美國油頁巖原位開采技術與啟示

汪友平 王益維 孟祥龍 蘇建政 李鳳霞 李宗田

（中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083）

美國油頁巖原位開采技術與啟示

汪友平 王益維 孟祥龍 蘇建政 李鳳霞 李宗田

（中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083）

油頁巖的開發利用越來越受到世界各國的重視。隨著環保壓力的增大，油頁巖原位開采已成為未來油頁巖商業化大規模開采的必然發展趨勢。我國油頁巖資源開發利用較早，但都是環境污染較大的地面開采方式。通過對比中美兩國油頁巖的地質特征和埋藏條件的不同，介紹美國土地管理局為油頁巖原位開采技術的商業化推廣而在美國綠河組的RD&D項目投標情況和各大石油公司在該地區現場先導試驗的最新進展，以及對殼牌ICP技術、雪佛龍CRUSH技術、美國頁巖油公司CCR技術和埃克森美孚Electrofrac技術的對比，為我國油頁巖原位開采技術的研發拓展思路，也為我國進入油頁巖等非常規油氣資源的大規模開采階段提供重要的借鑒意義。

油頁巖；原位開采；RD&D項目；ICP技術；CRUSH技術；CCR技術；Electrofrac技術

油頁巖指顆粒非常細、蘊含大量未成熟有機物或干酪根的沉積巖，通過高溫加熱（大于300 ℃）能將未成熟的干酪根熱解轉換為液態烴，國外稱之為“能燃燒的巖石”。它屬于非常規油氣資源，以資源豐富和開發利用的可行性而被列為21世紀非常重要的接替能源。隨著我國能源需求迅速增大，對外依存度越來越高，為了降低帶來的風險，大規模的勘探開發油頁巖資源對于緩解我國油氣供需壓力有著重要的意義。我國油頁巖資源十分豐富，但如何有效地開發利用卻很復雜。作為接替能源，針對我國優質油頁巖資源埋藏較深的特點，并考慮到環境污染和溫室效應等問題，油頁巖原位開采已成為未來油頁巖大規模商業化開采的發展趨勢。

1 全球油頁巖資源分布及開采現狀

1.1 全球油頁巖資源分布情況

全球油頁巖折算成頁巖油資源約有4 090×108t，分布非常廣泛，在33個國家發現了數百個油頁巖礦，主要分布在美國、中國、俄羅斯、以色列、約旦、巴西、摩洛哥、愛沙尼亞等國。美國占據了全世界約73%的油頁巖資源儲量，其中高于70%的油頁巖主要位于美國猶他州、科羅拉多州和懷俄明州交界處的綠河組［1］。而科羅拉多州的畢遜斯盆地是綠河油頁巖最發育的盆地，油頁巖油資源約為1 710×108t，盆地面積4 600 km2，油頁巖厚度達180 m，含油率約為13%［2］。

我國油頁巖資源也十分豐富，據國土資源部2005年委托吉林大學做的新一輪油氣資源評價結果［3］，全國油頁巖資源折算成頁巖油資源為476.44×108t，頁巖油可回收資源為119.79×108t，僅次于美國，居世界第二位，主要分布在吉林的農安、樺甸和汪青的羅子溝、遼寧的撫順和廣東的茂名等地。與美國的油頁巖地質特征相比，我國油頁巖資源埋藏較深，油頁巖平均厚度約為20～30 m，且多夾有砂巖、泥巖等，而且相當一部分為含油率小于5%的貧礦，含油率大于10%的富礦較少，主要是介于5%～10%含油率的資源［2］。

1.2 油頁巖開采情況

兩次世界大戰過程中燃料短缺激勵世界各國開始勘探其油頁巖資源。2012年油頁巖開采量位于前三位的分別是愛沙尼亞、中國和巴西［4］。美國擁有世界最豐富的油頁巖資源，但一直未大規模開采，而是投入了巨大的人力和物力研究油頁巖的原位開采技術，取得了一些進展。中國有著輝煌的油頁巖開采史，從上世紀二十年代就開始開采頁巖油。在撫順地區，油頁巖分布較廣，巖層厚度從15 m到58 m不等，隨煤一起開采，這里的油頁巖和煤礦都是始新世湖泊相沉積［1］。預計到2025年，中國、美國、約旦將成為世界上主要的油頁巖開采國。愛沙尼亞由于本身的資源儲量較少，所以開采量一直保持比較穩定。中國主要是由于對能源的大量需求，而美國則是由于原位開采技術的不斷發展和完善，使油頁巖原位開采變得經濟可行并實現商業化開發。

