一种油页岩电加热试验和监控装置技术领域
本发明属于油页岩地下原位电加热技术领域，涉及一种油页岩电加热试验和监控
装置。
背景技术
油页岩是一种沉积页岩，其中富含有机质。它具有煤炭的特性，可直接燃烧，用于
发电或供热，同时具有石油的成分，可炼制人造石油—页岩油。因此，作为非常规能源的油
页岩，越来越引起世界各国的关注。中国油页岩探明储量7199×108t，折合页岩油达476×
108t，居世界油页岩储量第二位。
目前，国际上油页岩就地干馏开采方法很多。根据热量传递的方式可以分为三种：
直接传导加热、对流加热、辐射加热。
直接电加热法比如：壳牌原位转化技术(In-situ Conversion Process)，简称ICP
技术。壳牌公司的ICP技术占地面积小，不产生尾气废渣，空气污染小，有害副产品及对地下
水污染也较少，和传统工艺相比有重大突破。但是，该技术也存在工艺复杂、耗电量大、无用
耗损大、回收效率低及成本高等缺点。
目前对流加热技术主要有太原理工大学的对流加热技术、雪弗龙的Crush技术和
EGL技术等。但是该技术仅适用于深度超过150m、厚度超过8m的油页岩地层中，其余条件下
经济效益较低。
辐射加热,如美国伊利诺理工大学提出利用射频技术对油页岩进行加热，该技术
先期利用组合电极对深层油页岩加热，加热速度较缓慢；后来采用无线射频的方式，缩短了
热扩散的时间，且容易控制，穿透力强，但同样存在油页岩温度升温速率慢的问题,极大地
提高了油页岩的开采利用成本。
本发明油页岩电加热试验和监控装置是在室内模拟现场原位开采状态，结合以上
三种加热方式，以电加热法为主，辅助监控系统，实现了对油页岩电加热过程的控制，并对
油页岩加热过程中的数据进行实时采集，确定合理可行的原位开采工艺和加热设备，克服
了现有技术存在的工艺复杂、耗电量大、成本高等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的工艺复杂、耗电量大、成本
高等问题，提供了一种油页岩电加热试验和监控装置。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：
一种油页岩电加热试验和监控装置，包括加热系统和监控装置两大部分，
所述加热系统包括电加热反应釜3、电加热器、油水分离器8、油气分离器18和气体
冷凝装置；
所述电加热器布置于电加热反应釜3的加热孔内，电加热反应釜3通过管路b7与油
水分离器8连接，所述油水分离器8通过管路f17与油气分离器18连接，管路f17进入到气体
冷凝装置中；
所述的监控装置分为控制部分和数据采集部分。
所述控制部分包括PID仪表和功率调整器；PID仪表将信号传递给功率调整器，通
过功率调整器调整电加热器的加热功率。
所述的数据采集部分由无纸记录仪2、温度传感器、压力传感器、流量计组成；
温度传感器、压力传感器、流量计采集的数据均存储在无纸记录仪2中，无纸记录
仪2将数据信号输出给PID仪表。
技术方案中所述电加热反应釜3下方圆锥状底部设置阀门a4，与管路a5连接，管路
a5上设置阀门b6并与管路b7连接。
技术方案中所述油水分离器8的底部和右侧壁上，分别设置阀门c9、阀门d10，进行
水和油的分离。
技术方案中所述油气分离器18的底部和顶壁分别设置阀门e19和阀门f20，油气分
离器18左侧经管路g21与集气瓶23连接，集气瓶23顶壁设置阀门g22。
技术方案中所述气体冷凝装置主要由换热器15、水泵13、冷却水箱11以及循环管
路c12、d14、e16组成；冷却水箱11右侧与自来水连通，水泵13右侧经管路c12与冷却水箱11
连接，左侧经管路d14与换热器15连接，换热器15上部右侧与管路e16连接。
