CN107818188B - 一种针对流体加热油页岩原位开采的模拟预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一种针对流体加热油页岩原位开采的模拟预测方法，所述方法包括：建立干酪根热解化学反应模型；确定所述干酪根热解化学反应模型中的未知数；建立用于模拟所述未知数变化的油页岩原位开采模型；对所述油页岩原位开采模型进行数值求解以进行流体加热油页岩原位开采的模拟预测。根据本发明的方法可以计算油气产量随时间变化，便于现场实时了解整个生产过程。根据本发明的方法能够为现场流体加热油页岩原位开采提供数据支撑及分析手段，提高了油页岩开采效率。

Description

一种针对流体加热油页岩原位开采的模拟预测方法

技术领域

本发明涉及地质开发领域，具体说涉及一种针对流体加热油页岩原位开采的模拟预测方法。

背景技术

进入21世纪后，世界各国对能源的需求不断增长，世界石油和天然气资源逐渐枯竭，世界常规能源供应形势也日益严峻。因此，国际上一直将非常规能源的研究作为新世纪替代能源发展的重要课题。

油页岩又称油母页岩，是一种含可燃有机质的沉积岩，作为一种非常规能源，全球油页岩资源非常丰富，据不完全统计，其蕴藏资源量约有10万亿吨，如果将它折算成页岩油，世界上的油页岩储量约为5500亿吨，相当于目前世界天然原油探明可采储量的5.4倍。

但是，油页岩的开发工程难度大、开采技术进展缓慢。目前油页岩开发主要有两种方式：井下开采页岩后在地上加热干馏的地面干馏方式和直接在地下加热干馏将页岩油气导至地面的原位开采方式。原位开采由于具有成本低、占地少、污染小且可开采深层油页岩的优点已成为油页岩开采研究的重点，已有多家科研单位及能源企业展开了相应的研究，也是未来油页岩开发的技术发展趋势。

原位开采技术就其传热机理而言可以划分为两种类型，一类是依靠导热加热油页岩储层，促使其中的干酪根受热裂解形成油气，例如壳牌公司的ICP电加热技术。由于导热传热效率较低，因此整个加热周期漫长，据壳牌估算，需要加热3-5年方能产出油气。另一类技术是依靠注入热流体对流换热加热储层，例如美国洛伦兹国家实验室提出的注入热蒸汽加热技术。由于对流换热相对于导热传热效率高很多，因此流体加热技术从理论上来说是更高效的原位开采方法。

但是，油页岩地下原位开采的机理、化学反应、油气藏渗流规律、温度加热分布、产能分析等方面的研究还刚刚起步，在现有技术中缺乏针对流体加热油页岩原位开采动态分析的数值模拟手段和工具，这大大影响了现场工程和工艺参数的优化设计。

因此，需要一种针对流体加热油页岩原位开采的模拟预测方法以便对现场工程和工艺参数进行优化设计。

发明内容

本发明提供了一种针对流体加热油页岩原位开采的模拟预测方法，所述方法包括：

建立干酪根热解化学反应模型；

确定所述干酪根热解化学反应模型中的未知数；

建立用于模拟所述未知数变化的油页岩原位开采模型；

对所述油页岩原位开采模型进行数值求解以进行流体加热油页岩原位开采的模拟预测。

在一实施例中，建立干酪根热解化学反应模型，其中，引入拟组分用于表征干酪根裂解形成的油气产物。

在一实施例中，建立用于模拟所述未知数变化的油页岩原位开采模型，其中，分别建立质量守恒方程、能量守恒方程以及相平衡计算方程。

在一实施例中，建立质量守恒方程，其中，以干酪根为固体不存在流动为依据对所述质量守恒方程进行简化。

在一实施例中，建立能量守恒方程，其中，能量变化包括高温流体携带热量与岩体系统进行热量的传递和交换、化学反应涉及到的热能量、注入井带入的能量以及产出井带出的能量。

在一实施例中，建立能量守恒方程，其中，采用经验计算公式计算焓，所述经验计算公式为

H_i＝H_ai+H_biT+H_ciT²+H_diT³+H_eiT⁴+H_fiT⁵，

式中，H为焓，T为温度，下角标ai、bi、ci、di、ei、fi表示对于i组分，计算焓时需要的6个常数。

在一实施例中，建立相平衡计算方程，其中，在计算过程中依据各位置的温度值调整孔隙度和渗透率值。

在一实施例中，使用通过实验测量得出的油页岩孔隙度和渗透率随加热温度变化结果进行差值计算。

在一实施例中，对所述油页岩原位开采模型进行数值求解，其中，使用基于积分方程的有限体积方法以及全隐式格式对方程组进行离散。

本发明还提出了一种流体加热油页岩原位开采注入量调控方法，所述方法包括：

获取地面注入设备的承受压力；

基于模拟预测计算小于最大注入量的不同注入量下的注入压力；

根据所述地面注入设备的承受压力以及不同注入量下的注入压力计算结果对所述地面注入设备的注入量进行调控。

根据本发明的方法可以计算油气产量随时间变化，便于现场实时了解整个生产过程。根据本发明的方法能够为现场流体加热油页岩原位开采提供数据支撑及分析手段，提高了油页岩开采效率。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分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步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是典型的一注一采井示意图；

