油页岩(又称油母页岩)是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩。它和煤的主要区别是灰分超过40%,与碳质页岩的主要区别是含油率大于3.5%。油页岩属于非常规油气资源,以资源丰富和开发利用的可行性而被列为21世纪非常重要的接替能源。它与石油、天然气、煤一样都是不可再生的化石能源。
油页岩不仅可以通过干馏法炼制成油页岩油,并获得汽油、煤油、柴油等多种石油化工产品,还可作为燃料用来发电、取暖和运输,也可生产建筑材料和化肥等。
世界油页岩资源主要分布于美国、俄罗斯、中国、爱沙尼亚等国家。为了提高油气产量,许多国家都在积极尝试对油页岩的开发利用。油页岩也以资源丰富和开发利用的可行性而被列为21世纪非常重要的接替能源。
中国科学院院士李廷栋说,油页岩作为常规油气的重要接替或补充资源,在全球资源战略中的地位日益彰显,开发油页岩有利于满足我国石油需求、降低对进口石油的依存度。
根据国土资源部油气资源战略研究中心(2014)评价结果,我国油页岩资源量为9723.2亿吨,折算成可提炼的油页岩油为164.3亿吨,累计探明储量1082亿吨,探明程度11.1%。
自2000年以来,我国油页岩油产量总体进入了快速增长阶段,从2005年以来一直位居世界第一,2015年达到了83万吨,为历史新高,2018年,全国油页岩油产量统计为74万吨。
目前我国正在重点开展油页岩开发利用,各企业不仅在单一炼油或单一发电方面寻求新的先进技术,同时也在油页岩综合利用方面不断完善,力求对油页岩及其产品高效、完全地利用。
可以说,油页岩是当前具有广阔开发前景的重要能源,不管是其开发还是利用都蕴含巨大的潜能。青海煤炭地质一〇五勘探队工程师严翔告诉记者,就目前来看,全球的油页岩储量十分丰富,比石油资源储量多50%以上,并且其分布也相对集中,有利于对其进行有效开发与利用。
不过,严翔同时指出,油页岩开采工艺复杂、开采成本较高,再加上环保等问题的影响,其开发与利用的过程中还存在很多质疑与问题。因此,对我国油页岩储量、资源量以及经济效益等进行科学合理评价,是促进油页岩开采行业顺利稳定发展的重要基础。
抚顺地区的油页岩保有储量达到10亿吨,平均含油率在7%左右。抚顺曾是新中国成立后最早产出页岩油的地方。
20世纪初,辽宁抚顺矿业集团针对煤炭资源的日益衰减,围绕油页岩探索转型之路。经过多年的努力,这家大型国有企业掌握了多项具有自主知识产权的油页岩干馏技术。
在日本侵华时期,日本人也曾在抚顺进行油页岩的开发。1930年,日本人调查抚顺煤矿时,发现高处滚落的石头会因摩擦起火,经化验推断其为油页岩,且油页岩在煤层上面的厚度约为135米,平均含油率为5.5%。
此后,日本海军催促从油页岩中提炼石油。日本人通过自研和向英国学习提炼技术,独创了“抚顺内燃式干馏炉”,并逐渐能够从油页岩中提炼出挥发油、一号轻油、二号重油等。到1945年8月,日本在抚顺共建成干馏炉200台,单炉日处理油页岩100~200吨,页岩油最高年产量约达25万吨。抚顺油页岩矿成为日本在东北唯一的石油生产基地。
凭借从“石头”里榨出油的工艺,抚顺东露天煤矿所在的辽宁抚顺矿业集团产油量已连续多年稳定在较高水平,成为中国重要的油页岩加工基地。其产出的页岩油又称为“人造石油”,可用于兑制燃料油、深加工等用途,具有较高经济价值,是该老国企产业转型的重要支撑。
近年来中国日益重视资源、能源的综合利用,对油页岩的开发加工也提上了议事日程,并设立了多个相关的研发平台。例如,抚顺矿业集团总投资逾30亿元的远东页岩炼化有限责任公司建成,该公司将围绕页岩油的成分特点重点炼制丙烯、丙烷、液化气等产品,提高产品附加值,为页岩油的精深加工提供示范。
过去采煤时,油页岩曾被当作废品剥离舍弃。而如今,通过技术创新和综合利用,油页岩的价值得到了充分发挥,为地区经济和能源产业发展做出了重要贡献。同时,这也体现了人类在能源利用方面的不断探索和进步。
“油页岩”成熟度较低,是尚未成熟通过加热补充能量才能转化为石油的潜在资源。油页岩又称油母页岩,是“人造石油”的一种重要原料,经加热干馏后可分解生成油页岩油、干馏气和页岩半焦。
