CN117345241A - 超临界co2-双u型井压裂-原位催化中低成熟度油页岩提取页岩油气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超临界CO2‑双U型井压裂‑原位催化中低成熟度油页岩提取页岩油气的方法，该方法采用超临界二氧化碳流体对水平井进行分段压裂，形成复杂裂缝网络。支撑剂和催化剂注入已压开的裂缝中，注入热气体，将油页岩地层温度加热。产出的页岩油气和热气体通过生产井产出，在地面分离装置进行回收，分离的热气体循环回注。本发明采用双U型井的模式，利用超临界二氧化碳压裂技术在油页岩地层内形成相互联通的复杂裂缝网络，为热气体和页岩油气运移提供渗流通道；超临界二氧化碳的萃取作用能够将油页岩孔隙内的有机质萃取出，有利于催化剂对有机质的高效裂解；同时，催化剂能够有效降低油页岩中有机质热解所需的加热温度，强化了油页岩的开采效果，从而实现了油页岩高效、经济的原位转化。
Description
技术领域
本发明涉及超临界CO2-双U型井压裂-原位催化中低成熟度油页岩提取页岩油气的方法，属于非常规油气开采技术领域。
背景技术
油页岩又称油母页岩，是一种高灰质富含固态可燃有机物的沉积岩。我国油页岩油资源量约为476亿吨，是常规油气的重要接替资源，对保障国家能源安全具有关键的战略意义。目前油页岩的开采技术主要包括地面干馏和地下原位转化。地面干馏技术是指油页岩颗粒与热载体直接接触、传热，发生干馏反应的过程，该技术工艺成熟，但存在油收率低、成本高、环境污染严重等缺点。地下原位转化技术具有产油气品质好、采收率高、环境污染小等优点，是油页岩商业化开采的发展趋势。目前，油页岩原位转化技术存在加热温度过高和裂解反应速率过慢等问题，使得油页岩的经济开发效益较低，商业化推广受到一定制约。因此，降低油页岩的热解温度，提升其热解速率，对推动油页岩的原位转化技术进入大规模商业开采具有重要意义。
中国专利文献CN109736762A(申请号：201910219748.3)公开了一种油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法，该方法通过对水平井进行水力压裂造缝，将支撑剂和催化剂随压裂液一起注入压开的孔隙和裂缝中；由注热井向油页岩层注入高温混合气体加热，开采页岩油气。该方法中水力压裂不能在井筒附近形成复杂裂缝网络，压裂液中的水会导致油页岩层黏土水化膨胀，易造成井壁失稳，且无法返排的压裂液滞留会在裂缝孔隙，同时，由于毛细管自吸作用，滞留在裂缝及微小孔隙中的压裂液会产生液相圈闭等储层损害，影响油气渗流能力。
又如，中国专利文献CN111963128A(申请号：202010881713.9)公开了一种油页岩直井-双水平井组微压裂蒸汽热解降粘方法，该方法中的井网由一口注汽直井、一口注汽水平井和一口生产水平井组成，对直井和水平井进行体积压裂改造，随后向压裂井网中注入高温蒸汽，通过水平生产井将页岩油气采出。该方法中高温蒸汽由于其在岩石内的渗透性能有限的，对油页岩储层的波及程度不理想，使得页岩油气产率较低。
又如，中国专利文献CN103232852A(申请号：201310152533.7)公开了一种油页岩原位竖井压裂化学干馏提取页岩油气的方法及工艺，该方法先对油页岩层钻直井，对该直井进行水力压裂，建立起油气通道。随后将油页岩层加温至550℃，产出页岩油气通过生产井。然后通入化学剂与油页岩中有机质发生氧化反应，持续产生热能实现油页岩地下原位转化。但该方法加热温度过高，且化学剂在与有机质氧化反应时会产生大量的半焦，造成油气产收率低；同时，热解产生的半焦会堵塞页岩孔隙，使得页岩油气的渗流阻力增大，不利于油气产出，同时水力压裂会导致油页岩层黏土水化膨胀，易造成井壁失稳。
