一种中低成熟页岩火驱开发方法及系统与流程

1.本发明属于页岩油气勘探开发技术领域，特别涉及一种中低成熟页岩火驱开发方法及系统。


背景技术：

2.近年来,随着经济的快速发展，原油产量已远不能满足经济建设需求。寻找石油资源接替领域，保障原油稳产甚至上产，降低原油对外依存度，已经成为保障能源安全的迫切需要。然而，目前优质石油储量发现和产量稳定均面临巨大挑战：一方面，主要含油气盆地石油资源探明程度越来越高，发现规模效益储量的难度加大；另一方面，已开发主力油田稳产难度加大，含水率逐年增加，新建产能难以弥补老油田产量递减。因此，只有借助技术和理论的突破，在已有油气勘探开发领域之外获得规模效益储量、产量，才能从根本上改善能源安全形势。
3.在此背景下，将陆相页岩油分为中高成熟度页岩油(ro＝1.0％～1.5％)和中低成熟度页岩油(中低成熟页岩：镜质体反射率(ro)是表征生油岩成熟度的一个重要指标，将ro＝0.5％～1.0％的页岩定义为中低成熟页岩)两类。中低熟度油页岩开发主要通过原位开采技术对油页岩储层进行高温加热，将油页岩中的固体干酪根(干酪根是指沉积岩中不溶于碱、非氧化型酸和非极性有机溶剂的分散有机质)转化为液态烃，再通过传统石油天然气钻井采油工艺将其采出。目前现有中低成熟油页岩原位转化技术以小间距井下电加热技术为主，具有加热方式灵活且易于控制的优点。例如，现有技术中采用小间距井下电加热技术，其中直井为生产井，水平井为工艺加热井。通过在工艺加热井中下入高压电缆实现井下加热，通过2-4年加热时间，将地层加热至340℃左右的转化温度。该技术可以将地层均匀加热到设定温度，井下电加热在工程上容易控制。然而存在以下缺点：技术方案由于加热间距较小，使得加热井部署密集，初期投入成本高；电加热热量传导缓慢，需要2-4年才可以将地层加热至340℃或更高目标温度，并且电加热技术本身能量利用率不高，需要较高的液化烃类采收率保证投资收益。由此可知，现有原位转化技术存在加热效率低和能量利用率低的问题。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种中低成熟页岩火驱开发方法及系统。为了实现上述目的，采用以下技术方案：
5.一种中低成熟页岩火驱开发方法，包括以下步骤：
6.在页岩储层分别布置注入井和生产井，并在页岩储层中下部进行射孔；
7.分别在注入井和生产井中下入连续油管；
8.利用注入井的连续油管进行高温点火；
9.利用生产井的连续油管产出燃烧尾气和原油。
10.优选地，所述利用注入井的连续油管进行高温点火包括：
11.从注入井的连续油管中注入氮气预热，再转注高温空气进入地层，进行高温点火。
12.优选地，所述利用注入井的连续油管进行高温点火还包括：
13.从注入井的连续油管中向地层连续注入空气，维持地层的持续燃烧。
14.优选地，还包括以下步骤：
15.当所述燃烧尾气中的氧气含量超过3％时，停止向注入井中注气并封堵注入井射孔段的射孔通道，结束生产。
16.优选地，所述中低成熟页岩的油页岩满足以下条件：厚度》10m、含油率》5％和平均孔隙度＞1％。
17.优选地，所述射孔所在的射孔段长度为10-30m，注入井和生产井的射孔段之间的间距为50-100m。
18.优选地，所述氮气预热至注气井的射孔段3m内地层温度达300℃及以上；所述转注高温空气的温度≥450℃。
19.优选地，所述转注高温空气的流量为1000～20000sm3/day。
20.优选地，所述注入井和生产井的井筒采用套管完井且水泥返回至地面。
21.优选地，采用封隔器将所述注入井的连续油管与注入井的套管之间的环空封隔住。
22.一种中低成熟页岩火驱开发系统，采用所述中低成熟页岩火驱开发方法，包括
23.布井模块，用于在页岩储层分别布置注入井和生产井，并在页岩储层中下部进行射孔；
24.下管模块，用于分别在注入井和生产井中下入连续油管；
25.点火模块，用于利用注入井的连续油管进行高温点火；
26.开发模块，用于利用生产井的连续油管产出燃烧尾气和原油；
