【摘要】：油頁巖原位開采過程中,油頁巖在高溫流體作用下內(nèi)在孔隙結(jié)構(gòu)及滲透特征的演化,對其原位有效加熱和熱解油氣的高效產(chǎn)出,具有決定性作用,因此對油頁巖孔隙結(jié)構(gòu)和滲透特征隨溫度的演化規(guī)律的研究,具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。本文選取撫順東露天礦油頁巖和新疆吉木薩爾油頁巖為研究對象,首先通過X射線衍射(XRD)、熱重-紅外-質(zhì)譜(TG-FTIR-MS)、低溫氮吸附(LTNA)、高壓壓汞(MIP)、低場核磁共振(NMR)等手段,對油頁巖的物性特征、細觀全尺度孔隙結(jié)構(gòu)特征及連通性的演化進行了研究,然后利用自主研制的高溫三軸滲透實驗臺對油頁巖的宏觀滲透特性隨溫度及孔隙壓力的變化規(guī)律進行了研究,最后結(jié)合前面的結(jié)論和前人建立的油頁巖原位開采熱-流-固(THM)耦合數(shù)學模型,對油頁巖原位熱解過程中的溫度傳播規(guī)律、巖體變形規(guī)律及滲透率分布規(guī)律進行了分析研究。主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)通過對油頁巖無機礦物的溫度響應(yīng)、有機質(zhì)的熱解特征以及氣體產(chǎn)物生成規(guī)律的研究表明:油頁巖XRD衍射峰在500°C之前變化微弱,500°C開始撫順油頁巖主要表現(xiàn)為石英相變及粘土礦物脫水分解,新疆油頁巖主要表現(xiàn)為石英相變及碳酸鹽類礦物分解。油頁巖熱重曲線體現(xiàn)出三階段的失重特征,撫順油頁巖有機質(zhì)熱解階段為350-523°C,熱解與中間產(chǎn)物的二次反應(yīng)在同一溫度區(qū)間完成;新疆油頁巖有機質(zhì)熱解階段為390-527°C,階段內(nèi)出現(xiàn)了兩個明顯的失重峰,各階段的失重起止溫度主要與油頁巖組成有關(guān)。油頁巖熱解氣體產(chǎn)物主要包含H_2、H_2O、CH_4、CO_2以及輕質(zhì)烴C_nH_m,以有機質(zhì)熱解階段析出為主;因干酪根變質(zhì)程度不同及結(jié)構(gòu)差異,新疆油頁巖第三階段(560-690°C)H_2、CO_2及烴類氣體的產(chǎn)生說明尚有部分有機質(zhì)在該階段發(fā)生降解反應(yīng)。油頁巖熱解反應(yīng)特征及產(chǎn)物的析出特征與其組成及含量密切相關(guān),具有區(qū)域性特征。(2)聯(lián)合LTNA與MIP對微觀孔隙結(jié)構(gòu)的分析表明:300°C前孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化不大,主要為油頁巖內(nèi)部孔隙水脫除,無機礦物在熱應(yīng)力作用下微調(diào)整所引起。300-650°C區(qū)間階段孔容、比表面積、平均孔徑及孔隙度大幅增長,該溫度區(qū)間內(nèi)350-550°C主要由有機質(zhì)熱解、油氣產(chǎn)物形成的孔隙壓以及無機礦物熱破裂所引起,該階段對孔隙結(jié)構(gòu)的影響最大;而550-650°C溫度段主要由碳酸鹽礦物分解、礦物骨架破裂與坍塌所引起。其中撫順油頁巖以過渡孔、中孔增長為主,孔隙形態(tài)500°C開始由圓筒形孔轉(zhuǎn)變?yōu)楠M縫形孔;新疆油頁巖則以中孔、大孔增長為主,增速隨溫度升高不同步,且LTNA結(jié)果顯示新疆油頁巖比表面積400°C后出現(xiàn)大幅降低,孔隙形態(tài)在低溫段和高溫段為圓筒形孔,300-400°C時為狹縫形孔。常溫下油頁巖孔隙度極低,升溫到650°C時,撫順油頁巖孔隙度增長了12.4倍,新疆油頁增長了15.6倍�？紫督Y(jié)構(gòu)分形與表面分形結(jié)果顯示,撫順、新疆油頁巖分別在300°C和400°C出現(xiàn)了分形維數(shù)突變,說明該階段油頁巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整劇烈。上述結(jié)果表明溫度作用使油頁巖孔隙結(jié)構(gòu)與形態(tài)發(fā)生根本性改變,因礦物組成、變質(zhì)程度的差異,孔隙結(jié)構(gòu)演化存在區(qū)域性差異。(3)在孔隙結(jié)構(gòu)演化分析的基礎(chǔ)上,通過NMR分析了隨溫度變化油頁巖孔裂隙連通性演化規(guī)律。溫度300°C時同級別孔隙連通性增強,不同級別孔徑間的連通性能明顯提高。溫度對可動流體孔隙度的影響大于束縛流體孔隙度,可動流體孔隙度對總孔隙度的增加起主要促進作用,并因此使?jié)B透率得到改善�；诤舜艥B透率模型所得滲透率與溫度關(guān)系符合PP模型。(4)油頁巖滲透率對溫度與孔隙壓響應(yīng)的分析表明:模擬原位注熱開采條件下200°C開始油頁巖滲透率隨溫度升高呈規(guī)律性變化:200-350°C滲透率變化較小,其中撫順油頁巖存在溫度閾值(350°C);350-550°C溫度區(qū)間,滲透率大幅增長;550-650°C溫度段滲透率增速趨緩。滲透率隨孔隙壓力的增加總體上呈現(xiàn)先快速降低,后緩速降低的趨勢;孔隙壓力低于2.5MPa時對滲透率的抑制作用明顯,高于2.5MPa時滲透率對其不敏感。油頁巖滲透率是溫度與孔隙壓力的二元函數(shù)。(5)基于實測參數(shù),通過THM耦合數(shù)值模擬,計算了原位注熱開采條件下油頁巖儲層的溫度場、位移場及滲流場分布規(guī)律。結(jié)果表明:儲層壓裂裂縫可使溫度沿裂縫快速傳播,有利于油頁巖開采;以550°C作為油頁巖熱解完畢判定標準,71.2m范圍內(nèi)撫順油頁巖完全熱解需要1000天,新疆油頁巖需要720天;因熱膨脹性能差異,注熱開采過程中撫順油頁巖儲層產(chǎn)生下沉,而新疆油頁巖則發(fā)生膨脹變形;滲流場的分布特征顯示注熱開采工藝有利于油氣產(chǎn)物的析出而不利于載熱流體的熱量傳輸,應(yīng)采取措施改善油頁巖滲透性。
【圖文】：

