油页岩原位开采技术研究新进展
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第 20 卷第 6 期 2011 年 6 月
中
国
矿
业
V o l 20, N o 6 Jun 2011
CHINA MINING MAGAZINE
油页岩原位开采技术研究新进展
冯雪威, 陈 晨, 陈大勇
( 吉林大学建设工程学院/ 超硬材料国家重点实验室 / 国土资源部复杂条件钻进 技术开放研究实验室 , 吉林 长春 130026)
世界油页岩资 源极其丰富 , 其储量折算成 页 岩油高达 4000 多亿 t , 远较世界探明原油储量 2 亿 t 大。于 2010 年 10 月在科罗拉多召开的美国第 30 届油页岩大会 , 公布了世界油页岩储量新 一轮 评估数据
[ 2] [ 1]
岩矿藏的 开发和 干馏制 取油 页岩已 经变 成有 利。 我国油页 岩 资源 储量 十分 丰富 , 居 世界 第二 位, 且储量分布集中, 具有作 为石油补充能 源的巨大 潜力和有利条 件。目前 , 油页岩的 开采方法 有露 天开采和地下开采 ( 壁式开采法、房柱式开采法 [ 4] 和钻孔水力开采法 ) , 干馏方法分为地上干馏和 地下干馏 ( 即原位开采技术 , 试验阶段 ) 。地下干 馏与地上干馏相比, 具有 不需要进行采 矿和建设 大型的尾气处 理设施 , 而 且可开 发深层、高 厚度 的油页岩 资源, 具有 产品质量好、采油率高、占 地面积少和环保等优点。但原位开采技 术也存在 一些亟待解决的问题, 除 了要克服开采 技术上出
相互影响是不可忽视的 ( 图 2) 。为减少二者之间 的负面影响, 同时满足当 前我国国情及 现阶段可 持续发展 要求 , 对水 资源 的大 量消 耗、 水污 染、
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中 国 矿 业
3 44 m, 冷冻井的深度约为 609 m [ 7] 。
第 20 卷
水对干馏区影响进行控制 , 显得尤为重要。 2 1 水资源的消耗 水资源在西方如同黄 金一样贵重 , 很多政 府
摘 要 : 原位 开采技术已成为未 来油页岩商业化大 规模开采的发展趋 势。本文重点分析了制 约油页
岩进入商业化阶段的能 源需求及环境保护方面的重要影响条件 : 能源消 耗、水资源污 染、温室效应 气体 排放等 , 并针对这些影响条件详细阐述了 Py ro Phase 公司风能利用技术、 Heliosat 公司太阳能 利用技术、 Idaho 国家实验室核能利用和化学帷幕 墙技术、壳牌公司冷冻墙技术、 Lo s Alamos 国家实验 室 CO2 动态 评估模型、 R aytheon 公司 RF / CF 技术。上述技术为我国油 页岩原 位开采技 术的研 发拓展 了思路 , 也 为 我国进入油页岩等非常 规油气资源的大规模开采阶段提供了重要的借鉴。 关键词 : 原位开采 ; 能源利用 ; 水资源 ; 温室气体 中图分类号 : T D83 文献标识码 : A 文章编号 : 1004- 4051 ( 2011) 06- 0084- 04
第6期
冯雪威 , 等 :Copyright(C) 油页岩原位开采 技术研究新进展 by Foxit Software
Edited by Foxit Reader
Company,2005-2008
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For Evaluation Only. 现的难题 , 更要应对 21 世纪环境保护的新挑战。 战, 油页岩原位 开采技术 在实际 应用过程 中, 也 21 世纪的中国更注重可持续发展、环境 保护 会遇到一系列难题, 从而 影响到该技术 进入大规 和资源合理开发利 用。新技术必 然要面临新的 挑 模商业开采阶段 ( 图 1) 。
图1 油页岩开采的影响因素
liosat 公司对该套系统进行了全面的技术分析, 采 用经济效益法分 析使用外太空太阳能能 源开采油 页岩的成本及价值。外太 空微波输电系 统设计思 路为 : 在一块巨大的电池 板上放置几万 亿个太阳 能电池, 采用混合发射技 术将发电装置 发射到太 空, 通过微波将 电能传输 至地面 接收站 , 该 技术 解决了降低能源成本的关键问题。通过理论分析, 此基于太阳能的空间系统 , 能够满足大 规模的能 源需求, 功率等同于 10 座核电站
[ 3]
( 见表 1) , 重点介绍了具有较大 油页
岩资源储量的国家。油页岩的开 采及干馏成本 较 高, 但在当前高油 价时代背 景下, 不 少国家油 页
收稿日期 : 2011- 01- 22 项目 基 金: 油 页 岩 地下 原 位 钻 采与 仿 生 关 键 技 术 ( 项 目 编 号 : 22109P224424) ( 来源 : 教育部 ) 作者简介 : 冯 雪威 ( 1987 - ) , 女 , 黑 龙江 人 , 硕士 , 地 质工 程 专业。
[ 5]