27.停止模块，用于当所述燃烧尾气中的氧气含量超过3％时，停止向注入井中注气并封堵注入井射孔段的射孔通道，结束生产。
28.本发明具有以下有益效果：本发明技术方案采用在油页岩储层中布置一口注入井，通过注入高温热空气实现层内高温燃烧，促进油页岩中的固体干酪根快速向液态烃转化，并将液态烃推向生产井采出。相比于原位转化技术，本发明可以快速提高地层温度，更早的见到干酪根转化，实现中低成熟页岩快速转化动用，有效提高加热效率和能量利用率。
29.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1示出了本发明实施例典型注采井组示意图；
32.图中：1—点火器，油页岩储层，2—注气管，3—注入井，4—注入井射孔段，5—生产
井，6—连续油管，7—生产管柱，8—生产井射孔段。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.火驱技术是提高稠油采收率的主要方法之一，它是通过将热空气注入地层兵点燃层内原油实现高温燃烧驱替的一种开发方式，具有高温度、高采收率和高波及等特点，燃烧峰值温度普遍超过600℃。为了改进原位转化技术加热效率慢和能量利用率低的问题，本发明结合火驱技术设计了一种新的地下原位开发技术：中低成熟页岩火驱开发方法及系统。
35.实施例
36.一种中低成熟页岩火驱开发方法，包括如下步骤：
37.步骤一：在页岩储层布置注入井，并在页岩储层中下部进行射孔：选择合适的区块，并确定布井位置。钻进一口直井作为注入井，其射孔段位于页岩储层中下部。整个井筒采用套管完井，水泥返回至地面。完井质量符合热采完井的相关要求；
38.步骤二：在页岩储层布置生产井，并在页岩储层中下部进行射孔：钻进一口直井作为生产井，其射孔段位于储层中下部。整个井筒采用套管完井，水泥返回至地面。完井质量要符合热采完井的相关要求；
39.步骤三：在注入井中下入连续油管：下入一根连续油管到注气井的射孔段，作为注气管柱，利用封隔器将其与套管之间的环空封隔住；射孔所在的射孔段长度为10-30m；封隔器应具有一定的耐高温性能，能在不低于300℃条件下长期保持机械性能稳定，保证注气过程中注气管与套管之间的环空密封良好；
40.步骤四：在生产井中下入连续油管：下入一根连续油管到生产井，作为生产管柱；生产管柱可以直接下到生产井射孔段。如果地层供液能力很强，动液面较高，则下入的生产管柱保证始终在动液面以下即可；
41.步骤五：利用注入井的连续油管进行高温点火：从注气管柱中注入高温氮气预热，至注气井的射孔段3m内地层温度达300℃及以上，之后转注高温空气进入地层，转注高温空气的温度≥450℃、流量为1000～20000sm3/day，进行高温点火；空气的日注气量与地层厚度和火驱持续的时间有关，为保证燃烧前缘稳定推进，取得良好的开发效果，需要根据油藏工程的相关理论进行专业细致的设计；
42.步骤六：通过注气管柱向地层连续注入空气，维持地层的持续燃烧；
43.步骤七：利用生产井的连续油管产出燃烧尾气和原油：从生产管柱产出燃烧尾气和原油，实时监测产出气体的组分。监测注入、生产过程中的其他参数并进行必要的调控，保持燃烧前缘在地层中稳定推进，具体地，实时监测产出气体中的氧气、氢气、硫化氢和甲烷气体含量，需要定时(如每天或每周)监测产出气中的二氧化碳含量。另外需要每天记录日产油、日产液量、井底流压(生产段)和注气压力等参数。根据这些参数，利用油藏工程的相关原理可以进行实施调控，保持火驱前缘稳定推进；
44.步骤八：待生产管柱中产出气体中的氧气含量超过3％以后，停止注气，利用水泥
灰塞等井筒封堵技术封堵注入井射孔段的射孔通道，结束生产或改为下一周期的生产。在封堵射孔段时应严格控制水泥的用量，在保证封堵效果的基础上尽量减少水泥用量，防止水泥量过多而封堵了生产段。
