油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

孫友宏，郭威，鄧孫華

（1.油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，吉林長春130026；2.吉林大學建設工程學院，吉林長春130026；3.自然資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室，吉林長春130026；4.中國地質(zhì)大學〈北京〉工程技術學院，北京100083）

0 引言

油頁巖是一種高灰分的固體可燃有機質(zhì)沉積巖，低溫干餾可獲得油頁巖油，含油率大于3.5%，發(fā)熱量一般不小于4.18 MJ/kg［1］，屬于非常規(guī)油氣資源。我國油頁巖地質(zhì)資源量巨大，達到7199.37億t，油頁巖中蘊含的油頁巖油資源量約為476.44億t［1］，是保證我國能源安全的重要戰(zhàn)略資源。

油頁巖內(nèi)部有機質(zhì)主要為未熟干酪根，需通過低溫干餾（450～500℃）煉制油頁巖油，開發(fā)方式主要有地面干餾技術和原位轉(zhuǎn)化技術。地面干餾技術適合開發(fā)地表或淺層油頁巖資源，技術雖已經(jīng)非常成熟，但面臨著開發(fā)成本高、占地面積大和環(huán)境污染等問題。油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化開采技術是通過人工加熱地下油頁巖儲層，在原位將油頁巖內(nèi)部的固體干酪根裂解成油氣，再通過一定的工藝開采到地面的一種開發(fā)方式，目前技術尚未達到工業(yè)化開發(fā)水平，但技術成熟后具有綠色環(huán)保、占地面積小、開發(fā)成本低和開發(fā)深層油頁巖資源的優(yōu)勢，是油頁巖工業(yè)的發(fā)展趨勢。

世界油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化開采技術的發(fā)展大體分為3個階段，即早期萌芽階段、技術發(fā)展階段和新技術涌現(xiàn)階段。

（1）早期技術萌芽階段：為20世紀40～70年代。1940年，瑞典最早提出油頁巖原位開采技術，并發(fā)明了“電熱法”或“Ljungstr?m”原位開采方法［2-3］。1953年，美國辛克萊油氣公司（Sinclair Oil and Gas Company）研發(fā)了利用地層天然裂縫和井間燃燒的原位開采技術，在美國科羅拉多州皮申斯盆地開展野外試驗，獲得了少量油頁巖油［4-5］。

（2）技術發(fā)展階段：為20世紀70年代至21世紀初。20世紀60年代末，由于世界原油價格快速上漲，由每桶15美元飆升到近每桶70美元。在此背景下，美國國家能源局、國家礦業(yè)局和眾多油公司，投入巨資開展原位轉(zhuǎn)化技術研發(fā)，技術水平得到快速發(fā)展，研發(fā)了眾多原位轉(zhuǎn)化方法，開發(fā)了真原位（TIS）和改進型原位（MIS）兩大主流技術，分別由美國礦業(yè)局的拉勒米能源技術中心（后改名為西部研究中心）發(fā)明和美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室發(fā)明，并開展了室內(nèi)先導試驗和野外示范工程，油頁巖油總產(chǎn)量超萬噸［6-16］。

（3）新技術涌現(xiàn)階段：21世紀以來，隨著現(xiàn)代技術的不斷進步，油頁巖原位轉(zhuǎn)化技術出現(xiàn)了很多新技術，代表性技術有殼牌公司地下電加熱的ICP技術、?？松梨诠緣毫鸭訉щ娭蝿┑腅lectrofracTM技術和雪弗龍公司對流加熱的CRUSH技術等。

我國油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化開采技術起步較晚，2005年太原理工大學提出了注蒸汽原位開采油頁巖技術［17］，吉林大學于2011年起相繼研發(fā)了近臨界水法（SCW法）、高壓-工頻電加熱法（HVF法）和局部化學反應法（TSA法）油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化開采技術，中石油提出了水平井電加熱輕質(zhì)化原位轉(zhuǎn)化技術，吉林眾誠油頁巖公司研發(fā)了原位壓裂化學干餾油頁巖開采技術。目前，我國建設了3個油頁巖原位轉(zhuǎn)化先導試驗工程，分別是吉林眾誠集團的扶余油頁巖先導試驗工程、吉林大學的農(nóng)安和扶余油頁巖原位先導試驗工程，均成功從地下原位采出了油頁巖油。

