微波加熱地下油頁巖開採油氣的方法及其模擬實驗系統的製作方法

2023-10-10 18:15:34 5

專利名稱：微波加熱地下油頁巖開採油氣的方法及其模擬實驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及原位油頁巖開採，特別涉及一種微波加熱地下油頁巖開採油氣的方法及其模擬實驗系統。
背景技術：
油頁巖是一種低滲透性巖石，主要由礦物質和乾酪根組成，乾酪根是石油和天然氣的地質前體。中國油頁巖資源豐富，埋深在0-500m之間的資源約為2500億噸，500-1000m 之間的油頁巖資源為2500億噸。埋深小於300m的油頁巖資源可以通過露天開採，運至乾餾廠提煉出頁巖油；埋深大於300m的油頁巖只要通過對油頁巖礦層加熱轉化為頁巖油，然後利用生產井導至地面。後者技術目前尚處於研發階段，尚未進入工業化生產。目前，國際上油頁巖就地乾餾開採方法很多。根據熱量傳遞的方式可以將加熱方式分為直接傳導加熱、對流加熱、輻射加熱。在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題就地乾餾開採方法方法一，直接傳導加熱，如殼牌公司「傳導加熱地下油頁巖以賦予其滲透性並隨後採油」，直接利用電加熱棒對油頁巖層進行傳導加熱，由於油頁巖的熱傳導係數低，存在傳熱速率慢的問題。就地乾餾開採方法方法二，對流加熱和熱傳導加熱，如EGL公司提出利用閉合的平行的水平井進行加熱油頁巖礦層，利用一系列的垂直井進行採集生成的油氣。其過程是利用對流加熱方式加熱水平井筒，再利用高溫井筒以熱傳導方式加熱油頁巖礦層，該方法存在的缺點與殼牌公司電加熱棒加熱方式一樣，由於油頁巖的熱傳導係數低，存在傳熱速率慢的問題。就地乾餾開採方法方法三，輻射加熱，如美國雷神公司提出利用微波加熱油頁巖礦層，由於油頁巖是一種微波弱吸收介質，同樣存在油頁巖溫度升溫速率慢的問題。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種微波加熱地下油頁巖開採油氣的方法及其模擬實驗系統，以加速油頁巖的加熱過程和降低加熱成本。一方面，本發明實施例提供了一種微波加熱地下油頁巖開採油氣的方法，包括對地下油頁巖礦層進行水平造縫和垂直造縫，分別生成橫向裂縫和縱向裂縫，在生成的縱向裂縫中注入微波強吸收介質；對所述油頁巖礦層和所述微波強吸收介質進行直接微波輻射加熱，並使得溫度升高的微波強吸收介質傳導加熱所述油頁巖礦層，以及使得生成的油氣通過所述橫向裂縫導出。另一方面，本發明實施例提供了一種微波加熱地下油頁巖開採油氣的模擬實驗系統，包括微波加熱系統，用於利用微波加熱油頁巖發及導出所述油頁巖的熱解產物，所述油頁巖包括填充有微波強吸收介質的縱向裂縫；收集測量系統，用於進行所述油頁巖的熱解產物的冷凝、收集和測量；計算機處理系統，用於執行溫度檢測和分析採集的數據；功率控制系統，用於控制微波產生的功率；其中，所述功率控制系統、所述收集測量系統和所述計算機處理系統分別與所述微波加熱系統相連。本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是本發明實施例提供的一種微波加熱地下油頁巖開採油氣的方法及應用上述方法的模擬實驗系統，通過微波加熱油頁巖和吸收介質，溫度迅速升高後的微波強吸收介質，又以熱傳導方式加熱油頁巖，所以反應系統中是以熱輻射和熱傳導兩種方式相結合加熱油頁巖，利用該實驗系統可以開展不同微波功率條件下，不同地區油頁巖微波開採的熱傳導規律和頁巖油採收率等情況，為不同地區微波加熱原位開採油頁巖工藝提供參數和開發思路。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明實施例1的微波加地下熱油頁巖開採油氣方法的整體流程圖；圖2A是本發明實施例1的微波加熱油頁巖開採油氣方法的應用原理圖；圖2B是本發明實施例1的微波加熱油頁巖開採油氣方法的具體流程圖；圖3是本發明實施例2的模擬實驗系統的整體結構示意圖；圖4是本發明實施例2中微波加熱系統、收集測量系統的結構示意圖；圖5是本發明實施例2的圖4中沿A-A』線的旋轉剖視圖。