肖界先 高德利 王正旭

摘要：為了解決電磁原位加熱導熱、導電性能差的稠油儲層時存在溫度偏低的問題，提出了基于助劑注入的電磁原位加熱技術，并建立了考慮稠油儲層熱性質隨溫度動態(tài)變化的電熱耦合數(shù)學模型，開展了電磁加熱室內試驗以驗證數(shù)學模型的準確性，比較了助劑注入前、后儲層的電場和溫度分布以評估電磁加熱性能，最后分析了助劑導電和導熱性質對儲層溫度分布的影響規(guī)律。研究結果表明：室內試驗證實了電熱耦合數(shù)學模型的準確性，助劑注入后電磁原位加熱稠油儲層的溫度明顯升高；在一定徑向范圍內，助劑電導率的增大有助于提高儲層溫度；儲層徑向溫度隨著助劑比熱容和導熱系數(shù)的減小而升高。研究結果證實了基于助劑注入的電磁原位加熱技術在解決加熱溫度偏低的問題上可行。

關鍵詞：稠油開采；電磁原位加熱；助劑注入；模擬試驗；溫度分布；電熱耦合

0 引 言

原位加熱技術是實現(xiàn)稠油資源大規(guī)模清潔開發(fā)的重要途徑之一，根據(jù)熱能傳遞方式的不同，可將其分為熱傳導、熱對流和輻射加熱3種類型［1］。電磁加熱技術通過熱輻射將電磁能轉化為熱能以達到原位開采稠油的目的［2-4］，整個過程呈現(xiàn)體積加熱的特點，即對介質的內部和外部同時進行加熱，加熱速率高，加熱更充分。

國外學者H.W.RITCHEY［5］于1956年首次提出運用電磁波輻射降低重油黏度的構思。近年來，電磁原位加熱技術發(fā)展迅速，2012年，加拿大Steepbank礦場開展了一項稱為“ESEIEH”的項目，其關鍵技術是依靠天線輻射的電磁波加熱油砂［6］。隨后M.BIENTINESI等［7］實施的電磁加熱試驗證明該技術有利于降低重油黏度。2018年，Harris公司研發(fā)的“Heatwave”技術在加拿大的重油和油砂資源進行開采測試，現(xiàn)場測試獲得成功，該技術采用天線向儲層內輻射頻率為6.78 MHz的電磁波，最大加熱距離達到12.5 m［8］。目前，我國開展的電磁加熱技術研究主要用于解決地面管匯堵塞、凝析油解堵、井筒防蠟和油氣舉升困難等問題［9-13］，而對電磁原位開采稠油技術的研究尚處于探索階段。

電磁原位加熱導熱、導電性能差的稠油儲層時溫度偏低，難以實現(xiàn)稠油資源的高效開發(fā)［14］。為了解決該問題，筆者創(chuàng)新提出基于助劑注入的電磁原位加熱技術，建立了考慮儲層熱性質隨溫度動態(tài)變化的電熱耦合數(shù)學模型，開展了電磁加熱室內試驗以驗證模型的準確性，最后通過對比助劑注入前、后的數(shù)值模擬結果，評估了基于助劑注入的電磁原位加熱技術性能。所得結果可為電磁原位開采稠油技術現(xiàn)場應用提供參考。

1 基于助劑注入的電磁原位加熱技術

基于助劑注入的電磁原位加熱技術工作原理是：通過將電磁能轉化為熱能以達到儲層升溫的目的，與常規(guī)蒸汽熱采技術相比，具有能量利用率高和綠色環(huán)保的優(yōu)勢。采用該技術加熱前，首先對儲層進行壓裂作業(yè)，形成水力裂縫和縫網(wǎng)區(qū)，然后在該區(qū)域注入助劑，使得儲層更適宜電磁加熱開采。圖1展示了基于助劑注入的水平井電磁原位加熱工藝概念設計。該技術地面設備主要包括采油樹、儲油罐及控電柜等設施，用于開采、儲存原油和供電。電磁發(fā)生器置于水平井眼內，通電后向注入助劑后的儲層持續(xù)輻射電磁能。目前電磁發(fā)生器工作所需電能主要來源于火電、水電及氣電等。隨著相關技術的成熟，以光伏和風電為代表的新能源電力有望成為重要的電力來源，這不僅能明顯減小蒸汽生成時排放的大量二氧化碳，實現(xiàn)油氣清潔開發(fā)，也符合當前我國制定的“雙碳”戰(zhàn)略目標。

