油页岩原位裂解用注热管柱数值传热模拟与试验研究

油页岩作为一种非常规油气资源,有望成为石油的替代品。油页岩原位裂解技术对环境污染小,生成的油页岩油油品好,具有良好的开发前景。在原位裂解过程中,减少注热过程中的热量损失具有十分重要的意义,因此本文将对保温注热管柱的传热特性进行数值模拟和试验研究。通过传热学计算分析,保温注热管柱设计为外径?32mm的钢管,外层缠绕共计24mm的纳米保温材料。数值分析表明氮气流量越大,注热管柱出口温度达到稳定的时间越短,稳定温度也越高;当管柱氮气入口温度为500℃时,管柱出口温度在一定注气时间后均可达到400℃以上。在农安油页岩原位裂解先导试验工程中对注热管柱进行野外试验,管柱达到注热保温效果,井底温度达到设计温度,最终成功获得油页岩油。     

油页岩地下原位转化螺旋折流板式井下加热器表面传热特性及数值传热模拟研究

油页岩地下原位转化技术的关键是要把油页岩加热至高温裂解状态,采用井中直接加热的方式可实现对油页岩地层的直接加热,能量利用率最高,热损失最小,已经成为油页岩原位转化的主要加热方式。本文研究了一种新型的井下螺旋折流板式加热器,其传热通道呈螺旋形连续分布,能有效地增加气体和加热管的接触时间,可显著提高加热管表面的传热系数。本文重点研究螺旋折流板式井中加热器的表面传热特性,通过数值模拟及理论推导,综合分析了螺旋折流板的螺距和气体的质量流量对加热管表面传热系数的影响规律,得出了折流板螺距越小或气体质量流量越大加热管表面传热系数越高的结论,并求出了加热管表面传热系数随螺距和气体质量流量变化的拟合方程,为螺旋折流板加热器的后续设计提供了理论支撑。     

冻融过程对膨胀土裂隙演化特征的影响

干湿与冻融耦合作用是构成高寒地区恶劣气候条件的基本形式之一,对高寒区膨胀土输水渠道的正常运行产生严重影响。以北疆供水工程渠道现场渠基膨胀土为研究对象,开展了单向湿干及湿干冻融耦合循环作用下的裂隙试验,探讨了冻融过程对膨胀土裂隙演化规律的影响。通过对不同试验条件下的膨胀土试样进行CT扫描及三维重构,获得了不同循环次数作用下膨胀土内部裂隙的演化特征。试验结果表明：湿干及湿干冻融耦合循环作用下试样内部裂隙均呈现出由表层向内部的发展规律,裂隙的区域性分布明显。对比不同试验条件下试样内部裂隙的演化特征可知,湿干冻融耦合循环中的冻融过程对试样裂隙的开展深度影响显著,冻融过程造成试样内部裂隙的破碎断裂,宏观表现为非水平向长裂隙向短裂隙的转化。此外,研究还发现采用裂隙体积分数能较好地评价膨胀土试样经受不同循环次数作用下的裂隙发育规律。     

堆石料颗粒破碎特征的大型三轴试验研究

针对多个堆石料进行的大型三轴剪切试验,研究了颗粒破碎情况。结果表明,在试样制备过程所发生的颗粒破碎不可忽视。为了在固结开始前保持初始设计的级配,应将设计级配相应下调一定数值来制备试样。分析试验数据表明,大颗粒主要发生的是表面破碎,而整个试验过程中在剪切完成后的颗粒破碎率与围压之间呈线性增加关系,且风干样的颗粒破碎率小于饱和样的破碎率。     

油页岩原位开采区注浆封闭浆液优化及其防渗效果实验

为提高油页岩原位转化加热效率、减少油气污染,采用注浆技术对油页岩开采区进行封闭止水。基于扶余油页岩开采区地质条件,对优化封闭浆液配方与封闭效果进行实验研究。首先基于正交试验,获得了不同指标下的优化配方,进而通过综合分析法,选出符合此封闭区要求的优化配方;为了验证优化浆液的封闭效果,对比分析了浆液充填前后油页岩试样渗透率的变化。结果表明：浆液优化配方为水灰质量比0.85,w（钠基膨润土）4.0%、w（微硅粉）6.0%、w（聚羧酸减水剂）0.5%;当围压为扶余油页岩开采区地应力时,充填浆液试样的渗透率均约为0.1×10^-3 μm²,远低于未充填的试样,优化浆液封堵试样裂缝效果较好。     

