新疆頁巖油的開發(fā)利用和廣闊前景

＊張雅茹 陳魯豪 艾沙·努拉洪*

（1.新疆大學(xué)化工學(xué)院 新疆 830046 2.新疆大學(xué)化工學(xué)院煤炭清潔轉(zhuǎn)化與化工過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 新疆 830046）

頁巖油狹義上作為以頁巖為主的頁巖層系中所含的原地滯留油氣資源，屬于一種非常規(guī)能源，其包括泥頁巖空隙和裂縫中的石油資源，也包括泥頁巖層系中的致密碎屑巖或碳酸鹽夾層中的石油資源，目前主要通過干餾的方式從油頁巖中獲取。在美國地區(qū)，2013年前將其稱為頁巖油，2014年至今則稱其為致密油。目前，國內(nèi)尚無權(quán)威機(jī)構(gòu)出臺一套統(tǒng)一的評價(jià)方法，故兩者仍存在概念混淆，分類不統(tǒng)一等問題。

1.全國頁巖油現(xiàn)狀

目前，油氣革命已擴(kuò)散至全球范圍，北美頁巖油氣資源的成功開發(fā)利用對全球的能源行業(yè)都產(chǎn)生的深刻的影響，同時(shí)也為未來能源的發(fā)展指明了方向，據(jù)2013年美國能源信息署數(shù)據(jù)，全球可采頁巖油總量約467×108t，其中俄羅斯以105×108t位居首位，同時(shí)有美國專家認(rèn)為，俄羅斯頁巖油的儲備量幾乎都蘊(yùn)含于西西伯利亞巴熱諾沃巖系的頁巖油沉積層；美國以67.2×108t位居第二，中國以44.8×108t位居第三，而在全球范圍內(nèi)頁巖油勘探潛力最大的兩個(gè)國家一個(gè)是澳大利亞，另一個(gè)便是中國。

早在20世紀(jì)40年代末，高平等人就對準(zhǔn)噶爾盆地油頁巖的分布、地層和構(gòu)造進(jìn)行了論述，50年代中后期，胡厚文、王慎等人更是對油頁巖的資源量進(jìn)行了不同程度的預(yù)測，自此至2004年，石油資源火熱，國內(nèi)對油頁巖的研究便有所停滯。近些年來，在世界能源消耗巨大，石油資源愈發(fā)緊張的背景下，油頁巖又重歸于研究的視野。與美國以海相為主且沉積環(huán)境連續(xù)、成熟度較高、脆性礦物含量較高的頁巖油相比，我國的陸相頁巖油受復(fù)雜的地質(zhì)條件的影響非均質(zhì)性強(qiáng)、成熟度較低、脆性物質(zhì)較美國少等成為困擾科學(xué)家 的難題。

全國最大的兩個(gè)油頁巖礦為松遼盆地和鄂爾多斯盆地，其中，松遼盆地連同其外圍區(qū)域油頁巖礦床類型為特大型，有機(jī)質(zhì)類型主要以Ⅰ型為主，主要賦存于中生界下白堊統(tǒng)，平均生油率約4.98%最高可達(dá)16.47%，油品質(zhì)量好，油頁巖資源約8296.97億噸，頁巖油地質(zhì)資源潛力達(dá)131.93×108t，可采資源量11.61×108t，日產(chǎn)頁巖油最高可達(dá)3.391t；鄂爾多斯盆地油頁巖礦床類型也為特大型，有機(jī)質(zhì)類型主要以Ⅰ-Ⅱ1型為主，主要賦存于中生界上三疊統(tǒng)，平均生油率約7.42%最高約10.56%，油品質(zhì)量相對較好，油頁巖資源約3345.37億噸，其長7段頁巖油資源量可達(dá)20×108t，其中2030年該地區(qū)有望成為國內(nèi)頁巖油勘探最現(xiàn)實(shí)的地區(qū)，頁巖油產(chǎn)量預(yù)計(jì)可達(dá)500×104t。

