CN118065850B - 一种油页岩地下原位热解油气提质的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油页岩地下原位热解油气提质的系统及方法，属于油页岩热解技术领域。从地面向地下油页岩层钻垂直注入井、生产井和压裂注气井，通过压裂注气井注入压裂介质对油页岩层进行压裂建立油气通道，利用可燃气体燃烧提供的热量和地层压力和油页岩层孔隙压力在地下原位将水变为超临界状态，超临界水和一氧化碳之间的水气变换反应生成的活性氢能够裂解油页岩中的高分子烃，增加油页岩热解油中轻质组分的含量，高温的超临界水和一氧化碳以及水气变换反应产生的热量使得油页岩中有机质热解生成油气。热解油，热解气及水气变换反应生成的二氧化碳与氢气通过油气通道及生产井导出地面，实现油页岩地下原位热解油气提质。
Description
技术领域
本发明属于油页岩热解技术领域，具体而言，涉及一种油页岩地下原位热解油气提质的系统及方法。
背景技术
油页岩作为一种可燃有机矿体，其储量丰富，含油量大，热解得到的页岩油与原油十分相似，因此被认为是一种极具前途的替代能源和补充资源，其开采技术与生产油气技术的提高日益成为焦点话题。传统开采利用方式带来了环境污染及资源利用效率低等问题，因此，油页岩地下原位开采逐渐被广泛关注。
油页岩地下原位开采的主要原理是将热能带入地下，直接对地下油页岩矿层进行原位加热，使有机质高温热解后生成油气，最后通过生产井把油气采出地表。油页岩原位开采技术具有占地少、成本低、污染小等优点，尤其对储量很大的中深部油页岩地层的开发十分有利。
油页岩原位转化的热动力学分析主要着眼于干酪根的热解过程。油页岩中油母质的热解可以分为两个阶段，第一阶段是油母质受热先分解为热解沥青；第二阶段是热解沥青再迅速分解为页岩油、页岩气及残渣，油母质在生成热解沥青的同时，热解沥青也同步分解为页岩油和页岩气。然而，地下油页岩热解生成的页岩油含有大量重质组分，这些组分的存在导致油的不稳定性和高粘度，严重降低了页岩油的质量，限制了其作为可用燃料的发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种油页岩地下原位热解油气提质的系统及方法，以达到提高油页岩热解油中轻质组分含量的目的。
为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供的一种油页岩地下原位热解油气提质的系统，包括注入井、压裂注气井和生产井；
所述注入井、压裂注气井和生产井均为从地面钻进至油页岩层形成的垂直井；其中，压裂注气井在注入井和生产井之间并靠近注入井设置，注入井、压裂注气井和生产井底部在同一水平面上；
注入井中布置有双层套管，所述双层套管包括外管、内管和气体燃烧室，气体燃烧室设置于外管底部，气体燃烧室内部安装有点火器，气体燃烧室底部设置有可开闭的排气口；
所述双层套管的内管的内腔作为通入可燃气体和氧气的注气通道，内管外壁与外管内壁之间形成的空腔作为注水通道；压裂注气井用于向油页岩层注入压裂介质和向油页岩层通入一氧化碳。
进一步地，包括用于将二氧化碳气体导入地下封存的二氧化碳封存井，二氧化碳封存井是从地面钻进至油页岩层下部的其他岩层的垂直井。
进一步地，外管和内管之间通过十字型布置的固定结构连接。
进一步地，排气口内部安装有温度传感器，排气口末端安装有排气阀门。
进一步地，包括设置于地面的水塔、氧气储罐、可燃气体储罐、一氧化碳储罐、氢气储罐、气体分离装置、油罐、气液分离装置、排气泵和二氧化碳储罐；