目前，國內(nèi)外油頁巖原位轉(zhuǎn)化技術特點如表1所示，根據(jù)熱量來源和熱量傳遞方式主要分為：反應熱加熱、傳導加熱、對流加熱和輻射加熱4類［17］。

表1 油頁巖原位轉(zhuǎn)化技術特點Table 1 The characteristic of heating method for in-situ conversion of oil shale

1 油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化技術現(xiàn)狀

1.1 反應熱加熱技術

早期的反應熱加熱技術主要采用原位燃燒加熱方法，即通過原位燃燒油頁巖中一部分有機物以獲得原位裂解所需熱量。根據(jù)是否需要采礦分為真原位（True In Situ，TIS）和改性原位（Modified In Situ，MIS）兩大類。TIS方法由美國拉勒米能源技術中心（Laramie Energy Technology Center，LETC）發(fā)明，該技術通過地面鉆孔后采用壓裂或爆炸等技術措施提高地層滲透性，然后加熱油頁巖使其裂解燃燒，最后從開采井中采出頁巖油氣［4-5］，如圖1所示。MIS方法由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室發(fā)明，先通過采礦在油頁巖地層形成采空區(qū)，然后用爆破方法將其余部分油頁巖碎石化，進而提高礦層的滲透性，再通過加熱點火燃燒實現(xiàn)油頁巖裂解，最后從開采井中采出頁巖油氣［4-5］，如圖2所示。

圖1 TIS技術原理示意[18]Fig.1 Schematic diagram of TIS

吉林大學與以色列科學家聯(lián)合研發(fā)了局部化學反應法油頁巖原位轉(zhuǎn)化技術（TSA法），是一種低能量投入的高效加熱裂解技術。它既不是簡單的物理加熱，也不是完全地下燃燒，是由局部的化學反應觸發(fā)的一種化學熱強化處理的過程。油頁巖與氧之間發(fā)生局部的化學反應，使油頁巖在無外界能量輸入的情況下完成裂解，在整個反應過程中通過控制氣體的流速來保持反應峰面穩(wěn)定的傳播。該方法耗能少，反應易被觸發(fā)和重復，且反應過程容易控制、產(chǎn)油率較高，產(chǎn)生的油頁巖油品質(zhì)與傳統(tǒng)干餾得到的頁巖油相似［19］，如圖3所示。應用該方法在吉林農(nóng)安油頁巖先導試驗工程成功從地下原位采出油頁巖油［20］，如圖4所示。

圖2 MIS技術原理示意[5]Fig.2 Schematic diagram of MIS

圖3 吉林大學TSA技術原理示意Fig.3 Schematic diagram of TSA

圖4 TSA法在吉林農(nóng)安地下原位采出油頁巖油Fig.4 The oil produced by the TSA in Nong’an

1.2 傳導加熱技術

殼牌ICP（In situ Conversion Process）技術是目前最成熟的油頁巖原位轉(zhuǎn)化加熱技術，如圖5所示。該技術先在油頁巖地層鉆進加熱井和生產(chǎn)井，然后采用小間距井下電加熱器循序均勻地將地層通過傳導方式加熱到油頁巖裂解溫度。根據(jù)井間距和加熱速率不同，地層加熱到裂解溫度需要2～4年，最終從生產(chǎn)井采出油頁巖油和可燃氣體。殼牌公司自1981年在美國綠河油頁巖開展了7次野外試驗，2003-2005年在Mahogany南部示范區(qū)開展的野 外試驗共采出油頁巖油1860桶（約253 t）［21-22］。殼牌公司還與約旦合作，于2010年在約旦開展現(xiàn)場試驗，也采出了油頁巖油［23］。ICP技術要求井下電加熱器能夠耐高溫長壽命，對地層適應性也有一定的要求，油頁巖的含油率和厚度的乘積要達到技術下限和經(jīng)濟下限。我國油頁巖儲層一般埋藏深、厚度薄和含油率低，需要小間距長距離水平井技術時可以應用ICP技術。