附圖標號1微波發生器，2微波導入管，3波導管，4微波發射孔，5縱向裂縫，6反應釜體，7保溫層，8、9、10、11溫度檢測器，12上封頭，13上油氣出口，14上油氣導出管，15壓力傳感器， 16壓力數顯儀表，17上套管式冷凝器，18氣液分離器，19,25液體收集罐，20,26電子天平， 21氣體質量流量計，22下出油口，23下油氣導出管，24，下套管式冷凝器，27工作檯，觀蓋子，29,30,31,32溫度檢測器，33採油井，34橫向裂縫，35油頁巖礦層，36加熱井。
具體實施例方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。本發明實施例提供的微波加熱地下油頁巖開採油氣的方法及其模擬實驗系統是: 1.利用微波輻射加熱地下油頁巖礦層，2.利用微波輻射加熱微波強吸收介質，微波強吸收介質傳導加熱地下油頁巖礦層，兩種加熱方式共同使油頁巖中的乾酪根熱解產生油氣，然後將油氣開採出來的方法。本發明實施例的構思主要源於微波技術，微波對物質具有介電熱效應是通過離子遷移和極性分子的旋轉使分子運動而實現的，即極性分子相對靜態瞬間轉變為動態，通過分子偶極以數十億的高速旋轉產生熱效應。由於此瞬間變態是從被作用物質內部進行，故常稱為內加熱。由於油頁巖是熱的不良導體，利用直接傳導加熱和對流加熱速度十分緩慢。 通過本發明實施例的上述兩種加熱方式共同熱解乾酪根，生成油氣，並通過壓裂製造的橫向裂縫導至採油井排至地面，有利於加速油頁巖的加熱過程和降低加熱成本。實施例1 圖1為本發明實施例1的一種微波加地下熱油頁巖開採油氣的方法的整體流程圖。如圖1所示，該方法包括100、對地下油頁巖礦層進行水平造縫和垂直造縫，分別生成橫向裂縫和縱向裂縫，在生成的縱向裂縫中注入微波強吸收介質；110、對所述油頁巖礦層和所述微波強吸收介質進行直接微波輻射加熱，並使得溫度升高的微波強吸收介質傳導加熱所述油頁巖礦層，以及使得生成的油氣通過所述橫向裂縫導出。以下進行詳細說明，請結合參閱圖2A和圖2B，其中，圖2A是本發明實施例1的微波加熱油頁巖開採油氣方法的應用原理圖；圖2B是本發明實施例1的微波加熱油頁巖開採油氣方法的具體流程圖；圖1所示方法具體可以包括如下步驟步驟200，對油頁巖礦層進行水平和垂直造縫，具體地，本發明實施例利用原油開採中的壓裂技術對油頁巖層製造多條橫向裂縫34，以提高油頁巖礦層的滲透率；在加熱井 36和採油井33之間的位置採用水力壓裂技術製造例如兩條縱向裂縫5，用來填充微波強吸收介質，該微波強吸收介質包括油頁巖半焦、石墨和人工合成微波吸收介質等物質。步驟210，微波發生器(圖中未繪示)產生的微波通過微波導入管(圖中未繪示)、 波導管3和微波發射孔4發射到油頁巖礦層35中，油頁巖礦層35會以兩種加熱方式被加熱①是微波發生器產生的微波以熱輻射的方式加熱油頁巖礦層35 ；②是微波發生器產生的微波以熱輻射的方式加熱縱向裂縫5中的微波強吸收介質，溫度升高後的微波強吸收介質又以熱傳導方式加熱周圍的油頁巖礦層35，兩種加熱方式可將油頁巖礦層很快加熱到 500°C以上。步驟220，有機質裂解生成油氣，油氣會通過微小裂縫滲流到橫向裂縫34中，當採油井33閥門打開時，由於採油井33井口壓力小於油頁巖礦層內部壓力，油氣會通過橫向裂縫向採油井33運移，最終通過採油井33排採到地面。本發明實施例的優點在於本發明實施例的方法是利用微波加熱，其屬於內部加熱方式，電磁能直接作用於介質分子轉換成熱，且透射性能使物料內外介質同時受熱，不需要僅靠熱傳導加熱油頁巖。油頁巖是微波弱吸收介質，本發明實施例通過對油頁巖礦層進行造縫，充填入微波強吸收介質，故能有效提高微波吸收效率，使油頁巖礦層升溫迅速，提高了油頁巖的開採效率，並降低了開採成本。實施例2 本發明實施例2提供了一種微波加熱地下油頁巖開採油氣的模擬實驗系統。本模擬實驗系統主要通過微波加熱油頁巖和微波強吸收介質，微波強吸收介質溫度升高後， 又以熱傳導方式加熱油頁巖，所以反應系統中是以熱輻射和熱傳導兩種方式相結合加熱油頁巖，利用該模擬實驗系統可以開展不同微波功率下，不同地區油頁巖微波開採的熱傳導規律和頁巖油採收率等情況，為不同地區微波加熱原位開採油頁巖工藝提供參數和開發思路。
