水平井電加熱油頁巖過程的數(shù)值模擬

施衛(wèi)平 鄭 歡 王冰清

（吉林大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，吉林長春 130012）

水平井電加熱油頁巖過程的數(shù)值模擬

施衛(wèi)平 鄭 歡 王冰清

（吉林大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，吉林長春 130012）

地下原位開采油頁巖是近年來發(fā)展起來的新方法。中國東北地區(qū)油頁巖層厚度一般小于10 m，可以采用水平井方式加熱油頁巖。設(shè)計(jì)了一種水平井電加熱方式，利用FLUENT軟件，結(jié)合自編的FORTRAN程序，數(shù)值模擬水平井和豎直井的電加熱過程，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；分析了油頁巖的平均溫度、產(chǎn)油量、熱損耗率隨加熱時(shí)間的變化過程，計(jì)算出加熱過程的耗電量。計(jì)算結(jié)果表明，采用水平井電加熱方法熱損耗比豎直井小，可以縮短生產(chǎn)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。

油頁巖；原位開采；水平井；電加熱

油頁巖是一種高灰分的固體可燃有機(jī)礦產(chǎn)，作為一種重要的非常規(guī)能源，它的開發(fā)利用得到越來越多的關(guān)注［1-2］。油頁巖在我國分布廣泛，22個(gè)省份均發(fā)現(xiàn)油頁巖藏［3］。現(xiàn)有的開采方式中，多采用地面干餾方法。這種方法具有高污染、高成本、低效率等特點(diǎn)［4］。人們開始嘗試地下原位干餾方法，即在地下原位加熱油頁巖，從而制取頁巖油［5］。油頁巖原位開采技術(shù)主要有3種加熱方式：電加熱、流體加熱和輻射加熱。電加熱方式主要有殼牌ICP（In-situ Conversion Process）技術(shù)、埃克森-美孚Electrofrac技術(shù)；流體加熱方式主要有EGL技術(shù)、雪弗龍技術(shù)、Petro Probe技術(shù)和IGE（In-situ Gas Extraction）技術(shù)；輻射加熱方式主要有Raytheon聯(lián)合輻射技術(shù)。其中，殼牌公司的ICP技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［6］。文獻(xiàn)［7］對(duì)多種美國油頁巖原位開采技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和對(duì)比。

很多學(xué)者對(duì)油頁巖原位開采過程進(jìn)行了研究。Y.Fan［8］用軟件GPRS（Stanford's General Purpose Research Simulator）模擬了電加熱過程。康志勤［9］等人利用有限元方法數(shù)值模擬原位電加熱的油頁巖溫度變化。

本文針對(duì)中國東北地區(qū)油頁巖厚度不大（小于10 m）的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種水平井電加熱方案。利用FLUENT軟件，結(jié)合自編的FORTRAN程序，數(shù)值模擬水平井電加熱過程。作為對(duì)比，也模擬了豎直井的電加熱過程。分析了油頁巖的平均溫度、產(chǎn)油量、熱損耗率隨時(shí)間的變化情況，計(jì)算出生產(chǎn)成本。

1　水平井電加熱方式

在全國油氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)中，已查明吉林省是我國油頁巖資源較豐富省份，油頁巖層單層厚度通常小于10 m［10］。外國有些礦區(qū)的單層油頁巖厚度超過100 m［6］。由于吉林省油頁巖厚度一般較薄，采用常用的豎直井加熱方式熱損耗較大。因?yàn)橛晚搸r僅吸收了部分的熱量，另一部分熱量被基巖所吸收。本文采用水平井方式加熱油頁巖，加熱棒水平放置在油頁巖層中，油頁巖可以吸收大部分的熱量，熱損耗較小。

針對(duì)吉林省扶余縣的勘探結(jié)果，設(shè)計(jì)施工方案。圖1為水平井加熱示意圖。在油頁巖層中間打水平井，加熱棒水平放置在油頁巖層中。

圖1　水平井加熱方式

圖2是電加熱過程數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域，為12×6×（50+8+50） m的長方體，分為3層，中間為8 m厚的油頁巖層，上、下層為50 m厚的基巖。國外的開采經(jīng)驗(yàn)表明［6］，加熱棒長度一般為幾十米，較長的加熱棒可以加熱較大范圍的油頁巖，從而獲得較高的油氣產(chǎn)量。國外的油頁巖單層厚度可以達(dá)到100多米，因此通常采用豎直井加熱即可。考慮到扶余縣的油頁巖單層厚度最大為8 m，故選擇水平井加熱方式。選擇較長的加熱棒可以提高油氣產(chǎn)量，但是作為一個(gè)示范工程，加熱棒不宜過長，否則試驗(yàn)成本太高。本文選擇加熱棒的長度為12 m。作為對(duì)比，也計(jì)算了豎直井加熱過程（圖2b），計(jì)算區(qū)域與圖2a基本相同。不同之處是，12 m長的加熱棒豎直放置在計(jì)算區(qū)域中間。

