PDF《油页岩资源的研究 、 开发与利用进展》

文章编号:

1000 - 0747(2006)

06 - 0657-

05 油页岩资源的研究 、 开发与利用进展 李丹梅

1 , 汤达祯

1 , 杨玉凤

2 (1.

中国地质大学(北京);

2. 中国石油勘探开发研究院廊坊分院) 基金项目: 国家重点基础研究发展计划

973 项目(2002CB211702) 摘要: 油页岩以丰富的资源、有利的特性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. 油页岩全球蕴藏资 源量约有

100 000 亿t,比煤资源量多

40 %;

页岩油资源量约为

4750 亿t,比传统石油多

50 %以上. 油页岩开采和应用有 近200 年历史, 开采技术日趋成熟, 综合利用经验丰富, 由直接开采方式发展到地下转化开采技术, 从单纯的能源利用发 展到综合利用, 极大地提高了资源利用率, 降低了成本, 减少了环境污染. 世界能源的紧缺和国际油价的居高不下更是油 页岩工业再度崛起的催化剂 .中国油页岩探明资源量约

315 亿t,位居世界第四, 资源潜力十分巨大, 应加强地质研究, 了 解资源分布规律, 借鉴国外先进技术, 以达到合理开发和综合利用的目的. 图2表2参35 关键词:油页岩;

资源;

开采;

利用 ;

页岩油 中图分类号: TE122.

1 文献标识码: A Advances in oil- shale resources : development and utilization LI Dan- mei1 , TANG Da- zhen1 , YANG Yu- feng2 (1. China University of Geosciences , Bei jing 100083, China;

2. Lang f ang Branch o f Research Institute of Petroleum E xp loration &

Develop ment , PetroChina , Hebei 065007, China ) Abstract: Oil shale is one of the significant alternative energy resources in the 21st century because of its enormous reserves , convenient development and utilization. Statistics show that the natural resources of oil shale around the world is about 10*1012 t (40% more than coal), in comparison with shale oil about

4750 *108 t (50% more than traditional petroleum). Over

200 years , the development technology and the comprehensive utilization of oil shale have been mature, from primary direct recovery to advanced subsurface - conversion technology and from simple energy application to multiple - purpose application. These result in energy utilization ratio increasing , cost and environmental pollution reducing dramatically. Also the severe energy crisis and continued high - oil - price have boosted the oil shale industry. China has enormous potential resources of oil shale, the proven reserves (about

315 *108 t) being the fourth in the world. In order to reasonably develop and utilize these resources, it is necessary to strengthen the research of geology and resources distribution and use the foreign advanced experiences for reference. Key words: oil shale;

resources ;

development ;

utilization ;

shale oil

0 引言 全球探明石油储量大约只能维持开采

40 余年[ 1] ,10 至20 年之后,世界常规石油产量将因资源的匮乏而不可 逆转地下降 [ 2] ,但世界经济的迅猛发展需要更多的能源 作为保障,能源供需矛盾越来越大 ,石油价格持续居高不 下,这些因素都使寻找可替代能源的步伐加快 . 油页岩属于非常规油气资源,以丰富的资源、 有利的 特性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[ 3] ,它与石油、天然气、 煤一样都是不可再生的 化石能源,在近

200 年的开发利用中 ,在其资源状况、主 要性质 、 开采技术以及应用研究方面都积累了不少经验.

1 油页岩资源及分布特点 世界上已发现的非常规油气资源大多位于地缘政 治相对稳定的西半球 , 即美国 、 加拿大和拉丁美洲.美 国是全球油页岩资源最丰富的国家 ,储量约占全球储 量的

70 % 以上[ 3] ;

加拿大是全球沥青砂资源最丰富的 国家 ,储量约占全球储量的

90 %以上[ 4] . 全球油页岩资源十分丰富 ,据不完全统计 ,其蕴藏 资源量大约有

100 000 亿t,比煤资源量多

40 % [ 5] .

2000 年初统计,世界页岩油储量超过

10 亿t的国家有 美国 、 俄罗斯 、扎伊尔、巴西、摩洛哥、约旦 、澳大利亚、 爱沙尼亚和中国等 ,页岩油总量为

3 741 亿t[ 6] ,预计全 世界页岩油资源总量约为

4 750 亿t,比传统石油资源 量(

2710 亿t)多50 % 以上 [ 7] . 油页岩不仅资源丰富 , 而且分布相对集中, 在美 国,大约

75 %的油页岩集中在科罗拉多州 Piceance Creek 盆地、犹他州 Uinta 盆地、怀俄明州绿河盆地和 Washakie 盆地[ 3] .按探明资源量排位 ,中国继美国、巴657 石油勘探与开发2006 年12 月PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vol.

