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《太原理工大学》 2007年
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油页岩物理力学特性实验及其原位开采非稳态热传导数学模型研究

薛晋霞  
【摘要】: 油页岩是国际公认的传统石油资源的重要替代资源之一。本文通过实验研究和理论分析,揭示了油页岩的热解特性和渗流规律,建立了油页岩原位开采的非稳态热传导数学模型,并利用该数学模型对不同加热法原位开采油页岩进行了数值实验研究。 本文主要的研究内容及成果如下: 1、通过对油页岩进行大量的热解实验,可知油页岩中的挥发份从350℃开始析出,主要热解油气产出温度范围为400-600℃。 2、通过对大量的油页岩试件进行干馏实验和渗透实验,发现:1)采用高温高压蒸汽可以有效的干馏油页岩和带走干馏产生的页岩油;2)高温高压蒸汽可以显著增加油页岩内部的裂缝数量,提高油页岩的渗透率;3)油页岩的渗透系数是体积应力和孔隙压的函数: K=0.788IEXP(-0.1904(?)+0.2283p-0.0010(?)p) 3、通过把油页岩简化为各向同性模型,进行详细的理论分析和推演,建立了油页岩原位开采的非稳态数学模型。并研究了上述数学模型的数值解法,推导了各相关参数的计算方法,应用Fortran语言编制了油页岩三维数学模型的有限元数值分析程序。 4、通过大量的数值实验,利用经典的热传导数学模型,采用三维有限元法,对油页岩原位传导加热开采过程进行了数值模拟,获得了开采过程中温度随时间的变化规律。主要得出以下成果: 1)在井间距为13米的多井电加热油页岩干馏开采过程中,加热井温度为750℃。随着时间的增长,开采区域油页:岩的温度不断缓慢升高,温度的增长率呈逐年降低的趋势,在开始的4年时间内,温度增长稍快,之后,随着时间的延长,温度增长缓慢,在开采9年左右传热方式逐渐转变为稳态导热,区域中心的温度也仅能达到370℃左右,综合考虑各种因素,此加热井不能继续加热,所以本计算模型的开采周期远大于9年。 2)将上述多井电加热油页岩干馏开采的加热井与采油井交换位置,继续加热开采。5年后,距加热井6米左右的地方温度也仅为500℃,而待采油页岩层与邻近地层的接触面处整体温度很高,说明在整个开采过程中油页岩层向邻近地层散失了大量的热。故认为电加热法原位开采油页岩的技术存在很大的缺陷,这种方法在加热过程中能耗较大且传热缓慢,而为了提高整个采油区域的温度,必需提高注热井的温度,从而导致注热井附近往往产生过热现象,温度难以调节,导致损坏井眼内部设备。 3)在井间距为13米的对流加热油页岩干馏开采过程中,加热温度为600℃,采用单裂缝加热需要4年就可使整个热解区域达到500℃以上,采用双裂缝加热需要1年就可使整个热解区域达到600℃左右。因此对流加热法加热油页岩时热量损失小,加热面大,虽然热源温度比电加热法时的加热井温度低了150℃,但却可以在很短的时间内使整个岩层达到热解温度而完全热解。 总之,通过对电加热法原位开采油页岩技术的数值仿真,发现该技术的实用性较差,成本高,不适合推广使用。而对流加热可以在更短的时间内完成油页岩的热解,在今后油页岩的原位开采中对流加热法将是更为合理的一种方法。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:P618.12

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