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壳牌公司页岩油开采技术与进展_图文

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公司 页岩 开采 技术 进展 图文
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大 庆 石 油 学 院 学 报 第 31 卷 第 3 期 2007 年 6 月F E 31 3 J 2007收 稿 日 期 :2007 - 04 - 10 ;审 稿 人 :宋 考 平 ;编 辑 :王 文 礼作 者 简 介 :刘 胜 英 (1965 - ) ,女 ,博 士 生 ,高 级 工 程 师 ,主 要 从 事 油 页 岩 资 源 勘 探 和 国 际 油 气 合 作 项 目 经 济 评 价 方 面 的 研 究 公 司 页 岩 油 开 采 技 术 与 进 展刘 胜 英 1 ,3 , 王 世 辉 2 ,3 , 陈 春 瑞 3 , 钟 延 秋 3 , 郑 玉 龙 3( 1. 中 国 地 质 大 学 能 源 学 院 ,北 京   100083 ;   2. 中 国 科 学 院 地 质 与 地 球 物 理 研 究 所 ,北 京   100029 ;   3. 大 庆 油 田 有限 责 任 公 司 勘 探 开 发 研 究 院 ,黑 龙 江 大 庆   163712 )摘   要 :壳 牌 公 司 自 1980 年 开 始 研 究 页 岩 油 开 采 技 术 ,目 前 ,正 在 科 罗 拉 多 州 进 行 研 发 与 现 场 试 验 . 介 绍 了 壳 牌 公司 油 页 岩 试 验 区 的 地 质 概 况 、 油 页 岩 特 征 、 页 岩 油 开 采 技 术 ,即 地 下 转 化 ( 技 术 及 其 进 展 情 况 和 发 展 前 景 . 我 国 松 辽盆 地 蕴 藏 着 丰 富 的 油 页 岩 资 源 , 术 很 有 可 能 成 为 开 采 松 辽 盆 地 页 岩 油 的 一 种 手 段 ,对 实 现 大 庆 “ 百 年 油 田 ” 发 展 战略 将 会 有 重 大 意 义 键   词 :油 页 岩 资 源 ; 地 下 转 化 技 术 ( ; 壳 牌 公 司 ; 应 用 前 景 ; 松 辽 盆 地中 图 分 类 号 :     文 献 标 识 码 :A       文 章 编 号 :1000 - 1891 (2007) 03 - 0053 - 030   引 言世 界 油 页 岩 资 源 丰 富 ,全 世 界 36 个 国 家 发 现 油 页 岩 矿 床 100 多 个 ,页 岩 油 资 源 量 达 1. 8 × 1010 1 ] ,是 目 前 世 界 天 然 原 油 探 明 可 采 储 量 的 5. 4 倍 [2 ,3 ] . 在 世 界 能 源 供 需 矛 盾 日 益 突 出 、 能 源 消 费 日 益 增 长 而 常规 能 源 供 应 有 限 的 情 况 下 ,油 页 岩 作 为 一 种 重 要 的 替 代 能 源 以 其 巨 大 的 储 量 、 丰 富 的 利 用 层 次 ,引 起 了 全世 界 的 关 注 [4 ] . 但 是 ,在 油 页 岩 开 发 利 用 方 面 ,地 面 干 馏 和 地 下 干 馏 都 存 在 着 许 多 问 题 . J S T B[ 5 ] 研 究结 果 表 明 ,利 用 地 面 干 馏 技 术 生 产 页 岩 油 ,只 有 在 油 价 为 0. 44~ 0. 59 $ / 才 有 效 益 ,而 利 用 壳 牌 公司 的 页 岩 油 开 采 技 术 ( ,油 价 为 0. 16~ 0. 18 $ / 即 可 获 利 ,壳 牌 术 很 有 发 展 前 景 . 我 国松 辽 盆 地 油 页 岩 资 源 比 较 丰 富 ,笔 者 旨 在 探 索 这 项 技 术 的 发 展 对 松 辽 盆 地 页 岩 油 资 源 开 采 的 借 鉴 意 义 项 目 背 景壳 牌 公 司 自 1980 年 开 始 研 究 页 岩 油 开 采 技 术 ,2004 年 初 ,在 10. 7 m 长 、 6. 1 m 宽 的 试 验 区 内 给 油 页岩 层 加 热 ,2004 年 底 产 出 轻 质 油 9. 43 6 ] ,同 时 还 有 伴 生 气 产 出 ,之 后 不 久 关 闭 加 热 器 ,停 止 生 产 编 制 E - 验 计 划 [7 ] 、 申 请 获 得 科 罗 拉 多 州 3 个 油 页 岩 研 发 、 试 验 和 示 范 区 块 试 验 区 地 质 与 资 源美 国 绿 河 组 油 页 岩 矿 是 世 界 上 最 大 的 油 页 岩 矿 ,主 要 沉 积 于 早 始 新 世 皮 申 斯 、 尤 英 塔 、 绿 河 和 瓦 砂 基4 个 盆 地 内 [8 ] . 皮 申 斯 盆 地 最 小 ,但 油 页 岩 最 为 发 育 ,油 页 岩 资 源 量 折 合 页 岩 油 1 470 × 108 t [ 3 ] . 厚 度 超 过9. 1 m、 含 油 率 超 过 10. 