CN112951064A - 一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置，包括动力与介质传输系统、蒸汽发生与加热系统、热解反应系统、产物收集系统、温度压力监测调节系统。本发明通过对油页岩岩样中心进行钻孔，填充陶粒，模拟注热井，通过对油页岩岩样四角对称位置进行钻孔，填充陶粒，模拟采出井。一口模拟注热井，四口模拟采出井形成井网。模拟注热井注入的蒸汽，其流动性能受到油页岩孔隙、裂缝的影响，也受到井网的影响。所以本发明不仅能研究油页岩非均质性对油页岩原位热解的影响，还能研究井网对油页岩热解的影响。因此本发明更贴近矿场实际开发，能更好地探究科学准确以及适用性广的开发规律。

Description

一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置及实验 方法

技术领域

本发明属于油页岩原位开采模拟技术领域，具体涉及一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置及实验方法。

背景技术

油页岩被视为石油的替代能源，其储量丰富且具有良好的开发利用前景。目前我国正加大对油页岩开发的投入，若能实现工业开采，可缓解我国能源紧张的局势。

目前油页岩开发有以下两类技术：地面干馏技术、油页岩原位热解技术。地面干馏技术指：将油页岩开采至地面，破碎处理到所需粒径后，加入到干馏炉中，获得干馏产物。该过程不仅会产生有毒气体、废水和大量废渣，而且投入产出比高，经济效益差。而油页岩原位热解技术则是将热能量注入到地下油页岩体，其中的干酪根裂解产生页岩油气，再将产生的页岩油气导出至地面的方法。该技术由于具有：“低污染”，“低排放”，“资源利用率高”的特点，受到研究人员的广泛关注。

我国油页岩原位热解技术实际应用少，且大都以失败告终，当前仍以室内研究为主。尽管我国油页岩原位热解研究取得了一定的成果，但仍存在很多亟需解决的问题，比如对油页岩原位加催化剂热解机理研究不深入，油页岩原位热解产物难预测、产率低，油页岩原位热解影响因素及影响规律不清楚等。因此，研究油页岩原位热解规律对我国油页岩开发利用至关重要。

目前，油页岩原位热解方法众多，各有优缺点。油页岩原位热解的关键是热解产物的运移，应使产生的页岩油气尽可能多得运移出油页岩层，不被滞留在地下。而注蒸汽对流加热油页岩的方式有助于提高油页岩层的渗流能力，可高效地采出页岩油气，是一种有效的开采方法。注蒸汽热解油页岩反应过程如下：将高温高压蒸汽通过注热井注入到油页岩层，近井地带的油页岩首先发生热解反应，生成页岩油气。随后在高温高压水蒸汽和页岩油气的共同驱动下，加热范围不断扩大，油气混合体向采出井方向移动。

为了研究油页岩原位热解规律、特征，探究油页岩原位热解影响因素与产物、产率的关系，通常需要构建油页岩热解实验系统模型，以完成相关研究。现有的原位热解模型一般只有一个注入端，一个采出端，注入端用于给油页岩体注入热量，采出端用于收集热解产物，该模型可简单模拟油页岩热解的过程，但是油页岩具有非均质性，笼统的注采模型无法研究非均质性对油页岩原位热解的影响，同时该注采模型也忽略了井网对油页岩原位热解的影响。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺点，提供一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置，使油页岩原位开采物理模拟实验的装置更加综合全面，更加贴近实际矿场开发，从而探究更为科学准确以及适用性广的开发规律。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置，包括动力与介质传输系统、蒸汽发生与加热系统、热解反应系统、产物收集系统、温度压力监测调节系统，所述动力与介质传输系统包括储液罐、第一阀门、增压泵和第二阀门，所述储液罐内液体为含催化剂的溶液，所述储液罐的输出部通过管线连接第一阀门，所述第一阀门与增压泵的输入部相连，所述增压泵的输出部通过管线与第二阀门相连；所述蒸汽发生与加热系统包括蒸汽发生器、第三阀门、过热器和涡街流量计，所述动力与介质传输系统的第二阀门与蒸汽发生器的输入部相连；所述蒸汽发生器的输出部通过管线与第三阀门相连，所述第三阀门与过热器输入部相连；所述过热器的输出部与涡街流量计连接；所述热解反应系统包括第四阀门、上密封垫、保温盖、螺栓、模拟油页岩体、模拟采出井、内腔壁钢板、保温层、下密封垫、模拟注热井和内腔盖钢板；所述反应釜内腔由内腔壁钢板围成，所述反应釜外包裹保温层；所述模拟油页岩体置于反应釜内腔，并被上密封垫、下密封垫包裹；所述内腔盖钢板通过螺栓与内腔壁钢板连接；所述产物收集系统包括产物收集阀门、冷凝器、页岩油与冷凝水出口、热解气体出口、循环入水口和循环出水口，所述热解反应系统的模拟采出井与所述产物收集阀门相连，用于导出油页岩热解后的气化产物；所述产物收集阀门与冷凝器相连，可使混合气化产物流入冷凝器；所述循环入水口与循环出水口向冷凝器提供循环；所述温度压力监测调节系统包括第一温度计、第一压力传感器、第一安全阀、第二温度计、第二压力传感器、第二安全阀、第三温度计、第三压力传感器和第三安全阀，所述第一温度计、第一压力传感器、第一安全阀位于蒸汽发生器的输出部与第三阀门之间；所述第二温度计、第二压力传感器、第二安全阀位于过热器的输出部与第四阀门之间；所述第三压力传感器与第三温度计通过导线连接到热解反应系统的内部。