33 No.

6 西、前苏联之后位居世界第四[

8 , 9] .中国油页岩探明资 源量

315 亿t,预测资源量

4520 亿t[ 10] ,约85 %以上分 布在吉林省、辽宁省和广东省 ,其中吉林省已探明可采 储量 174.

5 亿t,约占全国油页岩探明总量 55.

3 %;

广 东已探明可采储量超过 55.

15 亿t,居全国第

2 位[11] ;

辽宁省截至

2004 年累计探明储量 41.

3 亿t[ 12] . 油页岩资源量十分丰富且储量分布集中, 具有作 为接替能源的巨大潜力和有利条件.

2 油页岩工业发展历程 从1838 年法国油页岩工业开始至今 ,油页岩的开 发和应用有近

200 年历史 [ 13] .相对油页岩来说, 天然 石油质优价廉 ,伴随着第二次世界大战的爆发、能源危 机的出现和石油工业的兴起 ,油页岩工业曾几度兴衰 . 由图

1 可见, 油页岩的生产出 现了

3 个高峰 期[

14 , 15] .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

60 年代初油页岩 开发的低谷与中国大庆油田投产密切相关[ 16] ,

20 世纪

70 年代出现世界能源危机 ,各国都在为寻求新的能源 而努力 ,油页岩的开发与利用又重新得到了重视.美国、日本 、 德国 、 巴西、 原苏联等国家研究了各种油页岩 干馏炼制页岩油的方法, 部分国家形成工业化生产规 模 ,油页岩利用率快速增长 , 所以

1980 年出现第

3 个 高峰期 ,产量达到历史上的最高水平(4540 万t).自1980 年以后,由于石油的大量发现和开发, 油价大幅下 降 ,油页岩的产量也一路下滑 , 到2000 年 ,油页岩产量 只有

1600 万t.预计随着国际油价的不断上涨, 以及 剩余油 、 低渗透油气藏开发难度的增加 、 天然气水合物 开发的瓶颈技术暂时无重大突破[ 17] 等原因 ,对油页岩 的重视会不断加强 . 图11880―2000 年各国油页岩产量[ 14, 15] 从图

1 中还可以看出,

21 世纪初油页岩的生产依 然保持着较强的趋势, 这与能源的紧缺和国际油价的 不断攀升有关 ,2002 年世界油页岩的产量略有增加 ,达到1640 万t[ 5] .美国作为世界能源消费第一大国, 每 年约需从波斯湾国家、加拿大以及拉美等国进口

75 % 的原油[ 3] ;

中国自

2003 年成为世界石油消费第二大国 以来 ,国内石油年产量和需求量逆差逐年加大 ,而且增 长速度很快(见表 1)[

16 ,

18 , 19] .面对世界能源的严峻挑 战,发展油页岩工业势在必行, 这可由美国和中国这两 个能源消费大国的强烈反应略见一斑 : 美国为了有效 地摆脱来自波斯湾原油供给的压力 ,越来越重视油页 岩资源[ 3] , 油页岩的开发将在美国未来经济发展中发 挥至关重要的作用 , 到2020 年其直接经济价值可达

10 000亿美元 ,同时还会带来无法用金钱衡量的其他战 略利益和国家安全利益[ 20] .中国在新一轮全国油气资 源评价和国务院关于加强地质工作的决定中均把油页 岩资源的调查评价和勘查提到议事日程上 ,

2003 年开 始全国范围的新一轮油气资源评价中首次把油砂(含 沥青)和油页岩等非常规油气资源列入评价内容中, 且 作为此轮资源评价所设

5 个一级项目中的

1 个独立项 目[ 21] ;

2006 年1月20 日《 国务院关于加强地质工作的 决定》 明确提出积极开展煤层气、油页岩 、 油砂 、 天然气 水合物等非常规能源资源的调查评价和勘查 . 表1中国近年来的原油产量、需求量 年份 年产量(亿t) 需求量(亿t)

2002 1.

67 2.

41 2003 1.

