采的热传导规律和页岩油采收率等情况，为不同地区微波加热原位开采油页岩工艺提供参数和开发思路。

如图3所示，本发明实施例2的一种应用于实施例1的开采方法的模拟实验系统包括：

微波加热系统，用于利用微波加热油页岩和导出油页岩的热解产物，所述油页岩包括填充有微波强吸收介质的纵向裂缝；

收集测量系统，用于进行油页岩的热解产物的冷凝、收集和测量；

计算机处理系统，用于执行温度检测和分析采集的数据；

功率控制系统，用于控制微波产生功率的大小；

其中，所述功率控制系统、所述收集测量系统和所述计算机处理系统分别与所述微波加热系统相连。

作为优选的实施例，上述功率控制系统与上述微波加热系统中的微波发生器通过数据线相连，上述微波加热系统中的油气导出管与上述收集测量系统相连，上述微波加热系统中的温度检测器通过数据线与上述计算机处理系统相连。后文会详细描述，在此暂不展开详述。

具体地，计算机处理系统包括计算机数据处理软件和数据的输入输出设备(如键盘)。

图4是本发明实施例2中微波加热系统、收集测量系统的结构示意图；图5是图4中沿A-A’线的旋转剖视图。结合参阅图4-图5，具体地，上述微波加热系统包括：微波发生器1、微波导入管2、微波波导管3、微波发射孔4、充填有微波强吸收介质的纵向裂缝5、反应釜体6、保温层或保温筒体7、温度检测器(8、9、10、11)、上封头12、上、下油气出口(13、22)和油气导出管14、23。上述反应釜体6带有盖子28，由所述上封头12进行密封，所述反应釜体6的盖子28上和釜体底部各有一出油气口13、22，分别与油气导出管14、23相连。上述微波导入管2、上述温度检测器(8、9、10、11、29、30、31、32)、所述油气导出管14分别卡在所述盖子28上。

进一步地，如图4所示，该反应釜体6外部套接着保温筒体7，增加了该加热装置的保温性能，降低了能耗。进一步地，该反应釜体6与该盖子28之间设置密封圈，增强了实验的效果。

进一步地，如图5所示，本实施例中，该微波导入管2的数量为一个，该温度检测器的数量可选地为八个。分隔设置过圆心的“十”字线上，用于分别监控油页岩岩心中不同位置的温度变化情况，将温度变化情况进行时时记录，并传输至计算机处理系统。

具体地，如图4所示，该收集测量系统包括：压力传感器15和压力数显仪16，套管式冷凝器17、24，气液分离器18，气体质量流量计21和电子天平20、26和液体收集罐19、25。该压力传感器15和压力数显仪16与微波加热系统中的油气导出管14相连，该套管式冷凝器17、24分别与微波加热系统中的油气导出管14、23连接，该冷凝器17出口连接该气液分离器18，气液分离器18分别与气体质量流量计21和液体收集罐19相连，该冷凝器24出口与液体收集罐25相连，液体收集罐19、25分别放置在该电子天平20、26上，下套管式冷凝器24连接下液体收集罐25。

进一步地，如图4所示，本实施例中，设有压力传感器15和压力数显仪16，用于检测反应釜体6内的压力变化情况。

以下描述本发明实施例该模拟实验装置的工作过程及原理：

如图5所示，在油页岩岩心相应位置钻好微波波导管3的孔位、温度检测器8、9、10、11、29、30、31、32的孔位，分别在温度检测器8和9及10和11之间位置把油页岩剖开，填充微波强吸收介质。将该油页岩岩心装入反应釜体6中，盖好盖子28并进行密封，然后将微波波导管3、温度检测器8、9、10、11、29、30、31、32插入对应位置，把功率控制系统、微波加热系统、收集测量系统和计算机处理系统连接好，打开电源，开始利用微波加热。油页岩矿层和微波强吸收介质温度开始升高，微波强吸收介质的温度上升的要比油页岩矿层迅速，温度快速升高的微波强吸收介质会以热传导的方式加热油页岩矿层，在两种加热方式共同作用下，油页岩矿层温度会很快上升到裂解温度。反应产物页岩油以气体形式由油气导出口13排出，以液体形式于油气导出口22排出，然后经套管式冷凝器17、24冷凝，经冷凝器17出来的油气进入气液分离器18，气体经气体质量流量计21排出，液体直接排入液体收集罐19，经冷凝器24出来的液体直接排入液体收集罐25。

本发明实施例所述的模拟实验系统，能够完成以下两方面的工作：

(1)模拟不同功率条件下微波加热进行热传导的效果；

(2)模拟添加不同微波强吸收介质提高油页岩热解产物采收率的效果。

依据上述原理及结构设计，在XX分院建立了一台微波加热地下油页岩开采油气的模拟实验系统，通过对辽宁抚顺油页岩成功开展了不同功率条件下微波加热进行热传导效果模拟实验和添加不同微波吸收剂提高油页岩热解产物采收率的实验，并对实验结果进行了研究，结果发现微波加热油页岩时，起先温度上升很快，但后期温度上升非常慢，最后温度停留在400℃左右，没有完全达到油页岩裂解温度，加入微波强吸收剂以后温度上升明显加快，页岩油的采收率从原来的39.4％增加至69.3％；主要因为油页岩矿层和微波强吸收介质温度同时升高，微波强吸收介质的温度上升的要比油页岩矿层迅速多，微波强吸收介质最高温度能达到800℃左右，温度快速升高的微波强吸收介质会以热传导的方式加热油页岩矿层，在两种加热方式共同作用下，油页岩矿层温度会很快上升到裂解温度。

