CN111794733B - 一种原位电加热开采页岩油储层温度场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种原位电加热开采页岩油储层温度场测量方法，它包括：一、在油页岩各储层均放置电加热棒，每一储层电加热棒的功率相同，利用各电加热棒对相应油页岩储层加热，使各油页岩储层获得电加热棒的热量，根据电加热棒的功率计算油页岩各储层获取电加热棒的热量；二、确立油页岩原位热传导系数随温度变化关系；三、依据油页岩中热传递规律，建立热量在油页岩中的扩散方程，由油页岩的初始条件、边界条件，求解油页岩的温度场：四、在各油页岩储层油页岩井壁边缘布设多个温度传感器，测量各温度修正热量在油页岩中的扩散方程，修正温度场。本发明考虑了油页岩热解过程中产生油气水三相传热作用，使得温度场测量更为准确。

Description

一种原位电加热开采页岩油储层温度场测量方法

技术领域

本发明涉及的是非常规能源开发和测量技术领域，具体涉及的是一种原位电加热开采页岩油储层温度场测量方法。

背景技术

随着社会的发展，常规油气已经无法满足现代工业的需求，各国纷纷将视野投向非常规能源。页岩油就是其中一种重要的非常规能源，已引起了全世界的注意。我国已探明页岩油储量据世界第二位，现有的地面干馏法适合于地下500m以上的储层，但未开发的页岩油大部分处于地下500-3000m深处，采用现有的地面干馏法投入产出比过低，且容易造成环境污染。针对这种情况，国内学者提出了原位电加热法、原位注高温蒸汽法、原位辐射加热法等。其中，原位电加热法由于污染小、技术方案简单等原因，受到了越来越多的学者的重视。

在原位电加热开采页岩油技术中，温度场的测量是一项重要的技术，因为油页岩的击穿、油页岩酪根的分解和页岩油的采收率都与温度和温度变化速率有密切关系。采用原位电加热法开采页岩油，开采过程可以分为击穿过程、储层加热过程和储层通道扩展过程，涉及到直接加热、辐射加热和对流加热三个过程，其加热过程复杂，热解过程中含水，且由于油页岩储层位于地下不可能每个点都布列传感器，故温度场的测量就为一个难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位电加热开采页岩油储层温度场测量方法，这种原位电加热开采页岩油储层温度场测量方法用于解决原位电加热开采页岩油过程中，由于加热过程生成物含水且无法在油页岩储层任意点布列传感器而造成的油页岩储层温度场无法测量问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种原位电加热开采页岩油储层温度场测量方法包括如下步骤：

步骤一：在油页岩各储层均放置电加热棒，每一储层电加热棒的功率相同，利用各电加热棒对相应油页岩储层加热，使各油页岩储层获得电加热棒的热量，根据电加热棒的功率计算油页岩各储层获取电加热棒的热量；

步骤二：确立油页岩原位热传导系数随温度变化关系；

步骤三：依据油页岩中热传递规律，建立热量在油页岩中的扩散方程，由油页岩的初始条件、边界条件，求解油页岩的温度场：

依据热量守恒定律，温度变化吸收的热量等于通过边界流入的热量减去产生的油气水通过边界采出带走的热量，扩散方程表示为：

式中，λ_T(x,y,z)为油页岩在高温下热传导系数λ_T在(x,y,z)三个方向的热传导系数，所述扩散方程表示在物体内无穷小的dt时间内，沿法线方向n流过一个无穷小面积dS的热量dQⁱ与物体温度沿曲面dS法线方向的导数

的平方成正比；

定义每个储层电加热棒底部为求解的坐标原点，由傅里叶热传导定律得出从t₁到t₂这段时间内某一储层热量Qⁱ进入坐标(x,y,z)区域Ω处的热量

为：

从t₁到t₂这段时间内流出坐标(x,y,z)区域Ω损失的热量

为：

式中，c₁、c₂、c₃为水、油、气体的比热，dV表示对坐标区域Ω的体积积分，dt表示时间积分，w％为水失重，o％为油失重,z％为产生气体失重,Q为油页岩储层各储层热量，ρ_o为油的密度，ρ_w为水的密度，ρ_z为气体密度；根据进入坐标区域Ω内的热量

减去损失的热量

则此时坐标区域内剩余的热量

为：

而

就是此区域内油页岩吸收的热量，即：

式中,C为油页岩比热，m为Ω内油页岩的质量，T₀为Ω内油页岩初始温度，T为Ω内油页岩加热后的瞬时温度；

则Ω内油页岩加热后的瞬时温度T为：

步骤四：在各油页岩储层油页岩井壁边缘布设多个温度传感器，测量各温度修正热量在油页岩中的扩散方程，修正温度场：

由于油页岩的各向异性，测量温度与实际温度存在微小差异，导致油页岩的热传导系数在(x,y,z)三个方向存在微小差异，修正λ_T在(x,y,z)的不同，使得更加准确的监测温度场，修正后热传导系数在(x,y,z)三个方向分别为λ_Tx，λ_Ty，λ_Tz则：

