美国油页岩原位开采技术与启示

汪友平 王益维 孟祥龙 苏建政 李凤霞 李宗田

（中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）

美国油页岩原位开采技术与启示

汪友平 王益维 孟祥龙 苏建政 李凤霞 李宗田

（中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）

油页岩的开发利用越来越受到世界各国的重视。随着环保压力的增大，油页岩原位开采已成为未来油页岩商业化大规模开采的必然发展趋势。我国油页岩资源开发利用较早，但都是环境污染较大的地面开采方式。通过对比中美两国油页岩的地质特征和埋藏条件的不同，介绍美国土地管理局为油页岩原位开采技术的商业化推广而在美国绿河组的RD&D项目投标情况和各大石油公司在该地区现场先导试验的最新进展，以及对壳牌ICP技术、雪佛龙CRUSH技术、美国页岩油公司CCR技术和埃克森美孚Electrofrac技术的对比，为我国油页岩原位开采技术的研发拓展思路，也为我国进入油页岩等非常规油气资源的大规模开采阶段提供重要的借鉴意义。

油页岩；原位开采；RD&D项目；ICP技术；CRUSH技术；CCR技术；Electrofrac技术

油页岩指颗粒非常细、蕴含大量未成熟有机物或干酪根的沉积岩，通过高温加热（大于300 ℃）能将未成熟的干酪根热解转换为液态烃，国外称之为“能燃烧的岩石”。它属于非常规油气资源，以资源丰富和开发利用的可行性而被列为21世纪非常重要的接替能源。随着我国能源需求迅速增大，对外依存度越来越高，为了降低带来的风险，大规模的勘探开发油页岩资源对于缓解我国油气供需压力有着重要的意义。我国油页岩资源十分丰富，但如何有效地开发利用却很复杂。作为接替能源，针对我国优质油页岩资源埋藏较深的特点，并考虑到环境污染和温室效应等问题，油页岩原位开采已成为未来油页岩大规模商业化开采的发展趋势。

1 全球油页岩资源分布及开采现状

1.1 全球油页岩资源分布情况

全球油页岩折算成页岩油资源约有4 090×108t，分布非常广泛，在33个国家发现了数百个油页岩矿，主要分布在美国、中国、俄罗斯、以色列、约旦、巴西、摩洛哥、爱沙尼亚等国。美国占据了全世界约73%的油页岩资源储量，其中高于70%的油页岩主要位于美国犹他州、科罗拉多州和怀俄明州交界处的绿河组［1］。而科罗拉多州的毕逊斯盆地是绿河油页岩最发育的盆地，油页岩油资源约为1 710×108t，盆地面积4 600 km2，油页岩厚度达180 m，含油率约为13%［2］。

我国油页岩资源也十分丰富，据国土资源部2005年委托吉林大学做的新一轮油气资源评价结果［3］，全国油页岩资源折算成页岩油资源为476.44×108t，页岩油可回收资源为119.79×108t，仅次于美国，居世界第二位，主要分布在吉林的农安、桦甸和汪青的罗子沟、辽宁的抚顺和广东的茂名等地。与美国的油页岩地质特征相比，我国油页岩资源埋藏较深，油页岩平均厚度约为20～30 m，且多夹有砂岩、泥岩等，而且相当一部分为含油率小于5%的贫矿，含油率大于10%的富矿较少，主要是介于5%～10%含油率的资源［2］。

1.2 油页岩开采情况

两次世界大战过程中燃料短缺激励世界各国开始勘探其油页岩资源。2012年油页岩开采量位于前三位的分别是爱沙尼亚、中国和巴西［4］。美国拥有世界最丰富的油页岩资源，但一直未大规模开采，而是投入了巨大的人力和物力研究油页岩的原位开采技术，取得了一些进展。中国有着辉煌的油页岩开采史，从上世纪二十年代就开始开采页岩油。在抚顺地区，油页岩分布较广，岩层厚度从15 m到58 m不等，随煤一起开采，这里的油页岩和煤矿都是始新世湖泊相沉积［1］。预计到2025年，中国、美国、约旦将成为世界上主要的油页岩开采国。爱沙尼亚由于本身的资源储量较少，所以开采量一直保持比较稳定。中国主要是由于对能源的大量需求，而美国则是由于原位开采技术的不断发展和完善，使油页岩原位开采变得经济可行并实现商业化开发。

