原位開采油頁巖電加熱技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

王盛鵬 劉德勛 王紅巖 趙群 方朝合 鄭德溫

中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院新能源研究所

原位開采油頁巖電加熱技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

王盛鵬 劉德勛 王紅巖 趙群 方朝合 鄭德溫

中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院新能源研究所

隨著中國油頁巖工業(yè)的不斷發(fā)展,對油頁巖地面干餾工藝方面的研究已經(jīng)取得了很大進展。但由于受實驗設(shè)備和分析技術(shù)的限制,對油頁巖地下干餾工藝的研究卻很少,在當前的油頁巖原位開采工藝中以電加熱工藝較為成熟。因此,從油頁巖原位開采電加熱技術(shù)的原理出發(fā),詳細闡述了油頁巖電加熱工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)(電加熱器的選擇和設(shè)計、加熱井的設(shè)計、加熱井的布置與操作等),總結(jié)出電加熱工藝的特點和發(fā)展趨勢。分析認為,未來的原位開采電加熱技術(shù)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在簡化工藝,大規(guī)模、低成本、高效益以及綜合技術(shù)等方面。

油頁巖 電加熱 原位開采 加熱器 加熱井 工藝流程 發(fā)展趨勢

隨著油頁巖地上干餾工業(yè)的不斷發(fā)展,國內(nèi)對地下干餾技術(shù)即原位開采技術(shù)的研究也越來越多[1-3]。在原位開采技術(shù)中,以加熱技術(shù)最為關(guān)鍵。按照加熱方式,原位開采加熱技術(shù)可分為3種:電加熱技術(shù)、蒸汽加熱技術(shù)和微波輻射加熱技術(shù)[4-5]。在當前的油頁巖原位開采加熱技術(shù)中,以電加熱技術(shù)較為成熟。筆者從電加熱原理出發(fā),對現(xiàn)有的電加熱工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)進行詳細敘述,總結(jié)出電加熱技術(shù)的特點和發(fā)展趨勢,為相關(guān)行業(yè)研究人員提供參考。

1 電加熱技術(shù)原理

原位開采電加熱技術(shù)的原理為利用電阻發(fā)熱產(chǎn)生的熱量,通過傳導的方式來加熱油頁巖礦層。根據(jù)電阻發(fā)熱功率公式:P=U2/R,可以看出影響發(fā)熱量大小的因素是電阻的大小。因此,可以通過調(diào)節(jié)電阻的大小來控制發(fā)熱量的多少。影響電阻大小的因素主要為以下4個方面:

1.1 趨膚效應

交變電流通過導體時,由于感應作用引起導體截面上電流分布不均勻,愈近導體表面電流密度越大。這種現(xiàn)象稱“趨膚效應”。趨膚效應使導體的有效電阻增加,因此,為了削弱趨膚效應,在交變電路中也往往使用多股相互絕緣細導線編織成束來代替同樣截面積的粗導線。

1.2 鄰近效應

當兩根導線距離很近時,一根導線的磁場會影響另一根導線內(nèi)部電流的分布,產(chǎn)生“鄰近效應”,鄰近效應使導線的電流密度重新分配,相當于減少了導線的有效面積,增加一個附加電阻。

1.3 渦流損耗效應

如果帶有電信號的回路鄰近還有其他回路或鉛皮及鋼帶等金屬物,回路電流產(chǎn)生的磁場可在這些金屬中產(chǎn)生渦流,引起熱損耗,吸收了通信回路的部分能量,相當于增加了回路的電阻。

1.4 居里效應

居里效應指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的現(xiàn)象。某些材料的電阻會隨溫度的升高而增加,隨溫度的降低而減小。

這4種電效應影響著電加熱器中電阻發(fā)熱量的大小,可作為設(shè)計和研發(fā)電加熱器的依據(jù)。

2 電加熱關(guān)鍵技術(shù)

電加熱技術(shù)流程為先將電能傳輸給加熱井中的電加熱器,轉(zhuǎn)化為熱能。產(chǎn)生的熱量通過傳導的方式傳遞給油頁巖礦層,達到頁巖油氣生成的溫度。在工藝中,電加熱器的選擇和設(shè)計、加熱井的設(shè)計、加熱井的布置與操作是電加熱技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵。

2.1 電加熱器的選擇和設(shè)計

電加熱器是產(chǎn)生熱量的根源,因此如何高效、有控制地產(chǎn)生熱量是電加熱器所要解決的問題。目前原位開采加熱的電加熱器有3類:恒定瓦特加熱器、環(huán)形加熱器和絕緣限溫加熱器,而絕緣限溫加熱器又分為 Y形加熱器、U形加熱器和LU形加熱器。

