水平井電加熱油頁(yè)巖過(guò)程的數(shù)值模擬

施衛(wèi)平 鄭 歡 王冰清

（吉林大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

水平井電加熱油頁(yè)巖過(guò)程的數(shù)值模擬

施衛(wèi)平 鄭 歡 王冰清

（吉林大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

地下原位開(kāi)采油頁(yè)巖是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新方法。中國(guó)東北地區(qū)油頁(yè)巖層厚度一般小于10 m，可以采用水平井方式加熱油頁(yè)巖。設(shè)計(jì)了一種水平井電加熱方式，利用FLUENT軟件，結(jié)合自編的FORTRAN程序，數(shù)值模擬水平井和豎直井的電加熱過(guò)程，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；分析了油頁(yè)巖的平均溫度、產(chǎn)油量、熱損耗率隨加熱時(shí)間的變化過(guò)程，計(jì)算出加熱過(guò)程的耗電量。計(jì)算結(jié)果表明，采用水平井電加熱方法熱損耗比豎直井小，可以縮短生產(chǎn)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。

油頁(yè)巖；原位開(kāi)采；水平井；電加熱

油頁(yè)巖是一種高灰分的固體可燃有機(jī)礦產(chǎn)，作為一種重要的非常規(guī)能源，它的開(kāi)發(fā)利用得到越來(lái)越多的關(guān)注［1-2］。油頁(yè)巖在我國(guó)分布廣泛，22個(gè)省份均發(fā)現(xiàn)油頁(yè)巖藏［3］。現(xiàn)有的開(kāi)采方式中，多采用地面干餾方法。這種方法具有高污染、高成本、低效率等特點(diǎn)［4］。人們開(kāi)始嘗試地下原位干餾方法，即在地下原位加熱油頁(yè)巖，從而制取頁(yè)巖油［5］。油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)主要有3種加熱方式：電加熱、流體加熱和輻射加熱。電加熱方式主要有殼牌ICP（In-situ Conversion Process）技術(shù)、?？松?美孚Electrofrac技術(shù)；流體加熱方式主要有EGL技術(shù)、雪弗龍技術(shù)、Petro Probe技術(shù)和IGE（In-situ Gas Extraction）技術(shù)；輻射加熱方式主要有Raytheon聯(lián)合輻射技術(shù)。其中，殼牌公司的ICP技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［6］。文獻(xiàn)［7］對(duì)多種美國(guó)油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和對(duì)比。

很多學(xué)者對(duì)油頁(yè)巖原位開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行了研究。Y.Fan［8］用軟件GPRS（Stanford's General Purpose Research Simulator）模擬了電加熱過(guò)程?？抵厩冢?］等人利用有限元方法數(shù)值模擬原位電加熱的油頁(yè)巖溫度變化。

本文針對(duì)中國(guó)東北地區(qū)油頁(yè)巖厚度不大（小于10 m）的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種水平井電加熱方案。利用FLUENT軟件，結(jié)合自編的FORTRAN程序，數(shù)值模擬水平井電加熱過(guò)程。作為對(duì)比，也模擬了豎直井的電加熱過(guò)程。分析了油頁(yè)巖的平均溫度、產(chǎn)油量、熱損耗率隨時(shí)間的變化情況，計(jì)算出生產(chǎn)成本。

1　水平井電加熱方式

在全國(guó)油氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)中，已查明吉林省是我國(guó)油頁(yè)巖資源較豐富省份，油頁(yè)巖層單層厚度通常小于10 m［10］。外國(guó)有些礦區(qū)的單層油頁(yè)巖厚度超過(guò)100 m［6］。由于吉林省油頁(yè)巖厚度一般較薄，采用常用的豎直井加熱方式熱損耗較大。因?yàn)橛晚?yè)巖僅吸收了部分的熱量，另一部分熱量被基巖所吸收。本文采用水平井方式加熱油頁(yè)巖，加熱棒水平放置在油頁(yè)巖層中，油頁(yè)巖可以吸收大部分的熱量，熱損耗較小。

針對(duì)吉林省扶余縣的勘探結(jié)果，設(shè)計(jì)施工方案。圖1為水平井加熱示意圖。在油頁(yè)巖層中間打水平井，加熱棒水平放置在油頁(yè)巖層中。

圖1　水平井加熱方式

圖2是電加熱過(guò)程數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域，為12×6×（50+8+50） m的長(zhǎng)方體，分為3層，中間為8 m厚的油頁(yè)巖層，上、下層為50 m厚的基巖。國(guó)外的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)表明［6］，加熱棒長(zhǎng)度一般為幾十米，較長(zhǎng)的加熱棒可以加熱較大范圍的油頁(yè)巖，從而獲得較高的油氣產(chǎn)量。國(guó)外的油頁(yè)巖單層厚度可以達(dá)到100多米，因此通常采用豎直井加熱即可?？紤]到扶余縣的油頁(yè)巖單層厚度最大為8 m，故選擇水平井加熱方式。選擇較長(zhǎng)的加熱棒可以提高油氣產(chǎn)量，但是作為一個(gè)示范工程，加熱棒不宜過(guò)長(zhǎng)，否則試驗(yàn)成本太高。本文選擇加熱棒的長(zhǎng)度為12 m。作為對(duì)比，也計(jì)算了豎直井加熱過(guò)程（圖2b），計(jì)算區(qū)域與圖2a基本相同。不同之處是，12 m長(zhǎng)的加熱棒豎直放置在計(jì)算區(qū)域中間。

