原位开采油页岩电加热技术现状及发展方向

王盛鹏 刘德勋 王红岩 赵群 方朝合 郑德温

中国石油勘探开发研究院廊坊分院新能源研究所

原位开采油页岩电加热技术现状及发展方向

王盛鹏 刘德勋 王红岩 赵群 方朝合 郑德温

中国石油勘探开发研究院廊坊分院新能源研究所

随着中国油页岩工业的不断发展,对油页岩地面干馏工艺方面的研究已经取得了很大进展。但由于受实验设备和分析技术的限制,对油页岩地下干馏工艺的研究却很少,在当前的油页岩原位开采工艺中以电加热工艺较为成熟。因此,从油页岩原位开采电加热技术的原理出发,详细阐述了油页岩电加热工艺流程和关键技术(电加热器的选择和设计、加热井的设计、加热井的布置与操作等),总结出电加热工艺的特点和发展趋势。分析认为,未来的原位开采电加热技术的发展趋势主要体现在简化工艺,大规模、低成本、高效益以及综合技术等方面。

油页岩 电加热 原位开采 加热器 加热井 工艺流程 发展趋势

随着油页岩地上干馏工业的不断发展,国内对地下干馏技术即原位开采技术的研究也越来越多[1-3]。在原位开采技术中,以加热技术最为关键。按照加热方式,原位开采加热技术可分为3种:电加热技术、蒸汽加热技术和微波辐射加热技术[4-5]。在当前的油页岩原位开采加热技术中,以电加热技术较为成熟。笔者从电加热原理出发,对现有的电加热工艺流程及关键技术进行详细叙述,总结出电加热技术的特点和发展趋势,为相关行业研究人员提供参考。

1 电加热技术原理

原位开采电加热技术的原理为利用电阻发热产生的热量,通过传导的方式来加热油页岩矿层。根据电阻发热功率公式:P=U2/R,可以看出影响发热量大小的因素是电阻的大小。因此,可以通过调节电阻的大小来控制发热量的多少。影响电阻大小的因素主要为以下4个方面:

1.1 趋肤效应

交变电流通过导体时,由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀,愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。趋肤效应使导体的有效电阻增加,因此,为了削弱趋肤效应,在交变电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线。

1.2 邻近效应

当两根导线距离很近时,一根导线的磁场会影响另一根导线内部电流的分布,产生“邻近效应”,邻近效应使导线的电流密度重新分配,相当于减少了导线的有效面积,增加一个附加电阻。

1.3 涡流损耗效应

如果带有电信号的回路邻近还有其他回路或铅皮及钢带等金属物,回路电流产生的磁场可在这些金属中产生涡流,引起热损耗,吸收了通信回路的部分能量,相当于增加了回路的电阻。

1.4 居里效应

居里效应指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的现象。某些材料的电阻会随温度的升高而增加,随温度的降低而减小。

这4种电效应影响着电加热器中电阻发热量的大小,可作为设计和研发电加热器的依据。

2 电加热关键技术

电加热技术流程为先将电能传输给加热井中的电加热器,转化为热能。产生的热量通过传导的方式传递给油页岩矿层,达到页岩油气生成的温度。在工艺中,电加热器的选择和设计、加热井的设计、加热井的布置与操作是电加热技术研发的关键。

2.1 电加热器的选择和设计

电加热器是产生热量的根源,因此如何高效、有控制地产生热量是电加热器所要解决的问题。目前原位开采加热的电加热器有3类:恒定瓦特加热器、环形加热器和绝缘限温加热器,而绝缘限温加热器又分为 Y形加热器、U形加热器和LU形加热器。

2.1.1 恒定瓦特加热器

恒定瓦特加热器即将不同直径的电加热棒构造在一起,形成加热器。其加热原理为利用调节电加热棒的横截面积来控制加热器的电阻,控制加热器的加热速率。恒定瓦特加热器的优点是结构简单,造价低;缺点是不能有效地控制加热温度,容易造成局部温度过高(即形成热点)而烧坏加热器。

2.1.2 环形加热器

环形加热器改进了恒定瓦特加热器加热岩层面积小的缺点,将加热器制成环形,进而增大加热器传热的表面积。该加热器的缺点是不能有效地控制加热温度,难以工业应用[6-7]。

2.1.3 绝缘导体限温加热器

绝缘导体限温加热器主要由中心导体、绝缘体、填充的杂质和护套组成。中心导体的功能是产生热量;绝缘体的功能是防止漏电,传递热量;填充的杂质主要为M gO,主要是用于电加热器内部导电元件绝缘、提高电加热器的绝缘强度;护套的作用是高温防腐。

绝缘导体限温加热器的原理是:当施加时变电流时,在温度低于居里温度(50～120℃)时,加热系统首先提供第一输出,随着温度的增加逐渐提供减少的(第二输出)热输出。这类加热元件加热的优点是不容易因地层中的热点而中止或失效,可以很好地控制加热速率,防止地层的井眼区域过热导致地层焦化。

