世界油頁巖原位開采技術(shù)進(jìn)展

摘 要

摘要：油頁巖原位開采技術(shù)不需要進(jìn)行采礦和建設(shè)大型的尾氣處理設(shè)施，可開發(fā)深層、高厚度的油頁巖資源，具有產(chǎn)品質(zhì)量好、采油率高、占地面積少和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，目前尚處于工業(yè)試驗(yàn)階段
摘要：油頁巖原位開采技術(shù)不需要進(jìn)行采礦和建設(shè)大型的尾氣處理設(shè)施，可開發(fā)深層、高厚度的油頁巖資源，具有產(chǎn)品質(zhì)量好、采油率高、占地面積少和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，目前尚處于工業(yè)試驗(yàn)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(shù)分為傳導(dǎo)加熱、對流加熱、輻射加熱3類技術(shù)。在此，詳細(xì)介紹了殼牌石油公司地下轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)、?？松梨诠綞lectrofracTM技術(shù)、IEP公司GFC技術(shù)等3種傳導(dǎo)加熱技術(shù)，還介紹了太原理工大學(xué)的對流加熱技術(shù)、雪弗龍CRUSH技術(shù)等5種對流加熱技術(shù)，以及2種輻射加熱技術(shù)，并分析了各類工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)我國油頁巖資源埋藏深、品位低的特點(diǎn)，應(yīng)大力開展原位開采技術(shù)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(shù)儲備。
關(guān)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(shù)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(diǎn)，例如：利用率低、高污染、規(guī)模小、成本高、干餾爐產(chǎn)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(shè)法加熱干餾，產(chǎn)出的油氣被導(dǎo)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(jìn)行采礦和建設(shè)大型的尾氣處理設(shè)施，而且可開發(fā)深層、高厚度的油頁巖資源，具有產(chǎn)品質(zhì)量好、采油率高、占地面積少和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外許多大公司及研究機(jī)構(gòu)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(dāng)大的比例，根據(jù)傳統(tǒng)油頁巖干餾技術(shù)，尚不能進(jìn)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(chǔ)上，著力發(fā)展原位開采技術(shù)，為未來油頁巖資源開發(fā)提供理論和技術(shù)儲備[4～5]。
1 原位開采技術(shù)種類及各自優(yōu)缺點(diǎn)
地下開采油頁巖主要存在3個問題：①干酪根必須轉(zhuǎn)化為可流動的石油和天然氣。需要在相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)供給足夠的熱量，以使高溫分解在合理的時間內(nèi)發(fā)生，從而完成該轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)沫h(huán)境或經(jīng)濟(jì)的負(fù)擔(dān)。由于向地層引入熱量的方式有很多種，原位開采技術(shù)達(dá)數(shù)十種，筆者只對一些具有代表性的技術(shù)進(jìn)行闡述。原位開采技術(shù)按照油頁巖層受熱方式的不同，可分為傳導(dǎo)加熱、對流加熱、輻射加熱3類技術(shù)。
1.1 傳導(dǎo)加熱技術(shù)
目前主要利用傳導(dǎo)加熱方式加熱頁巖層的技術(shù)主要有殼牌石油公司的地下轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)(ICP)、美孚石油公司的ElectrofracTM技術(shù)和IEP公司的GFC技術(shù)。
1.1.1 殼牌公司的地下轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)(ICP)
從1980年，殼牌石油公司Houston R&D研究中心開始研究ICP技術(shù)，截至2007年，共申請了150多項(xiàng)專利，并且進(jìn)行了中試試驗(yàn)(圖1)。
 