渤海灣盆地、朝陽盆地、四川盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、柴達(dá)木盆地等也屬于國內(nèi)頁巖油資源量較為豐富的區(qū)域。渤海灣盆地黃驊凹陷、濟(jì)陽坳陷、東濮凹陷等地油頁巖的含油率高，頁巖油資源的潛力十分可觀；朝陽盆地九佛堂組的油頁巖資源量約70億噸，屬于國內(nèi)中型的礦床規(guī)模，同樣蘊(yùn)含豐富的頁巖油資源；其中根據(jù)夏明等對新疆油頁巖資源動態(tài)評價(jià)的結(jié)果可得，新疆頁巖油資源量達(dá)61.64×108t，查明資源儲量3.11×108t探獲資源儲量5.03×108t，潛在資源量56.61×108t，遠(yuǎn)景高達(dá)75.56×108t，且早在2007年，國外學(xué)者卡洛夫便曾預(yù)測新疆地區(qū)的油頁巖資源十分豐富，甚至超過美國綠河，種種數(shù)據(jù)和觀點(diǎn)均表明，新疆地區(qū)藏有豐富的頁巖油資源，具有廣闊前景。但不同機(jī)構(gòu)對頁巖油與致密油的界限劃分不同，評價(jià)技術(shù)也有所差異，故最終產(chǎn)生的評價(jià)結(jié)果差異較大。

2.新疆頁巖油的勘探

我國的頁巖油資源十分豐富，可與美國、巴西、愛沙尼亞等國家比肩，主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地二疊系、三塘湖盆地二疊系、鄂爾多斯盆地三疊系、四川盆地侏羅系、松遼盆地白堊系、勃海盆地古近系、蘇北盆地古近系、江漢盆地古近系、南襄盆地古近系等地區(qū)，其中準(zhǔn)噶爾盆地與三塘湖盆地均屬于新疆地區(qū)，且油頁巖資源豐富，資源潛力值大，平均產(chǎn)油率8%，最高可達(dá)到28%，是未來國內(nèi)頁巖油的重要采出地區(qū)。

目前，中石油已在新疆、長慶、大慶、吉林、大港等頁巖油勘探區(qū)域展開了相關(guān)的研究工作，其中在新疆地區(qū)優(yōu)選出了吉木薩爾凹陷、瑪湖凹陷西斜坡以及帳北斷褶帶的石樹溝凹陷作為重點(diǎn)勘探區(qū)域。

準(zhǔn)噶爾盆地位于阿爾泰山脈與天山山脈之間，準(zhǔn)噶爾盆地二疊系頁巖油分布帶位于盆地南緣博格達(dá)山北麓的轉(zhuǎn)換部位，東至白楊溝，西至妖魔山，長達(dá)143km，寬約 10～20km，共計(jì)礦帶5個(gè)。該地板塊移動頻繁，故構(gòu)造十分復(fù)雜，且準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組所在屬于大中型盆地凹陷期的深湖環(huán)境，屬于大規(guī)模、水體較為穩(wěn)定的咸水-半咸水環(huán)境，為有機(jī)物的富集提供了良好條件。該地盛產(chǎn)腐泥型（Ⅰ型）與腐殖腐泥型（Ⅱ1型）的高品質(zhì)油頁巖，有機(jī)質(zhì)豐度（TOC）約3%～9%，有機(jī)質(zhì)成熟度（Ro）約0.5%～1.5%，孔隙度約5%～16%，脆性指數(shù)約75%～95%，儲集空間類型屬于粒間孔、溶蝕孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、微裂縫。若粗略按照3%的采收率進(jìn)行計(jì)算，該地區(qū)的吉木薩爾頁巖油可采資源量約為1.1×108t，其中“上甜點(diǎn)段”的含量約為0.51×108t，“下甜點(diǎn)段”約為0.59×108t，在全國頁巖油產(chǎn)出量的比重較大，同時(shí)，王倩茹等人曾預(yù)測，該凹陷即將成為我國第一個(gè)頁巖油產(chǎn)量達(dá)到百萬噸級別的產(chǎn)油基地。

三塘湖盆地位于西伯利亞板塊南緣增生帶上，與準(zhǔn)噶爾盆地東北部緊鄰，在中二疊系與其有相似的沉積環(huán)境。三塘湖盆地二疊系頁巖油分布帶主要位于馬朗凹陷與條湖凹陷，該地區(qū)火山活動較為頻繁，在其油頁巖層中可發(fā)現(xiàn)火山灰沉積，加之該地區(qū)屬于咸化的深湖-半深湖環(huán)境，穩(wěn)定的深湖-半深湖環(huán)境易產(chǎn)出較高品質(zhì)的頁巖油，故火山灰?guī)淼腒、P、Fe、Mg等元素可為藻類生物的繁衍提供良好條件從而生成高品質(zhì)的腐泥型（Ⅰ型）與腐殖腐泥型（Ⅱ1型）油頁巖，有機(jī)質(zhì)豐度（TOC）約2%～8%，有機(jī)質(zhì)成熟度（Ro）約 0.6%～1.2%，孔隙度約3%～13%，脆性指數(shù)約55%～90%，儲集空間類型屬于粒間孔、溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)孔、微裂縫。第四次油氣資源評價(jià)的結(jié)果表明，三塘湖盆地生油量約達(dá)104.05×108t，成熟頁巖油量約達(dá)3.95×108t，可采的資源量約0.2×108t，且仍存在較大潛力、勘探開發(fā)前景廣闊。

