多階段壓裂超臨界CO2-蒸汽協同熱解油頁巖的裝置及方法

本發明屬于油頁巖油氣資源開采，涉及多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的裝置及方法。

背景技術：

1、近年來，世界常規油氣資源勘探開發程度高，剩余資源日益減少，以致密油氣、頁巖油氣為代表的非常規油氣資源快速興起，已成為油氣資源的重要接替領域。油頁巖是一種重要的非常規能源資源，含油率大于3.5%，不僅可以提取油頁巖油及相關石油化工產品，而且可作為燃料用來發電、取暖和運輸等，其有效開發有助于緩解能源壓力。然而，油頁巖是致密的低滲透巖石，具有導熱性差的特點，內部干酪根不溶于常規的有機溶劑，只能采用原位熱解方法使干酪根發生裂解形成油氣產物，再通過運移通道排出。

2、專利cn103114831b公開了一種油頁巖油氣資源原位開采方法，其通過水力壓裂的方式連通注入井與開采井，后注入過熱蒸汽進一步熱解驅替油氣組分，進而實現油氣回收。然而，在蒸汽加熱油頁巖過程中存在一些顯著的缺點。一方面，蒸汽對流加熱雖然能在一定程度上提供連續的熱源，但是蒸汽在油頁巖層中的傳播和擴散會受到物理條件的限制，如巖石的滲透性和裂縫的分布，最終導致其加熱面積受到限制。另一方面，蒸汽在油頁巖層中冷凝的問題也不容忽視。蒸汽冷凝成水會降低巖石溫度，蒸汽需要對冷凝水再次加熱，使冷凝水氣化才能在孔裂隙中流動傳熱，使得熱解效率大幅度降低。

技術實現思路

1、本發明克服了現有技術的不足，提出多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的裝置及方法，以提高油頁巖的熱解效率和油氣回收率，同時降低能耗。

2、為了達到上述目的，本發明是通過如下技術方案實現的：

3、多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的裝置，包括從地面伸入至油頁巖儲層的井網，所述井網包括注入井、多口輔助加熱井、多口生產井和多口氣驅封閉井；所述注入井布置在中心，多口輔助加熱井、多口生產井和多口氣驅封閉井以注入井為中心依次由內向外呈環形均布在注入井外圍；注入井、生產井、氣驅封閉井均為垂直井，輔助加熱井采用水平井的形式設于油頁巖儲層的中部，且每口輔助加熱井具有多個水平井分支。

4、在注入井的井底和生產井的井底處從上至下依次設置第一放射孔和第二放射孔；第一放射孔和第二放射孔分別位于水平井分支的上方和下方；在注入井的井底部和生產井的井底部均設有電磁流裝置，電磁流裝置設置的位置與第一放射孔和第二放射孔對應；水平井分支內沿井的走向均布有多段微波加熱裝置。

5、注入井和生產井均連接有壓裂液儲罐；壓裂液儲罐所儲存的壓裂液中添加有改性金屬支撐劑；改性金屬支撐劑含有具有磁性的金屬材料；注入井和氣驅封閉井均連接有超臨界二氧化碳發生裝置，注入井還連接有高溫蒸汽發生器。

6、電磁流裝置通過電磁流推進改性金屬支撐劑的運移，同時依據電磁感應來探測改性金屬支撐劑的運移情況，從而實現斷裂面與裂隙連通的可透視化探測。

7、進一步的，注入井頂部連接有第一注入泵和第一注入閥門；輔助加熱井頂部連接有溫度監測表，生產井頂部連接有抽采泵和抽采閥門；氣驅封閉井頂部連接有第二注入泵和第二注入閥門。

8、進一步的，電磁流裝置包括電磁流線圈和電磁感應接收器，電磁流線圈纏繞在井壁上，電磁感應接收器固定在井壁上。

9、更進一步的，還包括地面控制中心，所述地面控制中心與溫度監測表、微波加熱裝置和電磁感應接收器連接，用于系統調控。

10、多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的方法，采用所述的多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的裝置，并包括以下步驟：

11、s1、第一階段壓裂：將壓裂液注入注入井和生產井進行水力壓裂，在注入井的第一放射孔與生產井的第一放射孔之間，以及在注入井的第二放射孔與生產井的第二放射孔之間形成多條貫通的主壓裂面，同步通過電磁流裝置進行裂縫擴展監測，直至電磁感應圖像顯示密度點出現2個主連通平面，完成第一階段壓裂；

12、s2、通過微波加熱裝置對油頁巖儲層進行局部加熱，微波加熱裝置采用高功率和低功率循環加熱，在油頁巖儲層內局部的層理面形成次生貫穿壓裂面與熱破裂貫穿裂縫；

13、s3、再次對注入井、生產井實施水力壓裂，使次生貫穿壓裂面逐步擴展，形成新的主壓裂面，同步通過電磁流裝置促進改性金屬支撐劑進一步運移，直至電磁感應圖像顯示支撐劑密度點出現多個主壓裂面并形成裂縫網絡，此時完成多階段壓裂；

14、s4、向注入井注入超臨界二氧化碳，并通過微波加熱裝置預熱裂縫網絡處的圍巖；當預熱溫度達100℃以上，超臨界二氧化碳濃度超過50%，停止超臨界二氧化碳的注入同時關閉微波加熱裝置；

15、s5、向氣驅封閉井注入二氧化碳，在氣驅封閉井井底周圍形成co2封閉氣幕；同時向注入井注入高溫蒸汽，高溫蒸汽進入預熱后的油頁巖儲層中，對其儲層內的干酪根進行熱解，從生產井排采出地面。

