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CN106753503A - 一种油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法 - Google Patents

一种油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法 Download PDF

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CN106753503A CN201611097766.1A CN201611097766A CN106753503A CN 106753503 A CN106753503 A CN 106753503A CN 201611097766 A CN201611097766 A CN 201611097766A CN 106753503 A CN106753503 A CN 106753503A
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郭威
孙友宏
周科
赵帅
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韩婧
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Abstract

本发明公开了一种油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法，包括以下步骤：(1)钻数口注热井和生产井至目标油页岩层；(2)利用竖井射孔或打水平井进行水力压裂人工造缝，造缝时将支撑剂和催化剂按照一定体积比混合均匀后随压裂液一起压入地下缝隙中，使支撑剂和催化剂充满整个压裂区；(3)通过注热井向油页岩层注入热的混合气体对油页岩层进行加热，使油页岩层温度达到200℃；(4)当油页岩层温度达到一定范围时，停止对混合气体加热，继续向油页岩层通入常温的混合气体；(5)开采页岩油气，在地面进行分离和处理；本发明增大了催化剂的作用范围，增强了催化剂的催化作用效果，为油页岩的充分反应提供条件，从而提高油页岩原位开采的能量利用率和反应所需要的时间。

Description

一种油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法
技术领域
本发明涉及一种油页岩原位开采技术，特别涉及一种油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法。
背景技术
目前油页岩的转化技术主要包括地表干馏技术和地下原位转化技术两种。
地表干馏技术是指将油页岩矿产从地表或者地下进行剥离开采、输送、处理、提炼的过程。主要方式是在干馏炉内干馏制取页岩油，进一步加工成轻质油品以及多种化工产品。虽然这种技术已经非常成熟，但是存在很多问题，如能量利用率低、占地面积大、成本高、环境污染严重等。
地下原位转化技术是指对埋藏于地下的油页岩直接在地下原位加热，再将产出的油气采出到地面进行分离和深加工的工艺手段。与地上干馏技术相比油页岩原位转化技术存在油页岩转化率高，占地面积小，环境污染小，适用于开采深层、高厚度的油页岩资源等优势。但油页岩的原位转化并没有大量投入生产，其中主要的两个因素是油页岩原位加热需要加的热成本高和油页岩裂解反应缓慢。而现在又没有一种经济可靠的加热技术可以使加热过程可以降低反应所需的温度，加快油页岩裂解反应，降低成本。因此，一种可以降低油页岩反应所需最低温度，并可以加快油页岩裂解反应速率的技术是非常有必要的。
目前较常见的油页岩原位物理加热位裂解技术主要包括三种：a、电加热技术；b、对流加热技术；c、辐射及热技术。
壳牌石油公司所应用的ICP转化技术是一种电加热技术。具体是在井中安装加热棒，利用加热棒产生的热量促使油页岩裂解。ICP技术存在一些缺点，如：加热元件的功率小；温度损失大；加热效率低；生成的油气很难移动，回收率较低等。
太原理工大学提出一种对流加热技术。具体是在地面设置群井，进行压裂连通后向油页岩层通入400～700℃高温烃类气体以对流方式加热地下油页岩层，使油页岩裂解。此方法需要大量热，能量利用率较低且成本较高。
