專利名稱：對流加熱油頁巖開采油氣的方法
技術領域：
本發明涉及從地下油頁巖層(含干酪根)中生產油氣的開采方法，更具體地說，涉及一種利用群井致裂，采用過熱高溫壓力水蒸氣，以對流方式加熱油頁巖層，使干酪根熱分解開采油氣的方法。
背景技術：
中國有極為豐富的油頁巖資源，到目前為止，僅有極少量的油頁巖通過露天開采原礦的方法開采，然后通過化工廠干餾制取其中的油氣；還有一大部分油頁巖原礦直接用于發電與燃燒。近年來，涉及地面干餾制取油氣的方法與裝置的中國發明專利有日本工業技術研究院的“油頁巖的干餾方法及其所有裝置”(CN1013501B)，“油頁巖的干餾方法”(CN1012684B)，“從油頁巖中回收頁巖油的裝置”(CN1013276B)，澤納塔公司的“處理煤及油頁巖的裝置”(CN87102649A)。
1992年，荷蘭國際殼牌研究有限公司，在中國專利局申請了“加熱油頁巖的采油方法”(CN1016001B)的發明專利。該發明主要涉及利用傳導加熱驅動工藝從地下油頁巖礦層中直接開采油氣的方法。該發明通過采用電加熱的方式，給周圍4口或12口加熱井加熱，通過傳導的方式使油頁巖層中的干酪根熱解形成流態的油氣，破裂油頁巖層，進入生產井產出流體。井眼間距9～30m等距離分隔開。該發明處理的油頁巖礦層厚度約30m。
該發明由于采用電加熱方式，致使成本高，而且極易出現故障；由于巖層熱傳導系數低，故加熱的過程非常緩慢，同時導致沿礦層頂底大量散失熱量。油頁巖中熱解產生的油氣壓力較低，加之加熱過程中油頁巖熱膨脹，致使油頁巖破裂裂縫容易閉合，導致油頁巖中的油氣回采率較低。
美國專利3468376提到“將熱傳過油頁巖的機理有兩種，即靠傳導作用傳過油頁巖中的固體物質，也靠對流作用傳過油頁巖中的固體物質，靠傳導作用傳熱是比較慢的過程”。美國專利3284281指出“人們已嘗試過用各種方法，如…用電阻加熱器…加熱油頁巖，以從中采油，但幾乎沒有獲得什么成功。加熱之前將油頁巖壓裂，再用就地燃燒或其它方法加熱，也幾乎沒有取得什么成功，因為油頁巖受熱時膨脹，結果使裂縫部分地或完全地閉合”。該發明專利提出一種新的加熱工藝，其操作程序為加熱油頁巖(使其膨脹)，然后注入流體壓裂已膨脹的油頁巖，之后再重復加熱、采油、壓裂的這些步驟。其加熱的方式為①鉆井底部燃料和空氣混合燃燒加熱；②電加熱；③注入200℃以上的蒸氣加熱。美國專利4483398、4552409、4552214、4485869、4703798、4698149等涉及了采用地下原位爆破，或人工建造干餾槽或干餾硐室干餾油頁巖的方法。
上述提到的地下原位開采油頁巖中的油氣的方法，均存在成本高、效率低、規模小和熱量損耗嚴重等缺點。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術從油頁巖中開采油氣方法的缺點，提供一種對流加熱油頁巖開采油氣的方法，該方法具有成本低、回采率高、效率高、規模大等優點。
本發明是通過以下技術方案來實現其目的的一種對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其步驟是首先在地面布置、施工群井，鉆井進入油頁巖礦層處理層段，采用群井壓裂方式，產生巨型的沿礦層展布方向的裂縫，使群井內所有井眼沿油頁巖層連通，然后間隔輪換選擇注熱井與生產井，將過熱蒸氣沿注熱井注入油頁巖層加熱，使油頁巖層中的干酪根熱分解后形成油氣，通過低溫蒸氣或水攜帶油氣從生產井排至地面。
所述的群井至少由3口井組成，其井眼間距大于30m，可以采用等間距或不等間距布置鉆井。
鉆井進入整個礦層，每個鉆井在設定礦層的處理層段安設可通過流體的花管；其余地層、礦層段全部安設雙層環空管，并沿外層管固井。
所述的設定礦層的處理層段，對于厚度30m以上的單一礦層，是指距礦層底板為5～8m，距礦層頂板為10m的礦層中部的礦層段；對于累計厚度40m以上的含礦系數高于60％的近距離油頁巖礦層群，選擇距底部礦層的底板為5～8m，距頂部礦層的頂板為5～10m的油頁巖層及非油頁巖夾層為處理層段。
所述的采用壓裂方式，是用單注入井、多目標井壓裂，或多注入井、多目標井同時壓裂連通的方式實施壓裂。
所述的間隔輪換選擇注熱井與生產井，是按照礦層均勻溫升的原則定期間隔交換注熱井與生產井。
