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(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油油氣儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

頁(yè)巖層系內(nèi)的非常規(guī)油氣已成為全球油氣勘探開(kāi)發(fā)的亮點(diǎn)，特別是在北美地區(qū)已經(jīng)形成Marcellus、Haynesville、Eagle ford、Fayetteville、Barnett、Woodford、Utica、Bakken八大年產(chǎn)量超過(guò)172×108m3的頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)以及Eagle ford、Bakken、Wolfcamp、Niobrara四大年產(chǎn)量超過(guò)2000×104t的致密油生產(chǎn)區(qū)。2016年美國(guó)致密油產(chǎn)量占其全國(guó)原油總產(chǎn)量的47%，頁(yè)巖氣產(chǎn)量占天然氣總產(chǎn)量的57%[1-4]。經(jīng)過(guò)10年的探索與實(shí)踐，中國(guó)繼北美地區(qū)之后在頁(yè)巖油氣勘探領(lǐng)域獲得重大突破，在四川盆地志留系五峰—龍馬溪頁(yè)巖、鄂爾多斯盆地陸相頁(yè)巖等獲得頁(yè)巖氣突破，在鄂爾多斯盆地、松遼盆地、柴達(dá)木盆地獲得致密油突破，2016年頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)到75×108m3，致密油年產(chǎn)量超過(guò)100×104t。最新研究認(rèn)為致密油氣、頁(yè)巖油氣為源內(nèi)或近源聚集，為非常規(guī)油氣，屬于源內(nèi)體系；油頁(yè)巖加熱蒸餾生成的人造頁(yè)巖油為原地裂解型非常規(guī)油氣資源，屬干酪根體系；源內(nèi)體系和干酪根體系的非常規(guī)油氣資源有序聚集，即演化有序、空間共生[5-7]。事實(shí)上，頁(yè)巖油(Shale hosted oil)目前尚未在陸相地層中規(guī)模開(kāi)發(fā)[8]，主要原因是中國(guó)陸相頁(yè)巖的成熟度和孔隙度較低。油氣行業(yè)下一次革命很可能是“干酪根革命”。

值得注意的是，筆者所稱的頁(yè)巖油本質(zhì)是賦存在含油頁(yè)巖(Oil-bearing shale)中的成熟原油，不同于未熟油頁(yè)巖(Oil shale)加熱蒸餾生成的人造頁(yè)巖油(Shale oil)，也不同于賦存在致密砂巖、致密灰?guī)r以及致密凝灰?guī)r儲(chǔ)層中的致密油(Tight Oil)。如何將頁(yè)巖中的頁(yè)巖油和干酪根中的人造頁(yè)巖油一起開(kāi)采利用成為一個(gè)重大的科學(xué)技術(shù)難題。盡管20世紀(jì)50年代中國(guó)就在廣州茂名加工油頁(yè)巖獲得人造頁(yè)巖油，但其主要是露天或者井下坑道開(kāi)采后送至地面粉碎，然后在加熱爐內(nèi)加工的方式，同時(shí)地面干餾技術(shù)開(kāi)發(fā)油頁(yè)巖的深度不能超過(guò)400 m[9]。

中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院和荷蘭皇家殼牌集團(tuán)頁(yè)巖油聯(lián)合小組通過(guò)攻關(guān)，初步認(rèn)為原位轉(zhuǎn)化技術(shù)適用于中國(guó)，即通過(guò)大規(guī)模地下體積加熱建立“地下煉廠”，從而將富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)原位改質(zhì)成輕質(zhì)油和凝析油，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油的有效開(kāi)采。目前已經(jīng)在鄂爾多斯盆地初步優(yōu)選出原地轉(zhuǎn)化的有利區(qū)，并積極準(zhǔn)備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[10]。筆者認(rèn)為有必要詳細(xì)調(diào)研原位改質(zhì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、全球試驗(yàn)效果、存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，歸納出重點(diǎn)研究和攻關(guān)領(lǐng)域，對(duì)其應(yīng)用步驟和前景進(jìn)行展望，從而為我國(guó)更好地利用原位改質(zhì)技術(shù)和建立示范區(qū)提供幫助。

1 頁(yè)巖原位開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀及工業(yè)意義

全球頁(yè)巖油(加工油頁(yè)巖的人造頁(yè)巖油)資源約4 090×108t，美國(guó)約占其中的73%，主要分布在美國(guó)猶他州、科羅拉多州和懷阿明州交界的綠河頁(yè)巖。油氣資源評(píng)價(jià)我國(guó)1 000 m以內(nèi)的頁(yè)巖油(加工油頁(yè)巖的人造頁(yè)巖油)資源量為476.44×108t，全國(guó)頁(yè)巖油(加工油頁(yè)巖的人造頁(yè)巖油)可回收資源為119.79×108t，位列世界第二，如圖1所示。其中

圖1 全球頁(yè)巖油資源量分布Fig.1 Global shale oil resource distribution

埋藏在0～500 m的頁(yè)巖油資源量為333.09×108t，頁(yè)巖油可回收資源量為84.18×108t；埋藏在500～1 000 m的頁(yè)巖油資源量為143.35×108t，其頁(yè)巖油可回收資源量為35.62×108t[注]① 原國(guó)土資源部等編制.新一輪全國(guó)油氣資源評(píng)價(jià)總報(bào)告, 2007。；對(duì)埋藏深度超過(guò)1 000 m的頁(yè)巖油資源未作評(píng)價(jià)，但潛力仍巨大。盡管美國(guó)紅葉資源公司(Red leaf resources)已經(jīng)將頁(yè)巖油技術(shù)成本降低到22美金/桶，但是對(duì)于400 m以下深度的油頁(yè)巖，地面干餾技術(shù)仍面臨生產(chǎn)成本增加使效益降低、占地面積大、干餾后殘?jiān)枰幚怼⒗速M(fèi)水資源、空氣污染大、采礦區(qū)易塌陷等系列問(wèn)題[11]，原位開(kāi)采技術(shù)則能克服該難題。

