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油页岩

油页岩（英语：Oil shale）或油母页岩[1]，是种有细致颗粒度，富含有机物的沉积岩，含有可产出液态碳氢化合物的油母质（是种固体有机化合物混合体）。油页岩除油母质外，一般的成分为无机物和沥青。根据沉积环境，油页岩可分为海相、湖相和陆相三种。[2][3]油页岩与含油页岩不同，含油页岩含有石油（致密油），有时可用钻井方式开采。含油页岩的例子有巴肯地层（英语：Bakken Formation）、皮尔里页岩（英语：Pierre Shale）、尼奥布拉拉地层（英语：Niobrara formation）和鹰津页岩（英语：Eagle Ford Group）。[4]因此从油页岩中提炼的页岩油不应与致密油混淆，但致密油也常被称为页岩油。[4][5]

油页岩
沉积岩
位于英国英格兰西南部海滨村庄，自然燃烧中的油页岩（摄于2000年8月18日）
成分
主要油母质、石英、长石、黏土、碳酸盐、黄铁矿
次要铀、铁、钒、镍、钼

油页岩的堆积遍布世界各地，包括在美国的几处主要矿藏。在2016年发表的全球矿藏估计，油页岩资源总量约有6.05兆桶（9,620亿立方米）石油当量。[6]油页岩因具有丰富石油资源的潜力而受到关注。[7][8]但开发油页岩矿藏的尝试收效不大，已知的只有爱沙尼亚和中国拥有完备的油页岩产业，而巴西、德国和俄罗斯只在某种程度上用到这种资源。[9]

油页岩可作为低阶燃料直接在锅炉中燃烧，用于发电和区域供热，或当作化学和建筑材料的原材料。[2]把油页岩加热到足够的温度会导致其所含的油母质被热裂解，化为蒸气，冷却之后，可凝结成页岩油（非常规石油)与不会凝结的油页岩气（英语：oil sahle gas）（可作燃料使用）。页岩油是常规石油的替代品；但无论是在经济上还是在环境影响方面，开发页岩油的成本都高于常规石油。[10]开采和提炼油页岩会引发一系列的环境问题，诸如土地利用、废弃物管理、水资源、水污染、温室气体排放和空气污染。[11][12]

地质学

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主条目：油页岩地质学（英语：Oil shale geology）
 
位于爱沙尼亚北部的奥陶纪油页岩（库克赛特油页岩（英语：Kukersite））露头。

油页岩是种富含有机物的沉积岩，属于腐泥（英语：Sapropel）类燃料。[13]它没明确的地质定义，没特定的化学公式，也没十分明确的定界。不同油页岩，其矿物含量、化学成分、年龄、油母质类型和沉积历史差异很大，并非所有油页岩都须被严格归类为页岩。[14][15]根据澳大利亚沃隆岗大学（英语：University of Wollongong）的岩石学家阿德里安·C·赫顿（Adrian C. Hutton）的说法，油页岩不是“地质学或地球化学上独特的岩石，而是个‘经济’称法”。[16]其具有共同定义的特征是在低沸点有机溶剂中呈低溶解度，而在热裂解时可产生液态有机产物。[17]地质学家可根据油页岩的组成把油页岩分类为富含碳酸盐的页岩、富含二氧化硅的页岩或是坎内尔煤（英语：cannel coal）。[18]

油页岩与其他所谓的非常规资源，例如油砂和非常规油气储层（英语：Unconventional (oil & gas) reservoirs）（含有致密油）、腐殖质煤和碳质页岩不同。虽然油母质确实由油脂的生物降解产生，但热量和压力尚未将其转化为石油，即表示它的地质成熟度尚在早期的地质催化（英语：Catagenesis (geology)）阶段。.[17][19][20]

一般油页岩的成分包含无机基质、沥青和油母质。虽然油页岩中的沥青可溶于二硫化碳，但油母质不会溶解，可能也含有铁、钒、镍、钼和铀。[21][22]油页岩所含的有机物占比低于煤。在商业级油页岩中，有机质与矿物质的占比大约各为0.75:5和1.5:5之间。同时，油页岩中有机物的氢碳原子比（英语：atomic ratio） (H/C) 比原油低约1.2至1.8倍，比煤高约1.5至3倍。[13][23][24]油页岩的有机成分来自多种生物体，例如藻类、孢子、花粉、植物角质层和草本植物及木本植物的软木碎片，以及其他水生和陆地植物的细胞碎片。[23][25]一些矿藏中含有相当多的化石；位于德国的梅塞尔坑具有联合国教科文组织给予世界遗产的地位。油页岩中的矿物质包括各种细粒硅酸盐和碳酸盐。[2][13]无机基质可能含有石英、长石、粘土（主要是伊利石和亚氯酸盐）、碳酸盐（方解石和白云石）、黄铁矿和其他某些矿物。[22]

