吉林油田頁巖油的開發(fā)利用前景研究

崔雷 李盈 宋國強 雷正軍（大慶鉆探工程公司試油測試公司）

吉林油田位于松遼盆地腹地吉林省，是我國頁巖油儲量最大油田之一，擁有儲量豐富的低熟頁巖油，開發(fā)應用前景十分廣闊，對促進吉林油田的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。頁巖油是蘊藏在具有較低孔隙度和較低滲透率的致密含油層中的一種石油資源，包括泥頁巖孔隙和裂縫中的石油、泥頁巖層系中的致密碳酸鹽或碎屑巖臨層和夾層中的石油儲藏資源，通常采用水平井和水力壓裂技術進行開采。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展對石油能源需求的不斷增多以及石油資源的日趨枯竭，頁巖油的開發(fā)利用將成為油氣勘探開發(fā)增儲減產(chǎn)的新領域，意義非常重大。

1 開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.1 資源儲藏量

國土資源部于2013 年對松遼盆地頁巖油資源儲量評估結果顯示，松遼盆地及外圍區(qū)域頁巖油的地質資源儲量潛力巨大，初步估算地質資源儲量在131.93×108t，而吉林油田占有地質資源儲量的三分之二以上，頁巖油是未來相當長的一段時間內油氣勘探開發(fā)利用的重要接替領域，是實現(xiàn)吉林油田可持續(xù)發(fā)展的有利條件[1]。

1.2 勘探試產(chǎn)

目前，吉林油田已經(jīng)完成了中深層頁巖油及低熟頁巖油的開發(fā)試產(chǎn)，取得了成功的經(jīng)驗，為大面積開發(fā)頁巖油奠定了堅實的基礎。

查34-7 井為中深層頁巖油儲層，其壓裂井段位于2 260～2 382.8 m，成功壓裂后經(jīng)過30 天的試產(chǎn)，已經(jīng)取得1 800 m3的工業(yè)油流，生產(chǎn)狀況良好，開發(fā)前景明朗。

大83 井屬于低熟頁巖油地質儲藏區(qū)，低成熟頁巖油的密度和黏度都比較高，油質偏向于重質油，其密度在0.88～0.96 g/cm3，平均值高達9.1 g/cm3；其黏度變化范圍在25～2 650 mPa·s，以中質稠油為主，常規(guī)手段開發(fā)難度較大。所以在開發(fā)過程中需要將地層溫度加熱至200～600 ℃進行原位開發(fā)，因此極易造成套管受熱伸長及井口抬升而引發(fā)安全事故，固井技術和固井質量極其重要。吉林油田在大83 試驗井采用目前比較先進的預應力固井技術，較好的解決了上述問題，為吉林油田低熟頁巖油地質儲藏全面開發(fā)積累了成功經(jīng)驗[2]。

1.3 頁巖油開發(fā)的技術分析

1.3.1 地質條件分析

吉林油田地處松遼盆地腹地，地質結構十分復雜，泥頁巖主要生成于中生界斷層和塌陷湖盆中，頁巖油儲層的埋深度和儲層跨度都比較大，其縱向和橫向的非均質性非常強，液相變化比較快。雖然該地域富有機質泥頁巖的總體發(fā)育良好，但是總有機碳的含量普遍高于2%，整體成熟度偏低，屬低成熟頁巖油地質儲層，油品的密度和黏度都比較高，常規(guī)開發(fā)技術具有一定的局限性。

1.3.2 開發(fā)技術分析

吉林油田的陸相頁巖油的石英、碳酸鹽礦物質主要以無機成因為主，黏土礦物的含量非常高，如大83井段區(qū)域的粘土礦物含量27.7%～54.8%，平均值達到47.3%，以伊利石和伊利-蒙皂混合石為主要成分，其中伊利石的含量高達18%～52%，平均在39%，水敏性非常強，傳統(tǒng)的水基壓裂改造技術難以適應工業(yè)生產(chǎn)需求，而對于后期的壓裂改造技術難度更大，因此適用于低熟頁巖油地質儲層開發(fā)條件下的二氧化碳壓裂開發(fā)技術亟需進行試驗性技術攻關，以適應低熟頁巖油地質資源的開發(fā)需求[3]。

