富油煤原位熱解地下加熱技術及其高效工藝

唐 穎,吳曉丹,李樂忠,蘇 展,王若儀

(1.中海石油氣電集團技術研發中心,北京 100028;2.中海油研究總院有限責任公司,北京 100028)

0 引 言

廣義的富油煤是指焦油產率大于7%的煤炭,我國富油煤資源量約9 977億t,約占煤炭保有儲量的53%,其中山西、內蒙古自治區、寧夏回族自治區、甘肅、新疆維吾爾自治區等5省,富油煤資源量初步測算在5 500萬t以上[1-2]。富油煤在隔絕空氣的條件下熱解可以生成煤焦油、熱解氣和半焦,是集煤、油、氣屬性為一體的煤炭資源[3]。富油煤的原位熱解是指將熱量導入地下富油煤中對其直接加熱,煤中的固態有機質在受熱裂解后,將產生的煤焦油和熱解氣采出至地面的過程。通過富油煤原位熱解,可將煤中的碳轉變為甲烷、氫氣等低碳或無碳的資源,并將半焦保留在地下,不但實現了富油煤的高效低碳利用,而且極大延伸了煤炭利用的深度范圍[4-5]。

富油煤的原位熱解開采在地質評價、加熱技術、鉆采工藝等領域尚有較多的科學問題和技術難點。前人在煤炭原位流態化開采的理論與技術方面都進行了系統闡述[4-7],在油頁巖原位熱解技術領域進行大量理論研究和現場試驗[8-10],為富油煤原位熱解開采奠定了理論基礎與技術框架。筆者在總結富油煤熱物理性質和熱解特征的基礎上,重點分析了不同油頁巖原位加熱技術特點及在富油煤中的適用性,并提出富油煤原位加熱的高效條件及優選工藝,以供參考。

1 富油煤熱物理性質和熱解特征

富油煤本質上是煤巖,與油頁巖干酪根以腐泥型為主不同,煤的成巖母質是高等植物,干酪根類型主要是腐殖型。富油煤的煤巖屬性和干酪根類型決定了其在熱物理性質、熱解特征上和油頁巖有很大差異。

1.1 富油煤熱物理性質

熱物理性質是反應材料在傳熱和導熱過程中的特征,常用導熱系數、比熱容和熱擴散系數3個參數表征。富油煤一般為中低階煤,其熱物理性質與中低階煤一致。常溫條件下,煤的導熱系數、熱擴散系數遠小于其他巖石,比熱容遠大于其他巖石(表1),反映了在相同質量和受熱條件下,煤傳熱速率更低,升高相同溫度所需熱量更多,加熱過程中煤體內部溫度差異更大,因此,需在原位加熱富油煤時應選擇更高效的加熱技術、提供更大的熱量、采用更均衡的傳熱方式來提高加熱效率。

表1 不同巖石熱物理參數參考值[11-22]Table 1 Thermophysical parameters of different rocks[11-22]

1.2 富油煤熱解特征

富油煤熱解分為3個階段:第1階段在200～350 ℃,只有極少量的CH4和CO2氣體產生,煤巖無顯著反應,失重在5%以內,隨溫度升高失重速率逐漸增大(圖1,根據文獻[23-24]修改);第2階段在350～650 ℃,本階段煤焦油開始生成,熱解氣產量逐漸增加,但總量較少,熱解氣組分主要為CH4、H2、CO2、CO,CH4、CO2生成速率在本階段達峰值,煤焦油產率在450～550 ℃達峰值,本階段富油煤熱解失重70%左右,失重率先增至峰值然后減小;第3階段在650～900 ℃,是熱解氣產出的主要階段,熱解氣主要來自煤焦油的二次裂解,以H2和CO為主,H2在900 ℃占熱解氣總量的50%以上,本階段煤巖失重占25%左右,隨溫度升高失重速率逐漸減小。由于煤焦油黏度較大原位抽采困難,現階段對焦油增量需求也小,因此在原位熱解中應盡量提高加熱溫度以減少煤焦油產出,提高熱解氣的產量。

