CN1676870A - 对流加热油页岩开采油气的方法 - Google Patents

Abstract

一种对流加热油页岩开采油气的方法，涉及对地下固态能源与矿物开采方法的改进。现有技术的开采方法效率低、成本高、规模小，难以大面积实施和缺乏市场竞争能力。本发明通过在地面布置群井，并采用压裂方式使群井连通，然后间隔轮换选择注热井与生产井，将400℃～700℃的蒸气沿注热井注入油页岩矿层，加热矿层使其中的干酪根热解形成油气，并经低温蒸气或水携带沿生产井排到地面分离，最终形成油气产品。分离过程中可同时预热水，并采用注水井与生产井对流的方式提取枯竭的油页岩矿层围岩区域的余热，从而实现了本发明快速、大规模、低成本地从油页岩矿层开采油气的目的。

Description

对流加热油页岩开采油气的方法

技术领域

本发明涉及从地下油页岩层(含干酪根)中生产油气的开采方法，更具体地说，涉及一种利用群井致裂，采用过热高温压力水蒸气，以对流方式加热油页岩层，使干酪根热分解开采油气的方法。

背景技术

中国有极为丰富的油页岩资源，到目前为止，仅有极少量的油页岩通过露天开采原矿的方法开采，然后通过化工厂干馏制取其中的油气；还有一大部分油页岩原矿直接用于发电与燃烧。近年来，涉及地面干馏制取油气的方法与装置的中国发明专利有：日本工业技术研究院的“油页岩的干馏方法及其所有装置”(CN1013501B)，“油页岩的干馏方法”(CN1012684B)，“从油页岩中回收页岩油的装置”(CN1013276B)，泽纳塔公司的“处理煤及油页岩的装置”(CN87102649A)。

1992年，荷兰国际壳牌研究有限公司，在中国专利局申请了“加热油页岩的采油方法”(CN1016001B)的发明专利。该发明主要涉及利用传导加热驱动工艺从地下油页岩矿层中直接开采油气的方法。该发明通过采用电加热的方式，给周围4口或12口加热井加热，通过传导的方式使油页岩层中的干酪根热解形成流态的油气，破裂油页岩层，进入生产井产出流体。井眼间距9～30m等距离分隔开。该发明处理的油页岩矿层厚度约30m。

该发明由于采用电加热方式，致使成本高，而且极易出现故障；由于岩层热传导系数低，故加热的过程非常缓慢，同时导致沿矿层顶底大量散失热量。油页岩中热解产生的油气压力较低，加之加热过程中油页岩热膨胀，致使油页岩破裂裂缝容易闭合，导致油页岩中的油气回采率较低。

美国专利3468376提到：“将热传过油页岩的机理有两种，即靠传导作用传过油页岩中的固体物质，也靠对流作用传过油页岩中的固体物质，靠传导作用传热是比较慢的过程”。美国专利3284281指出：“人们已尝试过用各种方法，如…用电阻加热器…加热油页岩，以从中采油，但几乎没有获得什么成功。加热之前将油页岩压裂，再用就地燃烧或其它方法加热，也几乎没有取得什么成功，因为油页岩受热时膨胀，结果使裂缝部分地或完全地闭合”。该发明专利提出一种新的加热工艺，其操作程序为：加热油页岩(使其膨胀)，然后注入流体压裂已膨胀的油页岩，之后再重复加热、采油、压裂的这些步骤。其加热的方式为：①钻井底部燃料和空气混合燃烧加热；②电加热；③注入200℃以上的蒸气加热。美国专利4483398、4552409、4552214、4485869、4703798、4698149等涉及了采用地下原位爆破，或人工建造干馏槽或干馏硐室干馏油页岩的方法。

上述提到的地下原位开采油页岩中的油气的方法，均存在成本高、效率低、规模小和热量损耗严重等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术从油页岩中开采油气方法的缺点，提供一种对流加热油页岩开采油气的方法，该方法具有成本低、回采率高、效率高、规模大等优点。

