摘要
地下原位转化是油页岩工业化开发的必然趋势,自生热法是实现油页岩地下原位转化的一种复合高效加热方法。为探究预热阶段不同高温载气对油页岩自生热原位转化效果的影响,以我国吉林扶余地区油页岩为例,分别在预热阶段注入氮气、空气、蒸汽、二氧化碳4种高温气体进行数值模拟分析,对比最终油气产量和能量回收率的差异。以预热阶段注高温氮气组作为对照组,结果表明注高温空气、蒸汽和二氧化碳完成开采所需时间分别降低22%、39%、12%,最大能量回收率分别提高55%、86%、23%,总油收量分别降低5%、提高18%和降低11%。从开采完成时间、能量回收率及总油收量角度来看,注蒸汽预热效果最佳。因此,综合对比可得,注蒸汽预热的自生热开采方法可有效增大油收量、降低开采所需时间、提高能量利用率。
我国油页岩资源量丰富,开发油页岩可缓解我国油气紧张问题。与传统油气资源相比,油页岩资源开发需借助人工加热等手段实现干酪根裂解成油气。目前,油页岩资源开发方式主要有2种:地面干馏和地下原位转化。地面干馏是指油页岩经露天开采或者井下开采运输至地面,在干馏炉中干馏热解,生成页岩油气。该技术具有投资低、建设快、产量大等优势,但是生产占地面积大、废弃物污染
近些年,国内外提出了10余种油页岩原位转化技术,包括壳牌ICP技术、雪佛龙公司原位裂解技术(CRUSH)和埃克森美孚电压裂技术
现有研究通常采用氮气作为预热气体,经过模拟研究发现不同种类的预热气体会对开采效果产生影响,预热注入氮气的各项结果并非最优。为探究预热阶段注入不同预热气体的开采效果,本文以我国吉林扶余地区油页岩为例,采用CMG-STARS模块建立了该地区油页岩原位开采数学模型,模拟油页岩原位自生热法开采过程,并在预热阶段分别注入高温氮气、空气、蒸汽、二氧化碳,对比注不同预热气体条件下油气产量及能量回收率,为自生热法油页岩原位开采技术规模化应用提供理论依据。
扶余—长春岭油页岩勘察区是松辽盆地油页岩发育的有利地带。该地区位于松辽盆地,结晶基底主要由绿片岩、片麻岩、花岗岩和花岗片麻岩组成,上覆有巨厚的中、新生代沉积岩。根据基底性质和盖层的区域地质特征,该地区探明的油页岩矿床资源储量为452.74亿t,折合油页岩18亿t,发现油页岩矿19层,模拟开采层段为477~488 m。试验区油页岩埋深及品位如
油页岩层 | 顶深/m | 底深/m | 厚度/m | 含油率 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
最高 | 最低 | 平均 | ||||
5 | 401.4 | 402 | 0.6 | / | / | 6.89 |
4 | 432 | 449 | 17 | 3.5 | 5.44 | 4.31 |
3 | 461 | 470 | 9 | 11.79 | 3.92 | 6.64 |
2 | 478 | 486 | 8 | 10.55 | 3.79 | 6.43 |
1 | 491 | 493 | 2 | 5.05 | 4.27 | 4.66 |
利用CMG-STAR

图1 原位注采井网分布及原理
Fig.1 In‑situ injection and extraction well network distribution and principle
根据

