不同布井模式下富油煤原位热解传热规律数值模拟*

毛崎森 刘嘉晔 王长安 侯育杰 宁 星 薛香玉 车得福

(1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，710049 西安；2.国家电投集团江西电力有限公司分宜发电厂，336600 江西新余)

0 引 言

我国2030年前实现碳达峰和2060年前实现碳中和的目标是应对世界挑战、自身产业转型和环境治理的国策，并且我国富煤贫油的特点决定煤炭的科学利用是实现碳达峰必不可少的一环。按照《矿产资源工业手册》，焦油产率在7%～12%的煤为富油煤，最大特点是煤中富含较多可热解生成油气的富氢结构。一吨富油煤热解可产生约10%的油资源[1-2]。低阶煤地面热解技术已获得广泛运用[2-4]，常规利用包括地面热解-气化一体化、热解-化工-发电一体化技术[5-6]。然而，传统煤炭转化技术存在严重的环境污染[7-8]问题。

为解决传统技术的弊端，原位热解技术应运而生。已有的原位热解技术包括ICP电加热、局部自燃加热[9]、微波辐射加热[10]，但这些技术难以大规模应用[11]。段康廉等[12]提出了一种注高温水蒸气采油的原位对流加热技术。相较其他加热模式，对流加热具有热能获取成本低、加热效率高、油气易产出、裂解气可循环利用等优势[13]。数值模拟可实现大尺度分析，获得温度场分布、传热特性和岩石渗流特性。裴宝琳[14]利用流体和岩层传热方程及岩体在孔隙压力下的变形方程，对布设采油井和注气井的对流加热油页岩方式进行温度场模拟，认为提高蒸汽压力的作用要高于蒸汽温度对整体温度场的影响。康志勤[15]在对流加热模型中建立了热-流-固耦合的模型，确定了2.5年是一个比较合理的原位热解运行周期。刘泽宇[16]提出了间歇性供热热解的模式。LEE et al[17-18]研究了垂直裂缝中原位蒸汽流动和水平井系统多段蒸汽压裂对油页岩原位热解和改造的模拟。姜鹏飞等[19]对U型井注气加热原位裂解技术进行了研究，得出了U型井水平段长度与原位裂解效率之间的关系。王玮[20]对比了油页岩原位注蒸汽技术和ICP七点布井电加热技术，发现原位注蒸汽的效率高于电加热效率，系统运行的时间更短，最终能耗损失较小。

上述研究的侧重点在于热解过程中温度场的变化，油页岩与煤层的物性差异大，现有的数值模拟虽然关注了温度场变化，但多井注热模式对煤层加热过程的影响尚缺乏定论。此外，基于富油煤特性的原位热解过程三维数值模拟开展较少，井群间流量配置不均匀的因素几乎没有被关注。本研究侧重原位热解过程中的不同布井模式，完善了流量配置不均匀这个以往被忽略的因素，实现了三维全尺度模拟。本研究有助于提升富油煤原位热解过程的热能利用及优化布井模式，为大规模实际应用提供理论参考和数据支撑。

1 实验部分

1.1 几何模型及物理模型的选取

在注入流体加热的过程中，地下煤层中存在着压裂裂缝，首先将压裂裂缝简化为一个薄层，以保证流体流动的连续性。在保证计算的简便性的同时，也不会产生严重偏离实际结构的情况。大多数文献[21-23]中井距设置为10 m的数量级，煤层之间的加热井设定为10 m左右的距离可以保证加热的速率[24]，因此将加热的煤层区域设置为一个10 m的立方体(如图1所示的单井加热模式下的不同裂缝数目几何模型)，选取煤层尺寸为10 m×10 m×10 m，加热井及生产井尺寸为0.3 m×0.3 m，裂缝厚度为0.03 m，加热井及生产井与裂缝相连，为加热介质流动的通道，橙色为注热井，绿色为生产井，蓝色区域为煤层裂缝。

模拟中所选取的模型为实际原位热解中整体煤层中的一部分，选取的尺度为10 m量级，并且模型中的加热井与生产井周期性对称布置，根据传热学原理中对称即绝热的原则，可以设定煤层周围的壁面为绝热边界条件。煤层与流体之间的换热通过煤层中的裂缝来实现，煤层裂缝上下表面将热量通过对流的方式向固体区域进行传输，煤层中的固体部分则通过内部的导热将热量从靠近流体侧向远端传导。加热过程中煤层中的挥发分释放，孔隙率、导热系数、比热容等参数是随温度及时间变化的函数[25]，本研究模型将这些参数设定为恒值。模拟过程所选取的模型和边界条件如表1所示。模拟的基准工况为：水蒸气加热，流速10 m/s，加热温度600 ℃，煤层中的裂缝数量为一条，单一加热井和生产井。

