本發(fā)明涉及一種油頁巖原位開采技術(shù)，特別涉及一種油頁巖原位催化氧化法提取頁巖油氣的方法。

背景技術(shù)：

目前油頁巖的轉(zhuǎn)化技術(shù)主要包括地表干餾技術(shù)和地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)兩種。

地表干餾技術(shù)是指將油頁巖礦產(chǎn)從地表或者地下進行剝離開采、輸送、處理、提煉的過程。主要方式是在干餾爐內(nèi)干餾制取頁巖油，進一步加工成輕質(zhì)油品以及多種化工產(chǎn)品。雖然這種技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是存在很多問題，如能量利用率低、占地面積大、成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重等。

地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)是指對埋藏于地下的油頁巖直接在地下原位加熱，再將產(chǎn)出的油氣采出到地面進行分離和深加工的工藝手段。與地上干餾技術(shù)相比油頁巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)存在油頁巖轉(zhuǎn)化率高，占地面積小，環(huán)境污染小，適用于開采深層、高厚度的油頁巖資源等優(yōu)勢。但油頁巖的原位轉(zhuǎn)化并沒有大量投入生產(chǎn)，其中主要的兩個因素是油頁巖原位加熱需要加的熱成本高和油頁巖裂解反應(yīng)緩慢。而現(xiàn)在又沒有一種經(jīng)濟可靠的加熱技術(shù)可以使加熱過程可以降低反應(yīng)所需的溫度，加快油頁巖裂解反應(yīng)，降低成本。因此，一種可以降低油頁巖反應(yīng)所需最低溫度，并可以加快油頁巖裂解反應(yīng)速率的技術(shù)是非常有必要的。

目前較常見的油頁巖原位物理加熱位裂解技術(shù)主要包括三種：a、電加熱技術(shù)；b、對流加熱技術(shù)；c、輻射及熱技術(shù)。

殼牌石油公司所應(yīng)用的ICP轉(zhuǎn)化技術(shù)是一種電加熱技術(shù)。具體是在井中安裝加熱棒，利用加熱棒產(chǎn)生的熱量促使油頁巖裂解。ICP技術(shù)存在一些缺點，如：加熱元件的功率小；溫度損失大；加熱效率低；生成的油氣很難移動，回收率較低等。

太原理工大學(xué)提出一種對流加熱技術(shù)。具體是在地面設(shè)置群井，進行壓裂連通后向油頁巖層通入400～700℃高溫?zé)N類氣體以對流方式加熱地下油頁巖層，使油頁巖裂解。此方法需要大量熱，能量利用率較低且成本較高。

LawrenceLivermore國家實驗室(LLNL)提出利用無線射頻方式加熱頁巖的技術(shù)。此技術(shù)屬于輻射加熱技術(shù)，具體是在油頁巖地層鉆水平井用來加強地下油頁巖的受熱體積，使電波在巖層中平行傳播，雖然這種射頻技術(shù)加熱穿透力強，加熱速度較快，但是其技術(shù)難度較大，成本昂貴。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有油頁巖原位加熱需要加的熱成本高和油頁巖裂解反應(yīng)緩慢以及能量利用率低、占地面積大、成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，而提供的一種可以降低油頁巖裂解最低溫度，加快油頁巖裂解速率，降低頁巖油、氣開采成本的油頁巖原位催化氧化法提取頁巖油氣的方法。

本方法主要采用豎井射孔或者水平井進行水力壓裂人工造縫，將具有特定比例的支撐劑和催化劑混合均勻后隨壓裂液一同被壓入地層裂隙中，使其充滿整個壓裂區(qū)。然后通過注入熱混合氣體對油頁巖進行初步加熱。本發(fā)明中所述的催化劑不僅可以降低油頁巖裂解所需的最低溫度，還可以加快油頁巖裂解反應(yīng)的速率，同時并不影響頁巖油的品質(zhì)。該方法是一種利用催化劑降低反應(yīng)的最低溫度并通過自催化氧化進行油頁巖原位裂解的技術(shù)，可以實現(xiàn)油頁巖裂解的能量最低化，以及能量的自給和最大利用。