事實(shí)上，地下原位開(kāi)采技術(shù)可分兩個(gè)階段，即20世紀(jì)60—70年代發(fā)展的早期原位干餾技術(shù)和20世紀(jì)80年代發(fā)展的原位轉(zhuǎn)化技術(shù)。在原位開(kāi)采中，加熱技術(shù)最為關(guān)鍵。按照加熱方式，原位開(kāi)采技術(shù)分為電加熱技術(shù)、蒸汽加熱技術(shù)和微波輻射加熱技術(shù)等，涉及熱輻射加熱、熱傳導(dǎo)加熱和熱對(duì)流加熱等方式(表1)。美國(guó)土地管理局于2005年6月和2009年11月先后進(jìn)行第一輪和第二輪RD&D項(xiàng)目試驗(yàn)區(qū)招標(biāo)工作，目前原位開(kāi)采技術(shù)相對(duì)比較成熟并獲得美國(guó)土地管理局RD&D項(xiàng)目試驗(yàn)區(qū)的有殼牌公司、雪佛龍公司、AMSO公司、?？松梨诠竞吞烊惶K達(dá)公司(Natural Soda)[注]②③ OSTS PEIS, Appendix A: Oil shale development background and technology overview, 2012.。鑒于國(guó)內(nèi)已有大量文獻(xiàn)介紹原位開(kāi)采技術(shù)的原理等，本文不再贅述[12-15]。值得注意的是，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)領(lǐng)域走到前列的是殼牌ICP技術(shù)，該技術(shù)具有生產(chǎn)高質(zhì)量輕質(zhì)原油、對(duì)地面無(wú)污染、較高的采收率等優(yōu)點(diǎn)。不僅在美國(guó)綠河頁(yè)巖中開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在約旦海相頁(yè)巖層也開(kāi)展過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。本文重點(diǎn)調(diào)研其在上述兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)和工藝，指出目前該技術(shù)商業(yè)化的步驟和研究攻關(guān)的方向。

表1 國(guó)外原位開(kāi)采技術(shù)及其特點(diǎn)Table 1 Technology and its characteristics of in-situ mining

殼牌在全世界最為典型的陸相頁(yè)巖美國(guó)綠河頁(yè)巖開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)中試。試驗(yàn)包括3塊獨(dú)立區(qū)塊，均位于美國(guó)科羅拉多州里奧勃蘭克郡，屬于皮申斯盆地，測(cè)試地點(diǎn)海拔為2 005.6～2 151.9 m。利用3種不同的方法測(cè)試原位開(kāi)采頁(yè)巖油③。地點(diǎn)1使用ICP自加熱的方式對(duì)頁(yè)巖加熱開(kāi)采頁(yè)巖油。第一步使用井間距為2.44 m的150口井建冷墻，通過(guò)-42.8 ℃冷藏流體在閉環(huán)管道系統(tǒng)和井筒中循環(huán)，冷卻時(shí)間需要6～12個(gè)月，直到ICP項(xiàng)目完成后才能消融；第二步為冷墻建立后，在冷墻內(nèi)鉆10口排水井移除冷墻內(nèi)的地下水，當(dāng)然這些排水井在ICP工程后期能轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)井；第三步鉆30口加熱井，間距7.6 m，加熱幾年時(shí)間將周圍巖層溫度加熱達(dá)到288～399 ℃。此外，在冷墻內(nèi)外還需要鉆一些監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)冷墻內(nèi)外地下巖層的溫度、壓力和含水情況。地點(diǎn)1全能力生產(chǎn)油氣當(dāng)量為600桶/天。地點(diǎn)2使用兩步-ICP方法。第一步先注入熱水提取蘇打，因?yàn)轫?yè)巖中的蘇打成分限制了ICP的使用。通過(guò)熱水溶解蘇打后不僅增加了頁(yè)巖的孔滲，增加了熱傳導(dǎo)效率，還能將地層加熱到120 ℃，起到節(jié)能效果；第二步開(kāi)始與地點(diǎn)1相似的ICP工藝對(duì)頁(yè)巖加熱開(kāi)采頁(yè)巖油。地點(diǎn)2全能力生產(chǎn)油氣當(dāng)量為1 500桶/天。地點(diǎn)3使用E-ICP方法，即通過(guò)裸線加熱頁(yè)巖開(kāi)采頁(yè)巖油，是一種專利保護(hù)的原位開(kāi)采技術(shù)，熱傳導(dǎo)加上電流通過(guò)頁(yè)巖層時(shí)產(chǎn)生熱量能大大改善原位改質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中使用70～100個(gè)垂直加熱器，間距為6～12 m，裸露電極加熱器長(zhǎng)度為594 m，設(shè)計(jì)大部分熱量集中輸出在底部的305 m，其余過(guò)程與地點(diǎn)1基本一致。地點(diǎn)3全能力生產(chǎn)油氣當(dāng)量為1 000桶/天。產(chǎn)出物成分包括液態(tài)烴、酸氣和酸水3類，酸是因?yàn)楹辛蚧锖虲O2氣體。總體而言，試驗(yàn)效果良好，證實(shí)了原位改質(zhì)技術(shù)的可行性。

殼牌在全世界最著名的油氣區(qū)中東選擇約旦海相頁(yè)巖開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[16]。2009年5月，殼牌與約旦簽訂油頁(yè)巖協(xié)議，并成立全資子公司約旦頁(yè)巖油公司(JOSCO)開(kāi)展約旦國(guó)內(nèi)頁(yè)巖油的生產(chǎn)與管理。約旦頁(yè)巖油的發(fā)展共劃分為5個(gè)階段，每個(gè)階段的任務(wù)和目標(biāo)是明確的，值得我國(guó)開(kāi)展頁(yè)巖油原位改質(zhì)時(shí)借鑒(圖2)。

圖2 JOSCO頁(yè)巖油開(kāi)采項(xiàng)目的五個(gè)階段Fig.2 Five stages of JOSCO shale oil recovery project

