CN112627789A - 用于油页岩的原位开采模拟设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于油页岩的原位开采模拟设备，包括：样品容器，所述样品容器构造为用于容纳岩石样品；加热器，所述加热器在所述样品容器的中部沿纵向插入所述样品容器内并延伸至所述岩石样品的底部，所述加热器构造为能对所述岩石样品进行加热；以及流出管，所述流出管与所述加热器在横向上间隔开地沿纵向插入所述样品容器内，所述流出管构造为允许所述样品容器中的流体通过其流出所述样品容器。通过该设备能更加准确地模拟地层中的真实情况。

Description

用于油页岩的原位开采模拟设备

技术领域

本发明涉及油页岩的原位开采技术领域，特别是涉及一种用于油页岩的原位开采模拟设备。

背景技术

油页岩是一种非常规油气资源，以资源丰富和开发利用的可行性而被列为21世纪非常重要的接替能源。然而，目前的油页岩开采技术还并不成熟，仍处于研究探索阶段。

在现有技术中，通常通过电加热的实验装置来模拟油页岩的开采过程，以期进行相应的研究。电加热的实验装置通常是将电热丝缠绕在油页岩的岩心(直径通常在1英寸左右的圆柱形结构)的外侧以进行加热。由此来对油页岩进行热解，以使其中贮存的油气资源能够被开采出来。

然而，目前这种实验装置无法准确地模拟地层中的真实情况，这导致实验结果和实际开采结果相差较大。往往在实验中效果很好的参数设计在直接运用到实际开采中时并不能得到同样很好的效果。

因此，需要一种能更准确地模拟地层中真实情况的实验装置。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种用于油页岩的原位开采模拟设备，通过该设备能更加准确地模拟地层中的真实情况。

根据本发明提出了一种用于油页岩的原位开采模拟设备，包括：样品容器，所述样品容器构造为用于容纳岩石样品；加热器，所述加热器在所述样品容器的中部沿纵向插入所述样品容器内并延伸至所述岩石样品的底部，所述加热器构造为能对所述岩石样品进行加热；以及流出管，所述流出管与所述加热器在横向上间隔开地沿纵向插入所述样品容器内，所述流出管构造为允许所述样品容器中的流体通过其流出所述样品容器。

在上述设备的工作过程中，通过加热器来对岩石样品进行加热，使其中的油气流体析出。析出的流体可通过与加热器相距一定距离的流出管而离开。这种布局方式有效地模拟出了实际开采中的加热井和生产井的布局。在该设备中，将加热器设置在中心处，并使流出管围绕其设置。这中布置方式的边界条件易于确定，不确定因素少，因而有利于模拟地层中的温度场、便于与数值模拟计算的结果进行拟合。由此，通过这种设备便于使用者掌握设备的参数和情况，进一步有利于准确地模拟地层中的真实情况。

在一个实施例中，在所述样品容器的底壁和所述岩石样品之间和/或在所述岩石样品的顶壁和所述岩石样品之间构造有空腔，在所述空腔内填充有隔热体。

在一个实施例中，所述隔热体包括纳米气凝胶和陶粒中的至少一种。

在一个实施例中，所述样品容器包括容器主体，所述容器主体包括底壁和从所述底壁向上延伸的侧壁，所述样品容器还包括容器盖，所述容器盖包括顶壁和从所述顶壁向下延伸的卡扣接合部，所述卡扣接合部构造为能与所述侧壁密封式卡接。

在一个实施例中，所述用于油页岩的原位开采模拟设备包括包围所述容器主体的保温层。

在一个实施例中，所述用于油页岩的原位开采模拟设备包括多个所述流出管，多个所述流出管包括第一流出管和第二流出管，所述第一流出管和所述第二流出管从所述样品容器的顶壁处沿纵向向下延伸到所述样品容器内，在所述第一流出管和所述第二流出管的下端处构造有供流体流入所述第一流出管和所述第二流出管的开口，所述第一流出管和所述第二流出管在横向上相对于所述加热器对称布置，所述第一流出管的下端和所述第二流出管的下端延伸至所述岩石样品的不同深度处。