所述水塔的出水管道分别连接至压裂注气井和双层套管中的注水通道；氧气储罐和可燃气体储罐分别连接至双层套管中的注气通道；一氧化碳储罐连接至压裂注气井；排气泵的进口端和出口端分别连接生产井和气液分离装置；气液分离装置的气相出口连接至气体分离装置，气液分离装置的液相出口连接至油罐；气体分离装置的已分离气体的出口分别连接至氢气储罐、二氧化碳储罐、一氧化碳储罐和可燃气体储罐，二氧化碳储罐的出口管路与二氧化碳封存井连接。
根据本发明的另一方面，提供一种油页岩地下原位热解油气提质的方法，采用以上所述的油页岩地下原位热解油气提质的系统，包括以下步骤：
步骤一，通过压裂注气井向油页岩层注入压裂介质对油页岩层进行压裂，形成压裂裂缝，在注入井和生产井之间的油页岩层中形成压裂裂缝网络，生成油气通道；
封闭注入井和压裂注气井的井口，先通过压裂注气井向地下油页岩层通入一氧化碳，然后向注水通道注入水并向注气通道中通入可燃气体和氧气，可燃气体与氧气到达气体燃烧室后经点火器点燃，将双层套管中流动的水加热为高温水蒸气；
步骤二，将高温水蒸气通过排气口排至油页岩层中，高温水蒸气受到地层间以及地下油页岩层孔隙间的压力作用达到超临界态；获得的超临界水到达地下油页岩层后经过压裂裂缝网络和一氧化碳接触掺混后发生水气变换反应，高温的超临界水和一氧化碳以及水气变换反应生成的高温气体产物使得油页岩中有机质热解生成油气；热解油、热解气以及水气变换反应生成的二氧化碳与氢气通过油气通道及生产井导出地面；
步骤三，将导出地面的热解油、热解气以及水气变换反应生成的二氧化碳与氢气分别进行分离。
进一步地，步骤一中，所述高温水蒸气的温度为500~600℃。
进一步地，步骤一中，所述压裂介质为高压水。
进一步地，步骤一中，所述可燃气体为烃类气体，通入可燃气体与氧气的体积比为大于1:6，优选为1:4-1:5。
进一步地，步骤二中，高温水蒸气压力升至22.15Mpa以上，达到超临界态。
本发明通过向地下油页岩层注入水、氧气，一氧化碳和可燃气体，利用可燃气体燃烧产生的高温以及深部地层压力与油页岩层中孔隙压力在地下原位将水转变为超临界状态，同时利用超临界水和一氧化碳发生水气变换反应，促进油页岩热解油气的反应，增加油页岩热解油中轻质组分的含量，提高热解油的品质。
本发明中，利用双层套管中可燃气体燃烧产生的高温以及深部地层压力与油页岩层中孔隙压力在地下原位将水变为超临界状态，相比于从地面向油页岩层直接注入超临界水，省去了在地面加热加压制备超临界流体的流程，避免了地面热损失并大量减少了井筒热损失，降低制备成本，减少能量消耗，提高了能源利用效率。
本发明中，超临界水和一氧化碳发生水气变换反应（H2O+CO→CO2+H2），产生更多的活性氢，高活性氢能够快速稳定裂解油页岩中大分子有机物，抑制其聚合成焦，促进了油页岩热解油气的反应，增加油页岩热解油中轻质组分的含量，提高了热解油的品质。水气变换反应为放热反应，能够为油页岩热解提供更多的热量，提高了能源利用效率。
本发明中，产生的二氧化碳排出地面经分离后输送至二氧化碳封存井内进行深地封存，实现了二氧化碳捕集与封存，符合碳减排的需求。进行封存二氧化碳的所述地层的深度应大于3000m且具有良好的封闭性。
本发明在地下将水转变为超临界状态，根据超临界水转化所需的压力，考虑地应力条件，适用的油页岩层埋深应大于1000m，且盖层应有良好的封闭性。
附图说明
图1为本发明提供的油页岩地下原位热解油气提质的方法原理图；
图2为本发明所述双层套管的结构示意图；
图3为本发明所述双层套管中外管和内管的连接示意图。
