CN103696747A - 一种油页岩原位提取页岩油气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油页岩原位热采提取页岩油气的方法，该方法通过向油页岩层注入热氮气来原位裂解干酪根，初步生成的可燃气体提取分离后，再和氮气按照一定比例注入井内，和油页岩发生化学反应，进一步裂解油页岩中的有机质，提取页岩油和可燃气；热氮气是惰性气体，既是热量传递的载体，又是携带页岩油气到地面的载体，同时由于流体的压力作用，有利于在油页岩层中形成油气通道。循环可燃气体可与油页岩内干酪根发生化学反应，加速反应进行；本发明大大降低了开采的成本和风险，可操作性得到了极大的提高；从根本上解决了地表干馏技术和现有原位技术所带来的问题，可有效降低施工难度和费用，而且该方法不污染地下水，环保无毒。

Description

一种油页岩原位提取页岩油气的方法

技术领域

本发明涉及一种油页岩开采技术，特别涉及一种油页岩原位注高温氮气和烃类循环气提取页岩油、可燃气的方法。通过可燃烃类裂解气体工艺内燃烧再利用和裂解反应完成区域高余热循环使用，来实现油页岩裂解能量自给和能量的最大利用。此项技术方法可广泛运用于固体或凝态矿物燃料（油页岩、煤炭、稠油）原位开采中。

背景技术

化石能源是不可再生能源，来自美国地质局的数据显示，根据目前的石油开采量来计算，石油生产的最大规模将在本世纪三十年代出现，到本世纪中叶，可被利用的石油资源将走向枯竭。如果保持现在开采量，八十年内，天然气也将消耗尽。中国国家能源局数据显示，截止2012年，我国超过57%的石油依赖外国进口，所有的战略石油储备仅够使用4个月，对国家能源安全构成严重威胁。寻找和开发可替代能源成为当务之急。而油页岩以其巨大的储量成为世界各国能源开发的重点领域。

油页岩是一种特殊的沉积岩，内部赋存有丰富的有机质，有机质主要以干酪根的形式存在。加热至450℃时，干酪根裂解可得到页岩油和可燃气体。如何在热解过程中控制物理化学反应，使油页岩能量产出和消耗比最合理，成为技术可行性的关键因素。

目前，页岩油提取页岩油气的技术主要分两大类：地表干馏技术和原位转化技术。地表干馏方式在生产中都会给环境带来高污染气体、高酸性废水和弃渣，限制了这些技术的大面积推广。（参考文献：国内外非常规油气资源勘探开发现状及建议[J].天然气工业,2008,28（12）:7-10.）。油页岩原位开采技术可以解决地表干馏生产中的诸多问题，而对流加热又有加热速度快，热量扩散快的特点，被广泛采用。世界油页岩原位对流开采技术主要有以下几种：

1、太原理工蒸汽对流加热法

此技术全称对流加热油页岩开采油气的方法，该方法于2005年4月申请专利，申请号为200510012473.4，公开号为CN1676870A。该方法通过在地面布置群井，并采用压裂的方式使群井连通，将400℃-700℃的蒸汽沿注热井注入油页岩矿层，加热矿层使其中的干酪根热解形成油气，并经低温蒸汽或水携带沿生产井排到地面分离，最终形成油气产品。分离过程中可同时预热水，并采用注水井与生产井对流的方式提取枯竭的油页岩矿层围岩区域的余热。

2、雪弗龙CRUSH技术

2006年，雪弗龙公司和美国Los Alamos国家实验室联合开发了CRUSH技术，并于2007年2月申请了中国专利，申请号为200780013312.4，公开号为CN101421488A。该技术首先设计的含有2～5个四点井网单元，对页岩层进行爆破压裂，提高CO₂与干酪根接触的表面积，将高温CO₂以对流的方式从竖直井导入，通过一系列水平裂缝加热页岩层。生成的烃气经垂直井采出。

3、辐射加热技术-Raytheon公司的RF/CF技术

这种原位技术使用射频及注入超临界二氧化碳来加热油页岩到裂解温度，从而将液体和气体驱入生产井中。在地面，二氧化碳流体被分离并重新回注到注入井中，同时油和气被炼制成汽油、燃料油及其他产品。相比其他原位方法需要加热多年才能生产出油气，这种提取技术可以在仅仅几个月内就生产出油气。该技术可调节加到目的层的热能，以生成各种各样需要的产品。

