富油煤原位熱解地下加熱技術(shù)及其高效工藝

唐 穎,吳曉丹,李樂(lè)忠,蘇 展,王若儀

(1.中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心,北京 100028;2.中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京 100028)

0 引 言

廣義的富油煤是指焦油產(chǎn)率大于7%的煤炭,我國(guó)富油煤資源量約9 977億t,約占煤炭保有儲(chǔ)量的53%,其中山西、內(nèi)蒙古自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)、甘肅、新疆維吾爾自治區(qū)等5省,富油煤資源量初步測(cè)算在5 500萬(wàn)t以上[1-2]。富油煤在隔絕空氣的條件下熱解可以生成煤焦油、熱解氣和半焦,是集煤、油、氣屬性為一體的煤炭資源[3]。富油煤的原位熱解是指將熱量導(dǎo)入地下富油煤中對(duì)其直接加熱,煤中的固態(tài)有機(jī)質(zhì)在受熱裂解后,將產(chǎn)生的煤焦油和熱解氣采出至地面的過(guò)程。通過(guò)富油煤原位熱解,可將煤中的碳轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄椤錃獾鹊吞蓟驘o(wú)碳的資源,并將半焦保留在地下,不但實(shí)現(xiàn)了富油煤的高效低碳利用,而且極大延伸了煤炭利用的深度范圍[4-5]。

富油煤的原位熱解開(kāi)采在地質(zhì)評(píng)價(jià)、加熱技術(shù)、鉆采工藝等領(lǐng)域尚有較多的科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)。前人在煤炭原位流態(tài)化開(kāi)采的理論與技術(shù)方面都進(jìn)行了系統(tǒng)闡述[4-7],在油頁(yè)巖原位熱解技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行大量理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[8-10],為富油煤原位熱解開(kāi)采奠定了理論基礎(chǔ)與技術(shù)框架。筆者在總結(jié)富油煤熱物理性質(zhì)和熱解特征的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)分析了不同油頁(yè)巖原位加熱技術(shù)特點(diǎn)及在富油煤中的適用性,并提出富油煤原位加熱的高效條件及優(yōu)選工藝,以供參考。

1 富油煤熱物理性質(zhì)和熱解特征

富油煤本質(zhì)上是煤巖,與油頁(yè)巖干酪根以腐泥型為主不同,煤的成巖母質(zhì)是高等植物,干酪根類(lèi)型主要是腐殖型。富油煤的煤巖屬性和干酪根類(lèi)型決定了其在熱物理性質(zhì)、熱解特征上和油頁(yè)巖有很大差異。

1.1 富油煤熱物理性質(zhì)

熱物理性質(zhì)是反應(yīng)材料在傳熱和導(dǎo)熱過(guò)程中的特征,常用導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)3個(gè)參數(shù)表征。富油煤一般為中低階煤,其熱物理性質(zhì)與中低階煤一致。常溫條件下,煤的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于其他巖石,比熱容遠(yuǎn)大于其他巖石(表1),反映了在相同質(zhì)量和受熱條件下,煤傳熱速率更低,升高相同溫度所需熱量更多,加熱過(guò)程中煤體內(nèi)部溫度差異更大,因此,需在原位加熱富油煤時(shí)應(yīng)選擇更高效的加熱技術(shù)、提供更大的熱量、采用更均衡的傳熱方式來(lái)提高加熱效率。

表1 不同巖石熱物理參數(shù)參考值[11-22]Table 1 Thermophysical parameters of different rocks[11-22]

1.2 富油煤熱解特征

富油煤熱解分為3個(gè)階段:第1階段在200～350 ℃,只有極少量的CH4和CO2氣體產(chǎn)生,煤巖無(wú)顯著反應(yīng),失重在5%以?xún)?nèi),隨溫度升高失重速率逐漸增大(圖1,根據(jù)文獻(xiàn)[23-24]修改);第2階段在350～650 ℃,本階段煤焦油開(kāi)始生成,熱解氣產(chǎn)量逐漸增加,但總量較少,熱解氣組分主要為CH4、H2、CO2、CO,CH4、CO2生成速率在本階段達(dá)峰值,煤焦油產(chǎn)率在450～550 ℃達(dá)峰值,本階段富油煤熱解失重70%左右,失重率先增至峰值然后減小;第3階段在650～900 ℃,是熱解氣產(chǎn)出的主要階段,熱解氣主要來(lái)自煤焦油的二次裂解,以H2和CO為主,H2在900 ℃占熱解氣總量的50%以上,本階段煤巖失重占25%左右,隨溫度升高失重速率逐漸減小。由于煤焦油黏度較大原位抽采困難,現(xiàn)階段對(duì)焦油增量需求也小,因此在原位熱解中應(yīng)盡量提高加熱溫度以減少煤焦油產(chǎn)出,提高熱解氣的產(chǎn)量。

