油頁巖原位開采中裂隙與井組相對位置及產狀對加熱效果的影響分析

胡之璐

（大慶油田有限責任公司試油試采分公司，黑龍江 大慶 163412）

油頁巖中含有豐富的有機質，是一種良好的化石燃料，將油頁巖進行一定的處理后，能夠作為燃料使用，從而補充資源，具有較為廣闊的市場發展空間。我國油頁巖資源儲量較為豐富，已經查明的油頁巖儲量居世界第四位，如果能夠將油頁巖資源合理利用，對于我國能源安全戰略以及社會發展具有重要作用。通常情況下，油頁巖原位開采需要采用壓裂技術和注熱技術，這種技術的處理方式較為簡單，能夠在地下直接實現，不需要額外的處理工序，相比于傳統的干餾技術而言，能夠提高采收效率，同時節省作業成本，還能夠降低對環境的污染。

1 油頁巖原材開采技術分析

在當前對油頁巖的開發領域中，應用頻率最高的技術為對流加熱技術，這種技術應用流程即為簡單，對流加熱為在地下采用具有較高熱量的蒸汽或氮氣等熱流體，在地下完成對油頁巖的開采、熱氮氣以及其他熱流體的技術，實現對油頁巖開采的一種方法，主要包括CRUSH 技術、CRR 技術、原材蒸汽開采技術、地下燃燒對流技術以及化學強化高壓較低溫熱解技術（IISTVTTC）；地下燃燒對流加熱技術是指向地下的井中通入一定量的可燃氣體，同時以助燃氣作為輔助，在氣體充分燃燒的情況下，能夠對油頁巖進行加熱，從而為開采創造有利條件[1]。該技術基本形式如圖1所示。

圖1 燃燒對流加熱技術基本形式

在圖1 中，第一階段為水力壓裂作用下產生裂隙，將支撐劑注入從而維持裂隙；第二階段為在燃燒室內進行點火，通過燃燒的煙氣對油頁巖進行加熱；第三階段為油頁巖油氣可用裂隙和作業井傳出到地面中。通過采用該技術，將注氣燃燒井作為中心，采用蜂窩布局模式，對油頁巖層進行壓裂處理，從而在地下構建連通形式的通道，將各井連接，在這種情況下，通過燃燒氣體的方式對通道內油頁巖進行加熱，同時能夠在地下開展干餾作業，就會得到油氣等資源，最后提升到地面收集。

再進行開采期間，會受到實際情況差異的影響，導致預期開采成果和實際開采結果會出現一定的差異問題，雖然引起差異的原因較多，但是經過分析發現裂隙是導致差異出現的重要原因。油頁巖形成的過程較為復雜，許多經過長時間的構造擠壓等作用，油頁巖層會出現一些節理和裂隙，大部分裂隙尺寸較小，且具有良好的封閉性，所以能夠儲藏豐富的能源，從而形成能夠與井筒連接的網絡；在間隔寬度較大的裂隙中會出現開放裂隙，在探測過程中裂隙會在水力壓力的作用下不斷增大，從而為油頁巖開采提供流體通道，是提高油頁巖開采效率的重要因素。在油頁巖原材開采期間，油頁巖油氣的生產和轉移主要由溫度進行控制，是影響開采效果的主要因素，所以必須明確主要影響因素，并對其影響作用和程度進行判斷[2]。因此，通過采用加熱技術能夠取得良好的效果，裂隙不僅能夠為開采提供通道，能夠擴大或縮小加熱范圍，同時也影響熱流體的運動速度，從而導致加熱效果受到影響。

