CN109424345A - 一种原位开采油页岩的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油页岩开采技术领域，提供了一种原位开采油页岩的方法；该方法包括：1)在油页岩分布区域的地表钻至少两口井至油页岩储层；2)对所述油页岩储层进行改造，使其产生裂缝；3)向所述油页岩储层注入含磁性纳米催化剂的支撑剂，使其分布在油页岩储层的裂缝中；4)将加热器放入所述加热井中，对所述油页岩储层加热；在加热条件下，在所述磁性纳米催化剂的作用下，所述油页岩储层中的干酪根裂解成含页岩油的产出物；5)通过生产井将所述产出物输出地表，进行分离及收集。本发明能实现在油页岩加热过程中降低油页岩的热解温度，加快未成熟的干酪根转换成油气资源并提高其转化率，同时降低原油粘度，提高原油品质。
Description
技术领域
本发明涉及油页岩开采技术领域，具体地，提供了一种原位开采油页岩的方法。
背景技术
油页岩是指颗粒非常细，蕴含大量未成熟有机物或干酪根的沉积岩。我国油页岩资源十分丰富，据国土资源部2005年委托吉林大学做的新一轮油气资源评价结果报道，我国油页岩资源折算成页岩油资源为476.44亿吨，页岩油可回收资源为119.79亿吨，仅次于美国，居世界第二位。与美国的油页岩地质特征相比，我国油页岩资源埋藏较深，油页岩平均厚度为20-30m，且多夹有砂岩、泥岩等，而且相当一部分为含油率小于5％的贫矿，且含油率大于10％的富矿较少，主要是介于5-10％含油率的资源。
油页岩的开采方式主要分为地面干馏和原位开采。长期以来，油页岩的开发几乎都是通过将岩石采出到地面的方式进行，但这种地面干馏的开采方式局限性大，对生态环境的破坏也十分严重，因此原位开采成为油页岩开采的必然趋势。
原位开采是指通过对油页岩储层进行高温加热(350-500℃)将油页岩中的固体干酪根转化为液态烃，再通过传统的石油天然气钻井采油工艺将液态烃从地下开采出来。根据加热方式的不同，原位开采主要分为电加热、流体对流加热和辐射加热。
电加热技术的典型代表是荷兰壳牌公司的ICP(In-situ conversion process)技术和美国埃克森美孚上游公司的Electrofrac技术。壳牌公司利用ICP技术在美国科罗拉多州的皮森斯盆地进行了8次现场先导试验，目前也在约旦进行先导试验，但这种技术中加热方式的加热时间长(2-4年)，能耗高，井下加热器容易发生故障，所以一直未能大规模推广。美国埃克森美孚上游公司采用循环流体加热的方式，其中的注入流体为烃类或水或饱和水蒸气。
流体加热技术的核心是要形成有效的热通道，但对于薄层，夹层多的油页岩储层很难形成足够的裂缝，且注入普通热水蒸汽很难达到干酪根热解所需的温度。辐射加热技术是采用射频注入超临界二氧化碳来加热油页岩储层到裂解温度，但由于油页岩本身是一种微波弱吸收介质，同样存在升温速度慢、加热效率低等缺陷。
吉林大学申请的专利CN101871339B提出采用注入水和惰性气体的水蒸气，形成近临界水的微环境。另外，专利文献CN103361100A公开了一种采用溶剂超临界或亚临界萃取油页岩的工艺方法，专利文献CN103074096A提出了一种超临界流体萃取页岩油的装置及利用该装置萃取页岩油的方法，但这些方法只能应用在地表干馏，不适合用于地下原位开采油页岩。
可见，现有的原位开采方法存在能耗高、电加热时间过长导致安全性低等问题。另外，原位开采方法中，干酪根的转化率一般为50％，为了提高开采效率，干酪根的转化率也有待提高。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种能耗低、干酪根转化率高的原位开采油页岩的方法。
本发明提供了一种原位开采油页岩的方法，该方法包括：
1)在油页岩分布区域的地表钻至少两口井至油页岩储层，作为加热井和生产井；
