原位电法开发油页岩的温度场数值分析XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX (XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX摘要：针对原位电法加热油母页岩层的问题，运用FLUENT模拟仿真软件建立油母页岩 层的物理模型，并对油页岩的温度场分布进行数值分析。结果表明：加热效率随着时间的增 加逐渐升高，当加热井与产油井交换加热时，加热效率有显著提高。当加热温度从地表温度 30oC 到 350oC 时，各等温线由左至右均匀升高。随着加热温度逐渐升高，各等温线由左至右 升高幅度变大。温度在350oC到500oC之间时，油页岩有集中热解的特性，在热解后，油页 岩的导热系数，孔隙度和渗透性都会随之增加。由此可见，对油页岩温度场的分析与控制有 助于提高油页岩的加热效率和产量。关键词：油页岩；电加热；热解；模拟；等温线1油页岩原位开采技术油页岩的地下干馏技术，即原位开采，是指直接对埋藏在地下的油页岩进行干馏。原位 开采技术相对于地上干馏技术具有污染小，产油高、占地面积小等优点。在原位开采技术中, 以加热技术最为关键。按照加热方式,原位开采加热技术可分为3 种:电加热技术、蒸汽加热 技术和微波辐射加热技术。目前主要利用传导加热方式加热页岩层的技术主要有壳牌石油公 司的地下转化工艺技术。应用FLUENT仿真模拟技术，对油母页岩层加热到一定温度时发生 热解后的温度场进行分析，从而得出一般性的规律，可为原位电法加热油页岩的技术应用提 供一定的参考1-4。2油页岩的热裂解热裂解是指间接加热碳氢化合物分解后重组，将有机物质裂解或分解为较低分子的物质5-6。油母页岩的热裂解后最初产物是热解沥青，通常可溶于有机溶剂，随着温度的升高热解沥青可裂解或分解成页岩油、水和气体等。油页岩热分解动力学化学方程式为1)二 A(1 - X) e-E/RTdt式中：A为指数前因子,s-i;E为表观活化能,J/mol;m为反应级数;T为温度,K;R为气体 常数,8.314J/(molK);x为在温度T时反应物质的转化率,。油页岩通常具有渗透率低，孔隙度小的特征。而高温裂解后的油页岩则会产生大量的空隙和裂隙，而且不均匀的受热也会使油页岩从内部产生裂隙，从而提高了油页岩的渗透率和孔隙度。为原位电法开采油页岩创造了更好的条件。3计算模型3.1 物理模型：根据原位电法加热油页岩的方式运用GAMBIT软件建立三维地层加热模型，地表和地 底采用非结构化网格进行划分如图1 所示，而基岩层和油页岩层则采用了结构化的网格进行 划分如图2所示。为了更好的捕捉加热后油页岩层温度的变化，所以加密了油页岩层的网格。 由于油母页岩层本身导热性较差需要长时间加热，而且在温度达到一定程度时油页岩会有集 中热裂解的特性，所以在热裂解现象发生之前，油母页岩层会形成稳态温度场,该温度场也是在热裂解产生后，后续加热的初始条件。Gy图2 油页岩和基岩层加密结构化网格3.2 数学模型：原位电加热技术是指在加热井中放置电加热器直接加热油母页岩储层，当油页岩储层达到一定温度时会发生化学反应，并产生页岩油和页岩气。该反应我们称其为热裂解反应，是吸热反应。因此在能量守恒方程中必须考虑化学反应热这一因素。所以原位电法加热技术的 能量守恒方程是受化学反应热影响的热传导方程7-9。能量守恒方程：dL dT d；QTdL dT 九+九+九d_dx _ddydz一z _xy=pc + WA（1 - x）m e-e/rt + Q（x, y, z） dt2)式中:久为油页岩的热传导系数,W/(mK);c为油页岩的比热,J/(kgK); p为油页岩的密度,kg/m3; W为化学反应热,J/kg; Q为源汇项,W/m3。3.3 边界条件：初始条件为TG y，z，0L T0(3)边界条件为T(x, y, z, t)= T(L er)(4、11(4)式中：T为油页岩内部初始温度,K; Ti油页岩边界上流体的温度,K; q为边界热流密 度,W/m2; h为边界换热系数,W/(m2 K);L为控制体的全部边界条件；r为第一类边界条件。4数值模拟及分析结果模拟80mX80mX150m的均质区域内油页岩开采过程，储层深度为100m,其中80mX80mX40m为基岩盖层，分上下两个部分。