一种开采薄夹层油页岩的方法与流程

本发明涉及一种油气开采技术，特别涉及一种开采薄夹层油页岩的方法。

背景技术：

油页岩指颗粒非常细、蕴含大量未成熟有机物或干酪根的沉积岩。可以通过对油页岩高温加热(350-500℃)而将未成熟的干酪根热解转换为液态烃。我国油页岩资源十分丰富，据国土资源部2005年委托吉林大学做的新一轮油气资源评价结果显示，我国油页岩资源折算成页岩油资源为476.44亿吨，页岩油可回收资源为119.79亿吨，仅次于美国，居世界第二位，主要分布在吉林的农安、桦甸和汪青的罗子沟，辽宁的抚顺，广东的茂名，山东的龙口和甘肃的窑街等地。与美国的油页岩地质特征相比，我国油页岩资源埋藏较深，油页岩平均厚度约为20-30m，且多夹有砂岩，泥岩等。而且相当一部分为含油率小于5％的贫矿，而含油率大于10％的富矿较少，主要介于5％-10％含油率的资源。

油页岩的开采方式分为地表干馏和原位开采两种。迄今为止，全球几乎所有从油页岩中提炼出的石油都是通过地表干馏，一般采用房柱法采煤技术通过露天采矿或地下采矿开采油页岩，然后把采出的矿石输送到干馏炉中，通过加热使其中的干酪根转化成液态烃，并将烃类馏分与矿物馏分分开。这种技术已有200多年历史，技术相对成熟，加热周期短，可以进行商业化开采。但这种技术也有较大的局限性，比如占地多；干馏后的残渣需要进行处理，浪费水资源；二氧化碳排放量大，对空气造成污染；同时需要对采矿区进行回填，否则容易造成地层塌陷；对于埋藏较深(大于400m)的油页岩资源无法用该技术进行开采。

原位开采是指通过对油页岩储层进行高温加热将油页岩中的固体干酪根转换为液态烃，再通过传统的石油天然气钻井采油工艺将液态烃从地下开采出来。自20世纪80年代开始，国外许多石油公司开始研究和发展了油页岩原位开采技术。根据加热方式不同,主要分为电加热，流体对流加热，辐射加热等。

电加热技术的典型代表是壳牌的ICP技术和埃克森美孚上游公司的 Electrofrac技术，并分别都在美国和中国申请了专利。但电加热技术成本较高；而且井下加热器容易出现故障，不易修理；由于岩石是热的不良导体，所以加热周期很长，一般都需要2-4年；对油页岩的含油率和油页岩的单层厚度要求很高，在我国很难找到适合该技术的高品位油页岩储层。

流体加热技术的典型代表是雪佛龙的CRUSH技术及美国页岩油公司的CCR技术，也分别在美国和中国申请了相关的专利。流体加热技术的核心是要形成有效的热连通，但无论是雪佛龙的碎石化技术，还是美国页岩油公司所谓的机械压裂方式，对于薄层，夹层多的油页岩储层很难形成足够的裂缝，并且注入的普通水蒸汽很难达到干酪根热解所需的温度。

辐射加热技术的典型代表是美国雷神公司提出的射频微波加热RF/CF技术，采用射频及注入超临界二氧化碳来加热油页岩储层到裂解温度，但由于油页岩本身是一种微波弱吸收介质，同样存在升温速度慢，加热效率低等不足。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提出了一种开采薄夹层油页岩的方法，其包括以下步骤：

步骤一：从油页岩分布区域的地表向下设置第一完井井筒和第二完井井筒，第一完井井筒和第二完井井筒均贯穿同一油页岩层；

步骤二：采用人工压裂的方法，在油页岩层中均形成连通第一完井井筒与第二完井井筒的裂缝；

步骤三：向第一完井井筒中注入水蒸汽，从第二完井井筒中采集油气。

在一个具体的实施例中，第一完井井筒和第二完井井筒均穿过多层油页岩层，在均被第一完井井筒和第二完井井筒贯穿的多层油页岩层中形成裂缝。

在一个具体的实施例中，在步骤二中，对第一完井井筒和第二完井井筒分别进行人工压裂，以在均被第一完井井筒和第二完井井筒贯穿的油页岩层中从第一完井井筒延伸出的裂缝和从第二完井井筒延伸出的裂缝相互接通。

