油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

李年銀，王 元，陳 飛，韓應(yīng)龍，陳文斌，康 佳

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司，陜西 西安 710021；3.中國(guó)石油玉門(mén)油田分公司，甘肅 酒泉 735200；4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 西安 710021)

0 引 言

隨著常規(guī)石油資源日漸枯竭，非常規(guī)油氣資源的開(kāi)發(fā)逐漸受到重視，其中，油頁(yè)巖資源的有效開(kāi)發(fā)對(duì)中國(guó)能源儲(chǔ)備具有重要的戰(zhàn)略意義[1-3]。油頁(yè)巖是一種細(xì)粒沉積巖，呈灰褐色或黑色，富含可燃有機(jī)物，大部分為干酪根[4-7]。干酪根是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高分子固態(tài)化合物[8]，富含脂肪族烴結(jié)構(gòu)，不溶于傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑，只有通過(guò)對(duì)固體有機(jī)物厭氧干餾，才能將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)或液態(tài)頁(yè)巖油氣。全世界具有巨大的油頁(yè)巖資源量[9]，可轉(zhuǎn)化為約4 110×108t頁(yè)巖油，是全球常規(guī)油氣資源量的3.5倍。油頁(yè)巖資源的開(kāi)發(fā)方式主要有地面干餾技術(shù)與地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)2種。采用地面干餾技術(shù)時(shí)[10]，油頁(yè)巖被開(kāi)采至地面并粉碎成一定尺寸的顆粒，在干餾系統(tǒng)中干餾得到頁(yè)巖油氣。該技術(shù)適用于淺層油頁(yè)巖地層，但只有不到2%的油頁(yè)巖資源滿足露天開(kāi)采條件。油頁(yè)巖是沉積巖，在成巖和采礦過(guò)程中夾帶了大量的無(wú)機(jī)礦物雜質(zhì)，降低了油頁(yè)巖的品位和可磨性。地面干餾過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生大量高污染氣體、酸性水和廢渣。這些因素導(dǎo)致油頁(yè)巖地面干餾技術(shù)面臨經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及環(huán)保方面的挑戰(zhàn)。隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高，地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)已成為一種更合理的技術(shù)。油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)是以水力壓裂技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)熱流體或安放在地下的加熱裝置向地層持續(xù)輸入熱量[11]。當(dāng)?shù)貙訙囟冗_(dá)到干酪根熱解溫度時(shí)，干酪根可熱解生成油氣，再以常規(guī)手段進(jìn)行開(kāi)采。該技術(shù)成本較低，且環(huán)境污染在可控范圍內(nèi)。按照熱量傳遞方式分類(lèi)，油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)可分為對(duì)流換熱及熱傳導(dǎo)2類(lèi)。按照加熱方式分類(lèi)，可分為電傳導(dǎo)加熱、熱流體加熱、輻射加熱、燃燒加熱等。其中，電傳導(dǎo)加熱與熱流體加熱是最為經(jīng)典的2種工藝，相關(guān)研究起步較早，現(xiàn)已有多種配套的改進(jìn)工藝。燃燒加熱技術(shù)的概念于20世紀(jì)70年代提出，但由于工藝機(jī)理較為復(fù)雜，研究進(jìn)度緩慢。依靠獨(dú)特的加熱優(yōu)勢(shì)，輻射加熱工藝逐漸興起，并已開(kāi)展多項(xiàng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，但離現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用階段還有較遠(yuǎn)距離。此次研究按照加熱方式的不同，系統(tǒng)總結(jié)了油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，基于研究現(xiàn)狀提出了下步研究方向。

1 地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 電傳導(dǎo)加熱技術(shù)

電傳導(dǎo)加熱技術(shù)是利用電流的熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量以加熱儲(chǔ)層，最先出現(xiàn)的是殼牌公司開(kāi)發(fā)的ICP技術(shù)[12]，并在此基礎(chǔ)上衍生出了N2輔助原位轉(zhuǎn)化、多孔硅鋁酸鹽輔助原位轉(zhuǎn)化等工藝。ICP技術(shù)基本原理是利用安裝在直井或水平井中的電加熱器對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層加熱，促進(jìn)儲(chǔ)層中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為可采出的油氣資源，再通過(guò)滲流通道開(kāi)采。ICP技術(shù)主要采用井距小于30 m的生產(chǎn)井，以菱形或者正方形布井，以保證在低溫壞境下熱解正常進(jìn)行，地層加熱至有機(jī)質(zhì)熱裂解溫度一般需要2～4 a。ICP技術(shù)的核心是要在油頁(yè)巖儲(chǔ)層周?chē)⑵稹袄鋬鰤Α盵13](圖1)，其作用是防止產(chǎn)生的油氣從生產(chǎn)單元中逃逸以及防止地下水干擾生產(chǎn)單元。

