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油页岩原位热解数值模拟研究

油页岩原位热解数值模拟研究

作者：刘帅西安石油大学

学位级别：硕士

原位热解是深层油页岩开采的重要方法,由于加热范围等的限制,无法大规模开采,目前多以实验研究为主。为了揭示原位热解过程中热解、流动、岩石形变等多重作用的协同关系,增强地面可控性,促进矿藏大规模开发试验,进行油页岩原位热解数值... 详细信息

原位热解是深层油页岩开采的重要方法,由于加热范围等的限制,无法大规模开采,目前多以实验研究为主。为了揭示原位热解过程中热解、流动、岩石形变等多重作用的协同关系,增强地面可控性,促进矿藏大规模开发试验,进行油页岩原位热解数值模拟研究具有十分重要的意义。本文首先分析了油页岩热解过程涉及到的多物理-化学场,选择合适的数学模型和参数进行数值模拟研究;然后建立二维热-流-化三场耦合模型,对温度、压力及热解产物进行分析,划分了油页岩的热解过程,探究了油页岩的热解机理,并分析了不同加热温度对油相、气相产量和产物速率的影响;最后加入固体力学场,建立了考虑孔、渗变化的热-流-固-化四场耦合模型,重点研究了热解过程中温度场、压力场、孔隙度、渗透率和应力应变场的变化规律,以及地层深度对油页岩热解开采的作用,形成了多场耦合理论基础。研究结果表明:在油页岩热解过程中主体反应不是一直不变的,由干酪根热解反应逐渐向油相热解转变;根据主体热解反应以及产物平均浓度,将油页岩热解过程划分为干酪根热解、干酪根及油相热解、油相热解、轻油热解四个阶段,其中干酪根热解阶段产油量最高;油页岩热解过程中,所有热解产物的迁移首先以扩散为主,随后逐渐向对流转变;在同一加热温度下,初始温度、压力越高,油相和烃类气体产量越大;热解过程中产气速率远高于产油速率,两者相差3倍左右;油页岩开采的储层结构变化主要受化学反应、流体渗流和传热共同影响;热解过程中岩石的总应变以热应变为主。研究成果进一步完善了油页岩原位热解开采理论,为矿场工程实践提供了依据。

关键词：油页岩原位热解数值模拟多场耦合机理研究

油页岩无水、近/超临界水热解孔裂隙结构演化与渗透、力学响应

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油页岩无水、近/超临界水热解孔裂隙结构演化与渗透、力学响应

作者：韩贺旭太原理工大学

学位级别：硕士

油页岩作为石油的非常规油气替代品,对保障我国石油储备安全具有十分重要的意义。对油页岩进行地下原位开采是目前实现其大规模工业开发的唯一可行技术方案。对于埋深超1000m的油页岩原位开采来说,选择何种高效加热方式是关键的技术环... 详细信息

