油 頁(yè) 巖 開 采 模 式

陳晨,孫友宏

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130026）

油 頁(yè) 巖 開 采 模 式

陳晨,孫友宏

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130026）

隨著世界石油市場(chǎng)高油價(jià)時(shí)代來(lái)臨,原來(lái)高成本的油頁(yè)巖生產(chǎn)變得經(jīng)濟(jì),油頁(yè)巖已成為非常重要的替代能源。由于受諸多因素限制,常規(guī)油頁(yè)巖開采方法成本較高?；谖覈?guó)油頁(yè)巖埋藏條件及其物理力學(xué)性質(zhì),分析國(guó)內(nèi)外非常規(guī)油頁(yè)巖開采以及相關(guān)的試驗(yàn),提出了2種開采模式——油頁(yè)巖原位開采與鉆孔水力開采。

油頁(yè)巖;原位開采;鉆孔水力開采

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)能源的需求日益增加,世界石油市場(chǎng)高油價(jià)時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。近年來(lái),國(guó)際油價(jià)一直在60美元/桶以上震蕩,最高曾達(dá)100美元/桶以上,在這種經(jīng)濟(jì)背景下世界各國(guó)不得不開始積極尋找新的替代能源。

隨著技術(shù)的進(jìn)步,油頁(yè)巖地表干餾頁(yè)巖油的成本約為1500元/t左右(30美元/桶）,因此過(guò)去看來(lái)很高的油頁(yè)巖生產(chǎn)成本在今天變得經(jīng)濟(jì)。全世界油頁(yè)巖蘊(yùn)藏的頁(yè)巖油資源量大體有4110億t,相當(dāng)于目前世界已探明的原油和凝析油剩余可采儲(chǔ)量的3倍。我國(guó)油頁(yè)巖資源豐富,分布在20個(gè)省(市、區(qū)）的47個(gè)盆地,頁(yè)巖油資源476億t,相當(dāng)于傳統(tǒng)石油資源量的1.5倍,居世界第4位。

油頁(yè)巖的主要開采方法為露天或地下巷道開采,前者要占用大量的耕地,對(duì)環(huán)境破壞大;后者遇薄礦層時(shí),開采成本高。雖然國(guó)際上油頁(yè)巖開發(fā)利用歷史已有100多年,油頁(yè)巖地面干餾和發(fā)電盡管技術(shù)已比較成熟,但由于其產(chǎn)生的廢氣、廢水和廢渣,給環(huán)境帶來(lái)極大的污染,導(dǎo)致這些技術(shù)推廣受到一定限制。美國(guó)以及國(guó)際上一些大的石油公司一直在致力于油頁(yè)巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)的研發(fā),已進(jìn)行了野外生產(chǎn)性試驗(yàn),取得了一些成果。但由于其技術(shù)的難度和使用條件的限制,至今一直未能商業(yè)化生產(chǎn)。就目前的技術(shù)條件,油頁(yè)巖資源大都未能探明和開發(fā)利用,仍具有儲(chǔ)量巨大、潛力巨大、開發(fā)利用技術(shù)難度大的“三大”特點(diǎn)。

我國(guó)現(xiàn)已啟動(dòng)的16個(gè)國(guó)家重大專項(xiàng)《大型油氣田及煤層氣開發(fā)》中課題18為“頁(yè)巖油有效開采關(guān)鍵技術(shù)”、吉林大學(xué)主持的“國(guó)家潛在油氣資源產(chǎn)學(xué)研用合作創(chuàng)新項(xiàng)目——油頁(yè)巖勘探開發(fā)利用”等各部門分別從不同角度立項(xiàng),其研究目標(biāo)主要都是立足當(dāng)前油頁(yè)巖資源開采的技術(shù)難題,開展相關(guān)的開采關(guān)鍵技術(shù)研究,注重技術(shù)創(chuàng)新的研究。

針對(duì)我國(guó)各地區(qū)、地層油頁(yè)巖油收率的不同,可采用不同的開采思路。

1 油頁(yè)巖地下原位開采技術(shù)

油頁(yè)巖地下原位開采技術(shù)一方面可以避免頁(yè)巖開采后在干餾裝置內(nèi)熱工時(shí)生成的廢水、廢氣和廢渣所導(dǎo)致的環(huán)境污染,另一方面可以開采中深部(>500 m以上）的油頁(yè)巖,實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。該方法適于高品位油頁(yè)巖。地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)的原理:通過(guò)直接給地下油頁(yè)巖層加熱,使其在地下進(jìn)行裂解,生成油氣,最后通過(guò)生產(chǎn)井把油氣開采出來(lái)。目前,油頁(yè)巖原位開采技術(shù)達(dá)十幾種,油頁(yè)巖層加熱方式可分為電加熱、流體加熱、輻射加熱3類工藝。當(dāng)今研究相對(duì)比較成熟的有殼牌ICP技術(shù)、?？松梨贓lectrofrac T M技術(shù)和EGL公司原位開采技術(shù)。

