注采井数比对抚顺油页岩注高温氮气原位转化开采的影响

2023-10-14厉家宗朱超凡徐绍涛董光顺郭威

断块油气田 2023年5期

厉家宗，朱超凡，徐绍涛，董光顺，郭威

（1.吉林大学建设工程学院，吉林长春 130026；2.吉林大学油页岩地下原位转化与钻采技术国家地方联合工程实验室，吉林长春 130026；3.吉林大学教育部页岩油气资源勘探开发省部共建协同创新中心，吉林长春 130026；4.吉林大学自然资源部复杂条件钻采技术重点实验室，吉林长春 130026）

油页岩地下原位转化开采技术是通过人工加热地下油页岩储层，在原位将油页岩内部的固体干酪根裂解成油气，再通过一定的工艺开采到地面的一种开发方式［1-2］，是油页岩工业的发展趋势。抚顺地区油页岩矿曾是国内最大的油页岩生产基地，以抚顺矿业集团有限责任公司为代表的油页岩地面炼油企业通过地面干馏技术已基本上完成了对抚顺西露天矿的开采［3］。但油页岩地面干馏炼油面临着开采成本高［4-5］、占地面积大和环境污染等较为严重的问题，因此未来继续开采需要技术转型。

注高温氮气是一种对流加热油页岩地下原位转化开采技术［6］，与传统的地面干馏技术相比，该技术具有安全环保、加热效率高、经济效益好等优点，且不需破坏页岩储层。该方法通过地面设计建造群井，在钻井深入油页岩层后，将高温氮气沿注入井注入油页岩层加热，使油页岩层中的干酪根热分解后形成油气，再通过氮气携带油气从生产井排至地面。何军等［7］依据吉林松南青一段油页岩的实际情况，设计了电加热、注热氮气加热2 种开发方式下的井筒结构，并进行了模拟分析。结果表明，考虑后期压裂，热氮气可通过裂缝有效加热地层，适用于油页岩的开采。姜鹏飞等［8］提出了压裂-注氮原位裂解油页岩转化技术，并且对加热氮气过程进行了传热模拟。李阳［9］设计了不同井网、井距下的热流体辅助电加热的原位开采方法，并通过数值模拟对其进行了研究。李姿［10］通过数值模拟研究了油页岩原位注蒸汽开采, 比较了原位注蒸汽加热和原位电加热的优缺点。雪弗龙CRUSH 技术［1］和美国页岩油公司CCR 技术［11］都是采用高温蒸汽，通过对流加热的方式裂解干酪根。目前国内外电加热与高温蒸汽加热的研究较多，注高温氮气原位转化开采的研究较少。

本文以抚顺油页岩为研究对象，结合相关地质勘探资料及油页岩性质的分析数据，通过合理的模型模拟，研究注采井数比对抚顺油页岩注高温氮气原位转化开采的影响，并进行产能分析评价。

1 注高温氮气原位转化数学模型

1.1 抚顺油页岩基本物性

根据调查，按含油率4.7%以上的油页岩富矿计算，抚顺地区的油页岩资源现有地质储量为3.5×109t，是抚顺矿区转产的重要战略资源［12］。抚顺盆地是抚顺地区油页岩储量最多的地方，位于郯庐断裂带东支，在古近系的裂陷旋回期就已经形成［13］。盆地全长18 km，平均宽度约为2 km，盆内发育了古近系的含煤和油页岩的沉积岩系［14］。古近纪古新世—始新世地层自下而上分别为老虎台组、栗子沟组、古城子组、计军屯组和西露天组。其中计军屯组由非常厚的油页岩层组成，自下而上油页岩含油率逐渐增加。当地生产部门通常将含油率大于6.0%的油页岩层称为富矿层，而小于6.0%的油页岩层称为贫矿层。油页岩富矿层段厚在60～120 m，约占油页岩矿层的2/3［15］。

抚顺地区的高品质油页岩，含油率可达到13.38%，发热量为8.69×106J/kg，总有机碳质量分数为21.15%［16］，工业利用价值较高。抚顺油页岩的比热容为1.09～1.13 kJ/（kg·℃）［17］，原始状态的密度为2.19 g/cm3，可据此计算体积热容。抚顺油页岩原始状态孔隙度为7.02%［18］，原始孔隙度较低。抚顺油页岩原始地层状态下的热导率为4.8×104J/（m·d·℃）［19］。

