CN108487888A - 用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置及方法 - Google Patents

Abstract

用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置及方法,属于油页岩原位开采领域，装置包括空气压缩机、地面换热器、加热管、温度传感器、自动控温装置、气体泵、分级冷凝装置、油水分离装置、三相分离器、气体发电机组及可燃气体压缩机等，加热管对注热井段加热，与地面换热器共同作用，为热解油页岩层提供高温气体，方法包括前期准备，加热阶段，产油产气阶段，本发明通过加热管的加热功能，一方面使生产井的温度维持在一定的范围，有效防止了油气的提前凝结；另一方面通过产物中的水分与发热材料反应放热，有效地降低了产物中的水分含量；并且利用产物中的可燃气体发电作为辅助电源，减少了成本支出。

Description

用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置及方法

技术领域

本发明属于油页岩原位开采领域，尤其是涉及一种用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置及方法。

背景技术

油页岩又称油母页岩，是一种沉积岩，其含有的固体有机物质分布于无机矿物骨架内。油页岩是一种固体化石燃料，作为一种能源，油页岩加热后，其中的有机质油母质热解产生页岩油。页岩油可以加工制取油品，也可直接燃烧，产生蒸汽、发电。

进入21世纪，世界各国原油消耗量剧增，随着有限化石燃料的不断消耗，寻求一种可以替代常规油气资源的新型能源迫在眉睫。油页岩以其丰富的含量和热解产物特性，在替代石油资源方面越来越受到人们的关注。因此，寻找一种经济高效的油页岩热解方法，对于缓解能源矛盾、促进社会发展和国际局势稳定等方面具有十分重要的意义。

目前，常规的油页岩转化技术是地面干馏技术，即将埋藏于地下的油页岩开采至地面，在干馏装置内进行干馏、产生页岩油、气。虽然地面干馏方法已经十分成熟，但是也存在很大的缺陷，比如设备庞大、需要占用较大的地面面积、热解后的油页岩残渣无法得到有效的处理，污染环境，同时，将油页岩开采出地面，会对地质结构造成破环，影响地质稳定性，可能导致地震、地面塌陷等地质危害。

地下原位开采技术是指油页岩不经开采至地面，直接在地下加热，生成页岩油、气，再导至地面，从而进行回收利用。与地面干馏技术相比较，其优点在于油页岩不需开采出地面，对原有地层的破坏较少，另外不需在地面进行加热处理，不需庞大的地面干馏设备，地面占地面积较少，同时原位开采技术特别适用于深层、高厚度的油页岩资源的开发利用。

虽然地下原位开采技术具有显著的优势，但是也存在明显的缺陷。由于是在地下热解油页岩，地下空间不是一个封闭的区域，同时在地层压力和地层水分存在的情况下，热量的损失是一个难以避免的问题，从而导致了生产井温度低于注热井温度；另外，由于生产井直接连接地面集油设备，温差加大，热交换更加剧烈，导致生产井温度波动幅度较大。在油气的运移过程中，由于温度的变化，将导致部分油气在生产井中凝结，堵塞管道，从而降低油气运输效率和采收率。

现有关于提高油气运输新方法的报道主要集中在石油领域。经过总结，大致分为两种，一种是在原油自地下导至地表的过程中加入催化剂，降低其粘度，提高其流动性，从而提高原油的输送效率；另一种是在地面运输时在输油管道的外围加装加热装置，用加热管道的方式，提高原油运输过程中的温度，根据液体的粘温特性液体的粘度随温度的升高而降低，从而提高运输效率。

但是，关于降低油气凝结、提高油页岩原位热解油气运输的方法鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于解决油页岩原位热解过程中部分油气在输送过程中所出现的提前凝结问题，提供一种用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置及方法。