圖5 殼牌ICP技術原理示意[17,24]Fig.5 Schematic diagram of ICP of Shell

?？松梨贓lectrofracTM技術先采用水力壓裂方式壓裂油頁巖，然后向裂縫中填充導電支撐劑，從而形成一個電加熱體。采用電加熱的方式，熱量經(jīng)加熱井通過能導電的支撐劑傳遞給油頁巖后，干酪根受熱轉(zhuǎn)化成油頁巖油和可燃氣體，并從生產(chǎn)井采出［17，24］，如圖6所示。該技術通過平面加熱，增大了儲層的傳熱面積，相比殼牌ICP技術的線性熱源，提高了加熱效率。該技術于2007年在美國科羅拉多州Colony Mine油頁巖礦場開展了分階段現(xiàn)場測試，初步驗證了ElectrofracTM技術的可行性，但未采出油頁巖油［24］。

2010年開始，吉林大學和俄羅斯托木斯克理工大學聯(lián)合開展高壓-工頻電加熱原位轉(zhuǎn)化技術的研發(fā)，該技術首先通過鉆孔向油頁巖礦層插入兩個電極，利用高壓電對油頁巖高電阻物的放電作用，在電極間油頁巖層中形成等離子體通道，原位擊穿油頁巖并碳化，從而降低油頁巖層的電阻，然后在兩個電極間通入工頻電流，通過電極間等離子體通道的電阻發(fā)熱對油頁巖層進行加熱［25］，如圖7所示。該技術的加熱速率非?？?，在實驗室通過電極間距為15 cm的油頁巖加熱實驗證實，僅需10 min即可產(chǎn)出油和氣［26］。

圖6 ?？松梨诠镜腅lectrofracTM技術原理示意圖[17,24]Fig.6 Schematic diagram of ElectrofracTM of Exxon Mobil

圖7 吉林大學高壓-工頻電加熱（HVF）技術原理示意[23]Fig.7 Schematic diagram of HVF of Jilin University

1.3 對流加熱技術

雪弗龍CRUSH技術是通過地表壓縮機向注入井和預先碎石化的油頁巖儲層注入熱蒸汽等高溫流體介質(zhì)，通過對流加熱將油頁巖中干酪根裂解為油頁巖油和可燃氣體，然后通過生產(chǎn)井采出［27-28］，如圖8所示。

圖8 雪佛龍CRUSH技術原理示意[17,27-28]Fig.8 Schematic diagram of CRUSH of Chevron

美國頁巖油公司CCR技術是利用沸騰油作為對流加熱方式，并綜合利用熱傳導、熱對流和流體回流相結合等傳熱方式［29］，如圖9所示。CCR技術先向油頁巖層鉆進一口水平加熱井和一口水平生產(chǎn)井，加熱井在生產(chǎn)井下方。通過井下加熱使加熱井周圍油頁巖中的干酪根先分解，生成的高溫氣態(tài)烴類沿著油頁巖層內(nèi)裂隙向上流動并將熱量分散到地層中，回流的油向下流動后可以被再次加熱實現(xiàn)熱對流［30］。這種技術縱向間對流加熱效率較高，但橫向間的對流效應沒有充分利用。

圖9 美國頁巖油公司CCR技術原理示意[17,30]Fig.9 Schematic diagram of CCR

太原理工大學注蒸汽開采油頁巖技術（MTI技術）是采用壓裂方式使群井聯(lián)通，將400～700℃高溫蒸汽沿注熱井注入油頁巖地層，通過對流加熱裂解干酪根形成油頁巖油和可燃氣體，并經(jīng)低溫蒸汽或水攜帶沿生產(chǎn)井排到地面分離，最終形成油氣產(chǎn)品［31］，如圖10所示。該技術已在實驗室完成了大試件工業(yè)實驗，正計劃在新疆阜康開展原位開采先導試驗。

