專利名稱：油頁巖原位豎井壓裂化學干餾提取頁巖油氣的方法及工藝的制作方法
油頁巖原位豎井壓裂化學干餾提取頁巖油氣的方法及工藝技術領域
本發(fā)明公開一種油頁巖原位豎井壓裂化學干餾提取頁巖油氣的方法及工藝，利用油頁巖地下原位提取頁巖油，作為補充石油資源不足的非常規(guī)油氣能源，屬于石油干餾技術領域。技術背景
目前，油頁巖可通過干餾技術煉制頁巖油人造石油，來替補天然石油；亦可利用其燃燒發(fā)電。在當前油價居高不下形勢下，頁巖煉油具有良好的經濟效益，是補充天然石油不足的最現(xiàn)實可用的一大措施；油頁巖發(fā)電，對缺煤省、區(qū)更具有良好的經濟、環(huán)保、社會效益。但是，傳統(tǒng)的開發(fā)模式都是采取地下開采，地上干餾生產頁巖油，其缺點很多: (1)地上干餾采掘成本大； (2)地上干餾土地占用量大； (3)地上干餾造成開采區(qū)大量的土地塌陷； (4)地上干餾后的殘渣處理難度大，大量堆積造成二次污染； (5)地上干餾后殘渣帶走大量熱量，殘渣的熱能不能利用，造成能源浪費； (6)地上干餾產生的廢氣、污水對環(huán)境污染超標。發(fā)明內容
本發(fā)明公開了油頁巖原位豎井壓裂化學干餾方法及工藝，從根本上解決了地下開采、地上干餾所帶來的上述缺點和問題。
本發(fā)明公開的油頁巖原位豎井壓裂化學干餾提取頁巖油氣的方法，其技術解決方案如下: 根據油頁巖層情況，在地面上打鉆壓裂燃燒井和數口導出生產井至地下油頁巖層，導出生產井為壓裂燃燒井為中心蜂窩形布局；在壓裂燃燒井中建立壓裂室，對油頁巖層進行壓裂；在壓裂燃燒井中注入油頁巖層高壓介質(空氣、水、石英砂)，在油頁巖層中壓裂出若干條I一3_的裂縫，裂縫中填充縫隙支撐物(石英砂)，建立起油氣通道；在壓裂燃燒井中建立燃燒室，向燃燒室注入可 燃氣體和助燃氣體，點燃可燃氣體使可燃氣體在燃燒室底部進行燃燒(引燃油頁巖中的可燃物)，將油頁巖層加溫至55(T60(TC，實現(xiàn)油頁巖加熱干餾，驅提頁巖油、氣；頁巖油、氣通過油氣通道及導出生產井導出地面；在油頁巖層中，通過豎井通入氧化劑與油頁巖干餾后所剩的浙青質和固定碳發(fā)生氧化反應，產生的熱能作為后續(xù)干餾之熱源，實現(xiàn)油頁巖地下原位連續(xù)干餾提取頁巖油、氣；導出地面的頁巖油、氣經過地面氣液分離裝置分離，分離的頁巖油送至成品油罐存儲銷售；可燃氣送至燃氣發(fā)電裝置用來發(fā)電。
實現(xiàn)本發(fā)明所述油頁巖原位豎井壓裂化學干餾提取頁巖油氣方法的工藝，包括以下步驟: I)根據油頁巖層分布、走向，選定壓裂燃燒井和導出生產井具體位置，在地面上打鉆壓裂燃燒井和導出生產井至地下油頁巖層，壓裂燃燒井鉆井深度應以不穿透油頁巖層為準，導出生產井應以穿透油頁巖層為準，所述的導出生產井以壓裂燃燒井為中心的呈蜂窩形布局; 2)在壓裂燃燒井中建立壓裂室，取出鉆井套管，通過壓裂燃燒井向油頁巖層注入高壓介質，將油頁巖層壓裂出若干條I一3_的裂縫，填充縫隙支撐物石英砂，建立起油氣通道，具體步驟如下: ①通井和洗井； ②向井筒內下入水力套管噴頭； ③封閉套管與巖壁空隙，使油頁巖層形成封閉的壓裂空間； ④采用水力套管噴頭對油頁巖層進行水力噴砂射孔，先泵入基液(水)和攜砂液20^35%的砂漿進行切割階段，當攜砂液距噴嘴250m左右時，迅速提升泵速以確保獲得切割射孔所需的足夠的壓差(55 80MPa)； ⑤在噴砂射孔2-3min后，將噴孔碎巖頂替； ⑥再泵入交聯(lián)胍膠和砂(比例2(Γ30:4(Γ60)以增加膨脹力度； ⑦壓后放噴，沖砂支撐壓裂縫隙； ⑧向井筒內注入液體暫堵劑； ⑨上提鉆具，上提鉆具至設計位置，壓裂下一層，重復③ ⑥步。
3)在壓裂燃燒井建立燃燒室， ①洗井，將壓裂燃燒井內的砂水提出地面， ②壓裂燃燒井口加裝至油頁巖層下0.5m密封套管，利用膨脹劑封閉套管與井壁空隙； ③在壓裂燃燒井內加裝可燃氣和空氣輸入導管和電子點火系統(tǒng)，封閉井口，在油頁巖層段形成燃燒室； ④通過可燃氣輸送管向燃燒室輸送LPG和空氣；利用電子點火系統(tǒng)點燃可燃氣； ⑤引燃油頁巖后，給油頁巖層加溫至55(T600°C，測得導出生產井來氣溫度達到200°C，停止供可燃氣，驅提部分頁巖油、氣通過油氣通道導出生產井至地面油氣分離裝置； 4)繼續(xù)向井內注入高壓空氣，使油頁巖層中干餾后剩余的浙青質和固定碳發(fā)生氧化反應，在高溫條件下進行氧化反應，產生新的可燃氣體(同時驅提頁巖油、氣)通過油氣通道及導出生產井導出地面； 5)導出地面的頁巖油、氣·經過地面氣液分離裝置分離，分離下來的頁巖油送至成品油te存儲銷售； 6)經氣液分離裝置分離下來的可燃氣體送至燃氣發(fā)電裝置用來發(fā)電。
所述的導出生產井為六口呈蜂窩形布局。
所述的高壓介質選自:空氣、水或砂漿。
所述的氧化劑選自:空氣或富氧氣體。
所述的水力套管噴頭，主要由上扶正器、噴槍、單向閥、下扶正器、篩管、引鞋組成，噴槍的表面設有噴嘴，噴槍的一端通過短接與套管連通，另一端通過單向閥與篩管連通；短接的外側套有上扶正器；篩管的管壁上均勻分布有若干篩孔，下扶正器套在篩管上，引鞋固定在篩管的頂部。
本發(fā)明的積極效果在于:利用油頁巖地下原位提取頁巖油，通過壓裂化學干餾頁巖油氣的化學熱強化處理過程，免去了對油頁巖礦的大量開采、避免了地上干餾帶來的環(huán)境污染。二是利用干餾后剩余的浙青質、固定碳，實現(xiàn)了地下連續(xù)干餾，熱量自給自足。三是化學熱強化處理的過程，不是單一的物理加熱處理過程，也不是地下自燃處理過程，在反應過程中巖石內孔隙逐步增大，其適用于多數油頁巖地層。本發(fā)明具有投資少、運營成本低、環(huán)境污染小、資源利用率高和產油產氣見效快等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明油頁巖原位豎井壓裂化學干餾方法原理圖； 圖2本本發(fā)明豎井分布結構示意圖； 圖3為本發(fā)明水力套管噴頭結構原理圖； 圖中:1、壓裂燃燒井；2、導出生產井；3、氣液分離裝置；4、成品油罐；5、燃氣發(fā)電裝置；6、油頁巖層；7、其他巖層；8、油氣通道；9、物料輸送機；10排送機；11、抽油泵；12、裂縫；13、壓裂液罐；14、LPG儲存罐；15、氧化劑罐；16、上扶正器；17、噴槍；18、噴嘴；19、單向閥；20、下扶正器；21、篩管；22、引鞋；23、套管；24、短接。