45.进一步地，所述中低成熟页岩的油页岩满足以下条件：厚度》10m、含油率》5％和平均孔隙度＞1％；注入井和生产井的射孔段之间的间距为50-100m。中低成熟页岩的有利因素包括：水平渗透率较高、无隔夹层、砂体分布连续以及甜点段均匀分布；不利因素包括：粘土含量高、非均质性强、压力系数低、原油粘度过大。注入井和生产井的两个射孔段的位置、射孔段长度、射孔段之间的间距(称为注采间距)等参数需要根据地层条件、原油物性，利用室内实验或油藏工程相关理论进行设计。射孔段的位置应该设计在地层物性较好的井段。射孔段的长度为10～30m，地层渗透率越高、均质性越强则射孔段的长度越小。注采间距为50～100m，与地层原油在该技术应用之前的地层条件下的流度相关；流度越大，注采间距越大；注采间距的设计应以保证注入的空气能在油层破裂压力以下注入到油层中。
46.示例性地，中国长庆某页岩层段，如图1所示(图1中“产出井”即为生产井)，主体埋深700-1700m，对应ro＜0.8％，页岩厚度100m，平均孔隙度1.35％，面积大连续性好，有机质含量高。现在该区域布置一对注采直井进行中低成熟页岩火驱开发。具体开发步骤及参数如下：
47.(1)选定目标井位。选定页岩均质性好，地面条件便利的井区作为目标井位。在页岩层中布置一对注采直井(包括注入井3和生产井5)，设计注采井与页岩底部之间的距离为15m。井眼尺寸不小于9寸(22.86cm)；
48.(2)完井。利用套管完井，水泥返高至井口。完井套管的内径不小于7寸(17.78cm)，在距离注采井尾端5m处射孔，注入井射孔段4和生产井射孔段8长度设置为30m；
49.(3)下注气管2。向注入井3中下入2寸连续油管6作为注气管2至注入井射孔段4附近。利用封隔器封堵注气管2与套管之间的环形空间；
50.(4)下生产管柱7。向生产井5中下入2寸连续油管6；
51.(5)预热与点火。通过注气管2向地层中注入450℃的高温氮气预热，持续注入3天。然后向地层注入450℃高温空气，由点火器1实现电加热点火。地下会出现温度超过450℃的燃烧界面，此时点火器可以关闭不在供热；
52.(6)向地层注入空气。连续向地层注入空气，日注气量为1000sm3/day，维持燃烧界面氧气稳定供应；
53.(7)利用机械举升工艺从生产管柱7采油采气。初期维持井底流压为1mpa左右，待日产气量与日注气量基本相等时以略小于日注气量的采气速度进行生产。生产时实时监测产出气体的组分(氧气、二氧化碳、硫化氢、甲烷的含量)、记录日产油量、日产液量、井底流压和注气压力等参数；
54.(8)日注气量的调整。一个月后，如果生产条件稳定，可逐级增加日注气量，如表1所示。日注气量可按下表进行。生产管柱7以维持注采平衡为原则实时调整日产气量；
55.表1 不同时间的日注气量
[0056][0057]
(9)待生产管柱7中氧气含量超过3％时，停止注气，取出注气管2，利用水泥灰塞封闭注入井射孔段4。
[0058]
示例性地，本发明分别采用上述开发方法(即火烧油层方法)和常规的电加热方法进行开发，测试两种开发方法的能量利用率和加热效率，结果如表2所示：
[0059]
表2 不同开发方法的能量利用率和加热效率结果
[0060][0061]
结果显示，采用本发明的火烧油层方法能量利用率达到100％(不考虑空气携带热量)，峰值温度＞450℃；采用电加热方法的能量利用率达到60％(井筒热损失35％，电阻热损失5％)，峰值温度仅达到340℃。因此，本发明所用发明具有更高的能量利用率和加热效率。
[0062]
一种中低成熟页岩火驱开发系统，采用上述中低成熟页岩火驱开发方法，包括
[0063]
布井模块，用于在页岩储层分别布置注入井和生产井，并在页岩储层中下部进行射孔；
[0064]
下管模块，用于分别在注入井和生产井中下入连续油管；
[0065]
点火模块，用于利用注入井的连续油管进行高温点火；
[0066]
开发模块，用于利用生产井的连续油管产出燃烧尾气和原油；
[0067]
停止模块，用于当所述燃烧尾气中的氧气含量超过3％时，停止向注入井中注气并封堵注入井射孔段的射孔通道，结束生产。
[0068]
