CN103321618A - 油页岩原位开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油页岩原位开采方法，属于油页岩开采领域。该方法包括以下步骤：设置连通至所开采的油页岩层的管柱，在油页岩层水平段处设置加热器；通过管柱向所开采的油页岩层内注入水，通过加热器将注入的水加热至不低于油页岩的热裂解温度，使油页岩裂解；对所述裂解后的页岩油和页岩气进行采收；分离出来的水（蒸汽）再注入井下油页岩处，循环利用。该方法通过注水加热裂解油页岩即可以实现油页岩的原位开采，不需要井口蒸汽发生装置，不需要注入烃类气体，分离出来的水（蒸汽）循环注入，耗水量少，可以达到地面很难达到的高温，产生的热量就地加热地层，不需要处理油页岩残渣，对环境污染小，温度可控，成本低。

Description

油页岩原位开采方法

技术领域

本发明涉及油页岩开采领域，特别是涉及一种油页岩原位开采方法。

背景技术

油页岩是一种含有固体可燃有机质的沉积岩，其可燃有机质一般被称为油母或干酪根，常呈现灰棕色或黑色。自然状态下，天然的油页岩是一种渗透性和孔隙率极低的泥质页岩，干酪根以固态的形式赋存于油页岩中并融为一体。油页岩内部的微小层理在地下原位完全处于闭合状态。在所有的化石燃料中，若把储量折算为发热量，油页岩仅次于煤而列第二位；世界范围内的油页岩储量相当大，若折算成页岩油，可达4000多亿吨，相当于目前世界天然探明原油可采储量的5倍多，是一种潜在的巨大能源，是国际公认的传统石油资源的重要替代品之一。我国油页岩资源丰富，2003-2006年新一轮中国油页岩资源评价数据显示，油页岩在我国分布较广，遍布在全国二十个省（市、区）的四十七个盆地，总储量约为476亿t当量油，1.5倍于常规油气资源量，位居世界第四位。我国油页岩含油率中等偏好，其中含油率5%～10%和大于10%的油页岩资源分别占全国油页岩资源的37%和18%，主要的含油率范围是在3.5%～18%。

油页岩的常规开采方式可分为露天开采和地下巷道开采两种。露天开采是露天剥土，直接采油页岩矿石，占用了大量土地，同时也对周围环境造成极大污染；地下巷道开采是在地下打巷道，用凿岩机采油页岩矿石，采出的油页岩矿石堆积在地面，同样占用了大量土地。而且这两种开采方式都需要把地下水位降低到含油页岩层的层位下，这样做会危害到矿山附近的耕地和森林。

地下热传导就地转化处理工艺技术是在含油页岩地层中钻加热井，对油页岩层进行加热，稠油和气从干酪根中排出，并经过致密碳组分中较轻组分的富集形成、排出和相态改变等一系列变化，更多的富氢化合物从液态变成气态。这些轻烃在地下通过自然或人工裂缝流入到生产井附近，通过该种工艺，地下原生碳的提取率可以达到65%～70%。根据加热源的不同，又分为ICP工艺（电加热）和IVE工艺（热天然气加热）。由于IVE工艺浪费大量宝贵的天然气资源，同时需要建设输气管道，成本高昂；如果注入热蒸汽，注入设备庞大，日常耗费高，设备占地面积大，经济效益差，更重要的是油页岩主要热裂解温度在350℃～850℃之间，地面加热达到该温度极为困难，同时注入井下热损失大，经济效益差。而ICP工艺加热方式简单，施工方便，热效率高，占地面积小，加热温度可以达到1000℃以上，而且加热温度可以调控，是一种良好的开采方法。但是，油页岩原位加热由于油页岩热传导率低，热容高，加热效果差，因此需要对原位加热进行优化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种油页岩原位加热注入水开采方法，能以较低成本实现油页岩的原位开采，从而解决：露天开采环境污染；地下巷道开采生态破坏；IVE工艺成本高；注入蒸汽原位开采设备庞大、成本高等问题，尤其是常规油页岩原位加热效率低的问题。

解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明实施例提供一种油页岩原位开采方法，包括：

在油页岩层内钻水平井，设置井口连通至所开采的油页岩层水平井的管柱，在所述油页岩层的水平井段内设置加热器；

通过所述管柱向所开采的油页岩层内注入水，通过所述加热器将注入的所述水加热至不低于所述油页岩的热裂解温度，使所述油页岩裂解；

在所述油页岩层的上部开设生产井，生产井井底压力由于泵的抽吸作用以及页岩气、蒸汽的窜入，低于地层压力，使页岩油、页岩气不断流入，对所述裂解后流至所述生产井的页岩油和页岩气进行采收。

