油頁巖原位開采中裂隙與井組相對位置及產(chǎn)狀對加熱效果的影響分析

胡之璐

（大慶油田有限責(zé)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(jī)質(zhì)，是一種良好的化石燃料，將油頁巖進(jìn)行一定的處理后，能夠作為燃料使用，從而補(bǔ)充資源，具有較為廣闊的市場發(fā)展空間。我國油頁巖資源儲量較為豐富，已經(jīng)查明的油頁巖儲量居世界第四位，如果能夠?qū)⒂晚搸r資源合理利用，對于我國能源安全戰(zhàn)略以及社會發(fā)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(shù)和注熱技術(shù)，這種技術(shù)的處理方式較為簡單，能夠在地下直接實(shí)現(xiàn)，不需要額外的處理工序，相比于傳統(tǒng)的干餾技術(shù)而言，能夠提高采收效率，同時節(jié)省作業(yè)成本，還能夠降低對環(huán)境的污染。

1 油頁巖原材開采技術(shù)分析

在當(dāng)前對油頁巖的開發(fā)領(lǐng)域中，應(yīng)用頻率最高的技術(shù)為對流加熱技術(shù)，這種技術(shù)應(yīng)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?dú)獾葻崃黧w，在地下完成對油頁巖的開采、熱氮?dú)庖约捌渌麩崃黧w的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對油頁巖開采的一種方法，主要包括CRUSH 技術(shù)、CRR 技術(shù)、原材蒸汽開采技術(shù)、地下燃燒對流技術(shù)以及化學(xué)強(qiáng)化高壓較低溫?zé)峤饧夹g(shù)（IISTVTTC）；地下燃燒對流加熱技術(shù)是指向地下的井中通入一定量的可燃?xì)怏w，同時以助燃?xì)庾鳛檩o助，在氣體充分燃燒的情況下，能夠?qū)τ晚搸r進(jìn)行加熱，從而為開采創(chuàng)造有利條件[1]。該技術(shù)基本形式如圖1所示。

圖1 燃燒對流加熱技術(shù)基本形式

在圖1 中，第一階段為水力壓裂作用下產(chǎn)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(nèi)進(jìn)行點(diǎn)火，通過燃燒的煙氣對油頁巖進(jìn)行加熱；第三階段為油頁巖油氣可用裂隙和作業(yè)井傳出到地面中。通過采用該技術(shù)，將注氣燃燒井作為中心，采用蜂窩布局模式，對油頁巖層進(jìn)行壓裂處理，從而在地下構(gòu)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(nèi)油頁巖進(jìn)行加熱，同時能夠在地下開展干餾作業(yè)，就會得到油氣等資源，最后提升到地面收集。

再進(jìn)行開采期間，會受到實(shí)際情況差異的影響，導(dǎo)致預(yù)期開采成果和實(shí)際開采結(jié)果會出現(xiàn)一定的差異問題，雖然引起差異的原因較多，但是經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)裂隙是導(dǎo)致差異出現(xiàn)的重要原因。油頁巖形成的過程較為復(fù)雜，許多經(jīng)過長時間的構(gòu)造擠壓等作用，油頁巖層會出現(xiàn)一些節(jié)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(wǎng)絡(luò)；在間隔寬度較大的裂隙中會出現(xiàn)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(chǎn)和轉(zhuǎn)移主要由溫度進(jìn)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(jìn)行判斷[2]。因此，通過采用加熱技術(shù)能夠取得良好的效果，裂隙不僅能夠?yàn)殚_采提供通道，能夠擴(kuò)大或縮小加熱范圍，同時也影響熱流體的運(yùn)動速度，從而導(dǎo)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(jì)，厚度在0.4～10m范圍內(nèi)，根據(jù)勘察測井?dāng)?shù)據(jù)顯示，該區(qū)域內(nèi)油頁巖儲層平均厚度為4.1m，所以根據(jù)油頁巖出層面模型需要設(shè)計(jì)為4.1m。在作業(yè)過程中，該區(qū)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(gòu)建水平封閉裂隙模型。根據(jù)油頁巖的地質(zhì)其概況，在模型構(gòu)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(jù)三種不同變量設(shè)計(jì)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(jìn)行分析，通過建模處理能夠得到直觀的影響分析結(jié)果，從而簡化地層中可能存在的裂隙，對加熱效果進(jìn)行分析[3]。

2.2 模型網(wǎng)絡(luò)化

在建立油頁巖儲層模型后，利用ANSYS中的網(wǎng)格軟件ICEM繪制結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格化之后設(shè)置邊界條件，按照其基本性質(zhì)將其分別設(shè)計(jì)為流體和固體形式，并對其交界面進(jìn)行確定，能夠有效提高分析結(jié)果準(zhǔn)確性，采用相應(yīng)的建模軟件對監(jiān)理的模型進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對模擬流程的優(yōu)化。

2.3 參數(shù)設(shè)計(jì)

以油頁巖實(shí)際的生產(chǎn)條件為基礎(chǔ)，并加熱的流體溫度調(diào)整到符合實(shí)際情況的數(shù)值，加入速度設(shè)置為10m/s。其他模擬參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)計(jì)

