油页岩传热各向异性与原位传导热采模拟分析

【目的】油页岩原位开采过程中传热效率差,各向异性差异显著,油页岩原位开采中存在各向异性传热差异问题。【方法】以新疆巴里坤油页岩制标准样本试件,采取多种室内试验手段对不同温度下块状油页岩水平、垂直层理传热差异进行探究,并进行原位开采模拟。【结果】实验结果表明：1）随着温度升高,各层理方向热传导系数均呈“降低”趋势,但油页岩平行层理方向的热传导系数均大于垂直层理方向;2）随温度升高,比热容先升高再降低,当温度为400℃时,油页岩比热容值最大;3）结合显微CT图,随着温度的升高,裂隙增多对垂直层理方向热量传导的影响大于平行层理方向。基于上述实验测试参数,同时利用COMSOL软件建立油页岩储层原位电加热的“热-固”耦合模型,模拟结果表明：随加热时间的增加,各向异性传热差异逐渐开始呈现;当加热时间为120 d时,加热井附近区域温度上升,并未表现出明显的各向异性;当加热到600 d时,平行层理方向的传热区域明显大于垂直层理方向,呈“椭圆”状;加热到1 440 d时,传热区域小幅度增加,加热井控制区域页岩基本热解完成。     

过热蒸汽对流加热油页岩产气规律研究

利用自行研制的对流加热原位开采模拟实验台对新疆油页岩进行热解模拟实验,研究不同温度过热蒸汽作用下油页岩的产气规律,并从理论上进行了分析研究。结果表明:过热蒸汽对流加热油页岩热解过程大致分为三个阶段,第一阶段是碳酸盐的水解和热解,同时伴随着少量沥青质的热解,这个过程中主要产生CO2和少量有机气体;第二阶段以油页岩的热解为主并伴随着少量的水煤气反应,这个过程产生大量的有机产物;最后阶段是热解完成后油页岩中残炭的水煤气反应,产物主要为大量的H2和CO。本研究成果将为规模化过热蒸汽原位开采油页岩技术应用提供理论依据和技术参数,也将为油页岩原位开采的干馏气体的处理和回收提供帮助。     

油页岩原位热解孔隙结构演化的低温氮吸附分析

孔隙结构是油页岩的一个重要特征,直接影响油页岩内的传热效率与油气流动行为。为分析油页岩孔隙结构在热解过程中的演化规律,采用热重分析与低温氮气吸附(LTNA)手段,定量分析了压力及不同热解终温下油页岩孔隙结构特征。结果表明:抚顺油页岩的有机质降解阶段为350~540℃,干酪根分解与沥青的二次分解在同一温度区间完成,没有明显的两阶段过程。以有机质热解起始温度350℃为界,孔隙结构与类型发生重大改变。低于该温度时以墨水瓶型孔为主,高于该温度时以狭缝型孔为主,有机质热解对油页岩孔隙类型的变化起控制作用。油页岩孔隙结构演化涉及复杂的物化过程,是有机质、热解产物与无机矿物共同作用的结果,有机质的热解使比表面积与孔体积产生大幅增加,研究结果可作为油页岩原位开采的有益参考。     

非稳态原位热解扶余油页岩热-流耦合模拟

采用热-流耦合分析模式,对水力压裂之后扶余油页岩储层的传热导流渗透能力进行数值模拟,发现流体主要沿油页岩层理方向形成地裂隙流出,但是随温度的增加,孔隙度增大也会有少许流体从油页岩的原生孔隙流出,渗流场压力在同一截面自裂隙垂直于油页岩层理向两端呈现下降趋势;流体对油页岩地层热量的传导主要是沿裂隙方向进行.加热时间增长,裂隙两侧油页岩裂解,孔隙度增加,氮气向油页岩储层的扩散速度也得到了提高,加热至40d之后,裂隙周围油页岩首先达到裂解温度,加热至60~100d,油页岩层的平均温度自500K提升至650K,整个油页岩能够被有效热解.     