在电加热反应釜3内设置温度传感器设置，在腔外管路a5、管路d14、管路e16和管
路f17上设置温度传感器；
在电加热反应釜3和管路a5、管路f17上分别设置压力传感器；
在进入换热器15的管路c12上设置流量计；
技术方案中所述的电加热反应釜3的盖子是一法兰，在法兰的中部有六个加热孔，
成正六边形分布；在加热孔的中间有一个进气孔，通过此孔往电加热反应釜3中注入氮气。
技术方案中所述电加热反应釜3内设置13个温度传感器，在腔外管路a5、管路d14、
管路e16和管路f17上分别设置4个温度传感器；在电加热反应釜3和管路a5、管路f17上分别
设置3个压力传感器。
技术方案中所述PID仪表设置在控制柜24中，在控制柜24的面板上设置急停电源
指示灯、电加热器工作指示灯。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1、设计了一套油页岩电加热反应装置及监控装置，实现了对油页岩电加热过程的
控制并对油页岩加热过程中的数据进行实时监测，从而简化工艺，降低成本，提高了运行效
率。
2、模拟现场原位开采状态对油页岩进行电加热试验，利用监控装置实现对试验过
程中的油页岩样品的温度、压力等数据的采集存储，从而有利于研究加热过程中油页岩层
内的温度场变化情况，对制定切实可行的油页岩开采方案具有重要的指导作用。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1是本发明所述油页岩电加热试验和监控装置的油页岩电加热试验流程图；
图2是本发明所述油页岩电加热试验和监控装置的加热孔、温度传感器在法兰上
的布置示意图；
图3是本发明所述油页岩电加热试验和监控装置的油水分离器示意图；
图4是本发明所述油页岩电加热试验和监控装置的气体冷凝装置示意图；
图5是本发明所述油页岩电加热试验和监控装置的油气分离器示意图；
图中：
1、计算机；2、无纸记录仪；3、电加热反应釜；4、阀门a；5、管路a；6、阀门b；7、管路b；
8、油水分离器；9、阀门c；10、阀门d；11、冷却水箱；12、管路c；13、水泵；14、管路d；15、换热
器；16、管路e；17、管路f；18、油气分离器；19、阀门e；20、阀门f；21、管路g；22、阀门g；23、集
气瓶；24、控制柜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施方式和附图,对
本发明做进一步详细说明。
油页岩电加热试验台包括加热系统和监控装置两大部分。加热系统包括电加热反
应釜3、电加热器、油水分离器8、气体冷凝装置和油气分离器18等，监控装置包括温度传感
器、流量计等。
本发明利用油页岩电加热技术的试验台，并对试验过程中的温度、压力、流量进行
监控。
所述的加热设备为电加热反应釜3，电加热反应釜3为上部圆柱状，直径720mm，高
500mm，底部有孔状隔板，此部分盛装油页岩样品，电加热的反应在此进行。电加热反应釜3
底部为圆锥状，连接阀门，试验进行时，此处用来收集产生的液体产物。
所述的电加热反应釜3，其盖子是一直径720mm的法兰，在法兰的周边有一圈直径
为14mm的螺栓固定，在法兰的中部有六个加热孔，成正六边形分布。在加热孔的中间有一个
进气孔，通过此孔往电加热反应釜3中注入辅助气体氮气，辅助气体在电加热反应釜内的扩
散形成了对流传热,从而加速了热量传递速率。
所述电加热反应釜3上部经管路b7与油水分离器8连接，下方圆锥状底部设置阀门
a4，与管路a5连接，管路a5上设置阀门b6并与管路b7连接；油页岩裂解产生的气体产物通过
