油頁(yè)巖原位裂解用注熱管柱數(shù)值傳熱模擬與試驗(yàn)研究

白文翔， 孫友宏， 周　科， 李　強(qiáng)， 賈　瑞

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026； 2.油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130026； 3.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

0　引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，能源需求持續(xù)上漲，油氣資源已成為制約我國(guó)工業(yè)化和城市化的重要因素。2016年我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭資源消耗占70%，比重過(guò)大，能源結(jié)構(gòu)不合理；自1993年起，我國(guó)石油消耗量已大于生產(chǎn)量，至2017年中國(guó)石油對(duì)外依存度已達(dá)到67.4%，進(jìn)口3.96億t[1-2]。我國(guó)急需加大非常規(guī)能源的開(kāi)發(fā)利用來(lái)確保國(guó)家能源安全。

油頁(yè)巖又稱(chēng)油母頁(yè)巖，是沉積巖的一種，油頁(yè)巖的含油率3.5%～30%，由有機(jī)物和無(wú)機(jī)物組成；發(fā)熱量≥4.19 kJ·kg-1，其資源量大、前景好而被認(rèn)為是重要的替代能源[3-5]。我國(guó)油頁(yè)巖礦藏豐富，埋深<1 km且含油率>3.5%的油頁(yè)巖資源量為7199.37億t，高居世界第二[6]。因此，進(jìn)行油頁(yè)巖原位裂解技術(shù)的系列研究對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和能源安全十分重要。

油頁(yè)巖開(kāi)發(fā)技術(shù)分為：地上干餾技術(shù)和地下原位裂解技術(shù)。油頁(yè)巖地上干餾技術(shù)是指將油頁(yè)巖礦從地下開(kāi)采至地面，油頁(yè)巖內(nèi)的干酪根在地表干餾設(shè)備中進(jìn)行裂解，生成頁(yè)巖油、氣，雖然該技術(shù)較為成熟，但存在環(huán)境污染大、利用率低、成本極高、廢渣多、占地面積大等缺點(diǎn)[7-8]。地下原位裂解技術(shù)是指：通過(guò)鉆井的方式，在地下建立反應(yīng)區(qū)域并加熱油頁(yè)巖層，油頁(yè)巖層加熱至300 ℃時(shí)開(kāi)始裂解生成頁(yè)巖油、氣，然后通過(guò)開(kāi)采井將產(chǎn)物輸運(yùn)至地表[9]，其工藝原理如圖1所示。溫度是影響油頁(yè)巖裂解過(guò)程的首要因素，而在運(yùn)輸熱載體的過(guò)程中，不可避免地會(huì)有熱量損失，因此需要對(duì)注熱管柱采取適當(dāng)?shù)谋卮胧┮詼p少熱載體傳輸過(guò)程中的熱量損失。

圖1　油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化工藝注熱示意圖

本文首先對(duì)比8種常用保溫材料的導(dǎo)熱性能，得到在高溫條件下仍具有良好保溫能力的材料，通過(guò)理論計(jì)算得到注熱管柱的臨界半徑，再對(duì)注熱管柱的實(shí)際物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用FLUENT分析注熱管柱的傳熱特性，得到注熱管柱的傳熱規(guī)律；最后在野外試驗(yàn)中對(duì)注熱管柱的傳熱規(guī)律及其保溫效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1　油頁(yè)巖原位裂解注熱管柱設(shè)計(jì)

1.1　保溫材料選擇

為減少注熱管柱的熱損失，在其外表面包裹一層保溫材料，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)≤0.12 W/(m·K)[10-13]。選擇8種常用的保溫材料，繪制其熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度變化曲線(見(jiàn)圖2)，可以看出GR10型氣凝膠氈導(dǎo)熱系數(shù)低，為0.020 W/(m·K)(常溫)，比熱容為501 J/(kg·℃)，最高可耐800 ℃高溫(可滿足原位裂解的溫度要求)，且導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度無(wú)劇烈變化。因此采用GR10型氣凝膠氈用作注熱管柱保溫結(jié)構(gòu)的首選材料，厚度為6 mm。

