CN109826606B - 高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法及装置，该方法包括如下步骤：采用高温流体对油页岩储层进行压裂，以使油页岩储层产生预定长度的人工主裂缝。停止高温流体压裂油页岩储层，并使高温流体加热油页岩储层，在达到第一预定时间后，返排高温流体。采用液氮对油页岩储层进行压裂，以使人工主裂缝两侧产生次级裂缝，同时液氮气化产生氮气，进而使次级裂缝两侧产生多级裂缝。封闭井口，在达到第二预定时间后，开启井口，返排氮气，以使油页岩储层形成一系列相互连通的缝网。本申请既能够实现油页岩中的干酪根转化为油气资源，又能够有效提高油页岩储层的渗透性，可以实现油页岩大规模原位开采。

Description

高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法及装置

技术领域

本申请属于油页岩储层水力压裂技术领域，特别涉及一种利用高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法及装置。

背景技术

目前，我国油页岩开采技术相对落后，油页岩开发基本上全部采用地上干馏技术，油收率低，难以满足大规模开发应用，且污染问题突出。因此，相关学者开展了油页岩地下干馏技术的攻关研究，以促进油页岩的大规模开发和利用。由于油页岩比较致密，渗透率极低，油页岩储层中的干酪根在地下经过热解之后产生的可开采的油气资源很难通过储层进入井筒，因此，需要对油页岩储层进行改造。水力压裂技术是目前对非常规油气储层进行有效改造最常用的手段，因此可以采用水力压裂技术对油页岩储层进行改造。油页岩储层一般埋藏比较深，在地层高温高压的作用下，油页岩会表现出热塑性，因此，常规水力压裂在油页岩储层中产生的水力裂缝比较单一，储层改造效果不好。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法及装置，其既能够实现油页岩中的干酪根转化为油气资源，又能够有效提高油页岩储层的渗透性，可以实现油页岩大规模原位开采。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供一种高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法，包括如下步骤：

采用高温流体对油页岩储层进行压裂，以使所述油页岩储层产生预定长度的人工主裂缝；

停止高温流体压裂所述油页岩储层，并使高温流体加热所述油页岩储层，在达到第一预定时间后，返排高温流体；

采用液氮对所述油页岩储层进行压裂，以使所述人工主裂缝两侧产生次级裂缝，同时液氮气化产生氮气，进而使所述次级裂缝两侧产生多级裂缝；

封闭井口，在达到第二预定时间后，开启井口，返排氮气，以使所述油页岩储层形成一系列相互连通的缝网。

在一个优选的实施方式中，在所述油页岩储层形成一系列相互连通的缝网后，对所述油页岩储层进行第一次开采。

在一个优选的实施方式中，在对所述油页岩储层进行第一次开采后，继续采用高温流体对油页岩储层进行压裂，以使所述人工主裂缝继续向前延伸；

停止高温流体压裂所述油页岩储层，并使高温流体加热所述油页岩储层，在达到第一预定时间后，返排高温流体；

采用液氮对所述油页岩储层进行压裂，以使向前延伸的人工主裂缝两侧产生次级裂缝，同时液氮气化产生氮气，进而使次级裂缝两侧产生多级裂缝；

封闭井口，在达到第二预定时间后，开启井口，返排氮气，以使所述油页岩储层进一步形成相互连通的缝网；

在所述油页岩储层进一步形成相互连通的缝网后，对所述油页岩储层进行第二次开采。

在一个优选的实施方式中，所述预定长度根据所述油页岩储层中产油物质的含量而定。

在一个优选的实施方式中，所述液氮的温度为-196℃。

在一个优选的实施方式中，所述高温流体的温度在300-500℃之间。

在一个优选的实施方式中，所述高温流体为过热蒸汽。

在一个优选的实施方式中，所述第一预定时间取决于所述油页岩储层中干酪根热解速率。

在一个优选的实施方式中，所述第二预定时间为7天。

另外，本发明还提供一种采用上述任一项所述的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的装置，包括：

