CN115818569B - 一种难动用稠油/页岩油火烧制氢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种难动用稠油/页岩油火烧制氢的方法，其步骤：首先构建两口上下分布的水平井，分别为燃烧井和产气井；燃烧井设置在油藏的下部，燃烧井井筒表面焊接填充固相催化剂的薄层容器，产气井设置在油层上部，且位于靠近燃烧井末端的上方，产气井的筛管外侧焊接一层只允许氢气通过的半透膜；然后将点火器沿着燃烧井井筒送至水平井段末端进行点火，点火温度在500‑600℃，注入空气的量以仅满足燃烧过程所需氧气量为准，油藏燃烧从水平段末端开始，火线向水平井段的起始端推进；燃烧产生的氢气通过半透膜进入产气井被采出，其他气体滞留在油藏顶部。本发明的开采方法概括为：将具有低附加值、难动用的稠油/页岩油资源转化成具有高附加值、易流动的气体资源。
Description
技术领域
本发明涉及稠油开采技术领域，尤其是一种难动用稠油及页岩油通过火烧制氢开采的方法。
背景技术
稠油及页岩油资源的开发成为解决我国能源需求的“重中之重”。稠油油藏的原油粘度高，在油层温度下脱气原油粘度大于100Pa﹒s。在油田的石油开采中由于稠油具有特殊的高粘度特性，在储层和井筒中流动性差，常规开采采收率低，无法保证正常的经济产量。为了保证合理的采收率，往往需要通过热采技术降低原油的粘度，其开发方式主要有热水驱、蒸汽开发、火烧油层等。火烧油层，又称为火驱，或原地火烧，是一种具有巨大潜力的稠油热采技术方法，属于热力开采技术。它是利用油层本身的部分裂解产物作燃料，不断燃烧生热，实现层内燃烧，从而将地层原油从注气井推向生产井，实现提高采收率的目的。火驱技术伴随着复杂的传热、传质过程和物理化学变化，具有蒸汽驱、热水驱、烟道气驱等多种开采机理。火驱驱油效率很高，室内实验证明，己燃烧区残余油饱和度几乎为零，采收率可达85％～90％；在已实施的现场火驱方案中，采收率也能达到50％～80％。蒸汽吞吐是先向油井注入一定量的蒸汽，关井一段时间，待蒸汽的热能向油层扩散后，再开井生产的一种相对简单和成熟的稠油开发方式。
目前热力开采是高效开发这类资源的有效途径。但是上述的热力开采技术在运用过程中需要消耗大量的能源，同时产生温室气体，不仅消耗了大量资源还对生态环境造成污染。
发明内容
为了更加高效地开发地下稠油/页岩油资源，本发明提供一种稠油/页岩油资源开采的新方法，即一种难动用稠油/页岩油火烧制氢的方法。
本发明采用火烧的方式将地下稠油及页岩油资源燃烧生成氢气，将具有低附加值的液体资源进行转化成具有高附加值的气体资源。氢气是清洁、高燃值能源，燃烧后生成水对空气不产生污染；燃烧值达到142500千焦/千克，远高于普通稠油/页岩油的燃烧值(40530千焦/千克)，燃烧过程中能够产生更多的热量。
本发明提供的难动用稠油/页岩油火烧制氢的方法，具体步骤如下：
S1、井型设计：构建两口上下分布的水平井，分别为燃烧井和产气井；燃烧井设置在油藏的下部，燃烧井井筒表面焊接填充固相催化剂的薄层容器，固相催化剂为四氧化三铁；产气井设置在油层上部，且位于靠近燃烧井末端的上方，产气井的筛管外侧焊接一层只允许氢气通过的半透膜；产气井水平井段的长度是燃烧井水平段长度的1/10；将井筒下入钻后的井眼中，实施完井作业。
S2、由燃烧井注入空气，将点火器沿着燃烧井井筒送至水平井段末端，点火器在水平井段末端点火，控制点火温度在500-600℃范围内，注入空气的量以仅满足燃烧过程所需氧气量为准，不能过量，避免过量的氧气与产生的氢气反应。油藏燃烧从水平段末端开始。
S3、燃烧起始点处原油含量随着燃烧的进行逐渐降低，使得火线向水平井段的起始端推进；燃烧产生的气体在重力分异作用下，向产气井方向运移，氢气率先运移到产气井，通过半透膜进入产气井被采出，其他气体滞留在油藏顶部。
优选的是，所述燃烧井水平段与产气井水平段之间的高度差为10-30米。
优选的是，所述燃烧井水平段的长度为400-800米。
