高誠 蘇建政 王益維 孟祥龍 汪友平 張樂

中國石化石油勘探開發(fā)研究院

油頁巖又稱油母頁巖，是一種富含有機(jī)質(zhì)干酪根的沉積巖。作為一種非常規(guī)資源，全球儲量非常豐富。據(jù)不完全統(tǒng)計，油頁巖蘊藏資源量約104 億t。如果將它折算成頁巖油，世界上的油頁巖儲量約為5500 億t，相當(dāng)于目前世界天然原油探明可采儲量的5.4倍。中國已探明的油頁巖儲量為315 億t，居世界第4位，主要分布在遼寧、吉林、廣東等地［1］。我國常規(guī)油氣資源短缺，對外依存度較高。因此，開發(fā)油頁巖對于緩解我國石油供需矛盾、降低原油對外依存度、保障能源安全，具有重要戰(zhàn)略意義。

油頁巖原位加熱開采是目前油頁巖開采技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點。原位開采過程的數(shù)值模擬研究，對于揭示原位開采機(jī)理、評價原位開采經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)化原位開采設(shè)計方案具有重要指導(dǎo)意義。研究對油頁巖原位開采數(shù)值模擬進(jìn)展和現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，分析了數(shù)值模擬的核心問題、面臨的主要挑戰(zhàn)、取得的進(jìn)展以及當(dāng)前亟需解決的瓶頸問題，對于未來開展油頁巖原位開采相關(guān)技術(shù)研究，尤其是數(shù)值模擬具有一定的指導(dǎo)和參考意義。

1 油頁巖開發(fā)的主要技術(shù)方法

油頁巖開采長期以來采用挖掘開采、地面干餾的方法。此方法是將開采出來的油頁巖，經(jīng)破碎篩分后，在油頁巖干餾爐中進(jìn)行干餾生產(chǎn)頁巖油。這種傳統(tǒng)生產(chǎn)模式效率低、生產(chǎn)成本高，并且排出的氣體中含有毒物質(zhì)、可吸入揚塵等，對周邊環(huán)境污染嚴(yán)重。另外，工業(yè)干餾爐產(chǎn)生的廢渣數(shù)量極大，不易回收利用。近年來被廣泛關(guān)注的油頁巖原位開采技術(shù)不需要挖掘油頁巖，而是在地下干餾后進(jìn)行采油。這種方法具有占地少、污染小且可開采深層油頁巖的優(yōu)點，有希望成為今后油頁巖開采的主流方式。我國在原位開采方面的研究相對落后，目前尚未取得關(guān)鍵性的技術(shù)突破，實現(xiàn)規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)還有很大的技術(shù)發(fā)展空間［2-3］。

油頁巖原位開采的主要過程是利用電棒、高溫流體或火燒對油頁巖地層進(jìn)行加熱，使其含有的有機(jī)質(zhì)干酪根熱解釋放出油氣。原位開采過程涉及到熱傳遞、化學(xué)反應(yīng)、孔滲變化、油氣滲流等多個物理化學(xué)過程之間的耦合，開采機(jī)理及油氣產(chǎn)出規(guī)律還處于探索研究階段。為了加深原位開采過程中一些系統(tǒng)規(guī)律的認(rèn)識程度，亟需發(fā)展數(shù)值模擬手段對原位開采全過程進(jìn)行有效模擬，探索原位加熱對地層溫度分布、油氣滲流空間變化、油氣滲流規(guī)律、產(chǎn)能效率的影響，對提升油頁巖的開采效率，解決油頁巖原位開采中的關(guān)鍵技術(shù)問題，具有重要的指導(dǎo)意義。數(shù)值模擬研究的核心問題在于考慮油頁巖內(nèi)干酪根熱解化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型，對儲層多重孔隙結(jié)構(gòu)介質(zhì)內(nèi)高溫高壓條件下傳熱、流動、相變、應(yīng)力、化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，并進(jìn)一步離散偏微分方程組進(jìn)行數(shù)值求解，在此基礎(chǔ)上對各生產(chǎn)工況進(jìn)行模擬、分析和評價。