吉林大學近臨界水法油頁巖原位轉(zhuǎn)化技術（NCW法）通過井下加熱器在地下將注入的水加熱至近臨界（水的臨界點：374℃，22.1 MPa）或超臨界狀態(tài)，再以近臨界水作為傳熱傳質(zhì)介質(zhì)和提取劑，向油頁巖層進行滲透、浸潤和溶脹，同時使油頁巖內(nèi)部的干酪根有機質(zhì)發(fā)生裂解，并將生成的油氣產(chǎn)物攜帶出井底［32］，如圖11所示。近臨界水具有活性高、傳熱傳質(zhì)能力強和綠色環(huán)保的優(yōu)點，是綠色節(jié)能的新型油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化技術。該工藝在實驗室對樺甸、汪清、扶余和農(nóng)安等多地的油頁巖樣品開展實驗，均獲得了90%以上的油收率［33］。

圖10 太原理工大學MTI技術原理示意[31]Fig.10 Schematic diagram of MTI

1.4 輻射加熱技術

Raytheon公司的RF/CF技術是由射頻加熱和超臨界流體載熱技術轉(zhuǎn)化而來的［34］。該技術的實施需先將射頻發(fā)射器放置在油頁巖層內(nèi)，并射頻加熱，然后把超臨界CO2作為載體通入到油頁巖層中，這樣油頁巖所產(chǎn)生的油和氣就會被帶到生產(chǎn)井內(nèi)，進而被抽到地面進行回收處理，而超臨界CO2冷卻后可以繼續(xù)作為載體通入到井下，如圖12所示。這種方法能有效改善傳統(tǒng)的CO2注入和隔離手段對巖石的孔隙、強度、生產(chǎn)區(qū)的大小以及加熱溫度等方面的苛刻要求。此外Lawrence Livermore國家實驗室（LLNL）提出利用無線射頻方式加熱油頁巖的技術［35］，如圖13所示。這種技術可以提高加熱油頁巖的效率，并在設計中加設水平井以加強地下油頁巖的受熱體積，使電波在巖層中平行傳播，適合薄層低品位油頁巖層開采。

圖11 吉林大學近臨界水原位轉(zhuǎn)化技術（NCW法）技術原理示意Fig.11 Schematic diagram of NCW

2 油頁巖儲層改造技術現(xiàn)狀

油頁巖儲層改造與頁巖氣和頁巖油的不同，因為油頁巖原位轉(zhuǎn)化開采需要將儲層加熱到一定溫度，故其儲層改造的目的是為了防止熱量流失和有利于對儲層的加熱，故對于不同的地層和不同的加熱方法，需要采取不同的儲層改造方法。如對于有裂隙和地下水的地層，就需要對加熱儲層進行止水封閉，防止地下水流帶走熱量和注熱流體流失；對于反應熱加熱技術和對流加熱技術，就需要對儲層進行造縫改造，有利于熱量傳遞。所以，油頁巖儲層改造包括造縫改造和空間封閉兩個部分。

2.1 造縫改造技術

在反應熱加熱和對流加熱過程中，需要儲層有較好的滲透性，有利于空氣或加熱流體的流動，而油頁巖低滲透特性阻止了流體在儲層內(nèi)的流動，不利于儲層的加熱。因此，如何提高儲層滲透性，在油頁巖儲層提供足夠的流體通道，來保證空氣的流動能力或熱流體的對流傳熱能力，提高地下儲層的加熱體積進而提高產(chǎn)油量，是油頁巖原位轉(zhuǎn)化開采技術的關鍵。儲層造縫改造是最有效的提高油頁巖地層滲透性的方法，常采用的技術有水力壓裂技術和地下爆破技術。