所述固相催化剂的设置方式为：在所述燃烧井井筒外侧焊接环绕井筒的薄层容器，容器内腔填充催化剂四氧化三铁。薄层容器内腔厚度为3-5厘米。
优选的是，所述点火器为功率密度高于8W/cm2。
优选的是，燃烧井注入空气的量为0.5-0.7万方/天。
稠油/页岩油中含有的重质组分在油藏中高温燃烧后，生成含有氢气的气体混合产物。通过理论计算，每吨原油火烧反应后能生产0.046吨氢气，减排0.51吨CO2。原油火烧反应产物中，主要气体产物组成包括氢气46％(体积分数)，一氧化碳46％，二氧化碳6％。采用已经获得的实验结果进行计算，使用本发明的技术生产的氢气，消耗的原料费约占其他制氢方式的三分之一，由此可见，稠油/页岩油高温火烧制氢技术为能源的转化利用提供了潜在的经济可行性。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)点火过程中，采用的点火方式为高温点火，温度在500-600℃之间。在该点火温度范围内，火烧放热量最高，是中低温火烧放热量的5倍以上。燃烧过程中所需原料为空气，气源充足，容易获得，成本低。
(2)燃烧井井筒表面焊接催化剂容器，火烧过程中原油与催化剂在燃烧井附近充分接触，并在高温条件下高效反应，反应较彻底，产生氢气速度快、产氢量大。
(3)在产气井井筒筛管表面焊接只允许氢气通过的半透膜，实现产出氢气的就地分离。在半透膜作用下，稠油/页岩油原位制氢技术实现了氢气就地分离，将有毒气体CO和温室气体CO2封存于地层中，在获得清洁能源的同时实现温室气体的就地封存。
(4)火烧过程中产生的固相残渣无法从生产井中产出，被掩埋于油藏中，实现了固相残渣的就地掩埋，减少了对环境的伤害。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1、两口水平井空间分布及半透膜、催化剂位置示意图。
图2、产气井水平段末端点火启动火烧过程图。
图3、火烧区域及流体流动方向图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的难动用稠油/页岩油火烧制氢的方法：
首先优化井型设计：如图1所示，构建两口上下分布的水平井，分别为燃烧井和产气井；燃烧井设置在油藏的下部，燃烧井井筒表面焊接填充固相催化剂的薄层容器，固相催化剂为四氧化三铁；产气井设置在油层上部，且位于靠近燃烧井末端的上方，产气井的筛管外侧焊接一层只允许氢气通过的半透膜。半透膜可以选用材质为聚砜、二甲基硅氧烷或聚酰亚胺等材质的高分子膜，其对氢气具有较大的渗透速率，而且选择分离性也较高。将井筒下入钻后的井眼中，实施完井作业。
如图2所示，将点火器沿着燃烧井井筒置于水平井末端(“脚趾”)，采用8W/cm2以上的点火器功率密度实施高温点火，控制点火温度在500-600℃范围内，注气强度为0.5-0.7万方/天，实施点火作业，油藏燃烧从水平段末端(“脚趾”)开始。
如图3所示，燃烧起始点处原油含量随着燃烧的进行，逐渐降低至无法达到燃烧要求，促使火线向水平井段的起始端(“脚跟”)推进。部分未燃烧的原油受热后在重力作用下向下流动，同时燃烧产生的热量形成火线前缘，将原油“剥离”到燃烧水平井附近。
燃烧井附近的原油与催化剂充分接触，燃烧条件下反应，原油中的重质组分为燃烧提供燃料，使得燃烧井附近发生相应的反应，涉及的四种反应包括原油气化反应、水-气转化反应、原油脱氢反应及水热裂解反应，产生燃烧残渣及氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体。
(1)原油气化反应：由于油藏中含有水(液态或汽态)，在火烧条件下原油中的烃类发生气化反应，并在催化剂作用下与原油中的重质组分高速反应，较快地生成氢气和一氧化碳。
反应方程式如下：
(2)水-气转化反应：在高温条件下，油藏中的水被汽化，与产生的一氧化碳发生反应，生成二氧化碳和氢气。
反应方程式如下：
CO+H2O→CO2+H2
(3)原油脱氢反应：在火烧条件下，部分原油组分中的烃类直接发生脱氢反应，生成焦炭和氢气。
