油页岩开采利用工艺进展

雷光伦 李文忠 姚传进 孙文凯

（中国石油大学石油工程学院，山东 青岛 266555）

作者简介：雷光伦，男，教授，博士生导师，主要从事油气田开发方面的教学和科研工作。Email：leiglun＠163.com。

摘 要：常规油气产量远远不能满足国内对石油的需求，在诸多非常规油气资源中，油页岩以其巨大的 储量和开发优势越来越受到重视。生产页岩油是油页岩的主要用途之一。通过对油页岩开采利用技术的研究，指出了生产页岩油的两条途径，沿着这两条途径，介绍了油页岩的开采工艺，地面干馏方法和原位开采技术。描述了油页岩的露天开采和地下开采法。利用实验模拟的方法，研究了影响页岩油干馏产率的加热温度、加 热时间和加热速度等因素，实验结果表明：加热温度为500℃左右为宜；加热时间达到1h即可；加热速度对 油产率影响较小。比较了抚顺发生式炉、基维特炉、佩特洛瑟克斯炉、葛洛特炉和塔瑟克炉等地面干馏设备 的处理量、运转率和油产率等指标，分析了各干馏设备的特点和适用性。阐述了壳牌ICP技术、埃克森-美 孚ElectrofracTM技术、IEP燃料电池技术、PetroProbe空气加热技术和Raytheon的RF/CF技术等油页岩原位开 采技术的原理和工艺特点，指出了原位开采技术的发展趋势是以各种技术相互渗透、综合、集成和应用为基 础，实现油页岩开采的大规模化、低成本和高效益的重要发展方向为大规模、低成本、高效益。

关键词：油页岩；页岩油；开采工艺；地面干馏；原位开采

Technological Advances In Oil Shale Production

Lei Guangln，Li Wenzhong，Yao Chuanjin，Sun Wenkai

（School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）

Abstract：Conventional oil and gas production can not meet the domestic demand，among many of the unconventional resources，oil shale has gained more and more attention because of its huge reserves and advantages in development.Shale oil production is one of the main uses of oil shale.Based on the study of oil shale mining and usage，two ways of shale oil production were put forward，along with which，oil shale mining，retorting and in-situ mining technologies were introduced in the paper.The open-pit mining and underground mining method were described.The influencing factors of shale oil recovery were studied through experimental simulation，including heating temperature，heating time and heating rate.The results shows that the best heating temperature and heating time were 500℃and 1h，while the heating rate has little influence.The treatment capacity，activity rate and shale oil recovery of oil shale retorting equipments were compared，which consist of Fushun retorts，Kiviter retorts，Petrosix retorts，Galoter and ATP retorts.The mechanism and characteristics of in-situ oil shale mining technologies were described，including ICP，ElectrofracTM，IEP fuel-cell technology，PetroProbe's air heating and Raytheon's RF/CF technology.Based on the permeation，combination and application of high technology，the development trends of oil shale in-situ mining were Large-scale，low-cost，high efficiency.

Key words：Oil shale；Shale Oil；mining and usage；open-pit mining in-situ mining

引言

早在1830年，人类就已经开始了对油页岩的开发和利用。1890年以后，由于石油工业的迅速发 展，油页岩工业迅速萎缩。我国对油页岩的利用始于1928年。20世纪50～60年代，页岩油曾是我国 合成液体燃料的三大支柱之一。1960年以后，大庆油田、胜利油田的发现和开采使我国的油页岩工业 的进入停滞阶段。

进入21世纪后，国际油价不断攀升，2008年7月国际油价曾达到149美元/桶的历史最高位。另一 方面，国内石油供应不足的矛盾也越来越突出，已成为我国经济发展的 “瓶颈”，按国内油气资源和生 产能力，未来供需缺口将会越来越大，石油进口量将不断增多，对外依存度提高带来的风险也将日益加 重。在保证液体燃料供应的诸多办法中，页岩油是一种较现实的石油替代能源。据国土资源部统计，我 国油页岩预测资源7200亿吨，折算为页岩油的预测资源476亿吨^［1］。因此，大规模的油页岩勘探开发 对于缓解国内油气供需压力具有重要的意义。

目前，油页岩的开采工艺主要包括：露天开采、地下开采、原位开采等方法。其中页岩油的制取主 要有两条途径：(1)把油页岩矿开采到地上，然后进行地面干馏；(2)采用地下加热技术使油页岩在地下 干馏，然后采出页岩油^［1，2］。本文沿着这两条途径，介绍了油页岩开采工艺的现状，并指出了今后的发 展趋势。

