CN103114831B

CN103114831B - 一种油页岩油气资源原位开采方法

Info

Publication number: CN103114831B
Application number: CN201310057719.4A
Authority: CN
Inventors: 梁卫国; 耿毅德; 康志勤; 杨栋; 赵阳升; 陈跃都
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-02-25
Also published as: CN103114831A

Abstract

一种油页岩油气资源原位开采方法，属于地下矿产资源开采技术领域，其特征在于是一种综合利用水力压裂、金刚砂支撑和过热蒸汽热解等技术，对地下油页岩中的油气进行高效、绿色、节能开采的方法的技术方案。其优点在于：与现有对流加热法相比，该方法通过油页岩矿层厚度方向的分段压裂、压裂液中加入mm级金刚砂支撑以及高温过热蒸汽注入后的间歇式启闭生产等措施，极大提高了油页岩油气资源回采率与生产效率。该发明的方法可广泛适用于地下不同埋深、不同厚度的油页岩油气资源开采，特别适用于厚度较大的油页岩矿开采。

Description

一种油页岩油气资源原位开采方法

技术领域：

本发明一种油页岩油气资源原位开采方法，属于地下矿产资源开采技术领域，是一种综合利用水力压裂、金刚砂支撑、过热蒸汽热解等技术，对地下油页岩中的油气进行高效、绿色、节能开采的方法。

技术背景：

油页岩是在矿物机体中含有固体可燃有机质（油、气）的沉积岩，我国油页岩资源非常丰富，据统计1000m以内油页岩资源量为7199亿吨，按含油率6％计算，页岩油资源量为432亿吨，对油页岩油气资源的高效开采将极大缓解我国目前油气资源紧缺局面。

国内外对油页岩油气资源开采的主要方法有：露天开采高温炉干馏法与地下原位加热热解法两大类。其中，露天开采高温炉干馏法，主要开采埋深较浅的油页岩油气资源，其开采技术类似于煤矿或金属矿露天开采，将从矿层中剥离的油页岩矿块，运送至干馏厂经过一定处理后，通过高温热解提炼其中油气。而地下原位加热热解法，不同于露天开采高温炉干馏法，它是通过对地下矿体原位加热，实现油页岩油气资源的地下热解开采，由于不破坏地表、不污染环境，是一种更加绿色、有着广阔应用前景的开采方法。

目前，对油页岩油气地下原位加热的方法主要有：传导加热法、对流加热法和辐射加热法三大类。传导加热法的代表主要有壳牌ICP（In-situ Conversion Process）方法与埃克森美孚电压裂工艺，这两种方法都是利用电或者天然气进行加热开采油气；对流加热法的代表主要有Petro Probe公司的空气加热方法与太原理工大学的高温烃类气体对流加热法，这些方法均利用注入高温气体为油页岩层中油气的热解提供能量；辐射加热法的代表主要有美国伊利诺理工大学提出的射频加热法与Raytheon公司的RF／CF技术，该方法是利用无线射频来加热油页岩。

综合分析比较几种原位加热方法，可以发现：传导加热技术比较成熟，加热容易控制，但速度较慢，容易造成大量热量损失，成本较高，且由于油页岩的热膨胀，致使部分裂缝闭合，降低了油页岩的渗透性，而产生的油气压力较低，导致油气回收率较低；射频加热法穿透力强，加热速度较快，但成本较高，技术难度较大。相比较而言，对流加热法对油页岩加热速度较快，但由于容易形成流体的短路，使得热流不与油页岩换热就排出地层。由于油页岩地层的低渗透性，为了干馏气体顺利导出，应对油页岩地层进行压裂，增加其孔隙度和渗透率；同时，要保证这一孔隙度和渗透率，必需长期施加较高的注入流体压力，这对注入设备及地层管道均提出了较高的质量要求。

实验室研究发现，在无约束应力状态下高温热破裂会产生大量贯通的水平裂缝，这与油页岩的沉积地质作用过程密切相关。大部分油页岩均有沉积地质作用的过程，因此，油页岩矿床水平层理特别发育是油页岩矿层的基本特征。在油页岩储层油气资源开采过程中，提高油页岩层的热解面积有利于提高油气产出率，而提高油页岩矿层的渗透性，有利于提高产出油气的采出率。由此可见，提高油页岩矿层的热解面积与渗透性是对地下油页岩矿层中油气实现高效、绿色开采的核心与关键。

发明内容：

本发明一种油页岩油气资源原位开采方法的目的在于，克服上述现有技术中对流加热法的缺点与不足，根据实验研究发现的油页岩层地质特征，公开一种能够充分利用该地质特征，进行油页岩油气资源的高效、绿色、节能开采的方法。

