高等礦床學(xué)論文

淺談油頁巖、頁巖氣成藏及其發(fā)展前景摘要：國際原油價格大幅上升和全球已探明的石油儲量只能維持40年的開采，使尋找可替代能源步伐悄然加快，一種沉寂多年的低熱值燃料油母頁巖的的開發(fā)利用開始升溫。目前，世界大部分油頁巖分布區(qū)地質(zhì)勘探程度低，很難對全球的油頁巖資源量正確預(yù)測，只有部分國家對本國油頁巖礦床進行了詳細的勘探和評價工作。就目前的勘探情況而言，美國是世界上油頁巖資源最豐富的國家，查明地質(zhì)資源量為33400億噸，折合頁巖油為3036億噸。然而，中國乃至世界范圍對于頁巖的研究還很欠缺，油頁巖研究給我們提出了問題，也帶來了機遇。另外,我國油頁巖在全國各地均有分布，其主要分布在中、新生代的盆地中。按照盆地分類方法，我國油頁巖主要分布于伸展盆地、撓曲盆地走滑盆地和克拉通盆地中，其中以伸展盆地為主。其主要受油頁巖的沉積時期的沉積環(huán)境、古構(gòu)造古氣候、有機質(zhì)來源、氧化還原條件、古地形、古鹽度等條件的影響。含油頁巖伸展盆地油頁巖成礦規(guī)律的研究為我國油頁巖地質(zhì)理論的發(fā)展和同類含油頁巖盆地的勘探開發(fā)起到一定的促進作用。關(guān)鍵詞：油頁巖；政策；發(fā)展現(xiàn)狀；資源勘探；成礦規(guī)律；控制因素1油頁巖簡介1.1油頁巖定義及性質(zhì)油頁巖又稱油母頁巖，是可燃礦產(chǎn)之一，現(xiàn)在公認的可燃礦產(chǎn)包括:煤、天然氣、石油等都是由有機物組成，堆積的植物和動物殘骸是可燃性礦產(chǎn)的重要來源。油頁巖由有機物質(zhì)和無機物質(zhì)組成，其中無機物質(zhì)常見的有:石英、粘土、碳酸鹽等，有的還含有銅、鎳、鉆、相、欽、釩等的化合物。油頁巖有機物質(zhì)可分兩類:一類為油母，是其主要成分，分析元素組成主要為:C,H,N,S,0等;另一類為瀝青，其含量在1%左右。一般認為油母是一種具有三維結(jié)構(gòu)的大分子聚合物的混合物。油母中的碳主要以脂族和環(huán)烷結(jié)構(gòu)存在，也有部分芳香族。所以只要能把油頁巖中的油母提煉出來，就可得到類似石油的原油，也即頁巖油[1]。油母中的氮在熱加工時大部分轉(zhuǎn)化為氨。油頁巖具有如下特征[2]:油頁巖通常為具有片狀層理性的無空固體，油頁巖的顏色自淺灰至深褐不等。從外面看與褐色的石頭幾乎一樣，不過如果拿起一塊往地上一摔，就會摔成許多片狀的碎塊，看起來就像一頁頁的紙疊起來似的，人們因此管它叫油頁巖。油頁巖與煤不同，主要由較大量的無機礦物質(zhì)和較少量的有機物組成，油頁巖的有機物含量通常不超過35%油頁巖在隔絕空氣或氧氣的情況下，加熱至400?500°C(即稱為干餾、低溫千餾或熱解)，其油母熱解生成頁巖油、熱解氣、熱解水及固體殘渣。固體殘渣附著于加熱后的無機質(zhì)表面，通常稱為半焦。油頁巖所含的無機礦物質(zhì)加熱時也會發(fā)生變化，例如，含結(jié)晶水的氧化鋁、氧化硅會有脫水反應(yīng);碳酸鹽于高溫下會脫去二氧化碳，生成氧化物。油母的氫碳原子比通常高于煤的有機質(zhì)的氫碳原子比，故熱解后頁巖油對油母的收率高于煤熱解液體產(chǎn)物(煤焦油)對煤有機質(zhì)的收率。但是由于油母只占油頁巖的少部分，以及煤所含的有機質(zhì)大大多于其無機質(zhì)，因此頁巖油對油頁巖的收率通常低于煤焦油對煤的收率。油頁巖與油砂不同，油砂的有機質(zhì)是瀝青，其瀝青可以用熱堿水提取出來，而油頁巖的有機質(zhì)中，主要是油母，是三維的固態(tài)有機大分子聚合物，不能用普通有機溶劑或堿液提取出來。