80mX80mX70m为油页岩储集层，其中AA、BBZ为加热井，CC、DD、为生产井如图3所示。图3均质地层温度为30C,加热器初始温度内油采模型区域岩层密度为2.5X 103kg m-3，比热容为2.0X103JkK热传导系数比热容为 1.2 X 103J kg-1 K-1，为2W-1导K-1，基岩的密度为2.7X 103kg m-3 , m1 K-1。计算区域为 80mX 80mXB150 m,为了更好地体现出经过长时间加热后、热裂解后及开采后期加热井与产油井互换后温度场的变化，对油母页岩层和基岩层采用了加密网格的措施，并且在模拟结束后截取地层 的纵向面BB、CC、作为演示面。加热两年后地层温度场如图4所示，图中加热井一侧的等温线呈弧线形均匀扩散，且由 内到外温度依次降低。因为页岩层导热系数较低所以加热的速度会比较缓慢，只有靠近加热 井的一部分页岩层温度达到了 350oC，此时会发生热裂解现象，产出页岩油和页岩气。加热 5年后，整个底层的温度都达到了 400oC以上时，随着加热温度逐渐升高至500oC时各等温线由左至右扩散幅度变大。图5是页岩层某点随时间变化的温度曲线，温度在350oC到500oC图 4 油页岩层在不同年份温度场分布图600时曲线的斜率变大，此时油页岩会有集中热裂解的现象产生，页岩油和页岩气产量也会变大。图 5 油页岩层随时间变化的温度曲线5 年后继续在加热井一侧提供热源会发现，温度升高变得缓慢。所以我们采用了加热井 与采油井交换加热的方法来解决上述问题。图5为加热4年后温度场分布图。加热井一侧出 现了热量大量向基岩层扩散的现象。而采油井一侧则因为温度没有达到集中热裂解的温度导 致有大部分页岩层没有产生热裂解现象。所以交换加热井和采油井的位置,进行加热开采至 第六年。图 6 为交换加热井与采油井位置后继续加热2 年后的温度场分布图。原采油井一侧 的温度升高幅度明显增大，油页岩层温度整体达到400oC。因为页岩层的导热系数要比基岩 层的大，基岩层在加热过程中也会起到一定的保温作用，减少了热量的损耗，从而提高了加 热效率并节省了加热时间和能耗。图 7为不进行加热井与采油井交换直接加热6年的温度场 分布图。产油井一侧的温度为300oC，只有继续加热油页岩层才会达到热解的温度。这样会 导致生产周期变长。图6加热4年温度场分布图 7交换位置加热 2 年后温度场分布图8 加热6年温度场分布3结论以及建议(1)当温度没有达到油页岩热解温度时，油页岩层的温度缓慢而均匀的升高，而当油 页岩开始热裂解时，油页岩升温的幅度逐渐变大，提高了电加热法的加热效率。(2)对比两种不同方式加热的温度场可知，采用交换加热井与生产井方式的热能波及 面积更大。所以在使用电加热法原位开采油页岩的过程中，当加热生产一段时间后可采用加 热井与生产井互换的措施，可有效提高加热效率以及页岩油与页岩气的产量。参考文献1 康志勤，赵阳升，杨栋. 利用原位电法加热技术开发油页岩的物理原理及数值分析 J. 石油学报，2008，29(4)：592-596.2 高书香,曹克广，陈殿义,等.油页岩的地下转化工艺J.承德石油高等专科学校学报,2007,9(2):1-4.3 李强.油页岩原位热裂解温度场数值模拟及实验研究D吉林大学,2012.4 刘德勋，王红岩,郑德温，等世界油页岩原位开采技术进展J.天然气工业，2009, 29 (5):128-132.5 孙可明，赵阳升，杨栋非均质热弹塑性损伤模型及其在油页岩地下开发热破裂分析中的应用岩石力学与工程学报J.2008,27(l):42-52.6 杨栋，薛晋霞,康志勤，等抚顺油页岩干馏渗透实验研究J.西安石油大学学报：自然科学版,2007,22(2):23-25.7 盛金昌.多孔介质流-固-热-三场全耦合数学模型及数值模拟J.岩石力学与工程学报,2006,25(1):3028-3033.8 孔祥言,李道伦,徐献芝，等.热-流-固耦合渗流的数学模型研究J.水动力学研究与进 展,2005,20(2):269-275.9 康凯，刘晓燕，刘扬，等.严寒地区土壤导温系数对土壤温度场的影响分析J.油气田地 面工程， 2010， 29( 3) : 9-10.