迄今為止，全球幾乎所有從油頁巖中提煉出的石油都是通過地表干餾，一般采用房柱法采煤技術通過露天采礦或地下采礦開采油頁巖，然后把采出的礦石輸送到干餾爐中，通過加熱使其中的干酪根轉化成石油和天然氣，并將烴類餾分與礦物餾分分開。這種技術已有200多年歷史，技術相對成熟，加熱周期短，可以進行商業化開采。但這種技術也有較大的局限性：（1）占地多；（2）干餾后的殘渣需要進行處理，浪費水資源，據統計，每生產出1桶油估計需要消耗2～5桶水［5］；（3）二氧化碳排放量大，對空氣造成污染；（4）同時需要對采礦區進行回填，否則容易造成地層塌陷；（5）對于埋藏較深（大于400 m）的油頁巖資源無法用該技術進行開采。

2 油頁巖原位開采技術

原位開采是指通過對油頁巖儲層進行高溫加熱，將油頁巖中的固體干酪根轉換為液態烴，再通過傳統的石油天然氣鉆井采油工藝將液態烴從地下開采出來的方法。自20世紀80年代開始，國外許多石油公司開始研究和發展了油頁巖原位開采技術。根據加熱方式不同，主要分為電加熱、流體對流加熱、輻射加熱和燃燒加熱，如表1所示。

表1 美國目前常見報道的原位開采技術及其特點

2.1 美國土地管理局RD&D項目

為了促進美國油頁巖開采技術的發展，并預計從2020年開始進行油頁巖的大規模商業化開發，美國土地管理局于2005年6月和2009年11月先后進行第一輪和第二輪RD&D項目試驗區（Research，Development & Demonstration研究，開發&示范）的招標工作［6］。第一輪招標中有6個實驗區被選中。其中Shell獲得3個試驗區塊；Chevron 1個區塊；EGL Resource，Inc（現為American Shale Oil，LLC）1個區塊；Oil Shale Exploration，LLC（現為Enefit American Oil） 1個區塊，主要進行地表干餾。第二輪RD&D項目招標共確定3家公司中標：ExxonMobil 1個區塊；Natural Soda 1個區塊，主要生產蘇打石等無機礦物；AuraSource 1個區塊，主要為地表干餾。

兩輪招標的條款有所不同。第一輪美國土地管理局給予0.65 km2租賃權加額外的20 km2礦區的優先開采權；先導試驗期限為10年，最多可再延長5年。第二輪優惠條件減少，只給予0.65 km2租賃權加額外的1.94 km2礦區的優先開采權；先導試驗期限限定為10年［6］。

當今研究相對比較成熟并獲得美國土地管理局RD&D項目試驗區的油頁巖原位開采技術有殼牌ICP技術、雪佛龍CRUSH技術、美國頁巖油CCR技術和埃克森美孚Electrofrac技術。

2.2 殼牌ICP（In-Situ Conversion Process）技術

殼牌的ICP技術（圖1）采用小間距井下電加熱器循序均勻地將地層加熱到340 ℃/min左右的轉化溫度。根據加熱器間距和加熱速度，對于一個商業開采項目，將地層加熱到轉化溫度的時間估計為2～4年。根據試驗結果，一項商業規模的項目預計可獲得的能量增益接近3，即所獲產品的能量值是用來生產這些產品所消耗能量的3倍［7］。ICP工藝實現商業化還需要采用冷凍墻技術，阻止水流入被加熱地層，并能封閉產出的流體，提高采收率，同時保護局部蓄水層。ICP工藝利用循環制冷劑形成的冷凍墻阻止地下水進入被加熱層，冷凍墻內的地層水被抽出，地層被加熱，產出油，剩余頁巖用干凈水沖洗其中的污染物。殼牌冷凍墻試驗開始于2002年，并于2005年試驗了大規模的冷凍墻，布置了157口冷凍井，井間距離為2.4 m，建立了一個跨度為68 m的密封體（圖2）。2007年作業公司開始向冷凍井中注入氨水進行循環制冷，起初在淺層循環，之后慢慢加深。到2009年7月，冷凍墻已到達520 m深處。這次試驗的目的是評估冷凍墻的完整性，但不涉及加熱和油氣生產。