电加热反应釜上方连接的管路b7导出进入油水分离器8，液体产物通过电加热反应釜下方
与圆锥状底部连接的阀门a4流入收集容器，残余的气体经管路a5上升通过管路b7进入油水
分离器8。
所述的气体冷凝装置参阅图4所示，主要由换热器15、水泵13、冷却水箱11、以及循
环管路组成。冷却水箱11右侧与自来水连通，为保证冷却效果，定时更换水箱中的水。水泵
13右侧经管路c12与冷却水箱11连接，左侧经管路d14与换热器15连接，换热器15上部右侧
与管路e16连接；冷水被水泵13从冷却水箱11中经管路c12抽出，通过管路d14进入换热器15
中，对管路f17中的气体冷却后从管路e16流出。
所述的气、液体采集装置，主要包括油水分离器8、油气分离器18；其位置连接关系
如图1所示，详细构造如图3和图5所示。
在油水分离器8的底部和距底部50mm的侧壁上，分别设置1个阀门，进行水和油的
分离。油页岩样品热解产生的油气，经油水分离器8和气体冷凝器装置后回收一部分，剩余
的沿管路f17进入油气分离器18。油质进一步冷却，通过底部阀门进行回收，而气体通过出
气管排出或收集至集气瓶23中。
为了监测电加热反应釜3及管路中温度和压力在实验过程中的变化以及对加热过
程进行控制，设计了监控装置。所述的监控装置主要分为控制部分和数据采集部分。
无纸记录仪2，温度、压力和流量采集装置属于属于监控装置中的数据采集部分。
控制部分包括控制柜24中的PID仪表和功率调整器，在控制柜面板上设置急停电
源指示灯、电加热器工作指示灯；无纸记录仪2将数据信号输出给控制柜24中的PID仪表，
PID仪表将信号传递给功率调整器，通过功率调整器调整电加热器的加热功率。
所述的数据采集部分由无纸记录仪2、温度传感器、压力传感器、流量计组成。
如附图1所示：电加热反应釜3内设置13个温度传感器，如图2中的13个小孔即为温
度传感器T1—T13的分布，分别测量腔内不同位置、不同深度油页岩温度；在腔外管路a5、管
路d14、管路e16和管路f17上分别设置4个温度传感器T15—T18，测量试验过程中不同管路
中液、气体的温度变化。在电加热反应釜3和管路a5、管路f17上分别设置3个压力传感器
P1—P3，测量加热腔内以及管路中气体压力。在进入换热器15的管路c12上设置1个流量计
F，测量进入换热器15中循环水的流量。
温度传感器、压力传感器、流量计采集温度、压力和流量数据，数据存储在无纸记
录仪2中。
首先将这些数据采集部分连接到无纸记录仪2的对应通道上，然后无纸记录仪2与
控制柜24连接，最后连接计算机1。从而实现对加热过程中电加热反应釜3内油页岩不同位
置的温度、釜内压力和管路中油页岩气体的温度等数据的监控及采集。
所述监控装置主要控制和采集试验中的温度、压力和流量等数据，并存储在无纸
记录仪2中，无纸记录仪2再将信号输出给控制柜24中的PID仪表，PID仪表再将信号传递给
功率调整器，通过功率调整器调整电加热器的加热功率。采集的各项数据，包括时间日期，
存储为txt文件和Excel表格。试验前可以对数据采集时间间隔进行设定，一般设定时间间
隔为0.5—5min。
通过本发明实施例，可以监测油页岩温度场的变化和不同加热温度下产物的形
成，为示范工程电加热工艺和设备的确定提供依据，同时利用油页岩电加热技术的试验台，
模拟现场原位开采状态，可确定合理可行的原位开采工艺和加热设备。
图1为油页岩电加热室内试验流程图，加热试验时，将油页岩样品放入电加热反应
釜3中，按实验方案布置加热器及传感器后，对其进行加热，加热的同时通过进气管向电加
热反应釜中注入辅助气体—氮气。油页岩裂解产生的气体产物通过电加热反应釜上方连接
