油頁巖原位開采生烴過程數值模擬及井位討論

孫旭，薛林福，王英英

吉林大學 地球科學學院，長春 130061

0 引言

油頁巖也稱油母頁巖，是一種礦物質骨架內含有固體有機物即干酪根的沉積巖。是一種能源礦產，常用于干餾煉油和燃燒發電，其干餾所產生的油氣可以成為石油的補充能源[1]。中國油頁巖折算成頁巖油資源4.76×1010t，是常規油氣資源量的1.5倍，若能有效地利用油頁巖這一油氣資源，對于緩解能源緊張，保障國家能源安全，都具有重要意義[2]。

目前開采技術是油頁巖充分利用的主要障礙：對于埋深<300 m的油頁巖資源主要是通過采出后再提煉油頁巖油或燃燒發電，但是生產過程中會嚴重的污染環境，采出油頁巖的方式效率低，生產和環境成本高；而埋深>300 m的油頁巖資源主要是通過油頁巖原位開采技術在地下將油頁巖轉化為油氣后采出地表[3]。油頁巖原位開采技術包括電加熱、流體加熱、輻射加熱和燃燒加熱等，其中電加熱技術有殼牌公司研發的E--ICP 技術，對厚層高含油率油頁巖層進行了試驗性生產，開采效果良好，對流加熱技術有美國頁巖油公司的CCR技術等，輻射加熱和燃燒加熱開展的研究較少[4]。本文所采用的油頁巖原位豎井壓裂化學干餾提取頁巖油氣的方法及工藝(IFCD)是針對中國油頁巖層厚度小、含油率低的特點研發的油頁巖原位開采技術[5]，于2014年吉林省松原地區從地下300 m深處采出了原位生成的油頁巖油[6]。

對油頁巖原位開采過程進行數值模擬，可以避免現場試驗帶來的周期長、耗費資金巨大等缺點，對加深油頁巖原位開采技術的理論研究、優化具體的開采方案和設計，都有著重要的幫助，為油頁巖原位裂解開采現場試驗研究提供理論依據與技術支持。近些年油頁巖原位開采技術逐漸被業內所關注，其數值模擬技術的研究也有了較大的發展[7--9]。

在油頁巖原位開采過程中，干酪根受熱裂解生烴過程最為關鍵，決定著油頁巖油氣的產量和產率。而這一過程主要受溫度變化控制，通過已知溫度史，對油頁巖中有機質裂解生烴過程進行數值模擬，實時模擬油頁巖生烴情況，可以為實際的油頁巖原位開采提供參考。雷光倫等使用油藏模擬軟件CMG 建立了殼牌開采模型，比較了電加熱和注蒸汽加熱的溫度場和生烴量[10]；K.J.Lee也用埃克森電加熱法開采模型計算了溫度場和生成油氣的量[11--12]；Fan Y等使用GPRS 軟件模擬電加熱油頁巖過程，得到溫度場及生烴量并比較不同布井模式對生烴過程的影響[13]；王健模擬了電加熱法下不同布井模式對油頁巖溫度場的影響，并大致進行了成本估算[14]。

因為目前開展油頁巖原位開采現場試驗的只有殼牌公司的E--ICP和眾誠公司的IFCD技術，所以現階段對油頁巖原位開采布井方案的討論主要限于電加熱法，且布井方法以多井加熱為主；溫度和生烴過程模擬使用的網格較大，只能粗略的得到油頁巖的受熱溫度和生烴量；只是通過計算生烴速率和生烴量來判斷加熱效果，沒有考慮加熱時熱量的輸入成本，計算產出效率。

筆者模擬了多井注熱和單井注熱兩種開采方案，每種方案包含正三角形、正方形和正六邊形3種井組共6種模式的油頁巖原位開采生烴過程。得到油頁巖生烴量和生烴速率隨時間變化的規律，并對投入和產出的熱量進行比較[15--16]。

1 模型構建

油頁巖流體加熱原位開采是一個復雜的物理化學過程,主要涉及熱流體的流動、熱量的傳遞及干酪根的熱解等過程[17]。數值模擬過程假設油頁巖層各向同性，流體僅在井和裂隙中連續流動，油頁巖只在流--固接觸面與熱流體進行熱交換，干酪根成分均一且在油頁巖中均勻分布。

