CN112253065A - 致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统及方法，属于油页岩原位开采领域，施工系统包括注浆封隔体系、井网体系和加热体系；注浆封隔体系包括注浆封隔区域，注浆封隔区域为在油页岩原位开采区域边界采用注浆施工方法形成的封闭区域；所述井网体系布置在注浆封隔区域内，井网体系由注热井井网和小井眼井井网构成；加热体系包括注热井井头、封隔器、连续油管以及井下加热器，本发明采用分级压裂的水力压裂方式并在两竖井之间实现热对流加热，两井注热边界层热流方向相反，加热中期油页岩孔隙度与渗透性提高，上下两级裂缝油页岩层内部形成湍流场，进一步增加传热效果，从而缩短施工与工艺周期，提升采收率。
Description
技术领域
本发明属于油页岩原位开采领域，具体涉及一种致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统及方法。
背景技术
随着近年来非常规能源如油页岩、油砂、煤层气以及页岩气等资源的勘探力度加大，非常规能源的资源探明储量正在逐步提高，开采应用前景广阔。
原位开采技术又称地下原位转化技术，该技术通过在地面或者在井下注热实现对目的层段油页岩的开采。目的层段经过水力压裂或酸化技术实现储层改造。热介质通过热传导和热对流形式对目的层段油页岩进行注热，当目的层段油页岩内部的干酪根达到裂解温度时，裂解出来的烃类油气产物将随着热介质被运移并提取至地表。
在地下原位开采过程中，由于油页岩储层改造技术在油页岩内部形成的裂缝开度很小，注热开采过程中油页岩内部热通量较小，热能无法与油页岩层位有效接触，注热过程中常以达西流的层流形式进行，这导致油页岩层位的升温速率较低，注热开采往往需要几年的时间才能完成地下原位裂解。与此同时，我国大部分地区油页岩的沉积环境为内陆湖泊沉积，油页岩沉积厚度浅且品位较差，这一现象导致水平井开采的高施工成本不符合现阶段油页岩原位开采的商业应用。
现阶段探究非常规储层原位开采工艺的主要有高压工频技术、射频加热技术以及涡流加热技术。上述工艺都是通过辐射以及介电性质对储层进行加热，但上述工艺目前仍处于实验室阶段且地下致密储层对磁场的信号屏蔽强烈，井间距小，井内注热施工空间有限，事故率高。这些弊端都导致这些原位开采工艺的现场施工难度大，难以对非常规致密储层的进一步商业开采。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题，本发明的目的是提供了一种致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统及方法，以提高油页岩原位裂解的速率，降低开采成本。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统，其特征在于，包括：注浆封隔体系、井网体系和加热体系；
所述注浆封隔体系包括注浆封隔区域，注浆封隔区域为在油页岩原位开采区域边界采用注浆施工方法形成的封闭区域，所述油页岩原位开采区域为长度190m，宽度140m的矩形区域，注浆封隔区域的长度方向为第一方向，注浆封隔区域的宽度方向为第二方向；
所述井网体系布置在注浆封隔区域内，井网体系由注热井井网和小井眼井井网构成，注热井井网由九口注热井呈三行三列正方形阵列排布组成，位于同一行的注热井中心连线与第一方向平行，位于同一列的注热井中心连线与第二方向平行，且沿第一方向或第二方向上相邻所述注热井之间的距离为50m，中间列的注热井钻井深度大于两边列的注热井钻井深度，相差5m；中间列的注热井为第一注热井，两边列的注热井为第二注热井，第一注热井和第二注热井之间形成有相互交错的分级压裂裂缝；小井眼井井网由二十口小井眼井呈五行四列长方形阵列排布组成，每个小井眼井内部设置有温度传感器和压力传感器，位于同一行的小井眼井中心连线与第一方向平行，位于同一列的小井眼井中心连线与第二方向平行，且沿第一方向上相邻所述小井眼井之间的距离为50m，小井眼井和与其邻近的注热井距离为25m，沿第二方向上相邻所述小井眼井之间的距离为25m，二十口小井眼井分为边界井组和内部井组，边界井组由呈长方形排布的十四口小井眼井组成，内部井组由呈正方形排布的六口小井眼井组成，内部井组形成的正方形的四条边与边界井组形成的长方形的四条边对应平行，内部井组形成的正方形的中心与边界井组形成的长方形的中心重合，内部井组的中心位置对应一口第一注热井；