本发明一种油页岩油气资源原位开采方法，其特征在于是在地下油页岩矿层厚度范围内，采用群井水压致裂技术对油页岩矿层进行分段压裂连通，为保持压裂裂缝的张开度与渗透性，在分段压裂连通过程中，在压裂液中按比例加入mm级金刚砂类支撑剂支撑裂缝；待整个油页岩矿层分段压裂连通全部完成后，将高温过热蒸汽以大排量中低压方式注入压裂油页岩矿层，并通过间歇式启闭生产井，实现加热区域油页岩充分热解，提高油气生产效率。

其具体实施的步骤为：

（1）在选定油页岩开采区域地面进行钻井布置，井组的布置方式呈田字式或带心环形式，一般4至5口井为一组；

（2）在选定井组井点位置，从地面实施钻孔至油页岩矿层下部位置，井底一般距矿层底部5～8m；

（3）一组井全部钻井完成后，对油页岩矿层在厚度方向上实施分段压裂，分段高度一般3～5m，分段压裂顺序为由下至上；

（4）在每一分段实施压裂时，选择田字式或带心环形式的中心井为压裂井，其余井为目标井，进行水力压裂连通；

（5）在每一分段压裂连通过程中，根据压裂面积大小，按30～50%比例注入mm级金刚砂，进行裂缝支撑；

（6）待油页岩矿层中所有分段全部压裂连通后，选择中心井为注入井，周围井为生产井，注入中低压高温过热蒸汽，对油页岩矿体油气资源进行热解开采；

（7）在热解开采过程中，根据生产井产出物的检测结果，对生产井进行间歇式启闭生产；

（8）根据生产油气质量持续较差的生产井，可适时调换为注入井，进行控制区域内油气资源的高效开采。

上述的一种油页岩油气资源原位开采方法，其特征在于：所述步骤（3）中，对油页岩矿层在厚度方向上实施分段压裂，按阶段高度3～5m标准，将矿体分为若干分段，在每一分段内，进行独立的水力压裂连通。

上述的一种油页岩油气资源原位开采方法，其特征在于：所述步骤（5）中，根据压裂面积大小，按比例注入的mm级金刚砂，进行裂缝支撑，压裂面积为压裂井与目标井控制面积，注入mm级金刚砂比例为注入水量的30～50% 。

上述的一种油页岩油气资源原位开采方法，其特征在于：所述步骤（6）中，注入中低压高温过热蒸汽，注入的高温过热蒸汽温度为≥400℃，注入的蒸汽压力控制在开采矿层垂直地应力和垂直地应力与油页岩垂向抗拉强度之和之间，即，式中——矿层所在深度地层的垂直地应力，——油页岩垂向抗拉强度。

上述的一种油页岩油气资源原位开采方法，其特征在于：所述步骤（7）中，对生产井进行间歇式启闭生产，是当注入井注入高温过热蒸汽后，持续关闭生产井2～3天，保障高温过热蒸汽对控制区域内油页岩油气进行充分热解，提高油气产量。

本发明一种油页岩油气资源原位开采方法的优点在于：与现有对流加热法相比，该方法通过油页岩矿层厚度方向的分段压裂、压裂液中加入mm级金刚砂支撑以及高温过热蒸汽注入后的间歇式启闭生产等措施，极大提高了油页岩油气资源回采率与生产效率。该发明方法适用于地下不同埋深、不同厚度的油页岩油气资源开采，特别适用于厚度较大的油页岩矿开采。

附图说明：

图1：群井井组带心环形式布置方式；

图中的标号：1——中心井；2——目标井

图2：群井井组田字式布置方式；

图中的标号：1——中心井；2——目标井

图3：群井分段携砂压裂连通示意图；

图中的标号：1——中心井；2——目标井；3——压裂裂缝；4——金刚砂

具体实施方式：

实施方式1：如图1、3所示，在一个厚度为30m，埋藏深度150m的近水平的单一油页岩矿层中，采用本发明布置4口井，各目标井距中心井间距50m，呈带心环形式分布。各钻井分别钻至油页岩矿层下部，井底距矿层底部5m，按5m的分段高度将油页岩矿层分为6段，由下至上在每一分段由中心井向目标井进行水力压裂连通。当所有分段全部压裂连通后，选择中心井为注入井，周围井为生产井，注入高温过热蒸汽，对油页岩矿体油气资源进行热解开采。

