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全球油页岩资源及其开采技术进展

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全球 油页岩 资源 及其 开采 技术 进展
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石油科技论坛 · 2010 年第3 期环球石油62表1 全球油页岩资源分布国家油页岩储量全球排名2005 年油页岩( 108t) ( 108产量 ( 104t)美国 0853 1俄罗斯 478 2扎伊尔 000 3巴西 20 4 30 5摩洛哥 34 6约旦 42 7澳大利亚 17 8爱沙尼亚 63 9 60 10 52 11法国 0 12埃及 7 13以色列 0 14其他 ( 13 个) 45已知的总量 8261 要: 由于油价的高位运行、 再生技术的涌现、 全球对液态碳氢化合物需求的增大以及常规石油资源的持续减少等原因,近年来,世界上油页岩储量最大、分布最为集中的美国以及拥有大量油页岩资源的爱沙尼亚、以色列和土耳其等国,均对油页岩资源的开发给予了足够的重视。自 2006年以来,全球有 25个石油公司陆续公布了他们在油页岩领域研究的新技术。 本文从油页岩的开采工艺和促进其商品化两个角度出发, 对减少用水、 提高能量利用效率、 治理排放物、 降低对地表的影响、 利用和处理废弃页岩以及保护地下水等相关的先进油页岩生产技术进行了介绍, 并说明, 用油页岩生产石油在技术和经济上都是可行的。关键词 : 油页岩 岩 开采技术 岩 岩层加热 犀 张 昕 曲泽 源 王志华油页岩作为一种燃料来源可追溯到 1637 年。油页岩加工后的产品有煤油、 灯油、石蜡、燃料油、润滑油、油脂、粗汽油、 照明气和氨基硫酸盐肥料等。 长期以来, 世界上一些能源公司和石油工作者一直就油页岩中生产油气的技术进行着多方面的研发、 测试工作, 并利用油页岩生产燃料和副产品, 相关的实验室研究和矿场先导性试验不断得以开展。 虽然从油页岩中生产石油的成熟技术并没有被遗弃, 先期基础研究成果依然被认可, 但是基于常规石油资源的供需、 价格波动及油页岩生产矿场设计的经济不确定性, 1984年以来没有相关大型工程项目的投资, 如今,全球也没有大规模工业化生产油页岩, 但许多国家和能源企业都在积极地从事油页岩加工技术的发展和研究。一、 全球油页岩资源与生产状况油页岩是一种富含碳氢化合物的岩石,全球油页岩资源的探明储量约为 1012 1), 仅贯穿美国东、 西部地区的油页岩就有大约 2 × 1012以科罗拉多州、 犹他州和怀俄明州最为集中, 3 个州的油页岩矿藏相当于 1012油。在 2005 年美国尚没有商业化生产页岩油时, 我国、 爱沙尼亚和巴西等一些国家就有总计约 104前都是利用地表干馏的方式开采, 如爱沙尼亚的 馏器、 我国抚顺的立式干馏装置、巴西的 体燃烧干馏器等。二、 油页岩开采技术及进展油页岩必须经加热才能从中释放出烃类气体和液体,综观 100 多年来全球范围内对油页岩的开发, 基本可以概括为以下几种途径 :( 1) 地面处理。一般而言, 地面处理包括 :油页2010 年第 3 期 · 石油科技论坛衣 犀 等 : 全球油页岩资源及其开采技术进展岩开采和矿石准备 ; 加热分解生产油母 ; 加工油母生产精炼原料及有用的化学药品等 3 个主要步骤, 其中有“地下开采, 地面干馏” 和 “地面开采, 地面干馏” 两种通用方法。 对于前者, 油页岩矿石被开采、 运输到地面、 粉碎, 然后在地面容器中加热来生产燃料液体和气体 ; 对于后者, 油页岩矿石被露天开采, 然后粉碎、干馏加工。 处理后的矿渣在矿场或其他地方堆放。( 2) 地下处理。 在油页岩的天然沉积环境中加热油页岩资源, 生产油母, 从而最小化或消除开采环节及在地面的热分解。 早期用来达到地下热分解温度的热量来源于堆积油页岩矿石一端的燃烧, 如今已转变思路, 比如试图通过断裂岩层来促进油页岩中的热量传递和流体流动, 从而提高地下燃烧过程的热分解效率和采收率。( 3) 混合型处理。 先在地面加工近地表的油页岩资源, 然后在开挖岩石所形成的坑里缓慢加热进行地下开采。虽然全球在油页岩开采、 加工、 利用等许多重要方面取得了进步 ; 但在提高能量效率、 减少能量需求,最小化用水量、 保护来自于地面处理和地下处理的地表水与地下水, 减少、 使用和处理废弃的矿渣, 开发基础设施满足多种能量和矿藏资源的需求, 降低风险、 缓解以及解决潜在的社会经济因素等方面的诸多问题依然存在。三、 地下处理技术1. 