富油煤原位熱解對流加熱過程傳熱規律數值模擬

毛崎森,王長安,侯育杰,陳美靜,寧 星,鄧 磊,車得福

(西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室,陜西 西安 710049)

0 引 言

雙碳目標是我國為應對氣候變化作出的重大戰略部署,且是我國基本國策[1]。煤可大致分為3種類型:焦油產率低于7%的為含油煤、焦油產率在7%～12%的為富油煤、焦油產率超12%的為高油煤。富油煤是集煤、油、氣屬性于一體的煤基油氣資源[2]。研究表明,1 t富焦油煤熱解可產生約10%的焦油和500 m3的可燃氣體[3-4]。低階煤的常規熱解利用具有一定通用性[5-6]。其中,地面熱解-氣化一體化和熱解-化工-發電一體化是常用技術[7-8]。然而,傳統的煤炭利用向大氣釋放大量CO2、CH4、CO、汞、硫、氮氧化物、有機化合物和顆粒污染物(如煤灰、粉塵)[9],危害環境。

原位熱解技術包括ICP電加熱技術、注蒸汽原位熱解技術、局部自燃加熱技術等[10],然而這些技術目前未實現商業應用[11]。最值得關注的是原位對流加熱技術,油頁巖原位對流熱解技術是段康廉等[12]提出的一種注入高溫水蒸氣采油的技術。對流加熱具有效率高、油氣產品易產出、裂解氣可循環利用等優勢[13]。在該技術路線下,開展了許多與油頁巖原位熱解試驗研究。師慶民等[14]認為在原位熱解過程中油氣產出可能面臨流體遷移約束與滯留問題。ZHAO等[15]關注了油頁巖原位熱解過程中的巖層受力狀況,頁巖中油氣的排出壓力需低于上覆層的破裂壓力,保持產出油氣的密閉。YANG等[16]數值模擬分析表明,油頁巖注蒸汽原位加熱過程類似在地下就地建造大型干餾爐。

以往研究常采用Fluent軟件獲得溫度場的模擬結果。趙帥等[17]采用熱-流耦合非穩態模擬,分析流體對油頁巖地層熱量的傳導主要沿裂隙方向進行。姜鵬飛等[18]關注了U型井注氣加熱原位裂解,進行了Fluent數值模擬,認為U型井有助于提升加熱速率。HAN等[19]發現中國東北地區的陸相油頁巖需加熱6～8 a才能達90%以上的轉化率。其他注氣介質中使用加熱的CO2或N2進行改進[20-21]。JIANG等[22]研究發現最佳注氮氣流量為30 m3/h,能量利用率可達62.7%。

現有數值模擬研究雖然關注溫度場變化,但大多局限于二維數值模擬結果,且對裂縫的考慮較少,尤其是裂縫形狀和流量配置不均勻的問題。筆者側重研究三維全尺度下的原位熱解過程中的地下煤層傳熱特性,并考慮了包括裂縫分布等因素對溫度場分布的影響。通過煤層溫度場云圖變化直觀展示注熱介質、介質溫度、流體流速、裂縫分布等因素對煤層溫度場的影響,定量評價不同因素對富油煤熱解過程熱能傳導與利用的影響,對提升富油煤加熱過程中熱能利用效率及在大規模原位熱解應用提供參考。

1 建模和方法

1.1 幾何模型

采用Fluent軟件進行熱-流耦合非穩態模擬是獲得煤層傳熱特性高效、便捷的模式。實際原位熱解過程中存在地下煤層加熱尺度相差大、時間長和溫度分布不均勻等問題,首先簡化加熱模型有助于數值計算過程中主要影響因素的確定,獲得溫度場及傳熱特性從而提出改進策略。此外,將煤層中的壓裂裂縫簡化為薄層,從而使流體連續流動。以往研究中,井距通常設置為10 m數量級[23-26]。加熱速率隨井距的縮短而增大[27]。單井加熱下的不同裂縫數目幾何模型如圖1所示,煤層尺寸為10 m×10 m×10 m,加熱/生產井尺寸為0.3 m×0.3 m,裂縫厚度為0.03 m,橙色為加熱井,綠色為生產井,藍色區域為裂縫。

圖1 單井加熱模式下的幾何模型Fig.1 Geometric model in single well heating mode

為提升煤層熱解前的升溫速率,需制造更多裂縫以提高加熱效率,構建了3條裂縫幾何模型,如圖2(a)所示,以定量對比單一裂縫和多條裂縫的影響。實際過程中還存在多條裂縫之間流量分配不均勻問題,為探究流量不均勻對整體傳熱規律的影響,設置2條裂縫間存在貫通縱裂縫的流體通道模型如圖2(b)所示。

