CN107387052A - 一种油页岩原位开采方法 - Google Patents
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Abstract
一种油页岩原位开采方法，采用的气体为热混合气体，该方法利用了水平井分段射孔和分段压裂的工艺增加油页岩的孔隙率和渗透性，通过分段压裂和组合式封隔器的配合，阻断了注入井‑水平井‑生产井的单向气体移动通道，促进热混合气体从油页岩内部孔隙和裂隙流动加热油页岩，避免了热混合气体不与油页岩产生对流换热便流出地层，实现对油页岩的分段裂解，提高了能量利用率。循环注入的热气体使油页岩发生物理破碎和化学改性，最终实现页岩油和页岩气的原位提取。可用于深层油页岩的开采，方法适应性强，可有效地节约生产成本，提高产油率。
Description
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分段压裂、通过注入的高温氮气、空气或混合气体分段热解油页岩的方法。该方法和工艺利用分段压裂与封隔器的结合使用在地下对油页岩层进行分段裂解，提取产生的页岩油和页岩气，实现了裂解反应区的扩展，充分裂解油页岩。此项技术方法可以广泛运用于固体或凝态矿物燃料(油页岩、煤炭、稠油)的原位开采中。
背景技术
油页岩(又称为油母页岩)，含有15％-50％的有机质和无机矿物，是一种高矿物的腐泥煤，热值较低。油页岩中的有机质包含沥青和油母，其中沥青含量较少仅占百分之几且可溶于有机溶剂，油母不可溶于有机溶剂。油页岩的无机矿物主要包括石英、高岭土、粘土、云母和硫铁矿等，其含量高于有机质的含量。近几年来，随着世界对能源需求的增加，现有的化石资源的储量和产能逐渐下降，对于中国来说，能源形势更为紧张，严重威胁我国的能源安全。由于油页岩内部赋存着未成熟的有机质，经过热解可以产生页岩油和页岩气，使得油页岩成为世界各国能源开发的重要领域。
目前油页岩的提取页岩油的方法主要为地面干馏技术，需要将油页岩开采，运输，干馏和提炼，由于过程复杂，产生了地面废渣堆积，废气、废水，造成了环境污染。相对于地面干馏，原位开采技术直接通过对流加热、电加热、辐射加热等方法对油页岩进行原位加热，不仅可用于深层油页岩的开采，也避免了地面干馏产生的废渣堆积和污染环境等问题，成为一种具有广阔发展前景的技术。目前世界上主要的原位对流开采技术主要有几下几种：
1.雪佛龙CRUSH技术
2007年雪佛龙公司提出一种从地下油页岩资源提取油母沥青的方法，申请号为CN200780013312.4。该技术通过采用液体CO2和固体CO2作为浆料注入井中，形成超临界CO2对密封井进行加压，接着迅速使加压井减压，由此产生的绝热膨胀冷却在岩层中产生热应力和机械应力增加岩石的渗透性，从而提取油母沥青的热解产物。
2.太原理工大学对流加热油页岩方法
一种对流加热油页岩开采油气的方法，申请号为200510012473.4，采用地面布置群井的方法，通过压裂使群井连通，在注热井中通入400℃-700℃的蒸汽与油页岩产生热交换，加热岩层使其裂解产生页岩油气，并经过低温的蒸汽或者水携带到地表。开采过程中注入井和开采井需要进行间隔轮换。
3.吉林大学油页岩原位局部化学法
此方法的全称为一种油页岩原位局部化学法提取页岩油气的方法，申请号为201310552187.1，该方法是通过控制热混合气体的浓度诱导油页岩内部发生一系列“链式反应”，并且随着反应区的扩大，使得油页岩的渗透性和孔隙率不断增大，实现油页岩的自催化热解。反应结束后，通过热混合气体促发固定碳生成热值气体实现能量的自给自足。
此外，EGL公司提出了AMSO技术，通过注入高温的天然气、丙烷或者干馏气体利用对流和回流的传热原理裂解油页岩。Petro Probe公司的SHA process技术采用与氧气一同燃烧后的热空气为对流载体加热油页岩。MWE公司的IVE技术以高温蒸汽为对流载体实现对油页岩的热解，然后将气体重新循环注入井中。
