專利名稱：一種油頁巖地下原位加熱的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種油頁巖的開采技術(shù)，特別涉及一種油頁巖地下原位加熱的方法，該方法可以從油頁巖中原位獲得頁巖油和氣體燃料即可燃?xì)怏w，也可從煤中原位獲得可燃?xì)怏w。
背景技術(shù)：
目前，已知的煤或油頁巖地下氣化的方法是:鉆井、貫通、點燃、鼓風(fēng)和抽出產(chǎn)品氣體。該方法的缺點是獲得的可燃?xì)怏w熱值較低。這是由于有機物在地下氣化區(qū)域燃燒時會產(chǎn)生大量穩(wěn)流氣體混入可燃?xì)怏w中。該方法在俄羅斯N0.2385412號專利中公開了，分類號是:ΜΠ K E21MB43/295。另一已知的方法是:鉆至少一口井，深度貫穿礦層作業(yè)區(qū)間；制造至少一條貫穿鉆井的裂縫，向其中填入導(dǎo)電材料，插入兩個電極，使電極與導(dǎo)電材料接觸，向電極通電，使得裂縫中的電流一部分或完全沿著導(dǎo)電材料行進(jìn)，從而通過導(dǎo)電材料的電阻放熱作用，釋放出足夠的熱量實現(xiàn)礦藏中固定有機質(zhì)的熱解。該方法存在的缺點是工藝復(fù)雜，施工強度大，而且導(dǎo)電材料可能具有毒性，污染環(huán)境和地下水。該方法在俄羅斯N0.2349745號專利中公開了，分類號是:ΜΠ K E21B43/24。殼牌的電加熱技術(shù)，簡稱ICP技術(shù),殼牌公司的Mahogany研究工程一直致力于革新殼牌原位轉(zhuǎn)化工藝，并于1987年I月17日申請專利“加熱油頁巖的采油方法”，申請?zhí)?7100890，公開號CN87100890A。其原理是在加熱井中插入電加熱器，一般加熱距地表300 600 m深度的油頁巖。巖層被緩慢地加熱到400 500°C，將油頁巖中的干酪根轉(zhuǎn)變?yōu)樵秃吞烊粴?，再運用傳統(tǒng)的采油方法將生成物(原油和天然氣)抽汲到地面。比起傳統(tǒng)的地面干餾處理，緩慢的、較低溫度的原位加熱生成的碳排放明顯較低。殼牌ICP處理法生成大約1/3的天然氣和2/3的輕質(zhì)原油。生成的天然氣用來發(fā)電或者銷售。殼牌公司已經(jīng)證實ICP處理法每生產(chǎn)I桶原油當(dāng)量的產(chǎn)品需要用水少于3桶。埃克森美孚于2008年3月7日申請了專利“用于原位地層加熱的電阻加熱器”，申請?zhí)?00880009037.3，公開號為CN10163655A。該技術(shù)通過水力壓裂油頁巖，向裂縫中注入一種導(dǎo)電材料，形成加熱部分，利用介質(zhì)電阻原位加熱油頁巖。原理是運用水平井中生成的垂直裂縫，填充導(dǎo)電介質(zhì)得到一個導(dǎo)電區(qū)，該導(dǎo)電區(qū)將頁巖油加熱到熱解溫度，生成可以用傳統(tǒng)采油技術(shù)采出的原油和天然氣。?？松梨谟?007年10月10日申請了專利“使用水力壓裂生產(chǎn)井、通過原位加熱增強頁巖油生產(chǎn)”，申請?zhí)?00780046031.9，公開號為CN101558216A。壓裂技術(shù)被早期的?？松梨诠疽暈?0多個備選技術(shù)中最有吸引力的技術(shù)，加熱體平面熱源中的線性熱傳導(dǎo)可能是進(jìn)入富集礦石層并將其轉(zhuǎn)化為原油和天然氣的最有效方法。根據(jù)?？松梨诠镜慕?jīng)驗，平面加熱器較井孔加熱器需要的加熱井更少，且占地面積更小。?？松脑患夹g(shù)可能也需要采取策略以阻止地層水侵入，并保護(hù)地層水免受生成的碳水化合物和其他組分的污染。但需要大量的電能用以加熱。
