CN102606128A - 油页岩开采方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种油页岩开采方法，包括：在油页岩中形成通至地面的第一通道；形成从位于油页岩下面的煤层通至地面的第二通道以及与第二通道连通的且从煤层通至地面的第三通道；对煤层进行地下气化，形成燃空区；以及收集油气。还提供一种油页岩开采装置，煤层位于油页岩下方，该装置包括：设置在油页岩中并从油页岩通至地面的第一通道；设置在煤层中并从煤层通至地面的第二通道，第一通道位于第二通道的上方；以及与第二通道连通且从煤层通至地面的第三通道。根据本发明，不仅提高了能量利用率，而且不需要提供人工热源，就可以实现油页岩原位干馏制气。

Description

油页岩开采方法及装置
技术领域
本发明涉及煤和油页岩开采技术范畴，特别涉及煤和油页岩原位共同气化干馏制油气的技术，尤其应用于煤和油页岩地下直接气化干馏开采制油气。
背景技术
油页岩属于一种非常规油气资源，它与石油、煤、天然气一样都是不可再生的化石能源。全世界油页岩资源的储量是十分巨大的，据不完全统计，全世界油页岩资源储量约为105亿吨，折合成页岩油约为4750亿吨，比传统石油资源总量2710亿吨多50％以上。我国油页岩资源储量丰富，全国油页岩资源储量约为7199.3亿吨，折合成页岩油约为476.44亿吨。我国油页岩资源主要分布在22个省区，其中又以吉林、辽宁、山东等地油页岩资源最为丰富。
现有的油页岩开采制油技术主要是将油页岩开采运出地面后，通过生产装置干馏制油。地上干馏法可分为直接传热法和间接传热法。干馏所需热量通过器壁传入干馏室的方法称为间接传热法。直接传热比间接传热速度快、效率高，所以现代干馏技术主要采用热载体和油页岩直接接触传热的方式，即直接传热法。气体热载体法油页岩干馏技术主要有俄罗斯发生式炉技术、爱沙尼亚发生式炉技术和和中国抚顺炉技术等。固体热载体干馏技术主要包括美国的Tosco-II干馏技术、爱沙尼亚的Galoter干馏技术和中国抚顺炉技术等。目前正在工业化生产的国家只有巴西、爱沙尼亚和中国。
当前油页岩的综合利用存在三方面的问题：1、成本高。油页岩传统开采方法为露天开采或地下巷道开采。传统的露天开采是露天剥土，直接开采油页岩矿石，这种方法占用了大量土地，而且油页岩矿山开采工作量大，费用高。油页岩要在地面粉碎成粒度非常小的颗粒进行干馏，干馏设备庞大，结构复杂，增加了加工成本。所以利用地面干馏方法开发油页岩的经济性不佳。2、对环境的污染较大。地下开采会引起地表塌陷、地下水流失，油页岩尾矿及矿渣的处理困难等。3、油页岩干馏工艺技术和设备不完善。油页岩气体热载体法干馏制油设备一般只能处理粒度在8～125mm的块状油页岩低；固体热载体干馏技术设备庞大，结构复杂，还缺少示范装置的验证。
传统的地下干馏工艺，采用电力、微波、燃料电池、蒸汽、高温气体、核废料和无线射频等不同的加热方式，需要从地面提供能量，作用于油页岩层，产出页岩油和气体，存在加热周期长、操作复杂、能耗高、成本高等缺点，加之油页岩致密、渗透性差，导致干馏范围小，效果不理想。在技术和经济上都是不合理的。
我国油页岩赋存特点往往是煤和油页岩互层，即煤层上面是油页岩。为此本发明提出了煤和油页岩地下气化干馏共采技术。地下气化采煤技术在我国已基本成熟，但由于油页岩致密，地下气化直接开采相当困难。本发明利用煤地下气化形成的燃空区，冒落上部油页岩层，达到疏松油页岩的目的，增加油页岩的渗透性；利用煤燃烧气化所释放的热量干馏油页岩层，达到煤和油页岩共气化干馏制油、制气的目的。
发明内容