LawrenceLivermore国家实验室(LLNL)提出利用无线射频方式加热页岩的技术。此技术属于辐射加热技术，具体是在油页岩地层钻水平井用来加强地下油页岩的受热体积，使电波在岩层中平行传播，虽然这种射频技术加热穿透力强，加热速度较快，但是其技术难度较大，成本昂贵。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有油页岩原位加热需要加的热成本高和油页岩裂解反应缓慢以及能量利用率低、占地面积大、成本高、环境污染严重等问题，而提供的一种可以降低油页岩裂解最低温度，加快油页岩裂解速率，降低页岩油、气开采成本的油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法。
本方法主要采用竖井射孔或者水平井进行水力压裂人工造缝，将具有特定比例的支撑剂和催化剂混合均匀后随压裂液一同被压入地层裂隙中，使其充满整个压裂区。然后通过注入热混合气体对油页岩进行初步加热。本发明中所述的催化剂不仅可以降低油页岩裂解所需的最低温度，还可以加快油页岩裂解反应的速率，同时并不影响页岩油的品质。该方法是一种利用催化剂降低反应的最低温度并通过自催化氧化进行油页岩原位裂解的技术，可以实现油页岩裂解的能量最低化，以及能量的自给和最大利用。
本发明包括以下步骤：
(1)钻数口注热井和生产井至目标油页岩层。
(2)利用竖井射孔或打水平井进行水力压裂人工造缝，造缝时将支撑剂和催化剂按照一定体积比混合均匀后随压裂液一起压入地下缝隙中，使支撑剂和催化剂充满整个压裂区。
(3)通过注热井向油页岩层注入热的混合气体对油页岩层进行加热，使油页岩层温度达到200℃。
(4)当油页岩层温度达到一定范围时，停止对混合气体加热，继续向油页岩层通入常温的混合气体。
(5)开采页岩油气，在地面进行分离和处理。
所述的压裂方式可以选择竖井射孔水力压裂或者水平井大规模水力压裂。
所述的催化剂和支撑剂的体积比为1：1000至6：1000。
所述的催化剂可以选择的钯/钌含量为1％～3％的钯/钌/碳催化剂，催化还可以选择铂/钌含量为1％～3％的铂/钌/碳催化剂。
所述的用来加热油页岩层的混合气体组分为氧气、氮气、烃类气体、氢气等混合物，混合气体的组分可根据反应的不同阶段的需要进行调节。
所述的油页岩层温度升高到300℃时，停止对混合气体加热。
本发明适用于不同埋深不同层厚的油页岩原位开采；同时本发明也可以应用于群井开采、双井开采、单井开采及水平井开采等多种油页岩原位开采方式中。
所述催化剂的粒径为所属领域常规范围即可，支撑剂的粒径范围可根据压裂实际情况选择。
本发明中油页岩裂解反应初期产生的烃类气体，甲烷、水蒸气等可以在钯/钌/碳催化剂的作用下发生氧化反应，降低油页岩裂解所需的最低温度。
本发明所使用的钯/钌/碳催化剂可以使油页岩裂解的最低温度可以降低到200℃。
本发明使用的钯/钌/碳催化剂可以与混合气体作用加快油页岩裂解的速率，并增加油页岩内部的空隙率。
本发明中油页岩层预热时裂解产生的气体随混合气体加热后一起循环进入油页岩层中参与催化氧化反应。
本发明中通过控制混合气体的百分比，流量、压力等参数，把地层温度控制在一定温度之间。
本发明中油页岩裂解产生的高温气体可以经过抽取循环进入新的开采区域，对新的开采区域进行加热，可以提高能量利用率。
本发明可以用于低渗透的固态或凝态需要加热处理的矿物，如油页岩原位开采、煤炭气化等。
本发明的有益效果：
(1)本发明可以使催化剂随压裂液填充到整个油页岩压裂区裂隙内，增大了催化剂的作用范围，增强了催化剂的催化作用效果。
(2)本发明中油页岩在裂解过程中由于催化剂作用可以使油页岩孔隙率大幅度增加，为油页岩的充分反应提供条件。
(3)本发明可以使油页岩原位裂解时在催化剂的作用下降低油页岩裂解所需的最低温度由350℃降低至200℃。同时，催化剂还可以加快油页岩裂解的反应速率。从而提高油页岩原位开采的能量利用率和反应所需要的时间。
附图说明
图1为本发明实施例的双井开采模式示意图。
图2为本发明实施例的水平井开采模式示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，为本发明的第一实施例，其布井模式为双井形式，其具体实施方式如下:
某地油页岩埋深为65m～75m，平均含油率为6％，含水率为4％，含固定碳21％，顶板和底板均为致密页岩。具体实施步骤如下:
(1)钻完井
a.根据油页岩分布和走向，采用先进钻井技术钻至少一口注气井1和生产井2至目标油页岩层深度为77m，注气井1和生产井2采用相同的井深结构。
b.在注热井1中建立压裂室，并在注热井1的套管的66m～74m段每隔一米向生产井2的方向射孔，然后通过具有一定粘度的大排量压裂液进行人工造缝。使注热井1和生产井2之间形成混合气体、油、水等物质可以通过的通道。
c.将体积比为1:1000的催化剂11和支撑剂12的混合物均匀的压入油页岩地层的裂隙中，使二者充满整个裂隙区域。
