油页岩原位注热开采及冷冻墙形成过程数值模拟

【摘要】油页岩原位开采技术作为非常规能源开发项目之一，已成为能源开发的前沿研究方向。本文利用FLUENT商用软件，按照工程中的施工顺序，分别对冷冻墙的形成过程以及原位注热开采过程进行了数值仿真模拟。其中，在冷冻墙的数值模拟中，本文根据工程实际需要，建立了三维计算模型。结合实验测量数据，设定岩层温度随深度增加成线性升高，并考虑了地下水在冷冻过程中发生相变所带来的能量的改变，将潜热的计算加入到模拟中，通过比较温度回升法、等价比热容法和热焓法以及考虑到实际工程环境，本文最终选用等价比热容法对相变过程进行模拟计算。本文通过FLUENT的用户自定义函数功能，将这些变化规律加入到计算中。计算模拟出沿冷冻井的中轴剖面的温度变化，以中轴剖面地下深度350m地层为观测线，对线上各点温度进行计算，得出地下350m水平温度变化规律，准确观测出冷冻墙形成封闭环的时间。计算结果表明，由于各个区域的比热容和热传导率的不同，冷冻效率也存在很大的差异。最上层的砂土部分冷冻效率最低，基岩层的冷冻效率比砂土层高，在冷冻240天时，基岩层已经形成了冷冻封闭层，基本达到了工程冷冻墙的标准。油页岩层因其比热小，热传导率大的原因，其冷冻效率最高，最先形成封闭冷冻层。在原位注热开采的数值模拟中，本文根据工程实际测量结果，在油页岩层设计了4条裂缝建立了二维轴对称渗流计算模型，注入热空气，计算模拟两个重要参数：油页岩的渗透率和孔隙度随加热的进行、温度的升高的变化规律，随着油页岩温度的升高，裂解随之发生，使油页岩层的孔隙度和渗透率发生变化。参照实验数据，孔隙度随温度升高，呈分段线性增大的规律，渗透率随温度的不断升高，呈指数函数升高的变化规律。本文在FLUENT计算中加入用户自定义程序，将此变化规律加入到计算中，使计算的参数设置更加符合实际工程环境，计算出的结果更准确有效。本文通过计算模拟出岩层温度随时间的变化情况，得出变化规律，观测了油页岩中心线上的温度变化，以及距离注热井5m处垂直线上的温度变化。计算结果表明，加热相同时间，离注热井越近，岩层温度越高，温度变化越快；其中，油页岩层部分由于裂缝的存在及自身随温度的升高不断发生裂解，其渗透率和孔隙度不断增大，高温空气在油页岩层中渗透比在基岩层更快，温度上升相对较快。在加热4到6年间，油页岩的温度变化率最高，加热8年之后，温度变化缓慢，加热到12年时，距离注热井18m以内的油页岩层区域均已达到完全裂解温度。通过计算压力得到不同时间的压力的等值线图，由计算结果可知，距离注热井越近的区域，压力梯度越大，流速越快，距离较远的区域，压力梯度很小，流动缓慢且稳定；注热初期，由于油页岩中有裂缝，油页岩区域的压力明显大于上下基岩区域，随着加热时间的增加，两者的压力差逐渐减小，注热2年之后，压差减小的一定程度，达到稳定。
【作者】王冰清；
【导师】施卫平；
【作者基本信息】吉林大学，流体力学，2014，硕士
【关键词】油页岩；原位注热开采；冷冻墙；数值模拟；等价比热容；温度场；

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