油页岩原位转化技术发展现状及展望

李年银，王 元，陈 飞，韩应龙，陈文斌，康 佳

(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.中国石油川庆钻探工程有限公司，陕西 西安 710021；3.中国石油玉门油田分公司，甘肃 酒泉 735200；4.中国石油长庆油田分公司，陕西 西安 710021)

0 引 言

随着常规石油资源日渐枯竭，非常规油气资源的开发逐渐受到重视，其中，油页岩资源的有效开发对中国能源储备具有重要的战略意义[1-3]。油页岩是一种细粒沉积岩，呈灰褐色或黑色，富含可燃有机物，大部分为干酪根[4-7]。干酪根是一种具有复杂结构的高分子固态化合物[8]，富含脂肪族烃结构，不溶于传统的有机溶剂，只有通过对固体有机物厌氧干馏，才能将其转化为气态或液态页岩油气。全世界具有巨大的油页岩资源量[9]，可转化为约4 110×108t页岩油，是全球常规油气资源量的3.5倍。油页岩资源的开发方式主要有地面干馏技术与地下原位转化技术2种。采用地面干馏技术时[10]，油页岩被开采至地面并粉碎成一定尺寸的颗粒，在干馏系统中干馏得到页岩油气。该技术适用于浅层油页岩地层，但只有不到2%的油页岩资源满足露天开采条件。油页岩是沉积岩，在成岩和采矿过程中夹带了大量的无机矿物杂质，降低了油页岩的品位和可磨性。地面干馏过程中，还会产生大量高污染气体、酸性水和废渣。这些因素导致油页岩地面干馏技术面临经济、技术以及环保方面的挑战。随着环境保护要求的提高，地下原位转化技术已成为一种更合理的技术。油页岩地下原位转化技术是以水力压裂技术为基础，通过热流体或安放在地下的加热装置向地层持续输入热量[11]。当地层温度达到干酪根热解温度时，干酪根可热解生成油气，再以常规手段进行开采。该技术成本较低，且环境污染在可控范围内。按照热量传递方式分类，油页岩地下原位转化技术可分为对流换热及热传导2类。按照加热方式分类，可分为电传导加热、热流体加热、辐射加热、燃烧加热等。其中，电传导加热与热流体加热是最为经典的2种工艺，相关研究起步较早，现已有多种配套的改进工艺。燃烧加热技术的概念于20世纪70年代提出，但由于工艺机理较为复杂，研究进度缓慢。依靠独特的加热优势，辐射加热工艺逐渐兴起，并已开展多项室内实验与数值模拟研究，但离现场应用阶段还有较远距离。此次研究按照加热方式的不同，系统总结了油页岩地下原位转化技术的发展现状，基于研究现状提出了下步研究方向。

1 地下原位转化技术发展现状

1.1 电传导加热技术

电传导加热技术是利用电流的热效应产生热量以加热储层，最先出现的是壳牌公司开发的ICP技术[12]，并在此基础上衍生出了N2辅助原位转化、多孔硅铝酸盐辅助原位转化等工艺。ICP技术基本原理是利用安装在直井或水平井中的电加热器对目标储层加热，促进储层中的有机质转化为可采出的油气资源，再通过渗流通道开采。ICP技术主要采用井距小于30 m的生产井，以菱形或者正方形布井，以保证在低温坏境下热解正常进行，地层加热至有机质热裂解温度一般需要2～4 a。ICP技术的核心是要在油页岩储层周围建立起“冷冻墙”[13](图1)，其作用是防止产生的油气从生产单元中逃逸以及防止地下水干扰生产单元。