頁巖油的有機質(zhì)中所含的少量瀝青，則可用提油的方法分離出來。應(yīng)該指出的是，油頁巖實際上并不含油，而是必須加熱至一定溫度時，油母質(zhì)熱解后才產(chǎn)頁巖油。而通常所述的某種油頁巖的“含油率”是指將該油頁巖試樣在實驗室用標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)儀器設(shè)備—鋁甄，用規(guī)定的加熱速率加熱至500C左右，所得的頁巖油對頁巖油對油頁巖的百分率。故有時“含油率”亦稱“鋁甄含油率”。不同產(chǎn)地油頁巖的含油率是不同的，通常同一區(qū)不同層位的油頁巖含油率也不盡相同。1.2世界油頁巖資源分布不完全統(tǒng)計表明，世界油頁巖蘊藏資源是巨大的，估計有10萬億噸，比煤資源量7萬億噸還多40%。世界油頁巖產(chǎn)于寒武系至第三系，主要分布于美國、扎伊爾、巴西、意大利、摩洛哥、約旦、澳大利亞、中國和加拿大等9個國家。目前只有美國、澳洲、瑞典、愛沙尼亞、約旦、法國、德國、巴西和俄羅斯等國的部分油頁巖礦床做了詳細勘探和評價工作。其它很多礦床的資源潛力有待進一步探明。如果考慮到有些國家的數(shù)據(jù)沒有收集全，有些礦床的資源量沒有做充分的調(diào)查和評價，那么全世界油頁巖蘊藏的頁巖油資源總量大體有2.6萬億桶或3662億噸。無論如何，全球油頁巖含油量約比傳統(tǒng)石油資源量2110億噸多50%以上［11。］表1世界取頁巖油資源分布國家貞巖油矯106t貞巖汕癥IO9bbl世界排名2005年貞巖油產(chǎn)ill/IO-'r美國3015562085.31俄羅斯35斗702斗7?82143101003巴西1173斗82415910446735摩洛哥816753.46約P52斗234.27澳人利亞斗53131.78愛沙尼亞249416.39345屮國22901610180加拿大219215.211汰國1000712埃及SI65.713以色列550斗1斗其他國家（13J780454.5總M：4086022826.16S4數(shù)據(jù)來源:Dyni,世界能源委員會,2007^1.3油頁巖資源開發(fā)及利用世界進入21世紀(jì)，由于政治、經(jīng)濟、資源、供求等種種原因，低油價的時代已一去不復(fù)返，世界油價已高漲至80?90美元/桶，甚至再2008年初，每桶油價突破了100美元大關(guān)。人類已經(jīng)進入了能源危機的時代，高昂的油價及短缺的石油資源不僅僅制約著世界的經(jīng)濟發(fā)展，還引發(fā)了世界各國對石油資源的爭搶，長此以往，世界兩級分化日益嚴(yán)重，更有可能因為爭奪資源而引起新的世界大戰(zhàn)。盡快解決能源緊張問題已經(jīng)成為人類必須面對的事實。尋找新的石油替代品，開發(fā)新工藝成為解決問題的主要途徑。世界油頁巖資源豐富，其儲量折算成頁巖油高達4000多億t遠較世界探明原油儲量1700多億t為大，也較世界原油資源3000億t為大。當(dāng)前高油價的時代，不少國家油頁巖礦藏的開發(fā)和干餾制取已經(jīng)變成有利，在巖頁油的生產(chǎn)在有條件的一些國家僅約20?40美元/桶，因此油頁巖可以成為石油的補充能源。由于有經(jīng)濟效益以及對液體燃料的日益增長的需求，油頁巖工業(yè)的發(fā)展有著良好的前景。在我國，隨著社會工業(yè)的不斷發(fā)展，國家的電力需求也日益上升。而目前我國一些地區(qū)主要是火力發(fā)電，火力發(fā)電的原料是煤炭資源，在當(dāng)今社會能耗日益增加的情況下，煤炭資源也出現(xiàn)了短缺，因此合理利用能源和找到替代能源是當(dāng)今要解決的問題。