第一压裂模块，其被配置为采用高温流体对油页岩储层进行压裂，以使所述油页岩储层产生预定长度的人工主裂缝；

加热模块，其被配置为停止高温流体压裂所述油页岩储层，并使高温流体加热所述油页岩储层，在达到第一预定时间后，返排高温流体；

第二压裂模块，其被配置为采用液氮对所述油页岩储层进行压裂，以使所述人工主裂缝两侧产生次级裂缝，同时液氮气化产生氮气，进而使次级裂缝两侧产生多级裂缝；

连通模块，其被配置为封闭井口，在达到第二预定时间后，开启井口，返排氮气，以使所述油页岩储层形成一系列相互连通的缝网。

另外，本发明还提供一种高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的装置，包括存储器和处理器，存储器中存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时，实现以下步骤：如上述任一项所述的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法。

借由以上的技术方案，本申请的有益效果在于：

本发明采用高温流体压裂，既能够产生较长的人工裂缝，又能够加热油页岩促使裂缝周围油页岩中的干酪根转化为油气资源。采用低温流体压裂，能够在已经形成的裂缝两侧产生次级裂缝和/或多级裂缝，为开采油气资源提供必要的渗流通道。在完成每一次高低温流体压裂后，均进行一段时间的开采，能够避免再次注入的高低温流体对已经形成的油气资源造成污染。

本发明提供的利用高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法及装置，既能够实现油页岩中的干酪根转化为油气资源，又能够有效提高油页岩储层的渗透性，通过高低温流体交替压裂能够不断增大油页岩储层改造范围，通过间断开采不断提高采收率，为实现油页岩大规模原位开采提供理论依据。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。在附图中：

图1为本申请实施方式的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法流程图；

图2为本申请实施方式的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的装置模块图；

图3为本发明高温油页岩储层中垂直于井筒方向的人工裂缝示意图；

图4为本发明液氮辅助压裂多级裂缝示意图。

以上附图的附图标记：1、人工主裂缝；2、井筒；3、多级裂缝；4、压裂管柱；5、次级裂缝；6、三级裂缝；7、四级裂缝；8、n级裂缝。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明的实施方式提供一种高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法，该方法包括如下步骤：

S1：采用高温流体对油页岩储层进行压裂，以使所述油页岩储层产生预定长度的人工主裂缝1；

S2：停止高温流体压裂所述油页岩储层，并使高温流体加热所述油页岩储层，在达到第一预定时间后，返排高温流体；

S3：采用液氮对所述油页岩储层进行压裂，以使所述人工主裂缝1两侧产生次级裂缝5，进而使次级裂缝5两侧产生多级裂缝3；

S4：封闭井口，在达到第二预定时间后，开启井口，返排氮气，以使所述油页岩储层形成一系列相互连通的缝网。

在本实施方式中，如图3和图4所示，首先利用压裂管柱4向井筒2内注入高温流体，以对油页岩储层进行压裂。所述高温流体可以为过热蒸汽，且其温度可以在300-500℃之间，这样该油页岩储层会产生一条预定长度的人工主裂缝1。在通常情况下，该人工主裂缝1垂直于地层最小主地应力方向。所述预定长度需要根据油页岩储层中干酪根等产油物质的含量而定。例如，如果储层产油物质含量较高，那么预定长度可以短一些。但是预定长度的最低要求是，储层在经过预定长度的高低温流体压裂之后，得到的可采油气资源具有开采价值。

然后，需要停泵静置，使得高温流体加热周围油页岩储层，且加热的过程需要维持第一预定时间，这样能够充分加热人工主裂缝1周围的油页岩，促进油页岩中的干酪根转化为油气资源。在到达第一预定时间后，需要返排高温流体，避免随后注入的液氮的超低温作用造成高温流体发生相变，导致人工主裂缝1堵塞。需要进行说明的是，所述第一预定时间取决于所述油页岩储层中干酪根热解速率。