從2010年開(kāi)始，陸續(xù)鉆井超過(guò)300口，評(píng)價(jià)油頁(yè)巖資源的豐度和厚度，50口井來(lái)確定地層頂?shù)装宓姆舛滦裕瓿沙^(guò)500個(gè)水文地質(zhì)試驗(yàn)。通過(guò)“熱線”測(cè)試單元獲得頁(yè)巖層段整體的熱導(dǎo)剖面，通過(guò)微裂縫測(cè)試試驗(yàn)評(píng)價(jià)地應(yīng)力、裂縫斜度以及開(kāi)啟壓力為鉆井以及地質(zhì)力學(xué)研究提供關(guān)鍵參數(shù)。特別指出，殼牌高度重視試驗(yàn)，在約旦成立中東地區(qū)頂級(jí)的地質(zhì)和地球化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室，已完成數(shù)千個(gè)巖屑和巖芯樣品的測(cè)試。通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)在約旦優(yōu)選出3個(gè)“甜點(diǎn)區(qū)”(具有較高的資源豐度和厚度)。選出的“甜點(diǎn)區(qū)”還將進(jìn)一步開(kāi)展鉆井、水文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和井下評(píng)價(jià)等工作。同時(shí)，為綜合評(píng)價(jià)研究建立了一個(gè)先進(jìn)的數(shù)值油藏模型，其部分輸入?yún)?shù)需要專用的裝置進(jìn)行測(cè)試。例如，專用的巖石熱解試驗(yàn)用來(lái)評(píng)價(jià)原位轉(zhuǎn)化過(guò)程；巖石力學(xué)變形測(cè)試以及原位加熱過(guò)程中頁(yè)巖層的孔隙度和滲透率等物性測(cè)試均在休斯敦技術(shù)中心開(kāi)展。約旦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用7個(gè)加熱井分別位于封閉六邊形的角和中心位置。2個(gè)觀察井觀察原位改質(zhì)過(guò)程中的反應(yīng)，1個(gè)生產(chǎn)井。7個(gè)監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)產(chǎn)物運(yùn)移情況，其中1個(gè)監(jiān)測(cè)井在加熱頁(yè)巖層之上，6個(gè)位于加熱巖層幾十米之外，保證環(huán)境安全。項(xiàng)目總共鉆17個(gè)井，其中，監(jiān)測(cè)井可以在監(jiān)測(cè)完成后轉(zhuǎn)成加熱井。約旦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用電是柴油機(jī)發(fā)電，獲得的油、水和氣體三相流體需經(jīng)過(guò)三相分離器分離。約旦項(xiàng)目與殼牌在休斯敦的技術(shù)中心通過(guò)衛(wèi)星聯(lián)系，組成了聯(lián)合隊(duì)伍，2015年已經(jīng)開(kāi)始啟動(dòng)加熱工程，目前效果良好。

盡管全球常規(guī)石油產(chǎn)量達(dá)到高峰之后石油的替代品是什么不清楚，但非常規(guī)油氣已經(jīng)使美國(guó)的油氣產(chǎn)量在常規(guī)油氣產(chǎn)量衰減之后重回高峰。研究發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖層系油氣資源空間分布上存在有序性。對(duì)于低成熟—露頭和淺埋藏地區(qū)頁(yè)巖可以使用傳統(tǒng)的地上加工人造頁(yè)巖油；對(duì)于高過(guò)成熟—深埋藏的頁(yè)巖可以使用水平井和水力壓裂技術(shù)開(kāi)采頁(yè)巖氣。頁(yè)巖層系中等成熟度、中等埋藏深度的TOC<6%暗色泥巖可以使用水平井和壓裂技術(shù)開(kāi)采頁(yè)巖油[17]。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖(TOC>6%)是目前急需要突破的區(qū)域，對(duì)干酪根進(jìn)行改質(zhì)開(kāi)采是油氣行業(yè)最后一場(chǎng)革命——“干酪根革命”(圖3)。

圖3 頁(yè)巖層系油氣資源開(kāi)采技術(shù)以及原位轉(zhuǎn)化技術(shù)的地位Fig.3 Oil and gas exploitation technology of shale and the significance of in-situ conversion technology

值得關(guān)注的是，在ICP原地轉(zhuǎn)化將干酪根裂解生成人造頁(yè)巖油的過(guò)程中，產(chǎn)生的裂縫通道可以與相對(duì)高滲的致密油儲(chǔ)層聯(lián)通，不僅可以生產(chǎn)頁(yè)巖油，生成的氣體和輕烴還可以降低致密油的黏度和流通性，進(jìn)而提高致密油的開(kāi)采效率，對(duì)頁(yè)巖體系的最底端干酪根油氣資源轉(zhuǎn)化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油和致密油一體開(kāi)采。因此，在對(duì)油氣資源“吃干榨凈”開(kāi)展“干酪根革命”的同時(shí)，也對(duì)頁(yè)巖層系內(nèi)其他非常規(guī)油氣資源做到立體勘探、協(xié)同開(kāi)發(fā)、整體部署、一體發(fā)展，工業(yè)意義巨大。

2 頁(yè)巖原位改質(zhì)技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化的挑戰(zhàn)

頁(yè)巖原位改質(zhì)已經(jīng)在國(guó)外開(kāi)展大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證實(shí)了可以獲得一定產(chǎn)量的頁(yè)巖油。目前國(guó)內(nèi)文章主要介紹該方法的技術(shù)原理，尚未能總結(jié)出其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的挑戰(zhàn)[15]。筆者通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、剖析其在約旦頁(yè)巖和美國(guó)綠河頁(yè)巖的中試效果，認(rèn)為其走向大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用仍面臨3個(gè)方面的挑戰(zhàn)。

2.1 缺少精確測(cè)定地質(zhì)工程參數(shù)的技術(shù)和大型原位轉(zhuǎn)化數(shù)值模擬平臺(tái)

頁(yè)巖原位改質(zhì)涉及地質(zhì)、地球物理、巖石力學(xué)、巖石物性、流體特性、生烴化學(xué)等多種學(xué)科，需要測(cè)試的項(xiàng)目繁多，目前的測(cè)試技術(shù)無(wú)法滿足工業(yè)的需求。測(cè)試技術(shù)呈現(xiàn)4個(gè)趨勢(shì)，測(cè)試設(shè)備從通用儀器擴(kuò)展到特定研發(fā)裝置、測(cè)試條件從常溫常壓擴(kuò)展到高溫高壓、測(cè)試參數(shù)呈現(xiàn)從地質(zhì)參數(shù)擴(kuò)展到工程參數(shù)、測(cè)試地點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)室逐步擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)。例如，對(duì)于原位改質(zhì)最重要的熱物性參數(shù)熱導(dǎo)率，即使是國(guó)際上最著名的德國(guó)耐馳系列熱導(dǎo)率測(cè)試裝置，也不能滿足地下溫度和壓力的條件，從而無(wú)法滿足實(shí)際工業(yè)需求精確的熱導(dǎo)率和比熱數(shù)值，導(dǎo)致無(wú)法精確確定熱場(chǎng)的演化和分布，從而直接影響生烴范圍、生烴類型和生烴量的確定。同時(shí)，頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)隨著溫度的變化，裂縫的產(chǎn)生條件、機(jī)制和規(guī)模等均需要研發(fā)特殊的裝置進(jìn)行測(cè)試。

