CN108442914B - 一种用于油页岩原位裂解的系统及方法 - Google Patents

一种用于油页岩原位裂解的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种用于油页岩原位裂解的系统及方法，属于油页岩原位裂解开采领域，系统包括第一油箱、油泵、稳压罐、空气压缩机、过滤器、水泵、水箱、超燃加热器、双壁油管、导水通道及热敏封隔器，方法是在完成油页岩储层改造之后，将超燃加热器下放至油页岩储层适当位置，采用双壁油管连接超燃加热器与地面设备。通过油泵将地面油箱的油经过双壁油管的内部通道输送至超燃加热器的油箱中，同时通过空气压缩机将高压空气经过双壁油管的外部通道输送至超燃加热器，超燃加热器雾化的热流体流出进入油页岩储层并对其加热。水的存在会促进油页岩的裂解，二氧化碳会提高油页岩裂解产生油气的驱替作用，从而提高油页岩裂解的能量有效利用率和油气采收效率。

Description

一种用于油页岩原位裂解的系统及方法
技术领域
本发明属于油页岩原位裂解开采领域，尤其是涉及到一种用于油页岩原位裂解的系统及方法。
背景技术
油页岩被称作石油的代替资源，目前油页岩原位裂解采用的方法主要有中国石油大学王延永等提出的一种基于井筒加热模式的注空气辅助超稠油地下裂解改质工艺，详见专利申请公布号“CN106499376A”，该工艺结合了井筒电加热及注空气工艺的优势，能够解决单一井筒电加热模式下传热方式，单一驱动能量不足等问题，但是油页岩的开采周期较长，通空气会导致页岩油氧化乳化，在地层内乳化会导致孔隙连通性降低，此外空气的存在会加剧氧化腐蚀油气采集管道，不适用于长期开发油页岩；吉林大学孙友宏等提出了一种涡流加热油页岩地下原位开采方法，详见专利申请公布号“CN106437667A”，该方法能量有效利用率高，加快原位裂解反应速率，降低水资源消耗和碳排放，但存在涡流加热不均匀的问题；龙秋莲等提出了一种利用流体对油页岩进行原位改造和开采的方法，详见专利申请公布号“CN106437657A”，采用流体加热油页岩可以有效驱替油气产物，但是多级能量转换导致能量损失严重，能量有效利用低。
发明内容
针对油页岩原位裂解开采施工的过程中，能量多级转换导致有效利用率低，加热周期长的问题，本发明提供了一种用于油页岩原位裂解的系统及方法，减少了能量多级转换，可以有效缩短油页岩原位裂解周期，提高油气采收率。
本发明采用如下的技术方案：
本发明提出了一种用于油页岩原位裂解的系统，其特征在于：包括第一油箱、油泵、稳压罐、空气压缩机、过滤器、水泵、水箱、超燃加热器、双壁油管、导水通道及热敏封隔器，所述油泵的一端与第一油箱连通，另一端与双壁油管的内管连通；所述稳压罐的进气端与空气压缩机连通，稳压罐的出气端与双壁油管的外管连通，并在稳压罐与双壁油管的外管之间设置有单向阀；所述水泵的一端与水箱连接，另一端与过滤器连接；所述导水通道一端与过滤器连接，另一端穿过热敏封隔器与螺旋制冷通道连接；所述热敏封隔器安装在开采井的内部，位于油页岩储层的上部，热敏封隔器用于将开采井与外界封隔开形成井下密闭的空间；所述双壁油管穿过热敏封隔器通过法兰与超燃加热器同轴连接，并采用加固螺栓固定；所述超燃加热器包括第二油箱、螺旋制冷通道、环形电池、转动轴承、气动涡轮、油气混合室、火花塞、喷水口、燃烧室、雾化室和热敏金属扶正器，所述第二油箱呈锥形，第二油箱安装在超燃加热器的壳体内部，并位于超燃加热器的壳体中上部，第二油箱与双壁油管的内管连通，第二油箱的外部设置有与双壁油管的外管连通的输气管道，并在该输气管道下方安装有环形电池；所述气动涡轮安装在转动轴承上，气动涡轮设置在第二油箱与油气混合室之间；所述燃烧室位于油气混合室下方；所述雾化室位于燃烧室下方；所述火花塞通过固定在油气混合室内壁的导线与环形电池连接；所述螺旋制冷通道设置在超燃加热器的壳体外壁上，螺旋制冷通道的上部连接导水通道，底部设置有喷水口；所述热敏金属扶正器套设在超燃加热器壳体的下部。
所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，其特征在于：还包括压力传感器和泄压阀，所述压力传感器和泄压阀均设置在开采井的井口处。
所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，其特征在于：还包括流量传感器，所述流量传感器设置在稳压罐与双壁油管的外管连接处。
所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，其特征在于：还包括油质过滤器，所述油质过滤器设置在第一油箱与油泵连接的管道上。
