摘要
我国油页岩地质资源量巨大,是潜在的油气资源,也是保证我国能源安全的重要战略资源。油页岩地下原位转化开采是油页岩工业的发展趋势。在系统收集相关资料、数据和调研的基础上,总结了国内外油页岩地下原位转化与钻采技术的发展历程,对反应热加热、传导加热、对流加热和辐射加热4类加热技术和水力压裂、地下爆破、冷冻墙、注浆帷幕和气驱止水5种储层改造技术的主要特点和发展现状做了进一步分析。针对我国油页岩储层的特点,提出了地下原位转化与钻采必须突破和采用的3大关键技术,主要包括:以复合加热、高效井下加热器和催化增效为核心的高效加热技术;以旋转导向钻进、精准测距双井导向为核心的水平井导向钻井技术;以CO2干法压裂技术、酸化压裂技术和气驱止水为核心的复合储层改造技术。以期为我国油页岩地下原位转化开采技术的研发提供指导和参考。
油页岩是一种高灰分的固体可燃有机质沉积岩,低温干馏可获得油页岩油,含油率大于3.5%,发热量一般不小于4.18 MJ/k
油页岩内部有机质主要为未熟干酪根,需通过低温干馏(450~500 ℃)炼制油页岩油,开发方式主要有地面干馏技术和原位转化技术。地面干馏技术适合开发地表或浅层油页岩资源,技术虽已经非常成熟,但面临着开发成本高、占地面积大和环境污染等问题。油页岩地下原位转化开采技术是通过人工加热地下油页岩储层,在原位将油页岩内部的固体干酪根裂解成油气,再通过一定的工艺开采到地面的一种开发方式,目前技术尚未达到工业化开发水平,但技术成熟后具有绿色环保、占地面积小、开发成本低和开发深层油页岩资源的优势,是油页岩工业的发展趋势。
世界油页岩地下原位转化开采技术的发展大体分为3个阶段,即早期萌芽阶段、技术发展阶段和新技术涌现阶段。
(1)早期技术萌芽阶段:为20世纪40~70年代。1940年,瑞典最早提出油页岩原位开采技术,并发明了“电热法”或“Ljungström”原位开采方
(2)技术发展阶段:为20世纪70年代至21世纪初。20世纪60年代末,由于世界原油价格快速上涨,由每桶15美元飙升到近每桶70美元。在此背景下,美国国家能源局、国家矿业局和众多油公司,投入巨资开展原位转化技术研发,技术水平得到快速发展,研发了众多原位转化方法,开发了真原位(TIS)和改进型原位(MIS)两大主流技术,分别由美国矿业局的拉勒米能源技术中心(后改名为西部研究中心)发明和美国劳伦斯利福摩尔国家实验室发明,并开展了室内先导试验和野外示范工程,油页岩油总产量超万
(3)新技术涌现阶段:21世纪以来,随着现代技术的不断进步,油页岩原位转化技术出现了很多新技术,代表性技术有壳牌公司地下电加热的ICP技术、埃克森美孚公司压裂加导电支撑剂的Electrofra
我国油页岩地下原位转化开采技术起步较晚,2005年太原理工大学提出了注蒸汽原位开采油页岩技
目前,国内外油页岩原位转化技术特点如
早期的反应热加热技术主要采用原位燃烧加热方法,即通过原位燃烧油页岩中一部分有机物以获得原位裂解所需热量。根据是否需要采矿分为真原位(True In Situ,TIS)和改性原位(Modified In Situ,MIS)两大类。TIS方法由美国拉勒米能源技术中心(Laramie Energy Technology Center,LETC)发明,该技术通过地面钻孔后采用压裂或爆炸等技术措施提高地层渗透性,然后加热油页岩使其裂解燃烧,最后从开采井中采出页岩油

