Ⅰ 油頁岩開采利用工藝進展
雷光倫 李文忠 姚傳進 孫文凱
（中國石油大學石油工程學院，山東 青島 266555）
作者簡介：雷光倫，男，教授，博士生導師，主要從事油氣田開發方面的教學和科研工作。Email：leiglun＠163.com。
摘 要：常規油氣產量遠遠不能滿足國內對石油的需求，在諸多非常規油氣資源中，油頁岩以其巨大的 儲量和開發優勢越來越受到重視。生產頁岩油是油頁岩的主要用途之一。通過對油頁岩開采利用技術的研究，指出了生產頁岩油的兩條途徑，沿著這兩條途徑，介紹了油頁岩的開采工藝，地面干餾方法和原位開采技術。描述了油頁岩的露天開采和地下開采法。利用實驗模擬的方法，研究了影響頁岩油干餾產率的加熱溫度、加 熱時間和加熱速度等因素，實驗結果表明：加熱溫度為500℃左右為宜；加熱時間達到1h即可；加熱速度對 油產率影響較小。比較了撫順發生式爐、基維特爐、佩特洛瑟克斯爐、葛洛特爐和塔瑟克爐等地面干餾設備 的處理量、運轉率和油產率等指標，分析了各干餾設備的特點和適用性。闡述了殼牌ICP技術、埃克森-美 孚ElectrofracTM技術、IEP燃料電池技術、PetroProbe空氣加熱技術和Raytheon的RF/CF技術等油頁岩原位開 采技術的原理和工藝特點，指出了原位開采技術的發展趨勢是以各種技術相互滲透、綜合、集成和應用為基 礎，實現油頁岩開採的大規模化、低成本和高效益的重要發展方向為大規模、低成本、高效益。
關鍵詞：油頁岩；頁岩油；開采工藝；地面干餾；原位開采
Technological Advances In Oil Shale Proction
Lei Guangln，Li Wenzhong，Yao Chuanjin，Sun Wenkai
（School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qing 266555，China）
Abstract：Conventional oil and gas proction can not meet the domestic demand，among many of the unconventional resources，oil shale has gained more and more attention because of its huge reserves and advantages in development.Shale oil proction is one of the main uses of oil shale.Based on the study of oil shale mining and usage，two ways of shale oil proction were put forward，along with which，oil shale mining，retorting and in-situ mining technologies were introced in the paper.The open-pit mining and underground mining method were described.The influencing factors of shale oil recovery were studied through experimental simulation，including heating temperature，heating time and heating rate.The results shows that the best heating temperature and heating time were 500℃and 1h，while the heating rate has little influence.The treatment capacity，activity rate and shale oil recovery of oil shale retorting equipments were compared，which consist of Fushun retorts，Kiviter retorts，Petrosix retorts，Galoter and ATP retorts.The mechanism and characteristics of in-situ oil shale mining technologies