一種用於油頁巖地下原位開採的體系封閉方法與流程
2023-10-06 10:22:49
本發明涉及一種地下原位體系封閉方法，特別涉及一種用於油頁巖地下原位開採的體系封閉方法。
背景技術：
油頁巖原位開採技術是繼油頁巖乾餾之後的一種新型油頁巖開採方式，它通過鑽孔和水力壓裂等方式，在地下油頁巖巖層中形成加熱通道，熱源進入加熱通道後對油頁巖進行加熱乾餾，生成的油氣混合產物經開採井導出至地表進行分離處理。相比較油頁巖乾餾技術，油頁巖原位開採技術具有地面設備少，佔地面積小，生產過程中汙染小等顯著優點。
油頁巖原位開採需要在地下形成一個主要包括油頁巖加熱通道和油頁巖層裂縫的封閉的開採空間。這樣一個封閉的開採空間，有利於控制油頁巖原位開採的範圍，避免原位開採過程中對外部地層產生油氣洩露等不利影響。在這樣一個高溫的開採空間裡，尤其要注意地下水和溫度擴散對開採產生的影響。一方面，如果開採空間內有水或不進行開採空間的保溫工作，由於水大比熱的特點，很大一部分熱量將被水吸收，開採空間內無法達到理想溫度，影響油頁巖開採效率。另一方面，如果開採空間內有水，即使產生了油氣，油氣也會攜帶大量水蒸氣返至地表，給油氣水分離工作帶來難度的同時，也大大降低了油氣的回收效率。如果開採空間與地下水通道相連接，開採過程中產生的汙染物會進入地下含水層，汙染地下水。因此，為油頁巖的開採區域提供封閉空間顯得尤為重要。
殼牌公司的地下原位開採工藝(ICP)提出了一種地下冷凍牆技術，在與加熱井和生產井一定距離鑽多口間距一定且相互連接形成密閉系統的冷凍井，向井內注入一定溫度的冷凍液在系統內循環，使井周圍的地下水與圍巖介質形成冷凍牆。但是地下冷凍牆的應用過程中，存在施工周期長，耗能高，對地下水產生汙染等缺點。
專利CN102278116B提供了一種冬季寒冷地區製作地下冷凍牆裝置及製作冷凍牆的方法。該方法利用低溫乙二醇水溶液作為循環介質，將從冬季室外溫度所獲得的冷源送入預先打的孔內，冷凍地質體，進而形成冷凍牆。該方法施工只能在冬季且冬季溫度寒冷的地區進行，限制較大，不具有廣泛推廣的條件。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決現有為油頁巖的開採區域提供封閉空間的方法存在施工周期長、能耗高、汙染環境、受季節限制的問題，而提供的一種適用於不同埋深不同層厚的油頁巖地下原位開採的體系封閉方法。
本發明所涉及的封閉體系是由頂板隔熱封閉層、底板隔熱封閉層和水平開採區域封閉帷幕組成。
本發明包括以下步驟：
一、在油頁巖層底板處設置底板隔熱封閉層，覆蓋油頁巖原位開採區域，與水平開採區域封閉帷幕連接成為整體；
用於底板隔熱封閉層的劈裂注漿方法，是在地面鑽一系列梅花形布置的劈裂注漿孔，相鄰劈裂注漿孔的注漿漿液相互串徑，孔深到達油頁巖層底板。
注漿孔穿過油頁巖層底板，採用前進式的注漿方式，在油頁巖底板進行注漿，漿液在壓力大於油頁巖原位垂直於層理方向的拉應力作用下，劈開油頁巖層，漿液的劈裂路線呈縱橫交錯的脈狀網絡，各注漿孔中漿液相互串徑，形成底板隔熱封閉層。
二、在油頁巖頂層板處設置頂板隔熱封閉層，覆蓋油頁巖原位開採區域，設置頂板隔熱封閉層採用劈裂注漿的方法，使各注漿孔中漿液相互串徑。
