楊兆中，朱靜怡，李小剛，羅丹，2

（1西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610500；2休斯敦大學(xué)，美國德克薩斯州休斯敦77204）

微波加熱技術(shù)在非常規(guī)油資源中的研究現(xiàn)狀與展望

楊兆中1，朱靜怡1，李小剛1，羅丹1，2

（1西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610500；2休斯敦大學(xué)，美國德克薩斯州休斯敦77204）

稠油、油頁巖、油砂都需要通過加熱的方式來開采或者提高油的品質(zhì)，而微波加熱則是一種高效、快速、潔凈的新型加熱方式，對實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油資源低成本、高效率的開發(fā)具有重要意義。本文詳細(xì)介紹和評述了微波加熱技術(shù)在開采和處理上述三類非常規(guī)油資源中的應(yīng)用。分析表明微波加熱具有能量利用率高，對環(huán)境友好等特點(diǎn)，不僅能快速均勻地加熱整個(gè)油層，而且在催化劑的作用下，可以使原油裂解和脫硫，從而提高原油的品質(zhì)?？偨Y(jié)得出研制大功率微波發(fā)生器與模擬更真實(shí)地層條件下的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價(jià)裝置、開發(fā)納米型微波添加劑、將微波加熱技術(shù)與其他開采技術(shù)結(jié)合，是未來高效利用微波加熱技術(shù)的發(fā)展方向。最后建議有關(guān)部門給予支持，先進(jìn)行小區(qū)塊的微波采油試驗(yàn)。

微波加熱；稠油；油頁巖；油砂

隨著石化能源需求量的增加，開發(fā)非常規(guī)能源和提高能源的利用率得到了研究者們的關(guān)注。非常規(guī)油資源［1］是指不能用常規(guī)的方法和技術(shù)手段進(jìn)行勘探開發(fā)的另一類資源，其埋藏、儲存狀態(tài)與常規(guī)油氣資源有較大的差別，開發(fā)難度大，成本費(fèi)用高。微波加熱技術(shù)作為一種非常規(guī)的技術(shù)手段，因其加熱速度快、選擇性加熱、體積式加熱、能量損失低等特點(diǎn)［2］，對實(shí)現(xiàn)稠油［3］、油頁巖［4］、油砂［5］等非常規(guī)油資源低成本、高效率的開采和處理具有重要意義。

微波是指頻率在300MHz～300GHz的電磁波，其在介質(zhì)中的傳播主要分為反射、吸收、穿透3種。微波的加熱機(jī)理主要是通過偶極偶化和離子傳導(dǎo)兩種方式實(shí)現(xiàn)。物質(zhì)的加熱特性依賴于該物質(zhì)的介電性，及損耗角正切值tanθ=ε′/ε′（其中ε′是介電損耗，表征吸收微波并轉(zhuǎn)化為熱量的能力；ε′是介電常數(shù)，表征材料儲存電場的能力），該值越高表示物質(zhì)越能有效吸收微波從而被快速加熱［6］。例如水、活性炭、金屬及其氧化物等是微波的強(qiáng)吸收介質(zhì)，而稠油、油頁巖、油砂都屬于微波弱吸收劑［7］。本文綜述了微波加熱技術(shù)在開采和處理稠油、油頁巖、油砂資源中的應(yīng)用，并對今后的研究方向進(jìn)行了展望。

1　微波加熱稠油

世界上70%的油都屬于稠油、超稠油和瀝青。就開采而言，稠油黏度高，流動(dòng)性差，常規(guī)三次采油方法難度大，成本高。就煉化技術(shù)而言。稠油中含有的硫或者金屬會降低催化劑降黏的效果，處理后的副產(chǎn)物還會帶來環(huán)境污染。微波加熱作為一種高效、快速、潔凈的新型加熱方式，關(guān)于稠油的研究主要集中在兩個(gè)方面：微波開采稠油（提高采收率）和微波處理稠油（裂解降黏、脫硫［8］等）。

