约旦油页岩的分布状况与开发利用现状
作者:付晋 发布时间:2015/6/27 14:46:35
约旦油页岩的分布状况与开发利用现状付晋(中国石油集团钻井工程技术研究院,北京 122100)摘要:全球油页岩资源十分丰富,中东和北非地区是这种珍贵资源的重要分布地带。作为储量超过10亿吨的唯一一个中东国家,约旦的中部及西北部地区蕴藏着大量可供开采的油页岩。目前,约旦政府已经同包括壳牌和爱沙尼亚Enefit在内的多家世界知名的油页岩勘探开发公司签订了合同。由于受诸多因素制约,常规油页岩开采方法成本较高。根据约旦境内油页岩分布状况及地质条件,越来越多的区域内作业企业逐渐摒弃了露天直接开采方式,普遍利用地下原位开采法。关键词:约旦;油页岩;原位开采;ICP;干馏Distribution and Present Development Situation of Oil Shale Resources in JordanFU Jin(CNPC Drilling Research Institute, Beijing 122100, China)Abstract: 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.Keywords: Jordan; oil shale; in situ exploitation; ICP; dry distillation0. 引言地球上蕴藏着丰富的油页岩资源。2000年初的统计结果表明,世界页岩油储量超过10亿吨的国家有加拿大、美国、约旦、澳大利亚、爱沙尼亚和中国等,页岩油总量为3741亿吨。预计全世界页岩油资源总量约为4750亿吨,比传统石油资源量(2710亿吨)多50%以上[1]。油页岩是一种石灰岩,被称为沉积岩,含有黑色或咖啡色的软性碎末,富含各类由于压力或者热量不足而未能转变为石油的有机物和无机物。其中的有机物尚未发育成熟,残留在岩石当中,因此被称为“油页岩”。将油页岩加热至500摄氏度能够产生石油和天然气。该资源可以通过以下几种方式加以利用:(1) 燃烧或直接将其用作燃料。(2) 将油页岩进行蒸馏处理以释放油和天然气。(3) 可以将燃烧和蒸馏过程中产生的副产品加以利用,如灰烬可以在建筑上用作隔绝物料,农业上用于土壤增肥,以及铺设道路和制瓦。也可将其作为过滤剂进行污水处理,有时也可用于水泥行业和管路铺设等领域。释放出的气体也能加以利用,如氨气和硫化气体。针对油页岩的各类经济效益研究和直接燃烧及蒸馏的各项试验证明,约旦的油页岩质量上乘,岩石中油的含量从达拉维什断崖的5.7%到Atara区域的11%,这些原油足以满足约旦在现有的消费状况下使用1000年。每吨油页岩可产出105千克的石油和51-53立方米的天然气。各类研究表明,当石油价格徘徊在每桶23-30美元之间时,油页岩的开采便可收获非??晒鄣木眯б妫?]。1. 约旦油页岩的分布状况作为唯一一个储量超过10亿吨的中东国家,约旦的中部及西北部地区蕴藏着大量可供开采的油页岩。依据世界能源委员会的预测,约旦的油页岩储量高达800-1200亿吨,紧随美国和加拿大居全球第三位,但其已探明的油页岩储量约400-600亿吨,居全球第一。约旦境内的石油开采量约占总储量的8%至12%,当前产量约为40亿吨,预计该数字可以提升至200亿吨。从开采方面看,约旦石油的质量能与美国科罗拉多出产的石油相媲美。约旦油页岩的状况总体来讲十分良好,潮湿物质及灰烬含量相对较低,总体热值为每千克7.5mega goal,其中硫的含量占有机质总重的9%。蕴藏的油页岩也较为容易开采,其中绝大部分分布在表面露天矿之中[3]。具体来讲,约旦境内的油页岩大量分布在从南部Ma`an绵延至北部亚尔木克河的地区,深度从100米至300米,包括萨瓦卡地区、阿尔加法尔、Ma`an以东的大片区域、Shoubak地区、亚尔木克、Azraq盆地。在这些地区中,有些矿藏位于地表附近,因而较容易开采出来。