CN103470224B - 循环冻融原位破碎油页岩的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种循环冻融原位破碎油页岩的装置及方法，分别针对大、小储量油页岩层的开采，单孔、多孔原位循环破碎，均利用原位循环冻融技术；该装置主要包括高温循环装置、低温循环装置以及清孔装置三部分；所述的循环冻融原位破碎油页岩的方法，利用冷热流体交替循环产生的冻胀作用，以及冷热交替对油页岩岩体产生的热辐射，能够有效的在油页岩岩体内部形成微裂缝的产生、扩展，以致最后的剥落，很好提高了油页岩的传热效率。
Description
技术领域
本发明属于油页岩原位开采技术领域，具体涉及一种循环冻融原位破碎油页岩的装置及方法。
背景技术
传统的地面干馏工艺在油页岩的开采上，经济效益低，环境污染严重。因而自二十世纪八十年代开始，许多石油公司及相关研究机构开始了以油页岩原位开采技术为代表的新型开采工艺的研究。该技术的原理是：直接对油页岩层进行原位加热，使油页岩岩体发生裂解，生成油气，最后通过生产井把油气开采出来。油页岩原位加热方式可分为电加热、流体加热、辐射加热。该技术的关键是如何提高油页岩的传热效率。
由此思考在原位开采初始阶段增加一个油页岩原位破碎的过程，即首先将地下的油页岩在一定的体积范围内采用各种技术手段破碎成小块体积，然后再进行后续的原位加热。
中国专利201210332743.X公布了一种冷热交替高速气流破碎油页岩装置及破碎油页岩的方法，是使油页岩在冷热气流的交替作用下发生风化作用，冷热交替变化导致的不均匀涨缩三重作用下破碎，在油页岩层下方打开一个硐室，为油页岩破碎提供足够的空间。然而该方法仅适用于大面积的油页岩原位破碎，小范围的油页岩原位破碎成本较高；而且该方法水平井段的冷热交替破碎具有局限性。
岩土界对页岩的冻融损伤研究表明，页岩的冻融损伤劣化过程一般为：局部原生缺陷存在——水分向这些缺陷渗透——裂隙冰的冻胀——冻胀力作用于缺陷表面——裂缝不断扩展、贯通。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足,提供一种具有较高油页岩传热效率、成本相对较低的循环冻融原位破碎油页岩的装置及方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种循环冻融原位破碎油页岩的装置，主要适用于小储量油页岩层的开采，单孔原位循环破碎，该装置主要由高温循环装置、低温循环装置以及清孔装置三部分构成；
所述的高温循环装置由高温水箱1-1、第一高压水泵1-2、第一控制阀1-3和第三控制阀1-7相互连接构成，其中高温水箱1-1为第一高压水泵1-2提供40～100℃的高温水，第一高压水泵1-2提供高温水的循环动力，第一控制阀1-3用于循环切换，对高温水流进行控制，第一控制阀1-3输出端管道通入开采井内部，开采井井下输出物通过第三控制阀1-7进行回流控制；所述的高温循环装置中的高温水箱(1-1)、第一高压水泵(1-2)、第一控制阀(1-3)和第三控制阀(1-7)这四部分之间均由耐高温的高压胶管或其他能够耐高温且能够承受高压的管道连接，所使用的高压胶管或其他管道应具有保温的性能，以减少高温水在循环流动过程中的热能损失。
所述的低温循环装置由第二控制阀1-4、第二高压水泵1-5、低温水箱1-6和第三控制阀1-7相互连接构成；其中低温水箱1-6提供-40℃添加防冻液的清水，第二高压水泵1-5提供低温水的循环动力，第二控制阀1-4用于循环切换，第三控制阀1-7则用于回流控制。所述的低温循环装置中的第二控制阀(1-4)、第二高压水泵(1-5)、低温水箱(1-6)和第三控制阀(1-7)这四部分之间均由耐低温的高压胶管或其他能够耐低温且能够承受高压的管道连接，所使用的高压胶管或其他管道应具有保温的性能，以减少低温水在循环流动过程中与外界发生热量交换而提升水温。