圖1 殼牌公司ICP技術(shù)井網(wǎng)部署示意圖

network deployment with Shell′s ICP technology

殼牌公司在南桃花木示范項(xiàng)目中，在壓力為1.72 MPa、加熱溫度為315 ℃的長(zhǎng)期加熱條件下，利用ICP技術(shù)生成了優(yōu)質(zhì)的頁(yè)巖油[12]。ICP技術(shù)需要根據(jù)地層特征及儲(chǔ)層的非均質(zhì)性劃分生產(chǎn)單元，需要及時(shí)地去除水分，因?yàn)樗谋葻崛菔怯晚?yè)巖中礦物的4倍，會(huì)降低加熱效率。熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)作用從加熱器傳遞到油頁(yè)巖地層，因此，需要在生產(chǎn)單元內(nèi)安放許多加熱器及相關(guān)裝置，將有機(jī)質(zhì)有效地轉(zhuǎn)化為油氣[14-15]。傳統(tǒng)的ICP技術(shù)能耗大，升溫速度較慢，可通過(guò)輔助工藝提高效率。Pei等[16]基于ICP技術(shù)提出了N2輔助原位轉(zhuǎn)化技術(shù)(NAICP)，該技術(shù)通過(guò)在儲(chǔ)層中注入N2以增加對(duì)流換熱作用，從而提高加熱效率。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)模擬溫度為300 ℃、N2注入速率為400 m3/d時(shí)，使用NAICP技術(shù)時(shí)的累計(jì)產(chǎn)油量與最大產(chǎn)油量分別是常規(guī)ICP技術(shù)的1.17倍和1.28倍。同時(shí)，N2作為惰性氣體，對(duì)干酪根熱解反應(yīng)的影響及對(duì)井下設(shè)備和管道的腐蝕較輕，也較易分離，更加環(huán)保。通過(guò)添加催化劑也可提高ICP技術(shù)的加熱效率，多孔硅酸鋁鹽已被證明可用于催化干酪根轉(zhuǎn)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多孔硅酸鋁鹽尤其是硅和鋁的物質(zhì)的量濃度之比為5的AI-SBA-15介孔分子篩，通過(guò)促進(jìn)油頁(yè)巖熱解產(chǎn)生的瀝青產(chǎn)物發(fā)生二次熱解[17]，可提高油頁(yè)巖儲(chǔ)層中有機(jī)質(zhì)的生烴轉(zhuǎn)化率，改善油氣質(zhì)量。中國(guó)中低成熟度頁(yè)巖儲(chǔ)層具有橫向面積大的特征，若采用ICP技術(shù)，必須研究適用于水平井的原位轉(zhuǎn)化工藝。

?？松梨诠景l(fā)明的Electrofrac(TM)技術(shù)(人工壓裂電加熱技術(shù))應(yīng)用也較為廣泛[18-19]，該方法首先需對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層進(jìn)行水力壓裂，之后用導(dǎo)電材料填充人工裂縫實(shí)現(xiàn)原位加熱。人工壓裂電加熱技術(shù)所用的導(dǎo)電材料必須具有足夠高的電阻將電能有效轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)又可傳導(dǎo)足夠大的電流。實(shí)驗(yàn)表明，裂縫中加熱元件的電傳導(dǎo)連續(xù)性不受干酪根轉(zhuǎn)化的影響，?？松梨诠静捎渺褵徒棺鳛閷?dǎo)電劑[18]，這是一種在回轉(zhuǎn)窯中被加熱至1 200～1 400 ℃的焦炭，其物理特性使其易于泵入裂縫。由于煅燒溫度高，其也具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。該技術(shù)在美國(guó)科羅拉多州油頁(yè)巖儲(chǔ)層開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明了該技術(shù)的可行性，但并未進(jìn)行商業(yè)開(kāi)采[19]。

