一種油頁巖原位局部化學法提取頁巖油氣的方法
【專利摘要】本發明公開了一種油頁巖原位局部化學法提取頁巖油氣的方法，該方法利用熱混合氣體在地下油頁巖層中形成局部的化學反應區；在整個過程中，通過控制注入及回收的熱混合氣體濃度，誘發一系列的“鏈式反應”，隨著反應區溫度逐漸升高、范圍逐漸擴大，油頁巖層的孔隙度和滲透率不斷增大，最終實現化學的熱強化反應處理、將油頁巖層由內而外的逐漸自催化裂解，生成頁巖油和燃料氣體。在鏈式反應結束后，繼續通過熱混合氣體來促發巖層中固定碳等反應產生低熱值氣體，并對裂解反應完成區域的高余熱循環使用，實現油頁巖裂解的能量自給和最大利用。本發明降低了開采成本、環境危害和商業風險。
【專利說明】一種油頁巖原位局部化學法提取頁巖油氣的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種油頁巖開采技術，特別涉及一種油頁巖原位局部化學反應法提取頁巖油氣的方法，該方法的工藝技術和實施方法可以在地下油頁巖層原位引發局部的化學反應來裂解油頁巖中的有機質，從而提取頁巖油和燃料氣體，且對裂解反應完成區域進行高余熱循環使用。是一種可實現油頁巖原位裂解能量自給和熱量利用率最大化的方法。此項技術方法可廣泛運用于固體或凝態礦物燃料(油頁巖、煤炭、稠油)的原位開采中。
【背景技術】
[0002]過去的二十多年，全球對能源需求的增長迅速，油價也一再創新高。在2012年，全球原油的消耗量已達8905萬桶/天，美國能源局預測，到2030年，世界原油開采量將到達頂峰，之后會迅速下降，到2050年，可開采的原油將會逐步枯竭。中國能源形勢更為緊迫，各大型油田產能已開始逐漸下降，2012年石油依存度已達到57%，嚴重威脅我國能源安全。尋找可替代能源成為當務之急，而油頁巖以其巨大的儲量成為世界各國能源開發的重點領域。
[0003]油頁巖是一種高礦物質含量的固體可燃有機沉積巖，賦存未完全成熟的有機質-干酪根，經熱解(低溫干餾)可得到油頁巖油和油頁巖氣。在熱解過程中會發生一系列的物理化學反應，加熱初期結合水會蒸餾，隨后干酪根受熱轉化成浙青，熱浙青進一步分解成頁巖油的燃料氣體，最后殘余有機質及無機礦物逐步分解。如何在熱解過程中控制物理化學反應，使油頁巖熱解能量產出、消耗比最合理，成為技術可行性的關鍵因素。
[0004]目前，油頁巖提取頁巖油氣的技術主要分兩大類:地表干餾技術和原位轉化技術。地表干餾技術已廣泛用于愛沙泥亞、美國、中國、加拿大以及巴西等。但地表干餾生產頁巖油具體很多缺點:挖掘工作量大，成本高；易形成采空區，導致土地塌陷；大量殘渣處理難度大，堆積量大，易造成二次污染；排出大量的廢氣和污水對環境污染大；用水量大等。相比原位轉化技術是通過對地下礦體進行原位加熱，實現油頁巖的地下熱解開采，不破壞地表，無采空區，且地表無廢渣堆積，對環境無污染，而且可以運用到埋深較深的油頁巖層，是一種有著廣闊前景的含烴固體礦產資源開發利用的方法。目前，對油頁巖地下原位裂解的方法有很多。著名的殼牌地下轉化工藝技術(ICP)(專利號CN87100890)、埃克森美孚ElectrofracTM技術(專利號CN18975168A)都是通過傳導加熱的方式對地下油頁巖層原位加熱，實現頁巖油和氣的開采，該方法需要把大量熱量輸送到地下，加熱速度較慢，容易造成大量熱量損失，成本較高，且由于油頁巖的熱膨脹，致使部分裂縫閉合，降低了油頁巖的滲透性，而產生的油氣壓力較低，導致油氣回收率較低(參考文獻:天然氣工業2009年第29卷論文《世界油頁巖原位開采技術進展》)。