2 研究進(jìn)展

2.1 油頁巖熱解反應(yīng)模型構(gòu)建

在數(shù)值模擬中對油頁巖熱解化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，需要首先獲得熱解反應(yīng)方程式，以及根據(jù)阿累尼烏斯定律計算化學(xué)反應(yīng)速率所需的指前因子和反應(yīng)活化能。熱解反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)是動力學(xué)研究的關(guān)鍵內(nèi)容之一，目前主要是根據(jù)熱解實驗數(shù)據(jù)的分析，采用等轉(zhuǎn)化率方法回歸得到動力學(xué)參數(shù)，采用不同的動力學(xué)模型得到的動力學(xué)參數(shù)也不盡相同。獲取原位開采條件下的反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，是油頁巖原位開采數(shù)值模擬的難點之一。Burnham等人基于實驗測得的美國綠河油頁巖熱解的平均反應(yīng)式，考慮水的相變、巖石無機(jī)鹽的分解及重?zé)N裂解為輕烴的反應(yīng)，利用化學(xué)活化能實驗數(shù)據(jù)，按照一級反應(yīng)速率方程對油頁巖熱解失重曲線進(jìn)行了數(shù)值模擬，并研究了 H2、CH4等主要氣體的產(chǎn)氣速率［4］。Braun 等人在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了油氣相變，引入氣體狀態(tài)方程來計算氣體壓強(qiáng)，對實驗得到的涉及83種反應(yīng)物質(zhì)的一系列平均化學(xué)反應(yīng)方程式按照動力學(xué)一級反應(yīng)速率方程式進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了油頁巖失重曲線及其產(chǎn)油產(chǎn)氣變化［5］。秦匡宗等利用核磁共振分析儀測定了撫順油頁巖熱解過程中油母質(zhì)不同類型的結(jié)構(gòu)碳的變化，并據(jù)此對油母質(zhì)熱解成烴機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)油母質(zhì)中的脂碳尤其是亞甲基碳是生油的主要母質(zhì)，而芳碳主要在熱解后期發(fā)生縮合反應(yīng)，對成烴貢獻(xiàn)很小，產(chǎn)油階段結(jié)束后殘留脂碳則轉(zhuǎn)化為甲烷或芳碳［6］。苗真勇等利用半焦紅外分析對大慶油頁巖熱解的反應(yīng)類型進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)溫度較低時以解聚和分解反應(yīng)為主，600 ℃以上則發(fā)生縮聚反應(yīng)和礦物質(zhì)的裂解；此外，他們還依據(jù)一級反應(yīng)動力學(xué)模型對反應(yīng)活化能進(jìn)行了計算，發(fā)現(xiàn)升溫速率對活化能影響不明顯，而轉(zhuǎn)化率增加則使活化能呈增大趨勢［7］。Al-Ayed等將活化能視為油頁巖轉(zhuǎn)化率的函數(shù)，按一級反應(yīng)動力學(xué)模型模擬了以色列油頁巖樣品在升溫過程中的熱重變化，并與實驗測得的熱重曲線進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)兩者大體一致［8］。王擎等利用TG-FTIR分析儀對甘肅油頁巖在不同升溫速率下進(jìn)行了熱解實驗，得到油頁巖分解熱重曲線，并利用紅外光譜對實驗升溫過程中主要氣體組分CH4、CO、CO2和頁巖油的產(chǎn)量進(jìn)行了測定；隨后，按化學(xué)動力學(xué)一級反應(yīng)計算出熱解反應(yīng)的活化能和官能團(tuán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并利用FG-DVC模型模擬了氣體的生成過程和產(chǎn)量，與實驗符合得較好［9］。李術(shù)元等人也按此方法對撫順和茂名油頁巖的反應(yīng)活化能進(jìn)行了計算［10］。Syed也根據(jù)熱重分析按一級反應(yīng)計算了阿聯(lián)酋油頁巖的活化能，同樣發(fā)現(xiàn)熱解的升溫速率對活化能沒有明顯影響［11］?？偟膩碚f，目前油頁巖熱解反應(yīng)動力學(xué)相關(guān)的實驗研究數(shù)據(jù)總量較多，但由于不同地區(qū)樣品性質(zhì)、實驗手段、動力學(xué)近似模型不盡相同，得到的動力學(xué)參數(shù)也有所差別。

