新疆油頁巖資源的開發(fā)利用研究

彭雪峰，汪立今，田繼軍，姜科慶

(新疆大學(xué)地質(zhì)與勘查工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830049)

油頁巖是一種可以通過干餾獲得頁巖油的沉積巖，還可以作為燃料用來發(fā)電、取暖和運輸，其灰渣也具有很高的經(jīng)濟(jì)價值，可以生產(chǎn)建筑材料或進(jìn)行化工產(chǎn)品的提煉、金屬的提取及其在環(huán)保、農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。對其進(jìn)行合理的綜合利用，將是一種“吃干榨盡”的資源。因此，人們又將它與煤層氣、油砂等合稱為非常規(guī)能源。人類對油頁巖的認(rèn)識近200年，在開采利用方面日趨成熟，從傳統(tǒng)的地上直接開采發(fā)展到地下轉(zhuǎn)化工藝，從單一的能源利用發(fā)展到綜合利用，提高了油頁巖的利用率，降低了成本，減少了環(huán)境污染[1-2]。

1 新疆油頁巖的研究現(xiàn)狀

中國油頁巖資源十分豐富，資源量僅次于美國、巴西、愛沙利亞，位居世界第四。新疆的油頁巖主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地，為全國三大含油頁巖盆地之一。據(jù)2006年首次全國性油頁巖資源評價，僅準(zhǔn)噶爾盆地東南緣油頁巖資源為548億t，查明資源4.59億t[3]。國外學(xué)者卡洛爾(2007)認(rèn)為，在克拉瑪依、準(zhǔn)噶爾盆地及吐魯番盆地西部的廣大地區(qū)，可能蘊藏著極其豐富的油頁巖資源，甚至比美國綠河油頁巖儲量還多[4]。這表明，新疆油頁巖資源潛力十分巨大。

準(zhǔn)噶爾盆地油頁巖發(fā)現(xiàn)已久且資源量豐富，但受到經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、政策等因素影響，其開發(fā)利用幾乎還是空白，研究程度也較低。對該油頁巖礦帶的勘探始于20世紀(jì)40年代末，當(dāng)時高平等人對東天山進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查時，就論述了油頁巖的分布、地層和構(gòu)造；50年代中后期，胡厚文等對妖魔山勘查區(qū)進(jìn)行了詳查勘探，對蘆草溝和水磨溝勘查區(qū)進(jìn)行了普查勘探，并簡單論述了油頁巖特征，對油頁巖資源量進(jìn)行了預(yù)測，初步估計具有工業(yè)開采價值的紙狀油頁巖資源量約有50億t[5]。王慎余等(1990)預(yù)測油頁巖資源量為1458億t[6]。但隨著大慶、勝利等大油田的發(fā)現(xiàn)，新疆油頁巖的研究停滯下來。直到2004年以來，才對準(zhǔn)噶爾盆地東南緣進(jìn)行了大量的勘查工作，并獲得了大量油頁巖礦的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 新疆油頁巖的特征

新疆準(zhǔn)噶爾盆地油頁巖呈弧形帶狀分布于盆地與博格達(dá)山盆山轉(zhuǎn)換部位[7]，礦帶西起烏魯木齊市妖魔山，東至奇臺白楊溝，可分為5個礦區(qū)，特征見表1，斷續(xù)延長143km，寬10～20km[8]。油頁巖多為黑色、黑灰色、棕黃色，呈紙狀、薄層狀或致密狀產(chǎn)出, 具韌性, 刀刮易卷。

該區(qū)經(jīng)歷了從晚二疊世博格達(dá)山初次隆升，到喜山運動不同時期構(gòu)造運動的疊加，其構(gòu)造十分復(fù)雜，褶皺十分發(fā)育，并發(fā)育多組逆沖斷層，導(dǎo)致油頁巖伴隨博格達(dá)山系的形成而出露地表。博格達(dá)山前褶皺帶構(gòu)成了該區(qū)的基本構(gòu)造骨架，控制了油頁巖含礦地層的空間展布[9]。李成博指出，聚礦中心在三工河一帶，厚度可達(dá)281m，并且是進(jìn)一步勘探和開發(fā)最有利的地區(qū)[10]。

表1 新疆準(zhǔn)噶爾盆地油頁巖礦床特征[3，10-12]