迄今为止，全球几乎所有从油页岩中提炼出的石油都是通过地表干馏，一般采用房柱法采煤技术通过露天采矿或地下采矿开采油页岩，然后把采出的矿石输送到干馏炉中，通过加热使其中的干酪根转化成石油和天然气，并将烃类馏分与矿物馏分分开。这种技术已有200多年历史，技术相对成熟，加热周期短，可以进行商业化开采。但这种技术也有较大的局限性：（1）占地多；（2）干馏后的残渣需要进行处理，浪费水资源，据统计，每生产出1桶油估计需要消耗2～5桶水［5］；（3）二氧化碳排放量大，对空气造成污染；（4）同时需要对采矿区进行回填，否则容易造成地层塌陷；（5）对于埋藏较深（大于400 m）的油页岩资源无法用该技术进行开采。

2 油页岩原位开采技术

原位开采是指通过对油页岩储层进行高温加热，将油页岩中的固体干酪根转换为液态烃，再通过传统的石油天然气钻井采油工艺将液态烃从地下开采出来的方法。自20世纪80年代开始，国外许多石油公司开始研究和发展了油页岩原位开采技术。根据加热方式不同，主要分为电加热、流体对流加热、辐射加热和燃烧加热，如表1所示。

表1 美国目前常见报道的原位开采技术及其特点

2.1 美国土地管理局RD&D项目

为了促进美国油页岩开采技术的发展，并预计从2020年开始进行油页岩的大规模商业化开发，美国土地管理局于2005年6月和2009年11月先后进行第一轮和第二轮RD&D项目试验区（Research，Development & Demonstration研究，开发&示范）的招标工作［6］。第一轮招标中有6个实验区被选中。其中Shell获得3个试验区块；Chevron 1个区块；EGL Resource，Inc（现为American Shale Oil，LLC）1个区块；Oil Shale Exploration，LLC（现为Enefit American Oil） 1个区块，主要进行地表干馏。第二轮RD&D项目招标共确定3家公司中标：ExxonMobil 1个区块；Natural Soda 1个区块，主要生产苏打石等无机矿物；AuraSource 1个区块，主要为地表干馏。

两轮招标的条款有所不同。第一轮美国土地管理局给予0.65 km2租赁权加额外的20 km2矿区的优先开采权；先导试验期限为10年，最多可再延长5年。第二轮优惠条件减少，只给予0.65 km2租赁权加额外的1.94 km2矿区的优先开采权；先导试验期限限定为10年［6］。

当今研究相对比较成熟并获得美国土地管理局RD&D项目试验区的油页岩原位开采技术有壳牌ICP技术、雪佛龙CRUSH技术、美国页岩油CCR技术和埃克森美孚Electrofrac技术。

2.2 壳牌ICP（In-Situ Conversion Process）技术

壳牌的ICP技术（图1）采用小间距井下电加热器循序均匀地将地层加热到340 ℃/min左右的转化温度。根据加热器间距和加热速度，对于一个商业开采项目，将地层加热到转化温度的时间估计为2～4年。根据试验结果，一项商业规模的项目预计可获得的能量增益接近3，即所获产品的能量值是用来生产这些产品所消耗能量的3倍［7］。ICP工艺实现商业化还需要采用冷冻墙技术，阻止水流入被加热地层，并能封闭产出的流体，提高采收率，同时保护局部蓄水层。ICP工艺利用循环制冷剂形成的冷冻墙阻止地下水进入被加热层，冷冻墙内的地层水被抽出，地层被加热，产出油，剩余页岩用干净水冲洗其中的污染物。壳牌冷冻墙试验开始于2002年，并于2005年试验了大规模的冷冻墙，布置了157口冷冻井，井间距离为2.4 m，建立了一个跨度为68 m的密封体（图2）。2007年作业公司开始向冷冻井中注入氨水进行循环制冷，起初在浅层循环，之后慢慢加深。到2009年7月，冷冻墙已到达520 m深处。这次试验的目的是评估冷冻墙的完整性，但不涉及加热和油气生产。

图1 壳牌公司的ICP技术示意图［7］

图2 壳牌公司大规模冷冻墙试验［8］

通过7次野外试验，壳牌公司调查了各种加热方法，如注蒸汽、安装井下加热器，并研究了不同深度的组合井，分别用于加热、生产和除水等（表2）。

表2 壳牌公司的热传导试验项目［8］

2.3 埃克森美孚Electrofrac技术

埃克森美孚Electrofrac工艺（图3）采用水力压裂方式压裂油页岩，然后向裂缝中填充能导电的支撑剂，从而形成一个电加热体。热量通过能导电的支撑剂传给油页岩后，其中的干酪根受热转化成油和气，然后通过常规方法采出。埃克森美孚公司已经对焙烧石油焦是否可作为支撑剂进行实验，希望这种材料被泵入垂向裂缝后能形成一系列平行的平面电加热器。与壳牌的ICP技术一样，热量通过热扩散方式传给页岩层。和线性热源相比，Electrofrac工艺的潜在优势是平面裂缝加热器的表面积较大，这样可以用较少的加热器就能向地下储层传递足够的热量。另外，使用平面加热器还能减少对地面环境的干扰，这一点也比线性热源和井下加热器优越。

