自二十一世纪以来,全球常规能源巨大的消耗带来了明显的供需紧张问题,但技术的进步使得非常规油气领域取得了一定的进展,未来预计可以有效地来缓解常规资源紧张的问题。在非常规资源中,油页岩近年来更是备受关注。油页岩可通过高温加热促使其中的干酪根分解产生油页岩油。以往采用的地表干馏的方法需要将油页岩开采出来,在地面进行高温干馏和进一步的加工,但是该方法仅可用于浅层易开采的油页岩层,且干馏产生的废气等对环境有较大的污染。然而地下原位开采的方式可以直接对地下深处的油页岩层进行加热,促使油页岩中的干酪根裂解生烃。目前原位开采方式主要有电加热法、流体加热法和油页岩改造法等。油页岩的利用技术开始朝着低成本、低污染和高收益的方向发展。为了优化油页岩原位热解工艺,需要进行一系列的实验和研究,以了解各种因素的影响。直接的现场原位热解试验相对昂贵,因此,数值模拟是探索各种因素对油页岩原位热解的影响的一种安全、快速、低成本的方法。油页岩原位开采技术中,通过在油页岩层中人工进行水力压裂,形成相对规则的裂隙,设置注气井和生产井,将高温气体注入油页岩中,气体沿着注气井及压裂隙流动,尽可能将热量带到油页岩层,而后油页岩中油母质裂解产生油页岩油和气。考虑到油母质裂解会产生一定量的焦炭,焦炭燃烧可以产生热量,这部分热量可以用来促使干酪根裂解,进而适当减少注入的热量,进一步节省成本,提高经济效益。油页岩原位开采过程中温度场的变化受诸多因素的影响,包括高温气体的注入,干酪根分解及焦炭燃烧等化学反应的吸热放热过程。而温度场的变化与生烃量紧密相关,直接影响着油页岩原位开采技术的投入回报比,因此对上述过程的数值模拟研究具有重要意义。为了进一步了解油页岩原位裂解开采过程中燃烧过程、温度场和生烃量的关系及相互影响情况,利用计算机数值模拟仿真软件,建立了简单和复杂的三维模型,对不同方案下油页岩原位裂解开采的整个过程进行了数值模拟仿真和模拟结果的讨论:(1)建立了油页岩原位开采的三维模型,利用FLUENT软件模拟注气井注入高温气体对油页岩层的温度场的影响,同时利用MATLAB软件模拟了干酪根裂解及焦炭的燃烧对温度场的影响,最终实现不同方案下注气和化学反应过程与温度场相互制约、影响的复杂情况的模拟。不同方案包括:持续注入高温气体方案、注热停止时间不同的燃烧方案(即先持续注入高温气体促使干酪根分解生烃,到达注热停止时间后停止注热,而后使焦炭燃烧提供热量继续促使干酪根分解生烃)。油页岩层中靠近注气井和人工水力压裂裂隙的位置首先被快速加热,温度急剧升高,而后热量沿着人工水力压裂裂隙及注气井逐渐扩散至油页岩层的其它位置。离注气井的位置远一些的油页岩层中的干酪根生烃消耗热量,而注气井注入的热量向油页岩层传导速度相对较慢,干酪根分解消耗的热量相对较多,导致注热时间较长时,离注气井区域远的油页岩层温度反而较低。直接注入高温气体的方式会使油页岩层获得更快速、高效的加热效果,但焦炭燃烧产生大量的热量,且燃烧直接产生的热量在一定时间内大于注入高温气体后热传导进入油页岩的热量,致使燃烧后裂隙周围的油页岩层温度略高。此外,注入高温气体的注热停止时间越晚的方案中,油页岩层在模拟时间相同时的加热效果越好,即有更大范围的油页岩被加热且温度较高。(2)在考虑了化学反应的反应热的情况下利用总包一级反应模型计算出油页岩原位开采过程中单日的生烃量及累积的生烃量。累积生烃量均随着时间的增加而增加,总体趋势大致一致。对比不同方案,发现注热停止时间越早,累积生烃量曲线趋于平缓时对应的数值越小,即最终的干酪根转化率越低。单日生烃量曲线均为先急剧升高,后迅速下降的趋势。注热停止时间到达后由于燃烧过程的发生,单日生烃量会有略微的升高,而后缓慢的下降直至接近于零。可见燃烧过程虽可以维持干酪根的继续分解,但是仅能持续较短的时间。(3)计算了不同开采方案的油页岩油净产量,来进一步衡量方案的经济性和可行性。简单模型燃烧的不同方案中,油页岩油净产量均呈现先降低至负值之后再升高的趋势;注热停止时间越早的方案出现油页岩油净产量的最低点的时间越早,但最低值越大;注热停止时间越晚的方案最终的油页岩油产量的净值越大。简单模型中油页岩原位裂解开采方案AⅢ比方案AⅠ的效果更好,且进行燃烧的方案AⅠ-Ⅲ的效果远远优于持续加热方案(方案A)。复杂模型中持续注热方案(方案B)中,油页岩油净产量先升高后降低。燃烧方案的油页岩油净产量曲线的整体趋势均为先迅速升高后缓慢升高并趋于平稳。对比方案BⅠ-Ⅵ,注热停止时间越晚,最终油页岩油的净产量越大,且在模拟800天时,除了方案BⅠ之外的其它燃烧方案(方案BⅡ-Ⅵ)的油页岩油净产量均大于持续注热方案(方案B)。油页岩原位裂解开采方案BⅤ的效果最好,而在模拟的前280天内,持续注热的方案B的效果优于方案BⅠ-Ⅲ。