油页岩热解特性及原位注热开采油气的模拟研究

论文摘要

随着国际油价的飙升及在全球能源需求不断增长的今天,石油资源短缺已是制约全球经济发展的重大难题,开发石油及替代品是各国能源开发研究的主要课题,开发油页岩矿藏的时机已经到来。油页岩油气作为一种重要的石油补充和替代能源,以其巨大的储量、丰富的综合利用层次,引起了全世界的关注。我国已探明的油田绝大多数进入老井后期挖潜阶段,未来原油产量难以增加,能源的供需矛盾日益突出。因此,立足国内,寻求油页岩的有效开发与经济利用的途径,对于缓解我国石油供需矛盾,具有重大的现实意义。本文以油页岩原位注热开采新技术为背景,采用宏观与细观实验研究相结合,理论研究与数值模拟相结合的方法,借助于新的实验手段、实验设备及仪器,对油页岩在高温下的热解特征、渗流特性、容重及孔隙率的变化、裂隙和孔隙的发展演化规律等进行了深入细致的研究。利用过热水蒸汽作为热量传输的载体,研究了油页岩在其加热条件下的产油、产气规律。建立了油页岩原位注热开采的热-流-固耦合数学模型,编制相应计算机程序,进行了数值模拟,为进行大规模油页岩原位注热开采提供了理论依据和工程参考。主要研究内容及结果如下:1、油页岩热解失重特征为:从室温到300℃,此阶段的失重主要是由于水分的析出引起,失重约3﹪;300℃～600℃,在这个相对较小的温度区间内,油页岩中的有机质大量热解,生成页岩油和气态产物,失重量很大,失重约占20%;600℃～900℃,此阶段的热失重与方解石、白云石、碳质颗粒的高温崩解相关,失重约3﹪。2、采用比重瓶法,测定了不同温度下抚顺西露天矿油页岩的容重、比重、孔隙率。实验结果表明:从常温到200℃,油页岩的容重、比重、孔隙率变化不大;温度超过200℃后,油页岩的容重随温度升高迅速下降,同时比重、孔隙率则随温度升高而大幅增加。3、利用太原理工大学的MDS-200型三轴渗透实验台测定了干馏后油页岩试件在三维应力状态下的渗透系数,结果表明:干馏后油页岩的渗透系数随体积应力的增加而衰减,随孔隙压力的升高而增大,且满足公式:4、利用太原理工大学和中国工程物理研究院共同研制的μCT225kVFCB型高精度（μm级）CT试验分析系统对边长为7.0mm的正方体油页岩试件内部的热破裂特征进行了无损伤扫描分析。实验表明:当温度低于300℃时,裂隙多发育于原生层理面以及硬质矿物颗粒的周围,破裂面基本都与层理面互相平行,且数量不多,宽度较小。当温度超过300℃,由于受到热分解化学反应的作用,裂隙的数量、长度和宽度有了剧烈的增加,且裂隙面仍具有与层理面平行的特点;同时形成了许多垂直于层理面微裂隙,小裂隙与大裂隙的搭接连通,增大了渗流空间,形成了一个庞大的连通网络结构。从分形理论入手,分析了油页岩的热破裂过程,宏观量化了裂隙的分布状况和复杂程度。研究表明:油页岩内部裂隙的分布具有很强的自相似性规律,符合分形规律。5、对不同温度下φ0.82mm×7mm的油页岩试件进行了CT扫描实验,研究高温下油页岩内部μm级孔隙结构的发展、演化规律。研究表明:从常温到300℃,研究区域内孔隙数量、孔隙占有面积、平均孔径、孔隙率都没有发生大的变化;当温度超过300℃,孔隙数量、孔隙占有面积、平均孔径、孔隙率都在同步急剧增长,500℃时达到最大值,稍后有所回落,因此,将300℃确定为油页岩孔隙结构参数变化的分界点。高于300℃,热解反应促使油页岩内部产生了大量新生孔隙,造成孔径在1.5～3.5μm和大于3.5μm孔隙数量的增加,其次,大量小于1.5μm的孔隙在高温下发生了贯通连接,汇聚成一些较大的孔隙结构,促进了1.5～3.5μm和大于3.5μm孔隙数量的增加,同时也造成了小于1.5μm的孔隙本身数量的相对减少。从总体上看,无论在哪一个温度段,孔径小于1.5μm和1.5～3.5μm的孔隙是油页岩中的主要孔隙结构,两者之和要占到总孔隙数量的90%以上。采用多孔介质三维逾渗理论,计算了不同温度下油页岩三维数字岩芯的逾渗概率。结果表明:当温度到达300℃～400℃时,油页岩存在逾渗阈值,且逾渗阈值处于8﹪～12﹪之间。6、利用太原理工大学自行研制的热解试验台对产自辽宁和内蒙的油页岩进行了热解实验。实验结果表明:两类油页岩经过热水蒸汽加热后,剩余残渣的含油率均保持在0.30%左右,有机成分所剩无几,达到了非常高的油气采收率。