專利名稱:傳導加熱地下油頁巖以賦予其滲透性并隨后采油的制作方法
本發(fā)明涉及利用傳導加熱驅動工藝從地下油頁巖中開采石油的方法。更具體地講，本發(fā)明涉及利用傳導加熱的方法處理相當厚且基本上完全不滲透的地下油頁巖的方法，其中的傳導加熱既能在油頁巖所選定的層段造成一個滲透帶又能隨后開采油頁巖油烴。
在瑞典，F(xiàn).Ljungstroem發(fā)明了從地下油頁巖中采油的助滲透性傳導加熱驅動工藝。四十年前發(fā)明的這一方法在五十年代小規(guī)模地在工業(yè)上使用過。該方法在下列文獻中進行過說明瑞典專利號121，737，123，136，123，137，123，138，125，712和126，674;美國專利號2，732，195以及雜志上的文章，如“地下頁巖油用Ljujngstroem法熱解”，ⅣA卷24(1953)第3期，第118至123頁，和“就地電介加熱油頁巖的凈能回收”，油頁巖討論會論文集11，第311到330頁(1978)。上述瑞典工藝方法是在近地表的滲透性油頁巖地層中完成注熱井和產(chǎn)液井，使井眼之間的間距小于3米。注熱井裝有電加熱或其它類型的加熱元件，在這些元件的周圍有大量的物質(zhì)，如砂或水泥，其安置的方式可將傳給油頁巖，同時又能防止流體的流入或流出。設計和試驗瑞典工藝方法的油頁巖，其滲透性能已達到了這樣的程度，即由于地下水的不斷流入，必須連續(xù)不斷地抽水，以避免蒸發(fā)該地下水所帶來的能耗。
就基本上完全不滲透，相當深且相當厚的油頁巖沉積層而言，如美國Piceance盆地的油頁巖沉積層，以前人們認為，根據(jù)先前的說法和認識，利用傳導加熱工藝采油的可能性，從經(jīng)濟角度考慮是無法實現(xiàn)的。例如，在上述油頁巖討論會上，Ljungst.roem方法的特征表述如下該方法“……將管狀電加熱元件嵌入高品位油頁巖沉積層中，從而成功地采出了頁巖油。該方法是借助于普通熱擴散加熱油頁巖的，這當然需要很大的溫度梯度，因此加熱極不均勻;需要數(shù)月時間才能完全干餾完象小房間那樣大小的油頁巖層段。而且，由于對干餾帶周邊以外的油頁巖加熱不足以及對最靠近熱源的油頁巖的過渡加熱而浪費了大量熱能。在處理西部油頁巖時，后一問題顯得特別重要，因為過熱區(qū)的熱能，由于在大約600℃以上發(fā)生吸熱反應，而不可能通過擴散全部得到回收?！?313頁)在基本上不滲透且相當厚的地下油頁巖地層中，造成和保持一個熱解產(chǎn)品能夠通過的滲透帶已成為一個嚴重的問題。美國專利3，468，376(第1和第2欄)報道“將熱傳過油頁巖的機理有兩種。熱靠傳導作用傳過油頁巖中的固體物質(zhì)。熱也靠對流作用傳過油頁巖中的固體物質(zhì)?？總鲗ё饔脗鳠崾潜容^慢的過程。油頁巖的平均熱傳導率和平均熱擴散率與火磚大致相當。固體油頁巖基質(zhì)的滲透性極低，很象未上釉的瓷制品。因此，對流傳熱僅限于利用連通油頁巖的孔道中的流體流動來加熱。這些流道可以是天然的和人工產(chǎn)生的裂縫。……加熱時，在流道壁上形成一層熱解的油頁巖層。這層熱解的油頁巖層為碳含量不同的無機礦物基質(zhì)。它對于來自流道中加熱流體的熱流來說是一個不斷擴大的隔層。”該專利涉及將加熱過的油頁巖-熱解流體循環(huán)通過流道，同時向循環(huán)流體中添加研磨顆粒以沖刷流道壁上正在形成的熱解油頁巖層的方法。
雖然許多地下油頁巖的熱傳導率和熱擴散率事實上與未上釉的瓷制品和火磚很相似，但美國專利3，237，689指出，讓油頁巖和核反應堆冷卻液之間進行熱交換就可使“熱前緣迅速擴展”(第3欄，第7行)，該專利還說明了使用位于地表或油頁巖沉積層內(nèi)的這類反應堆的工作系統(tǒng)。
美國專利3，284，281指出(第1欄，第3-21行)，“人們已嘗試過用各種方法如……用電阻加熱器……加熱油頁巖以從中采油，但幾乎沒有獲得什么成功……。加熱之前將油頁巖壓裂，再用就地燃燒法或其它方式加熱，也幾乎沒有取得什么成功，因為油頁巖受熱時膨脹，結果使裂縫部分地或完全閉合。該專利還描述了一種加熱工藝方法，其操作順序為加熱油頁巖(并從而使其膨脹)，然后注入流體，以水力壓裂已膨脹的油頁巖，之后再重復這些步驟，直至熱穩(wěn)定裂縫擴展進入產(chǎn)油井。
美國專利3，455，383描述了部分枯竭的油頁巖碎片在流道內(nèi)如由流道內(nèi)流體壓力支撐開的水平裂縫內(nèi)的聚集。該專利揭示，如果將流道頂升高，以便在這樣一個枯竭油頁巖層之上保持流通渠道，那么其上覆地層就必然被彎曲，而且如果無預防措施，這樣的彎曲會逐漸發(fā)展直至使裂縫延伸到地表。該專利提出間隙性降低諸如裂縫內(nèi)的流體壓力，從而允許上覆巖層的重量壓碎并壓實枯竭油頁巖的工藝方法。
