碳酸钙矿物含量对油页岩自生热原位转化渗流特性的影响规律

田瀚; 朱超凡; 李彦伟; 曾壹坚; 郭威

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502106

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (5) :1835-1844 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502106

天文学、地球科学

碳酸钙矿物含量对油页岩自生热原位转化渗流特性的影响规律

田瀚 ¹^,²^,³^,⁴ ,
朱超凡 ¹^,²^,³^,⁴ ,
李彦伟 ¹^,²^,³^,⁴ ,
曾壹坚 ¹^,²^,³^,⁴ ,
郭威 ¹^,²^,³^,⁴^,^*

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Influence Law of Calcium Carbonate Concentration on Seepage Characteristics of Oil Shale Authigenic Thermal in-situ Transformation

TIAN Han ¹^,²^,³^,⁴ ,
ZHU Chao-fan ¹^,²^,³^,⁴ ,
LI Yan-wei ¹^,²^,³^,⁴ ,
ZENG Yi-jian ¹^,²^,³^,⁴ ,
GUO Wei ¹^,²^,³^,⁴^,^*

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摘要

油页岩是保障中国能源安全的重要潜在战略资源,原位转化是油页岩工业化开发的必由之路。在高温作用下,油页岩中有机质原位裂解生成烃类,而无机矿物的分解则会改变油页岩孔渗结构,对原位转化加热效率和油气产量产生影响。在已有模型基础上,建立了一种考虑原位转化碳酸钙矿物分解的数值计算模型,并以松辽盆地油页岩为例进行分析。结果表明:碳酸钙热解释放孔隙可以改善孔隙结构、增强渗透性,有利于油气运移。相同开采时间下碳酸钙含量越高,孔隙度和渗透率越大,当碳酸钙矿物含量为6%时,原位转化能量回报率最高达到9.5。碳酸钙矿物含量增加,有利于减少加热开采时间,提高加热效率,高浓度碳酸钙分解产生的二氧化碳会抑制油气生成,研究结果对油页岩原位开采甜点区优选具有指导意义。

Abstract

Oil shale is an important potential strategic resource to guarantee China’s energy security, and in-situ conversion is the necessary way for industrialized development of oil shale. Under the action of high temperature, the organic matter in oil shale is cracked in-situ to generate hydrocarbons, while the decomposition of inorganic minerals will change the pore permeability structure of oil shale, which will have an impact on the heating efficiency of in-situ conversion and oil and gas production. A numerical calculation model considering the decomposition of inorganic minerals in-situ conversion was developed and analyzed as an example of oil shale in Songliao Basin. The results show that the release of pores by calcium carbonate pyrolysis can improve the pore structure and enhance permeability, which is favorable for oil and gas transport. The higher the calcium carbonate content under the same mining time, the larger the porosity and permeability, and when the calcium carbonate concentration is 6%, the energy return of in-situ conversion reaches up to 9.5. The increase of calcium carbonate concentration is favorable to reduce the heating mining time and improve the heating efficiency, and the carbon dioxide produced by the decomposition of calcium carbonate with high concentration inhibits the oil and gas generation, and the thesis has a guiding significance for the preferential selection of the dessert area of the in-situ exploitation of the oil shale.

Graphical abstract

关键词

油页岩 / 原位转化 / 碳酸钙 / 无机矿物分解 / 孔渗变化

Key words

oil shale / in-situ transformation / calcium carbonate / inorganic mineral decomposition / pore penetration changes

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田瀚, 朱超凡, 李彦伟, 曾壹坚, 郭威. 碳酸钙矿物含量对油页岩自生热原位转化渗流特性的影响规律[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(5): 1835-1844 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502106

TIAN Han, ZHU Chao-fan, LI Yan-wei, ZENG Yi-jian, GUO Wei. Influence Law of Calcium Carbonate Concentration on Seepage Characteristics of Oil Shale Authigenic Thermal in-situ Transformation[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(5): 1835-1844 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502106

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油页岩作为一种重要的非常规油气资源,在中国储量丰富^[1]。面对能源需求的增长和传统油气储量的减少,油页岩开采,尤其是原位转化技术,受到重视。该技术较地面干馏^[2]更能减少土地破坏和水资源污染^[3]。吉林大学提出的自生热原位转化技术,通过向预热油页岩地层注入含氧气体,触发自生热反应,利用干酪根热解残碳的氧化反应为地层加热^[4],具有较高的加热效率和良好的开发前景。

