肖界先 高德利 王正旭

摘要：為了解決電磁原位加熱導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能差的稠油儲(chǔ)層時(shí)存在溫度偏低的問(wèn)題，提出了基于助劑注入的電磁原位加熱技術(shù)，并建立了考慮稠油儲(chǔ)層熱性質(zhì)隨溫度動(dòng)態(tài)變化的電熱耦合數(shù)學(xué)模型，開(kāi)展了電磁加熱室內(nèi)試驗(yàn)以驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，比較了助劑注入前、后儲(chǔ)層的電場(chǎng)和溫度分布以評(píng)估電磁加熱性能，最后分析了助劑導(dǎo)電和導(dǎo)熱性質(zhì)對(duì)儲(chǔ)層溫度分布的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：室內(nèi)試驗(yàn)證實(shí)了電熱耦合數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，助劑注入后電磁原位加熱稠油儲(chǔ)層的溫度明顯升高；在一定徑向范圍內(nèi)，助劑電導(dǎo)率的增大有助于提高儲(chǔ)層溫度；儲(chǔ)層徑向溫度隨著助劑比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的減小而升高。研究結(jié)果證實(shí)了基于助劑注入的電磁原位加熱技術(shù)在解決加熱溫度偏低的問(wèn)題上可行。

關(guān)鍵詞：稠油開(kāi)采；電磁原位加熱；助劑注入；模擬試驗(yàn)；溫度分布；電熱耦合

0 引 言

原位加熱技術(shù)是實(shí)現(xiàn)稠油資源大規(guī)模清潔開(kāi)發(fā)的重要途徑之一，根據(jù)熱能傳遞方式的不同，可將其分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和輻射加熱3種類型［1］。電磁加熱技術(shù)通過(guò)熱輻射將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能以達(dá)到原位開(kāi)采稠油的目的［2-4］，整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)體積加熱的特點(diǎn)，即對(duì)介質(zhì)的內(nèi)部和外部同時(shí)進(jìn)行加熱，加熱速率高，加熱更充分。

國(guó)外學(xué)者H.W.RITCHEY［5］于1956年首次提出運(yùn)用電磁波輻射降低重油黏度的構(gòu)思。近年來(lái)，電磁原位加熱技術(shù)發(fā)展迅速，2012年，加拿大Steepbank礦場(chǎng)開(kāi)展了一項(xiàng)稱為“ESEIEH”的項(xiàng)目，其關(guān)鍵技術(shù)是依靠天線輻射的電磁波加熱油砂［6］。隨后M.BIENTINESI等［7］實(shí)施的電磁加熱試驗(yàn)證明該技術(shù)有利于降低重油黏度。2018年，Harris公司研發(fā)的“Heatwave”技術(shù)在加拿大的重油和油砂資源進(jìn)行開(kāi)采測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得成功，該技術(shù)采用天線向儲(chǔ)層內(nèi)輻射頻率為6.78 MHz的電磁波，最大加熱距離達(dá)到12.5 m［8］。目前，我國(guó)開(kāi)展的電磁加熱技術(shù)研究主要用于解決地面管匯堵塞、凝析油解堵、井筒防蠟和油氣舉升困難等問(wèn)題［9-13］，而對(duì)電磁原位開(kāi)采稠油技術(shù)的研究尚處于探索階段。

電磁原位加熱導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能差的稠油儲(chǔ)層時(shí)溫度偏低，難以實(shí)現(xiàn)稠油資源的高效開(kāi)發(fā)［14］。為了解決該問(wèn)題，筆者創(chuàng)新提出基于助劑注入的電磁原位加熱技術(shù)，建立了考慮儲(chǔ)層熱性質(zhì)隨溫度動(dòng)態(tài)變化的電熱耦合數(shù)學(xué)模型，開(kāi)展了電磁加熱室內(nèi)試驗(yàn)以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，最后通過(guò)對(duì)比助劑注入前、后的數(shù)值模擬結(jié)果，評(píng)估了基于助劑注入的電磁原位加熱技術(shù)性能。所得結(jié)果可為電磁原位開(kāi)采稠油技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考。

1 基于助劑注入的電磁原位加熱技術(shù)

基于助劑注入的電磁原位加熱技術(shù)工作原理是：通過(guò)將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能以達(dá)到儲(chǔ)層升溫的目的，與常規(guī)蒸汽熱采技術(shù)相比，具有能量利用率高和綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。采用該技術(shù)加熱前，首先對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂作業(yè)，形成水力裂縫和縫網(wǎng)區(qū)，然后在該區(qū)域注入助劑，使得儲(chǔ)層更適宜電磁加熱開(kāi)采。圖1展示了基于助劑注入的水平井電磁原位加熱工藝概念設(shè)計(jì)。該技術(shù)地面設(shè)備主要包括采油樹(shù)、儲(chǔ)油罐及控電柜等設(shè)施，用于開(kāi)采、儲(chǔ)存原油和供電。電磁發(fā)生器置于水平井眼內(nèi)，通電后向注入助劑后的儲(chǔ)層持續(xù)輻射電磁能。目前電磁發(fā)生器工作所需電能主要來(lái)源于火電、水電及氣電等。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，以光伏和風(fēng)電為代表的新能源電力有望成為重要的電力來(lái)源，這不僅能明顯減小蒸汽生成時(shí)排放的大量二氧化碳，實(shí)現(xiàn)油氣清潔開(kāi)發(fā)，也符合當(dāng)前我國(guó)制定的“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。