在返排高温流体结束后，采用液氮对所述油页岩储层进行压裂，液氮可以通过压裂管柱4注入井筒2后，会进入人工主裂缝1，人工主裂缝1两侧的高温油页岩在液氮的超低温作用下(-196℃)会产生巨大的热应力，使得其两侧高温油页岩(300℃)破裂产生次级裂缝5。同时液氮气化产生高压氮气促进次级裂缝5再次延伸，进而使次级裂缝5两侧产生多级裂缝3。该多级裂缝3可以包括次级裂缝5周围的三级裂缝6，三级裂缝6周围的四级裂缝7，以此类推，(n-1)级裂缝周围的n级裂缝8，其中n≥2，且n为正整数。例如，在特殊情况下，当n＝2时，(n-1)级裂缝为人工主裂缝1，n级裂缝8为次级裂缝5。需要强调的是，此时人工主裂缝1在液氮的作用下，也会稍微向前延伸一部分，进而次级裂缝5和多级裂缝3的产生也是同时发生的。

最后，需要封闭井口静置，待液氮全部转化为氮气，会进一步促进裂缝延伸，在达到第二预定时间(大约7天左右)后，开启井口，返排氮气，既能避免氮气污染油气资源，又能降低缝网内的压力，便于油气资源在缝网中流动。这样最终可以形成一系列相互连通的复杂缝网。

在所述油页岩储层形成一系列相互连通的缝网后，需对所述油页岩储层进行第一次开采，避免再次注入的高低温流体对已经形成的油气资源造成污染。此处的污染不仅包括氮气、高温流体等外来物质对油气资源的污染，还包括温度作用对已产生的油气资源成分的影响，以及再次注入高低温流体压裂后返排压裂物质时将油气资源携带出去造成油气资源损失。

在对所述油页岩储层进行第一次开采后，重复上述步骤，继续采用高温流体对油页岩储层进行压裂，以使所述人工主裂缝1继续向前延伸。然后停止高温流体压裂所述油页岩储层，并使高温流体加热所述油页岩储层，在达到第一预定时间后，返排高温流体。接着，采用液氮对所述油页岩储层进行压裂，以使向前延伸的人工主裂缝1两侧产生新的次级裂缝5，同时液氮气化产生氮气，进而使新的次级裂缝5两侧产生多级裂缝3。最后封闭井口，在达到第二预定时间后，开启井口，返排氮气，以使所述油页岩储层进一步形成相互连通的缝网。在所述油页岩储层进一步形成相互连通的缝网后，对所述油页岩储层进行第二次开采。采用间歇式开采能够最大程度地避免上述污染情况发生。此处的间歇式开采包括第一次开采、第二次开采，和如若需要以后重复步骤中的开采方式。

进一步地，还可以再次重复上述步骤，利用高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩，这样可以不断增大油页岩储层的改造范围，不断提高油页岩的采收率。

如上所述的利用高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法，其中，在完成每一次油气开采之后，需要再次注入高温流体压裂，新的人工主裂缝1会在已有人工主裂缝1的基础上再次进行延伸，从而可以增大储层改造范围。接着再次注入液氮压裂，新的人工主裂缝1两侧会产生次级裂缝5和/或多级裂缝3，可以增加油气资源渗流通道。

本发明的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法采用先注高温流体再注液氮压裂主要有两个方面的原因。其一，先注入高温流体能够给油页岩储层进行加热，使得压裂区域油页岩达到较高的温度，既能够促进油页岩中的干酪根等转化为可采油气资源，又能够获得与液氮温度相差很大的温度差，从而可以提高液氮压裂过程中产生的热应力，产生更多分支裂缝。