圖1 富油煤熱解失重(TG)及失重微分(DTG)曲線Fig.1 Pyrolysis weight loss (TG) and weight loss differential(DTG) curves of tar-rich coal

2 油頁(yè)巖原位加熱技術(shù)及其適用性

學(xué)者對(duì)煤炭的流態(tài)化開(kāi)采進(jìn)行研究,提出利用電磁感應(yīng)、微波輻射、過(guò)熱水蒸氣、超臨界水等對(duì)煤巖進(jìn)行原位加熱的技術(shù)思路[4-7],但上述技術(shù)在富油煤中缺少適用性研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,許多公司和機(jī)構(gòu)均進(jìn)行油頁(yè)巖原位加熱技術(shù)研究,部分技術(shù)已完成了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),可作為富油煤原位加熱的借鑒(表2)。原位加熱技術(shù)根據(jù)加熱原理可以分為傳導(dǎo)加熱、對(duì)流加熱、化學(xué)加熱、輻射加熱4種,下面對(duì)4種加熱方式的加熱原理、技術(shù)特點(diǎn)及其在富油煤中的適用性進(jìn)行分析。

表2 不同原位加熱技術(shù)基本原理及技術(shù)特點(diǎn)[7-9,25-28]Table 2 Basic principles and technical characteristics of different in-situ heating technologies[7-9,25-28]

2.1 傳導(dǎo)加熱技術(shù)

傳導(dǎo)加熱就是將熱電阻或?qū)щ娊橘|(zhì)放至目的層中,通過(guò)熱電阻或?qū)щ娊橘|(zhì)發(fā)熱對(duì)目的層進(jìn)行直接加熱,熱量通過(guò)目的層自身的導(dǎo)熱性能傳遞。傳導(dǎo)加熱技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是地面及井下設(shè)備均較簡(jiǎn)單,加熱過(guò)程易控制,缺點(diǎn)是熱量傳遞慢,加熱時(shí)間長(zhǎng),受地下水影響大。傳導(dǎo)加熱代表技術(shù)有殼牌公司的ICP技術(shù)、埃克森美孚公司的Electrofrac技術(shù)、美國(guó)IEP公司的GFC技術(shù)以及吉林大學(xué)的HVF技術(shù)(圖2),其中ICP技術(shù)及Electrofrac技術(shù)進(jìn)行了先導(dǎo)試驗(yàn),ICP技術(shù)在1個(gè)試驗(yàn)中采出了270 m3輕質(zhì)油和少量熱解氣,Electrofrac技術(shù)未采出頁(yè)巖油,GFC技術(shù)、HVF技術(shù)均處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

圖2 傳導(dǎo)加熱技術(shù)示意[9,25-27]Fig.2 Schematic diagram of conduction heating technology[9,25-27]

傳導(dǎo)加熱以電加熱工藝最為成熟,電加熱尤其適用于導(dǎo)熱系數(shù)高、熱解溫度低、加熱時(shí)間長(zhǎng)的作業(yè)場(chǎng)景,其設(shè)備簡(jiǎn)單、易于控制的特點(diǎn)降低了作業(yè)成本。對(duì)于富油煤原位加熱來(lái)說(shuō),傳導(dǎo)加熱技術(shù)應(yīng)用的最大瓶頸是煤的導(dǎo)熱系數(shù)極低,無(wú)論是哪種加熱工藝,其產(chǎn)生的熱量都難以快速傳導(dǎo),這將導(dǎo)致煤巖加熱時(shí)間長(zhǎng),加熱設(shè)備周?chē)壮霈F(xiàn)局部異常高溫從而造成自身?yè)p壞。此外,煤層中一般含有地層水,地層水對(duì)傳導(dǎo)加熱會(huì)產(chǎn)生較大影響。

2.2 對(duì)流加熱技術(shù)