由此可见，本发明实施例所述模拟实验系统，可以对不同地区的油页岩进行实验研究。可以开展不同功率条件下、不同微波吸收介质条件下，不同地区油页岩微波加热时的热传导规律和页岩油采收率情况，建立评价标准。通过注吸收介质微波加热油页岩实验研究，可以分析同一实验条件下注与不注微波吸收介质对油页岩热传导和页岩油采收率的影响，研究不同功率条件下，注入与不注吸收介质对油页岩热传导和页岩油采收率的影响，最终优化不同地区微波加热工艺参数和开发思路。即开展地下干馏开采油页岩实验，对于加快地下干馏开采油页岩开发的步伐及实现地下油页岩开采生产具有良好的推广应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种微波加热地下油页岩开采油气的方法，其特征在于，所述方法包括：

对地下油页岩矿层进行水平造缝和垂直造缝，分别生成横向裂缝和纵向裂缝，在生成的纵向裂缝中注入微波强吸收介质；

对所述油页岩矿层和所述微波强吸收介质进行直接微波辐射加热，并使得温度升高的微波强吸收介质传导加热所述油页岩矿层，以及使得生成的油气通过所述横向裂缝导出。

2.根据权利要求1所述的微波加热地下油页岩开采油气的方法，其特征在于，

所述对地下油页岩矿层进行水平造缝和垂直造缝，分别生成横向裂缝和纵向裂缝，在生成的纵向裂缝中注入微波强吸收介质，包括：

在地下的油页岩矿层中生成多条水平方向的横向裂缝；

钻加热井和采油井，在所述加热井和所述采油井之间，纵向压裂所述油页岩矿层以生成至少一条纵向裂缝，将微波强吸收介质注入所述纵向裂缝中；

所述对所述油页岩矿层和所述微波强吸收介质进行直接微波辐射加热，并使得温度升高的微波强吸收介质传导加热油页岩矿层，以及使得生成的油气通过所述横向裂缝导出，包括：

利用微波加热所述油页岩矿层和所述微波强吸收介质，使得所述微波强吸收介质温度升高后以热传导方式加热周围的油页岩矿层，热解干酪根，生成油气，所述油气通过所述横向裂缝导出至所述采油井并排出至地面。

3.根据权利要求2所述的微波加热地下油页岩开采油气的方法，其特征在于，所述利用微波加热所述油页岩矿层和所述微波强吸收介质，包括：

利用微波发生器产生的微波以热辐射的方式加热所述油页岩矿层；以及，

利用微波发生器产生的微波以热辐射的方式加热所述微波强吸收介质，使得温度升高后的微波强吸收介质又以热传导方式加热周围的油页岩矿层。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的微波加热地下油页岩开采油气的方法，其特征在于，所述微波强吸收介质包括：油页岩半焦、石墨或者人工合成微波吸收介质。

5.一种微波加热地下油页岩开采油气的模拟实验系统，其特征在于，所述模拟实验系统包括：

微波加热系统，用于利用微波加热油页岩和导出所述油页岩的热解产物，所述油页岩包括填充有微波强吸收介质的纵向裂缝；

收集测量系统，用于进行所述油页岩的热解产物的冷凝、收集和测量；

计算机处理系统，用于执行油页岩温度检测和分析采集的数据；

功率控制系统，用于控制微波产生的功率；

其中，所述功率控制系统、所述收集测量系统和所述计算机处理系统分别与所述微波加热系统相连。

6.根据权利要求5所述的模拟实验系统，其特征在于，所述微波加热系统包括：微波发生器、微波导入管、波导管、反应釜体、油气导出管和温度检测器；所述反应釜体带有盖子，所述盖子和所述反应釜体以封头进行密封，所述波导管上有微波发射孔，便于微波导出，所述波导管、所述油气导出管和所述温度检测器分别卡在所述盖子上，并进行了密封。

7.根据权利要求6所述的模拟实验系统，其特征在于，所述反应釜体外部套接着保温筒体。

8.根据权利要求6所述的模拟实验系统，其特征在于，所述波导管位于所述反应釜体中央，所述反应釜体的底部和上部分别设置有与所述油气导出管相连的油气导出口。

9.根据权利要求6所述的模拟实验系统，其特征在于，所述温度检测器包括多个热电偶。

10.根据权利要求9所述的模拟实验系统，其特征在于，所述多个热电偶平均分布在以所述波导管为中心的十字形的四个分支上。

11.根据权利要求6所述的模拟实验系统，其特征在于，所述反应釜体与所述盖子之间设置有密封圈。

12.根据权利要求6所述的模拟实验系统，其特征在于，所述功率控制系统与所述微波加热系统中的微波发生器通过数据线相连，所述微波加热系统中的油气导出管与所述收集测量系统相连，所述微波加热系统中的温度检测器通过数据线与所述计算机处理系统相连。

13.根据权利要求5-12中任一项所述的模拟实验系统，其特征在于，所述收集测量系统包括：上/下套管式冷凝器、气液分离器、气体流量计、上/下电子天平和上/下液体收集罐；所述上/下套管式冷凝器的进口与所述微波加热系统中的上/下油气导出管连接，所述上套管冷凝器出口连接所述气液分离器，所述气液分离器的液相出口接入所述上液体收集罐，所述气液分离器的气相出口与所述气体流量计相连，所述上/下液体收集罐分别设置在所述上/下电子天平上，所述下套管式冷凝器连接所述下液体收集罐。

14.根据权利要求5-12中任一项所述的模拟实验系统，其特征在于，所述微波强吸收介质包括：油页岩半焦、石墨或者人工合成微波吸收介质。

15.根据权利要求5-12中任一项所述的模拟实验系统，其特征在于，所述纵向裂缝为通过对所述油页岩进行水力压裂而生成。

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