在一个具体的实施例中，人工压裂的方法包括以下步骤：

第一步：将第一完井井筒和第二完井井筒中的一个设置为目标井筒，

第二步：将目标井筒位于最下方且需要被压裂的油页岩层作为目标层；

第三步：对目标层进行水力喷砂射孔，以在目标层内形成垂直于目标井筒的 井壁的射孔孔眼；

第四步：向目标井筒内注入压裂液，以在目标层中从射孔孔眼处压裂出沿目标井筒的径向向外延伸的裂缝；

第五步：向目标井筒内填砂，目标井筒内的砂层没过目标层；

第六步：将第五步中目标层上方最接近的且需要被压裂的油页岩层设为新的目标层；

第七步：重复第三步至第六步，直至需要被压裂的油页岩层均被压裂，然后清除目标井筒内的填砂。

在一个具体的实施例中，方法还包括在步骤三后的步骤四，

步骤四：向第二完井井筒中注入水蒸汽，从第一完井井筒中采集油气。

在一个具体的实施例中，水蒸汽为过热水蒸汽。

在一个具体的实施例中，第一完井井筒和/或第二完井井筒采用隔热套管完井。

在一个具体的实施例中，在步骤三中，还向第一完井井筒注入催化剂，催化剂用于降低油页岩层中的干酪根的热解温度。

在一个具体的实施例中，催化剂包括氧化铝载体负载镍。

在一个具体的实施例中，第一完井井筒和第二完井井筒均为多个，多个第一完井井筒和多个第二完井井筒均匀分布在方格式的井网上，第一完井井筒将相邻的第二完井井筒分隔开来，第二完井井筒将相邻的第一完井井筒分隔开来。

在一个具体的实施例中，第一完井井筒和第二完井井筒均为套管完井井筒，

在所述步骤一之后和所述步骤二之前，还对第一完井井筒和第二完井井筒进行射孔。

在第一完井井筒和第二完井井筒之间的单层油页岩层中形成连通第一完井井筒和第二完井井筒的裂缝。向第一完井井筒注入水蒸汽，水蒸汽进入到该裂缝中。水蒸汽将热量带入到油页岩层中。油页岩层受热升温，当油页岩层中的温度达到油页岩层中的干酪根受热分解。干酪根受热分解成气态或液体的烃，这些烃被从第一完井井筒继续注入的水蒸汽或该水蒸汽的冷凝水带入到第二完井井筒中。这样就可以直接从第二完井井筒内采集这些烃，从而实现了对油页岩的开采。尤其是，水蒸汽的含热量大，采用水蒸气加热地层升温快，更环保。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示本发明的实施例1中对单个完井井筒进行分层压裂施工的示意图；

图2显示本发明的实施1中对油页岩层进行开采的示意图；

图3显示本发明的实施2中的井网的布局的示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1:

如图1所示，在油页岩分布区域中，油页岩储层距离地表500m。油页岩储层包括多层油页岩层以及多层砂岩层。多层油页岩层在竖直方向上依次层叠。在本实施例中，油页岩层的数量为三层，从下至上依次为底层油页岩层7、中层油页岩层6以及顶层油页岩层4。每层砂岩层5均位于相邻两层油页岩层之间，砂岩层5将相邻两层油页岩层分隔开来。油页岩层为薄夹层，油页岩层的单层厚度约为5m，平均含油率高达13％，全含水量为4％。对该油页岩储层中的油气的开采，包括以下步骤：