69 2.

53 2004 1.

75 3.

1875 2005 1.

815 3.

1767 2020

2 4. 5~ 6.

1 注:

2020 年数据为预测值

3 油页岩的主要特性 油页岩是包含了原生有机物、不溶于石油溶剂且 热解时可以提取大量页岩油的细粒沉积岩 [

2 2] .油页岩 呈黄棕、 灰、褐、黑灰及黑色等, 通常颜色越浅含油率越 高[23] ;

常具有细微的水平层理, 比一般页岩的比重和硬 度略小,韧性较大, 用指甲刻划有油痕 ,有些可用小刀 削成薄片 [ 24] ;

一般比煤重 , 密度为

1400 ~

2700 kg /m

3 (煤的密度为

1100 ~ 2300kg /m3 );

发热量较低 ,只有煤 发热量的

30 %~

50 %,有的可以点燃 . 油页岩主要成分是有机质 、 矿物质和水分 ,矿物质 常与有机质均匀细密地混合 ,而且矿物质含量通常高 于有机质 ,用于商业开采的油页岩其有机质与矿物质 之比约为 0.

75 U

5 ~ 1.

5 U

5 ,低于煤炭(煤炭中该比 值常大于 4.

75 U 5), 是一种高灰分的可燃矿产.不同 产地油页岩含油率差别很大 , 从3.

5 %到30 %不等. 油页岩中的有机质含量必须大于

5 % (也有文献报道为 大于 8.

4 % )才有工业价值 .构成这些有机质的主要成 分是固态的不溶于有机溶剂的干酪根 ,可溶性天然烃

658 石油勘探与开发 油气勘探 Vol.

33 No.

6 类极少或没有 ,可用溶剂抽提的沥青也很少.油页岩 中只含 Ⅰ型(腐泥型)或Ⅱ型(腐泥腐殖混合型)干酪 根 ,与高等植物演变来的 Ⅲ 型(腐殖型)干酪根无关. 说明油页岩的前身是腐泥质的页岩[ 24] .油页岩中矿物 质有石英、 高岭土 、 黏土、云母、碳酸盐等, 有时还含有 铜、镍、 钴、钼、钛、钒等的化合物[ 25] , 但主要是黏土矿 物 .当油页岩含有大量黏土矿物时 , 往往形成明显的 片理结构 .水分含量与矿物质颗粒间的微孔结构有 关 ,油页岩中含有

4 %~

25 % 的水分[ 25] . 油页岩含有多种有机质和矿物质 , 这是它作为接 替能源和其他化工原料 、 建筑材料的基础.

4 油页岩的开采技术进展 经历了大约两个世纪 , 油页岩的开采方式由比较 原始的直接开采方式发展到先进的地下转化工艺技术 (ICP). 4.

1 直接开采 直接开采包括露天和井下两种开采方式.露天开 采适合于埋藏较浅的矿床开采 ,成本低, 安全系数高, 辽 宁抚顺和广东茂名就是典型的例子 .井下开采有竖井、 水平坑道采矿两种方式,适合于开采埋藏较深的矿床. 直接开采是较原始的开采方式 ,局限性比较大 ,除 了在城市和重要建筑物下的油页岩无法开采外, 对生 态环境的破坏也是十分严重和无法避免的, 主要表现 在3个方面. ①生态及水质破坏严重: 无论是露天采 矿还是井下采矿, 都需要把地下水位降低到含油页岩 层的层位以下,开采 1m3 油页岩 ,一般需要抽出 25m3 的 地下水 [ 5] ;

抽出的地下水排入江河湖泊之前必须沉淀 水中的固体颗粒, 但采矿水极大地增加了地表水 、 地下 水中硫酸盐的含量.在巴西 , 油页岩采矿长期破坏着 矿山及其附近的生态平衡和水位 、 水质的稳定. ②灰 渣的污染不可避免: 通过直接开采得到的油页岩用于 提炼页岩油或直接燃烧 ,这一过程中会产生大量灰渣, 如果不回收利用则不仅会造成空气污染, 而且废弃灰 渣占地面积大, 其中金属元素和微量元素能渗入地下 水体中, 严重污染环境 ,危害人类的生产和生活 . ③直 接开采占地较多, 一旦开垦就无法完全修复 . 4.

2 地下转化工艺技术( ICP) ICP 是壳牌公司投入巨资研发........