油頁巖原位開采數值模擬研究進展

高誠 蘇建政 王益維 孟祥龍 汪友平 張樂

中國石化石油勘探開發研究院

油頁巖又稱油母頁巖，是一種富含有機質干酪根的沉積巖。作為一種非常規資源，全球儲量非常豐富。據不完全統計，油頁巖蘊藏資源量約104 億t。如果將它折算成頁巖油，世界上的油頁巖儲量約為5500 億t，相當于目前世界天然原油探明可采儲量的5.4倍。中國已探明的油頁巖儲量為315 億t，居世界第4位，主要分布在遼寧、吉林、廣東等地［1］。我國常規油氣資源短缺，對外依存度較高。因此，開發油頁巖對于緩解我國石油供需矛盾、降低原油對外依存度、保障能源安全，具有重要戰略意義。

油頁巖原位加熱開采是目前油頁巖開采技術研究領域的熱點。原位開采過程的數值模擬研究，對于揭示原位開采機理、評價原位開采經濟效益和優化原位開采設計方案具有重要指導意義。研究對油頁巖原位開采數值模擬進展和現狀進行了總結，分析了數值模擬的核心問題、面臨的主要挑戰、取得的進展以及當前亟需解決的瓶頸問題，對于未來開展油頁巖原位開采相關技術研究，尤其是數值模擬具有一定的指導和參考意義。

1 油頁巖開發的主要技術方法

油頁巖開采長期以來采用挖掘開采、地面干餾的方法。此方法是將開采出來的油頁巖，經破碎篩分后，在油頁巖干餾爐中進行干餾生產頁巖油。這種傳統生產模式效率低、生產成本高，并且排出的氣體中含有毒物質、可吸入揚塵等，對周邊環境污染嚴重。另外，工業干餾爐產生的廢渣數量極大，不易回收利用。近年來被廣泛關注的油頁巖原位開采技術不需要挖掘油頁巖，而是在地下干餾后進行采油。這種方法具有占地少、污染小且可開采深層油頁巖的優點，有希望成為今后油頁巖開采的主流方式。我國在原位開采方面的研究相對落后，目前尚未取得關鍵性的技術突破，實現規模化的工業生產還有很大的技術發展空間［2-3］。

油頁巖原位開采的主要過程是利用電棒、高溫流體或火燒對油頁巖地層進行加熱，使其含有的有機質干酪根熱解釋放出油氣。原位開采過程涉及到熱傳遞、化學反應、孔滲變化、油氣滲流等多個物理化學過程之間的耦合，開采機理及油氣產出規律還處于探索研究階段。為了加深原位開采過程中一些系統規律的認識程度，亟需發展數值模擬手段對原位開采全過程進行有效模擬，探索原位加熱對地層溫度分布、油氣滲流空間變化、油氣滲流規律、產能效率的影響，對提升油頁巖的開采效率，解決油頁巖原位開采中的關鍵技術問題，具有重要的指導意義。數值模擬研究的核心問題在于考慮油頁巖內干酪根熱解化學反應動力學模型，對儲層多重孔隙結構介質內高溫高壓條件下傳熱、流動、相變、應力、化學反應過程進行數學描述，并進一步離散偏微分方程組進行數值求解，在此基礎上對各生產工況進行模擬、分析和評價。

