原位開採技術

原位開採是指通過對油頁岩儲層進行高溫加熱， 將油頁岩中的固體乾酪根轉換為液態烴， 再通過傳統的石油天然氣鑽井採油工藝將液態烴從地下開採出來的方法。

基本介紹

• 中文名：原位開採技術
• 外文名：In-situ mining technology
• 學科：頁岩油
• 拼音：yuán wèi kāi cǎi jì shù

油頁岩的開發利用越來越受到世界各國的重視。隨著環保壓力的增大， 油頁岩原位開採已成為未來油頁岩商業化大規模開採的必然發展趨勢。我國油頁岩資源開發利用較早， 但都是環境污染較大的地面開採方式。

釋義

原位開採技術就是通過直接給地下油頁岩加溫，使其在地下進行裂解，生成的油氣通過生產井采出。該工藝對於中深層油頁岩（300m以深） 開發具有優勢。另外由於不需要露天和礦井開採，沒有大量的油頁岩廢料堆積，副產物非常少，水資源用量也非常少。

典型技術及特點

目前，油頁岩地下原位開採技術達十餘種，按照油頁岩層加熱方式可分為電加熱、流體加熱、射頻加熱三類工藝。其特點各具特色。

1）電加熱技術的特點：技術成熟，容易控制，但加熱速度較慢，容易造成熱量大量損失、成本較高、產生的油氣壓力較低、難開採等。

2）流體加熱技術的特點：加熱速度較快，並且由於流體壓力的作用，產生的裂縫一般不會閉合，產出的油氣易於開採；加熱過程中流體流速過快，易形成流體短路，僅與油頁岩進行少量熱交換就流出地層。

3）射頻加熱技術的特點：產生的熱量穿透力強，加熱速度較快；但技術難度較大，成本較高。

國內外優秀原位開採技術介紹

自 20 世紀 80 年代開始， 國外許多石油公司開始研究和發展了油頁岩原位開採技術。

美國土地管理局 RD&D 項目

為了促進美國油頁岩開採技術的發展， 並預計從 2020 年開始進行油頁岩的大規模商業化開發， 美國土地管理局於 2005 年 6 月和 2009 年 11 月先後進行第一輪和第二輪 RD&D 項目試驗區（Research，Development & Demonstration 研究， 開發 & 示範）的招標工作 。第一輪招標中有 6 個實驗區被選中。其中 Shell 獲得 3 個試驗區塊；Chevron 1 個區塊；EGL Resource， Inc（現為 American Shale Oil，LLC）1 個區塊；Oil Shale Exploration， LLC（現為Enefit American Oil） 1 個區塊， 主要進行地表乾餾。第二輪 RD&D 項目招標共確定 3 家公司中標：ExxonMobil 1 個區塊；Natural Soda 1 個區塊， 主要生產蘇打石等無機礦物；AuraSource 1 個區塊， 主要為地表乾餾。

兩輪招標的條款有所不同。第一輪美國土地管理局給予 0.65 km2 租賃權加額外的 20 km礦區的優先開採權；先導試驗期限為 10 年， 最多可再延長5 年。第二輪優惠條件減少， 只給予 0.65 km2租賃權加額外的 1.94 km2 礦區的優先開採權；先導試驗期限限定為 10 年 。

當今研究相對比較成熟並獲得美國土地管理局RD&D 項目試驗區的油頁岩原位開採技術有殼牌ICP 技術、 雪佛龍 CRUSH 技術、 美國頁岩油 CCR 技術和埃克森美孚 Electrofrac 技術。

殼牌 ICP 技術

殼牌的 ICP 技術 採用小間距井下電加熱器循序均勻地將地層加熱到 340 ℃ /min 左右的轉化溫度。根據加熱器間距和加熱速度， 對於一個商業開採項目， 將地層加熱到轉化溫度的時間估計為2~4 年。根據試驗結果， 一項商業規模的項目預計可獲得的能量增益接近 3， 即所獲產品的能量值是用來生產這些產品所消耗能量的 3 倍 。ICP 工藝實現商業化還需要採用冷凍牆技術， 阻止水流入被加熱地層， 並能封閉產出的流體， 提高採收率， 同時保護局部蓄水層。ICP 工藝利用循環製冷劑形成的冷凍牆阻止地下水進入被加熱層， 冷凍牆內的地層水被抽出， 地層被加熱， 產出油， 剩餘頁岩用乾淨水沖洗其中的污染物。殼牌冷凍牆試驗開始於 2002 年， 並於 2005 年試驗了大規模的冷凍牆， 布置了 157 口冷凍井， 井間距離為 2.4 m， 建立了一個跨度為 68 m 的密封體 。2007 年作業公司開始向冷凍井中注入氨水進行循環製冷， 起初在淺層循環， 之後慢慢加深。到 2009 年 7 月， 冷凍牆已到達 520 m 深處。這次試驗的目的是評估冷凍牆的完整性， 但不涉及加熱和油氣生產。

通過 7 次野外試驗， 殼牌公司調查了各種加熱方法， 如注蒸汽、 安裝井下加熱器， 並研究了不同深度的組合井， 分別用於加熱、 生產和除水等。

埃克森美孚 Electrofrac 技術

埃克森美孚 Electrofrac 工藝 採用水力壓裂方式壓裂油頁岩， 然後向裂縫中填充能導電的支撐劑， 從而形成一個電加熱體。熱量通過能導電的支撐劑傳給油頁岩後， 其中的乾酪根受熱轉化成油和氣， 然後通過常規方法采出。埃克森美孚公司已經對焙燒石油焦是否可作為支撐劑進行實驗， 希望這種材料被泵入垂向裂縫後能形成一系列平行的平面電加熱器。與殼牌的 ICP 技術一樣， 熱量通過熱擴散方式傳給頁岩層。和線性熱源相比， Electrofrac工藝的潛在優勢是平面裂縫加熱器的表面積較大，這樣可以用較少的加熱器就能向地下儲層傳遞足夠的熱量。另外， 使用平面加熱器還能減少對地面環境的干擾， 這一點也比線性熱源和井下加熱器優越。