油页岩原位转化热解反应特征研究综述

近年来,世界能源消耗日渐增加,作为非常规能源之一的油页岩是重要的接替资源。中国油页岩资源量丰富,居世界第四位。原位转化技术作为油页岩开采的主流技术,利用热解反应建立渗流通道,开采页岩油气。基于热解反应阶段、干酪根热解、矿物成分影响与热解协同孔隙结构演化等4个方面对原位转化过程中的热解反应特征进行研究综述：（1）热解反应各个阶段下的热物理演化与热化学反应;（2）干酪根热解的反应机理及其影响因素;（3）无机矿物分解对热解反应的促进与抑制作用;（4）热解反应协同孔隙结构演化的机理及其对微裂缝扩展的促进作用。立足于热解反应这一原位转化中的核心技术问题,力图为热解反应在油页岩与中低成熟度页岩油原位转化中的应用提供一定的参考。     

低透气性原煤瓦斯渗流各向异性试验研究

为研究低透气性煤层中瓦斯渗流的各向异性,以同一煤岩平行层理方向和垂直层理方向制取煤样,利用自主研制的试验装置进行含瓦斯煤三轴伺服渗流试验。结果发现平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样。在峰值破坏前,平行层理煤样随着轴压增加,渗透率在应力屈服点达到最小值,垂直层理煤样在弹性阶段初始时达到最小值;峰值破坏后,两个方向煤样的渗透率均呈非线性增长。     

坝基各向异性岩石力学特性试验研究

为了掌握坝基层理面发育变质凝灰岩的力学特性,对垂直和平行于层理面方向的变质凝灰岩试样进行了三轴压缩试验.基于试验结果,得到了不同围压下垂直和平行于层理面的变质凝灰岩强度和变形参数,研究了其强度和变形特性的各向异性特征,最后分析了三轴压缩状态下试样的破坏形式及机制.研究结果表明,变质凝灰岩强度和变形特性与层理面方位角关系密切,垂直和平行于层理面方向的强度和变形参数表现出显著的各向异性特征,并随围压呈一定规律的变化.     

油页岩高温CT实验研究

利用高分辨率显微CT实验系统,对农安、长庆和大庆的油页岩从100℃到600℃不同温度下的细观变化进行了CT测试。通过对比100℃与600℃三个矿区油页岩CT图像的变化,实验结果揭示农安油页岩随温度升高,首先会产生大量热破裂,但部分裂缝会在更高的温度下闭合;长庆的油页岩层理发育且密度大的矿物较多,随温度的升高,其内部的裂缝一直在增加。大庆油页岩更接近煤的热解模式,在高温作用下,会形成大量的连通空洞。与其他两矿油页岩相比,大庆油页岩在高温下孔隙、裂隙的发育最为明显。这种差异反映了油页岩油母成因的本质差别,这种不同将直接导致油页岩最终开采工艺参数选择的不同。     

煤体层理方向对液态CO2致裂效果的影响规律

煤体原生层理裂隙对煤岩的性质有明显的影响,为研究液态CO_2致裂煤体的各向异性,对5种不同层理方位的煤岩进行注入液态CO_2致裂实验,借助超声波检测仪与低场核磁共振设备,分析其波速变化、孔隙分布及渗流空间演化规律.研究结果表明:不同层理方位的煤体致裂效果具有明显的各向异性.纵波波速变化与层理角度负相关,不同孔径的孔隙变化与层理角度正相关,且中、大孔径(渗流孔)相对于微小孔的层理方向效应更高.孔隙度与层理角度呈二次函数关系.该研究对现场注入液态CO_2致裂增透高效抽采瓦斯具有一定的指导意义.     

油页岩原位开采中裂隙与井组相对位置及其产状对加热效果的影响

当采用对流加热技术对地下油页岩进行加热时,地下的裂隙为热流体提供了运移通道,影响着油页岩的加热速度和加热范围。因此充分地认识地下裂隙对油页岩加热效果的影响,确定合理的布井方式对油页岩的开采十分重要。通过使用商业仿真模拟软件ANSYS,建立了3组含有简化裂隙的三维模型,以此来模拟油页岩原位注热开采中的温度场,探究并分析不同裂隙位置与产状条件下油页岩的加热效果。模拟结果表明,加热5年后即可达到稳态,加热井远离开放裂隙,生产井位于加热井与开放裂隙之间时油页岩加热效果更好。井组连线的走向垂直于裂隙走向时,加热效果更好;开放裂隙垂直于岩层时,加热效果更好。     