所述的清孔装置包括有第四控制阀1-8、循环泵1-9和三通阀1-10，三通阀1-10连接高温水箱1-1和低温水箱1-6；第四控制阀1-8用于循环、清孔转换的控制，循环泵1-9可为一般的抽水泵，用于清孔，三通阀1-10用于冷热循环切换时孔中回流的控制，高温水箱1-1和低温水箱1-6对回流液体进行收集与再利用。
一种基于上述装置的循环冻融原位破碎油页岩的方法，包括以下步骤：
a、利用钻机在油页岩藏区钻一口穿透油页岩矿层B的开采井，所钻成的钻孔与上覆岩体A、下卧岩体C之间的孔壁间隙用套管柱密封，由于套管柱一般是由一根根完整的套管连接而成的，这里考虑到循环冻融原位破碎的需要，因此在油页岩矿层B厚度段的套管柱部分应设置相应的出口，用于实现循环冻融原位破碎油页岩的过程中高温和低温流体的溢出与回流；
b、打开第二控制阀1-4和第三控制阀1-7，开启第二高压水泵1-5，此时处于低温水箱1-6中的-40℃添加防冻液的低温水被抽吸出来，并在管道中进行低温正循环；
c、停止第二高压水泵1-5，关闭第二控制阀1-4和第三控制阀1-7，打开第四控制阀1-8、三通阀1-10、开启循环泵1-9，清空孔内低温循环液；
d、停止循环泵1-9，关闭第四控制阀1-8、三通阀1-10，打开第一控制阀1-3、第三控制阀1-7，开启第一高压水泵1-2，此时处于高温水箱1-1中的40～100℃的高温水被抽吸出来，并在管道中进行高温正循环；
e、停止第一高压水泵1-2，关闭第一控制阀1-3、第三控制阀1-7，打开第四控制阀1-8，调整三通阀1-10，开启循环泵1-9，清空孔内高温循环液；
f、重复a-e若干次，循环的次数由处于地下的油页岩矿层物理力学性质所决定，具体说来，即如果处于地下的油页岩矿层的物理力学性质较弱时，则循环的次数可相对少一些，但是当处于地下的油页岩矿层的物理力学性质较强时，则循环的次数可相对多一些。简言之，循环冻融的次数以能够实现处于地下的油页岩矿层的原位破碎为准。由这若干次的往复循环构成一个完整的循环周期。
一种双孔或多孔循环冻融原位破碎油页岩的装置。主要适用于大储量或分布相对分散但集中在某一片区域中的油页岩储层的开采，其装置主要由高温循环装置和低温循环装置两部分构成。下面以双孔为例进行说明。
所述的高温循环装置由第一高压水泵2-1、高温水箱2-2、三通阀2-3、抽吸泵2-7和第二控制阀2-8相互连接构成；其中第一高压水泵2-1提供高温热水的循环动力，第二控制阀2-8用于高温水循环的切换控制，抽吸泵2-7主要是考虑到大储量油页岩层原位破碎时循环动力的不足以及提高循环时效而增设的一个循环动力，并且兼顾清孔的作用，三通阀2-3用于循环切换，高温水箱2-2提供40～100℃的高温水。这五部分之间均由耐高温的高压胶管或其他能够耐高温且能够承受高压的管道连接，所使用的高压胶管或其他管道应具有保温的性能，以减少高温水在循环流动过程中的热能损失。
所述的低温循环装置由三通阀2-3、低温水箱2-4、第二高压水泵2-5、第一控制阀2-6和抽吸泵2-7相互连接构成。其中第二高压水泵2-5提供低温水的循环动力，第一控制阀2-6用于低温水循环的切换控制，抽吸泵2-7主要是考虑到大储量油页岩层原位破碎时循环动力的不足以及提高循环时效而增设的一个循环动力，并且兼顾清孔的作用，三通阀2-3用于低温水循环的切换，低温水箱2-4提供-40℃添加防冻液的低温水。这五部分之间均由耐低温的高压胶管或其他能够耐低温且能够承受高压的管道连接，所使用的高压胶管或其他管道应具有保温的性能，以减少低温水在循环流动过程中与外界发生热量交换而提升水温。