油页岩作为石油的非常规油气替代品,对保障我国石油储备安全具有十分重要的意义。对油页岩进行地下原位开采是目前实现其大规模工业开发的唯一可行技术方案。对于埋深超1000m的油页岩原位开采来说,选择何种高效加热方式是关键的技术环节。近/超临界水作为一种具有特殊物理和化学性质的流体,在进行油页岩热解时,可以提升油气的产率,提升油气质量,这就为原位近/超临界水热解油页岩提供了可能性。本文采用对比研究的方法,将辽宁抚顺油页岩作样品分为两组,分别进行无水传导加热和近/超临界水对流加热。然后,采用CT扫描技术、压汞仪、电子显微镜、渗透率测试系统和单轴压力机对热解后的试件进行实验,对比研究无水、近/超临界水热解油页岩的孔裂隙结构演化规律及渗透、力学响应特性。主要研究结论如下:(1)近/超临界水热解油页岩失重特征:近临界水300℃时,油页岩热解失重较低,与无水热解并无太大差异,均在2%左右;随着温度的升高,近/超临界水热解油页岩失重明显高于无水热解,在超临界水450℃时失重达到最高12.30%。表明近/超临界水更利于油页岩中有机质的热解,挥发性油气物质产出更多。(2)通过CT扫描对比无水、近/超临界水热解油页岩切片发现:无水300℃时,油页岩依然非常致密,没有可见裂隙,裂隙宽度处于3μm～10μm之间;升温至360℃时,油页岩内部出现了少量裂隙,裂隙宽度基本处于7μm～14μm之间;继续升温到450℃,油页岩内部产生明显的贯穿式裂隙,裂隙间相互交叉,裂隙宽度上升到14μm～30μm之间。不同于无水热解,在近临界水300℃,裂隙宽度已经达到10μm～50μm之间。到达超临界水450℃,出现贯穿式裂隙,裂隙宽度提升到10μm～150μm之间。说明超临界水具备更强的渗透性、传热性、溶解性和携带性,使油页岩在超临界水热解时产生了更多、且更为复杂的裂隙及孔隙结构;(3)压汞实验结果表明:无水热解,300℃时,与常温相比,中孔和小孔比例下降,微孔比例升高了11.68%,平均孔喉半径下降了近2倍;360℃时,中孔和小孔比例相比300℃,分别增长了13.73%和22.25%,导致平均孔喉半径提升了近6倍;450℃时,孔体积分布继续变宽,>50 nm的孔体积增大,造成中孔和大孔体积升高,平均孔喉半径一直增大,孔隙连通性增强。相比无水热解,近临界水300℃,150 nm的大孔含量也明显增加;超临界水450℃,孔径分布继续拓宽,孔体积峰值增加至135nm附近,平均孔喉半径增大至42.04nm,50 nm的孔体积升高,说明450℃超临界水促使部分孔径较小的孔隙连通成较大的孔裂隙;(4)通过电子显微镜扫描结果表明:近临界水300℃,油页岩内长石或石英等脆性矿物内部在近临界水压作用下发生粒内穿层破裂;近临界水促进了有机质的焦炭化反应,有机质转变为大小不等的微米级角砾,颗粒间形成角砾孔。同时,增大了部分有机组分的生烃反应,有机孔隙比例增多。近临界水的参与增强了粘土矿物伊利石化的转变速率,同时在弱酸性环境下促使高岭石转变为伊蒙混层;超临界450℃,形成似熔融态的纳米球粒集合体,促进了碳酸盐矿物的溶解和分解,提升了高岭石的伊利石化和伊蒙混层化,增强了黄铁矿的高温分解等地球化学反应,造成有机孔隙、溶蚀孔、粘土层间孔隙、层间微裂隙的数量显著增多;(5)通过渗透率测试结果表明:近/超临界水热解时,在不同地应力及孔隙压力条件下,油页岩的渗透率均呈线性升高过程,近临界水300℃最低,在100×10m附近;超临界SCW-450最高,达到了200×10m～700×10m之间的高渗区域。分析认为:近/超临界水具有特殊的物理、化学性质,可以降低油页岩的热解温度,加快热解速度,并且高温高压水渗入油页岩内最为薄弱的原生层理面,同时携带热量进入,使本来闭合的层理面产生由不均匀热膨胀而形成的大量平行于层理方向的裂隙结构,共同促进了油页岩内部各级别裂隙的快速发展。(6)通过岩石压力机压缩破坏结果表明:近/超临界水热解油页岩的抗压强度显著小于无水热解,说明近/超临界水的参与明显加快了“干酪根”的热解,冲击了油页岩的颗粒组成,使得油页岩在更低温度情况下出现了“离层现象”,破坏油页岩的完整性,大幅度降低其抗压强度,且造成了油页岩变形量的增加,同时使得近/超临界水热解时的弹性模量小于无水热解。

关键词：油页岩原位注热开采近/超临界水孔裂隙孔径渗透性渗流特征力学特性

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层理角度影响下油页岩优势冲击破碎角度研究

金属矿山 2023年第9期 54-62页

作者：甘泽李富平杨曦甘德清华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 河北省矿业开发与安全技术实验室河北唐山063210

油页岩包含大量层理结构,层理角度的变化会造成破碎形式与破碎粒度的较大差异。为明确层理角度影响下油页岩破碎形式与粒度特征,确定油页岩优势破碎角度,开展油页岩破碎筛分、含油率测定、电镜扫描分析和数值模拟研究。研究结果表明:3~1... 详细信息