在相當大一部分基本上不滲透且相當厚的油頁巖沉積層中，如Piceance盆地的沉積層中，有以片鈉鋁石形式存在的寶貴的鋁資源。美國專利3，389，975提出從油頁巖沉積層中開采出來并經(jīng)干餾過的油頁巖中采收鋁的方法。其中指出，片鈉鋁石在大約1300°F且基本上無水的條件下轉化成結晶鋁酸鈉。這樣的無水干餾作業(yè)可使油頁巖中的白云石分解并產(chǎn)生二氧化碳、方解石和氧化鎂，從而使氧化鎂與油頁巖中的部分二氧化硅結合，其結合的方式允許通過浸提方法得到更高的鋁收率。美國專利3，502，372提出利用溶液采礦法采收片鈉鋁石，其中指出，當熱解受水基流體如蒸汽或者地下燃燒產(chǎn)物的影響時，必須在低溫下進行且比較緩慢，以避免將片鈉鋁石和其它可溶解的鋁化合物轉化成不溶解的方沸石。在美國專利3，572，838中，把類似的比較溫度下的熱解與注入含有非酸溶性螯合劑的水基堿性流體交替進行，幫助浸提片鈉鋁石，同時又不會形成這類不溶解物質(zhì)。
本發(fā)明涉及傳導加熱地下油頁巖層的工藝方法，其加熱方式適用于從原來基本上是不滲透的地下油頁巖中采油。按照本發(fā)明，欲處理的那部分油頁巖沉積層是根據(jù)其組成及其成分性質(zhì)隨深度的變化進行選擇的，從而使其具有相互作用的特性，而其作用方式可將熱前緣的均勻性提高到這樣的程度，即把采油所消耗的時間和能源的費用限制在低于所采出的油的價格的水平。處理層段是基于欲處理的那部分油頁巖的品位和厚度進行選擇的，并且它能提供的增強效率足以達到降低由于放熱付反應所消耗的熱能量和提高從給定品位油頁巖中所采出的油量。
按照本發(fā)明，在地下油頁巖處理層段內(nèi)至少完成兩口井，這一處理層段基本上是不滲透的，其中含有基本上不流動的水，而其厚度至少為大約30m，能夠將工藝壓力下的流體，至少是大部分流體限定在處理層段內(nèi)，并其油頁巖的品位和厚度可使Fischer Assay法測定的以每噸油頁巖的油加氣當量的加侖數(shù)表示的平均品位至少為大約10，并且品位與以米計算的油頁巖厚度的乘積至少為大約900。
地下油頁巖可能包含一般來說適宜于用作處理層段(如上所述)的部分，這部分油頁巖由于存在基本上不連通的自然裂縫和/或薄弱層面而具滲透性，以及在采油井網(wǎng)邊界附近和/或潛在的活躍水體附近，在這樣的地區(qū)，把本發(fā)明方法與位于采油井網(wǎng)邊界附近和或產(chǎn)油井與水體之間的“保護井”結合起來進行作業(yè)可能是有利的。這些保護井至少要基本上延伸通過處理層段的垂直深度，并且其附近的巖層初期是以熱傳導作用進行加熱的，其加熱方式類似于注熱井中所用的方式，只是這些保護井加熱的溫度不會使大部分油頁巖中的有機成分汽化而又足以引起油頁巖沉積層的巖石基質(zhì)發(fā)生顯著的熱膨脹。
在有些情況下，可能需要在至少大部分頁巖油采出工藝過程中保持這樣比較低的加熱保護井的溫度。在另一些情況下，在最初以比較低的溫度加熱保護井之后，為了使熱傳導采油的井網(wǎng)膨脹，再以大致相當于為注熱井選擇的溫度加熱保護井、可能是很有利的。
至于欲處理油頁巖部分的品位，“由Fischer Assay法所測定的以每噸加侖數(shù)表示的平均品位”指的是這種測定就是或相當于基本上按ASTM標準試驗方法D3904-80中所述進行的測定。破碎的原生油頁巖的取樣是用格槽分隔法進行的。在鑄鋁合金干餾爐中將原生油頁巖從室溫加熱到500℃，確定從油頁巖中得到的油加氣當量的總量。將從樣品中蒸出的蒸汽冷卻并收集冷凝餾分。把油水餾分分離開，測定水的體積(換算成重量當量)，并從油加水的重量中減去。然后用差值法計算出不可冷凝氣(氣加損失量)的重量。在“品位與以米計算的油頁巖厚度”之積中品位，是以加侖計的油加烴氣當量，它相當于加熱所產(chǎn)生的油加烴氣的總重量。
各井在處理層段內(nèi)完成，并且井的布置至少提供一口注熱井和一口產(chǎn)油井，它們的井眼基本上平行地穿過整個處理層段并且基本上等距離分開，間距至少約6m。在基本上穿過整個處理層段的每一口注熱井中，油頁巖層的井周表面上封有固體材料和/或水泥，這些材料熱傳導性相當好且基本上是不滲透流體的。在基本上穿過整個處理層段的每一產(chǎn)油井中，井眼和油頁巖層之間是流體相通的，且井的布置便于從油頁巖層段中采收流體。至少是在大部分的處理層段內(nèi)，將每一口注熱井內(nèi)部加熱，其加熱的速度能夠(a)將井眼內(nèi)部的溫度提高到至少大約600℃，以及(b)將井眼內(nèi)部的溫度維持在至少大約600℃，只是井眼內(nèi)產(chǎn)生熱的速度基本上等于油頁巖層熱傳導率所允許的速度，就不會使井內(nèi)溫度過高而損壞井眼內(nèi)部的設備。
在本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方案中，在至少一口注熱井的井眼中密封油頁巖表面的材料為一封閉的底部套管，同時灌注水泥漿，使水泥漿基本上填滿井眼內(nèi)部每一最外層金屬件與相鄰的油頁巖層表面之間的所有空間，該水泥的熱傳導率至少是與油頁巖的熱傳導率大致相當。
對油頁巖的沉積層的組成和性質(zhì)隨深度的變化情況進行測算，并且根據(jù)油頁巖沉積層的熱傳導率隨深度的變化情況，按特別優(yōu)選的程序對注熱井進行加熱，從而在與熱傳導率較低的油頁巖沉積層各部分相鄰近的深度上達到相對較高的溫度。另外，或者作為一種選擇辦法，是在井內(nèi)的不同位置，使部分井眼擴大并使導熱金屬元件從井眼內(nèi)部向外延伸接近井眼擴大部分的壁，從而增加至少一口注熱井的有效半徑。