2 研究進展

2.1 油頁巖熱解反應模型構建

在數值模擬中對油頁巖熱解化學反應進行數學描述，需要首先獲得熱解反應方程式，以及根據阿累尼烏斯定律計算化學反應速率所需的指前因子和反應活化能。熱解反應動力學參數是動力學研究的關鍵內容之一，目前主要是根據熱解實驗數據的分析，采用等轉化率方法回歸得到動力學參數，采用不同的動力學模型得到的動力學參數也不盡相同。獲取原位開采條件下的反應動力學參數，是油頁巖原位開采數值模擬的難點之一。Burnham等人基于實驗測得的美國綠河油頁巖熱解的平均反應式，考慮水的相變、巖石無機鹽的分解及重烴裂解為輕烴的反應，利用化學活化能實驗數據，按照一級反應速率方程對油頁巖熱解失重曲線進行了數值模擬，并研究了 H2、CH4等主要氣體的產氣速率［4］。Braun 等人在此基礎上進一步考慮了油氣相變，引入氣體狀態方程來計算氣體壓強，對實驗得到的涉及83種反應物質的一系列平均化學反應方程式按照動力學一級反應速率方程式進行了數值模擬，得到了油頁巖失重曲線及其產油產氣變化［5］。秦匡宗等利用核磁共振分析儀測定了撫順油頁巖熱解過程中油母質不同類型的結構碳的變化，并據此對油母質熱解成烴機理進行了分析，發現油母質中的脂碳尤其是亞甲基碳是生油的主要母質，而芳碳主要在熱解后期發生縮合反應，對成烴貢獻很小，產油階段結束后殘留脂碳則轉化為甲烷或芳碳［6］。苗真勇等利用半焦紅外分析對大慶油頁巖熱解的反應類型進行了分析，發現溫度較低時以解聚和分解反應為主，600 ℃以上則發生縮聚反應和礦物質的裂解；此外，他們還依據一級反應動力學模型對反應活化能進行了計算，發現升溫速率對活化能影響不明顯，而轉化率增加則使活化能呈增大趨勢［7］。Al-Ayed等將活化能視為油頁巖轉化率的函數，按一級反應動力學模型模擬了以色列油頁巖樣品在升溫過程中的熱重變化，并與實驗測得的熱重曲線進行了對比，發現兩者大體一致［8］。王擎等利用TG-FTIR分析儀對甘肅油頁巖在不同升溫速率下進行了熱解實驗，得到油頁巖分解熱重曲線，并利用紅外光譜對實驗升溫過程中主要氣體組分CH4、CO、CO2和頁巖油的產量進行了測定；隨后，按化學動力學一級反應計算出熱解反應的活化能和官能團質量分數，并利用FG-DVC模型模擬了氣體的生成過程和產量，與實驗符合得較好［9］。李術元等人也按此方法對撫順和茂名油頁巖的反應活化能進行了計算［10］。Syed也根據熱重分析按一級反應計算了阿聯酋油頁巖的活化能，同樣發現熱解的升溫速率對活化能沒有明顯影響［11］?？偟膩碚f，目前油頁巖熱解反應動力學相關的實驗研究數據總量較多，但由于不同地區樣品性質、實驗手段、動力學近似模型不盡相同，得到的動力學參數也有所差別。

綜上，現有對油頁巖熱解反應的研究以實驗為主，總結出了油頁巖熱解過程一些主要的平均反應方程式，并探究了升溫速率、頁巖粒徑等對產物的影響；同時基于實驗數據，利用反應熱力學對少數重要油氣產物的產出過程進行了簡單的數值模擬。原位加熱開采條件下，需要考慮高溫高壓、緩慢升溫以及地層含水等因素的重要影響，目前仍沒有能夠滿足原位開采條件的動力學實驗數據。對于熱解反應機理的研究仍處于起步階段，尚不能得出油頁巖內干酪根生油生烴具體化學反應過程的數學描述。

2.2 電加熱油頁巖的數值模擬

電加熱開采方式以荷蘭殼牌公司的ICP開采技術為代表。該技術目前已經成功應用于大規?，F場先導試驗，技術、經濟可行性得到了驗證。與此同時，相關的數值模擬研究也得以廣泛開展，能夠對巖體與油氣的傳熱、油氣相變等因素進行綜合考慮，并對油氣產出速率和代表性產物產量等生產過程中的重要指標進行預估。Fan等人對油頁巖電加熱開采的數值模擬研究中，引入了油頁巖熱解的5個代表性化學反應方程式，選取了干酪根、重油、輕油、有機裂解氣及CO2作為整個熱解過程的代表物質，并考慮裂解產物在油氣兩相中的相變和流體黏度變化，利用質量、能量守恒方程組與反應速率方程，在孔隙度等物理參數恒定情況下對含電加熱井和產氣井的三維油頁巖熱采區域進行了數值模擬，運用牛頓迭代法求解出加熱區的溫度場、頁巖產油產氣速率及加熱效率的變化情況，發現原位開采周期較長，并進一步比較了加熱井溫度、布井模式對溫度場及產氣速率的影響［12］。該模型的不足之處在于采用了恒定的地層導熱系數、儲層孔隙度和滲透率，因此不能考慮加熱過程中地層孔滲變化帶來的影響，并且忽略了地層含水的影響。