圖2 多條裂縫注熱的幾何模型Fig.2 Geometric model of heat injection in multiple cracks

1.2 網格系統及無關性驗證

在ICEM中對幾何模型進行結構化網格劃分。網格系統如圖3所示,對局部網格加密,以節約計算資源并保障網格質量。網格的無關性驗證如圖4所示,在模擬選取的網格數量范圍內,生產井的出口溫度變化微小。考慮到結果的可靠性和計算資源的有限性,最終選取網格數目為805萬。

圖3 網格系統Fig.3 Grid system

圖4 網格無關性驗證Fig.4 Grid independence verification

1.3 物理模型與邊界條件設置

Fluent軟件中對原位熱解加熱模型的物理模型設定及邊界條件的選取見表1,由于加熱地塊中的加熱井與生產井周期性布置,因此內部區域可稱為對稱區域。根據傳熱學原理中對稱即絕熱的原則,可設定煤層周圍的壁面為絕熱邊界條件。流體域熱量通過裂縫以對流方式向固體域傳輸,固體域則通過內部導熱的方式進行傳熱。加熱過程中煤層的孔隙率、導熱系數、比熱容等參數隨溫度及時間變化[28],將這些參數設定為恒定值。數值模擬運算時的工況選取情況見表2,基準工況設定加熱介質為水蒸氣、流速10 m/s、加熱介質溫度600 ℃,1條裂縫,不同的布井方式下加熱流體流量相等,不同裂縫數量下保證裂縫總容積相等。在實際調試參數過程中,選取不同加熱介質時,無法保證控制所有變量,這是由于不同加熱介質具有不同比熱容。設定不同溫度時,不同加熱介質的加熱功率各異;而設定加熱功率一致時,加熱介質應具有不同初始溫度。本研究考慮加熱介質溫度作為變量進行模擬。

表1 數值模擬中的研究模型和邊界條件Table 1 Research model and boundary conditions in numerical simulation

表2 數值模擬研究工況Table 2 Numerical simulation research conditions

1.4 能量利用評價指標

單井單裂縫加熱模式下3 a后的煤層溫度分布截面云圖如圖5所示。加熱流體從生產井注入后,流體在裂縫中流動擴展,但無法實現均勻分布。在圖5(a)截面中存在一個較大的繞流區域,這是由于加熱井與煤層裂縫間存在90°轉角,較大的轉角必然形成鈍體繞流現象。這部分流體在繞流后向Z軸正方向、負方向以及X軸正方向形成3股主流流動,而與3股主流垂直方向的流速較低。由于煤層裂縫厚度小,相應的擾動也較少,初始階段3股主流獨立發展不匯聚,直到X>5 m時才逐漸匯聚而形成混合流動,因此在流體截面內形成一個較大低溫區域,這部分低溫區域造成煤層整體加熱效果減弱。實際運行過程中應考慮改善加熱井與煤層裂縫連接處結構從而實現流體熱量傳輸的高效性。由于加熱井和生產井與外界存在熱量交換,導致煤層上部的升溫速率較下部更高(圖5(b)),該情況有利于提升整體加熱速率,這是由于加熱井與外部存在的換熱擴大了傳熱面積,減少了非穩態傳熱時間。然而,由于上下部加熱不均勻,導致煤層上部已完全熱解時煤層下部還無法實現完全熱解,制約了加熱速率的提升。因此煤層與加熱井及生產井之間存在熱量傳遞的過程,可考慮適度設置預裂裂縫的位置偏向于煤層中下部,而不是在煤層中間的位置進行預裂。圖5(c)展示了煤層從加熱井到生產井范圍內的溫度場分布,該圖是在熱量傳導方向上的溫度場觀測,可以發現煤層整體溫度呈現中間低,兩側高的趨勢,沿X=5 m的中軸線上呈接近對稱的溫度場分布。生產井區域較高的溫度保證了熱解產物流出過程中油氣不冷凝的穩定生產。

圖5 單井單裂縫加熱模式下3 a后的煤層溫度分布截面云圖Fig.5 Cross section cloud diagram of coal seam temperature distribution three years later under single well and single fracture heating mode

分析發現煤層中的溫度分布不均勻,且隨時間變化。為衡量富油煤煤層加熱過程中的熱量利用情況,應設定合理的時間和空間范圍。富油煤的熱解過程主要發生在450 ℃以上[29],將煤層中溫度升至 450 ℃以上開始熱解出油的區域劃定為有效加熱區域。有效加熱區域如圖6所示,通過對比可知,生產/加熱井與煤層間的換熱導致煤層的升溫變快、有效加熱范圍提升。而未考慮加熱/生產井與煤層換熱情況下,煤層有效加熱區域中存在2個空洞,這是由流體低溫區域導致的傳熱速率減慢造成。平均溫度定義為整個煤層的溫度平均值,可反映加熱介質熱能被煤層吸收利用的部分,同時有效反映熱能利用效率。

