汪友平 王益維 孟祥龍 蘇建政 龍秋蓮 高媛萍

（中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

流體加熱方式原位開采油頁巖新思路

汪友平 王益維 孟祥龍 蘇建政 龍秋蓮 高媛萍

（中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

油頁巖原位開采技術(shù)是未來進(jìn)行油頁巖大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的必然趨勢，其中，流體加熱技術(shù)因加熱速度快、可充分利用干餾氣、技術(shù)相對成熟等優(yōu)點而被廣泛關(guān)注。針對目前國內(nèi)外油頁巖原位開采流體加熱技術(shù)存在的一些問題，提出了一種流體加熱新思路，即采用水平井分段壓裂和過熱蒸汽輔助重力驅(qū)組合技術(shù)開發(fā)埋藏較深（300～1 000 m）的油頁巖資源，其主要原理是通過在水平井分段壓裂形成的復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫中注入高溫過熱蒸汽加熱油頁巖儲層，并逐漸將干酪根裂解轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴，產(chǎn)生的液態(tài)烴在重力作用下通過裂縫流入生產(chǎn)井，然后通過常規(guī)方法采出。以山東龍口黃縣盆地油頁巖為例，提出了新流體加熱技術(shù)設(shè)計方案，對今后進(jìn)行先導(dǎo)試驗有著重要的參考價值。

油頁巖；原位開采；流體加熱技術(shù)；水平井分段壓裂；過熱蒸汽輔助重力驅(qū)

油頁巖是一種致密薄片狀的、顆粒非常細(xì)的、蘊含大量未成熟有機物或干酪根的沉積巖，通過高溫加熱（大于300 ℃，一般為350～500 ℃）能將未成熟的干酪根熱解轉(zhuǎn)換為液態(tài)烴［1-4］。中國的油頁巖資源十分豐富，據(jù)國土資源部2005年委托吉林大學(xué)做的新一輪油氣資源評價結(jié)果，全國油頁巖資源折算成頁巖油資源為476.44×108t，僅次于美國，居世界第2位［5］。作為中國未來重要的接替能源，針對中國優(yōu)質(zhì)油頁巖資源埋藏較深的特點，并考慮到地表干餾帶來的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題，油頁巖原位開采已成為未來油頁巖大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的必然趨勢。根據(jù)加熱方式不同，油頁巖原位開采主要分為電加熱、流體加熱、輻射加熱和燃燒加熱等。目前國內(nèi)外許多機構(gòu)都開展了有關(guān)流體加熱原位開采油頁巖技術(shù)研究，但這些技術(shù)都還存在一些問題，很難直接應(yīng)用于現(xiàn)場試驗。筆者提出了采用水平井分段壓裂和過熱蒸汽輔助重力驅(qū)組合技術(shù)開發(fā)埋藏較深油頁巖資源的新思路，該技術(shù)具有加熱速度快、高效性，可操作性強等優(yōu)點。

1 流體加熱技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題

流體對流加熱是指流體各部分之間發(fā)生相對位移，依靠冷熱流體互相摻混和移動所引起的熱量傳遞方式，當(dāng)流體與巖石表面接觸時，會發(fā)生對流換熱，對流的同時必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。由于油頁巖是熱的不良導(dǎo)體，直接利用熱傳導(dǎo)加熱速度十分緩慢，通過對流和傳導(dǎo)方式傳熱比僅通過傳導(dǎo)方式傳熱效率要高得多。目前國內(nèi)外主要研究利用對流加熱方式開采油頁巖的研發(fā)單位和開采技術(shù)如表1所示。

表1 各種流體加熱方式原位開采油頁巖技術(shù)

