美国油页岩原位开采技术与启示
时间：2014-05-16
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油页岩指颗粒非常细、蕴含大量未成熟有机物或干酪根的沉积岩，通过高温加热（大于300℃）能将未成熟的干酪根热解转换为液态烃。它属于非常规油气资源，可资源丰富和开发利用的可行性被列为21实际非常重要的接替能源。随着我国能源需求迅速增大，对外依存度越来越高，为了降低风险，大规模的勘探开发油页岩资源对于缓解我国油气供需压力有着重要意义。我国油页岩资源十分丰富，但如何有效开发利用却很复杂。作为接替能源，针对我国优质页岩资源埋藏较深的特点，并考虑到环境污染和温室效应等问题，油页岩原位开采已成为未来油页岩大规模商业化开采的发展趋势。
1. 全球油页岩资源分布及开采现状
1.1 全球油页岩资源分布情况
全球油页岩折算成页岩油资源约有4090×108t，分布非常广泛，在33个国家发现了数百个油页岩矿，主要分布在美国、中国、俄罗斯、以色列、约旦、巴西、摩洛哥、爱沙尼亚等国。美国占据了全世界约73%的油页岩资源储量，其中高于70%的油页岩资源主要位于美国犹他州、科罗拉多州和怀俄明州交界处的绿河组。而科罗拉多州的毕逊斯盆地是绿河组油页岩最发育的盆地，油页岩资源约为1710×108t，盆地面积4600km2,油页岩厚度达180m，含油率约为13%。
我国油页岩资源也十分丰富，据国土资源部2005年委托吉林大学做的新一轮油气资源评价结果，全国油页岩资源折算成页岩油资源为476.44×108t，页岩油可回收资源为119.79×108t，仅次于美国，主要分布在吉林的农安、桦甸和汪青看罗子沟、辽宁的抚顺和广东的茂名等地。与美国的油页岩地质特征相比，我国油页岩资源埋藏较深，油页岩平均厚度约为20～30m，且多夹有砂岩、泥岩等，而且相当一部分为含油率小于5%的贫矿，含油率大于10%的富矿较少，主要介于5%～10%含油率的资源。
1.2 油页岩开采情况
2012年油页岩开采量位于前三位的分别是爱沙尼亚、中国和巴西。美国拥有世界最丰富的油页岩资源，但一直未大规模开采，而是投入巨大的人力物力研究油页岩的原位开采技术，取得了一些进展。中国有着辉煌的油页岩开采史，从上世纪二十年代就开始开采页岩油。在抚顺地区，油页岩分布较广，岩层厚度从15m到58m不等，随煤炭一起开采，这里的油页岩和煤炭都是始新世湖泊相沉积岩。预计到2025年，中国、美国、约旦将成为世界上主要的油页岩开采国。爱沙尼亚由于本身的资源储量较少，所以开采量一直保持比较稳定。中国主要是由于对能源的大量需求，而美国则是由于原位开采技术的不断发展和完善，使油页岩原位开采变得经济可行并实现商业化开发。
迄今为止，全球几乎所有从油页岩中提炼的石油都是通过地表干馏，一般采用房柱法采煤技术通过露天采矿或地下采矿开采油页岩，然后把采出的矿石输送到干馏炉中，通过加热使其中的干酪根转化成石油和天然气，并将烃类馏分与矿物馏分分开。这种技术已有200多年的历史，技术相对成熟，加热周期短，可以进行商业化开采。但这种技术也有较大的局限性：（1）占地多；（2）干馏后的残渣需要处理，浪费水资源；（3）二氧化碳排放量大，对空气造成污染；（4）同时需要对采矿区进行回填，否则容易造成地层塌陷；（5）对于埋藏较深（大于400m）的油页岩资源无法用该技术进行开采。
2. 油页岩原位开采技术
原位开采是指通过对油页岩储层进行高温加热，将油页岩中的固体干酪根转换为液态烃，再通过传统的石油天然气钻井采油工艺将液态烃从地下开采出来的方法。根据加热方式不同，主要分为电加热、流体对流加热、辐射加热和燃烧加热。
2.1 美国土地管理局RD&D 项目
为了促进美国油页岩技术的发展，并计划从2020年开始进行油页岩的大规模商业化开发，美国土地资源管理局于2005年6月和2009年11月先后进行第一轮和第二轮RD&D 项目试验区（Research , Development & Demonstration ）的招标工作。第一轮招标中有6个实验区被选中。其中Shell获得3个试验区块；Chevron1个区块；EGL Resource,Inc （现为 American Shale Oil, LLC）1个区块；Oil Shale Exploration ,LLC（现为Enefit American Oil）1个区块，主要进行地面干馏。第二轮RD&D 项目招标共确定3家公司中标：ExxonMobil 1个区块；Natural Soda 1个区块，主要生产苏打石等无机矿物；AuraSource 1个区块，主要为地表干馏。
两轮招标的条款有所不同。第一轮美国土地管理局给予0.65km2租赁权加额外的20 km2矿区的优先开采权；先导试验期限为10年，最多可再延长5年。第二轮优惠条件减少，只给予0.65km2 租赁权加额外的1.94km2 矿区的优先开采权；先导试验期限限定为10年。
当今研究相对比较成熟并获得美国土地管理局RD&D项目试验区的油页岩原位开采技术有壳牌ICP技术、雪佛龙CRUSH技术、美国油页岩CCR技术和埃克森美孚Electrofrac技术。
2.2 壳牌ICP（In-Situ Conversion Process）技术