砂岩循环冻融损伤的低场磁共振与声发射概率密度研究

为了研究不同水化环境下的砂岩经多次冻融循环后的损伤情况,将饱和蒸馏水与3%NaCl水溶液的砂岩试样,在冻结温度为-30℃、融化温度30℃的环境下进行循环冻融实验;并同步采集冻融中的声发射信号,每三次冻融循环后进行一次低场核磁分析与光学显微观测,在冻融循环结束后再进行单轴压缩实验。实验结果表明:蒸馏水环境和3%NaCl溶液环境作用下,随着冻融循环次数的增加,砂岩试样的T_2谱向右偏移、T_2谱总面积增加、孔隙度增加、内部显微结构破坏,且3%NaCl溶液冻融组变化更为严重;循环冻融后砂岩的单轴压缩声发射绝对能量概率密度依然满足幂定律分布,但临界指数增加,而3%NaCl循环冻融组的增量更大;每次冻融循环过程中,声发射概率密度的临界指数随着循环次数的增加表现为先增加后降低,与已有的超声波检测试验结果相一致,而融化过程的临界指数峰值超前于结冻过程,冻融损伤主要是因静压、渗透压破坏以及水化介质对岩石的溶解、侵蚀造成的。本研究将为寒区岩体工程损伤破坏机理和稳定性评价提供了一定的参考价值。     

砂岩循环冻融损伤的低场磁共振与声发射概率密度研究

为了研究不同水化环境下的砂岩经多次冻融循环后的损伤情况,将饱和蒸馏水与3%NaCl水溶液的砂岩试样,在冻结温度为-30℃、融化温度30℃的环境下进行循环冻融实验;并同步采集冻融中的声发射信号,每三次冻融循环后进行一次低场核磁分析与光学显微观测,在冻融循环结束后再进行单轴压缩实验。实验结果表明:蒸馏水环境和3%NaCl溶液环境作用下,随着冻融循环次数的增加,砂岩试样的T_2谱向右偏移、T_2谱总面积增加、孔隙度增加、内部显微结构破坏,且3%NaCl溶液冻融组变化更为严重;循环冻融后砂岩的单轴压缩声发射绝对能量概率密度依然满足幂定律分布,但临界指数增加,而3%NaCl循环冻融组的增量更大;每次冻融循环过程中,声发射概率密度的临界指数随着循环次数的增加表现为先增加后降低,与已有的超声波检测试验结果相一致,而融化过程的临界指数峰值超前于结冻过程,冻融损伤主要是因静压、渗透压破坏以及水化介质对岩石的溶解、侵蚀造成的。本研究将为寒区岩体工程损伤破坏机理和稳定性评价提供了一定的参考价值。     

松辽盆地扶余—长春岭矿区青山口组油页岩原位开采中试示范区优选

随着松辽盆地地下原位转化技术点试实验的成功,亟需从中试和生产角度寻找适合油页岩规模开采的靶区,建立油页岩原位选区的参数体系是开展上述工作的首要任务。在众诚集团和吉林大学油页岩原位转化实验经验基础上,从油页岩品质、矿床赋存特征角度出发,提出油页岩含油率、有机质类型及成熟度、厚度、岩石组合特征、埋深、横向稳定性和地层倾角是进行原位选区的关键参数。基于松辽盆地东南隆起区扶余—长春岭矿区基础数据,确定1号和2号矿层为油页岩原位开采有利层位,并通过原位开采潜力值在研究区选出4个适合油页岩原位开采的中试示范区。运用体积法计算松辽盆地扶余—长春岭矿区适合原位开采的油页岩油资源为36 995×10~4t。     

桦甸油页岩半焦基础理化特性

油页岩半焦是油页岩干馏的主要副产物,半焦的合理利用是油页岩综合利用的基础。利用自建的实验台制备了吉林省桦甸3个矿区油页岩半焦样品,采用X射线衍射仪分析半焦样品的矿物组分,采用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)测定了半焦样品中部分痕量元素的含量并分析其富集特性,采用热重分析仪详细研究了各半焦样品的燃烧特性,测定了油页岩半焦的灰分特性、比热、密度、导热系数、可磨性等物性参数。研究表明:桦甸油页岩半焦属于高灰分、低热值和具有中等程度结渣倾向的劣质燃料;半焦中含有较多的石英、方解石、伊蒙混层等矿物质;半焦中痕量元素含量相对较高,并且表现出强富砷特性。利用燃烧实验数据建立的半焦燃烧动力学模型表明,半焦燃烧反应在不同的温度范围内具有不同的反应级数。     