图中，1-油页岩层；2-其他岩层；3-注入井；4-压裂注气井；5-生产井；6-二氧化碳封存井；7-双层套管；701-外管；702-内管；703-固定结构；704-注水通道；705-注气通道；706-气体燃烧室；707-点火器；708-排气口；709-温度传感器；710-排气阀门；8-水塔；9-阀门；10-流量计；11-氧气储罐；12-可燃气体储罐；13-一氧化碳储罐；14-气体输送管道；15-氢气储罐；16-气体分离装置；17-油罐；18-气液分离装置；19-排气泵；20-二氧化碳储罐；21-油气通道。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明。
超临界水是一种既具有气态特性又具有液态特性的单相流体，不存在表面张力和液/气相界。超临界水具有足够的密度，可以提供可观的溶解力，其扩散性高于液体，并且具有较低的黏度，可以增强传质。超临界水中的水气变换反应是分子之间的直接传热，换热效率高，有更好的能量利用率。超临界流体具有较高的压力，气体在较高压力下作用于原油可进一步降低原油粘度、提高原油膨胀系数，增加原油的流动性从而增加热解油气的产量。此外，水气变换反应（H2O+CO→CO2+H2）可以产生更多的活性氢，活性氢能够快速稳定裂解油中高分子烃，抑制其聚合成焦。
基于上述原理，本发明的基本构思是通过向地下油页岩层注入水、氧气，一氧化碳和可燃气体，利用可燃气体燃烧产生的高温以及深部地层压力与油页岩层中孔隙压力在地下原位将水转变为超临界状态，同时利用超临界水和一氧化碳发生水气变换反应，产生更多的活性氢，高活性氢能够快速稳定裂解油页岩中大分子有机物，抑制其聚合成焦，促进油页岩热解油气的反应，增加油页岩热解油中轻质组分的含量，提高热解油的品质。
实施例1
本实施例涉及油页岩地下原位热解油气提质的系统，如图1所示，包括注入井3、压裂注气井4、生产井5和二氧化碳封存井6。
所述注入井3、压裂注气井4和生产井5均为从地面钻进至油页岩层1形成的垂直井。其中，压裂注气井4在注入井3和生产井4之间并靠近注入井3设置，注入井3、压裂注气井4和生产井5底部在同一水平面上。二氧化碳封存井6是从地面钻进至油页岩层1下部的其他岩层2的垂直井，用于将二氧化碳气体导入地下封存。
注入井3中布置有双层套管7。如图2所示，所述双层套管7包括外管701、内管702和气体燃烧室706。
外管701和内管702之间通过十字型布置的固定结构703连接（图3）。双层套管7的内管702采用导热性能好且耐氧化耐腐蚀的材料。内管702的内腔作为通入可燃气体和氧气的注气通道705，内管702外壁与外管701内壁之间形成的空腔作为注水通道704。
如图2所示，气体燃烧室706为倒圆台形，气体燃烧室706上部内径大于外管701直径且连接于外管701底部，气体燃烧室706内部安装有点火器707，气体燃烧室706底部设置有可开闭的排气口708。排气口708内部安装有温度传感器709，排气口708末端安装有排气阀门710。通过温度传感器709检测气体温度，达到所需温度后打开排气阀门710。
压裂注气井4用于向油页岩层1注入压裂介质和向油页岩层通入一氧化碳。压裂介质是指高压水，钻井工作完成后向压裂注气井4中向油页岩层1注入高压水对油页岩层进行压裂，形成压裂裂缝，在注入井3和生产井5之间的油页岩层中形成压裂裂缝网络，生成油气通道21。
如图1所示，在注入井3、压裂注气井4的井口周围地面上设置水塔8、氧气储罐11、可燃气体储罐12和一氧化碳储罐13。水塔8的出水管道分别连接至压裂注气井4和双层套管7中的注水通道704，水塔8一方面向压裂注气井4输入高压水，另一方面向注水通道704输入水。氧气储罐11和可燃气体储罐12分别连接至双层套管7中的注气通道705，分别向注气通道705输入氧气和可燃气体。一氧化碳储罐13连接至压裂注气井4，用于向压裂注气井4输入一氧化碳。氧气储罐11和可燃气体储罐12与双层套管7的连接管线上设置有阀门9、流量计10。