所述双壁油管的内管与油泵连接处设置有阀门。
在所述导水通道与过滤器的连接处设置有阀门。
所述过滤器为蜂窝式过滤器。
本发明还提出了一种用于油页岩原位裂解的方法，其特征在于，该方法采用的系统为上述提及的一种用于油页岩原位裂解的系统，具体包括如下步骤：
a.确定油页岩储层的埋藏深度，并进行油页岩储层压裂改造，压裂改造之后将超燃加热器下放至油页岩储层的指定位置；
b.空气压缩机将空气压缩至6MPa～9MPa，压缩空气沿双壁油管的外管输送至超燃加热器，同时油泵将汽油或柴油从第一油箱中沿双壁油管的内管抽送至超燃加热器，汽油或柴油与空气在油气混合室内混合，混合后的气体流入燃烧室，火花塞点火引燃混合气体，汽油或柴油在空气里燃烧之后产生高温高压尾气，高温高压尾气的温度为1000℃～1800℃，压力为8MPa～10MPa，该高温高压尾气中含有二氧化碳和水蒸气，同时启动水泵将水箱内的水抽取运送至过滤器，水箱内的水经过滤器过滤之后沿导水通道进入螺旋制冷通道，最后从螺旋制冷通道底部的喷水口喷出；
c.从喷水口喷出的水与燃烧产生的高温高压尾气在雾化室内结合雾化形成混合气体，混合气体在开采井内聚集，开采井井内压力升高，混合气体流入油页岩储层，混合气体中的水蒸气与油页岩中的固定碳发生水煤气反应，H2O+C＝H2+CO，同时油页岩储层温度升高发生裂解释放出油气产物，混合气体中的二氧化碳驱替油气产物。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提供了一种用于油页岩原位裂解的系统及方法，利用燃烧的尾气加热油页岩储层并驱替油气产物，减少了能量多级转换，可以有效缩短油页岩原位裂解周期，提高了油页岩井下原位裂解质量与采收率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明实施例一种用于油页岩原位裂解的系统的结构示意图。
图2为本发明实施例一种用于油页岩原位裂解的系统局部放大图。
附图标记如下：1-第一油箱，2-油泵，3-稳压罐，4-空气压缩机，5-过滤器，6-水泵，7-水箱，8-超燃加热器，9-双壁油管，91-外管，92-内管，10-导水通道，11-热敏封隔器，12-油页岩储层，14-压力传感器，15-加固螺栓，16-热敏金属扶正器，17-燃烧室，18-雾化室，19-裂隙，20-流量传感器，21-法兰，22-第二油箱，23-螺旋制冷通道，24-环形电池，25-转动轴承，26-气动涡轮，27-油气混合室，28-火花塞，29-喷水口，30-油质过滤器。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明保护主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。
本发明提出了一种用于油页岩原位裂解的系统，如图1及图2所示，该系统包括第一油箱1、油泵2、稳压罐3、空气压缩机4、过滤器5、水泵6、水箱7、超燃加热器8、双壁油管9、导水通道10及热敏封隔器11，所述油泵2的一端与第一油箱1连通，另一端与双壁油管9的内管92连通；所述稳压罐3的进气端与空气压缩机4连通，稳压罐3的出气端与双壁油管9的外管91连通，并在稳压罐3与双壁油管9的外管91之间设置有单向阀,该单向阀用于控制出气量；所述水泵6的一端与水箱7连接，另一端与过滤器5连接；所述导水通道10一端与过滤器5连接，另一端穿过热敏封隔器11与螺旋制冷通道23连接；所述热敏封隔器11安装在开采井的内部，位于油页岩储层12的上部，热敏封隔器11用于将开采井与外界封隔开形成井下密闭的空间；所述双壁油管9穿过热敏封隔器11通过法兰21与超燃加热器8同轴连接，并采用加固螺栓15固定；所述超燃加热器8包括第二油箱22、螺旋制冷通道23、环形电池24、转动轴承25、气动涡轮26、油气混合室27、火花塞28、喷水口29、燃烧室17、雾化室18和热敏金属扶正器16，所述第二油箱22呈锥形，第二油箱22安装在超燃加热器8的壳体内部，并位于超燃加热器8的壳体中上部，第二油箱22与双壁油管9的内管92连通，第二油箱22的外部设置有与双壁油管9的外管91连通的输气管道，并在该输气管道下方安装有环形电池24；所述气动涡轮26安装在转动轴承25上，气动涡轮26作为第二油箱22与油气混合室27的连接通道，气动涡轮26设置在第二油箱22与油气混合室27之间；所述燃烧室17位于油气混合室27下方；所述雾化室18位于燃烧室17下方；所述火花塞28通过固定在油气混合室27内壁的导线与环形电池24连接；所述螺旋制冷通道23设置在超燃加热器8的壳体外壁上，螺旋制冷通道23的上部连接导水通道10，底部设置有喷水口29；所述热敏金属扶正器16套设在超燃加热器8壳体的下部；
