黃 非 宮婷婷
(長(zhǎng)春工程學(xué)院勘查與測(cè)繪工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130021)
常規(guī)石油勘探開(kāi)發(fā)已經(jīng)難以滿足當(dāng)今世界發(fā)展的能源需求,石油開(kāi)發(fā)也遇到了瓶頸[1]。作為一種非常規(guī)石油能源,油頁(yè)巖逐漸受到各國(guó)的重視[2]。地質(zhì)學(xué)家們經(jīng)過(guò)幾年的研究和勘查發(fā)現(xiàn),油頁(yè)巖雖然在世界范圍內(nèi)蘊(yùn)藏量十分巨大,但其開(kāi)采成本遠(yuǎn)高于常規(guī)石油,為此國(guó)內(nèi)外都在積極研究油頁(yè)巖開(kāi)采技術(shù),降低油頁(yè)巖開(kāi)采成本[3-4]。在國(guó)外已經(jīng)研究出干餾、地下轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)(ICP)、美國(guó)??松梨诩夹g(shù)(Electrofrac)、傳導(dǎo)加熱技術(shù)(GFC)、碎石化技術(shù)(CRUSH)、頻射、射頻/臨界流技術(shù)(RF/CF)等油頁(yè)巖開(kāi)采技術(shù)[5-8],但存在工藝復(fù)雜、成本高、熱量損失大、回收率低等缺點(diǎn)。
中國(guó)頁(yè)巖油多采用對(duì)流加熱的開(kāi)采方式[9-10],即布置多個(gè)垂直豎井,通過(guò)高溫加熱至熱解后形成的油氣,隨著蒸汽排到地面,完成油頁(yè)巖開(kāi)采。雖然該開(kāi)采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了油頁(yè)巖開(kāi)采,但是該技術(shù)在滲透的過(guò)程中,存在熱量損失大、開(kāi)采率低、開(kāi)采速度較慢、開(kāi)采質(zhì)量不高等缺點(diǎn)[11-14]。采用磁分離技術(shù),利用油頁(yè)巖本身存在的磁性,借助外力磁場(chǎng)的作用,將油頁(yè)巖中的油氣分離出來(lái),從而提高油頁(yè)巖開(kāi)采率,降低頁(yè)巖油的開(kāi)采成本。該項(xiàng)技術(shù)可為油頁(yè)巖原位開(kāi)采提供新的思路和方向。
選擇吉林省樺甸市油頁(yè)巖作為此次實(shí)驗(yàn)研究油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)的研究樣本。在吉林省樺甸市的某露天礦采出實(shí)驗(yàn)樣本后,立即用石蠟對(duì)油頁(yè)巖樣本進(jìn)行封存處理。在吉林省煤炭地質(zhì)研究所檢測(cè)中心測(cè)試油頁(yè)巖樣本的含油率,檢測(cè)結(jié)果為:
(1)工業(yè)分析結(jié)果。
固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.09%,灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.17%,水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.31%,揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.43%。(2)元素分析結(jié)果。
氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.23%,氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.04%,碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67.44%,全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.81%,氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.48%。
(3)物理性質(zhì)分析結(jié)果。
質(zhì)量熱容為2.0×103J/(kg·K),滲透率為2.0×10?11μm2,導(dǎo)熱系數(shù)為2.4 W/(m·K),密度為2.2×103kg/m3,熱膨脹系數(shù)為5.0×10?6K?1,泊松比為0.27,彈性模量為25 GPa,孔隙度為0.38%。
油頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)樣本外觀呈現(xiàn)出深褐色,富有油脂光澤,表面未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫,表明此次實(shí)驗(yàn)選擇的油頁(yè)巖樣本,裂縫不發(fā)育[15]。采用磨損實(shí)驗(yàn)機(jī),將油頁(yè)巖樣本研磨成小于0.2 mm 粒徑的巖石顆粒,完成樣品制備。