2 結果與討論

2.1 加熱介質種類對煤層溫度場及傳熱規律的影響

不同加熱介質加熱3 a后的煤層平均溫度見表3,可知CO2加熱煤層后的煤層平均溫度相較其余2種加熱介質更高。

不同介質對應溫度區域占比如圖7所示,相同加熱參數、不同介質加熱后的剖面溫度場分布如圖8所示,可知CO2在煤層升溫速度和熱能利用效率上較其他2種加熱介質更高效,CO2加熱下平均溫度相較N2加熱時高16 ℃,有效加熱區域范圍增加5%。結合圖8(b)～8(c)可知,圖8(b)中加熱介質為CO2時,裂縫中的介質低溫區形狀與其余2種介質的低溫區形狀不同,其原因在于CO2的熱容量比水蒸氣和N2更大,在流體通道內溫度下降較小,水蒸氣在裂縫通道內流動過程中降溫更多,從而減少加熱介質與煤層之間的換熱溫差,從而導致溫度煤層整體平均溫度低,有效加熱區域占比也低;此外,CO2的黏度高于其余二者,較高的黏度有利于裂縫中的介質分布更均勻,減少繞流區域范圍,低溫區的減少也使加熱速率同步提高。

圖7 不同加熱介質對應溫度區域占比Fig.7 Proportion of temperature area corresponding to different media

圖8 相同加熱參數的不同介質加熱后的剖面溫度場分布Fig.8 Profile temperature field distribution of different media with the same heating parameters after heating

2.2 加熱介質流速對煤層溫度場及傳熱規律的影響

提升流量有助于提高對流換熱系數,因此探究不同加熱流體流量對整體傳熱規律的影響,不同介質流速下的有效加熱區域占比如圖9所示,不同介質流速下的剖面溫度場分布如圖10所示,將流速從5 m/s提升至20 m/s,有效加熱區域的占比提升微小,圖9中的2條曲線斜率接近0,超450 ℃的有效加熱范圍不足25%。導熱熱阻Rd=d/λA(d為傳熱路徑長度,λ為導熱系數,A為傳熱面積),對流熱阻Rl=1/hA(h為對流傳熱系數),由于預裂裂縫的存在,熱解前沿傾向于集中在預裂裂縫兩側[16],熱流量通過液固交界面向固體的煤層區域傳遞,最終受限于煤層導熱系數,熱阻主要集中在煤層導熱一側,而非流體對流傳熱一側。能量被傳導消耗,這是加熱緩慢的根本原因[30]。單一裂縫的情況下,改變流速對加熱效率的提升較小,為保證在一定時間內達到預期加熱范圍,必須添加裂縫數目。

圖9 不同加熱介質流速下的有效加熱區域占比Fig.9 Proportion of effective heating area at different heating medium flow rates

圖10 不同加熱介質流速下的剖面溫度場分布Fig.10 Profile temperature field distribution at different heating medium flow rates

2.3 流體溫度對煤層溫度場及傳熱規律的影響

圖11為不同流體溫度加熱下的剖面溫度場分布,對比不同加熱介質溫度下的溫度分布可知其流動狀態幾乎不隨溫度升高而發生較大改變。圖11(d)中低溫繞流范圍較圖11(a)～11(c)低溫繞流區更小的原因是加熱介質的溫度提高,熱流傳遞提升,從而低溫區域面積減少。圖12、13分別為不同加熱流體溫度的有效加熱區域占比及其對應的煤層平均溫度。隨溫度加熱流體溫度升高,整個煤層的有效加熱區域和煤層的溫度隨之近似線性升高,每增加50 ℃,有效區域提高8%～9%,煤層平均溫度提高29 ℃。但在工程運用中加熱介質難以超700 ℃,流體溫度不可能無限制升高。當加熱介質溫度為700 ℃時,加熱3 a后煤層的有效加熱區域不足40%,該加熱速率很難滿足實際應用需求,因此在單條裂縫的條件下,無論是提高溫度、流速或改變加熱介質,其改善效果有限。由于單條裂縫的結構限制了加熱速率提升,提高流速、溫度等方法只能改善而不能根本解決加熱速率慢問題,因此必須考慮多條裂縫加熱。

圖11 不同加熱介質溫度下的剖面溫度場分布Fig.11 Profile temperature field distribution at different heating medium temperatures

圖12 不同加熱介質溫度下的有效加熱區域占比Fig.12 Proportion of effective heating regions at different heating medium temperatures

圖13 不同加熱介質溫度下對應的煤層平均溫度Fig.13 Average temperature of coal seams corresponding to different heating medium temperatures