2 電熱耦合模型建立

2.1 幾何模型

電磁原位加熱實(shí)施過(guò)程中，電磁發(fā)生器是輻射電磁能的核心部件。受水平井眼空間尺寸的限制，電磁發(fā)生器的外形需要適應(yīng)井下狹小的空間，因此，線性天線被優(yōu)選為電磁發(fā)生器的元件。為了快速計(jì)算稠油儲(chǔ)層的溫度分布，將圖1所示的三維模型簡(jiǎn)化為圖2所示的二維軸對(duì)稱幾何模型。其中儲(chǔ)層長(zhǎng)度h=100 m，儲(chǔ)層半徑r=10 m，天線長(zhǎng)度La=90 m，天線間隙ga=0.01 m，井筒半徑rw=0.1 m。幾何模型關(guān)于X軸對(duì)稱，其坐標(biāo)原點(diǎn)位于儲(chǔ)層的中心位置，r軸表示徑向距離。天線置于水平井眼內(nèi)，由2根相同的細(xì)長(zhǎng)圓柱形金屬導(dǎo)體構(gòu)成，其間留有微小間隙，用于給天線饋電。

以上電熱耦合模型假設(shè)稠油儲(chǔ)層不含磁介質(zhì)、均質(zhì)、各向同性分布。運(yùn)用有限元方法對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，設(shè)定加熱時(shí)間為180 d，步長(zhǎng)為20 d。最后采用單一變量法研究助劑性質(zhì)對(duì)儲(chǔ)層溫度分布的影響規(guī)律。

2.2.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了如圖3所示的試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置主要由腔體筒、保護(hù)筒、波導(dǎo)、光纖溫度傳感器、電磁波發(fā)生器和控制柜組成。其中腔體內(nèi)徑和高度分別為1.0和1.4 m，保護(hù)筒內(nèi)徑和高度分別為0.2和1.4 m。加熱原理是天線向腔體內(nèi)輻射電磁波（頻率為915 MHz，功率為10 kW）以達(dá)到加熱的目的。試驗(yàn)所用的油砂樣品（編號(hào)為A、B和C）密度為1 980 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.94 W/（m·℃），比熱容為900 J/（kg·℃），電導(dǎo)率為0.03 S/m，相對(duì)介電常數(shù)為8.4；石英砂密度為2 100 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.3 W/（m·℃），比熱容為700 J/（kg·℃），電導(dǎo)率為0.002 S/m，相對(duì)介電常數(shù)為2.1。油砂樣品與天線軸線間距值L分別設(shè)定為0.4、0.3和0.2 m。測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

加熱2 h后，油砂樣品A、B和C在不同時(shí)刻的溫度測(cè)量結(jié)果和計(jì)算值對(duì)比如圖4所示。由圖4可知：距天線越近的油砂樣品溫度越高；在1 h內(nèi)，數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果大于試驗(yàn)實(shí)測(cè)的溫度值。這是石英砂內(nèi)存在的水分吸收了部分電磁能，導(dǎo)致結(jié)果存在誤差。在1～2 h內(nèi)，實(shí)測(cè)的16個(gè)溫度數(shù)據(jù)與溫度計(jì)算值的相對(duì)誤差為0.37%，說(shuō)明溫度計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)很接近，驗(yàn)證了電熱耦合數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

3 助劑注入前后模擬結(jié)果對(duì)比

3.1 電場(chǎng)分布對(duì)比

運(yùn)用驗(yàn)證后的電熱耦合模型進(jìn)行計(jì)算，得到如圖5所示的儲(chǔ)層電場(chǎng)分布三維圖。電磁加熱頻率f恒為8.0 MHz。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，天線附近儲(chǔ)層電場(chǎng)強(qiáng)度高，但隨著徑向距離的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。這是天線輻射出的電磁波首先被天線附近的儲(chǔ)層吸收，隨著加熱深度的增加，電磁波逐漸衰減的緣故。此外，天線中間位置附近的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，天線兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度較小。通過(guò)對(duì)比助劑注入前、后的儲(chǔ)層電場(chǎng)分布，注入助劑后，儲(chǔ)層電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增大，表明助劑注入儲(chǔ)層縫網(wǎng)區(qū)后提高了儲(chǔ)層的導(dǎo)電能力，電場(chǎng)強(qiáng)度增大。