1.1 殼牌原位轉(zhuǎn)化(I CP）工藝

在將近30年的時(shí)間里,殼牌公司的Mahogany研究工程一直致力于革新殼牌原位轉(zhuǎn)化工藝。其工作原理如圖1所示,在加熱井中插入電加熱器,一般加熱距地表300～600 m深度的目的層的油頁(yè)巖。巖層被緩慢地加熱到343～398℃,油頁(yè)巖中的干酪根轉(zhuǎn)變?yōu)樵秃吞烊粴?運(yùn)用傳統(tǒng)的采油方法將生成物(原油和天然氣）抽汲到地面。

圖3 殼牌冷凍墻地表系統(tǒng)

圖1 殼牌ICP技術(shù)原理圖

為了防止地層水流入開采區(qū)、防止油氣散失到附近地層,殼牌利用了冷凍墻技術(shù),如圖2所示。冷凍墻由冷凍井、連接冷凍井的密閉管網(wǎng)及凍結(jié)的圍巖介質(zhì)組成。在開采區(qū)周圍鉆一系列井,間距為3 m左右,在冷凍井內(nèi)裝入一密閉的循環(huán)系統(tǒng),向循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)注入-45℃的冷凍液,使之在密閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán),使系統(tǒng)周圍的地下水及圍巖介質(zhì)一起冷凍,形成冷凍墻。2008年開始試驗(yàn),其地表龐大的裝置如圖3所示。

圖2 殼牌冷凍墻技術(shù)原理圖

1.2 ?？松梨陔妷毫压に?/p>

該技術(shù)通過(guò)水力壓裂油頁(yè)巖及向裂縫中注入一種導(dǎo)電材料,形成一種加熱部分,這樣將原位油頁(yè)巖轉(zhuǎn)換為加熱原位油頁(yè)巖,原理如圖4所示。運(yùn)用水平井中生成的垂直裂縫使得?？松梢缘玫揭粋€(gè)導(dǎo)流區(qū),在該導(dǎo)流區(qū)將頁(yè)巖油加熱到分解溫度,生成可以用傳統(tǒng)采油技術(shù)采出的原油和天然氣。根據(jù)埃克森美孚公司的經(jīng)驗(yàn),平面加熱器較井眼加熱器需要的井更少,并且地面占地更少。和殼牌技術(shù)一樣,埃克森的原位技術(shù)也需要采取有效技術(shù)措施以阻止地層水侵入及保護(hù)地層水免受生成的碳水化合物和其他組分的污染。兩種技術(shù)都需要大量的電以提供加熱處理。

圖4 ?？松梨陔妷毫压に?/p>

1.3 斯倫貝謝/Raytheon2CF的臨界流射頻技術(shù)

這種原位技術(shù)使用射頻來(lái)加熱油頁(yè)巖到裂解溫度及注入超臨界二氧化碳,從而將液體和氣體驅(qū)掃到生產(chǎn)井中,如圖5所示。在地面,二氧化碳流體被分離并重新回注到注入井中,與此同時(shí)油和氣被煉制成汽油、燃料油及其他產(chǎn)品。相比其他原位方法需要加熱好多年才能生產(chǎn)出油氣,這種提取技術(shù)可以在僅僅幾個(gè)月內(nèi)就生產(chǎn)出油氣。該技術(shù)可調(diào)節(jié)直接加到目的層的熱能,可以生成各種各樣的產(chǎn)品。

圖5 斯倫貝謝臨界流射頻技術(shù)原理圖

1.4 存在的主要技術(shù)難題

上述各種油頁(yè)巖地下原位開采技術(shù)以及擬進(jìn)行研究的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾點(diǎn):

(1）油頁(yè)巖中的頁(yè)巖油地下原位浸提技術(shù),涉及到油頁(yè)巖原位加熱方法、有無(wú)油氣輸送載體等。

(2）油頁(yè)巖原位破碎技術(shù),涉及到如何將大尺寸的礦體采取各種技術(shù)措施原位破碎。

(3）深部地層密封技術(shù)。

2 鉆孔水力開采技術(shù)