由于此次開(kāi)采油頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)采用磁分離技術(shù),需要使用磁性吸附劑讓油頁(yè)巖的每顆顆粒都帶有磁性,從而分離出油頁(yè)巖,剔除在原位開(kāi)采過(guò)程中不需要的礦物質(zhì)。為此此次實(shí)驗(yàn)選擇的磁分離試劑如表1 所示。
表1 油頁(yè)巖原位開(kāi)采實(shí)驗(yàn)的磁分離試劑類型及性質(zhì)Table 1 Types and properties of magnetic separating agents for oil shale in-situ experiment
基于此次實(shí)驗(yàn)所選擇的實(shí)驗(yàn)樣本以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程的分析裝置和設(shè)備為:元素分析儀,型號(hào)為DHF84;熱電偶,型號(hào)為WRP-131;含油量測(cè)定裝置;實(shí)驗(yàn)室用具組裝;微波加熱爐;電子天平,型號(hào)為TP-A200;同步熱分析儀,型號(hào)為HS-STA-002;高梯度超導(dǎo)磁分離設(shè)備,型號(hào)為JKS102,攪拌器,型號(hào)為S312;低溫恒溫槽,型號(hào)為DC-0506;磨損試驗(yàn)機(jī),型號(hào)為M-2000;熱重分析儀,型號(hào)為DTU-2B;電磁流量計(jì),型號(hào)為FLDC。
基于此次實(shí)驗(yàn)選擇的實(shí)驗(yàn)對(duì)象,確定的實(shí)驗(yàn)試劑和實(shí)驗(yàn)設(shè)備,設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件:
(1)將此次實(shí)驗(yàn)采集的油頁(yè)巖樣品,全部采用磨損實(shí)驗(yàn)機(jī),讓其粒徑小于(等于)0.2 mm;
(2)采用電子天平稱量油頁(yè)巖樣品時(shí),電子天平靈敏度調(diào)為±0.05 μg;
(3)進(jìn)行原位開(kāi)采油頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)時(shí),溫度最高控制在950 ℃,最低溫度為室內(nèi)溫度。
此次油頁(yè)巖原位開(kāi)采實(shí)驗(yàn)是在微波加熱分解油頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用磁性吸附試劑,增加油頁(yè)巖磁性,提高頁(yè)巖油的提取速率。所以采用高梯度超導(dǎo)磁分離設(shè)備分離油頁(yè)巖中的各種元素,通過(guò)熱解析作用得到頁(yè)巖油,最后采用冷凝方式收集頁(yè)巖油,從而保證頁(yè)巖油的產(chǎn)量和質(zhì)量。將此次實(shí)驗(yàn)已經(jīng)分為小顆粒的油頁(yè)巖采用電子天平分別稱質(zhì)量10 kg,裝入干餾釜內(nèi)備用。實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。
圖1 微波加熱頁(yè)巖油原位開(kāi)采實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Experimental workflow of in-situ shale oil production by microwave heating
選擇傳統(tǒng)微波熱解方式原位開(kāi)采的油頁(yè)巖,作為此次實(shí)驗(yàn)研究的原位開(kāi)采技術(shù)對(duì)比樣品,對(duì)比內(nèi)容:
(1)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,相同時(shí)間同步原位開(kāi)采油頁(yè)巖,對(duì)比2 種開(kāi)采技術(shù)原位開(kāi)采頁(yè)巖油需要的溫度變化;
(2)分析此次收集到的頁(yè)巖油可以制成各種油質(zhì)組織的質(zhì)量,并與傳統(tǒng)油頁(yè)巖開(kāi)采技術(shù)提取到的各種油質(zhì)組織所占比例進(jìn)行對(duì)比;
(3)收集微波加熱爐內(nèi)側(cè)、爐中側(cè)、爐尾側(cè)等位置殘留物,采用熱重分析儀分析殘留物的熱重。
基于圖1 所示的頁(yè)巖油原位開(kāi)采實(shí)驗(yàn)步驟確定的實(shí)驗(yàn)技術(shù),設(shè)計(jì)磁分離油頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)過(guò)程,如圖2所示。
圖2 磁分離油頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)流程Fig.2 Experimental workflow of magnetic separated oil shale