該礦帶油頁巖賦存在早二疊世的蘆草溝組，一些學(xué)者又將蘆草溝組分為四個巖性段。李成博通過層序地層學(xué)的觀點認(rèn)為，博格達(dá)山北麓油頁巖的主要巖性段第三、第四巖性段形成于閉塞滯留的深湖相高水位體系域[10]。李婧婧、王東營對大黃山地區(qū)進(jìn)行了沉積特征和層序地層分析，建立了該礦區(qū)相控成礦模式，表明該區(qū)蘆草溝組為一近乎完整的三級層序，從下自上為低位體系域-水進(jìn)體系域-高位體系域-水退體系域，分別對應(yīng)4個巖性段，2、3巖性段油頁巖發(fā)育最好[13，14]。這與李成博所得的結(jié)果有出入，可能是劃分的方案不一樣。其他學(xué)者也對沉積環(huán)境進(jìn)行了研究，王東營對大黃山油頁巖的常量元素、微量元素和稀土元素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，得出該區(qū)沉積環(huán)境以淡水為主，間或有海水介入的非海相的弱還原環(huán)境，古鹽度較高，并且總體上為近陸源相沉積[8]。李婧婧通過地化特征得出，該礦區(qū)油頁巖發(fā)育于裂谷型陸相湖盆，沉積介質(zhì)環(huán)境顯著特征是深湖-半深湖的還原和弱還原環(huán)境、咸水-半咸水狀態(tài)[11]。對該區(qū)油頁巖的成因類型也做了不少工作，李成博根據(jù)有機元素分析和熱解分析，得出油頁巖的成因類型為腐泥型(Ⅰ型)和腐殖腐泥型(Ⅱ1型)[10]。李婧婧針對博格達(dá)山北麓油頁巖成因，提出三類四相的有機相識別劃分方案，其中半深湖環(huán)境是油頁巖的發(fā)育的最佳環(huán)境[11]。

3 新疆油頁巖的開發(fā)利用

在高油價的時代背景下，干餾油頁巖制取頁巖油在技術(shù)上變得可行，在經(jīng)濟(jì)上變?yōu)橛欣?，沉寂多年的油頁巖又迎來了發(fā)展的春天。新疆油頁巖也將迎來發(fā)展的機會。其開發(fā)的可能性為：經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要以消耗石油為代價的，但石油日漸匱缺，人們不得不尋找新的能源；區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，新疆經(jīng)濟(jì)相對于內(nèi)地落后很多，并且資源已大量開發(fā)，更需要大量的資源來推動經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。然而，新疆油頁巖資源豐富，并且具備有利的地質(zhì)、外部開采條件，因此其開發(fā)利用的可能性很高。

(1)油頁巖的開采利用

從資源賦存狀況、資源潛力上來看，新疆是我國油頁巖資源最豐富的地區(qū)之一，也是未來油頁巖勘探取得重大突破的關(guān)鍵地區(qū)[1,15]。該礦區(qū)含油頁巖礦層較穩(wěn)定，構(gòu)造雖復(fù)雜但埋深淺，矸層薄，資源規(guī)模大且品位高?？梢圆捎门c煤、油砂及其他礦石開采的方法，使用露天開采，這是當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施條件下最經(jīng)濟(jì)的方式。若開采時解決好相關(guān)的環(huán)保問題，其進(jìn)一步勘探開發(fā)的當(dāng)前價值和潛在價值十分顯著。但是，地下轉(zhuǎn)化工藝將是發(fā)展的主要趨勢。

對油頁巖的利用主要有三個方面：干餾產(chǎn)油、燃燒發(fā)電產(chǎn)熱、灰渣利用。針對各個地區(qū)的或同一地區(qū)不同特征的油頁巖，應(yīng)該進(jìn)行不同方式的利用，才能充分得到油頁巖帶來的各種效益。

新疆油頁巖特征見表2，其含油率最高可達(dá)28%，平均含油率8%，屬中含油率油頁巖，比率可占到一半，低含油率和高含油率比例相當(dāng)，大約各占1/4，高于我國油頁巖總體水平，可生產(chǎn)頁巖油[6]，并且見效快。