针对相关技术中存在的一个或多个问题，本发明的目的在于提供一种油页岩开采方法及开采装置，该方法以及装置能够将煤和油页岩在地下共同共气化干馏制油、制气。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种油页岩开采方法，其中，所述方法包括：在所述油页岩中形成通至地面的第一通道；形成从位于所述油页岩下面的煤层通至地面的第二通道以及与所述第二通道连通的且从所述煤层通至地面的第三通道；对所述煤层进行地下气化，形成燃空区；以及收集油气。
优选地，利用所述煤层地下气化过程的热量干馏所述油页岩。
优选地，利用所述煤层地下气化形成的燃空区使所述油页岩冒落和/或疏松所述油页岩。
优选地，通过所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道中的至少一个通道收集所述油气。
优选地，对所述煤层进行分段气化。
优选地，至少形成三个所述第二通道，通过靠近所述第三通道的所述第二通道引入气化剂，通过所述第三通道出气，同时通过相对远离所述第三通道的其它所述第二通道引入气化剂。
优选地，所述第一通道中设置有管路，其中，所述管路设置在所述油页岩中并且在与所述油页岩接触的周壁设置有至少两个孔。
优选地，所述第一通道的直径在150mm到350mm范围内，所述第一通道的底部与所述油页岩底板之间相距2m到5m。
优选地，所述第一通道中设置有套管，其中，所述套管位于所述油页岩上方。
优选地，所述第二通道的直径在150mm到350mm范围内，所述第二通道与所述煤层底板之间相距0.5到3m。
优选地，所述第二通道之间的最短距离在50m到100m之间。
优选地，所述第三通道在距离所述煤层底板为1m到3m的位置沿着所述煤层底板横向延伸。
优选地，所述第三通道包括与地面垂直的垂直部分和沿所述煤层底板横向延伸的横向部分，所述横向部分延伸长度大于或等于180m。
优选地，至少形成三对所述第一通道，选择中间一对所述第一通道作为进气通道，向中间的所述第一通道引入气化剂，通过两端的所述第一通道收集油气。
优选地，所述第一通道位于所述第二通道的两侧，所述第一通道的纵向间距为20m到80m之间，横向间距为40m到100m之间。
优选地，所述方法还包括：通过冷凝分离收集页岩油和煤气。
根据本发明的另一方面，提供一种油页岩开采装置，其中，煤层位于所述油页岩下方，所述开采装置包括：设置在油页岩中并从所述油页岩通至地面的第一通道；设置在煤层中中并从所述煤层通至地面的第二通道，所述第一通道位于所述第二通道的上方；以及与所述第二通道连通且从所述煤层通至地面的第三通道。
优选地，所述第一通道的直径在150mm到350mm范围内，所述第一通道的底部与所述油页岩底板之间相距2m到5m。
优选地，所述第二通道的直径在150mm到350mm范围内，所述第二通道与所述煤层底板之间相距0.5m到3m。
优选地，所述第二通道之间的最短距离在50m到100m之间。
优选地，所述第三通道在距离所述煤层底板为1m到3m的位置沿着所述煤层底板横向延伸。
优选地，所述第三通道包括与地面垂直的垂直部分和沿所述煤层底板横向延伸的横向部分，所述横向部分延伸长度大于或等于180m。
优选地，所述第一通道位于所述第二通道的两侧，所述第一通道的纵向间距为20m到80m之间，横向间距为40m到100m之间。
根据本发明的再一方面，提供一种使用上述的油页岩开采装置在煤和油页岩原位开采制油气的应用。
借助本发明上述的至少一个技术方案，本发明具有以下优点：
1.油页岩不需要井工开采，在地下直接热解制油，省去油页岩建井、开采以及地面破碎、热解的设备和资金投入，缩短了制油流程，降低了油页岩制油成本；
2.利用煤炭地下气化形成的燃空区使油页岩冒落，以疏松油页岩层，利用煤炭地下气化过程的热量干馏油页岩层，不仅提高了能量利用率，而且不需要提供人工热源，就可以实现油页岩原位干馏制；
