約旦油頁巖的分布狀況與開發(fā)利用現(xiàn)狀

付晉，張順元，柳丙善

(中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京 122100)

約旦油頁巖的分布狀況與開發(fā)利用現(xiàn)狀

付晉，張順元，柳丙善

(中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京 122100)

全球油頁巖資源十分豐富，中東和北非地區(qū)是這種珍貴資源的重要分布地帶。作為儲量超過10億噸的唯一一個中東國家，約旦的中部及西北部地區(qū)蘊藏著大量可供開采的油頁巖。目前，約旦政府已經(jīng)同包括殼牌和愛沙尼亞Enefit在內(nèi)的多家世界知名的油頁巖勘探開發(fā)公司簽訂了合同。由于受諸多因素制約，常規(guī)油頁巖開采方法成本較高。根據(jù)約旦境內(nèi)油頁巖分布狀況及地質(zhì)條件，越來越多的區(qū)域內(nèi)作業(yè)企業(yè)逐漸摒棄了露天直接開采方式，普遍利用地下原位開采法。

約旦；油頁巖；原位開采；ICP；干餾

0 引言

地球上蘊藏著豐富的油頁巖資源。2000年初的統(tǒng)計結(jié)果表明，世界頁巖油儲量超過10億噸的國家有加拿大、美國、約旦、澳大利亞、愛沙尼亞和中國等，頁巖油總量為3741億噸。預(yù)計全世界頁巖油資源總量約為4750億噸，比傳統(tǒng)石油資源量(2710億噸)多50%以上[1]。

油頁巖是一種石灰?guī)r，被稱為沉積巖，含有黑色或咖啡色的軟性碎末，富含各類由于壓力或者熱量不足而未能轉(zhuǎn)變?yōu)槭偷挠袡C物和無機物。其中的有機物尚未發(fā)育成熟，殘留在巖石當(dāng)中，因此被稱為“油頁巖”。將油頁巖加熱至500攝氏度能夠產(chǎn)生石油和天然氣。該資源可以通過以下幾種方式加以利用：

(1) 燃燒或直接將其用作燃料。

(2) 將油頁巖進行蒸餾處理以釋放油和天然氣。

(3) 可以將燃燒和蒸餾過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品加以利用，如灰燼可以在建筑上用作隔絕物料，農(nóng)業(yè)上用于土壤增肥，以及鋪設(shè)道路和制瓦。也可將其作為過濾劑進行污水處理，有時也可用于水泥行業(yè)和管路鋪設(shè)等領(lǐng)域。釋放出的氣體也能加以利用，如氨氣和硫化氣體。

針對油頁巖的各類經(jīng)濟效益研究和直接燃燒及蒸餾的各項試驗證明，約旦的油頁巖質(zhì)量上乘，巖石中油的含量從達拉維什斷崖的5.7%到Atara區(qū)域的11%，這些原油足以滿足約旦在現(xiàn)有的消費狀況下使用1000年。每噸油頁巖可產(chǎn)出105千克的石油和51～53立方米的天然氣。各類研究表明，當(dāng)石油價格徘徊在每桶23～30美元之間時，油頁巖的開采便可收獲非常可觀的經(jīng)濟效益[2]。

1 約旦油頁巖的分布狀況

作為唯一一個儲量超過10億噸的中東國家，約旦的中部及西北部地區(qū)蘊藏著大量可供開采的油頁巖。依據(jù)世界能源委員會的預(yù)測，約旦的油頁巖儲量高達800-1200億噸，緊隨美國和加拿大居全球第三位，但其已探明的油頁巖儲量約400～600億噸，居全球第一。約旦境內(nèi)的石油開采量約占總儲量的8%至12%，當(dāng)前產(chǎn)量約為40億噸，預(yù)計該數(shù)字可以提升至200億噸。從開采方面看，約旦石油的質(zhì)量能與美國科羅拉多出產(chǎn)的石油相媲美。約旦油頁巖的狀況總體來講十分良好，潮濕物質(zhì)及灰燼含量相對較低，總體熱值為每千克7.5mega goal，其中硫的含量占有機質(zhì)總重的9%。蘊藏的油頁巖也較為容易開采，其中絕大部分分布在表面露天礦之中[3]。具體來講，約旦境內(nèi)的油頁巖大量分布在從南部Ma`an綿延至北部亞爾木克河的地區(qū)，深度從100米至300米，包括薩瓦卡地區(qū)、阿爾加法爾、Ma`an以東的大片區(qū)域、Shoubak地區(qū)、亞爾木克、Azraq盆地。在這些地區(qū)中，有些礦藏位于地表附近，因而較容易開采出來。蘊藏油頁巖的地區(qū)還有Al-Lajjun、Alsultany、達拉維什斷崖、Al-Hisa、以及Atara地區(qū)等。依照約旦自然資源署進行的地質(zhì)研究以及BGR實驗室、英國IGS實驗室、俄羅斯USGS實驗室和其他國家對樣本進行化驗所得出的結(jié)論，油頁巖層的厚度約為2～450米，Chellala地區(qū)的油頁巖層厚度為250米，在阿爾加法爾盆地的厚度為450米。相關(guān)勘探研究指出，Al-Lajjun和Atara地區(qū)的油頁巖層厚度為50米。據(jù)估測，約旦油頁巖蘊藏地豐富的地下水資源為開采作業(yè)提供了便利。油頁巖的開采主要依靠干蒸餾，無需大量水分。約旦自然資源署僅對Al-Lajjun一地的研究顯示，該地區(qū)蘊藏著12億噸的油頁巖，其中油的含量為10%，即約1.1億噸，僅該地區(qū)的油頁巖儲量就可開采30年[4]。