具體實施方式
以下通過具體實施例詳細說明本發(fā)明的實施過程和產生的有益效果，旨在幫助閱讀者更好地理解本發(fā)明的實質和特點，不作為對本案可實施范圍的限定。
實施例1 結合扶余一長春嶺油頁巖礦作為實施基地，扶余——長春嶺油頁巖資源總儲量為452.74億噸。油頁巖平均品位5.53%，可工業(yè)開發(fā)的資源總量為180億，埋深160— 800m，頂板和底板均為灰褐色頁巖，油頁巖層平均厚度5m。
如附圖1所示，根據油頁巖層分布、走向，選定壓裂燃燒井和導出生產井具體位置，打一口壓裂燃燒井I (井口直徑200mm)和六口導出生產井2 (井口直徑200mm)通過地下巖層7至地下油頁巖層6中(距地面380米)；結合附圖2所示，壓裂燃燒井I位于中心，六口導出生產井2以壓裂燃燒井I為中心呈蜂窩形分布；在地面上打鉆壓裂燃燒井和導出生產井至地下油頁巖層，壓裂燃 燒井鉆井深度應以不穿透油頁巖層為準，導出生產井應以穿透油頁巖層為準，所述的導出生產井以壓裂燃燒井為中心的呈蜂窩形布局。
2)在壓裂燃燒井中建立壓裂室，取出鉆井套管，通過壓裂燃燒井向油頁巖層注入高壓介質，將油頁巖層壓裂出若干條I一3_的裂縫，填充縫隙支撐物石英砂，建立起油氣通道，具體步驟如下: ①通井和洗井； ②向井筒內下入水力套管噴頭； ③封閉套管與巖壁空隙，使油頁巖層形成封閉的壓裂空間； ④采用水力套管噴頭對油頁巖層6進行水力噴砂射孔，在壓裂燃燒井I中通過物料輸送機9由壓裂液罐13向油頁巖層6注入基液(水)和攜砂液(2(Γ35%的砂漿)(切割階段)，當攜砂液距噴嘴250m左右時，迅速提升泵速以確保獲得切割射孔所需的足夠的壓差(55 80MPa)將油頁巖層6壓裂出I一3mm裂縫12，⑤在噴砂射孔2-3min后，將噴空碎巖頂替； ⑥按照設計環(huán)空排量或環(huán)空最高壓力所允許的最高泵速由環(huán)空泵入胍膠基液，按照設計由油管的泵入交聯(lián)胍膠和砂(增加膨脹力度)； ⑦壓后放噴，剩下石英砂成為填充縫隙支撐物，形成多條油氣通道8，多條油氣通道8與導出生產井2匯集連通； ⑧向井筒內注入液體暫堵劑； ⑨上提鉆具，上提鉆具至設計位置，繼續(xù)進行上層壓裂過程重復壓裂，直至油頁巖層全部壓裂完全。
3)在壓裂燃燒井建立燃燒室， 第一步，洗井，將井內的砂水提出地面， 第二步，井口加裝至油頁巖層下0.5m密封套管，利用膨脹劑封閉套管與井壁空隙；第三步，在井內加裝可燃氣和空氣輸入導管和電子點火系統(tǒng)，封閉井口，在油頁巖層段形成燃燒室； 第四步，LPG儲存罐14和氧化劑罐15通過物料輸送機9由壓裂燃燒井I向油頁巖層6加入LPG和空氣，利用電子點火系統(tǒng)點燃可燃氣； 第六步，引燃油頁巖后，給油頁巖層6加溫至55(T600°C，測得導出生產井2來氣溫度達到200°C，停止供可燃氣，驅提部分頁巖油、氣通過油氣通道8導出生產井2至地面油氣分離裝置3 ; 