綜上，現(xiàn)有對油頁巖熱解反應(yīng)的研究以實驗為主，總結(jié)出了油頁巖熱解過程一些主要的平均反應(yīng)方程式，并探究了升溫速率、頁巖粒徑等對產(chǎn)物的影響；同時基于實驗數(shù)據(jù)，利用反應(yīng)熱力學(xué)對少數(shù)重要油氣產(chǎn)物的產(chǎn)出過程進(jìn)行了簡單的數(shù)值模擬。原位加熱開采條件下，需要考慮高溫高壓、緩慢升溫以及地層含水等因素的重要影響，目前仍沒有能夠滿足原位開采條件的動力學(xué)實驗數(shù)據(jù)。對于熱解反應(yīng)機(jī)理的研究仍處于起步階段，尚不能得出油頁巖內(nèi)干酪根生油生烴具體化學(xué)反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)描述。

2.2 電加熱油頁巖的數(shù)值模擬

電加熱開采方式以荷蘭殼牌公司的ICP開采技術(shù)為代表。該技術(shù)目前已經(jīng)成功應(yīng)用于大規(guī)模現(xiàn)場先導(dǎo)試驗，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性得到了驗證。與此同時，相關(guān)的數(shù)值模擬研究也得以廣泛開展，能夠?qū)r體與油氣的傳熱、油氣相變等因素進(jìn)行綜合考慮，并對油氣產(chǎn)出速率和代表性產(chǎn)物產(chǎn)量等生產(chǎn)過程中的重要指標(biāo)進(jìn)行預(yù)估。Fan等人對油頁巖電加熱開采的數(shù)值模擬研究中，引入了油頁巖熱解的5個代表性化學(xué)反應(yīng)方程式，選取了干酪根、重油、輕油、有機(jī)裂解氣及CO2作為整個熱解過程的代表物質(zhì)，并考慮裂解產(chǎn)物在油氣兩相中的相變和流體黏度變化，利用質(zhì)量、能量守恒方程組與反應(yīng)速率方程，在孔隙度等物理參數(shù)恒定情況下對含電加熱井和產(chǎn)氣井的三維油頁巖熱采區(qū)域進(jìn)行了數(shù)值模擬，運用牛頓迭代法求解出加熱區(qū)的溫度場、頁巖產(chǎn)油產(chǎn)氣速率及加熱效率的變化情況，發(fā)現(xiàn)原位開采周期較長，并進(jìn)一步比較了加熱井溫度、布井模式對溫度場及產(chǎn)氣速率的影響［12］。該模型的不足之處在于采用了恒定的地層導(dǎo)熱系數(shù)、儲層孔隙度和滲透率，因此不能考慮加熱過程中地層孔滲變化帶來的影響，并且忽略了地層含水的影響。