图1 壳牌公司ICP技术井网部署示意图

network deployment with Shell′s ICP technology

壳牌公司在南桃花木示范项目中，在压力为1.72 MPa、加热温度为315 ℃的长期加热条件下，利用ICP技术生成了优质的页岩油[12]。ICP技术需要根据地层特征及储层的非均质性划分生产单元，需要及时地去除水分，因为水的比热容是油页岩中矿物的4倍，会降低加热效率。热量通过热传导作用从加热器传递到油页岩地层，因此，需要在生产单元内安放许多加热器及相关装置，将有机质有效地转化为油气[14-15]。传统的ICP技术能耗大，升温速度较慢，可通过辅助工艺提高效率。Pei等[16]基于ICP技术提出了N2辅助原位转化技术(NAICP)，该技术通过在储层中注入N2以增加对流换热作用，从而提高加热效率。数值模拟结果显示，当模拟温度为300 ℃、N2注入速率为400 m3/d时，使用NAICP技术时的累计产油量与最大产油量分别是常规ICP技术的1.17倍和1.28倍。同时，N2作为惰性气体，对干酪根热解反应的影响及对井下设备和管道的腐蚀较轻，也较易分离，更加环保。通过添加催化剂也可提高ICP技术的加热效率，多孔硅酸铝盐已被证明可用于催化干酪根转化，实验结果表明，多孔硅酸铝盐尤其是硅和铝的物质的量浓度之比为5的AI-SBA-15介孔分子筛，通过促进油页岩热解产生的沥青产物发生二次热解[17]，可提高油页岩储层中有机质的生烃转化率，改善油气质量。中国中低成熟度页岩储层具有横向面积大的特征，若采用ICP技术，必须研究适用于水平井的原位转化工艺。

埃克森美孚公司发明的Electrofrac(TM)技术(人工压裂电加热技术)应用也较为广泛[18-19]，该方法首先需对目标储层进行水力压裂，之后用导电材料填充人工裂缝实现原位加热。人工压裂电加热技术所用的导电材料必须具有足够高的电阻将电能有效转化为热能，同时又可传导足够大的电流。实验表明，裂缝中加热元件的电传导连续性不受干酪根转化的影响，埃克森美孚公司采用煅烧石油焦作为导电剂[18]，这是一种在回转窑中被加热至1 200～1 400 ℃的焦炭，其物理特性使其易于泵入裂缝。由于煅烧温度高，其也具有良好的化学稳定性。该技术在美国科罗拉多州油页岩储层开展了现场试验，证明了该技术的可行性，但并未进行商业开采[19]。

地下燃料电池加热技术(GFC)是一种新型技术，该技术利用固体氧化物燃料电池发电时产生的热量加热油页岩。固体氧化物燃料电池通过井筒放置在页岩储层中，燃料电池释放的热能可将周围页岩加热至400 ℃，足以促进干酪根转化。1台地热燃料器包含3个圆柱形的GFC模块[20]，其中每个模块包含3个功率为1.5 kW的固体氧化物燃料电池堆。采出的天然气可就近为固体氧化物燃料电池提供燃料，保证系统持续运行。通过模拟发现，GFC技术生产油气的最佳成本与常规开采成本相近。同时，固体氧化物燃料电池相比常规电加热更环保。据IEP 估计，GFC 技术可获得24 kW·h/t的油电转换率，且NOx、SO2等有毒废物的产出量可以忽略不计[21]。

总之，油页岩的导电性较差，任何利用导电性来加热以促进干酪根转化的方法都需要较长时间，通常需要1 a以上的时间预热岩体。电加热技术消耗巨大的电能且能量利用率较低。以ICP技术为例，将油页岩持续加热至550 ℃所消耗的有效理论能量为243.3 kW/t；中国的工业电价为0.7元/(kW·h)，完全热解所需的电力成本为172元/t；出油率一般为4%(25 t油页岩产出1 t油)。因此，生产1 t页岩油所消耗的电力成本高达4 291元[16]，在现有油价水平下很难进行商业开采。

1.2 热流体加热技术

该技术是通过向储层中注入热流体，采取对流换热方式来加热油页岩。极具代表性的技术是雪佛龙公司研发的CRUSH技术[22]。该技术首先利用碎石技术将储层岩石破碎成岩石块，然后将加热后的气体通过天然或人工水力裂缝注入储层，促进干酪根热解。太原理工大学也研究了类似的过热蒸汽热解技术[23]，通过注蒸汽井将地面设备产生的过热蒸汽注入地层，待油页岩中的干酪根受热转化为油气后，再采用常规方法开采，该技术已在实验室完成了工业实验，预计在新疆阜康油田开展油页岩原位开采先导试验。

