孫友宏，郭威，鄧孫華

（1.油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130026；2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春130026；3.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130026；4.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

0 引言

油頁巖是一種高灰分的固體可燃有機(jī)質(zhì)沉積巖，低溫干餾可獲得油頁巖油，含油率大于3.5%，發(fā)熱量一般不小于4.18 MJ/kg［1］，屬于非常規(guī)油氣資源。我國油頁巖地質(zhì)資源量巨大，達(dá)到7199.37億t，油頁巖中蘊(yùn)含的油頁巖油資源量約為476.44億t［1］，是保證我國能源安全的重要戰(zhàn)略資源。

油頁巖內(nèi)部有機(jī)質(zhì)主要為未熟干酪根，需通過低溫干餾（450～500℃）煉制油頁巖油，開發(fā)方式主要有地面干餾技術(shù)和原位轉(zhuǎn)化技術(shù)。地面干餾技術(shù)適合開發(fā)地表或淺層油頁巖資源，技術(shù)雖已經(jīng)非常成熟，但面臨著開發(fā)成本高、占地面積大和環(huán)境污染等問題。油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化開采技術(shù)是通過人工加熱地下油頁巖儲(chǔ)層，在原位將油頁巖內(nèi)部的固體干酪根裂解成油氣，再通過一定的工藝開采到地面的一種開發(fā)方式，目前技術(shù)尚未達(dá)到工業(yè)化開發(fā)水平，但技術(shù)成熟后具有綠色環(huán)保、占地面積小、開發(fā)成本低和開發(fā)深層油頁巖資源的優(yōu)勢(shì)，是油頁巖工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

世界油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化開采技術(shù)的發(fā)展大體分為3個(gè)階段，即早期萌芽階段、技術(shù)發(fā)展階段和新技術(shù)涌現(xiàn)階段。

（1）早期技術(shù)萌芽階段：為20世紀(jì)40～70年代。1940年，瑞典最早提出油頁巖原位開采技術(shù)，并發(fā)明了“電熱法”或“Ljungstr?m”原位開采方法［2-3］。1953年，美國辛克萊油氣公司（Sinclair Oil and Gas Company）研發(fā)了利用地層天然裂縫和井間燃燒的原位開采技術(shù)，在美國科羅拉多州皮申斯盆地開展野外試驗(yàn)，獲得了少量油頁巖油［4-5］。

（2）技術(shù)發(fā)展階段：為20世紀(jì)70年代至21世紀(jì)初。20世紀(jì)60年代末，由于世界原油價(jià)格快速上漲，由每桶15美元飆升到近每桶70美元。在此背景下，美國國家能源局、國家礦業(yè)局和眾多油公司，投入巨資開展原位轉(zhuǎn)化技術(shù)研發(fā)，技術(shù)水平得到快速發(fā)展，研發(fā)了眾多原位轉(zhuǎn)化方法，開發(fā)了真原位（TIS）和改進(jìn)型原位（MIS）兩大主流技術(shù)，分別由美國礦業(yè)局的拉勒米能源技術(shù)中心（后改名為西部研究中心）發(fā)明和美國勞倫斯利福摩爾國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，并開展了室內(nèi)先導(dǎo)試驗(yàn)和野外示范工程，油頁巖油總產(chǎn)量超萬噸［6-16］。

（3）新技術(shù)涌現(xiàn)階段：21世紀(jì)以來，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步，油頁巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)出現(xiàn)了很多新技術(shù)，代表性技術(shù)有殼牌公司地下電加熱的ICP技術(shù)、埃克森美孚公司壓裂加導(dǎo)電支撐劑的ElectrofracTM技術(shù)和雪弗龍公司對(duì)流加熱的CRUSH技術(shù)等。

我國油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化開采技術(shù)起步較晚，2005年太原理工大學(xué)提出了注蒸汽原位開采油頁巖技術(shù)［17］，吉林大學(xué)于2011年起相繼研發(fā)了近臨界水法（SCW法）、高壓-工頻電加熱法（HVF法）和局部化學(xué)反應(yīng)法（TSA法）油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化開采技術(shù)，中石油提出了水平井電加熱輕質(zhì)化原位轉(zhuǎn)化技術(shù)，吉林眾誠油頁巖公司研發(fā)了原位壓裂化學(xué)干餾油頁巖開采技術(shù)。目前，我國建設(shè)了3個(gè)油頁巖原位轉(zhuǎn)化先導(dǎo)試驗(yàn)工程，分別是吉林眾誠集團(tuán)的扶余油頁巖先導(dǎo)試驗(yàn)工程、吉林大學(xué)的農(nóng)安和扶余油頁巖原位先導(dǎo)試驗(yàn)工程，均成功從地下原位采出了油頁巖油。