2　油頁(yè)巖電加熱過(guò)程數(shù)值模擬

電加熱開(kāi)采過(guò)程的原理是利用電熱棒通電后，產(chǎn)生熱量，主要通過(guò)熱傳導(dǎo)方式加熱油頁(yè)巖。加熱過(guò)程中通過(guò)電器控制系統(tǒng)，使電熱棒的溫度保持恒溫，設(shè)定加熱棒溫度為700 ℃。

圖2　電加熱過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域

熱傳導(dǎo)方程

初始條件

邊界條件

式中，T為溫度，K；λ為巖石的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·K）；ρ為密度，kg/m3；C為比熱容，kJ/（kg·K）；S為由于輻射等過(guò)程產(chǎn)生的熱源項(xiàng)，kJ/（m3·s）；T0為巖石的初始溫度，K；Tw為邊界Γ1上的溫度，K；q為邊界Γ2處的熱流密度，kJ/（m2·s）；h為邊界Γ3的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

如圖2所示，長(zhǎng)方體的6個(gè)面的邊界條件按如下方式設(shè)定：上、下2個(gè)面設(shè)為等溫邊界條件，即按式（3）分別給定。這是因?yàn)樯稀⑾旅孢h(yuǎn)離加熱棒，溫度基本不變。其他4個(gè)面按式（4）設(shè)定邊界條件，其中q=0。這是因?yàn)槿鐖D1所示，本文僅計(jì)算一口井周圍的溫度變化，考慮到對(duì)稱性，可以得到q=0的邊界條件。

本文采用計(jì)算軟件FLUENT數(shù)值模擬熱傳導(dǎo)過(guò)程。油頁(yè)巖和基巖的物性參數(shù)見(jiàn)表1［11］。

表1　油頁(yè)巖和基巖的物性參數(shù)

以吉林省扶余縣油頁(yè)巖礦為例設(shè)計(jì)加熱方案?？碧浇Y(jié)果表明，油頁(yè)巖位于地下372~380 m處。當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁貫?.5 ℃，地溫梯度2.5 ℃/100 m，開(kāi)始加熱前，設(shè)定圖2中計(jì)算區(qū)域上、下水平面，即322 m和430 m深處的溫度分別為12.55 ℃和15.25 ℃。

文獻(xiàn)［3］給出了油頁(yè)巖受熱分解，生成頁(yè)巖油的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將油頁(yè)巖在隔絕空氣的條件下加熱，使其分解生成頁(yè)巖油。圖3的曲線為頁(yè)巖油的產(chǎn)率P（分解出的頁(yè)巖油與總含油量的質(zhì)量比）和加熱溫度的關(guān)系。則出油量Q為

式中，α為油頁(yè)巖的含油率，%；V為油頁(yè)巖的體積，m3；ρ為密度，kg/m3；T為溫度， K。

圖3　油頁(yè)巖產(chǎn)油率與加熱溫度關(guān)系圖［3］

3　兩種加熱方式的對(duì)比

針對(duì)水平井和豎直井加熱方式，設(shè)定相同的加熱棒溫度等邊界條件，不同之處是加熱棒的放置位置。利用FLUENT軟件分別模擬這兩種加熱過(guò)程，編寫FORTRAN程序計(jì)算油頁(yè)巖質(zhì)量加權(quán)平均溫度、油頁(yè)巖出油量、熱損耗率等數(shù)據(jù)。

圖4是利用水平井加熱近5年的油頁(yè)巖中間層溫度云圖，圖形中間位置為水平放置的加熱棒。圖5是豎直井加熱過(guò)程溫度云圖的變化情況，圖形中間是豎直放置的加熱棒。圖6是兩種加熱方式的質(zhì)量加權(quán)平均溫度隨加熱時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，隨著加熱時(shí)間的增加，水平井方式的油頁(yè)巖平均溫度上升較快，加熱時(shí)間超過(guò)1 170 d以后，平均溫度超過(guò)450 ℃；按照?qǐng)D3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在此溫度下，產(chǎn)油率已超過(guò)90%；而豎直井將近1 630 d時(shí)平均溫度才能大于450 ℃。兩種加熱方式比較，加熱時(shí)間相差460 d。