本发明的有益效果为：通过注水加热裂解油页岩即可以实现油页岩的原位开采，不需要井口蒸汽发生装置，不需要注入烃类气体，耗水少，可以达到地面很难达到的高温，产生的热量就地加热地层，不需要处理油页岩残渣，对环境污染小，温度可控，成本低，并且分离出来的高温水（蒸汽），也可以继续注入井下，循环利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的方法注入水的速度为0时的温度分布特性图；

图2为本发明实施例提供的方法注入水的速度为3×10^-4m/s时的温度分布特性图；

图3为本发明实施例提供的方法加热10年页岩油产量（吨）的曲线示意图；

图4为本发明实施例提供的方法加热10年页岩油产量比值的曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的方法加热12个月页岩油产量（吨）的曲线示意图；

图6为本发明实施例提供的方法加热12个月页岩油产量比值的曲线示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种油页岩原位开采方法，该方法包括以下步骤：

设置连通至所开采的油页岩层的管柱，在所述油页岩层水平段处设置加热器；

通过所述管柱向所开采的油页岩层内注入水，通过所述加热器将注入的所述水加热至不低于所述油页岩的热裂解温度，使所述油页岩裂解；

对所述裂解后的页岩油和页岩气进行采收。

进一步的，上述方法还包括：将热裂解所述油页岩后分离得到的热水或蒸汽回收后，循环利用注入以继续加热油页岩层。从而实现热水或蒸汽的循环利用，达到节能环保的效果。

上述方法中，管柱可采用真空隔热管，可减少井下加热的热损失。

上述方法中，注入的水可采用蒸馏水，可以避免在井下高温结垢堵塞油页岩层，影响注入效果。可以知道，能够用于注入的水并不限于蒸馏水，只要是地层配伍、不结垢均可使用，如还可采用低矿化度水等。

上述方法还包括：控制向所开采的油页岩层内注入水的速度，以轻微压裂地层保持水能注入为准。根据油页岩低孔低渗的特点，油页岩层位置注入速度可以选择1×10^-4m/s～5×10^-4m/s，但不仅限于此，具体注入速度可根据现场注入情况来确定。在井口通过水压致裂方法监测地层裂缝的打开情况，首先保证水能注入，但只能轻微压裂地层，否则容易造成加热水沿裂缝的窜流，加热效果差，最终影响采收率。在注入水的压力下降时，即裂缝打开时要降低注入速度，避免裂缝扩张，保证加热效果。

上述方法中，在油页岩层水平段处设置加热器包括：

在所述油页岩层设置水平加热井，所述水平加热井距所述油页岩层底部的距离至多为5m（即水平加热井处于油页岩层底部以上5m范围内的油页岩层中）；该距离可确保能充分加热底部的油页岩层。

所述加热器设置在所述水平加热井内。

进一步的，加热器采用形状对称的电加热器；并可采用扶正器使加热器居中，使油页岩层均匀加热。在加热器上部可设置隔热密封装置，可避免对上部输电电缆造成损害；加热器外部设置带孔（缝）的套管保护，避免油页岩垮塌掩埋加热器，同时允许注入的流体进入油页岩层。具体的，井下设置的加热器功率可根据注入速度及流体加热需要达到的温度来计算，只要加热器的功率满足将注入的水加热至很好的热裂解油页岩即可。所述的电加热器采用电阻加热、电磁感应加热、微波加热以及射频加热等中的任一种。

上述方法中，对所述裂解后的页岩油和页岩气进行采收包括：

在所述油页岩层水平段的顶部设置收集所述裂解后的页岩油和页岩气的生产井（生产井的位置可处于在油页岩层顶部下方1m范围内的油页岩层里），所述生产井的位置高于所述加热器设置的位置；

通过地面设置的高温处理装置采收所述生产井内收集的所述页岩油和页岩气。

上述方法还包括：通过地面的所述高温处理装置采收收集至所述生产井内热裂解所述油页岩层的热水和/或蒸汽。从而使得热水和/或蒸汽可以继续注入井下，循环利用。

上述方法中，注入水在所述油页岩层内加热后的温度不低于1123.15K（即850℃），这种温度可以达到较好的热裂解油页岩效果。

下面结合具体实施例对本发明的方法作进一步说明。

步骤1，在所开采的油页岩层内设置管柱，常温的注入水（如后续循环注入，则可以注入回收的高温水或蒸汽）通过管柱注入井下油页岩层；

管柱可采用真空隔热管来减少井下加热的热损失；

注入的水可采用蒸馏水或低矿化度水（以注入水与地层配伍，不结垢为标准），避免在井下高温结垢堵塞油页岩层，影响注入效果，同时使地层一定程度坍塌，利于水注入。

步骤2，在井下的油页岩层的水平段设置水平加热井，水平加热井内设置加热器，加热器在井下将注入的水加热到不低于油页岩热裂解的温度，在油页岩层内注入水在加热器加热后的温度需要达到1123.15K（850℃），可保证较好的热裂解油页岩效果；