在一个实施例中，所述用于油页岩的原位开采模拟设备还包括从所述样品容器的底壁处沿纵向向上延伸到所述样品容器内的底部流出管，所述底部流出管的上端处构造有供流体流入所述底部流出管的开口，所述底部流出管的开口与所述底壁的上表面相齐平。

在一个实施例中，所述加热器构造为从所述样品容器的顶壁处沿纵向向下延伸到所述岩石样品中的加热管，在所述加热管的下端处构造有供流体离开所述加热管而流向所述岩石样品的开口，所述用于油页岩的原位开采模拟设备还包括流体容器，所述加热管的上端与所述流体容器相连通，所述流体容器中的注入流体在流过所述加热管时被所述加热管加热，并在加热后流向所述岩石样品。

在一个实施例中，所述流出管与收集组件相连，所述收集组件构造为能收集通过流出管而离开所述样品容器的流体，并能将所述流体中与所述注入流体的成分相同的部分分离出来，所述用于油页岩的原位开采模拟设备还包括反馈管路，所述反馈管路的一端与所述收集组件相连通，另一端连通至流体容器和加热管之间，以将所述流体中与所述注入流体的成分相同的部分重新输送向所述加热管。

在一个实施例中，所述用于油页岩的原位开采模拟设备包括多个温度传感器，各个所述温度传感器彼此间隔开地设置在相对于所述加热器距离不同的位置处。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在上述设备的工作过程中，通过加热器来对岩石样品进行加热，使其中的油气流体析出。析出的流体可通过与加热器相距一定距离的流出管而离开。这种布局方式有效地模拟出了实际开采中的加热井和生产井的布局。在该设备中，将加热器设置在中心处，并使流出管围绕其设置。这中布置方式的边界条件易于确定，不确定因素少，因而有利于模拟地层中的温度场、便于与数值模拟计算的结果进行拟合。由此，通过这种设备便于使用者掌握设备的参数和情况，进一步有利于准确地模拟地层中的真实情况。

附图说明

在下文中参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的一个实施方案的用于油页岩的原位开采模拟设备的示意性结构图；

图2显示了图1中的样品容器的俯视截面图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的用于油页岩的原位开采模拟设备(以下简称为“设备”)1。该设备1包括样品容器10，在该样品容器10内可容纳有岩石样品200。样品容器和放入其中的岩石样品200可相应地构造为圆柱形的形状。

如图1所示，样品容器10包括容器主体和容器盖。容器主体包括底壁111，以及从底壁111的边缘处向上延伸形成的侧壁112。容器盖包括与底壁111相对的顶壁121，以及从顶壁121的边缘处向下延伸形成的卡扣接合部122。卡扣接合部122能够与侧壁112密封式卡接。这种结构的样品容器10方便开关，并方便将岩石样品200放入其中。

优选地，在样品容器10的外侧设置有保温层(未显示)。通过该保温层可减小样品容器10中的热量的挥发，从而有利于将样品容器10中的温度保持在预期的水平上。

还如图1所示，在岩石样品200和顶壁121之间，在岩石样品200和底壁111之间都设置有垫块13。由此，可在岩石样品200和顶壁121之间、在岩石样品200和底壁111之间分别形成空腔14A、14B。在空腔14A、14B中可填充有隔热体(未显示)。例如，隔热体可以是纳米气凝胶或陶粒等，或者可以是这些材料的组合。隔热体也可以包括特定的气体。在本文中提出，可在实际开采过程中，向地层中填充材料，一方面用来支撑裂缝，另一方面可降低地层的传热，避免热量扩散向非预期的地层位置。通过在上述空腔14A、14B中填充相应的材料来作为隔热体，可进一步模拟这种在地层中填充材料的情况，尤其是可对该材料的保温性能、对温度场的影响等进行相应的实验。