进一步地，所述反应釜内腔空间的尺寸为20.5×20.5×20cm。

进一步地，所述模拟油页岩体尺寸为20×20×20cm，其中心位置有一个直径2cm，深度20cm的圆柱体空间；四角对称位置各有一个直径2cm，深度20cm的圆柱体空间；中心位置圆柱体空间用陶粒充填，用于模拟注热井；四角对称位置圆柱体空间用陶粒填充，用于模拟采出井。将所述模拟油页岩体置于反应釜内腔中心，反应釜内腔与模拟油页岩体之间的空间用沙粒充填。

进一步地，过热器由无缝钢管构成，其温度调节范围200～1000℃。

进一步地，该三维物理模拟装置最高工作温度为600℃，最高工作压力为30MPa。

基于上述实验装置的实验方法，包括以下步骤：

S1、将所述装置连接，并检测每个部件密封性良好。

S2：取得目的区块预设层位的油页岩岩样，将油页岩岩样切割处理为20×20×20cm的模拟油页岩体，并在模拟油页岩体中心位置钻出一个直径为2cm，深度为20cm圆柱体空间，填充陶粒，用于模拟注热井；在模拟油页岩体四角对称位置各钻出一个直径为2cm，深度为20cm圆柱体空间，填充陶粒，用于模拟采出井。

S3、将模拟油页岩体放置在三维物理模拟装置的内腔中，内腔壁钢板与模拟油页岩体之间形成的空间，填充沙粒，加上内腔盖钢板，拧紧螺栓，盖上保温盖。

S4：打开仪器设备，并设置参数。根据实验要求，调节阀门，得到不同流量和不同温度的蒸汽。

S5：适时打开产物收集系统的产物收集阀门，进行集气，集液工作。

该发明的有益效果在于：本发明通过对油页岩岩样中心进行钻孔，填充陶粒，模拟注热井。通过对油页岩岩样四角对称位置进行钻孔，填充陶粒，模拟采出井。一口模拟注热井，四口模拟采出井形成井网。模拟注热井注入的蒸汽，其流动性能受到油页岩孔隙、裂缝的影响，也受到井网的影响。所以本发明不仅能研究油页岩非均质性对油页岩原位热解的影响，还能研究井网对油页岩热解的影响。因此本发明更贴近矿场实际开发，能更好地探究科学准确以及适用性广的开发规律。

附图说明

图1为本发明的一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置流程图。

图2为本发明的高温高压三维物理模拟实验装置剖面图。

图3为本发明的高温高压三维物理模拟实验装置俯视图。

图中标记说明：101、储液罐；102、第一阀门；103、增压泵；104、第二阀门；201、蒸汽发生器；202、第三阀门；203、过热器；204、涡街流量计；301、第四阀门；302、上密封垫；303、保温盖；304、螺栓；305、模拟油页岩体；306、模拟采出井；307、内腔壁钢板；308、保温层；309、下密封垫；310、模拟注热井；311、内腔盖钢板；401、产物收集阀门；402、冷凝器；403、页岩油及冷凝水出口；404、热解气体出口；405、循环入水口；406、循环出水口；501、第一温度计；502、第一压力传感器；503、第一安全阀；504、第二温度计；505、第二压力传感器；506、第二安全阀；507、第三温度计；508、第三压力传感器；509、第三安全阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

本发明实施例中的注蒸汽原位开采油页岩高温高压三维物理模拟实验装置，包括动力与介质传输系统、蒸汽发生与加热系统、热解反应系统、产物收集系统、温度压力监测调节系统。

动力与介质传输系统包括储液罐101、第一阀门102、增压泵103和第二阀门104，所述储液罐101内液体为含催化剂的溶液，所述储液罐101的输出部通过管线连接第一阀门102，所述第一阀门102与增压泵103的输入部相连，所述增压泵103的输出部通过管线与第二阀门104相连。通过上述部件的连通，可以为催化剂溶液提供动力。