李強基于巖體的熱傳導方程，考慮了油頁巖熱傳導系數隨溫度的變化，模擬了殼牌ICP技術對油頁巖層電加熱的情形（外設冷凍墻，并布設采油井和加熱井），并用有限差分方法求解了加熱過程中溫度場的變化情況［13］。但是該模型假定巖體達到預設的熱解溫度時有機質瞬間完全熱解，忽略了地層與油氣之間的傳熱和油氣的相變過程。王健也用類似方法進行模擬，比較了不同布井模式和加熱溫度對產氣效率的影響，發現六井模式效率最高［14］。施衛平等人基于吉林油頁巖層分布面積廣而巖層厚度薄的特點，用相同的數值模型探究了利用水平井加熱油頁巖的開采方式，發現其相較于傳統的豎直井加熱效率有所提高［15］。楊棟、高孝巧、王樂等也采用類似的簡化模型進行了研究，得到了原位開采過程中溫度場的動態變化情況［16］?？抵厩诘仍谇叭搜芯康幕A上，增加考慮了油頁巖熱解化學反應放熱的影響，模擬了殼牌I CP技術的加熱情況，利用有限元方法對油頁巖的溫度場變化和油氣產量進行了數值模擬，與殼牌公司部分公開指標大致符合［17］。

總的來說，針對殼牌電加熱ICP技術的油頁巖熱采數模研究數量較多，但模型各有側重，尚不能將該過程中的核心問題完全考慮，因此對于揭示原位開采機理和準確預測油氣產出規律還有一定難度。殼牌公司基于CMG-STARS發展了一套數模技術，對其電加熱現場試驗進行了詳細的模擬分析，但相關結果屬于商業秘密并未公開。

2.3 流體加熱油頁巖的數值模擬

流體加熱油頁巖原位開采過程相比電加熱原位開采更加復雜，如圖1所示。對其進行數值模擬需要在電加熱原位開采模型的基礎上增加考慮加熱流體的相變、傳熱及其對壓強場、溫度場和儲層裂縫系統的影響等。Youtsos等人在對油頁巖進行注熱CO2原位開采的數值模擬中，引入了油頁巖熱解過程中的5個主要化學反應，考慮了干酪根及其分解產生的重油、輕油、焦炭和氣體（處理為混合物）等組分［18］。同時，該模型還考慮了油氣兩相的相變及孔隙度、滲透率等物理參數隨溫度的變化，建立了流場控制方程組，結合達西定律和氣體狀態方程，對油頁巖熱解的溫度場、熱解速率及氣體產量等進行了數值模擬。但是該模型忽略了流體內部的溫度差異，并且不能考慮流體注入過程中裂縫系統的影響。王維考慮油頁巖上層巖層的地應力、地層的構造應力，計算水力壓裂巖層后裂隙的擴展規律并與實驗結果進行了比較，發現二者基本一致［19］。薛晉霞考慮了利用水力壓裂巖層后向水平裂縫中注入水蒸氣的加熱方法，假設巖體達到預設的熱解溫度時有機質瞬間完全熱解，且忽略了生成油氣的傳熱，僅考慮巖體的熱傳導方程，在巖體無變形的情況下模擬了加熱過程中巖層溫度場的變化［20］。王健針對壓裂巖層后利用水平裂縫進行蒸汽加熱的方法進行了研究，在考慮巖體熱傳導方程和水蒸氣對流傳熱的情形下，模擬了二維巖層溫度場的變化，探究了裂縫位置對加熱效果的影響。Sun等人利用巖體應力應變及平衡方程、幾何方程及滲流場方程，模擬利用水力壓裂油頁巖的應力場、孔隙壓力及裂紋擴展規律［21］。裴寶琳忽略流體加熱時裂解氣的傳熱影響，利用流體和巖層的傳熱方程和巖體在孔隙壓力下的變形方程，并考慮巖層孔隙度的變化，對布設采油井和注氣井的對流加熱油頁巖方式進行了溫度場數值模擬，并比較了注氣溫度和壓力對開采效率的影響［22］?？抵厩诤屠顒P則考慮熱解氣傳熱及頁巖、流體的物理性質隨溫度的變化，加入水和水蒸氣的相變因素，利用流體傳熱和巖體溫度場方程、熱應力引起的巖石變形方程，模擬了熱-固-流耦合下含采油井和注熱井的油頁巖三維溫度場、滲流場及巖石應力場變化［23］。將水和水蒸氣處理為均一混合物，李凱還模擬了流固耦合下利用水力壓裂巖層的巖體損傷和裂紋擴展情況。但是這些模型不能考慮有機質熱解化學反應過程及其對頁巖孔滲變化帶來的影響，因此難以準確描述和揭示流體加熱原位開采過程中的有機質熱解規律和油氣產出規律。

