油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)研究新進(jìn)展

馮雪威,陳 晨,陳大勇

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院/超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)土資源部復(fù)雜條件鉆進(jìn)技術(shù)開(kāi)放研究實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春130026)

世界油頁(yè)巖資源極其豐富,其儲(chǔ)量折算成頁(yè)巖油高達(dá)4000多億t[1],遠(yuǎn)較世界探明原油儲(chǔ)量2億t大。于2010年10月在科羅拉多召開(kāi)的美國(guó)第30屆油頁(yè)巖大會(huì),公布了世界油頁(yè)巖儲(chǔ)量新一輪評(píng)估數(shù)據(jù)[2](見(jiàn)表1),重點(diǎn)介紹了具有較大油頁(yè)巖資源儲(chǔ)量的國(guó)家。油頁(yè)巖的開(kāi)采及干餾成本較高,但在當(dāng)前高油價(jià)時(shí)代背景下,不少?lài)?guó)家油頁(yè)巖礦藏的開(kāi)發(fā)和干餾制取油頁(yè)巖已經(jīng)變成有利。我國(guó)油頁(yè)巖資源儲(chǔ)量十分豐富,居世界第二位,且儲(chǔ)量分布集中,具有作為石油補(bǔ)充能源的巨大潛力和有利條件。目前,油頁(yè)巖的開(kāi)采方法有露天開(kāi)采和地下開(kāi)采 (壁式開(kāi)采法、房柱式開(kāi)采法[3]和鉆孔水力開(kāi)采法[4]),干餾方法分為地上干餾和地下干餾 (即原位開(kāi)采技術(shù),試驗(yàn)階段)。地下干餾與地上干餾相比,具有不需要進(jìn)行采礦和建設(shè)大型的尾氣處理設(shè)施,而且可開(kāi)發(fā)深層、高厚度的油頁(yè)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)。但原位開(kāi)采技術(shù)也存在一些亟待解決的問(wèn)題,除了要克服開(kāi)采技術(shù)上出現(xiàn)的難題,更要應(yīng)對(duì)21世紀(jì)環(huán)境保護(hù)的新挑戰(zhàn)。

21世紀(jì)的中國(guó)更注重可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和資源合理開(kāi)發(fā)利用。新技術(shù)必然要面臨新的挑戰(zhàn),油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,也會(huì)遇到一系列難題,從而影響到該技術(shù)進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)開(kāi)采階段 (圖1)。

表1 具有較大油頁(yè)巖資源儲(chǔ)量的國(guó)家

圖1 油頁(yè)巖開(kāi)采的影響因素

1 開(kāi)采所需能源問(wèn)題

油頁(yè)巖的開(kāi)采需要巨大的能源消耗,全國(guó)(美國(guó))油頁(yè)巖協(xié)會(huì) (NOSA)在美國(guó)第30屆油頁(yè)巖大會(huì)中發(fā)行的《Oil Shale》中提到一種說(shuō)法:用于油頁(yè)巖開(kāi)采消耗的能源要大于所產(chǎn)出的能源,利用土豆產(chǎn)油也要比開(kāi)采油頁(yè)巖經(jīng)濟(jì)的多[2]。油頁(yè)巖開(kāi)采獲得的凈能源量,取決于開(kāi)采技術(shù)以及油頁(yè)巖層厚及含油率,據(jù)評(píng)估,產(chǎn)油量與消耗能源量比例一般在3∶1～6∶1。該刊物提供了使用地下開(kāi)采/地表干餾方法的數(shù)據(jù),比例為4.3∶1,每噸油頁(yè)巖產(chǎn)油25加侖。而據(jù)分析每噸土豆的產(chǎn)油量?jī)H為3.5加侖。由此可見(jiàn),典型的油頁(yè)巖礦藏的產(chǎn)油量約為土豆的7倍。此外,每噸土豆大約含200加侖水。油頁(yè)巖的物理性質(zhì),即氫的含量,使其成為生產(chǎn)運(yùn)輸燃料的理想資源。但開(kāi)采所需能源的消耗,仍是制約油頁(yè)巖開(kāi)采經(jīng)濟(jì)性的重要因素。目前,一些科研單位及公司已經(jīng)開(kāi)始研究使用風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能等新能源用于開(kāi)采油頁(yè)巖。