在油页岩分布区域内，从地表竖直向下钻取两口相互间隔的裸井，即第一裸井和第二裸井。第一裸井和第二裸井之间的距离为20m。第一裸井和第二裸井均贯穿所有的油页岩层。

对第一裸井进行完井施工形成第一完井井筒1。即向第一裸井中下入多个套管。在第一裸井内，多个套管依次连接，套管的外周壁均抵接于第一裸井的内周壁。多个套管支撑第一裸井，并将第一裸井的井壁与套管内的空间分隔开来。第一完井井筒1可以是套管完井井筒。

对第二裸井进行完井施工形成第二完井井筒2。即向第二裸井中下入多个套管。在第二裸井内，多个套管依次连接，套管的外周壁均抵接于第二裸井的内周壁。多个套管支撑第二裸井，并将第二裸井的井壁与套管内的空间分隔开来。第二完井井筒2可以是套管完井井筒。

分别对第一完井井筒1和第二完井井筒2进行人工压裂，以在每个油页岩层内形成可以连通第一完井井筒1和第二完井井筒2的裂缝8。该人工压裂方法优 选为连续油管填砂分层环空压裂工艺。

首先，对第一完井井筒1进行连续油管填砂分层环空压裂。向第一完井井筒1内下入井下工具3，井下工具3的上端连接连续油管。拉出连续油管可以将井下工具3向上提升，放入连续油管可以将井下工具3向下降低。井下工具3下降至第一完井井筒1的所贯穿的油页岩中的最底层(即底层油页岩层7)，将井下工具3中的喷射器的喷嘴对准底层油页岩层7。向连续油管中注入夹有砂子的射孔液，砂子和射孔液经过连续油管并从喷射器的喷嘴中喷出。射孔液和砂子形成的射流垂直于套管内壁(即井筒壁)。该射流慢慢贯穿套筒，然后在底层油页岩层7内形成垂直于井筒壁的射孔孔眼。该流束射向第二完井井筒2，这样形成的射孔孔眼向第二完井井筒2延伸。在此过程中，射孔液从连续油管和套管之间形成环空通道向上流动，从第一完井井筒1的井筒口流出。这样就完成了对最底层的油页岩层的水力喷砂射孔。

从第一完井井筒1的井筒口向第一完井井筒1和连续油管之间的环空通道内注入压裂液，该油页岩层被压裂并从第一完井井筒1的射孔孔眼处延伸出裂缝8。优选地，在注入压裂液的过程中，同时注入支撑剂。支撑剂可以撑住裂缝8，以避免裂缝8闭合。支撑剂优选为陶粒支撑剂，陶粒支撑剂耐高温高碱，在高温高碱条件下其破损率较低。将井下工具3提升后，向第一完井井筒1内填砂，直至井下的砂层没过底层油页岩层7。

依照对底层油页岩层7施工相近似的步骤，对中层油页岩层6进行压裂，即将井下工具3下入到第一完井井筒1内，井下工具3的喷射器的喷嘴对准中层油页岩层6。对中层油页岩层6进行水力喷砂射孔，在中层油页岩层6中形成射孔孔眼，该射孔孔眼垂直于井筒内壁且向第二完井井筒2延伸。再注入压裂液，将中层油页岩层6压裂，裂缝8从射孔孔眼向背离射孔孔眼的方向延伸。优选地，在注入压裂液的同时，向第一完井井筒1内注入支撑剂。最后，将井下工具3提升，然后向第一完井井筒1内填砂，直至砂子没过中层油页岩层6。

依照对底层油页岩层7施工相近似的步骤，对顶层油页岩层4进行压裂，即将井下工具3下入到第一完井井筒1内，井下工具3的喷射器的喷嘴对准顶层油页岩层4。对顶层油页岩层4进行水力喷砂射孔，在顶层油页岩层4中形成射孔孔眼，该射孔孔眼垂直于井筒内壁且向第二完井井筒2延伸。再第一完井井筒1内注入压裂液，将顶层油页岩层4压裂，裂缝8从射孔孔眼向背离射孔孔眼的方 向延伸。优选地，在向第一完井井筒1内注入压裂液的同时，向第一完井井筒1内注入支撑剂。

