中国油页岩原位开采可行性初探

中国油页岩资源量为11 602×108 t,其中埋藏深度在500～1 500 m 的油页岩资源量为6 813×108 t,原位开采技
术是开发该部分资源的有效手段。中国油页岩原位开采技术处于实验阶段,通过对油页岩热分解、热破裂规律、渗透
变化规律等方面的研究,初步探索了油页岩原位开采的可行性。油页岩热分解过程可以分为3 个阶段：干燥脱水、热
解生油、无机矿物质的分解。在这3 个阶段中,由于油页岩内部物理化学反应的程度不同,导致孔隙和裂缝发生了不
同程度的变化,变化最大的是热解生油阶段。利用非稳态数学模型研究了油页岩电加热原位开采的温度场分布,表明
加热5 a 后可以对页岩油进行开采,产油时间至少可以维持2 a。     

油页岩原位开采井筒结构设计

在油页岩原位开采过程中,需要300℃以上高温持续对地层加热数月甚至数年,造成井筒密封完整性失效。目前国内外关于油页岩原位开采的研究集中于加热方式的实验介绍,没有可参考的实钻井筒结构设计。依据吉林松南青一段油页岩的实际情况,设计电加热、注热氮气加热两种不同开发方式下的井筒结构,利用有限元软件对加热体、套管、水泥环、围岩组合体密封完整性模型进行模拟分析。结果表明,采用600℃电加热方式进行开采时,热量传入地层迅速衰减,有效开发半径仅2. 0 m,难以适用于油页岩的开采;采用注热氮气加热开发时,有效开发半径仅5. 0 m,考虑后期压裂,热氮气可通过裂缝有效加热地层,适用于油页岩的开采;套管在加热段热应力可达1 094 MPa,需选用偏梯扣TP110H抗高温套管。     

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。     

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。     

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.     

油页岩原位开采过程中孔隙度和渗透率变化数值模拟

油页岩原位开采技术是一种经济、环保的油页岩利用技术。在油页岩原位开采过程中,温度变化引起油页岩中干酪根的分解及黏土矿物的转化使油页岩的孔隙度和渗透率发生改变,而孔隙度和渗透率正是影响生成的烃类物质运移的重要因素。为了研究油页岩原位开采过程中孔隙度和渗透率的变化规律,参考吉林省松原地区油页岩原位开采的现场试验情况,以梅花状布井方式建立了三维模型,模拟了油页岩原位开采的注热、生烃、黏土矿物转化以及孔隙度和渗透率变化的过程。结果表明:油页岩原位开采过程中,油页岩的孔隙度和渗透率随生烃过程的进行呈现增大趋势,且增长速率先快后慢,注热1 000 d时,孔隙度增长了3. 37%,渗透率增长了0. 004 9×10~(-3)μm~2。油页岩的孔隙度随蒙脱石-伊利石的转化逐渐增大;蒙脱石-伊利石转化过程使油页岩的渗透率有所增大;注热1 000 d时,孔隙度增长了2. 14%,渗透率增长了0. 002 5×10~(-3)μm~2。     

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。     

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。     

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。     

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.     

吉林桦甸油页岩原位近临界水热解开采室内实验

从多学科交叉角度出发,将油气生排烃实验地质技术、绿色化工等相关领域方法引入到油页岩原位开采中。选取吉林桦甸油页岩样品,利用地层孔隙热压生排烃模拟实验仪开展了原位干馏热解和近临界水热解实验。研究表明:近临界水热解促进了油页岩原位油气转化,高温高压近临界水、反应生成的高含CO2的气体和较高的地层流体压力提高了油页岩原位页岩油潜在可采率/回收率,展现了利用近临界水特性开采油页岩,尤其是低品质油页岩的良好前景。针对我国油页岩资源埋藏深、品位低、非均质性强的情况,可以考虑利用近临界水做热传导介质和水溶解性催化剂,对地下油页岩进行原位开采。     

电法原位加热油页岩采油技术与数值分析

针对目前传统地面干馏油页岩技术中存在的高成本、高污染问题,结合油页岩本身具有的高温热破裂的特性,提出了对油页岩进行电法原位加热开发的技术。在建立数学模型的基础上,采用三维有限元法对油页岩电法原位传导加热开发过程进行了数值模拟,获得了开发过程中温度场随时间的变化规律,并预测了该模型的开发周期。     

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.     

页岩油气及煤层气开采技术与环境现状及存在问题

非常规油气资源是国家安全与经济发展的重要物质基础,资源开发在带来发展的同时,还存在破坏环境的风险。如何解决资源开采和环境保护的矛盾,从中寻求平衡点,值得深思。系统性地归纳了页岩油气及煤层气现行开采技术,评价了优缺点,并就各技术对环境的影响现状以及存在的问题进行了总结和深入分析,提出了针对性解决思路,即:立足油页岩热解本质机理,对经济高效可行性强的油页岩原位开采工艺,针对其环境影响,开展系统性研究。研发适合国情的页岩油气及煤层气的开采技术;积极开展压裂开采诱发的地质灾害研究。为非常规油气的可持续性发展和绿色开采提供有益建议。