were described，including ICP，ElectrofracTM，IEP fuel-cell technology，PetroProbe's air heating and Raytheon's RF/CF technology.Based on the permeation，combination and application of high technology，the development trends of oil shale in-situ mining were Large-scale，low-cost，high efficiency.
Key words：Oil shale；Shale Oil；mining and usage；open-pit mining in-situ mining
引言
早在1830年，人類就已經開始了對油頁岩的開發和利用。1890年以後，由於石油工業的迅速發 展，油頁岩工業迅速萎縮。我國對油頁岩的利用始於1928年。20世紀50～60年代，頁岩油曾是我國 合成液體燃料的三大支柱之一。1960年以後，大慶油田、勝利油田的發現和開采使我國的油頁岩工業 的進入停滯階段。
進入21世紀後，國際油價不斷攀升，2008年7月國際油價曾達到149美元/桶的歷史最高位。另一 方面，國內石油供應不足的矛盾也越來越突出，已成為我國經濟發展的 「瓶頸」，按國內油氣資源和生 產能力，未來供需缺口將會越來越大，石油進口量將不斷增多，對外依存度提高帶來的風險也將日益加 重。在保證液體燃料供應的諸多辦法中，頁岩油是一種較現實的石油替代能源。據國土資源部統計，我 國油頁岩預測資源7200億噸，折算為頁岩油的預測資源476億噸［1］。因此，大規模的油頁岩勘探開發 對於緩解國內油氣供需壓力具有重要的意義。
目前，油頁岩的開采工藝主要包括：露天開采、地下開采、原位開采等方法。其中頁岩油的製取主 要有兩條途徑：(1)把油頁岩礦開採到地上，然後進行地面干餾；(2)採用地下加熱技術使油頁岩在地下 干餾，然後采出頁岩油［1，2］。本文沿著這兩條途徑，介紹了油頁岩開采工藝的現狀，並指出了今後的發 展趨勢。
1 油頁岩開采工藝
1.1 露天開采工藝
露天開采是指先將覆蓋在礦體上面的土石剝離，自上而下把礦體分為若干梯段，直接在露天進行采 礦的方法。露天開采必須考慮的首要條件是油頁岩的埋深，一般不超過500m。另外還必須考慮剝采比，即覆蓋於頁岩層上就剝離的岩土量與可以采出的頁岩量之比，是露天開采經濟性的重要因素，如果油頁 岩層較薄，而覆蓋於其上的岩土又較厚，即剝離比很大，即使油頁岩埋深較淺，油頁岩開采費用也會 很高。
露天礦開採的主要工序有：岩層穿孔、爆破、岩土和油頁岩的采裝、岩土和油頁岩的運輸。對堅硬 岩石、中硬油頁岩用鑽機鑽孔進行爆破，以利於挖掘。如沒有堅硬的地層，可能不需要對其穿孔和爆 破。岩土和油頁岩的采裝可以用單斗挖掘機、輪斗挖掘機、吊斗挖掘機等采剝設備。當前露天開採油頁 岩，對於覆蓋層薄、油頁岩層厚、剝采比不大的礦區，在中國不同情況下，每噸油頁岩約需開采費用 40～80元。
圖1 長壁開采法示意圖
1.2 地下開采工藝
油頁岩的地下開采是指通過井巷進入地下工作面進行採掘，並將油頁岩輸送至地面。地下工作面是開採油頁岩的工作場 地，在工作面內進行油頁岩的採掘、裝運，以及支護、采空 區處理等工序。主要包括壁式開采法和房柱式開采法[1］。
1.2.1 壁式開采法
壁式開采法分短壁工作面和長壁工作面開采。短壁工作 面長度一般在50m以下，多在小礦井採用。長壁工作面較 長，一般為100m以上。圖為長壁式開采法的示意圖。工作面 的上方和下方沿走向分別布置回風平巷和運輸平巷，構成回 采工作面和采區之間的通風、運輸和行人通道。
1.2.2 房柱開采法
房柱開采法是指從采區區段平巷每隔一定距離掘出礦房，進行油頁岩礦開采，並留下油頁岩岩柱，以支撐頂板。礦柱為圓形、矩形或條帶形，排列規則。通常礦房寬6～12m，礦柱寬3～6m。頂板穩固 性稍差，礦石價值低或開采結束後采空區作地下建築物用時，採用條帶形連續礦柱。礦柱一般不再回 采，占總礦量的15％～40％。由於房柱式開采法不夠安全，應用越來越少。
2 油頁岩干餾工藝
2.1 油頁岩干餾影響因素
目前，頁岩油的生產主要通過油頁岩干餾實現。油頁岩干餾是在隔絕空氣的條件下，加熱至溫度為 450～550℃左右，使其熱解，生成頁岩油、頁岩半焦和熱解氣的方法。影響頁岩油產率的因素主要有加 熱溫度、加熱時間、加熱速度等。本文使用葛金氏干餾試驗裝置，以撫順典型油頁岩為例，對干餾的影 響因素進行實驗研究。