新疆油頁巖的發(fā)熱量較低，因此燃燒用于產(chǎn)熱的意義不大。但油頁巖與煤聯(lián)合燃燒，可以減少燃煤對環(huán)境的影響。烏魯木齊是世界上污染最嚴(yán)重的城市之一，特別是每年冬天燃煤供暖產(chǎn)生的空氣污染物，更是令人擔(dān)憂。所以，用油頁巖與煤聯(lián)燒這一方法，可以部分減輕燃煤對城市的大氣污染壓力。

新疆油頁巖的灰分含量也較高，若開采后不進(jìn)行有效地處理，將對環(huán)境造成很大的污染。然而，灰渣是一種良好的建筑材料，可以用作生產(chǎn)水泥、砌磚和陶粒等。生產(chǎn)水泥加油頁巖，對節(jié)約燃煤、提高水泥質(zhì)量、減少大氣污染都有重要作用，這樣既提高了經(jīng)濟(jì)效率，又有環(huán)保之效。油頁巖灰渣在化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、提取金屬元素等方面，也有廣泛的應(yīng)用前景[16]。

以生產(chǎn)頁巖油為目的開發(fā)油頁巖時，僅從有機質(zhì)的豐度、類型、成熟度等宏觀標(biāo)準(zhǔn)評價油頁巖還不夠全面，了解油頁巖干餾產(chǎn)物的組成，對準(zhǔn)確預(yù)測油頁巖的價值有重要的意義。李婧婧通過熱解氣相色譜研究了大黃山油頁巖的熱解產(chǎn)物以正構(gòu)烴為主，約占熱解產(chǎn)物的90%。該地區(qū)油頁巖熱解產(chǎn)物絕大部分為高蠟石蠟基原油。并且鏡質(zhì)體的熱演化程度較低，油頁巖還處于低成熟階段[11]。

另外，值得注意的是，美國率先將地理信息系統(tǒng)應(yīng)用到油頁巖的評價工作中，開始采用ArcGIS平臺對油頁巖進(jìn)行資源評價，并且還證實了油頁巖的密度測井、聲波測井及熱解參數(shù)等與油頁巖的含油率存在很好的相關(guān)性。這樣將可以形成一套地球物理、地球化學(xué)與傳統(tǒng)地質(zhì)方法相結(jié)合的油頁巖資源綜合評價方法[3]。同時，對油頁巖灰渣的綜合利用，將成為解決油頁巖帶來的環(huán)境問題的必由之路，還可以大大提高經(jīng)濟(jì)效益。一些學(xué)者還提出了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈條，如構(gòu)建包括油頁巖礦、煉油廠、發(fā)電廠和建材廠主體企業(yè)在內(nèi)的煉油-發(fā)電-供熱-建材油頁巖發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈及其他油頁巖綜合利用集成技術(shù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，其經(jīng)濟(jì)效益比單純煉油或單純發(fā)電倍增，而環(huán)境和社會效益更好[17-19]。

表2 新疆準(zhǔn)噶爾盆地油頁巖特征[11,16]

4 結(jié) 論

(1)新疆資源量巨大，可作為新疆未來重要的接替能源。由于新疆資源豐富，油氣資源正處于發(fā)展的蓬勃時期，煤、石油等資源不但可以供給本省的發(fā)展利用，還有剩余量輸送內(nèi)地。所以，在能源的耗竭還沒波及阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新疆，對油頁巖這種成本高、污染大、收油率低的非常規(guī)油氣資源還不是很關(guān)注，加之新疆油頁巖資源的勘探起步晚，理論不成熟、導(dǎo)致勘探程度較低。新疆油頁巖還未進(jìn)行開采利用的可能主要原因，有新疆其他資源(如石油、煤炭、非金屬材料等)還比較充足、目前對油頁巖開采利用技術(shù)還不成熟、基礎(chǔ)研究不深入(油頁巖成礦理論研究薄弱，賦存規(guī)律不清等)、對環(huán)境的破壞較大等不利因素。

(2)油頁巖的特征不同。對其開采的方式和利用的途徑也不同，因此應(yīng)該對現(xiàn)有研究和地質(zhì)資料加以分析，總結(jié)規(guī)律、創(chuàng)新理論技術(shù)。根據(jù)其特點，結(jié)合新疆的實際情況，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價，研究開發(fā)相應(yīng)的開發(fā)配套特色工藝技術(shù)，不能盲目的加以開采。開發(fā)時，也應(yīng)系統(tǒng)的開發(fā)，貧富礦綜合利用，避免亂開濫采的局面。在開采時，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)保、社會效益。