埃克森美孚公司通過模擬實驗和實驗室研究解決 Electrofrac 工藝中的幾個重要技術問題： （1） 導入裂縫的導電導熱劑在周圍岩石被加熱到轉化溫度時繼續保持電導性； （2） 通過該工藝產生的油氣能在地應力條件下流到井筒內； （3） 特殊的完井工藝使裂縫能高效導熱。

根據實驗結果， 埃克森美孚公司於 2007 年在科羅拉多州西北部該公司擁有的油頁岩礦場 ColonyMine 進行了現場試驗。通過水平鑽進油頁岩層， 並在足以使岩石破裂的壓力下泵入了焙燒石油焦、 水和矽酸鹽水泥混合漿， 壓開了兩條 Electrofrac 裂縫並對大裂縫測量了溫度、 電壓、 電流和岩石的運動情況。因為是初次試驗 Electrofrac 工藝， 兩條裂縫只被加熱到了相對較低的溫度。這次低溫試驗的目的不是產生油和氣。試驗結果證明有可能形成能導電的水力裂縫， 能使裂縫接通電， 能進行控制， 並能保持裂縫低溫加熱狀態至少幾個月時間。

美國頁岩油公司 CCR 技術

美國頁岩油公司建議採用 CCR 傳導、 對流和回流工藝開採頁岩油。CCR 工藝 通過集中加熱非滲透頁岩蓋層下面的頁岩， 從而將產層和被保護地下水源隔離開。其原理是鑽 2 口水平井：1 口加熱井和 1 口生產井， 加熱井在生產井下面。熱量通過一個井下燃燒器供給， 該燃燒器最終利用產出氣運轉。隨著乾酪根的分解， 輕質組分（蒸氣） 上升， 冷凝， 然後流回地層。熱量通過回流油被分散到地層中。地層通過熱機械壓裂方式形成了一定的滲透能力， 從而使對流熱傳遞成為可能。

AMSO 公司的首次 RD&D 項目於 2011 年開始現場試驗， 加熱時間須達到 200 d， 需乾餾的地層體積相當於 4 000 t 的油頁岩， 產生的頁岩油將達到272 t。

雪佛龍 CRUSH 技術

雪佛龍 CRUSH 工藝 首先用碎石化技術將儲層岩石破碎成不連續的岩石塊， 然後通過地表的壓縮機注入熱蒸汽（或空氣） 給地層進行加熱， 將其中的乾酪根受熱轉化成油和氣， 然後通過常規方法采出。

這項技術的核心是碎石化（Rubblization） ， 即在x， y， z 3 個方向產生裂縫， 能夠為乾酪跟在緻密儲層里發生化學轉換提供更多的表面積。雪佛龍公司提出 2 種可能的碎石化方法。第 1 種是冷凍法：原理是岩石在冷卻狀態下會發生收縮， 極度冷卻能使岩石處於拉伸， 使岩石變得很不穩定；熱膨脹相關係數繼續隨地層發生變化， 會導致收縮量和剪下應力發生變化， 從而有利於碎石化。第 2 種是爆炸法：定時爆破會對岩石產生結構性干擾， 控制高度和方向， 能夠得到特定形狀的裂縫。冷凍碎石化的具體過程 ： （1） 用水或者液態氣（液態二氧化碳或者液氮） 形成一條傳統的主裂縫； （2） 鑽一口斜井交叉於主裂縫， 然後循環冷卻液， 岩石被冷卻將會收縮， 形成垂直於主裂縫的次生裂縫； （3） 繼續循環冷卻液， 隨著岩石繼續被冷卻， 地層發生不同程度的收縮， 從而在地層中形成剪下破壞， 三級裂縫將繼續形成， 甚至形成一個連通的縫網。

有關雪佛龍 RD&D 的報導是， 雪佛龍已經通知美國土地管理局和採礦、 安全部門， 他們打算出讓在科羅拉多 Picesance 盆地的 RD&D 租賃權， 原因是他們認為原位開採技術在短時間內很難取得重大突破。

認識與啟示

（1） 中國油頁岩資源儲量豐富， 僅次於美國， 位於世界第 2 位， 分布也非常廣泛， 可以作為我國未來一種重要的接替能源。

（2） 美國政府十分重視油頁岩的開發和環保問題， 兩輪的 RD&D 項目鼓勵各大石油公司開展各種油頁岩原位開採技術的研究和現場試驗， 取得了許多寶貴的經驗。原位開採也是我國未來進行油頁岩大規模商業化開發的必然趨勢。

（3） 美國各大石油公司在開展油頁岩原位開採技術的室內研究和現場先導試驗過程中都遇到一些技術難題， 與地表乾餾技術相比， 原位開採技術相對不太成熟， 商業化開發不可操之過急。

（4） 我國應加快開展適用於油頁岩原位開採技術的資源選區評價工作， 並根據中國油頁岩資源特徵和條件對各種原位開採工藝進行篩選和最佳化， 結合我國先進的鑽完井技術和水平井分段壓裂技術， 形成一套適合我國油頁岩原位開採的新型技術體系。