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。     

高温蒸汽作用油页岩孔隙-裂隙结构演化规律实验研究

油页岩孔隙裂隙演化规律是影响对流加热方式原位流态化开采油页岩的关键影响因素。选取新疆巴里坤油页岩试样，首先利用自主研制的高温蒸汽作用实验系统对试样进行加热，然后采用显微CT和扫描电镜对不同温度作用后的油页岩的孔隙裂隙特征进行测试，并利用Avizo软件，对油页岩孔裂隙结构、内部渗流场特征以及表面微观特征随温度的演化规律进行了详细地研究，结果表明：1)原始状态下油页岩内部裂隙以微裂隙(100～500μm)为主，随着水蒸汽作用温度不断提高，微裂隙数量呈指数形式增长，同时孔径较小的小孔逐步转变为孔径较大的中大孔。2)随着水蒸汽作用温度增加，油页岩孔隙度显著增加，由常温状态下的2.7%增加到555℃时的16.2%,是常温下的6倍。3)随着热解温度的升高，油页岩内部连通的孔隙也不断增多，为高温水蒸汽以及热解产物的运移提供了良好通道，总体上平行层理方向的渗透率总是大于垂直层理方向的渗透率。4)油页岩渗透性存在明显的各向异性特征，当热解温度为314℃时，油页岩在平行层理方向与垂直层理方向的渗透率差异性最大，渗透率各向异性系数量级可达103.研究结论对调控水蒸汽对流加热原位开采油页岩油气的工艺参数具有重...     

压裂-注氮原位裂解油页岩加热工艺及传热模拟

提出了一种油页岩地下原位转化的新方法,即压裂-注氮原位裂解油页岩技术.油页岩储层压裂后,在加热井内下入电加热器,然后向井内注入氮气,利用加热后的高温氮气原位裂解油页岩.介绍了该方法与传统的电加热法和对流加热法相比的优势,以及特别适用的地层,并且对加热氮气过程进行了传热模拟,优化了气体加热器的参数,确定加热器的最佳长度为30 m,其热流密度为11 k W/m2.针对本工艺方法特别适用的薄层油页岩地下原位开采,进行了地层加热时间的传热模拟,确定了80 d即可将井距15 m,矿层1.5 m厚的油页岩加热到裂解温度,较电加热法和对流加热法的加热时间明显缩短.     

定容燃烧弹内流体介质的初始温度场分布

基于Fluent软件对加热状态下圆柱形定容燃烧弹内的初始温度场进行模拟,并与实验值进行对比,结果验证了模拟结果的准确性.模拟结果表明,在加热状态下,弹内流体介质温度呈现沿重力方向先下降后上升的变化趋势,且随着弹内温度升高,弹内流体介质温度场不均匀性增大.加热带电压分别为90 V、120 V和150 V时,该定容燃烧弹初始温度认定的误差最大可达25 K、40 K和60 K,流体介质在沿重力方向上的最大温差分别达14 K、23 K和35 K,弹内流体呈现沿两侧玻璃内表面向下流动至容弹底部中间区域交汇的趋势.同时,模拟结果也表明,在定容弹外壁均布热源以及对玻璃视窗进行加热有利于改善定容弹内流体介质温度场的不均匀性.     

高压工频热解扶余油页岩的温度场模拟

利用高电压工业频率电流加热油页岩,可以在油页岩内部形成等离子体的通道,利用产生的等离子体与导电通道碳化的内表面对油页岩进行加热,实现油页岩的原位裂解.本文采用有限元分析软件建立油页岩三维耦合模型,通过数值计算获得高压工频裂解油页岩的温度场分布.在电压为1000V,工业频率电流为5A时加热6min,油页岩电极中心部位的温度达到597℃,在电极附近30mm范围内,温度达到347℃,满足油页岩裂解需求;随电流的增加,相同时间内油页岩被有效加热的温度增加,并且有效热解的范围增大.从数值模拟结果分析可知,高电压工业频率电流加热裂解油页岩技术,升温速率快,能量有效利用率高.     

