CN109184649B - 一种生物炭辅助加热油页岩提取页岩油气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物炭辅助加热油页岩提取页岩油气的方法，其方法为：步骤一、生产井中形成返气通道和油抽汲通道；步骤二、确保生物炭产生足够的热量辅助油页岩热解；步骤三、配合油页岩自身的自生热效应使其内部的有机质发生裂解，产生页岩油气，一部分被注入的热空气携带经生产井来到地面，另一部分冷却成为液体后汇入生产井底部；步骤四、生产井底部的页岩油通过常规的采油泵从生产井的油抽汲通道抽出即可。有益效果：提高了能量的利用率；扩展了生物炭的利用途径，为生物质废料的利用提供了新的思路，保护环境、变废为宝。

Description

一种生物炭辅助加热油页岩提取页岩油气的方法

技术领域

本发明涉及一种提取页岩油气的方法，特别涉及一种生物炭辅助加热油页岩提取页岩油气的方法。

背景技术

目前，世界经济的飞速发展和全球化的不断加深导致能源需求的不断增长，然而常规燃料的日益短缺已经日益凸显。据英国BP公司提供的关于能源总量的报告，按现有开采速度，地球上的石油、天然气和煤炭等主要一次能源将分别在40年、60年和220年后走向枯竭。油页岩作为石油的接替能源，其巨大的储量使其具有广阔的开发与应用前景，它的开发和利用能够极大缓解目前能源短缺的问题。

油页岩是一种可燃的、含有大量固态有机质的细粒沉积岩，孔隙中的固态有机质加热后可裂解产生液态的页岩油和可燃的页岩气，是一种储量丰富的新型化石能源。油页岩在氮气环境下需加热至450℃-550℃才能产生裂解，而在有氧环境下只需300℃-400℃即可产生大量页岩油气，这是由于油页岩内部部分有机质和固定碳与氧气发生反应提供热量，辅助有机质发生裂解，有氧环境下可大幅降低油页岩的开采温度。有关对油页岩的研究指出，先通惰性气体加热油页岩再转换为热空气能够引发油页岩的自生热热解过程，可以在300℃-350℃时获得接近于油页岩含油率的油产率。

生物炭是生物有机材料(多为有机废料，如动物粪便，果皮果壳，植物根茎，木屑和秸秆等)在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物，其具有多孔、含碳量高等特点，既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等热点问题提供解决方案。

目前油页岩的开发利用方式主要包括地上开采和地下原位开采两种。地上开采方式包括干馏炼油和燃烧发电，其中干馏炼油为主要利用方式。地上干馏多采用电加热或者燃料加热等方式提供热量使油页岩产生裂解，且多在氮气等惰性气氛下，外部温度要求高，存在开采成本大，效率低等缺点。

油页岩的地下原位开采是指通过在原位对地下油页岩矿体进行加热进而获得页岩油气的开采方式。相比地上开采具有许多优点，如不需将矿体开采至地表，节省人力物力，成本小；不破坏地层结构，无采空区，且无残渣堆积，对环境损害小；可利用油页岩资源范围广，能开采更深层位的油页岩，原位集中开采效率高等特点，是一种具有广阔前景的开采方式。目前，油页岩的地下原位开采方法有很多。壳牌公司的地下转化工艺技术(ICP)(专利号CN87100890A)和埃克森美孚公司的ElectrofracTM技术(专利号CN18975168A)都是通过电加热的方式对地下油页岩层进行加热，该类方法需要将大量能量输送至地下，加热速度缓慢，成本较高，开发周期长。Raytheon公司的RF/CF技术通过射频及注入超临界二氧化碳来加热油页岩达到裂解温度，该方法生产周期短，仅需几个月就可生产出页岩油气，但需大量的电能以生成射频能，成本较高，能量消耗大。国内吉林大学提出了采用原位局部化学法提取页岩油气的方法(专利号CN103696747A)，该方法通过向地下注入热混合气体在地下油页岩层中形成局部化学反应区，诱发一系列的“链式反应”，最终使油页岩逐步自催化裂解，生成页岩油和页岩气。但该方法操作难度大，反应过程不易控制，限制了其大范围推广应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有油页岩开采方式能量消耗大、施工周期长、成本高、效率低、污染环境等问题而提供的一种生物炭辅助加热油页岩提取页岩油气的方法。

本发明提供的生物炭辅助加热油页岩提取页岩油气的方法，其方法如下所述：

步骤一、先从地表向目标油页岩层钻至少一口生产井，在生产井中采用水力压裂的方式进行人工造缝，然后以生产井为中心，在压裂范围内再钻至少一口注热井，在注热井中形成注热通道，生产井中形成返气通道和油抽汲通道；

步骤二、在压裂造缝的同时将混有一定比例生物炭和引燃剂的支撑剂随压裂液一起压入地下裂缝中，使其充满整个压裂区，按重量比引燃剂与生物炭的混合比例为1:100至1:5，确保引燃剂能够引燃生物炭；按重量比生物炭与油页岩的比例为1:10至1:1，实际配比根据当地油页岩层的具体性质特点而定，确保生物炭产生足够的热量辅助油页岩热解；