d.在注热井1和生产井2井底浇注80～120cm的耐高温水泥底座，并下入耐高温的不锈钢花管至水泥底座内。将注热井1和生产井2的同轴套管上包裹纳米保温材料，用来阻止井内管道与外界进行换热。
(2)安装地面设施
a.将地面设备包括空压机3，加热换热装置4，分级冷却装置5，油水分离器6，重油储油罐7，三相分离器8，轻油储油罐9和废水处理装置13连接起来。
b.将加热器换热器4与注热井1的进口及分级冷却装置5与生产井2的出口分别连接起来，并进行密封。
c.将加热换热装置4至注热井1的井口一段管道做好保温措施。
(3)反应阶段
a.将氧气、氮气、烃类气体、氢气等混合物经过空气压缩机3压缩后通入换热器4进行换热，换热器出口温度设置为230℃，热混合气体经过注热井1输送到油页岩地层，对油页岩进行加热使油页岩层温度温度达到200℃。
b.继续加热，当油页岩层温度达到300℃时，由于催化剂的作用下混合气体与油页岩发生的催化氧化反应迅速进行。此时，会产生大量的甲烷、烃类气体此时通过调节注入气体的压力把地层压力控制在一定范围内。油页岩的裂解会放出大量热，这部分热量已经足够油页岩继续发生反应。因此，停止对混合气体的加热，开始向地层中注入常温的混合气体。
c.油页岩层温度继续升高时，通过控制混合气体的流量、压力等参数将油页岩地层温度控制在450℃～500℃。
(4)开采油气及地表油气处理工作
a.在整个加热过程中混合气体经由注热井1进入地层由裂隙通往生产井2，由于空压机3的抽吸作用地下出来的混合气体依次经过分级冷却装置5、油水分离器6和三相分离器8再次回到压缩机3，压缩后再次循环回地层中参与反应。
b.由生产井循环出来的油气经过冷却装置5进行分级冷却。
c.冷却后的混合物首先通入油水分离装置6进行油水分离，分离后的重油储存在重油储油罐7中，剩余混合物继续通入三相分离器8中，分离出的轻油储存在轻油储油罐9中。
d.三相分离器8分离出的气体通过净化再通过混合经过压缩机3压缩后加热通入地层重新利用。
e.步骤c及步骤d中分离出的废水经过废水处理装置13处理后再进行统一排放，以免造成环境污染。
请参阅图2所示，为本发明的第二实施例，以水平井形式开采页岩油气，其具体实施方式如下:
某地油页岩深度为78m～86m，其平均含油率为10％，含水率为4％，含固定碳21％，顶板和底板均为致密页岩。具体实施步骤如下:
(1)钻完井
a.采用先进钻井技术在油页岩层钻两口水平井，一口注热井3和一口生产井8，两口水平井的深度相同为82m，井距为25米。
b.在注热井3中建立压裂室，由注热井3的水平方向向生产井8水平方向进行大规模水力压裂人工造缝。使注热井水平井3和生产井水平井8之间形成混合气体、油、水等物质可以通过的通道。
c.将体积比为4:1000的催化剂15和支撑剂16的混合物均匀的压入油页岩地层的裂隙中，使二者充满整个裂隙区域。
d.竖井及水平井采用先进的完井技术。
(2)安装地面设施
a.将地面设备包括空压机1，加热换热装置2，分级冷却装置9，油水分离器10，重油储油罐11，三相分离器12，轻油储油罐13和废水处理装置14按照正确连接方式连接起来。
b.将加热器换热器2与注热井3的进口及分级冷却装置9与生产井8的出口分别连接起来，并进行密封。
b.将加热换热装置2至注热井3井口一段管道做好保温措施。
(3)反应阶段
a.将氧气、氮气、烃类气体、氢气等混合物经过空气压缩机1压缩后通入换热器2进行换热，换热器出口温度设置为230℃，热混合气体经过注热井输送到油页岩地层，对油页岩进行加热使油页岩层温度温度达到200℃。
b.继续加热，当油页岩层温度达到300℃时，由于催化剂的作用下混合气体与油页岩发生的催化氧化反应迅速进行。此时，会产生大量的甲烷、烃类气体此时通过调节注入气体的压力把地层压力控制在一定范围内。油页岩的裂解会放出大量热，这部分热量已经足够油页岩继续发生反应。因此，停止对混合气体的加热，开始向地层中注入常温的混合气体。
c.油页岩层温度继续升高时，通过控制混合气体的流量、压力等参数将油页岩地层温度控制在450℃～500℃。
(4)开采油气及地表油气处理工作
a.在整个加热过程中混合气体经由注热井3进入地层由裂隙通往生产井8，由于空压机1的抽吸作用地下出来的混合气体依次经过分级冷却装置9、油水分离器10和三相分离器12再次回到压缩机1，压缩后再次循环回地层中参与反应。
b.由生产井8循环出来的油气经过分级冷却装置9进行分级冷却。
c.冷却后的混合物首先通入油水分离装置10进行油水分离，分离后的重油储存在重油储油罐11中，剩余混合物继续通入三相分离器12中，分离出的轻油储存在轻油储油罐14中。
d.三相分离器12分离出的气体通过净化再通过混合经过压缩机1压缩后加热通入地层重新利用。
e.步骤c及步骤d中分离出的废水经过废水处理装置13处理后再进行统一排放，以免造成环境污染。