所述加热体系包括注热井井头、封隔器、连续油管以及井下加热器，井下加热器和封隔器设置在注热井内，井下加热器位于油页岩层的目标层段内部，封隔器与井壁紧密接触形成密封，封隔器通过连续油管与井下加热器连接，同时封隔器通过连续油管与注热井井头连接，注热井井头与注热井的井口通过法兰以静压接触方式固定连接。
进一步，所述注热井和小井眼井均为竖井。
进一步，所述小井眼井的井径为76mm，注热井的井径为346mm。
进一步，油页岩层位于地下467m～490m处。
进一步，所述第一注热井的井底距离下伏层的上表面为2m。
进一步，所述注热井井头为304不锈钢法兰。
进一步，所述封隔器为卡瓦式封隔器。
致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工方法，其特征在于，该施工方法利用所述的致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统，具体包括如下步骤：
步骤一、确定油页岩原位开采区域以及油页岩层；
步骤二、在油页岩原位开采区域边界采用注浆施工方法形成注浆封隔区域；
步骤三、按照注热井井网布局结构，在注浆封隔区域内钻注热井；
步骤四、在第一注热井与第二注热井之间通过分级水力压裂技术形成相互交错的分级压裂裂缝，利用微地震监测技术监测油页岩层内部裂缝扩散半径，裂缝扩散半径为40m时，在分级压裂裂缝中充填石英砂支撑剂，封井，压裂液返排后完成压裂操作；
步骤五、在完成压裂操作后，按照小井眼井井网布局结构，在注浆封隔区域内钻小井眼井；
步骤六、井下加热器与封隔器分别与连续油管螺纹连接，连续油管与注热井井头通过螺纹进行连接，通过连续油管将井下加热器和封隔器下入注热井内预定位置，投球进行座封，使得封隔器与注热井的井壁紧密接触，完成座封操作后将注热井井头与注热井的井口法兰以静压接触方式连接；
步骤七、向小井眼井内部下入连续油管、温度传感器以及压力传感器，温度传感器和压力传感器分别通过卡箍与连续油管静压接触进行固定；
步骤八、向注热井内注入热介质，启动井下加热器，对热介质进行加热，形成流体，以使流体通过所述分级压裂裂缝对油页岩层加热，监测油页岩层的压力和温度，继续加热直至油页岩裂解，停止加热。
进一步，所述热介质为水、空气或氮气。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统及方法，在油页岩原位开采区域边界通过注浆施工形成注浆封隔区域，在油页岩原位开采范围内共布置九口注热井与二十口小井眼井形成注采体系；第一注热井与第二注热井分别钻穿上覆层并钻进至油页岩层内部；通过分级水力压裂施工在油页岩层内部形成交错水力压裂缝；通过连续油管向注热井中下入加热器并通过封隔器座封，小井眼井用于地层内部温度与压力的监测以及作为开采井将井底开采出的烃类产品输出至地表；最后油页岩层内部的分级压裂裂缝在不同方向热流作用下孔隙度与渗透率进一步提高，最后形成湍流效应，使得注采施工周期缩短。
综上，本发明采用分级压裂的水力压裂方式并在两竖井之间实现热对流加热，两井注热边界层热流方向相反，加热中期油页岩孔隙度与渗透性提高，上下两级裂缝油页岩层内部形成湍流场，进一步增加传热效果，从而缩短施工与工艺周期，提升采收率。
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为致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工方法的总体施工布置图；
图2为致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统的布井方式示意图；
图3为致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工方法的湍流场原理示意图；
图4为致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工方法的二次湍流场原理示意图。