步骤三、通过注热井的注热通道向孔内注入热惰性气体加热油页岩层，油页岩层的加热温度需超过引燃剂自身的燃点10-20℃，之后向孔内注入热空气，使引燃剂自燃，引燃剂燃烧瞬间释放大量热量，使局部生物炭升温达到燃点开始燃烧并不断扩大燃烧范围，从而持续释放热量辅助加热油页岩，配合油页岩自身的自生热效应使其内部的有机质发生裂解，产生页岩油气，一部分被注入的热空气被页岩油气携带经生产井来到地面，另一部分冷却成为液体后汇入生产井底部；

步骤四、在地表，被注入的热空气经生产井被页岩油气携带来到地面，然后通过非冷却的方式分离，剩余气体温度不会显著降低，经重新补充加热后再次注入注热井循环利用，生产井底部的页岩油通过常规的采油泵从生产井的油抽汲通道抽出即可。

支撑剂采用石英砂或人造陶粒。

生物炭来源于各种生物质原料，生物质原料包括杂草、秸秆、松针、果壳果皮、木屑或动物粪便，生物炭采用限氧控温炭化法或高温热解法制备，即将生物质原料置于裂解炉中，使其在300-500℃缺氧或无氧的环境下内部有机质热裂解发生炭化反应，从而得到生物炭。

引燃剂为红磷或易燃高热值物质，引燃剂的燃点在100℃-300℃之间，引燃剂的燃点低于生物炭自身的燃点；当加热达到的温度能够使生物炭自燃时(300℃-350℃)，可不使用引燃剂。

惰性气体为氮气或二氧化碳气体。

压裂液为行业常规产品，因此，具体品种和型号没有进行赘述。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种新型的油页岩开采方法，既可应用于油页岩的地上开采，也可应用于油页岩的地下原位开采。本发明首次将生物炭应用到油页岩的开发利用中，通过辅助加热强化油页岩的自生热效应，降低油页岩的开采温度，加之引燃剂的引入，使得开采温度再次降低，从而大大降低油页岩的开采条件和开采成本；不需热传导的方式而采用配合外部加热在油页岩层位直接加热油页岩，提高了能量利用率，加热速度快，开采周期短；采用非冷却的方式分离油气，可重复利用剩余热空气中的热量，提高了能量的利用率；扩展了生物炭的利用途径，为生物质废料的利用提供了新的思路，保护环境、变废为宝。

附图说明

图1为本发明所述方法的原理示意图。

图2为本发明所述生物炭、引燃剂与支撑剂在地下压裂裂缝中混合示意图。

图3为本发明所述生产井以注热井为中心呈三角形分布的示意图。

图4为本发明所述生产井以注热井为中心呈四边形分布的示意图。

图5为本发明所述生产井以注热井为中心呈六边形或圆形分布的示意图。

1、注热井；2、非油页岩层；3、压裂裂缝；4、油页岩层；5、注热通道；

6、气体压缩机；7、空压机；8、加热器；9、油气分离器；

10、油气储集区；11、采油泵；12、生产井；13、返气通道；

14、油抽汲通道；15、孔底页岩油聚集区；16、支撑剂；17、引燃剂；

18、生物炭。

具体实施方式

实施案例1：如图1所示，为双井形式。

(一)钻完井阶段：

步骤一、先从地表向目标油页岩层4钻一口生产井12，在生产井12中采用水力压裂的方式进行人工造缝，形成压裂裂缝3；

步骤二、然后以生产井12为中心，在压裂范围内再钻一口注热井1，在注热井1中形成注热通道5，生产井12中形成返气通道13和油抽汲通道14；

步骤三、在压裂造缝的同时将混有一定比例生物炭18和引燃剂17的支撑剂16随压裂液一起压入压裂裂缝3中，使其充满整个压裂区，按重量比引燃剂17与生物炭18的混合比例一般在1:100至1:5之间，确保其可以引燃生物炭18即可；按重量比生物炭18与油页岩的比例一般在1:10至1:1之间，实际配比可根据当地油页岩层4的具体性质特点而定，确保生物炭18可产生足够的热量辅助油页岩热解即可。

(二)设备安装阶段：

步骤一、在地面安装气体压缩机6，空压机7，加热器8，油气分离器9，油气储集区10和采油泵11及相应的管道和设施等；

步骤二、将注热通道5与气体压缩机6相连接，返气通道13与油气分离器9相连接，油抽汲通道14和采油泵11相连接。

(三)产油气阶段：

步骤一、通过注热井1的注热通道5向孔内注入热氮气等惰性气体加热油页岩层4至一定温度，该温度需超过引燃剂17自身的燃点10-20℃；

步骤二、转而向注热井1内注入热空气，使引燃剂17自燃，引燃剂17燃烧瞬间释放大量热量，使局部生物炭18升温达到燃点开始燃烧并不断扩大燃烧范围，从而持续释放热量辅助加热油页岩，配合油页岩自身的自生热效应使其内部的有机质发生裂解，产生页岩油气，一部分被注入的热空气携带经返气通道13来到地面，另一部分冷却后成为液体汇入生产井12底部的孔底页岩油聚集区15。