表1 数值模拟的模型和边界条件Table 1 Research model and boundary conditions in numerical simulation

图1 单井加热模式下的几何模型Fig.1 Geometric model in single well heating modea—Stereogram；b—Sectional view；c—Top view

单井加热模式下，生产井与加热井之间的距离相差较远，为了弥补单井加热条件下的固有缺陷，采用多井加热模式进行加热获得温度场分布并对比流动均匀性的优劣。模拟的具体工况如表2所示，在不同加热井数量的工况下，保证加热介质的流量相同，调整多井加热工况下对应的每一口井的流量，将多井流速折算为单井的等效流速。例如四井注热工况下，每一口井单独的入口流速为2.5 m/s，对应于单井注热工况下的10 m/s，同理可得，六井注热工况下的入口流速为1.666 m/s。不同注热井数量的加热模式下，除了加热井的数量不同之外，其余参数均保持相同。布井方案如图2所示，其中橙色区域为注热井，绿色区域为生产井，蓝色区域为煤层裂缝。

表2 研究工况的模拟Table 2 Numerical simulation of research conditions

图2 不同布井模式的三维图Fig.2 Three dimensional diagrams of different well distribution modesa—Four heat injection wells；b—Six heat injection wells

1.2 网格系统及无关性验证

上述的几何模型在ICEM网格划分软件中进行结构化网格划分，将煤层区域设定为固体域，加热流体介质区域设定为流体域，为了提高运算的收敛性及准确性，将流体区域进行网格加密，如图3所示，实现了局部的网格加密化，节约了计算资源并保障了网格质量。最终对构建的网格进行了无关性验证，如图4所示，随着网格数目的增加，生产井的出口温度几乎没有变化，这体现了运算结果不会由于网格数目过低而受到影响。考虑到计算资源的有限性，最终选取的网格系统数目为805万。

图3 网格系统Fig.3 Grid systema—Vertical view；b—Front view

2 结果与讨论

2.1 单一注热井模式下的煤层温度场与传热特性

首先进行单井注热工况的计算，以单井工况为基准进行对比，可以定量分析出后续的多井注热的提升效果。图5所示为单井单裂缝注热模式下三年后的煤层温度分布截面云图。通过云图中的温度变化可以发现，加热流体从生产井注入裂缝中，注入后的流体在裂缝中流动扩展，但无法实现均匀分布，因此在图5a的截面中可以观察到一个较大的绕流区域。这是由于流体从垂直的井口注入裂缝中，存在90°的转角，较大的转角必然形成钝体绕流的现象。并且由于煤层裂缝的厚度小，所形成的扰动也少，三股主流均沿着各自的流动方向独立发展而不汇聚，直到X>5 m的范围内才逐渐汇聚形成混合的流动，因此在流体截面内形成了一个较大的低温区域。

图4 网格无关性验证Fig.4 Grid independence verification

图5 单井单裂缝注热模式下三年后的煤层温度分布截面云图Fig.5 Cross section cloud diagram of coal seam temperature distribution after three years under one well and one fracture heat injection modea—Parallel to the plane XZ, Y=5 m in cross section；b—Parallel to the plane YZ, X=5 m in cross section；c—Parallel to the plane XY, Z=5 m in cross section；d—Auxiliary view

这部分低温区域造成了整体加热效果的减弱。由于加热井和生产井不能保证绝热，与外界存在热量交换，导致煤层上部的升温速率较下部升温速率更高，如图5b所示，这种情况的发生对于整体加热速率的提升是有好处的，这是由于加热井与外部存在换热过程，合理利用了加热井与煤层的接触面积，扩大了传热面积，减少了非稳态传热时间。由图5c可以观察到煤层从加热井到生产井从左至右范围内的温度场分布情况，可以发现加热井和生产井的附近区域加热温度较中间区域温度更高，整体温度呈中间低、两侧高的趋势，沿X=5 m的中轴线呈接近对称的温度场分布。

对单井单裂缝加热模型的温度场云图进行分析后发现煤层中的温度分布并不均匀。因此为了衡量在加热过程中的热量利用情况，为富油煤热解提供一个合理的时间和空间范围[26]，将煤层中升温到450 ℃以上开始热解出油的区域划定为有效加热区域，这是由于富油煤的热解过程主要发生在450 ℃以上[26]。图6展示了考虑加热井及生产井与煤层换热情况下的有效加热区域和未考虑该情况下的有效加热区域。通过对比可以观察到，图6a由于生产井和加热井与煤层存在换热过程，煤层的升温变快，有效加热范围提升，而图6b中的有效加热区域中存在两个空洞，这两个空洞即是由图5a中流体的低温区域导致的传热速率减慢造成的，传热速率的降低导致了相同时间内该区域温度未能达到450 ℃。此外，平均温度定义为全煤层的温度平均值，可以有效反映加热介质中的热能被煤层吸收的部分及热能的利用效率。

