油页岩原位开采技术现状及建议*

李利利，张福群

（沈阳化工大学环境与安全工程学院，辽宁沈阳 110142）

2022 年上半年，受国际局势持续动荡的影响，原油价格单边上涨达到历史峰值，这对非常规能源的发展形成了巨大利好，能源需求的与日俱增也为其开发利用创造了新的上行空间[1]。非常规油气资源凭借着储量丰富、分布广泛、开发技术日渐成熟等特点，在油价高启的今天正成为各国追逐的研究热点，由于对其的开发利用可以缓解传统能源需求压力，因而具有广阔的市场前景。油页岩作为一种低热值固体化石燃料，经一系列热解可产生类似石油的页岩油，经加氢裂化可产生汽油、煤油和柴油等精炼油[2]，因而被认为是重要的补充能源。据统计，我国的油页岩资源储量丰富，约为9.78×1011t，折合页岩油储量约为6.1×1010t[3]，因此，加强对其开发利用可以有效弥补我国常规能源的短缺问题。

目前，油页岩的开采技术分为地面干馏和地下原位转化两种，其显著差异在干馏位置和开采效率上[4]。地面干馏开采一般仅适用于裸露的油页岩或浅层储层，但是我国的油页岩多集中于中深层，这将无法充分开发我国的油页岩资源。虽然该技术比较成熟、工艺简单，但是也不可避免地存在着诸如：利用率低，规模小，成本高，产生的废气、废水、粉尘等对环境有污染，干馏产生大量废渣，产物焦炭、半焦不易回收利用等问题，因而具有较大的局限性。而地下原位开采技术可用于深层的油页岩，且具有开采效率高，产品质量好，节约空间和对环境污染小等优点，因而受到了各国的广泛关注。

本文将系统的总结油页岩原位开采的技术现状，并重点介绍国内外具有代表性技术的特点与不足，取其精华，去其糟粕，形成符合我国油页岩含油率低且具备经济性的地下原位转化技术，找寻到“因地制宜”的发展路线[5]。

1 油页岩原位开采研究现状

鉴于地面干馏存在诸多问题，在此背景下，地下原位开采技术应运而生。由于油页岩中利用的关键在于有机质，故该方法是通过热流体或提前安装在油页岩储层中的加热装置，通过传导、对流、辐射、燃烧等热交换方式对储层进行持续热量输入。当达到一定温度时，有机质会发生裂解产出油气资源，通过生产井可将其传输至地上，然后进行冷凝分离等二次加工就可以得到页岩油和气。由于其核心是在地下完成裂解或有机质的分离，在实施过程中油页岩并未从地下取出，也就不存在大量的废料堆积，这就从根本上解决了地面干馏的不足之处。虽然国内外进行了大量研究，但是还有种种问题待完善，因而未进行批量生产。黄非[6]在原位开采中引入了磁分离技术，该技术利用油页岩本身的磁性使其在微波加热炉中处于充分受热状态，提高了对油页岩的加热效果，使之达到较高的热解程度，降低了开采成本。此外，催化剂的加入也能有效提高开采效率及品质，使其有机质的热裂解明显增强，当前主要有金属盐类和黏土类催化剂[7]。但目前该研究还仅停留在实验阶段。

按照加热方式的不同，原位开采又可分为电加热、对流加热、辐射加热、燃烧加热等4 类技术[8]。

1.1 电传导加热

电加热法具有加热方式灵活、易于控制、施工方便、加热器温度可调控等优点，但由于油页岩本身是致密沉积岩，致使渗透性低，存在加热周期长、传热效率低、能耗高等问题。具有代表性的有壳牌公司的ICP 技术[3]、埃克森美孚公司的Electrofrac TM[9]技术、Independent Energy Partners 的GFC[10]技术、吉林大学和托木斯克理工大学的原位高压-工频电加热技术等[11]。

（1）ICP 技术 该技术利用安装在加热井中的电加热器所产生的电流热效应，将热量注入到油页岩储层中，加速矿体对流传热，使储层中的有机质受热分解为页岩油气，最后，借助生产井将油气收集至地表进行分离。该技术的核心是要在储层周围建立“冷冻墙”，这样可以有效防止原位开采过程中水流入被加热层，从而对加热层予以保护，提高采收率以及避免油气对地下水的污染。此外，该技术还要根据储层的非均质性及时地去除水分，以达到较好的加热效率。近年来，壳牌公司通过对井道布置进行优化，将最初只能应用于井距小于30m 的垂直井最终成功应用于水平井中，还研发了N2辅助原位转化、多孔硅铝酸盐辅助原位转化等工艺。Pei 等[12]基于ICP技术提出的N2辅助原位转化技术，利用在储层中注入N2来增强对流换热，进一步提高了加热效率。壳牌公司经过多年的先导实验后，选取压力为1.72MPa、长期315℃的加热条件，在桃花心木示范项目中利用ICP 技术最终产出了优质页岩油[13]。此外，Le 等[14]利用ICP 技术在低温干馏且适宜的压力条件下对格林河油页岩进行热解研究，也获得了优质页岩油。