2.1.1 加熱溫度的影響
粒度為1～2mm的撫順油頁岩，以5℃/min的加熱速度加熱到不同的溫度，並恆溫加熱5h，然後測 定在該恆溫溫度下的頁岩油產率。試驗結果如圖2所示：
從圖2中可以看出：隨著恆溫加熱溫度的升高，分解所得的頁岩油產率不斷增加。但當溫度升高到 500℃以後，再進一步提高溫度時，頁岩油產率的增加就不顯著了。這表明顯當溫度達到500℃並恆溫 5h後，熱解反應基本完成，生產頁岩油所要求的溫度並不高，約在500℃。溫度過高會導致礦物質所含 的結晶水分解，從而消耗大量能量。故以獲得頁岩油為目的時，撫順油頁岩干餾的最終加熱溫度以 500℃為宜。
2.1.2 加熱時間的影響
粒度為1～2mm的撫順油頁岩，以2℃/min的加熱速度升溫，在不同的溫度下，加熱時間對頁岩油 產率的關系如圖3所示：
圖2 加熱溫度對頁岩油產率的影響
圖3 加熱時間對頁岩油產率的影響
從圖3中可以看出，當加熱溫度在375℃以前，頁岩油放出量始終隨著加熱時間的延長而增加。但 在450℃溫度下，加熱時間超過1h後，頁岩油就不再釋放出了。這表明有機質熱解反應已經完畢。因 此，加熱溫度愈高，油頁岩有機質分解速度愈快，達到最大頁岩油產率所需的時間愈短。如果熱解溫度 在500℃以上時，則在很短時間內有機質熱分解反應就能完全，而加熱時間對頁岩油產率沒有明顯影 響。所以最終加熱溫度是影響熱分解反應的主要因素。
圖4 加熱速度對頁岩油產率的影響
2.1.3 加熱速度的影響
粒度為1～2mm的撫順油頁岩，以不同的加熱速度加熱至500℃，並保持1h，不同加熱速度和頁岩油產率的關系曲線如圖4所示。
從圖4中可以看出，當加熱速度從2℃/min提高到20℃/min 時，其頁岩油產率有微幅的提高，但幅度非常小。因此，在設計 干餾設備時，可以採用強化干餾的方法，提高加熱速度，使油頁 岩很快地達到指定的最終溫度。這可以大大縮短干餾時間，提高 效率。
2.2 地面干餾設備
油頁岩的地面干餾主要是通過干餾爐實現。干餾爐的技術指 標主要有油產率、年開工率、適應性等。目前世界上比較成熟的爐型主要有：撫順發生式爐、基維特 爐、佩特洛瑟克斯爐、葛洛特爐、塔瑟克爐［3～6］。干餾設備參數對比見表1。
表1 油頁岩干餾設備比較
中國撫順式發生爐處理量小，相對於實驗室鋁甑的油收率較低，處理塊頁岩，工藝不太先進，但是 為成熟的爐型，能處理貧礦，操作彈性好，有長期操作經驗，而且投資少，建設快，適用於小型工廠。撫順式爐雖然單爐處理量小，但可以將20台爐合為一部，則一部爐每日油頁岩處理量也可以達2000～ 4000噸。
愛沙尼亞基維特爐處理量大，處理塊頁岩，相對於鋁甑的油收率不太高，是成熟的爐型，投資中 等，適用於中型廠。
巴西佩特洛瑟克斯爐處理量大，處理塊頁岩，相對於鋁甑的油收率高，產高熱值氣，是成熟的爐 型，投資高，適用於大中型廠。
愛沙尼亞葛洛特爐處理量大，可以處理顆粒頁岩，相對於鋁甑的油收率高，產高熱值氣，但結構較 復雜，維修費用高，是基本成熟的爐型，據報道年運行7200h，可用於大中型廠。
澳大利亞塔瑟克爐處理量很大，可以處理顆粒頁岩，油收率高，產高熱值氣。頁岩油經過加氫，質 量好，投資高，但尚不太成熟，2004年停運前運轉率僅為50％，大中型廠可考慮得用這種技術。
3 原位開采技術
原位開采技術是指採用地下加熱干餾的方式，使油頁岩在地下干餾，然後把產生的頁岩油氣導出到 地面的技術。按照油頁岩層受熱方式的不同，可將油頁岩原位開采技術分為傳導加熱、對流加熱、輻射 加熱3類技術。目前比較先進的原位開采技術如表2所示［7～9］。
表2 原位開采技術表
3.1 殼牌ICP技術
殼牌ICP（In-Situ Conversion Process）技術是唯一經過現場實驗的原位開采技術。它的主要原理是： 通過電加熱器將熱量傳遞給地下油頁岩礦層進行加熱和裂解，促使油頁岩中的乾酪根轉化為高品質的油 氣，再通過生產井將油、氣采出到地面（圖5）。工藝流程主要包括：首先，建立冷凍牆，防止地層水 流入開采區、防止油氣產品散失。其次，將電加熱器裝入加熱井內對油頁岩層加熱。最後，采出干餾油 氣，並監測水文、地質、溫度、壓力和水質等參數。
圖5 ICP技術示意圖
ICP技術特點：(1)ICP技術加熱熱均勻，加熱溫 度低，可開發深層、低含油率油頁岩；(2)建立的冷 凍牆，可以保護地下水資源；(3)加熱工藝復雜，故 障多，採收率低，成本高。
