高温高压蒸汽作用下油页岩渗透实验研究

高温高压蒸汽作用下油页岩渗透实验研究

目前，我国的石油利用技术主要集中在地面干燥剂的制备、挤出机燃料的发电等方面。通常，用于破碎和提取的油页岩通常是在油页岩干燥箱中干燥剂的。在这种传统的生产模式中，研磨燃烧具有低使用效率、高污染和高成本的特点。此外，从水中排出的气体中含有有毒气体和污染物，对环境造成严重影响。此外，工业干燥炉中的废物数量很大，很难回收和利用。目前,利用高温蒸汽热力采油技术在石油工业中得到了广泛的应用,技术已经很成熟,并取得了很好的经济效益,但油页岩矿床与传统的石油油藏相比,在沉积环境、地质构造、物理性质、化学性质、矿物组成以及渗透特性等方面是截然不同的.因此,利用高温蒸汽原位加热开采页岩油对于目前的石油工业是一个崭新的课题.1油页岩蒸汽干燥剂的渗透实验1.1试验装瓶准备实验样品采自中国辽宁抚顺西露天矿,在现场用沥青封裹,运回室内再根据实验需要将所取的岩样加工成Φ5cm×10cm的标准圆柱体试件.1.2高温高压干馏焦的制备首先称得油页岩试件干馏前的质量,然后将油页岩进行高温高压水蒸汽干馏.将油页岩装入太原理工大学研制的高温高压干馏釜内(如图1),向干馏釜内注入高温高压过热水蒸汽,利用高温高压过热水蒸汽加热油页岩并带出产物.实验中最高干馏温度为600℃.干馏后再测试油页岩试件的质量.1.3油页岩的热重经测试,试件干馏前质量为0.40kg,干馏后质量为0.33kg,试件失重率为17.50%.根据现场资料,抚顺油页岩中的油母、轻质烷烃、沥青、水分、挥发成分等总质量一般在13%～17%,因此采用高温高压水蒸汽可以较好地置换油页岩中的油母质,达到较高的采收率.自然状态下,天然的油页岩是一种渗透性和孔隙率极低的泥质页岩,油母以固态的形式赋存于油页岩中并融为一体,油页岩内部的微小层理,在地下原位完全处于闭合状态.实验证明:致密的油页岩经过高温蒸汽干馏后,由于固态的油母质大量热分解,会在油页岩内部形成很多的孔隙,这些孔隙的形成和连通会极大地提高油页岩的渗透性;加之页岩本身具有不均匀的热膨胀性,会在页岩沉积的层理方向产生热破裂,形成大量的水平裂隙,如图2.所以,裂隙和孔隙的形成和产生有利于对流形式的加热介质加热油页岩,并且有利于热解流体的传输和排出.2注汽井/采采注汽井段按照太原理工大学的发明专利“对流加热油页岩开采油气的方法”,一种对流加热油页岩开采油气的方法,其步骤是:首先在地面布置、施工群井,钻井进入油页岩矿层处理层段,采用群井压裂方式,产生巨型的沿矿层展布方向的裂缝,使群井内所有井眼沿油页岩层连通,然后间隔轮换选择注汽井与采油井,将锅炉产生的高温高压过热水蒸汽通过管道直接从注汽井注入矿层,使油页岩层中的油母热分解后形成油气,通过低温蒸汽或水携带油气从生产井排至地面,如图3.地下原位注蒸汽开采油页岩解决了两个难题,一是降低了生产成本,缩短了开发周期;二是极大地减轻了对环境的严重污染,特别是堆放大量尾渣形成的污染.3原位注蒸汽开发的基本假设油页岩原位注蒸汽开发过程是一个复杂的物理化学过程,其中涉及水蒸汽及其冷凝水的渗流、热量的传递、固体变形、油页岩的高温热解、油气的产出和运移等.在上述研究的基础上,依据多场耦合作用的学术思想,建立油页岩热解过程的固体应力、水蒸汽及其冷凝水传输、传热耦合作用的数学模型.与传统的石油油藏注蒸汽开发相比,同样在油页岩原位注蒸汽开发过程中存在着随蒸汽不断注入而增长的高温蒸汽带和温度不断降低而形成的蒸汽冷凝带.因为油页岩的最佳热解温度在350～550℃之间,所以要求蒸汽锅炉必须产出超过550℃的过热水蒸汽,因此,在如此高的温度上很难确定汽相和液相在多孔介质中的相对饱和度.油页岩原位注蒸汽开发过程中更是没有相关数据和经验得以借鉴,所以典型的两相双流体模型很难运用到实际开发过程中.与两相不混溶流体杂乱分布的相界面相比,水蒸汽和冷凝水随温度和压力的变化存在明显的两相界面,因此为了使建立的数学模型既能反映物理本质,又不致使问题过于复杂而难以求解,本文引入以下基本假设:(1)油页岩在注入高温蒸汽后,其渗透性与传统石油油藏相比还是有一定差距,蒸汽和冷凝水的渗流通道主要集中在极小的微孔隙和微裂隙中,可以认为是一种被流体所饱和的高压力状态下的渗流.