2.1.1 水力壓裂技術美國礦業(yè)局于1969年在美國懷俄明州Rock Springs地區(qū)針對綠河淺層油頁巖地層最早開展了水力壓裂等一系列儲層改造實驗。實驗結果表明，水力壓裂可以提高地層滲透性，并且水力壓裂后再采用爆破方法能夠提高5倍的滲流能力［16］。?？松梨贓lectrofracTM技術的核心需要首先對油頁巖層進行水力壓裂，2008年在Colony Mine油頁巖礦場的EF1和EF3井進行了兩套壓裂方案。壓裂完成后填充導電介質(zhì)，然后通過電子探針來測定油頁巖的導電率，結果證明EF1和EF3井中油頁巖具有良好的導電性［36］。吉林眾誠公司在扶余原位轉(zhuǎn)化先導試驗工程采用水力壓裂提高油頁巖層滲透性，吉林大學在吉林農(nóng)安和扶余實施的原位轉(zhuǎn)化先導試驗工程分別采用兩套水力壓裂方案。由于頁巖儲層具有粘土含量高、脆性指標低等問題，水力壓裂常面臨著“壓不開、難撐住”等技術挑戰(zhàn)，需要針對具體地層制定相應的水力壓裂方案。

圖12 Raytheon公司RF/CF技術原理示意[34]Fig.12 Schematic diagram of RF/CF of Raytheon COM

圖13 LINL射頻技術原理示意[35]Fig.13 Schematic diagram of LINL

2.1.2 地下爆破技術

在早期油頁巖改性原位技術（MIS）中，主要采用了爆炸碎石技術進行油頁巖儲層改造。該技術需要人工采礦和原位碎石化來增加地層的孔隙率。美國Occidental公司首先通過采礦的方式開挖15%～35%的油頁巖地層，然后對剩余的油頁巖地層實施爆炸破碎，使油頁巖儲層都破碎成小塊，極大地提高了地層的滲透性。Occidental公司開展了包括爆炸碎巖的效果評價、多行陣列布孔爆破效果和預留臺柱爆破等研究工作，建立了一套簡單而有效的碎巖方法，減少了原位爆破碎巖過程中的各種不確定性，實現(xiàn)了一次爆破成功，無需二次或修正爆破［37］。

2.2 地下空間封閉技術

地下空間封閉即在油頁巖地下高溫裂解開采區(qū)域形成一個相對穩(wěn)定封閉的空間，防止地下水涌入和裂解油氣產(chǎn)物擴散污染，是保證油頁巖原位轉(zhuǎn)化開采高效加熱和生態(tài)安全的重要基礎技術。地下空間封閉技術要求最大程度地隔絕高溫裂解區(qū)與地下外部環(huán)境的物質(zhì)和能量交換。目前共有3種地下空間封閉技術：冷凍墻封閉技術、注漿帷幕封閉技術和氣驅(qū)止水封閉技術。

2.2.1 冷凍墻封閉技術

冷凍墻技術是指是利用液氮或超冷鹽水等低溫流體在地下閉式循環(huán)將孔隙水和地層基體凍結在一起，進而形成人造冷凍墻［38］。該技術可以暫時性封堵地下空間，由于地下凍結體與周圍環(huán)境間溫度梯度較大，需要維持低溫流體循環(huán)才能保持冷凍墻的長期有效。殼牌ICP技術開發(fā)了冷凍墻封閉技術，利用循環(huán)制冷劑形成的冷凍墻阻止地下水進入高溫裂解區(qū)，加熱地層前需將冷凍墻內(nèi)的地層水抽出，油頁巖油開采結束后，用干凈水沖洗高溫裂解區(qū)內(nèi)的污染物。殼牌于2002年在美國科羅拉多州開展冷凍墻現(xiàn)場試驗，布置了157口冷凍井，井間距離2.4 m，冷凍時間達2年，建立了跨度68 m、深度520 m的冷凍墻密封體［17，22］，如圖14所示。冷凍墻封閉技術的施工周期較長、配套設備和工程費用也較高。