图3 埃克森美孚公司的Electrofrac技术示意图［9］

埃克森美孚公司通过模拟实验和实验室研究解决Electrofrac工艺中的几个重要技术问题：（1） 导入裂缝的导电导热剂在周围岩石被加热到转化温度时继续保持电导性； （2） 通过该工艺产生的油气能在地应力条件下流到井筒内；（3） 特殊的完井工艺使裂缝能高效导热。

根据实验结果，埃克森美孚公司于2007年在科罗拉多州西北部该公司拥有的油页岩矿场Colony Mine进行了现场试验。通过水平钻进油页岩层，并在足以使岩石破裂的压力下泵入了焙烧石油焦、水和硅酸盐水泥混合浆，压开了两条Electrofrac裂缝并对大裂缝测量了温度、电压、电流和岩石的运动情况。因为是初次试验Electrofrac工艺，两条裂缝只被加热到了相对较低的温度。这次低温试验的目的不是产生油和气。试验结果证明有可能形成能导电的水力裂缝，能使裂缝接通电，能进行控制，并能保持裂缝低温加热状态至少几个月时间。

2.4 美国页岩油公司CCR（Conduction，Convection and Reflux）技术

美国页岩油公司建议采用CCR传导、对流和回流工艺开采页岩油。CCR工艺（图4）通过集中加热非渗透页岩盖层下面的页岩，从而将产层和被保护地下水源隔离开。其原理是钻2口水平井：1口加热井和1口生产井，加热井在生产井下面。热量通过一个井下燃烧器供给，该燃烧器最终利用产出气运转。随着干酪根的分解，轻质组分（蒸气）上升，冷凝，然后流回地层。热量通过回流油被分散到地层中。地层通过热机械压裂方式形成了一定的渗透能力，从而使对流热传递成为可能。

图4 美国页岩油公司的CCR技术示意图［10］

AMSO公司的首次RD&D项目于2011年开始现场试验，加热时间须达到200 d，需干馏的地层体积相当于4 000 t的油页岩，产生的页岩油将达到272 t。

2.5 雪佛龙CRUSH技术

雪佛龙CRUSH工艺（图5）首先用碎石化技术将储层岩石破碎成不连续的岩石块，然后通过地表的压缩机注入热蒸汽（或空气）给地层进行加热，将其中的干酪根受热转化成油和气，然后通过常规方法采出。

图5 雪佛龙的CRUSH技术示意图［4］

这项技术的核心是碎石化（Rubblization），即在x，y，z 3个方向产生裂缝，能够为干酪跟在致密储层里发生化学转换提供更多的表面积。雪佛龙公司提出2种可能的碎石化方法。第1种是冷冻法：原理是岩石在冷却状态下会发生收缩，极度冷却能使岩石处于拉伸，使岩石变得很不稳定；热膨胀相关系数继续随地层发生变化，会导致收缩量和剪切应力发生变化，从而有利于碎石化。第2种是爆炸法：定时爆破会对岩石产生结构性干扰，控制高度和方向，能够得到特定形状的裂缝。冷冻碎石化的具体过程（图6）：（1）用水或者液态气（液态二氧化碳或者液氮）形成一条传统的主裂缝；（2）钻一口斜井交叉于主裂缝，然后循环冷却液，岩石被冷却将会收缩，形成垂直于主裂缝的次生裂缝；（3） 继续循环冷却液，随着岩石继续被冷却，地层发生不同程度的收缩，从而在地层中形成剪切破坏，三级裂缝将继续形成，甚至形成一个连通的缝网。

图6 雪佛龙的冷冻法碎石化［12］

有关雪佛龙RD&D的报道是，雪佛龙已经通知美国土地管理局和采矿、安全部门，他们打算出让在科罗拉多Picesance盆地的RD&D租赁权，原因是他们认为原位开采技术在短时间内很难取得重大突破。

