高 誠

(中國石油化工集團(tuán)有限公司 綜合管理部， 北京 100728)

能源危機(jī)使世界各國重視頁巖油和油頁巖[1]資源。中國頁巖油資源豐富，自然資源部油氣中心初步估算中國部分盆地頁巖油地質(zhì)資源量為397.46億t，可采資源潛力為34.98億t，主要分布在渤海灣盆地古近系、鄂爾多斯盆地三疊系、松遼盆地白堊系、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系等[2-3]。中國主要是陸相頁巖油，與北美海相頁巖油相比，熱演化程度較低，開采難度大。同時，中國的油頁巖資源量大，居世界第二位。據(jù)2006年自然資源部油氣中心牽頭評價結(jié)果表明，僅1 000 m以淺的油頁巖資源技術(shù)可采資源量為2 432.36億t，可回收資源量為120億t。主要分布在松遼盆地、鄂爾多斯盆地、倫坡拉盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、羌塘盆地和柴達(dá)木盆地等[4]。

熱法開采是中低成熟度頁巖油和油頁巖原位開采重要技術(shù)形式之一[5]，通過提高儲層溫度，促進(jìn)未成熟干酪根以及瀝青質(zhì)裂解轉(zhuǎn)化成可流動的頁巖油氣進(jìn)行開采，但該技術(shù)若采用電加熱或流體加熱，開采成本高、能耗大，若采用化石燃料加熱，還會帶來新的環(huán)境污染問題。如果能夠使用科學(xué)經(jīng)濟(jì)的手段將這部分資源開發(fā)[6]，中國石油能源的可利用量將大幅度增加。探索低能耗、經(jīng)濟(jì)效益好、安全環(huán)保的頁巖油和油頁巖開采方法，具有重要經(jīng)濟(jì)意義、環(huán)境效益和戰(zhàn)略意義。我們也注意到，風(fēng)能和太陽能作為潔凈能源，在中國發(fā)展迅速，但目前還存在突出的能源消納問題，特別是三北地區(qū)(特指中國的東北、華北和西北地區(qū))每年有大量的“棄風(fēng)”電和“棄光”電[7]，同時，三北地區(qū)的頁巖油或油頁巖資源豐富，二者具有高度重疊性。因此，探索利用風(fēng)能、太陽能的相對低成本優(yōu)勢，開采中低成熟度陸相頁巖油和油頁巖技術(shù)的可行性，解決潔凈能源消納問題的同時降低中國非常規(guī)能源開采成本，對中國石油增儲上產(chǎn)和潔凈能源產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有雙重戰(zhàn)略意義。

1 風(fēng)能-太陽能發(fā)電原位開采頁巖油/油頁巖技術(shù)

“十三五”以來，中國風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電已經(jīng)進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，累計(jì)裝機(jī)容量均為全球第一。截至2019年，中國風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到210 GW，約占全球總量的32%，風(fēng)電度電成本降為約0.37元/kW·h；中國光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)205 GW，約占全球總量的35%，發(fā)電度電成本逐漸下降至約0.48元/kW·h。與此同時，由于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的波動性和間歇性，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)難以完全接納消化，中國面臨的“棄風(fēng)”和“棄光”問題非常突出和嚴(yán)重，其中2019年國內(nèi)“棄風(fēng)”電量總量高達(dá)169億kW·h，“棄光”電量46億kW·h，能源浪費(fèi)約85億元。因此，需要尋求新的用戶端載荷并突破關(guān)鍵技術(shù)，解決風(fēng)電、光電的就地消納問題。三北地區(qū)油氣資源豐富，與該地區(qū)風(fēng)能、太陽能資源具有很高的重疊性，因此加強(qiáng)風(fēng)電、光電等潔凈能源在油氣上游的應(yīng)用是解決三北地區(qū)“棄風(fēng)棄光”問題，同時降低頁巖油和油頁巖原位開采成本，實(shí)現(xiàn)油氣上游降本增效的重要途徑。

風(fēng)電和太陽能發(fā)電作為潔凈能源的重要組成部分，由于風(fēng)力和光照等一次能源具有不確定性，因此輸出功率具有間歇性和波動性特點(diǎn)，這對安全、穩(wěn)定供電提出挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)[8]風(fēng)能、太陽能具備時序上和季節(jié)上較強(qiáng)的互補(bǔ)性，春冬季節(jié)風(fēng)電場發(fā)電量較大，夏秋發(fā)電量較小，太陽能電站夏秋發(fā)電量較大，春冬發(fā)電量較?。话滋焯栞椛鋸?qiáng)，太陽能發(fā)電量大，風(fēng)力發(fā)電量偏小，晚上沒有太陽輻射，太陽能不能發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電量較大。因此風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行成本、為負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的電源和系統(tǒng)自身的狀態(tài)控制等方面，比任何一種單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和單獨(dú)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)在理論上都具有明顯的優(yōu)勢，從電力供應(yīng)、環(huán)境治理、節(jié)能多個環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電加熱中低成熟度頁巖油和油頁巖系統(tǒng)優(yōu)化整合(圖1)，有利于中低成熟度頁巖油和油頁巖加熱器的長期穩(wěn)定高效運(yùn)行。