4、中国矿业大学（北京）燃烧干馏法

此方法全称为钻井式油页岩原位气化干馏制油气系统及工艺方法，于2011年9月申请发明专利，申请号为20110282675.6，公布号为CN102383772A。该方法实施中先在油页岩层至少钻两口相互平行的定向井，定向水平井段在油页岩层底部，定向井水平段末端设置有点火井。在点火井内点火，进行逆向火力贯通，扩展气化干馏通道，疏松并加热油页干馏区域，使干馏区产生裂隙并产生页岩油气和可燃气体，经过地面分离后得到页岩油和可燃气体。

5、新奥气化采煤有限公司井内燃烧法

此方法于2011年12月申请专利，申请号为201110452216.8，公开号为CN102425399A。该方法现在油页岩中形成进气管道和出气管道，通过不同进气管道将可燃气和氧气注入井内，并在可燃气体输送管道口点燃，对油页岩加热。干酪根裂解生成油页岩油气。

发明内容

本发明的目的是提供一种油页岩原位提取页岩油气的方法，该方法通过向油页岩层注入热氮气和循环可燃烃类气体来原位裂解干酪根。

本发明通过先钻至少一口注热井，一口生产井，并在地下原位油页岩层形成气液流动通道，再向油页岩层注入热氮气来原位裂解干酪根，初步生成的可燃气体部分提取分离后，用于燃烧加热注入气体，部分气体再和氮气按照一定比例注入井内，和油页岩发生化学反应，进一步裂解油页岩中的有机质，提取页岩油和可燃气。通过循环通入氮气，将反应完成区域的余热，利用到新的反应区域。

注入氮气和可燃气体是热量传递的载体，携带热量会诱发油页岩内固定碳和水发生反应，产生能量和低燃值可燃气体，其中CO、CO₂和H₂会参加后续的化学反应。

注入的循环可燃烃气体不仅是高比热容的良好热载体，还可与油页岩内干酪根发生化学反应，加速反应进行，反应区域体积和温度也会呈几何倍数增加。

较短链的烃类（C2-C6）和CO₂发生反应，链进一步变短。

较长链的烃类和CO、CO₂和H₂反应，被化学裂解成较短链。

热氮气是惰性气体，化学稳定性强，在加热、注入、地面分离处理时安全性得到极大提高

热氮气是携带页岩油气到地面的载体，同时由于流体的压力作用，有利于在油页岩层中形成油气通道。

油页岩反应裂解完成后，区域内温度会达到600℃-800℃。将氮气再次注入加热井，循环出的氮气达到450℃，再加热后注入新的加热井中，形成油页岩能量全利用链条。

本发明的具体步骤：

a、根据油页岩层分布、走向，布置至少一口注热井和至少一口生产井；

b、注热井钻至地下油页岩层，通过爆破、压裂等方式来增加反应区油页岩地层的孔隙率，并采用支撑剂来充填裂缝，提高油页岩层的渗透能力；或是直接采用水平定向井连接注热井与生产井，建立起油气通道；也可以联合使用水平井与压裂技术，在两个平行的水平井间进行压裂扩大反应区面积等；生产井钻至地下油页岩层底板下；

e、通过热气体输送管向注热井内输送经过地表加热的150-180℃热氮气，热氮气流经注热井与生产井两井间的油页岩层，最后从生产井中排出，逐步预热油页岩层并蒸发油页岩层中的液态水。

f、向注热井内输送350-450℃热氮气，高温气体进一步将油页岩层加热到350-400℃，促使油页岩中游离短链气体析出，并随注入气体从生产井中抽出地面。

g、收集的气体部分经过地面分离后，在燃烧器燃烧，加热注入气体

h、部分气体和氮气按照一定比例混合后，加热到450℃-500℃，再次注入加热井，用于加热油页岩和参加化学反应。

i、通过抽油泵等抽提汇集到生产井底的页岩油然后进行两级分离与收集

j、产生的可燃烃类气体经过冷凝后，较长链的凝为液体收集，较短链的（C₁-C₆）部分输回工艺中循环使用，多余部分压缩收集。

k、待此井组完成油页岩裂解反应后，开始附近新的区域油页岩裂解实验时，将氮气注入到此井组进行加热，热氮气会循环到新的井组进行加热裂解反应。

本发明的有益效果：

该发明是一种先对流传热，后化学热强化处理过程，对流传热增大了导热效果，化学反应增大了反应面积和裂解速度。在反应的过程中岩石内的孔隙增长快，增加了气体流通性，反应较彻底。通过可燃烃类裂解气体工艺内燃烧再利用和裂解反应完成区域高余热循环使用，来实现油页岩裂解能量自给和能量的最大利用。反应与采油气既可在一口井内完成，也可在两井压裂的井组中完成，还可在水平对接的井组中完成，方法的适应性强，大大降低了开采的成本和风险，可操作性得到了极大的提高。从根本上解决了地表干馏技术和现有原位技术所带来的问题，可有效降低施工难度和费用，而且该方法不污染地下水，环保无毒。

