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油页岩开采利用前景调研final_图文

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油页岩 开采 利用 前景 调研 final_ 图文
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油页岩开采利用前景调研刘威山东科瑞集团石油工程技术研究院摘要本文介绍了油页岩的概念,资源储量,开发技术,以及市场前景,并结合本公司自身的特点提出了我的一点个人看法:依据我研究的结果,结合公司目前的经营状况,以及公司中长期的发展要求与方向,公司对于油页岩这种即将在世界能源舞台上大放异彩的石油替代能源,应该保持适当的关注,即使目前还没有可实际介入的项目,仍应该以战略的眼光保持对其的敏感度,以便可以在将来能够占据市场的先机。关键字: 油页岩,页岩油,顺炉前言2011 年 9 月 27 日,著名媒体英国广播公司 条报道了一则题为以色列可能成为中东又一石油巨头 1)的报道。文章中说 ,以色列正在着手开发约旦河岸埋藏的油页岩资源,他们利用来自壳牌在美国的经验和技术,加热地下油页岩,然后以开采原油类似的方式开采页岩油气,一旦项目成功,将满足相当于其国内大约 40 年的消费量。这一则报道,引起了我很大兴趣,着手研究调查了油页岩相关的信息,以近一个月的时间,对我国及世界的油页岩开发技术有了一个初步的了解。我在资料的查阅过程中发现 ,油页岩 ,这种曾经因为技术和成本原因导致一度被世人遗忘了近五十年的石油替代资源,正随着油价高位运行和技术的革新,悄悄的火热起来。 因此 ,作为公司的研究机构的一员 ,我认为,很有必要做出这样一篇文章,介绍油页岩的开采技术与特点以及市场价值,以此提供一个公司决策方面的新思路。一旦油页岩开发热潮到来,公司就可以更好地把握市场先机。是一种富含有机质、具有微细层理, 可以燃烧的细粒沉积岩。 油页岩中有机质的绝大部分是不溶于普通有机溶剂的成油物质,俗称“油母”。 因此,油页岩又称“油母页岩”。油页岩与煤,炭质页岩,油砂的区别油页岩与煤的区别在于它的灰分质量分数大于 40%,它与炭质页岩的区别在于它含油率大于 而油砂则是出露地表或包含有烃类的砂岩和碳酸盐岩,主要提炼重油和沥青。界油页岩分布 2)据不完全统计,全球油页岩资源蕴含量巨大,估计有 10 万亿吨,比煤资源量 7 万亿吨还多 40%。全球油页岩产于寒武纪至第三系,主要分布于美国 、扎伊尔、巴西、意大利、 摩洛哥、约旦、澳大利亚 、中国和加拿大等九个国家。目前只有美国、澳洲 、瑞典、爱沙尼亚、约旦、 法国、德国、巴西和俄罗斯等国的部分油页岩矿床做了详细的勘探和评价。据 际能源机构),2002 年《世界能源展望》中所言,全球油页岩含油量约比传统石油资源量 2710 亿吨多 50%以上。国油页岩分布2004 年到 2006 年我国首次开展了全国性的油页岩资源评价工作。评价结果表明,我国油页岩资源丰富,分布范围广,分布在 20 个省和自治区,47 个盆地,共有 80 个含矿区,全国油页岩资源为 吨,页岩油资源为 吨,页岩油可回收资源为 吨。全国油页岩主要集中分布在东部区和中部区,东部区油页岩资源为 吨,中部油页岩资源为 吨,青藏区油页岩资源为 吨,西部区油页岩资源为 方区油页岩资源为 吨,分别占全国油页岩资源的 48%、22%、17%、10%和 3%。