CN110259424A - 一种原位开采油页岩的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原位开采油页岩的方法和装置。该装置包括：燃烧反应设备、脉冲喷嘴、预加热设备、连续油管内管、连续油管外管、生产套管、供水设备、供燃料设备、供氧设备以及泵组；其中，供氧设备与连续油管外管连通；供水设备、供燃料设备均与连续油管内管连通；燃烧反应设备的底部设置有脉冲喷嘴；连续油管内管、连续油管外管、生产套管均与燃烧反应设备连通。本发明还提供了采用上述装置完成的原位开采油页岩的方法。本发明提供的原位开采油页岩的方法及装置的开采成本较低、开采效率较高。

Description

一种原位开采油页岩的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种开采方法和装置，尤其涉及一种原位开采油页岩的方法和装置，属于油气开采技术领域。

背景技术

当前，全球经济不断发展，对能源的需求也日益增大，随着开发的进行，常规油气储量不断下降，且开采难度不断增大，因此，我们急需寻找常规油气能源的替代品。油页岩(油母页岩，油母页岩是由水生植物藻类等低等生物腐化成的泥浆积淀而来的，是一种蕴藏量十分丰富但几乎还未被很好利用的矿产资源，根据沉积环境，油母页岩可以分成陆相、湖相和海相等三种基本成因类型)是一种非常规油气资源，被视为是传统能源的重要补充和代替能源，逐渐引起了国内外的广泛关注。我国油页岩储量丰富，已探明的油页岩储量约有476亿吨，相当于常规石油资源的一半。且储量分布较为集中，主要分布在吉林省等地区。然而，油页岩的裂解转化和开采技术是影响油页岩开发和利用的主要因素。因此，了解油页岩的相关开采技术和发展现状是很有必要的。

当前，对于油页岩的开法利用方式主要是地面干馏炼油和地下原位开采。地面干馏法是指将油页岩矿挖出来，运输至特定的干馏炉中加热到500℃至600℃，干馏出“人造石油”。我国油页岩地面干馏工业历史悠久，但是地面干馏法不仅需要大量水资源，而且还对环境有较大的污染，难以大规模发展。为推动油页岩大规模的绿色开发利用，国际各大石油公司加强了油页岩地下原位干馏开采的研究，并形成了多种油页岩原位开采技术。油页岩的原位开采不再开采油页岩矿石，而是通过在地下原位加热油页岩，将有机质(干酪根)热裂解成“油”和“可燃气体”，然后将裂解的油气产物开采到地层上的一种开采方法。因原位开采具有地表挖开小、废物排放少、以及污染较低的优点，所以原位开采正逐渐成为油页岩开采最有前景的技术。

目前，国内外油页岩原位开采技术根据加热原理，分为俩类：原位燃烧加热开采和原位物理加热开采技术。燃烧加热开采技术先要挖掉五分之一的油页岩层底板并对底板上方的油页岩进行压裂或***，接着将热空气与可燃气体一起通入目标岩层，发生燃烧以加热目标岩层。但是，由于在挖开地层的过程中破坏了目标层底板，同时还会污染地下水。并且，燃烧过程不易控制，容易将油页岩的大部分有机质给消耗了。因此，现在的原位开采更倾向于用原位物理加热的方式来开采油页岩。原位物理加热开采技术又可分为三类：传导加热技术，辐射加热技术和流体对流加热技术。此外，还有以色列AST公司提出局部化学反应热裂解的技术等。

传导加热技术主要是在施工前，先使用冷冻墙冻结目标岩块，防止污染。施工中打工作井至目标岩层并在工作井中放置电加热器，而后开始加热目标岩层。当目标产层被加热至600-700K时，油页岩内部有机质开始转化，随后运用传统的油气开采方式将油气产物采至地面。电传导加热的优点是减少了环境污染且加热方式灵活，易于控制。缺点是，能量利用率较低，加热速度慢。

辐射加热技术综合了射频加热及超临界流体提取等俩项技术特点。实施过程中，首先打井到目标岩层，接着在井内下入RF传感器，然后打开传感器加热地层，促使油页岩内部的有机质发生转化，然后向目标层段注入超临界二氧化碳来萃取油气产物采至地面。辐射加热的优点是加热速度快，能量利用效率高。缺点是射频加热技术难以在井下实现，传感器在井内的使用还存在问题。并且射频加热技术手段成本较高。

