陜西銅川地區(qū)油頁巖產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景研究

高建平，周立發(fā)，劉偉剛

(1.西北大學(xué)地質(zhì)系，陜西 西安 710069；2.陜西省能源化工研究院，陜西 西安 710069)

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陜西銅川地區(qū)油頁巖產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景研究

高建平1，周立發(fā)1，劉偉剛2

(1.西北大學(xué)地質(zhì)系，陜西 西安 710069；2.陜西省能源化工研究院，陜西 西安 710069)

[摘要]油頁巖是一種富含干酪根的沉積巖，通過干餾可獲得頁巖油，屬于非常規(guī)油氣資源。陜西銅川地區(qū)油頁巖資源豐富，主要賦存于三疊系延長組，屬湖泊型油頁巖，分布廣泛，油頁巖質(zhì)量相對較好。目前，陜西銅川地區(qū)油頁巖資源勘探程度很低，查明資源儲量約為9×108 t。為了進(jìn)一步探明其潛在開發(fā)價(jià)值，筆者通過礦區(qū)地質(zhì)剖面及相關(guān)的地質(zhì)、鉆井資料、樣品分析試驗(yàn)和前人研究結(jié)果綜合分析，陜西銅川地區(qū)品質(zhì)較好的油頁巖資源主要分布于趟泥河-列橋含礦帶和摩天溝-馮家渠-霸王莊含礦帶，按照其賦存狀態(tài)分為地上和地下兩部分，其待查明的資源儲量約595×108 t，油頁巖資源是銅川地區(qū)繼煤炭資源之后最大的化石能源，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景巨大。

[關(guān)鍵詞]油頁巖；陜西銅川；資源儲量；產(chǎn)業(yè)發(fā)展

油頁巖是一種高灰分的固體可燃有機(jī)沉積巖，低溫干餾可獲得頁巖油，含油率大于3.5%，有機(jī)質(zhì)含量較高，主要為腐泥型合混合型，其發(fā)熱量一般大于4.18 MJ/kg[3]。在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下，從工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度考慮：其含油率大于5%，發(fā)熱量超過7.54 MJ/Kg(1 800 大卡/Kg)的油頁巖才是具有開采價(jià)值的工業(yè)礦產(chǎn)。隨著技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步，油頁巖的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將隨之下降，目前國內(nèi)已經(jīng)將油頁巖的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下調(diào)到含油率大于4%。

盡管目前原油價(jià)格處于低位但是油頁巖作為非常規(guī)油氣資源的重要來源，在能源供應(yīng)中將起著重要的作用，油頁巖產(chǎn)業(yè)仍具很大的發(fā)展空間。在世界能源來源多元化和能源利用方式新穎化的全新格局下，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，頁巖油作為非常規(guī)油氣資源將成為世界能源供應(yīng)體系的重要一員，油頁巖產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展空間。

1國內(nèi)外油頁巖產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國外油頁巖資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

世界油頁巖資源豐富，將油頁巖干餾制取頁巖油的工業(yè)始建于19世紀(jì)上半葉，至今有近200年歷史。根據(jù)國際能源署(IEA)估計(jì)，其儲量折算成頁巖油高達(dá)5×1012t，在技術(shù)上可采的約1×1012t[2]。油頁巖資源比較豐富的國家有美國、中國、俄羅斯、扎伊爾、巴西、摩洛哥、加拿大、約旦、澳大利亞、愛沙尼亞等。

愛沙尼亞關(guān)于油頁巖和頁巖油方面的研究較多，主要集中于愛沙尼亞塔林工藝大學(xué)和愛沙尼亞國家化學(xué)物理與生物物理研究所。愛沙尼亞能源集團(tuán)公司擁有世界上最大的油頁巖燃燒發(fā)電企業(yè)，每年提供了2 360 MW的電力，占愛沙尼亞全國用電量的95%。愛沙尼亞全年開采油頁巖達(dá)1 100×104t。

巴西擁有兩臺佩特洛瑟克斯(Petrosix)圓筒形塊狀油頁巖干餾爐， 單臺日加工6 000 t油頁巖，是當(dāng)前世界上處理量最大的塊狀頁巖干餾爐[3]。

德國奧圖泰公司對Enefit 280 裝置[4]進(jìn)行了設(shè)計(jì)與模擬。DRZ工廠即用油頁巖發(fā)電作為工廠的動(dòng)力，多余的電能賣給公眾電網(wǎng)，又將產(chǎn)生的灰渣制磚、生產(chǎn)水泥、土壤或巖石的穩(wěn)固劑、填充劑和密封材料，實(shí)現(xiàn)了油頁巖資源無廢棄物的完全綜合利用。

瑞士在稀有分散元素綜合回收方面獲得了成功，并在提取鈾、釩、銅、鎳稀有元素和氧化鋁、鎂、鐵等金屬礦產(chǎn)方面已經(jīng)形成了一套行之有效的技術(shù)與方法，為油頁巖的無廢棄物綜合利用開辟了新的途徑，同時(shí)極大地提高了油頁巖綜合經(jīng)濟(jì)效益。

