摘要
我国能源供给安全形势十分严峻，2022年石油对外依存度达71.3%，迫切需要寻找接替能源。油页岩是一种富含有机质的沉积岩，经低温干馏可制取油页岩油。我国油页岩地质资源量巨大，蕴含油页岩油资源量约为476.44亿t，是我国重要的潜在油气接替资源。 地下原位裂解技术是实现油页岩高效清洁开采的重要途径。该方法是通过在地下原位加热油页岩，使其内部干酪根发生裂解产生油气并开采至地面。国内外学者基于不同加热方式提出多种油页岩原位开采方法，其中高压工频电加热原位裂解油页岩技术因工艺简单、经济性好、对地层适应能力强等特点而备受关注。该方法首先通过在油页岩目标层埋设两只电极，并由电极向地层中通入高压电，击穿油页岩使其电阻率大幅下降；然后通入低压工频电，通过油页岩自身焦耳热效应加热裂解周围油页岩使干酪根裂解转化成油气。可以看出，该方法得以顺利实施的前提是油页岩的高电压击穿，因此本文对油页岩高电压击穿过程开展了一系列室内实验研究和数值模拟研究。基于油页岩热物理性质和电物理性质，从生热和散热角度对高压工频电加热原位裂解油页岩技术击穿过程进行分析研究，以探求含水率、含油率、初始温度和电场强度等内外因素对击穿机理的影响。利用高压工频电加热裂解油页岩实验台开展不同实验条件的油页岩击穿实验，从击穿电场强度、击穿时间、击穿类型和击穿能耗等角度对击穿过程进行评价，并分析讨论多种内外因素作用下的影响机制。 （1）采用多种方法研究了桦甸油页岩物理化学特性及热解后产物释放特征，对不同温度、含水率和地区油页岩电物理性质和热物理性质进行定量分析，研究多因素作用下油页岩电物理性质和热物理性质演化规律。结果表明：随着温度升高，油页岩电阻率、介电常数、导热系数和比热容均表现出下降趋势。含水率对油页岩电物理性质和热物理性质会产生重大影响。随着含水率增高，油页岩电阻率指数级下降，介电常数降低，导热系数增加，比热容增大。油页岩比热容是受多种因素综合影响的结果，仅从单一因素角度无法对不同地区油页岩的比热容相对大小做出准确判断。 （2）采用自主设计的高压工频实验装置开展油页岩击穿室内实验，分析击穿前后样品和产物特征，讨论分析了含水率、含油率、电场强度和初始温度等内外因素对油页岩击穿特性的影响。结果表明：油页岩热击穿存在临界电场强度。桦甸油页岩热击穿临界电场强度为90-100V/cm；在100-180V/cm电场强度范围内，桦甸油页岩热击穿临界温度为93-102℃；电场强度越大，热击穿越易发生，能量消耗越低。当电场强度大于200V/cm，桦甸油页岩发生电击穿。提高初始温度会增大油页岩热击穿难度，与一般固体热击穿理论不符。水的存在是油页岩能够被击穿的必要条件。随着含油率降低，油页岩击穿难度逐渐增大。在100-180V/cm电场强度范围内，桦甸油页岩的击穿是热击穿和电化学击穿的共同作用。油页岩热击穿是生热和散热叠加作用结果。电场强度仅影响生热过程，初始温度影响生热和散热过程，含水率对生热和散热过程均有影响，且含水率的影响大于初始温度的影响。油页岩热击穿瞬间会形成击穿通道，导致通道内的干酪根发生裂解。 （3）建立基于多孔介质假设和电热耦合分析的高压工频电加热击穿数学模型，并通过对比击穿过程不同时间节点油页岩温度分布、测温点温度变化规律和能量消耗验证了模型可靠性。进而对油页岩击穿过程进行分析，结果表明：油页岩热击穿过程受电导率、导热系数、比热容的综合影响。含水率和含油率会影响油页岩电导率、导热系数和比热容，二者对于电导率的影响会促进油页岩快速击穿，但对于比热容的影响会阻碍击穿发生。油页岩内部连通孔隙、微小裂隙和干酪根等有机质是导致其发生电化学击穿的主控因素。油页岩热解产生的残碳增加了油页岩电导率，使其更易击穿。 （4）根据高压工频电加热的工艺要求，设计了高压工频电加热原位裂解开采百吨级试验方案。首先，以数值模拟模型为基准对大尺度油页岩击穿过程进行仿真，求解大尺度击穿试验所需电学参数，为野外试验设计提供依据。结果表明：当电极距离为10m时，扶余油页岩临界热击穿电场强度为62V/cm，所需电压为62000V，对应击穿时间为31s。然后，所设计的高压工频电加热油页岩原位裂解工艺是一种利用岩层自身电阻热加热裂解油页岩并配以气体驱替油气的复合地下裂解原位开采工艺。该方法引入油页岩自身电阻发热原理，通过注入惰性气体驱替油气，实现整个开采过程的高效与节能。试验方案包含工艺概念设计、地下工程设计、地面工程设计、工艺运行设计等方面。 通过本文的研究，可丰富油页岩高压工频电加热原位裂解油页岩技术击穿基础理论，以期为高压工频电加热油页岩原位裂解技术开展野外试验提供理论支撑和技术指导。
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