高等矿床学论文

浅谈油页岩、页岩气成藏及其发展前景摘要：国际原油价格大幅上升和全球已探明的石油储量只能维持40年的开采，使寻找可替代能源步伐悄然加快，一种沉寂多年的低热值燃料油母页岩的的开发利用开始升温。目前，世界大部分油页岩分布区地质勘探程度低，很难对全球的油页岩资源量正确预测，只有部分国家对本国油页岩矿床进行了详细的勘探和评价工作。就目前的勘探情况而言，美国是世界上油页岩资源最丰富的国家，查明地质资源量为33400亿吨，折合页岩油为3036亿吨。然而，中国乃至世界范围对于页岩的研究还很欠缺，油页岩研究给我们提出了问题，也带来了机遇。另外,我国油页岩在全国各地均有分布，其主要分布在中、新生代的盆地中。按照盆地分类方法，我国油页岩主要分布于伸展盆地、挠曲盆地走滑盆地和克拉通盆地中，其中以伸展盆地为主。其主要受油页岩的沉积时期的沉积环境、古构造古气候、有机质来源、氧化还原条件、古地形、古盐度等条件的影响。含油页岩伸展盆地油页岩成矿规律的研究为我国油页岩地质理论的发展和同类含油页岩盆地的勘探开发起到一定的促进作用。关键词：油页岩；政策；发展现状；资源勘探；成矿规律；控制因素1油页岩简介1.1油页岩定义及性质油页岩又称油母页岩，是可燃矿产之一，现在公认的可燃矿产包括:煤、天然气、石油等都是由有机物组成，堆积的植物和动物残骸是可燃性矿产的重要来源。油页岩由有机物质和无机物质组成，其中无机物质常见的有:石英、粘土、碳酸盐等，有的还含有铜、镍、钻、相、钦、钒等的化合物。油页岩有机物质可分两类:一类为油母，是其主要成分，分析元素组成主要为:C,H,N,S,0等;另一类为沥青，其含量在1%左右。一般认为油母是一种具有三维结构的大分子聚合物的混合物。油母中的碳主要以脂族和环烷结构存在，也有部分芳香族。所以只要能把油页岩中的油母提炼出来，就可得到类似石油的原油，也即页岩油[1]。油母中的氮在热加工时大部分转化为氨。油页岩具有如下特征[2]:油页岩通常为具有片状层理性的无空固体，油页岩的颜色自浅灰至深褐不等。从外面看与褐色的石头几乎一样，不过如果拿起一块往地上一摔，就会摔成许多片状的碎块，看起来就像一页页的纸叠起来似的，人们因此管它叫油页岩。油页岩与煤不同，主要由较大量的无机矿物质和较少量的有机物组成，油页岩的有机物含量通常不超过35%油页岩在隔绝空气或氧气的情况下，加热至400〜500°C(即称为干馏、低温千馏或热解)，其油母热解生成页岩油、热解气、热解水及固体残渣。固体残渣附着于加热后的无机质表面，通常称为半焦。油页岩所含的无机矿物质加热时也会发生变化，例如，含结晶水的氧化铝、氧化硅会有脱水反应;碳酸盐于高温下会脱去二氧化碳，生成氧化物。油母的氢碳原子比通常高于煤的有机质的氢碳原子比，故热解后页岩油对油母的收率高于煤热解液体产物(煤焦油)对煤有机质的收率。但是由于油母只占油页岩的少部分，以及煤所含的有机质大大多于其无机质，因此页岩油对油页岩的收率通常低于煤焦油对煤的收率。油页岩与油砂不同，油砂的有机质是沥青，其沥青可以用热碱水提取出来，而油页岩的有机质中，主要是油母，是三维的固态有机大分子聚合物，不能用普通有机溶剂或碱液提取出来。页岩油的有机质中所含的少量沥青，则可用提油的方法分离出来。应该指出的是，油页岩实际上并不含油，而是必须加热至一定温度时，油母质热解后才产页岩油。而通常所述的某种油页岩的“含油率”是指将该油页岩试样在实验室用标准的专业仪器设备—铝甄，用规定的加热速率加热至500C左右，所得的页岩油对页岩油对油页岩的百分率。故有时“含油率”亦称“铝甄含油率”。