1.2中國油頁巖資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

中國油頁巖含油率大于3.5%、埋深小于1 000 m的油頁巖總資源儲量為7 199×108t，折算成頁巖油則全國頁巖油的總資源量為476.×108t[5]，大于探明可采原油儲量。未來20 a，中國的頁巖油產(chǎn)量將是世界上頁巖油產(chǎn)量增速最快的國家。

目前，中國的油頁巖產(chǎn)業(yè)屬于起步階段，有10座油頁巖干餾煉油廠，頁巖油年產(chǎn)量約78×104t[6]。成熟的干餾工藝主要有撫順干餾爐和三江(SJ)塊狀頁巖干餾方爐。兩者均屬于塊狀油頁巖干餾爐型。在市場上應(yīng)用最多的是撫順塊狀頁巖干餾爐,但是效率低下。對油頁巖干餾工藝的研發(fā)仍在積極的探索中。

中國油頁巖開發(fā)利用主要省份有吉林、遼寧、廣東、山東、甘肅和陜西等。遼寧撫順油頁巖礦是目前國內(nèi)最大的油頁巖生產(chǎn)基地；吉林省是中國油頁巖工業(yè)發(fā)展最快的省份；廣東茂名是中國較早利用油頁巖提煉頁巖油的基地。

中國的油頁巖資源勘探程度較低，這在很大程度上直接影響著油頁巖工業(yè)的快速發(fā)展。隨著油頁巖勘探程度的不斷提高，油頁巖探明儲量的不斷增加，油頁巖加工工藝技術(shù)的進(jìn)步，可以預(yù)測油頁巖產(chǎn)業(yè)在中國未來的能源產(chǎn)業(yè)中將占有重要地位。大力發(fā)展油頁巖工業(yè)是中國緩解能源供應(yīng)緊張形勢的有效途徑之一。

2陜西銅川地區(qū)油頁巖資源評價(jià)

陜西銅川地區(qū)油頁巖主要位于鄂爾多斯盆地南緣北東-南西向展布的一級構(gòu)造單元-渭北撓褶袋內(nèi)，上三疊統(tǒng)延長組。屬湖泊型油頁巖，分布廣泛。本區(qū)油頁巖一般為巨厚層狀礦床(圖1)，礦層內(nèi)砂巖、頁巖夾層極少而薄。銅川地區(qū)延長組油頁巖厚度基本上是西南薄東北厚。在礦區(qū)西北部烈橋一帶礦層厚度約為14 m,礦區(qū)東部趟泥河一帶礦層厚度約24 m。

通過野外露頭大量樣品和部分鉆井樣品鋁甑低溫干餾分析(含油率標(biāo)準(zhǔn)測定法SH/T0508-92)，本地區(qū)油頁巖平均含油率最高可達(dá)12.05%，平均含油率為7.61%(圖2)；礦區(qū)油頁巖平均熱值可達(dá)7515.31 kj/kg。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，本地區(qū)油頁巖的品味較好，且油頁巖干餾所產(chǎn)生的頁巖油質(zhì)輕。

圖1　銅川地區(qū)油頁巖

圖2　銅川油頁巖鋁甑含油率分析

目前，銅川地區(qū)油頁巖資源查明率很低，根據(jù)地質(zhì)剖面及收集的地質(zhì)資料、測井、鉆井、地震資料模擬估算本地區(qū)待查明的資源儲量約595×108t(圖3)。按照含油率5.5%計(jì)算，折合成待查明的地下頁巖油的資源

儲量約為29.75×108t，迄今還未被工業(yè)化綜合利用。通過對銅川含礦區(qū)的模擬估算(圖3), 銅川地區(qū)趟泥河-列橋含礦帶和摩天溝-馮家渠-霸王莊含礦帶上查明油頁巖資源儲量約為10.13×108t，儲量較大，是陜西銅川地區(qū)繼煤炭、石油、天然氣之后最大的化石能源資源。按平均含油率5.5%計(jì)算，折合頁巖油的資源量為0.5×108億 t，蘊(yùn)藏著巨大的商業(yè)價(jià)值。

圖3　銅川地區(qū)油頁巖資源三維分布圖

3銅川地區(qū)油頁巖產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢分析

3.1產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景

在未來國家和政府要加大非常規(guī)能源領(lǐng)域的投入，油頁巖作為非常規(guī)油氣資源具有很大的發(fā)展前景。陜西銅川地區(qū)油頁巖資源豐富，品質(zhì)較好，隨著油頁巖產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，可以形成良好的規(guī)?；茉串a(chǎn)業(yè)。

根據(jù)研究顯示銅川地區(qū)油頁巖的地質(zhì)儲量巨大，且埋藏較淺，可以實(shí)施，先露天、后地下，先優(yōu)后劣的開采方式，油頁巖開采成本較低。按照年產(chǎn)頁巖油50×104t，發(fā)電裝機(jī)容量100×104kW計(jì)算，礦區(qū)的油頁巖資源儲量規(guī)模足以支撐油頁巖產(chǎn)業(yè)發(fā)展40 a。