对流加热技术的工作原理是先钻井至目标岩层，然后通过多井压裂的方式形成缝网，贯通整个加热区域，最后向注热井注入高温的烃类气体(或高温二氧化碳)加热目标产层并将生成的油气产物从生产井产出。此外，吉林大学还提出了使用近邻界水蒸气原位开采油页岩的技术。该技术利用了近邻界水较好的萃取和溶解能力，并且对环境的污染较小。对流换热技术的优点是加热速度快，可充分利用干馏气。缺点是，开采前要先形成缝网。并且，相对于近邻界水，超临界水在油页岩的提取能力更强，且转化的产物极性更高。

此外还有人提出了局部化学反应开采油页岩的手段。该技术的原理是在目标层段打井，然后将高温空气注入目标地层，促进油页岩内部有机质发生局部化学反应。随着反应的进行，一个反应单元体在目标地层中，不断的扩大。在反应初期，干酪根主要裂解转化为沥青，随着反应时间的进行，沥青进一步转化为页岩油和部分烃类气体。但是，该方法的反应区域较小，且需要重复注入，注入量的调控复杂，如果注入量不合适，会消耗大量的油气产物。

由上可知，目前还没有一种经济有效的方法可以用来实现油页岩的大规模工业化原位开采。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种利用超临界脉冲热力射流原位开采油页岩的方法及装置，本发明的方法及装置可以实现油页岩高效、经济的原位开采。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种原位开采油页岩的装置，该装置包括：燃烧反应设备、脉冲喷嘴、预加热设备、连续油管内管、连续油管外管、生产套管、供水设备、供燃料设备、供氧设备以及泵组；

其中，供氧设备与连续油管外管连通；

供水设备与供燃料设备均与连续油管内管连通；

燃烧反应设备设置于油页岩储层中，燃烧反应设备的底部设置有脉冲喷嘴；

连续油管内管、连续油管外管、生产套管均与燃烧反应设备连通。

本发明的原位开采油页岩的装置包括原料提供部。该原料提供部包括供水设备、供燃料设备、供氧设备、预加热设备以及泵组。其中，原料提供部用于为燃烧反应提供原料。

具体地，供水设备用于在开采过程中为燃烧反应供水，以形成超临界水射流，同时弥补储层压力亏空。

具体地，供燃料设备用于为燃烧反应供给燃料以实现点火。

具体地，供氧设备用于提供燃烧过程中所需的含氧气体。

具体地，预加热设备用于在燃烧反应设备未点火之前对燃料水混合物和含氧气体进行预加热。

在本发明的一具体实施方式中，供水设备与连续油管内管连通；供燃料设备与连续油管内管连通；供氧设备与连续油管外管连通。

在本发明的一具体实施方式中，预加热设备分别为燃料水预加热器和气体预加热器；其中，燃料水预加热器的一端分别与供水设备和供燃料设备连通，另一端与连续油管内管连通。气体预加热器的一端与供氧设备连通，另一端与连续油管外管连通。

本发明的原位开采油页岩的装置包括燃烧反应设备。其中，燃烧反应设备用于为燃烧反应提供环境。

在本发明的一具体实施方式中，燃烧反应设备包括燃烧反应腔，位于燃烧反应腔顶部的燃料水入口、含氧气体入口，以及，位于燃烧反应腔底部的喷嘴管道。

在本发明的一具体实施方式中，脉冲喷嘴连接在喷嘴管道的出口处。

具体地，脉冲喷嘴用于将产生的超临界射流变为脉冲超临界射流。

本发明的原位开采油页岩的装置包括连续油管内管、连续油管外管和生产套管。其中，生产套管用于将分解出的油气产物输送至地面(优选，至产物分离提取设备中)。连续油管内管用于输送燃料、水至燃烧反应设备。连续油管外管用于输送含氧气体至燃烧反应设备。

在本发明的一具体实施方式中，连续油管内管设置于连续油管外管内并具有环空，连续油管外管设置于生产套管内并具有环空。

在本发明的一具体实施方式中，生产套管连通地面以及井内油页岩储层的目标位置。

其中，连续油管外管、连续油管内管均设置有保温设备。比如，保温设备可以采用保温棉。

在本发明的一具体实施方式中，生产套管通过水泥环固定于井筒内。

在本发明的一具体实施方式中，连续油管内管的始端与燃料水预加热器相连通，连续油管内管的末端与燃烧反应设备的燃烧反应腔连通。

在本发明的一具体实施方式中，连续油管外管的始端与气体预加热器连通，连续油管外管的末端与燃烧反应设备的燃烧反应腔连通。

本发明的原位开采油页岩的装置包括油气储集分离设备、产物分离提取设备。其中，产物分离提取设备用于分离和提取开采出的油气水混合物。油气储集分离设备用于将分离提取出的油气产物进行收集。

