СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДОБЫЧИ "СЛАНЦЕВОЙ НЕФТИ" Российский патент 2014 года по МПК E21B43/24 C10B53/06 E21B43/30 

Изобретение относится к области топливодобывающей промышленности, а именно к проблеме вовлечения в ТЭБ запасов горючих сланцев, содержание органических веществ (керогена) в которых достигает 50%, а выход летучих веществ из него необычно высок - до 80-85%.

Известна технология термической переработки сланца в различных наземных аппаратах [«Термическая переработка сланца-кукерсита», под редакцией М.Я. Губергрица, изд. «Валгус», Таллин, 1966 г., с.355; B.C. Файнберг «Исследование и переработка горючих сланцев за рубежом», ЦНИИТЭнефтехим, М., 1967 г., с.93].

Особенностью этой технологии является шахтная добыча сланца и негативные экологические последствия его термической переработки в наземных аппаратах.

Известно техническое решение подземной термической разработки тяжелой нефти и битумов [RU 2054531, 1996; Е.В. Крейнин «Подземная газификация углей», М., 2010 г., сс.383-385], в котором предлагается подземная разработка трудноизвлекаемых углеводородных источников с помощью системы горизонтальных скважин. Эта технология не учитывает особенностей сланцевых месторождений и их разработки.

Известно также наиболее близкое техническое решение по подземной огневой переработке эстонских горючих сланцев в их естественном залегании с производством (отгонкой) керогена и его продуктов [Р.Н.Питии, А.Э. Спириус, И.А. Фарберов «Первый опыт бесшахтной подземной переработки горючих сланцев». Труды ИГИ, т.VII, М., 1957, сс. 44-60]. Однако оно имеет ряд существенных недостатков: глубина залегания сланца - 10 м; технология основана на чрезмерно большом количестве вертикальных скважин; скважины находятся в зоне сдвижения покрывающей толщи; большие капитальные затраты.

Для масштабной промышленной технологии нужны новые технические решения подземной термической переработки глубоко залегающих сланцев. Главным ее результатом должно быть максимальное извлечение органического вещества (керогена) горючих сланцев, которое можно условно считать «сланцевой нефтью».

Задачей данного изобретения является создание промышленной технологии подземной термической переработки горючих сланцев, отличающейся при этом максимальным выходом жидких фракций.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в известном способе термической переработки горючих сланцев, заключающемся в бурении на залежь горючих сланцев различных скважин, создании в них воспламененной зоны углеводородного сырья, сжигании части его, прогреве залежи продуктами горения и отгонки керогена в виде продуктов термической обработки горючих сланцев, бурят серию непересекающихся наклонных скважин, направленных по сланцевой залежи, на дальний торец которых бурят розжиговые вертикально-направленные скважины и разжигают в них на забое горючий сланец, создают гидравлически связанные модули, «наклонно-направленная и вертикально-направленная скважины», буровые каналы по сланцу термически прорабатывают путем противоточного перемещения очага горения от розжиговой вертикально-направленной скважины к обсадке наклонно-направленной скважины и создают этим канал повышенной дренирующей способности, при этом разбуривание сланцевой залежи осуществляют так, чтобы головки вертикально-направленных и наклонно-направленных скважин размещались компактно на земной поверхности; вертикально-направленные скважины оборудуют системой охлаждения парогазовой смеси на их забое, а наклонно-направленные скважины подводами для нагнетания в них воздуха; термически проработанные модули «наклонно-направленная и вертикально-направленная скважины» оборудуют в качестве нагнетательных и добычных, при этом в нагнетательные модули нагнетают воздух, который вместе с продуктами горения фильтруется по сланцевой залежи, а отогнанную парогазовую смесь извлекают из соседних добычных модулей; предварительно определяют запасы керогена между нагнетательным и добычным модулями, завершают нагнетательно-фильтрационную стадию после истощения заранее зафиксированных запасов керогена; извлекаемую парогазовую смесь разделяют в поверхностном химическом комплексе на газовую и жидкую фракции; соотношение между жидкой и газовой фракциями, а также качественным их составом регулируют путем изменения расхода воздуха в нагнетательный модуль в зависимости от степени отработки запасов сланца между буровыми каналами добычных и нагнетательных модулей.