盡管數(shù)值模擬在工程中有很多應(yīng)用，但不可忽視理論和試驗(yàn)的重要性?，F(xiàn)在的數(shù)值模擬仍不夠完善，因?yàn)椴粔蛘鎸?shí)的物理模型、物性參數(shù)、邊界條件以及熱場(chǎng)數(shù)值模擬參數(shù)都會(huì)使模擬偏離物理實(shí)際，進(jìn)而得到一些毫無(wú)意義的結(jié)果。

總之，頁(yè)巖的研究將從地質(zhì)研究上升到熱物理—地質(zhì)力學(xué)—生烴化學(xué)—流固偶合研究的新階段。目前國(guó)內(nèi)尚缺少能集成地質(zhì)參數(shù)、地質(zhì)力學(xué)參數(shù)、水文地質(zhì)參數(shù)、流體參數(shù)以及熱物性等參數(shù)，開(kāi)展頁(yè)巖原位改質(zhì)選區(qū)以及評(píng)價(jià)的頁(yè)巖原位改質(zhì)大型數(shù)值模擬平臺(tái)，圖4為殼牌約旦頁(yè)巖油公司為開(kāi)展頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化而建立的數(shù)值模擬軟件模型，但是具體參數(shù)的獲取細(xì)節(jié)未有公開(kāi)報(bào)道。國(guó)內(nèi)應(yīng)該加強(qiáng)大型原位轉(zhuǎn)化數(shù)值模擬平臺(tái)研發(fā)，特別要研發(fā)新型設(shè)備細(xì)化地質(zhì)與工程參數(shù)，為頁(yè)巖原位改質(zhì)提供依據(jù)。

2.2 缺少對(duì)全過(guò)程工藝的精細(xì)優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)—工程設(shè)計(jì)間的動(dòng)態(tài)互饋

全過(guò)程工藝的精細(xì)優(yōu)化是對(duì)原位轉(zhuǎn)化整個(gè)過(guò)程，即建立冷墻—電源獲取—加熱生烴—原位開(kāi)采等步驟中的細(xì)節(jié)開(kāi)展優(yōu)化。例如除建立冷墻工藝細(xì)節(jié)外，還需要考慮冷墻建立后加熱單元內(nèi)水的影響，因?yàn)樵囼?yàn)研究發(fā)現(xiàn)水的熱容是頁(yè)巖的4倍，故需要將加熱單元頁(yè)巖中的水盡量排出[18]。 電的獲取不僅需要利用外界電力，還需要充分利用原位轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的烴類氣體開(kāi)展發(fā)電，即在節(jié)省能耗的同時(shí)保護(hù)環(huán)境。加熱生烴過(guò)程需要精細(xì)的優(yōu)化加熱井的數(shù)量、井間距、升溫速率、水平井的長(zhǎng)度、加熱時(shí)間、生烴總量、相態(tài)以及組成、溫度場(chǎng)分布等，圖5為原位轉(zhuǎn)化溫度場(chǎng)剖面圖。誠(chéng)然，上述工程參數(shù)的優(yōu)選需要結(jié)合頁(yè)巖生烴轉(zhuǎn)化量綜合考慮，在美國(guó)綠河頁(yè)巖加熱井間距為7.6～7.8 m，實(shí)際也是一個(gè)綜合考慮的折中結(jié)果，因?yàn)榭s小加熱井的井間距雖然可以使頁(yè)巖更快速地達(dá)到生烴溫度，但增加了鉆井成本[19]。殼牌在美國(guó)綠河頁(yè)巖使用的加熱速度約15 ℃/月，大約2年時(shí)間加熱到350 ℃。事實(shí)上，升溫速率也是可變的，通常降低升溫速率可以降低生油窗的溫度。比如，頁(yè)巖在大氣壓和3 ℃/月的加溫速度下，干酪根生烴大約在300 ℃下完成；若提高升溫速率到90 ℃/月，可能350 ℃轉(zhuǎn)化也不能完成生烴轉(zhuǎn)化過(guò)程。原位開(kāi)采步驟需要認(rèn)識(shí)到生烴過(guò)程中會(huì)提高地層內(nèi)的孔隙壓力，孔隙內(nèi)實(shí)際壓力也是生烴增加的壓力和生產(chǎn)井產(chǎn)烴降壓之間的平衡結(jié)果，需要保證孔隙內(nèi)流體壓力不能超過(guò)頁(yè)巖的靜巖壓力，否則會(huì)引起不可預(yù)測(cè)的裂縫，壓力變化通常在0.2～3.5 MPa之間[20]。

圖4 頁(yè)巖原位改質(zhì)地下模型Fig.4 Reservoir model of in-situ conversion process

圖5 原位轉(zhuǎn)化溫度場(chǎng)剖面(其中水平尺度是實(shí)際尺度的等比例縮放)Fig.5 Profile of the in-situ temperature field (The horizontal scale is scaled by the actual scale)

頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化過(guò)程需要開(kāi)展動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)與工程上的反饋。富有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖是熱的不良導(dǎo)體，依靠熱傳導(dǎo)來(lái)進(jìn)行油頁(yè)巖的加熱處理，溫度從加熱器向外傳導(dǎo)的過(guò)程漫長(zhǎng)且耗電，需要將頁(yè)巖有效生烴體積和生烴量結(jié)合油價(jià)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果，調(diào)整加熱井和生產(chǎn)井類型以及加熱井的部井方式(三井模式、四井模式還是六井模式)，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與工程上的互饋，表2為3種部井模式的比較。除經(jīng)濟(jì)學(xué)上常用的投資收益等之外，還可以建立總能量輸出(通過(guò)產(chǎn)烴折算)與總能量輸入(加熱器+冷墻耗能+產(chǎn)氣再利用)的評(píng)價(jià)指標(biāo)(NER)，NER=輸出的總能量/輸入的總能量，該指標(biāo)可以更好地理解經(jīng)濟(jì)性，值得注意的是產(chǎn)氣量可以明顯地影響能量比值。

表2 3種部井方式的異同點(diǎn)Table 2 Similarities and differences of the three types of wells arrangement