(3)對油頁巖的大力支持和資金的大量投入。必將掀起油頁巖開發(fā)利用的高潮，我國油頁巖的開發(fā)利用也必將進(jìn)入新的鼎盛時期。因此，對新疆油頁巖的開發(fā)利用也是不可阻擋的。同時，還要加強交流，開展對外合作，引進(jìn)先進(jìn)的理論和技術(shù)，促進(jìn)新疆油頁巖勘探開發(fā)工作的發(fā)展。

[1] 劉招君,柳蓉.中國油頁巖特征及開發(fā)利用前景分析[J].地學(xué)前緣,2005, 12(3)：315-323.

[2] 李術(shù)元,邱長濤，王劍秋,等.世界油頁巖開發(fā)利用近況——記美國第28屆國際油頁巖會議[J].中外能源,2009(14)：16-24.

[3] 劉招君,楊虎林，等.中國油頁巖[M].北京：石油工業(yè)出版社,2009，7.

[4] Carroll A. Upper Permian Oil Shale Deposits of Northwest China: World′s Largest? 27th Oil shale Symposium, Paper No.13.4, Colorado School of Mines, Golden, Colorado, 2007.

[5] 胡厚文.新疆博格達(dá)山北麓油頁巖調(diào)查報告[R].烏魯木齊：新疆地質(zhì)局,1956：83-84.

[6] 王慎余,許家朋.礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略分析油頁巖[R].廣州：廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)局, 1990：15-16.

[7] 王東營,湯達(dá)禎,茍明福,等.準(zhǔn)噶爾南緣阜康地區(qū)蘆草溝組油頁巖地質(zhì)特征[J].中國石油勘探,2007,18(6)：18-25.

[8] 王東營.博格達(dá)山北麓二疊系蘆草溝組油頁巖地質(zhì)特征與沉積成礦作用研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)(北京),2008.

[9] 孫國智,柳益群.新疆博格達(dá)山隆升時間初步分析[J].沉積學(xué)報,2009, 27(3):487-493.

[10] 李成博,郭巍,宋玉勤,杜江峰.新疆博格達(dá)山北麓油頁巖成因類型及有利區(qū)預(yù)測[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版),2006,36(6)：949-953.

[11] 李婧婧.博格達(dá)山北麓二疊系蘆草溝組油頁巖地球化學(xué)特征研究[D].吉林大學(xué),2009.

[12] 王東營.博格達(dá)山北麓二疊系蘆草溝組油頁巖地質(zhì)特征與沉積成礦作用研究:[D].中國地質(zhì)大學(xué)(北京),2008.

[13] 王東營,許 浩,李婧婧,等.孫美麗.準(zhǔn)南大黃山二疊系蘆草溝組油頁巖相控成礦模式[J].油氣地質(zhì)與采收率, 2008,15(2)：53-55.

[14] 李婧婧,湯達(dá)禎,許 浩,等. 準(zhǔn)噶爾盆地南緣大黃山礦區(qū)二疊系蘆草溝組油頁巖沉積特征[J].西安科技大學(xué)學(xué)報,2009,29(1)：68-72.

[15] 白云來.準(zhǔn)噶爾盆地東南緣油頁巖的開發(fā)前景[J].新疆石油地質(zhì),2008, 29(4)：462-465.

[16] 李丹梅,湯達(dá)禎,楊玉鳳.油頁巖資源的研究、開發(fā)與利用進(jìn)展[J].石油勘探與開發(fā),2006,33(6):657-661.

[17] 張睿華,張宏婧.基于生態(tài)經(jīng)濟(jì)理念下我國油頁巖發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)構(gòu)建[J].中國電力,2007,40(6),86-88.

[18] 王擎,柏靜儒,等.油頁巖綜合開發(fā)利用集成技術(shù)[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007(增刊).

[19] 劉建昌,陳金霞,等.油頁巖綜合優(yōu)化利用的新方法[J].內(nèi)蒙古石油化工, 2007(11)：145-146.