全球油页岩资源及其开采技术进展

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。
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 1000～2000ft 目标区的页岩；当岩层被缓慢加热至 343.3～398.9℃时，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 CO2 排放量，但 在该地下处理过程中生产 1bbl 当量油至少需要消耗 3bbl 水。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
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 CO 将产出液体和气体“驱扫”
2
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 CO2 注入页岩层以提取石 油，并携带至采油井。在地面上，CO 被分离并被泵
2
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
２０１０ 年第 ３ 期·石油科技论坛 ６３
环球石油
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）。
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 2.8 × 1012bbl（表 1），仅贯穿美 国东、西部地区的油页岩就有大约 2 × 1012bbl，且以 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 1.2 × 1012bbl 石油。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 68.4 × 104t 的页岩油被开采。目 前都是利用地表干馏的方式开采，如爱沙尼亚的 Galoter 和 Kiviter 干馏器、我国抚顺的立式干馏装置、ຫໍສະໝຸດ Baidu巴西的 Petrosix 气体燃烧干馏器等。
（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。
资源、可快速回
试，同时计划在短期内将该反应器运送到犹他州以进
收废弃矿物、能
一步开展试验。该技术将气体循环和来自于旋转炉中
保护地表与地下
循环热固体的直接或间接热传递有效结合了起来，可
水、不存在含水
实现能量的自给，并减少了处理过程对水的需求，避
层干扰等优点，
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。
2
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、地面干馏技术
１．Ｐｅｔｒｏｓｉｘ 气体燃烧干馏器 该技术最初由 Cameron 公司开发并运用于美国，之 后为实现工业化推广，巴西将内部蒸馏器内径扩建至 11m。Petrosix 气体燃烧干馏器是目前世界上生产能力最 大的油页岩地面热分解反应器，日处理能力可达 7800t 页岩，相应能产出 3870bbl 页岩油、120t 燃料气体、45t 液化石油气和 75t 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。Petrosix 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 Ｔａｃｉｕｋ 处理技术 该技术是 1976 年开发的，最初运用于加拿大阿尔 伯达（Alberta）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 1.5 × 108bbl 的页岩油。 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（OSEC）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，
（1 ）地面处理。一般而言，地面处理包括：油页
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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。
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衣 犀 等：全球油页岩资源及其开采技术进展
8.2m
62.5m
创新性技术，它是将地表采矿和低温加热结
汽化管
燃烧区
干馏器
反应器
预热管
密封盖
冷却区
油 页 岩 合起来，在采矿池内进行“烘烤”（图 4）。该
添料口
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
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 100～200psi，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 174kW·h 的电能。另外，该地下技术是通过电化学反 应产生电能，所以 NOx、SO 等有毒物的排放量极少，
7
澳大利亚
45.31
317
8
爱沙尼亚
24.94
163
9
34.5
中国
22.90
160
10
18.0
加拿大
21.92
152
11
法国
10.00
70
12
埃及
8.16
57
13
以色列
5.50
40
14
其他（13 个） 70.84
545
已 知 的 总 量 4086.02
28261
68.4
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：
（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。
可以开采 4～5bbl 的当量油。 ５ ． 独立能源合作伙伴（Ｉ Ｅ Ｐ ）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
+
+
v
３．ＰｅｔｒｏＰｒｏｂｅ 公司的气化处理技术 该技术能将地下 3000ft 深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 CO 经压缩后泵入到油页岩。其中，排气
表１ 全球油页岩资源分布
国家
油页岩储量
2005 年油页岩
全球排名
（108t） （108bbl）
产量（104t）
美国
3015.56
20853
1
俄罗斯
354.70
2478
2
扎伊尔
143.10
1000
3
巴西
117.34
820
4
15.9
意大利
104.46
730
5
摩洛哥
81.67
534
6
约旦
52.42
342
750℃
600℃
254℃ 滑动制
动
滑动制动
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。
干馏固体运送机
动力发动机
该处理技术具备
图 ３ Ｔａｃｉｕｋ 处理技术的卧式旋转炉
开采中不使用水
近期在设备制造厂和阿尔伯达对其反应器进行了测
环球石油
全球油页岩资源及其开采技术进展
东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室 衣 犀 张 昕 曲泽源 王志华
摘摘要：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。
2
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 1bbl 超临界 CO
2
关键词：油页岩岩开采技术岩岩层加热 DOI：10.3969/j.issn.1002-302x.2010.03.013
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。