图1 TIS技术原理示
Fig.1 Schematic diagram of TIS

图2 MIS技术原理示
Fig. 2 Schematic diagram of MIS
吉林大学与以色列科学家联合研发了局部化学反应法油页岩原位转化技术(TSA法),是一种低能量投入的高效加热裂解技术。它既不是简单的物理加热,也不是完全地下燃烧,是由局部的化学反应触发的一种化学热强化处理的过程。油页岩与氧之间发生局部的化学反应,使油页岩在无外界能量输入的情况下完成裂解,在整个反应过程中通过控制气体的流速来保持反应峰面稳定的传播。该方法耗能少,反应易被触发和重复,且反应过程容易控制、产油率较高,产生的油页岩油品质与传统干馏得到的页岩油相

图3 吉林大学TSA技术原理示意
Fig.3 Schematic diagram of TSA

图4 TSA法在吉林农安地下原位采出油页岩油
Fig.4 The oil produced by the TSA in Nong’an
壳牌ICP(In situ Conversion Process)技术是目前最成熟的油页岩原位转化加热技术,如

图5 壳牌ICP技术原理示
Fig.5 Schematic diagram of ICP of Shell
埃克森美孚Electrofra

图6 埃克森美孚公司的Electrofra
Fig.6 Schematic diagram of Electrofra
2010年开始,吉林大学和俄罗斯托木斯克理工大学联合开展高压-工频电加热原位转化技术的研发,该技术首先通过钻孔向油页岩矿层插入两个电极,利用高压电对油页岩高电阻物的放电作用,在电极间油页岩层中形成等离子体通道,原位击穿油页岩并碳化,从而降低油页岩层的电阻,然后在两个电极间通入工频电流,通过电极间等离子体通道的电阻发热对油页岩层进行加

图7 吉林大学高压-工频电加热(HVF)技术原理示
Fig. 7 Schematic diagram of HVF of Jilin University
雪弗龙CRUSH 技术是通过地表压缩机向注入井和预先碎石化的油页岩储层注入热蒸汽等高温流体介质,通过对流加热将油页岩中干酪根裂解为油页岩油和可燃气体,然后通过生产井采

图8 雪佛龙CRUSH技术原理示
Fig.8 Schematic diagram of CRUSH of Chevron
美国页岩油公司CCR技术是利用沸腾油作为对流加热方式,并综合利用热传导、热对流和流体回流相结合等传热方

图9 美国页岩油公司CCR技术原理示
Fig.9 Schematic diagram of CCR
太原理工大学注蒸汽开采油页岩技术(MTI技术)是采用压裂方式使群井联通,将400~700 ℃高温蒸汽沿注热井注入油页岩地层,通过对流加热裂解干酪根形成油页岩油和可燃气体,并经低温蒸汽或水携带沿生产井排到地面分离,最终形成油气产

图10 太原理工大学MTI技术原理示
Fig.10 Schematic diagram of MTI
吉林大学近临界水法油页岩原位转化技术(NCW法)通过井下加热器在地下将注入的水加热至近临界(水的临界点:374 ℃,22.1 MPa)或超临界状态,再以近临界水作为传热传质介质和提取剂,向油页岩层进行渗透、浸润和溶胀,同时使油页岩内部的干酪根有机质发生裂解,并将生成的油气产物携带出井

图11 吉林大学近临界水原位转化技术(NCW法)技术原理示意
Fig.11 Schematic diagram of NCW
Raytheon公司的RF/CF技术是由射频加热和超临界流体载热技术转化而来