2　油頁巖電加熱過程數(shù)值模擬

電加熱開采過程的原理是利用電熱棒通電后，產(chǎn)生熱量，主要通過熱傳導(dǎo)方式加熱油頁巖。加熱過程中通過電器控制系統(tǒng)，使電熱棒的溫度保持恒溫，設(shè)定加熱棒溫度為700 ℃。

圖2　電加熱過程數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域

熱傳導(dǎo)方程

初始條件

邊界條件

式中，T為溫度，K；λ為巖石的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·K）；ρ為密度，kg/m3；C為比熱容，kJ/（kg·K）；S為由于輻射等過程產(chǎn)生的熱源項(xiàng)，kJ/（m3·s）；T0為巖石的初始溫度，K；Tw為邊界Γ1上的溫度，K；q為邊界Γ2處的熱流密度，kJ/（m2·s）；h為邊界Γ3的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

如圖2所示，長方體的6個(gè)面的邊界條件按如下方式設(shè)定：上、下2個(gè)面設(shè)為等溫邊界條件，即按式（3）分別給定。這是因?yàn)樯稀⑾旅孢h(yuǎn)離加熱棒，溫度基本不變。其他4個(gè)面按式（4）設(shè)定邊界條件，其中q=0。這是因?yàn)槿鐖D1所示，本文僅計(jì)算一口井周圍的溫度變化，考慮到對(duì)稱性，可以得到q=0的邊界條件。

本文采用計(jì)算軟件FLUENT數(shù)值模擬熱傳導(dǎo)過程。油頁巖和基巖的物性參數(shù)見表1［11］。

表1　油頁巖和基巖的物性參數(shù)

以吉林省扶余縣油頁巖礦為例設(shè)計(jì)加熱方案。勘探結(jié)果表明，油頁巖位于地下372~380 m處。當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁貫?.5 ℃，地溫梯度2.5 ℃/100 m，開始加熱前，設(shè)定圖2中計(jì)算區(qū)域上、下水平面，即322 m和430 m深處的溫度分別為12.55 ℃和15.25 ℃。

文獻(xiàn)［3］給出了油頁巖受熱分解，生成頁巖油的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將油頁巖在隔絕空氣的條件下加熱，使其分解生成頁巖油。圖3的曲線為頁巖油的產(chǎn)率P（分解出的頁巖油與總含油量的質(zhì)量比）和加熱溫度的關(guān)系。則出油量Q為

式中，α為油頁巖的含油率，%；V為油頁巖的體積，m3；ρ為密度，kg/m3；T為溫度， K。

圖3　油頁巖產(chǎn)油率與加熱溫度關(guān)系圖［3］

3　兩種加熱方式的對(duì)比

針對(duì)水平井和豎直井加熱方式，設(shè)定相同的加熱棒溫度等邊界條件，不同之處是加熱棒的放置位置。利用FLUENT軟件分別模擬這兩種加熱過程，編寫FORTRAN程序計(jì)算油頁巖質(zhì)量加權(quán)平均溫度、油頁巖出油量、熱損耗率等數(shù)據(jù)。

圖4是利用水平井加熱近5年的油頁巖中間層溫度云圖，圖形中間位置為水平放置的加熱棒。圖5是豎直井加熱過程溫度云圖的變化情況，圖形中間是豎直放置的加熱棒。圖6是兩種加熱方式的質(zhì)量加權(quán)平均溫度隨加熱時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果。可以看出，隨著加熱時(shí)間的增加，水平井方式的油頁巖平均溫度上升較快，加熱時(shí)間超過1 170 d以后，平均溫度超過450 ℃；按照?qǐng)D3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在此溫度下，產(chǎn)油率已超過90%；而豎直井將近1 630 d時(shí)平均溫度才能大于450 ℃。兩種加熱方式比較，加熱時(shí)間相差460 d。

