CN107688669A - 一种油页岩原位开采热解转化率预测方法 - Google Patents
一种油页岩原位开采热解转化率预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种油页岩原位开采热解转化率预测方法，属于油页岩开采技术领域，解决了传统的干酪根转化率预测方法无法实现对于油页岩原位开采热解转化率进行预测的技术问题。该方法包括：构建油页岩原位开采热解过程的温度场数学模型；根据所述温度场数学模型获得温度的解析表达式；构建油页岩原位开采热解过程中转化率与温度的函数关系；根据所述温度的解析表达式和所述转化率与温度的函数关系预测油页岩原位开采的热解转化率。
Description
技术领域
本发明涉及油页岩开采技术领域，具体的说，涉及一种油页岩原位开采热解转化率预测方法。
背景技术
油页岩的原位热解过程中有机质在不同时刻不同条件下的转化程度的预测是原位开采工艺参数设计与优化的基础。目前对于油页岩干酪根转化率的预测方法总体都是针对油页岩的地面干馏工艺的。地面干馏工艺采用的样品为粉末或小粒径颗粒，样品内外温度是均匀的，加热介质温度即是样品温度。
而油页岩在原位状态下有机质的热解条件与地面干馏有所不同。首先，原位开采油页岩是在地下进行的，岩石不再是粉末或小粒径样品，因此需要考虑地层岩石传热的问题。受地层导热系数的制约，原位开采条件下的升温速度很低，并且升温速度在加热过程中是变化的，而常规的热解实验都是恒速升温条件下进行的，因此，原位开采条件下的热解反应动力学不能用本征动力学来表征，必须与大尺度块状油页岩的传热过程结合起来。其次，油页岩干酪根是复杂的有机混合物，热解反应是由多个基元反应组成的混合反应，在这个热解过程中其活化能和频率因子是变化的，因此，需要获得在不同温度下的反应活化能和频率因子，才能真正反映在原位开采过程中有机质的热解及转化特征。综上所述，现有的有机质转化率的预测方法不适合油页岩原位开采热解转化率的预测。
因此，亟需一种能够实现对于油页岩原位开采热解转化率进行预测的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种油页岩原位开采热解转化率预测方法，以解决传统的干酪根转化率预测方法无法实现对于油页岩原位开采热解转化率进行预测的技术问题。
本发明提供一种油页岩原位开采热解转化率预测方法，该方法包括：
构建油页岩原位开采热解过程的温度场数学模型；
根据所述温度场数学模型获得温度的解析表达式；
构建油页岩原位开采热解过程中转化率与温度的函数关系；
根据所述温度的解析表达式和所述转化率与温度的函数关系预测油页岩原位开采的热解转化率。
在所述构建油页岩原位开采热解温度场数学模型的步骤中包括：
构建所述温度场数学模型为：
设置初始条件为：当t＝0时T(r,t)＝Tf；
设置边界条件为：当r＝0时T(r,t)＝T0，当rw＜r＜rf时T(r,t)＝Ti；
其中，c为油页岩岩石比热容，ρ为油页岩岩石密度，T为温度，r为距离热源半径，t为时间，rw为井径，rf为地层边界，Tf为地层初始温度，T0为热源温度，T(r,t)为温度对于时间和温度场中位置的函数，Ti为温度对于地层边界与井径之间任一位置和时间的函数。
在所述获得温度的解析表达式的步骤中包括：
根据所述初始条件和所述边界条件对所述温度场数学模型求解，得到所述温度的解析表达式：其中C1、C2、C3、C4为与油页岩地层参数有关的常数，Ei为指数积分函数。
在所述构建转化率与温度的函数关系的步骤中包括：
建立含升温速率的热解反应动力学方程；
根据所述热解反应动力学方程进行推导获得转化率与温度的函数关系。
在所述建立含升温速度的热解反应动力学方程的步骤中包括：
建立升温速率的的热解反应动力学方程：其中，x为有机质转化率，E为反应活化能，A为频率因子，R为通用气体常数，T为温度，t为时间；
将升温速度带入所述动力学方程得到含升温速度的热解反应动力学方程：
在根据所述热解反应动力学方程进行推导获得转化率与温度的函数关系的步骤中包括：
对含升温速度的热解反应动力学方程两边取积分得到：
其中T0为热源温度；
对该式带入指数积分函数同时设得到：
对该式左右两边取指数得到在转化率与温度的函数关系：
在所述预测油页岩原位开采的热解转化率的步骤中包括：
将所述温度的解析表达式作为自变量代带入转化率与温度的函数关系中计算获得温度场数学模型中任意时间点和任意位置处的有机质转化率。
本发明提供的油页岩原位开采热解转化率预测方法通过建立并求解地层温度场随时间与位置的函数关系，并且推导有机质转化率随时间位置以及活化能、频率因子的函数综合表达式，进而可以联立计算实现对于任意时间点，任意位置处的有机质转化率的预测。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1是本发明实施例提供的油页岩原位开采热解转化率预测方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的低速升温下转化率随位置与时间的曲面图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明实施例提供了一种油页岩原位开采热解转化率预测方法，如图1所示，该方法包括步骤101至步骤104。
在步骤101中，构建油页岩原位开采热解过程的温度场数学模型。构建的油页岩原位开采热解过程的温度场数学模型为：