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с аналогами и прототипом показывает, что предлагаемый способ в предложенной совокупности существенных признаков не известен из уровня техники и отвечает критерию «новизна».

При этом конкретные технические решения обеспечивают реальное воплощение подземной термической переработки сланцев на глубоких горизонтах с максимальным выходом жидких фракций, что придает заявляемому техническому решению "существенный технический результат".

На фиг.1 показан поперечный разрез по одному модулю генератора. На фиг.2 схематически (в плоскости пласта сланца) показан подземный генератор «сланцевой нефти».

Рассмотрим основные этапы реализации предлагаемого способа термической добычи «сланцевой нефти», начиная с описания отдельного модуля на фиг.1.

На пласт горючего сланца 1 бурят наклонно-направленную 2 и вертикально-направленную 3 скважины. При этом скважину 3 обсаживают и цементируют на всю длину до входа в пласт сланца 1. Наклонно-направленную скважину 2 обсаживают и цементируют до входа в пласт сланца 1, а горизонтальную сланцевую ее часть 4 не обсаживают

В случае наличия в пласте 1 песчанных пропластков в сланцевый буровой канал 4 может быть опущен хвостовик 5 из легкоплавкого металла.

На фиг.2 представлен промышленный подземный генератор, состоящий из семи описанных выше отдельных модулей. Количество модулей в промышленном генераторе может быть различным.

Технологическая последовательность подготовки и эксплуатации каждого модуля представляется следующей.

После завершения бурения скважин 2 и 3 (путем интеллектуального навигационного бурения этих скважин предполагается соединение их в гидравлически связанную пару «наклонно-направленная и вертикально-направленная скважины») разжигают сланец на забое вертикально-направленной скважины 3. Добиваются полного ее соединения со сланцевым каналом 4, что фиксируют по равенству давлений на нагнетательной скважине 3 и закрытой скважине 2.

После этого начинают огневую проработку сланцевого канала 4, для чего нагнетают 300-500 м³/ч воздушного дутья в наклонно-направленную скважину 2, а вертикально направленную скважину 3 открывают в атмосферу. Такой гидродинамический режим обеспечит перемещение очага горения навстречу воздушному потоку со скоростью 1,0-1,5 м/ч, а следовательно, термическое расширение первоначального сланцевого бурового канала 4. Образованный расширенный буровой канал 4 будет отличаться повышенной фильтрационной поверхностью и высокой ее проницаемостью, а следовательно, и высокой дренирующей способностью. По такому же технологическому режиму обрабатывают все семь модулей, объединенных на фиг.2 в промышленный генератор.

При этом с целью облегчения эксплуатации генератора, а также сокращения земной поверхности, занятой головками скважин, последние размещают (на стадии забуривания) компактно, как показано на фиг.2. Наклонно-направленные и вертикально-направленные скважины объединены в отдельные зоны (соответственно 6 и 7). Такая компактность имеет принципиально большое экономическое, социальное и экологическое значение.

Предварительно термически обработанные модули «наклонно-направленная и вертикально-направленная скважины» объединяют в две группы: нагнетательные 8 и добычные 9 модули. В первые из них (8) нагнетают воздушное дутье, которое реагирует с воспламененной сланцевой поверхностью, а образовавшиеся продукты горения (в основном CO₂, Н₂О и Nz₂) продавливаются через массив сланцевой залежи между соседними модулями 8 и 9. Продукты горения, имеющие первоначальную температуру 1000-1200°С, фильтруясь через пласт сланца, нагревают его и отгоняют сланцевый кероген («сланцевую нефть») в добычные модули 9. В соответствии со своим назначением группа нагнетательных модулей 8 оборудуется воздушными компрессорами, а группа добычных модулей 9 - системой охлаждения парогазовой смеси и передачи в химический комплекс для разделения ее на отдельные фракции.

В процессе нагнетательно-фильтрационного воздействия на сланцевую залежь неизбежно изменение состава парогазовой смеси. Можно ожидать постепенное снижение выхода жидких фракций («сланцевой нефти») и возрастание выхода газовой фракции. Заранее определяют запасы керогена в сланцевой залежи между нагнетательным и добычным модулями и после его исчерпания прекращают нагнетательно-фильтрационную стадию технологического процесса.