Claims (6)

1.一种油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法，包括以下步骤：
(1)钻数口注热井和生产井至目标油页岩层；
(2)利用竖井射孔或打水平井进行水力压裂人工造缝，造缝时将支撑剂和催化剂按照一定体积比混合均匀后随压裂液一起压入地下缝隙中，使支撑剂和催化剂充满整个压裂区；
(3)通过注热井向油页岩层注入热的混合气体对油页岩层进行加热，使油页岩层温度达到200℃；
(4)当油页岩层温度达到一定范围时，停止对混合气体加热，继续向油页岩层通入常温的混合气体；
(5)开采页岩油气，在地面进行分离和处理。
2.根据权利要求1所述的一种油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法，其特征在于：所述的压裂方式选择竖井射孔水力压裂或者水平井大规模水力压裂。
3.根据权利要求1所述的一种油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法，其特征在于：所述的催化剂和支撑剂的体积比为1：1000至6：1000。
4.根据权利要求1所述的一种油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法，其特征在于：所述的催化剂的选择为钯/钌含量为1％～3％的钯/钌/碳催化剂或者为铂/钌含量为1％～3％的铂/钌/碳催化剂。
5.根据权利要求1所述的一种油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法，其特征在于：所述的用来加热油页岩层的混合气体组分为氧气、氮气、烃类气体、氢气等混合物。
6.根据权利要求1所述的一种油页岩原位催化氧化法提取页岩油气的方法，其特征在于：所述的油页岩层温度升高到300℃时，停止对混合气体加热。
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