高溫高壓蒸汽作用下油頁巖滲透實驗研究

高溫高壓蒸汽作用下油頁巖滲透實驗研究

目前，我國的石油利用技術(shù)主要集中在地面干燥劑的制備、擠出機燃料的發(fā)電等方面。通常，用于破碎和提取的油頁巖通常是在油頁巖干燥箱中干燥劑的。在這種傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式中，研磨燃燒具有低使用效率、高污染和高成本的特點。此外，從水中排出的氣體中含有有毒氣體和污染物，對環(huán)境造成嚴重影響。此外，工業(yè)干燥爐中的廢物數(shù)量很大，很難回收和利用。目前,利用高溫蒸汽熱力采油技術(shù)在石油工業(yè)中得到了廣泛的應用,技術(shù)已經(jīng)很成熟,并取得了很好的經(jīng)濟效益,但油頁巖礦床與傳統(tǒng)的石油油藏相比,在沉積環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、物理性質(zhì)、化學性質(zhì)、礦物組成以及滲透特性等方面是截然不同的.因此,利用高溫蒸汽原位加熱開采頁巖油對于目前的石油工業(yè)是一個嶄新的課題.1油頁巖蒸汽干燥劑的滲透實驗1.1試驗裝瓶準備實驗樣品采自中國遼寧撫順西露天礦,在現(xiàn)場用瀝青封裹,運回室內(nèi)再根據(jù)實驗需要將所取的巖樣加工成Φ5cm×10cm的標準圓柱體試件.1.2高溫高壓干餾焦的制備首先稱得油頁巖試件干餾前的質(zhì)量,然后將油頁巖進行高溫高壓水蒸汽干餾.將油頁巖裝入太原理工大學研制的高溫高壓干餾釜內(nèi)(如圖1),向干餾釜內(nèi)注入高溫高壓過熱水蒸汽,利用高溫高壓過熱水蒸汽加熱油頁巖并帶出產(chǎn)物.實驗中最高干餾溫度為600℃.干餾后再測試油頁巖試件的質(zhì)量.1.3油頁巖的熱重經(jīng)測試,試件干餾前質(zhì)量為0.40kg,干餾后質(zhì)量為0.33kg,試件失重率為17.50%.根據(jù)現(xiàn)場資料,撫順油頁巖中的油母、輕質(zhì)烷烴、瀝青、水分、揮發(fā)成分等總質(zhì)量一般在13%～17%,因此采用高溫高壓水蒸汽可以較好地置換油頁巖中的油母質(zhì),達到較高的采收率.自然狀態(tài)下,天然的油頁巖是一種滲透性和孔隙率極低的泥質(zhì)頁巖,油母以固態(tài)的形式賦存于油頁巖中并融為一體,油頁巖內(nèi)部的微小層理,在地下原位完全處于閉合狀態(tài).實驗證明:致密的油頁巖經(jīng)過高溫蒸汽干餾后,由于固態(tài)的油母質(zhì)大量熱分解,會在油頁巖內(nèi)部形成很多的孔隙,這些孔隙的形成和連通會極大地提高油頁巖的滲透性;加之頁巖本身具有不均勻的熱膨脹性,會在頁巖沉積的層理方向產(chǎn)生熱破裂,形成大量的水平裂隙,如圖2.所以,裂隙和孔隙的形成和產(chǎn)生有利于對流形式的加熱介質(zhì)加熱油頁巖,并且有利于熱解流體的傳輸和排出.2注汽井/采采注汽井段按照太原理工大學的發(fā)明專利“對流加熱油頁巖開采油氣的方法”,一種對流加熱油頁巖開采油氣的方法,其步驟是:首先在地面布置、施工群井,鉆井進入油頁巖礦層處理層段,采用群井壓裂方式,產(chǎn)生巨型的沿礦層展布方向的裂縫,使群井內(nèi)所有井眼沿油頁巖層連通,然后間隔輪換選擇注汽井與采油井,將鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓過熱水蒸汽通過管道直接從注汽井注入礦層,使油頁巖層中的油母熱分解后形成油氣,通過低溫蒸汽或水攜帶油氣從生產(chǎn)井排至地面,如圖3.