1 油页岩开采工艺

1.1 露天开采工艺

露天开采是指先将覆盖在矿体上面的土石剥离，自上而下把矿体分为若干梯段，直接在露天进行采 矿的方法。露天开采必须考虑的首要条件是油页岩的埋深，一般不超过500m。另外还必须考虑剥采比，即覆盖于页岩层上就剥离的岩土量与可以采出的页岩量之比，是露天开采经济性的重要因素，如果油页 岩层较薄，而覆盖于其上的岩土又较厚，即剥离比很大，即使油页岩埋深较浅，油页岩开采费用也会 很高。

露天矿开采的主要工序有：岩层穿孔、爆破、岩土和油页岩的采装、岩土和油页岩的运输。对坚硬 岩石、中硬油页岩用钻机钻孔进行爆破，以利于挖掘。如没有坚硬的地层，可能不需要对其穿孔和爆 破。岩土和油页岩的采装可以用单斗挖掘机、轮斗挖掘机、吊斗挖掘机等采剥设备。当前露天开采油页 岩，对于覆盖层薄、油页岩层厚、剥采比不大的矿区，在中国不同情况下，每吨油页岩约需开采费用 40～80元。

图1 长壁开采法示意图

1.2 地下开采工艺

油页岩的地下开采是指通过井巷进入地下工作面进行采掘，并将油页岩输送至地面。地下工作面是开采油页岩的工作场 地，在工作面内进行油页岩的采掘、装运，以及支护、采空 区处理等工序。主要包括壁式开采法和房柱式开采法^[1］。

1.2.1 壁式开采法

壁式开采法分短壁工作面和长壁工作面开采。短壁工作 面长度一般在50m以下，多在小矿井采用。长壁工作面较 长，一般为100m以上。图为长壁式开采法的示意图。工作面 的上方和下方沿走向分别布置回风平巷和运输平巷，构成回 采工作面和采区之间的通风、运输和行人通道。

1.2.2 房柱开采法

房柱开采法是指从采区区段平巷每隔一定距离掘出矿房，进行油页岩矿开采，并留下油页岩岩柱，以支撑顶板。矿柱为圆形、矩形或条带形，排列规则。通常矿房宽6～12m，矿柱宽3～6m。顶板稳固 性稍差，矿石价值低或开采结束后采空区作地下建筑物用时，采用条带形连续矿柱。矿柱一般不再回 采，占总矿量的15％～40％。由于房柱式开采法不够安全，应用越来越少。

2 油页岩干馏工艺

2.1 油页岩干馏影响因素

目前，页岩油的生产主要通过油页岩干馏实现。油页岩干馏是在隔绝空气的条件下，加热至温度为 450～550℃左右，使其热解，生成页岩油、页岩半焦和热解气的方法。影响页岩油产率的因素主要有加 热温度、加热时间、加热速度等。本文使用葛金氏干馏试验装置，以抚顺典型油页岩为例，对干馏的影 响因素进行实验研究。

2.1.1 加热温度的影响

粒度为1～2mm的抚顺油页岩，以5℃/min的加热速度加热到不同的温度，并恒温加热5h，然后测 定在该恒温温度下的页岩油产率。试验结果如图2所示：

从图2中可以看出：随着恒温加热温度的升高，分解所得的页岩油产率不断增加。但当温度升高到 500℃以后，再进一步提高温度时，页岩油产率的增加就不显著了。这表明显当温度达到500℃并恒温 5h后，热解反应基本完成，生产页岩油所要求的温度并不高，约在500℃。温度过高会导致矿物质所含 的结晶水分解，从而消耗大量能量。故以获得页岩油为目的时，抚顺油页岩干馏的最终加热温度以 500℃为宜。

2.1.2 加热时间的影响

粒度为1～2mm的抚顺油页岩，以2℃/min的加热速度升温，在不同的温度下，加热时间对页岩油 产率的关系如图3所示：

图2 加热温度对页岩油产率的影响

图3 加热时间对页岩油产率的影响

从图3中可以看出，当加热温度在375℃以前，页岩油放出量始终随着加热时间的延长而增加。但 在450℃温度下，加热时间超过1_h后，页岩油就不再释放出了。这表明有机质热解反应已经完毕。因 此，加热温度愈高，油页岩有机质分解速度愈快，达到最大页岩油产率所需的时间愈短。如果热解温度 在500℃以上时，则在很短时间内有机质热分解反应就能完全，而加热时间对页岩油产率没有明显影 响。所以最终加热温度是影响热分解反应的主要因素。