油页岩原位开采井距影响数值模拟研究

近年来,随着我国能源消费水平的提高,油气资源进口量逐年上升,寻找替代能源逐渐受到世界各国关注。油页岩是一种重要的石油替代能源,其储量巨大,分布广泛,开采前景广阔。地下原位转化开采油页岩具有低污染、占地面积小的优点。本文采用CMG-STARS数值模拟软件建立油页岩地下原位开采模型,通过原位注入热蒸汽法模拟了油页岩地下原位转化过程中的产油动态,并分析不同井距对开采的影响。结果表明,井距对油页岩开采有重要影响,井距越大,油页岩长期开采效果越好,但短期开采效果越差。最后对井距进行敏感性分析,结果表明井距40 m左右时产油效果最好。     

油页岩原位开采温度-时间-转化率判识方法及应用

油页岩原位转化开采加热的最终温度、加热时间和最终油气转化率与原位开采的经济成本息息相关。利用Rock-Eval 6型岩石热解分析仪分别获取不同升温速率下的油页岩烃产率-转化率和烃产率-活化能之间的关系,以烃产率为桥梁,建立活化能与转化率的对应关系;在此基础上,依据化学动力学反应原理,将油页岩有机质（干酪根）演化生成油气的过程近似为具一级反应特征的热裂解反应,获取不同转化率条件下温度倒数（1/T）与时间对数（ln t）的关系式,建立油页岩原位转化温度-时间-转化率关系图。以广东茂名盆地油柑窝组油页岩为例,通过上述方法建立了油页岩原位转化开采温度-时间-转化率关系图。由判识关系图可知：加热至350℃开采该区油页岩,转化率达90%需要98 a;加热至200℃开采该区油页岩,在不采取其他措施的情况下即使转化10%也需要147 a。实际情况下,地下油页岩原位受热具有非均质性,加热开采能耗大,通过添加催化剂降低油页岩原位油气转化所需的温度、改善油气产物品质可能是油页岩原位开采技术的一种发展方向。     

页岩油化学生热原位转化开采理论与方法

页岩油资源量潜力巨大,作为一种重要的接替能源,寻求页岩油的有效开发与经济利用的途径,对缓解能源供需矛盾具有重大的现实意义。在分析页岩油原位转化/改质各种方法优缺点的基础上,总结了页岩油裂解生烃转化的温度时间条件与结构演化特征,根据物质与能量平衡原理,提出了页岩油化学生热原位转化开采理论与方法,论证了该方法温度水平、热量供给和固相体积变化等技术可行性,提出了关键技术可能突破的工艺路径。得出了如下结论:当前中低成熟度页岩油和油页岩地下原位转化/改质方法主要面临热效率低、污染风险高和储层沉降失稳等瓶颈难题; 提出了页岩油化学生热原位开采理论,采用氧化钙与水反应为有机质原位转化提供热量,通过热量平衡与固相物质平衡分析、高压氧化钙水解试验,证明了该理论方法的技术可行性和经济性; 建立了页岩油化学生热原位转化开采方法,提出了氧化钙粉末表面包覆改性、氧化钙微球、氧化钙羟基注入液、高压空气氧化钙粉末注入等核心技术工艺路径。     

Research Progress and Development Tendency About Thermal Physical Properties of Rocks

The fundamental researches about thermal physical properties of rocks have much concern in oil and gas field. They go through four stages and are applied in thermal structure of lithosphere, thermal evolution of sedimentary basins, geotechnical engineering and geothermal area. This article summarized the current research progress on the basis of thermal physical properties of rocks and proposed the development of tendency for the future. Moreover, some cylindrical heat pipe, disc heat pipe, spherical heat pipe based on in-situ measurement method and prediction model based on mathematical statistics have been developed. The scholars discuss the internal relation between thermal conductivity parameter of rocks and other physical properties by a large number of experiments. The researches show that the thermal conductivity of rocks is affected by many factors, and the petrologic characteristic is the most important factor. The porosity of rocks, filled fluid properties, acoustic characteristics are also related to thermal conductivity, which is affected by temperature, pressure and anisotropy. In consideration of the study of thermal physical properties of rocks, we proposed the following tendency for the future. First of all, shale gas is regarded as a hot spot in oil-gas exploration and the formation mechanism and the formation of shale gas reservoir are under the control of thermal physical properties of shale gas, but the relationship among thermal conductivity and organic porous, organic carbon content, gas content, fractured characteristics remains unknown. Therefore, exploring the thermal physical properties of gas-bearing shale is an important research direction in oil and gas field. Secondly, the study of big data represents the general trend. Though the database of rocks thermal parameter is continually expanding, measuring in-situ thermal conductivity continuously in well is the best method to get the accurate in-situ thermal conductivity of rocks. Hence, the development of logging method principle and logging instruments based on thermal physical properties of rocks is a necessary trend for the future.     