其二，如果先注入液氮压裂会在井筒周围产生许多方向随机的细小裂缝，后注入高温流体进行压裂时，压裂液首先进入液氮压裂得到细小裂缝中，沿着细小裂缝扩展，不易形成较长的人工主裂缝1，导致压裂改造区域小。先注入高温流体压裂能够首先获得较长的人工主裂缝1，再注入液氮能够在人工主裂缝1周围产生细小裂缝，即能够增大改造区域，又能够提高压裂改造效果。

而且，本申请的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法得到的人工主裂缝1两侧分支裂缝少，长度便于控制，而直接采用液氮压裂得到的人工裂缝长度很难进行控制。这是由于首先采用高温流体对油页岩储层进行压裂，人工裂缝扩展主要受地层三向应力控制，此时产生的人工主裂缝1垂直于地层最小主地应力方向，因此可以根据压裂液排量、现场施工压力曲线以及地层岩石力学性质参数等估算人工裂缝的长度。而采用液氮直接进行压裂，得到的人工裂缝包括原来人工主裂缝1的延伸和多级分支裂缝的产生，其中，人工主裂缝1的延伸和多级分支裂缝的产生是同时发生的，分支裂缝产生的原因主要是热应力和流体压力的作用。

另外，基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的装置，如下面的实施例所述。由于一种高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的装置解决问题的原理与一种高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法相似，因此高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的装置的实施可以参见高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

如图2所示，本申请的实施例中还提供一种高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的装置，该装置包括：

第一压裂模块101，其被配置为采用高温流体对油页岩储层进行压裂，以使所述油页岩储层产生预定长度的人工主裂缝1。

加热模块102，其被配置为停止高温流体压裂所述油页岩储层，并使高温流体加热所述油页岩储层，在达到第一预定时间后，返排高温流体。

第二压裂模块103，其被配置为采用液氮对所述油页岩储层进行压裂，以使所述人工主裂缝1两侧产生次级裂缝5，同时液氮气化产生氮气，进而使次级裂缝5两侧产生多级裂缝3。

连通模块104，其被配置为封闭井口，在达到第二预定时间后，开启井口，返排氮气，以使所述油页岩储层形成一系列相互连通的缝网。

在优选的实施方式中，该装置还包括第一开采模块，其被配置为在所述油页岩储层形成一系列相互连通的缝网后，对所述油页岩储层进行第一次开采。

在优选的实施方式中，该装置还包括：

第三压裂模块，其被配置为在对所述油页岩储层进行第一次开采后，继续采用高温流体对油页岩储层进行压裂，以使所述人工主裂缝1继续向前延伸。

继续加热模块，其被配置为停止高温流体压裂所述油页岩储层，并使高温流体加热所述油页岩储层，在达到第一预定时间后，返排高温流体。

第四压裂模块，其被配置为采用液氮对所述油页岩储层进行压裂，以使向前延伸的人工主裂缝1两侧产生次级裂缝5，同时液氮气化产生氮气，进而使次级裂缝5两侧产生多级裂缝3。

继续连通模块，其被配置为封闭井口，在达到第二预定时间后，开启井口，返排氮气，以使所述油页岩储层进一步形成相互连通的缝网。

第二开采模块，其被配置为在所述油页岩储层进一步形成相互连通的缝网后，对所述油页岩储层进行第二次开采。

在优选的实施方式中，所述预定长度根据所述油页岩储层中产油物质的含量而定。

在优选的实施方式中，所述液氮的温度为-196℃。

在优选的实施方式中，所述高温流体的温度在300-500℃之间。

在优选的实施方式中，所述高温流体为过热蒸汽。

在优选的实施方式中，所述第一预定时间取决于所述油页岩储层中干酪根热解速率。

在优选的实施方式中，所述第二预定时间为7天。

另外，本发明的实施例中还提供一种高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的装置，其包括存储器和处理器，存储器中存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时，实现以下步骤：如上述任一项所述的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法。