1.2　保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

注熱管為圓筒輸熱管，其保溫性能與保溫層厚度之間并非直線關(guān)系，而是存在著一個(gè)臨界絕熱半徑rcr：

rcr=k/h

(1)

圖2　8種保溫材料熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度變化的曲線

式中：k——保溫層的熱導(dǎo)率，氣凝膠GR10導(dǎo)熱率為0.020 W/(m·K)；h——保溫層外表面的對(duì)流換熱系數(shù)，空氣中的自然對(duì)流約為10 W/(m2·K)。

當(dāng)保溫層外半徑r小于臨界絕熱半徑rcr時(shí)，總熱阻隨著保溫層厚度的增加而減少，此時(shí)保溫層厚度越厚，隔熱效果越差；當(dāng)保溫層外徑r大于臨界絕熱半徑rcr時(shí)，總熱阻隨著保溫層厚度的增加而增大，此時(shí)保溫層厚度越厚，隔熱效果越好[14]。

氣凝膠GR10的臨界隔熱半徑為rcr=k/h=0.02/10=0.002 m。下入注熱管柱的管道為內(nèi)徑124 mm的套管，因此保溫注熱管柱的外徑應(yīng)小于124 mm，在此條件下保溫材料越厚越好。因此選取45號(hào)?32 mm的鋼管作為注熱管柱的基礎(chǔ)材料，在注熱管柱外表面均勻纏繞4層GR10型氣凝膠氈(每層厚6 mm，4層共厚24 mm)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　高溫保溫注熱管柱結(jié)構(gòu)圖

2　油頁(yè)巖原位裂解注熱管柱傳熱數(shù)值模擬

2.1　建立模型與網(wǎng)格劃分

農(nóng)安油頁(yè)巖地下原位裂解先導(dǎo)試驗(yàn)工程選址于吉林省農(nóng)安縣，位于松遼盆地腹地，油頁(yè)巖賦存條件良好，油頁(yè)巖埋深為64.8～72.0 m，油頁(yè)巖的上覆地層大部分為泥巖。從地表向油頁(yè)巖層鉆豎直井，建立地表和油頁(yè)巖層之間的通道，在鉆孔內(nèi)壁下入內(nèi)徑為124 mm的套管，注熱管柱外壁和套管內(nèi)壁之間充滿N2。金屬的導(dǎo)熱系數(shù)較大，因此在注熱過(guò)程中的熱損失可忽略，注熱時(shí)注熱管路在注熱井中的簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

圖4　注熱管柱注熱物理模型

采用HYPERMESH劃分模型網(wǎng)格，模型網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比極小，故只能展示物理模型的部分網(wǎng)格，如圖5所示。數(shù)值模擬中涉及的氣凝膠GR10和泥巖的物性參數(shù)如表1所示。在試驗(yàn)工況下，N2應(yīng)視為壓縮流體，因此注熱管柱入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，出口為自由出流。

圖5　注熱管柱注熱模型網(wǎng)格

參 數(shù)密度/(kg·m-3)比熱容/〔J·(kg·℃)-1〕導(dǎo)熱系數(shù)/〔W·(m·K)-1〕泥巖200011901.19氣凝膠GR102205010.02

2.2　模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

數(shù)值模擬條件：N2注入溫度為500 ℃；注入流量分別為50、70、100、120和140 Nm3/h。獲取N2不同注入流量下注熱管柱N2的出口(即注熱井的孔底)溫度。