所述的將水蒸氣沿注熱井注入油頁巖層，水蒸氣是溫度在400～700℃之間，壓強等于或略低于上覆地層與油頁巖層頂板的自重應力之和的過熱水蒸氣。
所述的進入油頁巖層加熱礦層，是在所有生產井關閉的條件下壓力加熱；或在生產井排產的條件下壓力加熱。
所述的低溫蒸氣或水攜帶油氣從生產井排至地面，是靠流體壓力自排或通過抽吸方式排到地面。
所述的步驟，在開采后期，可將群井中所有鉆井劃分成若干井組，井組之間交替降溫、加熱，開采油氣。
所述的開采油氣的井組之間交替降溫、加熱，是選擇2～3口井組成一個井組，井組交替輪換降溫、加熱開采油氣，降溫采用注入低溫水的方式，加熱采用注入過熱蒸氣的方式。
所述的步驟，還包括利用地面油氣分離過程、提取枯竭油頁巖礦體圍巖區域的余熱再加熱進入鍋爐的水。
所述的提取枯竭油頁巖礦體圍巖區域的余熱加熱水的方法，是在原開采群井中采用交替選擇注水井與生產井，在不排水的條件下，沿注水井向采后礦層區域注入冷水，經巖層加熱一段時間后，從生產井排出高溫水，或部分井注入冷水，其余井同時排出高溫水，以提取枯竭礦體區域圍巖中的余熱。
所述的花管及雙層環空管，能在700℃高溫和高于油頁巖地層自重應力2～3倍的水平熱膨脹應力持續作用下，花管及雙層環空管仍處于材料的彈性狀態。
所述的沿外層管固井，采用耐受持續700℃高溫的水泥固井。
本發明與現有技術相比，具有以下優點和有益效果1、發明利用群井致裂的方法，連通群井后，沿注熱井注入較高壓力的過熱水蒸氣，使礦層對流加熱并壓裂產生新的水平及垂直裂縫，由于油頁巖的非均質性產生不均勻的熱破裂，油頁巖中的干酪根熱解形成油氣進一步破裂油頁巖，由于過熱蒸氣壓力的作用，使油頁巖中形成的裂縫始終保持張開，從而克服了已有發明的缺點。保證了快速加熱、低成本、高效率、大規模地開采油頁巖中的油氣。
2、本發明采用了注熱井與生產井間隔輪換的方法，保證了油頁巖礦層的均勻溫升，也保證了礦層中油氣的均勻開采。為保證礦層裂縫不閉合，加熱流體可直接進入礦層的各個部位。
3、本發明在開采后期，為防止持續加熱油頁巖層而導致熱量的大量散失，為防止油頁巖熱應力過高，使壓裂與熱破裂產生的裂縫閉合，影響油氣的回收，選擇群井中部分井組交替降溫、加熱的方法，從而提高了油氣采收率。
4、本發明為保證低成本開采，盡可能的利用余熱，提出采用排采油氣、蒸氣及水中的余熱預先加熱水，并利用枯竭油頁巖層礦體圍巖的余熱加熱水的方法，后者是利用原開采群井中的鉆井，做注熱井與生產井，在不排水及排水的條件下，注入冷水，加熱后提取高溫水，從而使進入鍋爐之前的水得到預熱。
圖1是本發明群井布置的平面示意圖；圖2是本發明在單一礦層條件下實施開采的示意圖；圖3是本發明提取枯竭礦層圍巖余熱的示意圖；圖4是本發明在礦層群條件下群井布置的平面示意圖；圖5是本發明在礦層群條件下實施開采的示意圖。
具體實施例方式
實施例1如圖1、2所示，一種對流加熱油頁巖開采油氣的方法，在一個厚度為30m，埋藏深度100m的近水平的單一油頁巖礦層中，采用本發明布置了9口井，井間距40m，呈正方形網格分布，各鉆井位于正方形網格的交點上，各鉆井鉆至礦層3中，然后下入雙層環空管7，雙層環空管7采用耐高溫的無縫鋼管，內徑150mm，與花管8的上部連接，花管長度15m，下入礦層距底板9為5～8m，距礦層頂板4留出約10m。花管及雙層環空管在700℃高溫和高于油頁巖地層自重應力2～3倍的水平熱膨脹應力持續作用下，仍處于材料的彈性狀態，沿雙層環空管7的外層采用耐700℃以上高溫的水泥6固井。
具體步驟如下1)按設計施工鉆井，鉆井施工完成后，選擇5#井做壓裂井，1、2、3、4、6、7、8、9#井做目標井，用過熱水由5#井實施水力壓裂與目標井連通，通過調節與關閉連通的目標井使9口井同時或相繼連通。
2)首先選擇5#井做注熱井1，關閉其余8口井，注入溫度為400～700℃的過熱水蒸氣，其壓力高于地層的垂直應力，熱解油頁巖幾小時后，使生產井2排產的水及油氣溫度低于100℃，即可持續排產油氣，在地面分離，并利用分離的過程預熱進入鍋爐的冷水。(過熱水蒸氣的溫度本實施例進行了400℃、700℃不同溫度的實驗，均取得了成功。)3)選擇1#井做為注熱井1，開啟9#井做生產井2，直接排采低溫蒸氣及油氣；4)運行2～3天后，9#井做注熱井1，1#井做生產井2，重復以上步驟即可。