油页岩热破裂及起裂机制试验

利用μCT225kVFCB型微焦点显微CT机对油页岩的热破裂过程进行三维无损伤观测,直观地分析裂隙萌生、发展的全过程,依据热弹性力学理论和试验结果,分析油页岩热破裂的起裂机制.结果表明:油页岩在低于300 ℃的低温段内,热破裂主要由热应力引起,裂纹主要沿层理方向胶结面发生,起裂的条件是热应力大于油页岩的强度极限;温度高于300 ℃后,在热应力和热分解化学反应的共同作用下,油页岩中的裂纹广泛发育,起裂条件是油母质化学分解反应所产生的扩张压力大于岩石的临界扩张压力;油页岩在两种起裂机制的作用下,最终在600 ℃时形成相互连通的裂隙网络,汇聚为油气的渗流通道,为油页岩的原位开采提供了可行性条件.     

油页岩原位裂解开采温度场数值模拟与设计方案优化

根据吉林松原油页岩原位开采试验的布井方式、油页岩及流体物性参数等情况,构建了油页岩原位开采的单压裂隙-单注气井基本模型(模型Ⅰ),采用Fluent软件进行了油页岩热流体加热过程温度场模拟。为了研究不同原位开发方案的效率,在模型Ⅰ的基础上,通过增加压裂隙数、注气井数,建立了双压裂隙-单注气井模型(模型Ⅱ)、双压裂隙-双等深注气井模型(模型Ⅲ)和双压裂隙-双不等深注气井(模型Ⅳ),分别开展了注气速率为5m/s和10m/s、注气加热1500天情况的模拟。模拟结果表明,当油页岩层压裂程度越高、模型注气速率越高、注气井数量足够和注气井贯穿压裂隙加热油页岩层时,油页岩的开发利用越彻底,设计方案最优。     

薄层油页岩电加热原位改性温度场数值模拟

原位开采是油页岩未来主流开采技术,目前油页岩原位开采技术研究对象多为厚层油页岩,但中国存在大量的薄层油页岩,故研究薄层油页岩原位电加热温度分布规律具有重要的意义.针对中国特殊薄层油页岩结构,采用ANSYS软件中瞬态热分析模块,建立薄层油页岩原位电加热模型,研究加热5年内薄层油页岩中温度场分布.仿真结果表明:油页岩的有效加热体积随加热时间增加而增大,且加热前3年增加速度显著快于3年之后,加热3年后继续加热增热效果已不明显,故加热薄层油页岩在加热3年可以使利益最大化.研究结果为中国薄层油页岩的开发提供了数据支撑.     

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。     

基于数字岩石物理的油页岩热导率模拟

利用数字岩心技术,充分考虑岩石的孔隙空间结构对于岩石热导率的影响,对微波辐射作用下油页岩在室温至600℃时内部孔裂隙及裂缝进行三维可视化进行研究。结果表明：垂直层理面的热导率要小于平行层理面的热导率,油页岩强烈的热各向异性导致传热的不均匀,热导率在3个方向上总体呈现下降趋势,并且将模拟值与经验模型进行对比,其精度可接受;各向异性的比值(即平行/垂直热导率)的上界为2.149,各向异性最高出现在热导率最低的区域;油页岩内部结构的变化是导致热导率下降的主要原因;研究成果能够在岩心尺度上对岩石热物性研究提供一定的参考。     

页岩气储层水力裂缝网络的延伸规律

为了深入认识页岩气储层水力压裂裂缝的延伸规律及裂缝网络形成条件,通过建立页岩气储层水力裂缝延伸的二维模型,分析地应力差异系数、天然裂缝及层理面等因素对水力裂缝延伸方向的影响规律,并对页岩储层水力裂缝网络的形成机制进行研究.研究结果表明:水力裂缝在层理面内转向、分岔及沟通天然裂缝是形成裂缝网络的关键,层理面和天然裂缝逼近角和地应力差异系数需在一定临界组合条件下才形成裂缝网络,偏离该条件均形成单一裂缝;最大水平主应力方向与页岩的层理面和开度较好的天然裂缝之间的逼近角呈大角度时,更有利于形成裂缝网络.     