[0005]早在上世紀70年代，Michael Pats申請的美國專利“Shale oil recoveryprocess using heated oil-miscible fluids”(美國專利第3515213號)中提出米用熱的揮發性烴類蒸汽循環加熱地下油頁巖層；2004年埃克森美孚申請專利“從不可滲透的油頁巖中采收碳氫化合物”(專利號CN18975168A)，提出采用循環流體，主要是烴類或水或飽和水蒸氣作為熱載體來加熱油頁巖層；我國太原理工大學也提出了通過對流加熱油頁巖開采油氣的方法；其中在專利CN1676870A中公開了通過高溫過熱水蒸氣對流傳輸加熱油頁巖礦層，在專利CN101122226A中公開采用高壓高溫烴類氣體作為對流介質。但這些通過高溫水蒸氣或烴類氣體在地下以對流加熱油頁巖的方式只是把這些高溫氣體作為熱載體，并未參與到油頁巖中干酪根的裂解反應過程中，而且為保證地層的孔隙度和滲透率，需長期施加較高的液體注入壓力，容易形成流體的短路即流體流速過快，不與油頁巖換熱就流出地層。且水蒸氣的熱容系數低，導致加熱緩慢，用水量大，使成本增加；高溫烴類氣體對加熱、注入設備及地層管道均提出了較高的要求。此外，2007年雪佛龍申請專利CN200780013312.4，提出采用常溫的密相流體對注入井循環加壓與降壓實現對油頁巖層的物理破碎及化學改性從而提取油母浙青基產物，其中密相流體主要采用CO2，該方法主要是通過壓力的變化以及CO2相變引起的熱應力來增加地層的孔隙率和滲透性，成本較高，技術難度大。
[0006]與此同時，美國專利4483398、4552214和4703798等公開了燃燒地下油頁巖層提取頁巖油氣的火驅法；國內多家企業與高校也相繼提出了類似方法；如專利CN102425399A主張米用兩豎井模式，通過布置在其中一 口井內可燃氣體和氧氣管道輸送氣體至油頁巖地層內并在燃氣管口點燃，以實現對油頁巖層的加熱，且通過在兩口井內加壓對油頁巖層進行造縫；專利CN102383772A中主張通過布置在油頁巖層底部的水平定向井來引燃油頁巖層，通過不同的通道鼓入富氧氣體來實現正向、反向和定點氣化干餾油頁巖層。以及申請號為201310152389.7和申請號為201310152533.7的專利中都是通過引燃輸送到地下的可燃氣體和助燃氣體所產生的熱量作為干餾地下油頁巖層的熱源。這種完全的地下燃燒雖可提供大量的熱量用于油頁巖中干酪根的裂解，但這是一種不可恢復的開采的方式，反應過程不易控制，若控制不當，可能會消耗大量的油頁巖或干酪根，從而降低了油頁巖的提取率，此外在地下潮濕相對密閉的環境，對引燃裝置及介質都有較高的要求。
[0007]上述提到的地下原位開采油頁巖方法均存在成本高，效率低，熱量損耗大等缺點。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提供一種高效裂解、能量自平衡的油頁巖原位局部化學法提取頁巖油氣的方法，本發明采用熱混合氣體(特定的碳氫烴類氣體、氮氣、二氧化碳、水、氧、空氣等)循環注入地下油頁巖層中來實現原位的提取頁巖油和燃料氣體，并對裂解反應完成區域高余熱進行循環使用。在整個過程中，控制注入及回收的熱氣體濃度，以及氣體體積、溫度、壓力、化學反應等所有參數，通過逐步升高溫度來誘發一系列的“鏈式反應”，最終實現化學的熱強化反應處理、產生并提取部分的石油和天然氣。該方法是一種局部化學反應誘發的自催化原位轉換技術，可實現油頁巖裂解的能量自給和最大利用。
[0009]本發明是利用熱混合氣體在地下油頁巖層中形成局部化學反應區；通過控制和回收注到地下油頁巖層中的熱混合氣體及反應所產生的燃料氣體，誘發局部的鏈式反應，隨著反應區域溫度逐漸增加，反應區范圍逐漸擴大，最終將油頁巖由內而外的逐漸自催化裂解，生成頁巖油和燃料氣體。在鏈式反應結束后，繼續通過熱混合氣體來促發巖層中固定碳等反應產生低熱值氣體，并對余熱進行二次利用。
[0010]本發明的具體步驟如下:
[0011]1、鉆至少一口注熱井和一口生產井至目標油頁巖層，并在注熱井內形成有熱混合氣體注入通道；生產井形成有氣體流出通道和油抽汲通道。