油頁巖是重要的油氣替代化石燃料資源，在我國一些地區(qū)，一方面充分利用油頁巖直接燃燒發(fā)電，解決了我國局部地區(qū)電力供給問題；另一方面利用油頁巖干餾技術(shù)制取頁巖油，在一定程度上也緩解了我國石油短缺的問題，同時，作為附加品，油頁巖干餾和燃燒后的頁巖灰具有一定的溶結(jié)強度，因此，在建筑方面受到廣泛應(yīng)用；水泥工業(yè)使用頁巖灰，不僅可以降低水泥生產(chǎn)成本，而且可以提高它的硬度；頁巖灰替換10%的水泥或沙子或者總量的10%，將生成最佳的耐壓強度；替換30%也不會明顯降低抗壓強度；頁巖灰若作為瀝青混凝土的摻和劑，會給混合料帶來很好的機械和耐久特性；也可以在玻璃和玻璃陶瓷的產(chǎn)品上得到應(yīng)用。因此，頁巖灰是一種很好的建筑材料。在我國，油頁巖干餾和燃燒后的半焦灰渣用來制造砌塊、磚、水泥、陶粒等建材料。油頁巖還可以直接用于有機肥料的生產(chǎn)。因此大力發(fā)展巖頁油工業(yè)及新能源工業(yè)具有很大的潛力，應(yīng)加以推廣規(guī)劃并落實［12。］2．油頁巖-發(fā)展前景在高油價時代，有關(guān)國家對油頁巖的開發(fā)利用活躍起來。美國國會于2005年通過了發(fā)展非常規(guī)能源的法案，掀起了油頁巖干餾煉油的研發(fā)高潮。美國總統(tǒng)布什于2008年6月18日聲明，支持發(fā)展油頁巖，鼓勵國會放開對批準(zhǔn)頁巖油試驗用地的限制。美國內(nèi)政部己批準(zhǔn)了6項給予石油公司的土地礦產(chǎn)租賃項目，支持開展油頁巖干餾煉油。美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院在2006年、2007年、2008年連續(xù)召開了第26屆、27屆、28屆國際油頁巖會議，參與人員眾多。當(dāng)前，美國有29家公司正開展油頁巖加工利用的研究，其中14家公司開展地下干餾，11家開展地上干餾的研發(fā)，2家公司開展頁巖油加氫制取輕質(zhì)油品研究。上述這些公司大多數(shù)正處于實驗室或數(shù)學(xué)模擬，或概念研究階段，只有殼牌公司正在進行現(xiàn)場地下干餾的中試，還有一些公司正籌劃開展實地試驗，另有幾家公司則在致力于干餾新技術(shù)的開發(fā)。中國油頁巖的開發(fā)利用起步較早，規(guī)模也比較大，但長期以來并沒有明顯進步。1959年頁巖油的產(chǎn)量達到70多萬噸，占世界的50％以上。1959年遼寧撫順年產(chǎn)頁巖油72萬噸，1953年樺甸年產(chǎn)頁巖油5萬噸，1962?1992年，廣東茂名共生產(chǎn)頁巖油300萬噸。20世紀(jì)60年代以后，由于中國常規(guī)油氣田的大量發(fā)現(xiàn)，油頁巖提煉油氣成本相對較高，頁巖油生產(chǎn)規(guī)模逐漸減小，并淡出油品市場，油頁巖開發(fā)利用技術(shù)也止步不前。近年來，由于上輪全球能源需求的增長和解決廢棄油頁巖環(huán)境問題的需要，油頁巖的勘探開發(fā)面臨新的機遇。撫順、樺甸、羅子溝、黃縣等老油頁巖礦先后恢復(fù)了頁巖油生產(chǎn)。2008年，國內(nèi)年產(chǎn)頁巖油約40萬噸，其中撫順礦業(yè)集團油頁巖煉油廠是目前我國正在運行的、最大的油頁巖提煉廠，其產(chǎn)量達到35萬噸。在油頁巖利用技術(shù)方面，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)也開展了研究工作。