油页岩由无机骨架和有机物构成,无机矿物主要包括黏土矿物、碳酸盐等^[5],影响岩石骨架稳定性及孔隙结构演化。研究表明,页岩中的碳酸钙矿物在热解中通过气体释放及溶蚀增孔会显著调控烃类生成与储层物性,碳酸钙矿物含量是原位开采工艺优化的关键地质要素。采用自生热方法对油页岩地层进行开采时,半焦与氧气的氧化反应所放出的大量热量会使地层温度升高,达到碳酸钙的热解条件^[6],而不同浓度的碳酸钙在开采过程中释放的孔隙不同,且释放的二氧化碳气体含量不同,因此对油页岩自生热原位转化过程中的渗流特性影响存在差异。Shen等^[7]研究了碳酸钠对干酪根热解行为的影响,发现碱性矿物会催化干酪根热解生成烷基和氢自由基;Yang等^[8]的研究发现硅酸盐在氧化热解过程中抑制了页岩油的形成,而碳酸盐催化了页岩油的形成;Yan等^[9]的实验结果同样证实了无机矿物对油页岩燃烧热解存在显著影响;王奎奎等^[10]发现碳酸钙提高转化率并降低活化能;He等^[11]研究了不同矿物对石油裂解的影响;Cao等^[12]揭示了固有矿物对热解行为的影响;李玉博等^[13]通过数值模拟分析了原位开采过程中的孔隙度和渗透率变化;韩连福等^[14]建立了电加热模型;董光顺等^[15]比较了不同加热介质的开采效果;李姿^[16]和郑双金^[17]研究了原位注空气和注蒸汽热解技术。

在油页岩自生热原位开采领域,现有研究多聚焦于数值模型构建与关键参数敏感性分析。然而,碳酸钙矿物热解行为对多相渗流特性的耦合作用机制仍存在认知空白,尤其缺乏不同矿物含量条件下渗流-热解-产能协同演化规律的系统性研究。

现以松辽盆地典型油页岩储层为研究对象,基于CMG-STARS^TM油藏数值模拟平台,构建包含传热、传质及化学反应耦合的“一注四采”原位转化三维数学模型。通过设置0~10%梯度的碳酸钙含量工况,系统量化矿物热解过程对孔隙结构演变、流体渗流特性及能量转化效率的影响机制。重点揭示碳酸钙热解引发的渗透率动态变化与能量回报率之间的非线性关系。研究成果不仅建立碳酸钙含量-渗流特性-开采效能的定量关联模型,为油页岩原位开采目标储层筛选提供了理论判据,还通过数值模拟数据与现场实验条件的参数映射,为后续先导试验设计提供关键技术参数支撑。

1 数值模型建立

1.1 地质条件

松辽盆地是中国最大的油页岩富集区,尤其是青山口组油页岩层段具有高有机质丰度和碳酸钙矿物的广泛分布^[18]。在青山口组中,第4层油页岩品质优良,最高含油率超过15%,主要含油率介于5%~8%,油页岩层厚度为3~5 m,并在全区稳定分布。嫩江组第3层油页岩的最高含油率约为8%,主要含油率区间为4%~6%。

因此,模拟实验的区块位置定于青山口组1段和嫩江组1段。该地区各油页岩层的埋藏深度、岩性特征及构造演化情况如图1所示^[19]。

CMG-STARS^TM软件适用于模拟油页岩自生热原位转化。模型区分基质与裂缝,干酪根仅存于基质,分为干酪根、岩石骨架和有效孔隙。模拟采用“一注四采”反5点井网(图2),单口注入井加热地层,四口生产井产出油气。井间距10 m,开采区200 m²,油页岩层厚1 m,总体积200 m³。

天然油页岩孔隙度和渗透率低,原位开采常用水力压裂形成裂缝网络以降低阻力,构成双孔双渗系统^[20]。假设形成三维正交裂缝,裂缝间距0.05 m。地质模型采用笛卡尔网格,因原位转化物质能量转换剧烈影响收敛性,故采用小尺寸均匀网格,尺寸为0.505 m×0.505 m×1 m。初始状态裂缝与基质孔隙含水饱和度100%。油页岩物理特征如表1所示。