殼牌在一個(gè)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，氣體產(chǎn)量貢獻(xiàn)能量是總能量產(chǎn)出的32%，該氣體產(chǎn)量高出任何一個(gè)文獻(xiàn)中的報(bào)道，推測(cè)可能是加熱井附近的溫度超過(guò)了原油轉(zhuǎn)化的溫度而發(fā)生裂解氣，一般原油轉(zhuǎn)化率在95%之下不會(huì)達(dá)到產(chǎn)氣的高峰[21]。

總之，頁(yè)巖原位改質(zhì)需要開(kāi)展全過(guò)程工藝、能耗以及經(jīng)濟(jì)性的精細(xì)評(píng)價(jià)，并根據(jù)經(jīng)濟(jì)性等評(píng)價(jià)結(jié)果及時(shí)調(diào)整建立冷墻—電源獲取—加熱生烴—原位開(kāi)采等具體步驟中的工藝。特別值得思考的是，經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)以及其與工程之間的互饋均是建立在對(duì)加熱單元熱場(chǎng)演化分布及其生烴動(dòng)力學(xué)方程深刻理解的基礎(chǔ)之上。熱場(chǎng)的演化分布也受地層非均質(zhì)性、頂?shù)追舛滦Ч榷嘁蛩氐挠绊?；原位生烴過(guò)程也絕非簡(jiǎn)單的平行一級(jí)反應(yīng)，在整個(gè)ICP工藝中完全符合非等溫一級(jí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，而是需要考慮壓力等因素的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程[22]。需要特別指出的是，只有通過(guò)全過(guò)程經(jīng)濟(jì)性精細(xì)評(píng)價(jià)，才能優(yōu)化出最優(yōu)的工程設(shè)計(jì)，絕非追求產(chǎn)油量最大、頁(yè)巖層厚度等地質(zhì)參數(shù)最優(yōu)，而是要整個(gè)工藝過(guò)程中經(jīng)濟(jì)上達(dá)到最優(yōu)，這符合經(jīng)濟(jì)學(xué)上的“二八定律”。

2.3 缺少評(píng)估頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化對(duì)大氣環(huán)境和水資源方面的影響

中國(guó)低成熟度的湖相頁(yè)巖一般富含黃鐵礦，高溫情況下是否產(chǎn)生硫化氫、處理硫化物是否需要新的工藝和步驟、其排放對(duì)大氣環(huán)境的影響等國(guó)內(nèi)目前基本屬于空白。另外，美國(guó)綠河頁(yè)巖原位改質(zhì)生產(chǎn)頁(yè)巖油過(guò)程中的碳排放估算27 g C/MJ～34 g C/MJ基本上與阿爾伯達(dá)油砂產(chǎn)油的碳排放估算值29 g C/MJ～36 g C/MJ相當(dāng)，明顯比起油頁(yè)巖地面干餾碳排放值為31 g C/MJ～74 g C/MJ和煤變油排放值42 g C/MJ～49 g C/MJ要低很多。但大規(guī)模的開(kāi)采頁(yè)巖油可能增加碳排放，若按照美國(guó)2005年汽油消耗量的10%來(lái)生產(chǎn)頁(yè)巖油，原位改質(zhì)開(kāi)采相比常規(guī)原油開(kāi)采要增加(1 000～2 000)×104t碳排放，使總碳排放從4 500×104t增加到約(5 500～6 700)×104t，增加量能與克拉羅多州2001年全年總排放量2 400×104t相當(dāng)[23]。中國(guó)利用頁(yè)巖原位改質(zhì)生產(chǎn)頁(yè)巖油，假定其排放與綠河頁(yè)巖相當(dāng)，大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)碳排放對(duì)環(huán)境的影響需要進(jìn)一步開(kāi)展評(píng)估。

中國(guó)頁(yè)巖一般厚度較薄，含油砂巖夾層很難找到像綠河頁(yè)巖一樣厚層的油頁(yè)巖，缺少頂?shù)装迨欠駮?huì)對(duì)含油層或者地下水產(chǎn)生影響？另外，在原位轉(zhuǎn)化的全過(guò)程中很多步驟均需要用水，包括建設(shè)、飲用、灰塵控制、鉆井、處理、冷卻、沖洗等。殼牌在綠河頁(yè)巖3個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)所需要的水見(jiàn)表3。這里特別需要注意的是，需要在頁(yè)巖層之外的含水巖層鉆兩口水井，為整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施提供冷卻、充填或者沖洗等。另外，產(chǎn)物中的水也需要專門的設(shè)備處理。在整個(gè)過(guò)程中不僅涉及需要尋找新的含水層鉆水井保障應(yīng)用，還需要卡車運(yùn)送飲用水等。處理水無(wú)論是回注還是在生產(chǎn)中應(yīng)用，必須確保達(dá)到環(huán)保要求，以免危害地下水或者污染地表土壤。水資源的利用也需要在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中引入并開(kāi)展精細(xì)的優(yōu)化。

表3 殼牌在綠河頁(yè)巖項(xiàng)目中的用水Table 3 Water usage of shell RD project in green river shale

注： a-地點(diǎn)2和地點(diǎn)3使用的水量通過(guò)地點(diǎn)1估算而來(lái)；

b-早期使用的生產(chǎn)水是冷墻內(nèi)地下水，后期來(lái)自綠河頁(yè)巖層之上地層水井的水；

c-溶解開(kāi)采蘇打的地下水主要來(lái)自冷墻內(nèi)地下水，也有冷墻外綠河頁(yè)巖層之上地層水井的水；

d-蘇打開(kāi)采估算的水體積是39.6 m×30.5 m的裂解區(qū)，水處理后使用；

e-再利用包括淬火、冷卻以及裂解區(qū)再利用水，地下水來(lái)自冷墻外地層水井的水；

f-估算的最大值。

3 頁(yè)巖原位改質(zhì)科學(xué)技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)和建議