2 油頁巖的開采現(xiàn)狀

2.1 國際各大能源企業(yè)在約旦的生產(chǎn)作業(yè)狀況

加拿大Suncor公司曾在安曼(約旦首都)西南部從事商貿(mào)活動，2006年公司日產(chǎn)原油17,000桶，2011年67,000桶，預(yù)計2014年可日產(chǎn)原油210,000桶。然而，該公司于2002年將其在安曼南部的開采權(quán)賣給了兩家澳大利亞公司，以從事該地區(qū)油頁巖的勘探和開采左右。約旦內(nèi)閣總理大臣代表政府于2010年5月11日簽署了一份優(yōu)惠協(xié)議，意與愛沙尼亞Enefit公司展開合作，共同開發(fā)Atara或algadran兩片區(qū)域中的部分油頁巖(面積為41平方公里)，用于石油和電力生產(chǎn)，參與合作的雙方分別為約旦自然能源署和約旦油頁巖能源公司OSEJ，而愛沙尼亞Enefit公司占有該公司76%的股份。該公司將在Atara區(qū)域方圓41平方公里的土地上從事開采活動，5至7年后將進入到商業(yè)生產(chǎn)階段，預(yù)計屆時的原油日產(chǎn)量可達2萬桶，未來將逐步提升至3.6萬桶，而項目的生產(chǎn)成本約為60億美元。該份為期44年的優(yōu)惠協(xié)議涵蓋了環(huán)保與水資源利用，項目的年用水量約為20萬立方米[5]。

2006年，約旦政府與殼牌公司進行談判，最終就一份商業(yè)優(yōu)惠協(xié)議達成共識，授權(quán)殼牌公司采用壓裂法進行油頁巖的開采，并計劃于2009年正式簽訂優(yōu)惠協(xié)議。約旦自然資源署提到，依照該協(xié)議殼牌公司于2009年8月16日進入為期9個月的籌備期，于次年5月16日即籌備期結(jié)束后進入勘探與鉆井期，而該公司在安曼東部Harana區(qū)已完成了數(shù)口井的鉆探。該協(xié)議給予殼牌公司3年的時間在面積約為22000平方公里的優(yōu)惠區(qū)域內(nèi)(對Harana區(qū)的勘探是未來三年內(nèi)的第一個階段)進行勘探作業(yè)的權(quán)利，即約占約旦國土面積四分之一的土地將依靠必要的技術(shù)進行深層油頁巖的開采。依照該優(yōu)惠協(xié)議，在項目的終期將探明更多的蘊藏區(qū)，并為殼牌公司確定面積約1000平方公里的優(yōu)惠區(qū)。殼牌公司將斥資4億3千萬美元用于研究與評估工作，商業(yè)生產(chǎn)期為12至20年，預(yù)計該項目將吸引直接投資200億至250億美元。

約旦政府已推動多家公司，如巴西Petrobras公司與法國Total公司聯(lián)盟、加拿大世界工程公司、國際油頁巖投資公司和Aqaba石油公司簽訂諒解備忘錄。繼愛沙尼亞、巴西和中國之后，約旦成為中東地區(qū)第一個、世界上第四個執(zhí)行油頁巖資源開發(fā)利用產(chǎn)業(yè)政策的國家[6]。

圖1 油頁巖開采制約因素Fig. 1 limitations of oil shale exploitation

2.2 約旦油頁巖的開采技術(shù)