用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置，其特征在于：包括空气压缩机、地面换热器、加热管气体进口管道、油气运输通道、生产井套管、加热管、温度传感器、自动控温装置、气体泵、分级冷凝装置、油水分离装置、废水处理装置、重油储集罐、三相分离器、轻油储集罐、气体发电机组及可燃气体压缩机，所述地面换热器的进气端与空气压缩机连接，地面换热器的出气端分别与注热井及加热管用于容纳发热材料的环空间隙连通，且地面换热器通过热管气体进口管道与加热管用于容纳发热材料的环空间隙连接；所述油气运输通道一端与注热井连通，另一端与生产井连通；所述生产井套管安装在生产井内部；所述加热管数量为两个，两个加热管分别安置在注热井和生产井内，加热管包括内管、外管、发热材料气体进口通道、发热材料气体出口通道及电阻丝，所述内管和外管之间具有环空间隙，并在该环空间隙内填充有发热材料，内管的中心通道为油气通道，在内管的外壁上以相同螺距缠绕有电阻丝；所述电阻丝与自动控温装置连接；所述发热材料气体进口通道设置在加热管上，发热材料气体进口通道一端加热管气体进口管道连接，另一端与加热管的环空间隙连通；所述发热材料气体出口通道一端与环空间隙连通，另一端与内管的中心通道连通；所述温度传感器数量为两个分别安置在注热井和生产井的井口处，并与自动控温装置连接；所述自动控温装置上具有注热井温控板块及生产井温控板块；所述气体泵一端与生产井连通，气体泵另一端与分级冷凝装置连接；所述分级冷凝装置一端与生产井的油气通道及气体泵连接，另一端与油水分离装置连接；所述废水处理装置、重油储集罐及三相分离器均与油水分离装置连接；所述轻油储集罐与三相分离器连接；所述气体发电机组一端与三相分离器连接，另一端与加热管的电热丝连接；所述可燃气体压缩机一端与气体发电机组连接，另一端与注热井内的加热管连通。

所述发热材料为碳酸钠、焙烧硅藻土、铁粉、铝粉、焦炭粉、活性炭、盐及生石灰的混合物。

所述外管的内壁处全部贴有保温用石棉。

所述电阻丝的外部包覆有绝缘层。

用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热方法，其特征在于，该方法采用所述的用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置，具体包括以下步骤：

a.前期准备：根据油页岩层分布情况及地质条件选择钻井位置，分别钻取注热井和生产井至目标地层；在注热井和生产井中下入套管及加热管，并将加热管与自动控温装置连接，固井；

b.加热阶段：将常温气体通过空气压缩机注入到地面换热器内进行加热处理，经加热处理后的气体一部分注入到注热井内，另一部分注入到加热管的环空间隙内与预先填充的发热材料反应后再进入注热井内，共同加热油页岩层；

c.产油产气阶段：油页岩层经加热后达到油页岩有机质热解温度产生气态油气，热解温度为300℃～370℃；气态油气经油页岩层裂隙由注热井段向生产井段转移扩散；

d.在产油产气阶段，预先设置自动控温装置上生产井控制板块的控温值，启动自动控温装置进行加热，位于生产井井口的温度传感器检测到的温度数据小于预先设置的控温值时，自动控温装置自动对生产井加热，使生产井的油气通道保持在预定的温度范围内，该预定的温度与控温值之差的绝对值小于20℃；

e.热解产生的气态油气通过分级冷凝装置、油水分离装置、废水处理装置、重油储集罐、三相分离器及轻油储集罐分离、收集之后，剩余的气体组分首先通过气体发电机组发电，然后再通过可燃气体压缩机压缩处理，压缩后的气体注入注热井内的加热管与发热材料反应，辅助加热注热井段气体。

通过上述设计方案，与现有技术相比本发明可以带来如下有益效果：

1、运用特制加热管对生产井段加热，有效地防止了油气的提前凝结，提高了油气产物的采收率。

2、运用特制加热管对注热井段加热，与地面换热器共同作用，为热解油页岩层提供高温气体节约了生产成本。

3、利用产物中的可燃气体组分通过气体发电机组发电作为辅助电源，降低了电能的投入，高效地利用了现场资源。

4、利用产物中的水分与发热材料反应放热，辅助加热井管，不仅提供了热量的输入，而且还有效地降低了产物中的水分含量，有效地降低了页岩油气的后序处理难度。

本发明的方法利用电加热和发热材料辅助供热的方式，可有效地降低油气的提前凝结，降低产物中的水分含量，提高油气采收率和降低生产投入。

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为本发明实施例用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热方法的示意图。