圖2中,P 表示試劑管之間的控制閥門。磁分離油頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)過(guò)程為:將表1 所制備的油頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)樣本放置原水中,提取油頁(yè)巖顆粒,增加油頁(yè)巖磁性,采用Fe3O4Al(OH)3試劑,通過(guò)攪拌器攪拌2 h,對(duì)油頁(yè)巖進(jìn)行磁分離處理。在這個(gè)過(guò)程中,使用電磁流量計(jì)控制流速v,其計(jì)算公式[16-17]為
式中:v——流速,m/s;S——管道橫截面積,m2;Q——電磁流量,m3/h。
根據(jù)式(1)得到的流速,控制高梯度超導(dǎo)磁分離設(shè)備流速。2 h 后,先采用高梯度超導(dǎo)磁分離設(shè)備分離油頁(yè)巖中無(wú)用的物質(zhì),如石英、云母、黏土等礦物質(zhì)。
基于此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的油頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)方案,采用的微波加熱分解裝置分解油頁(yè)巖,裝置如圖3 所示。根據(jù)圖3 微波加熱分解裝置可知,實(shí)驗(yàn)在頻率2 450±50 MHz、最大功率為1 600 W 的連續(xù)可調(diào)的MKX-J1D1 型微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行,準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的油頁(yè)巖樣品(粒徑小于6 mm),裝于直徑為50 mm 的石英管中,連接好熱解產(chǎn)物回收裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)此次設(shè)計(jì)的原位開(kāi)采技術(shù),基于圖1 所示實(shí)驗(yàn)步驟,完成油頁(yè)巖原位開(kāi)采。
圖3 油頁(yè)巖微波加熱分解裝置示意Fig.3 Schematic diagram of microwave heating and decomposing instruments for oil shale
根據(jù)上述設(shè)計(jì)的油頁(yè)巖原位開(kāi)采步驟和實(shí)驗(yàn)方案,為驗(yàn)證此次采用磁分離技術(shù),設(shè)計(jì)的油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)成果,需要計(jì)算油頁(yè)巖的含油率、油頁(yè)巖經(jīng)過(guò)開(kāi)采后的頁(yè)巖油收集率以及油頁(yè)巖的水分含量和油頁(yè)巖半焦收率。計(jì)算公式[18-19]為:
式 中:W1—— 熱 解 后 頁(yè) 巖 油 收 集 率,% ;a——冷凝回收頁(yè)巖油質(zhì)量,g;b——總的加熱水質(zhì)量,g;m——油頁(yè)巖樣品質(zhì)量,g;W2——試樣水質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;W3——油頁(yè)巖半焦收率,%;c——油頁(yè)巖半焦質(zhì)量,g。
根據(jù)式(2)、式(3)、式(4)即可得到油頁(yè)巖原位開(kāi)采后頁(yè)巖油質(zhì)量,并以此為依據(jù)進(jìn)行對(duì)比。
此次實(shí)驗(yàn)主要研究油頁(yè)巖原位開(kāi)采效果,首先將研究期內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)建立成數(shù)據(jù)庫(kù),然后采用SPSS17.0 軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)的結(jié)果,計(jì)量資料以(-x±s)表示,最后計(jì)數(shù)資料組間比較采用x2檢驗(yàn),若差異值小于0.05,則具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[20]。
采用圖3 所示的實(shí)驗(yàn)裝置,按照?qǐng)D1 所示的實(shí)驗(yàn)步驟,2 種油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)同步進(jìn)行,使用同步熱分析儀測(cè)量同一時(shí)間內(nèi)兩種技術(shù)的溫度變化。本組實(shí)驗(yàn)中,微波加熱的功率為600 W,實(shí)驗(yàn)選擇的油頁(yè)巖熱解溫度為550 ℃。通過(guò)溫度變化可以判斷兩組開(kāi)采技術(shù)的開(kāi)采速度和采收率。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。
圖4 2種油頁(yè)巖原位開(kāi)采方法溫度對(duì)比Fig.4 Comparisons of temperature between 2 in-situ oil shale exploitation methods