地下燃料電池加熱技術(shù)(GFC)是一種新型技術(shù)，該技術(shù)利用固體氧化物燃料電池發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱量加熱油頁(yè)巖。固體氧化物燃料電池通過(guò)井筒放置在頁(yè)巖儲(chǔ)層中，燃料電池釋放的熱能可將周?chē)?yè)巖加熱至400 ℃，足以促進(jìn)干酪根轉(zhuǎn)化。1臺(tái)地?zé)崛剂掀靼?個(gè)圓柱形的GFC模塊[20]，其中每個(gè)模塊包含3個(gè)功率為1.5 kW的固體氧化物燃料電池堆。采出的天然氣可就近為固體氧化物燃料電池提供燃料，保證系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，GFC技術(shù)生產(chǎn)油氣的最佳成本與常規(guī)開(kāi)采成本相近。同時(shí)，固體氧化物燃料電池相比常規(guī)電加熱更環(huán)保。據(jù)IEP 估計(jì)，GFC 技術(shù)可獲得24 kW·h/t的油電轉(zhuǎn)換率，且NOx、SO2等有毒廢物的產(chǎn)出量可以忽略不計(jì)[21]。

總之，油頁(yè)巖的導(dǎo)電性較差，任何利用導(dǎo)電性來(lái)加熱以促進(jìn)干酪根轉(zhuǎn)化的方法都需要較長(zhǎng)時(shí)間，通常需要1 a以上的時(shí)間預(yù)熱巖體。電加熱技術(shù)消耗巨大的電能且能量利用率較低。以ICP技術(shù)為例，將油頁(yè)巖持續(xù)加熱至550 ℃所消耗的有效理論能量為243.3 kW/t；中國(guó)的工業(yè)電價(jià)為0.7元/(kW·h)，完全熱解所需的電力成本為172元/t；出油率一般為4%(25 t油頁(yè)巖產(chǎn)出1 t油)。因此，生產(chǎn)1 t頁(yè)巖油所消耗的電力成本高達(dá)4 291元[16]，在現(xiàn)有油價(jià)水平下很難進(jìn)行商業(yè)開(kāi)采。

1.2 熱流體加熱技術(shù)

該技術(shù)是通過(guò)向儲(chǔ)層中注入熱流體，采取對(duì)流換熱方式來(lái)加熱油頁(yè)巖。極具代表性的技術(shù)是雪佛龍公司研發(fā)的CRUSH技術(shù)[22]。該技術(shù)首先利用碎石技術(shù)將儲(chǔ)層巖石破碎成巖石塊，然后將加熱后的氣體通過(guò)天然或人工水力裂縫注入儲(chǔ)層，促進(jìn)干酪根熱解。太原理工大學(xué)也研究了類(lèi)似的過(guò)熱蒸汽熱解技術(shù)[23]，通過(guò)注蒸汽井將地面設(shè)備產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽注入地層，待油頁(yè)巖中的干酪根受熱轉(zhuǎn)化為油氣后，再采用常規(guī)方法開(kāi)采，該技術(shù)已在實(shí)驗(yàn)室完成了工業(yè)實(shí)驗(yàn)，預(yù)計(jì)在新疆阜康油田開(kāi)展油頁(yè)巖原位開(kāi)采先導(dǎo)試驗(yàn)。

有機(jī)質(zhì)的加熱裂解和裂解產(chǎn)物的排出會(huì)擴(kuò)大儲(chǔ)層的孔隙及裂縫通道，有利于油氣的采出[23]。同時(shí)，對(duì)流傳熱提高了加熱效率，顯著縮短了有機(jī)質(zhì)完全熱解所需的時(shí)間。在過(guò)熱蒸汽的影響下，油氣運(yùn)移能力得到提高，油氣采收率較高。實(shí)驗(yàn)表明，熱解后樣品的有效孔隙度是自然狀態(tài)下的12.77倍[24]。在熱流體加熱過(guò)程中，水蒸氣不僅用于傳遞和交換熱量，還參與干酪根裂解反應(yīng)，改善氣體產(chǎn)物的釋放特性。升溫過(guò)程中，水蒸氣放出的大量氫原子與脂肪鏈烴類(lèi)及芳香族化合物進(jìn)行脫氫反應(yīng)，為儲(chǔ)層提供了富氫環(huán)境，也可提高油氣品質(zhì)[25]。針對(duì)過(guò)熱流體加熱，Hou等[26]提出了一種采用熔鹽作為吸熱介質(zhì)的太陽(yáng)能塔系統(tǒng)，用于生產(chǎn)加熱過(guò)程中的過(guò)熱蒸汽。此外，結(jié)合水平井分段壓裂及脈沖壓裂工藝等，可有效提高過(guò)熱蒸汽熱解技術(shù)適用儲(chǔ)層的深度，并改善開(kāi)采效果[22]。