目前，國內(nèi)外油頁巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)特點(diǎn)如表1所示，根據(jù)熱量來源和熱量傳遞方式主要分為：反應(yīng)熱加熱、傳導(dǎo)加熱、對(duì)流加熱和輻射加熱4類［17］。

表1 油頁巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)特點(diǎn)Table 1 The characteristic of heating method for in-situ conversion of oil shale

1 油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 反應(yīng)熱加熱技術(shù)

早期的反應(yīng)熱加熱技術(shù)主要采用原位燃燒加熱方法，即通過原位燃燒油頁巖中一部分有機(jī)物以獲得原位裂解所需熱量。根據(jù)是否需要采礦分為真原位（True In Situ，TIS）和改性原位（Modified In Situ，MIS）兩大類。TIS方法由美國拉勒米能源技術(shù)中心（Laramie Energy Technology Center，LETC）發(fā)明，該技術(shù)通過地面鉆孔后采用壓裂或爆炸等技術(shù)措施提高地層滲透性，然后加熱油頁巖使其裂解燃燒，最后從開采井中采出頁巖油氣［4-5］，如圖1所示。MIS方法由美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，先通過采礦在油頁巖地層形成采空區(qū)，然后用爆破方法將其余部分油頁巖碎石化，進(jìn)而提高礦層的滲透性，再通過加熱點(diǎn)火燃燒實(shí)現(xiàn)油頁巖裂解，最后從開采井中采出頁巖油氣［4-5］，如圖2所示。

圖1 TIS技術(shù)原理示意[18]Fig.1 Schematic diagram of TIS

吉林大學(xué)與以色列科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)了局部化學(xué)反應(yīng)法油頁巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)（TSA法），是一種低能量投入的高效加熱裂解技術(shù)。它既不是簡單的物理加熱，也不是完全地下燃燒，是由局部的化學(xué)反應(yīng)觸發(fā)的一種化學(xué)熱強(qiáng)化處理的過程。油頁巖與氧之間發(fā)生局部的化學(xué)反應(yīng)，使油頁巖在無外界能量輸入的情況下完成裂解，在整個(gè)反應(yīng)過程中通過控制氣體的流速來保持反應(yīng)峰面穩(wěn)定的傳播。該方法耗能少，反應(yīng)易被觸發(fā)和重復(fù)，且反應(yīng)過程容易控制、產(chǎn)油率較高，產(chǎn)生的油頁巖油品質(zhì)與傳統(tǒng)干餾得到的頁巖油相似［19］，如圖3所示。應(yīng)用該方法在吉林農(nóng)安油頁巖先導(dǎo)試驗(yàn)工程成功從地下原位采出油頁巖油［20］，如圖4所示。

圖2 MIS技術(shù)原理示意[5]Fig.2 Schematic diagram of MIS

圖3 吉林大學(xué)TSA技術(shù)原理示意Fig.3 Schematic diagram of TSA

圖4 TSA法在吉林農(nóng)安地下原位采出油頁巖油Fig.4 The oil produced by the TSA in Nong’an

1.2 傳導(dǎo)加熱技術(shù)

殼牌ICP（In situ Conversion Process）技術(shù)是目前最成熟的油頁巖原位轉(zhuǎn)化加熱技術(shù)，如圖5所示。該技術(shù)先在油頁巖地層鉆進(jìn)加熱井和生產(chǎn)井，然后采用小間距井下電加熱器循序均勻地將地層通過傳導(dǎo)方式加熱到油頁巖裂解溫度。根據(jù)井間距和加熱速率不同，地層加熱到裂解溫度需要2～4年，最終從生產(chǎn)井采出油頁巖油和可燃?xì)怏w。殼牌公司自1981年在美國綠河油頁巖開展了7次野外試驗(yàn)，2003-2005年在Mahogany南部示范區(qū)開展的野 外試驗(yàn)共采出油頁巖油1860桶（約253 t）［21-22］。殼牌公司還與約旦合作，于2010年在約旦開展現(xiàn)場試驗(yàn)，也采出了油頁巖油［23］。ICP技術(shù)要求井下電加熱器能夠耐高溫長壽命，對(duì)地層適應(yīng)性也有一定的要求，油頁巖的含油率和厚度的乘積要達(dá)到技術(shù)下限和經(jīng)濟(jì)下限。我國油頁巖儲(chǔ)層一般埋藏深、厚度薄和含油率低，需要小間距長距離水平井技術(shù)時(shí)可以應(yīng)用ICP技術(shù)。

