張傳文 ，孟慶強，唐玄

（1.中國地質大學（北京），北京 100083；2.自然資源部頁巖氣資源戰(zhàn)略評價重點實驗室，北京 100083；3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206）

0 引言

油頁巖（油母頁巖）是非常規(guī)油氣資源的一種，是一種灰分含量高、含可燃有機質的沉積巖（陳麗等，2018）。就我國而言，油頁巖多屬于陸相的，脂質含量較高（Xu et al.,2019）。油頁巖熱解后產(chǎn)生大量油、氣，被視為是常規(guī)油氣開發(fā)的重要接替領域；有機質豐富的地區(qū)，油頁巖和油氣產(chǎn)量都很高（林家善等，2015；冉冶等，2016；馬風華等，2020）。我國油頁巖儲量巨大，遠大于已知的油氣探明資源量，其他國家也有可觀的油頁巖儲量，因此，世界范圍內(nèi)對油頁巖開采提出了針對性政策，具有較好的開發(fā)利用前景（孫春強等，2019）。

我國“富煤、少氣、貧油”的資源稟賦決定要重視油頁巖基礎研究、加大油頁巖資源開發(fā)力度。當前我國油頁巖開發(fā)的重點省份有遼寧、廣東、內(nèi)蒙古、吉林和海南，其中以吉林省探明資源儲量最為豐富（羅萬江等，2014；張君峰等，2018；商斐等，2020）。據(jù)吉林省《能源“十三五”規(guī)劃》，吉林省油頁巖已探明儲量大于1000億噸，約占全國已探明資源量的80%。因此加強對油頁巖開采技術和原位轉化技術的研究，促進其勘探開發(fā)工作的快速推進，對降低我國石油對外依存度、確保國內(nèi)的能源安全有重要意義。當前，國內(nèi)油頁巖資源開發(fā)力度不足，首先是因為油頁巖本身的開采條件較高，其次是對油頁巖資源的開采和轉化技術關注不夠。本文通過總結近年來油頁巖原位開采技術，尤其是催化轉化技術的進展，展望未來油頁巖開發(fā)的趨勢，以期對油頁巖開發(fā)工作有所裨益。

1 油頁巖開采技術

礦產(chǎn)開采方式的不同，很大程度上是由埋深決定的，油頁巖的開采也遵循相同的規(guī)律。根據(jù)油頁巖的埋深不同，有異地開采和原位開采兩種方式，而不同深度的油頁巖資源量也有較大差異，以鄂爾多斯盆地延長組7段油頁巖為例，總預測資源量約4000 億噸，但埋深小于300 m 的油頁巖1000 億噸左右，占比僅25%，而地下300～1500 m，適合原位開采的油頁巖資源量占總量約75%（李玉宏等，2014）。由此可見，原位開采技術有極大的發(fā)展空間。

1.1 異地開采

異地開采適用于埋深小于300 m的油頁巖資源，通常在露天條件下進行，用采礦機將油頁巖從礦體中剝離出來，其主要技術方法與現(xiàn)有的煤炭開采技術相似。根據(jù)油頁巖礦體具體的埋藏深度，又分為淺地表開采和地下巷道開采（王麗萍，2015）。

淺地表開采使用采礦機將油頁巖上覆巖層鏟除，進而實現(xiàn)對油頁巖礦藏的直接開采。這種開采方式見礦快、產(chǎn)量大，但需要占用大量土地來布置機械，易破壞地表環(huán)境且不易逆轉（孫天竹等，2019），油頁巖中有害金屬元素也容易對空氣質量和地表水質造成破壞，甚至危害人體健康（戚賞等，2020）；地下巷道開采通過打礦井將油頁巖礦藏與地面連通，是淺地表開采的后續(xù)開采方式，采用該方式時，要把地下水位降低到油頁巖層以下，這可能會改變地表水系部分離子的含量（Conditt,1984），破壞排放區(qū)域生態(tài)平衡和水質，并且容易滋生微生物（馮偉民，2020）。

通過異地開采得到的油頁巖，其主要利用方式有以下幾種：燃燒發(fā)電（Lu et al.,2019a）、干餾、提取頁巖蠟、循環(huán)利用油頁巖灰渣（溫小瑩，2015）等。吳道洪和肖磊（2014）設計的蓄熱式燃氣輻射管旋轉床，以干餾過程中的產(chǎn)生的干餾氣為燃料，以燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣為介質活化頁巖渣，能量利用率高且實現(xiàn)了頁巖渣的循環(huán)利用。