不同边界条件对油页岩原位转化开采的影响及启示

借助于烃源岩生排烃模拟技术,开展了加热温度、加热速率、恒温时间、水质量分数等不同边界条件对油页岩原位转化开采影响的模拟实验。结果表明:升高转化温度、降低升温速率、延长恒温时间均有利于提高原位转化出油率和改善油品;流体压力过度升高对油品稍有改善,但出油率有所降低,且过高的流体压力(如超过开采层上覆岩层压力)会对地面工程产生破坏影响;高温地层水可能作为催化剂、反应物和溶剂参加反应,促进非共价键的断裂,提高出油率。在此基础上,提出了在干馏转化过程中加入额外的供氢物质或高温水中加入适量的水溶性催化剂提高油页岩原位转化开采出油率的方法。     

国际油页岩开发技术与研究进展记第33届国际油页岩会议

笔者参加了美国科罗拉多矿业学院于2013年10月14-16日组织召开的第33届国际油页岩会议(33rd Oil Shale Symposium).为了让国内学者了解国际油页岩开发技术与研究的进展情况,笔者选取了会上重要报告,从油页岩资源的地质调查、油页岩化学分析技术、地面干馏技术、地下原位转化技术、国际油页岩项目动态和油页岩资源开发风险评估等方面介绍了国际油页岩研究的新进展.国际上对油页岩资源的开发与利用正向着快速、经济、原位和环保的方向发展,会议上提出的油页岩光谱分析、沸腾油原位转化工艺及其先导试验区的建设、油页岩新项目的设计与发展等相关技术与理念都非常值得我国油页岩行业学习与借鉴.     

多年冻土区活动层冻融状况及土壤水分运移特征

利用位于典型多年冻土区的唐古拉综合观测场2007年9月1日—2008年9月1日实测活动层剖面土壤温度和水分数据,对多年冻土区活动层的冻结融化规律进行研究;同时,对冻融过程中的活动层土壤液态水含量的变化特征进行分析,探讨了活动层内部土壤水分分布特征及其运移特点对活动层冻结融化过程的影响. 结果表明：活动层融化过程从表层开始向下层土壤发展,冻结过程则会出现双向冻结现象. 一个完整的年冻融循环中活动层冻结过程耗时要远远小于融化过程. 活动层土壤经过一个冻融循环,土壤水分整体呈现下移的趋势,土壤水分逐步运移至多年冻土上限附近积累. 同时,土壤水分含量和运移特征会对活动层冻融过程产生显著的影响.     

超轻油页岩渣陶粒的研制与生产工艺方案设计

吉林省桦甸市、农安县油页岩资源丰富。以桦甸市示范电厂油页岩渣为主要原料,用新的烧胀试验方法开展了超轻陶粒的研制,采用自制的新试验装置,烧制出的陶粒接近实际陶粒回转窑水平,并可专门烧制小颗粒陶砂,可比现有烧胀试验方法工作效率提高约50倍;并以国产陶粒设备,提出拟建年产20 万m³陶粒工厂工艺方案设计,对窑炉两端的余热利用提出了可行方案。油页岩渣SiO₂,Al₂O₃,R₂O含量适中,特别是含碳非常少,可以人为地调整发泡剂的用量而控制陶粒的密度,使在1 030～1 100℃范围内烧制出300～500 kg/m³级陶粒或陶砂。     

降水井改造为原位生产井的工艺设计及应用

为有效地扩大油页岩原位开采区域和节约油页岩原位开采的成本,需将废置的降水井改造成为原位生产井。根据降水井与原位生产井井身结构的相似性,对农安油页岩原位开采先导试验工程基地的降水井改造工艺进行了设计和优化。同时研发了偏心轮式套管割管装置及三爪式套管打捞装置用于拔管施工。工程实践证明,该工艺具有步骤简单、合理、高效以及价格低廉等特点。偏心轮式套管割管装置及三爪式套管打捞装置应用在降水井改造中,均取得理想的效果。