薄层油页岩电加热原位改性温度场数值模拟

韩连福， 李学鑫， 刘兴斌

(1.东北石油大学物理与电子工程学院， 大庆 163318； 2.大庆油田有限责任公司人才开发院， 大庆 163300)

油页岩是一种非常规油气资源，它的开发可极大缓解中国油气能源短缺问题[1]。中国已探明油页岩储量居世界第二位，目前油页岩开发利用主要采用地表蒸馏技术，但地表蒸馏技术存在利用率低、污染环境等问题。原位开采技术可避免这些问题，故油页岩原位开采技术越来越受到人们的关注。数值模拟是一种重要的油页岩原位电加热研究手段，采用数值模拟可减少现场试验带来的周期长、资金花费大等问题[2]，有利于现场试验方案优化、油页岩开采工艺流程的改善，现以桐柏盆地(32°15′N，113°30′E)油页岩矿区为研究对象，该矿区大致赋存分布在拐沟-陈刘店以南，胡老庄以西，申铺以东，该油页岩矿区平均厚度在0～8 m，质地均匀，含油率为5.63%，油页岩总资源量在49.0×108t以上，预测页岩油资源量在2.8×108t以上，具有较大的研究价值[3]。

近年来，中外众多学者开展油页岩原位开采数值模拟。余志远等[4]提出了一种流体加热新思路，进行水平井加入高温过热蒸汽加热油页岩储层数值模拟分析，该方法加热速度快、可操作性强；黄薇等[5]针对吉林省薄层油页岩，进行水平加热、高压工频数值模拟，给薄层油页岩开采提供了新方法；Wang等[6]依据壳牌公司现场试验，建立直井注蒸汽原位加热油页岩模型，认为注入蒸汽速率越大干酪根热解反应越快；Yu等[7]提出了一种电磁加热原位开采油页岩技术，不仅可提升产物品质而且安全环保；雷光伦等[8]建立边长为100 m的立方体模型，获得油页岩热传导系数、弹性模量以及热膨胀系数等物理参数随温度变化的规律；荷兰壳牌公司进行电加热原位转化工艺(electric-insuit conversion process，E-ICP)实验，在平均厚度为286 m的油页岩层中钻了70～100口直径为0.165 m的加热井，为开发深层油页岩提供新途径，能在一定程度上缓解对常规能源的依赖[9]；高诚等[10]对油页岩内部结构进行成像，获得了原位开采油页岩过程中形成的微孔对最终产物的影响规律。以上学者的研究推进了油页岩电加热原位改性的发展，但是其研究对象均为厚层油页岩，而中国存在很多薄层油页岩矿藏，其电加热改性的温度场分布与厚层存在较大差异。在前人研究基础上，现针对构建薄层油页岩模型，进行薄层油页岩电加热原位改性温度场数值模拟，解决中国薄层油页岩原位开采面临的难题。

1 薄层油页岩原位开采模型构建

1.1 薄层油页岩三维几何模型的建立

针对中国特殊地理特征及油页岩形成条件，以埋藏深度在500 m以下、厚度仅4 m的超薄层油页岩层为研究对象，利用ANSYS的DesignModeler模块，建立薄层油页岩三维几何模型，如图1所示。模型主要分类如下：中间是长和宽为50 m，厚为4 m共 10 000 m3的均匀油页岩层，上下部分为长和宽为50 m，厚为25 m共6.25×104m3的岩石层，在油页岩层中心打一个长度为25 m、直径为1 m、倾角为2°的水平井，并在其中插入导热棒。

图1 薄层油页岩三维几何模型

1.2 薄层油页岩传热模型

油页岩原位电加热是通过加热导热棒来提高油页岩层温度从而促使其原位分解，加热棒产生的热量遵循功率与热量方程为[11]

Q=Pt

(1)

式(1)中：t为加热时间；P为加热棒功率；Q为加热棒在加热时间t后产生的热量。

薄层油页岩的加热原理为存在温度差的两部分会通过热运动和碰撞的方式进行热量传递，且热传导的两个物体必须接触。由傅里叶热传导定律可知，热传导方程遵循式(2)及边界条件[式(3)][12]

(2)

T(x,y,z,t)=T(x,y,z,T′)

(3)

