油页岩关键参数研究与获取
薛华庆 王红岩 郑德温 方朝合 闫 刚
（中国石油勘探开发研究廊坊分院新能源研究所，河北廊坊 065007）
摘 要：我国油页岩资源量为11602×108t，其中埋藏深度在500～1500m的油页岩资源量为6813×108t，原位开采技术是开发该部分资源的有效手段。我国油页岩原位开采技术处于起步阶段，已经完成了不同温度 下油页岩微观孔隙和渗透变化规律研究，电加热和蒸汽加热原位开采室内模拟实验和数值模拟研究等。研究 表明，电加热和蒸汽加热开采方式都具有可行性。设计了电加热器、注蒸汽井、生产井，为油页岩原位开采 现场试验提供技术支撑。
关键词：油页岩；原位开采；电加热；蒸汽加热
The Key Technique of Oil Shale In-situ Conversion Process
Xue Huaqing，Wang Hongyan，Zhen Dewen，Fang Chaohe，Yan Gang
（New Energy Department，Petrochina Research Institute of Petroleum Exploration ＆ Development-Langng，Langfang 065007，Hebei，China）
Abstract：The oil shale resources，bury in 500-1000m，are about 0.7 trillion tones in China，which count for 59％ of total resources and only are developed by in-situ conversion process.The in-situ conversion process are still in infancy in China.The regularity of oil shale micropores and permeability were studied in different temperature，the simulated experiment and numerical simulation were also respectively investigated in electrical heating and steam heating method of in-situ conversion process.As a result，both methods are available.The electrical heating well，injection steam well and producer well were designed，which provide the technique support for field test.
Key words：oil shale，in-situ conversion process，electrical heating，steam heating
引言
油页岩（又称油母页岩）是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩，其有机物主要为干酪根。在隔 绝空气或氧气的情况下，被加热至400～500℃，油页岩中的干酪根可热解，产生页岩油、干馏气、固 体含碳残渣及少量的热解水。目前油页岩开发的主要有两种方式：原位开采和地面干馏。原位开采是指 埋藏于地下的油页岩不经开采，直接在地下设法加热干馏，地下页岩分解，生产页岩油气被导至地面。地面干馏则是指油页岩经露天开采或井下开采，送至地面，经破碎筛分至所需粒度或块度，进入干馏炉 内加热干馏，生成页岩油气及页岩半焦或页岩灰渣。与地面干馏相比，原位开采具有节省露天开采费用 和降低地面植被破坏程度，占地面积少等优点［1］。
中国油页岩资源储量非常丰富。2004～2006年新一轮全国油气资源评估结果显示［2，3］，全国油页 岩资源为7199.4×108t，折算成页岩油资源476.4×108t，其中埋深500～1000m的油页岩资源量占全国 的36％。该部分资源无法用成熟的地面干馏工艺进行开发，只有通过原位开采工艺才能得到有效的开 发和利用。目前，国际上油页岩原位开采技术研究大部分都处于实验研究阶段，只有壳牌公司开展了现 场试验［4］。我国油页岩原位开采还处于起步阶段。在国家重大专项“大型油气田及煤层气开发”项目 18“页岩油有效开采关键技术” 的支撑下，研发了多台（套）油页岩原位开采模拟实验装备，开展了 油页岩微观孔隙变化、物理模拟实验和开采数值模拟研究等，沉淀了一批科研成果，为我国油页岩原位 开采技术研究奠定了基础。
1 国内外原位开采技术
国内外油页岩原位开采技术种类较多，根据传热方式不同可分为三种类型：直接传导加热、对流加 热和辐射加热［5］，详见表1。
表1 国内外油页岩原位开采技术
开展油页岩原位开采直接传导加热研究的单位主要有4家，加热载体包括电加热棒、导电介质、 燃料电池等。壳牌公司的ICP技术（In-situ Conversion Process）是直接将电加热棒插入井内，对地下 油页岩矿层进行加热，目前正在进行第二代电热棒（三元复合电加热棒）的现场试验研究［4，6］。埃 克森美孚公司的ElectrofracTM技术是指对地下页岩层进行水力压裂造缝，将导电介质（如煅烧后的 石油焦炭）注入裂缝中，通电后导电介质成为加热体，该公司正在考虑进行现场试验［7］。美国独立 能源公司（Independent Energy Partners）的GFC技术（Geothermic Fuel Cell）是利用地热能持续为燃 料电池反应堆提供能量，反应堆放热来加热页岩层，油页岩热解生产的液态烃类和气体从生产井排 出，部分气体和其它剩余的烃类物质返回燃料电池反应堆［7］。EGL能源公司（EGL Resources）是将 高温空气注入到封闭循环管道中，通过被加热的管道对地下页岩层加热，因此也归属于直接传导 加热［8］。
开展油页岩原位开采对流加热研究的单位主要有4家，加热载体主要为高温水蒸气、二氧化碳、空 气、烃类气体等。太原理工大学的水蒸气加热技术是通过常规油气开采中的水力压裂对页岩层造缝后，将高温水蒸气注入页岩层中加热，同时高温流体将热解产生的页岩油和烃类气体携带至生产井［9］。雪 弗龙公司的CRUSH技术［7，10］也是利用压裂技术对页岩层进行改造，提高裂缝发育程度，其中压裂液为 二氧化碳，然后将压缩后的高温空气注入加热井中对页岩层加热。美国地球科学探索公司（Earth Search Sciences）方法是将空气在地表的锅炉中预热后注入井下，对油页岩中干酪根进行气化［7］。美国 西山能源公司（Mountain West Energy）的IGE技术（In-Situ Gas Extraction）是将高温天然气注入目标 页岩层中，通过对流方式来加热页岩层［7］。
开展油页岩原位开采辐射加热研究的单位主要有3家，加热载体主要为无线射频和微波等。20世 纪70年代后，美国伊利诺理工大学利用无线电波加热油页岩，随后劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）对该技术进行改进，通过将射频传送至直井中直接对地下页岩 层进行加热［11，12］。雷神公司（Raython）与海德公园公司（Hyde Park）联合研发了RF/CF（Radio Frequency/Critical Fluids）技术，目前已经被斯伦贝谢公司收购［7］。该技术利用射频加热页岩层，通过 注入二氧化碳来实现超临界流体提高页岩油的采收率的效果。怀俄明凤凰公司（Phoenix Wyoming）是 将微波传送至地下，对页岩层加热，研究发现微波加热的速度是电加热棒的50倍以上，但对微波源的 要求很高［7］。
2 中深层油页岩勘探现状
我国埋深0～1500m的油页岩资源为11602×108t，折算成页岩油626×108t，其中，埋藏深度在 500～1000m油页岩资源量为3489×108t，页岩油资源量为185×108t，1000～1500m资源量为3324× 108t，页岩油资源量为155×108t。比2005年全国新一轮油气资源评价结果显示的油页岩资源量7200× 108t多了4402×108t，主要增加了埋深1000～1500m资源量。
我国油页岩资源分布与常规油气资源相似，主要分布于北方，均表现为北富南贫。东部地区油页岩 资源主要集中于松辽盆地，占全国总资源的47％；中部地区油页岩资源集中于鄂尔多斯盆地，占全国 总资源的37％；西部地区油页岩资源主要集中于准噶尔盆地，占全国总资源的9％；南方地区主要集中 分布于茂名盆地，占全国总资源的2％；西藏地区主要集中分布于伦坡拉盆地，占全国总资源的5％。我国埋深500～1500m油页岩资源十分丰富，占总资源量的59％，该部分资源只能通过原位开采技术才 能得到有效的开发和利用。
3 油页岩原位开采开发技术现状
3.1 油页岩原位开采物理模拟实验研究
3.1.1 热破裂规律研究
油页岩在热解过程中形成大量的孔隙、裂隙，不仅提高了油页岩的渗透性，而且也为页岩油排采提 供了渗流的通道，使得原位开采技术开发中深层油页岩资源成为可能。
一般认为，当加热到105℃左右时，油页岩的主要变化时干燥脱水，待油页岩水分脱出后，温度 逐渐升高，在180℃左右，放出油页岩中包藏的少量气体。在这两个阶段油页岩内部的裂隙多发育于 层理面及矿物颗粒的周围，形成的破裂面基本上都与层理面互相平行，且数量不多，宽度较小。随 着温度进一步升高至300℃以上时，油页岩内的有机质开始发生热解生产页岩油蒸气和热解气体。油页岩内部的裂隙数量、长度和宽度有了剧烈增加，裂隙面仍具有与层理面平行，同时也形成了 一些垂直于层理方向的微小裂隙。小裂隙与大裂隙相互连通，根本上提高了油页岩的渗透 性［13～15］（图1）。
3.1.2 热解后渗透规律实验研究
干馏前后的油页岩样品进行不同体积应力和孔隙压力条件下的渗透系数的变化规律研究发 现［15，16］：当体积应力不变时，渗透系数随孔隙压力的增大而增大。主要原因是孔隙压力的增高，页岩 内部的孔隙数量增加、裂隙更加发育，使得单位时间内通过的流体流量增大，即渗透系数增大。当孔隙 压力不变时，渗透系数随体积应力的增大而减小。主要原因为体积应力的增大，岩体发生收缩变形，页 岩内部的孔隙数量减少、有些发生裂隙会闭合，使油页岩的微观结构发生了变化，导致流体的渗流通道 减少，即渗透系数减小（图2，图3）。因此，在进行地下原位开采油页岩时，对油页岩地层渗透特性 的评价，必须考虑流体压力和地应力的影响。
图1 不同温度下油页岩裂缝发育情况
图2 渗透系数随孔隙压力的变化曲线
图3 渗透系数随体积应力的变化曲线
3.1.3 油页岩电加热原位开采模拟实验研究
电热原位开采与常规地面干馏工艺原理类似，都是通过直接传导方式将油页岩加热至热解温度。其 不同之处在于，原位开采工艺热解过程有地下水介质参与，反应系统存在一定压力，压力大小与页岩层 的埋藏深度有关。
马跃、李术元等［17］将油页岩与蒸馏水置于密闭的压力容器中，模拟油页岩原位开采热解反应。研 究表明，随着反应温度的增加，页岩油和气体的产率随温度的升高不断增加，中间产物沥青的产率随温 度的升高先升高后减小。由于水介质的存在，降低了化学键断裂所需要的能量，促进了热解生烃过程，使油页岩的热解温度比无水条件时降低了约120℃。
3.1.4 油页岩蒸汽加热原位开采模拟实验研究
利用过热水蒸气对油页岩进行加热，干馏后的油页岩残渣中含油率约为0.30％，页岩油的回收率 达到铝甄干馏的90％以上［15］。因此高温水蒸气加热油页岩具有一定的可行性，而且能达到较高的采收 率。研究发现油页岩热解产生的气体主要以CH4、C2H4、H2、CO、CO2气体为主。对常温至300℃、 300～500℃、500～580℃三个温度段的干馏气组成成分进行分析，发现随着温度的升高CH4和C2H4含 量具有相同的变化趋势，基本上呈现单调下降的趋势；CO2的含量呈逐渐下降，H2的含量一直上升的 趋势，CO的含量呈现先降低后增加的趋势。不同温度和压裂条件下，烃类气体、残炭、一氧化碳、二 氧化碳、水蒸气等之间发生了不同程度的化学反应，反应机理十分复杂。因此，针对实验过程中CH4、 C2H4、H2、CO、CO2的变化趋势的主要原因还有待进一步的研究。
3.2 油页岩原位开采数值研究
3.2.1 油页岩原位开采电加热数值研究［18，19］
基于油页岩原位开采电加热技术的原理上，建立了油页岩热传导方程包括续性方程，动量方程，能 量方程，结合适当的初始条件和边界条件，得到油页岩原位开采电加热数学模型。采用三维有限元法，对该模型进行研究，其中加热井距为15m，运作周期为6年。通过研究油页岩矿层温度场随时间的变化 规律，加热时间为5年时矿层温度大部分超过440℃，即几乎所有的油页岩完全发生热解。
图4 油页岩原位开采高温蒸汽加热示意图
3.2.2 油页岩原位开采蒸汽加热数值研究［15，20］
油页岩是几乎不渗透的岩层，蒸汽很难注入，因此需要 引进常规油气的压裂技术对页岩层进行改造，制造裂缝，作 为注汽的良好通道，提高传热效率。然后向地下油页岩矿层 注入高温水蒸气，使矿层温度升高至油页岩热解温度。最 后，将油页岩热解形成油气，通过低温蒸汽或水携带至生产 井进行排采（图4）。
油页岩原位开采高温蒸气加热是一个复杂的物理化学反 应过程，涉及热量的传递、固体变形、油页岩热解、油气的 产出和渗流等。赵阳升、康志勤等［12，16］考虑到诸多影响因 素的背景下，建立了油页岩原位开采高温蒸汽加热的固、 流、热、化学耦合数学模型。通过对正九点井网的加热方式 的数值模拟研究，加热井距50m，加热周期为2.5年。通过 研究油页岩矿层温度随时间分布变化规律发现，加热时间为 2.5年时，地下油页岩地层的温度大部分都达到了500℃，完成热解。
仅从数值模拟研究发现，高温水蒸气加热比电加热的效率更高，加热温度达到油页岩热解所需的时 间更短。
3.3 油页岩原位开采现场试验研究
3.3.1 油页岩原位开采电加热器与生产井设计
针对油页岩电加热原位开采技术专门设计了静态防爆电加热器，如图5。
图5 静态防爆电加热器
静态防爆电加热器的发热元件采用金属矿物绝缘加热电缆，它不同于一般管式电加热元件，其形状 属于线形，加热电缆发热芯体和金属护套之间温差很小，导热性能好。
油页岩原位开采的排采工艺与稠油开采相似，生产井结构包括隔热油管、泵、补偿器、封隔器、筛 管等（图6），将页岩油排采至地面后进行油、气、水分离。隔热油管用于防止温度下降后页岩油的流 动性降低，筛管与封隔器起到防砂的作用。该生产井同时适用于电加热和蒸汽加热原位开采技术。
3.3.2 蒸汽加热井设计
蒸汽加热井与注蒸汽开采稠油的结构相似，主要由隔热油管、补偿器、封隔器、分层注汽阀、死堵 等部分组成（图7）。蒸汽加热井的最关键技术是井筒隔热与密封技术，其中井筒隔热总系统包括隔热 油管、耐高温的封隔器、补偿器等。蒸汽通过注汽阀（分层注汽阀）进入地层，通过封隔器实现不同 层选注，有效的提高的热量利用效率。
图6 生产井
图7 蒸汽加热井
4 结束语
我国500～1500m的油页岩资源丰富，只能通过原位开采技术才能加以有效的开发和利用。该部分 资源的开发和利用对促进我国页岩油产业的发展具有重要意义，页岩油作为石油的补充能源，也大大提 高了我国石油的供给能力。通过模拟实验研究和数值模拟研究表明，油页岩电加热与蒸汽加热原位开采 技术都具有一定的可行性。电加热工艺相对简单，加热速度较慢，能耗大等特点，蒸汽加热工艺加热速 率快，高温蒸汽对设备的要求较高等。“十二五” 期间，我国应继续加大对油页岩原位开采技术研究的 投入力度，加快原位开采现场试验装备的研发，推动现场试验研究，为工业化生产提供有效的技术 支撑。
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雷光伦 李文忠 姚传进 孙文凯
（中国石油大学石油工程学院，山东 青岛 266555）
作者简介：雷光伦，男，教授，博士生导师，主要从事油气田开发方面的教学和科研工作。Email：leiglun＠163.com。
摘 要：常规油气产量远远不能满足国内对石油的需求，在诸多非常规油气资源中，油页岩以其巨大的 储量和开发优势越来越受到重视。生产页岩油是油页岩的主要用途之一。通过对油页岩开采利用技术的研究，指出了生产页岩油的两条途径，沿着这两条途径，介绍了油页岩的开采工艺，地面干馏方法和原位开采技术。描述了油页岩的露天开采和地下开采法。利用实验模拟的方法，研究了影响页岩油干馏产率的加热温度、加 热时间和加热速度等因素，实验结果表明：加热温度为500℃左右为宜；加热时间达到1h即可；加热速度对 油产率影响较小。比较了抚顺发生式炉、基维特炉、佩特洛瑟克斯炉、葛洛特炉和塔瑟克炉等地面干馏设备 的处理量、运转率和油产率等指标，分析了各干馏设备的特点和适用性。阐述了壳牌ICP技术、埃克森-美 孚ElectrofracTM技术、IEP燃料电池技术、PetroProbe空气加热技术和Raytheon的RF/CF技术等油页岩原位开 采技术的原理和工艺特点，指出了原位开采技术的发展趋势是以各种技术相互渗透、综合、集成和应用为基 础，实现油页岩开采的大规模化、低成本和高效益的重要发展方向为大规模、低成本、高效益。
关键词：油页岩；页岩油；开采工艺；地面干馏；原位开采
Technological Advances In Oil Shale Production
Lei Guangln，Li Wenzhong，Yao Chuanjin，Sun Wenkai
（School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China）
Abstract：Conventional oil and gas production can not meet the domestic demand，among many of the unconventional resources，oil shale has gained more and more attention because of its huge reserves and advantages in development.Shale oil production is one of the main uses of oil shale.Based on the study of oil shale mining and usage，two ways of shale oil production were put forward，along with which，oil shale mining，retorting and in-situ mining technologies were introduced in the paper.The open-pit mining and underground mining method were described.The influencing factors of shale oil recovery were studied through experimental simulation，including heating temperature，heating time and heating rate.The results shows that the best heating temperature and heating time were 500℃and 1h，while the heating rate has little influence.The treatment capacity，activity rate and shale oil recovery of oil shale retorting equipments were compared，which consist of Fushun retorts，Kiviter retorts，Petrosix retorts，Galoter and ATP retorts.The mechanism and characteristics of in-situ oil shale mining technologies were described，including ICP，ElectrofracTM，IEP fuel-cell technology，PetroProbe's air heating and Raytheon's RF/CF technology.Based on the permeation，combination and application of high technology，the development trends of oil shale in-situ mining were Large-scale，low-cost，high efficiency.
Key words：Oil shale；Shale Oil；mining and usage；open-pit mining in-situ mining
引言
早在1830年，人类就已经开始了对油页岩的开发和利用。1890年以后，由于石油工业的迅速发 展，油页岩工业迅速萎缩。我国对油页岩的利用始于1928年。20世纪50～60年代，页岩油曾是我国 合成液体燃料的三大支柱之一。1960年以后，大庆油田、胜利油田的发现和开采使我国的油页岩工业 的进入停滞阶段。
进入21世纪后，国际油价不断攀升，2008年7月国际油价曾达到149美元/桶的历史最高位。另一 方面，国内石油供应不足的矛盾也越来越突出，已成为我国经济发展的 “瓶颈”，按国内油气资源和生 产能力，未来供需缺口将会越来越大，石油进口量将不断增多，对外依存度提高带来的风险也将日益加 重。在保证液体燃料供应的诸多办法中，页岩油是一种较现实的石油替代能源。据国土资源部统计，我 国油页岩预测资源7200亿吨，折算为页岩油的预测资源476亿吨［1］。因此，大规模的油页岩勘探开发 对于缓解国内油气供需压力具有重要的意义。
目前，油页岩的开采工艺主要包括：露天开采、地下开采、原位开采等方法。其中页岩油的制取主 要有两条途径：(1)把油页岩矿开采到地上，然后进行地面干馏；(2)采用地下加热技术使油页岩在地下 干馏，然后采出页岩油［1，2］。本文沿着这两条途径，介绍了油页岩开采工艺的现状，并指出了今后的发 展趋势。
1 油页岩开采工艺
1.1 露天开采工艺
露天开采是指先将覆盖在矿体上面的土石剥离，自上而下把矿体分为若干梯段，直接在露天进行采 矿的方法。露天开采必须考虑的首要条件是油页岩的埋深，一般不超过500m。另外还必须考虑剥采比，即覆盖于页岩层上就剥离的岩土量与可以采出的页岩量之比，是露天开采经济性的重要因素，如果油页 岩层较薄，而覆盖于其上的岩土又较厚，即剥离比很大，即使油页岩埋深较浅，油页岩开采费用也会 很高。
露天矿开采的主要工序有：岩层穿孔、爆破、岩土和油页岩的采装、岩土和油页岩的运输。对坚硬 岩石、中硬油页岩用钻机钻孔进行爆破，以利于挖掘。如没有坚硬的地层，可能不需要对其穿孔和爆 破。岩土和油页岩的采装可以用单斗挖掘机、轮斗挖掘机、吊斗挖掘机等采剥设备。当前露天开采油页 岩，对于覆盖层薄、油页岩层厚、剥采比不大的矿区，在中国不同情况下，每吨油页岩约需开采费用 40～80元。
图1 长壁开采法示意图
1.2 地下开采工艺
油页岩的地下开采是指通过井巷进入地下工作面进行采掘，并将油页岩输送至地面。地下工作面是开采油页岩的工作场 地，在工作面内进行油页岩的采掘、装运，以及支护、采空 区处理等工序。主要包括壁式开采法和房柱式开采法[1］。
1.2.1 壁式开采法
壁式开采法分短壁工作面和长壁工作面开采。短壁工作 面长度一般在50m以下，多在小矿井采用。长壁工作面较 长，一般为100m以上。图为长壁式开采法的示意图。工作面 的上方和下方沿走向分别布置回风平巷和运输平巷，构成回 采工作面和采区之间的通风、运输和行人通道。
1.2.2 房柱开采法
房柱开采法是指从采区区段平巷每隔一定距离掘出矿房，进行油页岩矿开采，并留下油页岩岩柱，以支撑顶板。矿柱为圆形、矩形或条带形，排列规则。通常矿房宽6～12m，矿柱宽3～6m。顶板稳固 性稍差，矿石价值低或开采结束后采空区作地下建筑物用时，采用条带形连续矿柱。矿柱一般不再回 采，占总矿量的15％～40％。由于房柱式开采法不够安全，应用越来越少。
2 油页岩干馏工艺
2.1 油页岩干馏影响因素
目前，页岩油的生产主要通过油页岩干馏实现。油页岩干馏是在隔绝空气的条件下，加热至温度为 450～550℃左右，使其热解，生成页岩油、页岩半焦和热解气的方法。影响页岩油产率的因素主要有加 热温度、加热时间、加热速度等。本文使用葛金氏干馏试验装置，以抚顺典型油页岩为例，对干馏的影 响因素进行实验研究。
2.1.1 加热温度的影响
粒度为1～2mm的抚顺油页岩，以5℃/min的加热速度加热到不同的温度，并恒温加热5h，然后测 定在该恒温温度下的页岩油产率。试验结果如图2所示：
从图2中可以看出：随着恒温加热温度的升高，分解所得的页岩油产率不断增加。但当温度升高到 500℃以后，再进一步提高温度时，页岩油产率的增加就不显著了。这表明显当温度达到500℃并恒温 5h后，热解反应基本完成，生产页岩油所要求的温度并不高，约在500℃。温度过高会导致矿物质所含 的结晶水分解，从而消耗大量能量。故以获得页岩油为目的时，抚顺油页岩干馏的最终加热温度以 500℃为宜。
2.1.2 加热时间的影响
粒度为1～2mm的抚顺油页岩，以2℃/min的加热速度升温，在不同的温度下，加热时间对页岩油 产率的关系如图3所示：
图2 加热温度对页岩油产率的影响
图3 加热时间对页岩油产率的影响
从图3中可以看出，当加热温度在375℃以前，页岩油放出量始终随着加热时间的延长而增加。但 在450℃温度下，加热时间超过1h后，页岩油就不再释放出了。这表明有机质热解反应已经完毕。因 此，加热温度愈高，油页岩有机质分解速度愈快，达到最大页岩油产率所需的时间愈短。如果热解温度 在500℃以上时，则在很短时间内有机质热分解反应就能完全，而加热时间对页岩油产率没有明显影 响。所以最终加热温度是影响热分解反应的主要因素。
图4 加热速度对页岩油产率的影响
2.1.3 加热速度的影响
粒度为1～2mm的抚顺油页岩，以不同的加热速度加热至500℃，并保持1h，不同加热速度和页岩油产率的关系曲线如图4所示。
从图4中可以看出，当加热速度从2℃/min提高到20℃/min 时，其页岩油产率有微幅的提高，但幅度非常小。因此，在设计 干馏设备时，可以采用强化干馏的方法，提高加热速度，使油页 岩很快地达到指定的最终温度。这可以大大缩短干馏时间，提高 效率。
2.2 地面干馏设备
油页岩的地面干馏主要是通过干馏炉实现。干馏炉的技术指 标主要有油产率、年开工率、适应性等。目前世界上比较成熟的炉型主要有：抚顺发生式炉、基维特 炉、佩特洛瑟克斯炉、葛洛特炉、塔瑟克炉［3～6］。干馏设备参数对比见表1。
表1 油页岩干馏设备比较
中国抚顺式发生炉处理量小，相对于实验室铝甑的油收率较低，处理块页岩，工艺不太先进，但是 为成熟的炉型，能处理贫矿，操作弹性好，有长期操作经验，而且投资少，建设快，适用于小型工厂。抚顺式炉虽然单炉处理量小，但可以将20台炉合为一部，则一部炉每日油页岩处理量也可以达2000～ 4000吨。
爱沙尼亚基维特炉处理量大，处理块页岩，相对于铝甑的油收率不太高，是成熟的炉型，投资中 等，适用于中型厂。
巴西佩特洛瑟克斯炉处理量大，处理块页岩，相对于铝甑的油收率高，产高热值气，是成熟的炉 型，投资高，适用于大中型厂。
爱沙尼亚葛洛特炉处理量大，可以处理颗粒页岩，相对于铝甑的油收率高，产高热值气，但结构较 复杂，维修费用高，是基本成熟的炉型，据报道年运行7200h，可用于大中型厂。
澳大利亚塔瑟克炉处理量很大，可以处理颗粒页岩，油收率高，产高热值气。页岩油经过加氢，质 量好，投资高，但尚不太成熟，2004年停运前运转率仅为50％，大中型厂可考虑得用这种技术。
3 原位开采技术
原位开采技术是指采用地下加热干馏的方式，使油页岩在地下干馏，然后把产生的页岩油气导出到 地面的技术。按照油页岩层受热方式的不同，可将油页岩原位开采技术分为传导加热、对流加热、辐射 加热3类技术。目前比较先进的原位开采技术如表2所示［7～9］。
表2 原位开采技术表
3.1 壳牌ICP技术
壳牌ICP（In-Situ Conversion Process）技术是唯一经过现场实验的原位开采技术。它的主要原理是： 通过电加热器将热量传递给地下油页岩矿层进行加热和裂解，促使油页岩中的干酪根转化为高品质的油 气，再通过生产井将油、气采出到地面（图5）。工艺流程主要包括：首先，建立冷冻墙，防止地层水 流入开采区、防止油气产品散失。其次，将电加热器装入加热井内对油页岩层加热。最后，采出干馏油 气，并监测水文、地质、温度、压力和水质等参数。
图5 ICP技术示意图
ICP技术特点：(1)ICP技术加热热均匀，加热温 度低，可开发深层、低含油率油页岩；(2)建立的冷 冻墙，可以保护地下水资源；(3)加热工艺复杂，故 障多，采收率低，成本高。
壳牌公司从1997年开始在科罗拉多州马霍甘尼 进行了多项实验。2004～2005年一个试验区的结果表 明，升温速率2℃/d，2004年5月开始出油，2004年 12月出油达到最多，然后减小，至2005年6月出油 终止。共计产油250t，为铝甑的68％。
3.2 埃克森-美孚ElectroFracTM技术
埃克森-美孚ElectrofracTM技术先利用平行水平井对页岩层进行水力压裂，向油页岩矿层的裂缝中 填充导电介质，形成加热单元。导电介质通过传导把热量传递给页岩层，使页岩层内的干酪根热解，产 生的油气通过采油井采到地面上来（图6）。
图6 ElectrofracTM技术示意图
ElectroFracTM技术特点：(1)采用了压裂技术增加了页 岩层的渗透性，可开采致密性油页岩资源；(2)生产副产品 碳酸钠，提高了经济效益；(3)采用平面热源的线性导热方 式，有效地提高了热效率；(4)没有保护地下水，容易造成 水污染。
3.3 IEP燃料电池技术
利用高温燃料电池堆的反应热直接加热油页岩层，使其 中的有机质热解产生烃气，然后导入到采油井，被抽到地 面上来。除了部分气体作为燃料被通入燃料电池堆外，其 余大部分烃气经冷凝后获得石油和天然气。另外，在启动 工艺装置预热油页岩时期，需要向燃料电池中通入天然气作为启动燃料。工艺正常运转后，能量 自给自足。
IEP燃料电池技术特点：(1)传导加热温度分布均匀。采用固体间热传导传递热量，大大提高了热 量分布均匀性和利用效率；(2)利用流体压裂制造 裂缝，提高油页岩层孔隙度和渗透率；(3)能量自 给自足。该工艺不仅能量自给自足，还可向外部 提供电能。每生产1桶油，发电174kW · h； (4)操作成本低。操作成本大约为30美元/桶。若 将副产品电能和天然气计算在内，成本可降为14 美元/桶；(5)环保。由于该工艺不是通过燃烧反 应来发电，而是通过电反应来发电，几乎不产生 NOx、SO2等有害物质（图7）。
图7 IEP燃料电池技术示意图
3.4 PetroProbe公司的空气加热技术
该工艺流程先将压缩空气与干馏气通入燃烧器进行燃烧，加热到一定温度，消耗掉部分氧气，然后 通入到油页岩地层中加热油页岩使其中的有机质生成烃气，最后把生成的烃气带到地面上来。采出的烃 气冷凝后得到轻质油品（图8）。
PetroProbe公司的空气加热技术特点：(1)通入的高温压缩空气在地层中可压裂油页岩，增加油页岩 的孔隙度，使生成的烃气很容易地从油页岩地层中导出来；(2)该工艺有4种产品：氢气、甲烷、轻油、 水。产生的部分轻质烃气通入燃烧器进行燃烧，加热即将通入地层的空气，能量自给自足。产生的CO2 等气体又被打回油页岩矿层中，污染小，可开发深层（深可达900m）的油页岩矿；(3)开采后的油页岩 仍能保持94％～99％的原始结构完整性，避免了地面塌方。
3.5 Raytheon公司的RF/CF技术
Raytheon公司的RF/CF（Radio-Frequency/Critical Fluids）技术是将一项利用射频加热和超临界流 体做载体的专利转化技术（图9）。其工艺流程为：先将射频发射装置置于地下油页岩层中，进行加热，然后把向页岩层中通入超临界CO2把热解生成的烃气载到采油井，被抽到地面上冷凝，回收。冷凝后 的CO2又打回地层中循环利用。
图8 空气加热技术示意图
图9 RF/CF技术示意图
RF/CF技术特点：(1)采油率高。每消耗一个单位的能量有4～5个单位的能量被生产出来，相对 于ICP技术的3.5个单位，更具有经济效益；(2)传热快，加热周期短，只有几个月；(3)用于油页岩 开采时，生产的石油含硫低，还可通过调节装置来生产不同的产品；(4)可用于开采油页岩、油砂、 重油等资源，环保，无残留物质渗透地下水层；(5)选择性加热，可使指定加热目标区域快速达到目 标温度。
4 结论
（1）目前页岩油的制取途径主要有开采-地面干馏工艺和原位开采技术。前者技术比较成熟，后者 还处于实验验证阶段。
（2）实验研究表明：油页岩干馏温度约为500℃为宜，干馏时间为1h即可，加热速度对页岩油产 率影响不大，工业生产中可以采用强化干馏的方法，提高加热速度，使油页岩快速达到指定的最终温 度，提高效率。
（3）目前地面干馏设备都存在着一些问题比如处理量小，运转率低，油产率低等问题需要进行进一 步优化。
（4）以大规模化、低成本、高效益为目标，各种技术相互渗透、综合、集成和应用是当今原位开采 技术发展的主要方向。
参考文献
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油页岩关键参数包括对页岩地质资源量计算结果有重要影响的含油率，对可采资源量有重要影响的技术可采系数，对可回收资源量有重要影响的可回收系数，对区块优选有重要影响的油页岩勘查开发目标优选参数和标准。
表4-16 已发现油砂矿带综合评价参数的评分标准和权重
（一）含油率
油页岩含油率是指油页岩中页岩油所占的重量百分比，本次资源评价将边界含油率定为3.5%。对勘查区，按不同含油率品级（3.5%＜ω≤5%、5 % ＜ω≤10%、ω＞10%）统计钻孔油页岩相关数据。单工程每层油页岩含油率采用该层每个样品的厚度加权平均值，资源储量估算块段含油率采用参加该块段资源储量估算的单工程含油率的厚度加权平均值。预测油页岩资源量如果是在勘查区外围预测，含油率采用勘查区含油率用资源储量加权平均值；如果预测区周围没有查明区，含油率利用有关资料提供的数据和本次取样测试数据平均值。以农安含矿区为例介绍油页岩含油率的确定方法。
1.确定钻孔油页岩层数及其含油率和厚度
利用原始化验资料重新确定各油页岩层数及其含油率和厚度。首先把每个钻孔中油页岩测试样品含油率大于3.5%选取出来；其次按油页岩厚度确定原则，把样品厚度分层相加，确定油页岩层数及每层油页岩的含油率和厚度。农安本区勘查区共有32个钻孔，以CK11钻孔为例，原勘查报告按含油率边界品位5.0%提交1层油页岩，含油率为5.63%，厚度为2.75m。通过按含油率边界品位3.5%重新确定，油页岩层数为2层，含油率分别为3.65%、5.16%；对应厚度分别为1.10m、3.64m。
2.确定勘查区油页岩层数、层号、厚度及含油率
依据勘查区单工程油页岩资料统计结果表和钻孔综合柱状图，重新对比勘查区油页岩层，以确定钻孔油页岩层数、层号、厚度和含油率。通过对比分析，农安本区勘查区共有4层油页岩（图4-9）。
图4-9 农安油页岩含矿区农安本区勘查区油页岩层对比图
3.确定估算块段油页岩层含油率和厚度
农安本区共确定4层油页岩，其中K2n2-B层油页岩共划分34个资源储量估算块段。例如，确定333-4（甲－4）块段油页岩含油率和厚度的工程有4个钻孔，钻孔CK7油页岩厚度为4.73m，含油率为4.74%；钻孔CK9油页岩厚度为3.82m，含油率为4.84%；钻孔CK11油页岩厚度为3.64m，含油率为5.16%；钻孔CK12油页岩厚度为4.13m，含油率为4.91%。用厚度加权平均求取块段油页岩含油率为4.90%，用算术平均求取块段油页岩厚度为4.08m（表4-17）。
表4-17 农安本区k2n2-B层油页岩333-4块段厚度、含油率计算表
4.确定油页岩单层含油率和厚度
用单层页岩油资源储量总和除以单层油页岩资源储量总和求取单层油页岩含油率，用单工程油页岩厚度算术平均求取单层油页岩厚度。求得农安本区k2n2-B层油页岩含油率和厚度分别为5.12%、3.13m。
5.确定勘查区油页岩含油率和厚度
用勘查区页岩油资源储量总和除以勘查区油页岩资源储量总和求取勘查区油页岩含油率，勘查区单层油页岩厚度之和为勘查区油页岩厚度。用单工程油页岩厚度算术平均求取单层油页岩厚度。求得农安本区油页岩含油率和厚度分别为4.91%、6.91m。
6.确定含矿区油页岩含油率
用含矿区页岩油资源储量总和除以含矿区油页岩资源储量总和求取含矿区油页岩含油率。求得农安含矿区油页岩含油率为4.85%。
（二）技术可采系数
油页岩技术可采系数是评价单元油页岩资源储量中现有和未来可预见的技术条件下可以采出部分应占的比例，一般用百分数表示。油页岩技术可采系数是将油页岩资源储量转化为油页岩技术可采资源储量的关键参数。
我国目前只有吉林桦甸油页岩矿区油页岩矿床进行井下开采，由于规模小皆为小型油页岩矿，不具有代表性。油页岩开采技术与煤炭开采技术相类似，参照煤炭规范中所规定的煤炭矿井及露采回采率标准，建立了不同条件（开采方式、厚度、倾角和地质条件）不同资源储量类型的油页岩技术可采系数的取值标准（表4-18）。油页岩技术可采系数基数确定原则是高于全国煤炭实际矿井回采率，略低于国家规程规范对煤炭回采率制定的标准。
1.露天开采技术可采系数基数的确定
我国煤矿露天开采回采率一般在90%以上，露天煤矿剥采比计算回采率取值在85%～95%，参照煤炭露天回采率实际情况，确定地质条件类型简单、中等和复杂的露天开采技术可采系数基数分别为95%、90%和85%。
2.地下开采技术可采系数基数的确定
国家规定煤炭采区回采率井下开采厚煤层、中厚煤层和薄煤层，分别不低于75%、80%和85%。据全国煤炭资源回采率调查1989年、1995年和2002年全国平均矿井回采率分别为32%、46.7%和55.53%，全国平均采区回采率分别为42%、66%和67.67%。据此确定薄层缓倾斜油页岩地质条件类型简单、中等和复杂的技术可采系数基数分别确定为75%、70%和65%，薄层倾斜油页岩地质条件类型简单、中等和复杂的技术可采系数基数分别确定为70%、65%和60%，薄层急倾斜油页岩地质条件类型简单、中等和复杂的技术可采系数基数分别确定为65%、60%和55%；中厚层缓倾斜油页岩地质条件类型简单、中等和复杂的技术可采系数基数分别确定为70%、65%和60%，中厚层倾斜油页岩地质条件类型简单、中等和复杂的技术可采系数基数分别确定为65%、60%和55%，中厚层急倾斜油页岩地质条件类型简单、中等和复杂的技术可采系数基数分别确定为60%、55%和50%；厚层缓倾斜油页岩地质条件类型简单、中等和复杂的技术可采系数基数分别确定为65%、60%和55%，厚层倾斜油页岩地质条件类型简单、中等和复杂的技术可采系数基数分别确定为60%、55%和50%，厚层急倾斜油页岩地质条件类型简单、中等和复杂的技术可采系数基数分别确定为55%、50%和45%。
表4-18 不同类型计算单元油页岩技术可采系数取值标准
3.不同资源储量类型技术可采系数的确定
查明资源储量和潜在资源量因经济意义（经济的、边际经济的、次边际经济的和内蕴经济的）和地质可靠程度（探明、控制、推断和预测）不同，计算技术可采资源储量时，要选取不同的可信度系数（1～0.5）。查明资源储量中基础储量（111b、121b、122b、2M11、2M21、2M22）的可信度系数为1，查明资源储量中的探明的资源量（2S11、2S21、331）的可信度系数为0.8，查明资源储量中的控制资源量（2S22、332）的可信度系数为0.7，查明资源储量中的推断资源量（333）的可信度系数为0.6，潜在资源量（334?）的可信度系数为0.5（表4-19）。不同条件的技术可采系数基数乘以相应的可信度系数求出不同资源储量类型的技术可采系数。
表4-19 资源储量可信度系数取值表
（三）可回收系数
页岩油可回收系数是指页岩油技术可采资源储量中，在现有和未来可预见的技术条件下可以干馏出部分所占的百分比。
油页岩的最大使用潜力是干馏制取页岩油。油页岩干馏技术比较先进的国家有爱沙尼亚、巴西、澳大利亚、中国和俄罗斯等国。迄今世界上较成熟且长期生产的有：爱沙尼亚的Kivioli块页岩干馏炉和Galoter颗粒页岩干馏炉、巴西的Petrosix块页岩干馏炉、中国抚顺式块页岩干馏炉和澳大利亚的Taciuk颗粒页岩干馏炉。爱沙尼亚的Galoter颗粒页岩干馏炉处理量大，油收率高，产高热值气，可处理颗粒页岩，适合有条件的大中型油页岩炼油厂；巴西的Petrosix块页岩干馏炉处理量很大，油收率高，产高热值气，处理块页岩，投资高，适合大中型油页岩炼油厂；澳大利亚的Taciuk颗粒页岩干馏炉处理量很大，油收率高，产高热值气，处理颗粒页岩，油页岩经加氢改质，质量好，投资高，适合于大中型油页岩炼油厂。
据世界油页岩干馏工艺（钱家麟，2002），世界油页岩干馏技术比较先进的国家干馏炉的油收率均较高，如澳大利亚Alberta Taciuk、巴西Petrosix和爱沙尼亚Galoter油收率均达85%～90%，爱沙尼亚和俄罗斯式发生炉的油收率可达到68%，目前中国式发生炉（抚顺式发生炉）的油收率达65%。考虑目前我国油页岩干馏工艺的发展水平处于世界最低位，随着油页岩资源的大量开发利用和技术创新，今后我国页岩油回收率将会有所提高，故此次评价中的页岩油可回收系数采用目前世界平均油收率水平75%，进行页岩油可回收资源储量的计算。
（三）油页岩勘查开发目标优选参数和标准
1.优选参数选取
油页岩勘查区包括油页岩勘探区、详查区和普查区，油页岩预测区是指油页岩预查区。本次综合评价优选是在详查区、普查区和预查区内优选勘查目标，在勘探区和详查区内优选开发目标。
油页岩资源勘查和开发既取决于油页岩资源赋存的地质条件，也受油页岩资源的开发条件制约。优选参数主要考虑油页岩勘查和开发的影响因素，影响油页岩勘查和开发的因素很多，在征求有关专家意见的基础上，经过反复讨论和研究，确定了油页岩评价优选参数分为地质参数和开发参数两类，每一类又包括几个主要参数，勘查和开发优选参数分别为8个和9个，按照其对油页岩勘查和开发的影响程度不同，给予不同的权重。
2.优选参数的取值和赋分标准
（1）参数权重取值。本次油页岩资源评价主要目的是为了摸清“家底”，主要研究油页岩资源赋存的地质参数，其次是开发参数。
1）地质参数权重取值。确定地质参数权重为48%。其中，油页岩含油率和页岩油资源储量规模权重都为15%，页岩油资源储量丰度权重为10%，主采层厚度权重为8%（表4-20）。
2）开发参数权重取值。确定开发参数权重为52%。其中，技术可采系数和勘查开发程度参数权重都为15%，矿体埋深权重为12%，地理环境权重勘查区和开发区参数权重分别为10%和5%，而共伴生可利用矿产权重勘查区和开发区参数权重分别为0和5%。
（2）优选参数的获取。优选参数分为定量数据型和定性赋值型二类。
定量数据型参数值的获取方法有三种，一是从评价成果表中直接查取油页岩勘查（预测）区数据，如：含油率、页岩油资源储量、勘查开发程度、勘查程度、技术可采系数和矿体埋深；二是从勘查地质报告查找，如：主采层厚度；三是从评价成果表中直接查取相关数据，通过计算求取参数值，如：页岩油资源储量丰度（页岩油资源储量与矿层面积比值）。
表4-20 油页岩资源勘查（预测）区优选评价参数
定性赋值型参数中，地理环境参数从评价结果表中直接查取，共伴生有益矿产参数从报告中查取。
（3）优选参数分级和赋分标准。勘查（预测）区的综合优选评价积分值是评价参数优劣程度的综合反映，而各个评价参数的特征值在不同勘查区和预测区中有相似的，也有不同的，是综合评价的基础。为了实现油页岩勘查区之间的对比和油页岩预测区之间的对比，达到综合优选评价的目的，就必须对评价参数的优劣进行分级。参照常规油气和煤炭资源评价的标准，将油页岩勘查区和油页岩预测区评价参数的优劣程度分为好、较好、较差、差四级，分别以一类、二类、三类、四类表示，分别赋值1～0.75分、0.75～0.50分、0.50～0.25分、0.25～0.00分（表4-21、表4-22）。表中各参数取值区间是根据全国油页岩资源评价成果的实际情况划分的。查取到定量参数值，利用插值方法计算出相应的分值，查取到定性参数取中间值。
表4-21 油页岩资源勘查目标优选评价标准
表4-22 油页岩资源开发目标优选评价标准
油页岩关键参数研究与获取视频
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