摘要：油頁巖原位開采技術不需要進行采礦和建設大型的尾氣處理設施，可開發(fā)深層、高厚度的油頁巖資源，具有產品質量好、采油率高、占地面積少和環(huán)保等優(yōu)點，目前尚處于工業(yè)試驗階段。按照油頁巖層受熱方式的不同，可將油頁巖原位開采技術分為傳導加熱、對流加熱、輻射加熱3類技術。在此，詳細介紹了殼牌石油公司地下轉化工藝技術、埃克森美孚公司ElectrofracTM技術、IEP公司GFC技術等3種傳導加熱技術，還介紹了太原理工大學的對流加熱技術、雪弗龍CRUSH技術等5種對流加熱技術，以及2種輻射加熱技術，并分析了各類工藝的優(yōu)缺點。根據(jù)我國油頁巖資源埋藏深、品位低的特點，應大力開展原位開采技術方面的研究工作，為將來大規(guī)模開發(fā)油頁巖資源提供技術儲備。
關鍵詞：原位開采；蒸汽加熱；電加熱；輻射加熱
0 前言
油頁巖干餾分為地上干餾和地下干餾兩種。雖然地上干餾技術成熟，但是由于工藝本身缺陷的問題，具有很多難以避免的缺點，例如：利用率低、高污染、規(guī)模小、成本高、干餾爐產生的廢渣數(shù)量極大，占用大量土地面積，不易回收利用等[1～2]。
地下干餾指埋藏于地下的油頁巖不經(jīng)開采，直接在地下設法加熱干餾，產出的油氣被導出到地面上來，冷凝獲得頁巖油及不凝氣。地下干餾也稱為原位開采。原位開采不但不需要進行采礦和建設大型的尾氣處理設施，而且可開發(fā)深層、高厚度的油頁巖資源，具有產品質量好、采油率高、占地面積少和環(huán)保等優(yōu)點。國內外許多大公司及研究機構在這方面做了大量的研究，已初見成效。我國300m以深的油頁巖資源占有相當大的比例，根據(jù)傳統(tǒng)油頁巖干餾技術，尚不能進行開發(fā)[3]。在能源日趨緊張的今天，我國有必要在完善傳統(tǒng)的地面干餾工藝的基礎上，著力發(fā)展原位開采技術，為未來油頁巖資源開發(fā)提供理論和技術儲備[4～5]。
1 原位開采技術種類及各自優(yōu)缺點
地下開采油頁巖主要存在3個問題：①干酪根必須轉化為可流動的石油和天然氣。需要在相當大的區(qū)域內供給足夠的熱量，以使高溫分解在合理的時間內發(fā)生，從而完成該轉化過程；②在包含干酪根、可能具有極低滲透性的油頁巖中，必須增加滲透性；③干餾后的油頁巖必須不會造成不適當?shù)沫h(huán)境或經(jīng)濟的負擔。由于向地層引入熱量的方式有很多種，原位開采技術達數(shù)十種，筆者只對一些具有代表性的技術進行闡述。原位開采技術按照油頁巖層受熱方式的不同，可分為傳導加熱、對流加熱、輻射加熱3類技術。
1.1 傳導加熱技術
目前主要利用傳導加熱方式加熱頁巖層的技術主要有殼牌石油公司的地下轉化工藝技術(ICP)、美孚石油公司的ElectrofracTM技術和IEP公司的GFC技術。
1.1.1 殼牌公司的地下轉化工藝技術(ICP)
從1980年，殼牌石油公司Houston R&D研究中心開始研究ICP技術，截至2007年，共申請了150多項專利，并且進行了中試試驗(圖1)。
ICP技術開采的基本原理是通過電加熱器將熱量傳遞給地下油頁巖礦層進行加熱和裂解，促使油頁巖中的干酪根轉化為高品質的油氣，再通過生產井將油、氣采出到地面。
ICP技術中主要有5類井：冷凍井、疏干井、監(jiān)測井、熱源井、生產井[3、6]。
冷凍井：向其中注入冷凍液，建立冷凍墻。
疏干井：用來抽出冷凍墻內部的地下水，防止地下水浸入頁巖層，減少干餾過程中的能量能耗。
監(jiān)測井：用于監(jiān)測地層溫度和壓力、地下水的pH值、Eh值、微生物的變化、裂縫尺寸等參數(shù)。
熱源井：用于給地下的油頁巖提供連續(xù)熱量。
生產井：即采油井，將地層孔隙中流動的油氣采集并輸送到地面。
ICP工藝主要包括以下部分：
1) 建立冷凍墻。為了阻止地下水流入油頁巖開采區(qū)，該工藝利用了冷凍墻技術，即先在開采區(qū)周邊鉆一系列井，建立環(huán)形封閉管道系統(tǒng)，注入-45℃的冷凍液，使周圍的地下水冷凍，形成外圍冷凍墻，保護周圍地下水不受污染。建立冷凍墻之后，將開采區(qū)的地下水全部抽走，以減少加熱過程中能量的消耗。