通過向油頁巖層6中通入氧化劑與油頁巖干餾后所含的浙青質和固定碳發(fā)生氧化反應，產生的熱能作為后續(xù)干餾之熱源，遞進式干餾后期油頁巖，生成的頁巖油、氣通過 4)通過物料輸送機9由氧化劑罐15繼續(xù)向壓裂燃燒井I內注入高壓空氣(空氣:IOOOm3/小時)，使油頁巖層6中干餾后剩余的浙青質和固定碳在高溫條件下進行氧化反應，產生新的可燃氣體(同時驅提頁巖油、氣)，再由油氣通道8通過導出生產井2導出地面進入到氣液分離裝置3，實現(xiàn)地下原位提取頁巖油、氣； 5)導出地面的頁巖油、氣經過地面氣液分離裝置3分離，分離下來的頁巖油通過抽油泵11送至成品油罐4存儲銷售。
6)經氣液分離裝置3分離下來的可燃氣體通過排送機10送至燃氣發(fā)電裝置5用來發(fā)電。
實施例2 結合前郭油頁巖礦作為實施基地，礦區(qū)總面積675.5km2，總資源量61.72億噸，可開發(fā)資源量49.4億噸，油頁巖平均品位5%，埋深160— 800m，頂板和底板均為灰褐色頁巖，油頁巖層平均厚度6m。
如附圖1所示，根據油頁巖層分布、走向，選定壓裂燃燒井和導出生產井具體位置，打一口壓裂燃燒井I (井口直徑200mm)和六口導出生產井2 (井口直徑200mm)通過地下巖層7至地下油頁巖層6中(距地面380米)；結合附圖2所示，壓裂燃燒井I位于中心，六口導出生產井2以壓裂燃燒井I為中心呈蜂窩形分布；在地面上打鉆壓裂燃燒井和導出生產井至地下油頁巖層，壓裂燃燒井鉆井深度應以不穿透油頁巖層為準，導出生產井應以穿透油頁巖層為準，所述的導出生產井以壓裂 燃燒井為中心的呈蜂窩形布局。
2)在壓裂燃燒井中建立壓裂室，取出鉆井套管，通過壓裂燃燒井向油頁巖層注入高壓介質，將油頁巖層壓裂出若干條I一3_的裂縫，填充縫隙支撐物石英砂，建立起油氣通道，具體步驟如下: ①通井和洗井； ②向井筒內下入水力套管噴頭； ③封閉套管與巖壁空隙，使油頁巖層形成封閉的壓裂空間； ④采用水力套管噴頭對油頁巖層6進行水力噴砂射孔，在壓裂燃燒井I中通過物料輸送機9由壓裂液罐13向油頁巖層6注入基液(水)和攜砂液(2(Γ35%的砂漿)(切割階段)，當攜砂液距噴嘴250m左右時，迅速提升泵速以確保獲得切割射孔所需的足夠的壓差(55 80MPa)將油頁巖層6壓裂出I一3mm裂縫12 ； ⑤在噴砂射孔2-3min后，將噴空碎巖頂替； ⑥按照設計環(huán)空排量或環(huán)空最高壓力所允許的最高泵速由環(huán)空泵入胍膠基液，按照設計由油管的泵入交聯(lián)胍膠和砂(增加膨脹力度)； ⑦壓后放噴，剩下石英砂成為填充縫隙支撐物，形成多條油氣通道8，多條油氣通道8與導出生產井2匯集連通； ⑧向井筒內注入液體暫堵劑； ⑨上提鉆具，上提鉆具至設計位置，繼續(xù)進行上層壓裂過程重復壓裂，直至油頁巖層全部壓裂完全。