2.1.1 恒定瓦特加熱器

恒定瓦特加熱器即將不同直徑的電加熱棒構(gòu)造在一起,形成加熱器。其加熱原理為利用調(diào)節(jié)電加熱棒的橫截面積來控制加熱器的電阻,控制加熱器的加熱速率。恒定瓦特加熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,造價低;缺點是不能有效地控制加熱溫度,容易造成局部溫度過高(即形成熱點)而燒壞加熱器。

2.1.2 環(huán)形加熱器

環(huán)形加熱器改進了恒定瓦特加熱器加熱巖層面積小的缺點,將加熱器制成環(huán)形,進而增大加熱器傳熱的表面積。該加熱器的缺點是不能有效地控制加熱溫度,難以工業(yè)應用[6-7]。

2.1.3 絕緣導體限溫加熱器

絕緣導體限溫加熱器主要由中心導體、絕緣體、填充的雜質(zhì)和護套組成。中心導體的功能是產(chǎn)生熱量;絕緣體的功能是防止漏電,傳遞熱量;填充的雜質(zhì)主要為M gO,主要是用于電加熱器內(nèi)部導電元件絕緣、提高電加熱器的絕緣強度;護套的作用是高溫防腐。

絕緣導體限溫加熱器的原理是:當施加時變電流時,在溫度低于居里溫度(50～120℃)時,加熱系統(tǒng)首先提供第一輸出,隨著溫度的增加逐漸提供減少的(第二輸出)熱輸出。這類加熱元件加熱的優(yōu)點是不容易因地層中的熱點而中止或失效,可以很好地控制加熱速率,防止地層的井眼區(qū)域過熱導致地層焦化。

根據(jù)絕緣導體限溫加熱器的原理,可制造出各種形式的加熱器:Y形、U形和LU形。

2.1.3.1 Y形加熱器

Y形加熱器被置于目標礦帶的3個相鄰井中,在目標礦帶下方的底部實現(xiàn)電氣連接。3個電極加熱器井在電氣配置上采用了三相Y電路,在底部連接端采用中性連接。這樣,就構(gòu)成了3個電極的“三合一機組”。Y形加熱器有3個部段:上覆層部段,電加熱部段和電接觸部段。3個加熱器在地下電氣耦聯(lián)組成一組加熱器[8]。Y形加熱器的各組成部分(如圖1所示)和功能為:

圖1 Y形加熱器圖

三相變壓器——用于提供特定的三相輸出。

引入導線——為具有聚氨酯絕緣體的銅棒。

上覆層套管——為絕緣體(例如,聚合物)以防止加熱上覆巖層。

過渡帶——用于連接引入導線和加熱元件,防止引入導線過熱(一般為3～9 m)。

電加熱元件——具有薄電氣絕緣層,有較好的熱膨脹性、低熱阻。

接觸元件——用于電氣耦聯(lián)。

Y形加熱器的優(yōu)點是增加了加熱功率,可用于加熱厚層油頁巖。缺點是底部電氣藕聯(lián)比較困難,需要鉆斜向井。殼牌的ICP(原位開采油頁巖技術(shù))技術(shù)中利用70～100個 Y形加熱器,間隔6～12 m。安置在指定位置的電加熱井,綿延長約600 m。該技術(shù)在設(shè)計上將其大部分熱輸出集中在底部300 m處[9]。

2.1.3.2 U形加熱器

不同于Y形加熱器的位列方向,U形加熱器將3個加熱器在地面上以三角形方式水平排列(圖2)。該加熱器利用了較長的、大體上水平的加熱器支腿長度,可用來開采較薄層的油頁巖礦層,缺點是鉆多個水平井和斜向井,成本較高,不容易實施。

圖2 U形加熱器圖

2.1.3.3 LU形加熱器

為了降低加熱器的成本,LU形加熱器沿直線方向布置3個加熱器(圖3)。引入導線將加熱元件耦聯(lián)到地層表面上。加熱元件耦聯(lián)到位于地層的底層上或附近的接觸元件。接觸元件耦聯(lián)到接觸部分中的接觸器上,以使支腿間彼此電氣耦聯(lián)以形成三元結(jié)構(gòu)。三元結(jié)構(gòu)耦聯(lián)到水平連接井。該加熱器的優(yōu)點是電氣耦聯(lián)多樣化,較易實施,缺點是直線排布三元結(jié)構(gòu)不利于加熱頁巖層。