超臨界CO2作為一種良好的導(dǎo)熱流體，在溶解性及擴(kuò)散方面具有優(yōu)勢(shì)，研究人員通過(guò)在熱流體中添加超臨界CO2來(lái)改進(jìn)過(guò)熱蒸汽熱解技術(shù)。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬，Zhu等[27]發(fā)現(xiàn)，超臨界CO2對(duì)油頁(yè)巖熱解具有促進(jìn)作用，在壓力為7.80 MPa、注入溫度為400 ℃、超臨界CO2注入速率為2.5～9.0 mL/s時(shí)，隨著注入速率的增大，干酪根熱解速率也增大。超臨界CO2可有效提取油頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)，生產(chǎn)出的石油中的芳烴組分會(huì)增加。為了方便熱解產(chǎn)物的開(kāi)采與分離，西部山區(qū)能源公司(MWE)開(kāi)發(fā)了IVE技術(shù)[22]，該技術(shù)的獨(dú)特之處在于通過(guò)高溫蒸氣將油加熱至汽化溫度，油蒸汽在地表冷凝分離出油，多余的氣體可再循環(huán)利用，該工藝在美國(guó)茶壺山油田香農(nóng)組進(jìn)行了初步的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。結(jié)果表明，注蒸汽30 d后，在生產(chǎn)井的井口產(chǎn)生大量的較大氣泡。

干酪根含量增加會(huì)增加吸熱量，因此，在總注入熱量不變時(shí)，應(yīng)選擇干酪根含量更高的儲(chǔ)層開(kāi)采；保證經(jīng)濟(jì)效益的情況下，適當(dāng)提高蒸汽溫度或降低初始熱解溫度有助于促進(jìn)干酪根吸熱，提高干酪根轉(zhuǎn)化率。從生產(chǎn)角度來(lái)說(shuō)，熱流體加熱技術(shù)相比于其他加熱方法具有開(kāi)發(fā)周期短、產(chǎn)油量高等優(yōu)點(diǎn)。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，過(guò)熱蒸汽原位加熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值為0時(shí)，油價(jià)要達(dá)到4 515元/t[22]。因此，該項(xiàng)技術(shù)還有待進(jìn)一步突破，以達(dá)到商業(yè)開(kāi)發(fā)目的。

1.3 輻射加熱技術(shù)

輻射加熱主要分為微波加熱與射頻(RF)加熱2種。近年來(lái)，微波加熱作為一種非常規(guī)的加熱手段逐漸興起。無(wú)論儲(chǔ)層具有何種幾何形狀及非均質(zhì)性，微波均可穿透整個(gè)儲(chǔ)層產(chǎn)生熱量。微波加熱具有加熱速率高、可任意選擇儲(chǔ)層進(jìn)行加熱、三維方向均可加熱等優(yōu)點(diǎn)。微波在巖體內(nèi)部進(jìn)行加熱，加熱速率僅取決于巖體的介電特性。微波加熱的一般步驟為[28-31]：先通過(guò)壓裂井建立滲流通道，再通過(guò)生產(chǎn)井將微波發(fā)射器放置于儲(chǔ)層中，加熱升溫至干酪根轉(zhuǎn)化溫度。微波加熱方式也有利于促進(jìn)干酪根轉(zhuǎn)化過(guò)程中油頁(yè)巖儲(chǔ)層內(nèi)部孔隙與裂縫的發(fā)育。微波加熱方式下，儲(chǔ)層中的水分蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，沖擊巖體產(chǎn)生微裂縫[32]。微波通過(guò)巖石礦物的非均質(zhì)膨脹產(chǎn)生的內(nèi)部熱應(yīng)力來(lái)破壞巖層[33]，從而在巖石內(nèi)產(chǎn)生多條裂縫，擴(kuò)展基質(zhì)中的孔隙。加熱時(shí)間與輸出功率對(duì)孔隙發(fā)育尤其重要，更大的功率與更長(zhǎng)的加熱時(shí)間可產(chǎn)生更多的裂縫，但高功率會(huì)促進(jìn)生成產(chǎn)物的二次反應(yīng)堵塞毛孔。微波加熱顯著提高了巖石的總孔隙體積與比表面積。總體來(lái)說(shuō)，微波加熱下儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的演化是干酪根轉(zhuǎn)化、蒸汽和揮發(fā)物的射流壓力、微波誘導(dǎo)熱應(yīng)力、儲(chǔ)層內(nèi)部復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)以及不同加熱參數(shù)等因素綜合作用的結(jié)果。

