油页岩自生热原位转化高效优化调控研究
作者单位：吉林大学
学位级别：硕士
导师姓名：郭威
授予年度：2024年
学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程]
摘 要：能源是人类文明进步的基础和动力,木材、煤炭、石油、电力、风能、核能等等,每一次能源变革,都导致社会的巨变。我国油气资源相对短缺,与国内对一次能源的旺盛需求相矛盾。油页岩可以通过低温干馏产生油页岩油,我国丰富的油页岩资源是缓解国内油气供给压力的发展方向之一。但油页岩开采难度相对较大,原位转化可以避免破坏环境,实现深层开采等特点,决定了原位转化是未来油页岩商业化开采的必经之路。 油页岩自生热原位转化是利用可控反应热加热地层的一种开发工艺,为进一步提高该技术的能量回报率,本文通过室内高温高压实验模拟油页岩原位转化过程,分析了不同原位转化参数对能量回报率的影响,并建立了一套自生热原位转化的数值模拟方法,探讨了实际地层开采过程中原位转化参数的影响规律,针对低含油率地层提出了注入气体中加入天然气来提高能量回报率的工艺。 本文的主要研究如下: （1）在模拟原位条件下,开展了油页岩自生热原位转化模拟实验,分析了注入气体氧含量与热解压力两个关键技术对自生热原位转化的作用机理,论证了自生热原位转化过程中不同物性的关联性,揭示了开采过程中自解堵规律。 油页岩自生热原位转化过程中,注入气体的氧含量是自生热反应剧烈程度的决定因素之一,能够对自生热反应锋面是否可以平缓推进,储层内部是否发生堵塞产生影响。注入气体的氧含量是决定油页岩自生热原位转化能否成功的关键技术参数,油页岩自生热原位转化开采过程中,适当提高热解压力可以提高气体的波及区域,降低开采过程中储层彻底堵死的风险,但对提高油收率具有负面影响。油页岩自生热原位转化具有明显自解堵的现象,岩石样品进出口压力差与温度的相互作用,导致了气体驱油能力增加与地层产油淤积量减少,这是油页岩自生热原位转化中实现自解堵的根本原因。 （2）建立油页岩自生热与对流加热原位转化数值模拟模型,该模型考虑了干酪根热解、高温氧化和低温氧化。通过油和O2分布、固体有机组分的演化,分析了自生热原位转化的机理,研究了开采过程中预热温度、氧含量和注入气体流量对油收率和能量回报率的影响。 油页岩自生热原位转化过程中,地层可分为五个特征区域:残留区、自生热区、热解区、预热区和原始区。在开采时,五个特征区都保持移动,形成了自生热反应锋面平缓前进的现象,保证了油气和高温气体的连续产出。自生热原位开发的化学能回报率和热能回报率都远超对流加热,但由于油气在裂缝中氧化消耗,自生热原位转化的油产量远低于对流加热。预热温度存在临界值425℃,低于425℃自生热反应难以触发,几乎没有产油。预热温度等于高于425℃时,自生热反应成功触发,油收率与能量回报率随着温度的升高略有下降。氧含量确定的情况下,自生热反应触发存在一个注入流量临界值。氧含量越高,注入流量临界值越低。氧含量和气体注入流量决定了有机质氧化放热强度和对流加热效率。采用异速方程可以描述氧含量和气体注入流量的比值与能量回报率之间的关系。 （3）提出了一种适用于低含油率油页岩开采的自生热原位转化优化方案。在注入气体中混入一定比例的天然气,期望对低含油率油页岩触发自生热反应具有辅助作用。运用数值模拟方法研究了不同含油率油页岩开采效果,通过分析油气产量、能量回报率、地层温度和物性演化云图,得到了天然气对不同含油率油页岩自生热原位转化的影响机制,发现预期效果良好,并可以提高中高含油率油页岩自生热原位开采的能量回报率。 向低含油率油页岩地层辅助注入少量天然气,可将不适用于自生热原位转化的地层成功开采。从能量回报率和油气产量角度考虑,注入空气中天然气体含量并不是越高越好,存在最优值。油页岩自生热原位开采能量变化过程是:开采前期化学能产出是导致能量回报率上升的主导因素,开采后期压缩能注入迅速增加是影响能量回报率下降的主要因素,当化学能产出与压缩能注入达到平衡时,能量回报率到达最高值。天然气可以在产油阶段大幅降低压缩能投入量,进而降低整体能量回报率。 通过对油页岩自生热原位转化过程的研究,更加深入的了解了不同原位转化参数对开采过程的作用机理,实现了油页岩自生热原位转化的高效优化,并为进一步提高能量回报率与地层适用性提出了注天然气的新思路。
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