图中各标记如下：1-上覆层；2-油页岩层；3-下伏层；4-第一注热井井头；5-第二注热井井头；6-注热井一；7-注热井二；8-第一封隔器；9-第二封隔器；10-第一连续油管；11-第二连续油管；12-第一井下加热器；13-第二井下加热器；14-分级压裂裂缝；15-小井眼井一；16-小井眼井二；17-小井眼井三；18-小井眼井四；19-小井眼井五；20-小井眼井六；21-小井眼井七；22-小井眼井八；23-小井眼井九；24-小井眼井十；25-小井眼井十一；26-小井眼井十二；27小井眼井十三；28-小井眼井十四；29-小井眼井十五；30-小井眼井十六；31-小井眼井十七；32-小井眼井十八；33-小井眼井十九；34-小井眼井二十；35-注热井三；36-注热井四；37-注热井五；38-注热井六；39-注热井七；40-注热井八；41-注热井九；42-注浆封隔区域；43-压裂扩散半径；44-油页岩骨架；45-层流迹线；46-湍流迹线；4601-二次湍流场。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2、图3及图4所示，致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统，其特征在于，包括：注浆封隔体系、井网体系和加热体系；
所述注浆封隔体系包括注浆封隔区域42，注浆封隔区域42为在油页岩原位开采区域边界采用注浆施工方法形成的封闭区域，本发明述及的注浆施工方法是采用油页岩开采领域常规的注浆施工方法，此处不再详细赘述；所述油页岩原位开采区域为长度190m，宽度140m的矩形区域，油页岩层2位于地下467m～490m处，注浆封隔区域42的长度方向为第一方向，注浆封隔区域42的宽度方向为第二方向；注浆封隔区域42可以防止地下水侵入开采边界层，同时可以避免裂解产生的物质进入含水层污染地下水。油页岩的顶、底板由于其隔水性从而形成天然的封隔边界。
所述井网体系布置在注浆封隔区域42内，井网体系由注热井井网和小井眼井井网构成，注热井井网由九口注热井呈三行三列正方形阵列排布组成，九口注热井分别为注热井一6、注热井二7、注热井三35、注热井四36、注热井五37、注热井六38、注热井七39、注热井八40及注热井九41；位于同一行的注热井中心连线与第一方向平行，位于同一列的注热井中心连线与第二方向平行，且沿第一方向或第二方向上相邻所述注热井之间的距离为50m，中间列的注热井为第一注热井，两边列的注热井为第二注热井，第一注热井钻至油页岩层2较深处，与下伏层3之间相距2m，第二注热井钻进距油页岩层2较浅处，与第一注热井在垂直方向相距5m。第一注热井和第二注热井之间形成有相互交错的分级压裂裂缝14，如图1所示，致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工方法的总体施工布置图，为了清楚直观的了解注浆封隔体系、井网体系和加热体系之间的相对位置关系，图1中注热井只保留了两个，分别为注热井一6、注热井二7为例，其中注热井一6为第一注热井，注热井二7为第二注热井，注热井一6和注热井二7之间形成相互交错的分级压裂裂缝14；小井眼井井网由二十口小井眼井呈五行四列长方形阵列排布组成，二十口小井眼井分别为小井眼井一15、小井眼井二16、小井眼井三17、小井眼井四18、小井眼井五19、小井眼井六20、小井眼井七21、小井眼井八22、小井眼井九23、小井眼井十24、小井眼井十一25、小井眼井十二26、小井眼井十三27、小井眼井十四28、小井眼井十五29、小井眼井十六30、小井眼井十七31、小井眼井十八32、小井眼井十九33及小井眼井二十34，为了清楚直观的了解注浆封隔体系、井网体系和加热体系之间的相对位置关系，图1只示出了小井眼井一15、小井眼井二16以及小井眼井三17；每个小井眼井内部设置有温度传感器和压力传感器，可达到采出与监测功能，位于同一行的小井眼井中心连线与第一方向平行，位于同一列的小井眼井中心连线与第二方向平行，且沿第一方向上相邻所述小井眼井之间的距离为50m，小井眼井和与其邻近的注热井距离为25m，沿第二方向上相邻所述小井眼井之间的距离为25m，二十口小井眼井分为边界井组和内部井组，边界井组由呈长方形排布的十四口小井眼井组成，内部井组由呈正方形排布的六口小井眼井组成，内部井组形成的正方形的四条边与边界井组形成的长方形的四条边对应平行，内部井组形成的正方形的中心与边界井组形成的长方形的中心重合，内部井组的中心位置对应一口第一注热井；所述注热井和小井眼井均为竖井，施工成本较水平井施工成本优势巨大；小井眼井的井径为76mm，注热井的井径为346mm，小井眼井井采用金刚石钻头钻进，成井快速。
所述加热体系包括注热井井头、封隔器、连续油管以及井下加热器，井下加热器和封隔器设置在注热井内，井下加热器位于油页岩层2的目标层段内部，封隔器与井壁紧密接触形成密封，封隔器通过连续油管与井下加热器连接，同时封隔器通过连续油管与注热井井头连接，注热井井头与注热井的井口通过法兰以静压接触方式固定连接。