1.2 地质建模

抚顺油页岩注高温氮气原位转化的过程中，干酪根等有机组分的热解可以用Braun 等［26］提出的反应模型来描述。 Pei 等［27］对油页岩热裂解反应模型进行了修正，该模型包含了干酪根热解、重油裂解、轻油裂解、残碳焦化4 种反应，本研究采用上述模型（见表1）。

由图2 可知，注入井注入高温氮气，高温氮气向周围扩散，生产井产出油气和降温后的氮气，所以注入井温度高，生产井温度低，且从注入井到生产井，各网格的温度依次降低。对比800 d 时各模型的温度场，可以看出：模型B 地层温度更为平均，非红色区域占比更小，加热效果较好。由图3 可知，温度变化区域与干酪根反应区域基本一致。各模型均是注入井与生产井直线连线区域优先反应，而后推进到其他区域。因为注入井的压力较高，生产井的压力较低，注入的高温氮气会优先从高压处向低压处流动。注入井与生产井之间的连线为高温氮气的流线，流线处地层温度优先上升，所以干酪根会优先反应。当只有1 个生产井和多个注入井时，这种现象尤为明显。当只有1 个注入井和多个生产井时，干酪根反应会均匀地向生产井推进。对比800 d 时各模型的干酪根的物质的量浓度，可以看出：模型B，D的地层干酪根均已经完全反应，生产时间较短。

1.3 模型的注采井数比

注采井数比即注入井与生产井的比值。常用的油气田开发布井方式有五点井网法、正七点井网法、反七点井网法、正九点井网法、反九点井网法，不同的布井方式有不同的注采井数比［24-25］。模型中设置13 口井，所有井均可在注入井与生产井之间切换。通过选定不同布井方式，选择注入井与生产井的位置和数量，得到A，B，C，D，E 5 个子模型——反九点井网模型、反七点井网模型、五点井网模型、正七点井网模型、正九点井网模型。所有模型的注入井与生产井的井间距均设定为20 m（设置九点井网法注入井与角生产井的距离为28.3 m）。考虑到常规油气田开采通常是多个相同井组的井群开采，相邻的井组共用1 个生产井或注入井。因此，实际油气田井群开采中反九点井网法、反七点井网法、五点井网法、正七点井网法、正九点井网法的实际注采井数比分别为1∶3，1∶2，1∶1，2∶1，3∶1。单个井组及对应面积的开采就能代表整个井群。当使用某一子模型开采时，对应井组外的其他网格均设置为无效网格。 A，B，C，D，E 5个子模型具体情况如图1 所示。

图1 子模型A，B，C，D，E 网格示意Fig.1 Grid schematic diagram of sub-models A，B，C，D and E

1.4 模型的热解机理

利用成熟的商业油气模拟软件CMG-stars TM 来模拟油页岩的原位转化过程［20-21］，其中油页岩地层被认为是一个双渗透系统。拟研究抚顺盆地500 m 深度、0.1 m 厚度的油页岩。油页岩地层的原始压力和温度分别为10 MPa 和35 ℃。地质模型设置为常规笛卡尔网格，均匀网格尺寸为2.0 m×2.0 m×0.1 m。

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1149 Advances in drug therapy of bronchopulmonary dysplasia

表1 干酪根热解反应模型Table 1 Pyrolysis reaction model of kerogen

2 模型运行结果与讨论

通过对上述数学模型进行计算，分别得到了不同注采井数比下，抚顺油页岩注高温氮气原位转化的开发结果。根据注采井数比的变化，对不同模型的温度、干酪根的物质的量浓度、油气产量、能量效率进行了对比和分析，得到了抚顺油页岩注高温氮气原位转化开采的最优注采井数比。

