油页岩电加热裂解过程中温度场分布的试验与数值模拟

【摘要】人类生存离不开三大能源：煤、石油和天然气。近些年对三大能源的大量应用，导致其储量急剧减少。国际能源机构对世界能源储备状况的调查表明，按照目前的开采利用速度，三大常规能源最多只能开采100年。因此，亟需找到新的替代能源来供给世界未来的发展。油页岩，具有煤炭的特性，可直接燃烧，用于发电或供热；同时还具有石油的成分，可以炼制人类石油—页岩油。因此，找到合理经济地开发利用油页岩的途径，对解决现今能源问题具有重大意义。而对油页岩进行原位开采，是现今公认的有效且对环境友好的方式。虽然油页岩原位开采技术优势明显，但也存在许多问题，因此至今仍然没有被大规模推广。本文对油页岩样品的密度、含水率、孔隙率等物理性质，热传导系数、热扩散系数、体积比热等热物理性质随温度变化情况进行了试验；分析了油页岩的裂解气体组分与温度的关系；利用研制的油页岩电加热裂解试验台及数据的监控系统进行了油页岩裂解的室内模拟试验，对油页岩温度随时间的变化作了分析；利用室内实验得到的密度、热传导系数、热扩散系数等参数，应用Ansys有限元软件对油页岩电加热试验过程中的温度变化进行了模拟，其结果与试验结果拟合较好，在此基础上，以桦甸油页岩现场为对象对油页岩电加热裂解情况进行了数值模拟。主要取得成果如下：1．随着加热温度的升高，油页岩的块体密度下降。其颗粒密度和孔隙率随温度的变化分为3个阶段：①常温到450℃阶段，油页岩颗粒密度下降，孔隙率上升；②450~520℃阶段，油页岩颗粒密度和孔隙率均上升；③520~750℃阶段，油页岩颗粒密度上升，孔隙率不变。2．油页岩的热物理性质存在各向异性的现象。垂直层理方向的热传导系数和比热小于平行层理方向，而热扩散系数大于平行层理的热扩散系数。3．油页岩加热裂解过程中产生的气体以CH4、C2H6、H2S、C4H10、C5H12、C4H8为主。350℃时，干酪根主要裂解为不饱和的烯烃—C4H8，随温度的升高，烷烃及H2S含量增多。4．室内模拟原位电加热油页岩层温度场的试验表明，油页岩某一点处的初期温度主要和与其最近加热器的距离有关，即距离加热器越近，前期温度上升越快。随着时间的延长，其余加热器对其热量累积作用增强，距单个加热器较远的位置的温度有可能超过距单个加热器较近处的温度。5、利用有限元软件ANSYS对桦甸地区油页岩在不同加热功率条件下的温度场进行模拟研究。结果表明，6口加热井，井距为5m的加热模式下，2kw的加热器功率效果较好。油气开采时间为加热后第4~6年。
【作者】王乐；
【导师】王庆华；
【作者基本信息】吉林大学，地质工程，2014，硕士
【关键词】油页岩；电加热；温度场；数值模拟；

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