壳牌公司的地下转换处理技术该技术并不涉及露天采矿, 而是把加热器插进地下, 将油页岩中的油母转换成高品质的运输燃料, 在一个较小的区域内开采更多的石油与天然气。 实施过程中, 首先将电加热器插入加热井, 逐渐加热地表以下 1000~ 2000标区的页岩 ; , 油母转变成石油和天然气, 然后利用传统的回收方法将其泵送到地面, 整个过程产生大约 1/3 天然气和 2/3 轻质油。 在缓慢和较低温度加热条件下, 预计比传统地面干馏能显著降低 放量, 但在该地下处理过程中生产 1量油至少需要消耗3。 另外, 该公司目前正在测试一项 “冰墙” 技术, 以保护地下转换处理时加热区域不受地下水的入侵, 并避免地下水受到潜在的污染, 而一旦生产区被清理, “冰墙” 将终止, 地下水流恢复。2. 埃克森美孚公司的电破碎处理技术基于平面热源产生的线性热传导对深入到有机质富集的岩石最为有效, 且能将该有机质转变成油气资源的推断, 埃克森美孚公司从 30 多项技术中筛选出了电破碎处理方式, 即通过水力压裂油页岩并在裂缝中注入导电材料, 形成发热元件加热油页岩 (图 1)。 该公司期望利用水平井产生的垂直裂缝作为导电区, 将页岩油资源加热到分解温度, 从而产生可用常规技术措施回收的液态烃和天然气。 与井筒加热器相比, 该技术方案中的平面加热器只需在少数几口井上安装,从而节省了占地面积。司的气化处理技术该技术能将地下 3000的油页岩有机质气化,并将其产物回收, 实现相对快速的生产。 地下油页岩经气化后能维持其原有结构完整性的 94%~96%。 在处理工艺上, 首先是利用地面加热炉将引入燃烧室的空气加热到过热状态, 并严格控制其中氧气的含量, 然后将过热的空气通过进水管道径直注入到油页岩中,与油页岩相互作用后再将碳氢化合物以热气体的形式带到地面, 最后在地面上将其凝缩为液态烃或天然气, 产生的 压缩后泵入到油页岩。 其中, 排气管道埋设在地面上钻孔口附近, 排出的气体输送到冷凝器中膨胀、 冷却, 使气态组分和液态组分分离, 并通过精炼得到升级的合成气体。 一部分回收气体和其63v+ +石油科技论坛 · 2010 年第 3 期环球石油64他回收原料混合后为燃烧室的连续燃烧提供燃料, 这样就节约了成本。 该技术的处理设备占地面积小, 寿命为 10~ 20 年, 地面厂房采用便携式设计 (图 2)。地层, 使产率提高、 生产周期缩短。 同时, 所加热区域流体的压力增加 100~ 200这足以使油页岩破裂。因此, 该技术可使地层预先形成裂缝, 加强有机质在加热井与生产井间的流动。 与其他导热方法相比, 利用地热燃料电池处理技术每生产 1 b b l 油可产生约174h 的电能。 另外, 该地下技术是通过电化学反应产生电能, 所以 有毒物的排放量极少,且可将矿体弃于对生产干扰相对较小的地方, 使废物处置问题得到有效解决。四、 体燃烧干馏器该技术最初由 之后为实现工业化推广, 巴西将内部蒸馏器内径扩建至11m。 日处理能力可达 7800相应能产出 3870岩油、 120t 燃料气体、 455t 硫。 该干馏器包括上层热分解部分和下层焦炭冷却部分, 在处理时, 首先将开采的页岩运到破碎机里, 碾成碎片后通过传送带到达干馏装置, 进行高温加热, 此时页岩将以石油和天然气的形式释放有机质, 之后, 使油蒸汽冷凝, 得到产品, 并通过气流以小液滴的形式将其从干馏器中运送出, 而页岩气体还要经过提取轻油以提高纯度, 最后在气体处理单元被加工成燃料和液化石油气。 体燃烧干馏器最显著的特性在于 : 生产过程中耗水量少 ; 操作灵活性强, 设计简单 ; 热损小, 热效率高 ; 产率高 ; 对环境和人体健康产生的不利因素少。2. 阿尔伯达省的 理技术该技术是 1976 年开发的, 最初运用于加拿大阿尔伯达 ( 的油砂处理, 后来被进一步拓展到油页岩和污水处理领域, 它主要采用的是卧式旋转炉装置 (图 3), 热效率和产率均很高, 在澳大利亚得到了商业性示范, 已成功生产超过 108页岩油。作为一项特殊的热处理技术, 工业用途广泛, 适用于汽化、 回收存在于许多原料中的有机质。 最近, 经油页岩勘探公司 ( 审议, 认为该技术作为可从油页岩和油砂中提取石油的方法, 环保、 经济、 高效, 考虑将其在美国推广使用, 并且利用犹他州的油页岩,4. 斯伦贝谢公司的临界流体射频技术该技术主要原理是使用射频能量将页岩加热到分解温度, 并运用超临界 产出液体和气体 “驱扫”至生产井。 应用该开采技术时, 首先使用标准的石油工业设备将油井钻探到地层页岩, 然后将射频天线或发射机放到页岩的深度, 天线将传输射频能量对底层页岩进行加热, 再将超临界 入页岩层以提取石油, 并携带至采油井。 