一种基于上述装置的循环冻融原位破碎油页岩的方法，包括以下步骤：
a、利用定向对接井钻进技术在油页岩矿层钻一口对接生产井；
b、打开第一控制阀2-6、抽吸泵2-7以及三通阀2-3，开启第二高压水泵2-5，此时处于低温水箱2-4中的-40℃添加防冻液的低温水被抽吸出来，并在管道中进行低温正循环；
c、停止第二高压水泵2-5，抽吸泵2-7继续运行一段时间，清空孔内低温循环液；
d、关闭第一控制阀2-6，调整三通阀2-3，打开第二控制阀2-8，开启第一高压水泵1，此时处于高温水箱2-2中的40～100℃的高温水被抽吸出来，并在管道中进行高温正循环；
e、停止第一高压水泵2-1，抽吸泵2-7持续运行一段时间，清空孔内高温循环液；
f、重复a-e，循环的次数由处于地下的油页岩矿层物理力学性质所决定，具体说来，即如果处于地下的油页岩矿层的物理力学性质较弱时，则循环的次数可相对少一些，但是当处于地下的油页岩矿层的物理力学性质较强时，则循环的次数可相对多一些。简言之，循环冻融的次数以能够实现处于地下的油页岩矿层的原位破碎为准。由这若干次的往复循环构成一个完整的循环周期。
本发明的有益效果在于：
1、两种方案均通过原位循环冻融技术，具体在于原位性和冻融循环破碎两方面，这也是油页岩破碎的创新之处；
2、针对小储量、以及大储量或分布相对分散但集中在某一片区域中的油页岩储层采用不同的装置进行循环冻融原位破碎油页岩，合理节约了成本；
3、循环冻融原位破碎油页岩，利用冷热流体交替循环产生的冻胀作用，以及冷热交替对油页岩岩体产生的热辐射，能够有效的在油页岩岩体内部形成微裂缝的产生、扩展，以致最后的剥落，很好提高了油页岩的传热效率。
附图说明
图1：本发明的一种循环冻融原位破碎油页岩的装置示意图
图2：本发明的一种双孔或多孔循环冻融原位破碎油页岩的装置示意图
图中：
1-1高温水箱，1-2第一高压水泵，1-3第一控制阀，1-4第二控制阀，
1-5第二高压水泵，1-6低温水箱，1-7第三控制阀，1-8第四控制阀，
1-9循环泵，1-10三通阀；
2-1第一高压水泵，2-2高温水箱，2-3三通阀，2-4低温水箱，
2-5第二高压水泵，2-6第一控制阀，2-7抽吸泵，2-8第二控制阀；
A上覆岩体，B油页岩矿层，C下卧岩体。
具体实施方式
下面结合附图对发明进行详细介绍。
如图1所示，一种循环冻融原位破碎油页岩的装置，主要适用于小储量油页岩层的开采，单孔原位循环破碎，该装置主要由高温循环装置、低温循环装置以及清孔装置三部分构成；
所述的高温循环装置由高温水箱1-1、第一高压水泵1-2、第一控制阀1-3和第三控制阀1-7相互连接构成，其中高温水箱1-1为第一高压水泵1-2提供40～100℃的高温水，第一高压水泵1-2提供高温水的循环动力，第一控制阀1-3用于循环切换，对高温水流进行控制，第一控制阀1-3输出端管道通入开采井内部，开采井井下输出物通过第三控制阀1-7进行回流控制；这四部分之间均由耐高温的高压胶管或其他能够耐高温且能够承受高压的管道连接，所使用的高压胶管或其他管道应具有保温的性能，以减少高温水在循环流动过程中的热能损失。
所述的低温循环装置由第二控制阀1-4、第二高压水泵1-5、低温水箱1-6和第三控制阀1-7相互连接构成；其中低温水箱1-6提供-40℃添加防冻液的清水，第二高压水泵1-5提供低温水的循环动力，第二控制阀1-4用于循环切换，第三控制阀1-7则用于回流控制。这四部分之间均由耐低温的高压胶管或其他能够耐低温且能够承受高压的管道连接，所使用的高压胶管或其他管道应具有保温的性能，以减少低温水在循环流动过程中与外界发生热量交换而提升水温。