1.3.3 油體性質分析

吉林油田頁巖油地質儲藏資源，由于受油的流體性質決定，使頁巖油儲層受到有機質熱成熟度范圍的控制，使低成熟頁巖油具有很高的黏度和密度，流動性非常差，大大降低了低成熟頁巖油的工業(yè)性開發(fā)。在頁巖油的構成中，石油分子比天然氣分子大，其擴散能力比較弱，因此常規(guī)開采技術難以形成較高的產(chǎn)能。因此，維持地層具有較高的壓力和一定的石油天然氣比值以改善頁巖油的流動性，是果提高頁巖油產(chǎn)能的前提條件。

2 開發(fā)利用前景分析

2.1 頁巖油的組成和性質

頁巖油的成分組成與天然石油基本相同，但與天然石油相比較，組分中含有更多的不飽和烴及氧、氮、硫等非烴類有機化合物，而這些物質是頁巖油密度和黏度增大的主要原因，目前頁巖油已經(jīng)成為天然石油的重要補充。吉林油田的頁巖油除含有天然石油的所有成分外，不飽和烴和非烴類化合物要明顯高于天然石油。其中烯烴是頁巖油中的重要成分，是天然石油所沒有的，含氮化合物及含氧化合物也是頁巖油的主要成分，其含量要比天然石油高。

常溫下頁巖油呈褐色膏狀，其黏度和密度都比較高，帶有強烈的刺激性氣味。在頁巖油中輕餾分的含量相對比較低，其中汽油餾分通常僅占2.6%～2.8% ， 360 ℃以 下 餾 分 含 量 大 約 占40%～50%，渣油含量大約占20%～30%，含蠟重油餾分大約占25%～30%。頁巖油屬于含氮量較高的石蠟基油類型，其中含有大量石蠟和較高的含氮量，但所含瀝青組分較低，頁巖油的凝固點比較高[4]。頁巖油由于產(chǎn)地不同，其成分構成及性質不同，其密度、黏度、凝固點、含蠟比重、瀝青質、組成元素等方面的差異較大，但是碳氫重量的比值平均都在7～8范圍內，與天然石油非常近似，是最佳的天然石油替代產(chǎn)品。

2.2 頁巖油的加工處理技術

由于頁巖油與天然石油的性質基本相同，因此天然石油的冶煉加工技術都是用于對頁巖油的冶煉加工。目前，頁巖油的冶煉加工技術包括加氫冶煉加工處理技術與非加氫冶煉加工處理技術兩種。

2.2.1 加氫工藝處理技術

頁巖油通過加氫冶煉加工處理技術，可以分解出包括柴油、汽油、石腦油等液體燃料產(chǎn)品，其中所生產(chǎn)的柴油具有質量非常穩(wěn)定、產(chǎn)品回收率高、沒有“廢水、廢棄、固體廢棄物”排放等優(yōu)點。加氫工藝處理技術要點在于，通過加氫預處理脫離出氧、硫、氮等雜原子化合物，再按照天然石油的冶煉加工處理技術進行成品油加工。頁巖油的加氫工藝處理技術主要包括：

1）熱加工-加氫精制工藝技術流程。頁巖油的全餾分通過焦化和熱裂化后獲得的直餾輕油使用純MoS2加氫精制，可提取出性能穩(wěn)定的1#航空煤油，并使液體的回收率有所提高。頁巖油全餾分通過焦化后可分餾出油用W-Mo-Ni-Al系列催化劑并進行加氫精制，可分流出大約33%～35%的寬餾分航空煤油（對應加氫油），約67%～69%的輕質發(fā)動機燃料（對應全餾分）以及13%～14%的頁巖焦（對應全餾分）。

2）加氫精制-加氫裂化工藝技術流程。加氫精制-加氫裂化工藝技術流程是使用MoS2做催化劑在26 MPa的氫壓力下進行加氫精制，在不考慮制氫用原料的前提下，液體的回收率可達到96.5%～98.0%，成品柴油的收率可達到64%～65%，所生成的成品柴油氮含量約為0.05%；分餾后的重油餾分經(jīng)過脫蠟后可以制取潤滑油及石蠟產(chǎn)品；使用MoS2-WS2做催化劑一段串聯(lián)進行加氫裂化處理，輕質油產(chǎn)品回收率可達78%～79%，其中1#航空煤油產(chǎn)品約40%，所生成的輕質成品油氮含量約為0.01%，質量較高[5]。