所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，还包括压力传感器14和泄压阀，所述压力传感器14和泄压阀均设置在开采井的井口处，当井内热敏封隔器11损坏时，井内压力急剧上升，为了避免发生意外，可以从泄压阀快速泄压。
所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，还包括流量传感器20，所述流量传感器20设置在稳压罐3与双壁油管9的外管91连接处，用于监测耗气量。
所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，其特征在于：还包括油质过滤器30，所述油质过滤器30设置在第一油箱1与油泵2连接的管道上。
所述双壁油管9的内管92与油泵2连接处设置有阀门，用于控制油量。
在导水通道10与蜂窝式过滤器的连接处设置有阀门，用于控制水量。
在所述导水通道10与过滤器5的连接处设置有阀门，用于控制水量。
所述过滤器5为蜂窝式过滤器。
本发明之方法：确定油页岩储层12的埋藏深度，并进行油页岩储层12压裂改造，压裂改造之后将超燃加热器8下放至油页岩储层12的指定位置；超燃加热器8与井口设备采用双壁油管9连接，双壁油管9的内管92与油泵2连接，油泵2连接第一油箱1；双壁油管9的外管91与稳压罐3连接，稳压罐3连接空气压缩机4。此外，超燃加热器8的导水通道10与蜂窝式过滤器连接，蜂窝式过滤器连接水泵6，水泵6与水箱7连接。在油页岩储层12的上部安装有热敏封隔器11，可以提供井下密闭的空间。
将第一油箱1中的汽油利用油泵2沿双壁油管9的内管92送到超燃加热器8的第二油箱22中，同时空气压缩机4将空气压缩至8MPa缓存在稳压罐3中，打开单向阀，高压空气沿双壁油管9的外管91输送至超燃加热器8的油气混合室27，高压空气的流动带动气动涡轮26围绕转动轴承25旋转，抽动第二油箱22的汽油至油气混合室27与高压空气混合，混合之后的气体在高压空气作用下流入燃烧室17，火花塞28点火引燃高压混合气体，汽油或柴油在空气里燃烧之后产生高温高压尾气，高温高压尾气的温度为1000℃～1800℃，压力为8MPa～10MPa，该高温高压尾气中含有二氧化碳和水蒸气，启动水泵6，将水箱7内的水抽取运送至蜂窝式过滤器，经蜂窝式过滤器过滤之后的水沿导水通道10送至位于超燃加热器8壳体外壁的螺旋制冷通道23内，水在螺旋制冷通道23内持续的流动能有效降低超燃加热器8的壳体温度，避免高温烧坏超燃加热器8的壳体。在螺旋制冷通道23的底部设置有喷水口29，喷出的水在雾化室18与燃烧产生的高温高压尾气相遇瞬间雾化形成雾化的高温高压混合气体。
雾化的高温高压混合气体在井内聚集，导致热敏封隔器11将井的环空与外界封隔开，同时热敏金属扶正器16也受热膨胀，碰触井壁扶正超燃加热器8，维持超燃加热器8的稳定。井内压力的上升，迫使高温气体流入油页岩储层12，沿油页岩储层12改造产生的裂隙19进入油页岩储层12，对油页岩储层12产生热传导，并对油页岩进行加热，雾化的高温高压混合气体中的水蒸气，在进入油页岩储层12之后，在高温的作用下，与油页岩中的固定碳发生水煤气反应，H2O+C＝H2+CO。同时油页岩储层12温度升高发生裂解释放出油气产物，汽油燃烧产生的二氧化碳可以降低油页岩裂解产生的油气产物的界面张力和粘滞系数，改良油气产物的流变性能，提高驱替效率，增加油气采收率，高温水蒸气可以促进油页岩原位裂解的进行，提高原位裂解效率。
超燃加热器8所使用的油不局限于汽油，在输入压力为6MPa～9MPa时，采用柴油，也可以被有效压燃。

Claims (8)

1.一种用于油页岩原位裂解的系统，其特征在于：包括第一油箱(1)、油泵(2)、稳压罐(3)、空气压缩机(4)、过滤器(5)、水泵(6)、水箱(7)、超燃加热器(8)、双壁油管(9)、导水通道(10)及热敏封隔器(11)，所述油泵(2)的一端与第一油箱(1)连通，另一端与双壁油管(9)的内管(92)连通；所述稳压罐(3)的进气端与空气压缩机(4)连通，稳压罐(3)的出气端与双壁油管(9)的外管(91)连通，并在稳压罐(3)与双壁油管(9)的外管(91)之间设置有单向阀；所述水泵(6)的一端与水箱(7)连接，另一端与过滤器(5)连接；所述导水通道(10)一端与过滤器(5)连接，另一端穿过热敏封隔器(11)与