太原理工大學博士研究生學位論文 定具有控制作用；另一方面對油頁巖中孔隙、裂隙的生成及演化規(guī)律有較大影響[121-124]，從而影響油頁巖熱解產(chǎn)物的運移。本章通過對撫順、新疆兩地油頁巖 X-射線衍射分析及TG-FTIR-MS 聯(lián)用分析，研究油頁巖熱解過程中礦物成分變化及產(chǎn)物生成規(guī)律，作為油頁巖孔隙結(jié)構(gòu)演化及流體運移規(guī)律的分析基礎(chǔ)。為保證研究結(jié)果的可比性與一致性，本文所有實驗所用油頁巖樣品均采自新疆吉木薩爾和撫順東露天礦兩地（如圖 2-1），且平行實驗所用樣品均取自同一塊體。其中撫順油頁巖采樣點距地表 400m，屬新生代第三紀計軍屯組，陸相湖泊沉積，，沉積厚度 70-200m 呈薄層狀產(chǎn)出，深褐色、褐色或淡黑色；新疆油頁巖來自于吉木薩爾縣石長溝礦（山坡露天礦），屬二疊統(tǒng)蘆草溝組，構(gòu)造簡單，，主要為瀉湖相堆積，礦體厚度 18.80-63.20m，礦體形態(tài)以紋層、頁理狀構(gòu)造為主，灰黑色或灰色，局部呈透鏡狀。

太原理工大學實驗前，將新疆及撫順油頁巖分別破烘干。烘干后的樣品一部分用作熱解特性管式爐加溫，加熱設(shè)備如圖 2-2。其主要度≤1600°C，恒溫精度±1°C，真空度≤溫度（100°C，200°C，300°C，400°C，保溫 4 小時使其充分熱作用，用作 XRD
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE312

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本文編號：2691970