图6 煤层中的有效加热区域Fig.6 Effective heating area in coal seama—Considering heating wells, production wells and coal seam heat exchange；b—Ignoring heating wells, production wells and coal seam heat exchange

2.2 加热井数量对流动均匀性及煤层温度场的影响

上述的单井注热模式加热速率过于缓慢，因此为了提升煤层加热速率，缩短热解所需时间，分析不同数量注热井对煤层中传热规律的影响，对比了单注热井、四口注热井以及六口注热井工况下的温度场(见图7)。图7a对应的单井加热状态下的绕流区范围相较于其余两种加热模式下的绕流区更大，绕流低温区域的面积占比达到了39%。图7b中的四口注热井则保证了流动从多个方向同时进行，可以观察到绕流区域由单井状态下的两个变为了四个，并且四个绕流区域绕着生产井呈现中心对称状态，每一个单独的绕流区域为轴对称状态。当两个注热井中的加热流体相遇时，会产生流体相互碰撞而发生转向，继而向生产井汇集，该碰撞过程减弱了流体的绕流，因而减少了低温区域的面积。四口加热井与单口加热井相比提升了流体一定的流动性及传热均匀性，但提升的幅度不大，绕流低温区域的面积占比为32%。图7c中的六口加热井模式下，流体的温度均匀性提升显著，绕流低温区域的面积占比仅为8%，该工况下的裂缝中温度均匀性已经可以达到较为理想的目标。六井加热速率高的特点在电加热和流体加热中均得到论证[15，27]。六口注热井的每一股流体从注热井中流入裂缝时将沿三个方向流动，而六边形的结构有助于不同注热井之间的流体相互接触碰撞，从而实现流体分散的效果。此外，由于生产井位于几何中心，生产井处的压力最低，流体均向生产井处靠近，六井注热与单井注热和四井注热相比，流体的流动方向不仅仅只有水平与垂直，还有倾斜方向的流动，促进了流动的均匀性。因此，从裂缝中的加热流体来分析，六井的加热模式在同等流量的情况下流体流动均匀性最好，热量扩散效果最优。

图7 不同加热井数量下对应的裂缝中介质温度分布Fig.7 Temperature distribution of medium in fracture of different number of heating wellsa—One heating well；b—Four heating wells；c—Six heating wells

图8所示为四口注热井加热条件下对应的煤层温度场分布，其中图8a展示了三个维度的温度分布情况，图8d显示的温度场仍然为中间高两侧低，裂缝上侧温度高，下侧温度低，该规律与单井注热条件下类似。但是在图8c中的温度场分布则与单井注热模式下的温度场分布存在较大差异，由于四口注热井与煤层均存在导热，形成了井周围的温度呈现环状扩散，提升了热流沿着水平方向的传播速度，因裂缝中的流体热流传播方向是垂直的，与加热井的水平方向共同构成热流的传播，可以改善温度分布的层状结构，改进温度分布中间高上下两端低的缺陷。

图9所示为六口注热井加热条件下对应的煤层温度场分布，对比图9d与图8d可以发现，六口注热井状态下的高温区域如两个双U型，而四井注热的高温区域呈倒置的T型。对比这两者的差异可以分析出，垂直井与煤层之间的换热确实可以促进水平方向的热流流通，但井与煤层的接触面积较小，远不如裂缝与煤层接触面积大，因而垂直井与煤层之间的热量传递效果仅仅局限在井的周围区域，较远的区域难以影响到。从图9a和图9d纵剖面中可以观察到在垂直井能影响到的区域内，热量沿水平方向传递与垂直方向传递的数量级相接近。此外，结合图9a与图9c可以观察到，由于图9c所处的截面离裂缝的距离较远，裂缝中的热量尚未传递到该截面，而加热井沿井壁传递的热量已经深入该截面，加热井对顶部截面温度的影响超过了裂缝对顶部截面温度的影响。

图8 四口注热井对应的煤层不同截面温度分布Fig.8 Temperature distribution of different sections of coal seams corresponding to four heating wellsa—Global temperature field；b—Section view of fracture；c—Top view；d—Vertical section view