λ_Tx＝λ_T+n₁

λ_Ty＝λ_T+n₂

λ_Tz＝λ_T+n₃

式中n₁,n₂,n₃为补偿系数；

修正后的热量扩散方程

为：

上述方案中步骤一计算油页岩各储层获取电加热棒的热量的方法：

油页岩储层各储层热量Q表示为：

Q＝{Q¹,Q²,Q³,…,Qⁱ,…Q^r}

式中，i、r为储层序号,i＝0,1,2,3,……，r；

其中第i储层的加热棒产生的热量

的表达式为：

式中，P为加热棒的加热功率，每一储层加热棒的功率相同，t为加热时间；

在电加热过程中，由于相邻的两个储层产生的热量相互影响，相邻储层加热棒在第i储层的热量

表示为：

式中Q^i-1和Qⁱ⁺¹为第i-1储层和i+1的热量，

为第O层到第X层的的距离，

为第O层到第X层的的距离热量修正系数。

故第i储层获得的电加热棒热量为：

上述方案中步骤二的具体方法为：

在纯水条件下，依据水流量渗透等效公式，热传导系数由傅立叶定律数学表达式如下：

式中，λ为热传导系数，gradt为温度梯度；

油页岩在原位电加热的状态下，裂解产物为油气水，其油气水三相状态下热传导系数λ_d表达式如下：

λ_d＝(m₁λ₀+m₂λ_w+m₃λ_z+nλ_s)/(m₁+m₂+m₃+n)

式中，n为单位面积油页岩宽度，m₁,m₂,m₃分别为单位面积产生的油气水的体积，λ₀,λ_w,λ_z分别为油页岩在裂解后产生的油气水的热传导系数，λ_s为油页岩的常温下的热传导系数；

将油页岩热解产物简化为油、气，水，设油页岩密度ρ_s，油的密度为ρ_o，水的密度为ρ_w，产生气体密度为油的密度为ρ_z，油页岩失重热解失重，油页岩总重量为W，其中水失重w％，油失重o％,产生气体失重z％，λ_d表述如下：

由于原位电加热开采油页岩时，局部温度超过1000度，此时按照常温下温度传输系数计算，温度测量误差很大，故对油气水三相状态下热传导系数λ_d进行修正，得到高温下热传导系数λ_T表达式如下：

式中，T为油页岩温度，H为油页岩湿度；

将油气水三相状态下热传导系数λ_d代入高温下热传导系数λ_T表达式得：

本发明具有以下有益效果：

1、本发明考虑了油页岩热解过程中产生油气水三相传热作用，使得温度场测量更为准确。

2、本发明将改进后的热量扩散方程运用到电加热过程中油页岩的热量扩散中，实现了对油页岩储层温度场的测量，减小了测量数据的误差，从而为油页岩的开采提供可靠的数据，为电加热开采油页岩奠定了基础。

3、本发明改善油页岩由于各向异性导致的(x,y,z)三个方向的热传导系数的不同导致的测量误差大，从而提高了原位电加热开采油页岩储层温度场测量的精度。

附图说明

图1为油页岩在不同温度下的热传导系数图。

图2为运用本发明方法在不同半径处测得的温度与热电偶的测量温度关系图。

图3为本发明多次测量温度误差分析图。

图4为本发明方法与普通方法相比误差分析对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

这种原位电加热开采页岩油储层温度场测量方法包括以下步骤：

步骤一、在油页岩各储层均放置电加热棒，每一储层电加热棒的功率相同，利用各电加热棒对相应油页岩储层加热，使各油页岩储层获得电加热棒的热量，根据电加热棒的功率计算油页岩各储层获取电加热棒的热量；

油页岩储层各储层热量Q表示为：

Q＝{Q¹,Q²,Q³,…,Qⁱ,…Q^r}

式中，i、r为储层序号,i＝0,1,2,3,……，r；

其中第i储层的加热棒产生的热量

的表达式为：

式中，P为加热棒的加热功率，每一储层加热棒的功率相同，t为加热时间。

在电加热过程中，由于距离较远储层对其他储层热量影响很小，可只考虑相邻储层热量的影响。由于相邻的两个储层产生的热量也会相互影响，相邻储层加热棒在第i储层的热量

表示为：

式中Q^i-1和Qⁱ⁺¹为第i-1储层和i+1的热量，

为第O层到第X层的的距离，

为第O层到第X层的距离热量修正系数。

故第i储层获得的加热棒热量为：

步骤二：确立油页岩原位热传导系数随温度变化关系：

在纯水条件下，依据水流量渗透等效公式，热传导系数可由傅立叶定律数学表达式如下：

式中，λ为热传导系数，gradt为温度梯度。

油页岩在原位电加热的状态下，裂解产物为油气水，其油气水三相状态下热传导系数λ_d表达式如下：

λ_d＝(m₁λ₀+m₂λ_w+m₃λ_z+nλ_s)/(m₁+m₂+m₃+n)

