世界油页岩原位开采技术进展

《世界油页岩原位开采技术进展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《世界油页岩原位开采技术进展（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、世界油页岩原位开采技术1 前言在能源日趋紧张的今天，我国有必要在完善传统的地面干馏工艺的基础上，着力发展原位开采技术，国内外许多大公司及研有壳牌公司的 ICP 技术进行了中等规模的工业性试验，尚未进入大规模商业化生产。我国具有丰富的油页岩资源，尤其是不能通过传统干馏技术开发的 300m 以深的资源占提供理论和技术究机构在这方面做了大量的研究，已初见成效，但大部分工艺仍处于实验室及小型试验阶段。目前只储备。地下干馏指埋藏于地下的油页岩不经开采，直接在地下设法加热干馏，产出的油气被导出到地面上来，冷凝获得页岩油及不凝气。地下干馏也称为原位很大的比例。为未来油页岩资源开发开采。原位开采不但不需要进行

2、采矿和建设大型的尾气处理设施，而且可开发深层、高厚度的油页岩资源，具有产品质量好、采油率高、占地面积少和环保等优点。2 2 原位开采技术原位开采技术地下开采油页岩主要存在三个问题。第一，干酪根必须转化为成不适当的环境或经济的负担。现在油页岩原位开采技术达数十可流动的石油和天然气。需要在相当大的区域内供给足够的热量，以使高温分解在合理的时间内发生，从而完成该转化过程；第二，在包含干酪根、可能具有极低渗透性的油页岩中，必须增加渗透性；第三，干馏后的油页岩必须不会造种，本文只对一些具有代表性的技术进行阐述。原位开采中向地下油页岩引入热量的方式有很多种方法，若按照油页岩层受热方式可分为传导加热、对流加

3、热、辐射加热三类工艺。 2.1 传导加热技术 目前主要利用传导加热方式加热页岩层的技术主要有壳牌的 ICP 技术、美孚的 ElectrofracTM技术和 IEP 公司的 GFC 技术。 2.1.1 壳牌的 ICP 技术 从 1980 年，壳牌石油公司 Houston R&D 研究中心开始研究 ICP 技术，申请了 150 多 项专利，已经在美国马霍干尼进行了地下干馏中试试验。目前壳牌的 ICP 技术是原位开采 中最成熟的技术。2005 年壳牌和吉林光正矿业有限责任公司开始联合开发吉林农安油页岩 资源。图 1 壳牌 ICP 技术ICP 开采的基本原理是通过热源井将热量引入地下的油页岩层，使油页

4、岩中的固态有 机质受热分解形成可在地层孔隙中流动的气、液态有机物，通过生产井将这些流体采集到 地面。 ICP 工艺中主要有五类井：冷冻井、疏干井、监测井、热源井、生产井。 冷冻井：向其中注入冷冻液，建立冷冻墙。 疏干井：用来抽出冷冻墙内部的地下水，防止地下水浸入页岩层，减少地下干馏的能 耗。 监测井：用于监测地层温度和压力、地下水的 pH 值、Eh 值、水中微生物变化、裂缝 尺寸等参数。 热源井：用于给地下页岩提供热量。 生产井：即采油井，将地层孔隙中流动的油气采集并输送到地面。 ICP 工艺主要包括以下部分： （1）建立冷冻墙 为了阻止地下水流入油页岩开采区，该工艺利用了冷冻墙技术，即 先在

5、开采区周边钻一系列井，建立环形封闭管道系统，注入-45的冷流体，使周围的地下 水冷冻，形成外围冷冻墙，保护周围地下水不受污染。建立冷冻墙之后，将开采区的地下 水全部抽走，以减少加热过程中能量的消耗。 （2）加热页岩层 钻加热井，安装加热棒进行传导加热和裂解油页岩，促使其内部的 干酪根转化为高品质的油或气 （3）采出干馏油气 按照常规油气开采的方法，将地下干馏的高品质的油气采集到地 面进行加工，生产石脑油、煤油等成品油 （4）钻探监测井 用来监测水文，地质，温度，压力和水质等参数 该工艺的突出优点是：提高了资源开发利用效率；减少了开采过程中对生态环境的破 坏，即少占地、无尾渣废料、无空气污染、少