對(duì)流加熱技術(shù)是在人工致裂的基礎(chǔ)上,將高溫的載熱介質(zhì)注入到目的層中,通過(guò)載熱介質(zhì)對(duì)目的層進(jìn)行加熱,載熱介質(zhì)有水蒸氣、空氣、氮?dú)?、二氧化碳、烴類(lèi)氣體等。對(duì)流加熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是加熱效率高,載熱介質(zhì)可循環(huán)使用,缺點(diǎn)是注入過(guò)程熱量損失大,高溫載熱介質(zhì)影響注入井管柱的穩(wěn)定性。對(duì)流加熱代表技術(shù)有雪佛龍公司的CRUSH技術(shù)、EGL公司的CCR技術(shù)及太原理工大學(xué)的MTI技術(shù)(圖3),CRUSH技術(shù)完成了鉆井和巖芯分析工作,未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加熱試驗(yàn),CCR技術(shù)完成了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)準(zhǔn)備和短時(shí)間加熱測(cè)試[9],MTI技術(shù)完成了實(shí)驗(yàn)室大件工業(yè)試驗(yàn),但未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

對(duì)流加熱是高效的原位加熱技術(shù),通過(guò)載熱介質(zhì)傳熱大幅增加了目的層受熱面積,傳熱通道又可以作為產(chǎn)出通道,提高加熱和產(chǎn)出效率。在富油煤原位加熱中,載熱介質(zhì)形成的加熱網(wǎng)絡(luò)既能彌補(bǔ)煤巖導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn),又能降低煤焦油的黏度,載熱介質(zhì)與焦油形成氣液兩相流,有利于煤焦油的產(chǎn)出。但富油煤最佳熱解溫度高于450 ℃,而現(xiàn)有的井口、井下設(shè)備及材料能在最高350 ℃左右維持穩(wěn)定性和氣密性,設(shè)備和材料的耐高溫能力是在富油煤中采用對(duì)流加熱首要考慮的問(wèn)題。

2.3 化學(xué)加熱技術(shù)

化學(xué)加熱技術(shù)又稱(chēng)反應(yīng)熱加熱技術(shù),是直接向目的層中注入高溫可燃?xì)怏w或氧氣,通過(guò)目的層中的有機(jī)質(zhì)氧化或燃燒產(chǎn)生的熱量使目的層加熱[29-30]?；瘜W(xué)加熱技術(shù)由于放熱都是在目的層內(nèi)部,因此加熱速度快,能量利用率高,但也存在反應(yīng)控制工藝復(fù)雜、反應(yīng)原料和作業(yè)成本高等缺點(diǎn)。化學(xué)加熱代表技術(shù)包括美國(guó)礦務(wù)局的原位燃燒技術(shù)、吉林大學(xué)的局部化學(xué)法技術(shù)等,美國(guó)礦務(wù)局的原位燃燒技術(shù)完成了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并采出了頁(yè)巖油和熱解氣[31],吉林大學(xué)局部化學(xué)法加熱技術(shù)完成了先導(dǎo)試驗(yàn)并采出了頁(yè)巖油(圖4)。

圖4 吉林大學(xué)局部化學(xué)法加熱技術(shù)示意[30]Fig.4 Schematic diagram of TSA[30]

化學(xué)加熱技術(shù)在原位加熱中應(yīng)用較少,從技術(shù)細(xì)節(jié)來(lái)看,化學(xué)加熱技術(shù)中的化學(xué)反應(yīng)部分只提供熱源,傳熱仍依靠載熱氣體,因此從傳熱來(lái)看也屬于對(duì)流加熱。無(wú)論是通過(guò)富油煤自身的燃燒還是氧化提供熱源,均難以控制2種反應(yīng)的穩(wěn)定性,無(wú)法保證熱量穩(wěn)定供應(yīng),一旦反應(yīng)停止,煤層降溫后需重新加熱升溫,嚴(yán)重影響加熱效率。維持地下燃燒和氧化需向地層中不斷注入氧氣,原料成本高。因此,化學(xué)加熱的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性在富油煤中存在挑戰(zhàn)。

2.4 輻射加熱技術(shù)