2) 加熱頁巖層。鉆加熱井，安裝加熱棒進行傳導加熱和裂解油頁巖，促使其內部的干酪根轉化為高品質的油或氣。
3) 采出干餾油氣。按照常規(guī)油氣開采的方法，將地下干餾的高品質的油氣采集到地面進行加工，生產石腦油、煤油等成品油。
4) 鉆探監(jiān)測井。用來監(jiān)測水文、地質、溫度、壓力和水質等參數(shù)[7～8]。
該工藝的突出優(yōu)點是：提高了資源開發(fā)利用效率；減少了開采過程中對生態(tài)環(huán)境的破壞，即少占地、無尾渣廢料、無空氣污染、少地下水污染及最大限度地減少有害副產品的產生。盡管該項技術還沒有商業(yè)化推廣，但關鍵的工藝、設備等技術問題已經(jīng)解決，并在美國科羅拉多州進行了中試試驗。
但該工藝也存在一些缺點：①電加熱工藝復雜，故障多，難排除；②加熱元件及功率小，耗電多，波及面積小，成本高；③溫度場呈球狀分布，損失大；④油氣遷移動力小，難以采出，導致回收率較低。據(jù)有關專家稱，由于電加熱能耗太大，在工業(yè)應用階段，擬改用氣體加熱[1]。
1.1.2 ?？松梨诠镜腅lectrofracTM技術
?？松梨诠咀詮?960年就參與油頁巖開發(fā)，現(xiàn)在集中精力主要研究原位開采技術。1990年?？松梨诠就ㄟ^對30多種工藝的調研，提出了ElectrofracTM工藝，并進行了實驗室和小規(guī)模的試驗及數(shù)值模擬，試驗結果令人滿意。目前正在計劃進行現(xiàn)場試驗，準備進行商業(yè)化應用。
如圖2所示，ElectrofracTM工藝先利用平行水平井對頁巖層進行水力壓裂，向油頁巖礦層的裂縫中填充導電介質，形成加熱單元。導電介質通過傳導把熱量傳遞給頁巖層，使頁巖層內的干酪根熱解，產生的油氣通過采油井采到地面上來。同時，伴生礦——碳酸氫鈉也遇熱發(fā)生反應生成碳酸鈉，用水抽提出來，作為副產品[9]。
該工藝的特點：①采用了壓裂技術增加了頁巖層的滲透性，可開采致密性油頁巖資源；②生產副產品碳酸鈉，提高了經(jīng)濟效益；③沒有保護地下水，容易造成水污染；④采用平面熱源的線性導熱方式，有效地提高了熱效率。
1.1.3 IEP的GFC技術
該工藝流程(圖3)為：利用高溫燃料電池堆的反應熱直接加熱油頁巖層，使其中的有機質熱解產生烴氣，然后導入到采油井，被抽到地面上來。除了部分氣體作為燃料被通入燃料電池堆外，其余大部分烴氣經(jīng)冷凝后獲得石油和天然氣。另外，在啟動工藝裝置預熱油頁巖時期，需要向燃料電池中通入天然氣作為啟動燃料。工藝正常運轉后，能量自給自足[9]。
工藝特點：①傳導加熱溫度分布均勻。采用固體間熱傳導傳遞熱量，大大提高了熱量分布均勻性和利用效率。②利用流體壓裂制造裂縫。通過增加溫度使流體壓力達到710～1420kPa來壓裂油頁巖，提高油頁巖層孔隙度和滲透率。③能量自給自足。該工藝不僅能量自給自足，還可向外部提供電能。每生產1桶油，發(fā)電174Kw·h。④操作成本低。操作成本大約為30美元/桶。若將副產品電能和天然氣計算在內，成本可降為14美元/桶。⑤環(huán)保。由于該工藝不是通過燃燒反應來發(fā)電，而是通過電反應來發(fā)電，幾乎不產生N0x、S02等有害物質。
1.2 對流加熱技術
目前主要利用對流加熱方式加熱頁巖層的技術主要有太原理工大學的對流加熱技術、雪弗龍的Crush技術和EGL技術等。
1.2.1 太原理工大學的對流加熱技術
利用高溫烴類氣體對流加熱油頁巖開采油氣技術是太原理工大學發(fā)明的一種原位開采技術(圖4)。
通過在地面布置群井，采用壓裂方式使群井連通，然后間隔輪換注熱井與生產井，將400～700℃高溫烴類氣體沿注熱井注入油頁巖礦層，加熱礦層使干酪根熱解形成油氣，并經(jīng)低溫氣體或水攜帶沿生產井排到地面，油氣水分離后，再進行單獨的氣體分離形成油氣產品，并將烴類氣體通入儲罐，經(jīng)加壓和升溫到設定壓力、溫度后注入油頁巖礦層，循環(huán)實施油頁巖油氣的開采[10]。此外，趙陽升等[11]還對油頁巖巖石熱損傷及導熱過程進行了數(shù)值模擬，取得較好的數(shù)據(jù)結果，但目前還沒有工業(yè)試驗。