全国油页岩主要集中分布在中、 新生界,其中,中生界油页岩资源为 吨,新生界油页岩资源为 吨,分别占全国油页岩资源的 油页岩形成时代从西北至东南方向逐渐变新。我国油页岩含油率中等偏好,其中含油率大于 5%~10%的油页岩资源为 吨,含油率大于 10%的油页岩资源为 吨,分别占全国油页岩资源的 37%和 18%。我国油页岩埋藏深度较浅,埋深在 0m~500m 之间的油页岩资源为 吨,埋深在500m~1000m 之间的油页岩资源为 吨,分别占全国油页岩资源的 我国油页岩主要分布在平原和黄土塬地区,分布在平原地区的油页岩资源为 吨,分布于黄土塬地区的油页岩资源为 吨,分别占全国油页岩资源的 45%和 21%。油页岩资源巨大的盆地有:松辽盆地、 鄂尔多斯盆地、 准葛尔盆地 ,占全国油页岩资源的 我国油页岩资源较丰富,石炭系—第三纪都有产,但主要产于第三系。 分布广泛,但不均匀,主要分布于内蒙古、山东 、山西、吉林、黑龙江、 陕西、辽宁和广东、新疆等 9 省。 其中吉林、辽宁和广东的储量较丰,合计约占全国探明储量的 90%以上。表 1 中国油页岩资源 3) 亿吨总资源 查明资源 潜在资源 中国页岩油资源 亿吨总资源 查明资源 潜在资源 界油页岩利用现状2010 年世界页岩油产量共约 110 国约 55 万吨,爱沙尼亚约 40 万吨,巴西约 18 万吨。 世界油页岩电站以爱沙尼亚最大,容量达 2300国和德国等油页岩电力规模很小。爱沙尼亚有世界上最大的油页岩电站,但今后主要是采用干馏新技术,增产页岩油。美国拥有世界上最丰富的油页岩能源,一些大石油公司正在开展或计划开展地下或地上干馏现场实验,但至今未工业生产。美国一些大学和科研机构则在开展有关油页岩应用基础的研究。俄罗斯的油页岩也很丰富但其油气资源很多,不发展页岩油。巴西有页岩油生产,但因为近年来在近海发现大型的油田,故无页岩油的增产计划。德国、法国 、加拿大 、澳大利亚、英国等发达国家的一些公司 ,开始关注页岩油的生产,或从事开发油页岩干馏新工艺。约旦、摩洛哥 、泰国 、土耳其、以色列等发展中国家 ,加强了油页岩资源的勘察或国际合作 ,开展了油页岩加工利用的可行性研究。国油页岩利用现状由于中国当年每年进口大量原油,对外依存度已超过 50%,故页岩油的生产受到重视。国家发改委等制定有支持油页岩产业发展的政策和税收优惠等规定。中国预测页岩油资源很丰富,但探明储量不够多。中国油页岩开发历史较早,在大庆油田发现之前,中国内部甚至讨论过是否发展油页岩为主的人造石油工业,辽宁抚顺的油页岩产量在当时甚至达到世界第一的水平。但随着大庆油田的发现等一些列天然油气资源的不断涌现,油页岩,作为成本较高的石油替代资源被打入冷宫,悠悠 50 年过去,随着天然油气开发成本和难度逐年增大,以及油价的高位运行,中国油页岩的开发愈来愈受到重视,数据显示,中国页岩油年产量每年均有增加,2010 年共计生产 55 万吨,而 2009 年则为 40 万吨。中国页岩油的年产量位居世界第一,其中抚顺矿务局页岩油的年产量又占中国年产量的一半以上。 然而 ,中国页岩油的产量与天然原油产量相比是很小的。 中国页岩油通常作为轮船燃料、 锅炉燃料出售 ,销路非常良好 。页岩干馏制取页岩油当前中国在生产上,关于油页岩干馏制取页岩油的炉型,除了窑街应用了气燃式干馏炉外,其它各厂均采用的抚顺式炉或改良的抚顺式炉。据统计 ,目前全国共建有抚顺式炉约 350台,其中抚顺矿务局最多,建有 220 台抚顺炉。