不同产地油页岩的含油率是不同的，通常同一区不同层位的油页岩含油率也不尽相同。1.2世界油页岩资源分布不完全统计表明，世界油页岩蕴藏资源是巨大的，估计有10万亿吨，比煤资源量7万亿吨还多40%。世界油页岩产于寒武系至第三系，主要分布于美国、扎伊尔、巴西、意大利、摩洛哥、约旦、澳大利亚、中国和加拿大等9个国家。目前只有美国、澳洲、瑞典、爱沙尼亚、约旦、法国、德国、巴西和俄罗斯等国的部分油页岩矿床做了详细勘探和评价工作。其它很多矿床的资源潜力有待进一步探明。如果考虑到有些国家的数据没有收集全，有些矿床的资源量没有做充分的调查和评价，那么全世界油页岩蕴藏的页岩油资源总量大体有2.6万亿桶或3662亿吨。无论如何，全球油页岩含油量约比传统石油资源量2110亿吨多50%以上［11。］表1世界取页岩油资源分布国家贞岩油矯106t贞岩汕癥IO9bbl世界排名2005年贞岩油产ill/IO-'r美国3015562085.31俄罗斯35斗702斗7・82143101003巴西1173斗82415910446735摩洛哥816753.46约P52斗234.27澳人利亚斗53131.78爱沙尼亚249416.39345屮国22901610180加拿大219215.211汰国1000712埃及SI65.713以色列550斗1斗其他国家（13J780454.5总M：4086022826.16S4数据来源:Dyni,世界能源委员会,2007^1.3油页岩资源开发及利用世界进入21世纪，由于政治、经济、资源、供求等种种原因，低油价的时代已一去不复返，世界油价已高涨至80〜90美元/桶，甚至再2008年初，每桶油价突破了100美元大关。人类已经进入了能源危机的时代，高昂的油价及短缺的石油资源不仅仅制约着世界的经济发展，还引发了世界各国对石油资源的争抢，长此以往，世界两级分化日益严重，更有可能因为争夺资源而引起新的世界大战。尽快解决能源紧张问题已经成为人类必须面对的事实。寻找新的石油替代品，开发新工艺成为解决问题的主要途径。世界油页岩资源丰富，其储量折算成页岩油高达4000多亿t远较世界探明原油储量1700多亿t为大，也较世界原油资源3000亿t为大。当前高油价的时代，不少国家油页岩矿藏的开发和干馏制取已经变成有利，在岩页油的生产在有条件的一些国家仅约20〜40美元/桶，因此油页岩可以成为石油的补充能源。由于有经济效益以及对液体燃料的日益增长的需求，油页岩工业的发展有着良好的前景。在我国，随着社会工业的不断发展，国家的电力需求也日益上升。而目前我国一些地区主要是火力发电，火力发电的原料是煤炭资源，在当今社会能耗日益增加的情况下，煤炭资源也出现了短缺，因此合理利用能源和找到替代能源是当今要解决的问题。油页岩是重要的油气替代化石燃料资源，在我国一些地区，一方面充分利用油页岩直接燃烧发电，解决了我国局部地区电力供给问题；另一方面利用油页岩干馏技术制取页岩油，在一定程度上也缓解了我国石油短缺的问题，同时，作为附加品，油页岩干馏和燃烧后的页岩灰具有一定的溶结强度，因此，在建筑方面受到广泛应用；水泥工业使用页岩灰，不仅可以降低水泥生产成本，而且可以提高它的硬度；页岩灰替换10%的水泥或沙子或者总量的10%，将生成最佳的耐压强度；替换30%也不会明显降低抗压强度；页岩灰若作为沥青混凝土的掺和剂，会给混合料带来很好的机械和耐久特性；也可以在玻璃和玻璃陶瓷的产品上得到应用。因此，页岩灰是一种很好的建筑材料。在我国，油页岩干馏和燃烧后的半焦灰渣用来制造砌块、砖、水泥、陶粒等建材料。