1.1微波開采稠油

稠油的開采方式現(xiàn)主要分為冷采和熱采，其中熱采主要是蒸汽驅(qū)和蒸汽輔助重力泄油（SAGD）等［9］。但對于深層、薄層和靠海的稠油藏，這些方法存在局限性。另外對于非均質(zhì)性和碳酸鹽巖縫洞型油層，蒸汽的掃油面積不均勻，會導(dǎo)致蒸汽提前突破，降低采收率。正因?yàn)檫@些缺點(diǎn)，具有體積式加熱特點(diǎn)的微波加熱，能更有效，均勻地加熱整個(gè)油藏，降低熱量損失，提高能量利用率和采收率［10］。

SAHNI等［11］用數(shù)值模擬的方法分析了不同高頻率微波加熱下低滲油藏的采收率。模擬發(fā)現(xiàn)，在離垂直生產(chǎn)井9.144m處插入60kW的微波天線加熱地層，十年后的采收率比初始冷采提高了80%。OVALLES等［12］在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用CMG軟件對委內(nèi)瑞拉的中質(zhì)油，稠油和超稠油進(jìn)行了微波加熱的熱采模擬并預(yù)測了3種油藏今后的生產(chǎn)。模擬發(fā)現(xiàn)160kW功率和915MHz頻率下的微波加熱開采十年后的采收率比初始冷采提高了76%。

ESKANDARI等［13］在2015年將玻璃微珠充填在特殊的聚四氟乙烯巖心夾持器中，來模擬地層的多孔介質(zhì)，在微波加熱下，研究了加熱時(shí)間、初始水飽和度、礦化度對稠油采收率的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采收率大幅度提升到了50%以上，且初始水飽和度和礦化度的升高對微波吸收有增強(qiáng)的作用。

除此之外，有研究者還在SAGD的基礎(chǔ)上，提出了微波輔助重力泄油（MWAGD）的模型。模型具體的方案是鉆兩條上下平行的水平井，上部水平井安裝垂直方向的微波天線，下部水平井作為微波加熱后重力泄油的生產(chǎn)井，并向油藏中加入微波強(qiáng)吸收劑來提高加熱效率。與SAGD對比，MWAGD更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效［14-15］。

微波采油往往跟其他提高采收率的方法相結(jié)合，雖然還沒能完全地應(yīng)用，卻不能忽視它的技術(shù)潛力，特別是稠油和超稠油領(lǐng)域。在解決特殊的井下工具和配套管柱等問題后，微波采油簡單的施工方式和較少的操作步驟將大大降低其開發(fā)成本，是極具潛力的開發(fā)技術(shù)。

1.2微波處理稠油

稠油本身密度高，黏度大，硫、氮及金屬雜質(zhì)含量高，為其開采、集輸和加工帶來很多困難。通過微波加熱稠油，可以有效地使稠油裂解和脫硫，提高稠油的品質(zhì)，使稠油能被充分利用［16］。

由于稠油對微波吸收差，往往需要加入添加劑提高微波加熱效率［17］。JACKSON等［18］在2002年研究了不同添加劑和不同微波頻率對稠油降黏的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在6700MHz微波頻率下加入活性炭的效果最好，即加熱后的黏度從11300mPa·s降低為62mPa·s，硫含量從3.32%降低到2.54%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），說明微波加熱發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)了稠油的裂解降黏和脫硫。

2010年汪雙清等［19］對遼河油田、勝利油田和吐哈油田的稠油進(jìn)行了微波加熱，并且分析了加熱后稠油四組分的變化，發(fā)現(xiàn)3種稠油中的瀝青質(zhì)組分都有所降低，特別吐哈油田中的瀝青質(zhì)組分降低了25.5%。這表明相比于傳統(tǒng)的物理降黏，微波加熱發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，使稠油中的瀝青質(zhì)裂解，大分子碎裂成了小分子。