步骤3，控制向井下油页岩层注入水的注入速度，可在井口通过水压致裂方法监测地层裂缝的打开情况：首先保证水能注入，但只能轻微压裂地层，否则容易造成加热水沿裂缝的窜流，加热效果差，最终影响采收率；在注入压力下降时，即裂缝打开时要降低注入速度，避免裂缝扩张。

井下加热器的功率可根据水的注入速度及流体加热需要达到的温度来计算；加热器形状对称，并且采用扶正器使加热器居中，使油页岩层均匀加热。进一步的，加热器上部需要隔热密封装置，避免对上部输电电缆造成损害；加热器外部设置带孔（缝）的套管保护，避免油页岩垮塌掩埋加热器，同时允许注入的流体进入油页岩层。加热器可采用电加热，包括电阻加热、电磁感应加热、微波加热、射频加热等加热方式，具有加热方式简单，施工方便，热效率高（产生热量就地传导），占地面积小，加热温度可以达到1000℃以上，而且加热温度可以通过改变电压、功率等参数方便调控。

步骤4，在油页岩层水平段，距油页岩层底部至多5m钻水平加热井，在油页岩层顶部再钻一口水平生产井，通过常规的方法采收油页岩层在热蒸汽作用下裂解后得到的页岩油和页岩气；

步骤5，在地面配备高温处理装置（可以是高温液气水处理装置），用于页岩油和页岩气的采收和水（蒸汽）的分离。

步骤6，分离出来的高温水（蒸汽），可以继续注入井下，循环利用，加热效果好，节约电能。

通过本发明实施例提供的开采方法，可实现原位开采油页岩，并具有以下优点：

（1）加热效果好：

从图1～图2可见，流体注入速度为0时加热效果差，加热10年后油页岩层温度变化很小，加热效果差。注入流体速度为3×10^-4m/s时，离地层注入端5～10m位置温度1年内升高到注入端温度，由于体积力作用，使地层上部加热效果高于下部；地层深部加热效果也高于注入速度为0时，但升高的温度低。可见，井下原位加热注入油页岩层的流体改善了加热效果。

（2）开采效果好：

从图3～图6可见，注入速度为0时，页岩油产量很小，随着时间的增加产量变化不大。注入速度为3×10^-4m/s时，页岩油产量迅速增加；页岩油产量主要在第一年产出，第一年又主要在注入热流体初期（1～3月）产出。注入速度为3×10^-4m/s时的最高年产量是没有注入流体时的96.8倍，最低也达到7.5倍；注入速度为3×10^-4m/s时的最高月产量是没有注入流体时的365.4倍，最低也达到8.7倍。可见，热流体的注入大大的增加了页岩油的产出，开发周期短。油页岩原位井下注入热流体加热是一种油页岩高效的开发方法。

本发明的开采方法，通过注水加热裂解油页岩即可以实现油页岩的原位开采，不需要井口蒸汽发生装置，不需要注入烃类气体，分离出来的高温水（蒸汽），可以继续注入井下，循环利用，耗水少，可以达到地面很难达到的高温，产生的热量就地加热地层，不需要处理油页岩残渣，对环境污染小，温度可控，成本低。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种油页岩原位开采方法，其特征在于，包括：

设置连通至所开采的油页岩层的管柱，在所述油页岩层水平段处设置加热器；

通过所述管柱向所开采的油页岩层内注入水，通过所述加热器将注入的所述水加热至不低于所述油页岩的热裂解温度，使所述油页岩裂解；

对所述裂解后的页岩油和页岩气进行采收。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：回收热裂解所述油页岩后分离得到的热水和/或蒸汽，循环注入以继续加热所述油页岩层。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述管柱采用真空隔热管；

所述注入的水采用蒸馏水。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：控制向所开采的油页岩层内注入水的速度为1×10^-4m/s～5×10^-4m/s。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述油页岩层水平段处设置加热器包括：

在所述油页岩层处设置水平加热井，所述水平加热井距所述油页岩层底部的距离至多为5m；

所述加热器设置在所述水平加热井内。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述加热器采用形状对称的电加热器；所述加热器上部设置隔热密封装置，加热器外部设置带孔或缝的套管。

7.根据权利6所述的方法，其特征在于，所述电加热器采用电阻加热、电磁感应加热、微波加热或射频加热。

8.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述对所述裂解后的页岩油和页岩气进行采收包括：

在所述油页岩层水平段的顶部设置收集所述裂解后的页岩油和页岩气的生产井，所述生产井的位置高于所述加热器设置的位置；

通过地面设置的高温处理装置以常规方法采收所述生产井内收集的所述页岩油和页岩气。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：通过地面的所述高温处理装置采收收集至所述生产井内裂解所述油页岩层的热水和/或蒸汽。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述注入水在所述油页岩层内经所述加热器加热后的温度不低于850℃。

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