本發(fā)明方法在含有其它重要礦物如片鈉鋁石和/或蘇打石的油頁巖的處理層段內(nèi)使用是有價值的。在這種情況下，本發(fā)明方法是在處理層段以內(nèi)并且基本上是在采油井網(wǎng)的邊界以內(nèi)在所選擇的地方造成滲透帶。所造成的滲透帶就是可通過溶液采礦法采收所述的其它礦物的開采帶。
一般來講，本發(fā)明可用于幾乎所有包含基本上不滲透的油頁巖層段的地下油頁巖沉積層，這樣的油頁巖層段基本上不含可流動的水，厚度大于30m，且具有足夠高的每噸加侖數(shù)(Fischer Assay法)表示的平均品位，使品位和厚度的乘積達到大約900或更高。加熱層段的平均品位應當高于約每噸10加侖(Fischer Assay法)。在這些條件下，如果其它條件如深度保持不變，則品位和厚度的乘積越高，越理想。
以下將參照附圖更詳細地解釋本發(fā)明。
圖1為用本發(fā)明方法生產(chǎn)頁巖油(以1982年價格計算)的設備和作業(yè)投資(1982年美元)的相對收益率(RR)與油頁巖品位-厚度乘積(G×TH)的函數(shù)關系曲線。
圖2為觀察井的熱力剖面曲線，其中各溫度值是在觀察井內(nèi)的不同深度(D)和在不同的時間測得的。
圖3為不同加熱時間后加熱帶中部的徑向熱力剖面關系曲線。
圖4為平行于和垂直于油頁巖層面的熱傳導率與溫度的函數(shù)關系曲線。
圖5為地下油頁巖加熱部分內(nèi)部和其以上部分的Fischer Assay法產(chǎn)率與深度的關系曲線。
圖6和圖7為地下油頁巖層內(nèi)水平的和垂直的溫度剖面曲線。
圖8為適用于實施本發(fā)明的完井裝置的部分示意圖。
據(jù)申請人所知，最相近的在先的方法包括上述的瑞典方法。瑞典方法是設計來用于可滲透的油頁巖層的，在其中是讓流體流過可滲透的油頁巖層來提高由注熱井到產(chǎn)液井的傳熱速度的。在這種油頁巖中，一旦一部分流體(如地下水和/或干酪根熱解產(chǎn)物)變熱并受到熱壓作用，使其體積大于更遠處相同流體的體積，增大的壓力和體積就開始驅動加熱的流體離開注熱井。這就形成了對流傳熱，并使傳熱的速度遠遠大于所有成分都不可流動且不滲透的油頁巖層熱傳導所允許的傳熱速度。由于這樣傳熱要使流體象如上述那樣流動，且井眼間隔的距離小于2.7m，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)上述瑞典方法從經(jīng)濟上看是不可取的，其應用已經(jīng)停止。
正如上述有關從基本上不滲透的油頁巖沉積層中采油的專利所指出的，注熱井和產(chǎn)油井之間流體滲透渠道的形成和保持是極其困難且非常昂貴的。據(jù)此認為，不能指望有把傳導加熱方法應用于不滲透油頁巖層的可能性。實踐表明，傳導加熱太慢，效率太低，經(jīng)濟上不實用，即使在已進行部分生產(chǎn)的可滲透油頁巖中也是如此。上述瑞典方法的發(fā)明人好象也有相同的看法。他認為需要預先存在滲透的帶或流道，這已由美國專利2，780，450予以舉例說明。在說明先前實地試驗過的熱解油頁巖的方法怎樣才能適用于不滲透流體的物質(zhì)如Athabasca焦油砂時，Ljungstroem指出，就地加熱和熱解應在這樣一部分不滲透的油頁巖層中進行，這部分油頁巖層在垂直方向上與連通井的裂縫鄰接，或者與具有不同地質(zhì)特性并可使加熱或熱解的流體產(chǎn)物能在其中滲流的地層鄰接。
與這些先前的說法和觀點不同，申請人發(fā)現(xiàn)本說明書說明的傳導加熱方法用于基本上不滲透的地下油頁巖時，經(jīng)濟上是可取的。這并非是顯而易見的，特別是考慮到本發(fā)明方法所用的井間距離遠遠大于上述瑞典方法所用的井間距離，并且本發(fā)明方法是把注熱井加熱到至少約600℃(雖然已經(jīng)說過600℃下易于引起因熱量浪費而在經(jīng)濟上不可取的吸熱反應;參看上述油頁巖討論會論文集)。
通過對于本發(fā)明方法進行實驗室的和現(xiàn)場的試驗測試及數(shù)學模擬，申請人發(fā)現(xiàn)當按本說明書所述對于各井確定井距，完井和實地作業(yè)時，吸熱反應消耗熱能的區(qū)域還不到加熱面積的1%，并且以這種方式損失的熱能是微不足道的。申請人測定了基本上不滲透的油頁巖層的傳導加熱速度并確定了熱解干酪根和熱力加壓能熱解產(chǎn)物達到能夠將較深油頁巖壓裂的壓力以及熱力驅動熱解產(chǎn)物通過這樣建立起來的滲透裂縫所需的熱量。
在現(xiàn)場和實驗室這樣測量取得的數(shù)據(jù)曾用來在數(shù)學模擬中計算需電量、經(jīng)濟效益、開始生產(chǎn)的時間、工程實施持續(xù)時間和總產(chǎn)量等。數(shù)學模擬可以把現(xiàn)場的和實驗室的數(shù)據(jù)相關起來，并從而表明全面實施這一方法時上述各參數(shù)的數(shù)量極。這些計算表明，本說明書所定義的方法為申請人所知曉的唯一能夠比較經(jīng)濟地從品位相當?shù)腿鏔ischer Assay法測值僅為每噸15加侖或更低的油頁巖層中生產(chǎn)頁巖油的方法。這可將大部分油頁巖層的石油儲量提高5倍。此外，從地下采礦和油頁巖就地改性干餾方法來看，本發(fā)明方法由于不需要在各采礦帶之間的支柱及中間隔層并且提供了處理基本上所有非常厚的油頁巖層段的辦法，因而大大提高了可獲得的資源量。