[0012]2、將300?450°C的熱混合氣體通過注熱井的注入通道注入井內對油頁巖層進行初步加熱，使局部化學反應區的地層溫度達300?400°C ;此時，油頁巖中結合水蒸發，巖石的孔隙開始不斷變大，為頁巖油及燃料氣體的運移提供通道；干酪根主要分解為熱浙青但吸附在孔隙中，與此同時有少量的烴類氣體生成，并將產生的烴類氣體進行分離；
[0013]3、隨著溫度的逐漸升高，向注熱井內通入混合有分離出的烴類氣體的混合熱氣體，隨著混合氣體的注入，在油頁巖層內發生鏈式化學反應，放出反應熱，反應區域溫度達到500?600°C，油頁巖層的孔隙度和滲透率不斷增大，反應區不斷向外擴展，最終實現化學的熱強化反應過程，熱解浙青進一步分解成高熱量碳氫液態化合物和混合氣體、將油頁巖層由內而外的逐漸自催化裂解；
[0014]4、其中短鏈可燃氣體隨其他反應后的氣體從生產井中氣體流出通道排到地表，部分經過分離后，用于地表加熱混合氣體，部分用于直接輸入到注熱井內參與循環反應；
[0015]5、鏈式反應完成后，局部化學反應區域溫度達到900?1200°C ;此時向注熱井內通入熱空氣和水等混合氣體，與油頁巖中的固定碳發生反應，生成低熱值的氫氣與一氧化碳的混合氣體；
[0016]6、反應中，生成的燃料氣體通過生產井的氣體流出通道收集，碳氫液體(頁巖油)流到井底，通過常規的采油泵，從生產井的油抽汲通道抽出來；
[0017]7、區域內所有局部化學反應完成后，巖體溫度達100(TC，將混合氣體再次注入注熱井，循環出的熱混合氣體可直接注入新的注熱井中，形成油頁巖能量全利用鏈條。
[0018]所述的生產井以注熱井為中心呈三角形或四邊形或六邊形或圓形分布。
[0019]所述注熱井與生產井以及生產井與生產井之間的距離為15?25m。
[0020]所述的注熱井可通過爆破或壓裂方式來增加反應區油頁巖地層的孔隙率，并采用支撐劑來充填裂縫，提高油頁巖層的滲透能力；或是直接采用水平定向井連接注熱井與生產井，建立起油氣通道；也可以聯合使用水平井與壓裂技術，在兩個平行的水平井間進行壓裂擴大反應區面積等；
[0021]若采用壓裂或水平井模式等增大反應區孔隙或通道技術后，注熱井與生產井之間的距離不受15?25m的限制。
[0022]本發明的有益效果:
[0023]本發明是一種化學熱強化處理過程，在反應的過程中巖石內的孔隙會不斷增大，逐步擴大范圍，且反應較徹底，可在兩井壓裂的井組中完成，還可在水平對接的井組中完成，方法的適應性強，對巖層埋深沒有要求，適合于各種深度的油頁巖儲層，大大降低了開采成本和商業風險，可操作性得到了極大的提高。從根本上解決了地表干餾技術和現有原位技術所帶來的問題，可有效降低施工難度和費用，而且該方法不污染地下水。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的原理圖。
[0025]圖2為本發明的生產井以注熱井為中心呈三角形分布的示意圖。
[0026]圖3為本發明的生產井以注熱井為中心呈四邊形分布的示意圖。
[0027]圖4為本發明的生產井以注熱井為中心呈六邊形或圓形分布的示意圖。[0028]圖中:1 一注熱井；2 —生產井；3—非油頁巖層；4一油頁巖層；5—可燃氣體；6—燃燒器；7—熱交換器；8—油氣水處理裝置；9一局部化學反應區；
【具體實施方式】
[0029]實例1:如圖1所示，為雙井形式，本實施例的具體步驟如下:
[0030](一)鉆完井:
[0031]a、鉆鑿兩口井，一 口井為注熱井1，另一 口井為生產井2，兩口井井眼間距為25m;
[0032]b、鉆兩口相同工藝的井，其中開孔直徑為150mm,O?65m孔徑為150mm,下146mm套管；65?80m孔徑為130mm，下入直徑126花管，花管定向開孔，開孔方向指向另一口井，套管和井壁之間用水泥固井，井底澆筑水泥底座；
[0033]C、兩井通過水力壓裂裂縫連通，生產井和注熱井在實施過程中可以互換；
[0034]d、在注熱井I內要形成有一個注入通道，在生產井2內形成有氣體流出通道和油抽汲通道；