在生产井5的井口周围地面上设置氢气储罐15、气体分离装置16、油罐17、气液分离装置18、排气泵19、二氧化碳储罐20。排气泵19的进口端和出口端分别连接生产井5和气液分离装置18；气液分离装置18的气相出口连接至气体分离装置16，气液分离装置18的液相出口连接至油罐17；气体分离装置16的已分离气体的出口分别连接至氢气储罐15、二氧化碳储罐20、一氧化碳储罐13和可燃气体储罐12。二氧化碳储罐20的出口管路与二氧化碳封存井6连接。
实施例2
本实施例所利用的油页岩层的埋深为1200m，油页岩平均品位9.00~22.00%，油页岩矿层厚度10.0~15.0m。
利用实施例1提供的油页岩地下原位热解油气提质的系统。钻井工作完成后向压裂注气井4中向油页岩层1注入高压空气和水对油页岩层1进行压裂，形成压裂裂缝，在注入井3和生产井5之间的油页岩层1中形成压裂裂缝网络，生成油气通道21。
压裂工作完成后在注入井3中布置双层套管7至井底，在双层套管7与井壁之间的环空注入水泥浆固井。
待固井水泥浆凝固完成固井后，封闭注入井3和压裂注气井4井口，先通过压裂注气井4向地下油页岩层1通入一氧化碳，而后向注水通道704注入水，并向注气通道705中通入可燃气体和氧气，控制通入可燃气体和氧气的体积比为1：5，可燃气体与氧气到达套管7末端的气体燃烧室706后经点火器707点燃，将套管7中流动的水加热为500℃的高温水蒸气。
通过安装在排气口708的温度传感器709检测气体温度，达到500℃后打开排气口708处的排气阀门710，高温水蒸气通过排气口708排至油页岩层1中，高温水蒸气受到地层间以及地下油页岩层孔隙间的压力作用，压力升至22.15Mpa以上的高温水蒸气达到超临界态。
超临界水到达油页岩层1后经过压裂裂缝网络和一氧化碳接触掺混后发生水气变换反应，同时高温的超临界水和一氧化碳以及水气变换反应生成的高温气体产物使得油页岩中有机质热解生成油气。热解油、热解气以及水气变换反应生成的二氧化碳与氢气通过油气通道21及导出生产井5导出地面。
热解油、热解气经过地面气液分离装置18分离，分离的热解油送至油罐17存储，热解气经气体分离装置16分离为一氧化碳、二氧化碳、氢气和烃类气体，一氧化碳和烃类气体经分离后通过气体输送管14分别输送至一氧化碳储罐13和可燃气体储罐12中，可循环利用，分离的二氧化碳与氢气分别存储在二氧化碳储罐20和氢气储罐15；二氧化碳分离后通过二氧化碳封存井6导入地下，进行深地封存。
实施例3
本实施例中所利用的油页岩层的埋深为1000m，油页岩平均品位11.00~20.00%，油页岩矿层厚度9.0~21.0m。
利用实施例1提供的油页岩地下原位热解油气提质的系统。钻井工作完成后向压裂注气井4中向油页岩层1注入高压空气和水对油页岩层1进行压裂，形成压裂裂缝，在注入井3和生产井5之间的油页岩层1中形成压裂裂缝网络，生成油气通道21。
压裂工作完成后在注入井3中布置双层套管7至井底，在双层套管7与井壁之间的环空注入水泥浆固井。
待固井水泥浆凝固完成固井后，封闭注入井3和压裂注气井4井口，先通过压裂注气井4向地下油页岩层1通入一氧化碳，而后向注水通道704注入水，并向注气通道705中通入可燃气体和氧气，控制通入可燃气体和氧气的体积比为1：4，可燃气体与氧气到达套管7末端的气体燃烧室706后经点火器707点燃，将套管7中流动的水加热为600℃的高温水蒸气。