除此之外，新疆地區(qū)的吐哈盆地、塔里木盆地、伊犁盆地等地均為新疆盛產(chǎn)頁巖油的區(qū)域，據(jù)夏明等人的研究數(shù)據(jù)可知新疆地區(qū)的頁巖油資源可占全國資源的1/4。且新疆地區(qū)的能源除供給自身經(jīng)濟(jì)發(fā)展使用外還有剩余的能量輸送內(nèi)地，具有不可忽視的地位。

3.新疆頁巖油的開發(fā)處理

近年來，由于對頁巖油的迫切需要，新疆地區(qū)油頁巖迎來了發(fā)展的契機(jī)，但油頁巖只有部分可用來生油，除此之外剩余部分還可作土壤改良劑、農(nóng)業(yè)用肥、微生物浸礦、塑料、橡膠填料、生產(chǎn)水泥及其他建筑材料等多種用途。由于新疆地區(qū)的油頁巖發(fā)熱量低，且其單獨(dú)燃燒對環(huán)境極為不友好，故可聯(lián)合煤燃燒油頁巖提高其發(fā)熱量并降低對環(huán)境造成的污染。除此之外，新疆地區(qū)的油頁巖灰質(zhì)含量較高，而近些年隨著烏魯木齊工業(yè)的快速發(fā)展，烏魯木齊環(huán)境污染的問題也較為嚴(yán)重，故在加工處理時(shí)需格外注意其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等問題。

從油頁巖中獲取頁巖油的方法主要有兩種：其一為干餾法，此法不需將油頁巖開采出，也無需礦井，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模較深處的頁巖油的開采，在技術(shù)上越發(fā)的成熟，在經(jīng)濟(jì)上也變得有利起來，但其效率較低且對環(huán)境不友好；其二為溶劑萃取法，該方法可從油頁巖結(jié)構(gòu)與分子層面上進(jìn)行分析，所得出的頁巖油脂肪烴含量最高，雜原子化合物其次，芳香烴含量較少，是重要的化工原料，但此種方法尚不及干餾法應(yīng)用廣泛，還具有一定的發(fā)展空間。

由于我國油頁巖主要以陸相為主，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致不同地區(qū)開采出的頁巖油組分差異較大，淡水與咸水湖盆以及不同的埋藏深度都會對油頁巖的有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度等造成較大的影響，故不同地區(qū)的油頁巖生油量及油品差別較為明顯。

盛湘等人曾預(yù)測，頁巖油的開發(fā)利用將成為未來幾十年里中國油氣的重大發(fā)展方向，但與石油資源相比，頁巖油非烴類堿性含氮物質(zhì)含量較高，在后期加工過程中會影響其選擇性及催化劑的活性。故如何有效的除去頁巖油中的非烴類有機(jī)物并加以提純利用并提升頁巖油油品質(zhì)量使其有效的作為石油的補(bǔ)充資源是頁巖油資源的重要研究方向。

在頁巖油的開發(fā)利用過程中常用到加氫工藝以分離出各種油氣燃料產(chǎn)品，其要點(diǎn)在于通過加氫脫出含氧、氮、硫等的雜原子化合物，以再加工得到成品油，該技術(shù)可用于汽車及航空航天產(chǎn)業(yè)，該類技術(shù)所得的產(chǎn)品基本無三廢、產(chǎn)品的回收率較高、且產(chǎn)品的質(zhì)量非常穩(wěn)定，但其投資費(fèi)用大，設(shè)備費(fèi)用高，故適用于大型企業(yè)；除此之外還可使用非加氫工藝處理技術(shù)處理頁巖油，該技術(shù)工藝較為簡單且投資費(fèi)用低，適合小型企業(yè)及實(shí)驗(yàn)室使用，不同的處理方式所達(dá)到的精制效果有所差別，在實(shí)驗(yàn)過程中常把多種精制技術(shù)加以組合使用，以達(dá)到精制的目的。