图2和图3是根据本发明不同实施例的方法流程图；

图4以及图5是根据本发明一实施例的计算结果示意图。

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，借此本发明的实施人员可以充分理解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并依据上述实现过程具体实施本发明。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。

本发明提出了一种针对流体加热油页岩原位开采的模拟预测方法。接下来结合附图详细描述本发明的实施例的方法的实施过程。附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

由于流体加热油页岩原位开采的基本原理是通过注入热气体加热油页岩储层内的干酪跟，促使其在高温下裂解形成油气，典型的一注一采井如图1中所示。在油页岩原位开采的过程中，油藏中存在的现象包括干酪根分解造成的一系列化学反应，油气在底下的流动，热量的传导等。根据假设，在高温、高压以及化学反应参与的环境下，气油两相的渗流非常复杂，因此本发明用统一的方程来反映油气两相在油页岩原位注热开采过程中的渗流规律。

在本发明一实施例中，如图2所示，首先建立干酪根热解化学反应模型(步骤S210)，描述流体加热油页岩原位开采的过程；然后确定干酪根热解化学反应模型中的未知数(步骤S220)；接着建立用于模拟干酪根热解化学反应模型中的未知数变化的油页岩原位开采模型(步骤S230)，这样就可以对流体加热油页岩原位开采的各个环节进行数学模型描述；最后对油页岩原位开采模型进行数值求解以进行流体加热油页岩原位开采的模拟预测(步骤S240)。

具体的，为了简化计算，在本发明一实施例中，在步骤S210中，引入拟组分用于表征干酪根裂解形成的油气产物。

具体的，在一实施例中，干酪根裂解形成的油气产物表征为二氧化碳CO₂、碳氢气IC₂、轻质油IC₁₃和重质油IC₃₇。这样，干酪根裂解化学反应便可等效为表1中的四个化学动力学反应(g代表气相，o代表油相)。

编号	化学反应
		1	KER→0.0096IC<sub>37</sub>+0.0178IC<sub>13</sub>+0.04475IC<sub>2</sub>+0.00541CO<sub>2</sub>
2	IC<sub>37</sub>(o)→1.853IC<sub>13</sub>+0.045IC<sub>2</sub>
		3	IC<sub>13</sub>(g)→5.73IC<sub>2</sub>
4	IC<sub>13</sub>(o)→0.573IC<sub>2</sub>

表1

表1中各组份的物理参数如表2中所示。

组分	摩尔质量(g/mol)	临界压力(psi)	临界温度(R)	偏心因子
					CO<sub>2</sub>	44.01	1070.40	547.53	0.239
IC<sub>2</sub>	30.07	668.48	519.74	0.008
					IC<sub>13</sub>	169.52	348.82	1287.65	0.365
IC<sub>37</sub>	465.83	135.69	1732.11	0.818

表2

进一步的，在本发明一实施例中，在建立用于模拟所述未知数变化的油页岩原位开采模型(步骤S230)的过程中，其中，分别建立质量守恒方程、能量守恒方程以及相平衡计算方程。

具体的，基于表1的化学动力学反应表达式，干酪根热解化学反应模型包括的未知数为

x＝(p_j,S_j,C_s,X_ij,T) (1)。

式1中，X_ij为i组分在j相中的摩尔分数，p_j为j相压力，S_j为j相饱和度，C_s为干酪根浓度，T为温度。

未知数包含的个数为14个，因此，在数学上需要14个线性无关的方程才能求解。为模拟这些现象建立了如下的油页岩原位开采模型。

(一)质量守恒方程

根据质量守恒原理对四个组分CO₂，IC₂，IC₁₃，IC₃₇建立质量守恒方程，方程如下：

式2中：

i＝CO₂、IC₂、IC₁₃、IC₃₇；

j＝g、o；

φ是孔隙度；

ξ_j是j相摩尔密度；

X_ij代表i组分在j相中的摩尔分数；

u_j表示j相速度；

r_k表示第k个化学反应的反应速率；

v_ij,k是j相中的i组分在第k个反应的系数；

表示注入井或采出井处j相的注入或采出量。

在油页岩原位开采中，最重要的化学反应是干酪根的变化。干酪根是固体，不存在流动。因此在一实施例中，以干酪根为固体不存在流动为依据对质量守恒方程进行简化。简化后质量方程为