本發(fā)明方法可有效地用于諸如片鈉鋁石或蘇打石等礦物質(zhì)濃度相當高的油頁巖層。在這樣的油頁巖層中，本發(fā)明方法可提供一個可從中采收這些礦物質(zhì)的滲透帶。此外，本發(fā)明方法可特別有效地將片鈉鋁石轉化成水溶性的鋁化合物(可能成ρ-氧化鋁形態(tài))，從而適于用(不管是從化學角度看還是從物理角度看)溶液采礦工藝采出以生產(chǎn)鋁-一種美國供應短缺的基本原料。與先前的各方法相比，本發(fā)明方法基本上不需要水，損壞的土地最少，且工藝操作帶來的環(huán)境污染最輕。
圖1為利用現(xiàn)場和實驗室測試數(shù)據(jù)對本發(fā)明方法現(xiàn)場應用進行數(shù)學模擬得出的設備和操作投資(1982年美元)的相對收益率。
實施例1在120m表土層下厚48m油頁巖層中鉆了一系列的注熱井和采油井。層段內(nèi)用Fischer Assay法確定的平均油品位為每噸20加侖。
井網(wǎng)按七點法布置，在圍繞一口中心采油井的規(guī)則七邊形的每一個角上有一口注熱井。采油井和注熱井之間的井距為22.5m。這種井網(wǎng)是以采油井在每一方位上都共用注熱井的方式進行重復布置的，并一直持續(xù)到形成能采出大量油的整個油田范圍的井網(wǎng)。在比較大的油田內(nèi)，注熱井與采油井的比例接近2比1。實施例1中在工程有效運轉期間每天的總采油量為25，000桶。
注熱井電加熱器用水泥固結在油頁巖層內(nèi)并與地面電源連通。采油井中裝有標準的油田用抽油泵以便將產(chǎn)出的油抽至地面。電力注熱速度為每天3.23×106英熱單位/井，注熱井的溫度達750℃。操作33-34年后采油井的最終溫度達300℃。這段時間內(nèi)每口井的平均采油量為5-6桶/天，平均有效采油井數(shù)約為4000至5000口。耗熱量為1.1×106英熱單位/桶液態(tài)油產(chǎn)量。
采油井中收集的氣態(tài)產(chǎn)物可用于現(xiàn)場發(fā)電或作其它用途。這樣采出的油相石油優(yōu)于常規(guī)干餾出的頁巖油。圖1中以“EX.1”標線示出實施例1情況下可期望得到的相對收益率。
實施例2在300m表土層下厚225m的油頁巖層中建立一系列的注熱井和采油井。用Fischer Assay法確定的油頁巖層段的平均品位為每噸26加侖。
與實施例1所述相同，井網(wǎng)按七點法布置，只是井間的距離為13.5m，而不是22.5m。在工程有效運轉期間的總產(chǎn)量為25，000桶/天。注熱井與采油井的比例仍接近2比1。井中加熱器和生產(chǎn)設備與實施例1所述相似。電力注熱速度為每天10.55×106英熱單位/井。注熱井溫度達750℃，而采油井在生產(chǎn)9-10年后的最終溫度達300℃。這期間的平均產(chǎn)量為每口井42-43桶/天，平有效采油井數(shù)約為600口。耗熱量為5.6×105英熱單位/桶采出的液態(tài)油。
同實施例1，氣態(tài)產(chǎn)物用于現(xiàn)場發(fā)電或作其它用途，而液態(tài)油在質(zhì)量上比常規(guī)干餾出的頁巖油高。圖1中以“EX.2”標線示出可期望得到的相對收益率。
表1列出一般適用于本發(fā)明方法的油頁巖品位，厚度以及品位-厚度乘積的組合情況。在圖1中，從相對資金收益率角度考慮，以標線“優(yōu)選范圍”(P.R.)和“特別優(yōu)選范圍(E.P.R.)示出了這些品位-厚度乘積的相對位置。
表1品位(加侖/噸) 厚度(m) 品位×厚度30 30 90020 45 90010 90 900更為符合要求的品位厚度實施例如下品位(加侖/噸) 厚度(m) 品位×厚度30 150 450025 60 150020 300 600015 600 900010 225 2250一般來說，品位厚度乘積越大越好，實際應用僅受到加熱欲處理層段的能力的限制。
現(xiàn)場試驗測量試驗是在典型的基本上不滲透的且相當厚的油頁巖層的露頭中進行的。在6至12m深度范圍內(nèi)鉆了13個井眼，這些井眼排列成注熱井、觀察井和產(chǎn)液井構成的井網(wǎng)，井眼間距為約0.6m，以便快速獲得數(shù)據(jù)。5天內(nèi)注熱速度為每米約1000瓦。注熱井溫度達450℃之后，進行了一天的降溫試驗。
圖2中表明了觀察井內(nèi)作為時間函數(shù)的垂直方向的熱力剖面曲線。圖上的試驗數(shù)據(jù)符合于說明熱傳導率(平行于層理面)3.25m cal/cm-sec-℃和熱傳導率(垂直于層理面)3.25m cal/cm-sec-℃的介質(zhì)中有限長度線源周圍溫度分布的數(shù)學解。計算中所用比熱容是鉆井期間所取巖芯的熱傳到率、熱擴散率以及平均體積密度計算出來的。進行試驗的油頁巖的熱物理性質(zhì)示表2。