1.1 三維幾何模型

由于正三角形、正方形和正六邊形這3種形狀的井組能夠互相鑲嵌組成更大面積的井群覆蓋油頁巖礦區以提高油頁巖層利用率。通過簡化實際地質問題，將模型分為多井注熱和單井注熱兩個方案，每個方案有正三角形井組、正方形井組和正六邊形井組3種模式，以下分別簡稱為三井模式、四井模式和六井模式。模型主體為60 m(長)×60 m(寬)×8 m(厚)共28 800 m3的均質油頁巖層，質量為57 600 t。油頁巖層中有一條厚度為2 mm的封閉水平壓裂隙用以溝通各井，井口與外界連通，井底到油頁巖層底界的距離為3 m，注熱井和生產井之間的距離為25 m，井徑為0.15 m(圖1)。油頁巖層的屬性設置為固體，井和壓裂隙設置為流體。

a.正三角形井組；b.正方形井組；c.正六邊形井組。圖1 六種布井模式三維模型示意圖Fig.1 Schematic diagrams of three-dimensional model of six well patterns

1.2 傳熱模型

流體加熱是通過向地下注入熱流體來加熱油頁巖層，由雷諾數確定熱流體流動符合湍流模型中的標準k-ε方程(1-3)[18]：

(1)

(2)

(3)

式中：ui為相應方向的速度分量；Eij表示變形率的分量；μt表示渦流黏度，方程式可調常數如下：Cμ=0.09,σk=1.00,σε=1.30,C1ε=1.44,C2ε=1.92。

熱傳遞方式主要有熱傳導和熱對流，均為熱的交換過程。熱傳導遵循熱傳導方程(4)及其條件(5-6)，熱對流遵循動量方程(7)、能量方程(8)和質量方程(9)[10, 15--16]。

(4)

T(x,y,z,t)=T(x,y,z,T0)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

1.3 化學反應動力學模型

若油頁巖中的干酪根成分單一，油頁巖中干酪根受熱裂解的過程可由化學動力學中的總包一級反應方程(10)表示[19--21]。

(10)

式中：x為干酪根轉化率；t為反應時間；A為指前因子；E為表觀活化能；R為氣體常數；T為溫度，由溫度場計算結果給出。

1.4 參數設置

油頁巖原位開采時由注熱井持續注入熱流體，注入速率為10 m/s，注入熱流體的初始溫度設置為900 K，油頁巖層初始溫度為300 K[22--23]。熱流體和油頁巖層的物性參數見表1，油頁巖中的干酪根化學反應動力學參數見表2[1]。

表1 熱流體和油頁巖物性參數

Table 1 Parameters of thermal fluid and oil shale physical property

名稱密度/kg·m-3比熱容/J·(kg·K)-1導熱系數/W·(m·K)-1熱流體1.2251006.430.0242油頁巖20009421

表2 干酪根化學反應動力學參數

2 模擬過程

使用ANSYS軟件對6種布井方案分別建模，再用其內置的ICEM軟件對模型進行結構化網格化，正三角形、正方形和正六邊形井組模型網格化后的數量分別為2 356 817、2 335 717和2 642 589[22]。將網格導入FLUENT中選擇湍流模型進行瞬態溫度場模擬[24]，并以ASCII格式保存溫度場模擬過程中各網格的空間坐標和隨時間變化的溫度數據，保存數據的時間間隔為1個月。

10月23日，吉林省農用肥料協會在長春市召開2018年吉林省肥料行業發展高峰論壇暨吉林省農用肥料協會第二屆第三次年會。協會會員單位代表、省內土肥專家、農企代表等80多人參會，吉林省土壤肥料總站副站長馬兵、中國農資流通協會副秘書長王曉晶等業內領導專家建言獻策，共同就行業發展、市場走勢等話題進行深入探討。會議由協會秘書長鄧國臣主持。