1.2 原位開采

原位開采適用于埋深300～1500 m的無法直接開采的油頁巖資源，通過加熱井給地下油頁巖層加溫，使其在地下進行熱解，生成的油氣通過生產(chǎn)井采出。中石油勘探開發(fā)研究院與殼牌合作研究的技術甚至可以對地下3000 m的油頁巖進行原位開采（汪友平等，2013）。與異地開采相比，原位開采技術有更多優(yōu)勢：不需要露天和礦井開采、沒有大量的油頁巖廢料堆積、副產(chǎn)物少、水資源用量少、對環(huán)境破壞小。通過這種方式獲得的頁巖油氣的產(chǎn)量也受到油頁巖層厚度、對地層的加熱溫度和時長、壓力、參與反應的水質量分數(shù)、催化劑等因素的影響。

在參考前人研究成果和國內(nèi)油頁巖開發(fā)實例的基礎上，本文總結出了對于國內(nèi)油頁巖原位開采比較有利且完整的條件（夏添，2015；馬中良等，2017，2019；雷光倫等，2017；陳強等，2017；李玉博等，2018；高誠等，2018；趙文智等，2018；王英英等，2019；方樟等，2019；馬飛英等，2019）。

表1所示是原位開采的適用條件。需要注意的幾點是：開采施加的壓力不宜太大，否則會破壞地層；水質量分數(shù)的變化會使反應方式發(fā)生變化，干酪根除了高溫裂解還能發(fā)生水熱裂解，能減小重質油的占比。溫度是該方法的決定性因素，當油頁巖層溫度在340～500 ℃之間時有油和氣生成，且溫度在420～440 ℃時，產(chǎn)率是最高的（馬中良等，2019）。模擬實驗中隨加熱時間增加，對地層的加熱效果越好（圖1），圖中灰度表示溫度分布。

圖1 加熱時長與溫度分布的關系（據(jù)Wang et al.,2019）

表1 油頁巖原位開采條件

1.2.1 加熱方法

對油頁巖層的加熱是原位開采的重點，根據(jù)加熱技術的不同，可以分為4類方法：電加熱、流體加熱、輻射加熱和燃燒加熱。

（1）電加熱法

電加熱法是通過水力壓裂油頁巖之后，向裂縫中加入導電材料。這種加熱方式靈活，易于控制，但是加熱速度慢，效率較低。電加熱法技術具有代表性的是殼牌的ICP技術（圖2）。該技術采用特有的冷凍墻工藝，向冷凍井中注入氨水循環(huán)冷卻，可以阻止水流入被加熱地層，并能封閉產(chǎn)出的流體，提高采收率，同時保護局部蓄水層（汪友平等，2013）。

圖2 殼牌ICP技術示意圖（汪友平等，2013）

電加熱法是加熱油頁巖層的經(jīng)典方法，加熱方式簡單、施工方便、占地面積小、加熱器溫度可調控且區(qū)間大，但加熱器材料的選擇是難點。電加熱器加熱效果受材料的密度、導熱系數(shù)、比熱容和熱源密度影響，現(xiàn)階段最優(yōu)的電加熱器是由銅、不銹鋼、鎳鉻合金等加熱材料制作的軸對稱U型加熱器，這樣的材料選擇和結構組成，能夠在降低加熱器的能量損耗的同時提供更好的加熱效果。

（2）流體加熱法

流體加熱主要是指蒸汽加熱，如圖3所示，熱蒸汽從加熱井注入，為地層提供熱量，這種方式的優(yōu)點是加熱快、可充分利用干餾氣，但是收集產(chǎn)出氣的時候需要分離，流體加熱法的代表是雪佛龍CRUSH技術，它采取熱蒸汽注入的方式，并設置了獨立的地下水監(jiān)測井（汪友平等，2013）。

圖3 雪佛龍CRUSH 技術示意圖（汪友平等，2013）

蒸汽加熱是現(xiàn)行加熱方法中效率較高的，李姿（2017）通過CMG軟件模擬了對撫順油頁巖采用蒸汽加熱法進行原位開采的效果。

遼寧撫順是我國油頁巖開發(fā)重點地區(qū)之一。撫順盆地計軍屯組油頁巖埋深為16.7～633.8 m，多為單層分布，厚度一般為34～190 m，平均為113 m，油頁巖最大累計厚度為195.9 m，油頁巖資源總量為36.67億噸，為中型油頁巖礦床；含油率為3.5%～12.6%，總體屬于中高含油率油頁巖（劉招君等，2020）。

撫順油頁巖的現(xiàn)行利用方式以地表干餾為主，撫順立式干餾爐是該處頁巖油生產(chǎn)的主要機器之一。如果對撫順油頁巖進行原位開采，效果又是如何？李姿（2017）的研究模擬了撫順油頁巖的原位開采，參數(shù)設置如表2。

