CN113236212A - 一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法，基于油页岩与煤互层伴生的地质特点，采用微波加热的方法，原位共加热油页岩与煤，使油页岩与煤共同热解，转化成液态和气态的有机质，然后经由孔隙和裂缝通道流入井筒，由生产井产出。本发明用微波加热的原位热解方法，将机械的物理开采转化为电磁的化学热解开采，由物理采煤变为化学采气，降低了不必要的热能消耗，提高了油页岩与煤炭的热解效率，增加了热解产物的品质等级，降低了对环境的污染。
Description
技术领域
本发明涉及油页岩开采技术领域，更具体的说是涉及一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法。
背景技术
油页岩属于非常规油气资源的一种，需用加热的方式将有机质转化，获得页岩油和热解气等优质燃料。我国的油页岩资源极其丰富，其中一部分资源是与煤炭资源伴生的，即以油页岩和煤炭互层形式或油页岩顶板形式存在，这部分油页岩资源主要作为煤炭机械开采的伴生矿物被采掘到地面进行炼化，此种方法不仅造成了资源浪费，而且污染了生态环境，不利于我国碳中和目标的实现。
现有油页岩和煤炭的开采方法主要包括机械挖掘开采和地下开采，其中机械挖掘开采是将油页岩或者煤炭挖掘出来，然后在地面进行炼化，但存在对环境污染大、能量利用效率低的问题；煤炭的地下开采是在高温下注入气化剂，然后在地下原位对煤炭进行气化，但存在加热效率慢、可控性差、地下水资源易污染的问题；油页岩的地下开采包括地下电加热法、地下流体对流加热法、地下微波(电磁)加热法，但是地下电加热法存在加热速度慢、处理时间长、能量利用率低的缺陷，地下流体对流加热法存在热量损失大、水资源消耗大的缺陷，地下微波(电磁)加热法的技术虽然还不成熟，但却体现出了巨大的潜力。
微波加热技术具有加热速度快、转化效率高、可控性强、能耗低、污染小的特点，可在地面条件下高效热解油页岩或煤炭。若将微波加热技术应用到地下，结合油页岩和煤互层伴生的埋藏特点，对油页岩和煤共同进行热解转化，不仅可以减少资源浪费，降低污染物排放，而且油页岩与煤的共热解往往具有协同效应，可提高能量的综合利用效率。
因此，如何提供一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明解决了油页岩在煤炭伴生条件下，机械方法所造成的资源浪费和环境污染的问题，采用微波加热的原位共热解方法，将机械的物理开采转化为电磁的化学热解开采，由物理采煤变为化学采气，降低了不必要的热能消耗，提高了油页岩与煤炭的热解效率，增加了热解产物的品质等级，减少了对环境的污染。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法，包括以下步骤：
(1)通过测井解释曲线，判断油页岩与煤炭互层伴生的埋深，以及二者伴生的界面；
(2)通过同轴电缆，将由地面产生的微波传导入井下；
(3)将微波的天线对准油页岩的层位，开启微波源，对油页岩进行辐射加热；
(4)将油页岩加热到热解温度，用井下温度监测器，监测油页岩在近井筒的温度，调节微波的加热参数；
(5)油页岩层在高温热解下，将温度传至煤层，煤层在油页岩的高温传导下，升温至低温热解区域；
油页岩在加热条件下转化成为半焦，可作为煤炭热解的催化剂，提高煤炭热解的效率以及热解产物的品质；反之亦然；
并且由于油页岩的热解温度普遍是要高于煤炭热解温度的，可以利用油页岩热解产物的高温区域，将温度传至煤层，使煤炭随之热解；
(6)在油页岩与煤炭共热解下，形成大量的孔隙和裂缝空间作为共热解油气产物的流动通道，进一步提高油气的流动速度，减少了油气在高温地层内的赋存时间，即减少了油气产物二次热解的概率，也提高了油气的产量。
油页岩与煤炭在共热解下，二者互相作为催化剂，可以产生共热解的协同效应，提高热解的效率，提升热解产物的品质。
优选的，在上述一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法中，步骤(4) 中所述油页岩的热解温度位于400-800℃之间。
优选的，在上述一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法中，步骤(4) 采用的是间歇式的辐射模式，在近井筒温度达到800℃以后，停止加热微波源，待温度降低到400℃以后，再次开启微波源，循环往复。