[0035](二)設備安裝:
[0036]a、在地面安裝燃燒器6、熱交換器7、及油氣水處理裝置8 (包括抽油設備、分離設備、冷凝設備)及相應的管道和設施等；
[0037]b、沿井壁安裝測控數據纜線，在井底布置壓力和溫度傳感裝置；
[0038]C、在反應區域內外分隔部分設置壓力溫度分隔裝置；
[0039](三)反應階段:
[0040]a、通過燃燒器6及熱交換器7把混合氣體在地表加熱到300?450°C，通過注熱井I內的注入通道向地下油頁巖層內注入熱混合氣體；注氣壓力小于上覆地層的自重壓力，受壓熱空氣在地下經過油頁巖反應區的壓裂通道，緩慢流入生產井2，直到排到地表；最終將局部化學反應區的地層溫度加熱到300?400°C ；
[0041]b、這一過程中會蒸發水，與熱混合氣體流經處相接觸的井壁層及反應區內部的油頁巖中干酪根受熱分解，生成碳氫化合物燃氣、輕烴組份、熱浙青；增大巖石的孔隙結構，但產生的部分液態熱浙青仍然被吸附在孔隙結構中；
[0042]C、井內生成氣體通過生產井2中的氣體流出通道到達地面，并進行分離；
[0043]d、按照一定比例向注熱井I內通入混合有分離出的烴類氣體的混合熱氣體，隨著混合氣體的注入，在油頁巖層內發生鏈式化學反應，放出反應熱；
[0044]e、反應區域溫度達到500?600°C，油頁巖層的孔隙度和滲透率不斷增大，區域溫度隨著反應向外擴展；
[0045]f、此時吸附的熱浙青生成高熱量碳氫化合物燃氣；
[0046]g、鏈式反應完成后，局部化學反應區域溫度達到900?1200°C ；
[0047]h、再通熱空氣、水等混合氣體到油頁巖局部化學反應區，與油頁巖中的固定碳和頁巖油殘渣等發生化學反應產生低熱量燃氣、沉淀物如硫酸鈣(石膏)。
[0048]k、實時調整熱燃氣和空氣的注入比例和輸送壓力；目的是控制反應速度和升溫速率；實時控制反應區擴大的速率，來防止氣體出現過多的二氧化碳和二氧化硫，將頁巖油中硫的成份減到最低；
[0049](四)后處理階段[0050]a、從生產井2中實時攜帶出的高溫氣體，經過兩級冷凝、分離；首先經過風冷換熱器一級冷卻，并通過氣液分離器分離出重油；剩余氣體通過水冷換熱器進行二級冷卻，并經過油水氣三相分離器分離出頁巖油、水和氣體，其中氣體部分通過氣體分離器分離出純凈燃料氣體；
[0051]b、燃料氣體一部分用于井下反應循環，一部分用于燃燒器使用，一部分儲存或發電；
[0052]C、利用常規采油方法將反應生成并冷凝在生產井底的頁巖油抽汲到地面；
[0053]d、油經過簡單的冷卻和油水分離裝置后儲存在儲油罐內；
[0054]e、此反應井組裂解反應結束，開始附近新區域油頁巖原位裂解。將混合氣體通入此井組注熱井I，氣體經過油頁巖反應區域后，從生產井2中出來，被加熱到400?450°C。這部分熱混合氣體可直接注入到新井組的注熱井I中，用于加熱新區域油頁巖。
[0055]實例2:如圖4所示，群井模式，本實施例的具體步驟如下:
[0056]a、根據油頁巖層分布、走向，選定注熱井和生產井具體位置，在圈定的工作區域內布置24 口生產井2和7 口注熱井1，生產井2平面分布呈7個六邊形，7個注熱井I位于7個六邊形分布的生產井2中間，相鄰生產井2與生產井2之間的距離為25m，相鄰注熱井I與生產井2之間的距離為25m;
[0057]b、所述的生產井2以注熱井I為中心的六邊形分布；
[0058]C、各注熱井I與生產井2間通過水力壓裂裂縫連通；
[0059]d、在注熱井I內要形成有一個注氣通道，在生產井2內形成有氣體流出通道和油抽汲通道；
[0060]e、設備安裝、局部化學反應階段及后處理階段的實施步驟與第一實施例中(二)設備安裝、(三)反應階段相同和(四)后處理階段相同。
【權利要求】