5)運行2～3天后，選擇3#井為注熱井1，4#、7#、8#井為生產井2，如此循環調控開采。
6)當礦層中的油氣采出率達到50％以上時，例如選擇4、5、6#3口井為一組降溫井，注入冷水，使4、5、6#井控制的礦體區域降溫，并收縮，形成應力降低區，從而使其滲透性大幅度提高，利于油氣的排采。運行一段時間后加熱，可以使礦層圍巖溫度升高。
7)當1～9#鉆井控制的礦體區域中的油氣采完后，礦體及圍巖中殘留大量余熱，從5#井緩慢注入冷水，從其余8口井采出熱水，如圖3。經過濾與處理后進入鍋爐生產過熱水蒸氣，用于另一個井網的開采。
實施例2如圖4、5所示，一種對流加熱油頁巖開采油氣的方法，某油頁巖礦層群含三層油頁巖礦層3，自下而上其油頁巖層厚度分別為10m、25m、8m，中間夾層為砂巖，厚度分別為3m和4m，該礦層組累計厚度43m，含礦系數86％，采用等邊三角形布井，井間距選擇50m，布置11口井。
同實施例1的方法鉆井，各井鉆至礦層3中，然后下入雙層環空管7，雙層環空管的內徑150mm，與花管8的上部連接，花管長度15m，下入礦層距底板9為5～8m，距礦層頂板4留出5～10m。
具體步驟如下1)按設計施工鉆井，鉆井施工完成后，選擇6#井做壓裂井，1、2、3、4、5、7、8、9、10、11#井做目標井，用過熱水由6#井實施水力壓裂與目標井連通，通過調節與關閉連通的目標井使11口井同時或相繼連通。
2)首先選擇6#井做注熱井1，關閉其余10口井，注入溫度為550℃的過熱水蒸氣，其壓力高于地層的垂直應力，熱解油頁巖幾小時后，使生產井2排產的水及油氣溫度低于100℃，即可持續排產油氣，在地面分離，并利用分離的過程預熱進入鍋爐的冷水。
3)選擇4#井做為注熱井1，開啟8#井做生產井2，直接排采低溫蒸氣及油氣；4)運行2～3天后，8#井做注熱井1，4#井做生產井2，重復以上步驟。
5)運行2～3天后，選擇1#井為注熱井1，5#、8#、9#井為生產井2，如此循環調控開采。
6)當礦層中的油氣采出率達到50％以上時，例如選擇5、6、7#3口井為一組降溫井，注入冷水，使5、6、7#井控制的礦體區域降溫，并收縮，形成應力降低區，從而使其滲透性大幅度提高，利于油氣的排采。運行一段時間后加熱，可以使礦層圍巖溫度升高。
7)當1～11#鉆井控制的礦體區域中的油氣采完后，礦體及圍巖中殘留大量余熱，從6#井緩慢注入冷水，從其余10口井采出熱水，如圖3。經過濾與處理后進入鍋爐生產過熱水蒸氣，用于另一個井網的開采。
從實施例2可見，由于中間夾了一些非油頁巖巖層10，加熱這些巖層會導致一些不必要的熱量耗散，這就是本發明為什么要求含礦系數高于60％的理由所在，但夾層的存在使開采井之間易于連通，這也是礦層群開采的優勢。
權利要求
1.一種對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于所述的步驟是首先在地面布置群井，鉆井進入油頁巖礦層(3)，采用群井壓裂方式，產生巨型的沿礦層展布方向的裂縫，使群井內所有鉆井沿油頁巖層連通，然后間隔輪換選擇注熱井(1)與生產井(2)，將過熱蒸氣沿注熱井注入油頁巖層加熱，使油頁巖層中的干酪根熱分解后形成油氣，通過低溫蒸氣或水攜帶油氣從生產井(2)排至地面。
2.按照權利要求1所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于在開采后期，可將群井中所有鉆井劃分成若干井組，井組之間交替降溫、加熱，開采油氣。
3.按照權利要求1所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于其步驟還包括利用地面油氣分離過程、提取枯竭油頁巖礦體圍巖區域的余熱，加熱進入鍋爐的水。
4.按照權利要求1所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于所述的在地面布置群井，其群井至少有3口井，井眼間距大于30m。
5.按照權利要求1所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于鉆井進入油頁巖礦層(3)，在每個鉆井設定礦層的處理層段安設可通過流體的花管(8)，其余地層及礦層段全部安設雙層環空管(7)，并沿外層管固井。