雪佛龍CRUSH技術(shù)首先用碎石化技術(shù)將油頁巖儲層巖石破碎成不連續(xù)的巖石塊，然后通過地表的壓縮機注入熱蒸汽（或二氧化碳）給地層進(jìn)行加熱，將其中的干酪根受熱轉(zhuǎn)化成油和氣，然后通過常規(guī)方法采出，如圖1所示。該工藝的主要技術(shù)特點是：（1）采用冷凍法或爆炸法的碎石化技術(shù)對儲層進(jìn)行改造以提高儲層的滲透率；（2）加熱速度快，加熱和生產(chǎn)同時進(jìn)行；（3）不連續(xù)的儲層也可以分層碎石化進(jìn)行儲層改造并加熱，對油頁巖資源進(jìn)行充分有效開發(fā)。公司于2005年申請了美國土地管理局的研究、開發(fā)與示范（RD&D）項目實驗區(qū)并開展了一系列鉆取巖心和水文測試井的先導(dǎo)試驗前期準(zhǔn)備工作，但并沒有開展真正意義上的現(xiàn)場試驗。該公司于2012年2月宣布退出RD&D項目，原因是他們認(rèn)為原位開采技術(shù)在短時間內(nèi)很難取得重大突破。

美國頁巖油公司建議采用傳導(dǎo)、對流和回流（CCR）工藝［7］開采頁巖油，通過集中加熱非滲透頁巖蓋層下面的頁巖，從而將產(chǎn)層和被保護地下水源隔離。其原理是鉆兩口水平井：1口加熱井和1口生產(chǎn)井，加熱井在生產(chǎn)井下面。熱量通過一個井下燃燒器供給，該燃燒器最終利用產(chǎn)出氣運轉(zhuǎn)。隨著干酪根的分解，輕質(zhì)組分上升，冷凝，然后流回地層，熱量通過回流油被分散到地層中，如圖2所示。通過熱機械壓裂方式形成了一定的滲透能力，從而使對流熱傳遞成為可能。該工藝的主要技術(shù)特點是：（1）加熱效率高，從理論上分析，通過對流和傳導(dǎo)方式傳熱比僅通過傳導(dǎo)方式傳熱效率要高得多；（2）加熱周期較短，加熱時間少于1年，而殼牌ICP電加熱技術(shù)或?？松梨贓lectrofrac技術(shù)一般需要加熱2～5年［8-9］。該公司也擁有美國土地管理局第1輪的RD&D項目實驗區(qū)，在初次試驗時，美國頁巖油公司改變了最初的CCR技術(shù)設(shè)計方案，而是采用直井作為生產(chǎn)井，斜井作為加熱井，在斜井中下方井下加熱器對儲層進(jìn)行加熱。井下加熱器還不夠成熟，在先導(dǎo)試驗中出現(xiàn)故障，不易修理，導(dǎo)致項目進(jìn)展中斷1年多。

圖1 雪佛龍的CRUSH技術(shù)示意圖［6］

圖2 美國頁巖油公司的CCR技術(shù)示意圖

其他的流體加熱技術(shù)目前都還只停留在基礎(chǔ)理論研究或室內(nèi)研究階段，技術(shù)本身還有待進(jìn)一步論證和完善，不然難以開展現(xiàn)場試驗，其中包括以色列亞洲集團的IIST-VTPC技術(shù)、美國 Petro Probe公司的Superheated Air技術(shù)、美國Mountain West Energy公司的原位蒸汽開采（IVE）技術(shù)和太原理工大學(xué)的MTI技術(shù)［10-11］。

上述流體加熱技術(shù)都存在如下一些問題：（1）如不進(jìn)行儲層改造，加熱初期蒸汽難以注入；（2）注入的熱蒸汽（空氣）能否達(dá)到油頁巖裂解所需的溫度（350～500 ℃）；（3）在高溫高腐蝕條件下對地面和完井設(shè)備要求很高，在現(xiàn)場難以滿足，目前稠油油藏蒸汽驅(qū)的最高溫度約為380 ℃；（4）未考慮到在高溫條件下巖石的塑性對儲層改造的影響，裂縫容易閉合。

2 新流體對流加熱技術(shù)路線

流體對流加熱技術(shù)能否成功的關(guān)鍵在于：（1）能否形成有效的熱連通；（2）能否使儲層達(dá)到油頁巖裂解所需的溫度；（3）能否減少在地面和井筒熱損失的同時，提高地面和井下設(shè)備在高溫、高腐蝕條件下的使用壽命并確保安全。針對這些問題，筆者提出了一種油頁巖原位開采流體對流加熱新思路，即采用水平井分段壓裂和過熱蒸汽輔助重力驅(qū)組合技術(shù)開發(fā)埋藏較深（300～1 000 m）的油頁巖資源，其主要原理是通過水平井分段壓裂形成的復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫中注入高溫過熱蒸汽產(chǎn)生圓盤加熱效應(yīng)，從而生成高效的蒸汽腔，注入的高溫過熱蒸汽加熱油頁巖儲層，并逐漸將干酪根裂解轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴，產(chǎn)生的液態(tài)烴在重力作用下通過裂縫流入生產(chǎn)井，然后通過常規(guī)方法采出，如圖3所示。