6、地下水污染及最大限度地减少有害副产品的 产生。可开发厚度大于 30m，基本不渗透且层内无可流动水，并且平均含油率与厚度乘积 大于 900 的油页岩层。 另外，该工艺也存在一些缺点：（1）电加热工艺复杂，故障多，难排除；（2）加热 元件及功率小，耗电多，波及面积小，成本高；（3）温度场呈球状分布，损失大；（4） 油气迁移动力小，难以采出，导致回收率较低。据说，由于电加热能耗太大，在工业应用 阶段，拟改用气体加热。 2.1.2 美孚的 ElectrofracTM 技术 埃克森美孚自从 1960 年就进行油页岩地下干馏工艺的研究、开发。1990 年通过对 30 多种工艺的调研，开发了 Electro

7、fracTM工艺，进行了实验室和小规模的试验及数值模拟， 试验结果令人满意，目前正在计划进行现场试验，使其商业化生产。 ElectrofracTM工艺先利用平行井对页岩层进行水力压裂，填充导电介质，形成加热单 元。导电介质通过热传导把热量传递给页岩，使页岩内的干酪根热解产生油气。产生的油 气通过采油井采到地面上来。同时，伴生矿-碳酸氢钠也遇热反应生成碳酸钠，用水抽提 出来，作为副产品。图 2 美孚 ElectrofracTM技术该工艺的特点： 1.采用了压裂技术增加了页岩层的渗透性，提高了经济效益； 2.生产副产品碳酸钠，可开采致密性油页岩资源； 3.没有保护地下水，容易造成水污染； 4.采用

8、平面热源的线性导热方式，更有效的对油页岩层进行加热。 2.1.3 IEP 的 GFC 技术 该工艺流程为： 另外，在启动工艺装置预热油页岩时期，需要向燃料电池中通入天然气作为启动燃料。 工艺正常运转后，能量自给自足。图 3 IEP 的 GFC 技术工艺特点： 1.传导加热温度分布均匀 采用固体间热传导传递热量，大大提高了热量分布均匀性 和利用效率。 利用高温燃料电池堆的反应热直接加热油页岩层，使其中的有机质热解产生烃气，然 后导入到采油井，被抽到地面上来。除了部分气体作为燃料被通入燃料电池堆外，其余大 部分烃气经冷凝后获得石油和天然气。2.利用流体制造裂缝 通过增加温度使流体压力达 到 714

9、atm 压裂油页岩，提高了油页岩层孔隙度和渗透率。 3.能量自给自足 该工艺不仅能量自给自足，还可向外部提供电能。每生产一桶油， 发电 174Kwh。 4.操作成本低 操作成本大约为 30 美元/桶。若将副产品电能和天然气计算在内，成本 可降为 14 美元/桶。 5.环保 由于该工艺不是通过燃烧反应来发电，而是通过电反应来发电，几乎不产生 NOx，SO2等有害物质。 2.2 对流加热技术目前主要利用对流加热方式加热页岩层的技术主要有太原理工的对流加热技术、雪弗 龙的 Crush 技术和 EGL 技术等。 2.2.1 太原理工大学的对流加热技术该技术的特点是：1.利用群井压裂制造裂缝采用群井压裂

10、方式，产生巨型的沿矿层占布方向的裂缝，使群井内所有钻井沿油页岩层连通，增加了油页岩层的渗透性，提高了采油效率。2.利用高比热系数流体，提高了加热油页岩矿层的速度 利用热容系数高的烃类气体代替热容系数低的水蒸汽，提高了加热速度，缓解了对水 的需求。利用高温烃类气体对流加热油页岩开采油气技术是太原理工大学发明的一种原位 开采技术。通过在地面布置群井，并采用压裂方式使群井连通，然后间隔轮换注热井与生 产井，将 400700高温烃类气体沿注热井注入油页岩矿层，加热矿层使干酪根热解形成 油气，并经低温气体或水携带沿生产井排到地面，油气水分离后，再进行单独的气体分离 形成油气产品，并将烃类气体通入储罐，经

11、加压和升温到设定压力、温度后注入油页岩矿 层，循环实施油页岩油气的开采。此外，赵阳升等还对油页岩岩石热损伤及导热过程进行 了数值模拟，取得较好的数据结果，但目前还没有工业试验。3.间隔轮换注热井和生产井1.注热井 2.生产井 3.页岩层 4.页岩顶板 5.覆盖层6.固井材料 7.套管 8.花管 9.页岩底板图4 太原理工的对流加热技术采用注热井与生产井间隔轮换的方法，保证了油页岩矿层均匀升温，和油气的均匀开采。2.2.2 雪弗龙 Crush 技术2 竖直井导入，透过一系列水平裂缝加热页岩层。烃气通过传统的竖直井采出。该技术是基于 1950 年代 Sinclair 油气公司利用竖直井间自然和引导