4.新疆頁巖油的利用前景

油頁巖熱解所得到的頁巖油產(chǎn)物中，烷烴與芳烴的含量較高，與天然石油相比天然石油的烯烴等不飽和烴類物質(zhì)含量較低，非烴類的含氮含氧化合物的含量更少，故與天然石油相比頁巖油的用途也顯得更加廣泛。

（1）新疆頁巖油的烴類物質(zhì)含量豐富，相對分子質(zhì)量較高，油體粘度大、流動性差、蠟質(zhì)含量高，其干餾所得含碳較高的重組分可用以制備石蠟產(chǎn)品，也可通過裂化等途徑獲得較低分子質(zhì)量的烷烴、瀝青及碳纖維等，磺化后可用作磁鐵礦的浮選劑；較低碳（C6～10）物質(zhì)可用于生產(chǎn)增塑劑，碳含量稍高成分（C11～13）的加工產(chǎn)品可用作清潔劑，更高含碳量（C11～13）的餾分則可作為脂肪醇和烷基硫化鹽產(chǎn)品的原料。

（2）新疆頁巖油中的堿性含氮類物質(zhì)含量高，其中主要為吡啶系含氮化合物，也包括適量的喹啉及噻吩類物質(zhì)，重質(zhì)吡啶可進(jìn)行菸堿酸的制備，可用作浮選劑應(yīng)用于有色金屬礦業(yè)中，還可分解為輕質(zhì)吡啶以提高其使用價(jià)值；除此之外部分生產(chǎn)廠家為防止鋼鐵生銹利用吡啶堿及硫酸吡啶絡(luò)合物良好的抑酸侵蝕作用來制造鋼鐵腐蝕抑制劑。

（3）新疆頁巖油中含氧化合物也很豐富，主要以酚類、酸性、中性含氧化合物為主。酚類化合物在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用也很廣泛，可用于塑料、合成纖維、絕緣材料及醫(yī)藥等行業(yè)，重質(zhì)酚還可用于生產(chǎn)農(nóng)藥、木材粘合劑和有色金屬如銅、鉛、鋅等的浮選劑，在化工生產(chǎn)中有不可或缺的地位。

5.結(jié)語

頁巖油作為石油行業(yè)的革命性發(fā)現(xiàn)已被公認(rèn)為重要的石油接替產(chǎn)品，為保障我國新能源事業(yè)的穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展，需不斷加強(qiáng)推進(jìn)我國頁巖油氣資源的可持續(xù)開發(fā)利用。所以頁巖油能否持續(xù)性的被開發(fā)，開發(fā)的工業(yè)化技術(shù)有無創(chuàng)新，如何做到經(jīng)濟(jì)效益最大化是我們需持續(xù)關(guān)注的問題。長期以來，新疆地區(qū)的資源豐富，但不論是開發(fā)利用還是勘探技術(shù)都較為落后，技術(shù)可采頁巖油量較小。隨著我國與頁巖油開發(fā)相關(guān)的低黏高切油基鉆井液體系自主知識產(chǎn)權(quán)的逐步形成以及各種核心助劑的問世，我國頁巖油開發(fā)的技術(shù)在不斷革新，成本在不斷降低，目前已達(dá)到國際較為先進(jìn)的水平，不僅如此，我國鉆井含油廢棄物的處理技術(shù)與頁巖油壓裂工藝均有了不同程度的進(jìn)步，但與美國相比仍存在一定的進(jìn)步空間。不僅如此，我國復(fù)雜的地質(zhì)因素決定了相關(guān)的開發(fā)工程技術(shù)也會具有一定的特殊性，故我國頁巖油的開發(fā)絕不簡單的挪用美國的先進(jìn)技術(shù)，還需依靠于自身的經(jīng)驗(yàn)積累和我國的科技發(fā)展水平以制定相應(yīng)的措施和保障。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)性發(fā)展，對資源的需求量也不斷增加，頁巖油作為天然石油的有效補(bǔ)充能源以及醫(yī)藥、建筑等行業(yè)生產(chǎn)的原材料，其地位居高不下。新疆地區(qū)的油頁巖有機(jī)物豐富，產(chǎn)油率高，資源潛力大，可生產(chǎn)大量高品質(zhì)的頁巖油，加之國家現(xiàn)對新疆地區(qū)資源開發(fā)在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、政策等方面的大力支持更加有效的促進(jìn)新疆頁巖油的可持續(xù)發(fā)展，故新疆地區(qū)的頁巖油前景廣闊。