表 3 中国页岩油 2010 年产量 4) 亿吨抚顺 桦甸 龙口 汪清 北票 辽阳 窑街 共计30 5 6 5 5 2 2 页岩电厂发电表 4 中国油页岩 2010 年发电能力 油页岩发电厂 抚顺 桦甸 遂溪 汪清 共计发电能力/1000 18000 12000 8000 79000由表 4 可见,中国油页岩总的发电能力很小。其中抚顺矿务局是利用剩余的干馏气与内燃机燃烧发电,建有 82 台机组,总容量达 41000他 3 个电厂则是油页岩流化床燃烧产汽发电。页岩开采世界上油页岩的开采方式分为两种,一种是传统挖掘开采技术,一种是地下原位转化技术。统挖掘技术目前,绝大部分国家采取的是传统挖掘开采方法,分为露天开采和地下巷道开采,传统的露天开采是露天剥土,直接采油页岩矿石,这种方法占用大量的土地,同时也对周围的环境造成极大地污染,破坏环境。地下巷道开采 ,是在地下打巷道 ,用凿岩机采油页岩矿石,采出的油页岩矿石堆积在地面,同样占用了大量的土地。无论是地下采矿还是露天采矿,都需要把地下水位降到含油页岩层的层位下,这样做会危害到矿山附近的耕地和森林。由于目前类似于煤矿等传统固体燃料的开采方式,油页岩目前的主要开发者是一些矿业集团,我们国家的油页岩开采企业,基本都是有矿业背景的。我们国家的油页岩基本埋藏较浅,有些地方,如我国著名的油页岩产区广东茂名,甚至很多直接暴露在地表。这也导致 ,我国主要的开采方式基本靠挖掘。下转化技术地下转化技术原理简单来说就是通过某些方法加热地下的油页岩层,使之在地下完成热解从而转化成液态或气态的矿物,然后通过类似于石油钻井的方法,将这些油气状的矿物抽取上来。 以壳牌公司的 术最为典型。壳牌 术 5) 壳牌公司页岩油开采技术,即油页岩地下转化工艺,是利用电加热器给地下的油页岩层加热,加快干酪根自然成熟进度,使其中的有机质干酪根热解生成油气的一种地下转化工艺。通过加 得到超清洁的轻质油和天然气,然后,用常规的采油工艺将产生的油气输送到地面加工装置,再利用常规加工工艺进行加工或销售。图 1 壳牌公司地下转化工艺(程通过向地下缓慢的加 使产生的页岩油发生氢化反应,使干酪根加热裂解为小分子烃类,从而得到轻质凝析油(约占 2/3)和伴生气(约占 1/3)。利用 术得到的页岩油产品好于其它干馏技术得到的页岩油产品,再加工成成品油时所需的工艺过程比较少。术应用取决于油页岩矿床埋深、厚度和地下水的赋存条件 ,页岩油的开采技术由冷冻墙、 加热、生产、地面装置区和环境恢复 5 部分构成。工艺流程冷冻墙壳牌公司为了防止地层水流入生产区,防止油气产品的散失,设计了冷冻墙(图 2)。冷冻墙由冷冻井、连接冷冻井的密闭管网及冻结的围岩介质组成。 冷冻墙施工:(1) 建制冷装置,采用氨制冷技术,制冷装置需考虑备用。(2)在加热区与冷冻墙之间留出 38m 宽的缓冲区,防止冷冻与加热相互干扰,缓冲区宽度取决于加热区的导热性能和导热速度。(3)钻 150 口冷冻井,间距为 大深度为 610m,在冷冻井内装入钢管 ,钢管底部密封,与冷冻井连接,形成一个密闭系统。(4)向井内注入 冷冻液 ,使之在密闭系统内循环,使系统周围的地下水及围岩介质一起冷冻,形成冷冻墙。图 2 艺剖面和冷冻墙外观示意加热系统冷冻墙形成后,首先钻生产井约 20 口,井深为 594m,在冷冻墙外钻 2 到 4 口注水井,先用生产井将生产区的地下水排出注入到冷冻墙外的地层,之后再转为生产井,然后,在冷冻墙内钻 70 到 100 口加热井,将电极加热器装入加热井内。