1 开采所需能源问题 油页 岩 的 开 采 需要 巨 大 的 能 源 消 耗, 全 国 ( 美国 ) 油页岩协会 ( NOSA) 在美国第 30 届油页 岩大会中发行的 Oil Shale 中提到一种说法 : 用 于油页岩开 采消耗 的能源 要大 于所 产出的 能源 , 利用土豆产油也要比开采油页岩经济的多[ 2] 。油页 岩开采获得的净能 源量, 取决于 开采技术以及 油 页岩层厚及含油率 , 据评估 , 产油量 与消耗能 源 量比例一般在 3 1~ 6 1。该刊物提供了使用地 下开采/ 地表干馏方法的数据, 比例为 4 3 1, 每 吨油页岩产油 25 加仑。而据分析每吨土豆的产油 量仅为 3 5 加仑。由此可见, 典型的油页岩矿藏的 产油量约为 土豆的 7 倍。此 外, 每吨 土豆大约 含 200 加仑水。油页岩的物理性质 , 即氢的含量 , 使 其成为生产运输燃 料的理想资源。但开采所需 能 源的消耗 , 仍 是制约油页岩开采 经济性的重要 因 素。目前 , 一些科研 单位及 公司已经 开始研究 使 用风能、太阳能、核能等新能源用于开采油页岩。 1 1 风能的利用 风能的应用 在美国能源利用 方面所占比例 较 小, 主要问题是风 能的变幻 无常, 以 及缺乏切 实 有效的能量存储手段。美国的 P yro Phase 公司一直 致力于研究开采地下重油资源的商业化开采技术 , 该公司采用射频技术 ( Radio F requency 简称 RF ) 加热油页岩进行原位开采。 RF 技术在加热油页岩 层时 , 可以储存大 量的风能 , 还可以 通过调节 输 能通道的风量来调 节热负载, 并 以此来实现稳 定 电网电压。目前该技术已经获得了专利。
。目前, 可重
复利用的航天器概念设计已经完成。 H elio sat 公司 下一阶段的工作计划, 是 完成一套发射 系统的框 架设计, 并与合作伙伴共 同研究空间太 阳能发展 以及系统的初步设计工作。 1 3 核能的利用 Idaho 国家实验室开展的项目是研究利用新能
源开采油页岩的技术及可行 性分析, 以 及加热所 使用的高温气体反应堆 ( high t em perat ure gas re act or, H T GR) 。此项研究也是新一代核电站设计 项目的一部分。核能的利 用, 不仅 可以为原 位开 采提供充足的能量, 而且 还避免了使用 矿石燃料 对环境和气候产生的影响。高温气体反 应堆核电 站用于油页岩 的干馏 , 可 以提供 高温流体、电能 及大量的氢, 该氢可用于石油精炼等方面 [ 6] 。该技 术从经济 和 环保 的角 度分 析, 都 证 明是 可行 的。 此外, SASOR 的 核 能 应 用 技 术 也 已 经 获 得 了 专利。 2 水资源问题 油页岩开采过 程中, 水和油 页岩干馏之 间的
表1
国家 单位 / 亿桶 美国 20850 中国 3280 俄罗斯 2710
具有较大油页岩资源储量的国家
巴西 520 摩洛哥 380 约旦 340 澳大利亚 310 爱沙尼亚 160 加拿大 150
RF 技术已广泛应用于油 页岩原位开采 加热, 与风能的存储综合利用之后 , 带来了更 为明显的 经济及环 保 优势。由于 使用 风能 这 一清 洁能 源, 大大减少了 CO2 的排放量以及高成本的 CO 2 分离 回收工作。Biblioteka Baidu1 2 太阳能的利用 H eliosat 公司专项研究外太空发电系统。 H e
领导人表示出了对开采过程中水 资源需求的极 大 关注 , 并提出 了一些限制要 求。然而 , 水是油 页 岩开采必不可少的 能源供给, 据 国际油页岩协 会 的一项近期调查显 示: 平均每桶 油页岩需要水 大 约 2 桶[ 2] 。油页岩开采需要的水来源有多种方式 : 地下水井、地 表径流、河 流、油页岩 开采过程 产 生的水、工业 及城市生活废 水、水库、通过输 水 管从其他地区引过 来的水。露天 开采及原位开 采 ( 干馏 ) 过程中产生的水, 不能排放到地下水或地 表径流中 , 但可以重复利用其进行油页岩的开采 , 用此方法可节省月 10% 的用水量。犹他大学 已经 开展了水资 源的供 给及再 利用 的相 关项目 研究 , 该项目属于国家能源部。
New development of oil shale in situ technology
FEN G Xue w ei, CH ENG Chen, CH EN Da y ong ( College o f Co nstr uction Eng ineering , Jilin U niversity/ Stat e K ey Labor ator y o f Superhard M ater ials / Labor ator y o f T echno log y for D rilling U nder Co mplex Co nditio n of M inistr y o f Land and Resources, Chang chun 130026, China) Abstract: T he in situ techno lo gy has been the trend o f commer cial larg