圖3 LU形加熱器圖

2.2 電加熱井的設(shè)計

電加熱井的功能是將電加熱器產(chǎn)生的熱量傳遞給頁巖層,是連接電加熱器和頁巖層間的紐帶。

沿電加熱器長度包括多個具有不同能量輸出的部分。并且每個部分包括限溫部分,用于限制熱量輸出。所以可提供輸出不同大小的熱量,以一種或多種加熱速率來加熱巖層。電加熱井的結(jié)構(gòu)見圖4所示。電加熱井主要由以下部分組成:①引入線:主要用于進入電能,工作溫度范圍為40～90℃;②冷引線:用于充分降低導線加熱器的溫度;③接合部分:把冷引線連接到導線加熱器,工作溫度范圍為260～370℃;④加熱器:用于產(chǎn)生熱量,溫度在530～760℃。

此外,由于地層的不均勻受熱、地層的熱膨脹性的不同,還需要在加熱器與地層之間設(shè)一襯管,如圖4所示,防止加熱過程中加熱器受到地層熱膨脹而變形。襯管的機械強度足以抵擋位于地層中高品位礦層的膨脹。襯管具有開孔,允許流體流經(jīng)井眼。

2.3 電加熱井的布置與操作

如何布置電加熱井,盡量減少加熱巖層死角也是油頁巖原位開采加熱工藝中的一個重要研究方面。

2.3.1 電加熱井的布置

電加熱井的布置不同于常規(guī)采油井和蒸汽加熱井的布置,原因在于加熱井含有電荷,和周圍礦層之間具有電勢差。如果不能合適、有效地布置加熱井,將會造成加熱井內(nèi)電量流失。據(jù)研究,生產(chǎn)井應位于具有較小或零電位的位置處,減小或防止在生產(chǎn)井中流動的電流引起的不希望加熱。

圖4 電加熱井的結(jié)構(gòu)圖

如圖5所示,生產(chǎn)井位于六邊形的中心,目的是為了減少或防止由三元結(jié)構(gòu)支腿中電流引起的電磁效應所產(chǎn)生的感應加熱。在六邊形中具有2個三元結(jié)構(gòu)確保了生產(chǎn)井周圍的電阻加熱。因此,如果1個三元結(jié)構(gòu)失效時,生產(chǎn)井仍保持在1個三元結(jié)構(gòu)的中心。

圖5 正七點井網(wǎng)示意圖

2.3.2 電加熱井的操作

研究表明:在200℃左右,地層會發(fā)生強烈的膨脹。在200～300℃的范圍內(nèi),地層的膨脹開始逐漸減弱。在油頁巖干餾完以后,地層膨脹很小或不發(fā)生膨脹,而且還可能會收縮[9]。

2.3.2.1 方形加熱

圖6為加熱井陣列的一種排布方式,若同時開啟所有加熱井,將會使地層產(chǎn)生很大的熱膨脹,造成加熱井發(fā)生變形的后果。地層最外面的井眼最容易發(fā)生變形,原因在于累積的熱膨脹行為。從受熱體積的中心部位向周邊區(qū)域,熱膨脹的效果是逐漸增大的?？梢圆捎貌煌瑫r間開啟間插的加熱井,來減弱地層熱膨脹的效果。

圖6 方形加熱圖

2.3.2.2 圓形加熱

圖7為加熱井的另外一種陣列形式。在同心環(huán)形式的體積中,隨著環(huán)形體積向外移動其周長逐漸增大。所以間插加熱可減少外環(huán)體積的地層熱膨脹。

圖7 圓形加熱圖

此外,各種體積的尺寸大小、形狀、位置和加熱時間,可利用模擬、計算等方法來確定出地層加熱過程中熱膨脹的程度,尋找出防止井眼變形的臨界點,以達到提高地層的加熱效率。

3 電加熱技術(shù)的特點和發(fā)展趨勢

根據(jù)原位開采電加熱工藝的原理和現(xiàn)場試驗的結(jié)果來看[10-15],原位開采電加熱工藝主要具有以下特點:①傳導加熱巖層,速率小,增加能耗;②不需要對井筒進行隔熱,大大減少了成本;③電加熱工藝復雜,故障難以排除;④加熱井的設(shè)計及開發(fā)需要進一步的研究;⑤油氣遷移動力小,回收率較低。

從油頁巖干餾技術(shù)發(fā)展過程看,現(xiàn)場試驗已經(jīng)證實原位電加熱技術(shù)可行且具有良好的發(fā)展前景。盡管該技術(shù)尚未在商業(yè)規(guī)模上加以驗證,但它具有其他加熱技術(shù)無法相比的優(yōu)點。未來的原位開采電加熱技術(shù)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

