CN115095306B - 油页岩空气/co2交替注入原位燃烧方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开是关于油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法及应用，涉及气体加热原位燃烧矿场领域，该方法包括以下步骤：从注气井注热空气，加热井筒附近油页岩，在井筒附近引发干酪根燃烧反应，形成稳定的燃烧带；形成稳定燃烧带后，转注常温空气维持燃烧反应，提供干酪根裂解所需的热量；燃烧带温度达到800℃‑1000℃时，转注CO2气体，以CO2为载体将燃烧带的热量输送至油页岩深部促进干酪根裂解，同时高效驱替裂解生成的油气从生产井产出；燃烧带温度降至500℃‑600℃，转注常温空气开始新一轮次生产，重复步骤四。本公开技术方案以CO2为载气将燃烧产热输运至油页岩深部，提高燃烧带热量利用率的同时增加油气的产率，有望实现油页岩原位开发的节能增效和绿色生产。
Description
技术领域
本发明公开涉及加热气体原位燃烧矿场领域，尤其涉及油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法及应用。
背景技术
油页岩是一种富含干酪根的高灰分沉积岩，通过干馏可以生产页岩油气，是重要的非常规能源资源。世界油页岩储量巨大，折合页岩油储量6890亿吨，是常规原油可采储量的4倍。中国油页岩储量折合页岩油476亿吨，位居世界第2，经济高效地开发油页岩是保证我国能源安全的重要途径。
目前，油页岩开发方式主要包括地面干馏和就地原位开发。地面干馏依托于采矿工程和高温干馏，主要开发浅层油页岩，但对环境污染严重；原位开发技术直接在油页岩储层中进行加热改质，就地产生页岩油气，是中深层油页岩大规模工业化开发的主要途径。高能量消耗和低加热效率是制约油页岩高效开发的关键问题，注空气原位燃烧技术可以通过燃烧少部分油页岩产生大量热，裂解剩余的油页岩生产页岩油气，实现油页岩自热裂解，降低对外界能源的依赖，是一种潜力巨大的低能耗原位开发技术。原位燃烧开发技术可以在油页岩燃烧前缘形成800-1000℃的高温带，为干酪根裂解提供充足能量。大量研究表明，干酪根裂解反应的最佳温度为350-500℃，继续升高温度对裂解反应无明显增效作用，反而引发二次裂解，大大降低了页岩油产率和能量利用率。传统原位燃烧技术产生的高温燃烧带温度远超500℃，能量有效利用率仍有巨大提升空间。
本发明基于以上问题，提出“空气/CO2交替注入原位燃烧”技术，注热空气形成燃烧带后进行常温空气/CO2交替注入，以CO2为载体将燃烧带的热量输送至油页岩深部促进干酪根裂解，燃烧带温度降低至临界值后转注空气，重启燃烧反应提供裂解能量。空气/CO2交替注入既能充分利用燃烧产生的热量，又可发挥CO2对微纳孔缝中页岩油的排驱能力，两者协同提高能量利用率和油页岩采收率。同时，该方法还可以实现大规模的CO2埋存和再利用，符合国家“30-60”碳达峰碳减排的战略需求。
解决上述问题的意义：
就地原位开发潜力巨大，是中深层油页岩大规模工业化开发的主要途径，按加热方式主要分为4类：传导加热、对流加热、原位燃烧和辐射加热，各类技术的原理和特点如图3所示。高能量消耗和低加热效率是制约油页岩经济开发的关键问题，如何降低油页岩开发的能量投入，提高加热效率是目前油页岩原位开发面临的决定性难题，也是本发明拟解决的关键问题。
原位燃烧开发技术通过燃烧部分油页岩产生大量热量实现干酪根裂解能量的自给，对外界的能量供给需求低，满足国家的“30-60”碳达峰碳中和对节能增效的要求。同时，原位燃烧产生的有害气体可以吸附滞留于油页岩孔缝中，提高页岩油气采收率的同时，降低对环境的污染，实现油页岩绿色开发。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法及应用。所述技术方案如下：
根据本公开实施例的第一方面，提供一种油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、对油页岩储层进行压裂，形成初始连通缝网，为注入气提供初始流通通道；
步骤二、从注气井注入500-800℃的热空气，加热井筒附近油页岩，在井筒附近引发干酪根燃烧反应，形成稳定的燃烧带；
步骤三、形成稳定燃烧带后，转注常温空气维持燃烧反应，提供干酪根裂解所需的热量；
步骤四、燃烧带温度达到800℃-1000℃时，转注CO2气体，以CO2为载体将燃烧带的热量输送至油页岩深部促进干酪根裂解，同时高效驱替裂解生成的油气从生产井产出；
步骤五、燃烧带温度降至降低到500℃-600℃，转注常温空气开始新一轮次生产，重复步骤四，直至燃烧带突破至生产井时开发过程结束。
在一个实施例中，所述步骤二中，从注气井注入500-800℃的热空气，其具体包括：
根据油页岩储层的厚度和压力确定工作注气速度，即地层压力下的注气速度；
根据工作注气速度，计算地上注气速度。
在一个实施例中，利用气体状态方程，计算地上注气速度：
pV＝ZnRT (1)
式中：p为压强；V为气体体积；Z为压缩因子；n为气体物质的量；R为普适气体常数；T为气体温度。
在一个实施例中，所述步骤五中，燃烧带温度降后，转注常温空气开始新一轮次生产，重复步骤四，直至燃烧带突破至生产井时开发过程结束，其具体为：