之后用作者開發的MATLAB程序讀入保存的網格空間坐標和隨時間變化的溫度數據，使用三次樣條插值法對各時間點的溫度場進行三維值插，插值是為了獲得規整的網格形狀和減少網格數量，規整的網格形狀可以提高生烴數值模擬的精度和速度。插值后的網格為體積是1 m3的立方體，共生成28 800個新網格及其隨時間變化的溫度數據。最后使用四階龍哥庫塔法求解干酪根熱解生烴的化學反應動力學方程，五階龍哥庫塔法控制誤差，使其相對誤差<1×10-4，絕對誤差<1×10-5。模擬結果為油頁巖受熱后干酪根轉化率隨時間的變化。

3 模擬結果

3.1 生烴過程模擬結果

模擬總時長為3 600 d，共120個月。多井注熱方案下各模式干酪根轉化率隨時間的變化如圖2所示。a, b, c分別為三井、四井和六井模式干酪根轉化率的俯視圖和側視圖，其中側視圖選取注熱井和生產井連線的剖面。

通過觀察這三個布井方案的油頁巖受熱生烴過程模擬結果可以發現，隨著注熱時間的增加，油頁巖中的干酪根的轉化率也在增加，且轉化的水平和深度范圍都有不同程度的增加。注熱12個月后，三井、四井和六井模式已分別有25.56%、29.82%和43.77%的干酪根轉化為烴類物質；第36個月時熱解生烴的油頁巖范圍相較第12個月持續增長，且主要表現在水平范圍的擴大。從注熱第40個月開始，油頁巖中干酪根熱解變化范圍和轉化率增長緩慢，從俯視圖和側視圖上看干酪根熱解范圍的變化已很不明顯，趨近于穩態。在注熱井和生產井之間水平連線剖面上油頁巖層中的干酪根均完全生烴，熱解油頁巖厚度也是最厚的，顯示了這些區域油頁巖生烴效果最好。

多井注熱方案下油頁巖生烴量和注熱量隨時間的變化如圖3所示，為方便與油頁巖生烴量相比較，將注入的熱量換算成了完全燃燒放出相同熱量的油頁巖油的質量。油頁巖層在注熱后很快生烴，三井、四井和六井模式第一年的生烴量就分別達到了984.88 t、1 149.00 t和1 686.49 t。其生烴速率最快的月份分別為第7月、第8月和第6月，生烴速率的峰值為99.47 t/月、103.39 t/月和164.38 t/月。油頁巖生烴量的變化主要集中在前36個月，從第40個月開始油頁巖生烴量雖有增長，但變化幅度不大，這與圖2中油頁巖干酪根轉化率和轉化范圍也是一致的。三井、四井和六井模式在經歷120個月的模擬后所生成的烴類物質的量分別為1 778.20 t、2 480.23 t和3 021.02 t 。對于注入熱量來說，由于注熱速率恒定，同時期注入的熱量取決于注熱井的多少，并與時間成正比例，每個注熱井的注熱速率換算成油頁巖油為7.695 t/月。模擬結果在生烴速率和生烴量上呈現注熱井越多，生烴速率和注熱速率越快的特點。

(1)俯視圖；(2)側視圖。a.三井模式；b.四井模式；c.六井模式。圖4 單井注熱油頁巖干酪根轉化率隨時間變化Fig.4 Transformation of kerogen in single well injection oil shale change with time

單井注熱方案下各模式干酪根轉化率模擬結果如圖4。在開始注熱的前24個月，干酪根轉化量隨著注熱時間增加而快速增加，三井、四井和六井模式分別有14.27%、14.38%和14.40%的干酪根生烴。轉化的范圍和深度都在增加，并從第36個月開始干酪根生烴的范圍無明顯變化直至模擬結束。這3個模式注熱井和生產井水平連線剖面上油頁巖層干酪根也沒有完全的熱解。

圖5 單井注熱油頁巖累計生烴量和注熱量隨時間變化Fig.5 Hydrocarbon generation and heat injection of single well injection oil shale change with time

單井注熱方案下的油頁巖生烴量和注熱量隨時間的變化曲線顯示如圖5所示。單井注熱時3個模式的油頁巖生烴量曲線幾乎重合，最終的產量也幾乎一致。油頁巖在注熱第12個月時的生烴量分別為824.26 t、825.63 t和829.56 t，生烴速率均為9月時達到最大，分別為30.15 t /月、30.12 t /月和29.71 t /月。油頁巖生烴量的變化也主要集中在前36個月，之后油頁巖生烴量雖有增長，但變化幅度仍然不大，這與油頁巖干酪根轉化率和轉化范圍的三維圖像也是一致的。3個模式均只有一個注熱井且注熱速率是相同的，換算成油頁巖油質量為7.695 t/月。