高温及三轴应力条件下抚顺油页岩渗透规律试验研究

利用自主研发的WYF-I型高温高压热解反应装置及基于岩芯柱脉冲衰减法研制的Smart perm Ⅲ型气体渗透率测量仪,对抚顺西露天矿油页岩试件进行20～600℃范围内的热解试验,研究不同热解温度和应力条件下的油页岩渗透率变化规律。试验结果表明,油页岩热解过程呈明显阶段性变化。第一阶段:20～300℃,油页岩失重率和孔隙率变化较小,渗透率随热解温度变化不明显,体积应力对渗透率影响较小。第二阶段:300～400℃,油页岩失重率和孔隙率迅速增加,试件渗透率增加了24.3～92.4倍;体积应力对渗透率影响明显,当体积应力由13MPa增加至39MPa后,孔隙压力1MPa下的渗透率降低了22.23%.第三阶段:400～600℃,失重率和孔隙率进一步增加,但增速减缓,温度对渗透率影响减弱,400℃增加至600℃时油页岩渗透率仅增加了1.69～2.49倍;体积应力对渗透率影响增强,体积应力增加导致渗透率下降了32.84%～41.79%.研究结果对原位热解开采油页岩时热解温度的合理选取有一定的参考价值。     

各向异性和非均质性对煤层抽采钻孔瓦斯渗流的影响作用机制

为提高深部煤层瓦斯抽采效率,研究抽采钻孔周围煤体的瓦斯渗流规律十分关键。文中基于煤体的各向异性和非均质性,考虑煤体应力变形场和瓦斯渗流场的交叉耦合作用,分析了煤层抽采中水力割缝钻孔周围瓦斯压力以及渗透率的时空演化规律。结果表明:煤体的各向异性和非均质性影响割缝钻孔周围的瓦斯渗流规律。对于瓦斯压力的变化,平行层理方向瓦斯压力降幅大于垂直层理方向,抽采影响范围分布呈现"椭圆形",煤体各向异性表征明显。对于渗透率的变化,平行层理方向的煤层渗透率高于垂直层理方向,抽采初期渗透率的增加幅度较快,随后逐渐减缓,渗透率变化曲线呈现不规则"锯齿形",煤体非均质性表征明显。将数值模拟结果与杨柳矿4~#钻场瓦斯抽采的实际监测情况相互对比,现场实测的瓦斯抽采情况与模拟得到情况基本吻合,从而验证了数值模拟的合理性及工程适用性。     

高温下页岩水化损伤的各向异性实验研究

为了研究高温页岩水化损伤的各向异性特征,以龙马溪页岩为例,利用FEI Qemscan 650F型矿物定量分析-热场发射环境扫描电子显微镜(EDS-FESEM),系统观察不同温度、压力和浸泡时间下页岩平行层理和垂直层理面特征黏土矿物及微观结构变化特征.研究结果表明,龙马溪页岩细观尺度的各向异性引起页岩水化特征存在明显区别,即平行层理面表现为大量微纳米溶蚀孔伴生发育的原生裂隙膨胀、闭合、塌陷的损伤模式,而垂直层理面表现为大量微纳米长石矿物溶蚀孔隙的损伤模式.相同浸泡时间和压力下,温度越高页岩细观结构的水化损伤越快;相同温度和压力下,随着浸泡时间增加,页岩细观结构的水化程度先增大后逐渐趋于平缓,温度升高减小了页岩水化特征时间,其内在联系需进一步开展实验探讨.     

页岩裂缝和基质渗透率各向异性特征及影响因素

页岩裂缝渗透率是控制页岩气富集高产的关键参数,而页岩基质渗透率决定了页岩气的稳产和经济开发,研究页岩裂缝和基质渗透率的各向异性特征对于保障页岩气的长期产量尤为重要。以渝东南地区海相页岩为研究对象,探究了页岩裂缝和基质渗透率各向异性特征及其影响因素。基于微计算机断层扫描技术(micro computed tomography, micro-CT)、高压压汞手段分析了页岩裂缝特征并区分了页岩裂缝与基质,利用立方体样品以及3D打印岩心夹持器技术测定了地层压力条件下页岩三轴方向的渗透率,采用定性观察、定量分析和数字岩心等方法揭示了页岩裂缝和基质渗透率各向异性与孔隙结构特征的关系。研究表明：页岩基质渗透率主要受岩石的微观结构控制,而页岩裂缝渗透率主要由裂缝形态和特征决定;微裂缝的存在增大了水平与垂直方向裂缝渗透率的差异性,但对水平方向间裂缝渗透率的比值影响较小甚至有所降低;水平方向上矿物和有机质呈层排列易形成连通的孔隙微裂缝网络,增大了页岩平行层理方向上的基质渗透率,使其比其垂直层理方向高出1～2个数量级;砂质条带和砂质纹层使得页岩水平方向上的基质渗透率差异性增强,而且页岩3个方向的基质渗透率与...     