有机质的加热裂解和裂解产物的排出会扩大储层的孔隙及裂缝通道，有利于油气的采出[23]。同时，对流传热提高了加热效率，显著缩短了有机质完全热解所需的时间。在过热蒸汽的影响下，油气运移能力得到提高，油气采收率较高。实验表明，热解后样品的有效孔隙度是自然状态下的12.77倍[24]。在热流体加热过程中，水蒸气不仅用于传递和交换热量，还参与干酪根裂解反应，改善气体产物的释放特性。升温过程中，水蒸气放出的大量氢原子与脂肪链烃类及芳香族化合物进行脱氢反应，为储层提供了富氢环境，也可提高油气品质[25]。针对过热流体加热，Hou等[26]提出了一种采用熔盐作为吸热介质的太阳能塔系统，用于生产加热过程中的过热蒸汽。此外，结合水平井分段压裂及脉冲压裂工艺等，可有效提高过热蒸汽热解技术适用储层的深度，并改善开采效果[22]。

超临界CO2作为一种良好的导热流体，在溶解性及扩散方面具有优势，研究人员通过在热流体中添加超临界CO2来改进过热蒸汽热解技术。通过室内实验及数值模拟，Zhu等[27]发现，超临界CO2对油页岩热解具有促进作用，在压力为7.80 MPa、注入温度为400 ℃、超临界CO2注入速率为2.5～9.0 mL/s时，随着注入速率的增大，干酪根热解速率也增大。超临界CO2可有效提取油页岩中的有机质，生产出的石油中的芳烃组分会增加。为了方便热解产物的开采与分离，西部山区能源公司(MWE)开发了IVE技术[22]，该技术的独特之处在于通过高温蒸气将油加热至汽化温度，油蒸汽在地表冷凝分离出油，多余的气体可再循环利用，该工艺在美国茶壶山油田香农组进行了初步的现场测试。结果表明，注蒸汽30 d后，在生产井的井口产生大量的较大气泡。

干酪根含量增加会增加吸热量，因此，在总注入热量不变时，应选择干酪根含量更高的储层开采；保证经济效益的情况下，适当提高蒸汽温度或降低初始热解温度有助于促进干酪根吸热，提高干酪根转化率。从生产角度来说，热流体加热技术相比于其他加热方法具有开发周期短、产油量高等优点。从经济角度来说，过热蒸汽原位加热技术的经济净现值为0时，油价要达到4 515元/t[22]。因此，该项技术还有待进一步突破，以达到商业开发目的。

1.3 辐射加热技术

辐射加热主要分为微波加热与射频(RF)加热2种。近年来，微波加热作为一种非常规的加热手段逐渐兴起。无论储层具有何种几何形状及非均质性，微波均可穿透整个储层产生热量。微波加热具有加热速率高、可任意选择储层进行加热、三维方向均可加热等优点。微波在岩体内部进行加热，加热速率仅取决于岩体的介电特性。微波加热的一般步骤为[28-31]：先通过压裂井建立渗流通道，再通过生产井将微波发射器放置于储层中，加热升温至干酪根转化温度。微波加热方式也有利于促进干酪根转化过程中油页岩储层内部孔隙与裂缝的发育。微波加热方式下，储层中的水分蒸发产生蒸汽，冲击岩体产生微裂缝[32]。微波通过岩石矿物的非均质膨胀产生的内部热应力来破坏岩层[33]，从而在岩石内产生多条裂缝，扩展基质中的孔隙。加热时间与输出功率对孔隙发育尤其重要，更大的功率与更长的加热时间可产生更多的裂缝，但高功率会促进生成产物的二次反应堵塞毛孔。微波加热显著提高了岩石的总孔隙体积与比表面积。总体来说，微波加热下储层孔隙结构的演化是干酪根转化、蒸汽和挥发物的射流压力、微波诱导热应力、储层内部复杂的物理化学反应以及不同加热参数等因素综合作用的结果。