在本发明的一具体实施方式中，产物分离提取设备设置于油气储集分离设备与生产套管之间。

在本发明的一具体实施方式中，产物分离提取设备的一个接口与生产套管连通，产物分离提取设备的另一个接口与油气储集分离设备连通。

本发明的原位开采油页岩的装置包括泵组。其中，泵组用于分别与产物分离提取设备、供水设备、供燃料设备和供氧设备连通。

在本发明的原位开采油页岩的装置中，燃烧反应设备的燃烧反应腔、喷嘴管道和脉冲喷嘴、预加热器、连续油管内管、连续油管外管、生产套管、供水设备、供燃料设备、供氧设备、产物分离提取设备、油气储集分离设备以及泵组均可以为本领域常规的部件和设备。其中，连续油管内管、连续油管外管以及生产套管的直径可以由本领域技术人员根据实际需要进行调节。

本发明的原位开采油页岩的装置，具体用于原位开采油页岩时，可以包括以下步骤：

利用脉冲热力射流钻出多分支井至油页岩储层的不同层位；

将燃烧反应设备下置于各分支井的目标位置；燃烧反应设备包括燃烧反应腔、位于燃烧反应腔底部的喷嘴管道以及与喷嘴管道出口处连接的脉冲喷嘴；

将生产套管由地面下至各分支井的目标位置；

在连续油管外管中套入连续油管内管，并在连续油管外管和连续油管内管上进行保温处理，将连续油管外管套入生产套管中，且连续油管外管和连续油管内管的始端分别与燃料水预加热器和气体预加热器相连，将连续油管外管的末端和连续油管内管的末端与燃烧反应设备连接；

在地面上设置燃料水预加热器、气体预加热器、产物分离提取设备、油气储集分离设备、供水设备、供燃料设备、供氧设备以及泵组。将产物分离提取设备的一个接口与油气储集分离设备连接；将产物分离提取设备的另一个接口与生产套管连接；将供水设备与燃料水预加热器连接，将供燃料设备与燃料水预加热器连接，将燃料水预加热器与连续油管内管连接；将供氧设备与气体预加热器连接，将气体预加热器与连续油管外管连接；将泵组与产物分离提取设备、供水设备、供燃料设备和供氧设备连接；

开启泵组，通过供燃料设备将燃料水混合物泵入燃料水预加热器中，然后将预加热的超临界燃料水混合物从连续油管内管向燃烧反应设备的燃烧反应腔泵入，使燃烧反应腔内部压力达到22.1MPa以上，通过供氧设备将含氧气体泵入气体预加热器，将预加热的超临界含氧气体从连续油管外管向燃烧反应设备的燃烧反应腔泵入，当超临界燃料水混合物与含氧气体接触后，发生自燃现象；当燃料开始燃烧，慢慢降低对燃料水混合物和含氧气体的预加热温度，燃烧产物经过燃烧反应腔底部的喷嘴管道，从脉冲喷嘴出口喷出形成高速脉冲射流，燃烧产生的热和射流的冲击力作用于油页岩储层，使油页岩发生热裂解，裂解出的油气产物沿生产套管上返进入产物分离提取设备，提取分离后进入油气储集分离设备；

其中，控制预加热器的温度，当燃烧反应腔内火焰出现可以降低预加热器的设定温度至375℃±10℃(水热火焰熄灭温度)以上，保持火焰的稳定，并通过控制泵组，保证燃料水混合物和含氧气体的持续泵入，并通过泵组控制燃烧反应腔内的压力在25MPa±2MPa以上(燃烧反应腔内的压力可以通过泵组调节供水设备、供燃料设备和供氧设备中的一个或几个的注入量来控制)，同时通过供水设备和供燃料设备从连续油管内管向燃烧反应腔泵入燃料水混合物，由于此时燃烧反应腔内的压力高于25MPa，燃烧反应腔内的温度高于374.3℃，连续油管内管进入燃烧反应腔内的水仍超临界态(在压力大于22.1MPa、温度高于374.3℃时，水处于超临界状态，可以和醇类燃料实现很好的互溶，同时可以支持燃烧)，与从连续油管外管进入燃烧反应腔内的含氧气体充分混合、燃烧，发生高强度持续性的超临界水氧化反应，调节注入到燃烧反应腔内的含氧气体与燃料水混合物的流量比，以控制燃烧反应腔内的火焰温度，保证火焰的稳定；氧化产物从燃烧反应腔底部的脉冲喷嘴出口喷出形成高速脉冲射流。燃烧产生的热和脉冲射流的冲击力作用于油页岩储层，使油页岩发生裂解，同时喷射出来的超临界水还携带一定量的氧气，这部分氧气会与油页岩发生氧化反应，放出大量的热，促进油页岩的进一步热裂解，同时超临界水还具有较强的溶解和萃取性质，可以将裂解出的油气产物提取出来，提取出来的油气产物沿生产套管上返进入产物分离提取设备，分离提取后进入油气储集设备进行收集，从而实现对油页岩的原位开采；