如图1所示，设备1还包括加热器20。加热器20例如可构造为中空的加热管20，其从顶壁121的中心处沿纵向向下延伸到样品容器10内，并由此而大体上沿着岩石样品200的中心轴线插入到岩石样品200内。优选地，该加热管20向下延伸至岩石样品200的底部部分，以便几乎贯穿整个岩石样品200。在这种情况下，有利于形成更佳的温度场，对于真实地模拟实际情况非常有利。该加热管20的上端处于样品容器10之外，并通过管线而连接到流体容器50。该加热管20的下端埋设在岩石样品200内，并构造有相应的开口。流体容器50内的注入流体可通过管线进入到加热管20内。加热管20本身会产生热量，从而会对流过其中的注入流体进行加热。加热后的注入流体可经加热管20的下端处的开口而离开加热管20，流向岩石样品200，并沿着岩石样品200的孔隙、裂缝等在岩石样品200内扩散。通过这种方式，可有效地对岩石样品200进行加热，并使其中的油气析出。尤其是，加热管20居中设置的这种布置有利于确定温度模型的边界条件，减少不确定因素。由此，加热管20的设置、空腔14A、14B和隔热体的布置以及样品容器10外的保温层的设置的结合有利于形成较佳的温度场，能够方便地与数值模拟计算的结果进行拟合。通过这种设置，能够对不同保温措施条件下的总能耗变化规律进行实验。例如，可在确保加热管20的加热温度不变的情况下，实时测定加热管20的功率和/或耗电量。

在一个优选的实施例中，加热管20包括外壳、套设在外壳内的加热导线，以及填充在外壳与加热导线之间的绝缘传热层。加热管20的外壳可由镍铬合金、不锈钢(例如，英格莱800)等材料制成。绝缘传热层可由氧化镁制成，且绝缘传热层尽可能地致密，使得在外壳与加热导线之间不存在任何间隙。加热管20整体的内径可在2-10mm之间，壁厚可在2-8mm之间。这种加热管20的结构最为稳定，能够承受实验所需的高温高压。在加热时，不会炸裂或损坏。

另外，也可在岩石样品200的中心处插入多个加热管20。这些加热管20可对称式分布在圆心位置处。在这种情况下，单个加热器20的功率可以较小。通过上述加热管20可实现样品容器10内的温度可在短时间(例如，几分钟内)上升至高达600℃至700℃，并能保持这个温度长达1个月以上。例如，这里的

通过上述加热管20、隔热体和保温层的结合，可确保样品容器10内的平均温度至少达到350℃(例如可在350℃至400℃之间)。这里的保温层例如可由纳米气凝胶等材料制成。

优选地，样品容器10还设置有温度膨胀平衡器，以确保其不会因加热而造成泄漏。这里的温度膨胀平衡器例如可采用轴向膨胀节、铰链式膨胀节和复式拉杆型膨胀节等。

流体容器50内的注入流体例如可为惰性气体，也可为甲烷等烃类气体。

另外，设备1还包括多个流出管。例如如图1所示，多个流出管包括第一流出管31和第二流出管32。第一流出管31和第二流出管32均从顶壁121处沿纵向向下延伸到样品容器10内，并插入到岩石样品200内。第一流出管31和第二流出管32均与中心处的加热管20间隔开，并且它们在横向上相对于加热管20对称地布置。由此，第一流出管31和第二流出管32可处于温度大致相同的环境中。第一流出管31和第二流出管32的下端均构造有相应的开口，以允许样品容器10中的流体进入其中。第一流出管31和第二流出管32的上端可延伸到顶壁121之外，并通过管线而连通到相应的收集组件。由此，进入到第一流出管31和第二流出管32中的流体可通过管线而进入到收集组件中，以进行产物的收集。优选地，可令第一流出管31的下端和第二流出管32的下端延伸至岩石样品200内的不同深度处。由此，通过分别允许流体从第一流出管31和第二流出管32流向收集组件，可确定不同深度对收集产物的影响。如图2所示，不仅可对称于加热管20而设置第一流出管31和第二流出管32，还可在另外的方向上(例如，偏转约90°)设置相对于加热管20对称布置的第三流出管33和第四流出管34。由此，可对不同采出井位置条件下产出物的量和品质进行评价，以为实际的采油作业提供准确而有效的依据。