銅川地區(qū)油頁巖產(chǎn)業(yè)發(fā)展與其儲量及品味不匹配。目前制約陜西油銅川地區(qū)油頁巖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題是油頁巖資源勘探程度較低，油頁巖產(chǎn)業(yè)技術(shù)不完善，我們沒有掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)的核心和關(guān)鍵技術(shù)。如果針對陜西銅川地區(qū)油頁巖特性，在油頁巖的干餾技術(shù)、燃燒技術(shù)、貴金屬提取技術(shù)、灰渣高效綜合利用技術(shù)、先進(jìn)成套設(shè)備研制、頁巖油和干餾氣深度轉(zhuǎn)化技術(shù)等產(chǎn)業(yè)技術(shù)取得突破性進(jìn)展，走資源開采-煉油-燃燒發(fā)電-化工-建材-環(huán)境保護(hù)的全產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合生產(chǎn)途徑，做到物盡其用，“吃干榨凈”?？梢詫?shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)保效益的最大化和最優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)油頁巖產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

對于含油率大于4%，發(fā)熱量超過1 500 千卡/kg的油頁巖，采用油頁巖干餾生產(chǎn)頁巖油—半焦燃燒發(fā)電-頁巖灰渣生產(chǎn)綠色節(jié)能建筑材料和精細(xì)化工產(chǎn)品的技術(shù)途徑。對于含油率小于4%，發(fā)熱量超過1 500 千卡/kg的的油頁巖，采用油頁巖直接燃燒發(fā)電-頁巖灰渣生產(chǎn)綠色節(jié)能建筑材料和精細(xì)化工產(chǎn)品的技術(shù)途徑。對于含油率界于3.5%～4.0%，發(fā)熱量在1 000～1 500 千卡/kg之間的的油頁巖，采用油頁巖與煤混合燃燒發(fā)電-頁巖灰渣生產(chǎn)綠色節(jié)能建筑材料和精細(xì)化工產(chǎn)品的技術(shù)途徑。低品位的油頁巖與煤的混燃發(fā)電為銅川油頁巖的全面綜合利用提供了一種低成本的實(shí)施方案。另外，先進(jìn)的干餾技術(shù)和工藝，可以使頁巖油的回收率達(dá)到90%以上，資源利用率不低于85%。采用先進(jìn)的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)和工藝可以使電廠熱效率達(dá)到35%以上。

3.2油頁巖產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境

銅川水泥工業(yè)的發(fā)展，為頁巖灰渣的有效利用提供了便利的條件。目前，銅川年產(chǎn)水泥2 000萬 t，按輔料需要的20%計(jì)算，所需頁巖灰渣400萬 t。如果按年產(chǎn)20萬 t頁巖油規(guī)模計(jì)算，實(shí)際每年產(chǎn)生的頁巖灰渣約300萬 t，這些灰渣作為水泥工業(yè)的輔料基本滿足銅川水泥產(chǎn)業(yè)的需要。

銅川地區(qū)煤炭資源與油頁巖資源同區(qū)分布，使得煤炭與極低品位油頁巖混合燃燒發(fā)電，在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都成為可能。初步實(shí)驗(yàn)研究表明，在銅川地區(qū)如果采用煤炭與油頁巖以1比4的比例進(jìn)行混合燃燒，可以滿足發(fā)電需要。這樣使其銅川地區(qū)的大量極低品位油頁巖完全得到工業(yè)化利用。

銅川地區(qū)鋁土礦資源的發(fā)育，為電解鋁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了資源條件。而粉末油頁巖和油頁巖半焦所產(chǎn)生的電，可以直接用于銅川電解鋁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和上電網(wǎng)。從而實(shí)現(xiàn)了資源的綜合利用，并使其相關(guān)資源得到了資源的最大化利用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了相關(guān)資源綜合利用的效益最大化和最優(yōu)化。

4結(jié)語

綜合以上研究認(rèn)為：

(1)陜西銅川油頁巖平均含油率為7.61%，最大值可達(dá)12.05。油頁巖的品味較好，且油頁巖干餾所產(chǎn)生的頁巖油質(zhì)輕。

(2)陜西銅川地區(qū)油頁巖資源豐富，但是資源查明率很低，待查明的地下頁巖油的資源儲量約為29.75×108t，趟泥河-列橋含礦帶和摩天溝-馮家渠-霸王莊是陜西銅川地區(qū)繼煤炭、石油、天然氣之后最大的化石能源資源，折合頁巖油的資源量為0.5×108億 t。

(3)根據(jù)含油率、發(fā)熱量的不同，對銅川油頁巖的利用制定了不同的實(shí)施方案。

(4)銅川地區(qū)油頁巖埋藏較淺，開采成本較低，適合大規(guī)模開發(fā)，為銅川水泥工業(yè)、煤炭產(chǎn)業(yè)、電解鋁產(chǎn)業(yè)提供了便利的資源條件。

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[中圖分類號]P618.12

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)02-0223-03

[作者簡介]高建平(1983-)，男，陜西榆林人，博士研究生，主攻方向：礦產(chǎn)普查與勘探。

[收稿日期]2015-12-14