圖1 殼牌公司的ICP技術示意圖［7］

圖2 殼牌公司大規模冷凍墻試驗［8］

通過7次野外試驗，殼牌公司調查了各種加熱方法，如注蒸汽、安裝井下加熱器，并研究了不同深度的組合井，分別用于加熱、生產和除水等（表2）。

表2 殼牌公司的熱傳導試驗項目［8］

2.3 埃克森美孚Electrofrac技術

埃克森美孚Electrofrac工藝（圖3）采用水力壓裂方式壓裂油頁巖，然后向裂縫中填充能導電的支撐劑，從而形成一個電加熱體。熱量通過能導電的支撐劑傳給油頁巖后，其中的干酪根受熱轉化成油和氣，然后通過常規方法采出。埃克森美孚公司已經對焙燒石油焦是否可作為支撐劑進行實驗，希望這種材料被泵入垂向裂縫后能形成一系列平行的平面電加熱器。與殼牌的ICP技術一樣，熱量通過熱擴散方式傳給頁巖層。和線性熱源相比，Electrofrac工藝的潛在優勢是平面裂縫加熱器的表面積較大，這樣可以用較少的加熱器就能向地下儲層傳遞足夠的熱量。另外，使用平面加熱器還能減少對地面環境的干擾，這一點也比線性熱源和井下加熱器優越。

圖3 埃克森美孚公司的Electrofrac技術示意圖［9］

埃克森美孚公司通過模擬實驗和實驗室研究解決Electrofrac工藝中的幾個重要技術問題：（1） 導入裂縫的導電導熱劑在周圍巖石被加熱到轉化溫度時繼續保持電導性； （2） 通過該工藝產生的油氣能在地應力條件下流到井筒內；（3） 特殊的完井工藝使裂縫能高效導熱。

根據實驗結果，埃克森美孚公司于2007年在科羅拉多州西北部該公司擁有的油頁巖礦場Colony Mine進行了現場試驗。通過水平鉆進油頁巖層，并在足以使巖石破裂的壓力下泵入了焙燒石油焦、水和硅酸鹽水泥混合漿，壓開了兩條Electrofrac裂縫并對大裂縫測量了溫度、電壓、電流和巖石的運動情況。因為是初次試驗Electrofrac工藝，兩條裂縫只被加熱到了相對較低的溫度。這次低溫試驗的目的不是產生油和氣。試驗結果證明有可能形成能導電的水力裂縫，能使裂縫接通電，能進行控制，并能保持裂縫低溫加熱狀態至少幾個月時間。

2.4 美國頁巖油公司CCR（Conduction，Convection and Reflux）技術

美國頁巖油公司建議采用CCR傳導、對流和回流工藝開采頁巖油。CCR工藝（圖4）通過集中加熱非滲透頁巖蓋層下面的頁巖，從而將產層和被保護地下水源隔離開。其原理是鉆2口水平井：1口加熱井和1口生產井，加熱井在生產井下面。熱量通過一個井下燃燒器供給，該燃燒器最終利用產出氣運轉。隨著干酪根的分解，輕質組分（蒸氣）上升，冷凝，然后流回地層。熱量通過回流油被分散到地層中。地層通過熱機械壓裂方式形成了一定的滲透能力，從而使對流熱傳遞成為可能。

圖4 美國頁巖油公司的CCR技術示意圖［10］

AMSO公司的首次RD&D項目于2011年開始現場試驗，加熱時間須達到200 d，需干餾的地層體積相當于4 000 t的油頁巖，產生的頁巖油將達到272 t。

2.5 雪佛龍CRUSH技術

雪佛龍CRUSH工藝（圖5）首先用碎石化技術將儲層巖石破碎成不連續的巖石塊，然后通過地表的壓縮機注入熱蒸汽（或空氣）給地層進行加熱，將其中的干酪根受熱轉化成油和氣，然后通過常規方法采出。