ICP技術(shù)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(jìn)行加熱和裂解，促使油頁巖中的干酪根轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的油氣，再通過生產(chǎn)井將油、氣采出到地面。
ICP技術(shù)中主要有5類井：冷凍井、疏干井、監(jiān)測井、熱源井、生產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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?yán)昧死鋬鰤夹g(shù)，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(hù)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(jìn)行傳導(dǎo)加熱和裂解油頁巖，促使其內(nèi)部的干酪根轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)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(zhì)的油氣采集到地面進(jìn)行加工，生產(chǎn)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(zhì)、溫度、壓力和水質(zhì)等參數(shù)[7～8]。
該工藝的突出優(yōu)點(diǎn)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(chǎn)品的產(chǎn)生。盡管該項(xiàng)技術(shù)還沒有商業(yè)化推廣，但關(guān)鍵的工藝、設(shè)備等技術(shù)問題已經(jīng)解決，并在美國科羅拉多州進(jìn)行了中試試驗(yàn)。
但該工藝也存在一些缺點(diǎn)：①電加熱工藝復(fù)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(dǎo)致回收率較低。據(jù)有關(guān)專家稱，由于電加熱能耗太大，在工業(yè)應(yīng)用階段，擬改用氣體加熱[1]。
1.1.2 埃克森美孚公司的ElectrofracTM技術(shù)
?？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(shù)。1990年埃克森美孚公司通過對30多種工藝的調(diào)研，提出了ElectrofracTM工藝，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)模的試驗(yàn)及數(shù)值模擬，試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。目前正在計劃進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，準(zhǔn)備進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。
如圖2所示，ElectrofracTM工藝先利用平行水平井對頁巖層進(jìn)行水力壓裂，向油頁巖礦層的裂縫中填充導(dǎo)電介質(zhì)，形成加熱單元。導(dǎo)電介質(zhì)通過傳導(dǎo)把熱量傳遞給頁巖層，使頁巖層內(nèi)的干酪根熱解，產(chǎn)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(yīng)生成碳酸鈉，用水抽提出來，作為副產(chǎn)品[9]。
 

該工藝的特點(diǎn)：①采用了壓裂技術(shù)增加了頁巖層的滲透性，可開采致密性油頁巖資源；②生產(chǎn)副產(chǎn)品碳酸鈉，提高了經(jīng)濟(jì)效益；③沒有保護(hù)地下水，容易造成水污染；④采用平面熱源的線性導(dǎo)熱方式，有效地提高了熱效率。
1.1.3 IEP的GFC技術(shù)
該工藝流程(圖3)為：利用高溫燃料電池堆的反應(yīng)熱直接加熱油頁巖層，使其中的有機(jī)質(zhì)熱解產(chǎn)生烴氣，然后導(dǎo)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(yù)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(yùn)轉(zhuǎn)后，能量自給自足[9]。
 

工藝特點(diǎn)：①傳導(dǎo)加熱溫度分布均勻。采用固體間熱傳導(dǎo)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(dá)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(chǎn)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(chǎn)品電能和天然氣計算在內(nèi)，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(yīng)來發(fā)電，而是通過電反應(yīng)來發(fā)電，幾乎不產(chǎn)生N0x、S02等有害物質(zhì)。
1.2 對流加熱技術(shù)
目前主要利用對流加熱方式加熱頁巖層的技術(shù)主要有太原理工大學(xué)的對流加熱技術(shù)、雪弗龍的Crush技術(shù)和EGL技術(shù)等。
1.2.1 太原理工大學(xué)的對流加熱技術(shù)
利用高溫?zé)N類氣體對流加熱油頁巖開采油氣技術(shù)是太原理工大學(xué)發(fā)明的一種原位開采技術(shù)(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(chǎn)井，將400～700℃高溫?zé)N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?dāng)y帶沿生產(chǎn)井排到地面，油氣水分離后，再進(jìn)行單獨(dú)的氣體分離形成油氣產(chǎn)品，并將烴類氣體通入儲罐，經(jīng)加壓和升溫到設(shè)定壓力、溫度后注入油頁巖礦層，循環(huán)實(shí)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(dǎo)熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，取得較好的數(shù)據(jù)結(jié)果，但目前還沒有工業(yè)試驗(yàn)。
該技術(shù)的特點(diǎn)是：①利用群井壓裂制造裂縫采用群井壓裂方式，產(chǎn)生巨型的沿礦層方向的裂縫，使群井內(nèi)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(chǎn)井采用注熱井與生產(chǎn)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(shù)
2006年，雪弗龍公司和Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)了CRUSH技術(shù)，并將根據(jù)設(shè)計的含有2～5個四點(diǎn)井網(wǎng)單元的工業(yè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和小規(guī)模的現(xiàn)場試驗(yàn)。目前主要研究注入高溫CO2加熱油頁巖層技術(shù)(圖5)。該技術(shù)首先對頁巖層進(jìn)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(dǎo)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(shù)是基于1950年代Sinclair油氣公司利用垂直井間自然和引導(dǎo)的裂縫開采地下干酪根的試驗(yàn)開發(fā)的[12]。康菲石油公司和阿克倫大學(xué)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(shù)需要大量水，并進(jìn)行現(xiàn)場生產(chǎn)，對環(huán)境破壞較大[13]。
 