2.2.2 注漿帷幕封閉技術

注漿帷幕封閉技術是指將水泥漿液壓入地層孔隙及裂隙中，水泥漿液固化后可封堵地層中流體的流動路徑形成地下注漿帷幕［39］。吉林大學針對油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化自主開發(fā)了注漿帷幕封閉技術，如圖15所示，并在農(nóng)安油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化先導試驗工程成功應用。該技術主要對于埋深在100 m以內(nèi)儲層，還需結合工程精細物探資料，根據(jù)地層孔隙和裂隙分布情況，并綜合考慮儲層壓裂改造規(guī)模及地下水流向流量等因素，合理確定漿液配方、注漿孔布置、注漿層位和注漿量［40-41］。

圖14 殼牌公司冷凍墻試驗[17,22]Fig.14 Schematic diagram of frozen wall of Shell

圖15 注漿帷幕封閉技術原理示意[40]Fig.15 Schematic diagram of grouting curtain

2.2.3 氣驅(qū)止水封閉技術

氣驅(qū)封閉技術是吉林大學針對埋深＞100 m的儲層，采用反應熱技術原位轉(zhuǎn)化油頁巖的一種地下空間封閉技術。該技術在原位高溫裂解區(qū)邊緣通過鉆孔注入一定壓力的氣體形成高壓充氣區(qū)，用以阻隔儲層外部的地下水進入高溫裂解區(qū)，避免地下水對儲層加熱效率的影響。由于氣體粘度小和流動性強的特點，該方法可以獲得較大的封閉范圍，該技術需要合理調(diào)控注氣流量和壓力以達到氣驅(qū)止水效果，同時不影響原位加熱裂解過程［42］。

3 油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采未來關鍵技術

目前，油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化技術已有近20種，大多數(shù)都處于實驗室或理論研究階段，雖然有些已進行了野外現(xiàn)場示范，但離商業(yè)化大規(guī)模開發(fā)還有一定距離。其主要原因是技術還不成熟、開采效率低、經(jīng)濟性不佳、地層適應性還有待提高，還需攻克和采用一些關鍵技術，具體如下。

3.1 高效加熱技術

3.1.1 復合加熱技術

殼牌ICP技術是目前較為成熟的油頁巖原位轉(zhuǎn)化加熱技術，但該技術采用熱傳導的單一物理加熱方式，存在加熱效率低和成本較高的問題，可采用“ICP+”技術，即把ICP技術與近臨界水（NCW）、反應熱加熱或?qū)α骷訜岬燃夹g結合的復合加熱技術。同樣，其它加熱方法也可相互結合，如可采用地表與井下協(xié)同加熱、多階段物理化學復合加熱、自生熱驅(qū)動鏈式原位裂解的熱流體原位復合加熱技術等，實現(xiàn)各種加熱方法的互補性，達到提高加熱效率，提升資源利用率，有效降低原位開發(fā)成本的目的。

3.1.2 高效井下加熱器

無論是熱傳導加熱的井下加熱器，還是熱對流的井下流體加熱器，其核心技術是耐腐蝕高溫加熱材料、高效換熱結構及耦合表面、高效耐高溫密封結構。目前，國內(nèi)雖已成功研發(fā)了多種結構的井下電加熱器，加熱效率高、單位時間注熱量大，但仍存在高溫密封性能差和工作壽命低的問題，應從耐高溫材料、仿生高效傳熱表面、強化傳熱結構、多級復合高效密封結構等方面入手，進一步提高電加熱器性能和壽命。另外，大功能井下電/燃燒加熱器、渦輪噴射式加熱器、核能加熱器以及熔鹽加熱技術也可以考慮用于油頁巖原位轉(zhuǎn)化的加熱方法。

3.1.3 催化增效技術

實驗表明，采用催化劑可以降低干酪根的裂解溫度、提高原位轉(zhuǎn)化效率以及改善油品質(zhì)量，是降低開采成本和提高采收率的有效途徑。目前，國內(nèi)外對油頁巖熱解催化劑的研究還處于實驗室階段，對自生礦物、金屬鹽及金屬氧化物的催化效果研究較為系統(tǒng)，但針對在原位轉(zhuǎn)化工藝中的適用性和有效性等方面的研究較少。需要通過自主研發(fā)，篩選出易于攜帶的水溶性、微/納米型的有效催化劑，并研發(fā)可行的原位開采用催化劑注入工藝。