附图说明

图1为本发明的原理图。

图2本发明水平井模式布局示意图。

图3为本发明的生产井以注热井为中心呈三角形分布的示意图。

图4为本发明的生产井以注热井为中心呈四边形分布的示意图。

图5为本发明的生产井以注热井为中心呈六边形或圆形分布的示意图。

图中：1—注热井；2—生产井；3—油页岩层中压裂区；4—燃烧器；5—换热器；6—气体分离器；7—水平井。

具体实施方式

实施例1

某地油页岩埋深为380m-390m，覆盖层厚5m，弱风化层为5-7m，平均含油率为6%，含水率为5%，含固定碳15%，顶板和底板均为致密页岩。实施步骤如下：

（1）钻完井

a、根据油页岩层分布、走向，选定注热井和生产井间距15m；

b、在地面上钻一口注热井1至地下393m，穿过油页岩层，注热井1采用至少三开的井身结构，一开至上覆松软层底板下10m，二开至油页岩层378m，三开至393m；

c、在注热井1中建立压裂室，取出钻井套管，通过注热井1把高压大排量具有一定粘度的水基压裂液挤入油页岩层，当在油页层中压出许多裂缝后，加入支撑剂充填裂缝，建立起油气通道，提高注热井与生产井间油页岩层的渗透能力；

d、注热井1内一开与二开井身段下套管，利用添加氧化钙膨胀剂的保温水泥封闭套管与井壁空隙；

e、在地面上钻一口生产井2，井深结构与注热井1相同

f、洗井，将注热井1与生产井2内的砂水提出地面；

g、在注热井1与生产井2内注入水泥，在注热井1底浇注30～60cm厚水泥底座，在生产井2底浇注80～120cm厚水泥底座，并下310S耐高温不锈钢花管至水泥底座内；

h、在注热井1内加装可燃气和空气的耐高温碳素钢同轴套管并在管外包裹石英棉，用封隔器封闭井口与外界的热交换，在油页岩层内形成局部化学反应室；在生产井2中安装310S耐高温不锈钢的油气收集管道；

（2）油页岩裂解反应阶段

a、通过热气体输送管向注热井1内输送经过地面加热的热氮气，热氮气的输送压力不得高于上覆地层的自重应力之和，热氮气的温度150-180℃。热氮气流经注热井1与生产井2两井间的油页岩层，最后从生产井2排出，逐步预热油页岩层并蒸发中的液态水。

b、预热结束后，再向注热井1内输送热氮气，热气体温度350-450℃，输送压力不得高于上覆地层的自重压力之和，通过热气体进一步加热注热井1与生产井2间油页岩层温度到350～400℃，促使油页岩中游离短链气体析出，并随注入气体从生产井中抽出地面。

c、井内产出的气体部分经过气体分离器6分离后，用于燃烧器4给注入气体加热，实现热量的自给自足。

d、部分混合气体和氮气混合后，进入换热器5进行加热，温度为450℃-500℃，再次加热注入井内，参加反应。

e、通过实时调整热气体的注入温度及输送压力来控制反应速度和升温速率。实时控制反应区扩大的速率，来防止造成气体短路，将页岩油中硫的成份减到最低；当测得生产井2内气体温度达到500℃，停止输送高温气体；

（3）油气后处理阶段

a、通过抽油泵等抽提汇集到生产井底的页岩油、气至地面，然后进行两级分离与收集；首先经过风冷换热器一级冷却到120℃，并通过气液分离器分离出重油；

b、剩余气体通过水冷换热器进行二级冷却到常温，并经过油气水三相分离器分离出页岩油、水和气体，其中部分气体循环回工艺流程中，部分通过气体分离器分离出纯净页岩气；

c、最终，分离出来的页岩油送至成品油罐存储销售；

（4）预热循环利用阶段

a、此裂解反应井组裂解反应结束，开始附近新区域油页岩原位裂解。

b、将氮气通入此井组注热井1，气体经过油页岩反应区域后，从生产井2中出来，被加热到400-450℃。

c、气体被重新注入到新的井组中注热井1中，用于加热新区域油页岩。

实施例2

图2为实施例2，为定向水平井形式；本实施例的具体步骤如下：

a、根据油页岩层分布、走向，选定注热井和生产井具体位置，在圈定的工作区域内布置二口注热井1和一口生产井2，并各注热井1在油页岩层内垂直方向上布置两口水平井7，相邻注热井1间的距离为25m；

b、在地面上钻注热井1至油页岩层底板，通过两个一定的转弯半径后继续向与平行且靠近油页岩层顶板和靠近油页岩层底板的两个方向钻两口水平井7；

c、在与注热井相连的水平井中建立压裂室，把高压大排量具有一定粘度的水基压裂液挤入油页岩层，并加入支撑剂充填裂缝，提高油页岩层的渗透能力，在油页岩层内建立一个立体的油页岩层中压裂区3及油气通道，如图1所示；

d、在立体的油页岩层中压裂区3的中心位置钻一口生产井2至地下油页岩层中；

e、裂解阶段的实施步骤与第一实施例中第（2）、第（3）和第阶段相同。

如图3、图4和图5所示，生产井2以注热井1为中心可以呈三角形或四边形或六边形或圆形分布；注热井1与生产井2以及生产井2与生产井2之间的距离为15～25m。

Claims (12)