針對現(xiàn)有撫順爐單臺裝置處理能力小、油收率低、污染環(huán)境等缺點，撫礦集團于2006年成立;遼寧省撫礦集團工程技術(shù)研究中心;，將油頁巖綜合利用作為重點，開發(fā)大型油頁巖干餾新工藝和相應(yīng)的生產(chǎn)裝置，研發(fā)頁巖油生產(chǎn)過程的廢水、廢渣的處理與循環(huán)利用技術(shù)。中煤集團支持其所屬的龍江哈爾濱煤化工公司開展油頁巖流化干餾煉油的中試（日加工油頁巖50噸），已取得初步成功，日加工油頁巖2000噸的工業(yè)試驗裝置的可行性研究報告已初步通過。中石油支持大慶油田采用大連理工大學(xué)開發(fā)的顆粒頁巖固體熱載體干餾技術(shù)，擬建設(shè)日加工2000噸柳樹河油頁巖的工業(yè)試驗裝置。中國油頁巖資源儲量豐富，在煤炭開采過程中也產(chǎn)生了大量油頁巖，開發(fā)利用油頁巖不僅可以緩解石油供需矛盾，還可以解決因廢棄油頁巖造成的環(huán)境問題，提高資源利用率。因此中國應(yīng)該重視油頁巖方面的研究，推動開發(fā)利用技術(shù)進步，加快油頁巖行業(yè)發(fā)展。3．中國對發(fā)展油頁巖產(chǎn)業(yè)的政策支持在中國，國務(wù)院等中央領(lǐng)導(dǎo)部門幾年來多次發(fā)布有關(guān)鼓勵和扶持油頁巖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，包括稅收優(yōu)惠等規(guī)定，制定扶持政策，鼓勵綜合利用。獨立油頁巖礦床比照與煤共伴生礦免收增值稅。含油率4%至6%的油頁巖減半稅費，低于4%的免稅費。支持發(fā)電并網(wǎng)，提供低息貸款。對延長產(chǎn)業(yè)鏈實行級差稅率。加強礦權(quán)管理，實施有效監(jiān)督。根據(jù)油頁巖資源特點進行綜合有效管理，妥善解決礦業(yè)權(quán)交叉重疊。這對中國頁巖油的發(fā)展起到了促進作用。如國務(wù)院關(guān)于加強地質(zhì)工作的決定中提出加強煤層氣、油砂、油頁巖等非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)；國家發(fā)改委和遼寧省將撫礦生產(chǎn)的頁巖油免交增值稅，并將其綜合利用產(chǎn)品燒結(jié)磚和水泥等定為減免稅產(chǎn)品；2011年發(fā)布的國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄中將油頁巖、油砂、油頁巖、天然氣水合物等非常規(guī)資源勘探開發(fā)列為鼓勵類產(chǎn)業(yè)。4．油頁巖分布及利用現(xiàn)況4.1全球油頁巖分布及利用現(xiàn)況不完全統(tǒng)計表明，全球油頁巖蘊藏資源量是巨大的，估計有10萬億噸，比煤資源量7萬億噸還多40%。全球油頁巖產(chǎn)于寒武系至第三系，主要分布于美國、扎伊爾、巴西、意大利、摩洛哥、約旦、澳大利亞、中國和加拿大等9個國家。目前只有美國、澳洲、瑞典、愛沙尼亞、約旦、法國、德國、巴西和俄羅斯等國的部分油頁巖礦床做了詳細勘探和評價工作。其它很多礦床的資源潛力有待進一步探明。如果考慮到有些國家的數(shù)據(jù)沒有收集全，有些礦床的資源量沒有做充分的調(diào)查和評價，那么全世界油頁巖蘊藏的頁巖油資源總量大體有2.6萬億桶或3662億噸。也有估計為4110億噸或4225億噸。無論如何，全球油頁巖含油量約比傳統(tǒng)石油資源量2710億噸（IEA,2002年《世界能源展望》）多50%以上。