新型非常规石油开采技术

因为从油页岩或沥青砂开采气和油的常规技术经济上既不可行,生态上也会破坏,所以需要新的非常规石油开采技术。本文中提出一系列创新方法,例如碎石竖筒原地蒸馏釜加工技术,并展示了该技术的可行性,此外还介绍了作者提出的其他独特的非常规石油开采技术,包括使用水压超临界状态、超临界二氧化碳、等离子通道钻井技术和非燃烧原地方法和其他创新方法。

1 引言

页岩油的提取工艺是将油页岩进行分解使干酪根转换为页岩油。最古老且最常见的提取方法是热解法。

图1 页岩油提取过程

1.1 非原位技术

包括内燃技术、热循环的固体、透壁传导、外部产生的热气、反应性流体、等离子体气话这几个部分。热循环的固体中用到了Alberta Taciuk工艺(ATP,图2)。

图2 Alberta Taciuk工艺蒸馏釜

1.2 原地技术

原地技术在地下加热油页岩,方式是把热流体注入岩石地层,或者使用线状或面状热源,通过热传导和对流将热量分布到目标区域。然后通过钻入地层的垂直井回收页岩油。

图3 壳牌原地转换工艺(Shell ICP)

图4 雪佛龙CRUSH工艺

使用无线电波的油页岩立体加热技术假定某一频率的射频透入深度可以达到数十米,从而减小了传导加热所需的热扩散时间(图5)。

图5 使用射频的页岩立体加热

1.3 底线就是底线:经济可行性的度量

油页岩作为能源的生存能力在于提取的油中的能量与其采矿和加工中所用的能量的比值(EROEI)。为了提高EROEI,提出了几种结合的技术。

2 本文的创新方法简述

本文将展示碎石竖筒原地蒸馏釜加工的技术可行性,此外将介绍作者提出的其他独特的非常规石油开采技术。

3 碎石竖筒原地蒸馏釜加工

随着燃烧向下进展,一层又一层被加热。随着页岩层变得足够热,油被释放并蒸发。蒸汽然后在更下方的页岩层中冷凝。并且这种油能够被泵出。但是首先你必须掘取它,然后你必须蒸馏它──过程非常昂贵。不仅如此,需要消耗大量的钢、大量的资金投入。

图6 碎石竖筒的形态

巨大的洞穴是小型核试验的结果。图7为1961年12月GNOME计划在地下1200英尺处启动3100吨爆炸装置的结果。

图7 GNOME计划产生的碎石竖筒

4 常规地下爆炸和人工地震的理论

4.1 常规地下爆炸

不同物质的临界坍塌压力p见表1。

表1 不同物质的临界坍塌压力p

图8为爆炸示意图。
孔穴和渗透性半径的计算结果见图9、图10。

图8 地下核爆炸示意图
图例:1─井架(钻塔); 2─通道; 3─天然气输送方向; 4─爆炸空洞; 5─爆炸后土壤渗透区;6─油气层

图9 不同土壤强度形成的地下空洞半径与所用TNT炸药质量的关系

图10 不同地表位移时岩石渗透半径与地下空洞半径的关系

4.2 地下核爆炸

“服务国家经济的核爆炸”是前苏联一项用于研究和平核爆炸(peaceful nuclear explosions,PNE)的计划。它类似于美国的“犁头”计划(Operation Plowshare)。这些试验的目的与美国类似,但是其中6次具有实用性,它们的目的不是在于试验本身,而是用于扑灭失控气井火灾和甲烷喷发。
PNE的几个应用领域,比如深部地震测深和石油增产,都得到了深入的研究,并且显现出较好的成本效益和较小的公共风险。但随后美国和前苏联都终止各自的计划。

4.3 用于经济发展的和平地下核爆炸计算结果

计算结果见图11、图12。图中有空洞的半径。

图11 不同地表强度下,地下空洞半径与核炸药能量的关系

图12 不同地表位移时岩石渗透率与地下核爆炸空洞半径的关系

4.4 地下爆炸引起的人工地震

现实中只有大型地下核爆炸能够产生强烈爆炸。

5 经济可行性

几次较为成功的油页岩矿床开发项目都发生在该地区页岩油的生产成本低于原油价格或其替代品的价格(保本价格)时。根据兰德公司的调研结果,美国的地面蒸馏综合设施(包括采矿、蒸馏厂、精炼厂、配套设施和页岩再利用)生产一桶油的成本在70~95美元之间(根据2005年的价格调整为440~600美元/立方米)。

图13 加工后的油页岩碎屑

6 创新的非常规石油开采方法

包括使用超临界状进行非常规石油开采、超临界二氧化碳用于超临界态非常规石油开采、用熔岩等离子通道钻井技术(rock melting plasma tunneler)进行原地石油开采、低温条件下的非常规石油开采、低温条件下的非常规天然气开采、使用非燃烧方式的非常规石油开采。

图14 在海水压力下对油页岩加热的示意图

图15 超临界态的临界点

图16 SFE装置的示意图

图17 浓度曲线

图18 典型的SFE提取过程的浓度曲线
其中:(a)受扩散速度限制;(b)受溶解度限制。

图19 典型的压裂技术

图20 通过压裂获取石油的示意图

图21 等离子体钻孔机示意图

资料来源:Alexander Bolonkin, Joseph Friedlander, Shmuel Neumann,et al. Innovative unconventional oil extraction technologies. Fuel Processing Technology, 2014: 228–242.

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