的管路b7导出，液体产物通过电加热反应釜下方与圆锥状底部连接的阀门a4流入收集容
器，残余的气体上升通过管路b7进入油水分离器8，产生的水主要通过阀门c9流出，而油通
过阀门d10进行收集，未冷凝的气体则继续上升通过管路f17进入气体冷凝装置进行冷凝。
该气体冷凝装置主要由换热器15、水泵13、冷却水箱11、以及循环管路c12、d14组成。冷却水
箱11与自来水连通，冷水被水泵13从冷却水箱11中经管路c12抽出，通过管路d14进入换热
器15中，对管路f17中的气体冷却后从管路e16流出。剩余的气体沿管路f17进入油气分离器
18。油质进一步冷却，通过底部阀门e19进行回收，而烃类气体通过阀门f20排出，剩余的气
体通过管路g21收集至集气瓶23中。监控装置主要采集试验中的温度、压力和流量等数据，
并存储在无纸记录仪2中，无纸记录仪2再将信号输出给控制柜24中的PID仪表，通过功率调
整器调整电加热器的加热功率。采集的各项数据，包括时间日期，存储为txt文件和Excel表
格。试验前可以对数据采集时间间隔进行设定，一般设定时间间隔为0.5—5min。
参阅图2，为加热孔、温度传感器在法兰上的布置示意图，六个加热孔设置在法兰
中部的正六边形的六个顶点，电加热反应釜中的温度传感器参阅图2中的13个小孔布置。
加热时首先将电加热器插入各自的加热孔中，开始加热电加热器,加热的同时通
过进气管向电加热反应釜中注入辅助气体—氮气,辅助气体在电加热反应釜内的扩散形成
了对流传热,从而加速了热量传递速率。
图3为油水分离器8示意图，油页岩加热过程中产生的气体通过管路时，有一部分
气体冷凝为水和页岩油，在油水分离器中进行分离。在油水分离器的底部和距底部50mm的
侧壁上，分别设置1个阀门，进行水和油的分离。产生的水主要通过阀门c9流出，而油通过阀
门d10进行收集，产生的气体则继续上升通过换热器15进行冷凝。
油水分离器8的底部和右侧壁上，分别设置阀门c9、阀门d10，进行水和油的分离，
上部通过管路f17与油气分离器18连接，管路f17进入到气体冷凝装置中；
图4为气体冷凝装置示意图，油页岩裂解产生的油气在气体冷凝装置中进行冷却。
装置主要由换热器15、水泵13、冷却水箱11、以及循环管路组成。冷却水箱11与自来水连通，
冷水被水泵13从冷却水箱11中经管路c12抽出，通过管路d14进入换热器15中，对管路f17中
的气体冷却后从管路e16流出。
图5为油气分离器示意图，所述油气分离器18的底部和顶壁分别设置阀门e19和阀
门f20，右侧与管路f17连接，左侧通过管路g21与集气瓶23连接，集气瓶23顶壁设置阀门
g22；油页岩样品热解产生的油气，经油水分离器8和气体冷凝装置后回收一部分，剩余的沿
管路f17进入油气分离器18，油质进一步冷却，通过底部阀门e19进行回收，而烃类气体通过
阀门f20排出，剩余的气体经管路g21通过阀门g22收集至集气瓶23中。
气体冷凝装置主要由换热器15、水泵13、冷却水箱11、以及循环管路c12、d14、e16
组成。冷却水箱11右侧与自来水连通，水泵13右侧经管路c12与冷却水箱11连接，左侧经管
路d14与换热器15连接，换热器15上部右侧与管路e16连接；
在实现油页岩原位开采过程中，加热井中的热能通过热传导作用传递到油页岩岩
体内。随着加热时间的不断增长，岩体温度不断升高，赋存于油页岩中的干酪根逐渐达到其
热解温度，转变为液态页岩油及类似沥青的油状物质，随着温度的进一步升高，再转变为烃
类和硫化氢等气体。由此可见，油页岩不同裂解产物的生成与温度密切相关。因此，研究加
热过程中油页岩层内的温度场变化情况，对制定切实可行的油页岩开采方案具有重要的指
导作用。