2)对所述油页岩储层进行改造，使其产生裂缝，提高所述油页岩储层的孔隙度和渗透率；
3)向所述油页岩储层注入含磁性纳米催化剂的支撑剂，使其均匀分布在油页岩储层的裂缝中；
4)将加热器放入所述加热井中，对所述油页岩储层加热；
在加热条件下，在所述磁性纳米催化剂的作用下，所述油页岩储层中的干酪根裂解成含页岩油、干馏气、固体含碳残渣和热解水的产出物；
5)通过生产井将所述产出物输出地表，进行分离及收集。
本发明将含磁性纳米催化剂的支撑剂注入到油页岩储层中，利用磁性纳米催化剂尺寸小、比表面积大和稳定性高等特点，能实现在油页岩加热过程中降低油页岩的热解温度，加快未成熟的干酪根转换成油气资源并提高其转化率，同时降低原油粘度，提高原油品质。另外，由于磁性纳米催化剂带有磁性，在加热结束后，可在外加磁场作用下方便分离回收催化剂，减少对环境的污染，继而可实现对油页岩资源在原位条件下高效、安全、环保、经济有效地开采。
附图说明
通过结合附图对示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
图1为本发明的实施例的原位开采油页岩的方法的示意图。
附图标记说明
1-加热井；2-生产井；3-页岩顶板；4-油页岩储层；5-裂缝；6-含磁性纳米催化剂的支撑剂；7-页岩底板；8-水力压裂设备。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明提供了一种原位开采油页岩的方法，该方法包括：
1)在油页岩分布区域的地表钻至少两口井至油页岩储层，作为加热井和生产井；
2)对所述油页岩储层进行改造，使其产生裂缝，提高所述油页岩储层的孔隙度和渗透率；
3)向所述油页岩储层注入含磁性纳米催化剂的支撑剂，使其均匀分布在油页岩储层的裂缝中；
4)将加热器放入所述加热井中，对所述油页岩储层加热；
在加热条件下，在所述磁性纳米催化剂的作用下，所述油页岩储层中的干酪根裂解成含页岩油、干馏气、固体含碳残渣和热解水的产出物；
5)通过生产井将所述产出物输出地表，进行分离及收集。
本发明所采用的磁性纳米催化剂是指任何能实现干酪根加热裂解形成页岩油等产物的带有磁性的纳米级催化剂。
所述磁性纳米催化剂包含磁性介质和催化剂组分(即活性组分)。其中，所述磁性介质可以是Fe3O4，也可以是含Fe3O4的载体，优选为Fe3O4。所述催化剂组分选自过渡金属，优选所述过渡金属为Pt、Pd和Ni中的至少一种。
按照一种优选的实施方式，所述磁性纳米催化剂为负载型催化剂，其中的载体为磁性介质Fe3O4，催化剂组分为Pt、Pd和Ni中的至少一种。
优选地，所述磁性纳米催化剂中，所述催化剂组分的含量为0.01-0.1重量％。
本发明中，所述磁性纳米催化剂具有以下特征：(1)具有较高的比表面积，比表面积激增，粒子表面官能团、活性位密度及选择性吸附能力变大；(2)催化剂组分可均匀分布在纳米微粒(磁性载体)表面，可避免一般催化剂载体孔隙扩散的限制；(3)微粒尺寸为纳米级，能使催化剂均匀分散在液相(即水)中，因此，微粒表面的催化活性基团容易与反应物接触并反应；(4)具有磁响应性，在外加磁场的作用下，磁性纳米催化剂可以方便地分离回收(分离效率通常为99％)；(5)在反应体系中，磁性纳米催化剂具有较高的稳定性，还具有纳米效应所赋予的特异催化活性和选择性。
所述磁性纳米催化剂可通过水解法制得，另外，所述磁性纳米催化剂是以分布在支撑剂上的形式注入到油页岩储层中的，因此在实际操作本发明的方法时，所述磁性纳米催化剂可伴随着与支撑剂的混合来当场制得的(例如在步骤2)之前制备)，从而得到所述含磁性纳米催化剂的支撑剂。
所述支撑剂优选为陶粒支撑剂，陶粒支撑剂耐高温高碱，在高温高碱下的破损率较低。更优选所述陶粒支撑剂的粒度为20-40目。
按照一种实施方式，所述含磁性纳米催化剂的支撑剂通过以下方法制备得到：