圖7顯示了兩種加熱方式的頁(yè)巖油日產(chǎn)量與加熱時(shí)間的關(guān)系。頁(yè)巖油的產(chǎn)量按式（6）計(jì)算。圖中顯示，水平井加熱方式在加熱1~3.5年內(nèi)，頁(yè)巖油日產(chǎn)量較高（盛產(chǎn)期），3.5年后日產(chǎn)量快速下降；豎直井加熱方式，在加熱1.5~5.2年內(nèi)，日產(chǎn)量較高（盛產(chǎn)期），5.2年以后日產(chǎn)量快速下降。

圖4　水平井溫度云圖

圖5　豎直井溫度云圖

圖6　油頁(yè)巖質(zhì)量加權(quán)平均溫度與加熱時(shí)間關(guān)系曲線

圖7　頁(yè)巖油日產(chǎn)量與加熱時(shí)間關(guān)系曲線

定義熱損耗率為：（電熱棒提供的總熱量–油頁(yè)巖吸收的熱量）/（電熱棒提供的總熱量）。圖8為熱損耗率與出油率的關(guān)系曲線，可以看出，隨著加熱時(shí)間的增加，油頁(yè)巖和基巖的溫度增大，出油率也增大；同時(shí)，被基巖吸收的熱量也增加，導(dǎo)致熱損耗率的增大。兩種加熱方式對(duì)比，在大部分加熱時(shí)間內(nèi)，水平井的熱損耗率比豎直井約小10%。

圖8　熱損耗率與出油率關(guān)系曲線

通過(guò)計(jì)算電加熱過(guò)程的耗電量進(jìn)行電加熱過(guò)程成本分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)得扶余縣油頁(yè)巖的平均含油率為8%，設(shè)定加熱時(shí)間為1 260 d。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　電加熱過(guò)程耗電量

計(jì)算結(jié)果表明，水平井加熱生產(chǎn)1 t頁(yè)巖油耗電量為6 140 kW·h。此處的成本分析僅考慮加熱過(guò)程的電能消耗，沒(méi)有考慮其他過(guò)程的能源消耗。

4　結(jié)論

（1）我國(guó)油頁(yè)巖儲(chǔ)量豐富，分布廣泛，是十分重要的接替能源。我國(guó)已探明的油頁(yè)巖單層厚度通常不大，因此研究開(kāi)采薄層油頁(yè)巖的技術(shù)有重要的實(shí)用價(jià)值。

（2）本文通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)比分析了水平井和豎直井兩種加熱方式的特點(diǎn)，結(jié)果顯示，水平井加熱方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)，適合用于薄層油頁(yè)巖的原位開(kāi)采。這是因?yàn)榕c傳統(tǒng)的豎直井方式比較，水平井中電熱棒水平放置，油頁(yè)巖層的接觸面積大，電熱棒釋放出的熱量大部分被油頁(yè)巖吸收，被基巖吸收的熱量較少，即熱量損耗小。

（3）模擬計(jì)算結(jié)果表明，使用水平井電加熱方式，油頁(yè)巖溫度升高速度快，出油率高，所需加熱時(shí)間少，生產(chǎn)時(shí)間短；與豎直井比較，熱損耗率低約10%，噸油耗電量也大幅降低。

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（修改稿收到日期 2014-08-13）

〔編輯 朱 偉〕

Numerical simulation of electric heating for oil shale in horizontal wells

SHI Weiping,ZHENG Huan,WANG Bingqing
（College of Mathematics,Jilin University,Changchun130012,China）

Underground in-situ exploiting of oil shale is a new method developed in recent years.The oil shale layer thickness in Northeast China is usually less than 10 m,so oil shale can be heated in horizontal wells.A method of electric heating in horizontal wells is developed.Using FLUENT software and in combination of self-developed FORTRAN program,the electric heating process was numerically simulated in horizontal well and vertical well,and the calculation results was compared.The change process of average temperature,oil production and thermal loss of oil shale with time was analyzed,and the power consumption during heating was calculated.The calculation result shows that the thermal loss of electric heating in horizontal well is less than that in vertical well,so this method can shorten the production time and reduce production cost.

oil shale;in-situ exploiting;horizontal well;electric heating;

施衛(wèi)平，鄭歡，王冰清.水平井電加熱油頁(yè)巖過(guò)程的數(shù)值模擬［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：80-83.

TE357

：A

1000–7393（2014） 05–0080–04

10.13639/j.odpt.2014.05.019

教育部國(guó)家潛在油氣資源產(chǎn)學(xué)研用合作創(chuàng)新項(xiàng)目“油頁(yè)巖勘探開(kāi)采利用”（編號(hào)：OSR-03-05）。

施衛(wèi)平，1963年生。2001年獲吉林大學(xué)計(jì)算數(shù)學(xué)博士學(xué)位，主要從事能源化工問(wèn)題仿真計(jì)算研究，教授，博士生導(dǎo)師。電話：0431-85168885。E-mail：shiwp@jlu.edu.cn。