圖1 富油煤熱解失重(TG)及失重微分(DTG)曲線Fig.1 Pyrolysis weight loss (TG) and weight loss differential(DTG) curves of tar-rich coal

2 油頁巖原位加熱技術及其適用性

學者對煤炭的流態化開采進行研究,提出利用電磁感應、微波輻射、過熱水蒸氣、超臨界水等對煤巖進行原位加熱的技術思路[4-7],但上述技術在富油煤中缺少適用性研究和現場試驗。從20世紀80年代開始,許多公司和機構均進行油頁巖原位加熱技術研究,部分技術已完成了現場試驗,可作為富油煤原位加熱的借鑒(表2)。原位加熱技術根據加熱原理可以分為傳導加熱、對流加熱、化學加熱、輻射加熱4種,下面對4種加熱方式的加熱原理、技術特點及其在富油煤中的適用性進行分析。

表2 不同原位加熱技術基本原理及技術特點[7-9,25-28]Table 2 Basic principles and technical characteristics of different in-situ heating technologies[7-9,25-28]

2.1 傳導加熱技術

傳導加熱就是將熱電阻或導電介質放至目的層中,通過熱電阻或導電介質發熱對目的層進行直接加熱,熱量通過目的層自身的導熱性能傳遞。傳導加熱技術的主要優點是地面及井下設備均較簡單,加熱過程易控制,缺點是熱量傳遞慢,加熱時間長,受地下水影響大。傳導加熱代表技術有殼牌公司的ICP技術、埃克森美孚公司的Electrofrac技術、美國IEP公司的GFC技術以及吉林大學的HVF技術(圖2),其中ICP技術及Electrofrac技術進行了先導試驗,ICP技術在1個試驗中采出了270 m3輕質油和少量熱解氣,Electrofrac技術未采出頁巖油,GFC技術、HVF技術均處于實驗室研究階段。

圖2 傳導加熱技術示意[9,25-27]Fig.2 Schematic diagram of conduction heating technology[9,25-27]

傳導加熱以電加熱工藝最為成熟,電加熱尤其適用于導熱系數高、熱解溫度低、加熱時間長的作業場景,其設備簡單、易于控制的特點降低了作業成本。對于富油煤原位加熱來說,傳導加熱技術應用的最大瓶頸是煤的導熱系數極低,無論是哪種加熱工藝,其產生的熱量都難以快速傳導,這將導致煤巖加熱時間長,加熱設備周圍易出現局部異常高溫從而造成自身損壞。此外,煤層中一般含有地層水,地層水對傳導加熱會產生較大影響。

2.2 對流加熱技術

對流加熱技術是在人工致裂的基礎上,將高溫的載熱介質注入到目的層中,通過載熱介質對目的層進行加熱,載熱介質有水蒸氣、空氣、氮氣、二氧化碳、烴類氣體等。對流加熱技術的優點是加熱效率高,載熱介質可循環使用,缺點是注入過程熱量損失大,高溫載熱介質影響注入井管柱的穩定性。對流加熱代表技術有雪佛龍公司的CRUSH技術、EGL公司的CCR技術及太原理工大學的MTI技術(圖3),CRUSH技術完成了鉆井和巖芯分析工作,未進行現場加熱試驗,CCR技術完成了現場試驗準備和短時間加熱測試[9],MTI技術完成了實驗室大件工業試驗,但未進行現場試驗。

對流加熱是高效的原位加熱技術,通過載熱介質傳熱大幅增加了目的層受熱面積,傳熱通道又可以作為產出通道,提高加熱和產出效率。在富油煤原位加熱中,載熱介質形成的加熱網絡既能彌補煤巖導熱系數低的缺點,又能降低煤焦油的黏度,載熱介質與焦油形成氣液兩相流,有利于煤焦油的產出。但富油煤最佳熱解溫度高于450 ℃,而現有的井口、井下設備及材料能在最高350 ℃左右維持穩定性和氣密性,設備和材料的耐高溫能力是在富油煤中采用對流加熱首要考慮的問題。