2.3 多井模式下流速与介质温度对煤层温度场的影响

在多注热井模式下提升流速和介质温度可以获取这两种途径对提升加热速率的定量影响。图10所示为不同注热井数目对应的有效加热区域体积占比，四井与单井相比，有效加热区域(体积)占比的提升不明显，尤其是450 ℃以上的有效加热区域的占比提升并不多，仅仅从23%提升到了29%，而六井模式的450 ℃以上的有效加热区域的占比达到了51%，与单井对比，提升了一倍之多。在介质整体流量和介质温度相同的情况下，六井与其余两种布井模式相比有效加热区域提升如此之大有两点原因，即加热井的增多以及煤层换热面积的增加。单井到四井增加了三口井，有效加热区域提升的幅度不大，而四井到六井仅仅增加两口井，有效加热区域提升的幅度大，这说明加热井增多造成换热面积增多是次要原因，主要原因是裂缝中的介质分布均匀，可以保证煤层整体的同步温度提升，增加了热量扩散的范围。

图10 不同注热井数目对应的有效加热区域占比Fig.10 Effective heating area ratio corresponding to different number of heat wells

为了对比不同数目注热井的流量对有效加热区域的影响，图11中的流速均为所有注热井按流量折算为一口井的流速。图11中的有效加热区域占比与煤层平均温度均随流速的提高而提升。六井模式下，入口流速从2 m/s提升到4 m/s时，煤层有效加热区域占比提升了12%，煤层平均温度提高了30 ℃，并且可以观察到随着流速的提升，有效加热区域占比和平均温度升高曲线的斜率是逐渐减小的。这恰恰表明了六井模式下的流体介质温度分布均匀，煤层对加热介质的热量吸收速率高，注热介质的流量过低，热量大幅度被煤层吸收从而使得介质的温度下降过快，主要热阻在注热介质这一侧，而非煤层侧。

图11 多井模式下不同流速产生的有效加热区域占比与煤层平均温度变化Fig.11 Effective heating area ratio and average coal seam temperature changes due to different flow rates in multi-well modes

图12所示为多井模式下不同加热介质温度对应的有效区域占比与煤层平均温度变化，当加热介质温度升高相同时，三种布井模式下的有效加热区域占比会随之升高，但六井注热模式下有效加热区域占比曲线的斜率超过了四井和单井模式下曲线的斜率，而煤层平均温度曲线对应的斜率在三种模式下相差并不多。煤层平均温度曲线的斜率相接近说明煤层整体的吸收热量在不同布井模式下相差不大，但是有效加热区域占比的提升为六井模式下最快。这体现了六井注热模式的温度分布更为均匀，避免了局部区域的温度偏差。此外，六井注热时，加热介质的温度到650 ℃时就已经接近了70%的有效加热区域占比。当加热介质温度从650 ℃继续提升到700 ℃，有效加热区域占比曲线的斜率瞬间减小，上升曲线出现了转折，这说明650 ℃已经可以很好满足该状态下煤层的吸热量需求，在650 ℃以上继续提升温度，将靠近热源处已经达到450 ℃以上的煤层区域继续加热导致温度过高，而远离热源处的较低温度的区域则受制于热扩散率，因此在六井注热模式下，达到650 ℃的有效加热介质温度即满足了基本的注热需求，无需再提高温度，降低了对耐温材料的要求。

图12 多井模式下不同加热介质温度对应的有效区域占比与煤层平均温度变化Fig.12 Variation of effective heating area ratio and average temperature of coal seam corresponding to different heating medium temperature in multi-well mode

2.4 多井模式对流量不稳定的调节作用

多口井注入加热介质的条件下，不同井口的流量不同会导致流量配置的不均匀性，从而破坏煤层温度的均匀性。因此，为了探究局部井流量波动对整体温度场的影响，修改入口的流量，使不同井的入口流速不同，进而观察煤层传热变化(见图13～图15)。如图13所示，改变六口井中一口井的流量，而保证其余五口井的流量一致，并且总流量与基准工况相同。其中一口井的入口流速调整为2.5 m/s，而其余五口井的入口流速相应减少为1.5 m/s。该种流量配置模式下，与六井均匀配置流量的工况相比流量偏差并不大，因此图13c呈现的俯视图与基准工况相差不大，并且从图13b中可以观察到两口井之间的温度场分布较为均匀，没有明显的偏差。图13d中的裂缝剖面图与图9b中的裂缝剖面图相比，绕流区的面积也略微增大，但是对整体温度场的影响仍然较小。