中国专利文献CN109538177A(申请号：201811221030.X)公开了一种超临界CO2压裂的新工艺，该方法使用超临界CO2压裂液和常规压裂液携砂液同时泵注的方法，利用超临界CO2压裂液更容易产生复杂裂缝的特点，结合常规压裂，不需要密闭系统的条件即可进行超临界CO2压裂。但是该方法不涉及油页岩原位催化领域，目前尚未有针对中低成熟度页岩油的超临界CO2压裂报道。
综上，降低油页岩中有机质的热解温度和提高油页岩层内的油气渗流效率是实现油页岩高效原位转化的关键因素。油页岩中的有机质以固态干酪根为主，辅有少量胶质、沥青质等。沥青质在较低的热解温度下能够挥发或裂解，产生页岩油气或半焦；而大分子干酪根主要由脂肪族碳氢和芳香族碳氢组成，其热裂解温度较高。现有原位转化技术主要通过水力压裂结合电加热的方式开采油页岩，产出的页岩油气通过水力压裂裂缝渗流进入生产井。目前，油页岩原位转化技术普遍存在加热温度高、产油率低等问题，高温蒸汽对流等技术对油页岩层的波及能力有限，原位转化的效果不理想，使得油页岩原位转化的商业化推广受到一定限制。
因此，亟需简单、高效、热解温度低、产油率高的油页岩原位催化提取页岩油气的方法。
发明内容
针对现有技术的不足，尤其是现有油页岩原位转化普遍存在加热温度高、产油率低的难题，本发明提供超临界CO2-双U型井压裂-原位催化中低成熟度油页岩提取页岩油气的方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
超临界CO2-双U型井压裂-原位催化中低成熟度油页岩提取页岩油气的方法，包括步骤如下：
(1)选择油页岩目标地层，根据油页岩层的走向和分布，至少钻一注热井、一注入井和一生产井至目标油页岩层，采用水平井的方式连接注热井、注入井和生产井，形成油气运移通道；
(2)通过注入井向水平井注入超临界CO2流体，利用超临界CO2对水平井进行分段压裂，使水平井的井壁产生裂变缝，造缝时催化剂、支撑剂随携砂液混合均匀进入地层中已形成的具有导流的复杂缝网，催化剂均匀填充压裂区域；
(3)当支撑剂和催化剂泵入量达到设计量时，停止泵入支撑剂和催化剂，完成分段压裂作业；
(4)将分段压裂隔热封隔器通过通用油管下入到水平井中，对已压裂区域进行隔离和封堵处理；
(5)进行下一段压裂作业，重复步骤(2)-(4)；
(6)完成压裂后，将300-400℃的热气体通过注热井注入油页岩层，隔热封隔器断了加热气体水平井的流动通道，只能通过油页岩内部压裂裂隙进行传热，油页岩孔隙和裂缝中的催化剂能降低有机质热解所需要的温度；当反应温度触发催化剂的催化活性时，油页岩中有机质在催化剂作用下发生高温裂解反应；
(7)随着反应区的温度的增加，更多的固态有机质转化为液态的轻质石油烃和气态烃，油页岩内部孔隙度和渗透率不断增大，实现油页岩的原位转化，有利于油气的高效运移；隔热封隔器在高温的作用下密封水平井，保证了密封的稳定性；
(8)通过生产井将热解生成的页岩油气和热气体提取到地面，在地面分离装置进行回收，分离的热气体循环回注，实现对目标层位的动态驱替。
根据本发明优选的，步骤(1)中，注热井、注入井分别通过水平井与生产井连通，并成双U型井井型。
根据本发明优选的，步骤(1)中，注热井、注入井与生产井距离30-45m，水平井水平段的间距为5-10m。
根据本发明优选的，步骤(2)中，超临界CO2流体的施工排量为2-10m3/min。
根据本发明优选的，步骤(2)中，催化剂为铜、锰和铝含量分别为2％、2％和25％重量百分比的铜锰铝催化剂。
根据本发明优选的，步骤(2)中，支撑剂为50-70目陶粒。
根据本发明优选的，步骤(2)中，催化剂与支撑剂体积比为1:1500～3:1000，携砂液泵入量120-140m3，支撑剂4-6m3，顶替液15-20m3。
携砂液、顶替液按现有技术进行。
根据本发明优选的，步骤(6)中，热气体为热CO2。