该技术相对比较成熟，关键的工艺、加热器选材等问题已经得到解决，并且进行了大量的应用和改进，只是还没有大规模进行商用。该技术的优点是采收率较高，对环境破坏小，可对深层油页岩直接进行加热等。但缺点也很明显，例如：开发周期长、耗电多导致的成本高，能量利用率低等。

（2）Electrofrac TM 技术 该技术根据我国油页岩矿层具有低渗透和不均匀导电性的地质特点，通过在矿层中布置平行水平井和采用水力压裂的施工方法来对其裂隙加以有效改造，形成大量的裂缝，增加矿体换热面积。然后再用填充在压裂间隙介质中的导电介质进行原位加热，确保在油页岩储层中形成可导电的电加热体，然后使用电加热对其加热，将储层中的干酪根进行裂解，页岩油气沿着大量的裂缝通过生产井被开采出来。该技术在科罗拉多州的油页岩矿场进行过现场实验，结果证明能对裂缝进行通电和控制以及能保持低温加热状态一段时间，但并未涉及油气产出。

相较于ICP 技术，其电加热的范围明显变大，有效提高了加热效率和开采效率，对环境危害也小，一定程度上弥补了ICP 技术的不足。但由于加热周期长，设备长期置于高温状态下易发生故障，导致维护成本高，并有副产品NaHCO3生成，因而未得到有效推广。

（3）GFC 技术 该技术通过在油页岩储层中安装燃料电池装置，通入燃料和空气使其发生反应产生能量，利用固体间热传导的加热方式对储层进行加热，使有机质裂解成油气资源，通过生产井开采出来。然后，将开采出来的部分可燃气体注入到井下的燃料电池堆，可以对油页岩储层进行可持续开采，实现能源的循环使用。据IEP 公司估计，该技术可获得174kWh·bbl-1的油电转换率[15]，但该技术目前并未进行工业试验。

该技术的优势在于对环境非常友好，可以实现能源的循环利用，运营成本较低。但受其固有的限制，导致加热速度慢、加热周期长等问题也一并存在。

（4）原位高压-工频电加热技术 该技术主要是在油页岩储层进行钻孔，将正负电极分别置于这二种不同类型的钻孔中，以实现通过高压电流对储层介质进行电击穿，使油页岩介质由绝缘状态直接转为导电导热状态。然后，使用工频电向储层中通入电流对其加热，进行热击穿，在达到一定温度时有机质会发生热裂解，最后将热解生成的油气通过生产井开采出来。目前，该技术还处于模拟研究阶段，未进行工业试验。

该技术的优点是加热速度快、周期短、污染小、更加环保。而缺点是在加热过程中的作用距离比较短，还需进一步完善，以及对其进行相应的优化。

1.2 流体对流加热

对流加热是依靠冷热流体互相掺混和移动所引起的热量传递，主要为蒸汽加热，即通过热蒸汽向储层提供热量，其主要优势在于加热速度快、开发周期短、产油量高、可充分利用干馏气等优点。但该技术进行流体物质交换时存在水体污染、能耗高、产出气需分离、注入的热蒸汽无法保证能达到油页岩裂解所需的温度以及需要对储层进行改造以防加热初期蒸汽难以注入等问题。具有代表性的有雪佛龙公司的CRUSH 技术、Mountain West Energy 公司的IVE技术、太原理工大学的MTI 技术、Petro Probe 公司的Superheated Air 技术、EGL 公司的EGL 技术以及吉林大学的近临界水原位开采技术[16]。

（1）CRUSH 技术 该技术利用对流和回流传热原理对油页岩矿层进行加热分解。通过爆破将油页岩矿层破碎，将矿层大幅度压裂产生大小、方向各异的裂缝，然后将高温流体CO2以对流的方式注入来加热储层，使其发生裂解。经充分热解转化为油气后，通过生产井将油气采出。该技术仅适用于小范围的矿层开采，并不具备大规模商业开采的条件。

该技术极大地提高了矿层的渗透性，相比电加热不需要预热期，具有加热效率高、油气易产出、日产量高等优点。但缺点也比较明显，CO2自身的比热容较低，运输不方便，且生产时需要大量的水，对环境的影响也较大。