如圖3所示，本發明實施例2的一種應用於實施例1的開採方法的模擬實驗系統包括微波加熱系統，用於利用微波加熱油頁巖和導出油頁巖的熱解產物，所述油頁巖包括填充有微波強吸收介質的縱向裂縫；收集測量系統，用於進行油頁巖的熱解產物的冷凝、收集和測量；計算機處理系統，用於執行溫度檢測和分析採集的數據；功率控制系統，用於控制微波產生功率的大小；其中，所述功率控制系統、所述收集測量系統和所述計算機處理系統分別與所述微波加熱系統相連。作為優選的實施例，上述功率控制系統與上述微波加熱系統中的微波發生器通過數據線相連，上述微波加熱系統中的油氣導出管與上述收集測量系統相連，上述微波加熱系統中的溫度檢測器通過數據線與上述計算機處理系統相連。後文會詳細描述，在此暫不展開詳述。具體地，計算機處理系統包括計算機數據處理軟體和數據的輸入輸出設備(如鍵
) ο圖4是本發明實施例2中微波加熱系統、收集測量系統的結構示意圖；圖5是圖4 中沿A-A』線的旋轉剖視圖。結合參閱圖4-圖5，具體地，上述微波加熱系統包括微波發生器1、微波導入管2、微波波導管3、微波發射孔4、充填有微波強吸收介質的縱向裂縫5、反應釜體6、保溫層或保溫筒體7、溫度檢測器(8、9、10、11)、上封頭12、上、下油氣出口(13、22) 和油氣導出管14、23。上述反應釜體6帶有蓋子28，由所述上封頭12進行密封，所述反應釜體6的蓋子觀上和釜體底部各有一出油氣口 13、22，分別與油氣導出管14、23相連。上述微波導入管2、上述溫度檢測器(8、9、10、11、29、30、31、32)、所述油氣導出管14分別卡在所述蓋子觀上。進一步地，如圖4所示，該反應釜體6外部套接著保溫筒體7，增加了該加熱裝置的保溫性能，降低了能耗。進一步地，該反應釜體6與該蓋子觀之間設置密封圈，增強了實驗的效果。進一步地，如圖5所示，本實施例中，該微波導入管2的數量為一個，該溫度檢測器的數量可選地為八個。分隔設置過圓心的「十」字線上，用於分別監控油頁巖巖心中不同位置的溫度變化情況，將溫度變化情況進行時時記錄，並傳輸至計算機處理系統。具體地，如圖4所示，該收集測量系統包括壓力傳感器15和壓力數顯儀16，套管式冷凝器17、24，氣液分離器18，氣體質量流量計21和電子天平20 J6和液體收集罐19、 25。該壓力傳感器15和壓力數顯儀16與微波加熱系統中的油氣導出管14相連，該套管式冷凝器17J4分別與微波加熱系統中的油氣導出管14、23連接，該冷凝器17出口連接該氣液分離器18，氣液分離器18分別與氣體質量流量計21和液體收集罐19相連，該冷凝器M 出口與液體收集罐25相連，液體收集罐19、25分別放置在該電子天平20 J6上，下套管式冷凝器M連接下液體收集罐25。進一步地，如圖4所示，本實施例中，設有壓力傳感器15和壓力數顯儀16，用於檢測反應釜體6內的壓力變化情況。以下描述本發明實施例該模擬實驗裝置的工作過程及原理