a、将三价铁盐与二价铁盐的混合溶液与碱性水溶液接触，经水解、结晶，形成Fe3O4微粒；
b、将Fe3O4微粒作为载体，在Fe3O4微粒上负载所述过渡金属，制得负载型催化剂微粒；
c、将所述负载型催化剂微粒在水中超声搅拌0.5-2小时，使微粒均匀分散在水中，得到第一分散体系；
d、将所述第一分散体系与支撑剂混合，超声搅拌0.5-2小时，得到第二分散体系；
e、将所述第二分散体系进行离心处理，将离心后所得固体物在150-200℃下加热5-10小时，得到所述含磁性纳米催化剂的支撑剂。
步骤a中，所述三价铁盐与二价铁盐的摩尔比可以为1.5-3︰1，优选为2︰1。所述碱性水溶液可选自氨水和/或氨水与硝酸铵的混合溶液。
步骤b中，所述负载例如用含所述过渡金属的化合物的浸渍液浸渍所述Fe3O4微粒，然后干燥来实施，具体操作条件为本领域所熟知，在此不再赘述。
步骤c中，所述负载型催化剂微粒与水的质量比可以为1︰80-120。
本发明中，所述含磁性纳米催化剂的支撑剂中，磁性纳米催化剂的含量为1-5重量％。
步骤1)中，在油页岩分布区域的地表可钻两口以上的井，例如可以是一口加热井和一口生产井，一口加热井和多口生产井，多口加热井和多口生产井。优选情况下，在油页岩分布区域的地表钻两口井，分别作为加热井和生产井。所述加热井与所述生产井的间距可以为30-100m。
步骤2)中，对所述油页岩储层的改造可通过对所述加热井采用水力压裂方式实现，即通过水力压裂来提高所述油页岩储层的孔隙度和渗透率。本发明对所述孔隙度和渗透率没有特别地限定，只要能将所述含磁性纳米催化剂的支撑剂顺利注入到页岩储层中并均匀分布在裂缝中即可。
步骤3)中，所述含磁性纳米催化剂的支撑剂是以水为传输介质注入到裂缝中的。
步骤4)中，优选将所述加热器放到所述加热井的井底进行加热，加热的温度和加热时间可按照所选择的磁性纳米催化剂来确定。优选情况下，所述加热条件包括：温度为300-450℃，加热时间为1-3个月。这种加热条件下，干酪根的转化率在60％以上。
步骤5)中，可在外加磁场作用下分离回收所述磁性纳米催化剂，减少对环境的污染，另外，该步骤的具体操作为本领域所熟知，在此不再赘述。
下面结合实施例，进一步说明本发明。
实施例
本实施例的原位开采油页岩的方法如图1所示。
某地油页岩埋藏较深，一般在300-500m，须井下开采，油页岩储层4平均厚度约为26m，平均含油率高达13％，全含水量为4％。该方法具体包括：
(1)从油页岩分布区域的地表钻两口直井贯穿油页岩储层4：一口为加热井1和一口为生产井2，井间距约为50m，并对其进行套管完井；
(2)采用水解法制备磁性纳米微粒：将摩尔比为2︰1的三价铁盐(Fe3+)与二价铁盐(Fe2+)的混合溶液直接加到氨水中，铁盐瞬间水解、结晶，形成Fe3O4纳米微粒(平均粒度为250nm)；
(3)以所述Fe3O4纳米微粒作为载体，负载过渡金属Pd(负载量为0.05重量％)，制得负载型催化剂微粒；
(4)将所述负载型催化剂微粒按1︰100加入到去离子水中，超声搅拌1h，使微粒均匀的分散在水中，形成第一分散体系；
(5)将第一分散体系倒入到20-40目的陶粒支撑剂中，超声搅拌1h，形成第二分散体系；
(6)将第二分散体系进行高速离心分离，将离心后的固体物在180℃下加热8h，使磁性纳米催化剂微粒均匀覆膜在陶粒支撑剂上，得到含磁性纳米催化剂的支撑剂6，其中的磁性纳米催化剂的含量为2.5重量％；
(7)采用水力压裂设备8通过加热井1实现对油页岩储层4进行改造，产生裂缝5，提高油页岩储层4的孔隙度和渗透率；将含磁性纳米催化剂微粒的支撑剂6注入到油页岩储层4中，使其均匀分布在储层的裂缝5中；
(8)将电加热器下放到加热井1的井底对油页岩储层4进行加热，使温度达到300℃，油页岩储层4中的干酪根在磁性纳米催化剂的作用下快速裂解成页岩油、干馏气、固体含碳残渣及少量的热解水的混合物，加热时间为2个月；
