油页岩原位开采中裂隙与井组相对位置及产状对加热效果的影响分析

胡之璐

（大庆油田有限责任公司试油试采分公司，黑龙江 大庆 163412）

油页岩中含有丰富的有机质，是一种良好的化石燃料，将油页岩进行一定的处理后，能够作为燃料使用，从而补充资源，具有较为广阔的市场发展空间。我国油页岩资源储量较为丰富，已经查明的油页岩储量居世界第四位，如果能够将油页岩资源合理利用，对于我国能源安全战略以及社会发展具有重要作用。通常情况下，油页岩原位开采需要采用压裂技术和注热技术，这种技术的处理方式较为简单，能够在地下直接实现，不需要额外的处理工序，相比于传统的干馏技术而言，能够提高采收效率，同时节省作业成本，还能够降低对环境的污染。

1 油页岩原材开采技术分析

在当前对油页岩的开发领域中，应用频率最高的技术为对流加热技术，这种技术应用流程即为简单，对流加热为在地下采用具有较高热量的蒸汽或氮气等热流体，在地下完成对油页岩的开采、热氮气以及其他热流体的技术，实现对油页岩开采的一种方法，主要包括CRUSH 技术、CRR 技术、原材蒸汽开采技术、地下燃烧对流技术以及化学强化高压较低温热解技术（IISTVTTC）；地下燃烧对流加热技术是指向地下的井中通入一定量的可燃气体，同时以助燃气作为辅助，在气体充分燃烧的情况下，能够对油页岩进行加热，从而为开采创造有利条件[1]。该技术基本形式如图1所示。

图1 燃烧对流加热技术基本形式

在图1 中，第一阶段为水力压裂作用下产生裂隙，将支撑剂注入从而维持裂隙；第二阶段为在燃烧室内进行点火，通过燃烧的烟气对油页岩进行加热；第三阶段为油页岩油气可用裂隙和作业井传出到地面中。通过采用该技术，将注气燃烧井作为中心，采用蜂窝布局模式，对油页岩层进行压裂处理，从而在地下构建连通形式的通道，将各井连接，在这种情况下，通过燃烧气体的方式对通道内油页岩进行加热，同时能够在地下开展干馏作业，就会得到油气等资源，最后提升到地面收集。

再进行开采期间，会受到实际情况差异的影响，导致预期开采成果和实际开采结果会出现一定的差异问题，虽然引起差异的原因较多，但是经过分析发现裂隙是导致差异出现的重要原因。油页岩形成的过程较为复杂，许多经过长时间的构造挤压等作用，油页岩层会出现一些节理和裂隙，大部分裂隙尺寸较小，且具有良好的封闭性，所以能够储藏丰富的能源，从而形成能够与井筒连接的网络；在间隔宽度较大的裂隙中会出现开放裂隙，在探测过程中裂隙会在水力压力的作用下不断增大，从而为油页岩开采提供流体通道，是提高油页岩开采效率的重要因素。在油页岩原材开采期间，油页岩油气的生产和转移主要由温度进行控制，是影响开采效果的主要因素，所以必须明确主要影响因素，并对其影响作用和程度进行判断[2]。因此，通过采用加热技术能够取得良好的效果，裂隙不仅能够为开采提供通道，能够扩大或缩小加热范围，同时也影响热流体的运动速度，从而导致加热效果受到影响。

2 方法与流程

2.1 建模

以S 市某油页岩层为例，该油页岩生成于中生代白垩纪，厚度在0.4～10m范围内，根据勘察测井数据显示，该区域内油页岩储层平均厚度为4.1m，所以根据油页岩出层面模型需要设计为4.1m。在作业过程中，该区域的油页岩岩层裂隙通道高度大约为2m；在井建水力压力一般是水平裂隙形式，能够提供一条水平的通道，从而提高热流体流通效果。以此在油页岩储层模型中构建水平封闭裂隙模型。根据油页岩的地质其概况，在模型构建与外界连通的板状裂隙，部分加入的气体会通过缝隙逐渐消散。为了明确影响油页岩原位开采的影响因素，本文通过建模处理的方式，根据三种不同变量设计三组模型，通过模型演示的方式对变量作用与开采效果的具体情况进行分析，通过建模处理能够得到直观的影响分析结果，从而简化地层中可能存在的裂隙，对加热效果进行分析[3]。

2.2 模型网络化

在建立油页岩储层模型后，利用ANSYS中的网格软件ICEM绘制结构网格，网格化之后设置边界条件，按照其基本性质将其分别设计为流体和固体形式，并对其交界面进行确定，能够有效提高分析结果准确性，采用相应的建模软件对监理的模型进行处理，从而实现对模拟流程的优化。

2.3 参数设计

以油页岩实际的生产条件为基础，并加热的流体温度调整到符合实际情况的数值，加入速度设置为10m/s。其他模拟参数如表1所示。

表1 数值模拟参数设计

2.4 温度场模拟

温度场模拟对于数值结果准确性要求较高，本次温度场参数设计以雷诺公式对其进行计算，按照上述表格的参数计算得出雷诺系数为2.7×106，将流体的流动状态控制为湍流形态，流体会将能量传递到模型底部，通过软件和方程对其计算，从而实现网格化处理目标；网格化处理完成后，需要对模型的具体参数进行模拟，本次采用迭代模拟方式，在曲线停止时确定具体模型参数，说明温度场已经处于稳定状态不需要发生改变，将计算结果输出；瞬态模拟设置时间为1d，模拟时间共计5a，每月输出一次结果。