同时,在过热水蒸汽的参与下,可使热解气体中H2和CO的产量明显提高。过热水蒸汽的高效驱油机理主要体现在:对流的传热方式、加热降粘作用、高温蒸汽的沸腾剥蚀效应、热膨胀作用、解堵作用和脱气作用。7、在理论分析的基础上,建立了油页岩原位注热开采的热—流—固耦合数学模型,并给出了其数值解法,利用Fortran语言编制的相应计算机程序,对“九点法”布井的一个井组进行了油页岩原位注热开采的数值模拟。模拟结果表明:1)在相同的开采时间内,距离注热井越近,温度越高。系统运行1年时,注热井和采油井之间的大部分油页岩地层的温度都小于400℃,到2.5年时,区域内油页岩地层的温度大部分都达到了500℃。因此,1～2.5年间,为页岩油和热解气体的大量产出期,并确定该模型的运作周期为2.5年。2)流体孔隙压力以注热井为峰值向四周逐渐降低,并随时间延长,压力波及的范围逐渐扩大到采油井以外的区域。注热井、采油井附近区域的压力梯度很大,流速较快;而中间区域的压力梯度较低,流速稳定。同时,顶、底板岩石的渗透性较油页岩弱,最初孔隙压力上升缓慢,明显落后于中部油页岩地层,出现了滞后现象。到1年左右时,两者压差已很小。3)随着地层温度的上升,逐步由压应力演化为拉应力,并随着时间的延长,拉应力作用区域以注热井为中心不断向外扩张。拉应力的提高,使孔隙体积扩大的同时,增加了裂隙的宽度,为高温流体的进一步注入和油气的产出创造了有利条件。4)随着热量的不断注入,注热井和采油井之间的地层出现了明显的膨胀变形,且随时间的延长,鼓起量不断增加。到2.5年时,地表注热井处鼓起量为1.29cm;采油井处鼓起量为0.51cm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 油页岩开发利用现状及问题
• 1.3 国内外油页岩理化特性研究现状综述
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 油页岩热解及渗透规律实验研究
• 2.1 油页岩热解失重实验研究
• 2.2 不同温度下油页岩容重、比重、孔隙率变化的实验研究
• 2.3 干馏后油页岩渗透规律实验研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 油页岩热破裂的显微 CT 实验研究
• 3.1 前言
• 3.2 显微 CT 试验系统介绍
• 3.3 不同温度段下油页岩热破裂特征及其破裂机理
• 3.4 不同温度下裂隙长度、宽度的变化特征
• 3.5 不同级别裂隙间的演化规律及阈值温度的确定
• 3.6 油页岩热破裂规律分形特征研究
• 3.7 油页岩热破裂影响因素及起裂机制分析
• 3.8 油页岩热破裂应用分析
• 3.9 本章小结
• 第四章 不同温度下油页岩μm 级孔隙结构演化规律研究
• 4.1 前言
• 4.2 油页岩样品及试验描述
• 4.3 CT 扫描灰度图像分析
• 4.4 不同温度下油页岩μm 级孔隙结构的演化规律
• 4.5 油页岩常规方法测定孔隙率与 CT 孔隙率的对比分析
• 4.6 不同温度下油页岩孔隙结构的三维逾渗规律研究
• 4.7 本章小结
• 第五章 油页岩热解产油、产气实验研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验装置和实验方法
• 5.3 实验结果及分析
• 5.4 过热水蒸汽驱油机理分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 原位注热开采油页岩油气的热-流-固耦合模型与数值模拟
• 6.1 前言
• 6.2 油页岩原位注热开采的热-流-固耦合数学模型
• 6.3 油页岩原位注热开采的热-流-固耦合数学模型的数值解法
• 6.4 程序设计
• 6.5 油页岩原位注热开采的数值模拟示例分析
• 6.6 数值模拟结果及分析
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要研究结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文