2.3 化學加熱技術

化學加熱技術又稱反應熱加熱技術,是直接向目的層中注入高溫可燃氣體或氧氣,通過目的層中的有機質氧化或燃燒產生的熱量使目的層加熱[29-30]。化學加熱技術由于放熱都是在目的層內部,因此加熱速度快,能量利用率高,但也存在反應控制工藝復雜、反應原料和作業成本高等缺點。化學加熱代表技術包括美國礦務局的原位燃燒技術、吉林大學的局部化學法技術等,美國礦務局的原位燃燒技術完成了現場試驗并采出了頁巖油和熱解氣[31],吉林大學局部化學法加熱技術完成了先導試驗并采出了頁巖油(圖4)。

圖4 吉林大學局部化學法加熱技術示意[30]Fig.4 Schematic diagram of TSA[30]

化學加熱技術在原位加熱中應用較少,從技術細節來看,化學加熱技術中的化學反應部分只提供熱源,傳熱仍依靠載熱氣體,因此從傳熱來看也屬于對流加熱。無論是通過富油煤自身的燃燒還是氧化提供熱源,均難以控制2種反應的穩定性,無法保證熱量穩定供應,一旦反應停止,煤層降溫后需重新加熱升溫,嚴重影響加熱效率。維持地下燃燒和氧化需向地層中不斷注入氧氣,原料成本高。因此,化學加熱的穩定性和經濟性在富油煤中存在挑戰。

2.4 輻射加熱技術

輻射加熱技術是利用高頻電磁波或微波直接對目的層進行加熱的技術,前者能使分子高速運動產生熱量,后者通過分子偶極的高速旋轉產生熱量[32]。輻射加熱技術的優點是可直接升高目的層溫度,不需傳導或對流的形式傳熱,能量利用率高,其缺點是技術成熟度低,輻射能量傳遞范圍有限。輻射加熱代表技術包括斯倫貝謝公司的RF/CF技術、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的LLNL射頻技術(圖5)、懷俄明鳳凰石油公司的微波技術,上述3種技術均處于實驗室研究階段,微波技術雖有先導試驗計劃,但未實施。

圖5 輻射加熱技術示意[25]Fig.5 Schematic diagram of radiation heating technology[25]

輻射加熱技術加熱效率高,既避免了對流加熱技術中載熱介質在注入過程中的熱損失,又克服了傳導加熱技術中煤巖自身導熱系數極低的缺陷,但射頻加熱的速度與傳播距離呈負相關,加熱范圍有限[33],另外,水的介電常數遠大于煤巖,過多的地層水會消耗大量能量,影響煤本身的加熱。研發井下有限空間適用的大功率射頻工具是該技術在富油煤應用中需首要解決的問題。

3 富油煤原位加熱高效工藝優選

鑒于富油煤熱解溫度要求高、導熱系數極低,煤巖滲透性差的特點,原位加熱需在熱來源、熱載體、熱通道3個方面具備高效條件才能實現高效加熱(圖6),即通過高效加熱技術來提供熱解的溫度需求,通過高效的載熱介質彌補富油煤導熱系數低的缺陷,通過高效的傳熱網絡來克服煤巖滲透性差的問題。

圖6 富油煤原位加熱高效條件Fig.6 High efficiency conditions of in-situ heating of tar-rich coal

3.1 高效的加熱技術

富油煤原位熱解產物是煤焦油和熱解氣,為擴大煤層的熱解范圍并獲得更多的熱解氣,往往需要將煤層加熱至較高溫度[34],這就要求加熱技術本身能為煤巖提供更多熱量。根據不同加熱技術的特點和適用性,推薦對流加熱作為富油煤首選加熱技術。