油页岩还可以直接用于有机肥料的生产。因此大力发展岩页油工业及新能源工业具有很大的潜力，应加以推广规划并落实［12。］2．油页岩-发展前景在高油价时代，有关国家对油页岩的开发利用活跃起来。美国国会于2005年通过了发展非常规能源的法案，掀起了油页岩干馏炼油的研发高潮。美国总统布什于2008年6月18日声明，支持发展油页岩，鼓励国会放开对批准页岩油试验用地的限制。美国内政部己批准了6项给予石油公司的土地矿产租赁项目，支持开展油页岩干馏炼油。美国科罗拉多矿业学院在2006年、2007年、2008年连续召开了第26届、27届、28届国际油页岩会议，参与人员众多。当前，美国有29家公司正开展油页岩加工利用的研究，其中14家公司开展地下干馏，11家开展地上干馏的研发，2家公司开展页岩油加氢制取轻质油品研究。上述这些公司大多数正处于实验室或数学模拟，或概念研究阶段，只有壳牌公司正在进行现场地下干馏的中试，还有一些公司正筹划开展实地试验，另有几家公司则在致力于干馏新技术的开发。中国油页岩的开发利用起步较早，规模也比较大，但长期以来并没有明显进步。1959年页岩油的产量达到70多万吨，占世界的50％以上。1959年辽宁抚顺年产页岩油72万吨，1953年桦甸年产页岩油5万吨，1962〜1992年，广东茂名共生产页岩油300万吨。20世纪60年代以后，由于中国常规油气田的大量发现，油页岩提炼油气成本相对较高，页岩油生产规模逐渐减小，并淡出油品市场，油页岩开发利用技术也止步不前。近年来，由于上轮全球能源需求的增长和解决废弃油页岩环境问题的需要，油页岩的勘探开发面临新的机遇。抚顺、桦甸、罗子沟、黄县等老油页岩矿先后恢复了页岩油生产。2008年，国内年产页岩油约40万吨，其中抚顺矿业集团油页岩炼油厂是目前我国正在运行的、最大的油页岩提炼厂，其产量达到35万吨。在油页岩利用技术方面，国内相关企业也开展了研究工作。针对现有抚顺炉单台装置处理能力小、油收率低、污染环境等缺点，抚矿集团于2006年成立;辽宁省抚矿集团工程技术研究中心;，将油页岩综合利用作为重点，开发大型油页岩干馏新工艺和相应的生产装置，研发页岩油生产过程的废水、废渣的处理与循环利用技术。中煤集团支持其所属的龙江哈尔滨煤化工公司开展油页岩流化干馏炼油的中试（日加工油页岩50吨），已取得初步成功，日加工油页岩2000吨的工业试验装置的可行性研究报告已初步通过。中石油支持大庆油田采用大连理工大学开发的颗粒页岩固体热载体干馏技术，拟建设日加工2000吨柳树河油页岩的工业试验装置。中国油页岩资源储量丰富，在煤炭开采过程中也产生了大量油页岩，开发利用油页岩不仅可以缓解石油供需矛盾，还可以解决因废弃油页岩造成的环境问题，提高资源利用率。因此中国应该重视油页岩方面的研究，推动开发利用技术进步，加快油页岩行业发展。3．中国对发展油页岩产业的政策支持在中国，国务院等中央领导部门几年来多次发布有关鼓励和扶持油页岩产业发展的政策，包括税收优惠等规定，制定扶持政策，鼓励综合利用。独立油页岩矿床比照与煤共伴生矿免收增值税。含油率4%至6%的油页岩减半税费，低于4%的免税费。支持发电并网，提供低息贷款。对延长产业链实行级差税率。加强矿权管理，实施有效监督。根据油页岩资源特点进行综合有效管理，妥善解决矿业权交叉重叠。这对中国页岩油的发展起到了促进作用。如国务院关于加强地质工作的决定中提出加强煤层气、油砂、油页岩等非常规油气资源的勘探开发；国家发改委和辽宁省将抚矿生产的页岩油免交增值税，并将其综合利用产品烧结砖和水泥等定为减免税产品；2011年发布的国家产业结构调整指导目录中将油页岩、油砂、油页岩、天然气水合物等非常规资源勘探开发列为鼓励类产业。