2.4 裂縫布置對加熱效率及溫度場均勻性的影響

為了進一步提升加熱效率,探究3條裂縫與1條裂縫之間的溫度場分布不同,單一裂縫與3條裂縫加熱模式下3 a后的煤層溫度分布截面云圖對比如圖14所示。2種工況下的流體注入流量相同,這意味著流體加熱功率相同,但是圖14(b)中溫度遠遠高于圖14(a),這是由于多條裂縫對加熱速率的提升所導致。圖14(d)中3條裂縫在3 a加熱時間后,裂縫中的流體均實現了穩定的溫度分布,3條裂縫溫度都已達穩態,均為600 ℃,不存在低溫區。煤層中裂縫數目增多,意味著流體與煤層之間的換熱面積增加。根據傳熱學中的熱阻原理,增大了接觸面積,提高了傳熱熱流量,也可視作2個煤層裂縫之間的加熱距離縮短,減少了加熱距離,從而減少熱阻。

圖14 單一裂縫與3條裂縫加熱模式下3 a后的煤層溫度分布截面云圖對比Fig.14 Comparison of cross section cloud images of coal seam temperature distribution after three years under the heating mode of single crack and three cracks

單井3條裂縫加熱模式下有效區域及平均溫度隨時間變化如圖15所示,加熱有效區域隨時間的變化幾乎線性增長,體現了3條裂縫加熱模式下的加熱速率高的特點,且在2 a內,已將全部煤層區域加熱到有效溫度范圍。WANG等[31]模擬中也得到了裂縫數目增加的結論。此外,對比圖15(a)中5和10 m/s介質流速的有效加熱范圍,發現介質流速升高時可提高煤層升溫速率。這種情況與單條裂縫加熱條件下有極大差異,單條裂縫的工況下,提高流速也很難提高加熱速率與煤層平均溫度,這是由于在單條裂縫的流體對流換熱條件下,阻礙整體換熱速率的是煤層導熱,而非流體與固體壁面的對流換熱。但在3條裂縫同時加熱煤層的情況下,煤層的導熱距離縮短,單位時間內更多熱流量在煤層內部傳導,這就要求更多熱流量通過流固交界面進入煤層,對流換熱熱阻不可忽視,提高了介質流速,有助于提高對流換熱系數;提高流速可減少加熱井和生產井的進出口溫度下降,進出口焓差更小,從而保證流體介質在滲流通道內始終有較高的流動溫度,增加與煤層之間的溫差Δt。在換熱系數和溫差上,提高流速具有明顯作用。此外,煤層平均溫度隨時間增加,上升斜率逐漸減小,這是由于介質與煤層溫度差的逐漸減小引起,然而有效加熱區域隨時間的變化并不完全與平均溫度的提升同步,在1.5～2.0 a有效加熱區域提升了25%以上,而1.0～1.5 a時對應的增量為16%,因此有效加熱區域增長斜率并不隨時間的增加而單調遞減。

圖15 單井3條裂縫加熱模式下有效區域及平均溫度隨時間的變化Fig.15 Variation of effective area and average temperature over time under heating mode of three fractures in a single well

裂縫流量不均勻的條件下煤層溫度場分布情況如圖16所示,由于實際流動過程中多條裂縫之間的流量分布不均勻,因此在橫向裂縫的基礎上添加縱向裂縫,縱向裂縫對不同裂縫層之間流量偏差具有調節作用,削弱了流量高的區域,并將加熱流體向流量低的區域輸運,這個流量調節作用極大改善了不同深度煤層之間的溫度差異。

圖16 裂縫流量不均勻的條件下煤層溫度場分布Fig.16 Temperature field distribution of coal seam under the condition of uneven fracture flow

3 結 論

1)提升流速或改變加熱介質的種類難以大幅改善煤層傳熱特性,有效區域占比難以提升至25%以上,煤層平均溫度均低于380 ℃。提高流速或選取不同的加熱介質能在一定程度上提高煤層加熱速率以及有效加熱區域,但提升幅度較有限,有效區域占比提升不足5%。

2)提升加熱介質的溫度可使煤層有效加熱區域與煤層平均溫度呈線性上升的趨勢,每提升加熱介質溫度50 ℃,可提高的有效加熱區域8%,提升的煤層平均溫度29 ℃。

3)添加裂縫數目可顯著提升煤層升溫速率,在單一加熱井3條裂縫的加熱條件下,加熱速率較單井模式下大幅提高,可在2 a內將整個煤層的溫度提升至100%有效加熱范圍,且隨流速的提升還可進一步縮短加熱時間。

4)多條橫裂縫中流體分布不均勻的情況可通過添加縱裂縫的方式改善。

致謝:本文研究立題得到了邱愛慈院士和王雙明院士的指點和啟發,在此表示由衷的感謝。