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全球油页岩资源及其开采技术进展 I东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室 I 衣犀 张 昕 曲泽源 王志华 摘要由于油价的高位运行、再生技术的涌现、全球对液态碳氢化合物需求的增大以及常规石油资源的持续减少等 原因，近年来， 世界上油页岩储量最大、分布最为集中的美国以及拥有大量油页岩资源的爱沙尼亚、以色列和土耳其等国， 均对油页岩资源的开发给予了足够的重视。自2 0 0 6 年以来， 全球有2 5 个石油公司陆续公布了他们在油页岩领域研究的新技 术。本文从油页岩的开采工艺和促进其商品化两个角度 出发，对减少用水、提高能量利用效率、治理排放物、降低对地表 的影响、利用和处理废弃页岩以及保护地下水等相关的先进油页岩生产技术进行了介绍，并说明，用油页岩生产石油在技 术和经济上都是可行的。 关键词 油页岩开采技术岩层加热 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 2 3 0 2 x ． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 1 3 油页岩作 为一 种燃 料来源可追溯到 1 6 3 7年。油页 岩加 工后 的产 品有煤 油 、灯 油 、石 蜡 、燃料 油 、润 滑 油 、油脂、粗汽油、照明气和氨基硫酸盐肥料等。长 期以来 ，世界上一些能源公司和石油工作者一直就油 页岩 中生产油气的技术进行着多方面的研发 、测试工 作 ，并利用油页岩生产燃料和副产品，相关的实验室 研究和矿场先导性试验不断得以开展。虽然从油页岩 中生产石油的成熟技术并没有被遗弃，先期基础研究 成果依然被认可，但是基于常规石油资源的供需 、价 格波动及油页岩生产矿场设计的经济不确定性 ，1 9 8 4 年以来没有相关大型工程项 目的投资，如今 ，全球也 没有大规模工业化生产油页岩，但许多国家和能源企 业都在积极地从事油页岩加工技术的发展和研究。 一 、全球油页岩资源与生产状况 油页岩是一种富含碳氢化合物的岩石 ，全球油页 岩资源的探明储量约为2 _ 81 0 他 b b l 表 1 ，仅贯穿美 国东 、西部地 区的油页岩 就有大约 2 X 1 0 b b l ，且 以 科罗拉多州 、犹他州和怀俄明州最为集中，3个州的 油页岩矿藏相当于 1 ． 21 0 1 2 b b l 石油。在 2 0 0 5 年美国 尚没有商业化生产页岩油时，我国、爱沙尼亚和巴西 等一些国家就有总计约6 8 ．4 X 1 0 t 的页岩油被开采。目 前 都是利 用地表 干馏 的方式 开采 ，如 爱沙尼 亚的 G a 1 0 t e r 和 K i v i t e r 干馏 器 、我 国抚顺 的立式干馏装 置 、 巴西的 P e t r o s i x 气体燃烧干馏器等。 6 2 石油科技论 坛 2 0 1 0年 第 3期 表 1 全球油 页岩 资源分布 辩 一 美 国 3 0 1 5 ． 5 6 2 0 8 5 3 l 俄 罗 斯 3 5 4 ．7 0 2 4 7 8 2 扎伊 尔 1 4 3 ． 1 0 l 0 0 0 3 巴 西 1 1 7 ．3 4 8 2 0 4 1 5 ． 9 意 大 利 l o 4 ．4 6 7 3 O 5 摩 洛 哥 8 1 ．6 7 5 3 4 6 约 旦 5 2 l4 2 3 4 2 7 澳 大 利 亚 4 5 ． 3 1 3 1 7 8 爱 沙 尼 亚 2 4 ．9 4 1 6 3 9 3 4 ． 5 中 国 2 2 ．9 O l 印 l O 1 8 ．O 加 拿 大 2 1 ．9 2 1 5 2 I 1 法 国 1 0 ． 0 0 7 0 1 2 埃 及 8 ． 1 6 5 7 1 3 以 色 列 5 ． 5 O 4 0 1 4 其他 1 3 个 7 0 ． 8 4 5 4 5 已 知 的 总 量 4 O 8 6 2 8 2 6 l 6 8 -4 二、油页岩开采技术及进展 油页岩必须经加热才能从中释放出烃类气体和液 体 ，综观 1 O 0多年来全球范围内对油页岩的开发 ，基 本 可 以概括 为 以下 几种 途径 1 地 面处理 。