4．油页岩分布及利用现况4.1全球油页岩分布及利用现况不完全统计表明，全球油页岩蕴藏资源量是巨大的，估计有10万亿吨，比煤资源量7万亿吨还多40%。全球油页岩产于寒武系至第三系，主要分布于美国、扎伊尔、巴西、意大利、摩洛哥、约旦、澳大利亚、中国和加拿大等9个国家。目前只有美国、澳洲、瑞典、爱沙尼亚、约旦、法国、德国、巴西和俄罗斯等国的部分油页岩矿床做了详细勘探和评价工作。其它很多矿床的资源潜力有待进一步探明。如果考虑到有些国家的数据没有收集全，有些矿床的资源量没有做充分的调查和评价，那么全世界油页岩蕴藏的页岩油资源总量大体有2.6万亿桶或3662亿吨。也有估计为4110亿吨或4225亿吨。无论如何，全球油页岩含油量约比传统石油资源量2710亿吨（IEA,2002年《世界能源展望》）多50%以上。需要指出的是，全球油页岩可采资源量中页岩油总量可能要比估计小的多。有人估计只有282亿吨。这是因为，实际可以获得的资源量要受一些因素影响。例如，一些矿床埋藏太深以至于不能经济开采；地面上的土地利用也在很大程度上限制了有些油页岩矿床的开发,尤其是那些工业化程度高的城市。油页岩的开发利用可以追溯到17世纪。到19世纪时，油页岩的年产规模达百万吨，已经可以从油页岩中生产了一些诸如煤油、灯油、石蜡、燃料油、润滑油、油脂、石脑油、照明气和化学肥料、硫酸氨等产品。到20世纪早期，由于汽车、卡车的出现，油页岩作为运输燃料被大量的开采。直到1966年，由于原油的大量开采利用，油页岩作为主要矿物能源才退出历史舞台。但是，现在油页岩的利用更加广泛，爱沙尼亚、巴西、中国、以色列、澳大利亚、德国等国对油页岩的利用已经扩展到发电、取暖、提炼页岩油、制造水泥、生产化学药品、合成建筑材料以及研制土壤增肥剂等各个方面。油页岩产量高的国家主要有爱沙尼亚、俄罗斯、巴西、中国和德国。有数据表明，世界油页岩的产量经历了两个高峰期。第二个高峰期是在1980年，产量达到4540万吨的历史高峰。此后产量基本上一路下滑，到2000年，产量只有1600万吨。4.2中国油页岩分布及开发利用现状中国油页岩资源较丰富，石炭系■第三纪都有产出，但主要产于第三系。中国油页岩资源未进行全面调查，还没有能反映资源全貌、较为准确的数据。各种数据差别悬殊。从表2的数据看，地质部1980年公布的截至1979年底含油率大于5%的表内油页岩储量311.7亿吨是可信的，抚顺石油研究所的预测油页岩储量4520亿吨的依据较充分，两项合计为4831.7亿吨，居世界第4位。中国油页岩矿的含油率一般大于5%,多在6%左右。若按含油率6%折算，中国页岩油的远景地质储量达289.9亿吨。已探明的储量折算成页岩油，至少有18.7亿吨。若按抚顺石油一厂、二厂的经验数据，每33~35吨油页岩生产1吨页岩油折算，探明的油页岩储量311.7亿吨，可生产9.17亿吨油；预测储量4520亿吨可生产132.9亿吨油，两项合计为142亿吨。中国油页岩的分布比较广泛，但分布不均匀，主要分布于内蒙古、山东、山西、吉林、黑龙江、陕西、辽宁、广东、新疆等9省。由于勘探程度较低，目前仅在14个省（区）计算了探明储量，其中吉林、辽宁和广东的储量较多，合计约占全国探明储量的90%以上。有21个省（区）做了储量预测，内蒙古、山东、山西、吉林和黑龙江等省的预测储量大。5成藏条件为了研究页岩气的成藏机理,下面我首先从气体来源、储集介质、盖层条件、圈闭条件、运移条件和分布特点等六个方面来说明页岩气藏的成藏条件［3］。