通過對流加熱技術對煤巖進行原位加熱更加高效已基本達成共識[1,3-4,35-37]。雖然在地面加熱載熱介質可達到很高的溫度,但高溫的載熱介質會對注入井的井口、井下設備和材料帶來巨大挑戰,同時載熱介質在傳輸過程中也會出現大量熱損失[38-39]。為避免上述問題,提出一種重復加熱的技術方案(圖7),即首先在地面通過常用的加熱方案對載熱介質進行加熱,上限溫度控制在作業條件允許的最大溫度,載熱介質通過連續油管注入地層,在富油煤的上部地層中布置電加熱器或射頻加熱器陣列對載熱介質進行二次加熱以提高介質溫度,連續油管頂部為散熱器,通過連續油管來回拖動可對煤層進行選擇性加熱。

圖7 富油煤原位加熱重復加熱技術方案示意Fig.7 Schematic diagram of repeat heating technology scheme for tar-rich coal in situ heating

3.2 高效的載熱介質

水蒸氣、空氣、氮氣、二氧化碳、熱解氣都曾作為油頁巖原位加熱的載熱介質[8,10,25,27,40-42],在稠油熱采、煤層氣提高采收率、油砂開采中也應用廣泛(表3)。總體上,上述介質在油氣行業的應用分為驅替和載熱2個方向,作為驅替介質應選擇對儲層傷害小,驅替性能高的介質,作為載熱介質,應選擇比熱容高、制取工藝簡單的介質。

表3 對流加熱不同載熱介質對比[26,43-47]Table 3 Comparison of different heat-carrying medium for convective heating[26,43-47]

相比其他載熱介質,水蒸氣優點明顯,其比熱容較高,相同質量條件下熱焓值高,在地面制取工藝簡單,成本低,向地層注入無污染,且水蒸氣還可與煤在高溫下氧化反應生成CO和H2,進一步提高煤的轉化效率,雖然水蒸氣冷卻后相態改變易對煤儲層造成傷害,但原位熱解中煤層溫度較高,且一直有熱量注入,因此水蒸氣相態保持不變。水蒸氣作為載熱介質在油頁巖原位加熱中有較多的研究和試驗,也推薦作為富油煤原位對流加熱的載熱介質。

3.3 高效的傳熱網絡

陜西省是我國富油煤的主要富集區,陜北侏羅紀煤田、黃隴煤田、臨興-神府區塊等富油煤滲透率極低[48-50],通過對富油煤進行人工致裂是同時解決載熱氣體如何進入煤層和熱解產物如何高效產出2個問題的有效辦法。

常見的人工致裂技術有超臨界CO2壓裂、液氨致裂、可控沖擊波、水力壓裂等技術。超臨界CO2壓裂技術常用于黏土含量高的儲層,在煤層壓裂中應用較少;液氮致裂技術原料成本高,作業難度大,壓裂規模和壓裂效果均不如水力壓裂;可控沖擊波致裂技術可用于高滲儲層解堵、中低滲儲層增透,其作業方式簡單,對儲層傷害小,但致裂有效半徑相對較小,增產維持時間相對較短。水力壓裂技術在煤層氣和常規油氣儲層改造中均應用廣泛,其成本低,技術成熟,攜砂能力強,壓裂規模大,研發具有導熱能力的支撐劑既能在壓裂時起到支撐裂縫作用,又能在加熱過程中起到導熱的作用,因此推薦作為富油煤人工致裂的首選技術。

4 結 論

1)富油煤具有導熱系數低、比熱容高、熱擴散系數低的熱物理特點,表現出傳熱速度慢、升溫熱量需求大、受熱內部溫差大的特征,其熱解宏觀上分為3個階段,350～650 ℃為主要熱解階段,提高熱解溫度有利于可燃氣體特別是H2的產出。

2)煤巖導熱系數低,傳導加熱時間長,設備易損壞;對流加熱傳熱效率高,高溫的載熱介質既有利于加熱富油煤,又有利于維持產物的溫度;化學加熱反應穩定性難以控制,傳熱依靠載熱介質;輻射加熱效率較高,但加熱范圍總體有限。

3)高效的加熱技術、載熱介質及傳熱網絡是富油煤原位高效加熱的條件,推薦對流加熱作為富油煤原位熱解的首選加熱技術,推薦水蒸氣作為首選載熱介質,推薦水力壓裂作為首選人工致裂技術。