具体步骤如下：

（1）在选定油页岩开采区域地面进行钻井布置，井组的布置方式呈带心环形式，4口井为一组；

（2）在选定井组井点位置，从地面实施钻孔至油页岩矿层下部位置，井底距矿层底部5m；

（3）一组井全部钻井完成后，对油页岩矿层在厚度方向上实施分段压裂，分段高度5m，将油页岩矿层分为6段，分段压裂顺序为由下至上；

（4）在每一分段实施压裂时，选择带心环形式的中心井为压裂井，其余井为目标井，进行水力压裂连通；

（5）在每一分段压裂连通过程中，根据压裂井与目标井的控制面积，注入占注入水量30%的mm级金刚砂，进行裂缝支撑；

（6）油页岩矿层中所有分段全部压裂连通后，选择中心井为注入井，周围井为生产井，注入3.75～5MPa、450℃的过热蒸汽，对油页岩矿体油气资源进行热解开采；

（7）在热解开采过程中，根据生产井产出物的检测结果，对生产井进行2天一开的间歇式启闭生产；

实施方式2：如图2、3所示，在一个厚度为30m，埋藏深度150m的近水平的单一油页岩矿层中，采用本发明布置5口井，各目标井距中心井间距50m，呈田字式分布。各钻井分别钻至油页岩矿层下部，井底距矿层底部5m，按5m的分段高度将油页岩矿层分为6段，由下至上在每一分段由中心井向目标井进行水力压裂连通。当所有分段全部压裂连通后，选择中心井为注入井，周围井为生产井，注入高温过热蒸汽，对油页岩矿体油气资源进行热解开采。具体步骤中，步骤（1）中的井口布置为5口井，井组的布置方式呈田字式；步骤（4）中选择田字式的中心井为压裂井；步骤（5）中注入占注入水量40%的mm级金刚砂；步骤（6）中注入3.75～5MPa、550℃的过热蒸汽；其它同实施方式1。

实施方式3：在一个厚度为60m，埋藏深度300m的单一油页岩矿层中，采用本发明布置5口井，各目标井距中心井间距50m，呈田字式分布。各钻井分别钻至油页岩矿层下部，井底距矿层底部5m，按5m的分段高度将油页岩矿层分为12段，由下至上在每一分段由中心井向目标井进行水力压裂连通。当所有分段全部压裂连通后，选择中心井为注入井，周围井为生产井，注入高温过热蒸汽，对油页岩矿体油气资源进行热解开采。具体步骤中，步骤（1）中的井口布置为5口井，井组的布置方式呈田字式；步骤（3）中将油页岩矿层分为12段；步骤（4）中选择田字式的中心井为压裂井；步骤（5）中注入占注入水量50%的mm级金刚砂；步骤（6）中注入7.5～8.75MPa、650℃的过热蒸汽；步骤（7）中对生产井进行3天一开的间歇式启闭生产；其它同实施方式1。

Claims

1. 一种油页岩油气资源原位开采方法，其特征在于是在地下油页岩矿层厚度范围内，采用群井水压致裂技术对油页岩矿层进行分段压裂连通，为保持压裂裂缝的张开度与渗透性，在分段压裂连通过程中，在压裂液中按比例加入mm级金刚砂类支撑剂支撑裂缝；待整个油页岩矿层分段压裂连通全部完成后，将高温过热蒸汽以大排量中低压方式注入压裂油页岩矿层，并通过间歇式启闭生产井，实现加热区域油页岩充分热解，提高油气生产效率；

其具体实施的步骤为：

2.按照权利要求1所述的一种油页岩油气资源原位开采方法，其特征在于：所述步骤（3）中，对油页岩矿层在厚度方向上实施分段压裂，按阶段高度3～5m标准，将矿体分为若干分段，在每一分段内，进行独立的水力压裂连通。

3.按照权利要求1所述的一种油页岩油气资源原位开采方法，其特征在于：所述步骤（5）中，根据压裂面积大小，按比例注入的mm级金刚砂，进行裂缝支撑，压裂面积为压裂井与目标井控制面积，注入mm级金刚砂比例为注入水量的30～50%。

4.按照权利要求1所述的一种油页岩油气资源原位开采方法，其特征在于：所述步骤（6）中，注入中低压高温过热蒸汽，注入的高温过热蒸汽温度为≥400℃，注入的蒸汽压力控制在开采矿层垂直地应力和垂直地应力与油页岩垂向抗拉强度之和之间，即，式中——矿层所在深度地层的垂直地应力，——油页岩垂向抗拉强度。

5.按照权利要求1所述的一种油页岩油气资源原位开采方法，其特征在于：所述步骤（7）中，对生产井进行间歇式启闭生产，是当注入井注入高温过热蒸汽后，持续关闭生产井2～3天，保障高温过热蒸汽对控制区域内油页岩油气进行充分热解，提高油气产量。