油页岩包含大量层理结构,层理角度的变化会造成破碎形式与破碎粒度的较大差异。为明确层理角度影响下油页岩破碎形式与粒度特征,确定油页岩优势破碎角度,开展油页岩破碎筛分、含油率测定、电镜扫描分析和数值模拟研究。研究结果表明:3~1 mm粒径范围的油页岩颗粒含油率高,是油页岩颗粒破碎的优势粒径范围。油页岩破碎形式受层理结构影响,不同层理角度下,其破碎形式可以分为5种,即穿层劈裂破坏、穿层剪切破坏、劈裂穿层破坏、剪切破坏和劈裂型的剪切张拉破坏。70°、80°和90°层理角度下,破碎后油页岩的粒度较小,优势粒径颗粒含量均达到40%以上。其中80°层理角度优势粒径颗粒含量最高,90°层理角度油页岩颗粒均匀性更好。可以认为油页岩的优势冲击破碎角度为80°~90°。油页岩破碎后的粒度分布函数本质上是对其破碎颗粒分形分布的描述,在此基础上以Weibull分布函数模型对其破碎粒度进行定量描述,结果较为准确。

关键词：油页岩层理角度破碎形式粒度特征优势破碎角度

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油页岩原位热解多场耦合数值模拟研究

油页岩原位热解多场耦合数值模拟研究

作者：张文大连理工大学

学位级别：硕士

保障能源安全是我国重大需求,油页岩作为一种潜力巨大的非常规能源受到广泛的关注。但是目前油页岩的传统开采具有水平较低、能源浪费、环境污染等问题,而油页岩原位热解技术具有用水量少、能源利用效率高、污染小等优点,因此开展油页... 详细信息

保障能源安全是我国重大需求,油页岩作为一种潜力巨大的非常规能源受到广泛的关注。但是目前油页岩的传统开采具有水平较低、能源浪费、环境污染等问题,而油页岩原位热解技术具有用水量少、能源利用效率高、污染小等优点,因此开展油页岩原位热解特性研究具有十分重要的理论和实际意义。本文针对油页岩原位电加热开采涉及到的物理场进行理论分析、选择,然后利用COMSOL仿真软件将多物理场进行耦合,从而模拟油页岩的原位热解过程。并且考虑了热-水力-化学-相场多场耦合、热-水力-力学-化学多场耦合的热解过程,分别建立了THC模型和THMC模型,从而进行开采特性研究。主要分析结果如下:在THC多场耦合模型中,恒温673.15K的加热条件下,25天、50天、75天、100天的加热距离分别为81cm、110cm、135cm、154cm。各时间点下的峰值压力分别41.5MPa、39.36MPa、32.6MPa、28.2MPa。升温速率随着时间推移逐渐降低,加热距离随着时间增加而变大。不同的加热条件对于油气生产具有很大影响。通过选取合适的加热温度有效地控制产油量和产气量:在473.15K以上加热条件下,产油速率在初始阶段波动较大;加热5天后产气速率和产油速率趋于稳定,且产气速率远远高于产油速率,两者相差三个数量级。在673.15K恒温加热条件下,加热面积的增长速度和升温速率均随时间增加而降低,第800天时反应面积为56.95m,反应半径为8.52m。因此将加热井距控制在10m之内能够有效减少开采周期。在THMC多场耦合模型中,随着加热时间的推移,温度和压力的分布趋势具有较高的同步性。在孔隙率0.05、恒温873.15K、饱和度0.14的初始条件下,第90天的温度传播距离为433.5cm,压力传播距离为374.6cm。主体的化学反应对于压力场的分布影响较为明显,适当的控制加热条件以及温度场的分布有助于控制化学反应的进程。压力峰值主要集中在加热井井口的覆层交汇处,且随时间推移而降低,从第300天时332.26MPa的降至第600天时的292.73MPa。这说明在原位开采过程中压力聚集效应小于流场扩散效应,同时两者差距随时间推移而变小。应力应变和压力分布也具有较高的同步性,在第600天时压力传递距离和应变传递距离分别为385cm和401.8cm,应变和压力主要沿着平行地层的方向传播,因此油气向覆层方向的泄漏风险不大。地层的不同深度对于油气的热解和扩散具有显著的影响,随着地层深度的增加,干酪根的消耗速率相差不大;气相产物的分布范围随时间推移而扩大,气相产物和液相产物的峰值浓度均随地层深度增加呈现先增加后降低的趋势。地层中的液相产物分布范围先于气相产物。

关键词：油页岩原位热解多场耦合数值模拟

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油页岩半焦燃烧特性试验研究

煤炭学报 2016年第10期41卷 2473-2478页

作者：李晓栋樊保国金燕杨海瑞太原理工大学电气与动力工程学院山西太原030024 清华大学热能工程系北京100084

利用管式炉对来自桦甸、龙口和依兰的油页岩进行450～600℃干馏处理,并运用热重分析仪（TGA）在30℃/min的升温速率条件下对油页岩半焦进行测试,考察了干馏温度、干馏时间和油页岩产地对油页岩半焦的组成、发热量和燃烧性能的影响,并计... 详细信息