油页岩工业开始于1838年的法国,至今已有170余年历史,但受技术、成本和环境等因素制约,一直未能实现大规模开发利用。油页岩的生产出现过3个高峰期:第一,二战期间石油需求量剧增,油价猛涨,不少国家兴起了油页岩开发热潮。20世纪50年代中国大力发展油页岩,油页岩油产量占全国石油产量的60%以上。第二,20世纪70年代石油危机爆发,油页岩开发利用又重新得到重视。美国、德国、巴西、日本、苏联等国家研究了各种油页岩干馏炼制油页岩油的方法,部分国家形成工业化生产规模,油页岩利用快速增长。第三,1980年出现第三个高峰期,产量达到4700万吨左右,达到历史最高水平。1980年以后,随着常规石油的大量发现和开发,油价大幅下降,相对油页岩,天然石油质优价廉,油页岩的产量下滑,到2000年仅有1600万吨。进入21世纪,随着常规石油的发现与开发难度增大以及国际油价持续上涨,对油页岩开发利用的重视程度正在不断加强。爱沙尼亚、美国、约旦等国家在油页岩开发利用方面取得了较大进展,其中爱沙尼亚在油页岩综合开发利用方面最为成功。
中国开发利用油页岩已有70多年的历史,主要是提炼油页岩油、制煤气及作为燃料直接燃烧,尤其在油页岩油提炼方面,积累了较丰富的技术经验。如辽宁抚顺油页岩工业始于1928年,1959年油页岩油产量达79万吨,为历史最高水平;其油页岩含油率为5%~10%,探明储量41亿吨;现在辽宁抚顺油页岩厂每年露天开采500万吨油页岩,生产10万吨油页岩油。广东茂名油页岩最厚达49米,平均含油6%~8%,最高13.66%,热值3.9~6.2兆焦每千克,探明储量55.15亿吨。目前,中国油页岩的开发主要集中在辽宁抚顺、吉林桦甸、山东龙口等地,2011年油页岩油产量在75万吨以上,2012年之后油页岩油产量基本稳定在70万吨左右。
油页岩沉积环境从海相到陆相都有分布,但国外以海相为主。油页岩形成的时代也很广泛,从寒武纪、奥陶纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪、白垩纪到古近纪和新近纪都有分布。古生代油页岩资源以海相油页岩与碳酸盐岩共生为主,多形成油页岩、磷块岩、燧石岩石组合类型,以分布面积广、厚度大,但含油率较低为特征;中—新生代油页岩资源则以湖相沉积与煤共生为主,常与火山碎屑岩伴生,以分布面积小、厚度薄,但含油率较高为特征。
全球42个国家共有油页岩油地质资源量4540亿吨,可采资源量约1500亿吨,主要分布于美国、中国、俄罗斯、刚果、巴西、意大利、摩洛哥等11个国家,其中美国油页岩油资源量最大,占全球油页岩油总资源量的71%。目前仅有美国、中国、意大利、爱沙尼亚4个国家,开展过全国范围内的油页岩油资源评价。
如上所述,“油页岩”是尚未成熟、潜在的石油资源。中国油页岩矿床生成的地质年代范围很广,自古生代的石炭纪、二叠纪,直至中生代的三叠纪、侏罗纪、白垩纪和新生代古近纪,以古近纪为主。中国上古生界油页岩矿床主要分布于新疆北部,中生界油页岩矿床主要分布于东北部、中部与西藏北部地区,新生界油页岩矿床主要分布于东部、东北部与西藏南部地区。东部为平原与低山地貌,中部为丘陵、低山与黄土塬地貌,西部为沙漠、戈壁、低山地貌,西藏为高原地貌。
油页岩属于未成熟的烃源岩,主要分布于含油气盆地中。中国油页岩资源总体分布与中国构造大区构造演化、沉积盆地形成密切相关。东部属于太平洋构造域作用区,中部为太平洋与古亚洲洋构造作用区,西部为古亚洲洋与古特提斯构造作用区,南方为特提斯与太平洋构造作用区,西藏为新特提斯与古亚洲洋构造作用区。中国油页岩矿床总体表现为北富南贫的特征,北部主要分布于大型坳陷型沉积盆地与古近系小型断陷中;中西部主要分布于大型继承性坳陷与前陆盆地、山间断陷盆地中;南方主要分布于残留断陷盆地与古近系新生断陷中;西藏地区主要分布于特提斯构造域影响下的残留海相前陆盆地与古近系新生断陷中。中国油页岩资源总体也呈现东部、中西部、南方、西藏四大构造区域格局分布特征。油页岩成矿的发育与其构造区域的含油气盆地类型、沉积环境密切相关。中国已发现的油页岩成因多数为湖相成因,其次为海陆交互相、浅海陆棚—潟湖相成因。主要有四种不同盆地类型与沉积环境油页岩成矿模式。
坳陷型深水湖盆中,油页岩主要发育在湖侵体系域(TST)和高位体系域(HST)中。这里的术语体系域指同时期的沉积体系组合,根据层序地层学原理,沉积速率与可容纳空间变化速率的比值决定层序格架的结构和层序界面的形成。沉积基准面的升降速率决定着可容纳空间的变化速率。陆相湖盆中的水下沉积基准面是湖平面和河流平衡面及其在湖盆中的延伸部分。目前认为,构造升降所控制的湖平面变化、气候和沉积物的供给对陆相湖盆层序发育的范围、沉积厚度、演化阶段及层序界面的形成起主要控制作用。高位体系域具有(扇)三角洲—湖泊沉积体系,厚层暗色泥岩与油页岩是湖侵体系域和高位体系域的主要沉积物。这两个时期,湖盆可容空间的增大速率大于碎屑物质的供给量,为湖盆欠补偿阶段,沉积物的粒度很细,形成油页岩和暗色泥岩。