3 认识与启示

（1）中国油页岩资源储量丰富，仅次于美国，位于世界第2位，分布也非常广泛，可以作为我国未来一种重要的接替能源。

（2）美国政府十分重视油页岩的开发和环保问题，两轮的RD&D项目鼓励各大石油公司开展各种油页岩原位开采技术的研究和现场试验，取得了许多宝贵的经验。原位开采也是我国未来进行油页岩大规模商业化开发的必然趋势。

（3）美国各大石油公司在开展油页岩原位开采技术的室内研究和现场先导试验过程中都遇到一些技术难题，与地表干馏技术相比，原位开采技术相对不太成熟，商业化开发不可操之过急。

（4）我国应加快开展适用于油页岩原位开采技术的资源选区评价工作，并根据中国油页岩资源特征和条件对各种原位开采工艺进行筛选和优化，结合我国先进的钻完井技术和水平井分段压裂技术，形成一套适合我国油页岩原位开采的新型技术体系。

［1］ DYNI J R. Geology and resources of some world oilshale deposits ［R］. US Geological Survey Scientific Investigations, 2006.

［2］ 钱家麟，尹亮. 油页岩：石油的补给能源 ［M］. 北京：中国石化出版社，2008.

［3］ 刘招君， 董清水， 叶松青，等. 中国油页岩资源现状 ［J］.吉林大学学报：地球科学版， 2006， 36（6）： 869-876.

［4］ JEREMY Boak. Oil shale: is now the time? ［R］. Garfield County Energy Advisory Board, 2011.

［5］ BARTIS J T, LA Tourrette, DIXON L, et al. Oil shale development in the United States：prospects and policy issues ［R］. The RAND Corporation, Monograph MG-414, 2005.

［6］ MITCHELL Leverette. Status and plans for the U. S. department of interior program for development of oil shale and oil sands［R］. 31th Oil Shale Symposium, 2011.

［7］ HAROLD Vinegar.Shell’s in-situ conversion process［R］，26th Oil Shale Symposium, Colorado, 2006: 16-19.

［8］ FOWLER T D, VINEGAR H J. Oil shale ICP-Colorado Field pilots ［R］. SPE 121164, 2009.

［9］ TANAKA P L, YEAKEL J D, SYMINGTON W A，et al. Plan to test ExxonMobil’s in situ oil shale technology on a proposed RD&D lease ［R］. 31th Oil Shale Symposium, 2011.

［10］ ALLIX Pierre, BURNHAM Alan K. Coaxing oil from shale ［J］. Oilfield Review （Schlumberger） ，2011，22 （4）: 6.

［11］ ALAN Burnham. Initial results from the AMSO RD&D pilot test program ［R］. 32th Oil Shale Symposium, 2012.

［12］ MARK D Looney. Chevron’s plans for rubblization of Green River Formation oil shale （GROS） for chemical conversion［R］. 31th Oil Shale Symposium, 2011.

（修改稿收到日期 2013-09-26）

〔编辑 薛改珍〕

Enlightenment of American´s oil shale in-situ retorting technology

WANG Youping, WANG Yiwei, MENG Xianglong, SU Jianzheng, LI Fengxia, LI Zongtian
（Exploration & Production Research Institute, SINOPEC, Beijing 100083, China）

Oil shale is one of the most alternative energy except of coal, oil and natural gas. How to develop and use it, have attracted more and more attention in many countries. Taking into account issues such as environmental pollution, in-situ retorting technology has been the trend of large-scale commercialization of oil shale in the future. China has produced the oil shale for a long time, but all of them were developed by means of surface retorting, resulting in a technical gas of in-situ retorting. In order to promote the commercialization of oil shale in-situ retorting technology, the U.S. Bureau of Land Management initiated two oil shale development program and solicited applications for Research, Development and Demonstration (RD&D) in the Green River Formation. This paper also introduces the latest progress of the pilot projects of the major oil companies in this region. By comparing and analyzing the Shell ICP technology, Chevron CRUSH technology, American Shale Oil company CCR technology, and ExxonMobil Electrofrac technology, not only expand the ideas for oil shale in-situ retorting technology, but also provide references for large-scale exploitation of unconventional oil and gas resources.

oil shale; in-situ retorting; RD&D lease; ICP technology; CRUSH technology; CCR technology; electrofrac technology

汪友平，王益维，孟祥龙，等.美国油页岩原位开采技术与启示［J］. 石油钻采工艺，2013，35（6）：55-59.

TD83

A

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0055 – 05

汪友平，1983生。2012年毕业于德国克劳斯塔尔工业大学石油工程专业，获博士学位，现从事水力压裂的研究工作，工程师。电话：010-82312063。E-mail：wangyp.syky@sinopec.com。