上述提到的地下原位开采油页岩的方法均存在油页岩裂解区扩散较慢，对流加热气体重复加热一个区域，导致加热效率低，成本增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效的原位提取页岩油气的方法，本发明采用的气体为热混合气体(包括氮气、空气、二氧化碳或裂解产生的混合气体)，通过循环注入热气体使油页岩发生物理破碎和化学改性，最终实现页岩油和页岩气的原位提取。在整个实施过程中，需要控制水平压裂的距离和分段位置，并安装相应的封隔器，通过实时监测气体的组分判断当前反应区是否裂解完成，从而改变封隔器的位置以实现反应区的全部裂解。
本发明是利用热混合气体循环加热油页岩，通过控制循环气体的气量、温度、压力和氧气含量等参数来促进干酪根裂解的进行和局部反应区的完全裂解。在反应结束后，循环通入热混合气体将反应区的余热利用到新的开采区，实现能量的重复利用。
本发明的具体步骤如下:
1、根据油页岩层的走向和分布，至少钻一口注热井和一口生产井至目标油页岩层；
2、采用水平井的方式连接注热井和生产井，形成油气运移通道；对水平井进行分段射孔和分段压裂，在射孔过程中为封隔器预留空间，提高油页岩的孔隙率和渗透性，为加热气体提供流动通道；
3、首先将膨胀式封隔器和金属封隔器组合放置并通过通用油管下入到水平井的第一反应区和第二反应区之间，将350-450℃的热混合气体通过注热井注入油页岩层，膨胀式封隔器在压力的作用下胶筒扩大密封水平井，阻断了加热气体水平井的流动通道，只能通过油页岩内部压裂裂隙进行传热，当反应区的局部温度达到300-400℃，油页岩中的结合水开始蒸发，并有少量的烃类气体产生，使得岩石的孔隙率不断增加，为裂解产物的提取提供通道；
4、随着反应区的温度的增加，有机质进一步裂解产生热混合气体和页岩油，油页岩内部孔隙度和渗透率不断增大，实现油页岩的原位转化；当温度达到400-500℃，金属封隔器在高温的作用下密封水平井，与膨胀式分割器形成双密封作用，保证了密封的稳定性；
5、通过生产井将热解生成的页岩油和混合气体提取到地面，实时检测获得气体的成分，当气体中烃类气体的含量变化趋于水平时可判断当前反应区裂解完成；
6、区域内油页岩热解完成后，通过降低井中压力和温度使组合式封隔器解封，并且在通用油管的推动下沿着水平井移动到第二反应区和第三反应区之间，重复上述步骤4、步骤5和步骤6完成当前反应区的热解；
7、当目标油页岩层热解完成后，由于岩体温度较高，将混合气体重新注入到工作井中，循环出的热混合气体重新注入到新的工作井中，实现能量的全利用。
本发明的有益效果：
本发明利用了水平井分段射孔和分段压裂的工艺增加油页岩的孔隙率和渗透性，通过分段压裂和组合式封隔器的配合，阻断了注入井-水平井-生产井的单向气体移动通道，促进热混合气体从油页岩内部孔隙和裂隙流动加热油页岩，避免了热混合气体不与油页岩产生对流换热便流出地层，实现对油页岩的分段裂解，提高了能量利用率。控制注入混合气体的温度、压力和流量等参数完成对油页岩各个反应区的完全裂解。注热井和生产井间的距离不受限制，也可用于深层油页岩的开采，方法适应性强，可有效地节约生产成本，提高产油率。
附图说明
图1为本发明的原理图。
图2为封隔器布局示意图。
图3为第二压裂区热解示意图。
图4为实施例2示意图。
图5为实施例3示意图。
图中：1-上覆地层；2-油页岩层；3-下覆地层；4、23-生产井；5、19、21、22-水平井；6-注热井；7-换热器；8-燃烧加热器；9-风冷换热器；10-油气水三相分离器；11-组合封隔器；12-压裂裂隙；13-第一压裂区；14-第二压裂区；15-第三压裂区；16-第四压裂区；17-第n压裂区；18-第n+1压裂区；20-通用油管。
具体实施方式
实施例1：
如图1、图2和图3所示，本实施例的具体实施步骤如下：
(1)钻完井：
a.根据油页岩目标层2的走向和深度确定注热井6和生产井4的位置；
b.钻进一口注热井6和一口生产井4，两口井井身结构相同，其中开孔直径为311mm，0-10m直径为311mm，下入273mm的孔口管；10-380m直径为215mm，下入200mm的套管，套管端部下入浮箍和浮鞋，套管外部设有固定弹性扶正器；套管和井壁之间用水泥固井；