該技術的特點是：①利用群井壓裂制造裂縫采用群井壓裂方式，產生巨型的沿礦層方向的裂縫，使群井內所有鉆井沿油頁巖層連通，增加了油頁巖層的滲透性，提高了采油效率；②利用高比熱系數(shù)流體，提高了加熱油頁巖礦層的速度，利用熱容系數(shù)高的烴類氣體代替熱容系數(shù)低的水蒸氣，提高了加熱速度，緩解了對水的需求；③間隔輪換注熱井和生產井采用注熱井與生產井間隔輪換的方法，保證了油頁巖礦層均勻升溫和油氣的均勻開采。
1.2.2 雪弗龍CRUSH技術
2006年，雪弗龍公司和Los Alamos國家實驗室聯(lián)合開發(fā)了CRUSH技術，并將根據(jù)設計的含有2～5個四點井網(wǎng)單元的工業(yè)試驗模型，進行實驗室室內實驗和小規(guī)模的現(xiàn)場試驗。目前主要研究注入高溫CO2加熱油頁巖層技術(圖5)。該技術首先對頁巖層進行爆破壓裂，提高CO2與干酪根接觸的表面積，將CO2以對流的方式從豎直井導入，通過一系列水平裂縫加熱頁巖層。生成的烴氣經(jīng)垂直井采出。該技術是基于1950年代Sinclair油氣公司利用垂直井間自然和引導的裂縫開采地下干酪根的試驗開發(fā)的[12]?？捣剖凸竞桶⒖藗惔髮W的研究表明：CO2是一種能使頁巖油很好回收的載體，并申請了專利[12]。該技術需要大量水，并進行現(xiàn)場生產，對環(huán)境破壞較大[13]。
1.2.3 EGL技術
EGL技術由EGL公司提出開發(fā)并申請了專利，目前處于小型試驗階段，未進行大規(guī)模的商業(yè)化開采。該技術主要利用對流和回流傳熱原理來加熱油頁巖層，主要由加熱系統(tǒng)和采油系統(tǒng)兩部分組成。加熱系統(tǒng)是一個封閉的環(huán)形系統(tǒng)，主要由幾個平行的水平井組成。向環(huán)形系統(tǒng)中通入高溫天然氣或丙烷、干餾氣帶入熱量來加熱油頁巖層[12]。豎直井主要用于收集熱解生成的油氣，并輸送到地面上來。
該技術的特點為：①采用了閉路循環(huán)。未向地層注入流體，提高了能量利用率，減少了對環(huán)境的影響。②能量自給自足。除了啟動裝置時需要天然氣等燃料外，一旦該工藝正常運轉后就可利用自身產生的干餾氣來作為加熱井的燃料。但關于地下水的測試與分析，干餾前和干餾過程中脫水的問題尚未研究。
1.2.4 Prtroprobe公司的空氣加熱技術
該工藝流程先將壓縮空氣與干餾氣通入燃燒器進行燃燒，加熱到一定溫度，消耗掉部分氧氣，然后通入到油頁巖地層中加熱油頁巖使其中的有機質生成烴氣，最后把生成的烴氣帶到地面上來。采出的烴氣冷凝后得到輕質油品[12]。
工藝特點：①通入的高溫壓縮空氣在地層中可壓裂油頁巖，增加油頁巖的孔隙度，使生成的烴氣很容易地從油頁巖地層中導出來；②該工藝有4種產品：氫氣、甲烷、輕油、水；③產生的部分輕質烴氣通入燃燒器進行燃燒，加熱即將通入地層的空氣，能量自給自足；④產生的CO2等氣體又被打回油頁巖礦層中，污染小，環(huán)保；⑤可開發(fā)深層(深可達900m)的油頁巖礦；⑥開采后的油頁巖仍能保持94%～99%的原始結構完整性，避免了地面塌方。
1.2.5 MWE的IGE技術
工藝流程：先將高溫蒸汽注入油頁巖地層中，對流加熱油頁巖，與油頁巖換熱后，把熱解生成的油氣載到地面上來，冷凝、回收。分離后的不凝氣被加熱到一定溫度后通入到地層與油頁巖換熱，循環(huán)利用(圖6)。MWE公司稱，該工藝中1口井的覆蓋面積可達3000m2，產油超過8100t/a[12]。
工藝特點：①工藝只涉及氣態(tài)流動，避免了液態(tài)石油的黏滯；②利用單一垂直中心井，減少了操作成本，提高了經(jīng)濟效益，降低了環(huán)境影響；③高壓蒸汽只在油頁巖層內循環(huán)，減少了向采油區(qū)滲透的地下水；④該工藝還可用作提高石油的采收率；⑤該工藝在超過150m深和8m厚的綠河油頁巖地層中開發(fā)才具有經(jīng)濟效益。