一口井的流速为5 m/s，而其余五口井的流速为1 m/s的煤层温度场分布如图14所示。在较高的流速偏差下，图14b裂缝最左侧的区域出现了流量温度等值线向中间凹陷的特点。并且裂缝中的流体混合均匀性下降，缺乏对称的流量配置导致了图14d的绕流区域融合，由基准工况的8块减少为4块，但是最右侧的两块绕流区域面积大幅度提高，较大的低温区必然降低了传热的速率。

图15所示为六井中三口注热井入口流速为3 m/s，其余注热井入口流速为0.333 m/s的煤层温度场分布。图14中的单井与其余井流速偏差为4 m/s，图15中三口井的流速偏差为2.667 m/s，虽然图15对应的工况流速偏差的数值小，但是图15中所展示的温度场分布与图14相比更为不均匀。图15b中的左侧井附近等温线明显向右侧凹陷，图15c中上下存在两块不规则形状的大面积绿色低温区域，这是其余工况中都未曾观察到的。产生上述现象的原因为在单井偏差的工况下，其余五口注热井会将多余的流量补充单井中偏差的流量，而在三口井流量存在偏差的工况下，其余三口井的补充作用减弱，并且由于三口流速偏差的井是交错布置，导致流体在裂缝中的混合更加不充分，从而产生了图15d中不规则形状的绕流区域。

图16定量对比了六种工况下流量配置偏差对煤层有效加热区域占比及煤层平均温度的影响。当单口井出现流量偏差时，剩余五口井对其中偏差流量的调节使得温度场的波动并不剧烈，加热有效区域占比从50.68%下降至47.88%。而当三口井同时产生流量偏差时，温度场的均匀性受到了较为严重的破坏，与基准的六井流量无偏差工况对比，加热有效区域从50.68%下降至44.89%。但是这六种工况对煤层平均温度的影响均不大，在相同的加热年限下，煤层的平均温度均在420 ℃上下波动。这说明了由于总流量没有发生改变，输入其中的流体蕴含的热能没有改变，煤层的吸热量也几乎没有变化。因此产生有效加热区域减小的主要原因并不是煤层的吸热量减少，而是煤层的温度分布均匀性变差。

图13 一口注热井入口流速为2.5 m/s，其余井入口流速为1.5 m/s的煤层温度场分布Fig.13 Temperature field distribution of coal seam with inlet flow rate of 2.5 m/s in one heat injection well and 1.5 m/s in other wellsa—Global temperature field；b—Left view；c—Top view；d—Section view of fracture

图14 一口注热井入口流速为5 m/s，其余井入口流速为1 m/s的煤层温度场分布Fig.14 Temperature field distribution of coal seam with inlet flow rate of 5 m/s in one heat injection well and 1 m/s in other wellsa—Global temperature field；b—Left view；c—Top view；d—Section view of fracture

图15 三口注热井入口流速为3 m/s，其余注热井入口流速为0.333 m/s的煤层温度场分布Fig.15 Temperature field distribution of coal seam with inlet flow rate of 3 m/s in three heat injection wells and 0.333 m/s in other wellsa—Global temperature field；b—Left view；c—Top view；d—Section view of fracture

图16 不同流量配置下的煤层有效加热区域占比及煤层平均温度Fig.16 Ratio of effective heating area and average temperature of coal seam

3 结 论

1) 相比于单井注热，在相同加热时间内，多井注热的模式改善了裂缝中流体分布不均匀的问题，六井模式的低温绕流区域从单井模式下的39%缩减到8%，显著提升了煤层有效加热区域占比与煤层平均温度，煤层对注热介质的利用速率提升，其中六井注热的有效区域是单井注热有效区域的2.2倍，煤层平均温度提升约100 ℃。

2) 六井注热模式对煤层升温速率的提升较四井模式对煤层升温速率的提升大幅度上升。四井注热模式与单井注热模式相比，有效加热区域占比的提升不明显，仅从23%提升到了29%，而六井注热模式的有效加热区域占比达到了51%。

3) 六井注热模式下，提高流速和加热介质温度均可大幅改善煤层升温的速率，当加热介质温度为650 ℃，入口折算流速为10 m/s时，加热三年后的有效加热区域范围已经达到70%。

4) 当不同井口的流量注入不相同时，单井的流量偏差可以被其余井群所调节，有效加热区域占比从50.7%下降至47.9%；而当三口井同时出现流量偏差时，井群的调节能力减弱，有效加热区域占比的下降则较为明显，从50.7%下降至44.9%。由于总流量的注入保持不变，加热功率保持不变，井群的流量偏差所产生的煤层平均温度变化则比较有限。

致谢：本研究的立题得到了邱爱慈院士和王双明院士的指点和启发，在此表示由衷的感谢！