圖5 殼牌ICP技術(shù)原理示意[17,24]Fig.5 Schematic diagram of ICP of Shell

埃克森美孚ElectrofracTM技術(shù)先采用水力壓裂方式壓裂油頁巖，然后向裂縫中填充導(dǎo)電支撐劑，從而形成一個(gè)電加熱體。采用電加熱的方式，熱量經(jīng)加熱井通過能導(dǎo)電的支撐劑傳遞給油頁巖后，干酪根受熱轉(zhuǎn)化成油頁巖油和可燃?xì)怏w，并從生產(chǎn)井采出［17，24］，如圖6所示。該技術(shù)通過平面加熱，增大了儲(chǔ)層的傳熱面積，相比殼牌ICP技術(shù)的線性熱源，提高了加熱效率。該技術(shù)于2007年在美國科羅拉多州Colony Mine油頁巖礦場開展了分階段現(xiàn)場測(cè)試，初步驗(yàn)證了ElectrofracTM技術(shù)的可行性，但未采出油頁巖油［24］。

2010年開始，吉林大學(xué)和俄羅斯托木斯克理工大學(xué)聯(lián)合開展高壓-工頻電加熱原位轉(zhuǎn)化技術(shù)的研發(fā)，該技術(shù)首先通過鉆孔向油頁巖礦層插入兩個(gè)電極，利用高壓電對(duì)油頁巖高電阻物的放電作用，在電極間油頁巖層中形成等離子體通道，原位擊穿油頁巖并碳化，從而降低油頁巖層的電阻，然后在兩個(gè)電極間通入工頻電流，通過電極間等離子體通道的電阻發(fā)熱對(duì)油頁巖層進(jìn)行加熱［25］，如圖7所示。該技術(shù)的加熱速率非?？?，在實(shí)驗(yàn)室通過電極間距為15 cm的油頁巖加熱實(shí)驗(yàn)證實(shí)，僅需10 min即可產(chǎn)出油和氣［26］。

圖6 ?？松梨诠镜腅lectrofracTM技術(shù)原理示意圖[17,24]Fig.6 Schematic diagram of ElectrofracTM of Exxon Mobil

圖7 吉林大學(xué)高壓-工頻電加熱（HVF）技術(shù)原理示意[23]Fig.7 Schematic diagram of HVF of Jilin University

1.3 對(duì)流加熱技術(shù)

雪弗龍CRUSH技術(shù)是通過地表壓縮機(jī)向注入井和預(yù)先碎石化的油頁巖儲(chǔ)層注入熱蒸汽等高溫流體介質(zhì)，通過對(duì)流加熱將油頁巖中干酪根裂解為油頁巖油和可燃?xì)怏w，然后通過生產(chǎn)井采出［27-28］，如圖8所示。

圖8 雪佛龍CRUSH技術(shù)原理示意[17,27-28]Fig.8 Schematic diagram of CRUSH of Chevron

美國頁巖油公司CCR技術(shù)是利用沸騰油作為對(duì)流加熱方式，并綜合利用熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和流體回流相結(jié)合等傳熱方式［29］，如圖9所示。CCR技術(shù)先向油頁巖層鉆進(jìn)一口水平加熱井和一口水平生產(chǎn)井，加熱井在生產(chǎn)井下方。通過井下加熱使加熱井周圍油頁巖中的干酪根先分解，生成的高溫氣態(tài)烴類沿著油頁巖層內(nèi)裂隙向上流動(dòng)并將熱量分散到地層中，回流的油向下流動(dòng)后可以被再次加熱實(shí)現(xiàn)熱對(duì)流［30］。這種技術(shù)縱向間對(duì)流加熱效率較高，但橫向間的對(duì)流效應(yīng)沒有充分利用。

圖9 美國頁巖油公司CCR技術(shù)原理示意[17,30]Fig.9 Schematic diagram of CCR

太原理工大學(xué)注蒸汽開采油頁巖技術(shù)（MTI技術(shù)）是采用壓裂方式使群井聯(lián)通，將400～700℃高溫蒸汽沿注熱井注入油頁巖地層，通過對(duì)流加熱裂解干酪根形成油頁巖油和可燃?xì)怏w，并經(jīng)低溫蒸汽或水?dāng)y帶沿生產(chǎn)井排到地面分離，最終形成油氣產(chǎn)品［31］，如圖10所示。該技術(shù)已在實(shí)驗(yàn)室完成了大試件工業(yè)實(shí)驗(yàn)，正計(jì)劃在新疆阜康開展原位開采先導(dǎo)試驗(yàn)。