與常規(guī)油氣開發(fā)一樣，工藝技術(shù)及設(shè)備至關(guān)重要。根據(jù)約旦境內(nèi)油頁巖分布狀況及地質(zhì)條件，在該區(qū)域作業(yè)的大多數(shù)企業(yè)利用地下原位開采法，即地下轉(zhuǎn)化技術(shù)。油頁巖原位開采技術(shù)不需要進行采礦和建設(shè)大型的尾氣處理設(shè)施，可開發(fā)深層、高厚度的油頁巖資源，具有產(chǎn)品質(zhì)量好、采油率高、占地面積少和環(huán)保等優(yōu)點，目前尚處于工業(yè)試驗階段。這種技術(shù)的原理就是通過有效的途徑加熱地下油頁巖層,使之在地下完成熱解從而轉(zhuǎn)化成液態(tài)或氣態(tài)的礦物，然后通過類似于石油鉆井的方法將這些油氣狀的礦物抽取上來。

針對約旦地區(qū)碳酸鹽巖分布較廣的特點，殼牌研制開發(fā)的ICP技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。作為地下原位開采法的一種，ICP是殼牌公司投入巨資研發(fā)出的開采油頁巖及其他非常規(guī)資源的專利技術(shù)，對開發(fā)約旦深部油頁巖尤其有利。ICP開采油頁巖的基本原理是在地下對油頁巖礦層進行加熱和裂解，促使其轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的油或氣，再通過相關(guān)通道將油、氣分別提取出來；將這些高品質(zhì)的油(氣)采集到地面進行加工后，可生產(chǎn)出石腦油、煤油等成品油。該技術(shù)并不涉及露天采礦，而是把加熱器插進地下，將油頁巖中的油母轉(zhuǎn)換成高品質(zhì)的運輸燃料，在一個較小的區(qū)域內(nèi)開采更多的石油與天然氣。作業(yè)過程中，首先將電加熱器插入加熱井，逐漸加熱地表以下1000～2000ft目標(biāo)區(qū)的頁巖；當(dāng)巖層被緩慢加熱至343.3～398.9℃時，油母轉(zhuǎn)變成石油和天然氣，然后利用傳統(tǒng)的回收方法將其泵送到地面，整個過程產(chǎn)生大約1/3天然氣和2/3輕質(zhì)油。在緩慢和較低溫度加熱條件下，預(yù)計比傳統(tǒng)地面干餾能顯著降低二氧化碳排放量，但在該地下處理過程中生產(chǎn)1bbL當(dāng)量油至少需要消耗3bbL水。該技術(shù)的突出優(yōu)點是：提高了資源開發(fā)利用效率；減少了開采過程中對生態(tài)環(huán)境的破壞，即少占地、無尾渣廢料、無空氣污染、少地下水污染及最大限度地減少有害副產(chǎn)品的產(chǎn)生。利用這種技術(shù)，地下油頁巖不經(jīng)開采，直接在地下加熱干餾即刻生產(chǎn)頁巖油，因而被視為將地上作業(yè)轉(zhuǎn)化為地下作業(yè)的有效方法，對開發(fā)深部油頁巖尤其有利[7]。依照2005年5月每桶原油開發(fā)成本計算，傳統(tǒng)干餾技術(shù)為20美元/桶，ICP技術(shù)為12美元/桶，低于傳統(tǒng)的干餾技術(shù)。該技術(shù)在油價高于25美元/桶時即可盈利。雖然ICP技術(shù)雖有很多優(yōu)點，但是耗電量很大，而且地下干餾過程中，所產(chǎn)頁巖油易丟失、滲漏于地下周圍，油收率會損失40%。利用實驗室的高壓-工頻油頁巖地下裂解試驗裝置即可進行干餾實驗，只需在油頁巖地層上鉆兩個孔，分別下入電極的正極和負極，通過地下高壓電，把巖層擊穿，產(chǎn)生石墨化裂隙，然后再通過工頻電進行加熱，即可提取頁巖油[8]。

圖2 殼牌公司ICP開采法Fig. 2 ICP in situ exploitation method of Shell

3 約旦油頁巖的利用現(xiàn)狀

油頁巖礦山采出之后，最先是作為能源而被使用的，即干餾煉油和作為燃料。油頁巖干餾后的頁巖油可作為燃料油出售，也可以通過氫精制和非加氫精制的方法生產(chǎn)輕柴油，提高頁巖油附加值，而精制后的重油將作為燃料使用。油頁巖做燃料主要用于發(fā)電，即直接用作鍋爐燃料或者進行低溫干餾產(chǎn)生氣體燃料而發(fā)電，還可用于供暖和長途運輸。