用於頂板隔熱封閉層的劈裂注漿方法，是在地面鑽一系列梅花形布置的劈裂注漿孔，相鄰劈裂注漿孔的注漿漿液相互串徑，孔深到達油頁巖層頂板。
注漿孔穿過油頁巖層頂板，採用前進式的注漿方式，在油頁巖頂板進行注漿，漿液在壓力大於油頁巖原位垂直於層理方向的拉應力作用下，劈開油頁巖層，漿液的劈裂路線呈縱橫交錯的脈狀網絡，各注漿孔中漿液相互串徑，形成頂板隔熱封閉層；
在劈裂注漿孔中灌入封閉泥漿即劈裂注漿漿液，插入單向閥管到油頁巖層頂板，待劈裂注漿漿液凝固在單向閥管中，再插入注漿芯管到單向閥管中，進行注漿；當漿液壓力大於油頁巖原位垂直層理方向拉應力時，漿液劈開油頁巖層並進入裂隙中，形成頂板隔熱封閉層。
三、水平開採區域封閉帷幕是連續且密閉的，採用滲透注漿的方法，穿過開採油頁巖層底板，到達透水性差的底部巖層。
用於水平開採區域封閉帷幕施工的滲透注漿方法，是在地面鑽一系列單排注漿孔，注漿孔深度達到油頁巖層底板處，注漿孔間距應滿足相鄰孔的漿液擴散範圍重疊，最終可以形成連續且密閉的水平開採區域封閉帷幕。對單孔進行注漿時，應採用自下而上分段注漿的方式，從油頁巖底板開始，利用止漿栓塞，進行分段注漿。
本發明的工作過程及原理為：
本發明是為油頁巖原位開採區域即注熱井和開採井周圍提供一個密閉的加熱區域。
布置劈裂注漿孔和帷幕注漿孔，劈裂注漿孔呈梅花形分布，且滿足相鄰孔的注漿漿液相互串徑，孔深到達油頁巖層底板。帷幕注漿孔呈圓形單排分布，相鄰單孔間距3m，孔深在油頁巖層底板以下5m。
在劈裂注漿孔中灌入封閉泥漿即劈裂注漿漿液，插入單向閥管到油頁巖層底板，待劈裂注漿漿液凝固在單向閥管中，再插入注漿芯管到單向閥管中，進行注漿。當漿液壓力大於油頁巖原位垂直層理方向拉應力時，漿液劈開油頁巖層並進入裂隙中，形成底板隔熱封閉層。同樣的方法可形成頂板隔熱封閉層。
在完成頂板、底板隔熱封閉層之後，進行水平開採區域封閉帷幕的施工，對單孔施工時，在帷幕注漿孔中下入注漿導管，利用止漿栓塞自下而上分段注漿，將帷幕注漿漿液從注漿導管注入5-1段，待5-1段注入完成後，開始5-2段的注漿，直至5-n段。單孔施工完成後，再進行其他帷幕注漿孔(的施工，最終形成水平開採區域封閉帷幕。
以上步驟完成後，即建立了油頁巖原位開採的隔熱封閉區域，該區域可進行油頁巖原位開採的後續工作。
本發明的有益效果：本發明為油頁巖地下原位開採提供了一個密閉的加熱區域，用於阻絕開採區域縱向地下水進入、熱量散失以及水平方向地下水進入和油氣及副產品流出。
附圖說明
圖1為本發明實施例的體系封閉方法示意圖。
圖2為本發明實施例的平面井位布置圖。
圖3為本發明實施例的頂板、底板隔熱封閉層施工工藝圖。
圖4為本發明實施例的水平開採區域封閉帷幕施工工藝圖。
具體實施方式
請參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示，為本發明的第一實施例，本實施例涉及的封閉體系是由頂板隔熱封閉層、底板隔熱封閉層和水平開採區域封閉帷幕組成。
縱向上需要阻絕地下水進入和熱量散失；水平方向上需要阻絕地下水進入和油氣及副產品留出。
