原位开采技术

原位开采是指通过对油页岩储层进行高温加热， 将油页岩中的固体干酪根转换为液态烃， 再通过传统的石油天然气钻井采油工艺将液态烃从地下开采出来的方法。

油页岩的开发利用越来越受到世界各国的重视。随着环保压力的增大， 油页岩原位开采已成为未来油页岩商业化大规模开采的必然发展趋势。我国油页岩资源开发利用较早， 但都是环境污染较大的地面开采方式。

释义原位开采技术就是通过直接给地下油页岩加温，使其在地下进行裂解，生成的油气通过生产井采出。该工艺对于中深层油页岩（300m以深） 开发具有优势。另外由于不需要露天和矿井开采，没有大量的油页岩废料堆积，副产物非常少，水资源用量也非常少。

典型技术及特点目前，油页岩地下原位开采技术达十余种，按照油页岩层加热方式可分为电加热、流体加热、射频加热三类工艺。其特点各具特色。

1）电加热技术的特点：技术成熟，容易控制，但加热速度较慢，容易造成热量大量损失、成本较高、产生的油气压力较低、难开采等。

2）流体加热技术的特点：加热速度较快，并且由于流体压力的作用，产生的裂缝一般不会闭合，产出的油气易于开采；加热过程中流体流速过快，易形成流体短路，仅与油页岩进行少量热交换就流出地层。

3）射频加热技术的特点：产生的热量穿透力强，加热速度较快；但技术难度较大，成本较高。1

国内外优秀原位开采技术介绍自 20 世纪 80 年代开始， 国外许多石油公司开始研究和发展了油页岩原位开采技术。

美国土地管理局 RD&D 项目为了促进美国油页岩开采技术的发展， 并预计从 2020 年开始进行油页岩的大规模商业化开发， 美国土地管理局于 2005 年 6 月和 2009 年 11 月先后进行第一轮和第二轮 RD&D 项目试验区（Research，Development & Demonstration 研究， 开发 & 示范）的招标工作 。第一轮招标中有 6 个实验区被选中。其中 Shell 获得 3 个试验区块；Chevron 1 个区块；EGL Resource， Inc（现为 American Shale Oil，LLC）1 个区块；Oil Shale Exploration， LLC（现为Enefit American Oil） 1 个区块， 主要进行地表干馏。第二轮 RD&D 项目招标共确定 3 家公司中标：ExxonMobil 1 个区块；Natural Soda 1 个区块， 主要生产苏打石等无机矿物；AuraSource 1 个区块， 主要为地表干馏。

两轮招标的条款有所不同。第一轮美国土地管理局给予 0.65 km2 租赁权加额外的 20 km2 矿区的优先开采权；先导试验期限为 10 年， 最多可再延长5 年。第二轮优惠条件减少， 只给予 0.65 km2租赁权加额外的 1.94 km2 矿区的优先开采权；先导试验期限限定为 10 年 。

当今研究相对比较成熟并获得美国土地管理局RD&D 项目试验区的油页岩原位开采技术有壳牌ICP 技术、 雪佛龙 CRUSH 技术、 美国页岩油 CCR 技术和埃克森美孚 Electrofrac 技术。

壳牌 ICP 技术壳牌的 ICP 技术 采用小间距井下电加热器循序均匀地将地层加热到 340 ℃ /min 左右的转化温度。根据加热器间距和加热速度， 对于一个商业开采项目， 将地层加热到转化温度的时间估计为2~4 年。根据试验结果， 一项商业规模的项目预计可获得的能量增益接近 3， 即所获产品的能量值是用来生产这些产品所消耗能量的 3 倍 。ICP 工艺实现商业化还需要采用冷冻墙技术， 阻止水流入被加热地层， 并能封闭产出的流体， 提高采收率， 同时保护局部蓄水层。ICP 工艺利用循环制冷剂形成的冷冻墙阻止地下水进入被加热层， 冷冻墙内的地层水被抽出， 地层被加热， 产出油， 剩余页岩用干净水冲洗其中的污染物。壳牌冷冻墙试验开始于 2002 年， 并于 2005 年试验了大规模的冷冻墙， 布置了 157 口冷冻井， 井间距离为 2.4 m， 建立了一个跨度为 68 m 的密封体 。2007 年作业公司开始向冷冻井中注入氨水进行循环制冷， 起初在浅层循环， 之后慢慢加深。到 2009 年 7 月， 冷冻墙已到达 520 m 深处。这次试验的目的是评估冷冻墙的完整性， 但不涉及加热和油气生产。

通过 7 次野外试验， 壳牌公司调查了各种加热方法， 如注蒸汽、 安装井下加热器， 并研究了不同深度的组合井， 分别用于加热、 生产和除水等。

埃克森美孚 Electrofrac 技术埃克森美孚 Electrofrac 工艺 采用水力压裂方式压裂油页岩， 然后向裂缝中填充能导电的支撑剂， 从而形成一个电加热体。热量通过能导电的支撑剂传给油页岩后， 其中的干酪根受热转化成油和气， 然后通过常规方法采出。埃克森美孚公司已经对焙烧石油焦是否可作为支撑剂进行实验， 希望这种材料被泵入垂向裂缝后能形成一系列平行的平面电加热器。与壳牌的 ICP 技术一样， 热量通过热扩散方式传给页岩层。和线性热源相比， Electrofrac工艺的潜在优势是平面裂缝加热器的表面积较大，这样可以用较少的加热器就能向地下储层传递足够的热量。另外， 使用平面加热器还能减少对地面环境的干扰， 这一点也比线性热源和井下加热器优越。