e scale ex ploitatio n for o il shale. Sig nificant factor s that restr ict oil shale to go to commercia l stage, such as ener gy demand and env ir onmen tal pr otectio n, are analy zed in detail in this paper . N ew challenges of the 21 st century faced by in situ tech nolog y as follow ing : energ y consumptio n, w ater pollutio n, g reenhouse g as emissio n and so o n. A iming to meet the challeng es, many solutions have being studied by labo rato ries and companies: making use o f wind pow er technolog y of Py roP hase, utilizing so lar energ y technolog y of Heliosat, nuclear plant and chemical precipit at ion barr ier t echnolog y of Idaho N atio nal L abor at or y, fr eeze w all technolog y of Shell, CO2 manage ment simulatio ns to ols o f L os Alamos N ational Labor ator y, RF / CF techno log y of Raytheo n. A bove tech nolog ies no t only ex pand the ideas fo r oil shale in situ t echnolo g y, but also pro vide references for larg e scale ex ploitatio n o f unconventional oil and g as r esources. Key words: in situ; energ y use; w ater r esource; g reenho use g as
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业
V o l 20, N o 6 Jun 2011
CHINA MINING MAGAZINE
油页岩原位开采技术研究新进展
冯雪威, 陈 晨, 陈大勇
( 吉林大学建设工程学院/ 超硬材料国家重点实验室 / 国土资源部复杂条件钻进 技术开放研究实验室 , 吉林 长春 130026)
世界油页岩资 源极其丰富 , 其储量折算成 页 岩油高达 4000 多亿 t , 远较世界探明原油储量 2 亿 t 大。于 2010 年 10 月在科罗拉多召开的美国第 30 届油页岩大会 , 公布了世界油页岩储量新 一轮 评估数据
[ 2] [ 1]
岩矿藏的 开发和 干馏制 取油 页岩已 经变 成有 利。 我国油页 岩 资源 储量 十分 丰富 , 居 世界 第二 位, 且储量分布集中, 具有作 为石油补充能 源的巨大 潜力和有利条 件。目前 , 油页岩的 开采方法 有露 天开采和地下开采 ( 壁式开采法、房柱式开采法 [ 4] 和钻孔水力开采法 ) , 干馏方法分为地上干馏和 地下干馏 ( 即原位开采技术 , 试验阶段 ) 。地下干 馏与地上干馏相比, 具有 不需要进行采 矿和建设 大型的尾气处 理设施 , 而 且可开 发深层、高 厚度 的油页岩 资源, 具有 产品质量好、采油率高、占 地面积少和环保等优点。但原位开采技 术也存在 一些亟待解决的问题, 除 了要克服开采 技术上出
相互影响是不可忽视的 ( 图 2) 。为减少二者之间 的负面影响, 同时满足当 前我国国情及 现阶段可 持续发展 要求 , 对水 资源 的大 量消 耗、 水污 染、
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中 国 矿 业
3 44 m, 冷冻井的深度约为 609 m [ 7] 。
第 20 卷
水对干馏区影响进行控制 , 显得尤为重要。 2 1 水资源的消耗 水资源在西方如同黄 金一样贵重 , 很多政 府
摘 要 : 原位 开采技术已成为未 来油页岩商业化大 规模开采的发展趋 势。本文重点分析了制 约油页