所述的清孔装置包括有第四控制阀1-8、循环泵1-9和三通阀1-10，三通阀1-10连接高温水箱1-1和低温水箱1-6；第四控制阀1-8用于循环、清孔转换的控制，循环泵1-9可为一般的抽水泵，用于清孔，三通阀1-10用于冷热循环切换时孔中回流的控制，高温水箱1-1和低温水箱1-6对回流液体进行收集与再利用。
一种基于上述装置的循环冻融原位破碎油页岩的方法，包括以下步骤：
a、利用钻机在油页岩藏区钻一口穿透油页岩矿层B的开采井，所钻成的钻孔与上覆岩体A、下卧岩体C之间的孔壁间隙用套管柱密封，由于套管柱一般是由一根根完整的套管连接而成的，这里考虑到循环冻融原位破碎的需要，因此在油页岩矿层B厚度段的套管柱部分应设置相应的出口，用于实现循环冻融原位破碎油页岩的过程中高温和低温流体的溢出与回流；
b、打开第二控制阀1-4和第三控制阀1-7，开启第二高压水泵1-5，此时处于低温水箱1-6中的-40℃添加防冻液的低温水被抽吸出来，并在管道中进行低温正循环；
c、停止第二高压水泵1-5，关闭第二控制阀1-4和第三控制阀1-7，打开第四控制阀1-8、三通阀1-10、开启循环泵1-9，清空孔内低温循环液；
d、停止循环泵1-9，关闭第四控制阀1-8、三通阀1-10，打开第一控制阀1-3、第三控制阀1-7，开启第一高压水泵1-2，此时处于高温水箱1-1中的40～100℃的高温水被抽吸出来，并在管道中进行高温正循环；
e、停止第一高压水泵1-2，关闭第一控制阀1-3、第三控制阀1-7，打开第四控制阀1-8，调整三通阀1-10，开启循环泵1-9，清空孔内高温循环液；
f、重复a-e若干次，循环的次数由处于地下的油页岩矿层物理力学性质所决定，具体说来，即如果处于地下的油页岩矿层的物理力学性质较弱时，则循环的次数可相对少一些，但是当处于地下的油页岩矿层的物理力学性质较强时，则循环的次数可相对多一些。简言之，循环冻融的次数以能够实现处于地下的油页岩矿层的原位破碎为准。由这若干次的往复循环构成一个完整的循环周期。
如图2所示，为本发明的一种双孔或多孔循环冻融原位破碎油页岩的装置(以双孔为例进行说明)。主要适用于大储量或分布相对分散但集中在某一片区域中的油页岩储层的开采，其装置主要由高温循环装置和低温循环装置两部分构成。
所述的高温循环装置由第一高压水泵2-1、高温水箱2-2、三通阀2-3、抽吸泵2-7和第二控制阀2-8相互连接构成；其中第一高压水泵2-1提供高温热水的循环动力，第二控制阀2-8用于高温水循环的切换控制，抽吸泵2-7主要是考虑到大储量油页岩层原位破碎时循环动力的不足以及提高循环时效而增设的一个循环动力，并且兼顾清孔的作用，三通阀2-3用于循环切换，高温水箱2-2提供40～100℃的高温水。这五部分之间均由耐高温的高压胶管或其他能够耐高温且能够承受高压的管道连接，所使用的高压胶管或其他管道应具有保温的性能，以减少高温水在循环流动过程中的热能损失。
所述的低温循环装置由三通阀2-3、低温水箱2-4、第二高压水泵2-5、第一控制阀2-6和抽吸泵2-7相互连接构成。其中第二高压水泵2-5提供低温水的循环动力，第一控制阀2-6用于低温水循环的切换控制，抽吸泵2-7主要是考虑到大储量油页岩层原位破碎时循环动力的不足以及提高循环时效而增设的一个循环动力，并且兼顾清孔的作用，三通阀2-3用于低温水循环的切换，低温水箱2-4提供-40℃添加防冻液的低温水。这五部分之间均由耐低温的高压胶管或其他能够耐低温且能够承受高压的管道连接，所使用的高压胶管或其他管道应具有保温的性能，以减少低温水在循环流动过程中与外界发生热量交换而提升水温。