图2为本发明实施例加热管的结构示意图。

图中各标记如下：1-空气压缩机、2-地面换热器、3-加热管气体进口管道、4-上覆地层、6-油页岩层、7-下伏地层、8-注热井、9-油气运输通道、10-生产井、11-生产井套管、13-加热管、1301-内管、1302-外管、1303-发热材料气体进口通道、1304-发热材料气体出口通道、1305-电阻丝、1306-保温用石棉、14-温度传感器、15-自动控温装置、16-气体泵、17-分级冷凝装置、18-油水分离装置、19-废水处理装置、20-重油储集罐、21-三相分离器、22-轻油储集罐、23-气体发电机组、24-可燃气体压缩机。

具体实施方式

为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细的叙述。

如图1及图2所示，本发明提出了一种用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置，其特征在于：包括空气压缩机1、地面换热器2、加热管气体进口管道3、油气运输通道9、生产井套管11、加热管13、温度传感器14、自动控温装置15、气体泵16、分级冷凝装置17、油水分离装置18、废水处理装置19、重油储集罐20、三相分离器21、轻油储集罐22、气体发电机组23及可燃气体压缩机24，所述地面换热器2的进气端与空气压缩机1连接，地面换热器2的出气端分别与注热井8及加热管13用于容纳发热材料的环空间隙连通，且地面换热器2通过热管气体进口管道3与加热管13用于容纳发热材料的环空间隙连接；所述油气运输通道9一端与注热井8连通，另一端与生产井10连通；所述生产井套管11安装在生产井10内部；所述加热管13数量为两个，两个加热管13分别安置在注热井8和生产井10内，加热管13包括内管1301、外管1302、发热材料气体进口通道1303、发热材料气体出口通道1304及电阻丝1305，所述内管1301和外管1302均为常用的耐腐蚀钢制管材，内管1301和外管1302之间具有环空间隙，并在该环空间隙内填充有发热材料，发热材料通过与水分接触反应，发出大量的热量，用于辅助加热，内管1301的中心通道为油气通道，在内管1301的外壁上以相同螺距缠绕有电阻丝1305；所述电阻丝1305与自动控温装置15连接；所述发热材料气体进口通道1303设置在加热管13上，发热材料气体进口通道1303一端加热管气体进口管道3连接，另一端与加热管13的环空间隙连通；所述发热材料气体出口通道1304一端与环空间隙连通，另一端与内管1301的中心通道连通；所述温度传感器14数量为两个分别安置在注热井8和生产井10的井口处，并与自动控温装置15连接；所述自动控温装置15上具有注热井温控板块及生产井温控板块；所述气体泵16一端与生产井10连通，气体泵16另一端与分级冷凝装置17连接；所述分级冷凝装置17一端与生产井10的油气通道及气体泵16连接，另一端与油水分离装置18连接；所述废水处理装置19、重油储集罐20及三相分离器21均与油水分离装置18连接；所述轻油储集罐22与三相分离器21连接；所述气体发电机组23一端与三相分离器21连接，另一端与加热管13的电热丝1305连接；所述可燃气体压缩机24一端与气体发电机组23连接，另一端与注热井8内的加热管13连通。

所述发热材料为碳酸钠、焙烧硅藻土、铁粉、铝粉、焦炭粉、活性炭、盐及生石灰的混合物。

所述外管1302的内壁处全部贴有保温用石棉1306，防止热量向外部传递。

所述电阻丝1305的外部包覆有绝缘层。

本发明提出的一种用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热方法是通过以下方式实现的：

1、钻取数口注热井8和生产井10至目标油页岩层6；所述油页岩层6位于上覆地层4及下伏地层7之间；

2、然后在注热井8和生产井10中下入加热管13，并做好固井工作；

3、加热管13具有加热功能，加热管13为由内管1301和外管1302构成的双层结构，且内管1301和外管1302之间的环空间隙内填充有发热材料，内管1301的中心通道为油气通道；

4、然后常温气体由空气压缩机1注入地面换热器2内，经加热处理后形成高温气体，一部分高温气体直接注入注热井8内，另一部分与加热管13内的发热材料反应放热后，再进入注热井8内，共同加热油页岩层6,；