本發(fā)明包括以下步驟：

(1)鉆數(shù)口注熱井和生產(chǎn)井至目標(biāo)油頁巖層。

(2)利用豎井射孔或打水平井進行水力壓裂人工造縫，造縫時將支撐劑和催化劑按照一定體積比混合均勻后隨壓裂液一起壓入地下縫隙中，使支撐劑和催化劑充滿整個壓裂區(qū)。

(3)通過注熱井向油頁巖層注入熱的混合氣體對油頁巖層進行加熱，使油頁巖層溫度達到200℃。

(4)當(dāng)油頁巖層溫度達到一定范圍時，停止對混合氣體加熱，繼續(xù)向油頁巖層通入常溫的混合氣體。

(5)開采頁巖油氣，在地面進行分離和處理。

所述的壓裂方式可以選擇豎井射孔水力壓裂或者水平井大規(guī)模水力壓裂。

所述的催化劑和支撐劑的體積比為1：1000至6：1000。

所述的催化劑可以選擇的鈀/釕含量為1％～3％的鈀/釕/碳催化劑，催化還可以選擇鉑/釕含量為1％～3％的鉑/釕/碳催化劑。

所述的用來加熱油頁巖層的混合氣體組分為氧氣、氮氣、烴類氣體、氫氣等混合物，混合氣體的組分可根據(jù)反應(yīng)的不同階段的需要進行調(diào)節(jié)。

所述的油頁巖層溫度升高到300℃時，停止對混合氣體加熱。

本發(fā)明適用于不同埋深不同層厚的油頁巖原位開采；同時本發(fā)明也可以應(yīng)用于群井開采、雙井開采、單井開采及水平井開采等多種油頁巖原位開采方式中。

所述催化劑的粒徑為所屬領(lǐng)域常規(guī)范圍即可，支撐劑的粒徑范圍可根據(jù)壓裂實際情況選擇。

本發(fā)明中油頁巖裂解反應(yīng)初期產(chǎn)生的烴類氣體，甲烷、水蒸氣等可以在鈀/釕/碳催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，降低油頁巖裂解所需的最低溫度。

本發(fā)明所使用的鈀/釕/碳催化劑可以使油頁巖裂解的最低溫度可以降低到200℃。

本發(fā)明使用的鈀/釕/碳催化劑可以與混合氣體作用加快油頁巖裂解的速率，并增加油頁巖內(nèi)部的空隙率。

本發(fā)明中油頁巖層預(yù)熱時裂解產(chǎn)生的氣體隨混合氣體加熱后一起循環(huán)進入油頁巖層中參與催化氧化反應(yīng)。

本發(fā)明中通過控制混合氣體的百分比，流量、壓力等參數(shù)，把地層溫度控制在一定溫度之間。

本發(fā)明中油頁巖裂解產(chǎn)生的高溫氣體可以經(jīng)過抽取循環(huán)進入新的開采區(qū)域，對新的開采區(qū)域進行加熱，可以提高能量利用率。

本發(fā)明可以用于低滲透的固態(tài)或凝態(tài)需要加熱處理的礦物，如油頁巖原位開采、煤炭氣化等。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明可以使催化劑隨壓裂液填充到整個油頁巖壓裂區(qū)裂隙內(nèi)，增大了催化劑的作用范圍，增強了催化劑的催化作用效果。

(2)本發(fā)明中油頁巖在裂解過程中由于催化劑作用可以使油頁巖孔隙率大幅度增加，為油頁巖的充分反應(yīng)提供條件。

(3)本發(fā)明可以使油頁巖原位裂解時在催化劑的作用下降低油頁巖裂解所需的最低溫度由350℃降低至200℃。同時，催化劑還可以加快油頁巖裂解的反應(yīng)速率。從而提高油頁巖原位開采的能量利用率和反應(yīng)所需要的時間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的雙井開采模式示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例的水平井開采模式示意圖。