式中，n为单位面积油页岩宽度，m₁,m₂,m₃分别为单位面积产生的油气水的体积，λ₀,λ_w,λ_z分别为为油页岩在裂解后产生的油气水的热传导系数，λ_s为油页岩的常温下的热传导系数。

将油页岩热解产物简化为油、气，水，设油页岩密度ρ_s，油的密度为ρ_o，水的密度为ρ_w，产生气体密度为油的密度为ρ_z，油页岩失重热解失重，油页岩总重量为w，其中水失重w％，油失重o％,产生气体失重z％，λ_d可表述如下：

由于原位电加热开采油页岩时，局部温度超过1000度，此时按照常温下温度传输系数计算，温度测量误差很大，故需要对油气水三相状态下热传导系数λ_d进行修正，得到高温下热传导系数λ_T表达式如下：

式中，T为油页岩温度，H为油页岩湿度。

将油气水三相状态下热传导系数λ_d代入上式得：

步骤三：依据油页岩中热传递规律，建立热量在油页岩中的扩散模型，由油页岩的初始条件、边界条件，求解油页岩的温度场；

依据热量守恒定律，温度变化吸收的热量等于通过边界流入的热量减去产生的油气水通过边界采出带走的热量，扩散方程可表示为：

式中λ_T(x,y,z)为油页岩在高温下热传导系数λ_T在(x,y,z)三个方向的热传导系数，该式表示在物体内无穷小的dt时间内，沿法线方向n流过一个无穷小面积dS的热量dQⁱ与物体温度沿曲面dS法线方向的导数

的平方成正比。

定义每个储层加热棒底部为求解的坐标原点，由傅里叶热传导定律可知从t₁到t₂这段时间内某一储层Qⁱ进入坐标(x,y,z)区域Ω处的热量

为：

从t₁到t₂这段时间内流出坐标(x,y,z)区域Ω损失的热量

为：

式中，c₁、c₂、c₃为水、油、气体的比热，dV表示对坐标区域Ω的体积积分，dt表示时间积分。根据进入坐标区域Ω内的热量

减去损失的热量

则此时坐标区域内剩余的热量

为：

而

就是此区域内油页岩吸收的热量，即：

式中,C为油页岩比热，m为Ω内油页岩的质量，T₀为Ω内油页岩初始温度，T为Ω内油页岩加热后的瞬时温度。

由上式可知Ω内油页岩加热后的瞬时温度T为：

步骤四：在各油页岩储层油页岩井壁边缘布设多个温度传感器，测量该点温度修正热量在油页岩中的扩散模型，从而修正温度场。

在开采的油页岩层边缘地带布置温度传感器进行温度场的修正。在进行多次实验之后，发现测量温度与实际温度存在微小差异是由于油页岩的各向异性，导致油页岩的热传导系数在(x,y,z)三个方向存在微小差异，修正λ_T在(x,y,z)的不同，使得更加准确的监测温度场。修正后热传导系数在(x,y,z)三个方向分别为λ_Tx，λ_Ty，λ_Tz则：

λ_Tx＝λ_T+0.0046

λ_Ty＝λ_T+0.0038

λ_Tz＝λ_T-0.0325

修正后的油页岩的热传导系数如图1所示，进一步地则修正后的热量扩散方程

为：

将本发明应用到油页岩井中测量不同点的温度，井筒截面直径为100cm，并采用热电偶测量相应点的温度，测量结果如图2所示。该测量点温度反映了储层温度，由图可知本发明方法在半径为10cm、20cm、30cm、40cm和50cm处的温度与热电偶的测量温度分别差15℃、20℃、10℃、18℃、12℃，最大差值为20℃，相对测量精度为1.63％，高于工业要求精度5.00％，满足工业需求。

采用本发明方法在同一储层同一位置进行了20次温度场测量实验，测量结果如图3所示，由图可知温度的平均误差值为1.89％，方差为4，最大误差为2.47％，故本发明方法稳定。采用本发明方法在同一储层不同一位置进行了20次实验，并将平均值作为结果记录如图4所示，由图4可知最大相对误差为1.69，满足工业需求。

Claims (1)

