CN111022021A - 一种应对油页岩地层热膨胀特性的油页岩原位加热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应对油页岩地层热膨胀特性的油页岩原位加热方法，该方法在压裂时将内部含有氧气载体的多孔陶瓷支撑剂随压裂液一起压入压裂裂缝中，通过对油页岩层进行加热，使氧气载体分解产生氧气与油页岩内部的有机质发生反应，消耗部分有机质，使油页岩层内部的孔隙、裂隙不断增大。该方法解决了现有油页岩地层具有较高的热膨胀特性，在加热过程中易发生热膨胀而堵塞人工压裂裂缝，导致热量传递速率慢，加热效率低，开采周期长，成本高等问题，该方法可适用于不同层位和含油率的油页岩地层，安全可控，对环境无害。
Description
技术领域
本发明涉及油页岩开采技术领域，特别涉及一种应对油页岩地层热膨胀特性的油页岩原位加热方法。
背景技术
近年来，中国经济的高速增长使得国内对能源的需求量快速增加。根据统计数据显示，2018年中国石油对外依存度高达69.8％，天然气对外依存度提高至45.3％。为了保障我国能源供应和安全，应大力开发非常规油气资源等替代能源。
油页岩是一种富含有机质的细粒沉积岩，孔隙中的大分子固态有机质(即干酪根)加热后可裂解产生液态的页岩油和可燃的页岩气，是一种储量丰富且分布广泛的新型化石能源，被认为是石油的接替资源。
地下原位开采是目前油页岩最有前景的利用方式，其通过直接在地下原位对油页岩地层进行加热进而获得页岩油气。具有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优点，应用潜力巨大。
然而由于油页岩地层具有较高的热膨胀特性，在加热过程中容易发生热膨胀而堵塞封闭早期压裂过程中形成的人工裂缝，导致热量传递速率慢，加热效率低，开采周期长，成本高等问题，严重阻碍限制了该项技术的发展应用。
多孔陶瓷支撑剂是以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料、经过成型和特殊高温烧结工艺制备的一种具有开孔孔径、高开口气孔率的一种多孔性陶瓷材料、具有耐高温，高压、抗酸、碱和有机介质腐蚀，良好的生物惰性、可控的孔结构及高的开口孔隙率、使用寿命长、产品再生性能好等优点。
常规石油开采用压裂支撑剂适用于8000-9000米左右的深部地层，地层压力通常在80-90MPa左右，因此常规石油开采用压裂支撑剂的抗压强度通常为80-100MPa。而现有油页岩层的埋深普遍在500-1000米左右，其地层压力一般在5-10MPa左右，所以抗压强度为5-20MPa的多孔陶瓷材料完全可以满足油页岩地层压裂的需要。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有油页岩地层具有较高的热膨胀特性，在加热过程中容易发生热膨胀而堵塞封闭早期压裂过程中形成的人工裂缝，导致热量传递速率慢，加热效率低，开采周期长，成本高等问题，从而提供一种应对油页岩地层热膨胀特性的油页岩原位加热方法。
本发明的方法包括如下步骤：
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，形成压裂裂缝，然后以压裂井为中心，在压裂范围内再钻至少一口注热井至目标油页岩层；