33 %[3 ]的 油 页 岩 矿 有 90 %集 中 在 该 盆 地 斯 盆 地 始 新 世 绿 河 组 上 覆 尤 英 塔 组 ,下 伏 瓦 萨 奇 组 ,油 页 岩 资 源 主 要 富 存 于 绿 河 组 帕 拉 楚 特 科 里克 段 . 该 段 岩 性 为 油 页 岩 、 泥 灰 岩 ,其 中 夹 少 量 薄 层 粉 砂 岩 和 火 山 凝 灰 岩 . 油 页 岩 含 油 率 高 于 5. 17 %. 油页 岩 层 与 泥 灰 岩 层 相 互 叠 加 ,形 成 富 含 有 机 质 的 岩 层 ( R 层 )和 有 机 质 贫 乏 的 岩 层 (L 层 ) ,R 层 主 要 成 分 为油 页 岩 ,L 层 主 要 成 分 为 泥 灰 岩 ,2 套 地 层 连 续 分 布 ,贯 穿 全 盆 地 . 盆 地 内 还 有 2 套 重 要 的 含 水 层 系 ,各 层水 的 渗 透 性 差 异 较 大 ,对 术 应 用 有 一 定 影 响 公 司 验 区 面 积 为 65 试 验 井 段 为 帕 拉 楚 特 科 里 克 段 R - 7~ R - 2 层 ,含 油 率 为·35·4. 73 %~ 9. 08 %[ 9 ] ,平 均 厚 度 为 305 m ,油 页 岩 平 均 密 度 [10 ] 为 2. 3 g/ 页 岩 油 资 源 量 为 1. 72 × 106上 覆 层 平 均 埋 深 为 286. 5 地 下 转 化 技 术图 1   壳 牌 公 司 地 下 转 化 工 艺 ( 程壳 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 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 可 得 到 超 清 洁 的 轻 质 油 和 天 然 气 ,然后 ,用 常 规 采 油 工 艺 将 产 出 的 油 气 输 送 到 地 面 加 工 装 置 ,再用 常 规 加 工 工 艺 进 行 加 工 或 销 售 , 程 见 图 向 地 下 缓 慢 加 可 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 他 干 馏 技 术 得 到 的 页 岩 油 产 品 ,再 加 工 成 成 品 油 时 所 需 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 组 成   艺 剖 面 和 冷 冻 墙 外 观 示 意3. 1   冷 冻 墙壳 牌 公 司 为 了 防 止 地 层 水 流 入 生 产 区 、 防 止 油 气 产 品散 失 ,设 计 了 冷 冻 墙 ,见 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 38 m 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 2. 44~ 3. 04 m ,最 大 深度 为 610 m ,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 - 45 ) 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 2   加 热 系 统冷 冻 墙 形 成 后 ,首 先 钻 生 产 井 约 20 口 ,井 深 为 594 m ;在 冷 冻 墙 外 钻 2~ 4 口 注 水 井 ,先 用 生 产 井 将 生产 区 内 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~ 100 口 加 热井 ,将 裸 电 极 加 热 器 装 入 加 热 井 内 极 加 热 器 是 壳 牌 公 司 第 2 代 加 热 技 术 ,由 上 覆 层 段 、 目 的 层 段 和 接 触 段 组 成 . 三 相 电 极 分 别 安 装在 3 口 相 邻 的 加 热 井 内 ,加 热 井 均 为 定 向 井 . 第 1 口 井 垂 直 钻 至 目 的 层 底 部 ,其 余 2 口 井 与 第 1 口 井 平 行钻 至 目 的 层 底 部 时 向 第 1 口 井 偏 移 ,3 口 井 间 距 为 6. 1~ 12. 2 m. 三 相 电 极 在 井 底 相 连 ,成 一 个 “ Y” 字 形 三相 电 路 . 地 面 上 ,每 个 三 相 电 极 连 接 到 1 台 三 相 绝 缘 变 压 器 上 ,比 第 1 代 加 热 技 术 中 每 个 加 热 井 单 独 使 用1 台 单 相 变 压 器 节 省 投 资 3   采 油 系 统给 油 页 岩 层 升 温 后 ,随 着 加 热 ,产 生 的 油 、 气 、 蒸 气 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 化 的 油 、 气 与 水 等 混 合 液·45·大   庆   石   油   学   院   学   报                             第 31 卷   2007 年体 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 ,在 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 4   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 ) 期 间 现 场 员 工 最 多 需 要 700 人 ,生 产 期 最 多 需 要 150 人 ,一 般 9 h 倒 班 一 次 ,某 些 操 作 工 12 h 倒班 一 次 . 