表2最初的油藏溫度 9.8℃Fischer Assay法測值 20加侖/噸體積密度 2.20gm/cm3熱擴散率 6.6×10-3cm2/sec比熱系數(shù) 0.224cal/gm.℃圖3示出了在不同加熱時間(t)內(nèi)對加熱帶中部計算出的徑向溫度剖面曲線。在140.5小時的升溫試驗結束時，加熱井和觀察井間的平均地層溫度為120℃。
圖4中對有關平行于和垂直于油頁巖層層理面的熱傳導率實驗室試驗值和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)作為溫度的函數(shù)進行了比較。實驗室熱傳到率的測定是用觀察井巖芯的鄰接樣品進行的，在所用的巖芯中，一部分是平行于層理面選取的，另一部分是垂直于層理面選取的。操作中充氮氣以消除氧化反應。在垂直方向上對樣品進行限定，但在徑向上樣品可自由膨脹，樣品加熱到800℃之后，徑向膨脹平均為1.45%。如圖所示，實驗室試驗值與由現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)計算出的值吻合很好。試驗表明，在垂直于層理面的方向上熱傳導率較低，因為干酪根層的傳導率比白云巖基質(zhì)低。溫度低于100℃時，正如現(xiàn)場試驗所觀察到的，熱傳導率基本上是各向同性的。但是，當干酪根被消除(300至400℃之間)且氣體開始占據(jù)層間空間時，該傳導率就日益變得各向異性了。700℃以上時，平行傳導率和垂直傳導率均因白云巖分解并產(chǎn)生二氧化硅而急劇下降。
加熱地下油頁巖層時，油頁巖隨溫度的升高而不斷膨脹。油頁巖溫度達到干酪根熱解溫度(例如，從約275-325℃)時，會產(chǎn)生附加的膨脹力。干酪根轉換成流體，占據(jù)比干酪根更大的體積，且溫度升高時這些流體不斷受壓。當有更多的流體形成并有更多的流體受熱時，油頁巖層內(nèi)就會形成水力引起的裂縫。
地下地層中由水力引起的裂縫是沿著垂直于在任何地下地層中都存在的三個壓應力(即一個垂直壓應力和兩個相互垂直的水平壓應力)中最小一個的平面形成的。但是，在水力裂縫傾向于垂直的地方，可以通過注入加熱流體以加熱垂直裂縫的壁，直至垂直裂縫膨脹閉合，然后，提高流體注入壓力至大于上覆層的壓力，就可形成水平裂縫。自外部注入加熱并且增壓的流體以達到受熱形成水平裂縫的這類方法，在專利文獻如上述美國專利3，284，281;C.S.Matthews，P.Vanmeurs和C.W.Volek的美國專利3，455，391以及P.J.Closmann的美國專利3，613，785中均有說明。
申請人:現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，具有本說明書所述品位和厚度組合的基本上不滲透的地下油頁巖按本說明書所述進行傳導加熱時，在油頁巖內(nèi)各井之間會建立起滲透帶。盡管本發(fā)明并不以任何特定的機理為前提條件，但在這樣的處理過程中，受熱油頁巖的動態(tài)變化與經(jīng)受上述類型工藝過程以受熱形成水平裂縫的動態(tài)變化相類似。這樣的動態(tài)變化曾是無法預測的，因為本發(fā)明方法在操作過程中并不注入任何流體?？磥懋敱景l(fā)明方法在不滲透的油頁巖中作業(yè)時，不時地就地產(chǎn)生并驅替受熱和受高壓的流體，并且達到了順序通過各油頁巖部分(當這些部分受到傳導加熱時)進行繼續(xù)擴展和沿水平方向造成裂縫的程度。加熱帶看來是以油頁巖熱傳導率所限定的速度進行相當均勻的、水平的和徑向的膨脹。在順序達到干酪根熱解溫度的每一個加熱帶內(nèi)，流體立即形成，受熱并受壓，從而使加熱帶內(nèi)形成的基本上垂直的任何裂縫都隨后轉變成水平裂縫。
申請人:進行的試驗表明，基本上所有的油頁巖流體熱解產(chǎn)物都傾向于保留在其形成地點或其附近，直至它們被驅替通過基本上水平的裂縫流入與注熱井連接的產(chǎn)液井內(nèi)為止。此外，水平裂縫內(nèi)流體的起裂壓力在這些流體膨脹時即已降低，并在它們移離加熱帶的最熱部分時被冷卻下來。
這樣一來，本發(fā)明方法看來是在緊挨裂縫是水平裂縫或馬上變成水平裂縫的局部壓裂帶之外誘發(fā)干酪根熱解溫度帶移動通過油頁巖的。各個加熱和壓裂帶看來是以基本上均勻的、水平的和徑向的膨脹通過油頁巖，直到壓裂帶達到可從其中采出油頁巖熱解產(chǎn)物的地點(如采油井的井眼)為止。
另外，申請人還發(fā)現(xiàn)，至少在上覆層壓力比較小的地方，相鄰井間建立起的滲透帶在油頁巖層冷卻后仍保留有很高的滲透性。因此，即使上覆層壓力比較高，應用本發(fā)明方法也能形成井間連通帶，其中的滲透性在部分或全部熱消耗之后通過注入流體就可保持離水平或者很容易恢復。而且，控制產(chǎn)油井采出流體的速度就能控制上述滲透性的水平和層位。
在上述形式的現(xiàn)場試驗中測量求得的數(shù)據(jù)包括油頁巖層的熱傳導率，加熱前后用Fischer法分析確定的油頁巖各加熱層段不同深度處的可采油量，采出的熱解產(chǎn)物量等等。盡管試驗開始時注熱井和產(chǎn)油井間不存在連通性，但在注熱試驗終了時表明已形成滲透性通道。常規(guī)工程計算結果表明，上述概念是適用于試驗所得結果的。