頁(yè)巖原位改質(zhì)涉及地質(zhì)、地球物理、地質(zhì)工程等多個(gè)方面，需要地質(zhì)工程一體化考慮。通過(guò)詳細(xì)分析頁(yè)巖原位改質(zhì)的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，筆者明確提出三大核心科學(xué)任務(wù)是構(gòu)建原位轉(zhuǎn)化中熱場(chǎng)空間演化分布、細(xì)化干酪根生烴過(guò)程和動(dòng)力學(xué)研究、研發(fā)新型加熱材料和設(shè)備。建議加強(qiáng)三大技術(shù)攻關(guān)，即研發(fā)納米導(dǎo)熱流體等導(dǎo)熱技術(shù)，提高巖石熱導(dǎo)率促進(jìn)單位時(shí)間內(nèi)熱場(chǎng)波及體積；研發(fā)適用于地下條件的生烴催化劑，降低原地生烴轉(zhuǎn)化的活化能，降低能耗提高經(jīng)濟(jì)性；研制耐高壓耐高溫抗酸堿腐蝕的加熱器等材料，延長(zhǎng)其使用時(shí)效降低成本。

3.1 研發(fā)熱物性參數(shù)測(cè)定設(shè)備、熱場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化數(shù)值模擬平臺(tái)以及新型的導(dǎo)熱技術(shù)

熱場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化在 ICP技術(shù)中至關(guān)重要，對(duì)溫度場(chǎng)的了解有利于完善整體設(shè)計(jì)。熱場(chǎng)構(gòu)建過(guò)程中最重要的參數(shù)是熱導(dǎo)率和比熱容。目前熱導(dǎo)系數(shù)測(cè)定方法均是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展，包括接觸法和非接觸法兩類，主要方法包括熱探針?lè)ā⑵桨宸?、防護(hù)熱板法、熱線法、平面熱源法(TPS)、光學(xué)掃描法(TCS)和激光—閃光分析法(LFA)。目前，熱場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化主要通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)，盡管數(shù)值模擬已經(jīng)大量應(yīng)用，但不能忽視理論和試驗(yàn)的重要性。同時(shí)現(xiàn)在的數(shù)值模擬還不夠完善，主要是不夠真實(shí)的物理模型、物性參數(shù)邊界條件以及求解參數(shù)不能隨實(shí)際條件動(dòng)態(tài)演化而使模擬結(jié)果偏離物理實(shí)際。

熱場(chǎng)的重建需要攻關(guān)3個(gè)方面：第一，熱導(dǎo)模型要考慮頁(yè)巖的非均質(zhì)性。最新的研究發(fā)現(xiàn)巖石存在各向異性，因?yàn)橛晚?yè)巖層理結(jié)構(gòu)的存在對(duì)熱量在油頁(yè)巖中傳遞規(guī)律產(chǎn)生影響，并改變油頁(yè)巖內(nèi)溫度分布規(guī)律，部分學(xué)者認(rèn)為與孔隙連通性有關(guān)，部分學(xué)者認(rèn)為與有機(jī)質(zhì)紋層有關(guān)[24-26]。在傳統(tǒng)數(shù)值計(jì)算中，多數(shù)將巖石簡(jiǎn)化為理想的連續(xù)、均質(zhì)各向同性彈性體，并且熱傳導(dǎo)也僅考慮各向同性的導(dǎo)熱情況。第二，熱導(dǎo)模型也需要考慮礦物成分和流體。由于頁(yè)巖的導(dǎo)熱系數(shù)和其他熱物理參數(shù)一樣均被許多因素影響，其中最重要的是密度、孔隙度、含水量、孔隙結(jié)構(gòu)等。到目前為止，還沒(méi)有形成一個(gè)表述導(dǎo)熱系數(shù)統(tǒng)一的理論方法或經(jīng)驗(yàn)公式。為了更有效準(zhǔn)確地確定其導(dǎo)熱系數(shù)，F(xiàn)uchs等曾提出一個(gè)幾何均質(zhì)模型，巖石骨架的熱導(dǎo)系數(shù)是組成巖石的各礦物成分熱導(dǎo)系數(shù)的乘積，利用幾何平均數(shù)值模型將巖石骨架的熱導(dǎo)系數(shù)轉(zhuǎn)化成飽和巖石的熱導(dǎo)系數(shù)[27]；Aichlmayr等將巖石熱導(dǎo)所有的理論模型分為三類：低固體—流體熱導(dǎo)比率、中固體—流體熱導(dǎo)比率、高固體—流體熱導(dǎo)比率[28]。第三，熱導(dǎo)模型也需要裂縫影響。油頁(yè)巖孔裂隙中所含水分和氣體對(duì)油頁(yè)巖的導(dǎo)熱性能具有明顯的弱化作用，而這種作用造成油頁(yè)巖導(dǎo)熱性能的各向異性。

因此，綜合成分、流體、裂縫、非均質(zhì)性、高溫高壓等因素，研發(fā)地下開(kāi)采條件的頁(yè)巖熱導(dǎo)率和比熱測(cè)試設(shè)備，建立非均質(zhì)性、地質(zhì)流體和地下實(shí)際情況的熱場(chǎng)重建軟件是重要的攻關(guān)方向之一。筆者同時(shí)積極調(diào)研，聯(lián)合高校、國(guó)內(nèi)外企業(yè)設(shè)計(jì)出頁(yè)巖高溫高壓熱導(dǎo)率測(cè)試儀。需要參考ANSYS、FLUNET、CMG等有限元分析軟件，建立原位改質(zhì)熱場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化數(shù)值模擬平臺(tái)。研發(fā)納米導(dǎo)熱流體，或者與壓裂等技術(shù)結(jié)合的能在地下裂縫中充填提升導(dǎo)熱性能的材料等，提高巖石熱導(dǎo)率促進(jìn)單位時(shí)間內(nèi)熱場(chǎng)波及體積。