另有一称为van Krevelen图的，根据油页岩原始有机质的氢、碳和氧含量组成的油母质作分类。[15]最常用的油页岩分类由阿德里安·C·赫顿在1987年至1991年间开发，采用的是煤炭学术语中的岩相学用法。根据初始生物质矿藏的环境而把油页岩界定为陆地、湖泊（湖底沉积）或海洋（海底沉积）三种。[2][3]已知的油页岩几乎全来自水生（海洋、湖泊）环境。[17][3]赫顿的分类法已被证明可助于估计提炼油品的产率和组成。[26]

资源

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主条目：油页岩储量
 
在爱沙尼亚北部库克赛特油页岩中的化石。

油页岩矿藏是多数常规石油储层的起源，遍布于世界各产油区，但其中大部分因位于太深处而无法经济化的开采。[27]分析师把油页岩资源和油页岩储量区分开，与针对常规石油和天然气的归类相同。“资源”是指所有油页岩矿藏，而“储量”指的是生产者可用现有技术，经济化开采的矿藏。由于提炼技术不断演进，规划人员只能就可采收油母质的数量做估计。[10][2]许多国家都拥有油页岩资源，但只有33个国家拥有已知，且具有经济开发价值的矿藏。[28][29]已经探明的矿藏被归类为储量，包括有美国西部的格林河地层（英语：Green River Formation）、澳大利亚昆士兰州的第三纪矿藏、瑞典和爱沙尼亚的矿藏、约旦的Al-Lajjun（英语：Laijun）矿藏，以及在法国、德国、巴西、中国、蒙古国南部和俄罗斯的矿藏。使用费雪分析法（英语：Fischer Assay），这些矿藏每吨油页岩估计至少可产出40升页岩油，而引发人们的期望。[2][15]

在2016年所做的估计，世界油页岩资源总量相当于6.05兆桶（9,620亿立方米）页岩油当量，其中美国的占世界总量的80%以上。[6]而世界已探明的常规石油储量估计为16,976亿桶（2,699亿立方米）。[30]世界上最大的油页岩矿藏位于美国的格林河地层，覆盖科罗拉多州、犹他州和怀俄明州三个州的部分地区；此资源中大约有70%位于美国联邦政府拥有或管理的土地上。[31]除美国的80%资源占比；其他拥有资源的重要国家有中国、俄罗斯和巴西。[6]符合可经济开采的油页岩的数量则尚为未知数。[27]

历史

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主条目：油页岩产业史
 
世界各国油页岩产量线图（单位：百万公吨，期间：1880年-2010年，作者：Pierre Allix及Alan K. Burnham（美国地质调查局）。[32]。

人类自史前时代起就使用油页岩作为燃料，原因是此材料通常不需任何加工即可使用。[33]它也被用于装饰和建筑。铁器时代居住在大不列颠岛的凯尔特布立吞人曾把油页岩抛光，制成装饰品。[34]公元前3000年左右，美索不达米亚当地人使用“岩油”修筑道路和作为建材的粘合剂。 [35]

在公元10世纪，亚述人医生马里迪尼（英语：Masawaih al-Mardini）首度描述一种从“某种沥青页岩”中提炼石油的方法。[36]英国王室于1694年授予三人（Martin Eele、Thomas Hancock和William Portlock）一项专利，因为这些人“找到一种方法，可从一种石头中提炼和制造大量的沥青、焦油和石油。”[35][37][22]

现代工业化开采油页岩始于1837年的法国，随后在苏格兰、德国和其他几个国家也跟进。[38][39]19世纪的运作重点是生产煤油、灯油和石蜡；主要是满足第一次工业革命期间不断增长的照明需求。[40]另外也生产燃料油、润滑油和油脂，以及硫酸铵。[41]欧洲油页岩产业在第一次世界大战前夕迅速扩张，因为常规石油资源尚未开发，大量生产汽车和卡车的结果增加对汽油的需求。