鑒于目前油頁(yè)巖開發(fā)利用成本較高的特點(diǎn),如何降低成本的研究思路集中在2個(gè)方面:一是利用大型干餾爐提煉頁(yè)巖油,以規(guī)?；瘉?lái)降低成本;二是提高油頁(yè)巖綜合利用水平,如可以直接用于發(fā)電,生產(chǎn)新型建材,如吉林省農(nóng)安和樺甸的油頁(yè)巖中富集Na、P、Ca、Mn、Zn、Sr、Ba和Th等8種元素,還可以進(jìn)行稀有、稀土、稀散金屬的提取[1],所以將油頁(yè)巖礦石從地下提取上來(lái)在地表加工進(jìn)行綜合利用的前景還是十分廣闊的。對(duì)油頁(yè)巖埋藏較深,礦層不是很厚,含水量較大等特點(diǎn),可以采用鉆孔水力開采的方法將油頁(yè)巖從地下提上來(lái),該方法適于低品位油頁(yè)巖。

2.1 對(duì)油頁(yè)巖進(jìn)行水力破碎的可行性

高壓水射流技術(shù)能否破碎油頁(yè)巖,要考慮油頁(yè)巖的抗射流水力沖蝕特性。研究與應(yīng)用表明[2],射流水力沖蝕破巖的沖蝕壓力值必須超過(guò)巖石內(nèi)部膠結(jié)強(qiáng)度,并能夠在巖石的某些部位產(chǎn)生微裂紋和有效地?cái)U(kuò)展微裂紋,把巖石顆粒及時(shí)有效地沖離基巖,形成水力沖蝕破碎體積。巖石顆粒間的孔隙首先從自由面開始破裂,在水力滲流壓力的沖擊及流體的進(jìn)一步擴(kuò)張下,裂紋不斷地?cái)U(kuò)展,增大了巖石上顆粒的暴露面從而大大地降低了巖石的強(qiáng)度。因抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的2%～10%[3],所以,在較低的水射流壓力下,巖石顆粒團(tuán)可以相繼被剝落。巖石自身的抗壓強(qiáng)度與對(duì)其破碎的水力沖蝕破巖臨界壓力值之間的臨界關(guān)系見表1?？紤]到油頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度只有25～30 MPa,所以就目前的技術(shù)裝備來(lái)說(shuō),完全可以對(duì)油頁(yè)巖進(jìn)行水力破碎。

表1 抗壓強(qiáng)度與水力沖蝕破巖臨界壓力值

此外,埋藏在地層深處巖石中含有溶解物質(zhì)的水,它對(duì)巖石強(qiáng)度影響很大,尤其對(duì)孔隙度較大的巖石更是如此。水侵入巖石后,順著孔隙與裂紋侵入巖石的深處,潤(rùn)濕所能達(dá)到的全部自由面上的每個(gè)礦物顆粒,使水分子沿顆粒間的接觸面而侵入,從而減弱了晶粒間的聯(lián)結(jié)力,降低了巖石的強(qiáng)度,如果空間足夠,甚至可能發(fā)生“崩解”。圖6為采用了吉林省農(nóng)安某孔中的油頁(yè)巖巖樣在水中浸泡20～30 min的結(jié)果,油頁(yè)巖巖樣確實(shí)“崩解”了。

圖6 油頁(yè)巖在水中浸泡的結(jié)果

2.2 鉆孔采礦技術(shù)

鉆孔水力采礦是在穿過(guò)礦層的鉆孔內(nèi),用高壓水射流破碎礦層,并在孔底形成水-礦混合物,然后由下入孔內(nèi)的液(氣）力提升設(shè)備將礦漿輸送到地面。該方法只要在地表操作,無(wú)需開鑿提升井和地下巷道,可有效減少投資,減少環(huán)境污染,避免生產(chǎn)事故,尤其在地下水豐富以及危險(xiǎn)(瓦斯富集）的礦區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)俄羅斯專家測(cè)算,建設(shè)一個(gè)相同生產(chǎn)能力的礦山,其建設(shè)費(fèi)用只有傳統(tǒng)礦山的30%～50%,開采成本為傳統(tǒng)礦山的50%～60%[4,5]。

截止到目前為止,美國(guó)、俄羅斯、前南斯拉夫、塞黑、烏克蘭、哈薩克斯坦、津巴布韋等國(guó)采用鉆孔采礦技術(shù)分別開采了鐵礦、金伯利巖、粘土礦、頁(yè)巖、石英砂、砂巖等礦產(chǎn),這些工程實(shí)踐中所采用的相關(guān)參數(shù)為:礦產(chǎn)的埋深從15 m到1000 m,工具管的直徑是89～305 mm,工作的水壓是7～20 MPa,流量是150～300 m3/h,礦漿的濃度(巖石:水）是1/6～1/ 1,切割工具半徑能達(dá)到10 m,礦層厚度0.3～400 m。