從圖4 中可以看出,本文研究的原位開(kāi)采技術(shù)經(jīng)過(guò)磁分離技術(shù)處理后,在400 s 內(nèi)出現(xiàn)溫度上升趨勢(shì),溫度變化明顯,在600 s 時(shí)達(dá)到熱解溫度;而傳統(tǒng)原位開(kāi)采技術(shù)油頁(yè)巖加熱溫度上升趨勢(shì)緩慢,當(dāng)時(shí)間達(dá)到1 200 s 時(shí)油頁(yè)巖依然未曾達(dá)到熱解溫度。由此可見(jiàn),此次實(shí)驗(yàn)研究的油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù),使得微波快速加熱油頁(yè)巖,升溫效率更高,從而縮短了油頁(yè)巖原位開(kāi)采時(shí)間。
基于此次實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案,采用上述實(shí)驗(yàn)流程和設(shè)備原位開(kāi)采油頁(yè)巖,采用元素分析儀分析2 種原位開(kāi)采油頁(yè)巖產(chǎn)出的頁(yè)巖油質(zhì)組分,并使用含油量測(cè)定裝置測(cè)定不同油質(zhì)組分含量,采用式(2)計(jì)算出每種油質(zhì)組分所占比例,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。從圖5 中可以看出,此次研究的原位開(kāi)采技術(shù)開(kāi)采油頁(yè)巖得到的頁(yè)巖油以中質(zhì)油為主,輕質(zhì)油次之,2 種油質(zhì)的產(chǎn)量總和占頁(yè)巖油總產(chǎn)量的99%;而傳統(tǒng)的原位開(kāi)采技術(shù)開(kāi)采油頁(yè)巖得到的頁(yè)巖油,中質(zhì)油、輕質(zhì)油和重質(zhì)油比例相差不大,但是僅占頁(yè)巖油總產(chǎn)量的90%。由此可見(jiàn),此次研究的油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)可以提高頁(yè)巖油產(chǎn)物的品質(zhì)和產(chǎn)量。
圖5 2種原位開(kāi)采技術(shù)獲得的不同油質(zhì)組分比例Fig.5 Proportions of different oil-quality components obtained by 2 in-situ exploitation methods
在上述采用本次的磁分離技術(shù)和傳統(tǒng)的微波加熱分解技術(shù)進(jìn)行的2 組原位開(kāi)采實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,分別殘留在微波加熱爐內(nèi)側(cè)、中側(cè)和尾側(cè)的油頁(yè)巖殘留物,測(cè)量殘留物的熱重值。
為保持實(shí)驗(yàn)的一致性,在微波加熱爐加熱至爐內(nèi)溫度達(dá)到600 ℃后,采用熱重分析儀分析這2種原位開(kāi)采技術(shù)在開(kāi)采油頁(yè)巖過(guò)程中殘留在爐內(nèi)側(cè)、中側(cè)和尾側(cè)的油頁(yè)巖殘留物,判斷2 種原位開(kāi)采技術(shù)對(duì)油頁(yè)巖的分解程度。其實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果圖6所示。
從實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果(圖6)可以看出,這2 種技術(shù)在油頁(yè)巖原位開(kāi)采時(shí)的油頁(yè)巖質(zhì)量損失為99%。隨著微波加熱分解溫度的增加,在微波加熱爐內(nèi)側(cè)、中側(cè)和尾側(cè)檢測(cè)出的油頁(yè)巖殘?jiān)|(zhì)量損失出現(xiàn)較大差異。從油頁(yè)巖殘留物熱重對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),本文采用的磁分離原位開(kāi)采技術(shù)在爐內(nèi)側(cè)、中側(cè)和尾側(cè)殘留的油頁(yè)巖殘留物熱重明顯大于傳統(tǒng)的原位開(kāi)采技術(shù),且殘留物的質(zhì)量損失(質(zhì)量損失率=總占比-熱重)小于傳統(tǒng)原位開(kāi)采技術(shù)。由此可見(jiàn),此次研究的磁分離油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)對(duì)油頁(yè)巖微波加熱分解更為充分。
圖6 2組油頁(yè)巖原位開(kāi)采殘留物熱重對(duì)比Fig.6 Thermogravimetric comparisons of 2 groups of oil shale in-situ exploited residues