3 討論與思考

油頁巖作為石油的一種良好替代能源，而原位開采由于具有成本低、污染少、占地小的優勢勢必成為今后開采的主流方式。在原位開采現有的2種主要開采方式中，電加熱技術相對成熟并已進行了現場試驗；而流體加熱效率較電加熱更高，但進行數值模擬和實際開采的難度也相應較大，目前尚沒有發展出較完備的數值模擬軟件。

圖1 流體加熱油頁巖原位開采物理過程Fig. 1 Physical process of fluid heating oil shale in-situ production

在對油頁巖熱解反應的實驗研究方面，現有的對油頁巖熱解產物及物理性質變化的實驗數據已經相對全面，但對其熱解化學反應的機理研究則有很大欠缺，遠不能滿足原位開采進行全過程數值模擬的需求。此外，現有的熱解實驗絕大部分為單一的油頁巖熱解，而實際生產中油頁巖常與煤層、礦物和其他巖層共生，開采和數值模擬時也需要考慮到其他巖層礦物傳熱、裂解等因素對油頁巖的影響。同時，油頁巖的熱解實驗數據隨產區的不同而有很大差異，在對特定油頁巖產區進行數值模擬時實際可用的實驗數據仍然缺乏，大部分數值模擬中并未考慮油頁巖體的物理性質變化或許也與此有關。值得注意的是，現有的熱解實驗條件大多無法完全模擬地下巖層高溫高壓的環境，很少能真實反映油頁巖實際熱解中溫度場、壓力場的變化。因此，如何對現有實驗方案進行改進以更加準確地模擬地下高壓環境和測定油頁巖的各物性和動力學參數、如何總結分析出熱解機理及其發生的各化學反應將是目前面對的2個重要難題。由于油頁巖本身組分的復雜性和有機反應的不確定性，預計對油頁巖熱解機理的研究在短時間內難以取得突破性的進展，因而改進現有實驗模擬方法、采用通過實驗得到的諸如滲透率隨溫度、壓強的變化關系等一些經驗公式來彌補反應機理研究的不足、提高數值模擬的精度，將是一個重要的研究思路。

在對油頁巖原位開采的數值模擬研究方面，電加熱和高溫流體加熱為目前研究的2個主要方向。但相較于對熱解反應的研究，進展均較緩慢，可供分析的文章也較少。其中，電加熱原位開采的數值模擬技術在國際上相對成熟，一些方法能夠綜合考慮加熱中發生的典型化學反應、裂解中的油氣與巖體的傳熱和油、氣相相變，并對一些較具體產物（如輕油、重油）的生成進行分析，但未考慮到溫度、壓力變化對滲透率等物性參數的影響，選取化學反應所考慮的組分也不全面。國內在電加熱模擬方面的研究與國外尚有一定差距，目前的研究均沒有考慮油氣兩相的相變和化學反應的放熱影響，自然也無法對具體產物的生成進行分析。在流體加熱方面，典型的數值模擬方法將產生氣體處理為混合物，對相變的計算并不完全符合實際情況；同時和電加熱情形類似，在流體加熱中考慮的化學反應模型簡單，無法對具體的油氣產物進行分析。而我國現有的流體加熱研究均未考慮加熱過程中發生的化學反應及其影響，僅有少部分研究考慮了油氣兩相的相變，一些物性參數的變化也未納入考慮。

綜上所述，對油頁巖原位開采數值模擬的研究，無論電加熱還是流體加熱的方式均存在著較大欠缺。在電加熱方面，今后可以基于現有工作，將各物性參數隨溫度、壓力的變化納入考慮，同時完善計算中的化學反應模型，以便能對一些主要產物進行分析；在流體加熱方面，需要對加熱過程中水、油、氣相間的相變過程進行進一步的模擬，并更全面地考慮所涉及的化學反應。同時，在油頁巖原位開采中涉及的其他一些較關鍵的技術過程，如利用水力壓裂巖層，加熱井、生產井的布設及其對溫度場的影響等問題的研究還很少，預計在得到了較全面的加熱數學模型后將成為下一階段的研究重點。

4 結論

（1）開展深入全面的油頁巖原位開采數值模擬研究，有利于揭示原位開采機理、指導設計開采方案、預測油氣產出規律，具有重要的實際意義。

（2）獲得可靠的油頁巖熱解化學反應動力學機理，及其在原位開采條件下的動力學參數對于開展準確的數值模擬研究至關重要，目前相關研究結果尚不能滿足需求。

（3）電加熱原位開采數值模擬技術相對成熟，流體加熱由于其過程更加復雜，現有模型有待完善。未來可側重考慮原位開采過程中油氣水的相變計算及孔隙度、滲透率等地層參數的動態變化模型等。