c.在注热井6井身沿着水平方向通过一定的转弯半径后钻进一定长度布置一口水平井5，与生产井4连接；在水平井5中下入套管，并用A级水泥和30％石英砂固井；
d.在与注热井6相连的水平井5中建立压力室进行分段射孔和分段压裂，射孔过程中预留封隔器11的密封空间；分段压裂每段的距离为10m，每段的间距为2m，压裂过程中加入支撑剂填充到裂隙12中，提高了油页岩的渗透性，为油气的运移提供更多的通道；
(2)设备安装与前期工作：
a.地表连接燃烧器8、热交换器7、油气冷凝装置9以及相应的管道和油气提取设施；
b.封隔器11分为2个部分，橡胶封隔器和热敏性金属封隔器，橡胶封隔器在金属封隔器的前端；首先将封隔器11通过通用油管20放入第一压裂区13和第二压裂区14的间距中，并在反应区内和地表放置压力和温度传感器；
(3)反应阶段：
a.将400℃的热混合气体通过注热管道注入油页岩层4中，注气压力为5-8MPa小于上覆地层压力，橡胶封隔器11首先在压力的作用下胶筒扩大，在第一压裂13区和第二压裂区14的间距中形成局部封闭状态，阻断了注热井6-水平井5-生产井4的单向气体移动通道，受压的热混合气体必须经过油页岩内部的压裂通道12，形成注热井6-油页岩内部裂隙12-水平井5-生产井4的传热模式；当反应区的局部温度达到300-400℃，油页岩中的结合水开始蒸发，并有少量的烃类气体产生，使得岩石的孔隙率不断增加，为裂解产物的提取提供通道；
b.随着反应区的温度的增加，有机质进一步裂解产生大量烃类气体和页岩油，油页岩内部孔隙度和渗透率不断增大，实现油页岩的原位转化；当区域内温度达到400-500℃，热敏性金属封隔器11在高温的作用下密封水平井，与膨胀式封隔器形成双密封作用，保证了密封的稳定性；
c.实时监测井内的温度和压力，通过控制气体的注入流量、温度和压力来保证油页岩热解的快速进行；
d.通过生产井4将热解生成的页岩油和混合气体提取到地面，实时检测获得气体的成分，当气体中烃类气体的含量变化趋于水平时可判断当前反应区裂解完成；
e.第一压裂区13内油页岩热解完成后，通过降低井中压力和温度使组合式封隔器解封，并且在通用油管20的推动下沿着水平井移动到第二压裂区14和第三压裂区15之间，重复上述a、b、c、d步骤完成当前反应区的热解；第四压裂区16…第n压裂区17、第n+1压裂区18的裂解步骤与第二压裂区14的步骤相同；
(4)后处理阶段
a.从生产井4中通过油泵提取的页岩油和页岩油通过两级分离进行冷却，首先经过风冷换热器9进行气液分离器分离出页岩油；剩余的气体进行二级冷却，通过油气水三相分离器10分离出页岩油、页岩气和水，部分页岩气经过燃烧器8加热，部分经过换热器7换热后通入井中循环加热油页岩2；
b.分离获得的页岩油和页岩气分别储存于储油罐和储气罐中；
c.此目标油页岩层2热解完成后，由于岩体温度较高，将混合气体重新注入的工作井6中，循环出的热混合气体注入到附近新区域油页岩热解的工作井中，实现能量的全利用；
实施例2：
如图4所示，为垂直双水平井模式，本实施例的具体实施步骤如下：
(1)钻完井
a.根据油页岩层2的走向、层位确定注热井6和生产井4的位置，在圈定的工作区域内布置一口注热井6，一口生产井4，并在油页岩垂直方向上布置两口水平井5、19，两口水平井5、19的距离根据油页岩2的层厚确定；
b.在注热井6井身沿着水平方向通过一定的转弯半径后在油页岩垂直方向上钻进一定长度布置两口水平井5、19，与生产井4连接；在水平井5、19中下入套管，并用A级水泥和30％石英砂固井；
c.在水平井5、19中建立压力室进行分段射孔和分段压裂，射孔过程中预留封隔器11的密封空间；分段压裂每段的距离为10m，每段的间距为2m，压裂过程中加入支撑剂填充到压裂裂隙12中，提高了油页岩的渗透性，为油气的运移提供更多的通道；两口水平井5、19同时压裂，分段压裂的位置和每个分段的间距相同；