本发明是通过以下技术方案来实现其目的的：

一种对流加热油页岩开采油气的方法，其步骤是：首先在地面布置、施工群井，钻井进入油页岩矿层处理层段，采用群井压裂方式，产生巨型的沿矿层展布方向的裂缝，使群井内所有井眼沿油页岩层连通，然后间隔轮换选择注热井与生产井，将过热蒸气沿注热井注入油页岩层加热，使油页岩层中的干酪根热分解后形成油气，通过低温蒸气或水携带油气从生产井排至地面。

所述的群井至少由3口井组成，其井眼间距大于30m，可以采用等间距或不等间距布置钻井。

钻井进入整个矿层，每个钻井在设定矿层的处理层段安设可通过流体的花管；其余地层、矿层段全部安设双层环空管，并沿外层管固井。

所述的设定矿层的处理层段，对于厚度30m以上的单一矿层，是指距矿层底板为5～8m，距矿层顶板为10m的矿层中部的矿层段；对于累计厚度40m以上的含矿系数高于60％的近距离油页岩矿层群，选择距底部矿层的底板为5～8m，距顶部矿层的顶板为5～10m的油页岩层及非油页岩夹层为处理层段。

所述的采用压裂方式，是用单注入井、多目标井压裂，或多注入井、多目标井同时压裂连通的方式实施压裂。

所述的间隔轮换选择注热井与生产井，是按照矿层均匀温升的原则定期间隔交换注热井与生产井。

所述的将水蒸气沿注热井注入油页岩层，水蒸气是温度在400～700℃之间，压强等于或略低于上覆地层与油页岩层顶板的自重应力之和的过热水蒸气。

所述的进入油页岩层加热矿层，是在所有生产井关闭的条件下压力加热；或在生产井排产的条件下压力加热。

所述的低温蒸气或水携带油气从生产井排至地面，是靠流体压力自排或通过抽吸方式排到地面。

所述的步骤，在开采后期，可将群井中所有钻井划分成若干井组，井组之间交替降温、加热，开采油气。

所述的开采油气的井组之间交替降温、加热，是选择2～3口井组成一个井组，井组交替轮换降温、加热开采油气，降温采用注入低温水的方式，加热采用注入过热蒸气的方式。

所述的步骤，还包括利用地面油气分离过程、提取枯竭油页岩矿体围岩区域的余热再加热进入锅炉的水。

所述的提取枯竭油页岩矿体围岩区域的余热加热水的方法，是在原开采群井中采用交替选择注水井与生产井，在不排水的条件下，沿注水井向采后矿层区域注入冷水，经岩层加热一段时间后，从生产井排出高温水，或部分井注入冷水，其余井同时排出高温水，以提取枯竭矿体区域围岩中的余热。

所述的花管及双层环空管，能在700℃高温和高于油页岩地层自重应力2～3倍的水平热膨胀应力持续作用下，花管及双层环空管仍处于材料的弹性状态。

所述的沿外层管固井，采用耐受持续700℃高温的水泥固井。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、发明利用群井致裂的方法，连通群井后，沿注热井注入较高压力的过热水蒸气，使矿层对流加热并压裂产生新的水平及垂直裂缝，由于油页岩的非均质性产生不均匀的热破裂，油页岩中的干酪根热解形成油气进一步破裂油页岩，由于过热蒸气压力的作用，使油页岩中形成的裂缝始终保持张开，从而克服了已有发明的缺点。保证了快速加热、低成本、高效率、大规模地开采油页岩中的油气。

2、本发明采用了注热井与生产井间隔轮换的方法，保证了油页岩矿层的均匀温升，也保证了矿层中油气的均匀开采。为保证矿层裂缝不闭合，加热流体可直接进入矿层的各个部位。

3、本发明在开采后期，为防止持续加热油页岩层而导致热量的大量散失，为防止油页岩热应力过高，使压裂与热破裂产生的裂缝闭合，影响油气的回收，选择群井中部分井组交替降温、加热的方法，从而提高了油气采收率。

4、本发明为保证低成本开采，尽可能的利用余热，提出采用排采油气、蒸气及水中的余热预先加热水，并利用枯竭油页岩层矿体围岩的余热加热水的方法，后者是利用原开采群井中的钻井，做注热井与生产井，在不排水及排水的条件下，注入冷水，加热后提取高温水，从而使进入锅炉之前的水得到预热。