通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，Zhu等[27]發(fā)現(xiàn)微波功率越大，分子之間的微波場(chǎng)相互作用更快，會(huì)加速熱解，也會(huì)提高最終加熱溫度(圖2)。

圖2 不同微波功率下加熱時(shí)間與最高溫度的變化

temperature under different microwave power

油頁(yè)巖礦物及巖體的低介電常數(shù)會(huì)抑制微波吸收能力，降低加熱效率，通過(guò)添加劑可以加以改善。Yang等[33]發(fā)現(xiàn)，氧化鐵納米顆?？勺鳛橐环N有效的微波吸收劑，提高儲(chǔ)層微波加熱效果，同時(shí)氧化鐵納米顆粒在巖心中滯留不會(huì)堵塞孔隙。有機(jī)萃取劑也可促進(jìn)微波加熱，Al-gharabli等[34]發(fā)現(xiàn)甲醇可提高微波加熱效果。此外，含有氮化物及硫化物的油可能會(huì)造成潛在危害，利用微波加熱與鐵粉作催化劑可對(duì)含硫化物的油進(jìn)行脫硫[35]。研究人員對(duì)比了不同金屬氧化物與金屬鹽的催化效果，發(fā)現(xiàn)MgO催化效果最佳，但總體上金屬鹽的催化效果優(yōu)于金屬氧化物[36-37]。油頁(yè)巖中礦物的介電特性會(huì)隨熱解過(guò)程而改變，為了更好地提取油氣，應(yīng)進(jìn)行混合加熱，即先用微波加熱快速升溫，再利用常規(guī)技術(shù)保持恒溫。

雷神公司開(kāi)發(fā)了射頻加熱技術(shù)，將可調(diào)節(jié)頻率的射頻發(fā)射器放置在地層中，借助射頻能量來(lái)加熱油頁(yè)巖，同時(shí)利用超臨界CO2來(lái)驅(qū)替產(chǎn)生的石油與天然氣。經(jīng)過(guò)地面處理后，CO2還可泵入生產(chǎn)井循環(huán)使用[22]。在射頻加熱技術(shù)中，地層中的極性分子吸收能量后與其他分子快速碰撞從而產(chǎn)生熱量，升溫速率較快[38]。但該項(xiàng)技術(shù)并未商業(yè)應(yīng)用。輻射加熱技術(shù)還可用于干餾預(yù)處理，經(jīng)過(guò)短時(shí)間輻射處理后的油頁(yè)巖樣本的單軸抗壓強(qiáng)度顯著降低，可促進(jìn)熱解效率。

與電加熱技術(shù)一樣，輻射加熱需要消耗足夠多的電能來(lái)產(chǎn)生一定頻率的微波或者射頻，開(kāi)發(fā)成本也較高。未來(lái)若可再生能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能等)應(yīng)用廣泛，則輻射加熱技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)采。

1.4 燃燒加熱技術(shù)

燃燒加熱技術(shù)的機(jī)理為燃燒一部分儲(chǔ)層中的油氣，從而產(chǎn)生足夠的熱量來(lái)加熱儲(chǔ)層中的其余有機(jī)質(zhì)。早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)就在懷俄明州實(shí)施了油頁(yè)巖原位燃燒實(shí)驗(yàn)[39]。相比于常規(guī)的加熱方式，燃燒加熱技術(shù)可以將儲(chǔ)層中富含碳的殘?jiān)行У剞D(zhuǎn)化為熱能，從而提升油氣產(chǎn)率。同時(shí)，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量可促使燃燒過(guò)程自發(fā)地持續(xù)。燃燒過(guò)程中的氣體膨脹也會(huì)導(dǎo)致微裂縫的擴(kuò)展[39]，從而提高儲(chǔ)層滲透率。