式3中，角标S意思是固体(solid)，这里特指干酪根。

对油页岩热解机理研究的主要目的就是要得到其本征反应的动力学参数。

r_k表示第k个化学反应的反应速率。

表示在j相中的i组分在第k个化学反应中反应物的浓度，其浓度计算为

C_ij＝φξ_jS_jX_ij (5)

K_k是第k个化学反应的系数，它和温度、每个化学反应的活化能有关，计算式是

其中A_k是第k个化学反应的频率因子，E_k是第k个化学反应的活化能，K_B是玻尔兹曼常数。

(二)能量守恒方程

当流体在油页岩地层中渗流时，高温流体携带热量以传导和对流的方式与岩体系统进行热量的传递和交换，直接影响了岩体内温度场的分布；另一方面，流体通过加热是的干酪根分解，岩石孔隙也发生变化。因此，能量变化包括高温流体携带热量与岩体系统进行热量的传递和交换、化学反应涉及到的热能量、注入井带入的能量以及产出井带出的能量。但是整个过程中，化学反应涉及到的热能量很少，仅占注入量热的万分之一左右。

其中：U_j为j相的内能；

ρ_s是干酪根的密度；

c_s是干酪根的热容；

k是热传导率；

H_j为j相的焓。

在本实施例中，采用经验计算公式计算焓，经验计算公式为

H_i＝H_ai+H_biT+H_ciT²+H_diT³+H_eiT⁴+H_fiT⁵ (8)

其中，H为焓，T为温度，下角标ai、bi、ci、di、ei、fi表示对于i组分，计算焓时需要的6个常数。

内能和焓的关系可以推导出

能量变化还包括注入井带入的能量以及产出井带出的能量，与质量方程中相似，注入的质量是一定的，因此注入的能量也是一定的。产出的能量主要也是通过油气流动以焓的形式带走。

(三)相平衡计算

对于计算相平衡的问题，最切题的普遍热力学关系式即相平衡判据。

f_ig＝f_io (10)

其中，f表示逸度，f_ig指气相中组分i的逸度，f_io指油相中组分i的逸度。

逸度的表达式为

其中，X_ij为i组分在j相中的摩尔分数，p为压力，

为逸度系数。

式12出自Peng-Robinson状态方程，Z为气相压缩因子，其余量为Peng-Robinson状态方程中的计算参数。

油页岩储层的孔隙度和渗透率在生产过程中受到加热、压力变化及化学反应影响，因此二者是在不断变化的。为了描述孔隙度和渗透率的变化，在本发明一实施例中，在计算过程中依据各位置的温度值调整孔隙度和渗透率值。具体的，使用历史数据中通过实验测量得出的油页岩孔隙度和渗透率随加热温度变化结果进行差值计算。

模型建立完毕后就可以进行数值求解(步骤S240)。在本发明一实施例中，使用基于积分方程的有限体积方法以及全隐式格式对方程组进行离散。

例如已知第s时间步的结果求解第s+1时间步时，对第n个体积单元上的第k种组分的质量守恒方程进行离散，并将方程中的所有项移到等号左边，得方程式13。其中粘度、密度等二次变量均在s+1时间步上取值，这样能够保证离散方程组无条件收敛。

对于离散后的方程组使用牛顿迭代进行线性化，得到如方程式14形式的线性方程组，其为在第p+1迭代步上关于未知量(x_i,p+1-x_i,p)的线性方程组。

迭代求解线性方程组便可得到各时间步上问题的数值解。

使用本发明能够对流体加热油页岩原位开采生产动态进行预测，从而：

判断目标地区油页岩是否能通过流体加热有效开采；

计算不同工程参数下油气产出情况；

以及

指导现场实时了解注入采出情况。

本发明的方法可以计算油气产量随时间变化，便于现场实时了解整个生产过程。根据本发明的方法能够为现场流体加热油页岩原位开采提供数据支撑及分析手段，提高了油页岩开采效率。

进一步的，流体加热油页岩原位开采时，油气采出速度通常随注入量增大而加快。但是地面注入设备通常有承受极限，包括注入气体流量极限和承受的注入压力极限。因此，在实际生产过程中，为了避免损坏地面注入设备，本发明还提出了一种流体加热油页岩原位开采注入量调控方法，通过计算小于最大注入量的不同注入量下的注入压力对注入量进行调控。