“凡你们的耳，只听金鼓，眼只看旗帜，夜看高招双灯，如某色旗竖起点动，便是某营兵收拾，听候号头行营出战。不许听人口说的言语擅起擅动；若旗帜金鼓不动，就是主将口说要如何，也不许依从；就是天神来口说要如何，也不许依从，只是一味看旗鼓号令。”易平安读完这段，忍不住叹了口气，“戚大帅当年也真够辛苦的，这哪里是带兵，根本是带孩子啊……写得这么简明直白，就算蠢到骆剑峰他们那种程度，也该能够过关了吧？”

模型中注入的高温氮气可视为驱油剂［28］，高温氮气波及到的地层，干酪根随之反应，干酪根完全反应的区域（蓝色区域）与地层总体积的比值即为波及系数［29］（见图4）。模型A，B，D，E 的波及系数都能达到1，即地层干酪根完全反应，而模型C 受到注采井数比的影响，高温氮气难以波及到相邻生产井连线之间的中点。以注采井数比1∶1 为界，增大或减小注采井数比都能增大高温氮气的波及面积，增大地层的波及系数。

2.1 温度场和干酪根的物质的量浓度演化特征

如图5 所示，A，B，C，D，E 5 个子模型的油气产量在整个生产过程中变化趋势基本一致，以注采井数比为1∶1 为界，增大或减小注采井数比，都会缩短反应时间，增大单位体积产油量。因为在相同情况下，注采井数比越大，注入井到生产井之间高温氮气的流线越多，波及面积越广，波及系数越大，单位厚度被驱替的油体积越大，驱油速度越大，流入生产井的油越多，就有更大的产油量。对比模型B，D，反应结束时，模型B，D 的单位体积产油量基本一致，但模型D 的单位体积产气量更少。模型A，E 同上，即比起减小注采井数比，相应增大注采井数比会减小单位体积产气量，缩短反应时间，但对单位体积产油量几乎无影响。反应结束时，模型B 的单位体积产油量最大，模型C 的单位体积产油量最小。模型A的单位体积产气量最大，模型D 的单位体积油气产量最小。由图5c 模型A，B 产油率随时间变化曲线可以看出，减小注采井数比使模型生产过程产油量出现了2个峰值。这是因为随着反应的推进，当注入井附近的干酪根反应时，地层中还有较多区域高温氮气尚未波及，干酪根还未反应，如图3 所示。随着干酪根反应推进到生产井处，生产井地层区域孔隙度、渗透率增大，就会出现第2 个峰值。总的来说，模型B 的生产效果最好。

图2 子模型温度场变化对比Fig.2 Comparison of temperature field change in sub-models

图3 子模型干酪根的物质的量浓度变化对比Fig.3 Comparison of the concentration change of kerogen's substance amount in sub-models

根据抚顺油页岩的物理性质，设定模型的油页岩基质有效孔隙度为7.02%，总孔隙度为23.47%，孔隙中干酪根的物质的量浓度为6.25×104mol/m3，平均总有机碳质量分数为21.15%。油页岩的总孔隙体积由有效孔隙和干酪根组成，在注高温氮气原位转化过程中是恒定的。基质的有效孔隙度在原始状态下为100%的水饱和。在原位转化过程中，孔隙度和渗透率随着干酪根的热解、岩石和流体的压实和膨胀而演化。设定抚顺地区油页岩层和天然裂缝的初始水平渗透率分别为0.1×10-3μm2和100×10-3μm2。在油页岩原位转化过程中，本研究采用Ma［22］研究的页岩基质与裂缝的相对渗透率曲线，描述大幅度温压波动控制的多相多组分渗流传热过程。根据抚顺油页岩热重曲线［16］可知，当温度为400～600 ℃时，油页岩失重率明显增大，反应剧烈。因此，设定注入井注入温度为500 ℃，高温氮气单位体积流量为120 m3/（d·m3），生产井的恒定底流压力为500 kPa。考虑到整个生产过程中地层温度的上升，岩石的体积热容和热导率分别设为2.4×106J/（m3·K）和4.8×104J/（m·d·K）。Fan 等［23］证明，如果地层厚度与井间距之比足够大，覆盖层和底层的热损失对工艺效率的影响不大，故忽略热损失。

民族文化价值：古建筑是民族文化历代相传的载体，同时本身也是民族文化的生动表现，是连接民族情感纽带、促进民族团结的重要文化基础。诸多古建筑物均讲求简朴，但不乏美观，体现了一种不攀比的地域性民族建筑文化。