根据本发明优选的，步骤(6)中，热气体温度为350℃。
本发明的技术特点及优点：
1、本发明采用超临界CO2-双U型井压裂-原位催化方式对中低成熟度油页岩进行提取页岩油气，超临界CO2压裂过程无水相、返排迅速，不会引起地层黏土水化膨胀和储层伤害，具有优异的储层保护性能，且能大幅降低作业时间，显著提升经济效益。
2、本发明采用超临界CO2-双U型井压裂-原位催化方式对中低成熟度油页岩进行提取页岩油气，超临界CO2流体具有极强的渗透能力，能够将油页岩孔隙内的有机质萃取出，有利于催化剂对有机质的高效裂解，与催化剂形成协同增效作用。
3、本发明采用超临界CO2-双U型井压裂-原位催化方式对中低成熟度油页岩进行提取页岩油气，催化剂能够降低油页岩中有机质的热解温度，并加快反应进程，同时，催化剂在超临界CO2流体的携带作用下能够进入深部裂缝，兼具提升油气采收率和地质埋存的优势。
4、本发明的原位提取页岩油气技术中的催化剂能够有效降低油页岩中有机质的热解温度，加速大分子干酪根转化为具有良好流动性的小分子石油烃；同时，超临界CO2压裂和萃取作用能够在油页岩层内产生大量的复杂缝网系统，萃取出的有机质可与催化剂高效反应，大幅增加页岩油气的产率。
5、本发明采用双U型井井型开发模式，使用超临界二氧化碳压裂造缝，随后将一定比例的支撑剂和催化剂通过混砂设备混匀注入已压开的裂缝中，通过加热水平井向油页岩地层注入热气体，将油页岩温度加热至催化裂解温度。产出的页岩油气和热气体通过生产井产出，经地面分离装置进行回收，分离的热气体循环回注。本发明采用双U型井的模式，利用超临界二氧化碳压裂技术在油页岩地层内形成相互联通的复杂裂缝网络，为热气体和页岩油气运移提供渗流通道；超临界二氧化碳的萃取作用能够将油页岩孔隙内的有机质萃取出，有利于催化剂对有机质的高效裂解；同时，催化剂能够有效降低油页岩中有机质热解所需的加热温度，强化了油页岩的开采效果，从而实现了油页岩高效、经济的原位转化。
附图说明：
图1为本发明实施例的超临界CO2双U型井压裂原位催化开采模式示意图
图2为本发明实施例开采模式示意图的俯视图
图中：1-生产井；2-水平井；3-水平井；4-冷冻墙；5-油页岩上覆层；6-目标层位；7-油页岩下覆地层；8-近井压裂区；9-中部压裂区；10-深部压裂区；11-复杂裂缝；12-分段压裂隔热封隔器；13-催化剂；14-油气分离装置；15-地面加热装置；16-循环注入系统。
具体实施方式：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1：
超临界CO2-双U型井压裂-原位催化中低成熟度油页岩提取页岩油气的方法，步骤如下：
(1)选择油页岩目标地层，根据油页岩层的走向和分布，钻一注热井、一注入井和一生产井至目标油页岩层，采用水平井的方式连接注热井、注入井和生产井，形成油气运移通道；注热井、注入井分别通过水平井与生产井连通，并成双U型井井型，注热井、注入井与生产井距离30-45m，水平井水平段的间距为5-10m；结构如图1所示；
(2)采用洗井液循环洗井；
(3)在油页岩地层水平井中采用超临界CO2流体进行分段压裂，通过罐车将液态CO2输入压裂车，随后液态CO2进入目标地层进行压裂作业，确保输入过程中液态CO2的温度低于-4℃；液态CO2约在地层800m处转变为超临界状态，随后通过压裂作用在地层中形成复杂裂缝系统，CO2的施工排量为5m3/min。
(4)将催化剂与支撑剂按照体积比1:1500均匀混合注入地层中复杂缝网，使催化剂均匀填充压裂区域，形成油页岩反应区和具有导流能力的缝网区；催化剂为铜、锰和铝含量分别为2％、2％和25％重量百分比的铜锰铝催化剂，支撑剂为60目的陶粒；
(6)当支撑剂和催化剂泵入量达到设计量时，停止泵入支撑剂和催化剂；