步骤二，在压裂造缝的同时将外部包裹塑料外壳内部含有氧气载体的多孔陶瓷支撑剂随压裂液一起压入压裂裂缝中，使其充满整个压裂区，塑料外壳保护多孔陶瓷支撑剂内部的氧气载体不会在压裂过程中溶解在水中，所用多孔陶瓷的孔隙度和抗压强度根据目标地层深度和地层压力选择，所用氧气载体的含量根据油页岩层的含油率和热膨胀性选择，具体参数应根据当地油页岩层的具体性质特点而定，确保多孔陶瓷支撑剂抗压强度足够，并且氧气载体在加热过程中可以释放出足够量的氧气消耗油页岩层中的部分油页岩；
步骤三，对油页岩层进行加热，在加热过程中，油页岩层发生热膨胀，热膨胀油页岩体逐渐将压裂过程中形成的压裂裂缝封堵；
步骤四，在加热过程中，当油页岩层内的温度超过塑料外壳的熔点时，塑料外壳融化，多孔陶瓷支撑剂表面的孔隙与外界连通，当温度超过多孔陶瓷支撑剂内部氧气载体的分解温度时，氧气载体发生热分解释放出氧气，氧气在温度的作用下与油页岩内部的有机质发生反应，消耗部分有机质，使油页岩层内部的孔隙、裂隙不断增大，最终使由于热膨胀而被封堵的压裂裂缝重新打开，加之多孔陶瓷支撑剂本身的高孔隙度，使得油页岩层内部孔隙度进一步提高；
步骤五，在加热过程中，离注热井最近的多孔陶瓷支撑剂内部的氧气载体先达到分解温度，释放氧气，消耗有机质，打开被封堵的压裂裂缝，之后注热井内加热油页岩的热量以及油页岩内有机质燃烧释放出的热量共同沿压裂裂缝向远处传导，较远处油页岩依次发生上述反应，最终导致由于热膨胀而被封堵的压裂裂缝不断重新打开，直至最终连通至生产井，从而在油页岩地层内部形成贯通的加热通道；
步骤六，在加热过程中在地表通过井内气体压力与组分监测器实时监测注热井和生产井内压力及气体成分的变化，当生产井内的压力及气体成分发生变化且趋向于注热井时，说明油页岩层内部贯通的加热通道已经形成；
步骤七，继续对油页岩层进行加热，即可大大提高加热效率，快速获得页岩油气。
更进一步而言，所述步骤一中的生产井为一口时，与注热井呈直线分布，所述的生产井为多口时，以注热井为中心呈三角形、四边形、六边形或圆形环状分布。
更进一步而言，所述步骤三中对油页岩层进行加热的方式为电加热、惰性气体加热或者电磁加热的加热方式。
更进一步而言，所述的步骤二、步骤四和步骤五中多孔陶瓷支撑剂是包含一个或多个孔的多孔陶瓷材料，具有10％-75％的孔隙率，5-20MPa的抗压强度。
更进一步而言，所述的步骤二、步骤四和步骤五中氧气载体为100～500℃高温下可以分解产生氧气且在20～50℃以及1～20兆帕环境下不与水反应的物质，如KClO3(与MnO2混合使用效果更好)，KMnO4等。
更进一步而言，所述的步骤二、步骤四和步骤五中氧气载体装填于多孔陶瓷支撑剂的多孔陶瓷内部孔穴中，可通过氧气载体溶液重结晶的方法或粉末充填的方法注入，装填密度按照地层实际需要选择，保证产生的氧气量足以燃烧部分油页岩产生裂缝孔隙即可。
更进一步而言，所述的步骤二、步骤四和步骤五中多孔陶瓷支撑剂外部包裹一层塑料外壳，在压裂过程中隔绝水与氧气载体，所述的塑料外壳应采用熔点为80-300℃且环保无毒密封性好的的塑料种类，所述的塑料外壳可采用熔融法包裹在内部填充氧气载体的多孔陶瓷支撑剂外部。
塑料外壳可以为聚乙烯，聚丙烯，聚四氟乙烯等。
所述的贯通的加热通道的作用是便于热量传递以及油气运移。
本发明的有益效果：
1.本发明解决了现有油页岩地层具有较高的热膨胀特性，在加热过程中容易发生热膨胀而堵塞封闭早期压裂过程中形成的人工裂缝，导致热量传递速率慢，加热效率低，开采周期长和成本高的技术问题。
2.本发明采用内部填充氧气载体的多孔陶瓷材料作为支撑剂，用释放出的氧气引燃地层中的有机质，消耗部分有机质，使地层内部的孔隙、裂隙增大，最终使由于热膨胀而被封堵的裂缝重新打开，同时多孔陶瓷支撑剂本身的高孔隙度，使得油页岩地层内部孔隙度进一步提高。