持续向井内泵入超临界水，直至井底压力到达25MPa±2MPa，关井2天，再重新开井，将裂解出来的油气产物开采到地面；

完成开采后，关闭泵组，关闭预加热器，停止泵入燃料水混合物和含氧气体，并上提生产套管、连续油管外管、连续油管内管、和燃烧反应装置，完成对油页岩的原位开采。

本发明还提供了一种原位开采油页岩的方法，该方法是通过本发明的原位开采油页岩的装置完成的，该方法包括以下步骤：

向燃烧反应设备中注入预加热至设定温度(375℃±10℃)的水，直至燃烧反应设备的压力达到22.1MPa以上(优选25MPa)；

将燃料水混合物加热至超临界状态；其中，燃料水混合物中燃料的含量为10％-50％(优选为30％)；

将含氧气体加热至超临界状态；

调控燃烧反应设备的压力为25MPa±2MPa，向燃烧反应设备中注入超临界状态的燃料水混合物，向燃烧反应设备中注入超临界状态的含氧气体，进行燃烧反应；

当燃烧反应设备内发生自燃反应时，降低对燃料水混合物和含氧气体的预加热温度至375℃±10℃；

以脉冲射流的方式将燃烧产物向井内喷射，直至井底压力达到25MPa±2MPa，停止注入，关井封闭，待油页岩在地层内进行充分的热裂解后，开井，将产生的油气混合物开采到地面进行分离，从而实现对油页岩的原位开采。

本发明的原位开采油页岩的方法，注入经预热的燃料水混合物和含氧气体，使超临界状态的燃料水混合物和含氧气体在反应腔内充分接触时发生氧化自燃现象，产生水热火焰，产生大量的热，燃烧产物主要为水和二氧化碳。经出口脉冲喷嘴处形成具有较强冲击能力的脉冲热力射流，脉冲射流作用在岩石表面形成裂缝和孔隙，燃烧产物超临界水携带大量的热量从裂缝孔隙处进入油页岩储层中，促进油页岩内部有机质分解转化为相应的油气产物。

由于热力流体以脉冲射流的方式喷射，高速射流与振荡腔内的空气会发生十分强烈的动量交换，产生动量交换以后在流体流动方向上产生不稳定的剪切层，且剪切层的厚度会不断变厚，在射流流动过程中剪切层附近的液体被卷吸形成大尺度的涡旋。当涡旋向下部运动时与下部碰撞壁碰撞，会形成压力扰动，当压力扰动的频率和振荡腔内的固有频率相同时会产生周期性的共振激励，从而产生脉冲射流。脉冲热力射流可以在岩石表面形成大量的不规则的裂缝，且间断性的喷射有利于底部岩屑的清除，从而使油页岩储层产生新的露头；不断喷射热力射流使井底压力超过22.1MPa时，射流流体为超临界水，超临界水具有较高的扩散系数和传热传质能力，能够有效的进入油页岩的微小裂缝中促进油页岩的热裂解，喷射出来的超临界水又具有较强的氧化性，超临界水中的氧化物质会与油页岩发生化学反应，从而产生大量的热，产生的热量不断的向远处传播，促进油页岩进一步的热裂解；同时，超临界水又具有较好的溶解性，可以将油气产物萃取出来。

本发明的原位开采油页岩的方法中，位于油页岩储层的井是通过超临界水脉冲热力射流钻出的。其中，通过热力射流钻井可以参考CN103790516A(申请号：201410075665.9，发明名称：一种利用热力射流高效破岩的钻井新方法)中所公开的钻井方法。

在本发明的原位开采油页岩的方法中，含氧气体理论上空气和纯氧都可以，为了控制反应程度，防止油页岩的过量氧化。在本发明的一具体实施方式中，采用空气作为含氧气体。

在本发明的一具体实施方式中，采用的燃料包括甲醇、乙醇、异丙醇和甲烷等中的一种或两种以上的组合。

在本发明的原位开采油页岩的方法中，通过预加热到一定温度的燃料水混合物和氧气相遇自燃产生水热火焰，然后可以依靠水热火焰将反应腔内的液体再次加热至超临界态。

在本发明的原位开采油页岩的方法中，使燃烧反应设备产生水热火焰，当水热火焰产生后，可以降低对燃料水混合物的预加热温度。由于燃烧反应能放出大量的热，当燃料开始燃烧后便无需再提供热量，反应便可以自发进行下去。