(四)后处理阶段：

步骤一、在地表，经生产井12的返气通道13携带来到地面的油气被油气分离器9分离，其采用非冷却的方式，剩余气体温度不会显著降低，经空压机7重新补充空气后，混合气体被加热器8加热后再次注入注热井1循环利用；

步骤二、生产井12底部孔底页岩油聚集区15内的页岩油通过常规的采油泵11从生产井12的油抽汲通道14抽出来，与油气分离器9分离出的油气共同输送至油气储集区10储藏保存。

实施案例2：如图3、图4和图5所示，为群井形式。

步骤一、根据油页岩层4的走向、分布，确定生产井12和注热井1的具体排布方式，可采用以注热井1为中心，生产井12以三角形、四边形、六边形或圆形等围绕注热井1分布；

步骤二、依排布方式从地表向目标油页岩层4钻数口生产井12，在生产井12中采用水力压裂的方式进行人工造缝，形成压裂裂缝3；

步骤三、然后以生产井12为中心，依排布方式在压裂范围内再钻数口注热井1，在注热井1中形成注热通道5，生产井12中形成返气通道13和油抽汲通道14；

步骤四、在压裂造缝的同时将混有一定比例生物炭18和引燃剂17的支撑剂16随压裂液一起压入压裂裂缝3中，使其充满整个压裂区，引燃剂17与生物炭18的混合比例一般在1:100至1:5之间，确保其可以引燃生物炭18即可；生物炭18与油页岩的比例一般在1:10至1:1之间，实际配比可根据当地油页岩层4的具体性质特点而定，确保生物炭18可产生足够的热量辅助油页岩热解即可；

步骤五、设备安装阶段、产油气阶段和后处理阶段的实施步骤与实施案例1中(二)设备安装阶段、(三)产油气阶段和(四)后处理阶段相同。

Claims (5)

1.一种生物炭辅助加热油页岩提取页岩油气的方法，其特征在于：其方法如下所述：

步骤一、先从地表向目标油页岩层钻至少一口生产井，在生产井中采用水力压裂的方式进行人工造缝，然后以生产井为中心，在压裂范围内再钻至少一口注热井，在注热井中形成注热通道，生产井中形成返气通道和油抽汲通道；

步骤二、在压裂造缝的同时将混有一定比例生物炭和引燃剂的支撑剂随压裂液一起压入地下裂缝中，使其充满整个压裂区，按重量比引燃剂与生物炭的混合比例为1:100至1:5，确保引燃剂能够引燃生物炭；按重量比生物炭与油页岩的比例为1:10至1:1，实际配比根据当地油页岩层的具体性质特点而定，确保生物炭产生足够的热量辅助油页岩热解；

步骤三、通过注热井的注热通道向孔内注入热惰性气体加热油页岩层，油页岩层的加热温度需超过引燃剂自身的燃点10-20℃，之后向孔内注入热空气，使引燃剂自燃，引燃剂燃烧瞬间释放大量热量，使局部生物炭升温达到燃点开始燃烧并不断扩大燃烧范围，从而持续释放热量辅助加热油页岩，配合油页岩自身的自生热效应使其内部的有机质发生裂解，产生页岩油气，一部分被注入的热空气被页岩油气携带经生产井来到地面，另一部分冷却成为液体后汇入生产井底部；

步骤四、在地表，被注入的热空气经生产井被页岩油气携带来到地面，然后通过非冷却的方式分离，剩余气体温度不会显著降低，经重新补充加热后再次注入注热井循环利用，生产井底部的页岩油通过常规的采油泵从生产井的油抽汲通道抽出即可。

2.根据权利要求1所述的一种生物炭辅助加热油页岩提取页岩油气的方法，其特征在于：所述的支撑剂采用石英砂或人造陶粒。

3.根据权利要求1所述的一种生物炭辅助加热油页岩提取页岩油气的方法，其特征在于：所述的生物炭来源于各种生物质原料，生物质原料包括杂草、秸秆、松针、果壳果皮、木屑或动物粪便，生物炭采用限氧控温炭化法或高温热解法制备，即将生物质原料置于裂解炉中，使其在300-500℃缺氧或无氧的环境下内部有机质热裂解发生炭化反应，从而得到生物炭。

4.根据权利要求1所述的一种生物炭辅助加热油页岩提取页岩油气的方法，其特征在于：所述的引燃剂为红磷或易燃高热值物质，引燃剂的燃点在100℃-300℃之间，引燃剂的燃点低于生物炭自身的燃点。

5.根据权利要求1所述的一种生物炭辅助加热油页岩提取页岩油气的方法，其特征在于：所述的惰性气体为氮气或二氧化碳气体。