圖7顯示了兩種加熱方式的頁巖油日產(chǎn)量與加熱時(shí)間的關(guān)系。頁巖油的產(chǎn)量按式（6）計(jì)算。圖中顯示，水平井加熱方式在加熱1~3.5年內(nèi)，頁巖油日產(chǎn)量較高（盛產(chǎn)期），3.5年后日產(chǎn)量快速下降；豎直井加熱方式，在加熱1.5~5.2年內(nèi)，日產(chǎn)量較高（盛產(chǎn)期），5.2年以后日產(chǎn)量快速下降。

圖4　水平井溫度云圖

圖5　豎直井溫度云圖

圖6　油頁巖質(zhì)量加權(quán)平均溫度與加熱時(shí)間關(guān)系曲線

圖7　頁巖油日產(chǎn)量與加熱時(shí)間關(guān)系曲線

定義熱損耗率為：（電熱棒提供的總熱量–油頁巖吸收的熱量）/（電熱棒提供的總熱量）。圖8為熱損耗率與出油率的關(guān)系曲線，可以看出，隨著加熱時(shí)間的增加，油頁巖和基巖的溫度增大，出油率也增大；同時(shí)，被基巖吸收的熱量也增加，導(dǎo)致熱損耗率的增大。兩種加熱方式對(duì)比，在大部分加熱時(shí)間內(nèi)，水平井的熱損耗率比豎直井約小10%。

圖8　熱損耗率與出油率關(guān)系曲線

通過計(jì)算電加熱過程的耗電量進(jìn)行電加熱過程成本分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)得扶余縣油頁巖的平均含油率為8%，設(shè)定加熱時(shí)間為1 260 d。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　電加熱過程耗電量

計(jì)算結(jié)果表明，水平井加熱生產(chǎn)1 t頁巖油耗電量為6 140 kW·h。此處的成本分析僅考慮加熱過程的電能消耗，沒有考慮其他過程的能源消耗。

4　結(jié)論

（1）我國油頁巖儲(chǔ)量豐富，分布廣泛，是十分重要的接替能源。我國已探明的油頁巖單層厚度通常不大，因此研究開采薄層油頁巖的技術(shù)有重要的實(shí)用價(jià)值。

（2）本文通過數(shù)值模擬，對(duì)比分析了水平井和豎直井兩種加熱方式的特點(diǎn)，結(jié)果顯示，水平井加熱方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)，適合用于薄層油頁巖的原位開采。這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)的豎直井方式比較，水平井中電熱棒水平放置，油頁巖層的接觸面積大，電熱棒釋放出的熱量大部分被油頁巖吸收，被基巖吸收的熱量較少，即熱量損耗小。

（3）模擬計(jì)算結(jié)果表明，使用水平井電加熱方式，油頁巖溫度升高速度快，出油率高，所需加熱時(shí)間少，生產(chǎn)時(shí)間短；與豎直井比較，熱損耗率低約10%，噸油耗電量也大幅降低。

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（修改稿收到日期 2014-08-13）

〔編輯 朱 偉〕

Numerical simulation of electric heating for oil shale in horizontal wells

SHI Weiping,ZHENG Huan,WANG Bingqing
（College of Mathematics,Jilin University,Changchun130012,China）

Underground in-situ exploiting of oil shale is a new method developed in recent years.The oil shale layer thickness in Northeast China is usually less than 10 m,so oil shale can be heated in horizontal wells.A method of electric heating in horizontal wells is developed.Using FLUENT software and in combination of self-developed FORTRAN program,the electric heating process was numerically simulated in horizontal well and vertical well,and the calculation results was compared.The change process of average temperature,oil production and thermal loss of oil shale with time was analyzed,and the power consumption during heating was calculated.The calculation result shows that the thermal loss of electric heating in horizontal well is less than that in vertical well,so this method can shorten the production time and reduce production cost.

oil shale;in-situ exploiting;horizontal well;electric heating;

施衛(wèi)平，鄭歡，王冰清.水平井電加熱油頁巖過程的數(shù)值模擬［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：80-83.

TE357

：A

1000–7393（2014） 05–0080–04

10.13639/j.odpt.2014.05.019

教育部國家潛在油氣資源產(chǎn)學(xué)研用合作創(chuàng)新項(xiàng)目“油頁巖勘探開采利用”（編號(hào)：OSR-03-05）。

施衛(wèi)平，1963年生。2001年獲吉林大學(xué)計(jì)算數(shù)學(xué)博士學(xué)位，主要從事能源化工問題仿真計(jì)算研究，教授，博士生導(dǎo)師。電話：0431-85168885。E-mail：shiwp@jlu.edu.cn。