技术领域

本发明涉及一种油页岩的开采技术， 特别涉及一种油页岩地下原位加 热的方法，该方法可以从油页岩中原位获得页 岩油和气体燃料即可燃气体， 也可从煤中原位获得可燃气体。 背景技术

目前， 已知的煤或油页岩地下气化的方法是： 钻井、 贯通、 点燃、 鼓 风和抽出产品气体。 该方法的缺点是获得的可燃气体热值较低。 这是由于 有机物在地下气化区域燃烧时会产生大量稳流 气体混入可燃气体中。 该方 法在俄罗斯 NO. 2385412号专利中公开了，分类号是： Μ Π K E21MB43/295。

另一已知的方法是： 钻至少一口井， 深度贯穿矿层作业区间； 制造至 少一条贯穿钻井的裂缝， 向其中填入导电材料， 插入两个电极， 使电极与 导电材料接触， 向电极通电， 使得裂缝中的电流一部分或完全沿着导电材 料行进， 从而通过导电材料的电阻放热作用， 释放出足够的热量实现矿藏 中固定有机质的热解。 该方法存在的缺点是工艺复杂， 施工强度大， 而且 导电材料可能具有毒性， 污染环境和地下水。 该方法在俄罗斯 NO. 2349745 号专利中公开了， 分类号是： Μ Π Κ E21B43/24o

壳牌的电加热技术， 简称 ICP技术， 壳牌公司的 Mahogany研究工程一 直致力于革新壳牌原位转化工艺， 并于 1987年 1月 17日申请专利 "加热 油页岩的采油方法"， 申请号 87100890， 公开号 CN87100890A。 其原理是在 加热井中插入电加热器， 一般加热距地表 300〜600 m深度的油页岩。 岩层 被缓慢地加热到 400〜500°C， 将油页岩中的干酪根转变为原油和天然气， 再运用传统的采油方法将生成物 （原油和天然气） 抽汲到地面。

比起传统的地面干馏处理， 缓慢的、 较低温度的原位加热生成的碳排 放明显较低。 壳牌 ICP 处理法生成大约 1/3 的天然气和 2/3 的轻质原油。 生成的天然气用来发电或者销售。 壳牌公司已经证实 ICP处理法每生产 1桶 原油当量的产品需要用水少于 3桶 。

埃克森美孚于 2008年 3月 7日申请了专利 "用于原位地层加热的电阻 加热器"， 申请号 200880009037. 3， 公开号为 CN10163655A。 该技术通过水 力压裂油页岩， 向裂缝中注入一种导电材料， 形成加热部分， 利用介质电 阻原位加热油页岩。 原理是运用水平井中生成的垂直裂缝， 填充导电介质 得到一个导电区， 该导电区将页岩油加热到热解温度， 生成可以用传统采 油技术采出的原油和天然气。

埃克森美孚于 2007年 10月 10日申请了专利 "使用水力压裂生产井、 通过原位加热增强页岩油生产"， 申请号 200780046031. 9， 公开号为 CN101558216Ao压裂技术被早期的埃克森美孚公司� �为 30多个备选技术中 最有吸引力的技术， 加热体平面热源中的线性热传导可能是进入富 集矿石 层并将其转化为原油和天然气的最有效方法。 根据埃克森美孚公司的经验， 平面加热器较井孔加热器需要的加热井更少， 且占地面积更小。 埃克森的 原位技术可能也需要采取策略以阻止地层水侵 入， 并保护地层水免受生成 的碳水化合物和其他组分的污染。 但需要大量的电能用以加热。

辐射加热技术： Raytheon公司的 RF/CF 技术。

这种原位技术使用射频及注入超临界二氧化碳 来加热油页岩到裂解温 度， 从而将液体和气体驱入生产井中。 在地面， 二氧化碳流体被分离并重 新回注到注入井中， 同时油和气被炼制成汽油、 燃料油及其他产品。 相比 其他原位方法需要加热多年才能生产出油气， 这种提取技术可以在仅仅几 个月内就生产出油气。 该技术可调节加到目的层的热能， 以生成各种各样 需要的产品。如同壳牌 ICP处理工艺， RF/CF技术需要大量的电能以生成射 频能。 根据 Raytheon公司的经验， 用这种技术每消耗 1桶原油的能量可以 采出 4〜5桶的原油当量。 发明内容

本发明的目的是提供一种高效、 环保的油页岩地下原位加热的方法， 本发明是对俄罗斯 NO. 2349745号专利的改进。本发明通过在矿层中形� �高 电能击穿形成的等离子体通道， 再对该通道进行通电流加热， 实现有机碳 的裂解和气化， 可有效降低施工难度和费用， 而且该方法不污染地下水， 环保无毒。

本发明之方法是： 从地表向下钻井， 钻井深度达地下油页岩矿层的作 业区间内， 至少钻两口井， 在井中放入电极， 首先向电极通入足以导致局 部放电的高压电， 油页岩矿层中形成电能击穿等离子体通道， 两个电极区 域的电阻降低后， 再通过两个电极向油页岩矿层中的高电能击穿 形成的等 离子体通道通入电流， 通过该等离子体通道的电阻加热作用对油页岩 矿层 进行加热， 释放出的热量实现油页岩矿层中固定有机碳的 热裂解和气化。 本发明与俄罗斯 NO. 2349745号专利的区别是：