地下原位注蒸汽開采油頁巖解決了兩個難題,一是降低了生產(chǎn)成本,縮短了開發(fā)周期;二是極大地減輕了對環(huán)境的嚴重污染,特別是堆放大量尾渣形成的污染.3原位注蒸汽開發(fā)的基本假設(shè)油頁巖原位注蒸汽開發(fā)過程是一個復雜的物理化學過程,其中涉及水蒸汽及其冷凝水的滲流、熱量的傳遞、固體變形、油頁巖的高溫熱解、油氣的產(chǎn)出和運移等.在上述研究的基礎(chǔ)上,依據(jù)多場耦合作用的學術(shù)思想,建立油頁巖熱解過程的固體應力、水蒸汽及其冷凝水傳輸、傳熱耦合作用的數(shù)學模型.與傳統(tǒng)的石油油藏注蒸汽開發(fā)相比,同樣在油頁巖原位注蒸汽開發(fā)過程中存在著隨蒸汽不斷注入而增長的高溫蒸汽帶和溫度不斷降低而形成的蒸汽冷凝帶.因為油頁巖的最佳熱解溫度在350～550℃之間,所以要求蒸汽鍋爐必須產(chǎn)出超過550℃的過熱水蒸汽,因此,在如此高的溫度上很難確定汽相和液相在多孔介質(zhì)中的相對飽和度.油頁巖原位注蒸汽開發(fā)過程中更是沒有相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗得以借鑒,所以典型的兩相雙流體模型很難運用到實際開發(fā)過程中.與兩相不混溶流體雜亂分布的相界面相比,水蒸汽和冷凝水隨溫度和壓力的變化存在明顯的兩相界面,因此為了使建立的數(shù)學模型既能反映物理本質(zhì),又不致使問題過于復雜而難以求解,本文引入以下基本假設(shè):(1)油頁巖在注入高溫蒸汽后,其滲透性與傳統(tǒng)石油油藏相比還是有一定差距,蒸汽和冷凝水的滲流通道主要集中在極小的微孔隙和微裂隙中,可以認為是一種被流體所飽和的高壓力狀態(tài)下的滲流.(2)由于油頁巖產(chǎn)油率很低(平均產(chǎn)油率為5%),所以在油頁巖原位注蒸汽開發(fā)過程中可以忽略掉極少量頁巖油和少量裂解氣體的流動,通過溫度場分布的大小來判斷油頁巖是否熱解完畢.(3)因為水蒸汽和冷凝水隨溫度和壓力的變化存在明顯的兩相界面,因此,認為油頁巖礦床在高溫區(qū)為高溫水蒸汽所飽和,在低溫區(qū)為蒸汽冷凝水飽和.其相界面滿足熱力學平衡下的Clausius-Clapeyron方程T=8.75p0.225+255.2,式中,T為飽和溫度,K;p為飽和壓力,Pa.(4)忽略汽、液兩相界面處表面張力的影響,認為在汽、液兩相界面兩側(cè)的氣體壓力與液體壓力相同.(5)考慮水蒸汽的密度、黏度隨溫度和壓力的變化.(6)油頁巖高溫熱分解化學反應為吸熱反應,因此在能量守恒方程中不能忽略掉化學反應熱這一項.(7)油頁巖可簡化為連續(xù)介質(zhì)巖體,完全滿足彈性力學的應力平衡方程和本構(gòu)關(guān)系,且需要考慮孔隙壓力和熱應力的影響.3.1溫度和壓力對油頁巖滲透特性的影響高溫區(qū)水蒸汽滲流控制方程可表述為div(ρgqi)=?(nρg)?t,(1)div(ρgqi)=?(nρg)?t,(1)式中,ρg為水蒸汽密度;qi(i=x,y,z)分別為x,y,z方向單位時間內(nèi)流體的流量;n為油頁巖孔隙率;t為時間.水蒸汽在油頁巖中的滲流服從非線性滲流規(guī)律,其滲透率是作用于巖體上的體積應力、孔隙壓力和溫度的函數(shù),按主滲透方向,其滲流本構(gòu)方程為qi=kiμgp,i,(2)qi=kiμgp,i,(2)式中,ki=ki(Θ+p+T)(i=x,y,z)分別為油頁巖地層在x,y,z方向的滲透率;μg為水蒸汽的動力黏度;p為孔隙壓力.楊棟等人通過實驗認為,高溫蒸汽在油頁巖礦床中的滲透率ki是作用于基質(zhì)巖塊上的體積應力和孔隙壓力的指數(shù)函數(shù);同時油頁巖原位注蒸汽開發(fā)過程是一個非穩(wěn)態(tài)的傳導、對流傳熱過程,其溫度場隨時間在不斷變化,所以還應該考慮由于油頁巖本身的不均勻熱膨脹性而產(chǎn)生的熱破裂對油頁巖滲透特性的影響,即ki=aexp(bΘ+cp+dT),(3)式中,a,b,c,d為實驗常數(shù);Θ為體積應力,Θ=σ1+σ2+σ3;T為溫度.