附图说明

图1是本发明群井布置的平面示意图；

图2是本发明在单一矿层条件下实施开采的示意图；

图3是本发明提取枯竭矿层围岩余热的示意图；

图4是本发明在矿层群条件下群井布置的平面示意图；

图5是本发明在矿层群条件下实施开采的示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1、2所示，一种对流加热油页岩开采油气的方法，在一个厚度为30m，埋藏深度100m的近水平的单一油页岩矿层中，采用本发明布置了9口井，井间距40m，呈正方形网格分布，各钻井位于正方形网格的交点上，各钻井钻至矿层3中，然后下入双层环空管7，双层环空管7采用耐高温的无缝钢管，内径150mm，与花管8的上部连接，花管长度15m，下入矿层距底板9为5～8m，距矿层顶板4留出约10m。花管及双层环空管在700℃高温和高于油页岩地层自重应力2～3倍的水平热膨胀应力持续作用下，仍处于材料的弹性状态，沿双层环空管7的外层采用耐700℃以上高温的水泥6固井。

具体步骤如下：

1)按设计施工钻井，钻井施工完成后，选择5#井做压裂井，1、2、3、4、6、7、8、9#井做目标井，用过热水由5#井实施水力压裂与目标井连通，通过调节与关闭连通的目标井使9口井同时或相继连通。

2)首先选择5#井做注热井1，关闭其余8口井，注入温度为400～700℃的过热水蒸气，其压力高于地层的垂直应力，热解油页岩几小时后，使生产井2排产的水及油气温度低于100℃，即可持续排产油气，在地面分离，并利用分离的过程预热进入锅炉的冷水。(过热水蒸气的温度本实施例进行了400℃、700℃不同温度的实验，均取得了成功。)

3)选择1#井做为注热井1，开启9#井做生产井2，直接排采低温蒸气及油气；

4)运行2～3天后，9#井做注热井1，1#井做生产井2，重复以上步骤即可。

5)运行2～3天后，选择3#井为注热井1，4#、7#、8#井为生产井2，如此循环调控开采。

6)当矿层中的油气采出率达到50％以上时，例如选择4、5、6#3口井为一组降温井，注入冷水，使4、5、6#井控制的矿体区域降温，并收缩，形成应力降低区，从而使其渗透性大幅度提高，利于油气的排采。运行一段时间后加热，可以使矿层围岩温度升高。

7)当1～9#钻井控制的矿体区域中的油气采完后，矿体及围岩中残留大量余热，从5#井缓慢注入冷水，从其余8口井采出热水，如图3。经过滤与处理后进入锅炉生产过热水蒸气，用于另一个井网的开采。

实施例2：

如图4、5所示，一种对流加热油页岩开采油气的方法，某油页岩矿层群含三层油页岩矿层3，自下而上其油页岩层厚度分别为10m、25m、8m，中间夹层为砂岩，厚度分别为3m和4m，该矿层组累计厚度43m，含矿系数86％，采用等边三角形布井，井间距选择50m，布置11口井。

同实施例1的方法钻井，各井钻至矿层3中，然后下入双层环空管7，双层环空管的内径150mm，与花管8的上部连接，花管长度15m，下入矿层距底板9为5～8m，距矿层顶板4留出5～10m。

具体步骤如下：

1)按设计施工钻井，钻井施工完成后，选择6#井做压裂井，1、2、3、4、5、7、8、9、10、11#井做目标井，用过热水由6#井实施水力压裂与目标井连通，通过调节与关闭连通的目标井使11口井同时或相继连通。

2)首先选择6#井做注热井1，关闭其余10口井，注入温度为550℃的过热水蒸气，其压力高于地层的垂直应力，热解油页岩几小时后，使生产井2排产的水及油气温度低于100℃，即可持续排产油气，在地面分离，并利用分离的过程预热进入锅炉的冷水。

3)选择4#井做为注热井1，开启8#井做生产井2，直接排采低温蒸气及油气；

4)运行2～3天后，8#井做注热井1，4#井做生产井2，重复以上步骤。

5)运行2～3天后，选择1#井为注热井1，5#、8#、9#井为生产井2，如此循环调控开采。

6)当矿层中的油气采出率达到50％以上时，例如选择5、6、7#3口井为一组降温井，注入冷水，使5、6、7#井控制的矿体区域降温，并收缩，形成应力降低区，从而使其渗透性大幅度提高，利于油气的排采。运行一段时间后加热，可以使矿层围岩温度升高。