3.2 精細(xì)刻畫(huà)生烴過(guò)程與建立生烴動(dòng)力學(xué)模型，研發(fā)低溫生烴催化劑降低能耗提高經(jīng)濟(jì)性

自從20世紀(jì)70年代Tissot等將有機(jī)質(zhì)成烴動(dòng)力學(xué)應(yīng)用到油氣資源評(píng)價(jià)中以來(lái)，生烴過(guò)程和生烴動(dòng)力學(xué)研究基本上分成3個(gè)階段。第一階段是20世紀(jì)90年代之前，其特點(diǎn)主要是動(dòng)力學(xué)模型的建立和參數(shù)的優(yōu)化求取；20世紀(jì)90年代主要是有機(jī)質(zhì)成油、成氣及油成氣的機(jī)理、特征描述以及在油氣資源評(píng)價(jià)中的廣泛應(yīng)用；近20年以來(lái)則主要是單個(gè)化合物成烴動(dòng)力學(xué)(分子級(jí)別)研究以及動(dòng)力學(xué)參數(shù)的不確定性對(duì)地質(zhì)應(yīng)用結(jié)果影響的研究[29-31]。國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者用不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備(如熱重分析儀，高壓釜、真空管、金管、Rock-Eval熱解儀及各種自制的加熱設(shè)備)，在不同的加熱溫度范圍、時(shí)間和壓力條件下，對(duì)各種類型的烴源巖進(jìn)行熱模擬生烴試驗(yàn)研究。采用 Rock-Eval 熱解儀進(jìn)行的熱模擬試驗(yàn)是開(kāi)放體系的干法熱解試驗(yàn)，采用 MSSV和金管的熱模擬試驗(yàn)是密閉體系模擬試驗(yàn)。這兩類試驗(yàn)可以方便地獲得不同升溫速率下的有機(jī)質(zhì)成烴(油/氣)量/轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系曲線數(shù)據(jù)，有利于標(biāo)定有機(jī)質(zhì)成烴的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。油頁(yè)巖研究?jī)A向于使用熱重分析，獲取生烴過(guò)程產(chǎn)物與動(dòng)力學(xué)。

實(shí)際上，熱模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)能否成功地外推到地質(zhì)情況下，主要取決于熱模擬試驗(yàn)條件和地質(zhì)情況的近似度。目前的試驗(yàn)條件下只能模擬開(kāi)放體系和密閉體系下的有機(jī)質(zhì)生烴過(guò)程。例如，美國(guó)綠河頁(yè)巖ICP原位改質(zhì)過(guò)程中使用的加熱速度約15 ℃/月，使用Campbell一級(jí)反應(yīng)模型計(jì)算生油完成的溫度為330 ℃，但實(shí)際產(chǎn)量遠(yuǎn)低于計(jì)算產(chǎn)量，原因證實(shí)為模型中沒(méi)有考慮生烴增壓對(duì)生烴的影響[21]?？紤]壓力影響后，實(shí)際生油完成的溫度比Campbell一級(jí)反應(yīng)模型生油完成的溫度高出10～30 ℃。目前，殼牌生烴動(dòng)力學(xué)模型反應(yīng)方程以及動(dòng)力學(xué)參數(shù)常使用表4。

表4 殼牌ICP生烴動(dòng)力學(xué)模型Table 4 Kinetic reactions for shell ICP model

注：IC37代表重油，IC13代表輕質(zhì)油，IC2代表烴類氣體。

因此，目前在利用生烴動(dòng)力學(xué)方法評(píng)價(jià)油氣資源潛力時(shí)受熱模擬試驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)模型影響。Walters等對(duì)不同有機(jī)質(zhì)類型頁(yè)巖在封閉和開(kāi)放條件下累計(jì)生烴量和原油族組分含量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)開(kāi)放體系生烴滯后，封閉體系C1～C14輕烴組分含量較高[32]。不同餾分段化合物或者單個(gè)化合物成烴動(dòng)力學(xué)(分子級(jí)別)研究以及動(dòng)力學(xué)參數(shù)已經(jīng)成為一個(gè)趨勢(shì)[33]。Shell公司Stainforth通過(guò)試驗(yàn)建立了不同類型有機(jī)質(zhì)中不同組分段烴類的生烴過(guò)程，發(fā)現(xiàn)Ⅰ型在Ro為0.7%～1.3%時(shí)排烴強(qiáng)度(液態(tài)烴)最大，Ⅱ型干酪根在Ro為0.6%～1.3%時(shí)排烴強(qiáng)度(液態(tài)烴)最大(圖6)[34]。

事實(shí)上，從能耗角度看，干酪根裂解生成人造頁(yè)巖油的潛力(熱解S2)是頁(yè)巖油(S1)的數(shù)倍，應(yīng)該在生烴動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，研發(fā)適合地下條件低溫催化劑進(jìn)行井下壓裂噴射，降低干酪根裂解生烴成氣的活化能，從而實(shí)現(xiàn)降低成本而增加頁(yè)巖油產(chǎn)量，是研究的一個(gè)重大領(lǐng)域之一。

圖6 不同類型干酪根排烴量[34] Fig.6 Hydrocarbon expulsion of different types of kerogen (Modified form [34])

3.3 研制具有高耐壓耐溫抗酸堿腐蝕的強(qiáng)導(dǎo)熱的加熱器材料，提高其使用時(shí)效降低成本

頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化的大規(guī)模商業(yè)開(kāi)采是未來(lái)的一個(gè)趨勢(shì)。原位轉(zhuǎn)化電加熱工藝具有以下特點(diǎn)：①傳導(dǎo)加熱巖層速率小，能耗相對(duì)較高；②井筒隔熱增加成本；③電加熱工藝復(fù)雜，故障難以排除；④加熱井的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)仍有較大研發(fā)空間；⑤油氣遷移動(dòng)力小，回收率較低[15]。

電加熱器是產(chǎn)生熱量的根源，如何高效地產(chǎn)生熱量是電加熱器的核心問(wèn)題。原位轉(zhuǎn)化過(guò)程不僅涉及電加熱器的安裝、操作及維護(hù)要簡(jiǎn)單，更重要的是其所用材料要耐高溫、耐腐蝕且絕緣性好。加熱器技術(shù)作為頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化的重要組成部分，其材料價(jià)格、使用年限、熱能耗等諸多因素直接影響該技術(shù)開(kāi)采頁(yè)巖油的經(jīng)濟(jì)性。未來(lái)需要研制加熱器材料，延長(zhǎng)其使用時(shí)間和效能達(dá)到降低成本的目的。