2.4 溫度場模擬

溫度場模擬對于數(shù)值結(jié)果準(zhǔn)確性要求較高，本次溫度場參數(shù)設(shè)計(jì)以雷諾公式對其進(jìn)行計(jì)算，按照上述表格的參數(shù)計(jì)算得出雷諾系數(shù)為2.7×106，將流體的流動狀態(tài)控制為湍流形態(tài)，流體會將能量傳遞到模型底部，通過軟件和方程對其計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化處理目標(biāo)；網(wǎng)格化處理完成后，需要對模型的具體參數(shù)進(jìn)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(shù)，說明溫度場已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)不需要發(fā)生改變，將計(jì)算結(jié)果輸出；瞬態(tài)模擬設(shè)置時間為1d，模擬時間共計(jì)5a，每月輸出一次結(jié)果。

2.5 數(shù)據(jù)處理

在對S 市油頁巖儲區(qū)開展熱解處理的過程中，在溫度達(dá)到180℃時出現(xiàn)部分氣體逸出的現(xiàn)象，且在溫度之間提升的情況下，產(chǎn)油率逐漸提高，大量頁巖油的溫度為400℃～450℃，當(dāng)溫度超過450℃之后，其中很大一部分都發(fā)生熱解生烴現(xiàn)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(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到CFD-POST 中，對超過450℃的模擬體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3 模擬結(jié)果

3.1 位置影響因素分析

為了驗(yàn)證位置對于油頁巖開采效果的影響，在本次試驗(yàn)中對裂隙井、生產(chǎn)井以及加熱井的位置進(jìn)行調(diào)整，在模型中分別構(gòu)建五種不同的位置模式，對不同位置的加熱效果進(jìn)行分析。因此在加熱井和生產(chǎn)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(jù)分析結(jié)果能夠看出，在注熱五年后油頁巖有效的產(chǎn)油體積占比與穩(wěn)定態(tài)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(chǎn)油增長曲線和峰值主要集中在加熱后的5～12個月范圍內(nèi)，最大增長速度越大則峰值出現(xiàn)時間越晚，所以加熱體積越大。當(dāng)加熱時間超過40個月時，產(chǎn)氣體積增長率開始下降，逐漸小于0.5%，被加熱區(qū)域處于距離生產(chǎn)井較遠(yuǎn)的位置，說明對于生產(chǎn)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(yuǎn)，裂隙開口區(qū)域的壓力較小，流體在壓力的影響下裂隙開口處遠(yuǎn)離，高溫流體經(jīng)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(yàn)結(jié)果可以看出，井組位置確實(shí)會對加熱效果產(chǎn)生很大影響，主要是由于對流加熱技術(shù)的原理，不同位置聚集的熱量和散失的熱量不同，從而導(dǎo)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?yàn)橛晚搸r的開采給予一定啟示，通過調(diào)整井組位置則能夠優(yōu)化生產(chǎn)效果[4]。

3.2 裂隙走向?qū)訜嵝Ч挠绊懛治?/h3>

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(chǎn)井的相對位置固定，對井組方位進(jìn)行調(diào)整，則就是對裂隙和井組相對走向的調(diào)整。在本次模擬中，將井組連線設(shè)置為N向，共計(jì)設(shè)置0°、30°、45°、60°以及90°五種模型，建立模型組Y。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，在注熱五年之后，模型Y 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，油頁巖的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)油體積高度相同。根據(jù)Y 組的變化情況來看，裂隙的走向會對加熱效果產(chǎn)生直接影響，主要是因?yàn)榱严蹲呦虿煌?，所產(chǎn)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(jié)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(chǎn)井位置固定的情況下，對其角度進(jìn)行調(diào)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(jù)模擬結(jié)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(chǎn)油體積的提高率與有效產(chǎn)油體積符合，最后油頁巖產(chǎn)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(bǔ)的兩組模型中，因?yàn)閆1 和Z2 裂隙開口與生產(chǎn)井距離較遠(yuǎn)，所以熱流體經(jīng)過裂隙向外散失的過程中，能夠?yàn)橛晚搸r提供加熱，所以導(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)的規(guī)律。

通過上述結(jié)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(chǎn)狀因素對于加熱效果會產(chǎn)生直接影響，所以在油頁巖布井設(shè)置時，通過對位置及傾角、走向等進(jìn)行調(diào)整，能夠提升油頁巖開采效率，產(chǎn)出更多的油氣資源，促進(jìn)油頁巖開采工作水平提升。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文全面闡述油頁巖的多種開采技術(shù)，并建立油頁巖儲層模型，對裂隙與井組的相對位置及產(chǎn)狀對加熱效果的具體影響進(jìn)行分析，最后得到了科學(xué)可靠的結(jié)論，希望能夠?qū)ξ覈晚搸r生產(chǎn)行業(yè)起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高油頁巖開采技術(shù)水平，以調(diào)整裂隙和井組相對位置、調(diào)整裂隙傾角和調(diào)整裂隙走向的方式，促進(jìn)油頁巖油氣資源開采效率全面提高。