（2）IVE 技术 为了便于热解产物的开采与分离，该技术通过对流加热的方式，将高温蒸汽作为载体通过直井注入到油页岩储层中，对其进行加热裂解。然后通过采油井将油气运转至地面，利用压缩机对气体产物的不凝气进行压缩，最后将裂解的油气开采出来，多余的气体还可再循环利用。李姿[17]通过CMG 软件对抚顺油页岩蒸汽加热原位开采的效果进行了模拟，证明了蒸汽加热法的加热效率较高。M.Razvigorova 等[18]对保加利亚油页岩颗粒进行了热解实验，结果表明，高温水蒸气可使页岩油的产量增产20%左右。该工艺在美国茶壶圆顶油田还进行了现场测试，结果表明，在约30d 的注蒸汽后，井口产生了大量的直径约180m 的气泡。

该技术的优势在于工艺过程简单、成本低、加热快、污染小，可实现对能源的高效利用。

（3）MTI 技术 该技术通过在地面布置群井，采用气体对流传热原理，利用群井水力压裂技术使储层内形成大面积的裂缝结构，然后将高温过热蒸汽沿注入井注入到储层中，注入的气体借助裂缝将热量传递给油页岩，使其热解为油气资源，通过交替传热升温，使储层受热均匀。热解后的页岩油气还可以进行余热发电，最后将油、气、水进行分离处理。该技术虽然在实验室完成了测试，但还未进行现场实验。该技术所用的水蒸汽理化性质稳定，无污染且易于获取，同时还具有加热速度快、周期短等优点。缺点是加热过程中热量损失较大以及会造成地面下沉、地下水污染等问题。

（4）Superheated Air 技术 该技术是将压缩空气和干馏气置于燃烧器中进行燃烧，使部分氧气被消耗掉，然后以高温压缩空气为热源对油页岩储层进行对流加热，提高其孔隙度和渗透性，使储层中的有机质生成烃气。其中将产出的部分烃气再次通入，以实现能量的自给自足，而大部分烃气则通过生产井导出至地表，最后将其冷凝可得到需要的轻质油品。该技术目前还未进行工业试验。

该工艺的优势在于污染小、环保、能量可循环，此外，由于该技术通入的是高温压缩空气，不仅可以保持矿层结构高度的完整性，还可开发深层次的储矿。

（5）EGL 技术 该技术将开采分为加热和采油两部分，采用高温甲烷或丙烷、干馏气利用对流传热对油页岩储层进行加热。通过几个平行的水平井组成一个封闭的加热系统，然后向其中通入高温气体来加热储层，而竖直井则是将生成的油气传输至地表，然后进行收集处理。该技术还停留在小型试验阶段，未进行大规模商业化开采。

该技术的最大优势是能量可循环利用，可利用本身产生的干馏气进行往复运动，提高了能量利用率，对环境也更加友好，但是在开采过程中还未彻底解决脱水问题。

（6）近临界水原位开采技术 该技术利用对流加热的原理，将水从注入井导入到油页岩储层中，然后通过安置在井下的加热装置，将水进行加热，直至其变为近临界状态，然后借助该状态下的水传递热量来加热储层，由于近临界水可与有机质发生反应，有利于有机质裂解，最后利用其自身性质将裂解后的有机质萃取出来，在地面上进行油水分离，最终得到页岩油。另外，分离出来的水还可以重复用于开采过程。目前该技术已计划在吉林扶余地区进行先导实验。

该方法的优势在于能量消耗低、加热速度快、能量利用率高。

1.3 辐射加热

微波加热和射频加热是辐射加热两种主要的方式。微波的核心在于可以穿透整个储层而无需考虑其形状及非均质性，可以将油页岩储层加热到既定温度，待其分解产生油气，因而具有加热灵活，加热均匀，能量利用率高等优点。在微波中添加具有高介电常数粒子、金属氧化物等也可提高其加热效率[19]。但该技术尚处于测试阶段，技术相对不成熟，具有代表性的是Raytheon 公司的RF/CF 技术。而射频的核心是利用无线电波对油页岩进行立体加热，由于其拥有较大的加热功率，能够提高储层内部热传导的速度。但存在前期投资大、设备成本高等问题，因而还未在现场应用，具有代表性的是LLNL 射频技术。

（1）RF/CF 技术 该技术是将射频加热装置放置在目标加热区域，将处于超临界状态的流体通过注入井导入到油页岩储层中，借助热辐射加热的原理对其进行加热分解，待其产生油气资源，热解产物在流体驱动下集中到生产井。最后通过生产井导出至地面对产物进行分离，而经地面处理后，CO2可重新注入生产井以循环利用。Mokhlisse 等[15]对摩洛哥油页岩进行了微波辐射实验，表明微波加热可以获得优质的油品以及有较高的加热效率。Yang 等[20]的研究也证明，通过微波辐射收集的油比常规热解拥有更多的饱和烷烃和芳烃，以及更少的硫、氮成分。

由于该技术具有加热速度快、环境无污染、可选择性加热和易控制等优点，因而具有广阔的发展空间。但缺点也很突出，需要消耗大量的电能，所以开发成本高，能耗比较大，且目前该技术并不成熟。