d.设备安装与前期工作、反应阶段、后处理阶段与实施例1中的第(2)、第(3)和第(4)阶段相同。
实施例3：
如图5所示，为水平向双水平井模式，本实施例的具体实施步骤如下：
(1)钻完井
a.根据油页岩层的走向、层位确定注热井21、22和生产井23的位置，在圈定的工作区域内布置两口注热井21、22，一口生产井23在油页岩水平方向上布置两口水平井5、19，两口水平井5、19的距离根据压裂的范围确定；
b.在注热井21、22井身沿着水平方向通过一定的转弯半径后在油页岩水平方向上钻进一定长度布置两口水平井5、19；在水平井5、19中下入套管，并用A级水泥和30％石英砂固井；
c.在水平井5、19中建立压力室进行分段射孔和分段压裂，射孔过程中预留封隔器11的密封空间；分段压裂每段的距离为10m，每段的间距为2m，压裂过程中加入支撑剂填充到压裂裂隙12中，提高了油页岩的渗透性，为油气的运移提供更多的通道；两口水平井5、19同时压裂，分段压裂的位置和每个分段的间距相同，通过压裂的方式使水平井5、19与生产井23相连通；
d.设备安装与前期工作、反应阶段、后处理阶段与实施例1中的第(2)、第(3)和第(4)阶段相同。
Claims (4)
1.一种油页岩原位开采方法，其特征在于：该方法是利用热混合气体循环加热油页岩，通过循环注入热气体使油页岩发生物理破碎和化学改性，最终实现页岩油和页岩气的原位提取提供一种高效的原位提取页岩油气的方法，在整个实施过程中，需要控制水平压裂的距离和分段位置，并安装相应的封隔器，通过实时监测气体的组分判断当前反应区是否裂解完成，从而改变封隔器的位置以实现反应区的全部裂解；在反应结束后，循环通入热混合气体将反应区的余热利用到新的开采区，实现能量的重复利用。
2.根据权利要求1所述的一种油页岩原位开采方法，其特征在于：所述的工作井为注热井和生产井，采用水平井连接工作井形成油气流动通道。
3.根据权利要求1所述的一种油页岩原位开采方法，其特征在于：所述的热混合气体为氮气、空气、二氧化碳或裂解产生的烃类混合气体。
4.根据权利要求1所述的一种油页岩原位开采方法，其特征在于：具体步骤如下:
(1)根据油页岩层的走向和分布，至少钻一口注热井和一口生产井至目标油页岩层；
(2)采用水平井的方式连接注热井和生产井，形成油气运移通道；
(3)对水平井进行分段射孔和分段压裂，在射孔过程中为封隔器预留空间，提高油页岩的孔隙率和渗透性，为加热气体提供流动通道；
(4)首先将膨胀式封隔器和金属封隔器组合放置并通过通用油管下入到水平井的第一反应区和第二反应区之间，将350-450℃的热混合气体通过注热井注入油页岩层，膨胀式封隔器在压力的作用下胶筒扩大密封水平井，阻断了加热气体水平井的流动通道，只能通过油页岩内部压裂裂隙进行传热，当反应区的局部温度达到300-400℃，油页岩中的结合水开始蒸发，并有少量的烃类气体产生，使得岩石的孔隙率不断增加，为裂解产物的提取提供通道；
(5)随着反应区的温度的增加，有机质进一步裂解产生热混合气体和页岩油，油页岩内部孔隙度和渗透率不断增大，实现油页岩的原位转化；当温度达到400-500℃，金属封隔器在高温的作用下密封水平井，与膨胀式分割器形成双密封作用，保证了密封的稳定性；
(6)通过生产井将热解生成的页岩油和混合气体提取到地面，实时检测获得气体的成分，当气体中烃类气体的含量变化趋于水平时可判断当前反应区裂解完成；
(7)区域内油页岩热解完成后，通过降低井中压力和温度使组合式封隔器解封，并且在通用油管的推动下沿着水平井移动到第二反应区和第三反应区之间，重复上述步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)完成当前反应区的热解；
(8)当目标油页岩层热解完成后，由于岩体温度较高，将混合气体重新注入到工作井中，循环出的热混合气体重新注入到新的工作井中，实现能量的全利用。
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