我国的能源赋存特点是“富煤、少油、贫气”,随着经济社会的持续发展,作为常规一次能源的石油的供应日渐紧张,非常规能源中的油页岩可以作为石油的重要补充。对于埋藏深、岩层厚度薄、页岩油含率低的低品位难开采油页岩,原位开采是一种较好的选择。本文对基于无井式地下气化技术的油页岩原位燃烧热解工艺进行研究,采用热重分析的方法研究油页岩的热解动力学特性;以两种不同产地油页岩的理化分析为基础,对100目尺度的油页岩进行了管式炉热解产物释放特性的研究;采用自主研制的热重分析平台,研究了40、60、80mm尺度油页岩的热解动力学特性,探讨了大尺度油页岩热解产物的释放特性,分析大尺度油页岩热解时气液固三态产物的产率、产物析出规律;采用地下气化高温高压反应器探究了油页岩渗透率与孔隙压力和温度关系,并对颗粒状油页岩进行了正向燃烧通道火力贯通实验,研究氧气流量对火焰移动扩展的影响,得到以下结论:(1)通过热重分析研究可知,300℃至650℃是油页岩产生油气最重要的阶段。不同热解终温的油页岩在热解的第一阶段(室温至300℃)和第二阶段(300℃至650℃)温度区间大致相同,主要区别在第三阶段(650℃至800℃)。热解终温越高,第三阶段的反应终止温度更高。热解终温越高,挥发分释放系数越大,挥发分释放量越多。不同升温速率时油页岩热解的TG和DTG曲线振动幅度有区别。升温速率增加,二、三阶段的最大失重速率极值呈线性增加。升温速率增大,出现热滞后现象。升温速率的变化对油页岩的总失重量变化影响不大。不同升温速率、热解终温的最大失重速率和挥发分释放指数呈线性相关,这表明最大失重速率较大时,挥发分的析出量会增加而且析出时段集中。在氧气气氛中第二阶段的失重点和最大失重温度点也前移,失重区间范围宽且分散,第二阶段的失重量和总失重量都比氮气热解大。氧气气氛对挥发分释出以及有机质燃烧有利,且促进固定碳氧化燃烧和矿物质高温分解。在氧气气氛中,油页岩的着火能力较强且着火迅速。在氧气浓度50%时,升温速率增加,着火温度、最大失重温度和半峰宽变大,燃烧反应的挥发分释放特性指数以及燃烧反应性指标R50都减小,燃烧反应性变差。(2)不同热解终温时运用分布活化能模型可得,转化率增加,活化能也变大,从63.1k J/mol增大到约356.4k J/mol。热解终温升高,第二阶段的平均活化能降低,反应越容易发生。升温速率增加,第二阶段的平均活化能增大,反应难度增加。分布活化能模型在不同热解终温和升温速率时得到的第二阶段的平均活化能为204.9k J/mol。氧气气氛下,升温速率和转化率增加,采用分布活化能模型计算,油页岩燃烧表观活化呈增加的趋势,C-R方法求得的燃烧第二阶段动力学参数,平均活化能和频率因子均增大。(3)桦甸(HD)、西露天(XLT)两种油页岩都属于腐泥类富油油页岩。通过管式炉热解实验可知,热解终温升高,气、液态产物的产率增加,半焦产率降低。气态产物主要在500~550℃热解温度区间生成。热解终温为550℃时,两种油页岩气态产物中产率最大。终温低于450℃时,有效气组分以H₂、CH₄等气体组分为主。HD、XLT样品的页岩油产率在终温为550℃时最高,分别为10.1%、10.3%。页岩油主要是烷烃和烯烃等脂肪烃类化合物,热解温度升高,页岩油中烷烃和烯烃含量减少,芳香烃类化合物增加,含氧化合物也增多。脂肪烃含量在HD和XLT两种页岩油中最高分别达到82.24%和87.56%。随着油页岩样品H/C原子比的变大,页岩油中脂肪烃的主链碳原子C20的化合物含量降低,C0取代基、C1取代基的苯系物含量减少;甲基(C1)、二甲基(C2)取代基酚类化合物相对含量较多。相比油页岩原样,页岩油中碳、氢元素含量、碳氢比(H/C)增加,氧元素含量减少。油页岩中挥发分含量、氢含量、氢碳比、挥发分含量×氢含量与页岩油产率大致呈正比,尤其是采用挥发分含量×氢含量描述页岩油产率更加准确。(4)在大尺度油页岩热重分析中,颗粒粒度增加,物质向外扩散阻力增大,会出现热滞后现象。粒度对物质总析出量会造成影响,颗粒粒度增大,油页岩失重率减小,热解活化能增加。颗粒粒度增加,600℃时页岩油产率会增加,热解气的产率减少、热解半焦的产率增加,油气比增加。油页岩颗粒粒度增加,热解气中的脂肪烃含量增加,400℃时热解气中烯烃与烷烃之比降低,页岩油中长链脂肪烃增多,短链脂肪烃减少,页岩油裂解反应减弱,增大粒径有利于页岩油中烷烃的生成。颗粒粒度增大,页岩油中单环芳香族化合物减少,二、三环的芳香族化合物含量增加,取代基中两个和三个碳的苯系物的含量升高,页岩油中轻质馏分减少,重质馏分增加,氢碳比、氧碳比降低,碳元素含量增加。随着颗粒粒度的变大,半焦比表面积、平均孔径都减小,中孔比例增加,微孔比例减小。(5)在高温高压反应器中,孔隙压力增大,渗透率减小,在400℃和500℃时,孔隙压力变大,渗透率以类似幂函数的形式减小。高温时渗透率对孔隙压力的敏感性较强。温度升高,油页岩渗透率增大。油页岩渗透率随温度的变化规律符合k=a T~2+b T+c二次函数的表达关系式。(6)油页岩燃烧时火力通道火焰工作面的移动方向和气体流动方向相同,达到预定的燃烧贯通目标。氧气进气流量越大,火焰工作面推进速度越快。火焰移动速度与氧气流量呈现良好的线性关系。氧气流量增加,燃烧火焰的表观活化能减少,指前因子变大,火焰的最高温度上升,火焰移动速度增快,燃烧化学计量数变大。氧气流量分别为4、8、12L/min时,油页岩燃烧通道的贯通速度分别为0.3618、0.6865、1.2873m/h。提高氧气流量对油页岩燃烧通道的贯通有利。使用量纲分析法进行推导的相似准则,获得实验室模型实验模拟原位开采时火焰工作面移动速度的函数关系式:lns=lnv+0.39ln(ρdv/μ)-4.91。