吉林大學(xué)近臨界水法油頁巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)（NCW法）通過井下加熱器在地下將注入的水加熱至近臨界（水的臨界點(diǎn)：374℃，22.1 MPa）或超臨界狀態(tài)，再以近臨界水作為傳熱傳質(zhì)介質(zhì)和提取劑，向油頁巖層進(jìn)行滲透、浸潤和溶脹，同時(shí)使油頁巖內(nèi)部的干酪根有機(jī)質(zhì)發(fā)生裂解，并將生成的油氣產(chǎn)物攜帶出井底［32］，如圖11所示。近臨界水具有活性高、傳熱傳質(zhì)能力強(qiáng)和綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，是綠色節(jié)能的新型油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)。該工藝在實(shí)驗(yàn)室對(duì)樺甸、汪清、扶余和農(nóng)安等多地的油頁巖樣品開展實(shí)驗(yàn)，均獲得了90%以上的油收率［33］。

圖10 太原理工大學(xué)MTI技術(shù)原理示意[31]Fig.10 Schematic diagram of MTI

1.4 輻射加熱技術(shù)

Raytheon公司的RF/CF技術(shù)是由射頻加熱和超臨界流體載熱技術(shù)轉(zhuǎn)化而來的［34］。該技術(shù)的實(shí)施需先將射頻發(fā)射器放置在油頁巖層內(nèi)，并射頻加熱，然后把超臨界CO2作為載體通入到油頁巖層中，這樣油頁巖所產(chǎn)生的油和氣就會(huì)被帶到生產(chǎn)井內(nèi)，進(jìn)而被抽到地面進(jìn)行回收處理，而超臨界CO2冷卻后可以繼續(xù)作為載體通入到井下，如圖12所示。這種方法能有效改善傳統(tǒng)的CO2注入和隔離手段對(duì)巖石的孔隙、強(qiáng)度、生產(chǎn)區(qū)的大小以及加熱溫度等方面的苛刻要求。此外Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）提出利用無線射頻方式加熱油頁巖的技術(shù)［35］，如圖13所示。這種技術(shù)可以提高加熱油頁巖的效率，并在設(shè)計(jì)中加設(shè)水平井以加強(qiáng)地下油頁巖的受熱體積，使電波在巖層中平行傳播，適合薄層低品位油頁巖層開采。

圖11 吉林大學(xué)近臨界水原位轉(zhuǎn)化技術(shù)（NCW法）技術(shù)原理示意Fig.11 Schematic diagram of NCW

2 油頁巖儲(chǔ)層改造技術(shù)現(xiàn)狀

油頁巖儲(chǔ)層改造與頁巖氣和頁巖油的不同，因?yàn)橛晚搸r原位轉(zhuǎn)化開采需要將儲(chǔ)層加熱到一定溫度，故其儲(chǔ)層改造的目的是為了防止熱量流失和有利于對(duì)儲(chǔ)層的加熱，故對(duì)于不同的地層和不同的加熱方法，需要采取不同的儲(chǔ)層改造方法。如對(duì)于有裂隙和地下水的地層，就需要對(duì)加熱儲(chǔ)層進(jìn)行止水封閉，防止地下水流帶走熱量和注熱流體流失；對(duì)于反應(yīng)熱加熱技術(shù)和對(duì)流加熱技術(shù)，就需要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行造縫改造，有利于熱量傳遞。所以，油頁巖儲(chǔ)層改造包括造縫改造和空間封閉兩個(gè)部分。

2.1 造縫改造技術(shù)

在反應(yīng)熱加熱和對(duì)流加熱過程中，需要儲(chǔ)層有較好的滲透性，有利于空氣或加熱流體的流動(dòng)，而油頁巖低滲透特性阻止了流體在儲(chǔ)層內(nèi)的流動(dòng)，不利于儲(chǔ)層的加熱。因此，如何提高儲(chǔ)層滲透性，在油頁巖儲(chǔ)層提供足夠的流體通道，來保證空氣的流動(dòng)能力或熱流體的對(duì)流傳熱能力，提高地下儲(chǔ)層的加熱體積進(jìn)而提高產(chǎn)油量，是油頁巖原位轉(zhuǎn)化開采技術(shù)的關(guān)鍵。儲(chǔ)層造縫改造是最有效的提高油頁巖地層滲透性的方法，常采用的技術(shù)有水力壓裂技術(shù)和地下爆破技術(shù)。