1.2 自生热裂解模型

油页岩原位开采中,有机物热解采用BB模型^[24]描述,Pei等^[25]对其修正,建立包含干酪根、重油、轻油、预焦等物质的热裂解反应模型。本文研究在模型中加入碳酸钙的热解反应,增强了对化学反应动力学的描述。Khakimova等^[26]研究有机组分氧化,产物为水、CO₂和少量CO,可以用于描述采用自生热原位转化中的氧化反应;因油页岩热解快速升温、短时间反应,且高温下油气运移特性良好,故忽略重油、轻油和烃类气的氧化热解反应,简化模型。吴元旦等^[27]实验表明,气氛中O₂对碳酸钙分解影响可忽略,故模拟中不考虑其氧化反应。综上,模拟反应模型主要包括干酪根热解、干酪根氧化、预焦氧化及碳酸钙热解。拟组分参数及反应模型如表2、表3所示。

反应模型纳入基质中构成岩石骨架的碳酸钙。鉴于干酪根作为孔隙中固体物质占据孔隙度,且碳酸钙亦占据孔隙度^[28],为探究不同碳酸钙含量对油页岩原位转化的影响,需保持初始有效孔隙度和干酪根总量不变,随碳酸钙矿物含量变化调整总孔隙度和干酪根浓度。换算关系为

(1)

${\varphi }_{\mathrm{t}}={\varphi }_{\mathrm{k}}+{\varphi }_{\mathrm{c}}+{\varphi }_{\mathrm{v}}$

单位孔隙体积下干酪根的浓度等于实际地层中单位油藏体积下干酪根的浓度与总孔隙度的比值,即二者存在换算关系为

(2)

${{C}^{\mathrm{k}}}_{s}=\frac{{C}_{\mathrm{v}}^{\mathrm{k}}}{{\varphi }_{\mathrm{t}}}$

同理有

(3)

${C}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{c}}=\frac{{C}_{\mathrm{v}}^{\mathrm{c}}}{{\varphi }_{\mathrm{t}}}$

(4)

$\left\{\begin{array}{l}{\varphi }_{\mathrm{k}}=\frac{{\varphi }_{\mathrm{t}}{C}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{k}}}{{\rho }_{\mathrm{k}}}\\ {\varphi }_{\mathrm{c}}=\frac{{\varphi }_{\mathrm{t}}{C}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{c}}}{{\rho }_{\mathrm{c}}}\end{array}\right.$

在CMG-STARS^TM软件中,设定不同物质的浓度时,采用的单位是mol/m³,因此换算关系如下。

(5)

$\left\{\begin{array}{l}{f}_{\mathrm{k}}=\frac{{C}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{k}}}{{M}_{\mathrm{k}}}\\ {f}_{\mathrm{c}}=\frac{{C}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{c}}}{{M}_{\mathrm{c}}}\end{array}\right.$

综上所述,可得

(6)

${\varphi }_{\mathrm{t}}=\frac{{C}_{\mathrm{v}}^{\mathrm{k}}}{{\rho }_{\mathrm{k}}}+\frac{{C}_{\mathrm{v}}^{\mathrm{c}}}{{\rho }_{\mathrm{c}}}+{\varphi }_{\mathrm{v}}$

式中:ϕ_t为总孔隙度;ϕ_k为干酪根占据的孔隙度;ϕ_c为碳酸钙占据的孔隙度;ϕ_v为有效孔隙度;

${C}_{\mathrm{v}}^{\mathrm{k}}$

为实际地层中单位油藏体积下干酪根的浓度,kg/m³;

${C}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{k}}$

为单位孔隙体积下干酪根的浓度,kg/m³;

${C}_{\mathrm{v}}^{\mathrm{c}}$

为实际地层中单位油藏体积下碳酸钙的矿物含量,kg/m³;

${C}_{\mathrm{s}}^{\mathrm{c}}$

为单位孔隙体积下碳酸钙的矿物含量,kg/m³;ρ_k为干酪根的密度,kg/m³;ρ_c为碳酸钙的密度,kg/m³;f_k为在模型中输入的初始干酪根浓度,mol/m³;f_c为在模型中输入的初始碳酸钙矿物含量,mol/m³;M_k为干酪根的摩尔质量,kg/mol;M_c为碳酸钙的分子质量,kg/mol。

2 渗流特性

以松辽盆地青山口组页岩为例,碳酸盐矿物含量介于0~10.5%,平均约5.2%。如表4所示,为探究碳酸钙矿物含量对油页岩原位开采油气产量的影响,设计6组模拟实验,每组实验全程注入性质固定的气体,注采参数一致,页岩地层碳酸钙矿物含量分别设定为0、2%、4%、6%、8%、10%。