通过安装在排气口708的温度传感器709检测气体温度，达到600℃后打开排气口708处的排气阀门710，高温水蒸气通过排气口708排至油页岩层1中，高温水蒸气受到地层间以及地下油页岩层孔隙间的压力作用，压力升至22.15Mpa以上的高温水蒸气达到超临界态。
超临界水到达油页岩层1后经过压裂裂缝网络和一氧化碳接触掺混后发生水气变换反应，同时高温的超临界水和一氧化碳以及水气变换反应生成的高温气体产物使得油页岩中有机质热解生成油气。热解油、热解气以及水气变换反应生成的二氧化碳与氢气通过油气通道21及导出生产井5导出地面。
热解油、热解气经过地面气液分离装置18分离，分离的热解油送至油罐17存储，热解气经气体分离装置16分离为一氧化碳、二氧化碳、氢气和烃类气体，一氧化碳和烃类气体经分离后通过气体输送管14分别输送至一氧化碳储罐13和可燃气体储罐12中，循环利用，分离的二氧化碳与氢气分别存储在二氧化碳储罐20和氢气储罐15；二氧化碳分离后通过二氧化碳封存井6导入地下，进行深地封存。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种油页岩地下原位热解油气提质的系统，其特征在于，包括注入井（3）、压裂注气井（4）和生产井（5）；
所述注入井（3）、压裂注气井（4）和生产井（5）均为从地面钻进至油页岩层（1）形成的垂直井；其中，压裂注气井（4）在注入井（3）和生产井（5）之间并靠近注入井（3）设置，注入井（3）、压裂注气井（4）和生产井（5）底部在同一水平面上；
注入井（3）中布置有双层套管（7），所述双层套管（7）包括外管（701）、内管（702）和气体燃烧室（706），气体燃烧室（706）设置于外管（701）底部，气体燃烧室（706）内部安装有点火器（707），气体燃烧室（706）底部设置有可开闭的排气口（708）；
所述双层套管（7）的内管（702）的内腔作为通入可燃气体和氧气的注气通道（705），内管（702）外壁与外管（701）内壁之间形成的空腔作为注水通道（704）；压裂注气井（4）用于向油页岩层（1）注入压裂介质和向油页岩层（1）通入一氧化碳；
利用可燃气体燃烧产生的高温以及深部地层压力与油页岩层中孔隙压力在地下原位将水转变为超临界状态，同时利用超临界水和一氧化碳发生水气变换反应，促进油页岩热解油气的反应，增加油页岩热解油中轻质组分的含量，提高热解油的品质；
超临界水和一氧化碳发生水气变换反应：H2O+CO→CO2 +H2，产生更多的活性氢，高活性氢能够快速稳定裂解油页岩中大分子有机物，抑制其聚合成焦，促进了油页岩热解油气的反应，增加油页岩热解油中轻质组分的含量，提高了热解油的品质。
2.根据权利要求1所述的油页岩地下原位热解油气提质的系统，其特征在于：包括用于将二氧化碳气体导入地下封存的二氧化碳封存井（6），二氧化碳封存井（6）是从地面钻进至油页岩层（1）下部的其他岩层的垂直井。
3.根据权利要求2所述的油页岩地下原位热解油气提质的系统，其特征在于：外管（701）和内管（702）之间通过十字型布置的固定结构（703）连接。
4.根据权利要求3所述的油页岩地下原位热解油气提质的系统，其特征在于：排气口（708）内部安装有温度传感器（709），排气口（708）末端安装有排气阀门（710）。
5.根据权利要求2或4所述的油页岩地下原位热解油气提质的系统，其特征在于：包括设置于地面的水塔（8）、氧气储罐（11）、可燃气体储罐（12）、一氧化碳储罐（13）、氢气储罐（15）、气体分离装置（16）、油罐（17）、气液分离装置（18）、排气泵（19）和二氧化碳储罐（20）；