需要指出的是，全球油頁巖可采資源量中頁巖油總量可能要比估計小的多。有人估計只有282億噸。這是因為，實際可以獲得的資源量要受一些因素影響。例如，一些礦床埋藏太深以至于不能經(jīng)濟開采；地面上的土地利用也在很大程度上限制了有些油頁巖礦床的開發(fā),尤其是那些工業(yè)化程度高的城市。油頁巖的開發(fā)利用可以追溯到17世紀(jì)。到19世紀(jì)時，油頁巖的年產(chǎn)規(guī)模達百萬噸，已經(jīng)可以從油頁巖中生產(chǎn)了一些諸如煤油、燈油、石蠟、燃料油、潤滑油、油脂、石腦油、照明氣和化學(xué)肥料、硫酸氨等產(chǎn)品。到20世紀(jì)早期，由于汽車、卡車的出現(xiàn)，油頁巖作為運輸燃料被大量的開采。直到1966年，由于原油的大量開采利用，油頁巖作為主要礦物能源才退出歷史舞臺。但是，現(xiàn)在油頁巖的利用更加廣泛，愛沙尼亞、巴西、中國、以色列、澳大利亞、德國等國對油頁巖的利用已經(jīng)擴展到發(fā)電、取暖、提煉頁巖油、制造水泥、生產(chǎn)化學(xué)藥品、合成建筑材料以及研制土壤增肥劑等各個方面。油頁巖產(chǎn)量高的國家主要有愛沙尼亞、俄羅斯、巴西、中國和德國。有數(shù)據(jù)表明，世界油頁巖的產(chǎn)量經(jīng)歷了兩個高峰期。第二個高峰期是在1980年，產(chǎn)量達到4540萬噸的歷史高峰。此后產(chǎn)量基本上一路下滑，到2000年，產(chǎn)量只有1600萬噸。4.2中國油頁巖分布及開發(fā)利用現(xiàn)狀中國油頁巖資源較豐富，石炭系■第三紀(jì)都有產(chǎn)出，但主要產(chǎn)于第三系。中國油頁巖資源未進行全面調(diào)查，還沒有能反映資源全貌、較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。各種數(shù)據(jù)差別懸殊。從表2的數(shù)據(jù)看，地質(zhì)部1980年公布的截至1979年底含油率大于5%的表內(nèi)油頁巖儲量311.7億噸是可信的，撫順石油研究所的預(yù)測油頁巖儲量4520億噸的依據(jù)較充分，兩項合計為4831.7億噸，居世界第4位。中國油頁巖礦的含油率一般大于5%,多在6%左右。若按含油率6%折算，中國頁巖油的遠景地質(zhì)儲量達289.9億噸。已探明的儲量折算成頁巖油，至少有18.7億噸。若按撫順石油一廠、二廠的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，每33~35噸油頁巖生產(chǎn)1噸頁巖油折算，探明的油頁巖儲量311.7億噸，可生產(chǎn)9.17億噸油；預(yù)測儲量4520億噸可生產(chǎn)132.9億噸油，兩項合計為142億噸。中國油頁巖的分布比較廣泛，但分布不均勻，主要分布于內(nèi)蒙古、山東、山西、吉林、黑龍江、陜西、遼寧、廣東、新疆等9省。由于勘探程度較低，目前僅在14個省（區(qū)）計算了探明儲量，其中吉林、遼寧和廣東的儲量較多，合計約占全國探明儲量的90%以上。有21個?。▍^(qū)）做了儲量預(yù)測，內(nèi)蒙古、山東、山西、吉林和黑龍江等省的預(yù)測儲量大。5成藏條件為了研究頁巖氣的成藏機理,下面我首先從氣體來源、儲集介質(zhì)、蓋層條件、圈閉條件、運移條件和分布特點等六個方面來說明頁巖氣藏的成藏條件［3］。