根据绝缘导体限温加热器的原理,可制造出各种形式的加热器:Y形、U形和LU形。

2.1.3.1 Y形加热器

Y形加热器被置于目标矿带的3个相邻井中,在目标矿带下方的底部实现电气连接。3个电极加热器井在电气配置上采用了三相Y电路,在底部连接端采用中性连接。这样,就构成了3个电极的“三合一机组”。Y形加热器有3个部段:上覆层部段,电加热部段和电接触部段。3个加热器在地下电气耦联组成一组加热器[8]。Y形加热器的各组成部分(如图1所示)和功能为:

图1 Y形加热器图

三相变压器——用于提供特定的三相输出。

引入导线——为具有聚氨酯绝缘体的铜棒。

上覆层套管——为绝缘体(例如,聚合物)以防止加热上覆岩层。

过渡带——用于连接引入导线和加热元件,防止引入导线过热(一般为3～9 m)。

电加热元件——具有薄电气绝缘层,有较好的热膨胀性、低热阻。

接触元件——用于电气耦联。

Y形加热器的优点是增加了加热功率,可用于加热厚层油页岩。缺点是底部电气藕联比较困难,需要钻斜向井。壳牌的ICP(原位开采油页岩技术)技术中利用70～100个 Y形加热器,间隔6～12 m。安置在指定位置的电加热井,绵延长约600 m。该技术在设计上将其大部分热输出集中在底部300 m处[9]。

2.1.3.2 U形加热器

不同于Y形加热器的位列方向,U形加热器将3个加热器在地面上以三角形方式水平排列(图2)。该加热器利用了较长的、大体上水平的加热器支腿长度,可用来开采较薄层的油页岩矿层,缺点是钻多个水平井和斜向井,成本较高,不容易实施。

图2 U形加热器图

2.1.3.3 LU形加热器

为了降低加热器的成本,LU形加热器沿直线方向布置3个加热器(图3)。引入导线将加热元件耦联到地层表面上。加热元件耦联到位于地层的底层上或附近的接触元件。接触元件耦联到接触部分中的接触器上,以使支腿间彼此电气耦联以形成三元结构。三元结构耦联到水平连接井。该加热器的优点是电气耦联多样化,较易实施,缺点是直线排布三元结构不利于加热页岩层。

图3 LU形加热器图

2.2 电加热井的设计

电加热井的功能是将电加热器产生的热量传递给页岩层,是连接电加热器和页岩层间的纽带。

沿电加热器长度包括多个具有不同能量输出的部分。并且每个部分包括限温部分,用于限制热量输出。所以可提供输出不同大小的热量,以一种或多种加热速率来加热岩层。电加热井的结构见图4所示。电加热井主要由以下部分组成:①引入线:主要用于进入电能,工作温度范围为40～90℃;②冷引线:用于充分降低导线加热器的温度;③接合部分:把冷引线连接到导线加热器,工作温度范围为260～370℃;④加热器:用于产生热量,温度在530～760℃。

此外,由于地层的不均匀受热、地层的热膨胀性的不同,还需要在加热器与地层之间设一衬管,如图4所示,防止加热过程中加热器受到地层热膨胀而变形。衬管的机械强度足以抵挡位于地层中高品位矿层的膨胀。衬管具有开孔,允许流体流经井眼。

2.3 电加热井的布置与操作

如何布置电加热井,尽量减少加热岩层死角也是油页岩原位开采加热工艺中的一个重要研究方面。

2.3.1 电加热井的布置

电加热井的布置不同于常规采油井和蒸汽加热井的布置,原因在于加热井含有电荷,和周围矿层之间具有电势差。如果不能合适、有效地布置加热井,将会造成加热井内电量流失。据研究,生产井应位于具有较小或零电位的位置处,减小或防止在生产井中流动的电流引起的不希望加热。

图4 电加热井的结构图

如图5所示,生产井位于六边形的中心,目的是为了减少或防止由三元结构支腿中电流引起的电磁效应所产生的感应加热。在六边形中具有2个三元结构确保了生产井周围的电阻加热。因此,如果1个三元结构失效时,生产井仍保持在1个三元结构的中心。

图5 正七点井网示意图

2.3.2 电加热井的操作

研究表明:在200℃左右,地层会发生强烈的膨胀。在200～300℃的范围内,地层的膨胀开始逐渐减弱。在油页岩干馏完以后,地层膨胀很小或不发生膨胀,而且还可能会收缩[9]。

2.3.2.1 方形加热

图6为加热井阵列的一种排布方式,若同时开启所有加热井,将会使地层产生很大的热膨胀,造成加热井发生变形的后果。地层最外面的井眼最容易发生变形,原因在于累积的热膨胀行为。从受热体积的中心部位向周边区域,热膨胀的效果是逐渐增大的。可以采用不同时间开启间插的加热井,来减弱地层热膨胀的效果。