氣體的黏度在壓強和溫度變化時也會發(fā)生變化.氣體的黏度在低壓時(低于3MPa),溫度升高,黏度增加,壓力則對黏度的影響不大.高溫水蒸汽的動力黏度在低壓時隨溫度變化有關(guān)系式μg=(2.77+4.40×10-3T)×8.64×10-6,(4)式中,μg的單位為Pa·s;T的單位為K.由于溫度和壓力的變化,氣體不能按理想氣體處理,高溫蒸汽氣體狀態(tài)方程為ρg=pRΤ(z(p,Τ)),(5)式中,R為氣體常數(shù);z為氣體壓縮因子.天然油頁巖是一種滲透性和孔隙率極低的泥質(zhì)頁巖,油母以固態(tài)的形式賦存于油頁巖中并融為一體,致密的油頁巖經(jīng)過高溫干餾后,由于固態(tài)的油母質(zhì)大量熱解,會在油頁巖內(nèi)部形成很多的孔隙,同時會產(chǎn)生大量的熱破裂裂隙,所以油頁巖在注蒸汽后其孔隙率n不再是一個常數(shù),而是溫度的函數(shù),通過實驗可以獲得,即n=n(T).(6)將式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)代入式(1)得??x[kxz(p,Τ)μg(Τ)?p2?x]+??y[kyz(p,Τ)μg(Τ)?p2?y]+??z[kzz(p,Τ)μg(Τ)?p2?z]=n(Τ)p??t[p2z(p,Τ)].(7)上式即為油頁巖原位注蒸汽開發(fā)過程中高溫區(qū)蒸汽滲流控制方程式.低溫區(qū)冷凝水滲流控制方程為div(ρwqi)=?(nρw)?t,(8)其中,qi=kiμwp,i,(9)式中,ρw為水的密度;μw為水的動力黏度.同樣,油頁巖在低溫冷凝區(qū)的滲透率ki也是體積應力、孔隙壓力和溫度的函數(shù),仍然滿足ki=aexp(bΘ+cp+dT).(10)考慮到水的微可壓縮性,有關(guān)系式?ρw?t=βρw?p?t,(11)式中,β為水的壓縮系數(shù).將式(6)、(9)、(10)、(11)代人式(8)得??x[kxμw?p?x]+??y[kyμw?p?y]+??z[kzμw?p?z]=n(Τ)β?p?t.(12)上式即為油頁巖原位注蒸汽開發(fā)過程中低溫區(qū)冷凝水滲流控制方程式.3.2油頁巖熱分解動力學方程對油頁巖高溫熱解化學反應動力學方程研究的主要目的就是要得到其本征反應的動力學參數(shù).半個世紀以來,國內(nèi)外許多學者都對油頁巖的熱分解機理進行過不少研究.一般認為,油頁巖中有機質(zhì)熱解過程是二段分解,第一階段是有機質(zhì)受熱生成熱解瀝青,可溶于一般有機溶劑;第二階段是熱解瀝青進一步受熱分解生成頁巖油、水、焦炭、和氣體(CO2、CO、H2S、H2、CH4、和CnHn等).油頁巖熱分解化學反應動力學方程可用阿侖尼烏斯(Arrhenius)公式表示,即dx/dt=A(1-x)me-E/RT,(13)式中,x為在溫度T時反應物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率;A為指數(shù)前因子;m為反應級數(shù);E為表觀活化能.王劍秋、王廷芬、楊繼濤等對撫順和茂名油頁巖本征動力學方面曾做了不少研究工作,主要結(jié)果是:得到了撫順和茂名油頁巖熱解轉(zhuǎn)換率隨熱解溫度的變化曲線,認為撫順和茂名油頁巖的主要熱解階段在400～500℃,熱解反應為一級反應,表觀活化能分別為(19.7～23.1)×104J/mol和(13.0～16.4)×104J/mol,指數(shù)前因子分別為6.6×1010～5.4×1013s-1和7.8×105～1.6×108s-1.3.3流體的熱傳導在油頁巖原位注蒸汽開發(fā)過程中,高溫加熱后的油頁巖礦床會產(chǎn)生大量孔隙、裂隙,因此固體骨架和流體共同存在于同一個體積空間,但它們具有不同的熱動力特性,如比熱容和熱傳導系數(shù)等.