埃克森美孚公司通过模拟实验和实验室研究解决 Electrofrac 工艺中的几个重要技术问题： （1） 导入裂缝的导电导热剂在周围岩石被加热到转化温度时继续保持电导性； （2） 通过该工艺产生的油气能在地应力条件下流到井筒内； （3） 特殊的完井工艺使裂缝能高效导热。

根据实验结果， 埃克森美孚公司于 2007 年在科罗拉多州西北部该公司拥有的油页岩矿场 ColonyMine 进行了现场试验。通过水平钻进油页岩层， 并在足以使岩石破裂的压力下泵入了焙烧石油焦、 水和硅酸盐水泥混合浆， 压开了两条 Electrofrac 裂缝并对大裂缝测量了温度、 电压、 电流和岩石的运动情况。因为是初次试验 Electrofrac 工艺， 两条裂缝只被加热到了相对较低的温度。这次低温试验的目的不是产生油和气。试验结果证明有可能形成能导电的水力裂缝， 能使裂缝接通电， 能进行控制， 并能保持裂缝低温加热状态至少几个月时间。

美国页岩油公司 CCR 技术美国页岩油公司建议采用 CCR 传导、 对流和回流工艺开采页岩油。CCR 工艺 通过集中加热非渗透页岩盖层下面的页岩， 从而将产层和被保护地下水源隔离开。其原理是钻 2 口水平井：1 口加热井和 1 口生产井， 加热井在生产井下面。热量通过一个井下燃烧器供给， 该燃烧器最终利用产出气运转。随着干酪根的分解， 轻质组分（蒸气） 上升， 冷凝， 然后流回地层。热量通过回流油被分散到地层中。地层通过热机械压裂方式形成了一定的渗透能力， 从而使对流热传递成为可能。

AMSO 公司的首次 RD&D 项目于 2011 年开始现场试验， 加热时间须达到 200 d， 需干馏的地层体积相当于 4 000 t 的油页岩， 产生的页岩油将达到272 t。

雪佛龙 CRUSH 技术雪佛龙 CRUSH 工艺 首先用碎石化技术将储层岩石破碎成不连续的岩石块， 然后通过地表的压缩机注入热蒸汽（或空气） 给地层进行加热， 将其中的干酪根受热转化成油和气， 然后通过常规方法采出。

这项技术的核心是碎石化（Rubblization） ， 即在x， y， z 3 个方向产生裂缝， 能够为干酪跟在致密储层里发生化学转换提供更多的表面积。雪佛龙公司提出 2 种可能的碎石化方法。第 1 种是冷冻法：原理是岩石在冷却状态下会发生收缩， 极度冷却能使岩石处于拉伸， 使岩石变得很不稳定；热膨胀相关系数继续随地层发生变化， 会导致收缩量和剪切应力发生变化， 从而有利于碎石化。第 2 种是爆炸法：定时爆破会对岩石产生结构性干扰， 控制高度和方向， 能够得到特定形状的裂缝。冷冻碎石化的具体过程 ： （1） 用水或者液态气（液态二氧化碳或者液氮） 形成一条传统的主裂缝； （2） 钻一口斜井交叉于主裂缝， 然后循环冷却液， 岩石被冷却将会收缩， 形成垂直于主裂缝的次生裂缝； （3） 继续循环冷却液， 随着岩石继续被冷却， 地层发生不同程度的收缩， 从而在地层中形成剪切破坏， 三级裂缝将继续形成， 甚至形成一个连通的缝网。

有关雪佛龙 RD&D 的报道是， 雪佛龙已经通知美国土地管理局和采矿、 安全部门， 他们打算出让在科罗拉多 Picesance 盆地的 RD&D 租赁权， 原因是他们认为原位开采技术在短时间内很难取得重大突破。

认识与启示（1） 中国油页岩资源储量丰富， 仅次于美国， 位于世界第 2 位， 分布也非常广泛， 可以作为我国未来一种重要的接替能源。

（2） 美国政府十分重视油页岩的开发和环保问题， 两轮的 RD&D 项目鼓励各大石油公司开展各种油页岩原位开采技术的研究和现场试验， 取得了许多宝贵的经验。原位开采也是我国未来进行油页岩大规模商业化开发的必然趋势。

（3） 美国各大石油公司在开展油页岩原位开采技术的室内研究和现场先导试验过程中都遇到一些技术难题， 与地表干馏技术相比， 原位开采技术相对不太成熟， 商业化开发不可操之过急。

（4） 我国应加快开展适用于油页岩原位开采技术的资源选区评价工作， 并根据中国油页岩资源特征和条件对各种原位开采工艺进行筛选和优化， 结合我国先进的钻完井技术和水平井分段压裂技术， 形成一套适合我国油页岩原位开采的新型技术体系。2

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学