國(guó)外一種新方法地下轉(zhuǎn)化油頁(yè)巖工藝

國(guó)外一種新方法地下轉(zhuǎn)化油頁(yè)巖工藝

0油頁(yè)巖的開(kāi)采油巖是指干酪根含量高，可分為高劑量細(xì)粒沉積巖和相當(dāng)數(shù)量的石油細(xì)粒。其中，質(zhì)量比超過(guò)40%，含油量在3.5%-30%之間。油頁(yè)巖和煤的區(qū)別在于它的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%。全球的油頁(yè)巖主要分布在美國(guó)、巴西、前蘇聯(lián)(主要產(chǎn)在愛(ài)沙尼亞)、中國(guó)、澳大利亞、扎伊爾、意大利、法國(guó)、以色列等國(guó)家。其中美國(guó)的儲(chǔ)量占世界第一,巴西第二,前蘇聯(lián)第三,中國(guó)第四。我國(guó)油頁(yè)巖主要分布在吉林省、遼寧省和廣東省。吉林省的油頁(yè)巖探明儲(chǔ)量約174.27億t,占全國(guó)總量的55.5%。隨著全球能源短缺,油頁(yè)巖作為石油替代品,越來(lái)越引起人們的重視,大力開(kāi)發(fā)油頁(yè)巖,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前,油頁(yè)巖傳統(tǒng)開(kāi)采方法為露天開(kāi)采或地下巷道開(kāi)采。傳統(tǒng)的露天開(kāi)采是露天剝土,直接采油頁(yè)巖礦石,這種方法占用了大量土地,同時(shí)也對(duì)周?chē)h(huán)境造成極大污染,破壞環(huán)境;地下巷道開(kāi)采,是在地下打巷道,用鑿巖機(jī)采油頁(yè)巖礦石,采出的油頁(yè)巖礦石堆積在地面,同樣占用了大量土地。無(wú)論是地下采礦還是露天采礦,都需要把地下水位降低到含油頁(yè)巖層的層位下,這樣做會(huì)危害到礦山附近的耕地和森林。因?yàn)槿蚰茉炊倘?開(kāi)發(fā)油頁(yè)巖這種替代品,勢(shì)在必行,最近國(guó)外采取了一項(xiàng)新的開(kāi)采技術(shù),即地下轉(zhuǎn)化技術(shù)(in-suit(in-ground)conversionprocess,ICP)。1測(cè)井及疏干井油頁(yè)巖地下轉(zhuǎn)化工藝是一種新的油頁(yè)巖開(kāi)采方法,它是在油頁(yè)巖礦區(qū)的地表分別鉆監(jiān)測(cè)井、疏干井、加熱井和生產(chǎn)井。監(jiān)測(cè)井用于監(jiān)測(cè)地下油頁(yè)巖被加熱的溫度、地下水質(zhì)、各種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水的pH值、Eh值及微生物的變化等,以確定其它井的工作。疏干井主要用于抽干加熱井周?chē)牡叵滤＜訜峋畬⒌叵碌挠晚?yè)巖加熱,使其分裂出頁(yè)巖油等物質(zhì)。最后生產(chǎn)井將油等物質(zhì)抽出,在地表進(jìn)行分離處理。這種方法不僅占地少,而且對(duì)環(huán)境的破壞也非常小,幾乎沒(méi)有空氣污染。1.1溫分解和加熱井間監(jiān)測(cè)疏干井位于加熱井和生產(chǎn)井周?chē)?圖1),其分布的最佳距離取決于當(dāng)?shù)赜晚?yè)巖的水力性質(zhì)(其中包括巖石的滲透性、貯水性、各向異性和承壓水位的高低)和垂向側(cè)向各參數(shù)的變化,一般距離5~20m。加熱井和生產(chǎn)井形成一個(gè)地下油頁(yè)巖高溫分解帶,疏干井工作時(shí),把高溫分解帶中及其帶外的地下水抽出,同時(shí)也防止了高溫分解時(shí),油頁(yè)巖向水中釋放可溶性化學(xué)物質(zhì),減少水處理成本。監(jiān)測(cè)井和加熱井相間,對(duì)地下的不同部位進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)井距離高溫分解帶一般在30~300m。根據(jù)高溫分解過(guò)程產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)品特性,在生產(chǎn)井、疏干井和監(jiān)測(cè)井有規(guī)律地取樣,分析各種元素變化情況、水質(zhì)的pH值、水中微生物、無(wú)機(jī)物變化情況。例如,在接觸高溫分解產(chǎn)物的水中,檢測(cè)到苯、甲苯、乙苯和二甲苯的濃度升高,表明這個(gè)期間疏干井系統(tǒng)工作不正常,應(yīng)及時(shí)調(diào)整。監(jiān)測(cè)井自始至終都在工作,它記錄下原始各項(xiàng)指標(biāo)和開(kāi)采過(guò)程中的變化情況,為開(kāi)采工作結(jié)束后地下水環(huán)境的恢復(fù)治理提供依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。生產(chǎn)井和加熱井分布在油頁(yè)巖中,從生產(chǎn)井產(chǎn)出的天然氣、石油和水被現(xiàn)場(chǎng)地表的裝置分離處理。生產(chǎn)井抽出的石油、天然氣和水首先通過(guò)分離器將它們各自分開(kāi),然后,石油進(jìn)入油罐貯存;天然氣經(jīng)噴射塔后點(diǎn)燃;水首先進(jìn)入氣提塔處理后,經(jīng)過(guò)炭吸附達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí),排到水池或其它地方。來(lái)自周?chē)韪删乃?通過(guò)另一個(gè)油水分離器,再由氣提塔處理,接著也用炭吸附,達(dá)到排放許可后再排放。1.2大分子量物質(zhì)油頁(yè)巖的主要成分為粘土礦物,尚含有少量石英、長(zhǎng)石碎屑物,含液態(tài)及氣態(tài)的碳?xì)浠衔锛捌渌瘜W(xué)物質(zhì)。油頁(yè)巖中的油母質(zhì)又稱干酪根,是由碳、氫、氧、硫、氮等元素組成的不均勻質(zhì)的大分子量物質(zhì)。在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)由多個(gè)結(jié)構(gòu)單元(核)通過(guò)化學(xué)鍵和不同基因結(jié)合而成的三維分子。加熱井加熱時(shí),油母質(zhì)碳?xì)浠衔锏拈L(zhǎng)鏈被打碎,變成了短鏈,結(jié)果產(chǎn)生不同分子量的一系列有機(jī)化合物。其中包括有機(jī)揮發(fā)物,像苯、甲苯、乙苯、二甲苯;半揮發(fā)物質(zhì)包括幾種酚的化合物,苯胺和吡啶。由于加熱作用油頁(yè)巖中其他礦物組分間也會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使得地下水中無(wú)機(jī)組分增多,結(jié)果導(dǎo)致地下水組分、pH值、微生物等發(fā)生變化(圖2)。1.3對(duì)土壤進(jìn)行恢復(fù)油頁(yè)巖開(kāi)采施工時(shí),地表的植被、表層土壤等均受到破壞。由于地下高溫和抽水,使得地下水受到破壞,水的pH值、水中微生物等發(fā)生變化,無(wú)機(jī)組分增多。開(kāi)采后廢棄的鉆孔、鉆井對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境也造成破壞,均需采取不同方法加以恢復(fù)處理。油頁(yè)巖開(kāi)采活動(dòng)一結(jié)束,被破壞的地表應(yīng)按環(huán)保要求和將來(lái)土地利用要求進(jìn)行土壤恢復(fù)。對(duì)不需要的設(shè)備要搬走,廢棄建筑物要拆除清理,場(chǎng)地要平整,使得與原來(lái)一致。恢復(fù)表層土壤,如果原來(lái)土壤較厚,要求恢復(fù)到15.24cm厚,如果原土壤較薄,恢復(fù)后可與原來(lái)場(chǎng)地一樣厚度,并要恢復(fù)破壞區(qū)的植被。按照環(huán)保和將來(lái)土地利用的要求,全部開(kāi)采工作一完成,就要永久地封住每個(gè)鉆孔(鉆井)。地下高溫使油頁(yè)巖中油分離出來(lái)后,會(huì)給開(kāi)采區(qū)及周?chē)貐^(qū)的地下水造成極大破壞。前面已提到會(huì)使水的pH值、無(wú)機(jī)物、微生物等發(fā)生變化,周?chē)韪删Ｖ钩樗?在較強(qiáng)的水壓梯度作用下,周?chē)叵滤飨蚋邷胤纸鈳?利用高溫分解帶中的生產(chǎn)井來(lái)抽水,使周?chē)乃粩嗔飨蚋邷胤纸鈳АＴ诘乇磉B續(xù)處理抽出的水,然后把水重新注回或排放到地表。有計(jì)劃地調(diào)整注入水和抽出水來(lái)改進(jìn)地下水質(zhì)。根據(jù)監(jiān)測(cè)井所記錄的原始資料,通過(guò)注入井向地下加入電子接收體,促進(jìn)微生物繁殖生長(zhǎng)物質(zhì)以及用微生物體,來(lái)恢復(fù)地下微生物。2加熱井和生產(chǎn)井美國(guó)經(jīng)過(guò)20多年的油頁(yè)巖地下轉(zhuǎn)化試驗(yàn)室研究后,于1997年進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn),具體情況見(jiàn)表1。在過(guò)去的7年里殼牌石油公司主要在美國(guó)科羅拉多州的MDP-MTE地區(qū)進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)。2004年4月份MDP(S)的加熱井開(kāi)始加熱,2005年初達(dá)到最高溫度,目前已降到最低溫度。在加熱井和生產(chǎn)井周?chē)?個(gè)疏干井,它們距高加熱井形成的高溫分解帶5~20m。有的監(jiān)測(cè)井與加熱井相間,它們是用于監(jiān)測(cè)地下溫度變化和油頁(yè)巖分解后產(chǎn)生的苯、甲苯、酚、吡啶等物質(zhì);有的監(jiān)測(cè)井距加熱井和生產(chǎn)井較遠(yuǎn),它們是用來(lái)監(jiān)測(cè)地下水質(zhì)、水中微生物以及水的pH值等變化情況?？傊O(jiān)測(cè)井距加熱井和生產(chǎn)井30~300m。殼牌石油公司還對(duì)它們?cè)贛DP-MTE地區(qū)用地下轉(zhuǎn)化法產(chǎn)出的石油進(jìn)行了各項(xiàng)分析(表2)。除了表2的分析以外,它們還對(duì)比分析了70多種元素在未裂解的油頁(yè)巖中的質(zhì)量分?jǐn)?shù),以及在部分裂解和全部裂解油頁(yè)巖中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。分析了總有機(jī)碳、苯、甲苯、乙苯、二甲苯在部分裂解和全部裂解中變化規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在部分裂解中它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比全部裂解時(shí)要高。3油頁(yè)巖開(kāi)采技術(shù)根據(jù)有關(guān)專家1998年預(yù)測(cè),除了水力、風(fēng)力、太陽(yáng)能和地?zé)嵬?目前已探明的不可再生能源儲(chǔ)量按照目前的消耗量,世界原油儲(chǔ)量只能維持45年,天然氣可維持66年,原煤可供229年,金屬鈾可利用27年,焦油和瀝青可供1000年。能源危機(jī)迫在眉睫。因此,開(kāi)展油頁(yè)巖開(kāi)采技術(shù)的研究是非常重要的。傳統(tǒng)露天開(kāi)采油頁(yè)巖,利用干餾法生產(chǎn)頁(yè)巖油成本是20美元/桶。但前期開(kāi)采地表破壞嚴(yán)重,這樣就破壞了寶貴的耕地。油頁(yè)巖傳統(tǒng)開(kāi)采方法,需要把水位降低到含油頁(yè)巖層位以下,這樣做會(huì)危害到礦山附近的耕地和森林。而使用ICP技術(shù)生產(chǎn)成本為12美元/桶。據(jù)專家推測(cè),油價(jià)25美元/桶以上,利用ICP技術(shù)開(kāi)采油頁(yè)巖就會(huì)贏利。國(guó)外地質(zhì)學(xué)家Ke