通过数值模拟技术，Zhu等[27]发现微波功率越大，分子之间的微波场相互作用更快，会加速热解，也会提高最终加热温度(图2)。

图2 不同微波功率下加热时间与最高温度的变化

temperature under different microwave power

油页岩矿物及岩体的低介电常数会抑制微波吸收能力，降低加热效率，通过添加剂可以加以改善。Yang等[33]发现，氧化铁纳米颗粒可作为一种有效的微波吸收剂，提高储层微波加热效果，同时氧化铁纳米颗粒在岩心中滞留不会堵塞孔隙。有机萃取剂也可促进微波加热，Al-gharabli等[34]发现甲醇可提高微波加热效果。此外，含有氮化物及硫化物的油可能会造成潜在危害，利用微波加热与铁粉作催化剂可对含硫化物的油进行脱硫[35]。研究人员对比了不同金属氧化物与金属盐的催化效果，发现MgO催化效果最佳，但总体上金属盐的催化效果优于金属氧化物[36-37]。油页岩中矿物的介电特性会随热解过程而改变，为了更好地提取油气，应进行混合加热，即先用微波加热快速升温，再利用常规技术保持恒温。

雷神公司开发了射频加热技术，将可调节频率的射频发射器放置在地层中，借助射频能量来加热油页岩，同时利用超临界CO2来驱替产生的石油与天然气。经过地面处理后，CO2还可泵入生产井循环使用[22]。在射频加热技术中，地层中的极性分子吸收能量后与其他分子快速碰撞从而产生热量，升温速率较快[38]。但该项技术并未商业应用。辐射加热技术还可用于干馏预处理，经过短时间辐射处理后的油页岩样本的单轴抗压强度显著降低，可促进热解效率。

与电加热技术一样，辐射加热需要消耗足够多的电能来产生一定频率的微波或者射频，开发成本也较高。未来若可再生能源(如太阳能、风能等)应用广泛，则辐射加热技术有望实现商业开采。

1.4 燃烧加热技术

燃烧加热技术的机理为燃烧一部分储层中的油气，从而产生足够的热量来加热储层中的其余有机质。早在20世纪70年代，美国就在怀俄明州实施了油页岩原位燃烧实验[39]。相比于常规的加热方式，燃烧加热技术可以将储层中富含碳的残渣有效地转化为热能，从而提升油气产率。同时，燃烧过程中产生的热量可促使燃烧过程自发地持续。燃烧过程中的气体膨胀也会导致微裂缝的扩展[39]，从而提高储层渗透率。

原位燃烧加热过程可分为3个阶段[40]：第1阶段(燃烧前缘温度低于200 ℃)主要为去除水分阶段；第2阶段(燃烧前缘温度为493～685 ℃)，储层中有机组分大量释放及燃烧，是该工艺的核心阶段；第3阶段(燃烧前缘温度为685～850 ℃)，主要是储层中无机物质的分解过程。KAR等[40]利用土耳其页岩样品在实验室开展了一维燃烧实验，实验温度由加热管口至管尾逐渐升高，达到峰值后逐渐降低。实验中除了油气产出外，还生成了N2、O2、CO等气体，但O2含量极低，说明燃烧过程O2被很好地利用。Taniya等[41]研究了绿河组页岩在燃烧状态下的干酪根热解情况。实验表明，燃烧过程所需的能量相对较低，通过添加水及催化剂可降低干酪根转化临界温度。针对绿河页岩进一步开展燃烧实验，实验结果表明，将油页岩样品与铁基氧化剂混合燃烧可提高燃烧效率。通过加水形成“湿燃烧”，有助于阻止无机物的分解而保证燃烧效率[41]。鲍曼等[42]研究发现半焦产物中残余碳的温度高于500 ℃时产生的热量可用作油页岩干馏的能源供应，且热解和燃烧相结合的油页岩原位热解可以达到更好的生产效果。此外，研究人员利用 Levenberg-Marquardt 算法和优化化学机理，特别是在油页岩及半焦燃烧中，对反应级数、活化能和化学计量系数等影响热解的动力学参数及燃烧过程中氧化和脱碳反应进行了模拟，以帮助设计油页岩的热解过程参数[43]。