图12 Raytheon公司RF/CF技术原理示
Fig.12 Schematic diagram of RF/CF of Raytheon COM

图13 LINL射频技术原理示
Fig.13 Schematic diagram of LINL
油页岩储层改造与页岩气和页岩油的不同,因为油页岩原位转化开采需要将储层加热到一定温度,故其储层改造的目的是为了防止热量流失和有利于对储层的加热,故对于不同的地层和不同的加热方法,需要采取不同的储层改造方法。如对于有裂隙和地下水的地层,就需要对加热储层进行止水封闭,防止地下水流带走热量和注热流体流失;对于反应热加热技术和对流加热技术,就需要对储层进行造缝改造,有利于热量传递。所以,油页岩储层改造包括造缝改造和空间封闭两个部分。
在反应热加热和对流加热过程中,需要储层有较好的渗透性,有利于空气或加热流体的流动,而油页岩低渗透特性阻止了流体在储层内的流动,不利于储层的加热。因此,如何提高储层渗透性,在油页岩储层提供足够的流体通道,来保证空气的流动能力或热流体的对流传热能力,提高地下储层的加热体积进而提高产油量,是油页岩原位转化开采技术的关键。储层造缝改造是最有效的提高油页岩地层渗透性的方法,常采用的技术有水力压裂技术和地下爆破技术。
美国矿业局于1969年在美国怀俄明州Rock Springs地区针对绿河浅层油页岩地层最早开展了水力压裂等一系列储层改造实验。实验结果表明,水力压裂可以提高地层渗透性,并且水力压裂后再采用爆破方法能够提高5倍的渗流能
地下空间封闭即在油页岩地下高温裂解开采区域形成一个相对稳定封闭的空间,防止地下水涌入和裂解油气产物扩散污染,是保证油页岩原位转化开采高效加热和生态安全的重要基础技术。地下空间封闭技术要求最大程度地隔绝高温裂解区与地下外部环境的物质和能量交换。目前共有3种地下空间封闭技术:冷冻墙封闭技术、注浆帷幕封闭技术和气驱止水封闭技术。
冷冻墙技术是指是利用液氮或超冷盐水等低温流体在地下闭式循环将孔隙水和地层基体冻结在一起,进而形成人造冷冻

图14 壳牌公司冷冻墙试
Fig.14 Schematic diagram of frozen wall of Shell
注浆帷幕封闭技术是指将水泥浆液压入地层孔隙及裂隙中,水泥浆液固化后可封堵地层中流体的流动路径形成地下注浆帷