3.2 溫度分布對(duì)比

圖6為助劑注入前、后儲(chǔ)層溫度三維分布圖。由圖6可知：儲(chǔ)層溫度分布呈現(xiàn)橢圓狀，最高溫度位于天線中垂線的井筒處，且儲(chǔ)層溫度分布關(guān)于天線中垂線（r坐標(biāo)方向）對(duì)稱；隨著徑向距離的增大，溫度逐漸降低，這是電磁波在儲(chǔ)層內(nèi)輻射的過(guò)程中電磁能逐漸衰減的緣故。另外，溫度分布區(qū)域形狀與電場(chǎng)分布區(qū)域形狀相似，說(shuō)明了電場(chǎng)強(qiáng)度較高的分布區(qū)域產(chǎn)生了更多的熱能，儲(chǔ)層溫度更高。通過(guò)對(duì)比，助劑注入后儲(chǔ)層的溫度明顯提升，說(shuō)明助劑改善了儲(chǔ)層的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，增強(qiáng)了儲(chǔ)層吸收電磁波和傳熱能力。以上分析表明，基于助劑注入的電磁原位加熱技術(shù)具有增強(qiáng)儲(chǔ)層升溫的效果。

為了觀察并對(duì)比助劑注入前、后的溫度變化情況，繪制了儲(chǔ)層徑向（x=0）和儲(chǔ)層縫網(wǎng)邊緣（r=10 m）的溫度分布曲線，如圖7所示。觀察圖7a可知：助劑注入后儲(chǔ)層的最高溫度由225 ℃升高至260 ℃；當(dāng)r=10 m時(shí)，溫度最低值位于儲(chǔ)層縫網(wǎng)邊緣，為115 ℃，高于初始溫度70 ℃，說(shuō)明儲(chǔ)層被充分加熱且加熱半徑大于10 m。從圖7b可以發(fā)現(xiàn)：儲(chǔ)層縫網(wǎng)邊緣中間區(qū)域的溫度最高，兩端的溫度分布較低;最低溫度值仍高于70 ℃，表明沿井眼軸向的加熱距離大于100 m。

4 助劑性質(zhì)對(duì)儲(chǔ)層溫度分布的影響

下面分析助劑導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能對(duì)儲(chǔ)層溫度分布的影響規(guī)律，包括電導(dǎo)率、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。

4.1 助劑電導(dǎo)率的影響

電導(dǎo)率是表征介質(zhì)傳導(dǎo)電流能力的指標(biāo)。圖8為助劑電導(dǎo)率對(duì)儲(chǔ)層溫度的影響曲線。

由圖8可知：在05 m時(shí)的溫度變化規(guī)律一致。以上分析結(jié)果表明，在一定徑向范圍內(nèi)，助劑電導(dǎo)率的增大有助于提高儲(chǔ)層溫度。

4.2 助劑導(dǎo)熱性的影響

助劑導(dǎo)熱性包括助劑的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。圖9和圖10分別展示了助劑比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)儲(chǔ)層溫度分布的影響規(guī)律。

由圖9和圖10可知，儲(chǔ)層徑向溫度隨著助劑比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的減小而升高，表明減小助劑比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)有助于提高電磁加熱過(guò)程中儲(chǔ)層的溫度值。因此，當(dāng)電磁原位加熱稠油儲(chǔ)層存在加熱溫度低的問(wèn)題時(shí)，可選取比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)較小的助劑來(lái)提高儲(chǔ)層溫度。

5 結(jié)論與建議

（1）油砂溫度計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)相對(duì)誤差為0.37%，驗(yàn)證了考慮儲(chǔ)層熱性質(zhì)隨溫度動(dòng)態(tài)變化的電熱耦合數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)數(shù)值模擬結(jié)果的有效性奠定了基礎(chǔ)。

（2）助劑注入儲(chǔ)層后其電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度明顯提高，表明助劑改善了儲(chǔ)層的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，提高了儲(chǔ)層對(duì)電磁波的吸收能力，表明助劑注入的電磁原位加熱技術(shù)在解決加熱溫度偏低的問(wèn)題上的可行。

（3）在一定徑向范圍內(nèi)，助劑電導(dǎo)率的增大有助于提高儲(chǔ)層溫度；儲(chǔ)層徑向溫度隨著助劑比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的減小而增加，該結(jié)論為電磁原位加熱過(guò)程中助劑的優(yōu)選提供了依據(jù)。

（4）基于助劑注入的電磁原位加熱技術(shù)具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，稠油熱采過(guò)程中涉及壓裂、助劑注入和電熱轉(zhuǎn)化等多種工藝，建議在數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，逐步開(kāi)展電磁加熱裝備研發(fā)和全尺寸模擬試驗(yàn)，為該技術(shù)先導(dǎo)試驗(yàn)的實(shí)施提供了技術(shù)參考。

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