1.一种原位电加热开采页岩油储层温度场测量方法，其特征在于：

步骤一：在油页岩各储层均放置电加热棒，每一储层电加热棒的功率相同，利用各电加热棒对相应油页岩储层加热，使各油页岩储层获得电加热棒的热量，根据电加热棒的功率计算油页岩各储层获取电加热棒的热量，油页岩各储层获取电加热棒的热量的具体计算方法如下：

油页岩储层各储层热量Q表示为：

Q＝{Q¹,Q²,Q³,…,Qⁱ,…Q^r}

式中，i、r为储层序号,i＝0,1,2,3,……，r；

其中第i储层的加热棒产生的热量

的表达式为：

式中，P为加热棒的加热功率，每一储层加热棒的功率相同，t为加热时间；

在电加热过程中，由于相邻的两个储层产生的热量相互影响，相邻储层加热棒在第i储层的热量

表示为：

式中Q^i-1和Qⁱ⁺¹为第i-1储层和i+1的热量，

为第O层到第X层的距离，

为第O层到第X层的距离热量修正系数；

故第i储层获得的电加热棒热量为：

步骤二：确立油页岩原位热传导系数随温度变化关系，油页岩原位热传导系数随温度变化计算方法如下：

在纯水条件下，依据水流量渗透等效公式，热传导系数由傅里叶定律数学表达式如下：

式中，λ为热传导系数，gradt为温度梯度；

油页岩在原位电加热的状态下，裂解产物为油气水，其油气水三相状态下热传导系数λ_d表达式如下：

λ_d＝(m₁λ₀+m₂λ_w+m₃λ_z+nλ_s)/(m₁+m₂+m₃+n)

式中，n为单位面积油页岩宽度，m₁,m₂,m₃分别为单位面积产生的油气水的体积，λ₀,λ_w,λ_z分别为油页岩在裂解后产生的油气水的热传导系数，λ_s为油页岩的常温下的热传导系数；

将油页岩热解产物简化为油、气，水，设油页岩密度ρ_s，油页岩失重热解失重，油页岩总重量为W，其中水失重w％，油失重o％,产生气体失重z％，λ_d表述如下：

由于原位电加热开采油页岩时，局部温度超过1000度，此时按照常温下温度传输系数计算，温度测量误差很大，故对油气水三相状态下热传导系数λ_d进行修正，得到高温下热传导系数λ_T表达式如下：

式中，T为油页岩温度，H为油页岩湿度；

将油气水三相状态下热传导系数λ_d代入高温下热传导系数λ_T表达式得：

步骤三：依据油页岩中热传递规律，建立热量在油页岩中的扩散方程，由油页岩的初始条件、边界条件，求解油页岩的温度场：

依据热量守恒定律，温度变化吸收的热量等于通过边界流入的热量减去产生的油气水通过边界采出带走的热量，扩散方程表示为：

式中，λ_T(x,y,z)为油页岩在高温下热传导系数λ_T在(x,y,z)三个方向的热传导系数，所述扩散方程表示在物体内无穷小的dt时间内，沿法线方向n流过一个无穷小面积dS的热量dQⁱ与物体温度沿曲面dS法线方向的导数

的平方成正比；

定义每个储层电加热棒底部为求解的坐标原点，由傅里叶热传导定律得出从t₁到t₂这段时间内某一储层Qⁱ进入坐标(x,y,z)区域Ω处的热量

为：

从t₁到t₂这段时间内流出坐标(x,y,z)区域Ω损失的热量

为：

式中，c₁、c₂、c₃为水、油、气体的比热，dV表示对坐标区域Ω的体积积分，dt表示时间积分，w％为水失重，o％为油失重,z％为产生气体失重,Q为油页岩储层各储层热量，ρ_o为油的密度，ρ_w为水的密度，ρ_z为气体密度；根据进入坐标区域Ω内的热量

减去损失的热量

则此时坐标区域内剩余的热量

为：

而

就是此区域内油页岩吸收的热量，即：

式中,C为油页岩比热，m为Ω内油页岩的质量，T₀为Ω内油页岩初始温度，T为Ω内油页岩加热后的瞬时温度；

则Ω内油页岩加热后的瞬时温度T为：

步骤四：在各油页岩储层油页岩井壁边缘布设多个温度传感器，测量各点温度修正热量在油页岩中的扩散方程，修正温度场：

由于油页岩的各向异性，测量温度与实际温度存在微小差异，导致油页岩的热传导系数在(x,y,z)三个方向存在微小差异，修正λ_T在(x,y,z)的不同，使得更加准确的监测温度场，修正后热传导系数在(x,y,z)三个方向分别为λ_Tx，λ_Ty，λ_Tz则：

λ_Tx＝λ_T+n₁

λ_Ty＝λ_T+n₂

λ_Tz＝λ_T+n₃

式中n₁,n₂,n₃为补偿系数；

修正后的热量扩散方程

为：

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