图15 注浆帷幕封闭技术原理示
Fig.15 Schematic diagram of grouting curtain
目前,油页岩地下原位转化技术已有近20种,大多数都处于实验室或理论研究阶段,虽然有些已进行了野外现场示范,但离商业化大规模开发还有一定距离。其主要原因是技术还不成熟、开采效率低、经济性不佳、地层适应性还有待提高,还需攻克和采用一些关键技术,具体如下。
壳牌ICP技术是目前较为成熟的油页岩原位转化加热技术,但该技术采用热传导的单一物理加热方式,存在加热效率低和成本较高的问题,可采用“ICP+”技术,即把ICP技术与近临界水(NCW)、反应热加热或对流加热等技术结合的复合加热技术。同样,其它加热方法也可相互结合,如可采用地表与井下协同加热、多阶段物理化学复合加热、自生热驱动链式原位裂解的热流体原位复合加热技术等,实现各种加热方法的互补性,达到提高加热效率,提升资源利用率,有效降低原位开发成本的目的。
无论是热传导加热的井下加热器,还是热对流的井下流体加热器,其核心技术是耐腐蚀高温加热材料、高效换热结构及耦合表面、高效耐高温密封结构。目前,国内虽已成功研发了多种结构的井下电加热器,加热效率高、单位时间注热量大,但仍存在高温密封性能差和工作寿命低的问题,应从耐高温材料、仿生高效传热表面、强化传热结构、多级复合高效密封结构等方面入手,进一步提高电加热器性能和寿命。另外,大功能井下电/燃烧加热器、涡轮喷射式加热器、核能加热器以及熔盐加热技术也可以考虑用于油页岩原位转化的加热方法。
我国油页岩储层一般厚度较薄,必须要采用小间距长距离水平井技术提高原位转化产油量,提高加热效率,降低油页岩原位转化开采成本。可先采用双水平井小井距电磁测距导向技术,通过精确旋转导向钻井,使先导水平井准确进入目标地层,并通过精准控制入靶实钻轨迹,实现矢量中靶,保证双水平井水平段的水平度和平行度,并实时监测邻井距离,控制井眼轨迹,保证双水平井有效平行距离。还可采用多分支水平井、单井场多层开发、立体井网等“井工厂”,通过资源合理配置大幅降低钻井综合成本和开发周期。
旋转导向技术是20世纪90年代国际上发展起来的一项尖端自动化钻井技术。该技术是在钻柱旋转钻进时,随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井技术,是现代导向钻井技术的发展方向。目前,全球超过40%的定向井采用旋转导向系统钻成。中国石油长城钻探公司自主研发的指向式旋转导向系统在辽河油田双229-36-72井完成水平井全井段现场试验,各项工程指标符合现场钻井条件要求,标志着我国自主研发的指向式旋转导向技术取得重大突
双井导向技术包括垂直井与水平井对接的定向对接井技术和双水平井等间距导向技术。定向对接井是先钻一口垂直井到开采层,以该垂直井为目标,再在开采层中采用水平导向钻井技术,使地面水平相距数百米的两口井在地下深处对接。双水平井导向技术是先在开采层中钻一口水平井作为开采井,以该水平井为目标井,再在该井的下方沿开采层采用水平导向钻井技术钻一口平行的注热井,使得双井都在开采层中,并保持等间距。中国地质调查局勘探技术研究所研发的“慧磁”高精度定向对接井技术是在定向对接井技术基础上发展成的一种高效、节能,具有高精度中靶特点的定向对接井技术,集成了定向钻进技术、随钻测量技术及“慧磁”定向钻进高精度中靶技术等先进技
目前压裂技术是较为可行的油页岩储层改造技术,根据油页岩原位转化可控开采的技术要求,采用多工艺压裂技术实现精确体积储层改造。由于油页岩矿层多段薄层分布,根据矿藏赋存条件和原位转化技术的加热范围设计压裂强度,实时监测并控制优势裂缝的扩展方向,达到压裂的最优经济效益开发。油页岩储层水敏性较强、热解生产时粘土矿物膨胀,提高压裂液配伍性并保证油气产出流动通道对原位裂解生产具有重要意义。
可以结合实时微震监测技术与新型压裂工具精确控制裂缝走向,根据不同井段矿层性质应用CO2干法压裂技术与酸化压裂技术,缓解裂缝堵塞和加热器堵塞等事故,保障裂解油气的产出通道,实现缝网高效利用。由于国外公司技术封锁,CO2干法加砂压裂技术在国内起步较晚,近年来国内加大了对CO2干法压裂技术的研发投入,已在长庆苏里格气田、吉林油田、江汉油田等完成了CO2干法压裂现场试验,创新研制了适用的增粘剂和大容量密闭混砂车。针对油页岩中矿物因热膨胀的裂缝闭合强度大,还需研发新型增粘剂与密封混砂车,调整CO2压裂液的携砂性能,并满足携砂性能要求下的混砂需求。
酸化压裂应加大针对油页岩层薄互层和含粘土矿物特征的酸液体系的研究力度,联合酸化压裂技术与其它分段压裂工艺,实现经济高效的分段酸压。基于转向酸液技术的原理,控制裂缝扩展方向,避免裂缝沟通上下盖层,实现热能的高效利用。另外,压裂技术可与地下爆破技术联合使用,可以显著提高地层渗透性,达到碎石化效果,既可大幅度提高加热效率和采收率,还可提高油气产能。
油页岩资源具有地质资源量大、开发技术难度大和开发潜力大等3大特点,地下原位转化开采技术是未来油页岩开发的主要发展方向,但离商业化应用还有一定距离。油页岩原位开采技术复杂、难度较大,需在高效加热技术、水平井导向钻进技术、复合储层改造技术等相关理论、技术与装备方面开展变革性的科学研究。工厂化、绿色化、信息化和智能化集成的开发模式是未来油页岩原位转化开采的主要模式。油页岩商业化开发的目标是低成本、高产量和低污染,该目标的实现是一个资源、技术、经济和社会相结合的综合性问题,需系统研究以获得综合解决方案。
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