3.1 利用原理

油頁巖低溫干餾技術(shù)是在隔絕空氣的條件下將最終加熱溫度在450到600℃范圍內(nèi)進而對油頁巖進行熱加工的方法。首先是油頁巖的加熱過程，即熱載體將熱量傳給油頁巖，然后在油頁巖內(nèi)部進行熱的傳導(dǎo)過程；其次是油頁巖受熱后，其有機質(zhì)受熱分解的過程，這一過程是頁巖油和氣態(tài)產(chǎn)物生成的主要過程。最后一個過程是熱解反應(yīng)產(chǎn)物擴散與導(dǎo)出的過程。油頁巖干餾技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在干餾爐型上，干餾爐型又根據(jù)其不同的加熱方式可分為外熱式爐和內(nèi)熱式爐。外熱爐型傳熱效率低，且不易放大，在工業(yè)生產(chǎn)上已被淘汰。目前，世界上用于工業(yè)生產(chǎn)的加熱方式都屬于內(nèi)熱式，該方式又根據(jù)加熱的載體分為氣體熱載體法和固體熱載體法。氣體熱載體法主要有俄羅斯發(fā)生爐技術(shù)、愛沙尼亞發(fā)生爐技術(shù)和Kiviter技術(shù)、巴西Petrosiⅹ技術(shù)、美國聯(lián)合油SGR干餾技術(shù)、日本Joseco干餾技術(shù)和中國撫順爐技術(shù)。固體熱載體干餾技術(shù)主要包括美國的Tosco-II干餾技術(shù)?愛沙尼亞的Galoter干餾技術(shù)?德國的LR干餾技術(shù)?加拿大A 噸P干餾技術(shù)和中國大工新法干餾技術(shù)?當(dāng)前世界上工業(yè)運轉(zhuǎn)的固體熱載體顆粒頁巖干餾爐有愛沙尼亞的Galoter爐?加拿大的ATP干餾技術(shù)和美國的Tosco-II干餾技術(shù)[9]。

3.2 用途

據(jù)預(yù)測，約旦境內(nèi)油頁巖的最大蘊藏地位于該國中部的Atara區(qū)，儲量高達250億噸，其中愛沙尼亞Enefit公司負責(zé)開采的區(qū)域面積為40平方公里左右，油頁巖儲量超過20億噸。這家公司憑借其在愛沙尼亞90余年的經(jīng)營經(jīng)驗，在利用油頁巖進行電力能源生產(chǎn)領(lǐng)域位居世界第一。另外，其當(dāng)前在愛沙尼亞進行油頁巖加工的效率和環(huán)境效益也位居世界第一位。在約旦從事油頁巖開采作業(yè)采用礦稅制，稅額逐漸提升，直至利潤率占據(jù)項目的65%。此外，企業(yè)還需要支付生產(chǎn)稅，該稅額依生產(chǎn)階段的石油價格而定，不以利潤率作參考，稅率從1%至5%。愛沙尼亞Enefit將對蒸餾過程中產(chǎn)生的熱量及電力能源生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體被加以應(yīng)用，在約旦境內(nèi)建有一座可日產(chǎn)原油6000桶的設(shè)備。這家公司將在利用油頁巖提煉原油的同時使用提煉油頁巖所產(chǎn)生的氣體進行發(fā)電，而該發(fā)電項目預(yù)計將于6年后投產(chǎn)運行，屆時可為Atara區(qū)供電600至900千瓦，投入資本約為十億五千萬美元。項目的利潤將依照實際盈利進行分配，即項目收益越大，約旦政府的收入越多[10]。

4 總結(jié)與認識

(1)油頁巖的開采方式經(jīng)過了近兩個世紀(jì)的發(fā)展，已取得許多成功經(jīng)驗，并在不斷改進，由此可見成熟的開采技術(shù)是油頁巖工業(yè)崛起的有力保障。油頁巖開采技術(shù)進展經(jīng)歷了大約兩個世紀(jì)，開采方式由原始的直接開采方式發(fā)展到先進的地下轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)(ICP)。直接開采包括露天和井下兩種開采方式。露天開采適合于埋藏較淺的礦床開采，成本低，安全系數(shù)高。井下開采有豎井、水平坑道采礦兩種方式，適合于埋藏較深的礦床。然而，直接開采是較原始的開采方式，局限性比較大，對生態(tài)環(huán)境的破壞也十分嚴(yán)重，因為無論是露天采礦還是井下采礦，都需要把地下水位降低到含油頁巖層的層位以下，最終造成了地表水、地下水硫酸鹽含量異常。通過直接開采得到的油頁巖用于提煉頁巖油或直接燃燒，產(chǎn)生大量灰渣，如果不回收利用則不僅會造成空氣污染，且廢棄灰渣占地面積大，其中金屬元素和微量元素滲入地下水體，危害人們生產(chǎn)生活。另外，直接開采占地較多，一旦開墾就無法完全修復(fù)。而ICP技術(shù)在確保油頁巖高效、安全開采的同時極大降低了作業(yè)成本，逐漸稱為約旦境內(nèi)多家油頁巖生產(chǎn)作業(yè)企業(yè)積極運用的開采方式。