1.1 風(fēng)能的利用

風(fēng)能的應(yīng)用在美國(guó)能源利用方面所占比例較小,主要問(wèn)題是風(fēng)能的變幻無(wú)常,以及缺乏切實(shí)有效的能量存儲(chǔ)手段。美國(guó)的Pyro Phase公司一直致力于研究開(kāi)采地下重油資源的商業(yè)化開(kāi)采技術(shù),該公司采用射頻技術(shù) (Radio Frequency簡(jiǎn)稱(chēng)RF)加熱油頁(yè)巖進(jìn)行原位開(kāi)采。RF技術(shù)在加熱油頁(yè)巖層時(shí),可以?xún)?chǔ)存大量的風(fēng)能,還可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸能通道的風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)熱負(fù)載,并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。目前該技術(shù)已經(jīng)獲得了專(zhuān)利。

RF技術(shù)已廣泛應(yīng)用于油頁(yè)巖原位開(kāi)采加熱,與風(fēng)能的存儲(chǔ)綜合利用之后,帶來(lái)了更為明顯的經(jīng)濟(jì)及環(huán)保優(yōu)勢(shì)。由于使用風(fēng)能這一清潔能源,大大減少了CO2的排放量以及高成本的CO2分離回收工作。

1.2 太陽(yáng)能的利用

Heliosat公司專(zhuān)項(xiàng)研究外太空發(fā)電系統(tǒng)。Heliosat公司對(duì)該套系統(tǒng)進(jìn)行了全面的技術(shù)分析,采用經(jīng)濟(jì)效益法分析使用外太空太陽(yáng)能能源開(kāi)采油頁(yè)巖的成本及價(jià)值。外太空微波輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為:在一塊巨大的電池板上放置幾萬(wàn)億個(gè)太陽(yáng)能電池,采用混合發(fā)射技術(shù)將發(fā)電裝置發(fā)射到太空,通過(guò)微波將電能傳輸至地面接收站,該技術(shù)解決了降低能源成本的關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)理論分析,此基于太陽(yáng)能的空間系統(tǒng),能夠滿(mǎn)足大規(guī)模的能源需求,功率等同于10座核電站[5]。目前,可重復(fù)利用的航天器概念設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。Heliosat公司下一階段的工作計(jì)劃,是完成一套發(fā)射系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì),并與合作伙伴共同研究空間太陽(yáng)能發(fā)展以及系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)工作。

1.3 核能的利用

Idaho國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的項(xiàng)目是研究利用新能源開(kāi)采油頁(yè)巖的技術(shù)及可行性分析,以及加熱所使用的高溫氣體反應(yīng)堆 (high temperature gas reactor,H TGR)。此項(xiàng)研究也是新一代核電站設(shè)計(jì)項(xiàng)目的一部分。核能的利用,不僅可以為原位開(kāi)采提供充足的能量,而且還避免了使用礦石燃料對(duì)環(huán)境和氣候產(chǎn)生的影響。高溫氣體反應(yīng)堆核電站用于油頁(yè)巖的干餾,可以提供高溫流體、電能及大量的氫,該氫可用于石油精煉等方面[6]。該技術(shù)從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的角度分析,都證明是可行的。此外,SASOR的核能應(yīng)用技術(shù)也已經(jīng)獲得了專(zhuān)利。

2 水資源問(wèn)題

油頁(yè)巖開(kāi)采過(guò)程中,水和油頁(yè)巖干餾之間的相互影響是不可忽視的 (圖2)。為減少二者之間的負(fù)面影響,同時(shí)滿(mǎn)足當(dāng)前我國(guó)國(guó)情及現(xiàn)階段可持續(xù)發(fā)展要求,對(duì)水資源的大量消耗、水污染、水對(duì)干餾區(qū)影響進(jìn)行控制,顯得尤為重要。