表2 撫順油頁巖原位加熱模擬實驗條件

選擇蒸汽加熱法的原因是它加熱地層效率相對較高，相比電加熱不需要預熱期，且頁巖油氣日最大產(chǎn)量更高；同時，高溫蒸汽產(chǎn)生的壓力差能推動油氣向生產(chǎn)井流動并降低頁巖油黏度。

通過軟件模擬，對滿足上述條件的油頁巖進行原位開采需要的加熱時間約為12年，頁巖油總產(chǎn)量預計為6938.1 t（李姿，2017）。這樣的產(chǎn)量和開采效率比起傳統(tǒng)油氣開采相差甚遠，原因是當前原位開采受到發(fā)熱材料和地層熱傳導效率的限制較大，相信隨著研究深入，原位開采效率會有所提升。

（3）輻射加熱與燃燒加熱法

輻射加熱方法目前正處于研發(fā)測試階段，沒有投入使用，目前較成熟的是Raytheon公司的RF/CF 技術，其優(yōu)點是技術成熟之后，加熱區(qū)域可以選擇、地層加熱均勻、能量利用效率高（汪友平等，2013）。

燃燒加熱法加熱快、能量利用率高，但是因為油頁巖的原位開采需要加熱的時間較長，持續(xù)穩(wěn)定地控制燃燒成為了一個難題，燃燒加熱法具有代表性的技術是In-suit Combustion技術（汪友平等，2013），該技術兼有火驅、蒸汽驅和熱水驅的特點，同時還能提高剩余油的品質，不過目前仍在試驗階段（思娜等，2015）。

1.2.2 反應催化劑

縮短生產(chǎn)時間的同時獲得更優(yōu)質產(chǎn)品，是油頁巖動用技術不斷發(fā)展的推動力和未來的發(fā)展方向。油頁巖原位開采通常需要對其進行較長時間的加熱才有油氣產(chǎn)出，而催化劑降低反應活化能的特性能使反應更早進行，還可以改善產(chǎn)物品質（馬中良等，2016）。不同的催化劑在不同條件下可以大幅度提高油頁巖熱解的油氣產(chǎn)量（表3），多位學者對我國多處油頁巖產(chǎn)區(qū)的油頁巖樣品進行了試驗，效果良好（Chang et al.,2017；Abakar,2017；Lu et al.,2019b；Jiang et al.,2020；李俊鋒等，2013；馬中良等，2016，2018；日比婭等，2018；陸浩等，2019）。

參考以上實驗，筆者也曾使用不同催化劑進行了干酪根熱壓模擬實驗，在模擬地下溫度壓力的前提下，加入的催化劑包括CoCl2·6H2O、沸石分子篩、硅藻土、正十二烷等。實驗結果顯示，加入催化劑后氣態(tài)、液態(tài)烴類產(chǎn)量均有不同幅度的增加，與上述實驗結果一致，且以加入沸石分子篩和CoCl2·6H2O的實驗樣品烴類產(chǎn)量增加最多；同時，加入CoCl2·6H2O的樣品中有大量CO2的產(chǎn)生；硅藻土和正十二烷的催化效果也尚可，但是正十二烷較難與產(chǎn)物分離，計算產(chǎn)量時會產(chǎn)生誤差。沸石分子篩和CoCl2·6H2O催化劑催化效果好，容易與產(chǎn)物分離，同時催化過程中產(chǎn)生的CO2氣體能夠有效降低油的粘度，有利于后期頁巖油的開采。

使用催化劑不僅能提高產(chǎn)量，更能節(jié)省資源，提高經(jīng)濟效益。針對前文提及的撫順油頁巖模擬實驗，筆者對能耗進行了簡單計算：假設12年后加熱區(qū)域平均溫度440 ℃（初始溫度21 ℃），升溫速率約35 ℃/年，在此期間所消耗的蒸汽包含的能量約為1.18×1017J（每千克600 ℃蒸汽的焓值按3.14×106J計算），如果加入CoCl2·6H2O+蒙脫土的催化劑組合可使反應所需溫度降低70 ℃，那么加熱到440 ℃約用10年，期間消耗的能量約為8.20×1016J，加入該種催化劑可使開采能耗降低約30%，由此可見催化劑的重要性。在動輒數(shù)年的加熱過程中，合理使用催化劑，配合加熱材料更新和地層導熱效率提高，原位開采效率將大大提高。

2 發(fā)展趨勢

油頁巖以其巨大的資源潛力，對補充我國油氣資源供應、降低油氣對外依存度具有重要意義。根據(jù)目前我國的地質條件和資源稟賦，以及國內(nèi)外技術發(fā)展趨勢，高效勘探、降低環(huán)境壓力、降低開發(fā)成本以及注重數(shù)值模擬與實際生產(chǎn)的結合，這些是未來油頁巖原位開采的主要發(fā)展趨勢。

2.1 多領域結合勘探

在油頁巖礦藏的勘探工作中，發(fā)展更高效的資源勘查方式，尋求與地球物理、物探、遙感解譯等領域的結合（呂慶田等，2019；孫婷婷等，2020；張榮等，2020；趙龍興和熊文勃，2020），并在開發(fā)階段實現(xiàn)對開發(fā)進度和效果的有效監(jiān)測（Zhan et al.,2020），力求建立更完善的從油頁巖礦產(chǎn)尋找到開發(fā)再到利用的產(chǎn)業(yè)鏈。

2.2 環(huán)境友好型開采

對油頁巖露天開采時要注重礦區(qū)附近空氣、水和土壤質量的監(jiān)測和保護，有毒物質和廢渣廢料的妥善處理或廢物利用，以及已破壞的土地的修復；原位開采時，力求減少水的用量，同時與海水淡化技術相結合，節(jié)約淡水資源，保護水資源環(huán)境。

2.3 低耗能高效率開采

針對原位開采，改進已有的加熱技術，如對加熱井位重新布置（王盛鵬等，2011），研制導熱性能更強的加熱器材料；加大對輻射加熱和燃燒加熱方法的研究力度，實現(xiàn)實際生產(chǎn)時的穩(wěn)定控制，如Neto et al.（2014）等人曾在研究中對油頁巖樣品采用不同功率的微波加熱法使其熱解；尋找更優(yōu)質的油頁巖熱解催化劑，現(xiàn)階段最好的催化劑之一是CoCl2·6H2O與蒙脫土混合制成的聯(lián)合催化劑，它能夠有效提高頁巖油產(chǎn)量并能改善油的質量，與金屬鹽和沸石等催化劑相比，更容易分離且不易失活（Jiang et al.,2020;Aghaei et al.,2020）。同時，金屬鹽與頁巖灰分的催化劑組合，實現(xiàn)了頁巖灰分的循環(huán)使用，也具有不錯的催化效果，這兩種聯(lián)合催化劑的使用范圍廣泛。不斷試驗尋找更高效催化劑和催化劑組合也將是未來催化劑選擇方面可能存在的發(fā)展方向之一。

3 總結

當前針對埋深不同的油頁巖主要有兩種開采方式：埋深在300 m之內(nèi)的通常異地開采；埋深在300～1500 m的普遍采用原位開采方式。當前對原位開采的適用條件爭議較大，綜合國內(nèi)外技術發(fā)展現(xiàn)狀，適用原位開采方式的油頁巖礦應具備以下條件：埋深300～1500 m；成熟度在0.5%～1.0%之間；油頁巖層厚度大于15 m，TOC大于6%；加熱溫度范圍340～500 ℃為宜，兼顧開采效率與經(jīng)濟效益；地層水質量分數(shù)應控制在5%～20%之間，使干酪根充分水熱裂解，提高輕組分的比重。

作為未來開發(fā)熱門的油頁巖礦，開發(fā)前應進行足夠量的多領域結合勘測、數(shù)值模擬工作，目前發(fā)達的物探、遙感技術在油頁巖勘測中應用較少，領域間充分結合、大量模擬數(shù)據(jù)作為支撐，將大大提高勘測效率；在未來油頁巖實際開采工作中，應加大對輻射加熱技術的研究推進、加熱器使用耐壓耐熱耐腐蝕性能更好的強導熱材料、更多地使用風能和氫能等清潔能源，減小對環(huán)境的破壞。

針對如何提高油頁巖礦開采效率，首先加熱井位的布置尤為重要，正六邊形的加熱井布置能大限度地提高加熱效率，同時應在保證安全的前提下對油頁巖層盡可能進行壓裂造縫，提高熱量傳遞效率；在催化劑的選擇上，筆者已通過實驗發(fā)現(xiàn)，CoCl2·6H2O與沸石分子篩、過渡金屬鹽類的催化效果尚佳，后續(xù)通過與黏土類催化劑聯(lián)合使用，能優(yōu)化催化效果，并且根據(jù)黏土類催化劑（蒙脫土）的催化原理，負載合適的活性組分、適度酸化、制備交聯(lián)催化劑等形式能夠提高蒙脫土層間距，處理后再與其它催化劑聯(lián)合使用，預測也將取得不錯的效果。

致謝感謝《礦產(chǎn)勘查》審稿人和編輯部對本文提出的寶貴修改意見和大力幫助，特致謝意。