近年来,随着经济的发展与科技的进步,我国对能源的需求进一步增大。但传统不可再生油气资源在我国储量匮乏,导致我国原油对外依存度逐年上升。油页岩是一种非常规油气资源,被视为传统油气资源的重要补充及替代能源,正逐渐引起我国乃至全球范围内的广泛关注。我国油页岩资源储量丰富,居世界第二位,而吉林省的油页岩探明储量约占我国油页岩总探明储量的八成。因此,寻求切实有效、成本低廉的油页岩开发利用方法对缓解我国传统不可再生油气资源短缺的现状具有重大意义。针对我国油页岩资源普遍具有大埋深、低品位的特点,已有部分研究人员提出了近临界水原位开采油页岩内部有机质技术。本文设计并进行了近临界水原位提取油页岩内部有机质模拟实验,研究了油页岩孔隙特性在近临界水提取过程中的变化规律,建立了近临界水原位开采油页岩的物理模型并进行了数值模拟研究,最终获得了以下结果:(1)本文设计并进行了近临界水原位提取油页岩内部有机质模拟实验。在提取实验过程中,随着提取时间或提取温度的增大,沥青提取率及有机质的提取量在整体上呈增大趋势,而残余沥青的含量整体上呈现出先增大后减小的趋势。这是因为在提取实验初期,油页岩内部有机质开始转化并堵塞了部分孔隙通道,随着提取的继续,有机质被提取且孔隙通道逐渐打开,导致残余沥青含量降低。气体产率的变化规律与残余沥青含量的变化规律大致相反,这表明提取过程中的气体及残余沥青的转化过程基本同步。(2)在对比350℃提取实验及150h提取实验产物分析结果后可知,两组实验所获得的沥青提取物、残余沥青及气体的物质组分相近而含量变化不同。沥青提取物的组成主要为正烷烃、正烯烃、正烷基-2-酮、正脂肪酸以及少量的类异戊二烯烷烃、芳香烃化合物。残余沥青最主要的组分为正烷烃,而其他有机质的含量都比较低。气体中的主要组分为二氧化碳,正烷烃,氢气和极少量烯烃。(3)当本文采取与前人相同的提取时间或温度进行提取实验时,每当本文获得与之相近的沥青提取率,本文实验所需的提取温度更高、时间更长。这是因为,当油页岩处于自由状态时,在近临界水提取过程中常发生破碎现象,特别是在垂直层理方向上,这有效地提高了近临界水与油页岩的接触面积,从而导致提取效率上升。而处于模拟原位状态下的油页岩样品的裂隙则不会如此发展。这意味着本文发现的有机质提取率随提取时间及提取温度的变化规律更贴近于实际,能够更好地为近临界水原位开采技术的研发提供理论指导。(4)本文在研究油页岩孔隙特性时发现,原始油页岩样品孔隙不发育且其内部含有少量粒间孔、有机质孔及裂隙。随着提取时间和提取温度的增大,提取后样品中的孔隙明显发育并向油页岩样品基体内部发展,孔隙的尺寸逐渐从纳米级发展到微米级。同时,提取后样品内介孔体积、比表面积、大孔(特别是孔径分布在100~1600nm之间的孔)的孔体积及孔隙度的变化规律与沥青提取率的变化规律相似,这是由于近临界水在提取沥青产物时造成了次生有机质孔隙的发育。而且,桦甸油页岩内部的有机质分布在孔径为100~1600nm之间的孔隙内。(5)在提取过程中,由于特殊夹具对样品垂直层理方向形变的约束,模拟原位应力状态下油页岩内部裂隙的发展规律不同于自由状态下,油页岩样品裂隙会沿平行油页岩层理的方向发展。在有机质释放后,裂隙因缺乏有机质的支撑而在近临界水压力的作用下被压缩,当近临界水的压力增大时这一现象会更显著。(6)通过模拟研究发现,单方向注热的加热效果差。综合温度场、沥青提取率及孔隙度的模拟结果可以看出,通过对注热井与生产井的间歇式调换,油页岩层能够更快的被加热到理想的温度,每30天将注热井及生产井调换一次即可在加热80天后获得理想的加热效果及沥青提取率。(7)本文在模拟过程中,考虑了部分参数在提取过程中的变化情况,特别是参照实验结果对沥青提取率及油页岩样品孔隙度随提取时间及提取温度的变化规律进行了数值拟合并通过UDF功能进行了模拟研究,所获得的沥青提取率及油页岩样品孔隙度的变化规律更加贴近实际。同时,由于本文所做数值模拟中近临界水的注水量设置较大,且未考虑有机质的转化与输运过程,因此在实际原位开采工程中将消耗更长时间才能获得理想的加热效果及沥青提取率。以上研究结果可以为近临界水原位提取油页岩有机质技术的研究提供理论指导。