2 方法與流程

2.1 建模

以S 市某油頁巖層為例，該油頁巖生成于中生代白堊紀，厚度在0.4～10m范圍內，根據勘察測井數據顯示，該區域內油頁巖儲層平均厚度為4.1m，所以根據油頁巖出層面模型需要設計為4.1m。在作業過程中，該區域的油頁巖巖層裂隙通道高度大約為2m；在井建水力壓力一般是水平裂隙形式，能夠提供一條水平的通道，從而提高熱流體流通效果。以此在油頁巖儲層模型中構建水平封閉裂隙模型。根據油頁巖的地質其概況，在模型構建與外界連通的板狀裂隙，部分加入的氣體會通過縫隙逐漸消散。為了明確影響油頁巖原位開采的影響因素，本文通過建模處理的方式，根據三種不同變量設計三組模型，通過模型演示的方式對變量作用與開采效果的具體情況進行分析，通過建模處理能夠得到直觀的影響分析結果，從而簡化地層中可能存在的裂隙，對加熱效果進行分析[3]。

2.2 模型網絡化

在建立油頁巖儲層模型后，利用ANSYS中的網格軟件ICEM繪制結構網格，網格化之后設置邊界條件，按照其基本性質將其分別設計為流體和固體形式，并對其交界面進行確定，能夠有效提高分析結果準確性，采用相應的建模軟件對監理的模型進行處理，從而實現對模擬流程的優化。

2.3 參數設計

以油頁巖實際的生產條件為基礎，并加熱的流體溫度調整到符合實際情況的數值，加入速度設置為10m/s。其他模擬參數如表1所示。

表1 數值模擬參數設計

2.4 溫度場模擬

溫度場模擬對于數值結果準確性要求較高，本次溫度場參數設計以雷諾公式對其進行計算，按照上述表格的參數計算得出雷諾系數為2.7×106，將流體的流動狀態控制為湍流形態，流體會將能量傳遞到模型底部，通過軟件和方程對其計算，從而實現網格化處理目標；網格化處理完成后，需要對模型的具體參數進行模擬，本次采用迭代模擬方式，在曲線停止時確定具體模型參數，說明溫度場已經處于穩定狀態不需要發生改變，將計算結果輸出；瞬態模擬設置時間為1d，模擬時間共計5a，每月輸出一次結果。

2.5 數據處理

在對S 市油頁巖儲區開展熱解處理的過程中，在溫度達到180℃時出現部分氣體逸出的現象，且在溫度之間提升的情況下，產油率逐漸提高，大量頁巖油的溫度為400℃～450℃，當溫度超過450℃之后，其中很大一部分都發生熱解生烴現象，由此可以看出，溫度超過450℃時油頁巖模型為有效模型。將Fluent 的計算結果導入到CFD-POST 中，對超過450℃的模擬體積進行統計。

3 模擬結果

3.1 位置影響因素分析

為了驗證位置對于油頁巖開采效果的影響，在本次試驗中對裂隙井、生產井以及加熱井的位置進行調整，在模型中分別構建五種不同的位置模式，對不同位置的加熱效果進行分析。因此在加熱井和生產井位置不變的條件下，平移井組能夠改變裂隙的位置，所以建立X組中五個模型分別為X1、X2、X3、X4、X5。根據分析結果能夠看出，在注熱五年后油頁巖有效的產油體積占比與穩定態幾乎相同，占比最多的X1為8.52%，之后X2 為7.60%、X3 為6.03%、X4 為5.90%以及X5 為4.35%。各個模型產油增長曲線和峰值主要集中在加熱后的5～12個月范圍內，最大增長速度越大則峰值出現時間越晚，所以加熱體積越大。當加熱時間超過40個月時，產氣體積增長率開始下降，逐漸小于0.5%，被加熱區域處于距離生產井較遠的位置，說明對于生產意義較小，所以在1200d 時停止加熱。由此可見，狹長裂隙對熱流體的引流作用具有影響。在模型X1和X2中，X1中井組和開放裂隙之間的距離相比于X2更遠，裂隙開口區域的壓力較小，流體在壓力的影響下裂隙開口處遠離，高溫流體經過的路徑越長，則加熱的油頁巖體積就越大，所以X1的加熱效果最好。通過上述試驗結果可以看出，井組位置確實會對加熱效果產生很大影響，主要是由于對流加熱技術的原理，不同位置聚集的熱量和散失的熱量不同，從而導致加熱效果存在較大差異，在一些特殊的井組位置中，熱量流失較大，所以加熱效果也就越差；熱量散失越小，所以加熱效果較好，這就能夠為油頁巖的開采給予一定啟示，通過調整井組位置則能夠優化生產效果[4]。