一般 而言 ，地 面处理包括 油 页 菌 警 ●■． ． ● 衣 犀 等 全球油页岩资源及其开采技术进展 岩开采和矿石准备；加热分解生产油母 ；加工油母生 产精炼原料及有用的化学药品等 3 个主要步骤，其中有 “ 地下 开采 ，地面干馏 ”和 “ 地 面开采 ，地 面干馏 ”两 种通用方法 。对于前者 ，油页岩矿石被开采 、运输到地 面、粉碎 ，然后在地面容器中加热来生产燃料液体和 气体；对于后者 ，油页岩矿石被露天开采 ，然后粉碎、 干馏加工。处理后的矿渣在矿场或其他地方堆放。 2 地 下处理 。在油页 岩的天然 沉积环境 中加热 油页岩资源 ，生产油母 ，从而最小化或消除开采环节 及在地 面 的热 分解 。早 期用来 达 到地下 热分解温 度 的 热量来 源于堆 积油页岩 矿石一 端 的燃 烧 ，如今 已转变 思路 ，比如试图通过断裂岩层来促进油页岩中的热量 传递和流体流动 ，从而提高地下燃烧过程的热分解效 率和采收率 。 3混合型处理。先在地面加工近地表的油页岩 资源，然后在开挖岩石所形成的坑里缓慢加热进行地 下 开采 。 虽然全球在油页岩开采、加工、利用等许多重要 方面取得了进步 ；但在提高能量效率、减少能量需求 ， 最小化用水量 、保护来 自于地面处理和地下处理的地 表水与地下水 ，减少、使用和处理废弃的矿渣 ，开发 基础设施满足多种能量和矿藏 资源 的需求 ，降低风 险、缓解以及解决潜在的社会经济因素等方面的诸多 问题依然存在。 三、地下处理技术 1 ． 壳牌公 司的地下转换处理技术 该技术并不涉及露天采矿 ，而是把加热器插进地 下，将油页岩中的油母转换成高品质 的运输燃料 ，在 一 个较小 的 区域 内开采 更多 的石油与 天然气 。实施 过 程中，首先将电加热器插入加热井 ，逐渐加热地表 以 下 1 0 0 0 ～2 0 0 O f t 目标区的页岩 ；当岩层被缓慢加热至 3 4 3 ． 3～ 3 9 8 ． 9 ℃时，油母转变成石油和天然气 ，然后利 用传统的回收方法将其泵送到地面，整个过程产生大 约 1 ／ 3天然气和 2 ／ 3 轻质油。在缓慢和较低温度加热条 件下，预计比传统地面干馏能显著降低 C O ， 排放量，但 在该地下处理过程 中生产 1 b b l 当量油至少需要消耗 3 b b l 水 。另外 ，该公司目前正在测试一项 “ 冰墙”技 术，以保护地下转换处理时加热区域不受地下水的入 侵 ，并避免地下水受到潜在的污染 ，而一旦生产区被 清理 ，“ 冰墙”将终止 ，地下水流恢复。 2． 埃克森美孚公司的电破碎处理技术 基于平面热源产生的线性热传导对深入到有机质 富集的岩石最为有效，且能将该有机质转变成油气资 源的推断，埃克森美孚公司从 3 0 多项技术中筛选出了 电破碎处理方式 ，即通过水力压裂油页岩并在裂缝中 注入导电材料，形成发热元件加热油页岩 图 1 。该 公司期望利用水平井产生的垂直裂缝作为导电区，将 页岩油资源加热到分解温度 ，从而产生可用常规技术 措施 回收的液态烃和天然气。与井筒加热器相比，该 技术方案中的平面加热器只需在少数几 口井上安装 ， 从 而节省 了 占地 面积 。 图 1 电破碎 处理技 术原理 图 3 ． P e t r o P r o b e公司的气化处理技术 该技术能将地下 3 0 0 O f t 深的油页岩有机质气化， 并将其产物回收，实现相对快速的生产。地下油页岩 经气化后能维持其原有结构完整性 的9 4 ％～ 9 6 ％。在处 理工艺上 ，首先是利用地面加热炉将引入燃烧室的空 气加热到过热状态 ，并严格控制其中氧气的含量 ，然 后将过热 的空气通过进水管道径直注入到油页岩中， 与油页岩相互作用后再将碳氢化合物以热气体的形式 带到地面 ，最后在地面上将其凝缩 为液态烃或天然 气 ，产生的 C O ， 经压缩后泵人到油页岩。其中，排气 管道埋设在地面上钻孔 口附近，排出的气体输送到冷 凝器 中膨胀 、冷却 ，使气态组分和液态组分分离 ，并 通过精炼得到升级的合成气体 。一部分回收气体和其 - l 201 0 3 本文共4页，欲获取全文，请点击链接 章题目下面的“下载全文”按钮下载全文，您也可以登录维普官网（）搜索更多相关论文。