1.一种油页岩原位提取页岩油气的方法，该方法是：通过先钻至少一口注热井，一口生产井，并在地下原位油页岩层形成气液流动通道，再向油页岩层注入热氮气来原位裂解干酪根，初步生成的可燃气体部分提取分离后，用于燃烧加热注入气体，部分气体再和氮气按照一定比例注入井内，和油页岩发生化学反应，进一步裂解油页岩中的有机质，提取页岩油和可燃气；通过循环通入氮气，将反应完成区域的余热，利用到新的反应区域。

2.根据权利要求1所述的一种油页岩原位提取页岩油气的方法，该方法包含如下步骤：

a、根据油页岩层分布、走向，布置至少一口注热井；

b、使用爆破、压裂、定向水平井的方法贯通注热井和生产井油页岩层，建立起气液流动通道；

c、钻至少一口生产井；

d、向注热井内输送经过地表加热的热氮气，热氮气的输送压力不得高于上覆地层的自重应力之和，氮气的温度为150-180℃；热氮气流经注热井与生产井两井间的油页岩层，最后从生产井中排出，逐步预热油页岩层并加热油页岩层中的液态水；

e、向注热井内输送热氮气，热气体的温度350-450℃，输送压力不得高于上覆地层的自重应力之和。通过高温气体进一步加热注热井与生产井间油页岩层温度到350～400℃，油页岩中部分短链烃析出，同时高温气体可携带页岩油气到生产井内乃至地面；

f、收集的气体部分分离出可燃气体用于燃烧加热注入气体，实现热量的自给自足；

g、部分气体和氮气混合后，经过再次加热至400-500℃，注入井内，参加反应

h、通过实时调整热气体的注入温度及输送压力来控制反应速度和升温速率，当测得生产井内气体温度达到500℃，停止输送高热气体；

i、通过抽油泵等抽提汇集到生产井底的页岩油、页岩气至地面，然后进行两级分离与收集。

j、油页岩反应裂解完成后，区域内温度会达到600℃-800℃。将氮气再次注入加热井，循环出的氮气达到400-450℃，再加热后注入新的加热井中，参与新的裂解化学反应。

3.根据权利要求1所述的一种油页岩原位提取页岩油气的方法，其特征在于：所述井数为一口注热井，一口生产井；也可采用群井布置。

4.根据权利要求1所述的一种油页岩原位提取页岩油气的方法，其特征在于：使用水力压裂、定向贯通井、爆破的方法形成气液流动通道。

5.根据权利要求1所述的一种油页岩原位提取页岩油气的方法，其特征在于：起初通入的氮气是在地面加热的。

6.根据权利要求1所述的一种油页岩原位提取页岩油气的方法，其特征在于：起初通入的惰性气体，如氩气，二氧化碳。

7.根据权利要求6所述的一种油页岩原位提取页岩油气的方法，其特征在于：所述的惰性气体是氩气或二氧化碳。

8.根据权利要求1所述的一种油页岩原位提取页岩油气的方法，其其特征在于：初步生成的可燃气体部分提取分离后，用于燃烧加热注入气体，实现能量自给。

9.根据权利要求1所述的一种油页岩原位提取页岩油气的方法，其特征在于：于部分从生产井中抽出的气体再和氮气按照一定比例注入井内，参加裂解化学反应。

10.根据权利要求1所述的一种油页岩原位提取页岩油气的方法，其特征在于：区域井组裂解化学反应结束后，通过循环通入氮气，将反应完成区域的余热，利用到新的反应区域。

11.根据权利要求3所述的一种油页岩原位提取页岩油气的方法所述，其特征在于：所述加热井和生产井的群井布置方式可以为一口注热井，周围三角形布置三口生产井；或为一口注热井，周围四边形布置四口生产井；或为中心一口注热井，周围梅花形布置六口生产井的蜂窝状井组。

12.根据权利要求1或2或3所述的一种油页岩原位提取页岩油气的方法，其特征在于：注热井与生产井的井间距为15～25m。

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