岩进入商业化阶段的能 源需求及环境保护方面的重要影响条件 : 能源消 耗、水资源污 染、温室效应 气体 排放等 , 并针对这些影响条件详细阐述了 Py ro Phase 公司风能利用技术、 Heliosat 公司太阳能 利用技术、 Idaho 国家实验室核能利用和化学帷幕 墙技术、壳牌公司冷冻墙技术、 Lo s Alamos 国家实验 室 CO2 动态 评估模型、 R aytheon 公司 RF / CF 技术。上述技术为我国油 页岩原 位开采技 术的研 发拓展 了思路 , 也 为 我国进入油页岩等非常 规油气资源的大规模开采阶段提供了重要的借鉴。 关键词 : 原位开采 ; 能源利用 ; 水资源 ; 温室气体 中图分类号 : T D83 文献标识码 : A 文章编号 : 1004- 4051 ( 2011) 06- 0084- 04
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冯雪威 , 等 :Copyright(C) 油页岩原位开采 技术研究新进展 by Foxit Software
Edited by Foxit Reader
Company,2005-2008
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For Evaluation Only. 现的难题 , 更要应对 21 世纪环境保护的新挑战。 战, 油页岩原位 开采技术 在实际 应用过程 中, 也 21 世纪的中国更注重可持续发展、环境 保护 会遇到一系列难题, 从而 影响到该技术 进入大规 和资源合理开发利 用。新技术必 然要面临新的 挑 模商业开采阶段 ( 图 1) 。
图1 油页岩开采的影响因素
liosat 公司对该套系统进行了全面的技术分析, 采 用经济效益法分 析使用外太空太阳能能 源开采油 页岩的成本及价值。外太 空微波输电系 统设计思 路为 : 在一块巨大的电池 板上放置几万 亿个太阳 能电池, 采用混合发射技 术将发电装置 发射到太 空, 通过微波将 电能传输 至地面 接收站 , 该 技术 解决了降低能源成本的关键问题。通过理论分析, 此基于太阳能的空间系统 , 能够满足大 规模的能 源需求, 功率等同于 10 座核电站
[ 3]
( 见表 1) , 重点介绍了具有较大 油页
岩资源储量的国家。油页岩的开 采及干馏成本 较 高, 但在当前高油 价时代背 景下, 不 少国家油 页
收稿日期 : 2011- 01- 22 项目 基 金: 油 页 岩 地下 原 位 钻 采与 仿 生 关 键 技 术 ( 项 目 编 号 : 22109P224424) ( 来源 : 教育部 ) 作者简介 : 冯 雪威 ( 1987 - ) , 女 , 黑 龙江 人 , 硕士 , 地 质工 程 专业。
[ 5]
1 开采所需能源问题 油页 岩 的 开 采 需要 巨 大 的 能 源 消 耗, 全 国 ( 美国 ) 油页岩协会 ( NOSA) 在美国第 30 届油页 岩大会中发行的 Oil Shale 中提到一种说法 : 用 于油页岩开 采消耗 的能源 要大 于所 产出的 能源 , 利用土豆产油也要比开采油页岩经济的多[ 2] 。油页 岩开采获得的净能 源量, 取决于 开采技术以及 油 页岩层厚及含油率 , 据评估 , 产油量 与消耗能 源 量比例一般在 3 1~ 6 1。该刊物提供了使用地 下开采/ 地表干馏方法的数据, 比例为 4 3 1, 每 吨油页岩产油 25 加仑。而据分析每吨土豆的产油 量仅为 3 5 加仑。由此可见, 典型的油页岩矿藏的 产油量约为 土豆的 7 倍。此 外, 每吨 土豆大约 含 200 加仑水。油页岩的物理性质 , 即氢的含量 , 使 其成为生产运输燃 料的理想资源。但开采所需 能 源的消耗 , 仍 是制约油页岩开采 经济性的重要 因 素。目前 , 一些科研 单位及 公司已经 开始研究 使 用风能、太阳能、核能等新能源用于开采油页岩。 1 1 风能的利用 风能的应用 在美国能源利用 方面所占比例 较 小, 主要问题是风 能的变幻 无常, 以 及缺乏切 实 有效的能量存储手段。美国的 P yro Phase 公司一直 致力于研究开采地下重油资源的商业化开采技术 , 该公司采用射频技术 ( Radio F requency 简称 RF ) 加热油页岩进行原位开采。 RF 技术在加热油页岩 层时 , 可以储存大 量的风能 , 还可以 通过调节 输 能通道的风量来调 节热负载, 并 以此来实现稳 定 电网电压。目前该技术已经获得了专利。
。目前, 可重
复利用的航天器概念设计已经完成。 H elio sat 公司 下一阶段的工作计划, 是 完成一套发射 系统的框 架设计, 并与合作伙伴共 同研究空间太 阳能发展 以及系统的初步设计工作。 1 3 核能的利用 Idaho 国家实验室开展的项目是研究利用新能
源开采油页岩的技术及可行 性分析, 以 及加热所 使用的高温气体反应堆 ( high t em perat ure gas re act or, H T GR) 。此项研究也是新一代核电站设计 项目的一部分。核能的利 用, 不仅 可以为原 位开 采提供充足的能量, 而且 还避免了使用 矿石燃料 对环境和气候产生的影响。高温气体反 应堆核电 站用于油页岩 的干馏 , 可 以提供 高温流体、电能 及大量的氢, 该氢可用于石油精炼等方面 [ 6] 。该技 术从经济 和 环保 的角 度分 析, 都 证 明是 可行 的。 此外, SASOR 的 核 能 应 用 技 术 也 已 经 获 得 了 专利。 2 水资源问题 油页岩开采过 程中, 水和油 页岩干馏之 间的