蕴藏油页岩的地区还有Al-Lajjun、Alsultany、达拉维什断崖、Al-Hisa、以及Atara地区等。依照约旦自然资源署进行的地质研究以及BGR实验室、英国IGS实验室、俄罗斯USGS实验室和其他国家对样本进行化验所得出的结论,油页岩层的厚度约为2-450米,Chellala地区的油页岩层厚度为250米,在阿尔加法尔盆地的厚度为450米。相关勘探研究指出,Al-Lajjun和Atara地区的油页岩层厚度为50米。据估测,约旦油页岩蕴藏地丰富的地下水资源为开采作业提供了便利。油页岩的开采主要依靠干蒸馏,无需大量水分。约旦自然资源署仅对Al-Lajjun一地的研究显示,该地区蕴藏着12亿吨的油页岩,其中油的含量为10%,即约1.1亿吨,仅该地区的油页岩储量就可开采30年[4]。2. 油页岩的开采现状2.1 国际各大能源企业在约旦的生产作业状况加拿大Suncor公司曾在安曼(约旦首都)西南部从事商贸活动,2006年公司日产原油17,000桶,2011年67,000桶,预计2014年可日产原油210,000桶。然而,该公司于2002年将其在安曼南部的开采权卖给了两家澳大利亚公司,以从事该地区油页岩的勘探和开采左右。约旦内阁总理大臣代表政府于2010年5月11日签署了一份优惠协议,意与爱沙尼亚Enefit公司展开合作,共同开发Atara或algadran两片区域中的部分油页岩(面积为41平方公里),用于石油和电力生产,参与合作的双方分别为约旦自然能源署和约旦油页岩能源公司OSEJ,而爱沙尼亚Enefit公司占有该公司76%的股份。该公司将在Atara区域方圆41平方公里的土地上从事开采活动,5至7年后将进入到商业生产阶段,预计届时的原油日产量可达2万桶,未来将逐步提升至3.6万桶,而项目的生产成本约为60亿美元。该份为期44年的优惠协议涵盖了环保与水资源利用,项目的年用水量约为20万立方米[5]。2006年,约旦政府与壳牌公司进行谈判,最终就一份商业优惠协议达成共识,授权壳牌公司采用压裂法进行油页岩的开采,并计划于2009年正式签订优惠协议。约旦自然资源署提到,依照该协议壳牌公司于2009年8月16日进入为期9个月的筹备期,于次年5月16日即筹备期结束后进入勘探与钻井期,而该公司在安曼东部Harana区已完成了数口井的钻探。该协议给予壳牌公司3年的时间在面积约为22000平方公里的优惠区域内(对Harana区的勘探是未来三年内的第一个阶段)进行勘探作业的权利,即约占约旦国土面积四分之一的土地将依靠必要的技术进行深层油页岩的开采。依照该优惠协议,在项目的终期将探明更多的蕴藏区,并为壳牌公司确定面积约1000平方公里的优惠区??桥乒窘庾?亿3千万美元用于研究与评估工作,商业生产期为12至20年,预计该项目将吸引直接投资200亿至250亿美元。约旦政府已推动多家公司,如巴西Petrobras公司与法国Total公司联盟、加拿大世界工程公司、国际油页岩投资公司和Aqaba石油公司签订谅解备忘录。继爱沙尼亚、巴西和中国之后,约旦成为中东地区第一个、世界上第四个执行油页岩资源开发利用产业政策的国家[6]。2.2 约旦油页岩的开采技术与常规油气开发一样,工艺技术及设备至关重要。根据约旦境内油页岩分布状况及地质条件,在该区域作业的大多数企业利用地下原位开采法,即地下转化技术。油页岩原位开采技术不需要进行采矿和建设大型的尾气处理设施,可开发深层、高厚度的油页岩资源,具有产品质量好、采油率高、占地面积少和环保等优点,目前尚处于工业试验阶段。这种技术的原理就是通过有效的途径加热地下油页岩层,使之在地下完成热解从而转化成液态或气态的矿物,然后通过类似于石油钻井的方法将这些油气状的矿物抽取上来。 图1:油页岩开采制约因素Figure 1: limitations of oil shale exploitation针对约旦地区碳酸盐岩分布较广的特点,壳牌研制开发的ICP技术得到了广泛应用。