氣體來源在埋藏溫度升高或者有細菌侵入時,暗色泥頁巖中的有機質(zhì),甚至包括已生成的液態(tài)烴,就裂解或降解成氣態(tài)烴,游離于基質(zhì)孔隙和裂縫中,或吸附于有機質(zhì)和黏土礦物表面,在一定地質(zhì)條件下就近聚,因此頁巖氣得氣體來源主要是生物氣或熱成熟氣。儲集介質(zhì)頁巖氣儲集在泥、頁巖及其間的砂質(zhì)巖夾層內(nèi),頁巖氣藏儲層具有典型的低孔、低滲特征,孔隙度一般小于4%?6.5%,平均為5.2%,滲透率一般低于0.001毫達西，并隨著埋深加大，物性變差［1］。若處于斷裂帶或裂縫發(fā)育帶,頁巖孔隙度、滲透率增加。5.3蓋層條件頁巖氣與煤層氣相似,具有自生自儲的特點,沒有或僅有短距離的運移,頁巖本身就是良好的蓋層,因此頁巖氣的存在不需要其他巖性的介質(zhì)作為蓋層。5.4圈閉條件頁巖氣藏的形成也不需要常規(guī)意義上的圈閉,頁巖氣藏形成于烴源巖層內(nèi),無清晰的油水界面,氣藏范圍可近似等于生氣源巖面積。5.5運移條件頁巖氣藏的形成是天然氣在源巖中大規(guī)模滯留的結(jié)果,由于其為自生自儲氣藏,所以頁巖氣藏的形成基本上沒有運移或運移距離極短。5.6分布特點頁巖氣藏分布受暗色頁巖分布控制,面積大、范圍廣,常呈區(qū)域性、連續(xù)性分布。頁巖氣藏通常位于或接近于盆地的沉降—沉積中心處,導(dǎo)致頁巖氣的有利區(qū)主要集中于盆地中心處［4］。6成藏機理6.1成藏氣源分析如前所述,頁巖氣藏的生烴、排烴、運移、聚集和保存全部在烴源巖內(nèi)部完成,頁巖既是烴源巖、儲層,也是蓋層。研究表明,烴源巖中生成的烴類能否排出,關(guān)鍵在于生烴量必須大于巖石和有機體對烴類的吸附量,同時必須克服頁巖微孔隙強大的毛細管吸附等因素。因此,烴源巖所生成的烴類只有部分被排出,仍有大量烴類滯留于烴源巖中。北美地區(qū)目前發(fā)現(xiàn)的頁巖氣藏存在3種氣源,即生物成因、熱成因以及兩者的混合成因。其中以熱在頁巖氣成藏過程中,隨天然氣富集量增加,其賦存方式發(fā)生改變,完整的頁巖氣藏充注與成藏過程可分為4個階段。第一階段為天然氣生成與吸附階段,該階段形成的頁巖氣藏具有與煤層氣相似的成藏機理;第二階段為吸附氣量（包括部分溶解氣量）達到飽和時,富余氣體解吸或直接充注到頁巖基質(zhì)孔隙中（也不排除少量直接進入了微裂縫中）,其富集機理類似于孔隙型儲層中天然氣的聚集;第三階段是隨著大量氣體的生成,頁巖基質(zhì)孔隙內(nèi)溫度、成因為主，生物成因及混合成因僅存在于美國東部的個別盆地中，如Michigan盆地Antrim生物成因頁巖氣藏及Illinois盆地NewAlbany混合成因頁巖氣藏［2］。6.2成藏特點分析頁巖氣藏中氣體的賦存形式多種多樣，其中絕大部分是以吸附氣的形式賦存于頁巖內(nèi)有機質(zhì)和黏土顆粒的表面，這與煤層氣相似。游離氣則聚集在頁巖基質(zhì)孔隙或裂縫中，這與常規(guī)氣藏中的天然氣相似。因此,頁巖氣的形成機理兼具煤層吸附氣和常規(guī)天然氣兩者特征,為不間斷充注、連續(xù)聚集成藏。壓力升高,出現(xiàn)巖石造縫以及天然氣以游離狀態(tài)進入頁巖裂縫中成藏;經(jīng)過前述三個過程后,天然氣最終以吸附氣和游離氣的形式富集形成頁巖氣藏,即頁巖氣藏形成階段。6.3成藏階段分析頁巖氣成藏機理具有明顯的“混合型”特征。根據(jù)成藏條件的不同,成藏機理可分為吸附機理、活塞式成藏機理或置換式成藏機理兩種類型［5］。按成藏機理的不同又可將頁巖氣的成藏劃分為2個階段:第一階段以吸附作用為主,發(fā)生在頁巖氣藏形成初期;由于頁巖層段富含具有吸附能力的有機碳,頁巖所生成的天然氣首先滿足有機碳的吸附需求,具有與煤層氣相同的成藏機理,也就是我們所說的