圖5是Fischer Assay法測出的現(xiàn)場試驗目的層的產(chǎn)率與深度D的函數(shù)關系曲線。加熱層段為4.2至6m。實線表示加熱處理前的產(chǎn)率，虛線表示完成干餾之后的產(chǎn)率。在加熱帶以外加熱前后的產(chǎn)率基本上是相同的。加熱前用從井網(wǎng)中心取出的巖芯和加熱后用在約15cm以外取出的巖芯進行了測定。在這些產(chǎn)率中出現(xiàn)的變化均在這些值的測定精度標準范圍以內(nèi)。
加熱區(qū)內(nèi)，F(xiàn)ischer Assay法測得的產(chǎn)率從試驗前的平均20加侖/噸下降到注熱后的低于2加侖/噸。因此，加熱處理帶內(nèi)的干餾效率大于Fischer Assay法測值的90%。
采油井網(wǎng)和采出程度確證，在整個出油層范圍內(nèi)幾乎沒有油通過垂直裂縫而損失掉。此外，加熱帶內(nèi)干餾效率的均勻性也表明，在大部分加熱層段范圍內(nèi)熱前緣基本上是均勻的。
熱前緣的均勻性在圖6和圖7中更為明顯。兩圖表示對五點法四邊形井網(wǎng)中以一系列垂直注熱井計算的水平和垂直溫度剖面曲線。計算中采用的是四口注熱井和一口中心產(chǎn)油井(圖中未示出，但位于圖中各加熱器的中心)。每一個加熱器假設為長24m，并以814W/m的速度加熱。
圖6中的剖面(溫度隨離注熱井的距離而變化的曲線)是沿延伸通過四邊形對角上加熱器的中點的水平線段I1I3進行計算得出的。圖7是沿井網(wǎng)的對稱軸上的垂直線段I5I6進行計算得出的類似剖面。
這樣進行的計算表明，到井網(wǎng)中心溫度達到干餾溫度(275-325℃)時，其體積的87%以上都已轉化，而只有約14%的轉化體積加熱到了325℃以上。而且計算還表明，如果在中心達到目標溫度如325℃之前關掉或關小電源，則熱前緣趨于穩(wěn)定，仍會將井網(wǎng)中心加熱到干餾溫度，同時還會降低加熱器的溫度升高趨勢。這樣的作業(yè)模式保證小于10%的加熱體積加熱到325℃，并從而提高該工藝方法的熱效率。
從上述試驗結果以及用這些結果進行的計算來看，與先前的說法和觀點相反，油頁巖沉積層最初的不可滲透性可以作為優(yōu)點加以利用，最初的不可滲透性可將流體和裂縫限定在井網(wǎng)之內(nèi)，因為直到在注熱井和產(chǎn)液井間的地帶經(jīng)注熱產(chǎn)生水平裂縫網(wǎng)而變?yōu)榭蓾B透的之前不存在滲透性。
在本發(fā)明方法中，向油頁巖沉積層傳熱的速度在很大程度上受到注熱井和周圍地層之間溫度梯度的影響。在優(yōu)選的實施方案中，對油頁巖沉積層的組成和特性隨深度的變化進行的測定，包括測定鄰近注熱井的地層內(nèi)熱傳導率與深度的關系。基于這些測定的結果，至少一口注熱井加熱達到的溫度在相鄰地層熱傳導率比較低的各個深度上是比較高的。這樣就可使沿注熱井軸線通過地層的傳熱速度基本上均勻?？衫靡阎牟僮鞣椒▉硖岣吲c熱傳導率較低的地層相鄰近的注熱井部分的溫度。例如，在利用電阻加熱的井內(nèi)，可在需要另外更多加熱的位置安置附加的電阻元件，同時最好采取預防措施以避免建立起“超速熱點”，其原因是因為升高了的溫度進一步提高了電阻并從而強化了加熱，如同在例如1984年4月6日提交由P.Van Mears和C.F.Van Eagond共同轉讓的序列號為597，764的專利申請中敘述的。在以燃燒加熱的井中，可在這些部位安置更多，或更大，或燃燒更強烈的燃燒元件。
應用已知的測井、油藏取樣等分析方法，可適當?shù)販y定油頁巖沉積層的礦物和/或有機組分的組成和性質(zhì)以及這些性質(zhì)隨深度的變化。進行測定時可利用先前測定的地球物理或地球化學數(shù)據(jù)或實驗室或巖芯分析數(shù)據(jù)等等。例如，相鄰地層熱傳導率隨深度的變化情況，可以根據(jù)現(xiàn)存物質(zhì)的種類和數(shù)量計算確定，和/或通過熱傳導率測井數(shù)據(jù)等計算確定。美國專利3，807，227說明了包括恒定輸出熱源和三個溫度探測器以測取不同深度處相對熱傳導率曲線的測井工具。美國專利3，892，128說明了使用恒定輸出熱源和三個溫度探測器測定下套管井眼或裸眼以獲得溫度、比熱和熱傳導率的方法。美國專利3，864，969說明了通過加熱巖層一段時間，然后測定溫度下降到室溫的速度以定點測定熱傳導率的測井裝置。美國專利3，981，187則說明了通過測定受熱探頭沿套管壁移動前后套管壁的溫度來測出下套管井的熱傳導率的方法。
正如前面指出的，即使使用由四口注熱井包圍一口產(chǎn)液井的五點法井網(wǎng)，基本上所有介入油頁巖都能被干餾并成為可滲透的。但是，本發(fā)明最好是用于一系列鄰接的七點或十三點井網(wǎng)-一就這兩種系統(tǒng)中的任一種而論(特別是十三點井網(wǎng))，有六口或十二口注熱井圍住每一口產(chǎn)液井，可大大提高干餾速度。