3.实现了油页岩原位干馏制油，使油页岩渣留在地下，减少或避免了地表塌陷；
4.实现了煤和油页岩地下气化干馏共采，能充分利用煤和油页岩资源，高效地利用煤和油页岩伴生条件下的化工能源；
5.与以往把油页岩开采干馏制油生产过程相比，本发明集建井、油页岩开采、地面热解三大工艺为一体，缩短了生产流程，由于利用煤气化所产生的热量直接热解油页岩层，无需提供外热源，因而具有安全性好、投资少、效益高等优点。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明的实施例的油页岩开采方法的流程图；
图2为根据本发明的实施例的油页岩开采装置的结构简图；以及
图3为沿图2中的线A-A截取的截面图。
具体实施方式
考虑到相关技术中存在的问题，本发明提供一种油页岩开采方法。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。应理解，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图1为根据本发明的油页岩开采方法的流程图。如图1所示，根据本发明，在油页岩3中形成通至地面的第一通道91-96(如图2所示)(步骤S1)，作为油气收集孔。并且，在油页岩3下面的煤层1中形成通至地面的第二通道71、73、75(如图2所示)，用于对煤层1进行气化的气体进出孔，该第二通道还可以用于收集油气。而且，该煤层中还形成有与第二通道连通的且从该煤层通至地面的第三通道5(如图2所示)，可以通过该第三通道出气(步骤S2)。
如图2和3所示，第一通道91、93、95和92、94、96分别分布在第二通道71、73、75的两侧，并且第一通道的纵向间距约20m～80m，横向间距约40m～100m，孔径在150mm-350mm范围内，其深度根据油页岩层深度确定。并且，该第一通道的底部在油页岩层3底板上2m～5m。该第一通道的位于油页岩中的部分设置有管路，该管路与油页岩接触的周壁设置有至少两个孔，干馏后的油页岩中的油气通过这些孔进入管路，从而便于油气的收集。根据本发明的一个实施例，该位于油页岩中的管路可以为花管。并且，该第一通道的在油页岩上方的部分设置有套管，例如，钢套管。由于第一管道的上述设置，使得可以对该第一管道进行分段支护。
同样如图2和3所示，第二通道71、73、75的孔径形成为在150mm-350mm范围内，间距在50m～100m之间，其深度根据煤层深度确定。该第二通道的孔底距煤层1底板为0.5～3m。
如图2和3所示，该第三通道5沿着沿煤层底层(或横向)钻进，根据本发明的一个实施例，该第三通道5的与第二通道71、73、75相连通的水平段基本与第二通道垂直，并且，该水平段长度在180m以上。该第三通道5的另一部分基本与地面垂直。该第三通道5的孔径在100～250mm，并且，该第三通道5距煤层1底板1～3m。
形成上述多个通道之后，点燃煤层1送入气化剂，从而对煤层1进行气化来生产煤气，利用煤层地下气化形成的燃空区使油页岩冒落，和/或疏松油页岩，利用煤层地下气化过程的热量干馏该油页岩(步骤S3)。当煤层1气化形成足够的燃空区时，即，由于一部分煤层的燃烧，使得煤层中形成一定体积的空腔，煤层1上覆的油页岩层发生冒落，继续气化煤层1，以提供油页岩3干馏足够的热量，从煤层1第二通道71、73、75中输出油气。由于煤层1上覆的油页岩发生冒落，从而使得油页岩变得疏松，对煤层和油页岩共同进行气化干馏，对煤层进行气化，干馏冒落和疏松了的油页岩层，从第一通道和第二通道中输出油气。并且，气化干馏油页岩层，对疏松了油页岩层气化干馏，从第一通道和第二通道输出油气。然后，在地面收集油气、冷凝分离获得页岩油和煤气(步骤S4)。