在本发明的原位开采油页岩的方法中，通过生产套管将热裂解产生的油气产物上返至地面，生产套管的直径大于连续油管外管，并套于连续油管外管之外。

在本发明的原位开采油页岩的方法中，连续向燃烧反应设备中注入燃料水混合物和含氧气体，控制燃烧反应腔内的压力在25MPa±2MPa以上(可以通过地面泵组控制该压力)。

在本发明的原位开采油页岩的方法中，在燃烧反应的产物通过脉冲喷嘴产生脉冲热力射流，脉冲热力射流更好的利用的射流能量，可以在油页岩表面快速形成裂缝，从而可以使射流流体进入裂缝中，提高油页岩的裂解效率。

在本发明的一具体实施方式中，调节喷射到油页岩储层中超临界水中的含氧量，进而控制油页岩的氧化裂解速率。

其中，定义反应中实际注入含氧气体的量与理论所需含氧气体的量之比为反应系数，可以调节含氧气体的反应系数为0.5-6。

优选地，调节含氧气体的反应系数为0.5-6，可以进一步实现燃料更充分的燃烧和油页岩快速的氧化裂解。

在本发明的原位开采油页岩的方法中，还包括对开采到地面的油气产物进行分离提取的步骤。

在本发明的一具体实施方式中，将提取出来的轻质烃类和醇类物质与水混合，作为燃料水混合物，可以循环使用。上返至地面的油气产物实际上是油气水混合物，经提取分离后，可以得到页岩油、沥青类物质和烃类气体。比如，可以将分离出来的水再次和燃料混合，注入发生器中，减少水的浪费。

在本发明的原位开采油页岩的方法中，通过从地面注入预热过的燃料水以及含氧气体至油页岩储层，使处于超临界状态的燃料水混合物和含氧气体相遇实现点火自燃，燃烧后的热流体经脉冲喷嘴喷出，促使油页岩的热裂解。持续向井内喷射直到井底压力达到25Mpa时，停泵关井2天后重新开井，将分解的油气产物返回地面，从而实现油页岩的原位开采。

在本发明的原位开采油页岩的方法中，燃烧产生大量的热促使油页岩的热裂解，为油页岩的裂解提供了充足的热量；并且，脉冲射流的冲击作用能够使热量传递速度加快，脉冲射流的破碎作用能够使油页岩形成裂纹和孔隙，使热流体能更好的与油页岩进行换热；同时，在井底压力高于22.1MPa时，射流变为超临界水射流，超临界水中携带的氧化物质可以和油页岩发生氧化反应，产生大量的热，促进油页岩进一步热裂解，同时超临界水还具有较好的溶解和萃取性能，可以将裂解产生的油气产物提取出来；进而，燃烧热、射流以及超临界水提取的复合作用，能够大大提高油页岩的开采效率。

本发明的原位开采油页岩的方法及装置，具备以下优点：

(1)开采成本较低，利用燃料水的自燃来进行加热，降低了生成超临界水的成本，开采出来的醇类和烃类也可以当作燃料循坏注入；同时，该方法和装置可以一次下钻同时实现油页岩的钻井工作和开采工作，不需要压裂作业，大大提高了油页岩开采的效率，降低开采成本。

(2)开采效率较高，由于产生的超临界水脉冲热力射流可以在油页岩表面形成大量的不规则裂缝，超临界水具有较好的传热传质能力，可以进入油页岩内部，促进油页岩的热裂解，同时超临界水中携带的氧化物可以与油页岩发生氧化反应，产生大量的热，促进油页岩的进一步裂解；同时超临界水具有较好的溶解和萃取性能，可以将裂解产生的油气产物提取出来；并且，油页岩在超临界水的环境下3h-5h就会发生热解反应，相比于其他热解方式，提高了热作用的效率。

附图说明

图1为本发明实施例1中的原位开采油页岩的装置结构示意图。

图2为本发明实施例1中的原位开采油页岩的装置中燃烧反应设备和自激脉冲喷嘴的结构示意图。

主要附图符号说明：

1、供水设备 2、供燃料设备 3、燃料水预加热器 4、供氧设备 5、气体预加热器 6、产物提取分离设备 7、油气储集分离设备 8、地面 9、水泥环 10、生产套管 11、连续油管内管 12、连续油管外管 13、顶板基岩 14、油页岩储层 15、底板基岩 16、燃烧反应设备 17、油气产物 18、脉冲射流 19、燃烧反应腔 20、喷嘴管道 21、自激脉冲喷嘴 22、自激脉冲喷嘴振荡腔 23、自激脉冲喷嘴振荡腔碰撞壁 24、自激脉冲喷嘴出口

