能源是驱动现代工业文明进步的核心,在全球经济与社会可持续发展中至关重要,现阶段能源安全成为我国国家安全体系的关键,关乎产业链稳定与“双碳”目标实现。鉴于我国“富油、贫煤、少气”的能源禀赋,高效开发油页岩等非常规油气资源成为缓解我国油气对外依存度与优化能源结构的突破口。油页岩虽储量丰富,开采潜力巨大,但其开采技术复杂,开采难度高,因此规模化利用面临挑战。地下原位转化技术以转化效率高与低碳等优势,为油页岩井组商业化开采提供创新路径,有望推动我国非常规能源产业崛起。 本文基于局部化学反应法(TSA)理论,开展了中深层油页岩原位转化现场试验研究。针对试验过程中发现的热膨胀、沥青质堵塞及高渗通道形成等关键问题,创新性地提出并实施了群井调控开采方案,成功实现油页岩油采收。通过建立综合实验平台,结合室内实验与理论分析,系统验证了高渗通道的真实存在,阐明了其形成机制与调控机理。最终构建了油页岩局部化学反应法井组商业化开采体系,为工程实践提供了理论支撑和技术指导。主要研究内容包括: (1)针对局部化学反应法开采出现的地层热膨胀与沥青质堵塞工程问题,开展了中深层油页岩原位转化一注一采现场试验工作,明确了不同注入参数条件下热膨胀与沥青质堵塞对开采的影响机制。 TS1试验揭示了低注入参数条件下地层热膨胀及沥青质堵塞导致开采失效的机理;TS2试验阐明了高注入参数条件下热膨胀对地层换热效果的影响,解析了常温空气注入阶段渗透率震荡现象。基于试验数据,定性定量表征了注入参数-热膨胀-沥青质堵塞的耦合作用机制,最终提出工程优化方案。 (2)针对高注入参数条件下注采井间油页岩形成高渗通道“只产气,不出油”的问题,提出并实施了群井调控开采的施工方案,成功实现中深层油页岩原位转化开采出油,探究了不同注采状态下出油量的影响因素,明确了群井调控开采机理。 结合理论分析与现场试验,揭示了一注一采试验中高渗通道的形成机制,并基于此提出群井调控开采方案。以三口注采井构建1/6反七点井组,并进行现场验证,累计成功产油3490 L。高注入参数下,利用高渗通道作为注气源,采用“扇形注气”模式可显著降低沥青质堵塞风险,提高了开采效率;探讨了局部化学反应法反七点井组常规与调控开采机理,对比分析了两种开采方式的优缺点。 (3)针对现场试验高注入参数条件下高渗通道形成的问题,采用自主设计的大型室内实验装置,开展了不同反应压力条件下一注一采室内实验,验证了高注入参数条件下高渗通道的真实存在,得到了开采过程中油页岩真实反应温度、裂解油气、残渣的组分特征及其演化规律。 自主设计了油页岩局部化学反应法动态模拟实验装置,采用两块半径380mm与厚度20 mm压制的油页岩岩板,在3 MPa、5 MPa与7 MPa反应压力条件下开展了油页岩原位转化局部化学反应法对流加热一注一采室内实验,在高温氮气注入阶段,将注入井附近油页岩加热至300℃,切换注入常温空气触发链式裂解反应。实验结果表明,随着反应压力的增大,注采井间油页岩的高渗通道从局部到断续再至贯通,裂解油产率从59.8%降低至34.2%,能量回报率由1.83降低0.71,验证了现场试验过程中高渗通道的真实存在及其对开采的影响。根据反应后油页岩残渣表观光学照片,将裂解后样品分为残渣区、裂解区与未转化区,得到了一注一采实验中不同区域反应温度、油气组分特征及其演化规律。 (4)针对高注入参数条件下高渗通道形成降低油收率与能量回报率的问题,开展了常规一注两采与群井调控开采的室内实验,阐明了采出流量调控对高渗通道形成的影响机制,得到了开采过程中区域反应温度、裂解油气、残渣组分特征及其演化规律。 在30 L/min注入流量与7 MPa反应压力下,通过常规一注一采与一注两采室内实验,确定高渗通道形成与常温空气注入阶段的氧化反应剧烈程度相关,并阐明了采出流量对高渗通道的影响机制。进而开展2组群井调控看下室内实验:群井调控实验1(两井采出流量20 L/min与10 L/min)与群井调控实验2(两井采出流量10 L/min与20 L/min)。结果表明,在群井调控实验2中,合理的井间流量调控,可避免高渗通道形成,触发稳定链式裂解反应并达到生供热平衡,实现高效开采,裂解油产率提升至69.8%,能量回报率提高至1.69,真正实现降本增效目标。研究揭示了不同区域反应温度、裂解油气及残渣组分的演化规律。 油页岩局部化学反应法群井调控开采的现场试验与室内实验揭示了高注入参数下注采井间高渗通道的形成机制。现场试验利用高渗通道作为注气源,进行“扇形注气”,成功实现开采出油。室内实验结果表明,常温空气注入阶段采出流量过大导致氧化反应加剧是高渗通道形成主因。通过采出流量合理调控可避免高渗通道形成,实现高效开采。本研究针对现场与室内实验中的工程技术问题提出了实际解决方案,旨在为油页岩井组商业化开采提供技术支持和工程借鉴。