页岩形变及破坏特征研究进展及展望

随着常规油气资源的减少,页岩油气等非常规资源的加速开发,如何获得准确的页岩力学参数为钻井与压裂提供指导是中外学者研究的方向。从页岩岩石力学的室内实验(如单轴、三轴、声波实验等)、理论研究、数值方法(如有限元、离散元等)三方面对页岩的应力-应变特性、岩石破裂模式、本构模型与强度理念等研究进展进行综述,得出如下结论:页岩的形变特征主要脆性为主,且峰值应力表现出明显层理相关性;页岩的破坏特征与层理方向、围压、裂缝特性、埋深、浸泡液体等具有密切联系;页岩内部具有大量微孔隙、微裂缝,其本构模型主要基于损伤理论建立;强度准则主要基于单一弱面准则与横观各向同性建立。展望了如3D打印技术与页岩模型相结合,打印出给定参数的类岩石样品;考虑多耦合因素控制及多弱面结构下的本构模型和岩石破裂准则等岩石力学研究前景。     

沾化凹陷罗家地区沙四段顶部至沙三段泥质岩裂缝特征及其影响因素

利用岩心观察、岩石薄片鉴定和扫描电镜分析等技术手段 ,结合岩相古地理分析和古构造应力场模拟试验成果 ,对沾化凹陷罗家地区泥质岩裂缝的类型、特征、受控因素以及对油气储集的有效性进行了研究。结果表明 ,以张裂缝为主的顺层缝的长度、密度和开度大于切层缝 ,且为烃类的主要储集空间 ;包括张裂缝和剪裂缝在内的切层裂缝作为主要连通顺层裂缝的通道 ,很少储油。成岩收缩缝在泥质岩层中是极有利的油气储集空间 ,特别是在构造裂缝不太发育的地区 ,由成岩收缩造成的层间缝会成为主要的储集空间。裂缝发育的受控因素有区域构造应力、构造部位及其与断裂带的距离、岩性、岩相、地层厚度、物性、埋深和地层压力。预测研究区地层埋深为 2 2 0 0～ 340 0m ,在距离断裂带较近地区、断层转换带、凹陷斜坡坡度突变区、地层厚度和 /或砂岩厚度突变区、三角洲前缘亚相、湖底扇相砂体与湖相泥质岩交界过渡带 ,泥质灰岩、灰质泥岩、油页岩和油泥岩最有可能形成有效的裂缝储集空间。     

页岩储层岩芯核磁共振响应特征实验研究

 系统研究致密页岩储层核磁共振响应特征对于将核磁共振技术应用于该类油气资源开发具有重要的基础指导作用。综合使用核磁共振、气水离心等实验技术研究了页岩核磁共振T₂谱响应特征、核磁孔隙度、可动流体T₂截止值及岩石比表面分布等储层特征。研究结果表明,页岩T₂谱可以分为3种类型,即单峰T₂谱、含有孤立右峰的双峰T₂谱及左、右峰连续分布的双峰态T₂谱,页岩绝大多数T₂弛豫时间小于10ms,储层中裂缝孔隙约占总孔隙空间的9.16%。基于核磁共振T₂谱计算的页岩比表面主要分布在3.59—80.51μm^-1。页岩核磁孔隙度普遍小于水测孔隙度,平均误差约为22.33%,其与黏土孔隙、裂缝孔隙发育等因素有关。结合气水离心实验结果,计算得到页岩储层核磁共振可动流体T₂截止值分布在3.87—16.68ms,平均值为8.29ms,储层基质岩石游离气饱和度平均值约为9.72%。     