李強(qiáng)基于巖體的熱傳導(dǎo)方程，考慮了油頁巖熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的變化，模擬了殼牌ICP技術(shù)對油頁巖層電加熱的情形（外設(shè)冷凍墻，并布設(shè)采油井和加熱井），并用有限差分方法求解了加熱過程中溫度場的變化情況［13］。但是該模型假定巖體達(dá)到預(yù)設(shè)的熱解溫度時有機(jī)質(zhì)瞬間完全熱解，忽略了地層與油氣之間的傳熱和油氣的相變過程。王健也用類似方法進(jìn)行模擬，比較了不同布井模式和加熱溫度對產(chǎn)氣效率的影響，發(fā)現(xiàn)六井模式效率最高［14］。施衛(wèi)平等人基于吉林油頁巖層分布面積廣而巖層厚度薄的特點，用相同的數(shù)值模型探究了利用水平井加熱油頁巖的開采方式，發(fā)現(xiàn)其相較于傳統(tǒng)的豎直井加熱效率有所提高［15］。楊棟、高孝巧、王樂等也采用類似的簡化模型進(jìn)行了研究，得到了原位開采過程中溫度場的動態(tài)變化情況［16］。康志勤等在前人研究的基礎(chǔ)上，增加考慮了油頁巖熱解化學(xué)反應(yīng)放熱的影響，模擬了殼牌I CP技術(shù)的加熱情況，利用有限元方法對油頁巖的溫度場變化和油氣產(chǎn)量進(jìn)行了數(shù)值模擬，與殼牌公司部分公開指標(biāo)大致符合［17］。

總的來說，針對殼牌電加熱ICP技術(shù)的油頁巖熱采數(shù)模研究數(shù)量較多，但模型各有側(cè)重，尚不能將該過程中的核心問題完全考慮，因此對于揭示原位開采機(jī)理和準(zhǔn)確預(yù)測油氣產(chǎn)出規(guī)律還有一定難度。殼牌公司基于CMG-STARS發(fā)展了一套數(shù)模技術(shù)，對其電加熱現(xiàn)場試驗進(jìn)行了詳細(xì)的模擬分析，但相關(guān)結(jié)果屬于商業(yè)秘密并未公開。

2.3 流體加熱油頁巖的數(shù)值模擬

流體加熱油頁巖原位開采過程相比電加熱原位開采更加復(fù)雜，如圖1所示。對其進(jìn)行數(shù)值模擬需要在電加熱原位開采模型的基礎(chǔ)上增加考慮加熱流體的相變、傳熱及其對壓強(qiáng)場、溫度場和儲層裂縫系統(tǒng)的影響等。Youtsos等人在對油頁巖進(jìn)行注熱CO2原位開采的數(shù)值模擬中，引入了油頁巖熱解過程中的5個主要化學(xué)反應(yīng)，考慮了干酪根及其分解產(chǎn)生的重油、輕油、焦炭和氣體（處理為混合物）等組分［18］。同時，該模型還考慮了油氣兩相的相變及孔隙度、滲透率等物理參數(shù)隨溫度的變化，建立了流場控制方程組，結(jié)合達(dá)西定律和氣體狀態(tài)方程，對油頁巖熱解的溫度場、熱解速率及氣體產(chǎn)量等進(jìn)行了數(shù)值模擬。但是該模型忽略了流體內(nèi)部的溫度差異，并且不能考慮流體注入過程中裂縫系統(tǒng)的影響。王維考慮油頁巖上層巖層的地應(yīng)力、地層的構(gòu)造應(yīng)力，計算水力壓裂巖層后裂隙的擴(kuò)展規(guī)律并與實驗結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)二者基本一致［19］。薛晉霞考慮了利用水力壓裂巖層后向水平裂縫中注入水蒸氣的加熱方法，假設(shè)巖體達(dá)到預(yù)設(shè)的熱解溫度時有機(jī)質(zhì)瞬間完全熱解，且忽略了生成油氣的傳熱，僅考慮巖體的熱傳導(dǎo)方程，在巖體無變形的情況下模擬了加熱過程中巖層溫度場的變化［20］。王健針對壓裂巖層后利用水平裂縫進(jìn)行蒸汽加熱的方法進(jìn)行了研究，在考慮巖體熱傳導(dǎo)方程和水蒸氣對流傳熱的情形下，模擬了二維巖層溫度場的變化，探究了裂縫位置對加熱效果的影響。Sun等人利用巖體應(yīng)力應(yīng)變及平衡方程、幾何方程及滲流場方程，模擬利用水力壓裂油頁巖的應(yīng)力場、孔隙壓力及裂紋擴(kuò)展規(guī)律［21］。裴寶琳忽略流體加熱時裂解氣的傳熱影響，利用流體和巖層的傳熱方程和巖體在孔隙壓力下的變形方程，并考慮巖層孔隙度的變化，對布設(shè)采油井和注氣井的對流加熱油頁巖方式進(jìn)行了溫度場數(shù)值模擬，并比較了注氣溫度和壓力對開采效率的影響［22］?？抵厩诤屠顒P則考慮熱解氣傳熱及頁巖、流體的物理性質(zhì)隨溫度的變化，加入水和水蒸氣的相變因素，利用流體傳熱和巖體溫度場方程、熱應(yīng)力引起的巖石變形方程，模擬了熱-固-流耦合下含采油井和注熱井的油頁巖三維溫度場、滲流場及巖石應(yīng)力場變化［23］。將水和水蒸氣處理為均一混合物，李凱還模擬了流固耦合下利用水力壓裂巖層的巖體損傷和裂紋擴(kuò)展情況。但是這些模型不能考慮有機(jī)質(zhì)熱解化學(xué)反應(yīng)過程及其對頁巖孔滲變化帶來的影響，因此難以準(zhǔn)確描述和揭示流體加熱原位開采過程中的有機(jī)質(zhì)熱解規(guī)律和油氣產(chǎn)出規(guī)律。