原位裂解過(guò)程中，熱載體的最終穩(wěn)定溫度和熱載體的升溫速率是影響油頁(yè)巖原位裂解的重要參數(shù)。通過(guò)數(shù)值模擬得到不同N2注入量下注熱管柱出口溫度隨時(shí)間的變化曲線，如圖6所示。從圖中可看出，當(dāng)N2注入量為50 Nm3/h時(shí)，注熱管柱的出口溫度在250 min后開(kāi)始增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)950 min后，在1200 min后達(dá)到穩(wěn)定溫度417 ℃；當(dāng)注氣流量為70 Nm3/h時(shí)，出口溫度在120 min后開(kāi)始增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)480 min后，在600 min后達(dá)到穩(wěn)定溫度428 ℃；當(dāng)N2注入量為100 Nm3/h時(shí)，出口溫度在105 min后開(kāi)始增長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)395 min后，在500 min后達(dá)到穩(wěn)定溫度437 ℃；當(dāng)N2注入量為120 Nm3/h時(shí)，出口溫度在100 min后開(kāi)始增長(zhǎng)，在480 min后達(dá)到穩(wěn)定溫度437 ℃；當(dāng)N2注入量為140Nm3/h時(shí)，出口溫度在95min后開(kāi)始增長(zhǎng)，在420 min后達(dá)到穩(wěn)定溫度451 ℃。

圖6　注熱管柱出口溫度隨時(shí)間的變化曲線

注氣的流量越大，注熱管柱出口開(kāi)始升溫的時(shí)間越短，達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間也就越短，加熱速率越快，最終穩(wěn)定的溫度也就越高，對(duì)油頁(yè)巖原位裂解也越有利。

從圖6中還可以看出，N2在注熱管柱的出口溫度在注熱開(kāi)始一段時(shí)間后才開(kāi)始升高，以140 Nm3/h注入流量為例，得到注熱管柱在不同注熱時(shí)間的溫度云圖，如圖7所示。從圖中可以看出在加熱95 min時(shí)，注熱管柱進(jìn)出口溫差較大，這是由于N2流經(jīng)70 m的注熱管柱需要一定時(shí)間，流量越大N2在注熱管柱中停留的時(shí)間越短，管柱出口溫度開(kāi)始上升也就越快；從120、240和420 min的溫度云圖可以看出，在加熱過(guò)程中管柱進(jìn)口和出口的溫差較小，保溫層保溫效果較好。

圖7　140 Nm3/h流量N2不同注熱時(shí)間溫度云圖

通過(guò)數(shù)值模擬分析可知，注熱管柱在長(zhǎng)為70 m、外徑為32 mm，均勻纏繞4層納米氣凝膠GR10，N2入口溫度為500 ℃的情況下，盡管注入流量不同，但注熱管柱出口的N2溫度在注熱一段時(shí)間后均可達(dá)到400 ℃以上，能滿足油頁(yè)巖原位裂解的要求。

3　油頁(yè)巖原位裂解野外試驗(yàn)

3.1　安裝保溫注熱管

在吉林省長(zhǎng)春市農(nóng)安縣進(jìn)行了油頁(yè)巖原位裂解先導(dǎo)試驗(yàn)工程，采用本文設(shè)計(jì)的保溫注熱管柱進(jìn)行高溫N2的注熱試驗(yàn)。

在完成注熱井和開(kāi)采井的施工后，進(jìn)行射孔和水力壓裂，使兩井貫通[15-16]。根據(jù)文中的設(shè)計(jì)制作保溫注熱管柱，在管柱底部1 m內(nèi)設(shè)置32個(gè)8 mm的孔作為排氣口，管柱下入注熱井內(nèi)，為保證同心度每隔12 m安裝1個(gè)?115 mm三翼扶正器，共安裝6個(gè)，下管時(shí)保證最后1 m的排氣段正對(duì)著注熱井的射孔段。

3.2　注熱試驗(yàn)

3.2.1數(shù)據(jù)采集

采用PT100型溫度傳感器對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中6個(gè)關(guān)鍵溫度參數(shù)進(jìn)行采集，具體包括：一級(jí)換熱器N2出口溫度T1、注熱管柱N2入口溫度T2、N2在注熱井井底的溫度T3、注熱井井壁周?chē)膸r層溫度T4、N2在開(kāi)采井井底溫度T5以及開(kāi)采井井壁周?chē)膸r層溫度T6。

數(shù)據(jù)采用無(wú)紙記錄儀采集，并同時(shí)用DTM軟件實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)上，以及時(shí)了解加熱情況并及時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)。