原位燃燒加熱過(guò)程可分為3個(gè)階段[40]：第1階段(燃燒前緣溫度低于200 ℃)主要為去除水分階段；第2階段(燃燒前緣溫度為493～685 ℃)，儲(chǔ)層中有機(jī)組分大量釋放及燃燒，是該工藝的核心階段；第3階段(燃燒前緣溫度為685～850 ℃)，主要是儲(chǔ)層中無(wú)機(jī)物質(zhì)的分解過(guò)程。KAR等[40]利用土耳其頁(yè)巖樣品在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了一維燃燒實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度由加熱管口至管尾逐漸升高，達(dá)到峰值后逐漸降低。實(shí)驗(yàn)中除了油氣產(chǎn)出外，還生成了N2、O2、CO等氣體，但O2含量極低，說(shuō)明燃燒過(guò)程O(píng)2被很好地利用。Taniya等[41]研究了綠河組頁(yè)巖在燃燒狀態(tài)下的干酪根熱解情況。實(shí)驗(yàn)表明，燃燒過(guò)程所需的能量相對(duì)較低，通過(guò)添加水及催化劑可降低干酪根轉(zhuǎn)化臨界溫度。針對(duì)綠河頁(yè)巖進(jìn)一步開(kāi)展燃燒實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將油頁(yè)巖樣品與鐵基氧化劑混合燃燒可提高燃燒效率。通過(guò)加水形成“濕燃燒”，有助于阻止無(wú)機(jī)物的分解而保證燃燒效率[41]。鮑曼等[42]研究發(fā)現(xiàn)半焦產(chǎn)物中殘余碳的溫度高于500 ℃時(shí)產(chǎn)生的熱量可用作油頁(yè)巖干餾的能源供應(yīng)，且熱解和燃燒相結(jié)合的油頁(yè)巖原位熱解可以達(dá)到更好的生產(chǎn)效果。此外，研究人員利用 Levenberg-Marquardt 算法和優(yōu)化化學(xué)機(jī)理，特別是在油頁(yè)巖及半焦燃燒中，對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)、活化能和化學(xué)計(jì)量系數(shù)等影響熱解的動(dòng)力學(xué)參數(shù)及燃燒過(guò)程中氧化和脫碳反應(yīng)進(jìn)行了模擬，以幫助設(shè)計(jì)油頁(yè)巖的熱解過(guò)程參數(shù)[43]。

通過(guò)對(duì)燃燒加熱技術(shù)的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)[43]，影響其效率的主要因素為注氣速率、儲(chǔ)層滲透率、O2含量及初始含油量等。通過(guò)增大注氣速率，可為整個(gè)反應(yīng)過(guò)程提供更多的O2，可使燃燒前沿維持良好狀態(tài)。初始含油量的增加也會(huì)影響整個(gè)反應(yīng)的進(jìn)行[41]，原油含量越高，燃燒峰值持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。O2含量過(guò)低時(shí)，燃燒反應(yīng)的速率較慢，生熱效率較低；O2含量過(guò)高時(shí)，油頁(yè)巖內(nèi)部燃燒速率加快，有機(jī)質(zhì)釋放速率較快，但產(chǎn)生的無(wú)機(jī)殘留物不能及時(shí)燃燒，會(huì)堵塞油頁(yè)巖內(nèi)部孔隙。吉林大學(xué)提出了一種燃燒加熱的改進(jìn)方法[44](TS-A技術(shù))，該技術(shù)將O2與N2的混合物注入巖體以引發(fā)拓?fù)浠瘜W(xué)氧化反應(yīng)，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)燃燒，為干酪根的熱解提供充足的熱量。利用拓?fù)浠瘜W(xué)氧化反應(yīng)，既可節(jié)約能源又可更徹底地?zé)峤庥晚?yè)巖。2014年，吉林大學(xué)在吉林省農(nóng)安市完成了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，日產(chǎn)油量約為1.65 t/d，采收率為78.5%。

燃燒過(guò)程中的半焦炭殘留物可能會(huì)成為油氣供應(yīng)障礙。此外，對(duì)于油頁(yè)巖內(nèi)部物質(zhì)與其他有機(jī)氣體混合燃燒時(shí)的特征以及與生成的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究仍需突破[45]。燃燒加熱技術(shù)面臨的困難還很多，熱解機(jī)理與燃燒過(guò)程控制都是急需解決的難題，這些都與最終油氣產(chǎn)量有關(guān)。

