韓連福， 李學(xué)鑫， 劉興斌

(1.東北石油大學(xué)物理與電子工程學(xué)院， 大慶 163318； 2.大慶油田有限責(zé)任公司人才開發(fā)院， 大慶 163300)

油頁巖是一種非常規(guī)油氣資源，它的開發(fā)可極大緩解中國油氣能源短缺問題[1]。中國已探明油頁巖儲量居世界第二位，目前油頁巖開發(fā)利用主要采用地表蒸餾技術(shù)，但地表蒸餾技術(shù)存在利用率低、污染環(huán)境等問題。原位開采技術(shù)可避免這些問題，故油頁巖原位開采技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。數(shù)值模擬是一種重要的油頁巖原位電加熱研究手段，采用數(shù)值模擬可減少現(xiàn)場試驗帶來的周期長、資金花費大等問題[2]，有利于現(xiàn)場試驗方案優(yōu)化、油頁巖開采工藝流程的改善，現(xiàn)以桐柏盆地(32°15′N，113°30′E)油頁巖礦區(qū)為研究對象，該礦區(qū)大致賦存分布在拐溝-陳劉店以南，胡老莊以西，申鋪以東，該油頁巖礦區(qū)平均厚度在0～8 m，質(zhì)地均勻，含油率為5.63%，油頁巖總資源量在49.0×108t以上，預(yù)測頁巖油資源量在2.8×108t以上，具有較大的研究價值[3]。

近年來，中外眾多學(xué)者開展油頁巖原位開采數(shù)值模擬。余志遠(yuǎn)等[4]提出了一種流體加熱新思路，進行水平井加入高溫過熱蒸汽加熱油頁巖儲層數(shù)值模擬分析，該方法加熱速度快、可操作性強；黃薇等[5]針對吉林省薄層油頁巖，進行水平加熱、高壓工頻數(shù)值模擬，給薄層油頁巖開采提供了新方法；Wang等[6]依據(jù)殼牌公司現(xiàn)場試驗，建立直井注蒸汽原位加熱油頁巖模型，認(rèn)為注入蒸汽速率越大干酪根熱解反應(yīng)越快；Yu等[7]提出了一種電磁加熱原位開采油頁巖技術(shù)，不僅可提升產(chǎn)物品質(zhì)而且安全環(huán)保；雷光倫等[8]建立邊長為100 m的立方體模型，獲得油頁巖熱傳導(dǎo)系數(shù)、彈性模量以及熱膨脹系數(shù)等物理參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律；荷蘭殼牌公司進行電加熱原位轉(zhuǎn)化工藝(electric-insuit conversion process，E-ICP)實驗，在平均厚度為286 m的油頁巖層中鉆了70～100口直徑為0.165 m的加熱井，為開發(fā)深層油頁巖提供新途徑，能在一定程度上緩解對常規(guī)能源的依賴[9]；高誠等[10]對油頁巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行成像，獲得了原位開采油頁巖過程中形成的微孔對最終產(chǎn)物的影響規(guī)律。以上學(xué)者的研究推進了油頁巖電加熱原位改性的發(fā)展，但是其研究對象均為厚層油頁巖，而中國存在很多薄層油頁巖礦藏，其電加熱改性的溫度場分布與厚層存在較大差異。在前人研究基礎(chǔ)上，現(xiàn)針對構(gòu)建薄層油頁巖模型，進行薄層油頁巖電加熱原位改性溫度場數(shù)值模擬，解決中國薄層油頁巖原位開采面臨的難題。

1 薄層油頁巖原位開采模型構(gòu)建

1.1 薄層油頁巖三維幾何模型的建立

針對中國特殊地理特征及油頁巖形成條件，以埋藏深度在500 m以下、厚度僅4 m的超薄層油頁巖層為研究對象，利用ANSYS的DesignModeler模塊，建立薄層油頁巖三維幾何模型，如圖1所示。模型主要分類如下：中間是長和寬為50 m，厚為4 m共 10 000 m3的均勻油頁巖層，上下部分為長和寬為50 m，厚為25 m共6.25×104m3的巖石層，在油頁巖層中心打一個長度為25 m、直徑為1 m、傾角為2°的水平井，并在其中插入導(dǎo)熱棒。

圖1 薄層油頁巖三維幾何模型

1.2 薄層油頁巖傳熱模型

油頁巖原位電加熱是通過加熱導(dǎo)熱棒來提高油頁巖層溫度從而促使其原位分解，加熱棒產(chǎn)生的熱量遵循功率與熱量方程為[11]

Q=Pt

(1)

式(1)中：t為加熱時間；P為加熱棒功率；Q為加熱棒在加熱時間t后產(chǎn)生的熱量。

薄層油頁巖的加熱原理為存在溫度差的兩部分會通過熱運動和碰撞的方式進行熱量傳遞，且熱傳導(dǎo)的兩個物體必須接觸。由傅里葉熱傳導(dǎo)定律可知，熱傳導(dǎo)方程遵循式(2)及邊界條件[式(3)][12]

(2)

T(x,y,z,t)=T(x,y,z,T′)

(3)

式中，λT為油頁巖熱傳導(dǎo)系數(shù)；t1、t2為加熱起始時間；x、y、z分別為坐標(biāo)軸3個不同方向；T′為油頁巖初始溫度；T為油頁巖加熱后溫度[13]。