所述水塔（8）的出水管道分别连接至压裂注气井（4）和双层套管（7）中的注水通道（704）；氧气储罐（11）和可燃气体储罐（12）分别连接至双层套管（7）中的注气通道（705）；一氧化碳储罐（13）连接至压裂注气井（4）；排气泵（19）的进口端和出口端分别连接生产井（5）和气液分离装置（18）；气液分离装置（18）的气相出口连接至气体分离装置（16），气液分离装置（18）的液相出口连接至油罐（17）；气体分离装置（16）的已分离气体的出口分别连接至氢气储罐（15）、二氧化碳储罐（20）、一氧化碳储罐（13）和可燃气体储罐（12），二氧化碳储罐（20）的出口管路与二氧化碳封存井（6）连接。
6.一种油页岩地下原位热解油气提质的方法，其特征在于：采用如权利要求1-5任意一项所述的油页岩地下原位热解油气提质的系统，包括以下步骤：
步骤一，通过压裂注气井（4）向油页岩层（1）注入压裂介质对油页岩层（1）进行压裂，形成压裂裂缝，在注入井（3）和生产井（5）之间的油页岩层（1）中形成压裂裂缝网络，生成油气通道（21）；
封闭注入井（3）和压裂注气井（4）的井口，先通过压裂注气井（4）向地下油页岩层（1）通入一氧化碳，然后向注水通道（704）注入水并向注气通道（705）中通入可燃气体和氧气，可燃气体与氧气到达气体燃烧室（706）后经点火器（707）点燃，将双层套管（7）中流动的水加热为高温水蒸气；
步骤二，将高温水蒸气通过排气口（708）排至油页岩层（1）中，高温水蒸气受到地层间以及地下油页岩层孔隙间的压力作用达到超临界态；获得的超临界水到达地下油页岩层（1）后经过压裂裂缝网络和一氧化碳接触掺混后发生水气变换反应，高温的超临界水和一氧化碳以及水气变换反应生成的高温气体产物使得油页岩中有机质热解生成油气；热解油、热解气以及水气变换反应生成的二氧化碳与氢气通过油气通道（21）及生产井（5）导出地面；
步骤三，将导出地面的热解油、热解气以及水气变换反应生成的二氧化碳与氢气分别进行分离。
7.根据权利要求6所述的油页岩地下原位热解油气提质的方法，其特征在于：步骤一中，所述高温水蒸气的温度为500~600℃。
8.根据权利要求6所述的油页岩地下原位热解油气提质的方法，其特征在于：步骤一中，所述压裂介质为高压水。
9.根据权利要求6所述的油页岩地下原位热解油气提质的方法，其特征在于：步骤一中，所述可燃气体为烃类气体，通入可燃气体与氧气的体积比为1:4-1:5。
10.根据权利要求6所述的油页岩地下原位热解油气提质的方法，其特征在于：步骤二中，压力升至22.15Mpa以上，高温水蒸气达到超临界态。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410465344.3A CN118065850B (zh) | 2024-04-18 | 一种油页岩地下原位热解油气提质的系统及方法 |
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| CN118065850A CN118065850A (zh) | 2024-05-24 |
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN103670357A (zh) * | 2012-09-21 | 2014-03-26 | 新奥气化采煤有限公司 | 地下含碳有机矿物储层的裂隙沟通、通道加工及地下气化方法 |
| CN204602465U (zh) * | 2015-02-11 | 2015-09-02 | 新奥气化采煤有限公司 | 一种连续管及气化剂输送装置 |
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