2.1.1 水力壓裂技術(shù)美國礦業(yè)局于1969年在美國懷俄明州Rock Springs地區(qū)針對(duì)綠河淺層油頁巖地層最早開展了水力壓裂等一系列儲(chǔ)層改造實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水力壓裂可以提高地層滲透性，并且水力壓裂后再采用爆破方法能夠提高5倍的滲流能力［16］。埃克森美孚ElectrofracTM技術(shù)的核心需要首先對(duì)油頁巖層進(jìn)行水力壓裂，2008年在Colony Mine油頁巖礦場的EF1和EF3井進(jìn)行了兩套壓裂方案。壓裂完成后填充導(dǎo)電介質(zhì)，然后通過電子探針來測(cè)定油頁巖的導(dǎo)電率，結(jié)果證明EF1和EF3井中油頁巖具有良好的導(dǎo)電性［36］。吉林眾誠公司在扶余原位轉(zhuǎn)化先導(dǎo)試驗(yàn)工程采用水力壓裂提高油頁巖層滲透性，吉林大學(xué)在吉林農(nóng)安和扶余實(shí)施的原位轉(zhuǎn)化先導(dǎo)試驗(yàn)工程分別采用兩套水力壓裂方案。由于頁巖儲(chǔ)層具有粘土含量高、脆性指標(biāo)低等問題，水力壓裂常面臨著“壓不開、難撐住”等技術(shù)挑戰(zhàn)，需要針對(duì)具體地層制定相應(yīng)的水力壓裂方案。

圖12 Raytheon公司RF/CF技術(shù)原理示意[34]Fig.12 Schematic diagram of RF/CF of Raytheon COM

圖13 LINL射頻技術(shù)原理示意[35]Fig.13 Schematic diagram of LINL

2.1.2 地下爆破技術(shù)

在早期油頁巖改性原位技術(shù)（MIS）中，主要采用了爆炸碎石技術(shù)進(jìn)行油頁巖儲(chǔ)層改造。該技術(shù)需要人工采礦和原位碎石化來增加地層的孔隙率。美國Occidental公司首先通過采礦的方式開挖15%～35%的油頁巖地層，然后對(duì)剩余的油頁巖地層實(shí)施爆炸破碎，使油頁巖儲(chǔ)層都破碎成小塊，極大地提高了地層的滲透性。Occidental公司開展了包括爆炸碎巖的效果評(píng)價(jià)、多行陣列布孔爆破效果和預(yù)留臺(tái)柱爆破等研究工作，建立了一套簡單而有效的碎巖方法，減少了原位爆破碎巖過程中的各種不確定性，實(shí)現(xiàn)了一次爆破成功，無需二次或修正爆破［37］。

2.2 地下空間封閉技術(shù)

地下空間封閉即在油頁巖地下高溫裂解開采區(qū)域形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定封閉的空間，防止地下水涌入和裂解油氣產(chǎn)物擴(kuò)散污染，是保證油頁巖原位轉(zhuǎn)化開采高效加熱和生態(tài)安全的重要基礎(chǔ)技術(shù)。地下空間封閉技術(shù)要求最大程度地隔絕高溫裂解區(qū)與地下外部環(huán)境的物質(zhì)和能量交換。目前共有3種地下空間封閉技術(shù)：冷凍墻封閉技術(shù)、注漿帷幕封閉技術(shù)和氣驅(qū)止水封閉技術(shù)。

2.2.1 冷凍墻封閉技術(shù)

冷凍墻技術(shù)是指是利用液氮或超冷鹽水等低溫流體在地下閉式循環(huán)將孔隙水和地層基體凍結(jié)在一起，進(jìn)而形成人造冷凍墻［38］。該技術(shù)可以暫時(shí)性封堵地下空間，由于地下凍結(jié)體與周圍環(huán)境間溫度梯度較大，需要維持低溫流體循環(huán)才能保持冷凍墻的長期有效。殼牌ICP技術(shù)開發(fā)了冷凍墻封閉技術(shù)，利用循環(huán)制冷劑形成的冷凍墻阻止地下水進(jìn)入高溫裂解區(qū)，加熱地層前需將冷凍墻內(nèi)的地層水抽出，油頁巖油開采結(jié)束后，用干凈水沖洗高溫裂解區(qū)內(nèi)的污染物。殼牌于2002年在美國科羅拉多州開展冷凍墻現(xiàn)場試驗(yàn)，布置了157口冷凍井，井間距離2.4 m，冷凍時(shí)間達(dá)2年，建立了跨度68 m、深度520 m的冷凍墻密封體［17，22］，如圖14所示。冷凍墻封閉技術(shù)的施工周期較長、配套設(shè)備和工程費(fèi)用也較高。

2.2.2 注漿帷幕封閉技術(shù)