3 討論與思考

油頁巖作為石油的一種良好替代能源，而原位開采由于具有成本低、污染少、占地小的優(yōu)勢勢必成為今后開采的主流方式。在原位開采現(xiàn)有的2種主要開采方式中，電加熱技術(shù)相對成熟并已進(jìn)行了現(xiàn)場試驗；而流體加熱效率較電加熱更高，但進(jìn)行數(shù)值模擬和實際開采的難度也相應(yīng)較大，目前尚沒有發(fā)展出較完備的數(shù)值模擬軟件。

圖1 流體加熱油頁巖原位開采物理過程Fig. 1 Physical process of fluid heating oil shale in-situ production

在對油頁巖熱解反應(yīng)的實驗研究方面，現(xiàn)有的對油頁巖熱解產(chǎn)物及物理性質(zhì)變化的實驗數(shù)據(jù)已經(jīng)相對全面，但對其熱解化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理研究則有很大欠缺，遠(yuǎn)不能滿足原位開采進(jìn)行全過程數(shù)值模擬的需求。此外，現(xiàn)有的熱解實驗絕大部分為單一的油頁巖熱解，而實際生產(chǎn)中油頁巖常與煤層、礦物和其他巖層共生，開采和數(shù)值模擬時也需要考慮到其他巖層礦物傳熱、裂解等因素對油頁巖的影響。同時，油頁巖的熱解實驗數(shù)據(jù)隨產(chǎn)區(qū)的不同而有很大差異，在對特定油頁巖產(chǎn)區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬時實際可用的實驗數(shù)據(jù)仍然缺乏，大部分?jǐn)?shù)值模擬中并未考慮油頁巖體的物理性質(zhì)變化或許也與此有關(guān)。值得注意的是，現(xiàn)有的熱解實驗條件大多無法完全模擬地下巖層高溫高壓的環(huán)境，很少能真實反映油頁巖實際熱解中溫度場、壓力場的變化。因此，如何對現(xiàn)有實驗方案進(jìn)行改進(jìn)以更加準(zhǔn)確地模擬地下高壓環(huán)境和測定油頁巖的各物性和動力學(xué)參數(shù)、如何總結(jié)分析出熱解機(jī)理及其發(fā)生的各化學(xué)反應(yīng)將是目前面對的2個重要難題。由于油頁巖本身組分的復(fù)雜性和有機(jī)反應(yīng)的不確定性，預(yù)計對油頁巖熱解機(jī)理的研究在短時間內(nèi)難以取得突破性的進(jìn)展，因而改進(jìn)現(xiàn)有實驗?zāi)M方法、采用通過實驗得到的諸如滲透率隨溫度、壓強(qiáng)的變化關(guān)系等一些經(jīng)驗公式來彌補(bǔ)反應(yīng)機(jī)理研究的不足、提高數(shù)值模擬的精度，將是一個重要的研究思路。