2.1 水資源的消耗

水資源在西方如同黃金一樣貴重,很多政府領(lǐng)導(dǎo)人表示出了對(duì)開(kāi)采過(guò)程中水資源需求的極大關(guān)注,并提出了一些限制要求。然而,水是油頁(yè)巖開(kāi)采必不可少的能源供給,據(jù)國(guó)際油頁(yè)巖協(xié)會(huì)的一項(xiàng)近期調(diào)查顯示:平均每桶油頁(yè)巖需要水大約2桶[2]。油頁(yè)巖開(kāi)采需要的水來(lái)源有多種方式:地下水井、地表徑流、河流、油頁(yè)巖開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的水、工業(yè)及城市生活廢水、水庫(kù)、通過(guò)輸水管從其他地區(qū)引過(guò)來(lái)的水。露天開(kāi)采及原位開(kāi)采(干餾)過(guò)程中產(chǎn)生的水,不能排放到地下水或地表徑流中,但可以重復(fù)利用其進(jìn)行油頁(yè)巖的開(kāi)采,用此方法可節(jié)省月10%的用水量。猶他大學(xué)已經(jīng)開(kāi)展了水資源的供給及再利用的相關(guān)項(xiàng)目研究,該項(xiàng)目屬于國(guó)家能源部。

圖2 水與油頁(yè)巖開(kāi)采間相互影響示意圖

2.2 地下水的保護(hù)

油頁(yè)巖干餾過(guò)程中產(chǎn)生的油氣、廢渣及帶有化學(xué)物質(zhì)的水,都可能會(huì)污染到地下水。為防止水受到污染,也為避免干餾過(guò)程中外界水進(jìn)入干餾區(qū)域內(nèi)影響干餾效果,目前的做法通常是在干餾區(qū)周?chē)O(shè)置帷幕,阻止水的流出及滲入。

Idaho國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究的是化學(xué)帷幕墻技術(shù)[6](圖3),此技術(shù)更適用于在裂隙和多孔介質(zhì)中,通過(guò)人工對(duì)干餾區(qū)域四周進(jìn)行加熱使水分蒸發(fā),沉淀凝結(jié)成墻,限制地下水的流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)室為評(píng)估該技術(shù)的可行性,準(zhǔn)備通過(guò)試驗(yàn)以及改進(jìn)的多相流體運(yùn)輸模型模擬,確定建立最小沉積的必要條件。如果證明是可行的,實(shí)驗(yàn)室還將準(zhǔn)備進(jìn)一步優(yōu)化建立地下水控制沉積墻的最小能量和時(shí)間。

殼牌公司研發(fā)的油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù) (ICP),為避免地下水滲入、油氣泄漏以及保護(hù)地下水,采用的是建立冷凍墻技術(shù)。該技術(shù)在實(shí)際工程中,一般鉆冷凍井150口左右,相鄰冷凍井的間隔為3.44 m,冷凍井的深度約為609 m[7]。

圖3 干餾區(qū)周?chē)终舭l(fā)結(jié)鹽形成墻體的概念示意圖

冷凍墻建立的方法[7-8]:①在開(kāi)采區(qū)周邊常規(guī)鉆完井后,使每口井與地面導(dǎo)管相連形成環(huán)形封閉管道系統(tǒng);②在每口井的套管內(nèi)安裝一個(gè)直徑較小的高密度聚乙烯管,將-43℃左右的冷凍液(氨水溶液)經(jīng)由聚乙烯管注入井中,通過(guò)聚乙烯管外部空間返回地面;③返回地面的冷凍液再進(jìn)入另一口井,又進(jìn)行循環(huán)。隨著冷凍液在相鄰井中不斷循環(huán),冷凍的區(qū)域不斷擴(kuò)大。最后,每?jī)蓚€(gè)相連冷凍井的冷凍范圍實(shí)現(xiàn)對(duì)接,形成冷凍墻。為防止冷凍區(qū)和加熱區(qū)之間的相互影響,在冷凍墻與加熱區(qū)域之間設(shè)置一個(gè)約40 m寬的緩沖帶。緩沖帶的精確寬度由該地區(qū)巖石的熱傳導(dǎo)性和加熱油頁(yè)巖層所需的時(shí)間來(lái)決定。