1.一種油頁巖原位局部化學法提取頁巖油氣的方法，該方法利用熱混合氣體在地下油頁巖層中形成局部化學反應區；通過控制和回收注到地下油頁巖層中的熱混合氣體及反應所產生的燃料氣體，誘發局部的鏈式反應，隨著反應區域溫度逐漸增加，反應區范圍逐漸擴大，最終將油頁巖由內而外的逐漸自催化裂解，生成頁巖油和燃料氣體。在鏈式反應結束后，繼續通過熱混合氣體來促發巖層中固定碳等反應產生低熱值氣體，并對余熱進行二次利用。
2.根據權利要求1所述的一種油頁巖原位局部化學法提取頁巖油氣的方法，該方法的具體步驟如下: (1)、鉆至少一口注熱井和一口生產井至目標油頁巖層，并在注熱井內形成有熱混合氣體注入通道；生產井形成有氣體流出通道和油抽汲通道。 (2)、將300~450°C的熱混合氣體通過注熱井的注入通道注入井內對油頁巖層進行初步加熱，使局部化學反應區的地層溫度達300~400°C ;此時，油頁巖中結合水蒸發，巖石的孔隙開始不斷變大，為頁巖油及燃燒氣體的運移提供通道；干酪根主要分解為熱浙青但吸附在孔隙中，與此同時有少量的烴類氣體生成，并將產生的烴類氣體進行分離； (3)、隨著溫度的逐漸升高，向注熱井內通入混合有分離出的烴類氣體的混合熱氣體，隨著混合氣體的注入，在油頁巖層內發生鏈式化學反應，放出反應熱，反應區域溫度達到500~600°C，油頁巖層的孔隙度和滲透率不斷增大，反應區不斷向外擴展，最終實現化學的熱強化反應過程，熱解浙青進一步分解成高熱量碳氫液態化合物和混合氣體、將油頁巖層由內而外的逐漸自催化裂解； (4)、其中短鏈可燃氣體隨其他反應后的氣體從生產井中氣體流出通道排到地表，部分經過分離后，用于地表加熱混合氣體，部分用于直接輸入到注熱井內參與循環反應； (5)、鏈式反應完成后，局部化學反應區域溫度達到900~1200°C;此時向注熱井內通入熱空氣和水等混合氣體，與油頁巖中的固定碳發生反應，生成低熱值的氫氣與一氧化碳的混合氣體； (6)、反應中，生成的燃料氣體通過生產井的氣體流出通道收集，碳氫液體(頁巖油)流到井底，通過常規的采油泵，從生產井的油抽汲通道抽出來； (7)、區域內所有局部化學反應完成后，巖體溫度達100(TC，將混合氣體再次注入注熱井，循環出的熱混合氣體達到450°C，可直接注入新的注熱井中，形成油頁巖能量全利用鏈條。
3.按照權利要求1所述的一種油頁巖原位局部化學法提取頁巖油氣的方法，其特征在于:該方法用于固體或凝態礦物燃料的原位開采，適應于各種深度的礦層。
4.按照權利要求1和2所述的一種油頁巖原位局部化學法提取頁巖油氣的方法，其特征在于:該方法通過爆破、壓裂或水平井連通等方式來增大局部化學反應區的孔隙率，并提供油氣通道。
5.根據權利要求2所述的一種油頁巖原位局部化學法提取頁巖油氣的方法，其特征在于:所述的生產井以注熱井為中心呈三角形或四邊形或六邊形或圓形分布。
6.根據權利要求2或5所述的一種油頁巖原位局部化學法提取頁巖油氣的方法，其特征在于:所述的注熱井與生產井以及生產井與生產井之間的距離為15~25m。
7.按照權利要求1或2所述的一種油頁巖原位局部化學法提取頁巖油氣的方法，其特征在于:該方法通過在原位引發局部的化學反應，不在需要外界持續輸送高熱量；產生的燃燒氣體作為反應氣用于原位反應區的擴大，及加熱混合氣體，也可儲存或發電。
8.按照權利要求1或2所述的一種油頁巖原位局部化學法提取頁巖油氣的方法，其特征在于:該方法所用混合氣體包括特定的碳氫烴類氣體或氮氣或二氧化碳或水或氧氣或空氣。
9.根據權利要求1所述的一種油頁巖原位局部化學提取頁巖油氣的方法，其特征在于:此區域井組裂解化學反應結束 后，可將反應完成區域的余熱，利用到新的反應區域。
【文檔編號】E21B43/241GK103790563SQ201310552187
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年11月9日 優先權日:2013年11月9日
【發明者】孫友宏, 白奉田, 阿龍.巴爾, 李強, 劉寶昌, 郭威, 郭明義, 侯傳彬, 王秋雯, 高科 申請人:吉林大學, 亞洲科技有限公司