殼牌公司從1997年開始在科羅拉多州馬霍甘尼 進行了多項實驗。2004～2005年一個試驗區的結果表 明，升溫速率2℃/d，2004年5月開始出油，2004年 12月出油達到最多，然後減小，至2005年6月出油 終止。共計產油250t，為鋁甑的68％。
3.2 埃克森-美孚ElectroFracTM技術
埃克森-美孚ElectrofracTM技術先利用平行水平井對頁岩層進行水力壓裂，向油頁岩礦層的裂縫中 填充導電介質，形成加熱單元。導電介質通過傳導把熱量傳遞給頁岩層，使頁岩層內的乾酪根熱解，產 生的油氣通過採油井採到地面上來（圖6）。
圖6 ElectrofracTM技術示意圖
ElectroFracTM技術特點：(1)採用了壓裂技術增加了頁 岩層的滲透性，可開采緻密性油頁岩資源；(2)生產副產品 碳酸鈉，提高了經濟效益；(3)採用平面熱源的線性導熱方 式，有效地提高了熱效率；(4)沒有保護地下水，容易造成 水污染。
3.3 IEP燃料電池技術
利用高溫燃料電池堆的反應熱直接加熱油頁岩層，使其 中的有機質熱解產生烴氣，然後導入到採油井，被抽到地 面上來。除了部分氣體作為燃料被通入燃料電池堆外，其 余大部分烴氣經冷凝後獲得石油和天然氣。另外，在啟動 工藝裝置預熱油頁岩時期，需要向燃料電池中通入天然氣作為啟動燃料。工藝正常運轉後，能量 自給自足。
IEP燃料電池技術特點：(1)傳導加熱溫度分布均勻。採用固體間熱傳導傳遞熱量，大大提高了熱 量分布均勻性和利用效率；(2)利用流體壓裂製造 裂縫，提高油頁岩層孔隙度和滲透率；(3)能量自 給自足。該工藝不僅能量自給自足，還可向外部 提供電能。每生產1桶油，發電174kW · h； (4)操作成本低。操作成本大約為30美元/桶。若 將副產品電能和天然氣計算在內，成本可降為14 美元/桶；(5)環保。由於該工藝不是通過燃燒反 應來發電，而是通過電反應來發電，幾乎不產生 NOx、SO2等有害物質（圖7）。
圖7 IEP燃料電池技術示意圖
3.4 PetroProbe公司的空氣加熱技術
該工藝流程先將壓縮空氣與干餾氣通入燃燒器進行燃燒，加熱到一定溫度，消耗掉部分氧氣，然後 通入到油頁岩地層中加熱油頁岩使其中的有機質生成烴氣，最後把生成的烴氣帶到地面上來。采出的烴 氣冷凝後得到輕質油品（圖8）。
PetroProbe公司的空氣加熱技術特點：(1)通入的高溫壓縮空氣在地層中可壓裂油頁岩，增加油頁岩 的孔隙度，使生成的烴氣很容易地從油頁岩地層中導出來；(2)該工藝有4種產品：氫氣、甲烷、輕油、 水。產生的部分輕質烴氣通入燃燒器進行燃燒，加熱即將通入地層的空氣，能量自給自足。產生的CO2 等氣體又被打回油頁岩礦層中，污染小，可開發深層（深可達900m）的油頁岩礦；(3)開采後的油頁岩 仍能保持94％～99％的原始結構完整性，避免了地面塌方。
3.5 Raytheon公司的RF/CF技術
Raytheon公司的RF/CF（Radio-Frequency/Critical Fluids）技術是將一項利用射頻加熱和超臨界流 體做載體的專利轉化技術（圖9）。其工藝流程為：先將射頻發射裝置置於地下油頁岩層中，進行加熱，然後把向頁岩層中通入超臨界CO2把熱解生成的烴氣載到採油井，被抽到地面上冷凝，回收。冷凝後 的CO2又打回地層中循環利用。
圖8 空氣加熱技術示意圖
圖9 RF/CF技術示意圖
RF/CF技術特點：(1)採油率高。每消耗一個單位的能量有4～5個單位的能量被生產出來，相對 於ICP技術的3.5個單位，更具有經濟效益；(2)傳熱快，加熱周期短，只有幾個月；(3)用於油頁岩 開采時，生產的石油含硫低，還可通過調節裝置來生產不同的產品；(4)可用於開採油頁岩、油砂、 重油等資源，環保，無殘留物質滲透地下水層；(5)選擇性加熱，可使指定加熱目標區域快速達到目 標溫度。
4 結論
（1）目前頁岩油的製取途徑主要有開采-地面干餾工藝和原位開采技術。前者技術比較成熟，後者 還處於實驗驗證階段。
（2）實驗研究表明：油頁岩干餾溫度約為500℃為宜，干餾時間為1h即可，加熱速度對頁岩油產 率影響不大，工業生產中可以採用強化干餾的方法，提高加熱速度，使油頁岩快速達到指定的最終溫 度，提高效率。
（3）目前地面干餾設備都存在著一些問題比如處理量小，運轉率低，油產率低等問題需要進行進一 步優化。
（4）以大規模化、低成本、高效益為目標，各種技術相互滲透、綜合、集成和應用是當今原位開采 技術發展的主要方向。
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