3.2 裂隙走向對加熱效果的影響分析

裂隙和井組的相對走向不是絕對的走向，是影響油頁巖加熱效果的主要因素。在本組模型中，保持加熱井和生產井的相對位置固定，對井組方位進行調整，則就是對裂隙和井組相對走向的調整。在本次模擬中，將井組連線設置為N向，共計設置0°、30°、45°、60°以及90°五種模型，建立模型組Y。根據模擬結果可以看出，在注熱五年之后，模型Y 達到穩定狀態，油頁巖的產油體積最大模型為Y5，占比為10.77%，剩余依次為：Y4 10.28%、Y3 9.75%、Y2 9.10%以及Y1 7.62%。產油體積和增長率隨著時間變化中，加熱速度最快為Y5模型，從快到慢分別為Y4、Y3、Y2、Y1，產油體積高度相同。根據Y 組的變化情況來看，裂隙的走向會對加熱效果產生直接影響，主要是因為裂隙走向不同，所產生的熱量散失和熱量聚集效果不同，熱流體流動過程越長，則散失熱量越多，加熱效果則越差。同時可以得到結論，裂隙和井組之間的夾角越大，油頁巖整體加熱速度就會越大，最后加熱體積也就越大。為此在油頁巖原位開采布井中，需要使得井組方向盡量和裂隙保持垂直，如果存在多個裂隙，則需要使井組和大部分裂隙保持垂直[5]。

3.3 裂隙傾角對加熱效果的影響

在確保加熱井和生產井位置固定的情況下，對其角度進行調整，分別采用五種不同角度，從30°開始，每組以此增大角度30°，根據模擬結果來看，油頁巖有效加熱體積最大模型為Z3，占比為10.77%，較為接近的為Z2，占比為10.71%，其他依次為Z1占比9.65%、Z4占比8.94%以及Z5占比7.89%，有效產油體積的提高率與有效產油體積符合，最后油頁巖產油體積越大，同時期提高速率越大，與模型組X和模型組Y接近，在注熱40個月時提高趨勢保持相同。在傾角互補的兩組模型中，因為Z1 和Z2 裂隙開口與生產井距離較遠，所以熱流體經過裂隙向外散失的過程中，能夠為油頁巖提供加熱，所以導致Z1 和Z2 相比于Z4 和Z5 加熱體積更大。由此可見，裂隙的角度對于加熱效果會產生直接影響，主要是角度會影響加熱范圍，加熱范圍越大則加熱效果越好，反之則加熱效果越差，所產生的影響效果較為直觀；加熱范圍和加熱速率提高越大，同時通過對Z1和Z5、Z2和Z4的對比能夠得到相應的規律。

通過上述結果可以看出，裂隙和井組的相對位置、裂隙走向和裂隙傾角等產狀因素對于加熱效果會產生直接影響，所以在油頁巖布井設置時，通過對位置及傾角、走向等進行調整，能夠提升油頁巖開采效率，產出更多的油氣資源，促進油頁巖開采工作水平提升。

4 結束語

綜上所述，本文全面闡述油頁巖的多種開采技術，并建立油頁巖儲層模型，對裂隙與井組的相對位置及產狀對加熱效果的具體影響進行分析，最后得到了科學可靠的結論，希望能夠對我國油頁巖生產行業起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高油頁巖開采技術水平，以調整裂隙和井組相對位置、調整裂隙傾角和調整裂隙走向的方式，促進油頁巖油氣資源開采效率全面提高。