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研究院，北京 100083）

油頁巖原位開采技術是未來進行油頁巖大規模商業化開發的必然趨勢，其中，流體加熱技術因加熱速度快、可充分利用干餾氣、技術相對成熟等優點而被廣泛關注。針對目前國內外油頁巖原位開采流體加熱技術存在的一些問題，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組合技術開發埋藏較深（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雜網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化為液態烴，產生的液態烴在重力作用下通過裂縫流入生產井，然后通過常規方法采出。以山東龍口黃縣盆地油頁巖為例，提出了新流體加熱技術設計方案，對今后進行先導試驗有著重要的參考價值。

油頁巖；原位開采；流體加熱技術；水平井分段壓裂；過熱蒸汽輔助重力驅

油頁巖是一種致密薄片狀的、顆粒非常細的、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換為液態烴［1-4］。中國的油頁巖資源十分豐富，據國土資源部2005年委托吉林大學做的新一輪油氣資源評價結果，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，針對中國優質油頁巖資源埋藏較深的特點，并考慮到地表干餾帶來的環境污染和溫室效應等問題，油頁巖原位開采已成為未來油頁巖大規模商業化開發的必然趨勢。根據加熱方式不同，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。目前國內外許多機構都開展了有關流體加熱原位開采油頁巖技術研究，但這些技術都還存在一些問題，很難直接應用于現場試驗。筆者提出了采用水平井分段壓裂和過熱蒸汽輔助重力驅組合技術開發埋藏較深油頁巖資源的新思路，該技術具有加熱速度快、高效性，可操作性強等優點。

1 流體加熱技術現狀及存在問題

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

表1 各種流體加熱方式原位開采油頁巖技術

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

美國頁巖油公司建議采用傳導、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口生產井，加熱井在生產井下面。熱量通過一個井下燃燒器供給，該燃燒器最終利用產出氣運轉。隨著干酪根的分解，輕質組分上升，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。該工藝的主要技術特點是：（1）加熱效率高，從理論上分析，通過對流和傳導方式傳熱比僅通過傳導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電加熱技術或埃克森美孚Electrofrac技術一般需要加熱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，在初次試驗時，美國頁巖油公司改變了最初的CCR技術設計方案，而是采用直井作為生產井，斜井作為加熱井，在斜井中下方井下加熱器對儲層進行加熱。井下加熱器還不夠成熟，在先導試驗中出現故障，不易修理，導致項目進展中斷1年多。

圖1 雪佛龍的CRUSH技術示意圖［6］

圖2 美國頁巖油公司的CCR技術示意圖

其他的流體加熱技術目前都還只停留在基礎理論研究或室內研究階段，技術本身還有待進一步論證和完善，不然難以開展現場試驗，其中包括以色列亞洲集團的IIST-VTPC技術、美國 Petro Probe公司的Superheated Air技術、美國Mountain West Energy公司的原位蒸汽開采（IVE）技術和太原理工大學的MTI技術［10-11］。

上述流體加熱技術都存在如下一些問題：（1）如不進行儲層改造，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備要求很高，在現場難以滿足，目前稠油油藏蒸汽驅的最高溫度約為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路線

流體對流加熱技術能否成功的關鍵在于：（1）能否形成有效的熱連通；（2）能否使儲層達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組合技術開發埋藏較深（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雜網狀裂縫中注入高溫過熱蒸汽產生圓盤加熱效應，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化為液態烴，產生的液態烴在重力作用下通過裂縫流入生產井，然后通過常規方法采出，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

油頁巖儲層滲透率極低，氣測滲透率約為 0.1～1 000 nD，如不進行儲層改造，加熱初期過熱蒸汽難以注入，進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入生產井的通道。借鑒頁巖氣開發的成功經驗，對于油頁巖儲層改造的技術為：水平井套管完井+多段多簇射孔+快速可鉆式橋塞+滑溜水加線性膠復合壓裂。考慮到水力壓裂結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，充分利用井下設備，減少起下管柱的作業時間。

在油頁巖原位開采儲層改造過程中，筆者認為還需進一步研究如下問題：（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，如何讓其形成復雜的網狀裂縫來提高儲層改造的效果；（2）壓裂的段數、段間距、裂縫縫長與生產井之間的距離以及過熱蒸汽的熱效率保持問題，防止出現過熱蒸汽直接從注入井進入生產井的汽竄現象；（3）如何防止形成的裂縫在高溫條件下發生熱脹而閉合。

2.2 高溫過熱蒸汽輔助重力驅技術

油頁巖中的未成熟干酪根一般需要被加熱到350～500 ℃才能發生裂解生成液態烴，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，蒸汽腔向上及側面擴展與儲層發生熱交換使油頁巖中的干酪根發生裂解生成油氣。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井中出來，如圖4所示。

圖4 過熱蒸汽輔助重力驅技術

假定油頁巖儲層的地層壓力為常壓狀態，埋藏為300 m左右的油頁巖儲層其地層壓力約為3 MPa。當過熱蒸汽的溫度為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，開發效果會更好。

3 流體加熱技術新方案的設計

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9%～22 %，平均約為13 %，為中國迄今發現的品味最高的油頁巖［12］。設計的井網為五點法，注入井為水平井，水平段長度500 m；生產井為垂直井，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行完井；（2）對水平段采用多段多簇射孔并進行壓裂，段間距約為100 m，段內分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口垂直的生產井，生產井井間距約為250 m；（4）壓裂作業返排后，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，生產井開始排出油氣。（5）對產出的油氣進行油氣水分離，分離出的水在地表進行高溫加熱進入蒸汽發生器形成過熱蒸汽再次注入儲層，從而形成有效的循環。

圖5 過熱蒸汽比熱焓（壓力3 MPa）

4 結論

（1）首先利用常規方法鉆水平的注入井和垂直的生產井，對注入井進行縫網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井，最后排出地面。

（2）保證該技術在現場實施的關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，該技術具有加熱速度快、可操作性強等優點。

（3）設計的新流體加熱技術方案為國內盡早開展油頁巖原位開采現場先導試驗提供了技術儲備，具有良好的應用前景。

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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年畢業于德國克勞斯塔爾工業大學石油工程專業，獲博士學位，現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。