如圖5所示，在油頁巖巖心相應位置鑽好微波波導管3的孔位、溫度檢測器8、9、 10、11、29、30、31、32的孔位，分別在溫度檢測器8和9及10和11之間位置把油頁巖剖開， 填充微波強吸收介質。將該油頁巖巖心裝入反應釜體6中，蓋好蓋子觀並進行密封，然後將微波波導管3、溫度檢測器8、9、10、11、29、30、31、32插入對應位置，把功率控制系統、微波加熱系統、收集測量系統和計算機處理系統連接好，打開電源，開始利用微波加熱。油頁巖礦層和微波強吸收介質溫度開始升高，微波強吸收介質的溫度上升的要比油頁巖礦層迅速，溫度快速升高的微波強吸收介質會以熱傳導的方式加熱油頁巖礦層，在兩種加熱方式共同作用下，油頁巖礦層溫度會很快上升到裂解溫度。反應產物頁巖油以氣體形式由油氣導出口 13排出，以液體形式於油氣導出口 22排出，然後經套管式冷凝器1734冷凝，經冷凝器17出來的油氣進入氣液分離器18，氣體經氣體質量流量計21排出，液體直接排入液體收集罐19，經冷凝器M出來的液體直接排入液體收集罐25。本發明實施例所述的模擬實驗系統，能夠完成以下兩方面的工作(1)模擬不同功率條件下微波加熱進行熱傳導的效果；(2)模擬添加不同微波強吸收介質提高油頁巖熱解產物採收率的效果。依據上述原理及結構設計，在XX分院建立了一臺微波加熱地下油頁巖開採油氣的模擬實驗系統，通過對遼寧撫順油頁巖成功開展了不同功率條件下微波加熱進行熱傳導效果模擬實驗和添加不同微波吸收劑提高油頁巖熱解產物採收率的實驗，並對實驗結果進行了研究，結果發現微波加熱油頁巖時，起先溫度上升很快，但後期溫度上升非常慢，最後溫度停留在400°C左右，沒有完全達到油頁巖裂解溫度，加入微波強吸收劑以後溫度上升明顯加快，頁巖油的採收率從原來的39. 4%增加至69. 3% ；主要因為油頁巖礦層和微波強吸收介質溫度同時升高，微波強吸收介質的溫度上升的要比油頁巖礦層迅速多，微波強吸收介質最高溫度能達到800°C左右，溫度快速升高的微波強吸收介質會以熱傳導的方式加熱油頁巖礦層，在兩種加熱方式共同作用下，油頁巖礦層溫度會很快上升到裂解溫度。由此可見，本發明實施例所述模擬實驗系統，可以對不同地區的油頁巖進行實驗研究。可以開展不同功率條件下、不同微波吸收介質條件下，不同地區油頁巖微波加熱時的熱傳導規律和頁巖油採收率情況，建立評價標準。通過注吸收介質微波加熱油頁巖實驗研究，可以分析同一實驗條件下注與不注微波吸收介質對油頁巖熱傳導和頁巖油採收率的影響，研究不同功率條件下，注入與不注吸收介質對油頁巖熱傳導和頁巖油採收率的影響，最終優化不同地區微波加熱工藝參數和開發思路。即開展地下乾餾開採油頁巖實驗，對於加快地下乾餾開採油頁巖開發的步伐及實現地下油頁巖開採生產具有良好的推廣應用前景。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種微波加熱地下油頁巖開採油氣的方法，其特徵在於，所述方法包括對地下油頁巖礦層進行水平造縫和垂直造縫，分別生成橫向裂縫和縱向裂縫，在生成的縱向裂縫中注入微波強吸收介質；對所述油頁巖礦層和所述微波強吸收介質進行直接微波輻射加熱，並使得溫度升高的微波強吸收介質傳導加熱所述油頁巖礦層，以及使得生成的油氣通過所述橫向裂縫導出。
2.根據權利要求1所述的微波加熱地下油頁巖開採油氣的方法，其特徵在於，所述對地下油頁巖礦層進行水平造縫和垂直造縫，分別生成橫向裂縫和縱向裂縫，在生成的縱向裂縫中注入微波強吸收介質，包括在地下的油頁巖礦層中生成多條水平方向的橫向裂縫；鑽加熱井和採油井，在所述加熱井和所述採油井之間，縱向壓裂所述油頁巖礦層以生成至少一條縱向裂縫，將微波強吸收介質注入所述縱向裂縫中；所述對所述油頁巖礦層和所述微波強吸收介質進行直接微波輻射加熱，並使得溫度升高的微波強吸收介質傳導加熱油頁巖礦層，以及使得生成的油氣通過所述橫向裂縫導出， 包括利用微波加熱所述油頁巖礦層和所述微波強吸收介質，使得所述微波強吸收介質溫度升高後以熱傳導方式加熱周圍的油頁巖礦層，熱解乾酪根，生成油氣，所述油氣通過所述橫向裂縫導出至所述採油井並排出至地面。
3.根據權利要求2所述的微波加熱地下油頁巖開採油氣的方法，其特徵在於，所述利用微波加熱所述油頁巖礦層和所述微波強吸收介質，包括利用微波發生器產生的微波以熱輻射的方式加熱所述油頁巖礦層；以及， 利用微波發生器產生的微波以熱輻射的方式加熱所述微波強吸收介質，使得溫度升高後的微波強吸收介質又以熱傳導方式加熱周圍的油頁巖礦層。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的微波加熱地下油頁巖開採油氣的方法，其特徵在於，所述微波強吸收介質包括油頁巖半焦、石墨或者人工合成微波吸收介質。