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例首先提供了一种原位开采油页岩的装置，其具有如图1所示的结构，该装置具体包括：

燃烧反应设备16、自激脉冲喷嘴21、预加热设备、连续油管内管11、连续油管外管12、生产套管10、供水设备1、供燃料设备2、供氧设备4以及泵组。

在其中一个实施例的原位开采油页岩的装置包括原料提供部。该原料提供部包括供水设备1、供燃料设备2、供氧设备4、预加热设备以及泵组。其中，原料提供部用于为燃烧反应提供原料。

具体地，供水设备1用于在开采过程中为燃烧反应设备16供水，以形成超临界水射流，同时弥补储层压力亏空。供燃料设备2用于为燃烧反应设备16供给燃料以点火。供氧设备4用于提供燃烧过程中所需的含氧气体。

具体地，供水设备1与连续油管内管11连通；供燃料设备2与连续油管内管11连通；供氧设备4与连续油管外管12连通。

更具体地，预加热设备用于在燃烧反应设备未点火之前对燃料水混合物和氧气进行预加热。预加热设备分别为燃料水预加热器3和气体预加热器5；其中，燃料水预加热器3的一端分别与供水设备1和供燃料设备2连通，燃料水预加热器3的另一端与连续油管内管11连通；气体预加热器5的一端与供氧设备4连通，气体预加热器5的另一端与连续油管外管12连通。

在其中一个实施例的原位开采油页岩的装置包括燃烧反应设备16。其中，燃烧反应设备16用于为燃烧反应提供环境。结构如图2所示。

燃烧反应设备16包括燃烧反应腔19，位于燃烧反应腔19顶部的燃料和水入口、氧气入口，位于燃烧反应腔19底部的喷嘴管道20。其中，自激脉冲喷嘴21连接在喷嘴管道20的出口处24。脉冲喷嘴用于将产生的超临界水射流变为脉冲超临界水射流。

在其中一个实施例的原位开采油页岩的装置包括连续油管内管11、连续油管外管12和生产套管10。其中，生产套管10用于将分解出的油气产物输送至地面8(优选是至产物分离提取设备中)。连续油管内管11用于输送燃料、水至燃烧反应设备。连续油管外管12用于输送含氧气体至燃烧反应设备。

连续油管内管11设置于连续油管外管12内，连续油管外管12设置于生产套管10内。生产套管连通地面以及井内油页岩储层的目标位置。生产套管10通过水泥环9固定于井筒内。

其中，连续油管外管12、连续油管内管11均设置有保温设备。比如，保温设备可以采用保温棉。

连续油管内管11的始端与燃料水预加热器3连通，连续油管内管11的末端与燃烧反应设备16的燃烧反应腔19连通。连续油管外管12的始端与气体预加热器5连通，连续油管外管12的末端与燃烧反应设备16的燃烧反应腔19连通。

在其中一个实施例的原位开采油页岩的装置包括油气储集分离设备7、产物分离提取设备6。其中，产物分离提取设备6用于分离和提取开采出的油气水混合物。油气储集分离设备7用于将分离提取出的油气产物进行收集。

产物分离提取设备6设置于油气储集分离设备7与生产套管10之间。产物分离提取设备6的一个接口与生产套管10连通，产物分离提取设备6的另一个接口与油气储集分离设备7连通。

在其中一个实施例原位开采油页岩的装置包括泵组。其中，泵组用于分别与产物分离提取设备、供水设备、供燃料设备和供氧设备连通。

本实施例还提供了一种利用超临界水脉冲热力射流原位开采油页岩的方法，该方法采用图1所示的装置实现，其包括以下步骤：

利用脉冲热力射流钻井至油页岩储层14的不同层位，油页岩储层14之上为顶板基岩13，之下为底板基岩15，其中通过脉冲热力射流钻井可以参考CN103790516A中所公开的钻井方法；

将燃烧反应设备16下置于井内的目标位置；燃烧反应设备16包括燃烧反应腔19、位于燃烧反应腔19底部的喷嘴管道20。自激脉冲喷嘴21安装在燃烧反应设备16的喷嘴管道20的出口处；

将生产套管10从地面下入井内目标位置；并且通过水泥环9来固定生产套管；

连续油管内管11套在连续油管外管12的内部，并对连续油管内管11、连续油管外管12进行保温处理，将连续油管外管12下入生产套管10内，连续油管外管12的始端与放置于地面的气体预加热器5相连，连续油管内管11与放置于地面的燃料水预加热器3相连；连续油管外管12和连续油管内管11的末端与燃烧反应设备16相连；