5、油页岩层6经加热后，温度达到300℃～370℃，油页岩有机质裂解产生气态高温油气，经油页岩层6裂隙由加热井段向生产井段转移扩散；

6、在产油产气阶段，生产井10中的加热管13通过自身的加热功能使油气通道保持在一定的温度范围，防止油气在从生产井段向地面输送的过程中提前冷凝；

7、油气经地面装置分级冷凝处理后，剩余气体组分先通过气体发电机组23发电，作为加热管13的辅助电源使用，然后再通过可燃气体压缩机24注入注热井8和加热管13中，用于加热油页岩层6。

所述的加热管13所采用的加热方式为自动化加热方式和发热材料辅助加热方式。通过在生产井10的井口安置温度传感器14，并连接自动控温装置15，以温度传感器14所测数据来控制电阻丝1305加热的温度和时间，以维持整个生产井10的出口温度，保证生产井10的温度处于一定的范围；利用油气与发热材料接触之后的放热反应，放出大量的热量来辅助供热。

所述的加热管13的电能来源分为两部分，一是国家电网供电主要，二是充分利用产物中的可燃气体组分通过气体发电机组23发电，作为辅助电源。

请参考图1所示，为本发明的实施例，其采用注热井8和生产井10的双井布井模式。其具体的实施过程如下：

a.根据油页岩层6分布情况及地质条件选择钻井位置，选择钻井位置，并选用合适的钻具和钻井方法钻取注热井8和生产井10，注热井8和生产井10选择相同的井身结构；

b.在注热井8和生产井10中下入套管，然后在注热井8和生产井10中下入并连接好加热管13，并做好相应的固井工作；

c.在对油页岩层6进行加热时，首先通过空气压缩机1提供常温气体，经过地面换热器2加热处理后形成高温气体。一部分高温气体直接通过注热井8的井口注入井内，另一部分高温气体则通过加热管气体进口管道3进入加热管13中，气体中的水分与预先铺设的发热材料反应放热，然后通过发热材料气体出口通道1304进入注热井8内，以加热油页岩层6。然后打开自动控温装置15，在注热井控制板块设置好控温值(如400℃)和开启加热功能，当温度传感器14检测到的温度数据低于控温值(如400℃)时，系统将自动启动加热功能，使注热井段温度维持在一定温度范围。同时开启自动控温装置15的生产井控制板块，通过生产井10出口处的温度传感器14检测出口温度，并根据出口温度数据，实时调节自动控温装置15功能。此阶段，生产井控制板块的加热功能和气体泵16均处于关闭状态；

d.在产油产气阶段，即当油页岩层6加热到油页岩可热解温度时300℃～370℃，设置好生产井控制板块的控温值(如200℃)，打开自动控温装置15的加热功能，并观测生产井10井口温度传感器14的温度数据。当显示温度＜控温值(如200℃)时，自动控温装置15将自动开启加热功能，对生产井段进行加热，使其温度维持在控温值附近，显示温度与控温值之差的绝对值小于20℃；同时打开气体泵16，开始抽吸井内的油气，使少量油气首先经过发热材料气体进口通道1303与加热管13中预先铺设的发热材料反应，放出大量的热量，辅助加热生产井段。与发热材料反应后的剩余气体然后再经过气体泵16与生产井10中的大量油气一同进入分级冷凝装置17，进行后序冷凝处理；

e.热解产生的页岩油气通过地面分离装置和收集装置(即分级冷凝装置17、油水分离装置18、废水处理装置19、重油储集罐20、三相分离器21及轻油储集罐22)分离、收集之后，剩余的气体组分首先通过气体发电机组23发电，然后再通过可燃气体压缩机24压缩处理。压缩后的气体注入加热管13内，与发热材料反应，辅助加热注热井段气体；