3.2 水平井導向鉆井技術

我國油頁巖儲層一般厚度較薄，必須要采用小間距長距離水平井技術提高原位轉(zhuǎn)化產(chǎn)油量，提高加熱效率，降低油頁巖原位轉(zhuǎn)化開采成本?？上炔捎秒p水平井小井距電磁測距導向技術，通過精確旋轉(zhuǎn)導向鉆井，使先導水平井準確進入目標地層，并通過精準控制入靶實鉆軌跡，實現(xiàn)矢量中靶，保證雙水平井水平段的水平度和平行度，并實時監(jiān)測鄰井距離，控制井眼軌跡，保證雙水平井有效平行距離。還可采用多分支水平井、單井場多層開發(fā)、立體井網(wǎng)等“井工廠”，通過資源合理配置大幅降低鉆井綜合成本和開發(fā)周期。

3.2.1 旋轉(zhuǎn)導向技術

旋轉(zhuǎn)導向技術是20世紀90年代國際上發(fā)展起來的一項尖端自動化鉆井技術。該技術是在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進時，隨鉆實時完成導向功能的一種導向式鉆井技術，是現(xiàn)代導向鉆井技術的發(fā)展方向。目前，全球超過40%的定向井采用旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)鉆成。中國石油長城鉆探公司自主研發(fā)的指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)在遼河油田雙229-36-72井完成水平井全井段現(xiàn)場試驗，各項工程指標符合現(xiàn)場鉆井條件要求，標志著我國自主研發(fā)的指向式旋轉(zhuǎn)導向技術取得重大突破［43］。中國海油歷經(jīng)多年技術攻關，于2014年成功自主研發(fā)了我國首套Drilog隨鉆測井與Welleader旋轉(zhuǎn)導向鉆機系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)導向技術通過與隨鉆測井技術的結合，實時判斷實鉆軌跡與儲層相互位置，根據(jù)鉆遇的儲層巖性變化及時調(diào)整鉆進方向。因此，能夠有效提高薄儲層、起伏變化大儲層“甜點”的鉆遇率。隨著該技術的國產(chǎn)化和大規(guī)模應用，其產(chǎn)品價格和應用成本將會不斷下降，將是油頁巖水平井鉆進的首選技術。

3.2.2 雙井導向鉆井技術

雙井導向技術包括垂直井與水平井對接的定向?qū)泳夹g和雙水平井等間距導向技術。定向?qū)泳窍茹@一口垂直井到開采層，以該垂直井為目標，再在開采層中采用水平導向鉆井技術，使地面水平相距數(shù)百米的兩口井在地下深處對接。雙水平井導向技術是先在開采層中鉆一口水平井作為開采井，以該水平井為目標井，再在該井的下方沿開采層采用水平導向鉆井技術鉆一口平行的注熱井，使得雙井都在開采層中，并保持等間距。中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術研究所研發(fā)的“慧磁”高精度定向?qū)泳夹g是在定向?qū)泳夹g基礎上發(fā)展成的一種高效、節(jié)能，具有高精度中靶特點的定向?qū)泳夹g，集成了定向鉆進技術、隨鉆測量技術及“慧磁”定向鉆進高精度中靶技術等先進技術［44］。該技術已實現(xiàn)了商業(yè)化，在鹽礦、天然堿礦等水溶性礦產(chǎn)開采和煤層氣、地下煤層氣化、蒸汽輔助重力驅(qū)動稠油等領域發(fā)揮著越來越重要的作用，有望在油頁巖原位轉(zhuǎn)化的對接井和雙水平井方面得到應用。