通过对燃烧加热技术的数值模拟研究发现[43]，影响其效率的主要因素为注气速率、储层渗透率、O2含量及初始含油量等。通过增大注气速率，可为整个反应过程提供更多的O2，可使燃烧前沿维持良好状态。初始含油量的增加也会影响整个反应的进行[41]，原油含量越高，燃烧峰值持续时间越长。O2含量过低时，燃烧反应的速率较慢，生热效率较低；O2含量过高时，油页岩内部燃烧速率加快，有机质释放速率较快，但产生的无机残留物不能及时燃烧，会堵塞油页岩内部孔隙。吉林大学提出了一种燃烧加热的改进方法[44](TS-A技术)，该技术将O2与N2的混合物注入岩体以引发拓扑化学氧化反应，促进有机质燃烧，为干酪根的热解提供充足的热量。利用拓扑化学氧化反应，既可节约能源又可更彻底地热解油页岩。2014年，吉林大学在吉林省农安市完成了实验测试，日产油量约为1.65 t/d，采收率为78.5%。

燃烧过程中的半焦炭残留物可能会成为油气供应障碍。此外，对于油页岩内部物质与其他有机气体混合燃烧时的特征以及与生成的产物结构相关的研究仍需突破[45]。燃烧加热技术面临的困难还很多，热解机理与燃烧过程控制都是急需解决的难题，这些都与最终油气产量有关。

综上所述，中低成熟度页岩油气资源可采用的地下原位转化技术措施种类多样，各有优缺点。在工艺实施前应该根据地层特征及经济评价选取适合的加热方案，但目前针对各项技术的经济评价方案还较少。在选取加热方案时，应该考虑多种方案的结合，例如，先利用过热蒸汽对目标储层进行加热，待有部分油气生成后再将已生成的油气点燃来加热剩余储层以转化油气，该方案可实现储层内加热原料自给自足以及废料的合理利用。

2 油页岩地下原位转化技术研究前景

目前，油页岩地下原位转化技术多数停留在实验室研究阶段，很少有现场应用，总体上均面临着加热效率低、成本高、环保问题等因素的制约。结合以往研究成果，未来应注重以下4个方面研究。

2.1 储层压裂技术

不同于常规页岩油气，油页岩储层造缝不仅要有利于热量传递，且要减少热量的损失。前文所述的ICP技术、流体加热技术及辐射加热技术等均需储层内裂缝与孔隙的良好沟通条件。干酪根转化生成的油气必须通过孔隙与裂缝通道采出，孔隙与裂缝的发育程度决定了油气开采难度。油页岩内部的孔隙与裂缝连通性好坏是油页岩地下原位转化技术是否有效的重要因素之一。热解后油页岩内部孔隙与裂缝分布广泛，页岩可视为高渗透率多孔介质。未来需对现有的水力压裂技术进行改进，如直接采用高温蒸汽压裂、在已有的支撑剂中添加导电材料、“工厂化”压裂等，实现储层改造。对中低成熟度页岩资源的开发，也需要水平井体积压裂与油页岩原位转化技术相结合。将水平井密切割压裂、CO2干法压裂、酸化压裂技术与原位转化技术综合应用，控制裂缝转向，沟通天然裂缝，从而形成裂缝网络，达到经济高效开发。

2.2 地下储集空间封闭技术

地下储集空间的封闭环境不仅有助于热量的维持，防止地下水干扰生产单元，提高生产效率，还可减少油页岩转化过程中的废弃产物对地下水的污染。因此，地下储集空间封闭技术是保证油页岩原位转化开采高效进行及满足环保要求的重要基础技术。壳牌公司目前在大力研究“冷冻墙”技术[45]，该技术是利用液氮或者超冷盐水等在地下循环注入，将孔隙与岩体冻结在一起，形成人工冻墙。但由于储层空间与“冷冻区域”温差过大，因此，需要不断循环注入才能长期保持储层空间封闭，成本较高。考虑环保因素，需将地层水抽出，待开采结束后还需将开采区的废弃产物冲洗干净，施工周期长，难度大。