本发明向电极施加的电压较高， 足以实现局部放电和树枝状导通， 从 而在油页岩层获得高电能击穿并形成等离子体 通道，等离子体通道形成后， 电极间区域的电阻降低， 且油页岩层中的等离子体通道也将有电流通过 ， 从实现以油页岩层本身的电阻热来加热油页岩 层。

俄罗斯 NO. 2349745号专利公开的方法是：仅适用低压电源� �油页岩层 加热， 而且是利用注入油页岩层中的导电材料作为电 阻进行加热。

本发明的有益效果是： 本发明可以有效减少施工量， 无需对岩层进行 压裂， 同时避免了使用有毒导电材料。 附图说明

图 1是本发明的原理图。 具体实施方式

请参阅图 1所示， 本发明之方法是： 从地表向下钻两口井 1， 钻井深度 达地下油页岩矿层 2的作业区间，然后在井中放入电极 3，用电缆 4将电极 3与地面上的电源 5连接， 首先向电极 3通入足以导致局部放电的高压电， 油页岩矿层 2中形成高电能击穿等离子体通道 6，两个电极 3区域的电阻降 低后， 再通过两个电极 3向油页岩矿层 2中的等离子体通道 6通入电流， 通过等离子体通道 6的电阻加热作用对油页岩矿层 2进行加热， 释放出的 热量实现油页岩矿层 2中固定有机碳的热裂解和气化。

本发明的原理如下：

固定有机碳的电阻很大， 是 10 ⁸ 〜10 ¹² 欧姆 /cm, 因此， 常规状态下， 岩 石内的电阻热很微弱。 向电极 3之间通入高压交流电， 通过介电损耗进行 加热可导致局部放电， 在放电作用区间形成导电区间， 下一次放电作用将 进一歩延伸扩大导电区域， 并最终形成树枝状放电结构， 从一个电极以树 枝状结构向另一电极延伸， 即形成电热击穿的等离子体通道， 这个阶段必 须向电极施加较高电压， 以保证局部放电的实现。 电压的具体大小取决于 电极间距离、 岩石的种类和结构， 可通过在岩样上进行实验确定。 实验时， 局部放电可以通过肉眼观察到， 也可以从示波器上的电流变化观察到， 电 热击穿的等离子体通道的形成可以通过电极间 电阻的变小进行确定。 电压 的大小约为 l〜10KV/m， 即每米的距离需要施加 1〜10KV的电压。电流的频 率对树枝状的电热击穿的等离子通道的形成无 太大的影响， 所以， 可以使 用工频交流电。 电热击穿的等离子通道形成后， 电极间区域的线性电阻将 降低， 为 10〜100欧姆 /cm。可以通过监控电极间的电压和电流来确定 电热 击穿等离子通道的形成。

在电热击穿的等离子体通道形成后， 应该将电极与大电流的直流电源 或大电流的交流电源连接， 即在电热击穿等离子通道的形成后， 将电极的 电源跳转到大电流的直流电源或大电流的交流 电源， 利用电热击穿的等离 子通道的电阻效应加热， 在该加热模式下的电源电压为 10〜100V/m， 电流 为 10〜100A。

所述的油页岩矿层可为煤矿层代替， 即本发明之方法可以用于煤矿层 的地下原位加热。

实施例 1:

在实验室内利用油页岩样品进行实验， 电极间距离为 50cm， 实验开始 前， 电极间的电阻大小测得为 250K欧姆。 实验时， 首先向电极通入频率为 50Hz， 峰值电压为 5KV的交流电。 通过视觉观察， 便可发现在该电压下出 现了局部放电现象。 电源的功耗约为 300W。 这一过程持续 30分钟。 在这 30分钟期间， 逐歩形成电热击穿的等离子体通道。 电极间的电阻变为 800 欧姆。 随后， 电极间将有频率为 50Hz的电流通过， 利用低电阻通道的电阻 热效应进行加热， 一开始电压为数百伏， 随着通道的不断加热， 其电阻降 至约 10欧姆， 此时， 为保证功率为 1KW, 电压也降至 100V。

实施例 2:

在实验室内利用褐煤样品进行实验， 电极间距离为 45cm，实验开始前， 电极间的电阻大小测得为 150K欧姆。 实验开始时， 首先向电极通入频率为 50Hz， 峰值电压为 8KV的交流电。 通过视觉观察， 便可发现在该电压下出 现了局部放电现象。 电源的功耗约为 600W。 这一过程持续 15分钟。 在这 15分钟期间， 逐歩形成电热击穿的等离子体通道。 电极间的电阻变为 300 欧姆。 随后， 电极间将有频率为 50Hz的电流通过， 利用低电阻通道的电阻 热效应进行加热， 一开始电压为数百伏， 随着通道的不断加热， 其电阻降 至约 3〜5欧姆， 此时， 为保证功率为 1KW, 电压也降至 60V。

通过上述实验证明： 本发明之方法可以有效减少施工量， 无需对岩层 进行水力压裂， 同时避免了使用有毒导电材料。