12、裂缝开采干酪根的试验开发的。康菲石油公司和阿克伦大学的研究表明：CO2是一种很好的回收页岩油的载体，并申请了专利。该技术的缺点是需要大量水和进行现场生产对环境破坏较大。006 年，拥有 160英亩的油页岩矿权的雪弗龙公司和 Los Alamos 国家实验室联合开发了 Crush 技术，并将根据设计的含有 25 个四点井网单元的工业试验模型，进行实验室室内实验和小规模的现场试验。目前主要研究利用 CO2注入页岩层加热油页岩的技术。该技术首先对页岩层进行爆破压裂，提高 CO2与干酪根接触的表面积，将 CO2以对流的方式从图 5 雪弗龙 Crush 技术2.2.3 EGL 技术该技术主要利用对流和回

13、流传热原理来加热油页岩层的。该技术主要由两部分组成，加热系统和采油系统。加热系统是一个封闭的环形系统，EGL 公司提出了一种新的原位开采技术，开发了独特的加热回收页岩油技术，并申请了专利。但目前处于小型试验阶段，未进行大规模的商业化开采。主要由几个平行的水平井组成。向环形系统中通入高温天然气或丙烷、干馏气带入热量来加热油页岩层。竖直井主要用于收集热解生成的油气，并输送到地面上来。图 6 EGL 技术该技术的特点为：1.采用了闭路循环。没有向地层注入流体，提高了能量利用率，减少了对环境的影响。2.能量自给自足。除了启动装置时需要天然气等燃料外，一旦该工艺正常运转后就可利用自身产生的干馏气来作为加

14、热井的燃料。3.关于地下水的测试与分析，干馏前和干馏过程中脱水问题尚未研究。2.2.4 Prtroprobe 公司的空气加热技术该工艺流程为先将压缩空气与干馏气通入燃烧器进行燃烧，消耗掉部分氧气，同时也被加热到一定温度，然后通入到油页岩地层中加热油页岩使其中的有机质生成烃气，最后把生成的烃气带到地面上来。采出的烃气冷凝后得到轻质油品。图 7 Prtroprobe 技术工艺特点：工艺流程：先将高温蒸汽注入油页岩地层中，对流加热油页岩，与油页岩换热后，把热解生成的油气载到地面上来，冷凝、回收。1.通入的高温压缩空气在地层中可压裂油页岩，增加油页岩的孔隙度，使生成的烃气很容易地从油页岩地层中导出来。

15、2.该工艺有四种产品：氢气、甲烷、轻油、水。3.能量自给自足。产生的部分轻质烃气通入燃烧器进行燃烧加热即将通入地层的空气。4.污染小，环保。产生的 CO2等气体又被打回油页岩矿层中。5.可开发深层的油页岩矿。开发的深度可达 900m。6.开采后的油页岩仍能保持 94%99%的原始结构完整性。避免了地面塌方。2.2.5 MWE 的 IGE 技术分离后的不凝气又被加热到一定温度后通入到地层与油页岩换热，循环利用。MWE公司称，该工艺中一口井覆盖面积可达 3000m2，产油超过 8100 吨/年。图 8 MWE 的 IGE 技术工艺特点：1.工艺只涉及到气态流动，避免了液态石油的粘滞。2.利用单一垂

16、直中心井，减少了操作成本，提高了经济效益，降低了环境影响。3.高压蒸汽只在油页岩层内循环，减少了向采油区渗透的地下水。4.该工艺还可用作提高石油的采收率。5.该工艺在超过 150m 深和 8m 厚的绿河油页岩地层中开发才具有经济效益。2.3 辐射加热技术目前主要利用辐射加热方式加热页岩层的技术主要有 LLNL 的射频技术等。2.3.1 LLNL 的射频技术LLNL 提出利用无线射频的方式加热页岩，克服了传导加热需要大量的热扩散时间的缺点。具有穿透力强，容易控制等优点。工艺流程：1970 年代后期美国伊利诺理工大学开始提出利用无线电波进行加热油页岩。该技术利用垂直的电极组合缓慢加热深层大规模的页岩层。后来被 Lawrence Livermore 国家实验室进行开发。该技术是将一项利用射频加热和超临界流体做载体的专利转化技术先将射频发射装置置于地下油页岩层中，进行加热，然后把向页岩层中通入超临界CO2把热解生成的烃气载到采油井，被抽到地面上冷凝，回收。冷凝后的 CO2又被打回地层中循环利用。图 9 LLNL 的射频工艺工艺特点：1.采油率高