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油页岩技术(带你读懂油页岩)

英国石油公司的2019年世界能源统计年鉴指出,截至2019年年初,全球探明石油储量为1.7万亿桶,委内瑞拉石油储量最大,为3030亿桶;其次是沙特的2970亿桶;随后是加拿大(1670亿桶)、伊朗(1550亿桶)、伊拉克(1470亿桶)和俄罗斯(1060亿桶);美国的储量则少得多,为610亿桶

带你读懂油页岩

全球探明石油储量排名

以这些指标来计算,石油还够人类使用50年,随着传统石油资源日渐匮乏,非常规油气资源的开发被提上日程,而一种能榨出油的石头——油页岩,尤其受青睐

关于油页岩

油页岩通常被定义为含有有机质的细粒沉积岩,在干馏过程中可产生大量的液态烃类和可燃气体,且大多数有机产物不溶于普通的有机溶剂,因此必须通过加热分解才能释放出这些物质

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油页岩

油页岩主要成分为油母质(由有机化合物组成的固态混合物),虽然名为“油页岩”,但事实上地质学家并不会全然将之归类为页岩,且油母质与石油并不相同

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油母质结构模型

油母质的加工成本比石油高,因此就价格及开采方面而言,油母质常被视为石油的替代品,具有经济潜力的油页岩矿床一般是指位于或接近地表可通过露天开采、常规地下开采的油页岩矿床

世界上许多地方都有油页岩矿床,这些矿床从寒武纪(距今约5.42亿年前—4.85亿年)到第三纪(新生代的最老的一个纪,距今6500万年~距今260万年)不等

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埃塞俄比亚火山凝灰岩的第三纪大岩石碎片

这些矿床可能是经济价值很小或没有经济价值的小型堆积,也可能是占地数千平方公里、厚度达700米或以上的大型矿床,油页岩沉积于多种沉积环境中,包括淡水到高盐湖泊、陆表海盆等,以及通常与煤沉积有关的石灰质和沿海沼泽地

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就矿物和元素含量而言,油页岩与煤有几个不同的方面,油页岩通常比煤含有更多的惰性矿物质(60%-90%),而煤含有不到40%的矿物质,油页岩的有机质是液态和气态烃类的来源,通常比褐煤和烟煤的有机质具有更高的氢含量和更低的氧含量

另外,油页岩和煤中有机质的前体物质也不同,油页岩中的大部分有机质来源于藻类,也可能包括维管植物的残余,而煤中的大部分有机质都来源于维管植物

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油页岩中某些有机质的来源尚不清楚,因为缺乏可识别的有助于识别前体生物的生物结构,这些材料可能是来源于细菌,也可能是藻类或其他有机物细菌降解的产物

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爱沙尼亚北部奥陶纪库克斯特油页岩中的化石

一些油页岩的矿物成分由碳酸盐组成,包括方解石、白云石和菱铁矿,其中铝硅酸盐含量较少,其它油页岩则相反,以石英、长石、粘土矿物为主,碳酸盐次之,许多油页岩矿床含有少量的但普遍存在的硫化物,包括黄铁矿和白云母,这表明沉积物可能积累在厌氧至缺氧的水域中,从而阻止了洞穴生物和氧化对有机物的破坏

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尽管当今世界能源市场上的页岩油相比石油、天然气或煤炭没有竞争力,但在一些缺乏其他化石燃料资源国家,拥有容易开采的油页岩矿藏则是很好的能源支撑,同时一些油页岩矿床含有增加副产品价值的矿物和金属,如明矾[KAl(SO4)2.12H2O]、苏打石(NaHCO3)、片钠铝石[NaAl(OH)2CO3]、硫磺、硫酸铵、钒、锌、铜和铀

油页岩品位的确定

油页岩的品位可以通过不同的方法确定,其结果也可以用不同的单位表示,油页岩的热值可以用量热计测定

通过这种方法获得的值以英制或公制单位报告,例如每磅油页岩的英制热量单位(Btu)、每克油页岩的卡路里(cal/g)、每千克油页岩的千卡路里(kcal/kg)、每千油页岩的兆焦耳(MJ/kg)和其他单位等

油页岩的热值是岩石的一个有用和基本性质,有助于确定直接在发电厂燃烧发电的油页岩的质量,但它并没有提供通过干馏产生的页岩油或可燃气体的量的信息

目前最常见的用于评估油页岩资源的分析方法为改良后的铝甄法,常规的铝甄法是将100g油页岩样品粉碎至小于2.38mm,接着在铝甄中加热到520℃,并在该温度下保持加热40分钟

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分析结果

蒸馏产生的油、气和水蒸气通过用冰水冷却的冷凝器进入分级离心管,然后通过离心分离油和水

油页岩有机物的起源及热成熟度

油页岩中的有机物质包括藻类、孢子、花粉、草本和木本植物的角质层和软木碎片以及湖泊、海洋和陆地植物的其他细胞残骸,这些物质主要由碳、氢、氧、氮和硫组成

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一些有机物保留了足够完好的生物结构,因此可以识别属甚至物种的特定类型,而在另一些油页岩中,有机物质常以无定形条带状基质出现,有的具细粒状结构,我们一般称之为沥青质体,这种非晶态物质的来源尚不清楚,但它很可能是降解的藻类或细菌残留物的混合物

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油页岩的特征岩相

油页岩中大部分有机质来源于各种类型的海生和湖生藻类,它还可能包括取决于沉积环境和地理位置的高级生物形式的植物碎片及各种混合物

有机质在深埋过程中,在温度等能源条件作用下,逐渐演化成熟的程度,称为有机质成熟度,如果油页岩被深埋且被加热到足够高的温度,有机物质可能会热分解形成石油和天然气,在这种情况下,油页岩可以成为石油和天然气的烃源岩

油页岩的热成熟度可以通过几种方法在实验室中确定,一种技术是观察从钻孔中不同深度采集的样品中有机质的颜色变化,假设有机质受到地热加热作为深度的函数,某些类型的有机质的颜色从浅色变为深色,这些颜色差异可以由岩石学家记录下来,并使用光度学技术进行测量

另外,镜质体反射率是最重要的有机质成熟度指标,它是石油勘探工作者常用的确定沉积盆地烃源岩地热蚀变程度的方法,它可以指示沉积岩中的有机质何时达到足以产生石油和天然气的温度,然而,这种方法的一个问题在于,富含脂质的有机物可能会降低镜质体的反射率

油页岩工业

页岩油沉积层分布于全球各地,估计所有沉积层共储有2.8兆至3.3兆桶(450×10^9 至 520×10^9立方米)可采油量,加热油页岩至特定温度能分离蒸气,即借由蒸馏产生类似石油的页岩油(一种非传统用油)以及易燃的油页岩气

工业单位也直接燃烧油页岩作为发电或供暖的劣等燃料。油页岩另也被用作化学原料、建筑工程用途等,油页岩近年在能源矿产方面,受传统石油油价上涨以及某些地区欲维持其能源来源独立性的影响,而渐受重视

然而,油页岩矿业与加工也带来了环境问题,如土地利用、废物料处理、争夺有限的水资源、水污染、增加温室气体排放、空气污染等

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