薄層油頁巖電加熱原位改性溫度場數(shù)值模擬

韓連福， 李學(xué)鑫， 劉興斌

(1.東北石油大學(xué)物理與電子工程學(xué)院， 大慶 163318； 2.大慶油田有限責(zé)任公司人才開發(fā)院， 大慶 163300)

油頁巖是一種非常規(guī)油氣資源，它的開發(fā)可極大緩解中國油氣能源短缺問題[1]。中國已探明油頁巖儲(chǔ)量居世界第二位，目前油頁巖開發(fā)利用主要采用地表蒸餾技術(shù)，但地表蒸餾技術(shù)存在利用率低、污染環(huán)境等問題。原位開采技術(shù)可避免這些問題，故油頁巖原位開采技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。數(shù)值模擬是一種重要的油頁巖原位電加熱研究手段，采用數(shù)值模擬可減少現(xiàn)場試驗(yàn)帶來的周期長、資金花費(fèi)大等問題[2]，有利于現(xiàn)場試驗(yàn)方案優(yōu)化、油頁巖開采工藝流程的改善，現(xiàn)以桐柏盆地(32°15′N，113°30′E)油頁巖礦區(qū)為研究對象，該礦區(qū)大致賦存分布在拐溝-陳劉店以南，胡老莊以西，申鋪以東，該油頁巖礦區(qū)平均厚度在0～8 m，質(zhì)地均勻，含油率為5.63%，油頁巖總資源量在49.0×108t以上，預(yù)測頁巖油資源量在2.8×108t以上，具有較大的研究價(jià)值[3]。

近年來，中外眾多學(xué)者開展油頁巖原位開采數(shù)值模擬。余志遠(yuǎn)等[4]提出了一種流體加熱新思路，進(jìn)行水平井加入高溫過熱蒸汽加熱油頁巖儲(chǔ)層數(shù)值模擬分析，該方法加熱速度快、可操作性強(qiáng)；黃薇等[5]針對吉林省薄層油頁巖，進(jìn)行水平加熱、高壓工頻數(shù)值模擬，給薄層油頁巖開采提供了新方法；Wang等[6]依據(jù)殼牌公司現(xiàn)場試驗(yàn)，建立直井注蒸汽原位加熱油頁巖模型，認(rèn)為注入蒸汽速率越大干酪根熱解反應(yīng)越快；Yu等[7]提出了一種電磁加熱原位開采油頁巖技術(shù)，不僅可提升產(chǎn)物品質(zhì)而且安全環(huán)保；雷光倫等[8]建立邊長為100 m的立方體模型，獲得油頁巖熱傳導(dǎo)系數(shù)、彈性模量以及熱膨脹系數(shù)等物理參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律；荷蘭殼牌公司進(jìn)行電加熱原位轉(zhuǎn)化工藝(electric-insuit conversion process，E-ICP)實(shí)驗(yàn)，在平均厚度為286 m的油頁巖層中鉆了70～100口直徑為0.165 m的加熱井，為開發(fā)深層油頁巖提供新途徑，能在一定程度上緩解對常規(guī)能源的依賴[9]；高誠等[10]對油頁巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，獲得了原位開采油頁巖過程中形成的微孔對最終產(chǎn)物的影響規(guī)律。以上學(xué)者的研究推進(jìn)了油頁巖電加熱原位改性的發(fā)展，但是其研究對象均為厚層油頁巖，而中國存在很多薄層油頁巖礦藏，其電加熱改性的溫度場分布與厚層存在較大差異。在前人研究基礎(chǔ)上，現(xiàn)針對構(gòu)建薄層油頁巖模型，進(jìn)行薄層油頁巖電加熱原位改性溫度場數(shù)值模擬，解決中國薄層油頁巖原位開采面臨的難題。

1 薄層油頁巖原位開采模型構(gòu)建

1.1 薄層油頁巖三維幾何模型的建立

針對中國特殊地理特征及油頁巖形成條件，以埋藏深度在500 m以下、厚度僅4 m的超薄層油頁巖層為研究對象，利用ANSYS的DesignModeler模塊，建立薄層油頁巖三維幾何模型，如圖1所示。模型主要分類如下：中間是長和寬為50 m，厚為4 m共 10 000 m3的均勻油頁巖層，上下部分為長和寬為50 m，厚為25 m共6.25×104m3的巖石層，在油頁巖層中心打一個(gè)長度為25 m、直徑為1 m、傾角為2°的水平井，并在其中插入導(dǎo)熱棒。

圖1 薄層油頁巖三維幾何模型

1.2 薄層油頁巖傳熱模型

油頁巖原位電加熱是通過加熱導(dǎo)熱棒來提高油頁巖層溫度從而促使其原位分解，加熱棒產(chǎn)生的熱量遵循功率與熱量方程為[11]

Q=Pt

(1)

式(1)中：t為加熱時(shí)間；P為加熱棒功率；Q為加熱棒在加熱時(shí)間t后產(chǎn)生的熱量。

薄層油頁巖的加熱原理為存在溫度差的兩部分會(huì)通過熱運(yùn)動(dòng)和碰撞的方式進(jìn)行熱量傳遞，且熱傳導(dǎo)的兩個(gè)物體必須接觸。由傅里葉熱傳導(dǎo)定律可知，熱傳導(dǎo)方程遵循式(2)及邊界條件[式(3)][12]

(2)

T(x,y,z,t)=T(x,y,z,T′)

(3)