(2)由于油页岩产油率很低(平均产油率为5%),所以在油页岩原位注蒸汽开发过程中可以忽略掉极少量页岩油和少量裂解气体的流动,通过温度场分布的大小来判断油页岩是否热解完毕.(3)因为水蒸汽和冷凝水随温度和压力的变化存在明显的两相界面,因此,认为油页岩矿床在高温区为高温水蒸汽所饱和,在低温区为蒸汽冷凝水饱和.其相界面满足热力学平衡下的Clausius-Clapeyron方程T=8.75p0.225+255.2,式中,T为饱和温度,K;p为饱和压力,Pa.(4)忽略汽、液两相界面处表面张力的影响,认为在汽、液两相界面两侧的气体压力与液体压力相同.(5)考虑水蒸汽的密度、黏度随温度和压力的变化.(6)油页岩高温热分解化学反应为吸热反应,因此在能量守恒方程中不能忽略掉化学反应热这一项.(7)油页岩可简化为连续介质岩体,完全满足弹性力学的应力平衡方程和本构关系,且需要考虑孔隙压力和热应力的影响.3.1温度和压力对油页岩渗透特性的影响高温区水蒸汽渗流控制方程可表述为div(ρgqi)=∂(nρg)∂t,(1)div(ρgqi)=∂(nρg)∂t,(1)式中,ρg为水蒸汽密度;qi(i=x,y,z)分别为x,y,z方向单位时间内流体的流量;n为油页岩孔隙率;t为时间.水蒸汽在油页岩中的渗流服从非线性渗流规律,其渗透率是作用于岩体上的体积应力、孔隙压力和温度的函数,按主渗透方向,其渗流本构方程为qi=kiμgp,i,(2)qi=kiμgp,i,(2)式中,ki=ki(Θ+p+T)(i=x,y,z)分别为油页岩地层在x,y,z方向的渗透率;μg为水蒸汽的动力黏度;p为孔隙压力.杨栋等人通过实验认为,高温蒸汽在油页岩矿床中的渗透率ki是作用于基质岩块上的体积应力和孔隙压力的指数函数;同时油页岩原位注蒸汽开发过程是一个非稳态的传导、对流传热过程,其温度场随时间在不断变化,所以还应该考虑由于油页岩本身的不均匀热膨胀性而产生的热破裂对油页岩渗透特性的影响,即ki=aexp(bΘ+cp+dT),(3)式中,a,b,c,d为实验常数;Θ为体积应力,Θ=σ1+σ2+σ3;T为温度.气体的黏度在压强和温度变化时也会发生变化.气体的黏度在低压时(低于3MPa),温度升高,黏度增加,压力则对黏度的影响不大.高温水蒸汽的动力黏度在低压时随温度变化有关系式μg=(2.77+4.40×10-3T)×8.64×10-6,(4)式中,μg的单位为Pa·s;T的单位为K.由于温度和压力的变化,气体不能按理想气体处理,高温蒸汽气体状态方程为ρg=pRΤ(z(p,Τ)),(5)式中,R为气体常数;z为气体压缩因子.天然油页岩是一种渗透性和孔隙率极低的泥质页岩,油母以固态的形式赋存于油页岩中并融为一体,致密的油页岩经过高温干馏后,由于固态的油母质大量热解,会在油页岩内部形成很多的孔隙,同时会产生大量的热破裂裂隙,所以油页岩在注蒸汽后其孔隙率n不再是一个常数,而是温度的函数,通过实验可以获得,即n=n(T).(6)将式(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)上式即为油页岩原位注蒸汽开发过程中高温区蒸汽渗流控制方程式.低温区冷凝水渗流控制方程为div(ρwqi)=∂(nρw)∂t,(8)其中,qi=kiμwp,i,(9)式中,ρw为水的密度;μw为水的动力黏度.同样,油页岩在低温冷凝区的渗透率ki也是体积应力、孔隙压力和温度的函数,仍然满足ki=aexp(bΘ+cp+dT).(10)考虑到水的微可压缩性,有关系式∂ρw∂t=βρw∂p∂t,(11)式中,β为水的压缩系数.将式(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)上式即为油页岩原位注蒸汽开发过程中低温区冷凝水渗流控制方程式.3.2油页岩热分解动力学方程对油页岩高温热解化学反应动力学方程研究的主要目的就是要得到其本征反应的动力学参数.半个世纪以来,国内外许多学者都对油页岩的热分解机理进行过不少研究.一般认为,油页岩中有机质热解过程是二段分解,第一阶段是有机质受热生成热解沥青,可溶于一般有机溶剂;第二阶段是热解沥青进一步受热分解生成页岩油、水、焦炭、和气体(CO2、CO、H2S、H2、CH4、和CnHn等).