福射加熱技術(shù):Raytheon公司的RF/CF技術(shù)。這種原位技術(shù)使用射頻及注入超臨界二氧化碳來加熱油頁巖到裂解溫度，從而將液體和氣體驅(qū)入生產(chǎn)井中。在地面，二氧化碳流體被分離并重新回注到注入井中，同時油和氣被煉制成汽油、燃料油及其他產(chǎn)品。相比其他原位方法需要加熱多年才能生產(chǎn)出油氣，這種提取技術(shù)可以在僅僅幾個月內(nèi)就生產(chǎn)出油氣。該技術(shù)可調(diào)節(jié)加到目的層的熱能，以生成各種各樣需要的產(chǎn)品。如同殼牌ICP處理工藝，RF/CF技術(shù)需要大量的電能以生成射頻能。根據(jù)Raytheon公司的經(jīng)驗，用這種技術(shù)每消耗I桶原油的能量可以采出4 5桶的原油當(dāng)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高效、環(huán)保的油頁巖地下原位加熱的方法，本發(fā)明是對俄羅斯N0.2349745號專利的改進(jìn)。本發(fā)明通過在礦層中形成高電能擊穿形成的等離子體通道，再對該通道進(jìn)行通電流加熱，實現(xiàn)有機碳的裂解和氣化，可有效降低施工難度和費用，而且該方法不污染地下水，環(huán)保無毒。本發(fā)明之方法是:從地表向下鉆井，鉆井深度達(dá)地下油頁巖礦層的作業(yè)區(qū)間內(nèi)，至少鉆兩口井，在井中放入電極，首先向電極通入足以導(dǎo)致局部放電的高壓電，油頁巖礦層中形成電能擊穿等離子體通道，兩個電極區(qū)域的電阻降低后，再通過兩個電極向油頁巖礦層中的高電能擊穿形成的等離子體通道通入電流，通過該等離子體通道的電阻加熱作用對油頁巖礦層進(jìn)行加熱，釋放出的熱量實現(xiàn)油頁巖礦層中固定有機碳的熱裂解和氣化。本發(fā)明與俄羅斯N0.2349745號專利的區(qū)別是:本發(fā)明向電極施加的電壓較高，足以實現(xiàn)局部放電和樹枝狀導(dǎo)通，從而在油頁巖層獲得高電能擊穿并形成等離子體通道，等離子體通道形成后，電極間區(qū)域的電阻降低，且油頁巖層中的等離子體通道也將有電流通過，從實現(xiàn)以油頁巖層本身的電阻熱來加熱油頁
U-1石辰。俄羅斯N0.2349745號專利公開的方法是:僅適用低壓電源對油頁巖層加熱，而且是利用注入油頁巖層中的導(dǎo)電材料作為電阻進(jìn)行加熱。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明可以有效減少施工量，無需對巖層進(jìn)行壓裂，同時避免了使用有毒導(dǎo)電材料。


圖1是本發(fā)明的原理圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明之方法是:從地表向下鉆兩口井1，鉆井深度達(dá)地下油頁巖礦層2的作業(yè)區(qū)間，然后在井中放入電極3，用電纜4將電極3與地面上的電源5連接，首先向電極3通入足以導(dǎo)致局部放電的高壓電，油頁巖礦層2中形成高電能擊穿等離子體通道6，兩個電極3區(qū)域的電阻降低后，再通過兩個電極3向油頁巖礦層2中的等離子體通道6通入電流，通過等離子體通道6的電阻加熱作用對油頁巖礦層2進(jìn)行加熱，釋放出的熱量實現(xiàn)油頁巖礦層2中固定有機碳的熱裂解和氣化。
本發(fā)明的原理如下:固定有機碳的電阻很大，是1(T1012歐姆/cm，因此，常規(guī)狀態(tài)下，巖石內(nèi)的電阻熱很微弱。向電極3之間通入高壓交流電，通過介電損耗進(jìn)行加熱可導(dǎo)致局部放電，在放電作用區(qū)間形成導(dǎo)電區(qū)間，下一次放電作用將進(jìn)一步延伸擴大導(dǎo)電區(qū)域，并最終形成樹枝狀放電結(jié)構(gòu)，從一個電極以樹枝狀結(jié)構(gòu)向另一電極延伸，即形成電熱擊穿的等離子體通道，這個階段必須向電極施加較高電壓，以保證局部放電的實現(xiàn)。電壓的具體大小取決于電極間距離、巖石的種類和結(jié)構(gòu)，可通過在巖樣上進(jìn)行實驗確定。實驗時，局部放電可以通過肉眼觀察到，也可以從示波器上的電流變化觀察到，電熱擊穿的等離子體通道的形成可以通過電極間電阻的變小進(jìn)行確定。電壓的大小約為f 10KV/m，即每米的距離需要施加f IOKV的電壓。電流的頻率對樹枝狀的電熱擊穿的等離子通道的形成無太大的影響，所以，可以使用工頻交流電。電熱擊穿的等離子通道形成后，電極間區(qū)域的線性電阻將降低，為1(T100歐姆/cm。可以通過監(jiān)控電極間的電壓和電流來確定電熱擊穿等離子通道的形成。在電熱擊穿的等離子體通道形成后，應(yīng)該將電極與大電流的直流電源或大電流的交流電源連接，即在電熱擊穿等離子通道的形成后，將電極的電源跳轉(zhuǎn)到大電流的直流電源或大電流的交流電源，利用電熱擊穿的等離子通道的電阻效應(yīng)加熱，在該加熱模式下的電源電壓為l(Tl00V/m，電流為1(T100A。