图6 方形加热图

2.3.2.2 圆形加热

图7为加热井的另外一种阵列形式。在同心环形式的体积中,随着环形体积向外移动其周长逐渐增大。所以间插加热可减少外环体积的地层热膨胀。

图7 圆形加热图

此外,各种体积的尺寸大小、形状、位置和加热时间,可利用模拟、计算等方法来确定出地层加热过程中热膨胀的程度,寻找出防止井眼变形的临界点,以达到提高地层的加热效率。

3 电加热技术的特点和发展趋势

根据原位开采电加热工艺的原理和现场试验的结果来看[10-15],原位开采电加热工艺主要具有以下特点:①传导加热岩层,速率小,增加能耗;②不需要对井筒进行隔热,大大减少了成本;③电加热工艺复杂,故障难以排除;④加热井的设计及开发需要进一步的研究;⑤油气迁移动力小,回收率较低。

从油页岩干馏技术发展过程看,现场试验已经证实原位电加热技术可行且具有良好的发展前景。尽管该技术尚未在商业规模上加以验证,但它具有其他加热技术无法相比的优点。未来的原位开采电加热技术的发展趋势主要体现在以下几个方面:

3.1 简化工艺

工艺简单、有效,适应性强,将是今后技术发展的主要方向。相对于蒸汽加热和微波加热工艺,电加热器的材料、结构不仅具有耐高温、耐腐蚀的性能,而且需要绝缘性能好。不同厚度和构造的油页岩储层需要的电加热井的构造不同。复杂的电加热器给井的安装及维护带来了很多不便,而电加热容易发生故障,且难以排除。因此进行工艺的简化是油页岩电加热技术开发的趋势。

3.2 大规模、低成本、高效益

地下原位开采工艺区别于地面干馏工艺的最大特点就是,不需要挖掘地下的油页岩层,而是直接将热量引入地下加热油页岩层。这就涉及电热源的形式和分布、热量的损失、热量控制及热量在地层中的传递等问题。需要在大区块的油页岩开发时,整体采取方形加热或圆形加热的操作方式,减弱油页岩加热时地层膨胀的挤压,避免造成不必要的地层及开采工具的伤害,降低开发成本,提高经济效益。

3.3 综合技术

油页岩层中的有机质被加热到一定高温后就会发生高温裂解。同时,整个地层在各方面的参数也会发生变化,岩石结构、构造、应力分布、物质组成等等方面的参数发生变化。因此油页岩热解技术、温度控制技术、高温页岩油气集输技术、信息控制技术及保温技术等相互渗透、综合、集成和应用是当今技术发展的主要方向。

随着原位开采技术的不断发展,页岩油必将进行大规模商业化生产。原位开采电加热技术是原位开采技术中的重要组成部分,但是中国目前在这方面的研究基本上处于空白状态。根据中国油页岩资源埋藏深,品位低的特点,中国应该大力开展原位开采电加热技术方面的研究工作,为将来全国大规模开发油页岩资源提供技术储备。

[1]雷群,王红岩,赵群,等.国内外非常规油气资源勘探开发现状及建议[J].天然气工业,2008,28(12):7-10.

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Curren t situation and developmen t poten tial of electr ic heating process of in-situ oil shale conversion

Wang Shengpeng,Liu Dexun,Wang Hongyan,Zhao Qun,Fang Chaohe,Zheng Dewen
(New Energy Sources Research Department,Petroleum Ex p loration and Development Research Institute, PetroChina,Langfang,Hebei 065007,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 2,pp.114-118,2/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Through yearsof continuous developmentof oil shale industry in China,great p rogress has beenmade in the related studies of ground oil shale reto rting technology,but,restricted by laborato ry equipment and analytical techniques,few studies focuson the underground one.Up till now,the electric heating p rocess of in-situ oil shale conversion is mature enough to p roduce shale oil. Hereby in this paper,based on the p rinciples of such electric heating p rocess,its flow p rocess and key techniques are bo th exp lained in detail including the choice and design of the electric heaters,the design of the heating wells,the allocation and operation of heating wells,and so on.In addition,the characteristics and development potential of this electric heating p rocess are summarized herein.It is concluded that such electric heating p rocessof in-situ oil shale conversion will dominate in the future in the follow ing aspects:simp le p rocess,large scale,low cost,high p rofit,and advanced integrated techniques.

oil shale,electric heating,in-situ conversion,heating apparatus,heating well,flow p rocess,development potential

国家重大专项“页岩油有效开采关键技术”项目(编号:2008ZX05018)。

王盛鹏,高级工程师;现主要从事非常规油气勘探开发研究工作。地址:(065007)河北省廊坊市万庄44号信箱。电话:(010)69213243。E-mail:w sp_cq@petrochina.com.cn

王盛鹏等.原位开采油页岩电加热技术现状及发展方向.天然气工业,2011,31(2):114-118.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.029

(修改回稿日期 2010-12-20 编辑 罗冬梅)English Editor:JIANGJing-ping TAN Rong-rong

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.029

Wang Shengpeng,senio r engineer,is mainly engaged in research of unconventional hydrocarbon resources exp lo ration and development.

Add:Mail Box 44,Wangzhuang,Langfang,Hebei 065007,P.R.China

Tel:+86-10-6921 3243 E-mail:w sp_cq@petrochina.com.cn

Tel:+86-28-8601 3013

E-mail:jjp lynth@ho tmail.com