一种基于上述装置的循环冻融原位破碎油页岩的方法，包括以下步骤：
a、利用定向对接井钻进技术在油页岩矿层钻一口对接生产井；
b、打开第一控制阀2-6、抽吸泵2-7以及三通阀2-3，开启第二高压水泵2-5，此时处于低温水箱2-4中的-40℃添加防冻液的低温水被抽吸出来，并在管道中进行低温正循环；
c、停止第二高压水泵2-5，抽吸泵2-7继续运行一段时间，清空孔内低温循环液；
d、关闭第一控制阀2-6，调整三通阀2-3，打开第二控制阀2-8，开启第一高压水泵1，此时处于高温水箱2-2中的40～100℃的高温水被抽吸出来，并在管道中进行高温正循环；
e、停止第一高压水泵2-1，抽吸泵2-7持续运行一段时间，清空孔内高温循环液；
f、重复a-e，循环的次数由处于地下的油页岩矿层物理力学性质所决定，具体说来，即如果处于地下的油页岩矿层的物理力学性质较弱时，则循环的次数可相对少一些，但是当处于地下的油页岩矿层的物理力学性质较强时，则循环的次数可相对多一些。简言之，循环冻融的次数以能够实现处于地下的油页岩矿层的原位破碎为准。由这若干次的往复循环构成一个完整的循环周期。
上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (4)
1.一种循环冻融原位破碎油页岩的装置，由高温循环装置、低温循环装置以及清孔装置三部分构成；其特征在于：
所述的高温循环装置由高温水箱(1-1)、第一高压水泵(1-2)、第一控制阀(1-3)和第三控制阀(1-7)相互连接构成，其中高温水箱(1-1)为第一高压水泵(1-2)提供40～100℃的高温水，第一高压水泵(1-2)提供高温水的循环动力，第一控制阀(1-3)对高温水流进行循环切换控制，第一控制阀(1-3)输出端管道通入开采井内部，开采井井下输出物通过第三控制阀(1-7)进行回流控制；所述的高温循环装置中的高温水箱(1-1)、第一高压水泵(1-2)、第一控制阀(1-3)和第三控制阀(1-7)这四部分之间均由耐高温的高压胶管或其他能够耐高温且能够承受高压的管道连接，所使用的高压胶管或其他管道应具有保温的性能；
所述的低温循环装置由第二控制阀(1-4)、第二高压水泵(1-5)、低温水箱(1-6)和第三控制阀(1-7)相互连接构成；其中低温水箱(1-6)提供-40℃添加防冻液的清水，第二高压水泵(1-5)提供低温水的循环动力，第二控制阀(1-4)进行循环切换，第三控制阀(1-7)进行回流控制；所述的低温循环装置中的第二控制阀(1-4)、第二高压水泵(1-5)、低温水箱(1-6)和第三控制阀(1-7)这四部分之间均由耐低温的高压胶管或其他能够耐低温且能够承受高压的管道连接，所使用的高压胶管或其他管道应具有保温的性能；
所述的清孔装置包括有第四控制阀(1-8)、循环泵(1-9)和三通阀(1-10)，三通阀(1-10)连接高温水箱(1-1)和低温水箱(1-6)；第四控制阀(1-8)进行循环、清孔转换的控制，循环泵(1-9)为一般的抽水泵，进行清孔，三通阀(1-10)进行冷热循环切换时孔中回流的控制，高温水箱(1-1)和低温水箱(1-6)对回流液体进行收集与再利用。
2.一种基于权利要求1所述装置的循环冻融原位破碎油页岩的方法，其特征在于包括以下步骤：
a、利用钻机在油页岩藏区钻一口穿透油页岩矿层(B)的开采井，所钻成的钻孔与上覆岩体(A)、下卧岩体(C)之间的孔壁间隙用套管柱密封，在油页岩矿层(B)厚度段的套管柱部分设置出口，用于实现循环冻融原位破碎油页岩的过程中高温和低温流体的溢出与回流；
b、打开第二控制阀(1-4)和第三控制阀(1-7)，开启第二高压水泵(1-5)，此时处于低温水箱(1-6)中的-40℃添加防冻液的低温水被抽吸出来，并在管道中进行低温正循环；