蒸汽发生与加热系统包括蒸汽发生器201、第三阀门202、过热器203和涡街流量计204，所述动力与介质传输系统的第二阀门104与蒸汽发生器201的输入部相连，为蒸汽发生器201提供液流。通过上述部件的连通，可以将催化剂溶液变为催化剂蒸汽。所述蒸汽发生器201的输出部通过管线与第三阀门202相连，所述第三阀门202与过热器203输入部相连，通过上述部件的连通，可使经过过热器203的催化剂蒸汽进一步加热成催化剂过热蒸汽。所述过热器203的输出部与涡街流量计204连接，用于记录催化剂过热蒸汽流过管线的流量。

高温高压三维物理模拟实验装置是本设计的核心部分，所述高温高压三维物理实验模拟装置包括热解反应系统和产物收集系统，所述热解反应系统为油页岩热解提供了反应场所。通过管线将所述涡街流量计204与第四阀门301相连，所述第四阀门301属于热解反应系统的开关控制部件，通过上述部件的连通，可使催化剂过热蒸汽流入热解反应系统。

热解反应系统包括第四阀门301、上密封垫302、保温盖303、螺栓304、模拟油页岩体305、模拟采出井306、内腔壁钢板307、保温层308、下密封垫309、模拟注热井310和内腔盖钢板311。

反应釜内腔由内腔壁钢板307围成，所述反应釜内腔空间的尺寸为20.5×20.5×20cm，反应釜外包裹保温层308，以防止热量散失。模拟油页岩体305是三维物理模拟实验装置的重要组成部分，模拟油页岩体305置于反应釜内腔，并被上密封垫302、下密封垫309包裹，为油页岩热解提供密闭环境。所述模拟油页岩体305尺寸为20×20×20cm，其中心位置有一个直径2cm，深度20cm的圆柱体空间，四角对称位置各有一个直径2cm，深度20cm的圆柱体空间；中心位置圆柱体空间用陶粒充填，用于模拟注热井310；四角对称位置圆柱体空间用陶粒填充，用于模拟采出井306。内腔盖钢板311通过螺栓304与内腔壁钢板307连接。

产物收集系统包括产物收集阀门401、冷凝器402、页岩油与冷凝水出口403、热解气体出口404、循环入水口405和循环出水口406，所述热解反应系统的模拟采出井306与所述产物收集阀门401相连，用于导出油页岩热解后的气化产物。所述产物收集阀门401与冷凝器402相连，可使混合气化产物流入冷凝器402。循环入水口405与循环出水口406向冷凝器402提供循环冷水，使冷凝器402内的混合气化产物冷凝，发生气液分离，热解气体经热解气体出口404排出，页岩油与冷凝水经页岩油与冷凝水出口403排出。

温度压力监测调节系统包括安全阀，压力传感器和温度计，本实验装置涉及到温度压力安全监测调节系统的地方有三处，第一处由第一温度计501、第一压力传感器502、第一安全阀503组成，位于蒸汽发生器201的输出部与第三阀门202之间，用于检测蒸汽发生器201产生的蒸汽温度和压力。第二处包括第二温度计504、第二压力传感器505、第二安全阀506组成，位于过热器203的输出部与第四阀门301之间，用于检测通过过热器203后蒸汽的温度和压力。第三处由第三温度计507、第三压力传感器508、第三安全阀509组成，所述第三压力传感器508与第三温度计507通过导线连接到热解反应系统的内部，用于检测油页岩体的反应温度和反应压力。温度压力监测调节系统中安全阀的作用：当温度、压力检测出现异常时，可开启安全阀，及时卸压，避免仪器、管路遭到损坏。

过热器203由无缝钢管构成，其温度调节范围200～1000℃。

该三维物理模拟装置最高工作温度为600℃，最高工作压力为30MPa。

基于上述实验装置的实验方法，包括以下步骤：

S1、将所述装置按图1所示方式连接，并检测每个部件密封性良好。

S2：取得目的区块预设层位的油页岩岩样，将油页岩岩样切割处理为20×20×20cm的模拟油页岩体305，并在模拟油页岩体305中心位置钻出一个直径为2cm，深度为20cm圆柱体空间，填充陶粒，用于模拟注热井310；在模拟油页岩体305四角对称位置各钻出一个直径为2cm，深度为20cm圆柱体空间，填充陶粒，用于模拟采出井306。

S3、将模拟油页岩体305放置在三维物理模拟装置的内腔中，内腔壁钢板307与模拟油页岩体305之间形成的空间，填充沙粒，加上内腔盖钢板311，拧紧螺栓304，盖上保温盖303。