模拟实验中,注气井先以500 ℃高温氮气预热地层30 d,随后注入室温空气以触发自生热反应,继续开采油页岩。预热阶段氮气以1 500 m³/d定流量注入,自生热阶段空气注入流量为500 m³/d。各组实验设定有效孔隙度为0.069,碳酸钙含量为0的地层干酪根浓度为60 000 mol/m³,其余组干酪根浓度与总孔隙度设置如表4所示。

2.1 油气产出规律

在松辽盆地青山口组页岩储层中,碳酸钙矿物含量平均值约达5.2%。为精准表征该地区页岩地质特征,选取碳酸钙含量为6%的地层作为典型研究对象,开展多组数值模拟实验,深入探究油页岩油及烃类气体累计产量的响应规律,结果如图3、图4、表5所示。

模拟结果(图3)表明,油页岩地层中碳酸钙矿物含量对原位开采油气产量存在显著调控作用。随着碳酸钙含量递增,烃类气体产出时间呈现持续缩短态势,当含量为10%时,产出时间最短,仅为214 d;其累计产量变化呈现先升高后降低的特征,在碳酸钙含量为6%时达到峰值,最大累计产量为400 m³。对于油页岩油而言,产出时间同样随碳酸钙含量升高而缩短,含量为10%时,最短产出时间为216 d;累计产量在碳酸钙含量6%时实现最大值,达20.39 m³。烃类气体与油页岩油总产量的最大比值为1.06,反映出特定含量下油气产出的比例关系。与无碳酸钙地层对比,碳酸钙含量6%的地层,油气产量提升6%,开采时间缩短18%;含量为10%时,油气产量提升4%,开采时间缩短25%,充分说明碳酸钙矿物含量对油页岩原位转化开采效率与产能的重要影响,为后续该地区油页岩精准开发方案设计提供关键参数支撑。

图4展示了不同碳酸钙矿物含量地层的油气总产量,碳酸钙矿物含量小于2%时,油页岩热解及渗流过程主要受有机质分解行为与初始孔渗结构控制,油气产出表现为低产且波动特征,这源于热解环境未实现优化适配,有机质热解进程受抑制,同时气体运移通道尚未有效构建,限制了产气效率;含量从2%升高至6%时,碳酸钙热分解产生CO₂通过增加孔隙压力,促进储层微裂缝扩展,构建更高效的油气渗流通道,使油气产量随碳酸钙含量增加呈显著上升趋势,在6%左右达到峰值;含量升高至8%时,过量碳酸钙分解的吸热效应扰动储层温度场分布,抑制有机质热解动力学进程,使油气产出速率随碳酸钙含量增加反而下降;在碳酸钙含量升高至10%时,碳酸钙持续分解产生高压气体,对堵塞孔裂隙形成“冲击-重构”作用,部分恢复渗流通道,推动油气产量回升,但受前期孔渗损伤、化学平衡重塑限制,回升幅度难以突破6%含量时的峰值状态。

综上,碳酸钙矿物含量通过热化学分解、次生矿物生成、孔渗通道演化的协同作用,对油页岩生烃与渗流过程形成交互调控,使油气总产量呈现“升-降-回升”的复杂规律,其本质是热化学驱动与渗流通道动态平衡的博弈过程,为油页岩原位转化开发中矿物组分调控提供理论依据。

2.2 孔隙度及渗透率演化规律

现有研究借助油页岩自生热高温高压动态模拟实验装置,已证实无机矿物(如碳酸钙、硅酸盐等)的热分解过程会伴随孔隙释放效应^[4];Zhu等^[29]在扶余现场实验中发现氮气预热后的地层在注入环境空气时,渗透率从1.18 mD急剧增加到7.83 mD。因此探究油页岩储层孔隙度及渗透率的演化规律尤为重要。

模拟中,油页岩原位开采初期以氮气预热一个月,其间温度不超过500 ℃,碳酸钙不分解,故主要分析注入空气后孔隙度变化。比较不同碳酸钙含量地层在初始、注气180 d和270 d的孔隙度,以无碳酸钙、6%和10%含量地层为例,结果如图5孔隙度云图所示。