3.本发明的加热方法操作简单，能量利用率高，见效快，提高了加热效率，降低了开采周期和成本，适用范围广，可适用于不同层位和含油率的油页岩地层，安全可控，对环境无害。
4.本发明的加热方法在加热过程中通过在地表井内设置的气体压力与组分监测器可实时监测注热井和生产井内压力及气体成分的变化。
附图说明
图1为本发明中采用电加热时的技术原理示意图。
图2为本发明中采用惰性气体加热时的技术原理示意图。
图3为本发明中内部含有氧气载体，外部包裹塑料外壳的多孔陶瓷支撑剂的剖视图。
图4为本发明中原位加热前多孔陶瓷支撑剂分布在地层压裂裂缝中的示意图。
图5为本发明中原位加热时油页岩层发生热膨胀后地层中被封堵的压裂裂缝和多孔陶瓷支撑剂示意图。
图6为本发明中原位加热后期油页岩层发生局部燃烧后地层中被贯通的压裂裂缝和多孔陶瓷支撑剂示意图。
图中：1-井内气体压力与组分监测器；2-注热井；3-非油页岩层；4-电缆线；5-压裂裂缝；6-油页岩层；7-电加热器；8-孔口管；9-多孔陶瓷支撑剂；10-生产井；11-热膨胀油页岩体；12-与氧气发生反应后的油页岩；13-惰性气体；14-气体压缩机；15-气体加热器；16-高温惰性气体；91-塑料外壳；92-氧气载体；93-多孔陶瓷内部孔穴。
具体实施方式
实施例1：如图1、图3、图4、图5和图6所示，为采用电加热器加热时的加热方法；
步骤一，先从地表向目标油页岩层6钻至少一口生产井10，在生产井10中采用水力压裂的方式进行人工造缝，形成压裂裂缝5，然后以生产井10为中心，在压裂范围内再钻至少一口注热井2至目标油页岩层6；
步骤二，在压裂造缝的同时将外部包裹塑料外壳91内部含有氧气载体92的多孔陶瓷支撑剂9随压裂液一起压入压裂裂缝5中，使其充满整个压裂区，塑料外壳91保护多孔陶瓷支撑剂9内部的氧气载体92不会在压裂过程中溶解在水中，所用多孔陶瓷的孔隙度和抗压强度根据目标地层深度和地层压力选择，所用氧气载体92的含量根据油页岩层6的含油率和热膨胀性选择，具体参数应根据当地油页岩层6的具体性质特点而定，确保多孔陶瓷支撑剂9抗压强度足够，并且氧气载体92在加热过程中可以释放出足够量的氧气消耗油页岩层6中的部分油页岩；
步骤三，采用电加热器7加热油页岩层，电加热器7上部的电缆线4起到悬挂电加热器7和传输电流的作用，在加热过程中，油页岩层6发生热膨胀，热膨胀油页岩体11逐渐将压裂过程中形成的压裂裂缝5封堵；
步骤四，在加热过程中，当油页岩层6内的温度超过塑料外壳91的熔点时，塑料外壳91融化，多孔陶瓷支撑剂9表面的孔隙与外界连通，当温度超过多孔陶瓷支撑剂9内部氧气载体92的分解温度时，氧气载体92发生热分解释放出氧气，氧气在温度的作用下与油页岩内部的有机质发生反应，消耗部分有机质，使油页岩层6内部的孔隙、裂隙不断增大，最终使由于热膨胀而被封堵的压裂裂缝5重新打开，加之多孔陶瓷支撑剂9本身的高孔隙度，使得油页岩层6内部孔隙度进一步提高；
步骤五，在加热过程中，离注热井2最近的多孔陶瓷支撑剂9内部的氧气载体92先达到分解温度，释放氧气，消耗有机质，打开被封堵的压裂裂缝5，之后注热井2内电加热器7释放的热量以及油页岩内有机质燃烧释放出的热量共同沿压裂裂缝5向远处传导，较远处的油页岩依次发生上述的反应，最终导致由于热膨胀而被封堵的压裂裂缝5不断重新打开，直至最终连通至生产井10，从而在油页岩层6内部形成贯通的加热通道；