綜上所述，中低成熟度頁(yè)巖油氣資源可采用的地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)措施種類(lèi)多樣，各有優(yōu)缺點(diǎn)。在工藝實(shí)施前應(yīng)該根據(jù)地層特征及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)選取適合的加熱方案，但目前針對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方案還較少。在選取加熱方案時(shí)，應(yīng)該考慮多種方案的結(jié)合，例如，先利用過(guò)熱蒸汽對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層進(jìn)行加熱，待有部分油氣生成后再將已生成的油氣點(diǎn)燃來(lái)加熱剩余儲(chǔ)層以轉(zhuǎn)化油氣，該方案可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層內(nèi)加熱原料自給自足以及廢料的合理利用。

2 油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)研究前景

目前，油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，很少有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，總體上均面臨著加熱效率低、成本高、環(huán)保問(wèn)題等因素的制約。結(jié)合以往研究成果，未來(lái)應(yīng)注重以下4個(gè)方面研究。

2.1 儲(chǔ)層壓裂技術(shù)

不同于常規(guī)頁(yè)巖油氣，油頁(yè)巖儲(chǔ)層造縫不僅要有利于熱量傳遞，且要減少熱量的損失。前文所述的ICP技術(shù)、流體加熱技術(shù)及輻射加熱技術(shù)等均需儲(chǔ)層內(nèi)裂縫與孔隙的良好溝通條件。干酪根轉(zhuǎn)化生成的油氣必須通過(guò)孔隙與裂縫通道采出，孔隙與裂縫的發(fā)育程度決定了油氣開(kāi)采難度。油頁(yè)巖內(nèi)部的孔隙與裂縫連通性好壞是油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)是否有效的重要因素之一。熱解后油頁(yè)巖內(nèi)部孔隙與裂縫分布廣泛，頁(yè)巖可視為高滲透率多孔介質(zhì)。未來(lái)需對(duì)現(xiàn)有的水力壓裂技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，如直接采用高溫蒸汽壓裂、在已有的支撐劑中添加導(dǎo)電材料、“工廠化”壓裂等，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層改造。對(duì)中低成熟度頁(yè)巖資源的開(kāi)發(fā)，也需要水平井體積壓裂與油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)相結(jié)合。將水平井密切割壓裂、CO2干法壓裂、酸化壓裂技術(shù)與原位轉(zhuǎn)化技術(shù)綜合應(yīng)用，控制裂縫轉(zhuǎn)向，溝通天然裂縫，從而形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)。

2.2 地下儲(chǔ)集空間封閉技術(shù)

地下儲(chǔ)集空間的封閉環(huán)境不僅有助于熱量的維持，防止地下水干擾生產(chǎn)單元，提高生產(chǎn)效率，還可減少油頁(yè)巖轉(zhuǎn)化過(guò)程中的廢棄產(chǎn)物對(duì)地下水的污染。因此，地下儲(chǔ)集空間封閉技術(shù)是保證油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化開(kāi)采高效進(jìn)行及滿足環(huán)保要求的重要基礎(chǔ)技術(shù)。殼牌公司目前在大力研究“冷凍墻”技術(shù)[45]，該技術(shù)是利用液氮或者超冷鹽水等在地下循環(huán)注入，將孔隙與巖體凍結(jié)在一起，形成人工凍墻。但由于儲(chǔ)層空間與“冷凍區(qū)域”溫差過(guò)大，因此，需要不斷循環(huán)注入才能長(zhǎng)期保持儲(chǔ)層空間封閉，成本較高?？紤]環(huán)保因素，需將地層水抽出，待開(kāi)采結(jié)束后還需將開(kāi)采區(qū)的廢棄產(chǎn)物沖洗干凈，施工周期長(zhǎng)，難度大。

吉林大學(xué)自主研發(fā)了注漿帷幕技術(shù)[44]，該技術(shù)將水泥漿注入地層孔隙及裂縫中，水泥漿固化后可封堵地層中流體流動(dòng)路徑。但該技術(shù)主要應(yīng)用于埋深小于100 m內(nèi)的儲(chǔ)層，還需考慮壓裂工藝、地下水流動(dòng)、水泥漿配方等因素，工藝也較復(fù)雜。針對(duì)埋藏深度大于100 m的儲(chǔ)層，吉林大學(xué)開(kāi)發(fā)了氣驅(qū)止水封閉技術(shù)[46]。該技術(shù)通過(guò)注入高壓氣體在地層中形成高壓充氣區(qū)，阻擋外部水進(jìn)入生產(chǎn)單元，提高儲(chǔ)層加熱效率。該技術(shù)需調(diào)整注氣溫度及壓力，不影響干酪根的熱裂解行為?，F(xiàn)有的儲(chǔ)層封閉技術(shù)難以滿足生產(chǎn)與成本之間的平衡，需要不斷優(yōu)化施工參數(shù)或者研發(fā)新的封閉劑，滿足經(jīng)濟(jì)與環(huán)保需求。