具体的，在一实施例中，如图3所示，首先获取地面注入设备的承受压力(步骤S310)；然后基于模拟预测计算小于最大注入量的不同注入量下的注入压力(步骤S320)；最后根据地面注入设备的承受压力以及不同注入量下的注入压力计算结果对地面注入设备的注入量进行调控(步骤S330)。

接下来基于一具体应用实例来描述本发明的方法的实施效果。结合某地区油页岩储层物性，针对一注一采原位开采方式进行计算分析。

层厚20m，原始储层压力2MPa，原始储层温度38℃，初始干酪根浓度21kmol/m³，储层密度2020kg/m³，储层比热6.3kJ/Kg·℃，储层原始渗透率14mD，原始孔隙度2.5％。

注入、采出井均为直井，在整个油页岩层段均匀射孔注气，井距15m。

为节约成本，使用生产出的碳氢气体(以甲烷为主)作为注入气，注气温度为380℃，注气量为25t/d。

根据本发明的方法，依据储层物性和生产数据模拟计算该井的日产量和累产量情况，结果如图4、5中所示。结果表明，约700天后全部生产完成，每立方油页岩中气累积生产量约4.1m³，油累积生产量约119.5kg。

根据本发明的方法可以得到流体加热油页岩原位开采生产动态变化规律，包括不同注入条件下的日产量、累产量、储层压力温度变化规律等；进一步的，根据本发明的方法能够指导现场结合地面注入设备的承受能力进行注入条件的合理调节，在保证高效生产的同时避免损坏设备。

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。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种针对流体加热油页岩原位开采的模拟预测方法，其特征在于，所述方法包括：

建立干酪根热解化学反应模型；

确定所述干酪根热解化学反应模型中的未知数；

建立用于模拟所述未知数变化的油页岩原位开采模型；

对所述油页岩原位开采模型进行数值求解以进行流体加热油页岩原位开采的模拟预测；

其中，干酪根热解化学反应模型包括的未知数为

x＝(p_j,S_j,C_s,X_ij,T)，

式中，X_ij为i组分在j相中的摩尔分数，p_j为j相压力，S_j为j相饱和度，C_s为干酪根浓度，T为温度；

其中，建立用于模拟所述未知数变化的油页岩原位开采模型，包括，分别建立质量守恒方程、能量守恒方程以及相平衡计算方程；

其中，质量守恒方程为

式中，i＝CO₂、IC₂、IC₁₃或IC₃₇，j＝g或o，

是孔隙度，ξ_j是j相摩尔密度，X_ij代表i组分在j相中的摩尔分数，u_j表示j相速度，r_k表示第k个化学反应的反应速率，v_ij,k是j相中的i组分在第k个反应的系数，

表示注入井或采出井处j相的注入或采出量；

其中，能量守恒方程为

式中，U_j为j相的内能，ρ_s是干酪根的密度，c_s是干酪根的热容，k是热传导率，H_j为j相的焓；

其中，相平衡计算方程为f_ig＝f_io，

式中，f表示逸度，f_ig指气相中组分i的逸度，f_io指油相中组分i的逸度；

其中，逸度的表达式为

式中，X_ij为i组分在j相中的摩尔分数，p为压力，

为逸度系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立干酪根热解化学反应模型，其中，引入拟组分用于表征干酪根裂解形成的油气产物。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立质量守恒方程，其中，以干酪根为固体不存在流动为依据对所述质量守恒方程进行简化。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立能量守恒方程，其中，能量变化包括高温流体携带热量与岩体系统进行热量的传递和交换、化学反应涉及到的热能量、注入井带入的能量以及产出井带出的能量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立能量守恒方程，其中，采用经验计算公式计算焓，所述经验计算公式为

H_i＝H_ai+H_biT+H_ciT²+H_diT³+H_eiT⁴+H_fiT⁵，

式中，H为焓，T为温度，下角标ai、bi、ci、di、ei、fi表示对于i组分，计算焓时需要的6个常数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立相平衡计算方程，其中，在计算过程中依据各位置的温度值调整孔隙度和渗透率值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用通过实验测量得出的油页岩孔隙度和渗透率随加热温度变化结果进行差值计算。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述油页岩原位开采模型进行数值求解，其中，使用基于积分方程的有限体积方法以及全隐式格式对方程组进行离散。

9.一种基于权利要求1-8中任一项所述方法的流体加热油页岩原位开采注入量调控方法，其特征在于，所述方法包括：

获取地面注入设备的承受压力；

基于模拟预测计算小于最大注入量的不同注入量下的注入压力；

根据所述地面注入设备的承受压力以及不同注入量下的注入压力计算结果对所述地面注入设备的注入量进行调控。

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