2.5 数据处理

在对S 市油页岩储区开展热解处理的过程中，在温度达到180℃时出现部分气体逸出的现象，且在温度之间提升的情况下，产油率逐渐提高，大量页岩油的温度为400℃～450℃，当温度超过450℃之后，其中很大一部分都发生热解生烃现象，由此可以看出，温度超过450℃时油页岩模型为有效模型。将Fluent 的计算结果导入到CFD-POST 中，对超过450℃的模拟体积进行统计。

3 模拟结果

3.1 位置影响因素分析

为了验证位置对于油页岩开采效果的影响，在本次试验中对裂隙井、生产井以及加热井的位置进行调整，在模型中分别构建五种不同的位置模式，对不同位置的加热效果进行分析。因此在加热井和生产井位置不变的条件下，平移井组能够改变裂隙的位置，所以建立X组中五个模型分别为X1、X2、X3、X4、X5。根据分析结果能够看出，在注热五年后油页岩有效的产油体积占比与稳定态几乎相同，占比最多的X1为8.52%，之后X2 为7.60%、X3 为6.03%、X4 为5.90%以及X5 为4.35%。各个模型产油增长曲线和峰值主要集中在加热后的5～12个月范围内，最大增长速度越大则峰值出现时间越晚，所以加热体积越大。当加热时间超过40个月时，产气体积增长率开始下降，逐渐小于0.5%，被加热区域处于距离生产井较远的位置，说明对于生产意义较小，所以在1200d 时停止加热。由此可见，狭长裂隙对热流体的引流作用具有影响。在模型X1和X2中，X1中井组和开放裂隙之间的距离相比于X2更远，裂隙开口区域的压力较小，流体在压力的影响下裂隙开口处远离，高温流体经过的路径越长，则加热的油页岩体积就越大，所以X1的加热效果最好。通过上述试验结果可以看出，井组位置确实会对加热效果产生很大影响，主要是由于对流加热技术的原理，不同位置聚集的热量和散失的热量不同，从而导致加热效果存在较大差异，在一些特殊的井组位置中，热量流失较大，所以加热效果也就越差；热量散失越小，所以加热效果较好，这就能够为油页岩的开采给予一定启示，通过调整井组位置则能够优化生产效果[4]。

3.2 裂隙走向对加热效果的影响分析

裂隙和井组的相对走向不是绝对的走向，是影响油页岩加热效果的主要因素。在本组模型中，保持加热井和生产井的相对位置固定，对井组方位进行调整，则就是对裂隙和井组相对走向的调整。在本次模拟中，将井组连线设置为N向，共计设置0°、30°、45°、60°以及90°五种模型，建立模型组Y。根据模拟结果可以看出，在注热五年之后，模型Y 达到稳定状态，油页岩的产油体积最大模型为Y5，占比为10.77%，剩余依次为：Y4 10.28%、Y3 9.75%、Y2 9.10%以及Y1 7.62%。产油体积和增长率随着时间变化中，加热速度最快为Y5模型，从快到慢分别为Y4、Y3、Y2、Y1，产油体积高度相同。根据Y 组的变化情况来看，裂隙的走向会对加热效果产生直接影响，主要是因为裂隙走向不同，所产生的热量散失和热量聚集效果不同，热流体流动过程越长，则散失热量越多，加热效果则越差。同时可以得到结论，裂隙和井组之间的夹角越大，油页岩整体加热速度就会越大，最后加热体积也就越大。为此在油页岩原位开采布井中，需要使得井组方向尽量和裂隙保持垂直，如果存在多个裂隙，则需要使井组和大部分裂隙保持垂直[5]。

3.3 裂隙倾角对加热效果的影响

在确保加热井和生产井位置固定的情况下，对其角度进行调整，分别采用五种不同角度，从30°开始，每组以此增大角度30°，根据模拟结果来看，油页岩有效加热体积最大模型为Z3，占比为10.77%，较为接近的为Z2，占比为10.71%，其他依次为Z1占比9.65%、Z4占比8.94%以及Z5占比7.89%，有效产油体积的提高率与有效产油体积符合，最后油页岩产油体积越大，同时期提高速率越大，与模型组X和模型组Y接近，在注热40个月时提高趋势保持相同。在倾角互补的两组模型中，因为Z1 和Z2 裂隙开口与生产井距离较远，所以热流体经过裂隙向外散失的过程中，能够为油页岩提供加热，所以导致Z1 和Z2 相比于Z4 和Z5 加热体积更大。由此可见，裂隙的角度对于加热效果会产生直接影响，主要是角度会影响加热范围，加热范围越大则加热效果越好，反之则加热效果越差，所产生的影响效果较为直观；加热范围和加热速率提高越大，同时通过对Z1和Z5、Z2和Z4的对比能够得到相应的规律。

通过上述结果可以看出，裂隙和井组的相对位置、裂隙走向和裂隙倾角等产状因素对于加热效果会产生直接影响，所以在油页岩布井设置时，通过对位置及倾角、走向等进行调整，能够提升油页岩开采效率，产出更多的油气资源，促进油页岩开采工作水平提升。

4 结束语

综上所述，本文全面阐述油页岩的多种开采技术，并建立油页岩储层模型，对裂隙与井组的相对位置及产状对加热效果的具体影响进行分析，最后得到了科学可靠的结论，希望能够对我国油页岩生产行业起到一定的借鉴和帮助作用，不断提高油页岩开采技术水平，以调整裂隙和井组相对位置、调整裂隙倾角和调整裂隙走向的方式，促进油页岩油气资源开采效率全面提高。