式中，λT為油頁巖熱傳導(dǎo)系數(shù)；t1、t2為加熱起始時(shí)間；x、y、z分別為坐標(biāo)軸3個(gè)不同方向；T′為油頁巖初始溫度；T為油頁巖加熱后溫度[13]。

1.3 薄層油頁巖溫度相關(guān)參數(shù)

薄層油頁巖原位開采時(shí)對加熱棒進(jìn)行持續(xù)加熱，油頁巖初始溫度為25 ℃，加熱棒為灰鑄鐵[14]，加熱功率為106W,油頁巖密度為1.95×103kg/m3，比熱為1.1×103J/(kg·K)。在原位電加熱開采中,趙帥等[15]把熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱介電常數(shù)當(dāng)做固定值進(jìn)行高壓工頻熱解扶余油頁巖的溫度場模擬；孫旭等[16]在井位討論中把熱傳導(dǎo)系數(shù)當(dāng)做固定值來計(jì)算；郭晉宇等[17]在水平井電加熱油頁巖過程的數(shù)值模擬中將熱傳導(dǎo)系數(shù)當(dāng)做固定值來計(jì)算；研究發(fā)現(xiàn)實(shí)際不同溫度下油頁巖熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱介電常數(shù)也不相同[18]。在厚層油頁巖原位開采中可忽略熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱介電常數(shù)隨溫度變化值，但改忽略在薄層油頁巖原位加熱中會(huì)帶來很大誤差，故需考慮該變化，研究礦區(qū)對象質(zhì)地均勻，在數(shù)值模擬過程中采用的熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱介電常數(shù)隨溫度變化關(guān)系如表1所示[19]。

表1 熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱介電常數(shù)隨溫度變化關(guān)系

2 薄層油頁巖原位電加熱數(shù)值模擬流程

薄層油頁巖原位電加熱數(shù)值模擬流程如圖2所示，利用ANSYS中的DesignModeler建立薄層油頁巖三維幾何模型，定義油頁巖這種新材料，將油頁巖的密度、導(dǎo)熱系數(shù)以及比熱容等參數(shù)賦予油頁巖[20]；再進(jìn)入瞬態(tài)熱分析(Transient Thermal)的 Mechanical 模塊，利用mesh對薄層油頁巖三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格質(zhì)量為0.8，網(wǎng)格數(shù)量為2 588 361，在Transient Thermal中進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對分析的初始條件進(jìn)行設(shè)定，定義初始溫度、添加熱源功率和對流換熱系數(shù)等；然后初始化運(yùn)行并計(jì)算仿真結(jié)果，最后在Solution中進(jìn)行溫度場以及熱通量等結(jié)果的分析。

圖2 薄層油頁巖原位電加熱數(shù)值模擬流程圖

3 薄層油頁巖原位電加熱數(shù)值模擬結(jié)果分析

薄層油頁巖溫度場分布如圖3所示，可以看出，薄層油頁巖溫度場擴(kuò)散范圍與有效加熱體積隨加熱時(shí)間增加而增大，油頁巖加熱溫度場分布大致呈橢圓形狀向外擴(kuò)散。薄層油頁巖溫度變化大致可分為：①快速升溫階段，該階段從加熱開始一直持續(xù)到第3年基本達(dá)到裂解飽和。薄層油頁巖平均溫度由初始25 ℃升溫到275.2 ℃，平均每年提升83.4 ℃；持續(xù)加熱3年后，薄層油頁巖有效加熱體積共約2 876 m3，平均每年增加958 m3；②緩慢升溫階段，該階段薄層油頁巖層平均溫度及有效加熱體積已趨于穩(wěn)定，從加熱第3年到第5年，薄層油頁巖平均溫度由275.2 ℃升至298.7 ℃，溫度年平均增長量為8～15 ℃。該階段結(jié)束時(shí)有效加熱體積約為3 215 m3，平均每年增加約200 m3，第5年的加熱僅使油頁巖有效加熱體積增加了4%。

圖3 薄層油頁巖加熱溫度場

薄層油頁巖升溫速率和有效加熱體積隨時(shí)間變化分別如圖4、圖5所示。

由圖4可知，加熱過程中薄層油頁巖整體溫度不斷升高，但升溫速率卻不斷降低，前3年平均溫度分別為112、216.6、275.2 ℃，平均升溫速率分別為112、104.6、58.6 ℃/年；第4年和第5年平均溫度分別為287.4、298.7 ℃，平均升溫速率為12.2、8.6 ℃/年，升溫速率曲線趨于恒定且速率很低。由圖5可知，前3年平均有效加熱體積為958.7 m3/年，第4年和第5年降至200 m3/年。由此可見薄層油頁巖的裂解過程主要發(fā)生在前3年，之后雖有增長，但是增長緩慢，繼續(xù)加熱經(jīng)濟(jì)效益不大。

圖4 升溫速率隨時(shí)間變化曲線

圖5 效加熱體積隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

針對中國特殊的薄層油頁巖結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件中瞬態(tài)熱分析模塊，建立薄層油頁巖原位電加熱模型，研究加熱5年內(nèi)薄層油頁巖中溫度場分布，得到如下結(jié)論。

(1)在持續(xù)加熱過程中，薄層油頁巖整體溫度不斷升高，但升溫速率卻在不斷降低。

(2)薄層油頁巖有效加熱體積在1～3年時(shí)增長最快，在加熱3年后溫度場基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)加熱，經(jīng)濟(jì)效益不大。

(3)薄層油頁巖電加熱原位改性技術(shù)，可以在較短時(shí)間范圍就有較大的裂解范圍，具有周期短、出油快等優(yōu)點(diǎn)。