油頁(yè)巖原位開采技術(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,不少國(guó)家油頁(yè)巖礦藏的開發(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)巖的開采方法有露天開采和地下開采 (壁式開采法、房柱式開采法[3]和鉆孔水力開采法[4]),干餾方法分為地上干餾和地下干餾 (即原位開采技術(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)。但原位開采技術(shù)也存在一些亟待解決的問題,除了要克服開采技術(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)巖原位開采技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中,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)巖開采的影響因素

1 開采所需能源問題

油頁(yè)巖的開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》中提到一種說法:用于油頁(yè)巖開采消耗的能源要大于所產(chǎn)出的能源,利用土豆產(chǎn)油也要比開采油頁(yè)巖經(jīng)濟(jì)的多[2]。油頁(yè)巖開采獲得的凈能源量,取決于開采技術(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,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。但開采所需能源的消耗,仍是制約油頁(yè)巖開采經(jīng)濟(jì)性的重要因素。目前,一些科研單位及公司已經(jīng)開始研究使用風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能等新能源用于開采油頁(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采地下重油資源的商業(yè)化開采技術(shù),該公司采用射頻技術(shù) (Radio Frequency簡(jiǎn)稱RF)加熱油頁(yè)巖進(jìn)行原位開采。RF技術(shù)在加熱油頁(yè)巖層時(shí),可以儲(chǔ)存大量的風(fēng)能,還可以通過調(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)獲得了專利。

RF技術(shù)已廣泛應(yīng)用于油頁(yè)巖原位開采加熱,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)鍵問題。通過理論分析,此基于太陽(yáng)能的空間系統(tǒng),能夠滿足大規(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)室開展的項(xiàng)目是研究利用新能源開采油頁(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)獲得了專利。

2 水資源問題

油頁(yè)巖開采過程中,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)開采過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)巖開采過程產(chǎn)生的水、工業(yè)及城市生活廢水、水庫(kù)、通過輸水管從其他地區(qū)引過來(lái)的水。露天開采及原位開采(干餾)過程中產(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)巖的開采,用此方法可節(jié)省月10%的用水量。猶他大學(xué)已經(jīng)開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)周圍設(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)周圍水分蒸發(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)氣體問題

油頁(yè)巖原位開采過程中會(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,開采過程產(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)巖干餾過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品 (氣體或烴類產(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CL EARuff)。該模型用于評(píng)估非傳統(tǒng)礦物燃料在滿足環(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)域的專家,而Hyde Park公司是臨界流體 (critical fluid簡(jiǎn)稱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、新能源開采以及CO2隔離,目前RF/CF整套CO2隔離方法已經(jīng)獲得了專利。CO2隔離系統(tǒng)及處理過程如圖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)通過使用注入-隔離整套系統(tǒng),可以很好的解決這些問題。Raytheon公司同時(shí)也開展了利用可替代能源,如風(fēng)能、太陽(yáng)能用于油頁(yè)巖開采工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

原位開采技術(shù)可以開采大規(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,減少開采過程中水的消耗;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)家的原位開采技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,加快原位開采技術(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)模開采階段,從容迎接高油價(jià)時(shí)代帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

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