在對油頁巖原位開采的數(shù)值模擬研究方面，電加熱和高溫流體加熱為目前研究的2個主要方向。但相較于對熱解反應(yīng)的研究，進(jìn)展均較緩慢，可供分析的文章也較少。其中，電加熱原位開采的數(shù)值模擬技術(shù)在國際上相對成熟，一些方法能夠綜合考慮加熱中發(fā)生的典型化學(xué)反應(yīng)、裂解中的油氣與巖體的傳熱和油、氣相相變，并對一些較具體產(chǎn)物（如輕油、重油）的生成進(jìn)行分析，但未考慮到溫度、壓力變化對滲透率等物性參數(shù)的影響，選取化學(xué)反應(yīng)所考慮的組分也不全面。國內(nèi)在電加熱模擬方面的研究與國外尚有一定差距，目前的研究均沒有考慮油氣兩相的相變和化學(xué)反應(yīng)的放熱影響，自然也無法對具體產(chǎn)物的生成進(jìn)行分析。在流體加熱方面，典型的數(shù)值模擬方法將產(chǎn)生氣體處理為混合物，對相變的計算并不完全符合實際情況；同時和電加熱情形類似，在流體加熱中考慮的化學(xué)反應(yīng)模型簡單，無法對具體的油氣產(chǎn)物進(jìn)行分析。而我國現(xiàn)有的流體加熱研究均未考慮加熱過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)及其影響，僅有少部分研究考慮了油氣兩相的相變，一些物性參數(shù)的變化也未納入考慮。

綜上所述，對油頁巖原位開采數(shù)值模擬的研究，無論電加熱還是流體加熱的方式均存在著較大欠缺。在電加熱方面，今后可以基于現(xiàn)有工作，將各物性參數(shù)隨溫度、壓力的變化納入考慮，同時完善計算中的化學(xué)反應(yīng)模型，以便能對一些主要產(chǎn)物進(jìn)行分析；在流體加熱方面，需要對加熱過程中水、油、氣相間的相變過程進(jìn)行進(jìn)一步的模擬，并更全面地考慮所涉及的化學(xué)反應(yīng)。同時，在油頁巖原位開采中涉及的其他一些較關(guān)鍵的技術(shù)過程，如利用水力壓裂巖層，加熱井、生產(chǎn)井的布設(shè)及其對溫度場的影響等問題的研究還很少，預(yù)計在得到了較全面的加熱數(shù)學(xué)模型后將成為下一階段的研究重點。

4 結(jié)論

（1）開展深入全面的油頁巖原位開采數(shù)值模擬研究，有利于揭示原位開采機(jī)理、指導(dǎo)設(shè)計開采方案、預(yù)測油氣產(chǎn)出規(guī)律，具有重要的實際意義。

（2）獲得可靠的油頁巖熱解化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理，及其在原位開采條件下的動力學(xué)參數(shù)對于開展準(zhǔn)確的數(shù)值模擬研究至關(guān)重要，目前相關(guān)研究結(jié)果尚不能滿足需求。

（3）電加熱原位開采數(shù)值模擬技術(shù)相對成熟，流體加熱由于其過程更加復(fù)雜，現(xiàn)有模型有待完善。未來可側(cè)重考慮原位開采過程中油氣水的相變計算及孔隙度、滲透率等地層參數(shù)的動態(tài)變化模型等。