4 中國(guó)頁(yè)巖地質(zhì)特殊性和頁(yè)巖原位改質(zhì)技術(shù)的適用性

與美國(guó)相比，中國(guó)缺少油氣，湖相頁(yè)巖發(fā)育，成熟度適中，有機(jī)質(zhì)類型多樣。中國(guó)油頁(yè)巖埋藏較深，油頁(yè)巖平均厚度為20～30 m，且多夾有粉砂巖、泥巖等，而且相當(dāng)一部分油頁(yè)巖的含油率小于5%，主要是介于5%～10%之間，含油率大于10%的富礦較少。此外，中國(guó)湖相頁(yè)巖自身非均質(zhì)性強(qiáng)，不僅僅是垂向上，橫向上也存在巖性和有機(jī)相的差異。不過(guò)鑒于原位改質(zhì)中單加熱井的熱場(chǎng)影響范圍在10 m內(nèi)、砂巖層等熱導(dǎo)系數(shù)是頁(yè)巖熱導(dǎo)率的2～3倍、粉砂巖等夾層致密不容易溝通地下水等情況，中國(guó)地質(zhì)的特殊性對(duì)原位改質(zhì)技術(shù)而言是有利因素。需要強(qiáng)調(diào)的是，必須通過(guò)地質(zhì)工程一體化的角度評(píng)價(jià)“甜點(diǎn)”。有機(jī)質(zhì)豐度最高、厚度最大的地質(zhì)“甜點(diǎn)”不一定是工程上的“甜點(diǎn)”體(導(dǎo)熱性差、鉆井成本高)，而需要全過(guò)程綜合開(kāi)展經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)而定。

中國(guó)發(fā)育海相、陸相和海陸過(guò)度相3類頁(yè)巖，但根據(jù)有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ型、成熟度(Ro)低于0.8%、厚度大、生烴潛力好等指標(biāo)匯總中國(guó)頁(yè)巖(表5)。中國(guó)適合原位改質(zhì)的盆地和層系包含松遼盆地白堊系、渤海灣盆地古近系、鄂爾多斯盆地三疊系、柴達(dá)木盆地新生界、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系等湖相頁(yè)巖，海相頁(yè)巖主要是華北沉降帶的下馬嶺組頁(yè)巖。

總之，要深化地質(zhì)工程一體化的運(yùn)作模式和建設(shè)融合多學(xué)科多參數(shù)的大型數(shù)值模擬平臺(tái)，優(yōu)選原位改質(zhì)有利區(qū)，評(píng)價(jià)勘探開(kāi)發(fā)潛力與經(jīng)濟(jì)性。值得注意的是，頁(yè)巖層系中微裂縫和高滲儲(chǔ)層段的定量評(píng)價(jià)和有利區(qū)預(yù)測(cè)是頁(yè)巖層系非常規(guī)致密油的有利儲(chǔ)層，是非常規(guī)油資源分布的“甜點(diǎn)區(qū)”。在開(kāi)采這些“甜點(diǎn)區(qū)”資源的同時(shí)，可引入原位改質(zhì)技術(shù)，對(duì)附近的泥頁(yè)巖進(jìn)行原地轉(zhuǎn)改質(zhì)，將干酪根裂解生成人造頁(yè)巖油，通過(guò)上述“甜點(diǎn)區(qū)”裂縫通道或者高滲儲(chǔ)層進(jìn)行導(dǎo)流，不僅可以生產(chǎn)頁(yè)巖油，生成的氣體和輕烴還可以降低致密油的黏度和流通性，進(jìn)而提高致密油的開(kāi)采效率。實(shí)現(xiàn)對(duì)頁(yè)巖體系的最底端干酪根油氣資源轉(zhuǎn)化的同時(shí)，立體開(kāi)采致密油。因此，建議在開(kāi)展頁(yè)巖層系內(nèi)干酪根原位轉(zhuǎn)化研究的同時(shí)，在思想上樹(shù)立頁(yè)巖層系多種非常規(guī)資源有序聚集的觀念，在對(duì)油氣資源“吃干榨凈”開(kāi)展“干酪根革命”的同時(shí)，也考慮頁(yè)巖層系內(nèi)其他非常規(guī)油氣資源，做到立體勘探、協(xié)同開(kāi)發(fā)、整體部署、一體發(fā)展(圖7)。

表5 中國(guó)發(fā)育低成熟度頁(yè)巖層系的源巖基本特征Table 5 Basic characteristics of low maturity source rocks in China

圖7 頁(yè)巖層系非常規(guī)油氣資源立體勘探示意Fig.7 Unconventional oil and gas resources stereoscopic exploration schematic in shale formation

5 結(jié)論

(1)中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院與荷蘭皇家殼牌通過(guò)聯(lián)合攻關(guān)認(rèn)為原地開(kāi)采技術(shù)適用于中國(guó)，在該研究背景下詳細(xì)地調(diào)研原位轉(zhuǎn)化技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀、全球試驗(yàn)效果，歸納出其面臨的缺少精確測(cè)定地質(zhì)工程參數(shù)的技術(shù)和大型原位轉(zhuǎn)化數(shù)值模擬平臺(tái)、缺少全過(guò)程工藝的精細(xì)優(yōu)化以及經(jīng)濟(jì)與工程間動(dòng)態(tài)互饋、缺少評(píng)估頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化對(duì)大氣環(huán)境和水資源方面的影響三大挑戰(zhàn)。

(2)明確提出三大核心科學(xué)任務(wù)是構(gòu)建原位轉(zhuǎn)化中熱場(chǎng)空間演化分布、細(xì)化干酪根生烴過(guò)程和動(dòng)力學(xué)研究、研發(fā)新型加熱材料和設(shè)備。倡導(dǎo)加強(qiáng)三大技術(shù)攻關(guān)，即研發(fā)納米導(dǎo)熱流體等導(dǎo)熱技術(shù)，提高巖石熱導(dǎo)率促進(jìn)單位時(shí)間內(nèi)熱場(chǎng)波及體積；研發(fā)適用于地下條件的生烴催化劑，降低原地生烴轉(zhuǎn)化的活化能，降低能耗提高經(jīng)濟(jì)性；研制具有耐高壓、耐高溫、抗酸堿腐蝕的加熱材料等，提高其使用時(shí)效降低成本。

(3)指出通過(guò)深化地質(zhì)工程一體化的運(yùn)作模式和建設(shè)融合多學(xué)科多參數(shù)的大型數(shù)值模擬平臺(tái)，優(yōu)選原位改質(zhì)有利區(qū)，評(píng)價(jià)勘探開(kāi)發(fā)潛力與經(jīng)濟(jì)性，確定地質(zhì)工程一體的“甜點(diǎn)區(qū)”。最后結(jié)合中國(guó)頁(yè)巖的地質(zhì)特征，對(duì)中國(guó)頁(yè)巖油原位開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用提出具體的頁(yè)巖層系油氣資源立體勘探一體開(kāi)發(fā)等建議，助推中國(guó)頁(yè)巖原位開(kāi)采示范區(qū)的建立。