在地面上设有泵组、燃料水预加热器3、气体预加热器5、供水设备1、供燃料设备2和供氧设备4、产物分离提取设备6和油气储集分离设备7；燃料水预加热器3一端与供水设备1和供燃料设备2相连，另一端与连续油管内管11相连；气体预加热器5一端与供氧设备4相连，另一端与连续油管外管12相连。产物分离提取设备6一端与生产套管10相连，另一端与油气储集分离设备7相连；将泵组与供水设备、供燃料设备2、供氧设备4和产物分离提取设备6相连。

首先，利用脉冲热力射流的方法钻井至井内目标位置(油页岩储层14)，将燃烧反应设备16下至井内目标位置。

开启泵组，通过供燃料设备置2将燃料水混合物泵入燃料水预加热器3，然后将预加热的燃料水混合物从连续油管内管11向燃烧反应设备16的燃烧反应腔19泵入，使燃烧反应设备16内部压力达到25MPa，然后通过供氧设备4将含氧气体泵入气体预加热器5，然后将预加热的气体从连续油管外管12向燃烧反应设备16的燃烧反应腔19泵入，当预热到550℃左右的燃料水混合物与氧气接触后，会发生自燃现象，产生水热火焰；产生水热火焰后，慢慢降低对燃料水混合物和氧气的预加热温度，燃烧产物经过燃烧反应腔19底部的喷嘴管道20，从自激脉冲喷嘴出口24喷出形成高速的脉冲射流18，高速的脉冲射流18冲击到油页岩储层14上，会在油页岩表面形成裂缝，甚至会产生破碎，同时燃烧产物超临界水携带着大量的热可以进入产生的裂缝中与油页岩进行充分的换热，从而促进油页岩的热裂解；裂解出的油气产物17沿生产套管10上返进入产物分离提取设备6进行提取分离后进入油气储集分离设备7中，从而实现对油页岩的原位开采。

控制燃料水预加热器3、气体预加热器5的温度，当燃烧反应设备16内火焰出现后可以降低燃料水预加热器3、气体预加热器5的设定温度至375℃以上，保持火焰的稳定，并通过控制泵组，保证燃料水混合物和氧气的持续泵入。通过泵组控制燃烧反应腔19内的压力在25MPa以上(燃烧反应腔19内的压力可以通过泵组调节供水设备1的注入量来控制)，同时通过供水设备1和供燃料设备2从连续油管内管11向燃烧反应设备16的燃烧反应腔19泵入燃料水混合物，由于此时燃烧反应腔19内的压力高于25MPa，燃烧反应腔19内的温度高于374.3℃，故从连续油管内管11进入燃烧反应腔19内的水变为超临界态(在压力大于22.1MPa、温度高于374.3℃时，水处于超临界状态，有较好的传热传质能力，且可以和醇类燃料实现很好的互溶，还可以加速氧化反应的快速进行)，与从连续油管外管12进入燃烧反应腔19内的含氧气体混合接触会发生自燃现象，产生持续性的水热火焰，调节注入到燃烧反应腔19内的含氧气体与燃料水混合物的流量比，以控制燃烧反应腔19内的火焰温度，保证火焰的稳定。氧化产物从燃烧反应腔19底部喷嘴管道20进入自激脉冲喷嘴21中，热力射流碰撞到自激脉冲喷嘴21下方的自激脉冲喷嘴振荡腔碰撞壁23上会产生压力扰动，当压力扰动的频率和自激脉冲喷嘴振荡腔22的固有频率相同时，会产生周期性的共振激励，从而产生脉冲射流。产生的脉冲热力射流从自激脉冲喷嘴出口24喷射出来，作用在油页岩储层14形成裂缝和孔隙，燃烧产物超临界水携带大量的热从孔隙和裂缝处进入油页岩储层14中，促进油页岩的热裂解。同时喷射出来的超临界水还携带一定量的氧气，这部分氧气会与油页岩发生氧化反应，放出大量的热，促进油页岩的进一步热裂解。同时超临界水还具有较强的溶解和萃取性质，可以将裂解出的油气产物提取出来，提取出来的油气产物17沿生产套管10上返进入产物分离提取设备6进行分离提取后进入油气储集分离设备7进行收集；

持续向燃烧反应腔19内泵入燃料水混合物和氧气形成超临界水脉冲热力射流18，直至井底压力到达25MPa，关井一段时间，再重新开井，将裂解出来的油气产物17开采到地面上来；