空气/CO2注入段塞比1:1-3:1；
空气/CO2交替注入周期为80-130天。
在一个实施例中，所述步骤二中，从注气井注入500-800℃的热空气，加热井筒附近油页岩，在井筒附近引发干酪根燃烧反应，形成稳定的燃烧带，其热空气注气速度：地下气体流量20-40m3/d/m。
在一个实施例中，所述步骤三中，形成稳定燃烧带后，转注常温空气维持燃烧反应，提供干酪根裂解所需的热量，其常温空气注气速度：地下气体流量20-40m3/d/m。
根据本发明公开实施例的第一方面，提供一种根据上述的油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法在岩油储层、致密油储层或稠油储层原位燃烧开发领域的应用。
在一个实施例中，注入CO2替换为N2。
本发明公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：油页岩原位燃烧技术通过燃烧部分有机质实现干酪根裂解能量的自给，其低能耗优势已经得到实验和现场验证：
基于该技术提出的“空气/CO2交替注入原位燃烧”技术是在注空气形成高温燃烧带后转注CO2，将燃烧带局部过剩的热量输运至油页岩深部促进干酪根裂解；
CO2气体既是热量的载体，又可以通过驱替、抽提、竞争吸附等多种机理提高生成油气的流动性和采收率；
此外，燃烧反应生成的水蒸气也可被携带至储层深部参与裂解反应，蒸汽中的游离氢离子可以提高饱和烃的产率，提高页岩油的品质。
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本发明所述油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法的步骤流程图；
图2是本发明所述油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法的布局示意图；
图3是油页岩原位加热开发技术对比表。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明公开实施例所提供的技术方案涉及油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法，尤其涉及加热气体原位燃烧领域。在相关技术中，高能量消耗和低加热效率是制约油页岩经济开发的关键问题，如何降低油页岩开发的能量投入，提高加热效率是目前油页岩原位开发面临的决定性难题。基于此，本公开技术方案所提供的油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法，原位燃烧开发技术通过燃烧部分油页岩产生大量热量实现干酪根裂解能量的自给，对外界的能量供给需求低，满足国家的“30-60”碳达峰碳中和对节能增效的要求。同时，原位燃烧产生的有害气体可以吸附滞留于油页岩孔缝中，提高页岩油气采收率的同时，降低对环境的污染，实现油页岩绿色开发。
就地原位开发潜力巨大，是中深层油页岩大规模工业化开发的主要途径，按加热方式主要分为四类：传导加热、对流加热、原位燃烧和辐射加热，各类技术的原理和特点如图3所示。
图1示例性示出了本发明公开技术方案所提供的油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法的方法流程图。根据图1至图3可知，一种油页岩空气
CO2交替注入原位燃烧方法，该方法包括以下步骤：
步骤S01、对油页岩储层进行用封隔器分段压裂，压裂段数3-5段，形成沟通缝网体系。通过控制压力、排量和支撑及用量控制压裂程度，形成压裂段数3-5段，每段裂缝3-5条，大小裂缝共同构成沟通油页岩储层的连通缝网，为注入气提供初始流通通道；
步骤S02、从注气井注入500-800℃的热空气，加热井筒附近油页岩，在井筒附近引发干酪根燃烧反应，形成稳定的燃烧带；
步骤S03、形成稳定燃烧带后，转注常温空气维持燃烧反应，提供干酪根裂解所需的热量；
步骤S04、燃烧带温度达到800-1000℃时，转注CO2气体，以CO2为载体将燃烧带的热量输送至油页岩深部促进干酪根裂解，同时高效驱替裂解生成的油气从生产井产出，需要进一步指出的是，常温CO2流经燃烧带时被加热为高温CO2，继续往油页岩深部流动时即可将燃烧带热量携带输送至深部储层。深部油页岩的干酪根加热至300℃以上时即可发生裂解生烃，产生页岩油气。同时，CO2是一种高效的驱替介质，可以通过抽提、溶胀、降粘和混相等原理提高油气的采收率。；
步骤S05、燃烧带温度降低到500-600℃，转注常温空气开始新一轮次生产，重复步骤S04，直至燃烧带突破至生产井时开发过程结束。
实施例一：
采用燃烧管实验对油页岩空气/CO2交替注入原位开发技术进行了模拟验证，分别对比了油页岩注空气原位开发、注热CO2原位开发和空气/CO2交替注入原位开发的热效率和开发效果，结果如下表1所示。油页岩空气/CO2交替注入原位开发技术可行，且相比于传统注空气和注热CO2开发技术具有以下优点：可以大大降低对外界能源的依赖度，显著降低开发能耗；同时，相比于传统注空气技术可以明显提高开发进程和开发效果。
油页岩原位开发技术燃烧管实验结果