此外，还可设置从底壁111的中心处沿纵向向上延伸的底部流出管33。底部流出管33的上端构造有相应的开口以供样品容器10内的流体流入底部流出管33。底部流出管33的下端通过管线连通到收集组件。底部流出管33的上端优选地与底壁111的上表面基本上齐平，以便于收集在样品容器10中下沉的气液，尤其是液态的烃基重质成分。

此外，设备1还可包括多个温度传感器。例如如图1和图2所示，设置有4个温度传感器41、42、43和44。这些温度传感器41、42、43和44与流出管和加热管20均间隔开，并且从顶壁121处沿纵向向下延伸到岩石样品200内，以便测量该处的温度。温度传感器41、42、43和44相对于温度管20的距离可以不同。另外，如图1所示，温度传感器41、42、43和44所伸入的岩石样品200的深度不同。通过测量不同横向位置、不同深度的温度，可更加准确地确定样品容器10内的温度场。

上文中的收集组件例如可如图1所示，包括冷却器61和设置在冷却器61的下游处的液体收集器62和气体收集器63。通过调整冷却器61的温度，可使通过其中的流体中的流体以预期的气体成分和液体成分分离开。分离后的气体成分可被收集到气体收集器63内。分离后的液体成分可被收集到液体收集器62内。

优选地，收集组件还可包括活塞容器，以便驱动产物流体流向液体收集器62和气体收集器63。

在一个优选的实施例中，在流出管与收集组件之间的管线上安装有压力传感器82。通过该压力传感器82可测得流过其中的流体压力，并由此可得到岩石样品的孔隙压力。

在一个优选的实施例中，在流出管与收集组件之间的管线上安装有流量计82，以便确定流过其中的流体的流量。作为替代和附加，可在流体容器50与加热管20之间的管线上安装流量计81。

另外，可在流出管与收集组件之间的管线上设置数据采集和分析器90，以确定产物流的品质。例如，数据采集和分析器90可包括气相色谱仪，以确定产物的色谱图，并分析获得产物的馏分或碳数分布等。另外，数据采集和分析器90还可包括计算机、打印机和软件等中的至少一个，以实现数字化的采集和传输。例如，还可通过数据采集和分析器90来得到产物中汽油、柴油和重油的比例。

此外，在一个优选的实施例中，还可在气体收集器62与液体容器50和加热管20之间的管线之间连接另外的反馈管路65。通过该反馈管路65可将气体收集器63中的惰性气体等成分(与注入流体相同的组分)再次通向加热管20，以进行再次利用。通过这种设置可降低实验的成本。

另外，根据需要，也可通过空腔14A、14B来形成气体的进出口通道。在析出产物实验之前和/或之后，可对岩石样品200进行渗透性测试。在渗透性测试中，可对样品容器10内进行加热，然后可测试整个岩石样品200的渗透性。在此过程中，温度传感器41、42、43和44以及压力传感器70可进行实时监测，以获取实时的地层模拟参数数据。在这种情况下，可不在空腔14A、14B内填充隔热体。