圖3 向分段壓裂水平井注入過熱蒸汽

2.1 水平井分段壓裂技術(shù)

油頁巖儲層滲透率極低，氣測滲透率約為 0.1～1 000 nD，如不進(jìn)行儲層改造，加熱初期過熱蒸汽難以注入，進(jìn)行水平井分段壓裂的主要目的是：一方面形成有效的熱連通，另一方面為生成的油氣提供進(jìn)入生產(chǎn)井的通道。借鑒頁巖氣開發(fā)的成功經(jīng)驗，對于油頁巖儲層改造的技術(shù)為：水平井套管完井+多段多簇射孔+快速可鉆式橋塞+滑溜水加線性膠復(fù)合壓裂?？紤]到水力壓裂結(jié)束后需要注入大量的高溫過熱蒸汽，所以支撐劑可選用耐高溫高堿的高強度陶粒支撐劑，減少其在高溫高堿條件的破損率；壓裂管柱選用壓裂、注汽一體化耐高溫隔熱管柱，充分利用井下設(shè)備，減少起下管柱的作業(yè)時間。

在油頁巖原位開采儲層改造過程中，筆者認(rèn)為還需進(jìn)一步研究如下問題：（1）裂縫的幾何尺寸，在埋藏較淺的儲層在壓裂過程中更易形成水平縫，如何讓其形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫來提高儲層改造的效果；（2）壓裂的段數(shù)、段間距、裂縫縫長與生產(chǎn)井之間的距離以及過熱蒸汽的熱效率保持問題，防止出現(xiàn)過熱蒸汽直接從注入井進(jìn)入生產(chǎn)井的汽竄現(xiàn)象；（3）如何防止形成的裂縫在高溫條件下發(fā)生熱脹而閉合。

2.2 高溫過熱蒸汽輔助重力驅(qū)技術(shù)

油頁巖中的未成熟干酪根一般需要被加熱到350～500 ℃才能發(fā)生裂解生成液態(tài)烴，裂解的主要影響因素為加熱溫度、加熱時間、加熱速度和油頁巖尺寸［12］。在稠油油藏中常用的注飽和蒸汽最高溫度約為380 ℃，難以滿足油頁巖開發(fā)需求。而在油頁巖儲層的注入井中注入高溫過熱蒸汽，過熱蒸汽向上超覆在地層中形成蒸汽腔，蒸汽腔向上及側(cè)面擴展與儲層發(fā)生熱交換使油頁巖中的干酪根發(fā)生裂解生成油氣。形成的油氣黏度降低和蒸汽冷凝水在重力作用下向下流動從垂直生產(chǎn)井中出來，如圖4所示。

圖4 過熱蒸汽輔助重力驅(qū)技術(shù)

假定油頁巖儲層的地層壓力為常壓狀態(tài)，埋藏為300 m左右的油頁巖儲層其地層壓力約為3 MPa。當(dāng)過熱蒸汽的溫度為500 ℃，壓力為3 MPa（在此壓力下，飽和蒸汽溫度為234 ℃）時，筆者計算了過熱蒸汽的比熱焓。從圖5中可以看出，蒸汽的比熱焓和比容在濕飽和蒸汽段最高，且急劇變化，而過熱蒸汽段的顯熱能夠彌補井筒熱損失及加熱油藏的部分熱損失，使得井底蒸汽腔干度明顯提高，開發(fā)效果會更好。