图4 波及系数与时间的关系Fig.4 Relationshipbetweensweep coefficient and time

2.2 油气产量对比

从单位体积油气产量和产油率两方面分析对比油气产量。单位体积油气产量指的是单位油页岩体积下累计油气产量的体积。产油率指的是单位时间内生产井产出油的体积，反映了油气生产的速率。

模型建成后，在CMG 软件中统一模拟加热1 000 d。注高温氮气到第100，200，400，800 天时，5 个子模型的油页岩层温度场变化以及干酪根的物质的量浓度变化情况分别如图2、图3 所示。由于模拟地层厚度过小，垂向上油页岩层的受热情况相似，温度、干酪根的物质的量浓度变化基本相同，因此仅展示横向二维平面图，对比平面上的差异变化。

2.3 能量效率对比

注高温氮气模型的注入能量包括两部分，即等温压缩过程中压缩N2的能量和注入N2的热能。反应过程中的生产能量包括三部分，即产出的天然气、石油的热能和注入N2的剩余热能。在实际生产过程中，N2的剩余热能可以重复利用，这里一并加以计算。

能量效率计算式为

能量效率反映了实际注入能量转化为油气热能的效率。图6 为能量效率随时间变化的曲线，以注采井数比1∶1 为界，增大或减小注采井数比，都能有效增大能量效率。因为在单位体积注气量相同，井间距的相同情况下，增大或减小注采井数比，增大了油气产量，所以增大了能量效率。反应结束时，模型A，B 的能量效率最大，模型C 的能量效率最小。减小注采井数比比增大注采井数比的能量效率大，但生产时间更长。模型B的最大能量效率大于模型D，模型A 的最大能量效率大于模型E。因为减小注采井数比使井组的生产井围绕注入井，注入气体以注入井为中心，呈圆环状均匀地向外部流动，干酪根原位转化区域也呈圆环状向外推进，产生的油也随注入气体一起，均匀流动到生产井产出，整个过程稳定有序，如图2 所示。而增大注采井数比使井组的注入井围绕生产井，注入气体率先流经注入井与生产井连线区域，再向其他地方扩散，干酪根反应区域也是如此，因此相同条件下地层流体并不稳定，驱替效率较差，能量效率较小，但多口注入井同时注气，整个生产过程较快。相同条件下，模型A，B 有相同的能量效率，但模型B 的反应时间更短。因为与反九点井网相比，反七点井网更趋近于圆形，与油气扩散形状一致，实际注采井数比一直是1∶2，驱替效果较好。而反九点井网由于边生产井和角生产井与注入井的井距并不一样，所以当高温氮气推进的干酪根反应圆环经过边生产井之后，注入井实际对应的生产井只剩了角生产井（见图3），实际注采井数比由1∶3 降低到了1∶1，所以生产时间较长。

那段日子想起来很好玩，我也不知道算不算谈恋爱。当时公司没有给我任何一个工作人员在身边，我在那里也没有认识的中国人，她是唯一一个跟我讲中文的人。每天看到她，是当时唯一开心的事情。她可能也有这样的感觉。

标准的一阶逻辑可以通过三种模式来定义真值：语言、可及关系和算子组成的D结构，以及从语言到结构的映射所导出的语义值(即赋值)。特别地，“解释函数”I将谓词字母映射到实谓词，而变元指派s将个体变元映射到个体的函数。逻辑学家经常将D和I共同融合到“模型”M上，然后对公式进行解释：

图6 能量效率对比Fig.6 Comparison of energy efficiency

结合有关文献得知，反九点井网的主要优点是初期油井比较多，采油速度比较高，后期注采井网调整比较灵活。该井网的缺点是注采井距不均匀,平面矛盾大；注入井排的油井易过早发生气窜。反七点井网的主要优点是注采井距比较均匀，注采井数比为1∶2，有利于保持地层压力。该井网的缺点是后期注采井网调整难度大［30-32］。如表2 所示，从整体情况分析，在单位体积产油量相差不大的情况下，注采井数比为1∶2 的反七点井网法有最大的能量效率和较短的反应时间，开采效果最为理想。