注漿帷幕封閉技術(shù)是指將水泥漿液壓入地層孔隙及裂隙中，水泥漿液固化后可封堵地層中流體的流動(dòng)路徑形成地下注漿帷幕［39］。吉林大學(xué)針對(duì)油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化自主開發(fā)了注漿帷幕封閉技術(shù)，如圖15所示，并在農(nóng)安油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化先導(dǎo)試驗(yàn)工程成功應(yīng)用。該技術(shù)主要對(duì)于埋深在100 m以內(nèi)儲(chǔ)層，還需結(jié)合工程精細(xì)物探資料，根據(jù)地層孔隙和裂隙分布情況，并綜合考慮儲(chǔ)層壓裂改造規(guī)模及地下水流向流量等因素，合理確定漿液配方、注漿孔布置、注漿層位和注漿量［40-41］。

圖14 殼牌公司冷凍墻試驗(yàn)[17,22]Fig.14 Schematic diagram of frozen wall of Shell

圖15 注漿帷幕封閉技術(shù)原理示意[40]Fig.15 Schematic diagram of grouting curtain

2.2.3 氣驅(qū)止水封閉技術(shù)

氣驅(qū)封閉技術(shù)是吉林大學(xué)針對(duì)埋深＞100 m的儲(chǔ)層，采用反應(yīng)熱技術(shù)原位轉(zhuǎn)化油頁巖的一種地下空間封閉技術(shù)。該技術(shù)在原位高溫裂解區(qū)邊緣通過鉆孔注入一定壓力的氣體形成高壓充氣區(qū)，用以阻隔儲(chǔ)層外部的地下水進(jìn)入高溫裂解區(qū)，避免地下水對(duì)儲(chǔ)層加熱效率的影響。由于氣體粘度小和流動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，該方法可以獲得較大的封閉范圍，該技術(shù)需要合理調(diào)控注氣流量和壓力以達(dá)到氣驅(qū)止水效果，同時(shí)不影響原位加熱裂解過程［42］。

3 油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化與鉆采未來關(guān)鍵技術(shù)

目前，油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)已有近20種，大多數(shù)都處于實(shí)驗(yàn)室或理論研究階段，雖然有些已進(jìn)行了野外現(xiàn)場示范，但離商業(yè)化大規(guī)模開發(fā)還有一定距離。其主要原因是技術(shù)還不成熟、開采效率低、經(jīng)濟(jì)性不佳、地層適應(yīng)性還有待提高，還需攻克和采用一些關(guān)鍵技術(shù)，具體如下。

3.1 高效加熱技術(shù)

3.1.1 復(fù)合加熱技術(shù)

殼牌ICP技術(shù)是目前較為成熟的油頁巖原位轉(zhuǎn)化加熱技術(shù)，但該技術(shù)采用熱傳導(dǎo)的單一物理加熱方式，存在加熱效率低和成本較高的問題，可采用“ICP+”技術(shù)，即把ICP技術(shù)與近臨界水（NCW）、反應(yīng)熱加熱或?qū)α骷訜岬燃夹g(shù)結(jié)合的復(fù)合加熱技術(shù)。同樣，其它加熱方法也可相互結(jié)合，如可采用地表與井下協(xié)同加熱、多階段物理化學(xué)復(fù)合加熱、自生熱驅(qū)動(dòng)鏈?zhǔn)皆涣呀獾臒崃黧w原位復(fù)合加熱技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)各種加熱方法的互補(bǔ)性，達(dá)到提高加熱效率，提升資源利用率，有效降低原位開發(fā)成本的目的。

3.1.2 高效井下加熱器

無論是熱傳導(dǎo)加熱的井下加熱器，還是熱對(duì)流的井下流體加熱器，其核心技術(shù)是耐腐蝕高溫加熱材料、高效換熱結(jié)構(gòu)及耦合表面、高效耐高溫密封結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)雖已成功研發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的井下電加熱器，加熱效率高、單位時(shí)間注熱量大，但仍存在高溫密封性能差和工作壽命低的問題，應(yīng)從耐高溫材料、仿生高效傳熱表面、強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)、多級(jí)復(fù)合高效密封結(jié)構(gòu)等方面入手，進(jìn)一步提高電加熱器性能和壽命。另外，大功能井下電/燃燒加熱器、渦輪噴射式加熱器、核能加熱器以及熔鹽加熱技術(shù)也可以考慮用于油頁巖原位轉(zhuǎn)化的加熱方法。

3.1.3 催化增效技術(shù)