3）加氫精制-催化裂化工藝技術流程。頁巖油全餾分經(jīng)過高壓固定床精制后獲得含氮量約在0.08%的油品，用低硅鋁做催化劑通過實驗室催化裂化技術實驗，取得汽油回收率34.5%～35.5%、柴油回收率30.5%～31.5%，液體總產(chǎn)率73.5%～74.5%的理想實驗結果。

4）加氫組合工藝處理技術。加氫組合工藝處理技術是指采用加氫裂化催化劑、加氫精制催化劑及加氫裂化-加氫處理反序串聯(lián)組合，以全餾分頁巖油為原料制取清潔燃料油的工藝技術，該項技術可達到歐Ⅴ清潔柴油技術標準，并可分餾出低硫、質量優(yōu)良的石腦油。通過該項技術可以使柴油的回收率高達81.0%以上，液體的總回收率達到97.0%，化學氫的消耗量為2.90%～2.95%，應用效果比較明顯。

2.2.2 非加氫工藝處理技術

1）酸堿處理工藝技術。頁巖油的非加氫工藝處理技術，是指在對頁巖油工業(yè)化冶煉建工過程中，利用酸洗、堿洗以及酸堿聯(lián)合清洗精制工藝技術。酸洗的目的是使頁巖油組分中的膠質成分，硫酚類、硫醇類、烷基二硫化物、硫醚、噻吩及砜類等韓流化合物，含氮化合物中的堿性氮從頁巖油中脫出，同時也可脫出部分非堿性化合物、芳烴及烯烴，通常情況下，酸洗采用磷酸、鹽酸及濃硫酸等強酸，以達到酸洗效果。對頁巖油進行堿洗的目的是脫出其組分中的硫酚、硫醇等酸性物質，堿洗通常采用低濃度堿液即可達到技術要求。

2）溶劑精制工藝技術。工業(yè)生產(chǎn)中，用于頁巖油精制的化學溶劑主要包括：甲醇、糠醛、乙醇、二甲基亞砜、二甲基酰胺、酚以及有機酸等，其精致原理是利用某些化學溶劑對油品的理想組分和非理想組分的溶解度之間的差異性，能夠有選擇性的從油品中將不安定組分脫出，使油品的穩(wěn)定性得到明顯改善，對于化學溶劑的選擇，應充分考慮溶劑對油品的溶解能力及選擇能力，以達到理想的精制效果。

3）吸附精制工藝技術。吸附劑對堿性化合物的吸附作用比較明顯，通過吸附工藝技術可以將頁巖油油品中的含硫化合物、含氮化合物以及含氧化合物吸附掉，從而達到油品精致的目的。在頁巖油冶煉加工過程中，常用的吸附劑主要包括硅膠、硅藻土、氧化鋁、分子篩和白土等，吸附效果完全可以滿足工藝技術要求。

4）添加穩(wěn)定劑工藝技術。在頁巖油液量加工過程中，添加穩(wěn)定劑的主要目的是有效防止頁巖油中的芳烴及烯烴組分在冶煉加工過程中發(fā)生縮合和聚合反應形成膠質和瀝青質，降低油品的回收率。通常情況下，所使用的穩(wěn)定劑是由包括分散劑、抗氧劑、金屬鈍化劑及防腐劑等一種或幾種共同組成的復合劑，以提高有效性。其中：分散劑能夠迅速有效的將沉渣顆粒進行分散，防止沉渣顆粒堵塞噴油嘴和濾清器；抗氧劑能夠將頁巖油中的過氧化物進行分解，使自由基無法生成，實現(xiàn)降低膠質生成率和延長誘導期的作用；金屬鈍化劑能夠有效降低油品中溶解性金屬離子的活性，抑制溶解性金屬離子對油品氧化反應的催化作用，提高油品的穩(wěn)定性[6]?？寡鮿?、分散劑、金屬鈍化劑共同作用，相互補充，對提高頁巖油柴油餾分的穩(wěn)定性和質量具有十分重要作用。