圖1 風(fēng)能-太陽能發(fā)電原位開采頁巖油/油頁巖技術(shù)

在風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時，采用的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)大多是能源成本以及負(fù)載缺電率等指標(biāo)，采用的方法有作圖法、線性規(guī)劃法等。近年來，遺傳算法、模擬退火算法、粒子群算法以及一些多目標(biāo)優(yōu)化策略也被應(yīng)用于分布式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。其中，美國的科羅拉多州立大學(xué)和美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)精確模擬的Hybrid 2應(yīng)用軟件[9]，香港理工大學(xué)和中國科學(xué)研究院[10]合作，提出了利用CAD進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。這些研究結(jié)果均表明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)相對于單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電和單獨(dú)的太陽能發(fā)電具有更好的可靠性和經(jīng)濟(jì)適用性。

風(fēng)能-太陽能聯(lián)合發(fā)電加熱開采頁巖油及油頁巖技術(shù)在國內(nèi)外并沒有相關(guān)研究，其可行性方案中許多問題值得探討。特別是中國西北部地區(qū)存在大量可以利用的風(fēng)能、太陽能，充分利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電能夠減少單一資源可能造成的電力供應(yīng)不足或不平衡[11]，提高系統(tǒng)的性價比和供電可靠性，原則上可以作為加熱開采陸相頁巖油及油頁巖的能量來源，同時也解決了風(fēng)電、太陽能的消納問題。風(fēng)能-太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)加熱井組的負(fù)荷要求和資源條件合理配置系統(tǒng)容量，但是依然不能完全消除其發(fā)電的間歇性和波動性的特點(diǎn)，其電源的不穩(wěn)定性并沒有完全解決，而且頁巖油及油頁巖開采過程中加熱所需要提供的熱負(fù)載會隨著開采過程進(jìn)行一定范圍的上下波動，極易對加熱裝置造成損害，復(fù)雜環(huán)境下(如無風(fēng)無光照等極端條件)，導(dǎo)致加熱裝置停止工作，會嚴(yán)重影響開采效率，因此聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的能源功率特性能否與頁巖油及油頁巖開采加熱技術(shù)中的負(fù)載特性相匹配，是需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)課題。

其次，風(fēng)光互補(bǔ)可再生聯(lián)合發(fā)電加熱開采頁巖油及油頁巖是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)任務(wù)，一方面需要合理配置風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的容量，以充分利用風(fēng)光發(fā)電互補(bǔ)性，滿足加熱開采的負(fù)載特性要求，另一方面針對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、充分利用“棄風(fēng)棄光”能源、降低開采成本、減少環(huán)境污染的多重優(yōu)化目標(biāo)和約束條件下頁巖油和油頁巖加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇合適的優(yōu)化算法和系統(tǒng)運(yùn)行模式以求實(shí)現(xiàn)帶有約束的最優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，也是需要深入研究的重要課題。

2 太陽能聚熱開采油頁巖技術(shù)

太陽能光熱技術(shù)即利用光熱效應(yīng)，把太陽光的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，用于生活用熱、工業(yè)用熱和太陽能熱發(fā)電。根據(jù)利用溫度的不同分為低溫(40～80 ℃)，中溫(80～300 ℃)和高溫(300～800 ℃)熱利用，主要用于建筑供暖、空調(diào)、發(fā)電、海水淡化等領(lǐng)域。將太陽能高溫光熱技術(shù)直接用于中低成熟度頁巖油和油頁巖的開采，從太陽能利用的角度來說，由于省去了太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中熱電轉(zhuǎn)換這一環(huán)節(jié)，因而可大幅提高太陽能的利用率，降低利用成本；另一方面相對于傳統(tǒng)頁巖油和油頁巖開采方法，減少了常規(guī)加熱用化石能源的消耗。

現(xiàn)有太陽能光熱技術(shù)[12]在油氣上游主要用于輸油管線伴熱、儲油罐維溫等集輸系統(tǒng)以及稠油熱采等。阿塞拜疆石油公司建立的槽式聚光鏡加熱系統(tǒng)項(xiàng)目，通過間接加熱方式實(shí)現(xiàn)原油的化學(xué)破乳脫水。中國從2000年左右才開始將低溫太陽能光熱技術(shù)用于油田上游輔助稠油集輸，如遼河油田、長慶油田、淮建油田、河南油田等。河南油田采油二廠在古城油田安裝3套單體儲罐太陽能裝置，在楊樓油田7號計(jì)量站安裝應(yīng)用1套太陽能在線加熱輸送裝置，每年節(jié)約成本58.3萬元。遼河油田興隆臺采油廠的地面集輸太陽能加熱技術(shù)工程節(jié)約天然氣達(dá)40.23%。