| 油页岩原位开发方式 | 对外能源依赖度/％ | 开发过程相对时长 | 采收率/％ |
| 注空气 | 20 | 1 | 15 |
| 注热CO2 | 100 | 0.7 | 24 |
| 空气/CO2交替注入 | 20 | 0.8 | 19 |
表1
在以上研究的基础上，改变交替注入参数(段塞比、注入周期、注气速度)，开展了油页岩空气/CO2交替注入参数优化研究，并通过相似准则得到现场可操作的工艺参数：空气/CO2段塞比2:1，注入周期90-120天，注气速度20-40m3/d/m。
开展油页岩空气/N2交替注入原位开发实验，对比研究了驱替介质对油页岩开发效果的影响。结果发现：与CO2相比，N2等惰性气体介质的开发效果较差，这主要是CO2介质在提高油气采收率方面的独特优势引起的。
在一个实施例中，所述步骤S02中，从注气井注入500-800℃的热空气，其具体包括：
根据油页岩储层的厚度和压力确定工作注气速度；
根据工作注气速度，计算地上注气速度，即地层压力下的注气速度。
在一个实施例中，利用气体状态方程，计算地上注气速度：
pV＝ZnRT (1)
式中：p为压强；V为气体体积；Z为压缩因子；n为气体物质的量；R为普适气体常数；T为气体温度。
在一个实施例中，所述步骤S05中，燃烧带温度降至500℃-600℃后，转注常温空气开始新一轮次生产，重复步骤四，直至燃烧带突破至生产井时开发过程结束，其具体为：
空气/CO2注入段塞比2:1；即每个周期注入的空气和CO2的体积之比为2:1。
优选，空气/CO2交替注入1轮次的时间为90-120天。
在一个实施例中，所述步骤S02中，从注气井注入500-800℃的热空气，加热井筒附近油页岩，在井筒附近引发干酪根燃烧反应，形成稳定的燃烧带，其热空气注气速度：地下气体流量20-40m3/d/m。
在一个实施例中，所述步骤S03中，形成稳定燃烧带后，转注常温空气维持燃烧反应，提供干酪根裂解所需的热量，其常温空气注气速度：地下气体流量20-40m3/d/m。
实施例二：
根据本发明公开实施例的第一方面，提供一种根据上述的油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法在岩油储层、致密油储层或稠油储层原位燃烧开发领域的应用。
在一个实施例中，注入CO2替换为N2，需要进一步指出的是，实施例一中的的CO2可以采用N2等惰性气体替代，同样可以提高燃烧带产热的能量利用率。但是，在提高油气采收率方面不如空气/CO2交替注入。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。
Claims (5)
1.一种油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对油页岩储层进行压裂，形成初始连通缝网，为注入气提供初始流通通道；
步骤二、从注气井注入500℃-800℃的热空气，加热井筒附近油页岩，在井筒附近引发干酪根燃烧反应，形成稳定的燃烧带；
步骤三、形成稳定燃烧带后，转注常温空气维持燃烧反应，提供干酪根裂解所需的热量；
步骤四、燃烧带温度达到800℃-1000℃时，转注CO2气体，以CO2为载体将燃烧带的热量输送至油页岩深部促进干酪根裂解，同时高效驱替裂解生成的油气从生产井产出；
步骤五、燃烧带温度降后，转注常温空气开始新一轮次生产，重复步骤四，直至燃烧带突破至生产井时开发过程结束；
所述步骤五中，燃烧带温度降至500℃-600℃，转注常温空气开始新一轮次生产，重复步骤四，直至燃烧带突破至生产井时开发过程结束，其具体为：
空气/CO2注入段塞比1:1-3:1；
即每个周期注入的空气和CO2的体积之比为2:1；
空气/CO2交替注入周期为80-130天；
即空气/CO2交替注入1轮次的时间为90-120天。
2.根据权利要求1所述的油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法，其特征在于，所述步骤二中，从注气井注入500℃-800℃的热空气，其具体包括：
根据油页岩储层的厚度和压力确定工作注气速度，即地层压力下的注气速度；
根据工作注气速度，计算地上注气速度。
3.根据权利要求2所述的油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法，其特征在于，利用气体状态方程，计算地上注气速度：
pV=ZnRT （1）
式中：p为压强；V为气体体积；Z为压缩因子；n为气体物质的量；R为普适气体常数；T为气体温度。
4.根据权利要求1所述的油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法，其特征在于，所述步骤二中，从注气井注入500-800℃的热空气，加热井筒附近油页岩，在井筒附近引发干酪根燃烧反应，形成稳定的燃烧带，其热空气注气速度：地下气体流量20-40m3/d/m。
5.根据权利要求1所述的油页岩空气/CO2交替注入原位燃烧方法，其特征在于，所述步骤三中，形成稳定燃烧带后，转注常温空气维持燃烧反应，提供干酪根裂解所需的热量，其常温空气注气速度：地下气体流量20-40m3/d/m。
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