輻射加熱技術(shù)是利用高頻電磁波或微波直接對(duì)目的層進(jìn)行加熱的技術(shù),前者能使分子高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量,后者通過(guò)分子偶極的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱量[32]。輻射加熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可直接升高目的層溫度,不需傳導(dǎo)或?qū)α鞯男问絺鳠?能量利用率高,其缺點(diǎn)是技術(shù)成熟度低,輻射能量傳遞范圍有限。輻射加熱代表技術(shù)包括斯倫貝謝公司的RF/CF技術(shù)、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的LLNL射頻技術(shù)(圖5)、懷俄明鳳凰石油公司的微波技術(shù),上述3種技術(shù)均處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,微波技術(shù)雖有先導(dǎo)試驗(yàn)計(jì)劃,但未實(shí)施。

圖5 輻射加熱技術(shù)示意[25]Fig.5 Schematic diagram of radiation heating technology[25]

輻射加熱技術(shù)加熱效率高,既避免了對(duì)流加熱技術(shù)中載熱介質(zhì)在注入過(guò)程中的熱損失,又克服了傳導(dǎo)加熱技術(shù)中煤巖自身導(dǎo)熱系數(shù)極低的缺陷,但射頻加熱的速度與傳播距離呈負(fù)相關(guān),加熱范圍有限[33],另外,水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于煤巖,過(guò)多的地層水會(huì)消耗大量能量,影響煤本身的加熱。研發(fā)井下有限空間適用的大功率射頻工具是該技術(shù)在富油煤應(yīng)用中需首要解決的問(wèn)題。

3 富油煤原位加熱高效工藝優(yōu)選

鑒于富油煤熱解溫度要求高、導(dǎo)熱系數(shù)極低,煤巖滲透性差的特點(diǎn),原位加熱需在熱來(lái)源、熱載體、熱通道3個(gè)方面具備高效條件才能實(shí)現(xiàn)高效加熱(圖6),即通過(guò)高效加熱技術(shù)來(lái)提供熱解的溫度需求,通過(guò)高效的載熱介質(zhì)彌補(bǔ)富油煤導(dǎo)熱系數(shù)低的缺陷,通過(guò)高效的傳熱網(wǎng)絡(luò)來(lái)克服煤巖滲透性差的問(wèn)題。

圖6 富油煤原位加熱高效條件Fig.6 High efficiency conditions of in-situ heating of tar-rich coal

3.1 高效的加熱技術(shù)

富油煤原位熱解產(chǎn)物是煤焦油和熱解氣,為擴(kuò)大煤層的熱解范圍并獲得更多的熱解氣,往往需要將煤層加熱至較高溫度[34],這就要求加熱技術(shù)本身能為煤巖提供更多熱量。根據(jù)不同加熱技術(shù)的特點(diǎn)和適用性,推薦對(duì)流加熱作為富油煤首選加熱技術(shù)。

通過(guò)對(duì)流加熱技術(shù)對(duì)煤巖進(jìn)行原位加熱更加高效已基本達(dá)成共識(shí)[1,3-4,35-37]。雖然在地面加熱載熱介質(zhì)可達(dá)到很高的溫度,但高溫的載熱介質(zhì)會(huì)對(duì)注入井的井口、井下設(shè)備和材料帶來(lái)巨大挑戰(zhàn),同時(shí)載熱介質(zhì)在傳輸過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)大量熱損失[38-39]。為避免上述問(wèn)題,提出一種重復(fù)加熱的技術(shù)方案(圖7),即首先在地面通過(guò)常用的加熱方案對(duì)載熱介質(zhì)進(jìn)行加熱,上限溫度控制在作業(yè)條件允許的最大溫度,載熱介質(zhì)通過(guò)連續(xù)油管注入地層,在富油煤的上部地層中布置電加熱器或射頻加熱器陣列對(duì)載熱介質(zhì)進(jìn)行二次加熱以提高介質(zhì)溫度,連續(xù)油管頂部為散熱器,通過(guò)連續(xù)油管來(lái)回拖動(dòng)可對(duì)煤層進(jìn)行選擇性加熱。

圖7 富油煤原位加熱重復(fù)加熱技術(shù)方案示意Fig.7 Schematic diagram of repeat heating technology scheme for tar-rich coal in situ heating

3.2 高效的載熱介質(zhì)

水蒸氣、空氣、氮?dú)?、二氧化碳、熱解氣都曾作為油?yè)巖原位加熱的載熱介質(zhì)[8,10,25,27,40-42],在稠油熱采、煤層氣提高采收率、油砂開(kāi)采中也應(yīng)用廣泛(表3)?？傮w上,上述介質(zhì)在油氣行業(yè)的應(yīng)用分為驅(qū)替和載熱2個(gè)方向,作為驅(qū)替介質(zhì)應(yīng)選擇對(duì)儲(chǔ)層傷害小,驅(qū)替性能高的介質(zhì),作為載熱介質(zhì),應(yīng)選擇比熱容高、制取工藝簡(jiǎn)單的介質(zhì)。