为了清楚直观的了解注浆封隔体系、井网体系和加热体系之间的相对位置关系，图1中只保留了与注热井一6和注热井二7相配套的加热体系，其中第一井下加热器12与第一连续油管10螺纹连接，第一连续油管10与第一封隔器8通过螺纹连接，第一封隔器8为卡瓦式封隔器，第一连续油管10与第一注热井井头4螺纹连接完成井内安装连接，第一注热井井头4为304不锈钢法兰。第二井下加热器13与第二连续油管11螺纹连接，第二连续油管11与第二封隔器9通过螺纹连接，第二封隔器9为卡瓦式封隔器，第二连续油管11与第二注热井井头5螺纹连接完成井内安装连接，第一注热井井头4为304不锈钢法兰。
本发明的工作原理与过程：
请参阅图3所示，在不同的井间分级压裂裂缝14之间进行注热，传热过程中热扩散边界内部温度不断上升，裂解中油页岩热扩散边界处逐渐形成层流迹线45，随着油页岩骨架44内部干酪根的不断裂解，分级压裂裂缝14之间的油页岩层孔隙度与渗透率不断提高，上下端层流边界逐渐向中间靠近，当油页岩内部的孔隙度与渗透率达到一定条件时，共轭层流边界层内层流迹线45逐渐转变为湍流迹线46并形成湍流效应，传热效应增强，湍流迹线46随着油页岩骨架44内部的孔隙度与渗透率进一步提高逐渐向层流边界扩展，使得内部的油页岩湍流效应区域加强，不同区域内湍流迹线46相互影响，逐渐形成二次湍流场4601，传热效应进一步增强。
致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工方法，其特征在于，该施工方法利用上述致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统，具体包括如下步骤：
步骤一、确定油页岩原位开采区域以及油页岩层2；
步骤二、在油页岩原位开采区域边界采用注浆施工方法形成注浆封隔区域42；
步骤三、按照注热井井网布局结构，在注浆封隔区域42内钻注热井；
步骤四、在第一注热井与第二注热井之间通过分级水力压裂技术形成相互交错的分级压裂裂缝14，利用微地震监测技术监测油页岩层2内部裂缝扩散半径43，裂缝扩散半径43为40m时，在分级压裂裂缝14中充填石英砂支撑剂，保持分级压裂裂缝14呈张开状态，封井一段时间后实现压裂液返排，完成压裂施工操作；
需要说明的是，在本发明的描述中，分级水力压裂技术和微地震监测技术是采用的是油页岩开采领域常规分级水力压裂技术和微地震监测技术，此处不再详细赘述；
步骤五、在完成压裂操作后，按照小井眼井井网布局结构，在注浆封隔区域42内采用金刚石钻头钻进小井眼井；
步骤六、井下加热器与封隔器分别与连续油管螺纹连接，连续油管与注热井井头通过螺纹进行连接，通过连续油管将井下加热器和封隔器下入注热井内预定位置，投球进行座封，使得封隔器与注热井的井壁紧密接触，完成座封操作后将注热井井头与注热井的井口法兰以静压接触方式连接；
步骤七、向小井眼井内部下入连续油管、温度传感器以及压力传感器，温度传感器和压力传感器分别通过卡箍与连续油管静压接触进行固定；
步骤八、地面设备运行，向注热井内注入热介质，启动井下加热器，对热介质进行加热，形成流体，以使流体通过所述分级压裂裂缝14对油页岩层2加热，监测油页岩层2的压力和温度，继续加热直至油页岩裂解，停止加热，所述热介质为水、空气或氮气；
具体热介质与油页岩层2进行热交换，热介质通过分级压裂裂缝14进行强制对流换热，热介质将油页岩内部裂解的干酪根物质携带至小井眼井，注气设备通过油管环压将烃类产物举升至地表，此时小井眼井地面设备将烃类产物与热介质分离开，热介质在地表通过管道直接注入井中完成工艺的循环；
随着强化对流传热持续进行，油页岩层2内部的干酪根逐渐裂解使得孔隙度与渗透率逐渐增大，低开度的分级压裂裂缝14内部热介质与油页岩层2产生层流状对流换热边界层，并形成层流迹线45，共轭的层流迹线45内部随着油页岩层2内孔隙度与渗透率的逐渐变化从而形成湍流效应进一步增强换热机制，提高注热效果，降低原位开采注采周期与开采成本。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统，其特征在于，包括：注浆封隔体系、井网体系和加热体系；
所述注浆封隔体系包括注浆封隔区域(42)，注浆封隔区域(42)为在油页岩原位开采区域边界采用注浆施工方法形成的封闭区域，所述油页岩原位开采区域为长度190m，宽度140m的矩形区域，注浆封隔区域(42)的长度方向为第一方向，注浆封隔区域(42)的宽度方向为第二方向；