16、優選的，微波加熱裝置的微波加熱功率為40~100kw；步驟s2中高功率和低功率單個循環時間比為1.5：1~5：1。

17、優選的，電磁流裝置的電磁流頻率為0.1~10khz，電流強度100~500a。

18、優選的，步驟s4中，超臨界二氧化碳的溫度為100~150℃，壓力＞7.38mpa；步驟s5中，二氧化碳溫度為15~30℃，注入壓力為10~30mpa。

19、優選的，步驟s5中，高溫蒸汽的溫度＞600℃，注入壓力為5~20mpa。

20、優選的，步驟s3中，當電磁感應圖像顯示2~3個次生貫穿壓裂面中改性金屬支撐劑運移與第一階段壓裂形成的主壓裂面趨于平行，即認定多階段壓裂完成。

21、本發明相對于現有技術所產生的有益效果為：

22、1、本發明通過靈活控制微波高-低溫循環過程來進行局部破巖，誘導出現次生貫穿壓裂面，同時多階段壓裂搭配電磁流技術促使多個主壓裂面的出現，通過改變磁場控制改性金屬支撐劑的運移，使主壓裂面得到支撐。

23、2、本發明利用電磁感應技術對改性金屬支撐劑的運移進行實時監測，實現壓裂階段可透視化探測，基于監測圖像，靈活改變壓裂條件來調控最終壓裂效果。

24、3、本發明采用100℃~150℃超臨界co2對油頁巖儲層進行驅替、預熱，避免了高溫蒸汽在注入前期冷凝現象出現，從而導致熱量耗散的問題；同時結合微波加熱對超臨界co2進行一定程度的熱量補充，加快驅替及預熱效率，對主壓裂面與裂隙網絡的連通具有促進作用。

25、4、本發明通過多階段壓裂的實施將加熱盲區降至最低，同時通過氣驅的方式封閉約束熱量傳輸的范圍，避免熱量損耗，增強了蒸汽對流傳熱性能。伴隨著高溫蒸汽更容易分解成h+，易與重質油發生加氫裂解反應，使孔隙輸送能力得以增強，最終使熱解效率得以改善。

技術特征：

1.多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的裝置，其特征在于，包括從地面伸入至油頁巖儲層（6）的井網，所述井網包括注入井（1）、多口輔助加熱井（2）、多口生產井（3）和多口氣驅封閉井（4）；所述注入井（1）布置在中心，多口輔助加熱井（2）、多口生產井（3）和多口氣驅封閉井（4）以注入井（1）為中心依次由內向外呈環形均布在注入井（1）外圍；注入井（1）、生產井（3）、氣驅封閉井（4）均為垂直井，輔助加熱井（2）采用水平井的形式設于油頁巖儲層（6）的中部，且每口輔助加熱井（2）具有多個水平井分支（201）；

2.根據權利要求1所述的多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的裝置，其特征在于，注入井（1）頂部連接有第一注入泵（101）和第一注入閥門（102）；輔助加熱井（2）頂部連接有溫度監測表（204），生產井（3）頂部連接有抽采泵（301）和抽采閥門（302）；氣驅封閉井（4）頂部連接有第二注入泵（401）和第二注入閥門（402）。

3.根據權利要求2所述的多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的裝置，其特征在于，電磁流裝置包括電磁流線圈（12）和電磁感應接收器（13），電磁流線圈（12）纏繞在井壁上，電磁感應接收器（13）固定在井壁上。

4.根據權利要求3所述的多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的裝置，其特征在于，還包括地面控制中心（17），所述地面控制中心（17）與溫度監測表（204）、微波加熱裝置（202）和電磁感應接收器（13）連接，用于系統調控。

5.多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的方法，其特征在于，采用權利要求1-4任一項所述的多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的裝置，并包括以下步驟：

6.根據權利要求5所述的多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的方法，其特征在于，微波加熱裝置（202）的微波加熱功率為40~100kw；步驟s2中高功率和低功率單個循環時間比為1.5：1~5：1。

7.根據權利要求5所述的多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的方法，其特征在于，電磁流裝置的電磁流頻率為0.1~10khz，電流強度100~500a。

8.根據權利要求5所述的多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的方法，其特征在于，步驟s4中，超臨界二氧化碳的溫度為100~150℃，壓力＞7.38mpa；步驟s5中，二氧化碳溫度為15~30℃，注入壓力為10~30mpa。

9.根據權利要求5所述的基于多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的裝置的方法，其特征在于，步驟s5中，高溫蒸汽的溫度＞600℃，注入壓力為5~20mpa。

10.根據權利要求5所述的多階段壓裂超臨界co2-蒸汽協同熱解油頁巖的方法，其特征在于，步驟s3中，當電磁感應圖像顯示2~3個次生貫穿壓裂面（14）中改性金屬支撐劑（10）運移與第一階段壓裂形成的主壓裂面（11）趨于平行，即認定多階段壓裂完成。

技術總結
本發明公開了多階段壓裂超臨界CO<subgt;2</subgt;?蒸汽協同熱解油頁巖的裝置及方法，屬于油頁巖油氣資源開采技術領域；通過對原位狀態下油頁巖進行水力壓裂、微波加熱、電磁流調控與監測等多階段壓裂環節實現多個層理面主裂縫，為超臨界二氧化碳、蒸汽流動提供通道，最終實現油頁巖高效熱解；多階段壓裂的實施將加熱盲區降至最低，同時通過氣驅封閉的方法約束了熱量傳輸范圍，避免熱量損耗，增強了蒸汽對流傳熱性能，提高了油頁巖的熱解效率。

技術研發人員：賈毅超,楊冰,楊棟,王磊,王建宇,朱淳,趙靜,康志勤
受保護的技術使用者：太原理工大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/14