7)当1～11#钻井控制的矿体区域中的油气采完后，矿体及围岩中残留大量余热，从6#井缓慢注入冷水，从其余10口井采出热水，如图3。经过滤与处理后进入锅炉生产过热水蒸气，用于另一个井网的开采。

从实施例2可见，由于中间夹了一些非油页岩岩层10，加热这些岩层会导致一些不必要的热量耗散，这就是本发明为什么要求含矿系数高于60％的理由所在，但夹层的存在使开采井之间易于连通，这也是矿层群开采的优势。

Claims (15)

1、一种对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于所述的步骤是：首先在地面布置群井，钻井进入油页岩矿层(3)，采用群井压裂方式，产生巨型的沿矿层展布方向的裂缝，使群井内所有钻井沿油页岩层连通，然后间隔轮换选择注热井(1)与生产井(2)，将过热蒸气沿注热井注入油页岩层加热，使油页岩层中的干酪根热分解后形成油气，通过低温蒸气或水携带油气从生产井(2)排至地面。

2、按照权利要求1所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：在开采后期，可将群井中所有钻井划分成若干井组，井组之间交替降温、加热，开采油气。

3、按照权利要求1所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：其步骤还包括利用地面油气分离过程、提取枯竭油页岩矿体围岩区域的余热，加热进入锅炉的水。

4、按照权利要求1所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：所述的在地面布置群井，其群井至少有3口井，井眼间距大于30m。

5、按照权利要求1所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：钻井进入油页岩矿层(3)，在每个钻井设定矿层的处理层段安设可通过流体的花管(8)，其余地层及矿层段全部安设双层环空管(7)，并沿外层管固井。

6、按照权利要求5所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：所述的设定矿层的处理层段，对于厚度30m以上的单一矿层，处理层段是距矿层底板(9)为5～8m，距矿层顶板(4)为10m的矿层中部的矿层段；对于累计厚度40m以上的含矿系数高于60％的近距离油页岩矿层群，选择距底部矿层的底板为5～8m，距顶部矿层的顶板为5～10m的油页岩层及非油页岩夹层为处理层段。

7、按照权利要求1所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：所述采用群井压裂方式，是用单注入井、多目标井压裂，或多注入井、多目标井同时压裂连通的方式实施压裂。

8、按照权利要求1所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：所述的间隔轮换选择注热井与生产井，是按照矿层均匀温升的原则定期间隔交换注热井与生产井。

9、按照权利要求1所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：所述的将水蒸气沿注热井注入油页岩层加热，其水蒸气是温度在400～700℃之间，压强等于或略低于上覆地层(5)与油页岩层顶板(4)的自重应力之和的过热水蒸气。

10、按照权利要求1所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：所述的将过热蒸气沿注热井注入油页岩层加热，是在所有生产井(2)关闭的条件下压力加热；或在生产井排产的条件下压力加热。

11、按照权利要求1所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：所述的低温蒸气或水携带油气从生产井排至地面，是靠流体压力自排或通过抽吸方式排到地面。

12、按照权利要求2所述的对流加热油页岩开采油气的方法，特征在于：所述的开采油气的井组之间交替降温、加热，是选择2～3口井组成一个井组，井组间交替轮换降温、加热开采油气，降温采用注入低温水、加热采用注入过热蒸气的方式。

13、按照权利要求3所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：所述的提取枯竭油页岩矿体围岩区域的余热的方法加热水，是采用原开采群井交替选择注水井与生产井，在不排水的条件下，沿注水井向采后矿层区域注入冷水，经岩层加热一段时间后，从生产井排出高温水，或部分井注入冷水，其余井同时排出高温水，以提取枯竭矿体区域围岩中的余热。

14、按照权利要求5所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：所述的花管(8)及双层环空管(7)，在700℃高温和高于油页岩地层自重应力2～3倍的水平热膨胀应力持续作用下，花管(8)及双层环空管(7)仍处于材料的弹性状态。

15、按照权利要求5所述的对流加热油页岩开采油气的方法，其特征在于：所述的沿外层管固井，采用耐受持续700℃高温的水泥(6)固井。

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