紧 急 事 故 应 急 员 工 必 须 在 现 场 或 电 话 随 时 能 联 络 到 的 地 方 ,并 应 有 应 急 程 序 和 预 警 措 施 5   恢 复 系 统开 采 结 束 后 需 要 将 试 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 6   主 要 考 核 指 标壳 牌 公 司 艺 主 要 考 核 指 标 有 : (1) 采 收 率 ,即 艺 采 出 的 油 与 R A 地 质 储 量 之比 ; (2)产 品 质 量 ,即 态 产 品 的 组 成 和 性 质 (如 A 度 ) ; (3) 能 耗 ,即 产 出 油 气 的 热 值 与 耗 电 的 热值 之 比 . 油 页 岩 艺 在 加 热 、 制 冷 、 油 气 水 处 理 和 生 产 维 护 过 程 中 ,均 需 用 电 ,但 产 出 是 能 耗 的 3~ 4倍 . 按 照 科 罗 拉 多 州 西 部 油 页 岩 产 层 条 件 ,每 英 亩 可 产 页 岩 油 6. 28 × 103 每 平 方 英 里 可 产 页 岩 油6. 29 × 106 3. 7   环 境 保 护 计 划壳 牌 公 司 设 计 了 周 密 的 环 保 计 划 ,内 容 包 括 对 植 物 、 土 壤 、 野 生 动 物 、 文 化 与 古 生 物 资 源 、 气 候 、 水 文 地理 、 地 下 水 等 进 行 保 护 . 但 无 论 如 何 ,不 管 采 用 地 面 干 馏 还 是 原 位 开 采 方 式 ,都 不 可 避 免 地 给 土 壤 和 生 态环 境 带 来 负 面 影 响 . 关 于 地 下 转 化 工 艺 对 地 下 水 质 的 影 响 ,目 前 尚 无 法 确 定 [ 11 ] . 美 国 土 地 管 理 局 正 负 责对 此 项 目 的 环 境 影 响 进 行 整 体 评 估 试 验 进 度 与 进 展壳 牌 公 司 2006 年 编 制 E - 验 计 划 ,试 验 进 度 计 划 为 : (1)建 设 冷 冻 墙 ,预 计 1. 0~ 1. 5 a ; (2) E 热 及 开 采 页 岩 油 约 需 5. 0~ 6. 0 a ; (3) 地 下 水 恢 复 ,预 计 5. 0 a ; (4) 冷 冻 墙 融 化 ,预 计 1. 5~ 3. 0 a ;(5)撤 离 、 放 弃 及 土 地 恢 复 ,预 计 1. 0~ 1. 5 正 在 进 行 冷 冻 墙 施 工 ,计 划 至 2010 年 底 才 能 根 据 试 验 结 果 决 定 是 否 进 行 工 业 性 开 发 投 资 与 应 用 前 景据 初 步 预 测 ,壳 牌 公 司 建 1 座 规 模 为 每 天 0. 63 × 102 d 的 地 下 转 化 装 置 ,预 计 投 资 32 × 108 美元 ,每 年 操 作 成 本 预 计 7 × 104 美 元 [12 ] 006 年 的 美 国 能 源 安 全 报 告 中 提 到 :壳 牌 公 司 划 于 2013 年 开 始 应 用 ,初 始 产 量 为 0. 63 ×102 d ,4 a 后 上 升 到 每 天 3. 14 × 103 d ;到 2030 年 ,美 国 页 岩 油 产 量 在 非 常 规 能 源 燃 料 中 所 占 比例 为 11 % ,达 到 每 天 1. 89 × 104 d ,其 中 ,用 壳 牌 公 司 术 生 产 页 岩 油 每 天 1. 26 × 104 d ,占页 岩 油 总 产 量 的 2/ 结 束 语壳 牌 公 司 术 目 前 仍 处 于 研 究 、 试 验 和 示 范 阶 段 ,在 生 产 工 艺 、 能 耗 、 投 资 、 运 行 成 本 、 环 境 影 响及 社 会 效 应 等 方 面 仍 然 存 在 着 许 多 不 确 定 性 因 素 ,只 有 到 2010 年 底 才 能 做 出 能 否 进 行 工 (下 转 第 91 页 )·55·第 3 期                                   刘 胜 英 等 :壳 牌 公 司 页 岩 油 开 采 技 术 与 进 展器 参 数 偏 移 和 干 扰 抑 制 性 能 文 献 :[ 1 ]   邵 克 勇 ,周 鸾 杰 . 基 于 L 鲁 棒 容 错 H ∞ 控 制 系 统 设 计 [J ] . 大 庆 石 油 学 院 学 报 ,2005 ,29 (1) :78 - 80.