北京
中低成熟度頁巖油、富油煤等含油有機質資源儲量極為豐富，但由于資源成熟度低、流動性差，傳統工藝難以動用。原位轉化是開發這類資源的重要技術路徑，其核心思路是通過加熱使地下有機質發生原位熱解，從而生成可采出的油氣。然而，該過程需要向地下注入大量熱量，能量消耗極大。在原位轉化過程中，中低成熟度頁巖油通常需要加熱到300-400℃，富油煤甚至到500℃；油氣產出后，儲層中仍會保留大量高溫余熱，這是極具價值的高溫地熱資源。如何在獲得油氣資源的同時，進一步回收利用這部分地下高溫熱能，是提升原位轉化綜合能源利用效率、降低開發成本并推動非常規油氣綠色開發的重要科學問題。
針對這一問題，中國科學院地質與地球物理研究所深層油氣理論與智能勘探開發重點實驗室的李守定、張召彬團隊，提出了將閉式取熱系統與頁巖油原位轉化過程相結合的新型開發策略，從而實現了油氣資源開采與地熱能的協同回收利用，并基于自研的多場耦合模擬器（IGG-Hydrate:https://gitee.com/geomech/hydrate），構建了頁巖油原位轉化與地熱能回收的全過程數值模型，實現了對油氣生成、流體運移和地熱能回收行為的定量分析（圖1）。
圖1 （a）注熱使頁巖油儲層有機質原位熱解；（b）開采熱解生成的油氣；（c）閉式取熱系統回收儲層余熱
模擬結果顯示，原位轉化后的儲層余熱具有顯著回收價值。在頁巖油原位轉化過程中，注入地下的熱量并不會全部直接用于有機質熱解。其中相當一部分熱量會被儲層巖石吸收，用于提高儲層溫度，并使其長期維持在適合有機質熱解的有效溫度范圍內。因此，在原位轉化結束后，儲層仍具有較高的殘余熱利用潛力（圖2）。在該研究設定的條件下，殘余儲層熱量的可回收比例最高可達57.80%。
圖2 （a）儲層中溫度場隨時間的演化特征；（b）儲層內部平均溫度的長期演化特征
由于閉式地熱取熱系統在取熱過程中不采出地層流體，對儲層擾動較小，因此較適合用于回收頁巖油原位轉化后高溫儲層中的殘余熱量。研究結果顯示，取熱過程對油氣產量的影響總體較小，通常不超過總產量的10%。通過合理優化油氣生產和余熱回收的啟動時間，可以在維持油氣產出的基礎上進一步提高余熱回收效果（圖3）。
圖3 儲層中干酪根、重油、輕油等組分質量密度空間分布隨時間的演化特征
頁巖油原位轉化與殘余熱回收之間存在一定競爭關系。若過早啟動取熱，殘余熱會被提前帶走，從而削弱其對后續有機質熱解的促進作用；若取熱啟動過晚，儲層高溫區會逐漸冷卻，熱量進一步向周圍地層擴散，導致可利用溫差降低，取熱效率下降。敏感性分析顯示，在合理時間窗口內優化生產啟動時間和熱提取啟動時間，可以在維持油氣產出的同時提高殘余熱利用效率（圖4）。
圖4 生產與取熱開始時間對累計采熱量和干酪根熱解量的影響
該研究將開發后儲層殘余熱納入全生命周期能源利用體系，提出了“油氣生產-殘余熱回收”協同開發的新模式。研究結果為提高原位轉化能源利用效率、延長高溫儲層開發價值、推動頁巖油開發與地熱利用融合提供了理論依據，也為未來低碳化、綜合化能源開發模式設計提供了新思路。
研究成果發表于國際學術期刊Fuel（Xie Z R, Zhang Z B*, Xu T, et al. Residual Heat Recovery by Coupling In-Situ Shale Oil Conversion with a Closed-Loop Geothermal System: Insights from THC Coupled Simulation[J].Fuel, 2027. DOI: 10.1016/j.fuel.2026.139803.）。
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