1.2.3 EGL技術(shù)
EGL技術(shù)由EGL公司提出開發(fā)并申請了專利，目前處于小型試驗(yàn)階段，未進(jìn)行大規(guī)模的商業(yè)化開采。該技術(shù)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(shù)的特點(diǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)后就可利用自身產(chǎn)生的干餾氣來作為加熱井的燃料。但關(guān)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(shù)
該工藝流程先將壓縮空氣與干餾氣通入燃燒器進(jìn)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(jī)質(zhì)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(zhì)油品[12]。
工藝特點(diǎn)：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(dǎo)出來；②該工藝有4種產(chǎn)品：氫氣、甲烷、輕油、水；③產(chǎn)生的部分輕質(zhì)烴氣通入燃燒器進(jìn)行燃燒，加熱即將通入地層的空氣，能量自給自足；④產(chǎn)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(dá)900m)的油頁巖礦；⑥開采后的油頁巖仍能保持94%～99%的原始結(jié)構(gòu)完整性，避免了地面塌方。
1.2.5 MWE的IGE技術(shù)
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(dá)3000m2，產(chǎn)油超過8100t/a[12]。
工藝特點(diǎn)：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(jì)效益，降低了環(huán)境影響；③高壓蒸汽只在油頁巖層內(nèi)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(jì)效益。

1.3 輻射加熱技術(shù)
目前主要利用輻射加熱方式加熱頁巖層的技術(shù)主要有LLNL的射頻技術(shù)和Raytheon公司的RF/CF技術(shù)等。
1970年代后期美國伊利諾理工大學(xué)提出利用射頻加熱油頁巖。該技術(shù)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(shí)驗(yàn)室(LLNL)進(jìn)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(dǎo)加熱需要大量的熱擴(kuò)散時間的缺點(diǎn)。具有穿透力強(qiáng)，容易控制等優(yōu)點(diǎn)(圖7)[12～14]。
 

Raytheon公司的RF/CF技術(shù)是將一項(xiàng)利用射頻加熱和超臨界流體做載體的專利轉(zhuǎn)化技術(shù)。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(jìn)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(diǎn)，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(diǎn)：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(chǎn)出來，相對于ICP技術(shù)的3.5個單位，更具有經(jīng)濟(jì)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(chǎn)的石油含硫低，還可通過調(diào)節(jié)裝置來生產(chǎn)不同的產(chǎn)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(zhì)滲透地下水層；⑥選擇性加熱，可使指定加熱目標(biāo)區(qū)域快速達(dá)到目標(biāo)溫度。
總之，將熱量傳遞油頁巖的方式有3種：傳導(dǎo)、對流和輻射。傳導(dǎo)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(chǎn)生的油氣壓力較低，導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)，加熱速度較快，但成本較高，技術(shù)難度較大。由于油頁巖地層的低滲透，為了干餾氣體順利導(dǎo)出，應(yīng)對油頁巖地層進(jìn)行壓裂，增加其孔隙度和滲透率。
2 結(jié)束語
未來原位開采技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1) 工藝簡單、有效，適應(yīng)性強(qiáng)，將是今后技術(shù)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(shù)的重要發(fā)展方向。
3) 研發(fā)有利于環(huán)保的技術(shù)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(zhì)量等方面工作。
4) 各種技術(shù)相互滲透、綜合、集成和應(yīng)用是當(dāng)今原位開采技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，如信息技術(shù)大量應(yīng)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(yàn)技術(shù)大大加快了原位開采技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。
多年來的理論、技術(shù)的研究推動了原位開采技術(shù)的不斷發(fā)展。隨著技術(shù)逐步的成熟，油頁巖的地下干餾，必將進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，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(diǎn)，我國應(yīng)該開展原位開采技術(shù)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(shù)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(xué)化工學(xué)院  2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院)