SHOKRLU等［20］在2011年，提出納米顆粒作為催化劑，在微波獨(dú)特的光化學(xué)和熱效應(yīng)下，使稠油催化裂解。在此加熱機(jī)理上，GREFF等［21］在2013年對稠油進(jìn)行微波加熱。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加入金屬Ni納米顆?？s短了微波降黏的時(shí)間（不同功率下縮短的時(shí)間有所不同），提高了能量的利用效率，從而易于操作，降低了成本。

LI等［22］認(rèn)為用金屬型納米催化劑對原油會造成污染，選用了碳納米催化劑對稠油進(jìn)行裂解降黏。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用800W的功率加熱稠油1h，最高可以降黏96%，同時(shí)輕質(zhì)組分的含量（飽和烴和芳香烴）增加了11%，而重質(zhì)組分的含量（膠質(zhì)和瀝青質(zhì)）降低了5%。另外加熱后的樣品放置20天后黏度基本保持不變，說明這種裂解降黏是不可逆的。

縱觀這兩方面的研究，微波在稠油開采和處理方面都有巨大的潛力。一般在微波加熱稠油時(shí)都會加入添加劑，隨著納米技術(shù)發(fā)展［23-24］，越來越多的研究者將納米顆粒運(yùn)用到微波加熱稠油中，一方面納米顆?？梢宰鳛槲⒉ǖ膹?qiáng)吸收劑，另一方面也催化了稠油的裂解。在原位開采稠油之前，可以通過壓裂的方式，將添加劑泵入油藏中。

2　微波加熱油頁巖和油砂

2.1微波熱解油頁巖

油頁巖不是頁巖油，它需要通過加熱的方式將油頁巖中有機(jī)質(zhì)（即干酪根）轉(zhuǎn)換成頁巖油后產(chǎn)出。目前露天開采油頁巖能量利用率低，對環(huán)境造成污染，而原位開采油頁巖可以避免干餾時(shí)產(chǎn)生的“三廢”，是一種相對經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的開采技術(shù)［25-26］。微波干餾作為一種加熱速度快，能量要求低的原位開采方法，不僅產(chǎn)出的頁巖油品質(zhì)高于常規(guī)干餾的頁巖油［27］，而且在原位開采時(shí)，油頁巖裂解和釋放的熱解氣會產(chǎn)生大量的裂縫，有助于提高油頁巖的基質(zhì)滲透率，改善滲流通道［28-29］。

HARFI等［30］在2000年用不同微波功率加熱油頁巖后發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)加熱相比，油頁巖達(dá)到熱解溫度的時(shí)間從60min分別降低到了40min（300W）、25min（450W）和8min（600W），并且在450W時(shí)頁巖油中瀝青質(zhì)和極性物質(zhì)的含量分別從10.9%和11.9%降到了6.1%和6.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），另外N、S元素的含量分別從1.38%和8.75%降低到了1.22%和5.25%。國內(nèi)李小龍等［31］也用類似的方法分析了樺甸、撫順、農(nóng)安和達(dá)連河地區(qū)油頁巖的微波干餾特性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在加入少部分半焦以后，油頁巖在10min之內(nèi)迅速達(dá)到900℃。獲得的頁巖油與常規(guī)干餾相比，C含量增加了1%～2%，H含量增加0.5%，N含量降低了4%～5%，S含量降低明顯，最大下降36%，最小也下降了19.6%。由此可以說明，微波加熱后獲得的頁巖油，可以減少硫化物和氮化物的含量，有利于后期的加工。

2010年HASCAKIR等［32］研究了在3種不同濃度的不同微波吸收劑（Fe，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)eCl3）影響下油頁巖的微波干餾特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)油頁巖溫度升高很快，最高可達(dá)1300℃，但由于溫度過高輕質(zhì)組分的油已經(jīng)氣化，反而比常規(guī)加熱獲得的油量更少，因此建議當(dāng)微波加熱快速升溫到熱解溫度后改用常規(guī)加熱方式維持溫度。同年劉洪林等［33］提出了一種用微波加熱開采油頁巖的方法，該方法是在油頁巖巖層中鉆羽狀井并填入吸波物質(zhì)，并水平放置微波發(fā)生器，以便均勻快速加熱礦層。