3.3 復合儲層改造技術

目前壓裂技術是較為可行的油頁巖儲層改造技術，根據(jù)油頁巖原位轉(zhuǎn)化可控開采的技術要求，采用多工藝壓裂技術實現(xiàn)精確體積儲層改造。由于油頁巖礦層多段薄層分布，根據(jù)礦藏賦存條件和原位轉(zhuǎn)化技術的加熱范圍設計壓裂強度，實時監(jiān)測并控制優(yōu)勢裂縫的擴展方向，達到壓裂的最優(yōu)經(jīng)濟效益開發(fā)。油頁巖儲層水敏性較強、熱解生產(chǎn)時粘土礦物膨脹，提高壓裂液配伍性并保證油氣產(chǎn)出流動通道對原位裂解生產(chǎn)具有重要意義。

3.3.1 CO2干法壓裂技術

可以結合實時微震監(jiān)測技術與新型壓裂工具精確控制裂縫走向，根據(jù)不同井段礦層性質(zhì)應用CO2干法壓裂技術與酸化壓裂技術，緩解裂縫堵塞和加熱器堵塞等事故，保障裂解油氣的產(chǎn)出通道，實現(xiàn)縫網(wǎng)高效利用。由于國外公司技術封鎖，CO2干法加砂壓裂技術在國內(nèi)起步較晚，近年來國內(nèi)加大了對CO2干法壓裂技術的研發(fā)投入，已在長慶蘇里格氣田、吉林油田、江漢油田等完成了CO2干法壓裂現(xiàn)場試驗，創(chuàng)新研制了適用的增粘劑和大容量密閉混砂車。針對油頁巖中礦物因熱膨脹的裂縫閉合強度大，還需研發(fā)新型增粘劑與密封混砂車，調(diào)整CO2壓裂液的攜砂性能，并滿足攜砂性能要求下的混砂需求。

3.3.2 酸化壓裂技術

酸化壓裂應加大針對油頁巖層薄互層和含粘土礦物特征的酸液體系的研究力度，聯(lián)合酸化壓裂技術與其它分段壓裂工藝，實現(xiàn)經(jīng)濟高效的分段酸壓?；谵D(zhuǎn)向酸液技術的原理，控制裂縫擴展方向，避免裂縫溝通上下蓋層，實現(xiàn)熱能的高效利用。另外，壓裂技術可與地下爆破技術聯(lián)合使用，可以顯著提高地層滲透性，達到碎石化效果，既可大幅度提高加熱效率和采收率，還可提高油氣產(chǎn)能。

3.3.3 氣驅(qū)止水封閉技術

地下水是影響油頁巖原位開采的重要因素，目前油頁巖原位轉(zhuǎn)化開采采用的3種地下儲層封閉技術中，冷凍墻封閉技術和注漿帷幕封閉技術都比較成熟，在地下工程施工中使用比較廣泛，但是由于其單井的冷凍或注漿封閉范圍有限，使得井間距較小，需施工大量的冷凍井或注漿井，故對于深層油頁巖開發(fā)封閉成本較高。氣驅(qū)止水是一種新的封閉技術，可通過井口注氣壓力的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對不同深度儲層的止水，止水范圍也較大。但是，氣驅(qū)封閉技術存在氣體流動性大，以及原始地層及高溫裂解區(qū)滲透性差異較大，封閉范圍和方向控制難度較大，為實現(xiàn)氣驅(qū)對深部油氣原位反應區(qū)的封閉作用，還要進一步通過自主攻關實現(xiàn)技術突破。

4 總結

油頁巖資源具有地質(zhì)資源量大、開發(fā)技術難度大和開發(fā)潛力大等3大特點，地下原位轉(zhuǎn)化開采技術是未來油頁巖開發(fā)的主要發(fā)展方向，但離商業(yè)化應用還有一定距離。油頁巖原位開采技術復雜、難度較大，需在高效加熱技術、水平井導向鉆進技術、復合儲層改造技術等相關理論、技術與裝備方面開展變革性的科學研究。工廠化、綠色化、信息化和智能化集成的開發(fā)模式是未來油頁巖原位轉(zhuǎn)化開采的主要模式。油頁巖商業(yè)化開發(fā)的目標是低成本、高產(chǎn)量和低污染，該目標的實現(xiàn)是一個資源、技術、經(jīng)濟和社會相結合的綜合性問題，需系統(tǒng)研究以獲得綜合解決方案。