實(shí)驗(yàn)表明，采用催化劑可以降低干酪根的裂解溫度、提高原位轉(zhuǎn)化效率以及改善油品質(zhì)量，是降低開采成本和提高采收率的有效途徑。目前，國內(nèi)外對(duì)油頁巖熱解催化劑的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)自生礦物、金屬鹽及金屬氧化物的催化效果研究較為系統(tǒng)，但針對(duì)在原位轉(zhuǎn)化工藝中的適用性和有效性等方面的研究較少。需要通過自主研發(fā)，篩選出易于攜帶的水溶性、微/納米型的有效催化劑，并研發(fā)可行的原位開采用催化劑注入工藝。

3.2 水平井導(dǎo)向鉆井技術(shù)

我國油頁巖儲(chǔ)層一般厚度較薄，必須要采用小間距長距離水平井技術(shù)提高原位轉(zhuǎn)化產(chǎn)油量，提高加熱效率，降低油頁巖原位轉(zhuǎn)化開采成本。可先采用雙水平井小井距電磁測(cè)距導(dǎo)向技術(shù)，通過精確旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井，使先導(dǎo)水平井準(zhǔn)確進(jìn)入目標(biāo)地層，并通過精準(zhǔn)控制入靶實(shí)鉆軌跡，實(shí)現(xiàn)矢量中靶，保證雙水平井水平段的水平度和平行度，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鄰井距離，控制井眼軌跡，保證雙水平井有效平行距離。還可采用多分支水平井、單井場多層開發(fā)、立體井網(wǎng)等“井工廠”，通過資源合理配置大幅降低鉆井綜合成本和開發(fā)周期。

3.2.1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)是20世紀(jì)90年代國際上發(fā)展起來的一項(xiàng)尖端自動(dòng)化鉆井技術(shù)。該技術(shù)是在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，隨鉆實(shí)時(shí)完成導(dǎo)向功能的一種導(dǎo)向式鉆井技術(shù)，是現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。目前，全球超過40%的定向井采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)鉆成。中國石油長城鉆探公司自主研發(fā)的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在遼河油田雙229-36-72井完成水平井全井段現(xiàn)場試驗(yàn)，各項(xiàng)工程指標(biāo)符合現(xiàn)場鉆井條件要求，標(biāo)志著我國自主研發(fā)的指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)取得重大突破［43］。中國海油歷經(jīng)多年技術(shù)攻關(guān)，于2014年成功自主研發(fā)了我國首套Drilog隨鉆測(cè)井與Welleader旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆機(jī)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)通過與隨鉆測(cè)井技術(shù)的結(jié)合，實(shí)時(shí)判斷實(shí)鉆軌跡與儲(chǔ)層相互位置，根據(jù)鉆遇的儲(chǔ)層巖性變化及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)方向。因此，能夠有效提高薄儲(chǔ)層、起伏變化大儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”的鉆遇率。隨著該技術(shù)的國產(chǎn)化和大規(guī)模應(yīng)用，其產(chǎn)品價(jià)格和應(yīng)用成本將會(huì)不斷下降，將是油頁巖水平井鉆進(jìn)的首選技術(shù)。

3.2.2 雙井導(dǎo)向鉆井技術(shù)

雙井導(dǎo)向技術(shù)包括垂直井與水平井對(duì)接的定向?qū)泳夹g(shù)和雙水平井等間距導(dǎo)向技術(shù)。定向?qū)泳窍茹@一口垂直井到開采層，以該垂直井為目標(biāo)，再在開采層中采用水平導(dǎo)向鉆井技術(shù)，使地面水平相距數(shù)百米的兩口井在地下深處對(duì)接。雙水平井導(dǎo)向技術(shù)是先在開采層中鉆一口水平井作為開采井，以該水平井為目標(biāo)井，再在該井的下方沿開采層采用水平導(dǎo)向鉆井技術(shù)鉆一口平行的注熱井，使得雙井都在開采層中，并保持等間距。中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所研發(fā)的“慧磁”高精度定向?qū)泳夹g(shù)是在定向?qū)泳夹g(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展成的一種高效、節(jié)能，具有高精度中靶特點(diǎn)的定向?qū)泳夹g(shù)，集成了定向鉆進(jìn)技術(shù)、隨鉆測(cè)量技術(shù)及“慧磁”定向鉆進(jìn)高精度中靶技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)［44］。該技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，在鹽礦、天然堿礦等水溶性礦產(chǎn)開采和煤層氣、地下煤層氣化、蒸汽輔助重力驅(qū)動(dòng)稠油等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，有望在油頁巖原位轉(zhuǎn)化的對(duì)接井和雙水平井方面得到應(yīng)用。

3.3 復(fù)合儲(chǔ)層改造技術(shù)