5.一種微波加熱地下油頁巖開採油氣的模擬實驗系統，其特徵在於，所述模擬實驗系統包括微波加熱系統，用於利用微波加熱油頁巖和導出所述油頁巖的熱解產物，所述油頁巖包括填充有微波強吸收介質的縱向裂縫；收集測量系統，用於進行所述油頁巖的熱解產物的冷凝、收集和測量； 計算機處理系統，用於執行油頁巖溫度檢測和分析採集的數據； 功率控制系統，用於控制微波產生的功率；其中，所述功率控制系統、所述收集測量系統和所述計算機處理系統分別與所述微波加熱系統相連。
6.根據權利要求5所述的模擬實驗系統，其特徵在於，所述微波加熱系統包括微波發生器、微波導入管、波導管、反應釜體、油氣導出管和溫度檢測器；所述反應釜體帶有蓋子， 所述蓋子和所述反應釜體以封頭進行密封，所述波導管上有微波發射孔，便於微波導出，所述波導管、所述油氣導出管和所述溫度檢測器分別卡在所述蓋子上，並進行了密封。
7.根據權利要求6所述的模擬實驗系統，其特徵在於，所述反應釜體外部套接著保溫筒體。
8.根據權利要求6所述的模擬實驗系統，其特徵在於，所述波導管位於所述反應釜體中央，所述反應釜體的底部和上部分別設置有與所述油氣導出管相連的油氣導出口。
9.根據權利要求6所述的模擬實驗系統，其特徵在於，所述溫度檢測器包括多個熱電偶。
10.根據權利要求9所述的模擬實驗系統，其特徵在於，所述多個熱電偶平均分布在以所述波導管為中心的十字形的四個分支上。
11.根據權利要求6所述的模擬實驗系統，其特徵在於，所述反應釜體與所述蓋子之間設置有密封圈。
12.根據權利要求6所述的模擬實驗系統，其特徵在於，所述功率控制系統與所述微波加熱系統中的微波發生器通過數據線相連，所述微波加熱系統中的油氣導出管與所述收集測量系統相連，所述微波加熱系統中的溫度檢測器通過數據線與所述計算機處理系統相連。
13.根據權利要求5-12中任一項所述的模擬實驗系統，其特徵在於，所述收集測量系統包括上/下套管式冷凝器、氣液分離器、氣體流量計、上/下電子天平和上/下液體收集罐；所述上/下套管式冷凝器的進口與所述微波加熱系統中的上/下油氣導出管連接，所述上套管冷凝器出口連接所述氣液分離器，所述氣液分離器的液相出口接入所述上液體收集罐，所述氣液分離器的氣相出口與所述氣體流量計相連，所述上/下液體收集罐分別設置在所述上/下電子天平上，所述下套管式冷凝器連接所述下液體收集罐。
14.根據權利要求5-12中任一項所述的模擬實驗系統，其特徵在於，所述微波強吸收介質包括油頁巖半焦、石墨或者人工合成微波吸收介質。
15.根據權利要求5-12中任一項所述的模擬實驗系統，其特徵在於，所述縱向裂縫為通過對所述油頁巖進行水力壓裂而生成。
全文摘要
本發明實施例提供了一種微波加熱地下油頁巖開採油氣的方法及其模擬實驗系統，該方法包括對地下油頁巖礦層進行水平造縫和垂直造縫，分別生成橫向裂縫和縱向裂縫，在生成的縱向裂縫中注入微波強吸收介質；對所述油頁巖礦層和所述微波強吸收介質進行直接微波輻射加熱，並使得溫度升高的微波強吸收介質傳導加熱所述油頁巖礦層，以及使得生成的油氣通過所述橫向裂縫導出。本發明實施例的方法利用微波加熱，並通過對油頁巖礦層進行造縫，填充入微波強吸收介質，故能有效提高微波吸收效率，使油頁巖礦層升溫迅速，提高油頁巖的油氣開採效率。
文檔編號E21B43/24GK102261238SQ201110231169
公開日2011年11月30日 申請日期2011年8月12日 優先權日2011年8月12日
發明者劉人和, 姚建軍, 崔思華, 方朝合, 李小龍, 王義鳳, 王盛鵬, 王紅巖, 葛稚新, 薛華慶, 鄭德溫 申請人:中國石油天然氣股份有限公司