表3 對(duì)流加熱不同載熱介質(zhì)對(duì)比[26,43-47]Table 3 Comparison of different heat-carrying medium for convective heating[26,43-47]

相比其他載熱介質(zhì),水蒸氣優(yōu)點(diǎn)明顯,其比熱容較高,相同質(zhì)量條件下熱焓值高,在地面制取工藝簡(jiǎn)單,成本低,向地層注入無(wú)污染,且水蒸氣還可與煤在高溫下氧化反應(yīng)生成CO和H2,進(jìn)一步提高煤的轉(zhuǎn)化效率,雖然水蒸氣冷卻后相態(tài)改變易對(duì)煤儲(chǔ)層造成傷害,但原位熱解中煤層溫度較高,且一直有熱量注入,因此水蒸氣相態(tài)保持不變。水蒸氣作為載熱介質(zhì)在油頁(yè)巖原位加熱中有較多的研究和試驗(yàn),也推薦作為富油煤原位對(duì)流加熱的載熱介質(zhì)。

3.3 高效的傳熱網(wǎng)絡(luò)

陜西省是我國(guó)富油煤的主要富集區(qū),陜北侏羅紀(jì)煤田、黃隴煤田、臨興-神府區(qū)塊等富油煤滲透率極低[48-50],通過(guò)對(duì)富油煤進(jìn)行人工致裂是同時(shí)解決載熱氣體如何進(jìn)入煤層和熱解產(chǎn)物如何高效產(chǎn)出2個(gè)問(wèn)題的有效辦法。

常見(jiàn)的人工致裂技術(shù)有超臨界CO2壓裂、液氨致裂、可控沖擊波、水力壓裂等技術(shù)。超臨界CO2壓裂技術(shù)常用于黏土含量高的儲(chǔ)層,在煤層壓裂中應(yīng)用較少;液氮致裂技術(shù)原料成本高,作業(yè)難度大,壓裂規(guī)模和壓裂效果均不如水力壓裂;可控沖擊波致裂技術(shù)可用于高滲儲(chǔ)層解堵、中低滲儲(chǔ)層增透,其作業(yè)方式簡(jiǎn)單,對(duì)儲(chǔ)層傷害小,但致裂有效半徑相對(duì)較小,增產(chǎn)維持時(shí)間相對(duì)較短。水力壓裂技術(shù)在煤層氣和常規(guī)油氣儲(chǔ)層改造中均應(yīng)用廣泛,其成本低,技術(shù)成熟,攜砂能力強(qiáng),壓裂規(guī)模大,研發(fā)具有導(dǎo)熱能力的支撐劑既能在壓裂時(shí)起到支撐裂縫作用,又能在加熱過(guò)程中起到導(dǎo)熱的作用,因此推薦作為富油煤人工致裂的首選技術(shù)。

4 結(jié) 論

1)富油煤具有導(dǎo)熱系數(shù)低、比熱容高、熱擴(kuò)散系數(shù)低的熱物理特點(diǎn),表現(xiàn)出傳熱速度慢、升溫?zé)崃啃枨蟠?、受熱?nèi)部溫差大的特征,其熱解宏觀上分為3個(gè)階段,350～650 ℃為主要熱解階段,提高熱解溫度有利于可燃?xì)怏w特別是H2的產(chǎn)出。

2)煤巖導(dǎo)熱系數(shù)低,傳導(dǎo)加熱時(shí)間長(zhǎng),設(shè)備易損壞;對(duì)流加熱傳熱效率高,高溫的載熱介質(zhì)既有利于加熱富油煤,又有利于維持產(chǎn)物的溫度;化學(xué)加熱反應(yīng)穩(wěn)定性難以控制,傳熱依靠載熱介質(zhì);輻射加熱效率較高,但加熱范圍總體有限。

3)高效的加熱技術(shù)、載熱介質(zhì)及傳熱網(wǎng)絡(luò)是富油煤原位高效加熱的條件,推薦對(duì)流加熱作為富油煤原位熱解的首選加熱技術(shù),推薦水蒸氣作為首選載熱介質(zhì),推薦水力壓裂作為首選人工致裂技術(shù)。