[ 2 ]   H , B P. or J ] . 1997 ,42 (8) :1 098 - 1105.[ 3 ]   G H , J L ,L . H ∞ h ]. 2000 ,73(16) :1 500 - 1 506.[ 4 ]   王 武 ,杨 富 文 . 具 有 控 制 器 增 益 变 化 的 不 确 定 时 滞 系 统 的 鲁 棒 H ∞ 控 制 [J ] . 自 动 化 学 报 ,2002 ,28 (6) :1 043 - 1 046.[ 5 ]   , , E. H ∞ of h ] 1992 ,37 (8) :1 253 - 1 256.[ 6 ]   俞 立 . 鲁 棒 控 制 — 线 性 矩 阵 不 等 式 处 理 方 法 [ M] . 北 京 :清 华 大 学 出 版 社 ,2002.(上 接 第 55 页 )业 性 开 采 页 岩 油 的 决 策 . 届 时 如 果 该 项 技 术 试 验 成 功 ,那 么 ,壳 牌 公 司 的 术 作 为 一 种 全 新 的 采 油 理念 和 技 术 ,将 会 成 为 能 源 开 发 史 上 的 一 次 页 岩 油 开 采 技 术 革 命 . 松 辽 盆 地 油 页 岩 资 源 勘 探 处 于 起 步 阶 段 ,但 初 步 研 究 成 果 表 明 ,油 页 岩 资 源 丰 富 ,含 油 率 为 3. 60 %~ 9. 70 % ,与 壳 牌 公 司 验 区 接 近 . 如 果 加大 勘 探 力 度 ,做 好 油 页 岩 资 源 储 备 ,再 证 实 术 可 以 工 业 化 应 用 ,那 么 , 术 很 有 可 能 成 为 开 采 松辽 盆 地 页 岩 油 的 一 种 手 段 ,对 实 现 大 庆 “ 百 年 油 田 ” 发 展 战 略 将 会 有 重 大 意 义 文 献 :[ 1 ]   I. ] . 2006 ,66 (1/ 2) :3.[ 2 ]   . J ] . 2003 ,20 (1) :81 - 92.[ 3 ]   D R. of s[J ] . 2003 ,20 (1) :193 - 252.[ 4 ]   A , , , et h J ] . 2000 ,17 (4) :307 - 312.[ 5 ]   J B , T , D D , et in t s M G - 414[ R ] 2005 :10.[ 6 ]   il to [ 2007 - 02 - 15 ] . — [ 7 ]   il E - of R ] . . S. 2006.[ 8 ]   , . in R - 3040 - R] . 1983 :4.[ 9 ]   J H , R , L L P C. s in of t he A ] . T. t of t C] . 1991 :12.[ 10 ]   L T , G. of t he A ] T. of t C] . 1991 :20.[ 11 ]   J B , A B , T , et In of ] . 2005 ,29 (3) :21.[ 12 ]   . a to to a R] . 2006 :140.·19·第 3 期                               邵 克 勇 等 :具 有 控 制 器 增 益 摄 动 的 非 脆 弱 鲁 棒 控 制 器 设 计2007 ,31 (3) :53 - 55 ,91L 3 , 3 , N N G 1. y ni y B ei j i 00083 , 2. an d hi y B ei j i n g 100029 , 3. T x il f d L t d. , D j i on a 980 is a a CP in a U . S. t it s as as it s t of is to be an to in t be in t he of t he a u ; of r( Ⅵ ) in 2007 ,31 (3) :56 101Q L 1. S i g n d ry ex g j i 61006 , 2. o. L t d. , D il f d , D n g , j i 63411 , 3. om p ef i ni n g om p D j i 63 , . 0 L O4 a r ( Ⅵ ) on t he r ( Ⅵ ) - by s t he of t is 40 nm s of t he . 0136 L r ( Ⅵ ) s r ( Ⅵ ) in t he . 03~ 1. 60 L . 00/ h. of is t . 0 %. of t Ⅵ ) ; of of 2007 ,31 (3) :58 - 61 N L L I 1. i g nd ry ex ni y , j i 61006 , 2. A n g ni y , j i 61006 , In t he p by t he s of t he by to in t he t he h h wer
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