 
19世纪在法国中东部城市欧坦的油页岩矿场。

爱沙尼亚和中国的油页岩产业在第二次世界大战后仍继续增长，但大多数其他国家因为高昂的生产成本和有廉价常规石油来源而选择放弃。[2][39][42][43]由于发生1973年石油危机，世界油页岩产量在1980年达到4,600万吨的峰值，但又因在1980年代发现大量的常规石油资源，油页岩产量在2000年降至约1,600万吨。[11][28]

美国油页岩产业于1980年代初世界油价下跌时崩溃。1982年5月2日是个所谓的“黑色星期天”，因为埃克森美孚在当天宣布取消其在科罗拉多州名为降落伞的附近，金额达到50亿美元的殖民地页岩油项目（英语：Colony Shale Oil Project） ，原因是油价低迷和开支增加。[44]有2,000多名工人遭到解雇，当地发生许多房地产遭金融机构扣抵以及小企业倒闭事件。[45][44]雷根总统于1986年签署1985年统一综合预算协调法案（英语：Consolidated Omnibus Budget Reconciliation Act of 1985），废除合成液态燃料计划（英语：Synthetic Liquid Fuels Program）。[46]

全球油页岩产业于21世纪初开始复苏。美国油页岩开发计划于2003年启动。[47]2005年能源政策法案在科罗拉多州、犹他州和怀俄明州公共土地引入商业租赁计划，以供开发油页岩和油砂资源。[48]

产业

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主条目：油页岩工业
 
壳牌在美国科罗拉多州皮森斯盆地（英语：Piceance Basin）的原位（in situ）开采页岩油试验场

截至2008年，主要使用油页岩的国家有巴西、中国、爱沙尼亚，德国和俄罗斯也使用到某个程度。有几个国家开始评估其储量，或是建立试验性工厂，也有几个国家把这个产业淘汰。[9]爱沙尼亚、巴西和中国开采油页岩以提炼页岩油；爱沙尼亚、中国和德国燃烧油页岩来发电；爱沙尼亚、德国和中国将之用于水泥生产；中国、爱沙尼亚和俄罗斯将之用于化学工业。[9][43][49][50]

截至2009年，爱沙尼亚开采的油页岩占全世界的80%，主要供给该国多个燃烧油页岩发电厂使用，[49][51]装机容量为2,967兆瓦 (MW)，而中国的油页岩电厂装机容量为12兆瓦，德国为9.9兆瓦。 [28][52]截至2020年，约旦正建造一座470兆瓦装置容量的油页岩发电厂。[53]以色列、罗马尼亚和俄罗斯曾运营过以油页岩为燃料的发电厂，但已将其关闭，或是改用其他燃料（如天然气）。[9][28][54]埃及等国家已计划建造以油页岩为燃料的发电厂，而加拿大和土耳其则计划将油页岩与煤炭一起燃烧发电。[28][55]油页岩是爱沙尼亚发电厂的主要燃料，该国在2016年有90.3%的发电量由燃烧油页岩产生。[56]

根据世界能源理事会（英语：World Energy Council）的数据，世界在2008年从油页岩提炼的页岩油总产量为93万吨，相当于每天17,700桶（2,810立方米/天），其中中国占375,000吨，爱沙尼亚占355,000吨，巴西占200,000吨。[57]相对的，2008年常规石油和天然气凝析油的产量共有39.5亿吨（或8210万桶/天，13.1×106立方米/天）。[58]

开采及加工

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主条目：页岩油提炼
 
页岩油开采与提炼概述。
 
Viru Keemia Grupp控股（英语：Viru Keemia Grupp）（VKG）在爱沙尼亚东北部村庄欧扎玛（英语：Ojamaa）的地下采油页岩作业。

大多数油页岩的利用是透过开采，经运输，或是直接燃烧发电，或是进一步加工。最常见的采矿方式是露天采矿（英语：open-pit mining）和矿层采矿（英语：strip mining）。这两种方式会先去除大部分上覆地层后，再开挖曝露的沉积物，这在沉积物很接近地表时才具有经济性。另一种开采在地下的油页岩，用的是房柱式采矿法（英语：room-and-pillar method）。[59]

从油页岩中提炼有用的成分通常在地上完成（称为异地（ex-situ）加工），但有一些较新的技术，是在矿藏所在的地下进行（称为现场，或是原位（in situ）加工）。[60]无论是异地或是原位加工，热裂解的化学过程都会把油页岩中的油母质转化为页岩油（合成原油（英语：synthetic crude））和油页岩气。大多数转化技术均为在无氧条件下将页岩加热，直到油母质分解（热裂解）成气体、凝析油和固体残渣的温度（通常在450 °C(842 °F) 和500 °C (932 °F) 之间）。[10]分解过程在300 °C(572 °F）即开始，但在较高温度时会更快、更完全。[61]

