油页岩是一种高灰分固体可燃沉积岩,有机质含量最高可达30%,经过300-550℃加热处理后,油页岩中的干酪根能够熟化生成页岩油和可燃气体。我国油页岩的分布比较广泛,资源中蕴含的页岩油约为476亿吨,相当于传统化石能源----石油资源量的一半,居世界第2位。吉林省的油页岩资源非常丰富,目前探明储量约为860亿吨,折合成页岩油约为39.44亿吨,占全国的81%。加快研究油页岩开发技术对我国以及吉林省工业产业升级和经济发展意义重大。常规油页岩地面干馏技术会产生大量的“三废”,给生态环境带来巨大威胁,开发规模一直受到限制。原位开采技术是对难开采油气藏进行地下原位处理,获得油和可燃气体的方法,是非常规油气开采的世界性难题,也是当前油页岩研究领域的国际前沿技术,成为油页岩资源开发利用的重要研究方向。目前,研究的油页岩原位裂解技术可以分为四大类:电加热传导技术、辐射加热技术、气体热对流技术和化学反应热技术,但无论是何种技术都涉及加热油页岩的问题,加热效率的高低就成为衡量原位技术先进性的重要指标。电加热传导技术以埋设电加热器的电阻热为热源,热量传导至油页岩,使干酪根裂解。由于油页岩中有机质的含量较高,所以油页岩的热传导性能差,导致电加热传导技术具有加热效率低、加热时间长的缺点;辐射加热技术是以能量波的形式传导能量,致密的油页岩不利于能量波传导,所以辐射加热技术能耗高,加热效率较低;气体热对流技术是以对流换热为基础,换热直接,加热效率较高;化学反应热技术是依靠油页岩自身反应热加热油页岩层,效率最高,开采成本相对较低。气体热对流技术和化学反应热技术都需要将预先加热的气体或液体介质注入油页岩层,流体介质的加热效率就直接决定了气体热对流技术和化学反应热技术的可实施性,因而,研究适合于油页岩气体热对流技术和化学反应热技术的高效注热系统十分重要。目前中国正在建设3处油页岩原位裂解先导试验工程,均位于吉林省内,分别是:吉林大学农安TS-A法“油页岩地下原位裂解转化先导试验工程”,吉林大学扶余SCW法先导试验工程,众诚集团压裂化学干馏试验工程。本文以吉林大学农安“油页岩地下原位裂解转化先导试验工程”为研究背景,研究用于油页岩原位裂解注热系统。注热系统主要包括燃烧产热子系统、高温高压换热子系统和高温注热隔热管柱子系统三大部分。启动燃烧器,燃烧供气组件向燃烧器供给可燃气体和空气,点燃后,燃烧尾气和注入气体介质在高温高压换热器内进行热交换,被加热气体介质通过高温注热管柱注入油页岩层,使油页岩裂解生成油气。首先,开展燃烧产热子系统研究,从经典理论入手,研究半封闭小腔体燃烧理论,明晰燃烧机理;研究燃烧控制理论,优化可燃气体燃烧效果;设计燃烧控制逻辑,集成燃烧控制阀组,优选适合裂解气燃烧的燃烧器。形成完整的燃烧产热子系统设计。然后,进行高温高压换热子系统研究。选定换热器形式,进行热工计算,确定换热器的基本参数,再进行换热器仿真模拟。选定四种弓形折流板管壳换热器,通过简化几何模型,结合理论计算,分析出弓形折流板换热器壳侧的流体流场、加热管表面温度场和换热综合性能等参数,确定换热器中弓形折流板的类型和间距。形成完整的高温高压换热子系统设计。接着,进行高温注热隔热管柱子系统研究。高温注热隔热管柱子系统包括地表高温高压管路和井内注热隔热管柱。进行地表高温高压管路热应力设计,改善管路极端工况下应力状态,保障注气安全;进行井内注热隔热管柱导热和注热效率分析,优化隔热材料种类和尺寸,提升注热效果。形成高温注热隔热管柱子系统设计。最后开展油页岩原位裂解注热系统试验及热效率分析。将研制的注热系统用于原位裂解工程,通过采集温度、压力和流量等注热关键数据,分析注热效率和适应性,再根据原位工艺需要进行优化升级,设计出适合油页岩原位裂解工艺的注热系统。原位裂解试验工程中,研究的注热系统运行正常,燃烧换热效率高,工作稳定,为油页岩原位裂解工艺实施奠定坚实基础。最终,应用这套注热系统,吉林大学农安“油页岩地下原位裂解转化先导试验工程”生产出第一桶页岩油。