油页岩热分解化学反应动力学方程可用阿仑尼乌斯(Arrhenius)公式表示,即dx/dt=A(1-x)me-E/RT,(13)式中,x为在温度T时反应物质的转化率;A为指数前因子;m为反应级数;E为表观活化能.王剑秋、王廷芬、杨继涛等对抚顺和茂名油页岩本征动力学方面曾做了不少研究工作,主要结果是:得到了抚顺和茂名油页岩热解转换率随热解温度的变化曲线,认为抚顺和茂名油页岩的主要热解阶段在400～500℃,热解反应为一级反应,表观活化能分别为(19.7～23.1)×104J/mol和(13.0～16.4)×104J/mol,指数前因子分别为6.6×1010～5.4×1013s-1和7.8×105～1.6×108s-1.3.3流体的热传导在油页岩原位注蒸汽开发过程中,高温加热后的油页岩矿床会产生大量孔隙、裂隙,因此固体骨架和流体共同存在于同一个体积空间,但它们具有不同的热动力特性,如比热容和热传导系数等.因此固体骨架和流体的能量守恒方程需要分别定义.油页岩固体骨架能量守恒方程定义为(1-n)(ρscps∂Τ∂t=(1-n)λs∇Τ2+(1-n)qs,(14)式中,ρs为油页岩的密度;cps为油页岩的比热;λs为油页岩的热传导系数;qs为固体源汇相.对于流体,相应的能量守恒方程可定义为nρlcpl∂Τ∂t+ρlcpl(vl⋅∇)Τ=nλl∇Τ2+nql,(15)式中,ρl为流体的密度;cpl为流体的定压比热;vl为流体流速;λl为流体的热传导系数;ql为流体源汇相;下标l分别代表汽相g和液相w.对于单相流体,假设固体和流体之间总是处于热平衡状态,将式(14)、(15)迭加,即可以得到统一的能量守恒方程ρtcpt∂Τ∂t+ρlcpl(vl⋅∇)Τ=λt∇Τ2+qt,(16)式中,ρt、cpt、λt、qt分别为充满了流体的多孔介质的密度、比热、热传导率和源汇相,其中ρt=nρl+(1-n)ρs;cpt=ncpl+(1-n)cps;λt=nλl+(1-n)λs.油页岩高温热解化学反应为吸热反应,所以在能量守恒方程中不能忽略掉化学反应热这一项,可以把其作为源汇相加到能量守恒方程中,因此,式(16)中qt=-Ηdxdt,(17)H为单位质量油页岩热解反应吸热量.把式(13)代入式(17)得qt=-HA(1-x)me-E/RT.(18)将式(18)代入式(16)得ρtcpt∂Τ∂t+ρlcpl(vl⋅∇)Τ=λt∇Τ2-ΗA×(1-x)me-E/RΤ,(19)此式即为油页岩原位注蒸汽开发过程中考虑了流体对流传热以及化学反应热的能量守恒方程.3.4力叠加作用下的力-应变耦合控制岩体内温度场与应力场的耦合作用是通过岩体内温度场分布发生改变而发生的.当温度场发生变化时,产生热应力,热应力的大小可以改变孔隙体积和裂隙的宽度,从而改变了岩体的渗透性.假设油页岩为理想弹性体,按照弹性力学的基本理论,基质岩块静力平衡方程为σij,i+Fj=0.(20)根据线性热应力叠加原理得到考虑温度和内部孔隙压力变化作用的各向同性弹性岩体应力-应变关系式为σij=γδijθ+2Gεij+αδij(p-p0)+ωδij(T-T0).(21)将式(21)和应变位移关系代入式(20),可以得到用位移表示的包含孔隙压力、热应力耦合项的修正Navier平衡方程(γ+G)uj,ji+Gui,jj+(αδijp),i+(ωδijT),i+Fi=0.(22)式中,σij为应力张量分量;Fi为体积力分量;γ与G为拉梅常数;α为Biot系数;ω=ΚE1-2υ为热应力系数,其中K为油页岩各向同性热膨胀系数,E和υ为油页岩的弹性模量和泊松比;θ为体积应变;εij为应变张量分量;ui为岩石位移向量;δij为Kronecker符号;p0和T0为油页岩地层初始孔隙压力和温度.式(7)、(12)、(13)、(19)、(22)共同构成了油页岩原位注蒸汽开发过程中的固、流、热、化学耦合数学模型.施加一定的初始条件和边界条件,即可求解上述耦合控制方程组.4原位注蒸汽开发油页岩的研究(1)在目前生产页岩油和油页岩发电成本居高不下、环境污染严重的状况下,提出了对油页岩进行原位注蒸汽开发的一条新途径,并且对抚顺西露天矿油页岩进行了高温高压蒸汽作用下的干馏渗透实验.结果表明:高温高压蒸汽作