反应方程式如下：
(4)水热裂解反应：生成的焦炭在高温条件下与水反应生成一氧化碳和氢气。
反应方程式如下：
通过上述四步反应，难动用的稠油/页岩油资源在地下利用火烧的方式被原位制成氢气，将地下原油资源转化为清洁的氢气资源。根据前期室内实验研究，对于不同的原油优选注气量，在优选注气量的基础上，向油藏中注入空气，精确控制注入的空气量，使注入的空气仅用于为燃烧过程提供氧气，无法与生成的氢气作用。燃烧产生的气体在重力作用下，向产气井方向运移。由于产生的氢气相对质量较小，在油藏中运移速度相对较快。氢气产生后迅速运移至气腔顶部，气腔中的一氧化碳和二氧化碳气体起到了隔离空气的作用，使得后续注入的空气与产生的氢气不会发生接触，避免了产生的氢气与注入的空气反应。
在本发明中，火烧点火温度在500-600℃之间，属于高温点火区域，在该区域点火，火烧放热量最高，是中低温火烧放热量的5倍以上，能够提供更为有效的点火成功率及燃烧能量。火烧过程中，火烧区域温度保持在450℃以上，以保证原油燃烧反应的充分进行。
燃烧后形成的固相沉积物在燃烧区域沉积，实现了燃烧残渣的就地掩埋。气相中的一氧化碳、二氧化碳等气体由于无法通过半透膜，聚集在油藏顶部，实现了“碳封存”；聚集的气体阻止了火线向生产井的推进，从而使火线向燃烧井方向推进，充分燃烧剩余的油量。
综上，本发明设计了一种利用高温火烧的方法将稠油/页岩油就地燃烧制氢的技术。本技术能够充分利用火烧油层高温在催化剂的作用下反应生成氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体。在产气井水平段半透膜的作用下，将混合气体中的氢气产出，同时实现一氧化碳、二氧化碳气体的就地封存及固相残渣的就地掩埋。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种难动用稠油/页岩油火烧制氢的方法，其特征在于，步骤如下：
S1、井型设计：构建两口上下分布的水平井，分别为燃烧井和产气井；燃烧井设置在油藏的下部，燃烧井井筒表面焊接填充固相催化剂的薄层，固相催化剂为四氧化三铁；产气井设置在油层上部，且位于靠近燃烧井末端的上方，产气井的筛管外侧焊接一层只允许氢气通过的半透膜；将井筒置于井眼中，并实施完井作业；
S2、由燃烧井井筒注入空气，将点火器沿着燃烧井井筒安置于水平井段末端；利用点火器在水平井段末端点火，控制点火温度在500-600℃范围内，注入空气的量以仅满足燃烧过程所需氧气量为准，油藏燃烧从水平段末端开始；
S3、燃烧起始点处原油含量随着燃烧的进行逐渐降低，促使火线向水平井段的起始端推进；燃烧产生的气体在重力分异作用下，向产气井方向运移，氢气率先运移到产气井，通过半透膜进入产气井并被采出，其他气体滞留在油藏顶部。
2.如权利要求1所述的难动用稠油/页岩油火烧制氢的方法，其特征在于，所述燃烧井水平段与产气井水平段之间的高度差在10-30米。
3.如权利要求1所述的难动用稠油/页岩油火烧制氢的方法，其特征在于，所述燃烧井水平段的长度为400-800米；产气井水平井段的长度是燃烧井水平段长度的1/10。
4.如权利要求1所述的难动用稠油/页岩油火烧制氢的方法，其特征在于，所述燃烧井井筒外侧焊接环绕井筒的薄层容器，容器内腔填充催化剂四氧化三铁。
5.如权利要求4所述的难动用稠油/页岩油火烧制氢的方法，其特征在于，薄层容器内腔厚度为3-5厘米。
6.如权利要求1所述的难动用稠油/页岩油火烧制氢的方法，其特征在于，所述点火器为功率密度高于8W/cm2。
7.如权利要求1所述的难动用稠油/页岩油火烧制氢的方法，其特征在于，注入空气的量为0.5-0.7万方/天。
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Also Published As
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