2014年NETO等［34］用微波干餾油頁巖時(shí)，油頁巖熱解溫度比常規(guī)熱解溫度的380℃降低了80℃，隨后加入了5%酸性分子篩催化劑后，熱解所需的溫度更降低到了245℃，因此從能源消耗成本的角度來說明，微波加熱更加有利。

2015年羅萬江等［35］對油頁巖微波加熱后的熱解氣析出特征進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)微波促進(jìn)了油頁巖中硫的析出。與520℃下的常規(guī)熱解相比，雖然H2S的析出量與常規(guī)熱解相當(dāng)，但COS和C4H4S的析出量分別是常規(guī)熱解析出量的12.43倍和10.24倍，即分別最大量是382.03mg/m3和40.29mg/m3。

綜上所述，不論國內(nèi)還是國外對油頁巖微波干餾的研究，都表明了微波干餾對油頁巖的有效開發(fā)，特別是能有效減少氮化物和硫化物的含量，提高頁巖油的油品性質(zhì)。但大多數(shù)室內(nèi)研究可以看出，實(shí)驗(yàn)所用的微波加熱裝置都沒能模擬真實(shí)的地層情況，尤其是應(yīng)力條件，也沒能考慮油頁巖低滲透率對油氣開采的負(fù)面影響。因此更接近真實(shí)地層條件裝置的研發(fā)，是今后全面研究微波熱解油頁巖的基礎(chǔ)。

2.2微波提取油砂

油砂是一種固體，主要是瀝青、水還有巖石的混合物，一般以挖掘的形式開采，分離出瀝青后再煉制成成品油［36］。伴隨油砂開發(fā)技術(shù)的探索與推進(jìn)，許多方法層出不窮［37］，其中微波特殊的加熱優(yōu)勢，使其應(yīng)用到了油砂開采、分離和煉制等各個(gè)方面。

HONEYCUTT等［38］提出了一種通過加入敏化劑（sensitizer）提取油砂的方法。該方法認(rèn)為微波輻射可以裂解瀝青中的烴類物質(zhì)，減少了中間操作的過程，節(jié)約了時(shí)間和成本。DEPEW等［39］研究了加熱時(shí)間、催化劑的性質(zhì)結(jié)構(gòu)和水的加入對微波輔助催化油砂的影響，結(jié)果表明油砂中水和催化劑的存在，促進(jìn)了復(fù)雜和高黏度烴類物質(zhì)的分解。

在國內(nèi)，西安交通大學(xué)的王樹眾等［40］發(fā)明了一種利用微波輔助萃取油砂中原油的系統(tǒng)及方法，意在針對現(xiàn)有的熱堿洗法和溶劑萃取法浪費(fèi)水資源和工藝復(fù)雜等問題，提供一種新的油砂分離技術(shù)。

相比于其他兩種非常規(guī)油資源，微波在油砂中的研究有不少，但是大多不太深入，而且也沒有進(jìn)入商業(yè)化的應(yīng)用［41］。不過油砂和油頁巖的開采技術(shù)類似，相信隨著油頁巖微波原位開采技術(shù)的發(fā)展和成熟，也能帶動(dòng)微波在油砂中的多元化應(yīng)用。

3　微波加熱技術(shù)的應(yīng)用方式

微波加熱技術(shù)是一項(xiàng)非常規(guī)開發(fā)油藏的方式，其應(yīng)用的方法也依賴于油藏的性質(zhì)。對于滲透率較好，非均質(zhì)性較弱的地層，可以直接使用微波加熱，其技術(shù)方式主要是在井口設(shè)置大功率微波發(fā)射器，然后將天線下入到要作用的油層位置，直接加熱地層。BIENTINESI等［42］在此基礎(chǔ)上，為了防止天線附近的微波輻射下的溫度過高，則在天線周圍安裝了一個(gè)低損耗介電材料的緊密圓柱形外殼［如圖1（a）］，使得井底的溫度更加均勻，加熱方式更加安全可靠。