注蒸汽熱采技術(shù)(SGDA)作為開采稠油最常用的有效手段，通常采用天然氣和煤燃燒生產(chǎn)蒸汽，污染嚴(yán)重，環(huán)保壓力大。1983年，ARCO Solar公司在美國加州Taft搭建了第一個用于稠油開采的太陽能蒸汽發(fā)生試點(diǎn)工程，裝機(jī)功率為1 MW，但經(jīng)濟(jì)效益不佳，效果并不理想。2011年2月，GlassPoint公司在美國加州McKittrick建起的第一個商業(yè)化太陽能輔助熱采工程，裝機(jī)功率0.3 MW，預(yù)熱給水88 ℃。同年10月，Bright Source公司在美國加州Coalinga field建立的塔式太陽能熱采工程，裝機(jī)29 MW。2012年1月，美國GlassPoint還在阿曼南部Amal West油田區(qū)塊建立封閉槽式太陽能光熱制蒸汽開采稠油的示范項(xiàng)目，日注蒸汽50 t，減少天然氣使用量80%[12]?，F(xiàn)階段阿曼南部Amal地區(qū)的Miraah項(xiàng)目運(yùn)行裝機(jī)功率100 MW，實(shí)現(xiàn)日注蒸汽660 t，在建功率為1 021 MW、日注蒸汽6 000 t的封閉槽式太陽能光熱制蒸汽開采稠油的項(xiàng)目。GlassPoint公司封閉槽式太陽能聚熱稠油熱采技術(shù)較為成熟，經(jīng)其核算該技術(shù)在許多地區(qū)20年內(nèi)總投入成本與燃燒天然氣加熱產(chǎn)生蒸汽系統(tǒng)成本相當(dāng)，而且不僅可減少碳排放，氮氧化合物、二氧化碳、粉塵顆粒等污染物，而且可節(jié)約天然氣，提高油田經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)關(guān)于太陽能聚熱稠油熱采的研究只處于現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)研和可行性分析階段，還沒有高溫太陽能稠油熱采項(xiàng)目的示范性或者商業(yè)化項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用。首航節(jié)能光熱技術(shù)公司[13]、中國石油大學(xué)[14]等調(diào)研太陽能聚熱產(chǎn)生蒸汽注入采油的地面系統(tǒng)可行性分析、經(jīng)濟(jì)成本核算等。其中，中國石油大學(xué)探討了封閉槽太陽能聚熱制蒸汽裝置在新疆紅克區(qū)塊具有可行性，30年后封閉槽裝置可節(jié)約的燃?xì)赓M(fèi)超億元，減少CO2排放量達(dá)108 t。

封閉槽式太陽能聚熱制蒸汽技術(shù)在美國和阿曼已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用，但項(xiàng)目裝置前期投資大、鏡場占地面積大以及光照強(qiáng)度要求嚴(yán)苛是制約該技術(shù)在中國油田推廣應(yīng)用的重要因素?，F(xiàn)有技術(shù)中主要采用天然氣輔熱太陽能制蒸汽，隨著太陽能光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，充分借鑒太陽能聚熱開采稠油技術(shù)的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方法和工程經(jīng)驗(yàn)，將儲熱技術(shù)與太陽能聚熱制蒸汽系統(tǒng)耦合，可實(shí)現(xiàn)完全摒棄天然氣等一次能源，構(gòu)建用于中低成熟度頁巖油和油頁巖開采的高溫、中低溫一體化太陽能聚熱系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)整體利用效率，這將是太陽能與油田上游結(jié)合的重要發(fā)展方向(圖2)。由于系統(tǒng)受光照強(qiáng)度影響導(dǎo)致蒸汽產(chǎn)出工況參數(shù)不穩(wěn)定，太陽能聚熱開采頁巖油和油頁巖對地面太陽能光熱利用系統(tǒng)提出更高的要求，需要對不同聚光形式的太陽能集熱系統(tǒng)的輸出特性以及基于系統(tǒng)持續(xù)加熱要求的太陽能聚熱開采系統(tǒng)耦合機(jī)理、集成方式、系統(tǒng)可行性和運(yùn)行調(diào)控策略等關(guān)鍵技術(shù)展開深入的研究。

圖2 太陽能聚熱原位開采頁巖油/油頁巖技術(shù)

3 結(jié)論

針對中低成熟度陸相頁巖油和油頁巖開采的電加熱和流體加熱兩種方式，分別提出了風(fēng)能-太陽能發(fā)電加熱和太陽能聚熱原位開采技術(shù)，一方面可克服傳統(tǒng)化石能源發(fā)電電加熱能耗高，污染環(huán)境、成本高等問題，另一方面提高潔凈能源消納比例，拓展了風(fēng)能、太陽能直接利用的工業(yè)應(yīng)用，對中國石油工業(yè)和潔凈能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。