图5展示了不同地层孔隙度随时间变化对比。可见在注气180 d时,无碳酸钙地层在距注入井3.03 m处孔隙度超过0.25,6%碳酸钙含量地层在3.54 m处,10%含量地层在4.04 m处;至注气270 d,相应孔隙度超过0.25的位置分别移至5.05、6.06和6.57 m。研究表明,该现象的根本原因在于自生热反应引起的地层温度上升,该反应促进了碳酸钙的分解,并释放出二氧化碳气体,进而导致地层孔隙度的增加。观察到碳酸钙含量与热传导性及化学反应速率之间存在正相关关系,含量越高,孔隙度的增加越明显。随着时间序列的延长,热量的累积和气体的扩散效应导致孔隙度超过0.25的阈值位置逐渐外移,此动态过程阐明了碳酸钙含量与地层孔隙度之间的紧密联系,并突显了时间变量在孔隙度演变中的关键作用。

鉴于油页岩的致密性,孔隙发育程度较差^[30],模拟中基质初始渗透率统一设为0.01 mD。图6展示了不同碳酸钙矿物含量地层在开采过程中的渗透率对比。

由图6可知,注气180 d时,无碳酸钙地层在距注入井3.54 m处渗透率超过60 mD,这表明在无碳酸钙干扰的情况下,地层本身的渗透性较低。而在含有6%碳酸钙的地层中,渗透率超过60 mD的位置出现在4.04 m处,10%含量地层则在4.55 m处。这说明碳酸钙含量的增加对地层渗透率的改善具有显著影响。至注气270 d,相应渗透率超过60 mD的位置分别位于5.05、5.56和7.07 m,这进一步证实了随着碳酸钙分解的持续进行,地层渗透性得到了显著提升。

较高的渗透率不仅为油气提供了更顺畅的运移通道,而且在热解过程中产生的油气能够更易产出^[31]。这是因为渗透率的提高降低了油气流动的阻力,使得油气在压力驱动下更容易从油页岩层中释放出来。故原位开采中,碳酸钙分解改善油页岩渗流特性,增强地层渗透性,这一过程不仅有利于油气从注入井向产出井运移,而且提高了油气的采收率,降低了开采成本,从而提升了整个油页岩原位开采项目的经济效益。此外,这一过程还有助于减少对环境的影响,因为提高了油气开采效率,减少了开采过程中可能产生的废弃物和污染物。

3 能量回报率影响规律

渗流特性会直接影响对流加热过程中热量的传递效率以及油气在地层中的运移^[32]。良好的渗流特性使流体能够在油页岩地层中快速流动,热量可以更迅速地传递到更大的区域,且有助于提高油气采收率,从而提高能量回报率。

能量回报率指在石油开采中,获取与生产石油所需能量与石油能量的比值。对于油页岩原位开采,回报率是产出能量与注入能量之比。石油开采的注入能量涵盖注入气体的热能与压缩能,产出能量则包括油气化学能与压缩能^[33]。若注入气体为理想气体,预热阶段氮气的压缩能可表示为

(7)

${J}_{\mathrm{n}}={p}_{\mathrm{a}}q\frac{{p}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}}{{p}_{\mathrm{a}}}\times {10}^{3}$

气体的热能计算公式为

(8)

${Q}_{\mathrm{n}}=cq\rho \mathrm{\Delta }T$

综上,能量回报率表示为

(9)

$\mathrm{E}\mathrm{R}=\frac{{J}_{\mathrm{o}}+{J}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}}{{J}_{\mathrm{n}}+{Q}_{\mathrm{n}}}$

式中:J_n为氮气的压缩能,kJ/d;p_a为大气压力,MPa;p_out为喷射压力,MPa;q为氮气流量,m³/d;c为氮气比热容,kJ/(kg·℃);ΔT为氮气温度变化,℃;ρ为氮气密度,kg/m³;Q_n为注入气体的热能,kJ/d; ER为能量回报率;J_o为热解产出油气的热值,kJ/d;J_out为气体产物的热能,kJ/d。

对上述不同碳酸钙矿物含量地层的能量回报率进行对比,如图7所示。

图7表明,随着地层中碳酸钙含量增加,能量回报率拐点提前且峰值更早出现。各层原位开采能量回报率在前100 d缓慢增长,100 d后增速加快,180 d后显著增加。无碳酸钙地层在257 d达到峰值8.45,含碳酸钙地层(2%、4%、6%、8%、10%)分别在262、242、227、230、217 d达到峰值7.9、8.7、9.5、8.7、8.6。具体对比如图8所示。