3 溫室效應(yīng)氣體問(wèn)題

油頁(yè)巖原位開(kāi)采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量溫室效應(yīng)氣體,如CO2,尤其是采用煤燃燒產(chǎn)能的方式,更是會(huì)排放大量的CO2。有人認(rèn)為,開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體是無(wú)法處理的,但是目前已有多家科研單位、企業(yè)等提出了相應(yīng)的解決方法。CO2或被捕集、隔離,或被用于更能產(chǎn)生效益的用途,也都從理論上證明其可行性并建立了模型。

并不是所有正在研發(fā)的原位開(kāi)采技術(shù),都需要外部提供的電能或熱能用于油頁(yè)巖層的加熱或干餾。油頁(yè)巖干餾過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品 (氣體或烴類(lèi)產(chǎn)品),也能為油頁(yè)巖轉(zhuǎn)化為頁(yè)巖油提供充足的能量。此外,電能不是加熱所需的唯一能源,而煤也不是發(fā)電的唯一燃料,目前已有多家研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)展了使用清潔能源或可替代能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料的研究,比如天然氣、太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等燃料。

Los A lamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建立了一個(gè)動(dòng)態(tài)評(píng)估模型[6]:基于非傳統(tǒng)礦物燃料的氣候變化對(duì)能源影響的彈性分析 (簡(jiǎn)稱(chēng)CL EARuff)。該模型用于評(píng)估非傳統(tǒng)礦物燃料在滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)制約的前提下潛在的產(chǎn)油能力。CLEARuff模型中,設(shè)計(jì)有兩個(gè)碳管理模擬系統(tǒng):CO2-PENS和Sim CCS(圖4)。兩個(gè)系統(tǒng)共同用于評(píng)估用于油頁(yè)巖開(kāi)采所需的天然氣、煤等燃料所產(chǎn)生的CO2。使用CLEARuff模擬CO2流的流速之后,將CO2流導(dǎo)入到CO2-PENS計(jì)算目標(biāo)儲(chǔ)層能夠封存CO2的能力 (M t CO2/yr),以及現(xiàn)場(chǎng)注入的成本 (/t CO2),包括鉆井、管線鋪設(shè)和維護(hù)等費(fèi)用。將模擬出的封存能力和現(xiàn)場(chǎng)注入成本等數(shù)據(jù)輸入到Sim CCS,會(huì)得到一定流速下的CO2的封存及管線鋪設(shè)的最優(yōu)組合。該模型的建立,為CO2封存技術(shù)的具體實(shí)施提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

圖4 Los A lamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的CO2管理評(píng)估模型關(guān)系示意圖

Raytheon公司是射頻技術(shù) (RF)領(lǐng)域的專(zhuān)家,而Hyde Park公司是臨界流體 (critical fluid簡(jiǎn)稱(chēng)CF)研究的權(quán)威,Raytheon公司將兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了完美的結(jié)合。該技術(shù)最初設(shè)計(jì)應(yīng)用于油頁(yè)巖及焦油砂的干餾,之后Raytheon公司又致力于研究其用于農(nóng)產(chǎn)品、新能源開(kāi)采以及CO2隔離,目前RF/CF整套CO2隔離方法已經(jīng)獲得了專(zhuān)利。CO2隔離系統(tǒng)及處理過(guò)程如圖8。