CT实验条件下油页岩内部孔裂隙分布特征

为研究油页岩样内部三维正交面孔裂隙的分布特征,利用显微CT试验分析系统,对产自大庆的油页岩样进行显微CT扫描,结果表明:经过高温热解作用后,三维正交面上孔裂隙都非常发育,可作为热解产出油气的渗流通道,但分布特征却存在较明显差异,表现在孔隙度、空隙团、空隙团数量分形维数3个方面的参数值差异较大.与XOZ和YOZ面比较,在XOY面上,70层图像的孔隙度分布较均匀,空隙团的结构较规则.在油页岩原位注蒸气开采中,XOY面可作为为较适合的注热方向.     

原位注蒸汽开采横观各向同性油页岩储层的数值研究

油页岩可以被看作横观各向同性材料,其热传导系数、热膨胀系数、弹性模量、渗透率均表现出较强的各向异性。首先建立了横观各向同性热流固耦合数学模型,然后结合高温作用下获得的油页岩各向异性物理力学参数,对原位注蒸汽开采油页岩进行数值研究。结果表明:油页岩储层温度场分布与过热蒸汽在储层中的运移密切相关,在温度场边缘形成快速降温带;蒸汽注入过程中,在油页岩矿层中部形成应力集中区,随着注入时间的增加,应力集中区向底板方向移动;渗透率的各向异性对油气产量影响最大,其次是弹性模量的各向异性,而热传导系数的各向异性对油气产量影响不大。研究结果可以为原位注蒸汽开采油页岩提供理论基础。     

片麻岩各向异性力学特性试验研究

岩石的各向异性力学特性对工程安全稳定性具有重要的作用。以片麻岩为研究对象,对垂直层理和平行层理的岩样开展了波速试验、单轴压缩和点荷载试验,分析了其强度特性,讨论了岩样的破坏特征及破裂模式。结果表明:在垂直层理和平行层理两种情况下,片麻岩的波速和强度差别明显,表现出各向异性特征;在垂直层理条件下,片麻岩的点荷载强度指标Is(50)与单轴压缩强度之间的换算系数为21. 25,而平行层理条件下为14. 46;单轴压缩试验中,垂直层理的岩样以拉-剪复合模式破坏,平行层理的岩样以张拉模式破坏;在圆盘形试样的点荷载试验中,试样破裂主要有2块和3块的形式,垂直层理和平行层理加载的破坏形式也存在一定差别。     

油页岩注蒸汽原位开采数值模拟

注高温蒸汽是一种有效的油页岩原位加热开采方法。参考美国绿河地区某油页岩原位电加热开采项目,采用CMG油藏数值模拟软件建立油页岩原位加热开采的数值模型,将其中的电加热井改为注高温蒸汽井,求解油页岩的温度场、干酪根浓度和产油量,对比电加热和蒸汽加热的优缺点,并讨论注入蒸汽速率和加热范围这两个主要因素对油页岩原位开采的影响。结果表明:与电加热相比,注蒸汽加热时油页岩层温度更高,干酪根分解更快,页岩油产量峰值到达时间更早;随注入速率增大、加热范围减小,干酪根热解反应加快,页岩油产出结束较早。     

注蒸汽原位开采油页岩热解温度确定及可行性分析

利用热重仪对新疆油页岩进行不同温度下的热解实验,结果显示热解温度高低和油页岩在特定温度下的热解时间都会明显影响到油页岩的失重率,热解新疆油页岩的最佳温度值为500℃;通过高精度显微CT实验系统对热解后油页岩的细观进行测试,得到注蒸汽原位开采油页岩是完全可行的结论,这对油页岩原位开采技术的发展具有重要意义。     

高温高压煤复电阻率各向异性实验研究

摘要：电阻率各向异性是影响煤储层电法勘探的重要因素,针对煤样复电阻率各向异性的参数评价,本文对焦作地区煤矿储层沿平行和垂直层理方向分别钻取了煤样,并在高温高压条件下测量得到了相应的复电阻率频谱。为了定量分析温度、压力对煤样复电阻率各向异性的影响,文中建立了煤样不同方向频散参数（界面极化频率、模值频散度、弛豫时间）与温度压力的对应关系,电阻率各向异性系数与温度、压力的对应关系。结果表明：平行层理方向频散参数均与温度、压力呈现良好的线性关系,垂直层理方向频散参数的线性关系不如平行层理方向好;任意方向煤样频散与温度、压力的响应关系都可以用弛豫时间来定量评价;随温度增大各向异性系数增大,随压力增大各向异性系数变化不明显。研究结果可为更精确的定量评价温度、压力对煤储层电各向异性的影响提供实验基础和理论参考。