原位加工采取对地下油页岩加热。此类加工与异地加工相比，可从给定的土地区域中得到更多的油品，原因是可比露天采矿达到更深的矿藏部位。已有几家公司获得原位干馏法的专利，但其中大多数仍处于实验阶段。原位工艺有两种：纯粹原位加工，此法不涉及挖掘油页岩，而改良原位加工会把部分上层油页岩破碎（采炸药爆破，成为瓦砾烟囱）以利热、产生的油页岩气及热裂解的油品流动，便于将后两种采收。[62]

获得专利的油页岩干馏技术有数百种；[63]但只有几十项经过测试。到2006年，仍在商业运作的仅有4种 - Kiviter工艺（英语：Kiviter process）、Galoter工艺（英语：Galoter process）、抚顺工艺和Petrosix（英语：Petrosix）工艺。[64]。

应用与产品

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油页岩被用作火力发电厂的燃料，像煤一样燃烧而产生蒸气来驱动蒸气涡轮机；其中一些工厂采热电联产，可为周遭的家庭和企业供暖。油页岩除用作燃料外，还可用于生产特种碳纤维、碳吸附剂、炭黑、酚、树脂、黏合剂、鞣制剂、胶泥、铺路沥青、水泥、砖块、建筑和装饰块、土壤添加剂、肥料、岩棉（绝缘用）、玻璃和医药产品。[49]然而，用于生产前述产品的油页岩使用量仍很少，或仅处于试验开发阶段。[2][65]有时在提炼页岩油时会产生副产品如硫、氨、氧化铝、纯碱、铀和苏打石。在1946年至1952年期间，在爱沙尼亚锡拉迈埃的海洋变种云片衣属页岩被用来提炼铀，而在1950年至1989年期间，瑞典从明矾页岩中提炼铀。[2]油页岩气曾被用作天然气的替代品，但截至2009年，这种替代品在经济上仍不可行。[66][67]

从油页岩提炼的页岩油无法完全直接替代常规原油。通常它含有比传统原油更高浓度的烯烃、氧气和氮气。[68]有些页岩油含有较高的硫或砷。与期货合约市场的西德克萨斯中间基原油相比，格林河地层页岩油的硫含量在接近0%至4.9%之间（平均为0.76%），但前者的硫含量最多仅为0.42%。[69]约旦的页岩油硫含量会高达9.5%。[70]格林河地层所产的页岩油中砷含量也是个问题，因此在用作炼油厂原料之前必须经过相当程度的升级（加氢脱硫）。[71]地上（即ex-situ）干馏工艺所生产的页岩油往往较原位工艺所生产的有较低的API比重。页岩油最适合用于生产中间馏分油，例如煤油、喷气机燃料和柴油。在1990年代和2000年代，全​​球对这些中间馏分油的需求，尤其是柴油的需求迅速增加。[68][72]利用裂化反应可将页岩油转化为轻质碳氢化合物（汽油）。[68]

经济学

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爱沙尼亚纳瓦页岩油厂（英语：Narva Oil Plant）（称为Enefit280厂）的360度环景图。此厂每小时可处理280公吨油页岩。
主条目：油页岩经济学

只有当特定地区的页岩油生产成本低于原油或其他替代品的价格（盈亏平衡价格）时，开发页岩矿藏才有成功的机会。根据智库兰德公司所做的调查，在一个美国假设的地上干馏综合组成（包括矿山、干馏厂、升级厂、配套公用设施和废油页岩（英语：Spent shale）回收），生产页岩油的成本（依据2005年的美金价值作调整）会落在每桶70-95美元（440-600美元/立方米）。兰德公司的估计把油母质的品质和提炼效率都列入考虑。只有世界原油价格维持在这水准上，经营者才能获利。这项分析还谈及当综合组成建立后，加工成本会下降的进程。当产量首次达到5亿桶（79×106立方米）后，成本将降低35-70%。假设商业生产开始后，每年产量增加25,000桶/天（4.0×103立方米/天），那么在12年内的成本将预计下降到每桶35-48美元（220-300美元/立方米） 。在达到10亿桶（160×106立方米）的里程碑后，成本将进一步下降至每桶30-40美元（190-250美元/立方米）。[49][59]美国能源部在2010年估计，当世界平均油价持续高于每桶54美元时，异地工艺（ex situ）就具有经济价值，而在价格高于每桶35美元的情况下，原位工艺（in situ）即具有经济价值（投资回报率均设定为15%）。[73]国际能源署根据各种试点项目所得的资料估计，投资和运营成本将与加拿大阿萨巴斯卡油砂的投资和运营成本相似，表示按当前成本，每桶60美元以上的价格将可产生经济利益。此数字未把碳定价列入考虑，否则会增加额外成本。[73]根据国际能源署《2010年世界能源展望（英语：World Energy Outlook）》中介绍的新政策情景，预到2035年排放的每吨二氧化碳的价格为50美元，每桶页岩油的成本会因此额外增加7.50美元。[74]

