以高温水蒸汽作为载热流体热解油页岩矿层,首先需要对矿层进行压裂,使水蒸汽沿着压裂裂缝运移,进而加热整个矿层。热解过程中,油页岩会发生复杂的物理和化学变化,从而引起矿层内部热流体传输、温度场分布和渗流场分布规律的复杂性,而这种规律的了解对原位注热开采工艺的确定又十分重要。基于此,本文进行了注水蒸汽沿预制裂缝加热油页岩的小型室内试验、大尺寸(1.4m直径)油页岩原位压裂热解的物理模拟试验、注水蒸汽原位热解压裂油页岩的数值模拟研究。得到的主要研究成果如下: (1)研究了抚顺西露天采矿场油页岩矿物成分、渗流特性以及力学特征对温度的响应规律。发现在升温过程中,有机质中脂肪族化合物的C-H键首先会发生断裂,矿物结构和成分也会显著变化,主要表现在碳酸盐在温度超过600℃时会迅速热解;油页岩的抗压强度会逐渐降低,温度从300℃到500℃,抗压强度降低速率很快;当温度处于20℃~400℃之间时,应力约束状态下油页岩渗透率的量级较小,最高仅为10-2md,当温度高于400℃时,油页岩渗透率较大;同时,渗透率几乎随着孔隙压力的增大而线性减小,归因于气体滑脱效应、吸附效应以及有效应力的共同作用。与其它地区油页岩的热解、渗流与力学特性进行了对比研究,发现不同地区油页岩升温过程中表现出的热解特性和矿物成分演变规律较为一致,而力学强度和渗透率结果差异较大,认为主要是有机质含量以及成熟度的影响。 (2)通过红外热成像设备实时观测了预制裂缝油页岩在高温蒸汽过裂缝面加热下外表面温度场的演变,同时对比了加热终态的温度场分布情况与油页岩内部裂隙分布情况。发现水蒸气会沿着预制裂缝进入到油页岩内部,预制裂缝两侧率先形成高温,而在没有裂缝的位置,油页岩靠热传导加热,升温较慢;裂缝围岩不同位置温度表现为先快速升温到后基本稳定变化的趋势,水蒸汽的传热和换热效率极高;在裂缝围岩的同一层位,岩体温度基本随着加热时间呈线性增加趋势;油页岩高温区域(尤其是极值温度区域)的分布位置与连通裂缝的位置一一对应,表明裂缝的发育情况直接影响到高温蒸汽的加热范围和效率。 (3)进行了大尺寸油页岩原位压裂—热解的大型物理模拟试验,得到了水蒸汽压裂油页岩过程中流体压力的变化规律。发现高温水蒸汽压裂矿层需要同时克服地层应力和热应力的叠加约束作用,起裂压力甚至高达到地层垂向应力的2.5倍左右,但随着钻孔内油页岩孔壁起裂后,蒸汽不断渗入,岩石热破裂程度增加,提高了油页岩的渗透性和主裂缝的扩展连通效率。 (4)实时监测了大尺寸油页岩高温水蒸汽沿压裂裂缝传热-渗流-破裂规律。发现注热过程中,矿层与外围混凝土的温差较大,具有明显的分界,说明油页岩矿层顶底板可以对矿层起到较好的保温和隔热作用,通过注热井和生产井的轮换和调控,可以快速控制热解区域的走向,热解区域完全靠蒸汽的流动规律控制;注热孔的压力要远低于地层应力,当水蒸汽沟通注热井和生产井时,二者的压力表现出协同一致的变化特征,即使在地应力的约束作用下,水蒸汽渗流的阻力依然较小,渗流通道良好;在注热的较短时间内油页岩内部破裂事件数就会显著增加,高温蒸汽已不断输入到油页岩的微裂隙网络中,蒸汽渗流覆盖空间区域扩大。 (5)在大尺寸油页岩原位压裂-热解的大型物理模拟试验中,靠近矿层顶板的油页岩主要依靠传导方式热解,其它区域油页岩主要依靠对流方式热解。对大尺寸油页岩热解后注热井和生产井间平行层理方向和垂直层理方向油页岩的孔隙和裂隙结构进行了测试。结果表明:平行层理方向油页岩的有效孔隙率为自然状态下油页岩的12.77倍,垂直层理方向上热传导矿层油页岩的有效孔隙率仅是自然状态下油页岩的2.95倍;对流加热区域油页岩内部裂隙以长度100μm-500μm的微裂隙为主,微裂隙的平均长度在131.09μm-160.63μm之间,平均开度在59.31μm-68.85μm之间;而传导加热区域油页岩内部存在很少量的微裂隙。 (6)深入研究了注热井和生产井间矿层渗透性的演变规律和矿层的热解效果,认为高温水蒸汽热解后油页岩矿层发育的裂隙面贯通了模型的渗流通路,为流体在空间中的运移提供通道,在整个热解矿层区域内,有63.51%的矿层渗透率是常温下抚顺油页岩渗透率的23~38倍;高温水蒸汽对油页岩具有非常好的热解驱油效果,采油率可达到95%以上。 (7)建立了注水蒸汽原位开采压裂油页岩的固流热化学耦合数值模拟模型,对注热开采过程中矿层温度场、渗流场以及变形场的演变规律进行了深入研究。研究表明:早期的水蒸气渗流和传热特征是通过裂缝向裂缝两侧扩展,在热解区前缘一直呈现裂缝前缘及两侧高温区和高渗区的尖锐突出特征;压裂裂缝间矿层的热解速率要高于裂缝围岩,总体上在较短的时间内注热井和生产井间就可以形成大量的水平裂隙,表现为裂缝围岩温度变化的协调性和一致性。油页岩热解过程中孔隙与裂隙由裂缝快速向油页岩控制热解带整带扩展,形成一个热解区,该区的压应力快速转化为拉应力,热解区渗透系数提高3-4个数量级,形成了一个类似地面干馏炉的快速高效热解区域;在注热井、生产井及控制注汽层段,形成了一个热解圈闭区,其周围被隔热带、应力集中带和隔渗带所封隔,隔热带宽度约20m,隔渗带宽度约10m,应力圈闭带30-40m。