f.在整个产油气过程中，不断地通过加热管13加热和发热材料辅助供热，以及气体发电机组23发电作为辅助电源，可有效地防止油气提前凝结，提高采收率，降低生产投入。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置，其特征在于：包括空气压缩机(1)、地面换热器(2)、加热管气体进口管道(3)、油气运输通道(9)、生产井套管(11)、加热管(13)、温度传感器(14)、自动控温装置(15)、气体泵(16)、分级冷凝装置(17)、油水分离装置(18)、废水处理装置(19)、重油储集罐(20)、三相分离器(21)、轻油储集罐(22)、气体发电机组(23)及可燃气体压缩机(24)，所述地面换热器(2)的进气端与空气压缩机(1)连接，地面换热器(2)的出气端分别与注热井(8)及加热管(13)用于容纳发热材料的环空间隙连通，且地面换热器(2)通过热管气体进口管道(3)与加热管(13)用于容纳发热材料的环空间隙连接；所述油气运输通道(9)一端与注热井(8)连通，另一端与生产井(10)连通；所述生产井套管(11)安装在生产井(10)内部；所述加热管(13)数量为两个，两个加热管(13)分别安置在注热井(8)和生产井(10)内，加热管(13)包括内管(1301)、外管(1302)、发热材料气体进口通道(1303)、发热材料气体出口通道(1304)及电阻丝(1305)，所述内管(1301)和外管(1302)之间具有环空间隙，并在该环空间隙内填充有发热材料，内管(1301)的中心通道为油气通道，在内管(1301)的外壁上以相同螺距缠绕有电阻丝(1305)；所述电阻丝(1305)与自动控温装置(15)连接；所述发热材料气体进口通道(1303)设置在加热管(13)上，发热材料气体进口通道(1303)一端加热管气体进口管道(3)连接，另一端与加热管(13)的环空间隙连通；所述发热材料气体出口通道(1304)一端与环空间隙连通，另一端与内管(1301)的中心通道连通；所述温度传感器(14)数量为两个分别安置在注热井(8)和生产井(10)的井口处，并与自动控温装置(15)连接；所述自动控温装置(15)上具有注热井温控板块及生产井温控板块；所述气体泵(16)一端与生产井(10)连通，气体泵(16)另一端与分级冷凝装置(17)连接；所述分级冷凝装置(17)一端与生产井(10)的油气通道及气体泵(16)连接，另一端与油水分离装置(18)连接；所述废水处理装置(19)、重油储集罐(20)及三相分离器(21)均与油水分离装置(18)连接；所述轻油储集罐(22)与三相分离器(21)连接；所述气体发电机组(23)一端与三相分离器(21)连接，另一端与加热管(13)的电热丝(1305)连接；所述可燃气体压缩机(24)一端与气体发电机组(23)连接，另一端与注热井(8)内的加热管(13)连通。

2.根据权利要求1所述的用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置，其特征在于：所述发热材料为碳酸钠、焙烧硅藻土、铁粉、铝粉、焦炭粉、活性炭、盐及生石灰的混合物。

3.根据权利要求1所述的用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置，其特征在于：所述外管(1302)的内壁处全部贴有保温用石棉(1306)。

4.根据权利要求1所述的用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置，其特征在于：所述电阻丝(1305)的外部包覆有绝缘层。

5.用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-4任意一项所述的用于提高油页岩原位开采油气采收率辅助加热装置，具体包括以下步骤：

a.前期准备：根据油页岩层(6)分布情况及地质条件选择钻井位置，分别钻取注热井(8)和生产井(10)至目标地层；在注热井(8)和生产井(10)中下入套管及加热管(13)，并将加热管(13)与自动控温装置(15)连接，固井；

b.加热阶段：将常温气体通过空气压缩机(1)注入到地面换热器(2)内进行加热处理，经加热处理后的气体一部分注入到注热井(8)内，另一部分注入到加热管(13)的环空间隙内与预先填充的发热材料反应后再进入注热井(8)内，共同加热油页岩层(6)；

c.产油产气阶段：油页岩层(6)经加热后达到油页岩有机质热解温度产生气态油气，热解温度为300℃～370℃；气态油气经油页岩层(6)裂隙由注热井段向生产井段转移扩散；

d.在产油产气阶段，预先设置自动控温装置(15)上生产井控制板块的控温值，启动自动控温装置(15)进行加热，位于生产井(10)井口的温度传感器(14)检测到的温度数据小于预先设置的控温值时，自动控温装置(15)自动对生产井(10)加热，使生产井(10)的油气通道保持在预定的温度范围内，该预定的温度与控温值之差的绝对值小于20℃；

e.热解产生的气态油气通过分级冷凝装置(17)、油水分离装置(18)、废水处理装置(19)、重油储集罐(20)、三相分离器(21)及轻油储集罐(22)分离、收集之后，剩余的气体组分首先通过气体发电机组(23)发电，然后再通过可燃气体压缩机(24)压缩处理，压缩后的气体注入注热井(8)内的加热管(13)与发热材料反应，辅助加热注热井段气体。