(7)当压裂作业大于两段以上时，需要采用分段压裂隔热封隔器对已压裂区域进行隔离，近井压裂区封隔器间距为10m，中部压裂区为15m，深部压裂区为20m；
(8)完成压裂后，通过换热器加热的高温CO2气体经水平井进入油页岩目标层位，进行加热，催化剂在高温作用下与油页岩中的有机质发生催化裂解反应，产生大量油气；同时，释放额外热量，该部分热量有助于对油页岩地层进行持续加热；
(9)随着加热区域催化反应进程的加快，通过生产井将热解生成的页岩油气和热气体提取到地面，在地面分离装置进行回收，分离的热气体循环回注，实现对目标层位的动态驱替。
实施例2：
超临界CO2-双U型井压裂-原位催化中低成熟度油页岩提取页岩油气的方法，步骤如下：
(1)选择油页岩目标地层，根据油页岩层的走向和分布，钻一注热井、一注入井和一生产井至目标油页岩层，采用水平井的方式连接注热井、注入井和生产井，形成油气运移通道；注热井、注入井分别通过水平井与生产井连通，并成双U型井井型，注热井、注入井与生产井距离30-45m，水平井水平段的间距为5-10m；结构如图1所示；
(2)采用洗井液循环洗井；
(3)在油页岩地层水平井中采用超临界CO2流体进行分段压裂，通过罐车将液态CO2输入压裂车，随后液态CO2进入目标地层进行压裂作业，确保输入过程中液态CO2的温度低于-4℃；
(4)液态CO2在地层约800m处转变为超临界状态，随后通过压裂作用在地层中形成复杂裂缝系统，CO2的施工排量为8m3/min。
(5)将催化剂与支撑剂按照体积比1:1000均匀混合注入地层中复杂缝网，使催化剂均匀填充压裂区域，形成油页岩反应区和具有导流能力的缝网区；催化剂为铜、锰和铝含量分别为2％、2％和25％重量百分比的铜锰铝催化剂，支撑剂为60目的陶粒；
(6)当支撑剂和催化剂泵入量达到设计量时，停止泵入支撑剂和催化剂，完成分段压裂作业；
(7)采用封隔器对已压裂区域进行隔离，近井压裂区封隔器间距为15m，中部压裂区为20m，深部压裂区为25m；
(9)完成压裂后，通过注汽水平井注入热气体对油页岩目标层位进行加热，使得催化剂在高温作用下与油页岩中的有机质发生催化裂解反应；
(10)随着加热区域催化反应进程的加快，产出的页岩油气和热气体通过生产井产出，在地面分离装置进行回收，分离的热气体循环回注，实现对目标层位的动态驱替。
对比例1
同实施例1所述的方法，不同之处在于：
不进行步骤(3)，即，在油页岩地层水平井中未采用超临界CO2流体进行分段压裂；
其他步骤和方法按实施例1进行。
对比例2
同实施例1所述的方法，不同之处在于：
不进行步骤(3)，即，在油页岩地层水平井中未采用超临界CO2流体进行分段压裂，步骤(4)中，催化剂采用4A沸石。
其他步骤和方法按实施例1进行。
对比例3
同实施例1所述的方法，不同之处在于：
不进行步骤(3)，即，在油页岩地层水平井中未采用超临界CO2流体进行分段压裂，步骤(4)中催化剂采用Fe3O4。
其他步骤和方法按实施例1进行。
对比例4
同实施例1所述的方法，不同之处在于：
不进行步骤(3)，即，在油页岩地层水平井中未采用超临界CO2流体进行分段压裂，步骤(4)中催化剂采用CoCl2。
其他步骤和方法按实施例1进行。
对比例5
同实施例1所述的方法，不同之处在于：
步骤(4)中，催化剂替换为4A沸石。
应用实验例：
采用实施例1及对比例1-5的方法对油页岩油气产率验证性测试，测试结果见表1：
表1不同对油气产率的影响
通过表1可以看出，未处理油页岩高温热解的产油率和产气率分别为2.8％和23.8％；对比例1-4，催化剂的引入，使得油气产率得到提升，其中铜锰铝催化剂处理效果优异，产油率和产气率分别增至10.5％和43.5％；实施例1采用超临界CO2-双U型井压裂-原位催化方式进行提取页岩油气，油气产率得到显著提升，而对比例5同是采用超临界CO2-双U型井压裂-原位催化方式，但是催化剂采用4A沸石，油气产率提升效果远小于本发明的，这说明特定的催化剂能大幅加快反应进程，并且在超临界CO2流体的携带作用下能够进入深部裂缝，大幅提高了油气产率。