采油系统给油页岩层升温后,随着加热,产生的油气、蒸汽和非烃类气体一起流入生产井中,通过生产井输送至地面处理装置,进行油、气、 水分离,之后,再将分离出的油气产品分别输送到相应的加工装置进行深加工或者销售,页岩油生产井与常规油田采油井相似,也需要射孔和安装采油泵等。 因缓慢加热 、井距较近 ,储层初始渗透率较低 ,不必用水动力或爆破法增大储层裂隙,生产井即可将转换的油气与水的混合液体集输至地面,之后,再将硫从含硫气和含硫水中分离出去,得到天然气、清洁水和液态硫 ,产生的废液送入处理厂处理。 在生产后期可能需要注水,在加热区以外、冷冻墙之内设置注水井 、生产结束以后 ,冷却期间和地层水恢复期间,可将生产井改装成集水井,将水集输至地面水质处理厂。辅助生产系统、人员、 监测和响应辅助生产系统包括油气处理站、水质处理站、 工艺控制系统 、装卸设施及卫生系统等,监测井主要监测内容为水监测(地面水监测和地下水监测)以及设施监测(检查系统和操作警报系统)施工现场员工最多需要 700 人,生产期间最多需要 150 人,一般 9h 倒班一次,某些操作工 12h 倒班一次,紧急事故应急员工必须在现场或电话随时能够联络到的地方,并应有应急程序和预警措施。恢复系统开采结束后需要将实验区恢复原状,恢复工作在各阶段视运营需要可随时进行。首先恢复高温区,加热结束后,如果地面水质处理达标,则用冷却水使高温区降温,再用来自高温区的热水融化冷冻墙,然后,拆除 施和混凝土基础、堵井或弃井、 设备及人员撤离,恢复现场地面土壤及植被等。除了壳牌公司的 术,世界上其它大型石油公司也纷纷开发了自己的地下转化技术,根据 2010 年国际油页岩大会的报告显示:埃克森美孚公司利用电裂解地下油页岩及导电物料加热干馏生成页岩油气,于 2009 年进行了现场试验,在 2010 年第 30 D 吨公司与法国达道尔公司合资的的企业,已经进行了压力热解和加热器的试验,正准备进行科罗拉多的宾赛斯油页岩地下干馏中试,于 2011 年上半年开始运转。美国雷德里夫地上干馏工艺是将接近地面的厚层油页岩大面积采出后,将其破碎到一定的块度,再返回四周及底部已用黏土紧密填实的原先挖空的空间,然后向页岩堆层用钢管通入热气进行干馏。2009 年进行了中试 ,2010 年进行了产品分析及工业生产计划的评估,其论文在 2010 年第 30 届美国油页岩会议上宣读。页岩利用目前,开采到地面的油页岩利用趋向于两种,作为固体燃料直接燃烧火力发电和干馏提取页岩油。页岩干馏页岩油油页岩低温干馏技术是在隔绝空气的条件下,控制最终加热温度在 450 到 600℃范围内,将油页岩进行热加工的方法。 它通常包括三个过程 :首先是油页岩的加热过程,即热载体将热量传给油页岩, 然后在油页岩内部进行热的传导过程 ;其次是油页岩受热后,其有机质受热分解的过程, 这一过程是页岩油和气态产物生成的主要过程 ;最后一个过程是热解反应产物扩散与导出的过程。油页岩干馏技术的发展主要体现在干馏炉型上,干馏炉型又根据其不同的加热方式分为外热式炉和内热式炉。外热炉型传热效率低,且不易放大, 在工业生产上已被淘汰。 目前,世界上用于工业生产的加热方式都属于内热式,该方式又根据加热的载体分为气体热载体法和固体热载体法。气体热载体法主要有俄罗斯发生炉技术、 爱沙尼亚发生炉技术和 术、巴西 术、美国联合油 馏技术、 日本 馏技术和中国抚顺炉技术。