目前壓裂技術(shù)是較為可行的油頁巖儲(chǔ)層改造技術(shù)，根據(jù)油頁巖原位轉(zhuǎn)化可控開采的技術(shù)要求，采用多工藝壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確體積儲(chǔ)層改造。由于油頁巖礦層多段薄層分布，根據(jù)礦藏賦存條件和原位轉(zhuǎn)化技術(shù)的加熱范圍設(shè)計(jì)壓裂強(qiáng)度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并控制優(yōu)勢(shì)裂縫的擴(kuò)展方向，達(dá)到壓裂的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益開發(fā)。油頁巖儲(chǔ)層水敏性較強(qiáng)、熱解生產(chǎn)時(shí)粘土礦物膨脹，提高壓裂液配伍性并保證油氣產(chǎn)出流動(dòng)通道對(duì)原位裂解生產(chǎn)具有重要意義。

3.3.1 CO2干法壓裂技術(shù)

可以結(jié)合實(shí)時(shí)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)與新型壓裂工具精確控制裂縫走向，根據(jù)不同井段礦層性質(zhì)應(yīng)用CO2干法壓裂技術(shù)與酸化壓裂技術(shù)，緩解裂縫堵塞和加熱器堵塞等事故，保障裂解油氣的產(chǎn)出通道，實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)高效利用。由于國外公司技術(shù)封鎖，CO2干法加砂壓裂技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，近年來國內(nèi)加大了對(duì)CO2干法壓裂技術(shù)的研發(fā)投入，已在長慶蘇里格氣田、吉林油田、江漢油田等完成了CO2干法壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)，創(chuàng)新研制了適用的增粘劑和大容量密閉混砂車。針對(duì)油頁巖中礦物因熱膨脹的裂縫閉合強(qiáng)度大，還需研發(fā)新型增粘劑與密封混砂車，調(diào)整CO2壓裂液的攜砂性能，并滿足攜砂性能要求下的混砂需求。

3.3.2 酸化壓裂技術(shù)

酸化壓裂應(yīng)加大針對(duì)油頁巖層薄互層和含粘土礦物特征的酸液體系的研究力度，聯(lián)合酸化壓裂技術(shù)與其它分段壓裂工藝，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的分段酸壓。基于轉(zhuǎn)向酸液技術(shù)的原理，控制裂縫擴(kuò)展方向，避免裂縫溝通上下蓋層，實(shí)現(xiàn)熱能的高效利用。另外，壓裂技術(shù)可與地下爆破技術(shù)聯(lián)合使用，可以顯著提高地層滲透性，達(dá)到碎石化效果，既可大幅度提高加熱效率和采收率，還可提高油氣產(chǎn)能。

3.3.3 氣驅(qū)止水封閉技術(shù)

地下水是影響油頁巖原位開采的重要因素，目前油頁巖原位轉(zhuǎn)化開采采用的3種地下儲(chǔ)層封閉技術(shù)中，冷凍墻封閉技術(shù)和注漿帷幕封閉技術(shù)都比較成熟，在地下工程施工中使用比較廣泛，但是由于其單井的冷凍或注漿封閉范圍有限，使得井間距較小，需施工大量的冷凍井或注漿井，故對(duì)于深層油頁巖開發(fā)封閉成本較高。氣驅(qū)止水是一種新的封閉技術(shù)，可通過井口注氣壓力的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同深度儲(chǔ)層的止水，止水范圍也較大。但是，氣驅(qū)封閉技術(shù)存在氣體流動(dòng)性大，以及原始地層及高溫裂解區(qū)滲透性差異較大，封閉范圍和方向控制難度較大，為實(shí)現(xiàn)氣驅(qū)對(duì)深部油氣原位反應(yīng)區(qū)的封閉作用，還要進(jìn)一步通過自主攻關(guān)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

4 總結(jié)

油頁巖資源具有地質(zhì)資源量大、開發(fā)技術(shù)難度大和開發(fā)潛力大等3大特點(diǎn)，地下原位轉(zhuǎn)化開采技術(shù)是未來油頁巖開發(fā)的主要發(fā)展方向，但離商業(yè)化應(yīng)用還有一定距離。油頁巖原位開采技術(shù)復(fù)雜、難度較大，需在高效加熱技術(shù)、水平井導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)、復(fù)合儲(chǔ)層改造技術(shù)等相關(guān)理論、技術(shù)與裝備方面開展變革性的科學(xué)研究。工廠化、綠色化、信息化和智能化集成的開發(fā)模式是未來油頁巖原位轉(zhuǎn)化開采的主要模式。油頁巖商業(yè)化開發(fā)的目標(biāo)是低成本、高產(chǎn)量和低污染，該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)資源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)相結(jié)合的綜合性問題，需系統(tǒng)研究以獲得綜合解決方案。