在另外一个实施方式中，还提供了一种软件，该软件用于执行上述实施例及优选实施方式中描述的技术方案。

在另外一个实施方式中，还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有上述软件，该存储介质包括但不限于：光盘、软盘、硬盘、可擦写存储器等。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施方式实现了如下技术效果：本发明采用高温流体压裂，既能够产生较长的人工裂缝，又能够加热油页岩促使裂缝周围油页岩中的干酪根转化为油气资源。采用低温流体压裂，能够在已经形成的裂缝两侧产生次级裂缝和/或多级裂缝，为开采油气资源提供必要的渗流通道。在完成每一次高低温流体压裂后，均进行一段时间的开采，能够避免再次注入的高低温流体对已经形成的油气资源造成污染。

本发明提供的利用高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法及装置，既能够实现油页岩中的干酪根转化为油气资源，又能够有效提高油页岩储层的渗透性，通过高低温流体交替压裂能够不断增大油页岩储层改造范围，通过间断开采不断提高采收率，为实现油页岩大规模原位开采提供理论依据。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用高温流体对油页岩储层进行压裂，以使所述油页岩储层产生预定长度的人工主裂缝；

停止高温流体压裂所述油页岩储层，并使高温流体加热所述油页岩储层，在达到第一预定时间后，返排高温流体；

采用液氮对所述油页岩储层进行压裂，以使所述人工主裂缝两侧产生次级裂缝，同时液氮气化产生氮气，进而使所述次级裂缝两侧产生多级裂缝；

封闭井口，在达到第二预定时间后，开启井口，返排氮气，以使所述油页岩储层形成一系列相互连通的缝网；在所述油页岩储层形成一系列相互连通的缝网后，对所述油页岩储层进行第一次开采；

在对所述油页岩储层进行第一次开采后，继续采用高温流体对油页岩储层进行压裂，以使所述人工主裂缝继续向前延伸；

停止高温流体压裂所述油页岩储层，并使高温流体加热所述油页岩储层，在达到第一预定时间后，返排高温流体；

采用液氮对所述油页岩储层进行压裂，以使向前延伸的人工主裂缝两侧产生次级裂缝，同时液氮气化产生氮气，进而使次级裂缝两侧产生多级裂缝；

封闭井口，在达到第二预定时间后，开启井口，返排氮气，以使所述油页岩储层进一步形成相互连通的缝网；

在所述油页岩储层进一步形成相互连通的缝网后，对所述油页岩储层进行第二次开采；

所述高温流体的温度在300-500℃之间。

2.根据权利要求1所述的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法，其特征在于，所述预定长度根据所述油页岩储层中产油物质的含量而定。

3.根据权利要求1所述的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法，其特征在于，所述液氮的温度为-196℃。

4.根据权利要求1所述的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法，其特征在于，所述高温流体为过热蒸汽。

5.根据权利要求1所述的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法，其特征在于，所述第一预定时间取决于所述油页岩储层中干酪根热解速率。

6.根据权利要求1所述的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法，其特征在于，所述第二预定时间为7天。

7.一种采用上述权利要求中任一项所述的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的装置，其特征在于，包括：

第一压裂模块，其被配置为采用高温流体对油页岩储层进行压裂，以使所述油页岩储层产生预定长度的人工主裂缝；

加热模块，其被配置为停止高温流体压裂所述油页岩储层，并使高温流体加热所述油页岩储层，在达到第一预定时间后，返排高温流体；

第二压裂模块，其被配置为采用液氮对所述油页岩储层进行压裂，以使所述人工主裂缝两侧产生次级裂缝，同时液氮气化产生氮气，进而使次级裂缝两侧产生多级裂缝；

连通模块，其被配置为封闭井口，在达到第二预定时间后，开启井口，返排氮气，以使所述油页岩储层形成一系列相互连通的缝网；

所述高温流体的温度在300-500℃之间。

8.一种高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的装置，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器中存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时，实现以下步骤：如权利要求1至6任一项所述的高低温流体交替压裂间断原位开采油页岩的方法。

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