但是大多數(shù)的非常規(guī)資源，滲透率都較差，直接用微波加熱作用難以形成油氣通道，無法有效將賦存于巖層中的油開采出來。針對這種情況，解決方法主要是兩種。一種是側(cè)鉆水平井和羽狀井，然后將微波發(fā)射天線置于水平不同位置的加熱井中，再由垂直生產(chǎn)井產(chǎn)出［圖1（b）］。這種結(jié)構(gòu)不僅可以有效提高微波輻射的作用效果，而且水平井也可以減少滲流阻力，增加泄油面積。另外一種方式是考慮結(jié)合水力壓裂來改善滲流通道，其優(yōu)點(diǎn)在于一方面微波加熱使得熱解氣和束縛水蒸發(fā)，進(jìn)一步提高地層壓力，產(chǎn)生更多的微裂縫，另一方面微波的強(qiáng)吸收介質(zhì)可以通過壓裂液傳帶泵入地層。方朝合等［43］就是用此方式提出了微波原位加熱油頁巖的方法，即對油頁巖礦層進(jìn)行水平和垂直造縫，縱向裂縫用于充填微波強(qiáng)吸收劑，橫向裂縫用于導(dǎo)出加熱產(chǎn)生的油氣［圖1（c）］。

圖1　幾種微波加熱技術(shù)的應(yīng)用方式示意圖

除此之外，微波加熱技術(shù)還可以與其他開采技術(shù)進(jìn)行耦合，以進(jìn)一步提高采收率和加熱效率。例如稠油和油砂可以采用微波輔助重力泄油［圖1（d）］。對于油頁巖開采，可以先用微波加熱用于快速升溫，再用常規(guī)加熱方法保持溫度，防止溫度過高使頁巖油二次裂解。

盡管微波加熱技術(shù)對于非常規(guī)油資源的開發(fā)利用還不是很成熟，但是加熱速度快、采油效率高、能量損耗低、體積式加熱、選擇性加熱、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，讓微波加熱技術(shù)極具前景。除了上述的3種非常規(guī)油資源，微波加熱也能促進(jìn)吸附氣的解吸，因此可作為煤層氣的潛在開發(fā)方式之一。

4　問題與展望

全球已發(fā)現(xiàn)的常規(guī)油資源在1.0百萬桶左右，剩余70%左右的油都為稠油，世界范圍的油頁巖儲量在2.9百萬桶，而油砂儲量在加拿大就達(dá)1.7百萬桶［44］。這些數(shù)據(jù)都說明，在能源危機(jī)的21世紀(jì)，非常規(guī)油資源（稠油、油頁巖、油砂）雖然不是石油界的主流，但卻是石油界的未來。恰好這三類資源，都可以通過加熱的方式開采或者處理，而微波加熱技術(shù)作為一種高效、快速、潔凈的新型加熱方式，在解決深薄層、非均質(zhì)性強(qiáng)、低孔低滲、油品資源差和環(huán)境污染等問題上，有著不可替代的優(yōu)越性。

隨著微波加熱技術(shù)研究的深入和實(shí)用化進(jìn)程的發(fā)展，非常規(guī)油資源的能源地位已經(jīng)悄然轉(zhuǎn)型，但是為突破現(xiàn)場試驗(yàn)和商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸，需要解決的問題和今后的研究方向主要是以下幾個(gè)方面。

（1） 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)使用的微波功率都較小，部分裝置甚至是通過家用微波爐改造而成的。但對于現(xiàn)場應(yīng)用，要加熱整個(gè)地下的油藏，需要很大的發(fā)射功率，因此要實(shí)際應(yīng)用微波加熱技術(shù)，必須要研發(fā)大規(guī)模的微波發(fā)生裝置來滿足地下巖層需要加熱的能量。