c、停止第二高压水泵(1-5)，关闭第二控制阀(1-4)和第三控制阀(1-7)，打开第四控制阀(1-8)、三通阀(1-10)、开启循环泵(1-9)，清空孔内低温循环液；
d、停止循环泵(1-9)，关闭第四控制阀(1-8)、三通阀(1-10)，打开第一控制阀(1-3)、第三控制阀(1-7)，开启第一高压水泵(1-2)，此时处于高温水箱(1-1)中的40～100℃的高温水被抽吸出来，并在管道中进行高温正循环；
e、停止第一高压水泵(1-2)，关闭第一控制阀(1-3)、第三控制阀(1-7)，打开第四控制阀(1-8)，调整三通阀(1-10)，开启循环泵(1-9)，清空孔内高温循环液；
f、重复a-e若干次，循环的次数由处于地下的油页岩矿层物理力学性质所决定，具体说来，即如果处于地下的油页岩矿层的物理力学性质较弱时，则循环的次数可相对少一些，但是当处于地下的油页岩矿层的物理力学性质较强时，则循环的次数可相对多一些；即循环冻融的次数以能够实现处于地下的油页岩矿层的原位破碎为准，由这若干次的往复循环构成一个完整的循环周期。
3.一种双孔或多孔循环冻融原位破碎油页岩的装置，由高温循环装置和低温循环装置两部分构成；其特征在于：
所述的高温循环装置由第一高压水泵(2-1)、高温水箱(2-2)、三通阀(2-3)、抽吸泵(2-7)和第二控制阀(2-8)相互连接构成；其中第一高压水泵(2-1)提供高温热水的循环动力，第二控制阀(2-8)进行高温水循环的切换控制，抽吸泵(2-7)为辅助循环动力和清孔动力，三通阀(2-3)进行循环切换，高温水箱(2-2)提供40～100℃的高温水；这五部分之间均由耐高温的高压胶管或其他能够耐高温且能够承受高压的管道连接，所使用的高压胶管或其他管道应具有保温的性能；
所述的低温循环装置由三通阀(2-3)、低温水箱(2-4)、第二高压水泵(2-5)、第一控制阀(2-6)和抽吸泵(2-7)相互连接构成；其中第二高压水泵(2-5)提供低温水的循环动力，第一控制阀(2-6)进行低温水循环的切换控制，三通阀(2-3)进行低温水循环的切换，低温水箱(2-4)提供-40℃添加防冻液的低温水；这五部分之间均由耐低温的高压胶管或其他能够耐低温且能够承受高压的管道连接，所使用的高压胶管或其他管道应具有保温的性能。
4.一种基于权利要求3所述装置的循环冻融原位破碎油页岩的方法，其特征在于包括以下步骤：
a、利用定向对接井钻进技术在油页岩矿层钻一口对接生产井；
b、打开第一控制阀(2-6)、抽吸泵(2-7)以及三通阀(2-3)，开启第二高压水泵(2-5)，此时处于低温水箱(2-4)中的-40℃添加防冻液的低温水被抽吸出来，并在管道中进行低温正循环；
c、停止第二高压水泵(2-5)，抽吸泵(2-7)继续运行一段时间，清空孔内低温循环液；
d、关闭第一控制阀(2-6)，调整三通阀(2-3)，打开第二控制阀(2-8)，开启第一高压水泵(1)，此时处于高温水箱(2-2)中的40～100℃的高温水被抽吸出来，并在管道中进行高温正循环；
e、停止第一高压水泵(2-1)，抽吸泵(2-7)持续运行一段时间，清空孔内高温循环液；
f、重复a-e，循环的次数由处于地下的油页岩矿层物理力学性质所决定，具体说来，即如果处于地下的油页岩矿层的物理力学性质较弱时，则循环的次数可相对少一些，但是当处于地下的油页岩矿层的物理力学性质较强时，则循环的次数可相对多一些，即循环冻融的次数以能够实现处于地下的油页岩矿层的原位破碎为准；由这若干次的往复循环构成一个完整的循环周期。
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