根据本发明，上述的点燃煤层过程如下：从第二通道71中鼓入富氧热空气，由第三通道5出气，该富氧空气温度在煤层燃点左右，当高温富氧空气接触煤层1时，对煤层1进行强制氧化，从而积蓄热量，将煤层1点燃。当第三通道5中出气煤气中CO2含量大于20％、有效气体组分H2+CO+CH4大于15％时，点火成功。因此，为了检测第三通道5中的煤气中CO2的含量以及有效气体组分，还在第三通道开口端设置有气体含量检测装置，根据检测结果确定煤层是否被点燃。
根据本发明的一个实施例，可以对煤层进行分段气化，从而对油页岩进行分段气化和干馏。
根据本发明，从第二通道71中供入气化剂进行正常气化，同时在第二通道73、第二通道75、第二通道77中鼓入少量气化剂，进行逆向贯通，维护气化通道。该气化剂主要有空气、富氧空气(含氧量在25～80％之间)纯氧-水蒸气等。待第二通道71和第三通道5之间的煤层气化到一定宽度时，停止气化，在第三通道5构建良好的出气通道。改由第二通道73进气，气化第二通道71和第二通道73之间的煤层，当气化到设计宽度时，引起上覆油页岩层3冒落，产生大量裂隙，使油页层疏松。由于煤燃烧气化过程中产生的热量加热了油页岩层，产生的干馏气体进入煤气，有利于煤气中有可燃气体组分及热值的提高。通过上述过程对煤层进行分段气化。
根据本发明，所述的煤层与油页岩层共同气化干馏过程如下：当第二通道71和第二通道73之间的煤层气化到设计宽度时，引起上覆油页岩层冒落，产生大量裂隙，使油页层疏松。此时改由第二通道75进气，气化第二通道73和第二通道75之间的煤层，煤层燃烧气化，产生的热量干馏冒落进燃空区和被疏松了油页岩层，实现煤和油页层的共同气化干馏。从第三通道5和第一通道收集油气。以此类推，当第二通道73和第二通道75之间的煤层气化达到设计宽度时，油页岩层冒落疏松，此时改由第二通道77进气，气化第二通道75和第二通道77之间的煤层，并且冒落进燃空区的油页岩，干馏上部油页岩，由第一通道91、93、95、97和第二通道71、73、75收集油气。
所述的气化干馏油页岩层，当煤层气化结束后，疏松了油页岩层，并且提高了油页岩层温度，因此可以对疏松了油页岩层直接气化干馏。选择两侧第一通道91-96中的中间两个通道93和94作为进气孔，鼓入气化剂，由两端的通道91-92和95-96出气，以收集油气。由于此时油页岩层温度高、透气性好，因此燃烧区可向两端扩展，形成多个气化干馏区。从两端的第一通道和第二通道输出油气。在地面收集油气、冷凝分离获得页岩油和煤气。
根据本发明，开采油页岩不需要井工开采，在地下直接热解制油，省去油页岩建井、开采以及地面破碎、热解的设备和资金投入，缩短了制油流程，降低了油页岩制油成本。并且，通过利用煤炭地下气化形成的燃空区使油页岩冒落，疏松油页岩层，并利用煤炭地下气化过程的热量干馏油页岩层，不仅提高了能量利用率，而且不需要提供人工热源，就可以实现油页岩原位干馏制。根据本发明，还实现了油页岩原位干馏制油，使油页岩渣留在地下，减少或避免了地表塌陷，同时，实现了煤和油页岩地下共同气化干馏开采，充分利用煤和油页岩资源，高效地利用煤和油页岩伴生条件下的化工能源。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (24)

1.一种油页岩开采方法，包括：
在所述油页岩中形成通至地面的第一通道；
形成从位于所述油页岩下面的煤层通至地面的第二通道以及与所述第二通道连通的且从所述煤层通至地面的第三通道；
对所述煤层进行地下气化，形成燃空区；以及
收集油气。
2.根据权利要求1所述的油页岩开采方法，其中，利用所述煤层地下气化过程的热量干馏所述油页岩。
3.根据权利要求1所述的油页岩开采方法，其中，利用所述煤层地下气化形成的燃空区使所述油页岩冒落和/或疏松所述油页岩。
