中低成熟度页岩油具有显著的资源禀赋优势,探明储量可观,实现该资源的大规模开采和利用对保障我国能源安全具有重要意义。然而,由于中低熟页岩油热演化程度较低,难以通过成熟的压裂技术进行开发利用,需要通过原位转化技术实现开采。自生热法原位转化(Auto-Thermal in-Situ conversion,ATS)技术是目前最有前景的原位开采技术之一,其首先通过高温氮气预热储层生成沥青等生热供体,从而引燃生热供体实现自热热解链式反应。中低熟页岩油经历热演化过程后,其内部蕴含丰富的游离沥青与石油烃,具备实施自生热工艺的物质基础,利用低温空气有望直接引燃这些有机质,从而实现储层自热热解,这对提高原位开采效率、降低开采成本具有重要意义。 因此,本文基于传统的自生热工艺,提出采用注热空气直接引发中低熟页岩油自生热链式反应的原位转化方法,通过热重、热解实验明确了有机质热演化阶段对中低熟页岩油氧化热解特性的影响和自生热过程的能量供需关系,初步探究了注热空气自生热工艺的可行性。系统考察了两种中低熟页岩油在注热空气诱导自生热裂解过程的热解特性和能量平衡关系,验证了注热空气法的可行性与适用性。具体研究内容和主要结论如下: (1)系统考察了有机质熟化程度对中低熟页岩油氧化热解行为及动力学特征的影响。结果显示,提高成熟度主要通过增加游离沥青含量从而在一定程度上促进有机质的氧化热解,并促使低温氧化热解反应在低温下启动。低温氧化释放的热量能够促进干酪根的氧化,有效降低氧化热解的活化能,但成熟度过高会对这种促进作用产生限制。 (2)采用氧化热解实验探究了有机质熟化程度对中低熟页岩油氧化热解产物特性及能量供需关系的影响。结果显示,热成熟度增加可以提高低熟页岩氧化热解的油收率,但对于中熟页岩由于水热排烃的加剧这种提升作用被削弱。通过对氧化热解过程能量供需关系的分析发现,即使半焦燃烧的能量利用效率低至70%也可触发自热热解反应,初步验证了注热空气自生热工艺的可行性。 (3)系统分析了注热空气过程中低熟页岩油氧化热解行为和产物组成特征。结果显示,热空气注入能够将中低熟页岩油的热解起始温度降低至220℃,并在460℃的温度下获得12.6%的最大油收率,提高温度促进油中轻质组分含量增加,气态烃更易释放。关于能量供需平衡关系分析表明,注热空气促使半焦在较低温度下迅速发生燃烧,空气注入最佳温度为420℃。当中低熟页岩油热解获得最大油收率后,若剩余半焦的燃烧热利用率超过75%,即可实现理想的自热链式反应。注热空气法在中低熟页岩油开采中具有可行性。 (4)探究了旬邑地区中低熟页岩油在注热空气和热氮气引发自生热过程的热解行为及产物特征。实验结果显示,注热空气可显著降低热解起始温度,并在250℃触发低温氧化热解反应,450℃时获得最大油气采收率。尽管氧化热解导致部分有机物的消耗,但二者总油产率相近。两种注入工艺的能量供需关系分析表明,二者均可触发自热热解反应,最佳触发温度为400℃。 本研究旨在明确热演化程度对中低熟页岩油氧化热解行为特性的影响,验证注热空气诱导自生热裂解工艺在中低熟页岩油原位开采过程中的可行性,从而为中低熟页岩油原位转化开发提供理论指导。