1.3 薄層油頁巖溫度相關(guān)參數(shù)

薄層油頁巖原位開采時對加熱棒進行持續(xù)加熱，油頁巖初始溫度為25 ℃，加熱棒為灰鑄鐵[14]，加熱功率為106W,油頁巖密度為1.95×103kg/m3，比熱為1.1×103J/(kg·K)。在原位電加熱開采中,趙帥等[15]把熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱介電常數(shù)當(dāng)做固定值進行高壓工頻熱解扶余油頁巖的溫度場模擬；孫旭等[16]在井位討論中把熱傳導(dǎo)系數(shù)當(dāng)做固定值來計算；郭晉宇等[17]在水平井電加熱油頁巖過程的數(shù)值模擬中將熱傳導(dǎo)系數(shù)當(dāng)做固定值來計算；研究發(fā)現(xiàn)實際不同溫度下油頁巖熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱介電常數(shù)也不相同[18]。在厚層油頁巖原位開采中可忽略熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱介電常數(shù)隨溫度變化值，但改忽略在薄層油頁巖原位加熱中會帶來很大誤差，故需考慮該變化，研究礦區(qū)對象質(zhì)地均勻，在數(shù)值模擬過程中采用的熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱介電常數(shù)隨溫度變化關(guān)系如表1所示[19]。

表1 熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱介電常數(shù)隨溫度變化關(guān)系

2 薄層油頁巖原位電加熱數(shù)值模擬流程

薄層油頁巖原位電加熱數(shù)值模擬流程如圖2所示，利用ANSYS中的DesignModeler建立薄層油頁巖三維幾何模型，定義油頁巖這種新材料，將油頁巖的密度、導(dǎo)熱系數(shù)以及比熱容等參數(shù)賦予油頁巖[20]；再進入瞬態(tài)熱分析(Transient Thermal)的 Mechanical 模塊，利用mesh對薄層油頁巖三維幾何模型進行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格質(zhì)量為0.8，網(wǎng)格數(shù)量為2 588 361，在Transient Thermal中進行數(shù)值模擬分析，對分析的初始條件進行設(shè)定，定義初始溫度、添加熱源功率和對流換熱系數(shù)等；然后初始化運行并計算仿真結(jié)果，最后在Solution中進行溫度場以及熱通量等結(jié)果的分析。

圖2 薄層油頁巖原位電加熱數(shù)值模擬流程圖

3 薄層油頁巖原位電加熱數(shù)值模擬結(jié)果分析

薄層油頁巖溫度場分布如圖3所示，可以看出，薄層油頁巖溫度場擴散范圍與有效加熱體積隨加熱時間增加而增大，油頁巖加熱溫度場分布大致呈橢圓形狀向外擴散。薄層油頁巖溫度變化大致可分為：①快速升溫階段，該階段從加熱開始一直持續(xù)到第3年基本達到裂解飽和。薄層油頁巖平均溫度由初始25 ℃升溫到275.2 ℃，平均每年提升83.4 ℃；持續(xù)加熱3年后，薄層油頁巖有效加熱體積共約2 876 m3，平均每年增加958 m3；②緩慢升溫階段，該階段薄層油頁巖層平均溫度及有效加熱體積已趨于穩(wěn)定，從加熱第3年到第5年，薄層油頁巖平均溫度由275.2 ℃升至298.7 ℃，溫度年平均增長量為8～15 ℃。該階段結(jié)束時有效加熱體積約為3 215 m3，平均每年增加約200 m3，第5年的加熱僅使油頁巖有效加熱體積增加了4%。

圖3 薄層油頁巖加熱溫度場

薄層油頁巖升溫速率和有效加熱體積隨時間變化分別如圖4、圖5所示。

由圖4可知，加熱過程中薄層油頁巖整體溫度不斷升高，但升溫速率卻不斷降低，前3年平均溫度分別為112、216.6、275.2 ℃，平均升溫速率分別為112、104.6、58.6 ℃/年；第4年和第5年平均溫度分別為287.4、298.7 ℃，平均升溫速率為12.2、8.6 ℃/年，升溫速率曲線趨于恒定且速率很低。由圖5可知，前3年平均有效加熱體積為958.7 m3/年，第4年和第5年降至200 m3/年。由此可見薄層油頁巖的裂解過程主要發(fā)生在前3年，之后雖有增長，但是增長緩慢，繼續(xù)加熱經(jīng)濟效益不大。

圖4 升溫速率隨時間變化曲線

圖5 效加熱體積隨時間變化曲線

4 結(jié)論

針對中國特殊的薄層油頁巖結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件中瞬態(tài)熱分析模塊，建立薄層油頁巖原位電加熱模型，研究加熱5年內(nèi)薄層油頁巖中溫度場分布，得到如下結(jié)論。

(1)在持續(xù)加熱過程中，薄層油頁巖整體溫度不斷升高，但升溫速率卻在不斷降低。

(2)薄層油頁巖有效加熱體積在1～3年時增長最快，在加熱3年后溫度場基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)加熱，經(jīng)濟效益不大。

(3)薄層油頁巖電加熱原位改性技術(shù)，可以在較短時間范圍就有較大的裂解范圍，具有周期短、出油快等優(yōu)點。