具體實施方式

請參閱圖1所示，為本發(fā)明的第一實施例，其布井模式為雙井形式，其具體實施方式如下:

某地油頁巖埋深為65m～75m，平均含油率為6％，含水率為4％，含固定碳21％，頂板和底板均為致密頁巖。具體實施步驟如下:

(1)鉆完井

a.根據(jù)油頁巖分布和走向，采用先進鉆井技術(shù)鉆至少一口注氣井1和生產(chǎn)井2至目標(biāo)油頁巖層深度為77m，注氣井1和生產(chǎn)井2采用相同的井深結(jié)構(gòu)。

b.在注熱井1中建立壓裂室，并在注熱井1的套管的66m～74m段每隔一米向生產(chǎn)井2的方向射孔，然后通過具有一定粘度的大排量壓裂液進行人工造縫。使注熱井1和生產(chǎn)井2之間形成混合氣體、油、水等物質(zhì)可以通過的通道。

c.將體積比為1:1000的催化劑11和支撐劑12的混合物均勻的壓入油頁巖地層的裂隙中，使二者充滿整個裂隙區(qū)域。

d.在注熱井1和生產(chǎn)井2井底澆注80～120cm的耐高溫水泥底座，并下入耐高溫的不銹鋼花管至水泥底座內(nèi)。將注熱井1和生產(chǎn)井2的同軸套管上包裹納米保溫材料，用來阻止井內(nèi)管道與外界進行換熱。

(2)安裝地面設(shè)施

a.將地面設(shè)備包括空壓機3，加熱換熱裝置4，分級冷卻裝置5，油水分離器6，重油儲油罐7，三相分離器8，輕油儲油罐9和廢水處理裝置13連接起來。

b.將加熱器換熱器4與注熱井1的進口及分級冷卻裝置5與生產(chǎn)井2的出口分別連接起來，并進行密封。

c.將加熱換熱裝置4至注熱井1的井口一段管道做好保溫措施。

(3)反應(yīng)階段

a.將氧氣、氮氣、烴類氣體、氫氣等混合物經(jīng)過空氣壓縮機3壓縮后通入換熱器4進行換熱，換熱器出口溫度設(shè)置為230℃，熱混合氣體經(jīng)過注熱井1輸送到油頁巖地層，對油頁巖進行加熱使油頁巖層溫度溫度達到200℃。

b.繼續(xù)加熱，當(dāng)油頁巖層溫度達到300℃時，由于催化劑的作用下混合氣體與油頁巖發(fā)生的催化氧化反應(yīng)迅速進行。此時，會產(chǎn)生大量的甲烷、烴類氣體此時通過調(diào)節(jié)注入氣體的壓力把地層壓力控制在一定范圍內(nèi)。油頁巖的裂解會放出大量熱，這部分熱量已經(jīng)足夠油頁巖繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。因此，停止對混合氣體的加熱，開始向地層中注入常溫的混合氣體。

c.油頁巖層溫度繼續(xù)升高時，通過控制混合氣體的流量、壓力等參數(shù)將油頁巖地層溫度控制在450℃～500℃。

(4)開采油氣及地表油氣處理工作

a.在整個加熱過程中混合氣體經(jīng)由注熱井1進入地層由裂隙通往生產(chǎn)井2，由于空壓機3的抽吸作用地下出來的混合氣體依次經(jīng)過分級冷卻裝置5、油水分離器6和三相分離器8再次回到壓縮機3，壓縮后再次循環(huán)回地層中參與反應(yīng)。

b.由生產(chǎn)井循環(huán)出來的油氣經(jīng)過冷卻裝置5進行分級冷卻。

c.冷卻后的混合物首先通入油水分離裝置6進行油水分離，分離后的重油儲存在重油儲油罐7中，剩余混合物繼續(xù)通入三相分離器8中，分離出的輕油儲存在輕油儲油罐9中。

d.三相分離器8分離出的氣體通過凈化再通過混合經(jīng)過壓縮機3壓縮后加熱通入地層重新利用。

e.步驟c及步驟d中分離出的廢水經(jīng)過廢水處理裝置13處理后再進行統(tǒng)一排放，以免造成環(huán)境污染。

請參閱圖2所示，為本發(fā)明的第二實施例，以水平井形式開采頁巖油氣，其具體實施方式如下:

某地油頁巖深度為78m～86m，其平均含油率為10％，含水率為4％，含固定碳21％，頂板和底板均為致密頁巖。具體實施步驟如下:

(1)鉆完井

a.采用先進鉆井技術(shù)在油頁巖層鉆兩口水平井，一口注熱井3和一口生產(chǎn)井8，兩口水平井的深度相同為82m，井距為25米。

b.在注熱井3中建立壓裂室，由注熱井3的水平方向向生產(chǎn)井8水平方向進行大規(guī)模水力壓裂人工造縫。使注熱井水平井3和生產(chǎn)井水平井8之間形成混合氣體、油、水等物質(zhì)可以通過的通道。

c.將體積比為4:1000的催化劑15和支撐劑16的混合物均勻的壓入油頁巖地層的裂隙中，使二者充滿整個裂隙區(qū)域。

d.豎井及水平井采用先進的完井技術(shù)。

(2)安裝地面設(shè)施

a.將地面設(shè)備包括空壓機1，加熱換熱裝置2，分級冷卻裝置9，油水分離器10，重油儲油罐11，三相分離器12，輕油儲油罐13和廢水處理裝置14按照正確連接方式連接起來。

b.將加熱器換熱器2與注熱井3的進口及分級冷卻裝置9與生產(chǎn)井8的出口分別連接起來，并進行密封。

b.將加熱換熱裝置2至注熱井3井口一段管道做好保溫措施。

(3)反應(yīng)階段

a.將氧氣、氮氣、烴類氣體、氫氣等混合物經(jīng)過空氣壓縮機1壓縮后通入換熱器2進行換熱，換熱器出口溫度設(shè)置為230℃，熱混合氣體經(jīng)過注熱井輸送到油頁巖地層，對油頁巖進行加熱使油頁巖層溫度溫度達到200℃。

b.繼續(xù)加熱，當(dāng)油頁巖層溫度達到300℃時，由于催化劑的作用下混合氣體與油頁巖發(fā)生的催化氧化反應(yīng)迅速進行。此時，會產(chǎn)生大量的甲烷、烴類氣體此時通過調(diào)節(jié)注入氣體的壓力把地層壓力控制在一定范圍內(nèi)。油頁巖的裂解會放出大量熱，這部分熱量已經(jīng)足夠油頁巖繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。因此，停止對混合氣體的加熱，開始向地層中注入常溫的混合氣體。

c.油頁巖層溫度繼續(xù)升高時，通過控制混合氣體的流量、壓力等參數(shù)將油頁巖地層溫度控制在450℃～500℃。

(4)開采油氣及地表油氣處理工作

a.在整個加熱過程中混合氣體經(jīng)由注熱井3進入地層由裂隙通往生產(chǎn)井8，由于空壓機1的抽吸作用地下出來的混合氣體依次經(jīng)過分級冷卻裝置9、油水分離器10和三相分離器12再次回到壓縮機1，壓縮后再次循環(huán)回地層中參與反應(yīng)。

b.由生產(chǎn)井8循環(huán)出來的油氣經(jīng)過分級冷卻裝置9進行分級冷卻。

c.冷卻后的混合物首先通入油水分離裝置10進行油水分離，分離后的重油儲存在重油儲油罐11中，剩余混合物繼續(xù)通入三相分離器12中，分離出的輕油儲存在輕油儲油罐14中。

d.三相分離器12分離出的氣體通過凈化再通過混合經(jīng)過壓縮機1壓縮后加熱通入地層重新利用。

e.步驟c及步驟d中分離出的廢水經(jīng)過廢水處理裝置13處理后再進行統(tǒng)一排放，以免造成環(huán)境污染。