在CO2隔離工序進(jìn)行之前,首先使用石油的標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備進(jìn)行鉆井工作。CF注入裝置和RF天線下放至目標(biāo)地層中,帶有催化劑的臨界CO2用泵送至地層。然后,天線發(fā)射射頻能量對(duì)油頁(yè)巖層進(jìn)行加熱,CO2轉(zhuǎn)化成氣體載著熱解產(chǎn)生的烴類(lèi)氣體被抽回至地表,冷凝繼續(xù)循環(huán)利用[9]。傳統(tǒng)的CO2隔離方法容易受多種參數(shù)影響,如滲透性、儲(chǔ)存能力、空間尺寸和溫度等。而RF/CF技術(shù)通過(guò)使用注入-隔離整套系統(tǒng),可以很好的解決這些問(wèn)題。Raytheon公司同時(shí)也開(kāi)展了利用可替代能源,如風(fēng)能、太陽(yáng)能用于油頁(yè)巖開(kāi)采工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

原位開(kāi)采技術(shù)可以開(kāi)采大規(guī)模、深層位的油頁(yè)巖層,并且產(chǎn)油率高。但降低成本,提高效益,仍是原位開(kāi)采技術(shù)的重要發(fā)展方向。

繼續(xù)研發(fā)利于環(huán)境保護(hù)的技術(shù)方法和控制手段:①提高能源利用率,使用可替代能源進(jìn)行加熱,間接原位加熱代替直接原位加熱油頁(yè)巖層,使用射頻微波技術(shù)原位加熱油頁(yè)巖層,鉆進(jìn)水平井和橫向井減小加熱時(shí)間;②水資源進(jìn)行循環(huán)再利用,減少開(kāi)采過(guò)程中水的消耗;③建立快速有效、低成本的地下帷幕墻,防止地下水的滲入,同時(shí)避免污染地下水;④減少CO2排放加強(qiáng)碳管理,并研發(fā)能充分利用 CO2的新技術(shù);⑤減少土地利用,并減少原位開(kāi)采時(shí)對(duì)地表的擾動(dòng)。

我國(guó)應(yīng)在借鑒其他國(guó)家的原位開(kāi)采技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,加快原位開(kāi)采技術(shù)研發(fā)的步伐,爭(zhēng)取盡快進(jìn)入油頁(yè)巖等非常規(guī)油氣資源的大規(guī)模開(kāi)采階段,從容迎接高油價(jià)時(shí)代帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

[1] Dyni J.R.,Geology and resources of some world oil shale deposit.Oil shale,2003,20(3):193-252.

[2] National Oil Shale Association,Oil Shale(America’s untapped energy source),30th Oil Shale Symposium,2010.

[3] 錢(qián)家麟,尹亮,等.油頁(yè)巖-石油的補(bǔ)充能源 [M].北京:中國(guó)石化出版社,2008.

[4] 陳晨,張祖培,王淼.吉林油頁(yè)巖開(kāi)采的新模式 [J].中國(guó)礦業(yè),2007,16(5):55-57.

[5] 重慶晨報(bào)http://cqcbepaper.cqnew s.net/cqcb/htm l/2007-10/29/content_68348.htm 2007.10.29.

[6] Oil Shale Research in the United States,Profiles of Oil Shale Research and Development Activities In Universities,National Laboratories,and Public Agencies,Prepared by INTEK,Inc.for U.S.Departmentof Energy Officeof Petroleum Reserves Office of Reserve Lands Management Second Edition:September 2010.

[7] 薛華慶,杜發(fā)平,徐文林.油頁(yè)巖電加熱原位開(kāi)采技術(shù)研究進(jìn)展 [J].2010,4(1):18-20.

[8] 劉德勛,王紅巖,鄭德溫,等.世界油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)進(jìn)展 [J].天然氣工業(yè),2009,29(5):128-132.

[9] Secure Fuels from Domestic Resources,The Continuing E-volution of America’s Oil Shale and Tar Sands Industries,Profiles of Companies Engaged in Domestic Oil Shale and Tar Sands Resource and Technology Development,Prepared by INTEK,Inc.For the U.S.Department of Energy Office of Petroleum Reserves Office of Reserve Lands Management,Fourth Edition:September 2010.