步骤六，在加热过程中在地表通过井内气体压力与组分监测器1实时监测注热井2和生产井10内压力及气体成分的变化，当生产井10内的压力及气体成分发生变化且趋向于注热井2时，说明油页岩层6内部贯通的加热通道已经形成；
步骤七，继续采用电加热器7对油页岩层6进行加热，可大大提高加热效率，快速获得页岩油气。
实施例2，如图2、图3、图4、图5和图6所示，为采用惰性气体进行加热时的加热方法；
步骤一，先从地表向目标油页岩层6钻至少一口生产井10，在生产井10中采用水力压裂的方式进行人工造缝，形成压裂裂缝5，然后以生产井10为中心，在压裂范围内再钻至少一口注热井2至目标油页岩层6；
步骤二，在压裂造缝的同时将外部包裹塑料外壳91内部含有氧气载体92的多孔陶瓷支撑剂9随压裂液一起压入压裂裂缝5中，使其充满整个压裂区，塑料外壳91保护多孔陶瓷支撑剂9内部的氧气载体92不会在压裂过程中溶解在水中，所用多孔陶瓷的孔隙度和抗压强度根据目标地层深度和地层压力选择，所用氧气载体92的含量根据油页岩层6的含油率和热膨胀性选择，具体参数应根据当地油页岩层6的具体性质特点而定，确保多孔陶瓷支撑剂9抗压强度足够，并且氧气载体92在加热过程中可以释放出足够量的氧气消耗油页岩层6中的部分油页岩；
步骤三，通入高温惰性气体16至加热油页岩层6，惰性气体13(如氮气、二氧化碳等)在地表被气体压缩机14压缩后经气体加热器15加热成为高温惰性气体16,在加热过程中，油页岩层6发生热膨胀，热膨胀油页岩体11逐渐将压裂过程中形成的压裂裂缝5封堵；
步骤四，在加热过程中，当油页岩层6内的温度超过塑料外壳91的熔点时，塑料外壳91融化，多孔陶瓷支撑剂9表面的孔隙与外界连通，当温度超过多孔陶瓷支撑剂9内部氧气载体92的分解温度时，氧气载体92发生热分解释放出氧气，氧气在温度的作用下与油页岩内部的有机质发生反应，消耗部分有机质，使油页岩层6内部的孔隙、裂隙不断增大，最终使由于热膨胀而被封堵的压裂裂缝5重新打开，加之多孔陶瓷支撑剂9本身的高孔隙度，使得油页岩层6内部孔隙度进一步提高；
步骤五，在加热过程中，离注热井2最近的多孔陶瓷支撑剂9内部的氧气载体92先达到分解温度，释放氧气，消耗有机质，打开被封堵的压裂裂缝5，之后注热井2内高温惰性气体16携带的热量以及油页岩内有机质燃烧释放出的热量共同沿压裂裂缝5向远处传导，较远处的油页岩依次发生上述的反应，最终导致由于热膨胀而被封堵的压裂裂缝5不断重新打开，直至最终连通至生产井10，从而在油页岩层6内部形成贯通的加热通道；
步骤六，在加热过程中在地表通过井内气体压力与组分监测器1实时监测注热井2和生产井10内压力及气体成分的变化，当生产井10内的压力及气体成分发生变化且趋向于注热井2时，说明油页岩层6内部贯通的加热通道已经形成；
步骤七，继续采用高温惰性气体16对油页岩层6进行加热，可大大提高加热效率，快速获得页岩油气。
Claims (8)
1.一种应对油页岩地层热膨胀特性的油页岩原位加热方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
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，形成压裂裂缝，然后以压裂井为中心，在压裂范围内再钻至少一口注热井至目标油页岩层；
步骤二，在压裂造缝的同时将外部包裹塑料外壳内部含有氧气载体的多孔陶瓷支撑剂随压裂液一起压入压裂裂缝中，使其充满整个压裂区，塑料外壳保护多孔陶瓷支撑剂内部的氧气载体不会在压裂过程中溶解在水中；