作为地下原位开采法的一种,ICP是壳牌公司投入巨资研发出的开采油页岩及其他非常规资源的专利技术,对开发约旦深部油页岩尤其有利。ICP开采油页岩的基本原理是在地下对油页岩矿层进行加热和裂解,促使其转化为高品质的油或气,再通过相关通道将油、气分别提取出来;将这些高品质的油(气)采集到地面进行加工后,可生产出石脑油、煤油等成品油。该技术并不涉及露天采矿,而是把加热器插进地下,将油页岩中的油母转换成高品质的运输燃料,在一个较小的区域内开采更多的石油与天然气。作业过程中,首先将电加热器插入加热井,逐渐加热地表以下1000~2000ft目标区的页岩;当岩层被缓慢加热至343.3~398.9℃时,油母转变成石油和天然气,然后利用传统的回收方法将其泵送到地面,整个过程产生大约1/3天然气和2/3轻质油。在缓慢和较低温度加热条件下,预计比传统地面干馏能显著降低二氧化碳排放量,但在该地下处理过程中生产1bbl当量油至少需要消耗3bbl水。该技术的突出优点是:提高了资源开发利用效率;减少了开采过程中对生态环境的破坏,即少占地、无尾渣废料、无空气污染、少地下水污染及最大限度地减少有害副产品的产生。利用这种技术,地下油页岩不经开采,直接在地下加热干馏即刻生产页岩油,因而被视为将地上作业转化为地下作业的有效方法,对开发深部油页岩尤其有利。[7]依照2005年5月每桶原油开发成本计算,传统干馏技术为20美元/桶,ICP技术为12美元/桶,低于传统的干馏技术。该技术在油价高于25美元/桶时即可盈利。虽然ICP技术虽有很多优点,但是耗电量很大,而且地下干馏过程中,所产页岩油易丢失、渗漏于地下周围,油收率会损失40%。利用实验室的高压-工频油页岩地下裂解试验装置即可进行干馏实验,只需在油页岩地层上钻两个孔,分别下入电极的正极和负极,通过地下高压电,把岩层击穿,产生石墨化裂隙,然后再通过工频电进行加热,即可提取页岩油[8]。 图2:壳牌公司ICP开采法Figure2: ICP in situ exploitation method of Shell3. 约旦油页岩的利用现状油页岩矿山采出之后,最先是作为能源而被使用的,即干馏炼油和作为燃料。油页岩干馏后的页岩油可作为燃料油出售,也可以通过氢精制和非加氢精制的方法生产轻柴油,提高页岩油附加值,而精制后的重油将作为燃料使用。油页岩做燃料主要用于发电,即直接用作锅炉燃料或者进行低温干馏产生气体燃料而发电,还可用于供暖和长途运输。3.1 利用原理油页岩低温干馏技术是在隔绝空气的条件下将最终加热温度在450到600℃范围内进而对油页岩进行热加工的方法。首先是油页岩的加热过程,即热载体将热量传给油页岩, 然后在油页岩内部进行热的传导过程;其次是油页岩受热后,其有机质受热分解的过程, 这一过程是页岩油和气态产物生成的主要过程。最后一个过程是热解反应产物扩散与导出的过程。 油页岩干馏技术的发展主要体现在干馏炉型上,干馏炉型又根据其不同的加热方式可分为外热式炉和内热式炉。外热炉型传热效率低,且不易放大,在工业生产上已被淘汰。目前,世界上用于工业生产的加热方式都属于内热式,该方式又根据加热的载体分为气体热载体法和固体热载体法。气体热载体法主要有俄罗斯发生炉技术、爱沙尼亚发生炉技术和Kiviter技术、巴西Petrosiⅹ技术、美国联合油SGR干馏技术、日本Joseco干馏技术和中国抚顺炉技术。固体热载体干馏技术主要包括美国的Tosco-Ⅱ干馏技术、爱沙尼亚的Galoter干馏技术、德国的LR干馏技术、加拿大A吨P干馏技术和中国大工新法干馏技术。 当前世界上工业运转的固体热载体颗粒页岩干馏炉有爱沙尼亚的Galoter炉、加拿大的ATP干馏技术和美国的Tosco-Ⅱ干馏技术[9]。3.2 用途据预测,约旦境内油页岩的最大蕴藏地位于该国中部的Atara区,储量高达250亿吨,其中爱沙尼亚Enefit公司负责开采的区域面积为40平方公里左右,油页岩储量超过20亿吨。