所述井网体系布置在注浆封隔区域(42)内，井网体系由注热井井网和小井眼井井网构成，注热井井网由九口注热井呈三行三列正方形阵列排布组成，位于同一行的注热井中心连线与第一方向平行，位于同一列的注热井中心连线与第二方向平行，且沿第一方向或第二方向上相邻所述注热井之间的距离为50m，中间列的注热井钻井深度大于两边列的注热井钻井深度，相差5m；中间列的注热井为第一注热井，两边列的注热井为第二注热井，第一注热井和第二注热井之间形成有相互交错的分级压裂裂缝(14)；小井眼井井网由二十口小井眼井呈五行四列长方形阵列排布组成，每个小井眼井内部设置有温度传感器和压力传感器，位于同一行的小井眼井中心连线与第一方向平行，位于同一列的小井眼井中心连线与第二方向平行，且沿第一方向上相邻所述小井眼井之间的距离为50m，小井眼井和与其邻近的注热井距离为25m，沿第二方向上相邻所述小井眼井之间的距离为25m，二十口小井眼井分为边界井组和内部井组，边界井组由呈长方形排布的十四口小井眼井组成，内部井组由呈正方形排布的六口小井眼井组成，内部井组形成的正方形的四条边与边界井组形成的长方形的四条边对应平行，内部井组形成的正方形的中心与边界井组形成的长方形的中心重合，内部井组的中心位置对应一口第一注热井；
所述加热体系包括注热井井头、封隔器、连续油管以及井下加热器，井下加热器和封隔器设置在注热井内，井下加热器位于油页岩层(2)的目标层段内部，封隔器与井壁紧密接触形成密封，封隔器通过连续油管与井下加热器连接，同时封隔器通过连续油管与注热井井头连接，注热井井头与注热井的井口通过法兰以静压接触方式固定连接。
2.根据权利要求1所述的致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统，其特征在于：所述注热井和小井眼井均为竖井。
3.根据权利要求1所述的致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统，其特征在于：所述小井眼井的井径为76mm，注热井的井径为346mm。
4.根据权利要求1所述的致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统，其特征在于：所述油页岩层(2)位于地下467m～490m处。
5.根据权利要求1所述的致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统，其特征在于：所述第一注热井的井底距离下伏层(3)的上表面为2m。
6.根据权利要求1所述的致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统，其特征在于：所述注热井井头为304不锈钢法兰。
7.根据权利要求1所述的致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统，其特征在于：所述封隔器为卡瓦式封隔器。
8.致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工方法，其特征在于，该施工方法利用权利要求1至7中任意一项所述的致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工系统，具体包括如下步骤：
步骤一、确定油页岩原位开采区域以及油页岩层(2)；
步骤二、在油页岩原位开采区域边界采用注浆施工方法形成注浆封隔区域(42)；
步骤三、按照注热井井网布局结构，在注浆封隔区域(42)内钻注热井；
步骤四、在第一注热井与第二注热井之间通过分级水力压裂技术形成相互交错的分级压裂裂缝(14)，利用微地震监测技术监测油页岩层(2)内部裂缝扩散半径(43)，裂缝扩散半径(43)为40m时，在分级压裂裂缝(14)中充填石英砂支撑剂，封井，压裂液返排后完成压裂操作；
步骤五、在完成压裂操作后，按照小井眼井井网布局结构，在注浆封隔区域(42)内钻小井眼井；
步骤六、井下加热器与封隔器分别与连续油管螺纹连接，连续油管与注热井井头通过螺纹进行连接，通过连续油管将井下加热器和封隔器下入注热井内预定位置，投球进行座封，使得封隔器与注热井的井壁紧密接触，完成座封操作后将注热井井头与注热井的井口法兰以静压接触方式连接；
步骤七、向小井眼井内部下入连续油管、温度传感器以及压力传感器，温度传感器和压力传感器分别通过卡箍与连续油管静压接触进行固定；
步骤八、向注热井内注入热介质，启动井下加热器，对热介质进行加热，形成流体，以使流体通过所述分级压裂裂缝(14)对油页岩层(2)加热，监测油页岩层(2)的压力和温度，继续加热直至油页岩裂解，停止加热。
9.根据权利要求1所述的致密储层油页岩原位开采湍流效应工艺施工方法，其特征在于，所述热介质为水、空气或氮气。
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