幾乎可以用任何一種方法鉆一個井眼和/或打開一個原先存在的井眼使其與將作為油頁巖處理層段的地下油頁巖層流體相通，來完成本發(fā)明方法所使用的井。除了前面說明的不存在大量的可流動的水，并具有前面說明的油頁巖厚度和品位以外，應用本發(fā)明的層段應能夠把流體至少基本上限定在處理層段以內(nèi)，而當流體壓力達到工藝要求的壓力時至少不會出現(xiàn)明顯向上覆地層滲漏的現(xiàn)象，并在處理層段以內(nèi)壓開地層。為本發(fā)明方法應用而完成的各井眼應當基本上是平行的且基本上以至少約6m的等距離分隔開。注熱井和產(chǎn)油井間特別適宜的分隔距離為約9至30m。特別適宜的是不脫離平行的無偏斜井眼，因為脫離平行的偏斜會引起井間距離發(fā)生約20%以上的變化。
在本發(fā)明所用注熱井中，用于密封油頁巖層表面的水泥或其類似的材料最好是熱傳導性相當好且基本上是不滲透流體的。特別優(yōu)選的水泥在至少約800℃時是穩(wěn)定的，其熱傳導率相當高，而滲透率相當?shù)?，幾乎沒有或完全沒有收縮性，容易泵送且抗化學侵蝕性能好等等。密封材料的滲透性和配置方式應能夠提供良好的密封，以防止在井眼內(nèi)部和油頁巖層表面之間出現(xiàn)任何明顯的流體流動，從而使由井到地層的傳熱基本上完全靠傳導作用。如果在處理層段上邊緣和下邊緣附近部分利用例如井下擴眼器有效增加注熱井眼的直徑，則最好使擴眼部分的直徑至少約為公稱井眼直徑的110%。鋁酸鈣粘結的混凝土和/或含硅酸鋁團料(或細顆粒料)的水泥特別適宜于用作這種地層表面的密封材料。適用水泥和混凝土的例子包括在美國專利如3，379，252;3，507，332和3，595，642中所描述的水泥和混凝圖。
圖8示出適于用于本發(fā)明并位于地下油頁巖沉積層處理層段內(nèi)的注熱井井眼的一部分，即井眼1。井眼1包括擴大段，如擴大段1和3，這可在鉆井期間用常規(guī)的方法如井下擴眼器等形成。圖中所示套管4置于井眼內(nèi)并不用滲透流體的熱傳導材料如水泥固井定位。
在井眼的每一擴大段，套管4裝有至少一個熱傳導金屬元件，加熱傳導圈6，它包括徑向延伸的元件如柔性金屬件7。這種熱傳導材料構成了相當好的傳導渠道，將熱從井眼內(nèi)部基本上傳到井眼擴大段的壁上。適用的熱傳導金屬元件的例子包括金屬壁刮片、湍流引發(fā)元件、扶正器和類似的元件如可從Bakerlinedivisionof Baker Oil Tools購得的Hammer-Lol型渦輪接合器或Boltlok型渦輪接合器或可從Antelope Oil Tool ang Manufacturing Company購得的101 Bar S型扶正器等等。
按圖8所示的排列方式，至少在某種程度上說，可使從注熱井向傳熱的熱前緣沿橫穿熱傳導率相當?shù)偷膸r層的垂直線更加均勻，而不需要在鄰接該巖層的井段維持更高的溫度。當在井眼內(nèi)部維持均勻的溫度時，沿井眼擴大段的地層表面會受熱而達到與沿井眼較窄段的地層表面基本相同的溫度。由于鄰接井眼的地層表面加熱到了地層中的最高溫度，所以從井眼擴大段沿徑向向外擴展的溫度梯度是從井眼沿徑向變化的。
一般來說，注熱井內(nèi)部的加熱基本上可用任何類型的加熱裝置進行，如可用燃燒和/或電加熱元件等等。加熱元件應當延伸基本上貫穿整個處理層段(最好至少貫穿處理層段的約80%)。如用燃燒加熱元件，最好是氣體燃燒加熱器。燃燒加熱器的燃燒和氧化劑(如甲烷和氧氣)最好是用獨立的管道提供，這些管道連通換熱器，在換熱器中用外流的燃燒產(chǎn)物加熱進入的流體。燃燒加熱器的燃燒器外殼和流體管道最好是裝在由環(huán)形空間圍住的井的套管內(nèi)，環(huán)形空間注滿水泥以密封油頁巖的表面。一般適用于本發(fā)明方法的各類燃燒加熱器在美國專利如2，670，802;2，780，450和2，902，270中進行了說明。
電阻加熱器特別適宜于加熱本發(fā)明方法中的注熱井的內(nèi)部且優(yōu)選的是使用多個電阻元件。電阻元件可裝在內(nèi)套管或操作桿的內(nèi)部或外部，或簡單地伸入井眼內(nèi)。當電阻元件裝在支撐構件如套管或操作桿的外部或在沒有這些支撐構件的情況下，最好將這些電阻元件嵌入沿處理層段密封油頁巖的水泥內(nèi)。一般適用于本發(fā)明方法的各類電加熱器在美國專利如2，472，445;2，484，063;2，670，802;2，732，195及2，954，826中進行了說明。
在不同的油藏位置，如在我們的母申請中所述，一般適于用作處理層段的各油頁巖沉積層部分可能由于天然裂縫和/或薄弱層面的存在而是可滲透的。當從注熱井排出的受壓流體進入這些相當薄弱的巖層中時，這些巖層中會出現(xiàn)相當長的垂直裂縫。這就可能使流體通道在開口以外延伸到產(chǎn)油井中和/或相鄰的水體中，使進入的水量達到不利于采油工藝的程度。
我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，在注熱井和產(chǎn)液井井網(wǎng)的周圍地帶和/或在注熱井或產(chǎn)液井與相鄰水體之間的地帶在那些相當薄弱的油頁巖帶內(nèi)鉆“保護井”并將其加熱，就可避免這些過早出現(xiàn)的裂縫擴展。這些保護井用來傳導加熱基本上橫貫整個油頁巖處理層段的鄰接巖層，使其溫度達到既不會使大部分油頁巖中的有機成分氣化，而又足以使巖石發(fā)生明顯的熱膨脹。當這些巖石被加熱時，天然裂縫保持閉合狀態(tài)，而由接近的受壓流體(自注熱并向外驅替的)引起的壓裂傾向于僅形成沿最接近注熱井的各邊集中的水平裂縫。如果各產(chǎn)液井基本上處于注熱井和保護井之間，則裂縫優(yōu)先延伸進入流體的高壓由于產(chǎn)出流入的流體而迅速降低的那些井中。