在石油信息杂志 (Petrole Informations,ISSN 0755-561X[75]）1972年版的报导，页岩油的生产与煤炭的液化相比，处于不利地位。文章指出，煤液化成本更低，可产出更多的液体燃料，对环境的影响更小。文章提出每吨煤可转化出650升（170美制加仑；140英制加仑）石油，而每吨油页岩可产出出150升（40美制加仑）的页岩油，因此该等到煤炭耗尽之后才开采油页岩。[76]

衡量开采可行性的一个关键指标，是油页岩产生的能量与其开采和加工过程中所需能量的比率，这种比率称为“能源投资回报率（英语：Energy return on investment）”(EROEI)。由于多种原因，这种EROEI值难以取得。主因是缺乏现代工艺方面的可靠研究、不完善或缺乏记录以及仅有为数不多的运作机构。[77]由于开采油页岩牵涉复杂的技术，其EROEI远低于常规石油的EROEI（约为20:1）。[39]在1984年所做的一项研究，估计各种已知油页岩矿藏的EROEI落在0.7–13.3之间。[78]而已知的油页岩开采项目宣称其EROI可达3到10之间。根据IEA《2010年世界能源展望》，非原位加工的EROEI通常为4至5，而原位加工甚至可能低至2。[27]为提高干馏油页岩的效率，并由此提高页岩油生产率的可行性，研究人员提出并测试过几种共同热裂解工艺（加入其他材料，如生物质、泥炭、废沥青或橡胶和塑料废料共同燃烧）。[79][80][81][82][83]

环境问题考虑

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主条目：油页岩产业对环境的影响

开采油页岩会差生许多环境影响，露天开采比地下开采更为明显。 [84]包括有埋在地下材料突然快速暴露，随后氧化引起的酸排放，把包含汞在内的金属[85]引入地表水和地下水，侵蚀作用加剧，含硫气体排放，以及加工、运输和支持活动产生的悬浮微粒而造成的污染。[11][86] [12]

油页岩开采会破坏矿区土地和生态系统的生物和娱乐价值。燃烧和热处理会产生废料。此外，油页岩加工和燃烧产生的大气排放物包括温室气体 - 二氧化碳。环保主义者反对油页岩的生产和使用，因为它比传统的化石燃料会产生更多的温室气体。[87]实验性原位转化过程和碳捕集与封存技术可能在未来可将其中一些担忧降低，但同时又会产生其他问题，包括地下水污染。[88]通常与油页岩生产相关的水污染物包括氧和氮杂环化合物，其中常见的检测实例包括喹啉衍生物、吡啶和吡啶的各种烷基同系物（甲基吡啶、二甲基吡啶（英语：lutidine））。[89]

水资源是干旱地区的敏感问题，例如美国西部和以色列的内盖夫沙漠，在水资源稀缺的情况下仍计划扩大油页岩开采。[90]根据不同技术，地上干馏每生产1桶页岩油需用到1到5桶水。[59][91][92][93]美国内政部土地管理局发布的2008年环境影响声明（英语：Environmental impact statement）指出，露天采矿和干馏作业每产生1短吨（0.91吨）油页岩，会产生2至10美制加仑（7.6至37.9升；1.7至8.3英制加仑）的污水。[91]据一项估计，原位工艺所用的水量约为旧法的10分之1。[94]

包括绿色和平组织成员在内的环境保护主义组织针对油页岩产业所发起的强烈抗议活动。造成昆士兰能源公司（英语：Queensland Energy Resources）于2004年把拟议中的斯图尔特油页岩项目（英语：Stuart Oil Shale Project）搁置。[11][95][96]

参见

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参考文献

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参考书目

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