2.3 高效加熱技術(shù)

電加熱技術(shù)加熱方式靈活，但升溫較慢；輻射加熱技術(shù)可選加熱區(qū)域，實(shí)現(xiàn)均勻加熱；熱流體加熱技術(shù)升溫快，開(kāi)發(fā)周期短；燃燒加熱技術(shù)能量利用率高。未來(lái)應(yīng)考慮結(jié)合各加熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提高加熱效率，降低生產(chǎn)成本。例如，先利用熱流體加熱或燃燒加熱方式將儲(chǔ)層迅速升溫至干酪根轉(zhuǎn)化臨界溫度，再利用微波輻射加熱維持儲(chǔ)層溫度，既利用了熱流體加熱升溫快、微波輻射加熱可選擇性加熱等優(yōu)點(diǎn)，也克服了熱流體加熱能量利用率低，微波輻射加熱周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

催化劑的研究也極為重要。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)添加催化劑，干酪根的熱裂解作用明顯加強(qiáng)，產(chǎn)物中短鏈烷烴含量增加。在微波輻射中添加具有高介電常數(shù)粒子、金屬氧化物等均可提高微波輻射加熱效率。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于油頁(yè)巖熱解催化劑的研究基本停留在實(shí)驗(yàn)室階段。需要加強(qiáng)干酪根熱轉(zhuǎn)化機(jī)理研究，研究適用于油頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化的新型催化劑及相關(guān)注入工藝。

良好的井下加熱器或加熱介質(zhì)是實(shí)現(xiàn)高效加熱的關(guān)鍵。無(wú)論是何種加熱方式，井下加熱器必須采用耐腐蝕、耐高溫材料，必須具有良好的傳熱特性。目前，雖然國(guó)內(nèi)外已研發(fā)出多種井下電加熱器，但存在效率較低、能耗較高、工作壽命較短等問(wèn)題。未來(lái)應(yīng)從耐高溫、耐腐蝕、保熱性、密封性等方面進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)使用周期長(zhǎng)，能耗低的電加熱器或燃燒加熱器。

2.4 新能源應(yīng)用

無(wú)論何種加熱方式，其能源消耗均較大，且不環(huán)保。在電加熱及熱流體加熱過(guò)程中，大量的能量在儲(chǔ)層中損失，能量使用率低。未來(lái)可考慮將風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、地?zé)崮苌踔梁四軕?yīng)用于油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化過(guò)程中。目前已有學(xué)者研究將太陽(yáng)能結(jié)合熔鹽為熱流體提供能量，但研究?jī)H僅處在理論階段。利用可再生能源開(kāi)發(fā)油頁(yè)巖資源對(duì)環(huán)境安全、成本控制、碳中和目標(biāo)等具有重要意義。

3 結(jié) 論

(1) 油頁(yè)巖是未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略接替資源。地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)是開(kāi)采油頁(yè)巖油氣資源的有效方案。目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展大量的研究工作，但離實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)發(fā)目標(biāo)存在距離。

(2) 各加熱技術(shù)都有各自優(yōu)缺點(diǎn)。電傳導(dǎo)加熱技術(shù)加熱方式靈活，但能源消耗大、利用率低，難以有效實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)采。輻射加熱技術(shù)可選加熱區(qū)域，實(shí)現(xiàn)均勻加熱，但技術(shù)尚不成熟，未來(lái)可再生能源若能有效應(yīng)用于輻射加熱領(lǐng)域，則有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)采。熱流體加熱技術(shù)升溫快，開(kāi)發(fā)周期短，但產(chǎn)出的氣體需要進(jìn)一步分離，核心問(wèn)題還未解決。燃燒加熱技術(shù)能量利用率高，但工藝復(fù)雜，燃燒機(jī)理及過(guò)程控制是未來(lái)的主要研究方向。

(3) 油頁(yè)巖地下原位開(kāi)采技術(shù)難度大，需要多個(gè)學(xué)科共同協(xié)作。未來(lái)在加熱方式、升溫材料、壓裂技術(shù)、地下儲(chǔ)集空間封閉、儲(chǔ)層改造及新能源應(yīng)用等方面還需開(kāi)展科學(xué)研究。