图2 注采模型水平图
Fig.2 Horizontal diagram of injection and mining model
在油页岩热解过程中,内部干酪根和其他有机组分的热解可以通过Braun和Burnham模型来描
拟组分 | 分子式 | 标况下相态 | 分子量 |
---|---|---|---|
干酪根 | CH1.45O0.04N0.02S0.01 | 固相 | 14.7 |
重油 | C27.17H56.34 | 液相 | 382.4 |
轻油 | C15.26H8.33 | 液相 | 215.7 |
烃类气 | C3.16H8.33 | 气相 | 46.3 |
预焦 | — | 固相 | 12.7 |
焦炭 | C | 固相 | 12 |
油页岩自生热原位转化主要发生10种反应,包括干酪根、半焦的热解,干酪根、半焦的氧化以及油气的氧化等(见
反应方式 | 化 学 式 | 频率因子/ | 活化能/(kJ·mo | 反应焓/(kJ·mo |
---|---|---|---|---|
干酪根的热解 | 1 KEROGEN→0.0071 HC GAS+0.0097 LO+0.0108 HO+0.6411 PRECHAR |
3.0×1 | 213.50 | -4.20 |
重油的热解 | 1 HO→1.503765 HC GAS+0.661282 LO+13.4175 PRECHAR |
1.0×1 | 226.09 | -46.50 |
轻油的热解 | 1 LO→3.2378 HC GAS+5.1822 PRECHAR |
5.0×1 | 226.09 | -46.50 |
半焦的热解 | 1 PRECHAR→0.01718 HC GAS+0.9902 CHAR |
1.0×1 | 226.09 | -46.50 |
半焦的氧化 | 1.1723 O2+1 PRECHAR→0.5750 WATER+0.78152 CO2+0.19538 CO |
6.02×1 | 133.91 | 454.84 |
轻油的氧化 | 1 LO+21.864 O2→16.26 WATER+12.208 CO2+3.052 CO |
2.61×1 | 72.68 | 7794.69 |
重油的氧化 | 1 HO+38.5359 O2→28.164 WATER+21.7368 CO2+5.4342 CO |
2.57×1 | 118.44 | 13735.40 |
碳氢化合物的氧化 | 1 HC GAS+4.9296 O2→4.164 WATER+2.5312 CO2+0.6328 CO |
2.61×1 | 72.68 | 1758.46 |
焦炭的氧化 | 0.9 O2+1 CHAR→0.8 CO2+0.2 CO |
6.02×1 | 133.91 | 315.80 |
干酪根的氧化 | 0.1052 O2+1 KEROGEN→1.4225 PRECHAR |
6.47×1 | 64.32 | 27.89 |
为了分析预热阶段注入不同气体的开采效果,模拟设置了4组对比实验,分别是预热注高温氮气、空气、蒸汽以及二氧化碳。氮气作为稳定的惰性气体,主要作为对照实验。
本研究中,生产井油页岩油收量降低至0.01
预热加热气体 载体类型 | 总油收量/ | 天然气总产量/ | 能量回收率 | 完成开采所需时间/d |
---|---|---|---|---|
预热注高温氮气 | 6.21 | 691.57 | 1.6 | 80 |
预热注高温空气 | 5.89 | 486.95 | 2.48 | 62 |
预热注高温蒸汽 | 7.31 | 472.65 | 2.97 | 49 |
预热注高温二氧化碳 | 5.55 | 660.58 | 1.96 | 70 |
油收量变化如

图3 总油收量随时间变化曲线
Fig.3 Curve of total oil production over time
蒸汽组在初期油收量升高较为缓慢,第20~35 d产油效率不如36~45 d高,是因为在生产前期,蒸汽注入地层后,热量从蒸汽传到地层,蒸汽气体液化,产生的水使地层流体渗透率降
预热注空气组加热效率较高,原因是由于空气中含有氧气成分,高温下氧气参与有机质的裂解,使反应更加剧烈,产油速率升
为探究注蒸汽油收量迅速升高的原因,选择反应时间为加热第36 d,观察地层各相流体此时的分布(

图4 地层油、气、水三相流体饱和分布
Fig.4 Saturation distribution of fluids in each phase of the formation
对比其他3组,从
天然气产量随时间变化曲线如

图5 天然气产量随时间变化曲线
Fig.5 Natural gas production curve over time
(1)氮气及二氧化碳属于惰性气体,作为预热气体加热油页岩不参与有机质的分解反应,不会对油气产量造成影响。因此,采用高温氮气和二氧化碳预热开采时天然气产量较高。空气中氧气成分会和半焦及部分油气产物发生氧化反应,导致空气组天然气产量较低。由于地层有机质含量确定,蒸汽组油收量较高,导致天然气生成量较低。
(2)同样温度的不同气体,蒸汽所蕴含热能更高,造成有机质裂解产生有机气体速度较快,产气效率较高。同时,由于空气中含有氧气成分,会氧化部分有机质发生放热反应,增加油页岩地层温度,加速有机质的裂
预热注蒸汽组0~35 d产气效率低于36~40 d产气效率,原因是前期蒸汽热量传递给地层后蒸汽液化成水,地层发生粘土膨胀,导致渗透率降低,影响天然气的生成与运
为分析预热阶段注不同气体的自生热反应在能量方面的效果,引入能量回收率对各组进行评
(1) |
式中:——天然气和石油的所有天数热功率的累计和,kJ/d;、——分别为大气压和气体注入压力,MPa;——气体体积流量,
石油与天然气的热值分别为40.0×1
4组模拟整体均为随油页岩层开采出油气,能量回收率先增加到峰值,而后地层有机物开采消耗殆尽,产出油气能量减少,而注入井源源不断注入气体产生能耗,能量回收率逐渐降低。随反应进行到200 d以后,4组能量回收率下降曲线几乎重合,是因为随着反应越往后进行,反应开始时注入不同气体阶段占总反应进程的比例越来越小,因反应刚开始注入不同气体产生的差异也越来越小。
根据上述公式,计算可得能量回收率随时间的变化曲线(

图6 能量回收率随时间变化曲线
Fig.6 Curve of energy recovery rate with time
为探究预热阶段不同高温载气对油页岩自生热原位转化效果的影响,以我国吉林扶余地区油页岩为例,分别在预热阶段注入氮气、空气、蒸汽、二氧化碳4种高温气体进行CMG数值模拟分析。结果表明:
(1)预热注蒸汽组总油收量最高,为7.31
(2)天然气产量最高的是预热注氮气组,达到了691.57
(3)综合对比可得,预热注蒸汽的自生热开采方法可有效增大油收量、缩短采集所需时长、提高能量利用率。
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