6.按照權利要求5所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于所述的設定礦層的處理層段，對于厚度30m以上的單一礦層，處理層段是距礦層底板(9)為5～8m，距礦層頂板(4)為10m的礦層中部的礦層段；對于累計厚度40m以上的含礦系數高于60％的近距離油頁巖礦層群，選擇距底部礦層的底板為5～8m，距頂部礦層的頂板為5～10m的油頁巖層及非油頁巖夾層為處理層段。
7.按照權利要求1所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于所述采用群井壓裂方式，是用單注入井、多目標井壓裂，或多注入井、多目標井同時壓裂連通的方式實施壓裂。
8.按照權利要求1所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于所述的間隔輪換選擇注熱井與生產井，是按照礦層均勻溫升的原則定期間隔交換注熱井與生產井。
9.按照權利要求1所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于所述的將水蒸氣沿注熱井注入油頁巖層加熱，其水蒸氣是溫度在400～700℃之間，壓強等于或略低于上覆地層(5)與油頁巖層頂板(4)的自重應力之和的過熱水蒸氣。
10.按照權利要求1所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于所述的將過熱蒸氣沿注熱井注入油頁巖層加熱，是在所有生產井(2)關閉的條件下壓力加熱；或在生產井排產的條件下壓力加熱。
11.按照權利要求1所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于所述的低溫蒸氣或水攜帶油氣從生產井排至地面，是靠流體壓力自排或通過抽吸方式排到地面。
12.按照權利要求2所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，特征在于所述的開采油氣的井組之間交替降溫、加熱，是選擇2～3口井組成一個井組，井組間交替輪換降溫、加熱開采油氣，降溫采用注入低溫水、加熱采用注入過熱蒸氣的方式。
13.按照權利要求3所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于所述的提取枯竭油頁巖礦體圍巖區域的余熱的方法加熱水，是采用原開采群井交替選擇注水井與生產井，在不排水的條件下，沿注水井向采后礦層區域注入冷水，經巖層加熱一段時間后，從生產井排出高溫水，或部分井注入冷水，其余井同時排出高溫水，以提取枯竭礦體區域圍巖中的余熱。
14.按照權利要求5所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于所述的花管(8)及雙層環空管(7)，在700℃高溫和高于油頁巖地層自重應力2～3倍的水平熱膨脹應力持續作用下，花管(8)及雙層環空管(7)仍處于材料的彈性狀態。
15.按照權利要求5所述的對流加熱油頁巖開采油氣的方法，其特征在于所述的沿外層管固井，采用耐受持續700℃高溫的水泥(6)固井。
全文摘要
一種對流加熱油頁巖開采油氣的方法，涉及對地下固態能源與礦物開采方法的改進。現有技術的開采方法效率低、成本高、規模小，難以大面積實施和缺乏市場競爭能力。本發明通過在地面布置群井，并采用壓裂方式使群井連通，然后間隔輪換選擇注熱井與生產井，將400℃～700℃的蒸氣沿注熱井注入油頁巖礦層，加熱礦層使其中的干酪根熱解形成油氣，并經低溫蒸氣或水攜帶沿生產井排到地面分離，最終形成油氣產品。分離過程中可同時預熱水，并采用注水井與生產井對流的方式提取枯竭的油頁巖礦層圍巖區域的余熱，從而實現了本發明快速、大規模、低成本地從油頁巖礦層開采油氣的目的。
文檔編號E21B43/30GK1676870SQ20051001247
公開日2005年10月5日 申請日期2005年4月20日 優先權日2005年4月20日
發明者趙陽升, 馮增朝, 楊棟, 劉生玉, 孫可明, 趙建忠, 關克偉, 段康廉 申請人:太原理工大學