根據地質資料顯示，油頁巖層埋深為64～72m，地層多屬弱透水性地層。圈定油頁巖開採區域為30m×30m正方形區域。
根據地層的弱透水性性質，先進行頂板隔熱封閉層及底板隔熱封閉層的施工。採用劈裂注漿法施工，注漿孔直徑80mm，孔深75m，穿過油頁巖層。在開採區域內按梅花形進行布孔，孔間距離2.5m。採用前進式注漿方法。注漿工序為：鑽進—注漿—掃孔—鑽進—注漿。鑽進至61m處，下入止漿塞，進行射孔注漿，注漿壓力2.5～3MPa，材料為橡膠改性水泥，也可以為納米改性超高韌性水泥基複合材料。頂板注漿完成後，進行掃孔鑽進，鑽進至75m處，下入止漿塞，對底板進行射孔注漿。
頂板隔熱封閉層和底板隔熱封閉層劈裂注漿完成後，採用滲透注漿法形成水平開採區域封閉帷幕，注漿孔直徑80mm，孔深80m，至油頁巖層底板。注漿孔沿開採區域外圍進行布孔，孔間距離1m。單孔注漿施工時，採用自下而上的後退式分段注漿方法，分段距離為8m，注漿壓力1～1.5MPa，注漿材料為快凝型聚合物水泥防水漿料。
封閉體系施工完成後，開採區域內湧水量從19m3/d下降至1m3/d以內，油頁巖原位開採工藝成功進行並產出頁巖油，證明該方法能為油頁巖原位開採工藝提供隔熱封閉的反應區域，減少了熱量損失、地下水進入和油氣及副產品的流出。
請參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示，為本發明的第二實施例，本實施例涉及的封閉體系是由頂板隔熱封閉層、底板隔熱封閉層和水平開採區域封閉帷幕組成。
與地面煤炭氣化相比，地下氣化不需要將煤炭開採至地面，而是煤層在地下進行氣化，也就不會在地上產生煤矸石或煤灰佔壓土地、粉塵及細微顆粒物汙染大氣的問題，相應地，煤灰中有害微量元素在地下，會增加地下水汙染的風險。為減少煤灰和和煤灰中有害元素對地下水環境的汙染，因此需預先為煤炭地下氣化提供一個穩定封閉的開採區域。
根據地質資料顯示，某地煤層埋深為41.2～47.0m,地層地下水偏多，圈定開採區域為50m×50m。
根據地層的弱透水性性質，先進行頂板隔熱封閉層及底板隔熱封閉層的施工。採用劈裂注漿法施工，注漿孔直徑80mm，孔深50m，穿過煤層。在開採區域內按梅花形進行布孔，孔間距離2.5m。採用前進式注漿方法。注漿工序為：鑽進—注漿—掃孔—鑽進—注漿。鑽進至39m處，下入止漿塞，進行射孔注漿，注漿壓力2.5～3MPa，材料為橡膠改性水泥，也可以為納米改性超高韌性水泥基複合材料。頂板注漿完成後，進行掃孔鑽進，鑽進至50m處，下入止漿塞，對底板進行射孔注漿。
頂板隔熱封閉層和底板隔熱封閉層劈裂注漿完成後，採用滲透注漿法形成水平開採區域封閉帷幕，注漿孔直徑80mm，孔深54m，至煤層底板。注漿孔沿開採區域外圍進行布孔，孔間距離1m。單孔注漿施工時，採用自下而上的後退式分段注漿方法，分段距離為8m，注漿壓力1～1.5MPa，注漿材料為快凝型聚合物水泥防水漿料。
封閉體系施工完成後，開採區域內湧水量從30m3/d下降至1m3/d以內，煤炭地下氣化工藝成功進行並產出煤層氣，證明該方法能為煤炭地下氣化工藝提供隔熱封閉的反應區域，減少了煤灰及有害元素對地下水環境的汙染。