煤系伴生资源—油页岩原位注蒸汽开采油气的技术基础研究

With global oil shortage, using superheated steam to coal associated resources--oil shale in-situ development has important practical significance, and domestic and foreign present still lack systematic research, especially on the basis of physical and theoretical research. This project combines the experimental study and theoretical analysis, revealing the oil and gas output mechanism under the condition of oil shale in the superheated steam heating, studying on the mechanical property of oil shale with temperature variations, threshold values of temperature and its evolution mechanism, studying on the permeability variation rule in the oil shale stratum in-situ pyrolysis process under different temperature, fluid pressure and ground stress, studying on the steam injection "oil shale deposits interbedded with thin coal" technology implementations, and build on the horizontal fracture′s expansion and connectivity and control theory by hydraulic fracturing. According to rock mechanics, fluid mechanics, heat transfer, physical chemistry, pyrolysis kinetics of basic theory, establish oil shale in-situ steam injection development of solid-flow-heat-chemical coupling model, and carry out numerical simulation, obtained the optimum technological parameters, undoubtedly to guide China''s coal associated resources--oil shale deposits and thin coal seam joint clean development provided important theoretical basis and engineering reference.

随着全球石油资源的日益短缺，利用过热水蒸汽对煤系伴生资源——油页岩进行原位开发具有重要的实际意义，而国内外目前还缺少系统研究，尤其是对其所涉及的基础物性及理论的研究。本项目通过实验研究与理论分析相结合，揭示油页岩在过热水蒸汽加热条件下油、气的产出机理；研究油页岩的力学特性随温度的变化规律、门槛值温度及其演化机理；研究油页岩在原位热解过程中不同温度、流体压力、地应力作用下地层渗透率的变化规律；研究注蒸汽开采“与薄煤互层油页岩矿床”的技术实施方案，并建立在该类地层中进行水力压裂形成水平裂缝的起裂、扩展与连通的条件与控制理论；根据岩石力学、渗流力学、传热学、物理化学、热解动力学的基本理论，建立油页岩原位注蒸汽开发的固—流—热—化学耦合模型，并进行数值模拟，获得最佳工艺参数，无疑对指导我国煤系伴生资源——油页岩矿床以及薄煤层的联合洁净开发提供了重要的理论依据和工程参考。

本项目以油页岩原位注蒸汽开采油气新技术为背景，利用过热水蒸汽作为热量传输的载体，并借助全新设计的过热水蒸汽锅炉、小型岩石单轴加载系统、高温三轴渗透试验台，对油页岩在高温蒸汽加热状态下的油、气产出规律，力学变化特性和渗透规律进行了详细研究。研究结果表明：1）过热蒸汽加热所得页岩油中汽油、柴油等轻质油组分比例较高，油品质量和价值大幅提升；热解气体主要成分是甲烷、氢气和二氧化碳，还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、一氧化碳、硫化氢等，其中有机气体总组分含量在400℃时达到最大值。2）取φ7.5×15mm小尺寸油页岩试件作为力学实验对象，以降低岩石尺度效应的影响，在温度作用下，油页岩单轴抗压强度随温度升高呈指数规律衰减，弹性模量随温度升高呈对数规律衰减。3）三维应力作用下，350℃时油页岩渗透率极低，这与有机质受热软化后堵塞渗透通道有关；随温度超过350℃，有机质开始大量剧烈热解，渗透率瞬间呈现急剧增大趋势，350℃为油页岩渗透性发生突变的门槛值温度。同时，完成注蒸汽开采“与煤互层油页岩矿床”技术实施方案，确定注水压力应控制在σv+TI附近，将形成水平裂缝连通注热井和采油井。根据岩石力学、渗流力学、传热学、物理化学的基本理论，建立油页岩原位注蒸汽开发的固—流—热—化学耦合数学模型，并进行数值模拟，与ICP7点井网电加热技术相比，注蒸汽开采油气新技术传热效率更高、开发周期短、且最终能耗小。研究成果对于提升我国油页岩原位开发领域的发展具有一定的参考和推动作用。