Claims (9)
1.超临界CO2-双U型井压裂-原位催化中低成熟度油页岩提取页岩油气的方法，包括步骤如下：
(1)选择油页岩目标地层，根据油页岩层的走向和分布，至少钻一注热井、一注入井和一生产井至目标油页岩层，采用水平井的方式连接注热井、注入井和生产井，形成油气运移通道；
(2)通过注入井向水平井注入超临界CO2，利用超临界CO2对水平井进行分段压裂，使水平井的井壁产生裂变缝，造缝时催化剂、支撑剂随携砂液混合均匀进入地层中已形成的具有导流的复杂缝网，催化剂均匀填充压裂区域；
(3)当支撑剂和催化剂泵入量达到设计量时，停止泵入支撑剂和催化剂，完成分段压裂作业；
(4)将分段压裂隔热封隔器通过通用油管下入到水平井中，对已压裂区域进行隔离和封堵处理；
(5)进行下一段压裂作业，重复步骤(2)-(4)；
(6)完成压裂后，将300-400℃的热气体通过注热井注入油页岩层，隔热封隔器断了加热气体水平井的流动通道，只能通过油页岩内部压裂裂隙进行传热，油页岩孔隙和裂缝中的催化剂能降低有机质热解所需要的温度；当反应温度触发催化剂的催化活性时，油页岩中有机质在催化剂作用下发生高温裂解反应；
(7)随着反应区的温度的增加，更多的固态有机质转化为液态的轻质石油烃和气态烃，油页岩内部孔隙度和渗透率不断增大，实现油页岩的原位转化，有利于油气的高效运移；隔热封隔器在高温的作用下密封水平井，保证了密封的稳定性；
(8)通过生产井将热解生成的页岩油气和热气体提取到地面，在地面分离装置进行回收，分离的热气体循环回注，实现对目标层位的动态驱替。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，注热井、注入井分别通过水平井与生产井连通，并成双U型井井型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，注热井、注入井与生产井距离30-45m，水平井水平段的间距为5-10m。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，超临界CO2的施工排量为2-5m3/min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，催化剂为铜、锰和铝含量分别为2％、2％和25％重量百分比的铜锰铝催化剂。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，支撑剂为50-70目陶粒。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，催化剂与支撑剂体积比为1:1500～3:1000，携砂液泵入量120-140m3，支撑剂4-6m3，顶替液15-20m3。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中，热气体为热CO2。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中，热气体温度为350℃。
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| CN202311495964.3A CN117345241A (zh) | 2023-11-10 | 2023-11-10 | 超临界co2-双u型井压裂-原位催化中低成熟度油页岩提取页岩油气的方法 |
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