壳牌的IPC技术采用小间距井下电加热器循序均匀地将地层加热到340℃/min左右的转化温度。根据加热器间距和加热速度，对于一个商业开采项目，将地层加热到转化温度的时间估计为2～年。根据试验结果，一项商业规模的项目预计可获得的能量增益接近３，即所获产品的能量值是用来生产这些产品所消耗能量的３倍。ICP工艺实现商业化还需采用冷冻墙技术，阻止水流入被加热地层，并能封闭产出的流体，提高采收率，同时保护局部蓄水层。ICP工艺利用循环制冷剂形成的冷冻墙阻止地下水进入被加热层，冷冻墙内的地层水被抽出，地层被加热，产出油，剩余页岩用干净水冲洗其中的污染物。壳牌冷冻墙试验开始于2002年，并于2005年试验了大规模的冷冻墙，布置了157口冷冻井，井间距为2.4m，建立了一个跨度为68m的密封体。2007年作业公司开始向冷冻井中注入氨水进行循环制冷，起初在浅层循环，之后慢慢加深。到2009年7月，冷冻墙已达到520m深处。这次试验的目的是评估冷冻墙的完整性，但不涉及加热和油气生产。
2.3 埃克森美孚Electrofrac技术
埃克森美孚Electrofrac工艺采用水力压裂方式压裂油页岩，然后向裂缝中填充能导电的支撑剂，从而形成一个电加热体。热量通过能导电的支撑剂传给油页岩后，其中的干酪根受热转化成油和气，然后通过常规方法采出。埃克森美孚公司已经对焙烧石油焦是否可作为支撑剂进行实验，希望这种材料被泵入垂向裂缝后能形成一系列平行的平面电加热器。与壳牌的ICP技术一样，热量通过热扩散方式传给页岩层。和线性热源相比，Electrofrac工艺的潜在优势是平面裂缝加热器的表面积较大，这样可以用较少的加热器就能向地下储层传递足够的热量。另外，使用平面加热器还能减少对地面环境的干扰，这一点也比线性热源和井下加热器优越。
埃克森美孚公司通过模拟实验和实验室研究解决Electrofrac工艺中的几个重要技术问题：（1）导入裂缝中的导电导热剂在周围岩石被加热到转化温度时继续保持电导性；（2）通过该工艺产生的油气能在地应力条件下流到井筒内；（3）特殊的完井工艺使裂缝能高效导热。
根据实验结果，埃克森美孚公司于2007年在科罗拉多州西北部该公司拥有的油页岩矿场Colony Mine 进行了现场试验。通过水平钻进油页岩层，并在足以使岩石破裂的压力下泵入了焙烧石油焦、水和硅酸盐水泥混合浆，压开了两条Electrofrac裂缝并对大裂缝测量了温度、电压、电流和岩石的运动情况。因为是初次试验工艺，两条裂缝只被加热到了相对较低的温度。这次低温试验的目的不是产生油和气。试验结果证明有可能形成能导电的水力裂缝，能使裂缝接通电，能进行控制，并能保持裂缝低温加热状态至少几个月时间。
2.4 美国页岩油公司CCR（Conduction, Convection and Reflux）技术
美国页岩油公司建议采用CCR传导、对流和回流工艺开采页岩油。CCR工艺通过集中加热非渗透页岩盖层下面的页岩，从而将产层被保护地下水源隔离开。其原理是钻2口水平井：1口加热井和1口生产井，加热井在生产井下面。热量通过一个井下燃烧器供给，该燃烧器最终利用产出气运转。随着干酪根的分解，轻质组分（蒸气）上升，冷凝，然后回流地层。热量通过回流油被分散到地层中。地层通过热机械压裂方式形成了一定的渗透能力，从而使对流热传递成为可能。
AMSO公司的首次RD&D项目于2011年开始现场试验，加热时间须达到200d，需干馏的地层体积相当于4000t的油页岩，产生的油页岩将达到272t。
2.5 雪佛龙CRUSH技术
雪佛龙CRUSH工艺首先用碎石化技术将储层岩石破碎成不连续的岩石块，然后通过地表的压缩机注入热蒸汽（或空气）给地层进行加热，将其中的干酪根受热转化成油和气，然后通过常规方法采出。
这项技术的核心是碎石机，即在x, y ,z 3个方向产生裂缝，能够为干酪根在致密储层里发生化学转换提供更多的表面积。雪佛龙公司提出2中可能的碎石方法。第一种是冷冻法：原理是岩石在冷却状态下会发生收缩，极度冷却能够使岩石处于拉伸，使岩石变得很不稳定；热膨胀相关系数继续随地层发生变化，会导致收缩量和剪切应力发生变化，从而有利于碎石化。第二种爆炸法：定时爆破会对岩石产生结构性干扰，控制高度和方向，能够得到特定形状的裂缝。冷冻碎石法的过程：（1）用水或者液态气（液态二氧化碳或液氮）形成一条传统的主裂缝；（2）钻一口斜井交叉于主裂缝，然后循环冷却液，岩石被冷却将会收缩，形成垂直于主裂缝的此生裂缝；（3）继续循环冷却液，随着岩石继续被冷却，地层发生不同程度的收缩，从而在地层中形成剪切破坏，三级裂缝将继续形成，甚至形成一个连通的缝网。
3 认识与启示
1) 中国油页岩资源储量丰富，仅次于美国，位于世界第二位，分布非常广泛，可以作为我国未来一种重要的接替能源。
2) 美国政府十分重视油页岩的开发和环保问题，两轮的RD&D项目鼓励各大石油公司开展各种油页岩原位开采技术的研究和现场试验，取得了许多宝贵经验。原位开采也是我国未来进行油页岩大规模商业化开发的必然趋势。
3) 美国各大石油公司在开展油页岩原位开采技术的室内研究和现场先导试验过程中都遇到一些技术难题，与地表干馏技术相比，原位开采技术相对不太成熟，商业化开发不可操之过急。