其中，c为油页岩岩石比热容，ρ为油页岩岩石密度，T为温度，r为距离热源半径，t为时间。同时设置该温度场数学模型的初始条件为：当t＝0时T(r,t)＝Tf，并设置该数学模型的边界条件为：当r＝0时T(r,t)＝T0，当rw＜r＜rf时T(r,t)＝Ti，即温度对于地层边界与井径之间任一位置和时间的函数，其中rw为井径，rf为地层边界，Tf为地层初始温度，T0为热源温度。
在步骤102中，根据温度场数学模型获得温度的解析表达式。在本步骤中，根据初始条件和边界条件对温度场数学模型求解，推导出在油页岩温度场中，温度对于时间和温度场中位置的函数T(r,t)，即油页岩热解温度场中出不同位置不同时间的温度的解析表达式：
其中，C1、C2、C3、C4是与地层参数有关的常数，Ei为指数积分函数。
在步骤103中，构建油页岩原位开采热解过程中转化率与温度的函数关系。在本步骤中，首先建立升温速率的的热解反应动力学方程：
其中，x为有机质转化率，E为反应活化能，A为频率因子，R为通用气体常数，T为温度，t为时间。
对式1进行变换得到：
然后，设升温速度带入上式2并将上式2两边取积分，从而引入升温速度这个变量，以反映入升温速度对转化率结果的影响。
将带入式2得到：
对式3左边积分得到：
对式3右边积分得到：
对于式5方程一般情况下是采用数值方法求解，在本发明中，为了和温度场耦合起来，以获得考虑传热过程和化学反应的有机质转化率，在本步骤中对式5方式求解析解。由于解析解求解难度较大，为了便于求解，对于式5，设将上式5转变成：
根据指数积分函数可以得到：
将式7代入式6式得到：
由式3左右两边积分相等，可知式4与式8相等，即得到：
对式9进行变换得到：
对上式10等号两边取其指数，整理可得转化率与温度的函数关系：
在步骤104中，根据温度的解析表达式和转化率与温度的函数关系预测油页岩原位开采的热解转化率。在本步骤中，将温度(即上述得到的温度表达式)作为自变量代带入转化率与温度的函数关系中，从而得到转化率以与时间和位置的关系，建立转化率的预测函数，从而将温度场与热解反应紧密结合起来，可以预测温度场任意时刻任意位置的有机质转化率。
在本发明的一个具体的应用实施例中，油页岩密度为1700kg/m3，油页岩含油率为8.8％，热解反应热为226KJ/Kg，热源温度为500℃，地层原始温度30℃，孔隙度10％，将初始条件和边界条件带入温度场数学模型得到常数C1、C2、C3、C4，进而得到温度场的预测函数：
将得到的中间参数带入转化率的综合预测函数表达式，得到给定的时间和底层中的位置处的转化率值图(如图2所示的低速升温下转化率随位置与时间的曲面图)。
本发明提供的油页岩原位开采热解转化率预测方法通过建立并求解地层温度场随时间与位置的函数关系，并且推导有机质转化率随时间位置以及活化能、频率因子的函数综合表达式，进而可以联立计算实现对于任意时间点，任意位置处的有机质转化率的预测。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种油页岩原位开采热解转化率预测方法，其特征在于，包括：
构建油页岩原位开采热解过程的温度场数学模型；
根据所述温度场数学模型获得温度的解析表达式；
构建油页岩原位开采热解过程中转化率与温度的函数关系；
根据所述温度的解析表达式和所述转化率与温度的函数关系预测油页岩原位开采的热解转化率。
2.根据权利要求1所述的油页岩原位开采热解转化率预测方法，其特征在于，在所述构建油页岩原位开采热解温度场数学模型的步骤中包括：
构建所述温度场数学模型为：
设置初始条件为：当t＝0时T(r,t)＝Tf；
设置边界条件为：当r＝0时T(r,t)＝T0，当rw＜r＜rf时T(r,t)＝Ti；
其中，c为油页岩岩石比热容，ρ为油页岩岩石密度，T为温度，r为距离热源半径，t为时间，rw为井径，rf为地层边界，Tf为地层初始温度，T0为热源温度，T(r,t)为温度对于时间和温度场中位置的函数，Ti为温度对于地层边界与井径之间任一位置和时间的函数。
3.根据权利要求2所述的油页岩原位开采热解转化率预测方法，其特征在于，在所述获得温度的解析表达式的步骤中包括：
根据所述初始条件和所述边界条件对所述温度场数学模型求解，得到所述温度的解析表达式：其中C1、C2、C3、C4为与油页岩地层参数有关的常数，Ei为指数积分函数。
4.根据权利要求1所述的油页岩原位开采热解转化率预测方法，其特征在于，在所述构建转化率与温度的函数关系的步骤中包括：
建立含升温速率的热解反应动力学方程；
根据所述热解反应动力学方程进行推导获得转化率与温度的函数关系。
5.根据权利要求4所述的油页岩原位开采热解转化率预测方法，其特征在于，在所述建立含升温速度的热解反应动力学方程的步骤中包括：
建立升温速率的的热解反应动力学方程：其中，x为有机质转化率，E为反应活化能，A为频率因子，R为通用气体常数，T为温度，t为时间；
将升温速度带入所述动力学方程得到含升温速度的热解反应动力学方程：
6.根据权利要求5所述的油页岩原位开采热解转化率预测方法，其特征在于，在根据所述热解反应动力学方程进行推导获得转化率与温度的函数关系的步骤中包括：
对含升温速度的热解反应动力学方程两边取积分得到：
其中T0为热源温度；
对该式带入指数积分函数同时设得到：
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7.根据权利要求1所述的油页岩原位开采热解转化率预测方法，其特征在于，在所述预测油页岩原位开采的热解转化率的步骤中包括：
将所述温度的解析表达式作为自变量代带入转化率与温度的函数关系中计算获得温度场数学模型中任意时间点和任意位置处的有机质转化率。
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