对第一完井井筒1进行连续油管填砂分层环空压裂最后一步为对第一完井井筒1进行清砂，将第一完井井筒1内的砂子清除出第一完井井筒1。具体为向第一完井井筒1内下入冲砂工具串，冲砂工具串向下喷射出液体，这些液体将砂子带出第一完井井筒1。

然后，对第二完井井筒2进行连续油管填砂分层环空压裂。对第二完井井筒2进行连续油管填砂分层环空压裂。向第二完井井筒2内下入井下工具3，井下工具3的上端连接连续油管。拉出连续油管可以将井下工具3向上提升，放入连续油管可以将井下工具3向下降低。井下工具3下降至第二完井井筒2的所贯穿的油页岩中的最底层(即底层油页岩层7)，将井下工具3中的喷射器的喷嘴对准底层油页岩层7。向连续油管中注入夹有砂子的射孔液，砂子和射孔液经过连续油管并从喷射器的喷嘴中喷出。射孔液和砂子形成的射流垂直于套管内壁(即井筒壁)。该射流慢慢贯穿套筒，然后在底层油页岩层7内形成垂直于井筒壁的射孔孔眼。该流束射向第一完井井筒1，这样形成的射孔孔眼向第一完井井筒1延伸。在此过程中，射孔液从连续油管和套管内壁之间形成环空通道向上流动，从第二完井井筒2的井筒口流出。这样就完成了对最底层的油页岩层的水力喷砂射孔。

从第二完井井筒2的井筒口向第二完井井筒2和连续油管之间的环空通道内注入压裂液，该油页岩层被压裂并从第二完井井筒2的射孔孔眼处延伸出裂缝8，直到该裂缝8与在底层油页岩层中且从第一完井井筒1延伸出的裂缝8相互连通。优选地，在注入压裂液的过程中，同时注入支撑剂。支撑剂可以撑住裂缝8，以避免裂缝8闭合。支撑剂优选为陶粒支撑剂，陶粒支撑剂耐高温高碱，在高温高碱条件下其破损率较低。将井下工具3提升后，向第二完井井筒2内填砂，直至井下的砂层没过底层油页岩层7。

依照对底层油页岩层7施工相近似的步骤，对中层油页岩层6进行压裂，即将井下工具3下入到第二完井井筒2内，井下工具3的喷射器的喷嘴对准中层油页岩层6。对中层油页岩层6进行水力喷砂射孔，在中层油页岩层6中形成射孔孔眼，该射孔孔眼垂直于井筒内壁且向第一完井井筒1延伸。再向第二完井井筒2内注入压裂液，将中层油页岩层6压裂，裂缝8从射孔孔眼向背离射孔孔眼的 方向延伸，直到该裂缝8与在中层油页岩层6中且从第一完井井筒1延伸出的裂缝8相互连通。优选地，在注入压裂液的同时，向第二完井井筒2内注入支撑剂。最后，将井下工具3提升，然后向第二完井井筒2内填砂，直至砂子没过中层油页岩层6。

依照对底层油页岩层7施工相近似的步骤，对顶层油页岩层4进行压裂，即将井下工具3下入到第二完井井筒2内，井下工具3的喷射器的喷嘴对准顶层油页岩层4。对顶层油页岩层4进行水力喷砂射孔，在顶层油页岩层4中形成射孔孔眼，该射孔孔眼垂直于井筒内壁且向第一完井井筒1延伸。再向第二完井井筒2内注入压裂液，将顶层油页岩层4压裂，裂缝8从射孔孔眼向背离射孔孔眼的方向延伸，直到该裂缝8与在顶层油页岩层中且从第一完井井筒1延伸出的裂缝8相互连通。优选地，在向第二完井井筒2内注入压裂液的同时，向第二完井井筒2内注入支撑剂。

对第二完井井筒2进行连续油管填砂分层环空压裂最后一步为对第二完井井筒2进行清砂，将第二完井井筒2内的砂子清除出第二完井井筒2。具体为向第二完井井筒2内下入冲砂工具串，冲砂工具串向下喷射出液体，这些液体将砂子带出第二完井井筒2。