螺旋制冷通道(23)连接；所述热敏封隔器(11)安装在开采井的内部，位于油页岩储层(12)的上部，热敏封隔器(11)用于将开采井与外界封隔开形成井下密闭的空间；所述双壁油管(9)穿过热敏封隔器(11)通过法兰(21)与超燃加热器(8)同轴连接，并采用加固螺栓(15)固定；所述超燃加热器(8)包括第二油箱(22)、螺旋制冷通道(23)、环形电池(24)、转动轴承(25)、气动涡轮(26)、油气混合室(27)、火花塞(28)、喷水口(29)、燃烧室(17)、雾化室(18)和热敏金属扶正器(16)，所述第二油箱(22)呈锥形，第二油箱(22)安装在超燃加热器(8)的壳体内部，并位于超燃加热器(8)的壳体中上部，第二油箱(22)与双壁油管(9)的内管(92)连通，第二油箱(22)的外部设置有与双壁油管(9)的外管(91)连通的输气管道，并在该输气管道下方安装有环形电池(24)；所述气动涡轮(26)安装在转动轴承(25)上，气动涡轮(26)设置在第二油箱(22)与油气混合室(27)之间；所述燃烧室(17)位于油气混合室(27)下方；所述雾化室(18)位于燃烧室(17)下方；所述火花塞(28)通过固定在油气混合室(27)内壁的导线与环形电池(24)连接；所述螺旋制冷通道(23)设置在超燃加热器(8)的壳体外壁上，螺旋制冷通道(23)的上部连接导水通道(10)，底部设置有喷水口(29)；所述热敏金属扶正器(16)套设在超燃加热器(8)壳体的下部。
2.根据权利要求1所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，其特征在于：还包括压力传感器(14)和泄压阀，所述压力传感器(14)和泄压阀均设置在开采井的井口处。
3.根据权利要求1所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，其特征在于：还包括流量传感器(20)，所述流量传感器(20)设置在稳压罐(3)与双壁油管(9)的外管(91)连接处。
4.根据权利要求1所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，其特征在于：还包括油质过滤器(30)，所述油质过滤器(30)设置在第一油箱(1)与油泵(2)连接的管道上。
5.根据权利要求1所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，其特征在于：所述双壁油管(9)的内管(92)与油泵(2)连接处设置有阀门。
6.根据权利要求1所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，其特征在于：在所述导水通道(10)与过滤器(5)的连接处设置有阀门。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，其特征在于：所述过滤器(5)为蜂窝式过滤器。
8.一种用于油页岩原位裂解的方法，其特征在于，该方法采用的系统为权利要求7所述的一种用于油页岩原位裂解的系统，具体包括如下步骤：
a.确定油页岩储层(12)的埋藏深度，并进行油页岩储层(12)压裂改造，压裂改造之后将超燃加热器(8)下放至油页岩储层(12)的指定位置；
b.空气压缩机(4)将空气压缩至6MPa～9MPa，压缩空气沿双壁油管(9)的外管(91)输送至超燃加热器(8)，同时油泵(2)将汽油或柴油从第一油箱(1)中沿双壁油管(9)的内管(92)抽送至超燃加热器(8)，汽油或柴油与空气在油气混合室(27)内混合，混合后的气体流入燃烧室(17)，火花塞(28)点火引燃混合气体，汽油或柴油在空气里燃烧之后产生高温高压尾气，高温高压尾气的温度为1000℃～1800℃，压力为8MPa～10MPa，该高温高压尾气中含有二氧化碳和水蒸气，同时启动水泵(6)将水箱(7)内的水抽取运送至过滤器(5)，水箱(7)内的水经过滤器(5)过滤之后沿导水通道(10)进入螺旋制冷通道(23)，最后从螺旋制冷通道(23)底部的喷水口(29)喷出；
c.从喷水口(29)喷出的水与燃烧产生的高温高压尾气在雾化室(18)内结合雾化形成混合气体，混合气体在开采井内聚集，开采井井内压力升高，混合气体流入油页岩储层(12)，混合气体中的水蒸气与油页岩中的固定碳发生水煤气反应，H2O+C＝H2+CO，同时油页岩储层(12)温度升高发生裂解释放出油气产物，混合气体中的二氧化碳驱替油气产物。
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