完成开采后，关闭泵组，关闭预加热器，停止泵入燃料水混合物和含氧气体，并上提生产套管10、连续油管外管12、连续油管内管11、和燃烧反应装置16。

在本实施例中，利用燃料水的自燃来进行加热，降低了生成超临界水的成本，同时开采出来的醇类和烃类也可以当作燃料循坏注入，并且该方法可以一次下钻就实现钻井和开采的效果，避免了压裂作业，降低开采成本。并且，由于产生的超临界水脉冲热力射流可以在油页岩表面形成大量的不规则裂缝，超临界水具有较好的传热传质能力，可以进入油页岩内部，促进油页岩的热裂解，同时超临界水中携带的氧化物可以与油页岩发生氧化反应，产生大量的热，促进油页岩的进一步裂解；同时超临界水具有较好的溶解和萃取性能，可以将裂解产生的油气产物提取出来。并且，油页岩在超临界水的环境下3-5h就会发生热解反应，相比于其他热解方式，提高了热作用的效率。燃烧热，脉冲射流以及超临界水的提取和对有效生烃能力保护性能的复合作用，油页岩的采出能力较常规地面干馏法相比，提高了30％-50％，能够大大提高开采效率。

本实施例利用超临界水携带的热量对油页岩进行裂解，同时辅助脉冲射流作用力和超临界水的提取能力，实现了油页岩的经济高效开采。本发明的原位开采油页岩的方法及装置的开采成本较低、开采效率较高。

Claims (10)

1.一种原位开采油页岩的装置，其中，该装置包括：燃烧反应设备、脉冲喷嘴、预加热设备、连续油管内管、连续油管外管、生产套管、供水设备、供燃料设备、供氧设备以及泵组；

其中，所述供氧设备与连续油管外管连通；

所述供水设备、所述供燃料设备均与所述连续油管内管连通；

所述燃烧反应设备设置于油页岩储层内，燃烧反应设备的底部设置有脉冲喷嘴；

所述连续油管内管、连续油管外管、生产套管均与所述燃烧反应设备连通。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述燃烧反应设备包括燃烧反应腔，位于燃烧反应腔顶部的燃料水入口、氧气入口，位于燃烧反应腔底部的喷嘴管道；

优选地，所述脉冲喷嘴连接在喷嘴管道的出口处。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述预加热设备分别为燃料水预加热器和气体预加热器；燃料水预加热器的一端分别与供水设备和供燃料设备连通，另一端与连续油管内管连通；气体预加热器的一端与供氧设备连通，另一端与连续油管外管连通。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述连续油管内管设置于所述连续油管外管内并具有环空，所述连续油管外管设置于所述生产套管内并具有环空；

优选地，所述连续油管外管、连续油管内管均设置有保温设备。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述连续油管内管的始端与燃料水预加热器相连通，连续油管内管的末端与所述燃烧反应设备的燃烧反应腔连通；

优选地，所述连续油管外管的始端与气体预加热器连通，所述连续油管外管的末端与所述燃烧反应设备的燃烧反应腔连通。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，该装置还包括油气储集分离设备、产物分离提取设备；其中，所述产物分离提取设备设置于所述油气储集分离设备与所述生产套管之间；

优选地，所述产物分离提取设备的一个接口与所述生产套管连通，所述产物分离提取设备的另一个接口与油气储集分离设备连通。

7.一种原位开采油页岩的方法，其中，该原位开采油页岩的方法是通过权利要求1-6任一项所述的装置完成的，该方法包括以下步骤：

向燃烧反应设备中注入预加热至设定温度的水，直至燃烧反应设备的压力达到22.1MPa以上；

将燃料水混合物加热至超临界状态；其中，燃料水混合物中燃料的含量为10％-50％；

将含氧气体加热至超临界状态；

调控燃烧反应设备的压力为25MPa±2MPa，向燃烧反应设备中注入超临界状态的燃料水混合物，向燃烧反应设备中注入超临界状态的含氧气体，发生自燃反应；

当燃烧反应设备内发生自燃反应时，降低对燃料水混合物和含氧气体的预加热温度至375℃±10℃；

以脉冲射流的方式将燃烧产物向井内喷射，直至井底压力达到25MPa±2MPa，停止注入，关井封闭，待油页岩在地层内进行充分的热裂解后，开井，将产生的油气混合物开采到地面进行分离，从而实现对油页岩的原位开采。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，当井底压力到达25MPa时，关井2天。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，将燃料水混合物预热至550℃+10℃，得到超临界状态的燃料水混合物；

优选地，将含氧气体加热至400℃±30℃，得到超临界状态的含氧气体；

优选地，设定温度的水的温度为375℃±10℃。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，超临界状态的含氧气体和超临界状态的燃料水混合物的质量流量比为2：1-2：3。