此外，还可在样品容器10的侧壁112上设置多排、多圈声波探头的接口。由此，也可在样品容器10上接设相应的声波探测器，以监测加热结束后岩石裂缝的形成情况。

这里所使用的岩石样品200的直径要远大于通常使用的岩心的直径(即，1英寸)，例如大于200mm。

上述设备1可模拟在不同加热条件下向油页岩的岩石样品200中注入流体的收油率等开采指标，并测量岩石样品200的温度和压力，为电-流体复合加热开采工艺提供有效的依据。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于油页岩的原位开采模拟设备，包括：

样品容器，所述样品容器构造为用于容纳岩石样品；

加热器，所述加热器在所述样品容器的中部沿纵向插入所述样品容器内并延伸至所述岩石样品的底部，所述加热器构造为能对所述岩石样品进行加热；以及

流出管，所述流出管与所述加热器在横向上间隔开地沿纵向插入所述样品容器内，所述流出管构造为允许所述样品容器中的流体通过其流出所述样品容器。

2.根据权利要求1所述的用于油页岩的原位开采模拟设备，其特征在于，在所述样品容器的底壁和所述岩石样品之间和/或在所述岩石样品的顶壁和所述岩石样品之间构造有空腔，在所述空腔内填充有隔热体。

3.根据权利要求2所述的用于油页岩的原位开采模拟设备，其特征在于，所述隔热体包括纳米气凝胶和陶粒中的至少一种。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的用于油页岩的原位开采模拟设备，其特征在于，所述样品容器包括容器主体，所述容器主体包括底壁和从所述底壁向上延伸的侧壁，所述样品容器还包括容器盖，所述容器盖包括顶壁和从所述顶壁向下延伸的卡扣接合部，所述卡扣接合部构造为能与所述侧壁密封式卡接。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的用于油页岩的原位开采模拟设备，其特征在于，所述用于油页岩的原位开采模拟设备包括包围所述容器主体的保温层。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的用于油页岩的原位开采模拟设备，其特征在于，所述用于油页岩的原位开采模拟设备包括多个所述流出管，多个所述流出管包括第一流出管和第二流出管，所述第一流出管和所述第二流出管从所述样品容器的顶壁处沿纵向向下延伸到所述样品容器内，在所述第一流出管和所述第二流出管的下端处构造有供流体流入所述第一流出管和所述第二流出管的开口，所述第一流出管和所述第二流出管在横向上相对于所述加热器对称布置，所述第一流出管的下端和所述第二流出管的下端延伸至所述岩石样品的不同深度处。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的用于油页岩的原位开采模拟设备，其特征在于，所述用于油页岩的原位开采模拟设备还包括从所述样品容器的底壁处沿纵向向上延伸到所述样品容器内的底部流出管，所述底部流出管的上端处构造有供流体流入所述底部流出管的开口，所述底部流出管的开口与所述底壁的上表面相齐平。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的用于油页岩的原位开采模拟设备，其特征在于，所述加热器构造为从所述样品容器的顶壁处沿纵向向下延伸到所述岩石样品中的加热管，在所述加热管的下端处构造有供流体离开所述加热管而流向所述岩石样品的开口，

所述用于油页岩的原位开采模拟设备还包括流体容器，所述加热管的上端与所述流体容器相连通，所述流体容器中的注入流体在流过所述加热管时被所述加热管加热，并在加热后流向所述岩石样品。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的用于油页岩的原位开采模拟设备，其特征在于，所述流出管与收集组件相连，所述收集组件构造为能收集通过流出管而离开所述样品容器的流体，并能将所述流体中与所述注入流体的成分相同的部分分离出来，

所述用于油页岩的原位开采模拟设备还包括反馈管路，所述反馈管路的一端与所述收集组件相连通，另一端连通至流体容器和加热管之间，以将所述流体中与所述注入流体的成分相同的部分重新输送向所述加热管。

10.根据权利要求9所述的用于油页岩的原位开采模拟设备，其特征在于，所述用于油页岩的原位开采模拟设备包括多个温度传感器，各个所述温度传感器彼此间隔开地设置在相对于所述加热器距离不同的位置处。

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