综上所述，本发明在油页岩储层中布置一口注入井，通过注入高温热空气实现层内高温燃烧，促进油页岩中的固体干酪根快速向液态烃转化，并将液态烃推向生产井采出。本发明可以实现中低成熟页岩规模生产，相对于现有技术节约开发初期投入成本，同时层内燃烧升温在升温速率、峰值温度和能量利用率上均优于地下电加热，有利于地下固相干酪根快速转化，有效提高加热效率和能量利用率。
[0069]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进
行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种中低成熟页岩火驱开发方法，其特征在于，包括以下步骤：在页岩储层分别布置注入井和生产井，并在页岩储层中下部进行射孔；分别在注入井和生产井中下入连续油管；利用注入井的连续油管进行高温点火；利用生产井的连续油管产出燃烧尾气和原油。2.根据权利要求1所述的中低成熟页岩火驱开发方法，其特征在于，所述利用注入井的连续油管进行高温点火包括：从注入井的连续油管中注入氮气预热，再转注高温空气进入地层，进行高温点火。3.根据权利要求2所述的中低成熟页岩火驱开发方法，其特征在于，所述利用注入井的连续油管进行高温点火还包括：从注入井的连续油管中向地层连续注入空气，维持地层的持续燃烧。4.根据权利要求1所述的中低成熟页岩火驱开发方法，其特征在于，还包括以下步骤：当所述燃烧尾气中的氧气含量超过3％时，停止向注入井中注气并封堵注入井射孔段的射孔通道，结束生产。5.根据权利要求1所述的中低成熟页岩火驱开发方法，其特征在于，所述中低成熟页岩的油页岩满足以下条件：厚度>10m、含油率>5％和平均孔隙度＞1％。6.根据权利要求1所述的中低成熟页岩火驱开发方法，其特征在于，所述射孔所在的射孔段长度为10-30m，注入井和生产井的射孔段之间的间距为50-100m。7.根据权利要求2所述的中低成熟页岩火驱开发方法，其特征在于，所述氮气预热至注气井的射孔段3m内地层温度达300℃及以上；所述转注高温空气的温度≥450℃。8.根据权利要求2所述的中低成熟页岩火驱开发方法，其特征在于，所述转注高温空气的流量为1000～20000sm3/day。9.根据权利要求1-8任一所述的中低成熟页岩火驱开发方法，其特征在于，所述注入井和生产井的井筒采用套管完井且水泥返回至地面。10.根据权利要求9所述的中低成熟页岩火驱开发方法，其特征在于，采用封隔器将所述注入井的连续油管与注入井的套管之间的环空封隔住。11.一种中低成熟页岩火驱开发系统，其特征在于，采用如权利要求1-10任一所述的中低成熟页岩火驱开发方法，包括布井模块，用于在页岩储层分别布置注入井和生产井，并在页岩储层中下部进行射孔；下管模块，用于分别在注入井和生产井中下入连续油管；点火模块，用于利用注入井的连续油管进行高温点火；开发模块，用于利用生产井的连续油管产出燃烧尾气和原油；停止模块，用于当所述燃烧尾气中的氧气含量超过3％时，停止向注入井中注气并封堵注入井射孔段的射孔通道，结束生产。

技术总结
本发明提供一种中低成熟页岩火驱开发方法及系统，所述方法包括以下步骤：在页岩储层分别布置注入井和生产井，并在页岩储层中下部进行射孔；分别在注入井和生产井中下入连续油管；利用注入井的连续油管进行高温点火；利用生产井的连续油管产出燃烧尾气和原油。本发明采用在油页岩储层中布置一口注入井，通过注入高温热空气实现层内高温燃烧，促进油页岩中的固体干酪根快速向液态烃转化，并将液态烃推向生产井采出。相比于原位转化技术，本发明可以快速提高地层温度，更早的见到干酪根转化，实现中低成熟页岩快速转化动用，有效提高加热效率和能量利用率。率和能量利用率。率和能量利用率。


技术研发人员：关文龙 唐君实 蒋有伟 王伯军 王红庄 李秋 郑浩然 王晓春 郭雯
受保护的技术使用者：中国石油天然气股份有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13