优选的，在上述一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法中，步骤(4) 中所述微波的加热功率为400-1200W。
优选的，在上述一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法中，步骤(5) 中所述低温热解区域的温度为300-600℃。
优选的，在上述一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法中，还包括步骤(7)：将采出的油气产物经过分离器、二次处理装置进行处理，得到脱硫、脱氮、加氢的高品质有机质产物。
经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法，利用油页岩与煤炭共生共存的特点，在地下用微波原位共热解油页岩与煤炭，利用油页岩热解温度较高的特点，使得煤炭在油页岩的热解温度下同时热解，不仅解决了煤炭与油页岩机械开采时资源浪费和环境污染的问题，还利用油页岩与煤炭在共热解时的协同热解作用，提升了油气的微波热解效率与产物品质。总结来看，本发明的优越性主要体现在以下几点：
(1)能量利用效率高：油页岩的热解温度高于煤，借助高温油页岩的热解温度，使得煤炭同时热解；
(2)加热速率快：微波加热本身的特点；
(3)化学共热解的协同效应：油页岩与煤炭共热解时，具有协同效应，不仅能提高热解效率，而且能提升热解产物的品质；
(4)原位的共热解方法减少了资源的浪费和对环境的污染；
(5)可控性强：微波加热具有可控性强的特点，可以根据井底的温度调整微波的加热时间、加热功率、以及加热模式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为油页岩与煤互层伴生的地质埋藏示意图；
图2为微波加热共热解地下油页岩与煤的开采示意图；
图3为波导对准油页岩岩层时400W功率加热300天后地层的温度场云图；
图4为波导对准煤层时，采用400W功率加热300天后地层的温度场云图；
图5为波导对准油页岩岩层时600W功率加热45天后地层的温度场云图；
图6为波导对准油页岩岩层时，采用600W功率持续辐射45天后，关闭微波源1天后的地层温度场云图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。
本发明基于油页岩与煤互层伴生的地质特点，采用微波加热的方法，原位共加热油页岩与煤，使油页岩与煤共同热解，转化成液态和气态的有机质，然后经由孔隙和裂缝通道，由生产井产出。
实施例1
(1)通过测井解释曲线，判断油页岩与煤炭互层伴生的埋深，以及二者伴生的界面，如图1所示；
(2)通过同轴电缆，将由地面产生的微波传导入井下；
(3)参见图2(图2右侧为井筒中安装的天线示意图)，将微波的天线对准中间层位的油页岩2层位(由于油页岩热解温度高于煤层的低温热解温度，可以利用油页岩的高温区域对附近的煤层进行加热共热解)，开启微波源，对油页岩进行辐射加热；
具体地，将微波发射源的功率设置为400W，电场强度可以达到最大值 2310V/m；
(4)将油页岩加热到热解温度，用井下温度监测器，监测油页岩在近井筒的温度，调节微波的加热参数；
(5)油页岩层在高温热解下，将温度传至煤层，煤层在油页岩的高温传导下，升温至低温热解区域；
步骤(4)-(5)中，采用连续的加热方式加热30天，将油页岩2层位加热到最大值温度为580℃，用井下温度监测器，监测油页岩在近井筒的温度，其中煤层1的最大值温度为378℃，煤层2的最大值温度为378℃，且煤层最大值的温度区域靠近油页岩2层位，具体地层的等温线云图参见图3；
(6)在油页岩2、煤层1和煤层2共热解时，煤层1和煤层2的温度又可以传至油页岩1和油页岩3，若温度或者传热效率太低，可将安装在油页岩 2时的天线对准油页岩1和油页岩3层位，继续对纵向上的互层进行加热；
(7)在油页岩与煤炭共热解下，形成大量的孔隙和裂缝空间作为共热解油气产物的流动通道，油气产物经由地下的渗流通道，由开采井采出。
实施例2
(1)通过测井解释曲线，判断油页岩与煤炭互层伴生的埋深，以及二者伴生的界面，如图1所示；
(2)通过同轴电缆，将由地面产生的微波传导入井下；
(3)将微波的天线对准中间层位的煤层1层位，开启微波源，对油页岩进行辐射加热；
具体地，将微波发射源的功率设置为400W，电场强度可以达到最大值 2310V/m；
采用连续的加热方式加热30天，煤层的温度最大值为489℃，油页岩1 层位的温度最大值为169℃，油页岩3层位的温度最大值为164℃，具体地层的等温线云图参见图3；