鉆遇這種相當薄弱的油藏巖石的貼切標志是有水進入鉆進到這種巖石的各井中。一般來說，造成相對薄弱巖石和/或有水流入的天然裂縫，只要其孔隙度不大于約5%，進行相對溫和的加熱就能使其受熱閉合。
權利要求
1.在從地下油頁巖沉積層中采油的方法中，其步驟是在沉積層中至少建立起注熱井和產(chǎn)液井各一口，在每一口注熱井內(nèi)部和鄰接的沉積層之間建立起不滲透流體的熱傳導屏障，然后加熱每一口注熱井的內(nèi)部，其加熱溫度足以傳導加熱油頁巖中的干酷根并使熱解產(chǎn)物在油頁巖沉積層中引發(fā)形成裂縫，且熱解產(chǎn)物經(jīng)過這些裂縫被驅替進入至少一口采油井，其中提高穿過油頁巖沉積層的熱前緣的均勻性的改進方法包括確定油頁巖沉積層的組成和性質(zhì)隨深度的變化情況；選擇性地將所說的注熱井和產(chǎn)液井完成在油頁巖的處理層段內(nèi)，其中的油頁巖沉積層(a)厚度至少約30m，(b)基本上不可滲透且無可流動水，(c)其組成和厚度應使處理層段內(nèi)平均Fischer Assay品位與厚度的乘積達到約900，和(d)因而含有能以提高傳導傳熱的熱前緣的均勻性的方式相互作用的成分，且所說的各井的布井方式可達到，在至少基本上整個處理層段內(nèi)，使井眼基本上平行且基本上以至少約6m的等距離分隔開；以及在每一口注熱井的內(nèi)部維持一平均溫度，該溫度沿所說的處理層段選為至少約600℃，但又不會太高而以熱力損壞井中的設備，同時從井中向外傳熱的速度不會明顯地比鄰接井中加熱井段的地層的熱傳導率所允許的速度快。
2.涉及權利要求
1所述的方法，其中要求在一定程度上維持通過油頁巖沉積層的傳熱速度沿注熱井加熱井段的軸線基本上均勻，至少對一口注熱井加熱的溫度在鄰接熱傳導率相當?shù)偷母饔晚搸r沉積層部分的深度上是相當高的。
3.根據(jù)權利要求
1所述的方法，其中至少一口注熱井內(nèi)部的加熱速度變化的程度應能有效地平衡熱前緣，使熱前緣穿過油頁巖向前移動的速度以基本上相同的速度繼續(xù)下去，且同時大大降低井眼內(nèi)部溫度升高的速度。
4.根據(jù)權利要求
1所述的方法，其中注熱井和產(chǎn)液井布置在一系列相鄰接的井網(wǎng)之中，其中的每一口產(chǎn)液井由至少四口注熱井包圍著。
5.根據(jù)權利要求
4所述的方法，其中每一口產(chǎn)液井由十二口注熱井包圍著。
6.根據(jù)權利要求
1所述的方法，其中油頁巖品位至少約為每噸20加侖且品位-厚度的乘積至少約為4500。
7.根據(jù)權利要求
1所述的方法，包括如下步驟在每一口注熱井中，在基本上整個處理層段內(nèi)，用熱傳導性相當好且基本上是不可滲透流體的固體材料密封油頁巖層表面，在至少一口注熱井中，擴大處理層段內(nèi)至少一部分井眼的有效直徑并使至少一個熱傳導金屬元件從井眼內(nèi)部延伸接近井眼的已擴大部分的表面，在每一口產(chǎn)液井中，在基本上整個處理層段內(nèi)，于井眼和油頁巖層之間建立起流體相通渠道，并裝備井以便從油頁巖井中采出流體。
8.根據(jù)權利要求
7所述的方法，其中沿注熱井井眼密封油頁巖層表面的材料為水泥且填入的水泥基本上充滿了井眼內(nèi)部的最外層金屬元件與油頁巖層表面之間的整個空間，所用水泥的熱傳導率至少基本上與油頁巖層的熱傳導率同樣高。
9.根據(jù)權利要求
1所述的方法，其中在注熱井和產(chǎn)液井所構成的井網(wǎng)的邊緣附近至少有一口井基本上延伸穿過整個處理層段，且其加熱溫度足以使鄰近地層受熱膨脹和/或引起壓應力，但又可避免油頁巖中的有機成分受熱而明顯移動。
10.根據(jù)權利要求
9所述的方法，其中至少一口這樣加熱過的井隨后以大致相當于為加熱注熱井所選用的溫度進行加熱。
11.根據(jù)權利要求
1所述的方法，其中注熱井和產(chǎn)液井的井眼基本上以約9至30m的等距離分隔開。
專利摘要
應用本發(fā)明可不斷從地下油頁巖處理層段內(nèi)采出頁巖油，其中的處理層段最初基本上是不可滲透的，且具有特定的油頁巖品位和厚度。所說處理層段是從井眼內(nèi)部進行傳導加熱的，井眼內(nèi)部溫度高于約600℃，且其加熱速度可使油頁巖內(nèi)形成的干酪根熱解產(chǎn)物壓開并流過水平裂縫，并繼而使水平裂縫擴展進入處于特定位置的產(chǎn)液井。
文檔編號E21B43/28GK87100890SQ87100890
公開日1988年8月31日 申請日期1987年1月17日
發(fā)明者彼得·萬·米爾斯, 埃里克·彼里·迪·羅費格納克, 哈羅德·杰·維尼加爾, 邁克爾·弗朗希斯·魯希德 申請人:國際殼牌研究有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan