大庆石油学院学报第31卷第3期2007年6月JOURNAL OF DAQING PET ROLEU M INS TIT UT E V o l.31No.3Jun.2007壳牌公司页岩油开采技术与进展刘胜英1,3,王世辉2,3,陈春瑞3,钟延秋3,郑玉龙3( 1.中国地质大学能源学院,北京 100083; 2.中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029; 3.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院,黑龙江大庆 163712)摘 要:壳牌公司自1980年开始研究页岩油开采技术,目前,正在科罗拉多州进行研发与现场试验.介绍了壳牌公司油页岩试验区的地质概况、油页岩特征、页岩油开采技术,即地下转化(ICP)技术及其进展情况和发展前景.我国松辽盆地蕴藏着丰富的油页岩资源,ICP技术很有可能成为开采松辽盆地页岩油的一种手段,对实现大庆 百年油田发展战略将会有重大意义.关 键 词:油页岩资源;地下转化技术(ICP);壳牌公司;应用前景;松辽盆地中图分类号:TE349 文献标识码:A 文章编号:1000-1891(2007)03-0053-030 引言世界油页岩资源丰富,全世界36个国家发现油页岩矿床100多个,页岩油资源量达1.8!1010dm3[1],是目前世界天然原油探明可采储量的5.4倍[2,3].在世界能源供需矛盾日益突出、能源消费日益增长而常规能源供应有限的情况下,油页岩作为一种重要的替代能源以其巨大的储量、丰富的利用层次,引起了全世界的关注[4].但是,在油页岩开发利用方面,地面干馏和地下干馏都存在着许多问题.JAMES T B[5]研究结果表明,利用地面干馏技术生产页岩油,只有在油价为0.44~0.59$/dm3时才有效益,而利用壳牌公司的页岩油开采技术(ICP),油价为0.16~0.18$/dm3时即可获利,壳牌ICP技术很有发展前景.我国松辽盆地油页岩资源比较丰富,笔者旨在探索这项技术的发展对松辽盆地页岩油资源开采的借鉴意义.1 项目背景壳牌公司自1980年开始研究页岩油开采技术,2004年初,在10.7m长、6.1m宽的试验区内给油页岩层加热,2004年底产出轻质油9.43dm3[6],同时还有伴生气产出,之后不久关闭加热器,停止生产. 2006年编制E-ICP试验计划[7]、申请获得科罗拉多州3个油页岩研发、试验和示范区块.2 试验区地质与资源美国绿河组油页岩矿是世界上最大的油页岩矿,主要沉积于早始新世皮申斯、尤英塔、绿河和瓦砂基4个盆地内[8].皮申斯盆地最小,但油页岩最为发育,油页岩资源量折合页岩油1470!108t[3].厚度超过9.1m、含油率超过10.33%[3]的油页岩矿有90%集中在该盆地.皮申斯盆地始新世绿河组上覆尤英塔组,下伏瓦萨奇组,油页岩资源主要富存于绿河组帕拉楚特科里克段.该段岩性为油页岩、泥灰岩,其中夹少量薄层粉砂岩和火山凝灰岩.油页岩含油率高于5.17%.油页岩层与泥灰岩层相互叠加,形成富含有机质的岩层(R层)和有机质贫乏的岩层(L层),R层主要成分为油页岩,L层主要成分为泥灰岩,2套地层连续分布,贯穿全盆地.盆地内还有2套重要的含水层系,各层水的渗透性差异较大,对ICP技术应用有一定影响.壳牌公司ICP试验区面积为65km2,试验井段为帕拉楚特科里克段R-7~R-2层,含油率为收稿日期:2007-04-10;审稿人:宋考平;编辑:王文礼作者简介:刘胜英(1965-),女,博士生,高级工程师,主要从事油页岩资源勘探和国际油气合作项目经济评价方面的研究.4.73%~9.08%[9],平均厚度为305m,油页岩平均密度[10]为2.3g/cm 3,页岩油资源量为1.72!106dm 3,上覆层平均埋深为286.5m.3地下转化技术图1 壳牌公司地下转化工艺(ICP)流程壳牌公司页岩油开采技术,即油页岩地下转化工艺,是利用电加热器给地下油页岩层加热,加快干酪根自然成熟进度,使其中的有机质干酪根热解生成油气的一种地下转化工艺.通过加H 2,可得到超清洁的轻质油和天然气,然后,用常规采油工艺将产出的油气输送到地面加工装置,再用常规加工工艺进行加工或销售,ICP 流程见图1.通过向地下缓慢加H 2,可使产生的页岩油发生氢化反应,使干酪根加热裂解为小分子烃类,从而得到轻质凝析油(约占2/3)和伴生气(约占1/3).利用ICP 技术得到的页岩油产品好于其他干馏技术得到的页岩油产品,再加工成成品油时所需工艺过程比较少.ICP 技术应用取决于油页岩矿床埋深、厚度和地下水的赋存条件,页岩油的开采技术由冷冻墙、加热、生产、地面装置区和环境恢复5部分组成.图2 ICP 工艺剖面和冷冻墙外观示意3.1 冷冻墙壳牌公司为了防止地层水流入生产区、防止油气产品散失,设计了冷冻墙,见图2.冷冻墙由冷冻井、连接冷冻井的密闭管网及冻结的围岩介质组成.冷冻墙施工:(1)建制冷装置,采用氨制冷技术,制冷装置需考虑备用.(2)在加热区与冷冻墙之间留出38m 宽的缓冲区,防止冷冻与加热相互干扰.缓冲区宽度取决于加热区的导热性能和导热速度.(3)钻150口冷冻井,间距为2.44~ 3.04m,最大深度为610m,在冷冻井内装入钢管,钢管底部密封,与冷冻井连接,形成一个密闭系统.(4)向井内注入-45℉冷冻液,使之在密闭系统内循环,使系统周围的地下水及围岩介质一起冷冻,形成冷冻墙.3.2 加热系统冷冻墙形成后,首先钻生产井约20口,井深为594m;在冷冻墙外钻2~4口注水井,先用生产井将生产区内的地下水排出注入到冷冻墙外的地层,之后再转为生产井.然后,在冷冻墙内钻70~100口加热井,将裸电极加热器装入加热井内.裸电极加热器是壳牌公司第2代加热技术,由上覆层段、目的层段和接触段组成.三相电极分别安装在3口相邻的加热井内,加热井均为定向井.第1口井垂直钻至目的层底部,其余2口井与第1口井平行钻至目的层底部时向第1口井偏移,3口井间距为6.1~12.2m.三相电极在井底相连,成一个 Y 字形三相电路.地面上,每个三相电极连接到1台三相绝缘变压器上,比第1代加热技术中每个加热井单独使用1台单相变压器节省投资.3.3 采油系统给油页岩层升温后,随着加热,产生的油、气、蒸气和非烃类气体一起流入生产井中,通过生产井输送至地面处理装置,进行油、气、水分离,之后,再将分离出的油、气产品分别输送到相应的加工装置进行深加工或者销售.页岩油生产井与常规油田采油井相似,也需要射孔和安装采油泵等.因缓慢加热,井距较近,储层初始渗透率较低,不必用水动力或爆破法增大储层裂隙,生产井即可将转化的油、气与水等混合液大 庆 石 油 学 院 学 报 第31卷 2007年第3期 刘胜英等:壳牌公司页岩油开采技术与进展体集输至地面,之后,再将硫从含硫气和含硫水中分离出去,得到天然气、清洁水和液态硫,产生的废液送入处理厂处理.在生产后期可能需要注水,在加热区以外、冷冻墙之内设置注水井.生产结束以后,在冷却期间和地层水恢复期间,可将生产井改装成集水井,将水集输至地面水质处理厂.3.4 辅助生产系统、人员、监测和响应辅助生产系统包括油气处理站、水质处理站、工艺控制系统、装卸设施及卫生系统等.监测井主要监测内容为水监测(地面水监测和地下水监测)以及设施监测(检查系统和操作警报系统).施工期间现场员工最多需要700人,生产期最多需要150人,一般9h倒班一次,某些操作工12h倒班一次.紧急事故应急员工必须在现场或电话随时能联络到的地方,并应有应急程序和预警措施.3.5 恢复系统开采结束后需要将试验区恢复原状,恢复工作在各阶段视运营需要可随时进行.首先恢复高温区,加热结束后,如果地面水质处理达标,则用冷却水使高温区降温,再用来自高温区的热水融化冷冻墙.然后,拆除ICP设施和混凝土基础、堵井或弃井,设备及人员撤离,恢复现场地面土壤及植被等.3.6 主要考核指标壳牌公司IPC工艺主要考核指标有:(1)采收率,即ICP工艺采出的油与FISCH ER A地质储量之比;(2)产品质量,即ICP液态产品的组成和性质(如API重度);(3)能耗,即产出油气的热值与耗电的热值之比.油页岩IPC工艺在加热、制冷、油气水处理和生产维护过程中,均需用电,但产出是能耗的3~4倍.按照科罗拉多州西部油页岩产层条件,每英亩可产页岩油6.28!103dm3,每平方英里可产页岩油6.29!106dm3.3.7 环境保护计划壳牌公司设计了周密的环保计划,内容包括对植物、土壤、野生动物、文化与古生物资源、气候、水文地理、地下水等进行保护.但无论如何,不管采用地面干馏还是原位开采方式,都不可避免地给土壤和生态环境带来负面影响.关于地下转化工艺对地下水质的影响,目前尚无法确定[11].美国土地管理局正负责对此项目的环境影响进行整体评估.4 试验进度与进展壳牌公司2006年编制E-ICP试验计划,试验进度计划为:(1)建设冷冻墙,预计1.0~1.5a;(2)E-ICP加热及开采页岩油约需5.0~6.0a;(3)地下水恢复,预计5.0a;(4)冷冻墙融化,预计1.5~3.0a;(5)撤离、放弃及土地恢复,预计1.0~1.5a.目前正在进行冷冻墙施工,计划至2010年底才能根据试验结果决定是否进行工业性开发.5 投资与应用前景据初步预测,壳牌公司建1座规模为每天0.63!102dm3/d的地下转化装置,预计投资32!108美元,每年操作成本预计7!104美元[12].在2006年的美国能源安全报告中提到:壳牌公司ICP计划于2013年开始应用,初始产量为0.63! 102dm3/d,4a后上升到每天3.14!103dm3/d;到2030年,美国页岩油产量在非常规能源燃料中所占比例为11%,达到每天1.89!104dm3/d,其中,用壳牌公司ICP技术生产页岩油每天1.26!104dm3/d,占页岩油总产量的2/3.6 结束语壳牌公司ICP技术目前仍处于研究、试验和示范阶段,在生产工艺、能耗、投资、运行成本、环境影响及社会效应等方面仍然存在着许多不确定性因素,只有到2010年底才能做出能否进行工(下转第91页)第3期 邵克勇等:具有控制器增益摄动的非脆弱鲁棒控制器设计器参数偏移和干扰抑制性能.参考文献:[1] 邵克勇,周鸾杰.基于LM I的鲁棒容错H#控制系统设计[J].大庆石油学院学报,2005,29(1):78-80.[2] KEE L L H,BH AT TACH ARYYA S P.Robust,fragile or optimal[J].IE EE Trans on Au tomatic Control,1997,42(8):1098-1105.[3] YANG G H,WANG J L,LIN C.H#control for linear system s w ith additive controller gain variations[J].Int J Con trol,2000,73(16):1500-1506.[4] 王武,杨富文.具有控制器增益变化的不确定时滞系统的鲁棒H#控制[J].自动化学报,2002,28(6):1043-1046.[5] XIE L,FU M,DE SOUZA C E.H#control and quadratic stabilization of s ystems w ith parameter u ncertainty via output feedback[J].IEEE Trans Automat Control,1992,37(8):1253-1256.[6] 俞立.鲁棒控制∃线性矩阵不等式处理方法[M].北京:清华大学出版社,2002.(上接第55页)业性开采页岩油的决策.届时如果该项技术试验成功,那么,壳牌公司的ICP技术作为一种全新的采油理念和技术,将会成为能源开发史上的一次页岩油开采技术革命.松辽盆地油页岩资源勘探处于起步阶段,但初步研究成果表明,油页岩资源丰富,含油率为3.60%~9.70%,与壳牌公司ICP试验区接近.如果加大勘探力度,做好油页岩资源储备,再证实ICP技术可以工业化应用,那么,ICP技术很有可能成为开采松辽盆地页岩油的一种手段,对实现大庆 百年油田发展战略将会有重大意义.参考文献:[1] AlAN E I.W estern oil shale:past,pres ent and future[J].U tah Economics and Busin ess Review,2006,66(1/2):3.[2] BREAOW K.Global oil shale iss ues and pers pectives[J].Oil Sh ale,2003,20(1):81-92.[3] DYNI J R.Geology and resources of s om e w orld oil sh ale deposits[J].Oil Shale,2003,20(1):193-252.[4] GRINBERG A,KERE N M,PODSH IVALOV V,et al.Producing electricity from israel oil s hale w ith PFBC technology[J].OilSh ale,2000,17(4):307-312.[5] J AM ES T B,TOM L T,LLOYD D,et al.Oil shale developm ent in the U nited States:p rospects and policy issu es,M G-414[R].S anta M onica:RAND Corporation,2005:10.[6] S hell Fr on tier Oil and Gas Inc.Techn ology to secure our energy future∃mahogany research 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now is conducting a mahog any research pro ject∃a special subject study ag ainst shale oil ICP in a small plot in Colo rado,U.S.T his paper introduces the geolo gical and oil shale characteristic about this plot,ICP and its pro gress as w ell as its prospective.M eanw hile,there is a co nsiderable am ount o f oil shale resource in Chinese Songliao basin,ICP is likely to be an important technolo gy to ex ploit shale oil resour ce in this Basin and w ill be sig nificant in the realization of the devel o pm ent strategy of Daqing a century oilfield.Key words:oil shale reso urces;ICP(In situ Conver sion Process);Shell;prospective;So ng liao basin Flow injection spectrophotometric determination of trace C r(%)in tanning wastewater/2007,31(3):56-57,101QIA O Cheng li1,GONG Xian tao2,LIU Guang yi3(1.S chool of L ight I nd ustr y and T ex tile,Qiqihar,H eilongj iang161006,China;2.Chem ical Eng i neer ing Co.L td.,Daqing Oilf ield,Daqing,H eilongj iang163411,China;3.Disr ibution Comp any, PetroChina Daqing Ref ining and Chemical Comp any,Daqing,H eilongj iang163,China) Abstract:In1.0m ol/LH2SO4solution a rapid and simple flow injection spectropho to metric m ethod has been developed for Cr(%)determination,based o n the violet-red Cr(%)-diphenylcar bazo ne chelates fo rmed by reactio ns.The results show,under o ptimized conditio ns,the max imum absorptio n of the com plex is at540nm and the detection limits of the m ethod is0.0136mg/L for Cr(%)and Beer's law is obey ed for Cr(%)in the rang e of0.03~1.60mg/L.The determination fr equency is100/h.The rela tive standard deviation of eleven replicates is less than4.0%.T he remarkable character istics of this method are better selectivity,higher sensitivity,higher analy tical speed and simpler operation.Key words:flow injectio n analysis;tanning w astew ater;Cr(%);dipheny lcarbazide;spectrophotometry Analysis of preparation and properties of phenylethylene butyl acrylate vinylTriethoxy siloxane terpolymer for solid phase micro extraction coating/2007,31(3):58-61ZH ANG Xiao hui1,SH EN Shu chang2,LIU Cai yun2,LI Xiao lo ng2(1.College of L ig ht I ndustr y and T ex tile,Qiqihar Univer sity,Qiqihar,H eilongj iang161006,Chi na;2.A naly sis and T esting Center of Qiqihar Univ ersity,Qiqihar,H eilongj iang161006,China) Abstract:In the paper,pheny lethylene butyl acrylate vinylT riethox y silox ane terpo lymer,as SPME coating,w as synthesized by emulsio n poly m bining infrared spectr um and ultrav io let spectrum,the co ntents of the m onomers w ere determ ined.T he SPM E equipment w as made by using mi croinjector and stainless steel capillaries.T he coating w as applied to detect and analyze alky l aromatic ses,chlorbenzenes and nitrobenzenes in w ater.T he data determined show ed that the thermal stability o f the poly mer coating and adhesion w ith fiber both w ere good.T he ex tracting behavior of the po lymer coating w as better than comm er cial coatings o f Poly diemthylsiox ane and po lyacr ylate.Key words:pheny lethylene butyl acrylate vinylT riethox y silo xane terpolym er;sy nthesis;so lid phase micro ex traction coating;perform ance analysisSynthesis and surface activity of gemini surfactant containing a hetero oxygen atom/2007,31(3):62-64 LONG Jing(N atural Gas S ub-comp any,Daqing Oilf ield Cor p.L td.,Daqing,H eilongj iang163459,China) Abstract:A gemini surfactant containing a hetero ox yg en atom((C12N)2O)has been synthesized by r e actio ns of diethylane gly col,thiony l chloride and N,N-dim ethyl dodecylamine w ith reducing agent. The product w as characterized w ith IR,element analy sis m ethod and its purity was analyzed w ith dipha sic titration.Surface tensio ns of Gem ini quaternary amm onium salts and comm on quaternar y amm onium salts cationic surfactant at different concentratio n w ere m easured.Fro m these data,the cr itical micelle concentration(cmc),excess adsorptio n amo unt( max),the saturation adsorption area per molecule(A min) have been obtained.T he results sho w ed that the yield w as82%,the purity w as99.52%,the surface。