此次油頁(yè)巖原位開(kāi)采實(shí)驗(yàn)研究,在傳統(tǒng)的油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)的基礎(chǔ)上加入磁分離技術(shù),分離油頁(yè)巖分解出頁(yè)巖油過(guò)程中所不需要的元素和成分,以期提高油頁(yè)巖原位開(kāi)采速度、質(zhì)量,降低原位開(kāi)采過(guò)程中油頁(yè)巖損失。此次原位開(kāi)采實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案和步驟,為了全面分析此次研究的油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)開(kāi)采頁(yè)巖油效果,基于此次實(shí)驗(yàn)的主要目的,從原位開(kāi)采速度、質(zhì)量和頁(yè)巖油產(chǎn)量損失3 個(gè)角度出發(fā),采用傳統(tǒng)原位開(kāi)采方式作為對(duì)照,分析此次實(shí)驗(yàn)研究的油頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)。
從對(duì)比結(jié)果中可以判斷,采用磁分離技術(shù)對(duì)油頁(yè)巖進(jìn)行預(yù)處理,可以提高微波加熱技術(shù)對(duì)油頁(yè)巖的加熱效果,降低油頁(yè)巖的分解點(diǎn),加快油頁(yè)巖升溫速度,從而提高油頁(yè)巖原位開(kāi)采速度。然而在油頁(yè)巖分解點(diǎn)降低時(shí),采用微波加熱方式原位開(kāi)采油頁(yè)巖過(guò)程中,微波加熱爐卻可以根據(jù)設(shè)置的溫度不斷增加,讓油頁(yè)巖在與傳統(tǒng)原位開(kāi)采技術(shù)等同的時(shí)間下,得到更充分的燃燒,增加油頁(yè)巖產(chǎn)量。
從對(duì)比結(jié)果中可以判斷,經(jīng)過(guò)磁分離技術(shù)處理后的油頁(yè)巖,排除了油頁(yè)巖中大部分的黏土礦物,微波加熱原位開(kāi)采油頁(yè)巖的過(guò)程中進(jìn)一步減少了水分子對(duì)黏土礦物的吸附能力,讓高溫加熱過(guò)程中產(chǎn)生的高溫過(guò)熱蒸汽所含有的氫鍵,進(jìn)入油頁(yè)巖的微小孔隙中,讓油頁(yè)巖在微波加熱爐中處于受熱充分狀態(tài),增加油頁(yè)巖孔隙的油相滲流通道,減小了油頁(yè)巖孔隙的滲流阻力。
此外,油頁(yè)巖經(jīng)過(guò)磁分離處理減少了一些礦物元素,加熱過(guò)程中產(chǎn)生的瀝青,經(jīng)過(guò)化學(xué)作用由原本的重質(zhì)烴變?yōu)橹匈|(zhì)烴和輕質(zhì)烴,從而增加了中質(zhì)油和輕質(zhì)油的產(chǎn)量。
從對(duì)比結(jié)果中可以判斷,微波加熱是油頁(yè)巖原位開(kāi)采的主要分解手段,加熱過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽,熱解油頁(yè)巖并與油頁(yè)巖中的礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。
過(guò)熱蒸汽在爐內(nèi)側(cè)溫度600 ℃時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)量損失比(樣品損失質(zhì)量/樣品質(zhì)量) 為11.41%,600 ℃之后質(zhì)量損失比為5.63%,與原樣質(zhì)量接近。所以在爐內(nèi)側(cè)僅僅促進(jìn)了油頁(yè)巖熱解;過(guò)熱蒸汽通過(guò)爐中側(cè)時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)量損失較原樣質(zhì)量減少得十分明顯,所以油頁(yè)巖在爐中側(cè)加熱開(kāi)采效果最好;過(guò)熱蒸汽到達(dá)爐尾側(cè)時(shí),在溫度600 ℃時(shí)及600 ℃之后油頁(yè)巖的質(zhì)量損失比分別為4.61%、8.06%,質(zhì)量損失減少表明油頁(yè)巖中存在的有機(jī)質(zhì)出現(xiàn)了熱解現(xiàn)象,但熱解程度已經(jīng)降至最低。質(zhì)量損失增加表明未與油頁(yè)巖反應(yīng)的過(guò)熱蒸汽全部聚集在爐尾側(cè),促使過(guò)熱蒸汽與油頁(yè)巖中的有機(jī)物質(zhì)發(fā)生充分反應(yīng),降低油頁(yè)巖的熱解。
(1)磁分離技術(shù)分離油頁(yè)巖中的物質(zhì),可以提高油頁(yè)巖的受熱速度,增加油頁(yè)巖產(chǎn)生頁(yè)巖油的產(chǎn)量。
(2)磁分離技術(shù)可以降低油頁(yè)巖熱解溫度,從而達(dá)到較高程度的熱解,該技術(shù)操作簡(jiǎn)單,適用于大規(guī)模的油頁(yè)巖開(kāi)發(fā)。
(3)因未考慮油頁(yè)巖巖心對(duì)油頁(yè)巖原位開(kāi)采的影響,此次實(shí)驗(yàn)存在熱解不均勻的現(xiàn)象。今后還需在不降低油頁(yè)巖產(chǎn)出的頁(yè)巖油質(zhì)量情況下,盡可能地讓油頁(yè)巖受熱均勻,充分分解,從而進(jìn)一步提高油頁(yè)巖開(kāi)采效率和質(zhì)量。
大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)2022年4期