(9)通过生产井2将所述混合物输出地表，进行分离及收集。
该实施例中，油页岩的热解温度为300℃，并且能加快未成熟的干酪根转换成油气资源并提高其转化率，转化率达到60％，收集到的原油粘度在地层条件下约为45mPa·s，比国内常规原油粘度(地层条件下平均约为50mPa·s)下降约10％，提高了原油品质。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开的原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种原位开采油页岩的方法，该方法包括：
1)在油页岩分布区域的地表钻至少两口井至油页岩储层，作为加热井和生产井；
2)对所述油页岩储层进行改造，使其产生裂缝，提高所述油页岩储层的孔隙度和渗透率；
3)向所述油页岩储层注入含磁性纳米催化剂的支撑剂，使其均匀分布在油页岩储层的裂缝中；
4)将加热器放入所述加热井中，对所述油页岩储层加热；
在加热条件下，在所述磁性纳米催化剂的作用下，所述油页岩储层中的干酪根裂解成含页岩油、干馏气、固体含碳残渣和热解水的产出物；
5)通过生产井将所述产出物输出地表，进行分离及收集。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述磁性纳米催化剂包含磁性介质和催化剂组分，所述磁性介质为Fe3O4，所述催化剂组分为过渡金属，优选所述过渡金属为Pt、Pd和Ni中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述磁性纳米催化剂中，所述催化剂组分的含量为0.01-0.1重量％。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述含磁性纳米催化剂的支撑剂通过以下方法制备得到：
a、将三价铁盐和二价铁盐的混合溶液与碱性水溶液接触，经水解、结晶，形成Fe3O4微粒；
b、以所述Fe3O4微粒作为载体，在Fe3O4微粒上负载所述过渡金属，制得负载型催化剂微粒；
c、将所述负载型催化剂微粒在水中超声搅拌0.5-2小时，使微粒均匀分散在水中，得到第一分散体系；
d、将所述第一分散体系与支撑剂混合，超声搅拌0.5-2小时，得到第二分散体系；
e、将所述第二分散体系进行离心处理，将离心后所得固体物在150-200℃下加热5-10小时，得到所述含磁性纳米催化剂的支撑剂。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤a中，所述三价铁盐与二价铁盐的摩尔比为1.5-3︰1；步骤c中，所述负载型催化剂微粒与水的质量比为1︰80-120。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述支撑剂为陶粒支撑剂。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述含磁性纳米催化剂的支撑剂中，磁性纳米催化剂的含量为1-5重量％。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加热井与所述生产井的间距为30-100m。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤2)中，对所述油页岩储层的改造通过对所述加热井采用水力压裂方式实现。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤4)中，所述加热条件包括：温度为300-450℃，加热时间为1-3个月。
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