在地面上, 分离并被泵送回注入井, 与此同时, 油气被提炼成汽油、 燃料油和其他产品。 与其他地下开采技术需要数年时间的加热相比, 该技术只需加热几个月就能开始生产石油与天然气。 当然, 与壳牌公司的油页岩地下转化工艺技术类似, 临界流体射频技术也需要大量的电能以产生射频能量, 对于油页岩而言, 每消耗 1临界 ~ 5当量油。5. 独立能源合作伙伴 ( 的地热燃料电池处理技术利用最少的外部能源, 在岩层中堆放高温燃料电池加热周围岩石, 将油母转化为页岩油, 烃类液体和气体被释放到集油气井, 其中的一部分气体经处理又返回至燃料电池堆, 进行自我供给, 所产出蒸汽可循环利用。 实践证明, 地热燃料电池通过固相导电加热岩层的效率更高, 所产生的热量以一个均匀的速度沿它的长度变化, 从而形成由上至下的均匀热量来加热2010 年第 3 期 · 石油科技论坛 65近期在设备制造厂和阿尔伯达对其反应器进行了测试, 同时计划在短期内将该反应器运送到犹他州以进一步开展试验。 该技术将气体循环和来自于旋转炉中循环热固体的直接或间接热传递有效结合了起来, 可实现能量的自给, 并减少了处理过程对水的需求, 避免了废弃页岩中碳的残留, 降低环境污染。 在我国和约旦王国的其他工程项目中也有类似技术的应用。3. 立式干馏生产装置我国抚顺不断增加立式干馏生产装置的数量, 在页岩油产量上取得了显著成绩。 到 2005 年, 处理设施就包括了超过 120 个的干馏单元, 其每个单元日处理油页岩的能力为 100t, 并按实际生产能力编组, 使每20 个干馏单元共用一套冷凝系统。 但该干馏生产装置在设计中将氮气引入到裂解气中, 结果会产生低热值的气体, 且上层燃烧室内引入氧气会降低热分解效率, 减少页岩油收率。 为扩大生产规模, 目前, 我国正在评估 体燃烧干馏器和阿尔伯达的 馏器爱沙尼亚油页岩工业中应用两种地面干馏器, 早期开发的 馏器是立式的, 适合于处理块状页岩以及燃烧天然气, 日处理油页岩能力为 1000t。 新的馏设计是一种卧式流化床干馏器, 日生产能力大约为 3000t, 为降低能源投入, 实现较高的产能,在其干馏处理中, 用页岩碎屑作为固体加热的载体。虽然其处理过程比 馏器复杂许多, 但稳定性得到提高, 最近实现了一年 6200h 连续作业。5. 生态页岩囊内处理技术生态页岩囊内处理技术是美国犹他州红叶资源公司 ( 开发的一种开采油页岩的图 3 烧区 反应器 干馏器密封盖 预热管 冷却区 动制动干馏固体运送机创新性技术, 它是将地表采矿和低温加热结合起来, 在采矿池内进行 “烘烤” (图 4)。 该技术基于一个低成本的地下囊形结构以构成高温处理区, 通过天然气、 煤层甲烷或其自给气体的燃烧产生热气在管道内循环加热囊体, 开采碳氢化合物资源 ; 为提高能量利用率, 热气的余热还可供邻近囊体加热使用。该处理技术具备开采中不使用水资源、 可快速回收废弃矿物、 能保护地表与地下水、 不存在含水层干扰等优点,且能产出高品质的油或化工原料,放量少。 不过该技术需要利用标准的采矿设备。五、 油页岩技术发展趋势由于美国、 爱沙尼亚、 巴西等国家所做的努力,油页岩的开采、 加工与利用技术在不断地得到改进与成熟。 研究人员相继开发、 试验和示范新的技术思路,以克服过去在能源利用、 热效率、 产率、 气体富集、 用水、 废弃页岩管理、 排放物控制及地下水保护等技术方面存在的问题, 力争使其在操作性、 依赖性及生产成本上与传统油气相比更具竞争力。 总之, 油页岩开发技术日益受到工业界的重视, 且以商业化生产规模为思路, 从先导性试验、 经济示范到技术经济可行性均在逐步进行探索和革新。【参考文献】[1]. et ]. 008.[2]穆献中 ,刘炳义 M]石油工业出版社 ,2009.[3]穆献中 ,张志强 J]2009,28( 3).(收稿日期 : 2010 4 生态页岩囊内处理工艺600℃ 254℃750℃衣 犀 等 : 全球油页岩资源及其开采技术进展2010 年第 3 期 · 石油科技论坛 77et of of is a of it is of of to to of of is up it o., is of of is to be by of of so as to as as 1. 2. to of in in 1a of of in it to of be as a s R&D i, In of in to to in 006, 5 of as of it is to by of
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