从图4可看出，若将微波天然对准煤层，虽然微波加热下煤层可以达到热解温度，但是邻近的油页岩层位远远未达到热解温度。
实施例3
(1)通过测井解释曲线，判断油页岩与煤炭互层伴生的埋深，以及二者伴生的界面，如图1所示；
(2)通过同轴电缆，将由地面产生的微波传导入井下；
(3)参见图2，将微波的天线对准中间层位的油页岩2层位(由于油页岩热解温度高于煤层的低温热解温度，可以利用油页岩的高温区域对附近的煤层进行加热共热解)，开启微波源，对油页岩进行辐射加热；
具体地，将微波发射源的功率设置为600W，电场强度可以达到最大值 2830V/m；
(4)将油页岩加热到热解温度，用井下温度监测器，监测油页岩在近井筒的温度，调节微波的加热参数；
(5)油页岩层在高温热解下，将温度传至煤层，煤层在油页岩的高温传导下，升温至低温热解区域；
步骤(4)-(5)中，采用连续的加热方式加热45天后，油页岩2层位最大值温度为800℃，此时煤层1的最大值温度为294℃，煤层2的最大值温度为294℃，且煤层最大值的温度区域靠近油页岩2层位，具体地层的等温线云图参见图5；
(6)在油页岩与煤炭共热解下，形成大量的孔隙和裂缝空间作为共热解油气产物的流动通道，油气产物经由地下的渗流通道，由开采井采出。
(7)在油页岩2、煤层1和煤层2共热解时，煤层1和煤层2的温度又可以传至油页岩1和油页岩3。若温度或者传热效率太低，可将安装在油页岩 2时的天线对准油页岩1和油页岩3层位，继续对纵向上的互层进行加热。
由实施例1和实施例2的等温线云图可以得出，功率越高，设置有天线的近井筒附件的温度升温速率就越快，则油页岩2层位向煤层1和煤层2传递的热量就越多。
但是，在采用600W功率持续辐射45天后，油页岩2层位的温度已经达到800℃，若继续辐射，会对管柱的耐温材料造成损伤，增加安全隐患，此时必须关闭微波源。
关闭1天微波源后，地层的温度场云图如图6所示，此时油页岩2层位温度的最大值为400℃，煤层1最大值温度为294℃，煤层2最大值温度为 294℃，此时可以再次开启微波源。从煤层的温度数据可知，间歇式的微波加热方式虽然在短时间内减少了油页岩层位的最高温度，但是由于油页岩2层位和煤层1、煤层2之间的温度梯度很大，煤层的温度在关闭微波源时还是处于上升状态。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方案而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过测井解释曲线，判断油页岩与煤炭互层伴生的埋深，以及二者伴生的界面；
(2)通过同轴电缆，将由地面产生的微波传导入井下；
(3)将微波的天线对准油页岩的层位，开启微波源，对油页岩进行辐射加热；
(4)将油页岩加热到热解温度，用井下温度监测器，监测油页岩在近井筒的温度，调节微波的加热参数；
(5)油页岩层在高温热解下，将温度传至煤层，煤层在油页岩的高温传导下，升温至低温热解区域；
(6)在油页岩与煤炭共热解下，形成大量的孔隙和裂缝空间作为共热解油气产物的流动通道，油气产物经由地下的渗流通道流入井筒，由开采井采出。
2.根据权利要求1所述的一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法，其特征在于，步骤(4)中所述油页岩的热解温度位于400-800℃之间。
3.根据权利要求1所述的一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法，其特征在于，步骤(4)采用的是间歇式的辐射模式，在近井筒温度达到800℃以后，停止加热微波源，待温度降低到400℃以后，再次开启微波源，循环往复。
4.根据权利要求1所述的一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法，其特征在于，步骤(4)中所述微波的加热功率为400-1200W。
5.根据权利要求1所述的一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法，其特征在于，步骤(5)中所述低温热解区域的温度为300-600℃。
6.根据权利要求1所述的一种油页岩与煤互层协同原位开采的方法，其特征在于，还包括步骤(7)：将采出的油气产物经过分离器、二次处理装置进行处理，得到脱硫、脱氮、脱氢的高品质有机质产物。
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