因此固體骨架和流體的能量守恒方程需要分別定義.油頁巖固體骨架能量守恒方程定義為(1-n)(ρscps?Τ?t=(1-n)λs?Τ2+(1-n)qs,(14)式中,ρs為油頁巖的密度;cps為油頁巖的比熱;λs為油頁巖的熱傳導系數(shù);qs為固體源匯相.對于流體,相應的能量守恒方程可定義為nρlcpl?Τ?t+ρlcpl(vl??)Τ=nλl?Τ2+nql,(15)式中,ρl為流體的密度;cpl為流體的定壓比熱;vl為流體流速;λl為流體的熱傳導系數(shù);ql為流體源匯相;下標l分別代表汽相g和液相w.對于單相流體,假設(shè)固體和流體之間總是處于熱平衡狀態(tài),將式(14)、(15)迭加,即可以得到統(tǒng)一的能量守恒方程ρtcpt?Τ?t+ρlcpl(vl??)Τ=λt?Τ2+qt,(16)式中,ρt、cpt、λt、qt分別為充滿了流體的多孔介質(zhì)的密度、比熱、熱傳導率和源匯相,其中ρt=nρl+(1-n)ρs;cpt=ncpl+(1-n)cps;λt=nλl+(1-n)λs.油頁巖高溫熱解化學反應為吸熱反應,所以在能量守恒方程中不能忽略掉化學反應熱這一項,可以把其作為源匯相加到能量守恒方程中,因此,式(16)中qt=-Ηdxdt,(17)H為單位質(zhì)量油頁巖熱解反應吸熱量.把式(13)代入式(17)得qt=-HA(1-x)me-E/RT.(18)將式(18)代入式(16)得ρtcpt?Τ?t+ρlcpl(vl??)Τ=λt?Τ2-ΗA×(1-x)me-E/RΤ,(19)此式即為油頁巖原位注蒸汽開發(fā)過程中考慮了流體對流傳熱以及化學反應熱的能量守恒方程.3.4力疊加作用下的力-應變耦合控制巖體內(nèi)溫度場與應力場的耦合作用是通過巖體內(nèi)溫度場分布發(fā)生改變而發(fā)生的.當溫度場發(fā)生變化時,產(chǎn)生熱應力,熱應力的大小可以改變孔隙體積和裂隙的寬度,從而改變了巖體的滲透性.假設(shè)油頁巖為理想彈性體,按照彈性力學的基本理論,基質(zhì)巖塊靜力平衡方程為σij,i+Fj=0.(20)根據(jù)線性熱應力疊加原理得到考慮溫度和內(nèi)部孔隙壓力變化作用的各向同性彈性巖體應力-應變關(guān)系式為σij=γδijθ+2Gεij+αδij(p-p0)+ωδij(T-T0).(21)將式(21)和應變位移關(guān)系代入式(20),可以得到用位移表示的包含孔隙壓力、熱應力耦合項的修正Navier平衡方程(γ+G)uj,ji+Gui,jj+(αδijp),i+(ωδijT),i+Fi=0.(22)式中,σij為應力張量分量;Fi為體積力分量;γ與G為拉梅常數(shù);α為Biot系數(shù);ω=ΚE1-2υ為熱應力系數(shù),其中K為油頁巖各向同性熱膨脹系數(shù),E和υ為油頁巖的彈性模量和泊松比;θ為體積應變;εij為應變張量分量;ui為巖石位移向量;δij為Kronecker符號;p0和T0為油頁巖地層初始孔隙壓力和溫度.式(7)、(12)、(13)、(19)、(22)共同構(gòu)成了油頁巖原位注蒸汽開發(fā)過程中的固、流、熱、化學耦合數(shù)學模型.施加一定的初始條件和邊界條件,即可求解上述耦合控制方程組.4原位注蒸汽開發(fā)油頁巖的研究(1)在目前生產(chǎn)頁巖油和油頁巖發(fā)電成本居高不下、環(huán)境污染嚴重的狀況下,提出了對油頁巖進行原位注蒸汽開發(fā)的一條新途徑,并且對撫順西露天礦油頁巖進行了高溫高壓蒸汽作用下的干餾滲透實驗.結(jié)果表明:高溫高壓蒸汽作