3)在壓裂燃燒井建立燃燒室， 第一步，洗井，將井內的砂水提出地面， 第二步，井口加裝至油頁巖層下0.5m密封套管，利用膨脹劑封閉套管與井壁空隙；第三步，在井內加裝可燃氣和空氣輸入導管和電子點火系統(tǒng)，封閉井口，在油頁巖層段形成燃燒室； 第四步，LPG儲存罐14和氧化劑罐15通過物料輸送機9由壓裂燃燒井I向油頁巖層6加入LPG和空氣，利用電子點火系統(tǒng)點燃可燃氣； 第六步，引燃油頁巖后，給油頁巖層6加溫至55(T600°C，測得導出生產井2來氣溫度達到200°C，停止供可燃氣，驅提部分頁巖油、氣通過油氣通道8導出生產井2至地面油氣分離裝置3 ; 通過向油頁巖層6中通入氧化劑與油頁巖干餾后所含的浙青質和固定碳發(fā)生氧化反應，產生的熱能作為后續(xù) 干餾之熱源，遞進式干餾后期油頁巖，生成的頁巖油、氣通過 4)通過物料輸送機9由氧化劑罐15繼續(xù)向壓裂燃燒井I內注入高壓空氣(空氣:IOOOm3/小時)，使油頁巖層6中干餾后剩余的浙青質和固定碳在高溫條件下進行氧化反應，產生新的可燃氣體(同時驅提頁巖油、氣)，再由油氣通道8通過導出生產井2導出地面進入到氣液分離裝置3，實現(xiàn)地下原位提取頁巖油、氣； 導出地面的頁巖油、氣經過地面氣液分離裝置3分離，分離下來的頁巖油通過抽油泵11送至成品油罐4存儲銷售。
經氣液分離裝置3分離下來的可燃氣體通過排送機10送至燃氣發(fā)電裝置5用來發(fā)電。
實施例3 根據圖3，實施例廣2涉及的水力套管噴頭，主要是由上扶正器16、噴槍17、單向閥19、下扶正器20、篩管22、引鞋23、套管23、短接24組成，其中，噴槍17的表面設有噴嘴18，噴槍17的一端通過短接24與套管23連通，另一端通過單向閥19與篩管21連通；短接24的外側套有上扶正器16 ;篩管21的管壁上均勻分布有若干篩孔，下扶正器20套在篩管21上，引鞋22固定在篩管21 的頂部。
權利要求
1.一種油頁巖原位豎井壓裂化學干餾提取頁巖油氣的方法，其特征在于: 根據油頁巖層情況，在地面上打鉆壓裂燃燒井和數口導出生產井至地下油頁巖層，導出生產井為壓裂燃燒井為中心蜂窩形布局；在壓裂燃燒井中建立壓裂室，對油頁巖層進行壓裂；在壓裂燃燒井中注入油頁巖層高壓介質(空氣、水、石英砂)，在油頁巖層中壓裂出若干條廣3_的裂縫，裂縫中填充縫隙支撐物(石英砂)，建立起油氣通道；在壓裂燃燒井中建立燃燒室，向燃燒室注入可燃氣體和助燃氣體，點燃可燃氣體使可燃氣體在燃燒室底部進行燃燒(引燃油頁巖中的可燃物)，將油頁巖層加溫至55(T60(TC，實現(xiàn)油頁巖加熱干餾，驅提頁巖油、氣；頁巖油、氣通過油氣通道及導出生產井導出地面；在油頁巖層中，通過豎井通入氧化劑與油頁巖干餾后所剩的浙青質和固定碳發(fā)生氧化反應，產生的熱能作為后續(xù)干餾之熱源，實現(xiàn)油頁巖地下原位連續(xù)干餾提取頁巖油、氣；導出地面的頁巖油、氣經過地面氣液分離裝置分離，分離的頁巖油送至成品油罐存儲銷售；可燃氣送至燃氣發(fā)電裝置用來發(fā)電。