3 流體加熱技術(shù)新方案的設(shè)計

山東龍口黃縣盆地油頁巖埋藏較深，一般在300～500 m，須井下開采，油頁巖厚度約為25～27 m，但含油率很高，達(dá)9%～22 %，平均約為13 %，為中國迄今發(fā)現(xiàn)的品味最高的油頁巖［12］。設(shè)計的井網(wǎng)為五點法，注入井為水平井，水平段長度500 m；生產(chǎn)井為垂直井，井間距約為250 m，位于水平井下方。

具體步驟如下：（1）在油頁巖的儲層中心鉆水平長度約為500 m的注入井，并采用保溫隔熱套管進(jìn)行完井；（2）對水平段采用多段多簇射孔并進(jìn)行壓裂，段間距約為100 m，段內(nèi)分3簇，每簇間距約為33 m；（3）在水平井的下方5～10 m左右的鉆2口垂直的生產(chǎn)井，生產(chǎn)井井間距約為250 m；（4）壓裂作業(yè)返排后，往注入井中注入溫度約為500～550 ℃的高溫過熱蒸汽，熱解油頁巖30 d后，生產(chǎn)井開始排出油氣。（5）對產(chǎn)出的油氣進(jìn)行油氣水分離，分離出的水在地表進(jìn)行高溫加熱進(jìn)入蒸汽發(fā)生器形成過熱蒸汽再次注入儲層，從而形成有效的循環(huán)。

圖5 過熱蒸汽比熱焓（壓力3 MPa）

4 結(jié)論

（1）首先利用常規(guī)方法鉆水平的注入井和垂直的生產(chǎn)井，對注入井進(jìn)行縫網(wǎng)壓裂并向其注入高溫的過熱蒸汽，利用過熱蒸汽所攜帶的熱量加熱油頁巖儲層熱解干酪根形成油氣，油氣在重力作用下流入生產(chǎn)井，最后排出地面。

（2）保證該技術(shù)在現(xiàn)場實施的關(guān)鍵是對油頁巖儲層改造的程度能形成有效的熱連通，過熱蒸汽的顯熱能有效地彌補地面和井筒熱損失，使井底干度得到大幅提高，更好地加熱油頁巖儲層，該技術(shù)具有加熱速度快、可操作性強等優(yōu)點。

（3）設(shè)計的新流體加熱技術(shù)方案為國內(nèi)盡早開展油頁巖原位開采現(xiàn)場先導(dǎo)試驗提供了技術(shù)儲備，具有良好的應(yīng)用前景。

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（修改稿收到日期 2013-04-23）

〔編輯 景 暖〕

A new idea for in-situ retorting oil shale by way of fluid heating technology

WANG Youping,WANG Yiwei,MENG Xianglong,SU Jianzheng,LONG Qiulian,GAO Yuanping
（Petroleum Exploration and Production Research Institute of SINOPEC,Beijing100083,China）

Oil shale in-situ retorting technologies are the trend of large scale commercialized development of oil shale in the future.Among them,the fluid heating technology has attracted more and more attention due to its distinct advantages as fast heating,adequate usage of retorting gas,and relatively mature technology,etc.In view of the problems existing in fluid heating technology for oil shale in-situ retorting both at home and abroad,this paper presents a new idea of fluid heating,that is,using the combined technology of staged fracturing of horizontal section and superheated steam assisted gravity drive to produce the oil shale resources with great burial depth (300～1000 m);its main principle is to inject overheated steam through the complex fracture network created during staged fracturing of horizontal section to heat the oil shale reservoir and gradually convert the kerogen to liquid hydrocarbons,the liquid hydrocarbons so produced then flow to the producing well through the fractures,and finally flow to surface in conventional method.Taking the oil shale basin in Huangxian Basin in Longkou,Shandong,this paper presents a design scheme for fluid heating technology,which has significant reference value for pilot tests from now on.

oil shale;in-situ retorting;fluid heating technology;staged fracturing of horizontal well;superheated steam assisted gravity drive

汪友平,王益維,孟祥龍，等.流體加熱方式原位開采油頁巖新思路［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：71-74.

TE357

：B

1000–7393（2014）04–0071–04

10.13639/j.odpt.2014.04.018

汪友平，1983年生。2012年畢業(yè)于德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)石油工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事水力壓裂和油頁巖原位開采方面的研究工作。電話：010-82314712。E-mail：wangyp.syky@sinopec.com。