（2） 在已有的數(shù)值模擬當(dāng)中，微波加熱的時(shí)間很長，至少都是十年以上。如此長時(shí)間微波連續(xù)處理，將對井下工具的材料質(zhì)量要求很高。為了保證井下作業(yè)的安全，特殊材料的耐高溫管柱與井下工具的研發(fā)，是微波加熱技術(shù)成功應(yīng)用的前提。

（3） 微波加熱時(shí)地層中的電磁和溫度分布數(shù)據(jù)對深入研究微波與地層的作用機(jī)理非常必要。但是直接測量地下巖層的電場分布和溫度分布具有很大的難度，因此建立合理的數(shù)學(xué)模型可以幫助完善設(shè)計(jì)思想和指導(dǎo)技術(shù)措施。

（4） 稠油、油頁巖和油砂對微波的吸收都很弱，往往需要加入添加劑（活性炭、金屬及其氧化物等）來提高的微波加熱效率，有些添加劑還具有催化裂解和加氫脫硫的能力。伴隨全球第6次科技革命浪潮的來臨，納米技術(shù)已經(jīng)悄然應(yīng)用于石油工業(yè)，例如納米機(jī)器人和納米智能流體等。納米顆粒具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，有些同時(shí)具有超高的催化活性和吸波特性，是作為添加劑的不二選擇。而且超分散的納米顆粒也不會堵塞孔隙，避免了對地層的傷害。將納米技術(shù)和微波加熱技術(shù)融合，將會成為今后的研究方向之一，油氣智能化的時(shí)代也隨之到來。

隨著油價(jià)保持低位，現(xiàn)金流枯竭，融資成本激增，天然氣行業(yè)被迫削減對未來石油供給的投資，再加上微波加熱配套的工藝與技術(shù)并不完善，都成為了微波采油尚未工業(yè)化的主要原因。然而國家“十三五”計(jì)劃中已經(jīng)提出加快安全、清潔、高效、低碳的現(xiàn)代能源體系的建設(shè)和推動(dòng)非常規(guī)油氣資源的發(fā)展，因此建議國家能源局等有關(guān)部門給予支持，在有條件的地區(qū)先進(jìn)行小區(qū)塊的微波開采試驗(yàn)，可考慮先進(jìn)行微波在稠油方面的試驗(yàn)，邁出我國微波開發(fā)非常規(guī)油資源的第一步。

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Progress in researches on microwave heating in unconventional oil resources

YANG Zhaozhong1，ZHU Jingyi1，LI Xiaogang1，LUO Dan1，2
（1State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，Sichuan，China；2University of Houston，Houston 77204，Texas，USA）

Heavy oil，oil shale and oil sands need heating to exploit or upgrade the crude oil，whereas microwave heating is a new heating technology with high-efficiency，quickness and purity which has great significance in cutting costs and improving efficiency in the unconventional oil resources development. The applications of microwave heating technology in the above mentioned three kinds of oil resources are described and discussed in details. The analysis shows that the microwave heating，which is in high energy utilization and environmentally friendly，can not only heating the whole reservoir rapidly and uniformly，but also assist to perform desulfurization and cracking reactions in order to upgrade the crude oil under the effect of catalyst. Conclusions have been drawn that the researches on high power microwave generator and laboratory evaluation device with more realistic formation conditions and the development of nanometer microwave additives as well as the combining microwave heating with other exploitation methods are the directions of development in the future. In the end，it is suggested that the relevant departments should give support to do field test in the small block.

microwave heating；heavy oil；oil shale；oil sands

TE34；O6-333

A

1000-6613（2016）11-3478-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.014

2016-03-17；修改稿日期：2016-04-06。

“十三五”國家科技重大專項(xiàng)（2016ZX044-04-02）及2015年西南石油大學(xué)科研“啟航計(jì)劃”。

及聯(lián)系人：楊兆中（1969—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣藏增產(chǎn)改造理論、技術(shù)和非常規(guī)天然氣開發(fā)。E-mail yzzycl@vip.sina.com。