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农安和桦甸油页岩力学性能及其水力压裂与破碎关键参数研究

严轩辰  
【摘要】:近年来,随着全球石油需求不断上升,国际油价持续走高,使得世界各国都在积极寻找石油替代资源。油页岩作为石油替代品,越来越引起人们的重视。大力开发油页岩,具有重要的现实意义。世界油页岩储量约5500亿吨,如果将其折算成页岩油,其储量相当于目前探明的天然原油可采量的5.4倍。我国油气资源短缺,国家中长期科学和技术发展规划纲要和国家“十一五”规划纲要中明确提出优先发展深层油气资源勘探开采技术、大规模低品位油气资源高效开发技术,重点开拓油页岩等非常规油气资源调查勘探,推进油气勘探开发主体多元化。世界油页岩储量新一轮评估数据显示,中国油页岩资源储量位居世界第二位,如果能够充分开发利用我国的油页岩资源,合理高效的提取页岩油,无疑将会为我国国民经济和社会发展带来不可估量的推动作用。 原位开采是一种非常有前景的油页岩开发技术,提高对油页岩层的加热效率是其关键的技术难点。针对已有的油页岩原位开采技术存在的问题提出了在原位开采初始阶段中增加一个油页岩原位压裂和原位破碎的过程。本文从理论上分析了在采用该方法进行原位开采时,通过水力或其他技术手段使井底的油页岩岩层形成裂隙和破碎,油页岩的传热效率将得到提高。通过分析对比水力压裂技术在石油增产中的应用,推断原位压裂油页岩其页岩油提取率将较未破碎油页岩应有显著提高。 首先采用水平孔钻孔技术及其相应的油页岩破碎技术和水力输送技术在油页岩相应埋藏位置处形成某一地下空间(破碎空间),然后采用各种技术措施对这段水平长度以上的油页岩进行压裂和液(气)力作用,使大体积的整体油页岩形成裂隙的开发路线至今为止中国外研究甚少。本文通过分析水力压裂的原理和方法,结合参数计算方法,岩石声波力学实验和力学物理性质实验,研究首先原位破碎油页岩,然后原位压裂的工艺流程及参数计算。研究油页岩的力学性质变化及破坏准则;研究油页岩在水力压裂作用下的裂隙开启、延伸压力及宽度等变化规律;研究油页岩在钻孔水力破碎作用下的破碎方向、水力破碎喷嘴直径、破坏动压力及最大崩解量等参数。揭示油页岩原位压裂影响因素及其规律的研究。研究成果对于提高油页岩原位开采效率,降低原位开采成本具有重要的学术意义和实际应用价值。 本文对采取的吉林省农安油页岩矿石进行声波力学实验和物理力学性能实验的研究。声波力学实验获得农安油页岩在平行于层理和垂直于层理两个方向上的风化系数,岩石完整性系数和动弹性模量等声波力学性质参数。物理力学性能实验获得农安油页岩平行于层理和垂直于层理两个方向上的抗压强度,抗拉强度,弹性模量和泊松比等基本力学原始数据。文章对不同方向的物理力学性能进行了比较。根据相关数据,获得农安和桦甸油页岩水力压裂需要的相关水力参数。计算得到毕奥特系数,平均压力和最小主应力等参数,确定水力压裂中裂隙开启、延伸压力及宽度等参数。确定水力破碎方向,得到水力破碎喷嘴直径、破坏动压力、最大崩解量等参数。 运用理论分析以及参数计算等方法分析油页岩原位压裂过程,结合油页岩水力压裂破碎的计算公式,以农安和桦甸油页岩的力学性质为基础,参考石油中水力压裂工艺流程,初步建立首先采用水平孔钻孔技术及其相应的油页岩破碎技术和水力输送技术在油页岩相应埋藏位置处形成某一地下空间(破碎空间),然后采用各种技术措施对这段水平长度以上的油页岩进行压裂,使大体积的整体油页岩形成裂隙的水力压裂工艺流程。


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