2 電熱耦合模型建立

2.1 幾何模型

電磁原位加熱實施過程中，電磁發(fā)生器是輻射電磁能的核心部件。受水平井眼空間尺寸的限制，電磁發(fā)生器的外形需要適應井下狹小的空間，因此，線性天線被優(yōu)選為電磁發(fā)生器的元件。為了快速計算稠油儲層的溫度分布，將圖1所示的三維模型簡化為圖2所示的二維軸對稱幾何模型。其中儲層長度h=100 m，儲層半徑r=10 m，天線長度La=90 m，天線間隙ga=0.01 m，井筒半徑rw=0.1 m。幾何模型關于X軸對稱，其坐標原點位于儲層的中心位置，r軸表示徑向距離。天線置于水平井眼內，由2根相同的細長圓柱形金屬導體構成，其間留有微小間隙，用于給天線饋電。

以上電熱耦合模型假設稠油儲層不含磁介質、均質、各向同性分布。運用有限元方法對建立的數(shù)學模型進行求解，設定加熱時間為180 d，步長為20 d。最后采用單一變量法研究助劑性質對儲層溫度分布的影響規(guī)律。

2.2.4 模型驗證

為了驗證數(shù)學模型的準確性，設計了如圖3所示的試驗裝置。試驗裝置主要由腔體筒、保護筒、波導、光纖溫度傳感器、電磁波發(fā)生器和控制柜組成。其中腔體內徑和高度分別為1.0和1.4 m，保護筒內徑和高度分別為0.2和1.4 m。加熱原理是天線向腔體內輻射電磁波（頻率為915 MHz，功率為10 kW）以達到加熱的目的。試驗所用的油砂樣品（編號為A、B和C）密度為1 980 kg/m3，導熱系數(shù)為0.94 W/（m·℃），比熱容為900 J/（kg·℃），電導率為0.03 S/m，相對介電常數(shù)為8.4；石英砂密度為2 100 kg/m3，導熱系數(shù)為0.3 W/（m·℃），比熱容為700 J/（kg·℃），電導率為0.002 S/m，相對介電常數(shù)為2.1。油砂樣品與天線軸線間距值L分別設定為0.4、0.3和0.2 m。測量的溫度數(shù)據(jù)用于驗證數(shù)學模型的準確性。

加熱2 h后，油砂樣品A、B和C在不同時刻的溫度測量結果和計算值對比如圖4所示。由圖4可知：距天線越近的油砂樣品溫度越高；在1 h內，數(shù)值模擬的計算結果大于試驗實測的溫度值。這是石英砂內存在的水分吸收了部分電磁能，導致結果存在誤差。在1～2 h內，實測的16個溫度數(shù)據(jù)與溫度計算值的相對誤差為0.37%，說明溫度計算結果與試驗數(shù)據(jù)很接近，驗證了電熱耦合數(shù)學模型的準確性。

3 助劑注入前后模擬結果對比

3.1 電場分布對比

運用驗證后的電熱耦合模型進行計算，得到如圖5所示的儲層電場分布三維圖。電磁加熱頻率f恒為8.0 MHz。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，天線附近儲層電場強度高，但隨著徑向距離的增大，電場強度逐漸減小。這是天線輻射出的電磁波首先被天線附近的儲層吸收，隨著加熱深度的增加，電磁波逐漸衰減的緣故。此外，天線中間位置附近的電場強度較大，天線兩端的電場強度較小。通過對比助劑注入前、后的儲層電場分布，注入助劑后，儲層電場強度明顯增大，表明助劑注入儲層縫網(wǎng)區(qū)后提高了儲層的導電能力，電場強度增大。