S4：打开仪器设备，并设置参数。根据实验要求，调节阀门，得到不同流量和不同温度的蒸汽。

S5：适时打开产物收集系统的产物收集阀门401，进行集气，集液工作。

具体可以用于下列实验：(1)探究其他条件相同，蒸汽温度不同情况下油页岩原位热解的开发特征及规律；(2)探究其他条件相同，加热时间不同情况下油页岩原位热解的开发特征及规律；(3)探究其他条件相同，注入速率不同情况下油页岩原位热解的开发特征及规律；(4)探究其他条件相同，注入方式不同情况下油页岩原位热解的开发特征及规律；(5)探究其他条件相同，注入轮次不同情况下油页岩原位热解的开发特征及规律；(6)探究其他条件相同，催化剂种类不同情况下油页岩原位热解的开发特征及规律；(7)探究其他条件相同，油页岩非均质性不同情况下油页岩原位热解的开发特征及规律。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置，其特征在于：包括动力与介质传输系统、蒸汽发生与加热系统、热解反应系统、产物收集系统、温度压力监测调节系统，所述动力与介质传输系统包括储液罐、第一阀门、增压泵和第二阀门，所述储液罐内液体为含催化剂的溶液，所述储液罐的输出部通过管线连接第一阀门，所述第一阀门与增压泵的输入部相连，所述增压泵的输出部通过管线与第二阀门相连；所述蒸汽发生与加热系统包括蒸汽发生器、第三阀门、过热器和涡街流量计，所述动力与介质传输系统的第二阀门与蒸汽发生器的输入部相连；所述蒸汽发生器的输出部通过管线与第三阀门相连，所述第三阀门与过热器输入部相连；所述过热器的输出部与涡街流量计连接；所述热解反应系统包括第四阀门、上密封垫、保温盖、螺栓、模拟油页岩体、模拟采出井、内腔壁钢板、保温层、下密封垫、模拟注热井和内腔盖钢板；所述反应釜内腔由内腔壁钢板围成，所述反应釜外包裹保温层；所述模拟油页岩体置于反应釜内腔，并被上密封垫、下密封垫包裹；所述内腔盖钢板通过螺栓与内腔壁钢板连接；所述产物收集系统包括产物收集阀门、冷凝器、页岩油与冷凝水出口、热解气体出口、循环入水口和循环出水口，所述热解反应系统的模拟采出井与所述产物收集阀门相连，用于导出油页岩热解后的气化产物；所述产物收集阀门与冷凝器相连，可使混合气化产物流入冷凝器；所述循环入水口与循环出水口向冷凝器提供循环；所述温度压力监测调节系统包括第一温度计、第一压力传感器、第一安全阀、第二温度计、第二压力传感器、第二安全阀、第三温度计、第三压力传感器和第三安全阀，所述第一温度计、第一压力传感器、第一安全阀位于蒸汽发生器的输出部与第三阀门之间；所述第二温度计、第二压力传感器、第二安全阀位于过热器的输出部与第四阀门之间；所述第三压力传感器与第三温度计通过导线连接到热解反应系统的内部。

2.根据权利要求1所述的一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置，其特征在于：所述反应釜内腔空间的尺寸为20.5×20.5×20cm。

3.根据权利要求1所述的一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置，其特征在于：所述模拟油页岩体尺寸为20×20×20cm，其中心位置有一个直径2cm，深度20cm的圆柱体空间；四角对称位置各有一个直径2cm，深度20cm的圆柱体空间；中心位置圆柱体空间用陶粒充填，用于模拟注热井；四角对称位置圆柱体空间用陶粒填充，用于模拟采出井。将所述模拟油页岩体置于反应釜内腔中心，反应釜内腔与模拟油页岩体之间的空间用沙粒充填。

4.根据权利要求1所述的一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置，其特征在于：所述过热器由无缝钢管构成，其温度调节范围200～1000℃。

5.根据权利要求1所述的一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置，其特征在于：所述装置最高工作温度为600℃，最高工作压力为30MPa。

6.根据权利要求1所述的一种页岩储层原位开采高温高压三维物理模拟装置，其特征在于：基于上述实验装置的实验方法，包括以下步骤：

S1、将所述装置连接，并检测每个部件密封性良好；

S2：取得目的区块预设层位的油页岩岩样，将油页岩岩样切割处理为20×20×20cm的模拟油页岩体，并在模拟油页岩体中心位置钻出一个直径为2cm，深度为20cm圆柱体空间，填充陶粒，用于模拟注热井；在模拟油页岩体四角对称位置各钻出一个直径为2cm，深度为20cm圆柱体空间，填充陶粒，用于模拟采出井；

S3、将模拟油页岩体放置在三维物理模拟装置的内腔中，内腔壁钢板与模拟油页岩体之间形成的空间，填充沙粒，加上内腔盖钢板，拧紧螺栓，盖上保温盖；

S4：打开仪器设备，并设置参数；根据实验要求，调节阀门，得到不同流量和不同温度的蒸汽；

S5：适时打开产物收集系统的产物收集阀门，进行集气，集液工作。

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