由于高温氮气和常温空气的注入流量在开采过程中保持恒定,能量回报率的提升主要归因于油气产量的增加。油气产量在注气180~240 d期间显著增加,后期回报率下降是因为干酪根完全裂解,不再生成油气。不同实验组在不同阶段的注气流量保持一致,导致能量回报率拐点和增速的变化是由于碳酸钙高温热解产生大量二氧化碳,增加地层气体压力。随着压力提升,注入井压力增加,增强对烃类物质的驱替,促进烃类物质从页岩中解吸进入流体相,提升产出速率。

图8显示,能量回报率最大值随碳酸钙含量增加呈现先降后升再降的趋势,在6%浓度时达到最高9.5,在2%浓度时达到最低7.9,差值为1.6。这一现象的本质原因是碳酸钙在油气生产过程中起到了促进和抑制的双重作用。具体来说,碳酸钙含量从2%增至6%时,油气产量上升且产出时间缩短,能量回报率上升。这主要是因为碳酸钙含量的增加在一定程度上提高了岩石的渗透性,使得油气更容易产出。然而,当碳酸钙含量从6%增至10%时,能量回报率下降,这主要是因为高含量碳酸钙热解产生过量二氧化碳,可能影响地层化学反应,降低油气产量。随热解的进行,油页岩预焦孔隙复杂程度高^[34],过量二氧化碳的产生不仅改变了地层压力,还可能导致地层孔隙堵塞,进一步影响油气产出效率。因此,在油气生产过程中,合理控制碳酸钙含量是提高能量回报率的关键。油气在注气240 d时基本产出完毕,预焦浓度对比如图9所示。

预焦浓度对比图显示,高碳酸钙含量地层中预焦浓度整体高于低含量地层,首先,高二氧化碳含量对预焦氧化反应具有显著的抑制作用。这是因为二氧化碳作为一种惰性气体,能够降低反应体系中的氧气浓度,从而减缓预焦氧化反应速率。其次,二氧化碳含量的增加导致地层中的pH降低,进一步影响预焦氧化反应的进行^[35]。此外,高二氧化碳含量地层中的矿物质组成和物理性质对预焦氧化反应也有一定的影响^[36]。碳酸钙在高温下分解产生的二氧化碳,使得地层中的二氧化碳浓度进一步升高,形成一个不利于预焦氧化反应的环境。

这种抑制作用进而影响到干酪根的热解和氧化过程。在预焦氧化反应受到抑制的情况下,干酪根中的有机质裂解程度降低,部分干酪根未能充分裂解生成油气。这直接表现为油气产量和能量回报率的降低。在实际生产过程中,这一现象可能导致油气田开发效果不佳,增加开采成本,影响能源利用效率。

4 结论

构建了耦合碳酸钙分解过程的油页岩自生热原位转化多物理场数学模型,系统阐明了碳酸钙矿物含量对油页岩原位转化过程中渗流-热解-产能耦合特性的影响机制,主要研究结论如下。

(1)在自生热原位转化体系中,地层碳酸钙矿物含量与油气开采效率呈现显著正相关性。当碳酸钙含量为10%时,油页岩热解所需开采时间达到最小值,较不含碳酸钙的空白地层缩短约25%。值得注意的是,碳酸钙对油气产出的优化存在浓度阈值效应,表现为当含量为6%时,单位体积油页岩的累计油气产量达到峰值,该浓度下碳酸钙的热解反应对有机质生烃过程的协同促进作用最为显著。

(2)不同浓度碳酸钙热解行为对油页岩地层渗流网络的改造存在显著差异,当碳酸钙含量为6%时,其热解产生的CO₂气体对有机质热解反应的抑制效应最弱,同时生成的孔隙结构能够有效改善地层渗透率,形成有利于热量传递和油气运移的多孔介质网络,从而实现9.5的最高能量回报率,这一现象归因于碳酸钙分解吸热与孔隙扩容效应的协同优化。

(3)基于所建立的碳酸钙含量-产能-能效耦合模型,针对松辽盆地油页岩储层特征,建议优先选择碳酸钙矿物含量为6%的地层实施自生热原位开采。该条件下不仅能实现能量回报率最大化,还可将开采周期较不含碳酸钙地层缩短18%,为富钙油页岩资源的高效开发提供了理论依据。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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