（2）LLNL 技术 该技术是将无线射频设备置于油页岩储层的目标加热区域，通过在地面上控制其功率，利用辐射加热原理对储层进行加热，由于无线射频的穿透力强，故热传递效率高。同时在储层中布置水平井以加强矿层的受热范围，待其产生油气，最后将裂解后的油气开采出来。该技术目前还未进行工业试验。

该技术具有加热速度快、热解效率高、容易控制等优点。缺点是加热范围有限、距离短、技术相对不成熟。

1.4 燃烧加热

该技术可将储层中富含碳的残渣有效地转化为热能，具有加热快、能量利用率高等优点，可有效提高油气产率，与此同时，燃烧产生的热量可供循环利用。但控制技术复杂，由于原位开采所需的加热时间长，如何能持续稳定的操控一直是一个难点所在。具有代表性的有吉林大学的TSA 技术[21]、众诚公司的IFCD[22]技术。

（1）TSA 技术 该技术先对油页岩储层进行大规模压裂，使其产生运转通道，然后将高温富氧气体注入到储层内进行局部加热，促进有机质燃烧生热，使其发生分解。然后继续添加化学物质，为热解提供充足的热量供其持续热解，裂解油页岩生成油气资源。整项技术通过控制气体流速来控制整个反应进程，最终将油气开采出来。该技术于2014 年在吉林农安成功开采出1.65t 页岩油，石油采收率为78.5%[23]。

该技术的优点在于既能节约能源又可以彻底地热解油页岩，反应易于控制，但缺点也显而易见，在燃烧过程中会产生大量废气污染环境，并且高温条件下裂缝也不能一直存在。

（2）IFCD 技术 该技术采用地下原位燃烧裂解方式，通过设置燃烧井与生产井，然后将可燃气体导入到注气井中，点燃这些可燃气体，通过燃烧加热的方式，对油页岩储层进行加热分解。最后通过生产井将热解后的油气资源开采出来，并在地面对产出物进行气液分离。该技术于2014 年在吉林松原长春岭试验区成功地从地下300m 油页岩储层中开采出了优质页岩油，但至今并未进行大规模的工业化生产。该技术具有污染小、产油速度快等优势，且随着国际原油价格持续上涨，其开采成本相对较低。

2 存在的主要问题及建议

这些原位转化技术都有着各自的缺陷。电加热法由于油页岩本身是致密沉积岩，致使渗透性低，存在加热周期长、能量利用率低、传热效率低、开采成本高等问题。对流加热法在进行流体物质交换时存在水体污染、能耗高、产出气需分离、注入的热蒸汽无法保证能达到热裂解所需的温度等问题。辐射加热法由于设备复杂且技术相对不成熟，目前尚处于测试阶段。燃烧加热法由于控制技术复杂，原位开采所需的加热时间长，如何能持续稳定的操控一直是未能突破的瓶颈。与此同时，部分技术还存在着地域适配性的问题，并不能直接照搬使用，因此，高效开发利用油页岩资源依然任重而道远，距离最终的商业化开采也存在差距。为了推动油页岩产业跨越式发展，特提出以下建议：

（1）未来应考虑将可控循环作为重点研究对象，通过对可控循环系统合理布局，包括通风路径的选取、风机的选型、控制系统的安置以及需要采取的安全措施等逐个考量，从而确定一个经济、安全、高效的作业环境。这样不仅能使能量得以循环利用，实现能量的自给自足，还将大大提高利用效率，对环境也更加环保。

（2）在实现高效开采的同时，决不能忽视对环境的影响以及能源的浪费，资源的可持续发展将是一切的前提条件。可考虑将储量巨大的可再生能源（例如太阳能、风能等）加以利用到油页岩开采过程中，替代传统能源的消耗，目前已有学者结合太阳能为流体提供能量。对于地下水污染问题，可考虑建立一个独立封闭系统，将热解区与地下水分隔开。对于污染严重的水力压裂要加以改进或摒弃，研发对环境友好的新型技术（如采用高温蒸汽、超临界CO2压裂等），从而实现对储层的改造。

（3）原位开采的整个环节，需要多要素的协调配合，不应只注重一方面的创新。作为一个整体，需要将相关技术进行渗透、改进，在储能、热裂解、温控、传输等多方面开展研究，同国情相结合，依托高校和相关科研单位实现“产学研”一体化，将理论成果转化为实际生产力。

3 结语

综上可知，无论用哪种开采方式，都或多或少地避免不了对环境的影响以及对能源的消耗，如何有效的结合各技术的优点，提高能量利用率，降低生产成本，将是未来研究的重中之重。为了响应国家对环保的号召，今后应尽可能地将可再生能源应用于油页岩转化过程中，这将对环境保护、碳中和目标的达成具有重要现实意义。