圖7為在塞黑開采石英砂礦的鉆孔開采系統(tǒng)(BHM）。鉆井開采工具置于鉆孔的下部,高壓水從地表通過(guò)內(nèi)外管環(huán)狀間隙送入孔內(nèi)。在鉆具的底部,一部分高壓水通過(guò)噴嘴噴射出來(lái)切割礦石,同時(shí)產(chǎn)生礦漿;另一部分高壓水進(jìn)入下部的水力噴射器中產(chǎn)生真空。因此礦漿要向鉆具集中流動(dòng),噴射器抽吸礦漿并將其輸送到地表。到地表后礦石和水在水箱或水池中分離,凈化后的水被水泵重新抽到孔內(nèi),完成下一輪循環(huán)。如有必要,壓縮空氣也可以參與到上升的礦漿中形成氣舉[4]。

圖7 鉆孔開采系統(tǒng)(BHM）示意圖

基于油頁(yè)巖的埋藏條件及其自身的物理力學(xué)性質(zhì),可以認(rèn)為鉆孔水力開采是解決低品位油頁(yè)巖開采問(wèn)題的一種有效方法。從技術(shù)原理上,我國(guó)的水射流技術(shù)、井底流場(chǎng)凈化、反循環(huán)中心取樣等已經(jīng)非常成熟,并且一直在不斷的實(shí)踐中;從技術(shù)裝備上,我國(guó)已經(jīng)能夠生產(chǎn)高壓的水泵、耐磨性非常好的噴嘴。從基本理論到物質(zhì)裝備,以及國(guó)內(nèi)還有一些采用BHM法開采濱海石英砂的成功案例,所以進(jìn)行鉆孔水力開采技術(shù)研發(fā)的各項(xiàng)條件已經(jīng)非常成熟。完全可以利用油頁(yè)巖開采的契機(jī),提高我國(guó)鉆孔水力開采的技術(shù)水平,降低開采成本,趕超發(fā)達(dá)國(guó)家。

3 結(jié)語(yǔ)

為充分合理開發(fā)利用我國(guó)油頁(yè)巖資源,促進(jìn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的發(fā)展,利用新技術(shù)探討各種有效的開采方法是十分有益的?；谖覈?guó)油頁(yè)巖的埋藏條件及其物理力學(xué)性質(zhì),我們提出了2種開采模式——油頁(yè)巖原位開采與鉆孔水力開采。對(duì)國(guó)外成功案例的分析表明,該方法可以有效地減少投資,減少環(huán)境污染,避免生產(chǎn)事故。從油頁(yè)巖工業(yè)整個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮,地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)、鉆孔水力開采應(yīng)是最佳的發(fā)展趨勢(shì)。

[1] 陳晨,張祖培,王淼.吉林省油頁(yè)巖的開采新模式[J].中國(guó)礦業(yè),2007,16(5）:55-57.

[2] Bunger James,DammerAnton,Guthrie Hugh,et al.Comparative Analysis of Athabasca Oil Sands and Green River Oil Shale Re-sources-Implications for Production[A].In:AAPG 2005 Annual Convention AbstractVolume[C].2004:21.

[3] 熊繼有,廖榮慶,孫文濤,等.石油工程巖石水力破碎特性研究[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào).1999.(5）:48-51.

[4] Bojan Dimitrijevic,Ján Pinka and VladimirMitrovic.Selection of Technological Parameters in Borehole Mining Production by Tech-nicalDeep Drilling and Hydroexploitation[J].Acta Montanistica Slovaca,2004(9）:160-167.

[5] 陳晨,張祖培.鉆孔水力開采技術(shù)[J].中國(guó)礦業(yè),1998,7(6）: 40-43.

M in ingM ode for O il Shale

CHEN Chen,SUN You-hong(College of Construction Engineering,Jilin University,Chang-chun Jilin 130026,China）

W ith the era of high oilprices inworld oilmarket,the high costof oil shale production has become economical. Oil shale has become a very important alternative energy source.Due to many constraints,the cost of conventionalmining methods for oil shale are higher.Based on the burial conditions aswell as physical and mechanical properties of oil shale, at the same t ime,analyzed the unconventionalminingmethods and related tests for oil shale mining at home and abroad, two miningmodels are proposed,which are in situ mining and bore-hole hydraulic minting technology.

oil shale;in situ mining;bore-hole hydraulic minting technology

TD83;P634

:A

:1672-7428(2010）10-0026-04

2010-09-10

教育部“國(guó)家潛在油氣資源產(chǎn)學(xué)研用合作創(chuàng)新項(xiàng)目(油頁(yè)巖勘探開發(fā)利用）”

陳晨(1965-）,男(漢族）,四川資中人,吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院勘察工程系副主任、教授、博士生導(dǎo)師,地質(zhì)工程專業(yè),博士,從事巖土工程鉆鑿技術(shù)與計(jì)算機(jī)模擬、基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)、施工與數(shù)值模擬研究及教學(xué)工作,吉林省長(zhǎng)春市西民主大街6號(hào),chenchen@jlu.edu.cn。