2.實現(xiàn)權利要求1所述油頁巖原位豎井壓裂化學干餾提取頁巖油氣方法的工藝，包括以下步驟: 1)根據油頁巖層分布、走向，選定壓裂燃燒井和導出生產井具體位置，在地面上打鉆壓裂燃燒井和導出生產井至地下油頁巖層，壓裂燃燒井鉆井深度應以不穿透油頁巖層為準，導出生產井應以穿透油頁巖層為準，所述的導出生產井以壓裂燃燒井為中心的呈蜂窩形布局; 2)在壓裂燃燒井中建立壓裂室，取出鉆井套管，通過壓裂燃燒井向油頁巖層注入高壓介質，將油頁巖層壓裂出若干條廣3_的裂縫，填充縫隙支撐物石英砂，建立起油氣通道，具體步驟如下: ①通井和洗井； ②向井筒內下入水力套管噴頭； ③封閉套管與巖壁空隙，使油頁巖層形成封閉的壓裂空間； ④采用水力套管噴頭對油頁巖層進行水力噴砂射孔，先泵入基液(水)和攜砂液20^35%的砂漿進行切割階段，當攜砂液距噴嘴250m左右時，迅速提升泵速以確保獲得切割射孔所需的足夠的壓差(55 80MPa)； ⑤在噴砂射孔2-3 min后，將噴孔碎巖頂替； ⑥再泵入交聯(lián)胍膠和砂(比例2(Γ30:4(Γ60)以增加膨脹力度； ⑦壓后放噴，沖砂支撐壓裂縫隙； ⑧向井筒內注入液體暫堵劑； ⑨上提鉆具，上提鉆具至設計位置，壓裂下一層，重復③ ⑥步； 3)在壓裂燃燒井建立燃燒室， ①洗井，將壓裂燃燒井內的砂水提出地面， ②壓裂燃燒井口加裝至油頁巖層下0.5m密封套管，利用膨脹劑封閉套管與井壁空隙； ③在壓裂燃燒井內加裝可燃氣和空氣輸入導管和電子點火系統(tǒng)，封閉井口，在油頁巖層段形成燃燒室； ④通過可燃氣輸送管向燃燒室輸送LPG和空氣；利用電子點火系統(tǒng)點燃可燃氣； ⑤引燃油頁巖后，給油頁巖層加溫至55(T600°C，測得導出生產井來氣溫度達到200°C，停止供可燃氣，驅提部分頁巖油、氣通過油氣通道導出生產井至地面油氣分離裝置； 4)繼續(xù)向井內注入高壓空氣，使油頁巖層中干餾后剩余的浙青質和固定碳發(fā)生氧化反應，在高溫條件下進行氧化反應，產生新的可燃氣體，同時驅提頁巖油、氣，通過油氣通道及導出生產井將它們導出地面； 5)導出地面的頁巖油、氣經過地面氣液分離裝置分離，分離下來的頁巖油送至成品油罐存儲； 6)經氣液分離裝置分離下來的可燃氣體送至燃氣發(fā)電裝置用來發(fā)電。
3.一種水力套管噴頭，其特征在于:由上扶正器、噴槍、單向閥、下扶正器、篩管、引鞋組成，噴槍的表面設有噴嘴，噴槍的一端通過短接與套管連通，另一端通過單向閥與篩管連通；短接的外側套有上扶正器；篩管的管壁上均勻分布有若干篩孔，下扶正器套在篩管上，引鞋固定在 篩管的頂部。
全文摘要
本發(fā)明提供一種油頁巖原位豎井壓裂化學干餾提取頁巖油氣的方法及工藝，通過向地下油頁巖層打鉆豎井，并向油頁巖層注入高壓介質(空氣、水、砂)，以此井為中心將油頁巖層壓裂出1—3mm裂縫，填充縫隙支撐物，建立起油氣通道。再向油巖層加入加熱裝置，給油頁巖層加溫至550℃，初始干餾油頁巖，驅提頁巖油氣，頁巖油氣通過油氣通道導出地面。之后通入氧化劑與油頁巖干餾后所含的瀝青質和固定碳發(fā)生氧化反應，產生的熱能作為后續(xù)干餾之熱源，實現(xiàn)地下原位提取頁巖油。解決當前地上干餾開采成本大、尾渣處理難、環(huán)保問題多、土地占用量大這一世界難題。
文檔編號C10B53/06GK103232852SQ20131015253
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月28日 優(yōu)先權日2013年4月28日
發(fā)明者趙金岷 申請人:吉林省眾誠汽車服務連鎖有限公司