С целью оптимизации технологического режима по извлечению сланцевого керогена и составу парогазовой смеси планируется проведение специальных экспериментов по влиянию расхода нагнетаемого воздуха на различных стадиях отработки запасов сланца между нагнетательным и добычным модулями. В соответствии с этим изменяют режим нагнетания воздуха.

Учитывая колоссальные ресурсы горючих сланцев в России и многих странах мира (Китай, Израиль и др.), заявляемое техническое решение бесспорно найдет практическое воплощение для разработки глубокозалегающих их запасов.

Изобретение относится к методам скважинной геотехнологии разработки залежей горючих сланцев с высоким выходом жидких углеводородов («сланцевой нефти»). Способ заключается в бурении на залежь горючих сланцев наклонно-направленных и вертикальных скважин, создании в них воспламененной зоны, сжигании части углеводородного сырья, прогреве залежи продуктами горения и отгонке сланцевого керогена в виде продуктов термической обработки горючих сланцев. При этом бурят серию непересекающихся наклонных скважин, направленных по сланцевой залежи, на дальний торец которых бурят розжиговые вертикально-направленные скважины, разжигают в них на забое горючий сланец и создают гидравлически связанные модули «наклонно-направленная и вертикально-направленная скважины». Буровые каналы по сланцу термически прорабатывают путем противоточного перемещения очага горения от розжиговой вертикально-направленной скважины к обсадке наклонно-направленной скважины и создают этим канал повышенной дренирующей способности. Головки вертикально-направленных и наклонно-направленных скважин размещают компактно на земной поверхности. Технический результат заключается в максимальном извлечении жидких фракций из горючих сланцев. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ термической добычи «сланцевой нефти», заключающийся в бурении на залежь горючих сланцев наклонно-направленных и вертикальных скважин, создании в них воспламененной зоны углеводородного сырья, сжигании части его, прогреве залежи продуктами горения и отгонке керогена в виде продуктов термической обработки горючих сланцев, отличающийся тем, что бурят серию непересекающихся наклонных скважин, направленных по сланцевой залежи, на дальний торец которых бурят розжиговые вертикально-направленные скважины и разжигают в них на забое горючий сланец, создают гидравлически связанные модули «наклонно-направленная и вертикально-направленная скважины», буровые каналы по сланцу термически прорабатывают путем противоточного перемещения очага горения от розжиговой вертикально-направленной скважины к обсадке наклонно-направленной скважины и создают этим канал повышенной дренирующей способности, при этом разбуривание сланцевой залежи осуществляют так, чтобы головки вертикально-направленных и наклонно-направленных скважин размещались компактно на земной поверхности.

2. Способ термической добычи «сланцевой нефти» по п.1, отличающийся тем, что вертикально-направленные скважины оборудуют системой охлаждения парогазовой смеси на их забое, а наклонно-направленные скважины - подводами для нагнетания в них воздуха.

3. Способ термической добычи «сланцевой нефти» по пп.1 или 2, отличающийся тем, что термически проработанные модули «наклонно-направленная и вертикально-направленная скважины» оборудуют в качестве нагнетательных и добычных, при этом в нагнетательные модули нагнетают воздух, который вместе с продуктами горения фильтруется по сланцевой залежи, а отогнанную парогазовую смесь извлекают из соседних добычных модулей.

4. Способ термической добычи «сланцевой нефти» по п.3, отличающийся тем, что предварительно определяют запасы керогена между нагнетательным и добычным модулями, завершают нагнетательно-фильтрационную стадию после истощения заранее зафиксированных запасов керогена.

5. Способ термической добычи «сланцевой нефти» по пп.1 или 2, отличающийся тем, что извлекаемую парогазовую смесь разделяют в поверхностном химическом комплексе на газовую и жидкую фракции.

6. Способ термической добычи «сланцевой нефти» по п.5, отличающийся тем, что соотношение между жидкой и газовой фракциями, а также качественным их составом регулируют путем изменения расхода воздуха в нагнетательный модуль в зависимости от степени отработки запасов сланца между буровыми каналами добычных и нагнетательных модулей.