吉林大学自主研发了注浆帷幕技术[44]，该技术将水泥浆注入地层孔隙及裂缝中，水泥浆固化后可封堵地层中流体流动路径。但该技术主要应用于埋深小于100 m内的储层，还需考虑压裂工艺、地下水流动、水泥浆配方等因素，工艺也较复杂。针对埋藏深度大于100 m的储层，吉林大学开发了气驱止水封闭技术[46]。该技术通过注入高压气体在地层中形成高压充气区，阻挡外部水进入生产单元，提高储层加热效率。该技术需调整注气温度及压力，不影响干酪根的热裂解行为。现有的储层封闭技术难以满足生产与成本之间的平衡，需要不断优化施工参数或者研发新的封闭剂，满足经济与环保需求。

2.3 高效加热技术

电加热技术加热方式灵活，但升温较慢；辐射加热技术可选加热区域，实现均匀加热；热流体加热技术升温快，开发周期短；燃烧加热技术能量利用率高。未来应考虑结合各加热技术的优点，提高加热效率，降低生产成本。例如，先利用热流体加热或燃烧加热方式将储层迅速升温至干酪根转化临界温度，再利用微波辐射加热维持储层温度，既利用了热流体加热升温快、微波辐射加热可选择性加热等优点，也克服了热流体加热能量利用率低，微波辐射加热周期长等缺点。

催化剂的研究也极为重要。实验表明，通过添加催化剂，干酪根的热裂解作用明显加强，产物中短链烷烃含量增加。在微波辐射中添加具有高介电常数粒子、金属氧化物等均可提高微波辐射加热效率。目前，国内外对于油页岩热解催化剂的研究基本停留在实验室阶段。需要加强干酪根热转化机理研究，研究适用于油页岩原位转化的新型催化剂及相关注入工艺。

良好的井下加热器或加热介质是实现高效加热的关键。无论是何种加热方式，井下加热器必须采用耐腐蚀、耐高温材料，必须具有良好的传热特性。目前，虽然国内外已研发出多种井下电加热器，但存在效率较低、能耗较高、工作寿命较短等问题。未来应从耐高温、耐腐蚀、保热性、密封性等方面进行研究，开发使用周期长，能耗低的电加热器或燃烧加热器。

2.4 新能源应用

无论何种加热方式，其能源消耗均较大，且不环保。在电加热及热流体加热过程中，大量的能量在储层中损失，能量使用率低。未来可考虑将风能、太阳能、水能、地热能甚至核能应用于油页岩地下原位转化过程中。目前已有学者研究将太阳能结合熔盐为热流体提供能量，但研究仅仅处在理论阶段。利用可再生能源开发油页岩资源对环境安全、成本控制、碳中和目标等具有重要意义。

3 结 论

(1) 油页岩是未来社会经济及工业可持续发展的重要战略接替资源。地下原位转化技术是开采油页岩油气资源的有效方案。目前国内外已开展大量的研究工作，但离实现商业化开发目标存在距离。

(2) 各加热技术都有各自优缺点。电传导加热技术加热方式灵活，但能源消耗大、利用率低，难以有效实现商业开采。辐射加热技术可选加热区域，实现均匀加热，但技术尚不成熟，未来可再生能源若能有效应用于辐射加热领域，则有望实现商业开采。热流体加热技术升温快，开发周期短，但产出的气体需要进一步分离，核心问题还未解决。燃烧加热技术能量利用率高，但工艺复杂，燃烧机理及过程控制是未来的主要研究方向。

(3) 油页岩地下原位开采技术难度大，需要多个学科共同协作。未来在加热方式、升温材料、压裂技术、地下储集空间封闭、储层改造及新能源应用等方面还需开展科学研究。