3.2 溫度分布對比

圖6為助劑注入前、后儲層溫度三維分布圖。由圖6可知：儲層溫度分布呈現(xiàn)橢圓狀，最高溫度位于天線中垂線的井筒處，且儲層溫度分布關于天線中垂線（r坐標方向）對稱；隨著徑向距離的增大，溫度逐漸降低，這是電磁波在儲層內輻射的過程中電磁能逐漸衰減的緣故。另外，溫度分布區(qū)域形狀與電場分布區(qū)域形狀相似，說明了電場強度較高的分布區(qū)域產生了更多的熱能，儲層溫度更高。通過對比，助劑注入后儲層的溫度明顯提升，說明助劑改善了儲層的導熱和導電性能，增強了儲層吸收電磁波和傳熱能力。以上分析表明，基于助劑注入的電磁原位加熱技術具有增強儲層升溫的效果。

為了觀察并對比助劑注入前、后的溫度變化情況，繪制了儲層徑向（x=0）和儲層縫網(wǎng)邊緣（r=10 m）的溫度分布曲線，如圖7所示。觀察圖7a可知：助劑注入后儲層的最高溫度由225 ℃升高至260 ℃；當r=10 m時，溫度最低值位于儲層縫網(wǎng)邊緣，為115 ℃，高于初始溫度70 ℃，說明儲層被充分加熱且加熱半徑大于10 m。從圖7b可以發(fā)現(xiàn)：儲層縫網(wǎng)邊緣中間區(qū)域的溫度最高，兩端的溫度分布較低;最低溫度值仍高于70 ℃，表明沿井眼軸向的加熱距離大于100 m。

4 助劑性質對儲層溫度分布的影響

下面分析助劑導電和導熱性能對儲層溫度分布的影響規(guī)律，包括電導率、比熱容和導熱系數(shù)。

4.1 助劑電導率的影響

電導率是表征介質傳導電流能力的指標。圖8為助劑電導率對儲層溫度的影響曲線。

由圖8可知：在05 m時的溫度變化規(guī)律一致。以上分析結果表明，在一定徑向范圍內，助劑電導率的增大有助于提高儲層溫度。

4.2 助劑導熱性的影響

助劑導熱性包括助劑的比熱容和導熱系數(shù)。圖9和圖10分別展示了助劑比熱容和導熱系數(shù)對儲層溫度分布的影響規(guī)律。

由圖9和圖10可知，儲層徑向溫度隨著助劑比熱容和導熱系數(shù)的減小而升高，表明減小助劑比熱容和導熱系數(shù)有助于提高電磁加熱過程中儲層的溫度值。因此，當電磁原位加熱稠油儲層存在加熱溫度低的問題時，可選取比熱容和導熱系數(shù)較小的助劑來提高儲層溫度。

5 結論與建議

（1）油砂溫度計算數(shù)據(jù)與實測的溫度數(shù)據(jù)相對誤差為0.37%，驗證了考慮儲層熱性質隨溫度動態(tài)變化的電熱耦合數(shù)學模型的準確性，為后續(xù)數(shù)值模擬結果的有效性奠定了基礎。

（2）助劑注入儲層后其電場強度和溫度明顯提高，表明助劑改善了儲層的導熱和導電性能，提高了儲層對電磁波的吸收能力，表明助劑注入的電磁原位加熱技術在解決加熱溫度偏低的問題上的可行。

（3）在一定徑向范圍內，助劑電導率的增大有助于提高儲層溫度；儲層徑向溫度隨著助劑比熱容和導熱系數(shù)的減小而增加，該結論為電磁原位加熱過程中助劑的優(yōu)選提供了依據(jù)。

（4）基于助劑注入的電磁原位加熱技術具有多學科交叉的特點，稠油熱采過程中涉及壓裂、助劑注入和電熱轉化等多種工藝，建議在數(shù)值模擬結果的基礎上，逐步開展電磁加熱裝備研發(fā)和全尺寸模擬試驗，為該技術先導試驗的實施提供了技術參考。

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