4.根据权利要求1所述的油页岩开采方法，其中，通过所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道中的至少一个通道收集所述油气。
5.根据权利要求1所述的油页岩开采方法，其中，对所述煤层进行分段气化。
6.根据上述任一项权利要求所述的油页岩开采方法，其中，至少形成三个所述第二通道，通过靠近所述第三通道的所述第二通道引入气化剂，通过所述第三通道出气，同时通过相对远离所述第三通道的其它所述第二通道引入气化剂。
7.根据权利要求1所述的油页岩开采方法，其中，所述第一通道中设置有管路，其中，所述管路设置在所述油页岩中并且在与所述油页岩接触的周壁设置有至少两个孔。
8.根据权利要求1所述的油页岩开采方法，其中，所述第一通道的直径在150mm到350mm范围内，所述第一通道的底部与所述油页岩底板之间相距2m到5m。
9.根据权利要求7所述的油页岩开采方法，其中，所述第一通道中设置有套管，其中，所述套管位于所述油页岩上方。
10.根据权利要求1所述的油页岩开采方法，其中，所述第二通道的直径在150mm到350mm范围内，所述第二通道与所述煤层底板之间相距0.5m到3m。
11.根据权利要求10所述的油页岩开采方法，其中，所述第二通道之间的最短距离在50m到100m之间。
12.根据权利要求1所述的油页岩开采方法，其中，所述第三通道在距离所述煤层底板为1m到3m的位置沿着所述煤层底板横向延伸。
13.根据权利要求1或12所述的油页岩开采方法，其中，所述第三通道包括与地面垂直的垂直部分和沿所述煤层底板横向延伸的横向部分，所述横向部分延伸长度大于或等于180m。
14.根据权利要求1所述的油页岩开采方法，其中，至少形成三对所述第一通道，选择中间一对所述第一通道作为进气通道，向中间的所述第一通道引入气化剂，通过两端的所述第一通道收集油气。
15.根据权利要求14所述的油页岩开采方法，其中，所述第一通道位于所述第二通道的两侧，所述第一通道的纵向间距为20m到80m之间，横向间距为40m到100m之间。
16.根据权利要求1所述的油页岩开采方法，其中，所述方法还包括：通过冷凝分离收集页岩油和煤气。
17.一种油页岩开采装置，其中，煤层位于所述油页岩下方，所述开采装置包括：
设置在油页岩中并从所述油页岩通至地面的第一通道；
设置在煤层中中并从所述煤层通至地面的第二通道，所述第一通道位于所述第二通道的上方；以及
与所述第二通道连通且从所述煤层通至地面的第三通道。
18.根据权利要求17所述的开采装置，其中，所述第一通道的直径在150mm到350mm范围内，所述第一通道的底部与所述油页岩底板之间相距2m到5m。
19.根据权利要求17所述的开采装置，其中，所述第二通道的直径在150mm到350mm范围内，所述第二通道与所述煤层底板之间相距0.5m到3m。
20.根据权利要求19所述的开采装置，其中，所述第二通道之间的最短距离在50m到100m之间。
21.根据权利要求17所述的开采装置，其中，所述第三通道在距离所述煤层底板为1m到3m的位置沿着所述煤层底板横向延伸。
22.根据权利要求17或21所述的开采装置，其中，所述第三通道包括与地面垂直的垂直部分和沿所述煤层底板横向延伸的横向部分，所述横向部分延伸长度大于或等于180m。
23.根据权利要求17所述的开采装置，其中，所述第一通道位于所述第二通道的两侧，所述第一通道的纵向间距为20m到80m之间，横向间距为40m到100m之间。
24.一种使用权利要求17所述的油页岩开采装置在煤和油页岩原位开采制油气的应用。
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