表1
国家 单位 / 亿桶 美国 20850 中国 3280 俄罗斯 2710
具有较大油页岩资源储量的国家
巴西 520 摩洛哥 380 约旦 340 澳大利亚 310 爱沙尼亚 160 加拿大 150
RF 技术已广泛应用于油 页岩原位开采 加热, 与风能的存储综合利用之后 , 带来了更 为明显的 经济及环 保 优势。由于 使用 风能 这 一清 洁能 源, 大大减少了 CO2 的排放量以及高成本的 CO 2 分离 回收工作。Biblioteka Baidu1 2 太阳能的利用 H eliosat 公司专项研究外太空发电系统。 H e
领导人表示出了对开采过程中水 资源需求的极 大 关注 , 并提出 了一些限制要 求。然而 , 水是油 页 岩开采必不可少的 能源供给, 据 国际油页岩协 会 的一项近期调查显 示: 平均每桶 油页岩需要水 大 约 2 桶[ 2] 。油页岩开采需要的水来源有多种方式 : 地下水井、地 表径流、河 流、油页岩 开采过程 产 生的水、工业 及城市生活废 水、水库、通过输 水 管从其他地区引过 来的水。露天 开采及原位开 采 ( 干馏 ) 过程中产生的水, 不能排放到地下水或地 表径流中 , 但可以重复利用其进行油页岩的开采 , 用此方法可节省月 10% 的用水量。犹他大学 已经 开展了水资 源的供 给及再 利用 的相 关项目 研究 , 该项目属于国家能源部。
New development of oil shale in situ technology
FEN G Xue w ei, CH ENG Chen, CH EN Da y ong ( College o f Co nstr uction Eng ineering , Jilin U niversity/ Stat e K ey Labor ator y o f Superhard M ater ials / Labor ator y o f T echno log y for D rilling U nder Co mplex Co nditio n of M inistr y o f Land and Resources, Chang chun 130026, China) Abstract: T he in situ techno lo gy has been the trend o f commer cial larg e scale ex ploitatio n for o il shale. Sig nificant factor s that restr ict oil shale to go to commercia l stage, such as ener gy demand and env ir onmen tal pr otectio n, are analy zed in detail in this paper . N ew challenges of the 21 st century faced by in situ tech nolog y as follow ing : energ y consumptio n, w ater pollutio n, g reenhouse g as emissio n and so o n. A iming to meet the challeng es, many solutions have being studied by labo rato ries and companies: making use o f wind pow er technolog y of Py roP hase, utilizing so lar energ y technolog y of Heliosat, nuclear plant and chemical precipit at ion barr ier t echnolog y of Idaho N atio nal L abor at or y, fr eeze w all technolog y of Shell, CO2 manage ment simulatio ns to ols o f L os Alamos N ational Labor ator y, RF / CF techno log y of Raytheo n. A bove tech nolog ies no t only ex pand the ideas fo r oil shale in situ t echnolo g y, but also pro vide references for larg e scale ex ploitatio n o f unconventional oil and g as r esources. Key words: in situ; energ y use; w ater r esource; g reenho use g as