图4 加热速度对页岩油产率的影响

2.1.3 加热速度的影响

粒度为1～2mm的抚顺油页岩，以不同的加热速度加热至500℃，并保持1h，不同加热速度和页岩油产率的关系曲线如图4所示。

从图4中可以看出，当加热速度从2℃/min提高到20℃/min 时，其页岩油产率有微幅的提高，但幅度非常小。因此，在设计 干馏设备时，可以采用强化干馏的方法，提高加热速度，使油页 岩很快地达到指定的最终温度。这可以大大缩短干馏时间，提高 效率。

2.2 地面干馏设备

油页岩的地面干馏主要是通过干馏炉实现。干馏炉的技术指 标主要有油产率、年开工率、适应性等。目前世界上比较成熟的炉型主要有：抚顺发生式炉、基维特 炉、佩特洛瑟克斯炉、葛洛特炉、塔瑟克炉^［3～6］。干馏设备参数对比见表1。

表1 油页岩干馏设备比较

中国抚顺式发生炉处理量小，相对于实验室铝甑的油收率较低，处理块页岩，工艺不太先进，但是 为成熟的炉型，能处理贫矿，操作弹性好，有长期操作经验，而且投资少，建设快，适用于小型工厂。抚顺式炉虽然单炉处理量小，但可以将20台炉合为一部，则一部炉每日油页岩处理量也可以达2000～ 4000吨。

爱沙尼亚基维特炉处理量大，处理块页岩，相对于铝甑的油收率不太高，是成熟的炉型，投资中 等，适用于中型厂。

巴西佩特洛瑟克斯炉处理量大，处理块页岩，相对于铝甑的油收率高，产高热值气，是成熟的炉 型，投资高，适用于大中型厂。

爱沙尼亚葛洛特炉处理量大，可以处理颗粒页岩，相对于铝甑的油收率高，产高热值气，但结构较 复杂，维修费用高，是基本成熟的炉型，据报道年运行7200h，可用于大中型厂。

澳大利亚塔瑟克炉处理量很大，可以处理颗粒页岩，油收率高，产高热值气。页岩油经过加氢，质 量好，投资高，但尚不太成熟，2004年停运前运转率仅为50％，大中型厂可考虑得用这种技术。

3 原位开采技术

原位开采技术是指采用地下加热干馏的方式，使油页岩在地下干馏，然后把产生的页岩油气导出到 地面的技术。按照油页岩层受热方式的不同，可将油页岩原位开采技术分为传导加热、对流加热、辐射 加热3类技术。目前比较先进的原位开采技术如表2所示^［7～9］。

表2 原位开采技术表

3.1 壳牌ICP技术

壳牌ICP（In-Situ Conversion Process）技术是唯一经过现场实验的原位开采技术。它的主要原理是： 通过电加热器将热量传递给地下油页岩矿层进行加热和裂解，促使油页岩中的干酪根转化为高品质的油 气，再通过生产井将油、气采出到地面（图5）。工艺流程主要包括：首先，建立冷冻墙，防止地层水 流入开采区、防止油气产品散失。其次，将电加热器装入加热井内对油页岩层加热。最后，采出干馏油 气，并监测水文、地质、温度、压力和水质等参数。

图5 ICP技术示意图

ICP技术特点：(1)ICP技术加热热均匀，加热温 度低，可开发深层、低含油率油页岩；(2)建立的冷 冻墙，可以保护地下水资源；(3)加热工艺复杂，故 障多，采收率低，成本高。

壳牌公司从1997年开始在科罗拉多州马霍甘尼 进行了多项实验。2004～2005年一个试验区的结果表 明，升温速率2℃/d，2004年5月开始出油，2004年 12月出油达到最多，然后减小，至2005年6月出油 终止。共计产油250t，为铝甑的68％。

3.2 埃克森-美孚ElectroFracTM技术

埃克森-美孚ElectrofracTM技术先利用平行水平井对页岩层进行水力压裂，向油页岩矿层的裂缝中 填充导电介质，形成加热单元。导电介质通过传导把热量传递给页岩层，使页岩层内的干酪根热解，产 生的油气通过采油井采到地面上来（图6）。