盐间页岩油储层基质孔隙内盐赋存状态

潜江凹陷盐间页岩地层是中国潜力巨大的高效烃源岩,在高封闭性、强蒸发、干湿气候交替环境下形成的。页岩油以吸附态在页岩地层中储存,潜江凹陷页岩油储量丰富,广泛发育的盐韵律层系为页岩油的开采造成较大困难,盐间页岩储层含盐量高,盐间页岩中的盐遇水后会发生溶解等强相互作用,导致孔隙结构发生剧烈变化,然而目前对于盐间页岩中盐的赋存状态及含量尚不清楚。深入研究潜江凹陷盐间页岩盐赋存状态,对实现页岩油有效开发具有重要意义。针对白云质页岩、钙芒硝质页岩和泥页岩3种盐间页岩油储层样品,通过肉眼、显微镜和扫描电镜观测盐晶体的形态及分布特征,建立起一种定量评价页岩储层盐离子扩散能力的方法。结果显示,盐间页岩油储层中盐离子主要以晶体的形式分散于岩石内部,是岩石骨架结构的一部分。白云质页岩中盐晶体主要以团状聚集的形式存在,钙芒硝质页岩中盐晶体颗粒分布较为均匀,泥质页岩盐晶体主要充填于层理弱面中。浸没在水中的盐间页岩中的盐离子迅速溶解并扩散进入水中,溶液电导率从初始电导率G_0开始缓慢增加,初期增加较快,后期曲线逐渐趋于平缓。然而,溶液电导率与时间t的平方根的线性关系较差,这与盐间页岩盐晶体溶解影响了孔隙结构,进而影响到了盐离子的扩散速率有关。钙芒硝页岩盐离子扩散速率最大,约为白云质页岩的1.5倍,约为泥质页岩的3倍。此外,盐间页岩油储层的离子扩散速率大大高于海相、陆相页岩气储层,为15～45倍。理解盐间页岩的盐赋存特征对认识页岩油储层与水的相互作用和提高页岩油的产出具有重要意义。     

层理产状对页岩气水平井井壁稳定性的影响

根据四川盆地某页岩气田所取岩芯进行的强度实验,发现页岩呈现出显著的强度各向异性,沿层理面的剪切滑移是井壁失稳的主要机理。结合岩石力学实验结果,分析层理产状对井周应力状态的影响,得出井壁失稳风险分布图的演变过程,进一步分析了水平段坍塌风险随层理产状的变化规律。研究发现,沿层理面倾向钻进的水平井,坍塌压力随层理面倾角的增加先升高后迅速降低;沿层理面走向钻进的水平井则会不随着层理面倾角增大而发生变化。研究结论可以为页岩气钻完井设计提供参考。     

含水富有机质页岩重复升温热激增渗实验

水力压裂可提高页岩气井产量,但改造尺度多集中于毫米级裂缝,难以沟通微纳孔隙和天然微裂缝,且压后大量压裂液滞留易形成水相圈闭损害,阻碍气体多尺度传输.选取四川盆地下志留统龙马溪组富有机质页岩,模拟水力压裂后页岩储层热处理,开展了加热速率为5 ℃/min干燥页岩重复升温与加热速率为10 ℃/min含水页岩重复升温热激实验,...     

压裂液对油页岩裂缝扩展影响的数值模拟

压裂液在油页岩水力压裂裂缝扩展过程中扮演着重要的角色,因此获得压裂液对油页岩水力压裂裂缝扩展的影响规律对油页岩水力压裂技术的发展有着巨大的推动作用。文章选取羟丙基胍胶稠化剂配制成了不同含量的压裂液基液,并测量了其粘度。然后,基于XFEM裂缝扩展分析方法和压裂液对油页岩裂缝扩展的影响模型,采用Abaqus数值模拟软件,对吉林省汪清地区的油页岩进行了不同粘度和不同排量压裂液条件下的裂缝扩展仿真模拟。分析模拟结果发现,水力压裂裂缝在油页岩中扩展时,压裂液排量是影响裂缝扩展的主要因素,而压裂液粘度对油页岩裂缝扩展的影响很小;随着压裂液排量的增加,裂缝的长度和宽度迅速增大,其扩展速率亦随排量增加而增大;到水力压裂后期,裂缝长度和宽度逐渐趋于常值,即压裂液对裂缝扩展的影响逐渐变小。     

基于返排动态分析的页岩油井压后评估方法

通过挖掘早期返排数据资源的潜力,提出基于返排动态分析的页岩油水平井压后评估方法。考虑页岩裂缝复杂支撑模式,将有效裂缝划分为砂支撑主缝和液支撑次缝,然后基于流动物质平衡方程,建立数学模型和迭代求解方法,并利用数值模拟验证新方法的适用性。以吉木萨尔页岩油藏四口分段压裂水平井为例,详细介绍了新方法的分析流程,反演出有效裂缝体积、裂缝复杂程度和压裂液效率;计算发现,压裂后形成的水力裂缝网络以液支撑的次缝为主,仅有平均约34%的压裂液对投产后裂缝导流能力有贡献,压裂液效率和返排率随着用液强度的提高而降低。结果表明：该方法能够充分利用返排数据及时评价有效裂缝体积、裂缝复杂程度和压裂液效率,在压后评估方面具有实用性。