固体热载体干馏技术主要包括美国的 馏技术、 爱沙尼亚的 馏技术、 德国的 馏技术、加拿大 A 吨 P 干馏技术和中国大工新法干馏技术 ( 当前世界上工业运转的固体热载体颗粒页岩干馏炉有爱沙尼亚的 、加拿大的 馏技术以及美国的 馏技术。目前正在工业化生产的国家只有巴西 、爱沙尼亚和中国。中国主要的油页岩企业均使用抚顺炉。中国抚顺炉技术 6)抚顺式干馏炉亦称抚顺发生式干馏炉,在中国抚顺已有长达 70 多年的工业应用历史(1986; 1996; 2004)。抚顺式干馏炉由加料设备、 炉体及带灰设备三部分组成(图 3)。炉体为干馏炉的主要部分,其外壳为钢板焊制的圆筒,外径为3m~ 4m,内衬 15050的耐火砖,耐火砖与外壳间用矿渣纤维或砂子填充保温和承受膨胀,以减少热损失。整个炉体安装在联合的钢筋混凝土或钢制的框架上,炉体被中间的拱台分为上部干馏段和下部气化段两部分。炉体的中间部分 ,包括拱台、 混合室及腰部,拱台为“十”字型砖结构与混合室相连形成四条腿支持于炉壁四周。其下有椭圆形孔与混合室相遇。图 3 中国抚顺炉结构简图(钱家麟,2006)油页岩(块径为 10 到 75炉顶加入,在炉子上半段(干馏段)被自下而上的气体热载体加热升温进行干燥、干馏(至温度约 500℃);产生页岩油气自炉上部逸出,油页岩转化成页岩半焦进入炉子下半段(发生段),与自炉底进入的空气、水蒸气相遇而汽化燃烧,生成页岩灰,自炉底的灰皿排出; 空气、水蒸气与页岩半焦中的碳发生反应生成热的发生气,作为气体热载体进入炉上部加热页岩。此外 ,在炉中部还引入热的循环气作为补充热载体进入炉上部加热页岩。该循环气乃是干馏炉顶出来的油气经冷却冷凝下来页岩油后余下的气体,在另设的蓄热式加热炉内被加热到 500℃~700℃,然后进入干馏炉中部而循环使用。因而抚顺炉的特点是油页岩干馏所需的热量有两个热源: 一为页岩半焦所含的部分固定碳与空气燃烧,并与水蒸气气化生成热的发生气,成为气体热载体;另一热源则来自冷却冷凝后的干馏气在蓄热炉中燃烧,加热循环冷却的干馏气作为补充热载体。由于利用了页岩半焦的潜热,故抚顺炉的热效率较高。 其缺点是入炉空气中的氮气冲稀了炉出口的干馏气,故炉出口气的热值低(约4000 且发生段多余的氧进入干馏段会烧掉一部分页岩油,故油收率较低,约为实验室用铝甄测定的收油率的 65%。抚顺炉的特点是炉构造简单、投资低、 操作方便、生产成熟,单炉的日处理量为 100 到200 吨油页岩,适用于小规模页岩油厂。抚顺炉既能适用于处理抚、 茂名等低品位油页岩(含油率 6%~7%),也能加工高品位油页岩。能充分利用固定碳 ,页岩半焦固定碳利用率达到 65%。其缺点是资源利用率不高,小颗粒油页岩不能利用。该炉收率较低,目前实际的油收率为铝甄收率的 65%,若回收轻汽油,油收率也只能达到 75%。中国抚顺矿务局经国家发改委批准,与 2005 年井口一台日加工 6000 吨油页岩的 艺,开发商为加拿大尤墨太克公司,制造商为德国普利休斯公司,装置引进费为 4300 万欧元,已于 2010 年建成,正投入冷却。页岩火力发电油页岩火力发电主要是将低品位的油页岩直接作为矿石燃料,利用燃烧产生的热能进行火力发电。 目前世界上最大的油页岩火力发电项目位于爱沙尼亚。