图6 ElectrofracTM技术示意图

ElectroFracTM技术特点：(1)采用了压裂技术增加了页 岩层的渗透性，可开采致密性油页岩资源；(2)生产副产品 碳酸钠，提高了经济效益；(3)采用平面热源的线性导热方 式，有效地提高了热效率；(4)没有保护地下水，容易造成 水污染。

3.3 IEP燃料电池技术

利用高温燃料电池堆的反应热直接加热油页岩层，使其 中的有机质热解产生烃气，然后导入到采油井，被抽到地 面上来。除了部分气体作为燃料被通入燃料电池堆外，其 余大部分烃气经冷凝后获得石油和天然气。另外，在启动 工艺装置预热油页岩时期，需要向燃料电池中通入天然气作为启动燃料。工艺正常运转后，能量 自给自足。

IEP燃料电池技术特点：(1)传导加热温度分布均匀。采用固体间热传导传递热量，大大提高了热 量分布均匀性和利用效率；(2)利用流体压裂制造 裂缝，提高油页岩层孔隙度和渗透率；(3)能量自 给自足。该工艺不仅能量自给自足，还可向外部 提供电能。每生产1桶油，发电174kW · h； (4)操作成本低。操作成本大约为30美元/桶。若 将副产品电能和天然气计算在内，成本可降为14 美元/桶；(5)环保。由于该工艺不是通过燃烧反 应来发电，而是通过电反应来发电，几乎不产生 NOx、SO₂等有害物质（图7）。

图7 IEP燃料电池技术示意图

3.4 PetroProbe公司的空气加热技术

该工艺流程先将压缩空气与干馏气通入燃烧器进行燃烧，加热到一定温度，消耗掉部分氧气，然后 通入到油页岩地层中加热油页岩使其中的有机质生成烃气，最后把生成的烃气带到地面上来。采出的烃 气冷凝后得到轻质油品（图8）。

PetroProbe公司的空气加热技术特点：(1)通入的高温压缩空气在地层中可压裂油页岩，增加油页岩 的孔隙度，使生成的烃气很容易地从油页岩地层中导出来；(2)该工艺有4种产品：氢气、甲烷、轻油、 水。产生的部分轻质烃气通入燃烧器进行燃烧，加热即将通入地层的空气，能量自给自足。产生的CO₂ 等气体又被打回油页岩矿层中，污染小，可开发深层（深可达900m）的油页岩矿；(3)开采后的油页岩 仍能保持94％～99％的原始结构完整性，避免了地面塌方。

3.5 Raytheon公司的RF/CF技术

Raytheon公司的RF/CF（Radio-Frequency/Critical Fluids）技术是将一项利用射频加热和超临界流 体做载体的专利转化技术（图9）。其工艺流程为：先将射频发射装置置于地下油页岩层中，进行加热，然后把向页岩层中通入超临界CO₂把热解生成的烃气载到采油井，被抽到地面上冷凝，回收。冷凝后 的CO₂又打回地层中循环利用。

图8 空气加热技术示意图

图9 RF/CF技术示意图

RF/CF技术特点：(1)采油率高。每消耗一个单位的能量有4～5个单位的能量被生产出来，相对 于ICP技术的3.5个单位，更具有经济效益；(2)传热快，加热周期短，只有几个月；(3)用于油页岩 开采时，生产的石油含硫低，还可通过调节装置来生产不同的产品；(4)可用于开采油页岩、油砂、 重油等资源，环保，无残留物质渗透地下水层；(5)选择性加热，可使指定加热目标区域快速达到目 标温度。

4 结论

（1）目前页岩油的制取途径主要有开采-地面干馏工艺和原位开采技术。前者技术比较成熟，后者 还处于实验验证阶段。

（2）实验研究表明：油页岩干馏温度约为500℃为宜，干馏时间为1h即可，加热速度对页岩油产 率影响不大，工业生产中可以采用强化干馏的方法，提高加热速度，使油页岩快速达到指定的最终温 度，提高效率。

（3）目前地面干馏设备都存在着一些问题比如处理量小，运转率低，油产率低等问题需要进行进一 步优化。

（4）以大规模化、低成本、高效益为目标，各种技术相互渗透、综合、集成和应用是当今原位开采 技术发展的主要方向。

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