利用管式炉对来自桦甸、龙口和依兰的油页岩进行450～600℃干馏处理,并运用热重分析仪（TGA）在30℃/min的升温速率条件下对油页岩半焦进行测试,考察了干馏温度、干馏时间和油页岩产地对油页岩半焦的组成、发热量和燃烧性能的影响,并计算了各样品的燃烧特性指数。结果表明：干馏前后发热量不一定会产生明显降低,依兰半焦的发热量与油页岩相比基本不变。干馏温度越高,半焦挥发分明显降低,停留时间对半焦成分和燃烧特性的影响也越小。随着干馏程度的升高,着火温度Ti增大,燃烧性能变差,燃尽温度基本不变。样品重量一般在350℃左右开始明显减小,在500℃左右质量变化速率逐渐减小,在700℃再次产生明显失重。从页岩油的产率和半焦的燃烧特性角度综合考虑,过长的干馏时间经济性变差。

关键词：油页岩半焦燃烧特性指数热重实验

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油页岩气体热载体干馏过程模拟

化工学报 2012年第2期63卷 612-617页

作者：王擎张凡志刘洪鹏王志奉孙凯东北电力大学能源与动力工程学院吉林吉林132012 中国石油天然气华东勘察设计研究院吉林分院吉林吉林132021 吉林成大弘晟能源有限公司吉林桦甸132400

引言油页岩是一种具有无机矿物质的骨架,并含有固体有机质的沉积岩,是固体化石燃料[1]。中国油页岩查明资源量315×108 t,预测资源量4520×108 t,位列美国、巴西、前苏联之后,居第四位;

关键词：油页岩干馏模拟

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高温蒸汽作用后油页岩变角剪切特性规律研究

太原理工大学学报 2023年

作者：曹京哲杨栋康志勤冯利鸿太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室太原理工大学矿业工程学院

在注蒸汽原位开采油页岩的过程中，油页岩的抗剪强度对注采井筒和采场的稳定性至关重要，同时岩体的抗剪强度又受温度的影响而变化。为了研究不同温度下和不同剪切角度下油页岩剪切特性的变化规律，利用蒸汽发生装置对油页岩进行加热，... 详细信息

在注蒸汽原位开采油页岩的过程中，油页岩的抗剪强度对注采井筒和采场的稳定性至关重要，同时岩体的抗剪强度又受温度的影响而变化。为了研究不同温度下和不同剪切角度下油页岩剪切特性的变化规律，利用蒸汽发生装置对油页岩进行加热，实验中蒸汽温度分别设置为100 ℃，200 ℃，300 ℃，400 ℃和500 ℃；对蒸汽作用后的油页岩进行变角剪切实验，剪切角度分别为45°，55°和65°。根据实验结果，计算得到油页岩的变角剪切参数和峰值剪切应变，同时对不同蒸汽作用后油页岩的剪切破坏特征进行分析。研究结果表明：1）蒸汽温度小于300 ℃时，油页岩脆性破坏特征明显，当温度达到400 ℃和500 ℃时，油页岩延性破坏特征明显；2)油页岩的内聚力随着蒸汽温度的升高先增大后减小；内摩擦角随着蒸汽温度的升高先减小后增大；抗剪强度随着剪切角度增大而减小；3）油页岩的峰值剪切应变随着蒸汽温度升高而增大，且剪切角的高角度变化对油页岩峰值剪切应变影响显著；4）油页岩的剪切破坏形式随着蒸汽温度的升高由贯穿破坏向组合破坏转变，且次生裂纹增多。

关键词：岩石力学油页岩蒸汽变角剪切剪切参数破坏特征

基于近红外光谱的油页岩含油特性检测方法研究

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基于近红外光谱的油页岩含油特性检测方法研究

作者：李泉伦黑龙江八一农垦大学

学位级别：硕士

总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)含量和含油率是评价油页岩质量的重要指标,基于物理化学实验的油页岩检测过程复杂繁琐,技术要求高,无法满足生产过程快速检测的要求。近红外光谱技术具有检测速度快、无需破坏样品、不需要化学试剂... 详细信息