目前我们国家油页岩火力燃烧发电项目主要运用于广东茂名,据报道 7),我国目前规模最大的油页岩综合利用项目——由广东粤电集团投资 32 亿元建设的茂名油页岩发电工程提速推进,至今年 4 月底已完成投资 元,厂址平整、基础开挖、 矿山开发等施工全面展开,首期工程建设的两台 21 万千瓦循环流化床页岩发电机组和年产油页岩 600 万吨矿山计划于2014 年建成投产。该项目最终规模为建设 6 台 21 万千瓦发电机组,装机容量达到 126 万千瓦。页岩工业目前的发展方向趋向于将油页岩干馏制取页岩油,但如果环境允许,开采方式趋向于地下转换技术。按照目前世界油页岩技术领域的进展,一旦油页岩地下转化技术从成本和技术上被证明切实可行,北美,约旦河区域的油页岩将得到大面积的开发和利用,从而带动整个全球能源业进入一个崭新的时代。从成本方面讲,随着石油逐渐进入高成本开采阶段,难动用油藏的开采成本相对于技术日趋成熟的油页岩干馏制取人造石油,其成本优势将不再明显。目前的油页岩制取页岩油成本按照技术水平的不同在 20 美元~50 美元之间,若采用壳牌等西方石油公司地下转化技术,其成本可控制在 20 美元左右,相对于目前及未来短期的油价,都具有工业开发的价值。从国家战略方面讲,我国石油进口不断提升,其对外依存度已超过 50%,国家必然会在十二五阶段加大对页岩油这一块的政策扶持力度。这从这两三年来,中投、中石油、中石化、粤电力、辽宁成大分别投资国内外油页岩项目的一系列动作就可以看出。因此,我认为,公司应当对油页岩提起一定的重视。认为,作为中小型石油企业的我公司应当1. 暂不投入 油页岩生产加工要求的条件过高,投资回报期长,不是中小型企业可以短期见效的项目,况且由于目前技术发展很快,应当等待到 2014 年,世界各国油页岩开发技术验收阶段,再进行项目建设,以规避风险。2. 保持关注 应当站在战略的高度,时刻留意世界油页岩工业,尤其是美国,以色列,约旦,爱沙尼亚等国油页岩地下转化开发利用的进展。以保证一旦油页岩地下转换技术大获成功,油页岩开发成本大幅下降导致油页岩开发浪潮到来时,能够及时的把握市场先机。3. 储备信息 收集一定量的国内外,油页岩区块转让,技术转让,技术合作信息,作为市场信息储备。参考文献[1] 刘招君等,《中国油页岩》[M],中国石化出版社,2009[2] 陈磊 、蒋庆哲 、赵瑞雪,中国油页岩资源潜力分析研究[A],《现代化工》,2009 年 9 月第29 卷增刊 1:40~43[3] 李树元、钱家麟,世界油页岩开发现状及预测 [A],《中外能源 》,2011 年第 16 卷:8~17[4] 刘胜英,王世辉,陈春瑞等,壳牌公司页岩油开采技术与进展[A],《大庆石油学院学报》,2007 年 6 月第 31 卷第 3 期:53 ~55[5] 牛继辉, 陈殿义,国外油页岩的地下转化开采方法[A],吉林大学报(地球科学版),2006 年11 月第 36 期第 6 卷:1027~1029.[6] of be 1,,7, of 2005陈磊、蒋庆哲 、赵瑞雪,中国油页岩资源潜力分析研究[J],《现代化工》,2009 年 9 月第 29 卷增刊○ 31:40~43李树元、钱家麟,世界油页岩开发现状及预测 ,《中外能源》,2011 年第 16 卷:8~17○ 4刘胜英 ,王世辉,陈春瑞等,壳牌公司页岩油开采技术与进展[J],《大庆石油学院学报》,2007 年 6 月第 31○ 5卷第 3 期:53~55刘招君等,《中国油页岩》[M],中国石化出版社,2009,131~133○ 6
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