所述的油頁巖礦層可為煤礦層代替，即本發(fā)明之方法可以用于煤礦層的地下原位加熱。實施例1:在實驗室內(nèi)利用油頁巖樣品進(jìn)行實驗，電極間距離為50cm，實驗開始前，電極間的電阻大小測得為250K歐姆。實驗時，首先向電極通入頻率為50Hz，峰值電壓為5KV的交流電。通過視覺觀察，便可發(fā)現(xiàn)在該電壓下出現(xiàn)了局部放電現(xiàn)象。電源的功耗約為300W。這一過程持續(xù)30分鐘。在這30分鐘期間，逐步形成電熱擊穿的等離子體通道。電極間的電阻變?yōu)?00歐姆。隨后，電極間將有頻率為50Hz的電流通過，利用低電阻通道的電阻熱效應(yīng)進(jìn)行加熱，一開始電壓為數(shù)百伏，隨著通道的不斷加熱，其電阻降至約10歐姆，此時，為保證功率為1KW，電壓也降至100V。實施例2:在實驗室內(nèi)利用褐煤樣品進(jìn)行實驗，電極間距離為45cm，實驗開始前，電極間的電阻大小測得為150K歐姆。實驗開始時，首先向電極通入頻率為50Hz，峰值電壓為8KV的交流電。通過視覺觀察，便可發(fā)現(xiàn)在該電壓下出現(xiàn)了局部放電現(xiàn)象。電源的功耗約為600W。這一過程持續(xù)15分鐘。在這15分鐘期間，逐步形成電熱擊穿的等離子體通道。電極間的電阻變?yōu)?00歐姆。隨后，電極間將有頻率為50Hz的電流通過，利用低電阻通道的電阻熱效應(yīng)進(jìn)行加熱，一開始電壓為數(shù)百伏，隨著通道的不斷加熱，其電阻降至約:T5歐姆，此時，為保證功率為1KW，電壓也降至60V。通過上述實驗證明:本發(fā)明之方法可以有效減少施工量，無需對巖層進(jìn)行水力壓裂，同時避免了使用有毒導(dǎo)電材料。
權(quán)利要求
1.一種油頁巖地下原位加熱的方法，該方法是從地表向下鉆井，鉆井深度達(dá)地下油頁巖礦層的作業(yè)區(qū)間，至少鉆兩口井，在井中放入電極，首先向電極通入足以導(dǎo)致局部放電的高壓電，油頁巖礦層中形成高電能擊穿的等離子體通道，兩個電極區(qū)域的電阻降低后，再通過兩個電極向油頁巖礦層中的等離子體通道通入電流，通過等離子體通道的電阻加熱作用對油頁巖礦層進(jìn)行加熱，釋放出的熱量實現(xiàn)油頁巖礦層中固定有機碳的熱裂解和氣化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種油頁巖地下原位加熱的方法，其特征在于:所述的足以導(dǎo)致局部放電的高壓電為f 10KV/m ;在電熱擊穿等離子通道形成后，將電極的電源跳轉(zhuǎn)到大電流的直流電源或大電流的交流電源，利用高電能擊穿的等離子體通道的電阻加熱，在該加熱模式下的電源電壓為KTlOOV/m，電流為1(Γ100Α。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種油頁巖地下原位加熱的方法，其特征在于:所述的油頁巖礦層可為煤礦層代替。 ·
全文摘要
本發(fā)明公開了一種油頁巖地下原位加熱的方法，該方法可以從地下油頁巖層中原位獲得頁巖油和燃料氣體，也可以從地下煤層中原位獲得燃料氣體，該方法是從地表向下鉆井，鉆井深度達(dá)地下油頁巖礦層的作業(yè)區(qū)間內(nèi)，至少鉆兩口井，在井中放入電極，首先向電極通入足以導(dǎo)致油頁巖礦層局部放電的高壓電，在油頁巖礦層中形成高電能擊穿的等離子體通道，兩個電極區(qū)域的電阻降低后，再通過兩個電極向油頁巖礦層中的等離子體通道通入電流，通過等離子體通道的電阻加熱作用對油頁巖礦層進(jìn)行加熱，釋放出的熱量實現(xiàn)油頁巖礦層中固定有機碳的熱裂解解和氣化；本發(fā)明可加快地下礦層的加熱速度，無需對巖層進(jìn)行水力壓裂，同時避免了使用有毒導(dǎo)電材料。
文檔編號E21B43/241GK103174406SQ201310078978
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者孫友宏, 拉帕金.菲拉基米爾, 韓煒, 馬爾吉姆楊諾夫.謝爾蓋, 李強, 布哈爾金.安德烈, 楊陽, 袁佐安, 劉寶昌, 郭威, 高科 申請人:吉林大學(xué)