这家公司凭借其在爱沙尼亚90余年的经营经验,在利用油页岩进行电力能源生产领域位居世界第一。另外,其当前在爱沙尼亚进行油页岩加工的效率和环境效益也位居世界第一位。在约旦从事油页岩开采作业采用矿税制,税额逐渐提升,直至利润率占据项目的65%。此外,企业还需要支付生产税,该税额依生产阶段的石油价格而定,不以利润率作参考,税率从1%至5%。爱沙尼亚Enefit将对蒸馏过程中产生的热量及电力能源生产过程中产生的气体被加以应用,在约旦境内建有一座可日产原油6000桶的设备。这家公司将在利用油页岩提炼原油的同时使用提炼油页岩所产生的气体进行发电,而该发电项目预计将于6年后投产运行,届时可为Atara区供电600至900千瓦,投入资本约为十亿五千万美元。项目的利润将依照实际盈利进行分配,即项目收益越大,约旦政府的收入越多[10]。4 总结与认识(1)油页岩的开采方式经过了近两个世纪的发展,已取得许多成功经验,并在不断改进,由此可见成熟的开采技术是油页岩工业崛起的有力保障。油页岩开采技术进展经历了大约两个世纪,开采方式由原始的直接开采方式发展到先进的地下转化工艺技术(ICP)。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。井下开采有竖井、水平坑道采矿两种方式,适合于埋藏较深的矿床。然而,直接开采是较原始的开采方式,局限性比较大,对生态环境的破坏也十分严重,因为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,最终造成了地表水、地下水硫酸盐含量异常。通过直接开采得到的油页岩用于提炼页岩油或直接燃烧,产生大量灰渣,如果不回收利用则不仅会造成空气污染,且废弃灰渣占地面积大,其中金属元素和微量元素渗入地下水体,危害人们生产生活。另外,直接开采占地较多,一旦开垦就无法完全修复。而ICP技术在确保油页岩高效、安全开采的同时极大降低了作业成本,逐渐称为约旦境内多家油页岩生产作业企业积极运用的开采方式。(2)随着技术进步和环保意识的增强,油页岩资源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,为资源的可持续利用提供了保障。[11]油页岩矿石采出之后,最先是作为能源而被使用的,即干馏炼油和作为燃料。据统计,2001-2002年期间爱沙尼亚利用油页岩发电和向工厂和居民供暖所创造的效益分别占国家税收的14%和76%,对其国民经济具有重要意义。干馏和直接燃烧产生的灰渣和废气有不同的用途,灰渣可以用来充填矿井、制取水泥或陶粒、制砖等,现在有很多成功利用页岩废渣的技术;废气可以作为燃料燃烧产生蒸汽后供生产、生活使用,也可以循环利用,为油页岩的干馏提供热源[12]。(3)油页岩资源的合理开发利用将带来丰厚的社会和经济效益。十几年前,许多经济学专家和公民认为从约旦的油页岩中开采石油没有任何效益,但是所有人都一致认为油页岩是一种财富,即便当前不能进行实际开采。约旦的官方报纸《今日约旦》于2009年1月5日发表的文章《油页岩资源将为约旦国库每年注入660亿第纳尔》指出,由于历届政府对采矿部门管理不善,30多种具有工业价值的国家矿产及资源此前未能有效开采利用。2009年以前,每年各类矿产资源开发利用所得收益为15亿第纳尔左右,而2010年政府向一家油页岩开采公司征收的税收就高达500万第纳尔,但政府在当年仅投入了5万第纳尔用于油页岩的勘探,这充分说明如果政府对油页岩开采给予足够重视,那么全社会将能享受到这种资源带来的丰厚回报。文章指出,如果石油价格维持在当今每桶100多美元的价位上,对油页岩的开采会为国库每年注入660亿第纳尔,原油日产量将达到165万桶[13]。参考文献:[1] 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