3.1 簡化工藝

工藝簡單、有效,適應性強,將是今后技術(shù)發(fā)展的主要方向。相對于蒸汽加熱和微波加熱工藝,電加熱器的材料、結(jié)構(gòu)不僅具有耐高溫、耐腐蝕的性能,而且需要絕緣性能好。不同厚度和構(gòu)造的油頁巖儲層需要的電加熱井的構(gòu)造不同。復雜的電加熱器給井的安裝及維護帶來了很多不便,而電加熱容易發(fā)生故障,且難以排除。因此進行工藝的簡化是油頁巖電加熱技術(shù)開發(fā)的趨勢。

3.2 大規(guī)模、低成本、高效益

地下原位開采工藝區(qū)別于地面干餾工藝的最大特點就是,不需要挖掘地下的油頁巖層,而是直接將熱量引入地下加熱油頁巖層。這就涉及電熱源的形式和分布、熱量的損失、熱量控制及熱量在地層中的傳遞等問題。需要在大區(qū)塊的油頁巖開發(fā)時,整體采取方形加熱或圓形加熱的操作方式,減弱油頁巖加熱時地層膨脹的擠壓,避免造成不必要的地層及開采工具的傷害,降低開發(fā)成本,提高經(jīng)濟效益。

3.3 綜合技術(shù)

油頁巖層中的有機質(zhì)被加熱到一定高溫后就會發(fā)生高溫裂解。同時,整個地層在各方面的參數(shù)也會發(fā)生變化,巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、應力分布、物質(zhì)組成等等方面的參數(shù)發(fā)生變化。因此油頁巖熱解技術(shù)、溫度控制技術(shù)、高溫頁巖油氣集輸技術(shù)、信息控制技術(shù)及保溫技術(shù)等相互滲透、綜合、集成和應用是當今技術(shù)發(fā)展的主要方向。

隨著原位開采技術(shù)的不斷發(fā)展,頁巖油必將進行大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。原位開采電加熱技術(shù)是原位開采技術(shù)中的重要組成部分,但是中國目前在這方面的研究基本上處于空白狀態(tài)。根據(jù)中國油頁巖資源埋藏深,品位低的特點,中國應該大力開展原位開采電加熱技術(shù)方面的研究工作,為將來全國大規(guī)模開發(fā)油頁巖資源提供技術(shù)儲備。

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Curren t situation and developmen t poten tial of electr ic heating process of in-situ oil shale conversion

Wang Shengpeng,Liu Dexun,Wang Hongyan,Zhao Qun,Fang Chaohe,Zheng Dewen
(New Energy Sources Research Department,Petroleum Ex p loration and Development Research Institute, PetroChina,Langfang,Hebei 065007,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 2,pp.114-118,2/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Through yearsof continuous developmentof oil shale industry in China,great p rogress has beenmade in the related studies of ground oil shale reto rting technology,but,restricted by laborato ry equipment and analytical techniques,few studies focuson the underground one.Up till now,the electric heating p rocess of in-situ oil shale conversion is mature enough to p roduce shale oil. Hereby in this paper,based on the p rinciples of such electric heating p rocess,its flow p rocess and key techniques are bo th exp lained in detail including the choice and design of the electric heaters,the design of the heating wells,the allocation and operation of heating wells,and so on.In addition,the characteristics and development potential of this electric heating p rocess are summarized herein.It is concluded that such electric heating p rocessof in-situ oil shale conversion will dominate in the future in the follow ing aspects:simp le p rocess,large scale,low cost,high p rofit,and advanced integrated techniques.

oil shale,electric heating,in-situ conversion,heating apparatus,heating well,flow p rocess,development potential

國家重大專項“頁巖油有效開采關(guān)鍵技術(shù)”項目(編號:2008ZX05018)。

王盛鵬,高級工程師;現(xiàn)主要從事非常規(guī)油氣勘探開發(fā)研究工作。地址:(065007)河北省廊坊市萬莊44號信箱。電話:(010)69213243。E-mail:w sp_cq@petrochina.com.cn

王盛鵬等.原位開采油頁巖電加熱技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向.天然氣工業(yè),2011,31(2):114-118.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.029

(修改回稿日期 2010-12-20 編輯 羅冬梅)English Editor:JIANGJing-ping TAN Rong-rong

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.029

Wang Shengpeng,senio r engineer,is mainly engaged in research of unconventional hydrocarbon resources exp lo ration and development.

Add:Mail Box 44,Wangzhuang,Langfang,Hebei 065007,P.R.China

Tel:+86-10-6921 3243 E-mail:w sp_cq@petrochina.com.cn

Tel:+86-28-8601 3013

E-mail:jjp lynth@ho tmail.com