总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)含量和含油率是评价油页岩质量的重要指标,基于物理化学实验的油页岩检测过程复杂繁琐,技术要求高,无法满足生产过程快速检测的要求。近红外光谱技术具有检测速度快、无需破坏样品、不需要化学试剂、操作简便等优点。本文以松辽盆地某区块所采集的230个岩芯样本为研究对象,使用近红外光谱分析技术对油页岩总有机碳含量和含油率进行检测,探讨单一模型和集成学习模型对油页岩含量预测精度的影响,分别建立了油页岩总有机碳和含油率近红外光谱检测模型。具体研究工作如下。(1)建立油页岩总有机碳含量检测模型。利用蒙特卡洛法剔除异常样本,使用去趋势结合基线校正方法进行预处理。分别采用连续投影算法(Successive Projections Algorithm,SPA)、无信息变量消除(Uninformative Variable Elimination,UVE)算法以及竞争性自适应重加权(Competitive Adaptive Reweighted Sampling,CARS)算法选取特征波长。建立偏最小二乘(Partial Least Squares,PLS)模型、支持向量机(Support Vector Machine,SVM)模型和随机森林(Random Forest,RF)模型对油页岩总有机碳含量进行预测。研究结果表明,非线性的RF和SVM模型效果要优于线性模型PLS,这是因为油页岩样本中的碳存在于各类烃中,而不同类别含烃基团的吸收峰之间相互影响,使得油页岩总有机碳含量和近红外光谱数据之间存在着复杂的非线性关系。相比于其他模型,CARS-SVM模型测试集的R和RMSEP表现出的结果较好,分别为0.9066和0.2220。由此可见,近红外光谱分析技术应用于油页岩TOC含量快速检测是可行的,建立的CARS-SVM模型能够表现出较好的检测效果。(2)建立油页岩含油率检测模型。为了克服单一模型预测精度很难进一步提高的不足,利用近红外光谱分析技术结合基于Stacking框架的异构集成学习模型来实现对油页岩含油率快速检测。对剔除异常样本的数据集,为了消除光谱数据中噪声和基线漂移的影响,采用去趋势与基线校正相结合的方法进行预处理,并按照3:1的比例将样本随机划分为训练集和预测集。使用随机森林算法进行波长重要性排序并保留重要波长,在此基础上采用CARS算法对重要波长点进行特征波长提取,降低数据维度。构建以PLS、SVM、RF、梯度提升树(Gradient Boosting Decison Tree,GBDT)为初级学习器,PLS回归模型为次级学习器的Stacking集成学习模型。研究结果表明,RF-CARS方法能够有效筛选重要波长;与单一模型(SVM、PLS)和同构集成学习模型(RF、GBDT)相比,基于Stacking的异构集成学习模型有更好的预测效果,模型预测集的决定系数R为0.9174,RMSEP为0.6601。基于Stacking的异构集成学习模型能够结合多个初级学习器的优势,从而提高含油率检测模型的性能。

关键词：油页岩近红外光谱总有机碳含油率检测模型

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油页岩粉尘层着火的理论模型与实验研究

东北大学学报（自然科学版） 2016年第12期37卷 1768-1771页

作者：杨红霞李刚苑春苗于立富东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819

为了解油页岩粉尘着火爆炸危险性,利用化学反应动力学、传热学以及Thomas热自燃理论,建立了稳态条件下粉尘层着火的不对称理论模型.利用热板测试装置测试了我国4大产地油页岩粉尘层的最低着火温度,结果介于503-613 K,最低着火温度随粉... 详细信息

为了解油页岩粉尘着火爆炸危险性,利用化学反应动力学、传热学以及Thomas热自燃理论,建立了稳态条件下粉尘层着火的不对称理论模型.利用热板测试装置测试了我国4大产地油页岩粉尘层的最低着火温度,结果介于503-613 K,最低着火温度随粉尘层厚度的增加而降低,不同产地油页岩粉尘着火温度高低依次为：抚顺〉桦甸〉龙口〉茂名,与油页岩挥发分含量成反相关.利用测试结果确定了油页岩粉尘层燃烧动力学参数值,代入不对称着火理论模型,计算得到相应厚度粉尘层的临界着火温度,和实验结果对比,误差在10%以内,为预测生产过程油页岩着火危险性提供了可行的理论方法.

关键词：油页岩粉尘层热板测试装置着火温度 Thomas模型