能源是人类社会发展和物质文明建设的重要基础,能源安全问题已经成为我国经济社会发展的战略重点。我国油页岩资源具有地质资源量大、开发技术难度大和开发潜力大等三大特点。地下原位转化开采技术是油页岩工业化开发的主要发展方向,但距商业化应用还存在一定的距离。高效加热裂解油页岩是油页岩原位转化的关键技术之一。根据油页岩原位转化存在的加热方式单一、能量消耗大和转化效率低等技术问题,论文提出可以利用油页岩裂解后残余碳中含有大量可利用潜热的特性来提高加热裂解效率,通过将常规物理加热和地层自身化学反应生热进行有效融合,建立更为高效的复合加热新方法,即自生热法原位裂解油页岩方法,为油页岩原位转化技术的发展和进一步工业化应用提供新思路。本文主要研究如下:(1)构建了自生热法裂解油页岩理论模型,并通过室内实验证明了模型的理论可行性,提出了影响自生热法原位裂解油页岩效率的三个主要因素。通过理论分析,构建了以残余碳氧化放热为核心的自生热法裂解油页岩理论模型。开展室内裂解实验,研究了常压条件和低温阶段(<400℃)油页岩自生热裂解的转化特性,通过全面表征和系统分析不同热解参数条件下油页岩油和裂解气的产率、组分和残余半焦的物化特性,进一步明确了自生热裂解油页岩的转化机理。通过裂解实验分析,转化过程中裂解油回收率超过90%,证明了自生热法裂解油页岩理论模型可行性,并提出了生热供体、高温高压原位地层条件、氧气含量和流量是影响自生热法原位裂解油页岩效率的主要因素。(2)明确了生热供体的形成过程和主控机制,阐明了裂解温度和升温速率等因素对生热供体供热能力的影响,得到了生热供体潜热完全可以满足油页岩裂解热量需求的重要结论。通过理论分析,生热供体主要是油页岩裂解后的残余碳和中间产物。在自生热转化裂解过程中,由于中间产物还将继续分解为裂解油气和残余碳等产物。因此,残余碳是生热供体的主要组成部分并且在自生热转化裂解中扮演着至关重要的角色。活化能、频率因子和反应模型化学计量系数是影响生热供体形成的主控机制。通过量化分析残余碳的潜热表明,油页岩中有机质完全裂解后,残余碳所含热量为油页岩原样完全热裂解所需热量的2.89倍,完可以满足油页岩完全裂解的能量需求。(3)在高温高压地层原位转化条件下,开展油页岩自生热原位裂解室内实验,进一步证明了自生热原位裂解方法的可行性和高效性,揭示了油页岩自生热原位转化裂解机理,阐明了自生热原位转化裂解各特征区域的反应特征和产物运移过程。采用直径100 mm、长度500 mm的油页岩样品,开展温度500℃、压力20 MPa地层原位转化条件下的自生热裂解室内实验。实验表明,先在300℃加热温度的激发作用下,再通过常温空气的注入即可成功触发油页岩自生热原位自裂解反应,并且裂解反应峰面能够得到稳步推进。通过实验分析,自生热原位转化的初步能量效率为2.78,是注高温氮气物理对流加热原位裂解的5.45倍,证明自生热法原位裂解油页岩具有十分显著的高能效特点。根据分析裂解后样品各特征反应区域的表观光学特征和地化性质的演化特征,可将整个自生热原位转化依次分为五个典型的反应区域,即残渣区、自生热区、裂解区、预热区和原岩区。同时,随着原位转化反应的推进,自生热原位裂解油页岩所获得的裂解油呈现出由轻质逐渐向中质、重质转变的特征。(4)开展以氧气含量和注入气体流量为实验变量的油页岩自生热原位裂解实验,明确了氧气注入量对整个自生热原位转化的能效作用机制,说明自生热原位转化具有相对稳定的产物运移和提质效果。开展高温高压条件下自生热原位裂解实验,在300℃的触发温度下,采用三种氧含量(21%、16%和12%)和三种注入气体流量(3 L/min、5 L/min和7 L/min)下的常温气体均能够成功触发自生热裂解反应。然而,过低或过高的氧气注入量均无法获得良好的自生热原位转化效果。通过实验对比分析,氧气含量对能量效率和裂解油收率有一定影响,在保证自生热反应峰面稳步推进的前提下,反应体系中氧气注入流量并没有对裂解油气产物的运移过程和组分分布特征产生明显的影响。通过实验得到,氧气含量16%和注入气体流量5 L/min的自生热原位裂解实验,能量效率和裂解油有效回收率相对较高,能量效率为3.46,裂解油有效回收率为67.1%,能量效率是注高温氮气物理对流加热原位裂解效率(0.51)的6.78倍。自生热法原位裂解油页岩方法实现了在无外部大量供热情况下,利用地层自身潜在热量完成油页岩的高效裂解转化,为解决传统原位转化技术中对外界热量较强依赖的问题提供了新思路;同时,通过自生热原位裂解室内实验研究取得的成果,也为先导工程的进一步应用提供了理论指导和技术支撑。