式中，λT为油页岩热传导系数；t1、t2为加热起始时间；x、y、z分别为坐标轴3个不同方向；T′为油页岩初始温度；T为油页岩加热后温度[13]。

1.3 薄层油页岩温度相关参数

薄层油页岩原位开采时对加热棒进行持续加热，油页岩初始温度为25 ℃，加热棒为灰铸铁[14]，加热功率为106W,油页岩密度为1.95×103kg/m3，比热为1.1×103J/(kg·K)。在原位电加热开采中,赵帅等[15]把热传导系数和热介电常数当做固定值进行高压工频热解扶余油页岩的温度场模拟；孙旭等[16]在井位讨论中把热传导系数当做固定值来计算；郭晋宇等[17]在水平井电加热油页岩过程的数值模拟中将热传导系数当做固定值来计算；研究发现实际不同温度下油页岩热传导系数和热介电常数也不相同[18]。在厚层油页岩原位开采中可忽略热传导系数和热介电常数随温度变化值，但改忽略在薄层油页岩原位加热中会带来很大误差，故需考虑该变化，研究矿区对象质地均匀，在数值模拟过程中采用的热传导系数和热介电常数随温度变化关系如表1所示[19]。

表1 热传导系数和热介电常数随温度变化关系

2 薄层油页岩原位电加热数值模拟流程

薄层油页岩原位电加热数值模拟流程如图2所示，利用ANSYS中的DesignModeler建立薄层油页岩三维几何模型，定义油页岩这种新材料，将油页岩的密度、导热系数以及比热容等参数赋予油页岩[20]；再进入瞬态热分析(Transient Thermal)的 Mechanical 模块，利用mesh对薄层油页岩三维几何模型进行网格划分，设定网格质量为0.8，网格数量为2 588 361，在Transient Thermal中进行数值模拟分析，对分析的初始条件进行设定，定义初始温度、添加热源功率和对流换热系数等；然后初始化运行并计算仿真结果，最后在Solution中进行温度场以及热通量等结果的分析。

图2 薄层油页岩原位电加热数值模拟流程图

3 薄层油页岩原位电加热数值模拟结果分析

薄层油页岩温度场分布如图3所示，可以看出，薄层油页岩温度场扩散范围与有效加热体积随加热时间增加而增大，油页岩加热温度场分布大致呈椭圆形状向外扩散。薄层油页岩温度变化大致可分为：①快速升温阶段，该阶段从加热开始一直持续到第3年基本达到裂解饱和。薄层油页岩平均温度由初始25 ℃升温到275.2 ℃，平均每年提升83.4 ℃；持续加热3年后，薄层油页岩有效加热体积共约2 876 m3，平均每年增加958 m3；②缓慢升温阶段，该阶段薄层油页岩层平均温度及有效加热体积已趋于稳定，从加热第3年到第5年，薄层油页岩平均温度由275.2 ℃升至298.7 ℃，温度年平均增长量为8～15 ℃。该阶段结束时有效加热体积约为3 215 m3，平均每年增加约200 m3，第5年的加热仅使油页岩有效加热体积增加了4%。

图3 薄层油页岩加热温度场

薄层油页岩升温速率和有效加热体积随时间变化分别如图4、图5所示。

由图4可知，加热过程中薄层油页岩整体温度不断升高，但升温速率却不断降低，前3年平均温度分别为112、216.6、275.2 ℃，平均升温速率分别为112、104.6、58.6 ℃/年；第4年和第5年平均温度分别为287.4、298.7 ℃，平均升温速率为12.2、8.6 ℃/年，升温速率曲线趋于恒定且速率很低。由图5可知，前3年平均有效加热体积为958.7 m3/年，第4年和第5年降至200 m3/年。由此可见薄层油页岩的裂解过程主要发生在前3年，之后虽有增长，但是增长缓慢，继续加热经济效益不大。

图4 升温速率随时间变化曲线

图5 效加热体积随时间变化曲线

4 结论

针对中国特殊的薄层油页岩结构，采用ANSYS软件中瞬态热分析模块，建立薄层油页岩原位电加热模型，研究加热5年内薄层油页岩中温度场分布，得到如下结论。

(1)在持续加热过程中，薄层油页岩整体温度不断升高，但升温速率却在不断降低。

(2)薄层油页岩有效加热体积在1～3年时增长最快，在加热3年后温度场基本达到稳定状态，继续加热，经济效益不大。

(3)薄层油页岩电加热原位改性技术，可以在较短时间范围就有较大的裂解范围，具有周期短、出油快等优点。