采用连续油管填砂分层环空压裂的方法对第一完井井筒1和第二完井井筒2进行分层压裂的好处在于：井下工具简单，施工风险小；连续油管始终保持在施工层位以上，不易砂卡；压裂结束后，完井井筒保持大的通径，方便对完井井筒进行二次改造；不受油页岩储层的深度的限制；在施工过程中即便堵砂，也可以利用连续油管进行冲砂解堵，施工的安全性高；在对薄夹层的油页岩层进行压裂时，容易控制，不会压穿相邻油页岩层之间的砂岩层。

对第一完井井筒1和第二完井井筒2进行分层压裂后，向第一完井井筒1内注入温度450-550℃的水蒸汽，然后从第二完井井筒2内采集气态和/或液态烃(以下简称油气)。优选地，上述水蒸汽为过热水蒸汽，过热水蒸汽沿第一完井井筒1和裂缝8输送过程中热量损耗小，同时，凝结水少，水蒸汽能更快地进入到裂缝8，这样热效率提高。更优选地，向第一完井井筒1内注入水蒸汽的同时，还向第一完井井筒1注入催化剂，催化剂用于降低干酪根的热解温度。更优选地，催化剂包括氧化铝载体负载镍，这样能有效的降低油页岩内的干酪根的热解温度。氧化铝表面酸性与所负载的镍构成双功能催化剂，在油页岩催化裂解过程中， 酸性位对裂解产生很重要的促进作用，因为油页岩热解反应物在催化剂表面反应生成大分子，而氧化铝载体的酸性位上又可以发生二次反应，这对油页岩产物的分布起很重要的作用。该催化剂在300-450℃的温度条件下能使油页岩中的烃类有机大分子中的大部分断链成碳数在C25以下的小分子。从而将干酪根的热解温度降低10％左右，同时能提高油气转换率10-20％。更优选地，氧化铝载体负载镍与过热水蒸汽的质量比的范围优选为1:(50-100)。

优选地，对从第二完井井筒2中采集到的油气进行油水分离。将分离出的水进行加热成水蒸气，然后注入到第一完井井筒1中进行循环利用。

优选地，第一完井井筒1和第二完井井筒2中下入的套管为真空隔热套管。采用真空隔热套管完井的第一完井井筒1和第二完井井筒2在注入水蒸汽的过程中，水蒸汽的热量损失小，更节能。

优选地，从第二完井井筒2中采集油气进行一段时间后，将第一完井井筒1和第二完井井筒2的功能进行互换。即向第二完井井筒2中注入水蒸气，从第一完井井筒1中采集油气。这样能将地下油页岩层中的资源进行充分开采。

优选地，注入水蒸气的压力小于注入压裂液的压力。这样可以防止两层相邻的油页岩层之间的砂岩被压裂开来，从而避免油气进入到砂岩中。

实施例2:

在实施例2中对多层的薄夹层油页岩的开采方法与在实施例1中对多层的薄夹层油页岩的开采方法不同之处在于，在实施例2中的油页岩分布区域内设置有多个第一完井井筒1和多个第二完井井筒2。为简洁起见，下面仅介绍多个第一完井井筒1和多个第二完井井筒2的位置，及其有益效果。

图3示意性地表示出了多个第一完井井筒1和多个第二完井桶分布的井网。该井网呈棋盘式的网格结构。多个第一完井井筒1和多个第二完井井筒2呈矩阵式均匀分布在油页岩分布区域内的井网上。第一完井井筒1将相邻两个第二完井井筒2分隔开来。每个第一完井井筒1位于其相邻的四个第二完井井筒2之间。每个第二完井井筒2位于其相邻的四个的第一完井井筒1之间。这样布井的好处在于油页岩分布区域内的油页岩层中的资源均能够完全的被开采出来。

本发明中，薄夹层油页岩是指单层油页岩层厚度在3-10m范围内且相邻两个 油页岩层之间的距离范围在2-5m内的油页岩储层。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。