气体来源在埋藏温度升高或者有细菌侵入时,暗色泥页岩中的有机质,甚至包括已生成的液态烃,就裂解或降解成气态烃,游离于基质孔隙和裂缝中,或吸附于有机质和黏土矿物表面,在一定地质条件下就近聚,因此页岩气得气体来源主要是生物气或热成熟气。储集介质页岩气储集在泥、页岩及其间的砂质岩夹层内,页岩气藏储层具有典型的低孔、低渗特征,孔隙度一般小于4%〜6.5%,平均为5.2%,渗透率一般低于0.001毫达西，并随着埋深加大，物性变差［1］。若处于断裂带或裂缝发育带,页岩孔隙度、渗透率增加。5.3盖层条件页岩气与煤层气相似,具有自生自储的特点,没有或仅有短距离的运移,页岩本身就是良好的盖层,因此页岩气的存在不需要其他岩性的介质作为盖层。5.4圈闭条件页岩气藏的形成也不需要常规意义上的圈闭,页岩气藏形成于烃源岩层内,无清晰的油水界面,气藏范围可近似等于生气源岩面积。5.5运移条件页岩气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果,由于其为自生自储气藏,所以页岩气藏的形成基本上没有运移或运移距离极短。5.6分布特点页岩气藏分布受暗色页岩分布控制,面积大、范围广,常呈区域性、连续性分布。页岩气藏通常位于或接近于盆地的沉降—沉积中心处,导致页岩气的有利区主要集中于盆地中心处［4］。6成藏机理6.1成藏气源分析如前所述,页岩气藏的生烃、排烃、运移、聚集和保存全部在烃源岩内部完成,页岩既是烃源岩、储层,也是盖层。研究表明,烃源岩中生成的烃类能否排出,关键在于生烃量必须大于岩石和有机体对烃类的吸附量,同时必须克服页岩微孔隙强大的毛细管吸附等因素。因此,烃源岩所生成的烃类只有部分被排出,仍有大量烃类滞留于烃源岩中。北美地区目前发现的页岩气藏存在3种气源,即生物成因、热成因以及两者的混合成因。其中以热在页岩气成藏过程中,随天然气富集量增加,其赋存方式发生改变,完整的页岩气藏充注与成藏过程可分为4个阶段。第一阶段为天然气生成与吸附阶段,该阶段形成的页岩气藏具有与煤层气相似的成藏机理;第二阶段为吸附气量（包括部分溶解气量）达到饱和时,富余气体解吸或直接充注到页岩基质孔隙中（也不排除少量直接进入了微裂缝中）,其富集机理类似于孔隙型储层中天然气的聚集;第三阶段是随着大量气体的生成,页岩基质孔隙内温度、成因为主，生物成因及混合成因仅存在于美国东部的个别盆地中，如Michigan盆地Antrim生物成因页岩气藏及Illinois盆地NewAlbany混合成因页岩气藏［2］。6.2成藏特点分析页岩气藏中气体的赋存形式多种多样，其中绝大部分是以吸附气的形式赋存于页岩内有机质和黏土颗粒的表面，这与煤层气相似。游离气则聚集在页岩基质孔隙或裂缝中，这与常规气藏中的天然气相似。因此,页岩气的形成机理兼具煤层吸附气和常规天然气两者特征,为不间断充注、连续聚集成藏。压力升高,出现岩石造缝以及天然气以游离状态进入页岩裂缝中成藏;经过前述三个过程后,天然气最终以吸附气和游离气的形式富集形成页岩气藏,即页岩气藏形成阶段。6.3成藏阶段分析页岩气成藏机理具有明显的“混合型”特征。根据成藏条件的不同,成藏机理可分为吸附机理、活塞式成藏机理或置换式成藏机理两种类型［5］。按成藏机理的不同又可将页岩气的成藏划分为2个阶段:第一阶段以吸附作用为主,发生在页岩气藏形成初期;由于页岩层段富含具有吸附能力的有机碳,页岩所生成的天然气首先满足有机碳的吸附需求,具有与煤层气相同的成藏机理,也就是我们所说的