3.2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

原位裂解試驗(yàn)從2015年6月3日開(kāi)始。由注熱井向油頁(yè)巖層注入高溫N2。注入流量120～140 m3/h。試驗(yàn)過(guò)程中各關(guān)鍵點(diǎn)的溫度變化如圖8所示，氣體溫度在0～2 d為300 ℃，3～6 d為350 ℃，6～8 d為400 ℃，9 d為450 ℃，10 d以后為500 ℃。由圖8可知，注熱井的N2入口溫度T2隨著一級(jí)換熱器的N2出口溫度T1的變化而波動(dòng)；而熱載體經(jīng)注熱井中的注熱管柱到達(dá)孔底后，熱載體的孔底溫度T3同樣隨著T2和T1的變化而變化。加熱10 d后，T1和T2的溫度在450～500 ℃，T3為400～420 ℃。隨著N2注入溫度的升高，注熱井井壁周?chē)膸r層溫度T4、N2在開(kāi)采井孔底的溫度T5和開(kāi)采井井壁周?chē)膸r層溫度T6也在不斷升高。

野外試驗(yàn)的注熱過(guò)程中，全程開(kāi)啟在線分析儀，測(cè)試油頁(yè)巖原位裂解的產(chǎn)物成分，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)產(chǎn)物中碳?xì)浠衔?HC)的含量，數(shù)據(jù)提取間隔為0.5h。

圖8　加熱試驗(yàn)溫度變化曲線

圖9為裂解產(chǎn)物成分含量曲線圖。從裂解產(chǎn)物成分含量的變化中可以得到，從注熱開(kāi)始至注熱第10 d，HC含量隨時(shí)間的增加而逐漸升高；油頁(yè)巖層加熱至第8 d時(shí)，HC的含量已大于10%，這表明油頁(yè)巖層中的干酪根已開(kāi)始裂解，第10 d裂解產(chǎn)物中的HC含量達(dá)到最大值40%。

圖9　裂解產(chǎn)物成分含量曲線

野外試驗(yàn)中，注熱與裂解產(chǎn)物的分離過(guò)程同步進(jìn)行，在加熱至17 d后，從裂解產(chǎn)物中成功提取油頁(yè)巖油，如圖10所示。這表明設(shè)計(jì)的保溫注熱管柱能滿足油頁(yè)巖原位裂解的要求。

圖10　成功裂解出的油頁(yè)巖油

4　結(jié)論

(1)根據(jù)油頁(yè)巖原位裂解的工藝要求，通過(guò)對(duì)8種保溫材料的分析，確定了采用氣凝膠GR10作為保溫材料，并根據(jù)保溫層的臨界絕熱半徑和工程要求設(shè)計(jì)了保溫注熱管柱：外徑32 mm鋼管，在鋼管外壁均勻纏繞4層共計(jì)24 mm的氣凝膠。

(2)注熱管柱進(jìn)行數(shù)值分析表明，N2的注入流量對(duì)于注熱過(guò)程有重要影響，注氣流量越大，注熱管柱出口溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的時(shí)間越短，出口最終的穩(wěn)定溫度也越高。同時(shí)，當(dāng)N2注入溫度為500 ℃的情況下，管柱出口溫度在一定注氣時(shí)間后均可達(dá)到400 ℃以上，能滿足油頁(yè)巖原位裂解的要求。

(3)采用本文設(shè)計(jì)的保溫注熱管柱在農(nóng)安油頁(yè)巖原位裂解先導(dǎo)試驗(yàn)工程中開(kāi)展野外試驗(yàn)，在N2注入溫度為500 ℃、注入流量為120～140 Nm3/h的工況下，N2孔底溫度可達(dá)400～420 ℃。油頁(yè)巖層加熱8 d后，裂解產(chǎn)物中碳?xì)浠衔锏暮?10%，這表明油頁(yè)巖層中的干酪根開(kāi)始裂解，最終成功獲得油頁(yè)巖油，表明設(shè)計(jì)的保溫注熱管柱能滿足油頁(yè)巖原位裂解的要求。