1.3 輻射加熱技術
目前主要利用輻射加熱方式加熱頁巖層的技術主要有LLNL的射頻技術和Raytheon公司的RF/CF技術等。
1970年代后期美國伊利諾理工大學提出利用射頻加熱油頁巖。該技術利用垂直組合電極緩慢加熱大規(guī)模深層的頁巖層。后來由Lawrence Livermore國家實驗室(LLNL)進行開發(fā)。LLNL提出利用無線射頻的方式加熱頁巖，克服了傳導加熱需要大量的熱擴散時間的缺點。具有穿透力強，容易控制等優(yōu)點(圖7)[12～14]。
Raytheon公司的RF/CF技術是將一項利用射頻加熱和超臨界流體做載體的專利轉化技術。其工藝流程為：先將射頻發(fā)射裝置置于地下油頁巖層中，進行加熱，然后把向頁巖層中通入超臨界CO2把熱解生成的烴氣載到采油井，被抽到地面上冷凝，回收。冷凝后的CO2又打回地層中循環(huán)利用。
由于輻射加熱具有傳熱快、體積加熱、選擇性加熱、無環(huán)境污染和容易自動控制等優(yōu)點，使得輻射加熱油頁巖具有較大得發(fā)展空間，主要具有以下特點：①采油率高。每消耗一個單位的能量有4～5個單位的能量被生產出來，相對于ICP技術的3.5個單位，更具有經(jīng)濟效益；②傳熱快，加熱周期短，只有幾個月；③用于油頁巖開采時，生產的石油含硫低，還可通過調節(jié)裝置來生產不同的產品；④可用于開采油頁巖、油砂、重油等資源，環(huán)保，無殘留物質滲透地下水層；⑥選擇性加熱，可使指定加熱目標區(qū)域快速達到目標溫度。
總之，將熱量傳遞油頁巖的方式有3種：傳導、對流和輻射。傳導加熱速度較慢。容易造成大量熱量損失，成本較高，且由于油頁巖的熱膨脹，致使部分裂縫閉合，降低了油頁巖的滲透性，而產生的油氣壓力較低，導致油氣回收率較低。相比之下，對流加熱油頁巖速度較快，但不容易控制，由于流體壓力的作用，裂縫一般不會閉合，油氣的導出速度較快，但容易形成流體的短路即流體流速過快，不與油頁巖換熱就流出地層。射頻加熱穿透力強，加熱速度較快，但成本較高，技術難度較大。由于油頁巖地層的低滲透，為了干餾氣體順利導出，應對油頁巖地層進行壓裂，增加其孔隙度和滲透率。
2 結束語
未來原位開采技術的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1) 工藝簡單、有效，適應性強，將是今后技術發(fā)展的主要方向。
2) 大規(guī)模、低成本、高效益為原位開采技術的重要發(fā)展方向。
3) 研發(fā)有利于環(huán)保的技術方法和控制手段，避免或減輕對環(huán)境的影響，重視監(jiān)測空氣、地下水、土壤及生物質量等方面工作。
4) 各種技術相互滲透、綜合、集成和應用是當今原位開采技術發(fā)展的主要方向之一，如信息技術大量應用在工藝監(jiān)測和控制、工藝過程建模和模擬研究上，這些經(jīng)驗技術大大加快了原位開采技術的開發(fā)與應用。
多年來的理論、技術的研究推動了原位開采技術的不斷發(fā)展。隨著技術逐步的成熟，油頁巖的地下干餾，必將進行大規(guī)模商業(yè)化生產，但是我國在這方面的研究還處于空白狀態(tài)。根據(jù)我國油頁巖資源埋藏深、品位低的特點，我國應該開展原位開采技術方面的研究工作，為將來全國大規(guī)模開發(fā)油頁巖資源提供技術儲備。
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(本文作者：劉德勛1，2 王紅巖2 鄭德溫2 方朝合2 葛稚新2 1.中國石油大學化工學院 2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院)
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