4 討論

4.1 注入熱量和產出熱量的比較

油頁巖原位開采是一項經濟活動，需要在成本上予以考慮?？紤]油頁巖生烴過程所輸入的熱量和所生成的烴類物質，可以找到最適合的井位布局和持續加熱時間。

圖6 多井注熱油頁巖油產出凈值隨時間變化Fig.6 Oil output net value of multi-well injection oil shale changes with time

圖7 單井注熱油頁巖油產出凈值隨時間變化Fig.7 Oil output net value of single well injection oil shale changes with time

圖3和圖5中分別為油頁巖生烴量和注熱量隨時間的變化曲線，兩者做差值即可得到除去注熱成本凈得的油頁巖油質量隨時間變化的曲線(圖6、7)?？梢园l現在多井注熱模式下，油頁巖生烴過程所生成烴類物質的凈值最大時為六井模式的第20個月，為1 141.85 t；其次是四井模式的第25個月，為1 034.63 t；最后為三井模式的第22個月，為878.95 t。在單井注熱模式下，凈值最大時刻在第33個月，為390.00 t。這個結果也顯示了實際注熱時間可以控制在三年之內，在多井注熱模式下，六井模式所凈產出的油頁巖油最多。之后隨注熱時間的增長，油頁巖油的凈產出將會逐漸變小，甚至到了75、77和63個月時油頁巖凈產出量成了負值，入不敷出。多井注熱模式下各模式(單個注熱單元)的能源回報率(能源產出/能源投入)分別為2.73、1.74和2.05，單井注熱模式下能源回報率為1.418?；貓舐蕪母叩降头謩e為多井注熱模式下三井模式、六井模式、四井模式和單井注熱模式下的三種模式。也反映出油頁巖原位開采的能源回報率還是相當可觀的，具有一定的經濟潛力[25]。

4.2 不同井位方案的比較

通過比較，不同布井方案的生烴量和生烴速率有很大不同。在多井注熱模式下，加熱井數量越多，生烴速率越快，油頁巖的生烴量越大。單井注熱模式內差別很小。生產井的數量和井組形狀并沒有對油頁巖的生烴量和生烴速率造成影響，干酪根的轉化率也基本相同。轉化的油頁巖的展布樣式都很相似，整體油頁巖層的利用率相近。

以上6種布井方式模擬結果相比較，無論是在生烴量還是在生烴速率上看，多井注熱都要明顯優于單井注熱模式。說明油頁巖原位開采生烴過程，最重要的影響因素是注熱井的數量即注熱速率，這控制了油頁巖原位開采生烴的總量和速率，也影響了油頁巖層整體的利用率。

在多井注熱模式下，組成多組鑲嵌井網覆蓋油頁巖礦區能更好地提高注熱井和油頁巖的利用效率。在加熱井和生產井之間距離相同的條件下，六井模式每個開采單元有2口注熱井；四井模式每個開采單元有1口注熱井；三井模式每個單元開采有1口注熱井。在油頁巖凈產出最高的時候，三井、四井和六井模式平均每口注熱井凈產出的油頁巖油分別為878.95 t、1 034.63 t、570.94 t，單井模式下平均每口注熱井凈產出為390.00 t?？梢园l現在排除注熱量的差距后，多井方案下的四井模式平均每口注熱井的凈生油量最高，其次為三井模式和六井模式，最后為單井注熱方案下的三種模式。這說明了四井模式的單井生油量是最高的。

5 結論

(1)在當前的模型尺度和注熱速率下，生烴速率在注熱到8.5個月時達到最大，油頁巖生烴過程在注熱36個月后即達到穩態。

(2)注熱速率控制了油頁巖原位開采生烴的總量和速率，多井注熱布井模式要優于單井注熱布井模式。

(3)從整體的產油量上來看，多井注熱模式下的六井模式凈產油最多;從每個注熱井產油量來看，四井模式的凈產油最多。

(4)從能源回報率來看，回報率最高的是多井注熱模式下的三井模式，也是成本最優的布井方案。