2.3 頁巖油的開發(fā)利用前景

1）頁巖油中含有極其豐富的烷烴和烯烴類物質，可以生產(chǎn)出高附加值的化工產(chǎn)品，如利用C6-10餾分生產(chǎn)優(yōu)質增塑劑；C11-13通過生物降解其組分中的線形十二烷基苯后所得到的產(chǎn)品是生產(chǎn)清潔劑的重要原材料；C14-18餾分是生產(chǎn)脂肪醇以及烷基硫化鹽產(chǎn)品的優(yōu)質原材料；而頁巖油中的重質烷烴餾分可通過裂化生產(chǎn)工藝技術生產(chǎn)多種低分子質量的烯烴，同時也能夠獲得工業(yè)瀝青以及碳纖維產(chǎn)品。

2）頁巖油中含有較高的含硫化合物組分，包括：硫化氫、硫醇類、硫茚、噻吩類等有機硫及二硫化物。硫的資源比較廣泛，而硫以及硫的化合物在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥生產(chǎn)、染織工業(yè)以及合成材料工業(yè)等方面都具有非常廣泛的用途。硫的主要用途是生產(chǎn)硫酸，是眾多生產(chǎn)領域極其重要的原料。

3）含氮化合物是頁巖油的重要組分之一，包括堿性含氮化合物、弱堿性含氮化合物、中性含氮化合物三類。堿性含氮化合物主要有叔胺類吡啶系、喹啉系以及異喹啉系化合物；弱堿性含氮化合物則以吡啶系化合物為主體；中性化合物則以腈類R-CN 為主。其中吡啶系含氮化合物在頁巖油含氮類化合物中所占比重最高，吡啶類含氮化合物是以吡啶堿的形式存在于頁巖油中，吡啶堿能夠溶解一般溶劑所無法溶解的有機化合物，是一種用途非常廣的化工原料[7]。吡啶類化合物偶可細分為輕質吡啶和重質吡啶兩種，輕質吡啶是制藥工業(yè)的重要原料，而重質吡啶既可以通過氧化法制取菸堿酸，又可以作為浮選劑用于有色金屬選礦，尤其是對硫化物礦藏具有非常有量的富集性能。同時，吡啶堿以及硫酸吡啶絡合物具有比較明顯的抑制烯酸對鋼鐵的侵蝕作用，可以用于鋼鐵產(chǎn)品的腐蝕抑制劑，以防止酸類物質對鋼鐵的侵蝕而生銹[8]。

4）頁巖油中的含氧化合物主要有酚類、酸性及中性含氧化合物[9]，對頁巖油中含氧化合物的有效利用則主要是分類化合物。在工業(yè)生產(chǎn)中，酚類化合物主要應用于合成纖維、塑料、染料、電氣絕緣材料、防腐劑以及醫(yī)藥等產(chǎn)品，是非常重要的和用途非常廣的化工原料。重質酚可用作鉛、銅、鋅磁鐵有色金屬礦物的浮選劑[10]，同時也是生產(chǎn)農(nóng)藥殺蟲劑、木材粘合劑的重要原材料。

3 結語

吉林油田擁有豐富的頁巖油地質資源，前景比較廣闊，頁巖油通過冶煉加工可以分餾出高質量的適合于寒冷地區(qū)的1#航空煤油、優(yōu)質汽油、柴油及石腦油。頁巖油的餾分中含有大量的含硫、含氮、含氧有機化合物，能夠分餾出許多種高品質的醫(yī)藥化工等有機工業(yè)原料，應用前景非常太廣闊。目前，勘探開發(fā)技術和冶煉加工工藝技術都比較成熟，規(guī)?；_發(fā)利用已經(jīng)成為現(xiàn)實。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及對石油能源需求的不斷增加，作為天然石油的有效補充和醫(yī)藥化學工業(yè)原材料的資源，加快頁巖油的開發(fā)和綜合利用，對增加我國石油和醫(yī)藥化工等工業(yè)原材料的供給量，促進吉林油田的可持續(xù)發(fā)展，都具有重要意義。