(2)隨著技術(shù)進步和環(huán)保意識的增強，油頁巖資源從單純的能源利用發(fā)展到綜合利用，極大地提高了資源利用率，降低了成本，減少了環(huán)境污染，為資源的可持續(xù)利用提供了保障[11]。油頁巖礦石采出之后，最先是作為能源而被使用的，即干餾煉油和作為燃料。據(jù)統(tǒng)計，2001-2002年期間愛沙尼亞利用油頁巖發(fā)電和向工廠和居民供暖所創(chuàng)造的效益分別占國家稅收的14%和76%，對其國民經(jīng)濟具有重要意義。干餾和直接燃燒產(chǎn)生的灰渣和廢氣有不同的用途，灰渣可以用來充填礦井、制取水泥或陶粒、制磚等，現(xiàn)在有很多成功利用頁巖廢渣的技術(shù)；廢氣可以作為燃料燃燒產(chǎn)生蒸汽后供生產(chǎn)、生活使用，也可以循環(huán)利用，為油頁巖的干餾提供熱源[12]。

(3)油頁巖資源的合理開發(fā)利用將帶來豐厚的社會和經(jīng)濟效益。十幾年前，許多經(jīng)濟學(xué)專家和公民認為從約旦的油頁巖中開采石油沒有任何效益，但是所有人都一致認為油頁巖是一種財富，即便當(dāng)前不能進行實際開采。約旦的官方報紙《今日約旦》于2009年1月5日發(fā)表的文章《油頁巖資源將為約旦國庫每年注入660億第納爾》指出，由于歷屆政府對采礦部門管理不善，30多種具有工業(yè)價值的國家礦產(chǎn)及資源此前未能有效開采利用。2009年以前，每年各類礦產(chǎn)資源開發(fā)利用所得收益為15億第納爾左右，而2010年政府向一家油頁巖開采公司征收的稅收就高達500萬第納爾，但政府在當(dāng)年僅投入了5萬第納爾用于油頁巖的勘探，這充分說明如果政府對油頁巖開采給予足夠重視，那么全社會將能享受到這種資源帶來的豐厚回報。文章指出，如果石油價格維持在當(dāng)今每桶100多美元的價位上，對油頁巖的開采會為國庫每年注入660億第納爾，原油日產(chǎn)量將達到165萬桶[13]。

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Distribution and Present Development Situation of Oil Shale Resources in Jordan

FU Jin, ZHANG Shunyuan, LIU Bingshan
(CNPC Drilling Research Institute, Beijing 122100, China)

Widely distributed in Middle East and North Africa, the oil shale is one of the most abundant resources in the world. As the only one whose oil shale reserve volume exceeds 1 billion tons in Middle East, Jordan which obtains plenty of exploitable oil shale resources in its middle and northwestern parts has significantly signed contracts with several internationally recognized oil shale exploration and development corporations, such as Shell and Estonian Enefit. However, conventional development methods are reasons for high costs due to various limitations. Based on the distribution of oil shale resources and geological situations in Jordan, more and more operating companies have accepted downhole in situ exploitation methods instead of conventional surface direct exploitation methods.

Jordan; oil shale; in situ exploitation; ICP; dry distillation

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.03.09

: FU Jin, ZHANG Shunyuan, LIU Bingshan. Distribution and Present Development Situation of Oil Shale Resources in Jordan [J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(3): 61?66.

付晉(1988-), 男, 助理工程師, 本科, 主要研究方向: 中東地區(qū)鉆完井技術(shù)研究與支持, 重點前沿技術(shù)的信息收集與分析；張順元(1963-), 男, 高級工程師, 本科, 主要研究方向: 中國石油集團重點中東項目區(qū)塊的鉆完井技術(shù)研究與支持；柳丙善( 1970-), 男, 高級工程師, 博士, 主要研究方向: 中國石油集團重點中東項目區(qū)塊的鉆完井技術(shù)研究與支持。

付晉，張順元，柳丙善．約旦油頁巖的分布狀況與開發(fā)利用現(xiàn)狀[J]．新型工業(yè)化，2015，5(3)：61-66