步骤三，对油页岩层进行加热，在加热过程中，油页岩层发生热膨胀，热膨胀油页岩体逐渐将压裂过程中形成的压裂裂缝封堵；
步骤四，在加热过程中，当油页岩层内的温度超过塑料外壳的熔点时，塑料外壳融化，多孔陶瓷支撑剂表面的孔隙与外界连通，当温度超过多孔陶瓷支撑剂内部氧气载体的分解温度时，氧气载体发生热分解释放出氧气，氧气在温度的作用下与油页岩内部的有机质发生反应，消耗部分有机质，使油页岩层内部的孔隙、裂隙不断增大，使由于热膨胀而被封堵的压裂裂缝重新打开，加之多孔陶瓷支撑剂本身的高孔隙度，使得油页岩层内部孔隙度进一步提高；
步骤五，在加热过程中，离注热井最近的多孔陶瓷支撑剂内部的氧气载体先达到分解温度，释放氧气，消耗有机质，打开被封堵的压裂裂缝，之后注热井内加热油页岩的热量以及油页岩内有机质燃烧释放出的热量共同沿压裂裂缝向远处传导，较远处油页岩依次发生上述反应，最终导致由于热膨胀而被封堵的压裂裂缝不断重新打开，直至最终连通至生产井，从而在油页岩地层内部形成贯通的加热通道；
步骤六，在加热过程中在地表通过井内气体压力与组分监测器实时监测注热井和生产井内压力及气体成分的变化，当生产井内的压力及气体成分发生变化且趋向于注热井时，说明油页岩层内部贯通的加热通道已经形成；
步骤七，继续对油页岩层进行加热，可提高加热效率，快速获得页岩油气。
2.根据权利要求1所述的一种应对油页岩地层热膨胀特性的油页岩原位加热方法，其特征在于：所述步骤一中的生产井为一口时，与注热井呈直线分布，所述的生产井为多口时，以注热井为中心呈三角形、四边形、六边形或圆形环状分布。
3.根据权利要求1所述的一种应对油页岩地层热膨胀特性的油页岩原位加热方法，其特征在于：所述步骤三中对油页岩层进行加热的方式为电加热、惰性气体加热或者电磁加热的加热方式。
4.根据权利要求1所述的一种应对油页岩地层热膨胀特性的油页岩原位加热方法，其特征在于：所述的步骤二、步骤四和步骤五中多孔陶瓷支撑剂是包含一个或多个孔的多孔陶瓷材料，具有10％-75％的孔隙率，5-20MPa的抗压强度。
5.根据权利要求1所述的一种应对油页岩地层热膨胀特性的油页岩原位加热方法，其特征在于：所述的步骤二、步骤四和步骤五中氧气载体为100-500℃高温下可以分解产生氧气且在20～50℃以及1～20兆帕环境下不与水反应的物质。
6.根据权利要求1所述的一种应对油页岩地层热膨胀特性的油页岩原位加热方法，其特征在于：所述的步骤二、步骤四和步骤五中氧气载体装填于多孔陶瓷支撑剂的多孔陶瓷内部孔穴中，可通过氧气载体溶液重结晶的方法或粉末充填的方法注入。
7.根据权利要求1所述的一种应对油页岩地层热膨胀特性的油页岩原位加热方法，其特征在于：所述的步骤二、步骤四和步骤五中多孔陶瓷支撑剂外部包裹一层塑料外壳，在压裂过程中隔绝水与氧气载体，所述的塑料外壳应采用熔点为80-300℃且环保无毒密封性好的的塑料种类，所述的塑料外壳可采用熔融法包裹在内部填充氧气载体的多孔陶瓷支撑剂外部。
8.根据权利要求1所述的一种应对油页岩地层热膨胀特性的油页岩原位加热方法，其特征在于：所述步骤二中所用多孔陶瓷的孔隙度和抗压强度根据目标地层深度和地层压力选择，所用氧气载体的含量根据油页岩层的含油率和热膨胀性选择，具体参数应确保多孔陶瓷支撑剂抗压强度足够，并且氧气载体在加热过程中可以释放出足够量的氧气消耗油页岩层中的部分油页岩。
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