圖5 雪佛龍的CRUSH技術示意圖［4］

這項技術的核心是碎石化（Rubblization），即在x，y，z 3個方向產生裂縫，能夠為干酪跟在致密儲層里發生化學轉換提供更多的表面積。雪佛龍公司提出2種可能的碎石化方法。第1種是冷凍法：原理是巖石在冷卻狀態下會發生收縮，極度冷卻能使巖石處于拉伸，使巖石變得很不穩定；熱膨脹相關系數繼續隨地層發生變化，會導致收縮量和剪切應力發生變化，從而有利于碎石化。第2種是爆炸法：定時爆破會對巖石產生結構性干擾，控制高度和方向，能夠得到特定形狀的裂縫。冷凍碎石化的具體過程（圖6）：（1）用水或者液態氣（液態二氧化碳或者液氮）形成一條傳統的主裂縫；（2）鉆一口斜井交叉于主裂縫，然后循環冷卻液，巖石被冷卻將會收縮，形成垂直于主裂縫的次生裂縫；（3） 繼續循環冷卻液，隨著巖石繼續被冷卻，地層發生不同程度的收縮，從而在地層中形成剪切破壞，三級裂縫將繼續形成，甚至形成一個連通的縫網。

圖6 雪佛龍的冷凍法碎石化［12］

有關雪佛龍RD&D的報道是，雪佛龍已經通知美國土地管理局和采礦、安全部門，他們打算出讓在科羅拉多Picesance盆地的RD&D租賃權，原因是他們認為原位開采技術在短時間內很難取得重大突破。

3 認識與啟示

（1）中國油頁巖資源儲量豐富，僅次于美國，位于世界第2位，分布也非常廣泛，可以作為我國未來一種重要的接替能源。

（2）美國政府十分重視油頁巖的開發和環保問題，兩輪的RD&D項目鼓勵各大石油公司開展各種油頁巖原位開采技術的研究和現場試驗，取得了許多寶貴的經驗。原位開采也是我國未來進行油頁巖大規模商業化開發的必然趨勢。

（3）美國各大石油公司在開展油頁巖原位開采技術的室內研究和現場先導試驗過程中都遇到一些技術難題，與地表干餾技術相比，原位開采技術相對不太成熟，商業化開發不可操之過急。

（4）我國應加快開展適用于油頁巖原位開采技術的資源選區評價工作，并根據中國油頁巖資源特征和條件對各種原位開采工藝進行篩選和優化，結合我國先進的鉆完井技術和水平井分段壓裂技術，形成一套適合我國油頁巖原位開采的新型技術體系。

［1］ DYNI J R. Geology and resources of some world oilshale deposits ［R］. US Geological Survey Scientific Investigations, 2006.

［2］ 錢家麟，尹亮. 油頁巖：石油的補給能源 ［M］. 北京：中國石化出版社，2008.

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［6］ MITCHELL Leverette. Status and plans for the U. S. department of interior program for development of oil shale and oil sands［R］. 31th Oil Shale Symposium, 2011.

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（修改稿收到日期 2013-09-26）

〔編輯 薛改珍〕

Enlightenment of American′s oil shale in-situ retorting technology

WANG Youping, WANG Yiwei, MENG Xianglong, SU Jianzheng, LI Fengxia, LI Zongtian
（Exploration & Production Research Institute, SINOPEC, Beijing 100083, China）

Oil shale is one of the most alternative energy except of coal, oil and natural gas. How to develop and use it, have attracted more and more attention in many countries. Taking into account issues such as environmental pollution, in-situ retorting technology has been the trend of large-scale commercialization of oil shale in the future. China has produced the oil shale for a long time, but all of them were developed by means of surface retorting, resulting in a technical gas of in-situ retorting. In order to promote the commercialization of oil shale in-situ retorting technology, the U.S. Bureau of Land Management initiated two oil shale development program and solicited applications for Research, Development and Demonstration (RD&D) in the Green River Formation. This paper also introduces the latest progress of the pilot projects of the major oil companies in this region. By comparing and analyzing the Shell ICP technology, Chevron CRUSH technology, American Shale Oil company CCR technology, and ExxonMobil Electrofrac technology, not only expand the ideas for oil shale in-situ retorting technology, but also provide references for large-scale exploitation of unconventional oil and gas resources.

oil shale; in-situ retorting; RD&D lease; ICP technology; CRUSH technology; CCR technology; electrofrac technology

汪友平，王益維，孟祥龍，等.美國油頁巖原位開采技術與啟示［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（6）：55-59.

TD83

A

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0055 – 05

汪友平，1983生。2012年畢業于德國克勞斯塔爾工業大學石油工程專業，獲博士學位，現從事水力壓裂的研究工作，工程師。電話：010-82312063。E-mail：wangyp.syky@sinopec.com。