壹、油頁巖油的基本特征
（壹）油頁巖油的定義
油頁巖油，顧名思義，就是從油頁巖中提煉出來的油，因此，了解油頁巖油，首先需要了解油頁巖。油頁巖屬於非常規油氣資源，它與石油、天然氣、煤壹樣都是不可再生的化石能源，油頁巖資源儲量僅次於煤炭，其熱解可得到油頁巖油和煤氣，因資源豐富和開發利用的可行性高而被列為21世紀重要的接替能源。
油頁巖，又稱油母頁巖，是壹種固體可燃有機質沈積巖。含油率和發熱量是評價油頁巖工業用途的重要工業指標，因此，壹般將灰分產率超過40%，含油率大於3.5%，發熱量不少於4.18kJ/g的沈積巖稱為油頁巖（鄭偉，1997；劉招君，2006）。從油頁巖中提煉出來的油呈黑褐色，略帶綠色熒光，成分與石油相似，常稱為人造石油，類似原油，經煉制可獲汽油、煤油、柴油、潤滑油和石蠟等。除了提煉油頁巖油，油頁巖也可以作為燃料用來發電、取暖和運輸。煉油和發電後剩下的廢渣生產建築材料、水泥和化肥或進行化工產品的提煉、金屬提取等。
廣義上頁巖油的概念涵蓋了由油頁巖煉制得到的油頁巖油，因此，為了區別廣義上的頁巖油概念，將油頁巖油定義為從油頁巖幹餾提煉出來的油，即對開采出的油頁巖或原位地下油頁巖進行加工處理（如低溫幹餾）所獲得的原油（伊然，2015）。由於現在油頁巖油概念的特殊性，對油頁巖油的評價主要集中在油頁巖礦上。
（二）油頁巖的性質
1．顏色
油頁巖的顏色與其中有機和無機物質組成有關。美國綠河盆地油頁巖呈灰綠色，吉林樺甸油頁巖呈褐色，準噶爾盆地南緣油頁巖（博格達山前油頁巖帶）呈灰褐色—深灰色。通常油頁巖顏色越淺，含油率越高。
2．密度
油頁巖的密度主要取決於其中無機礦物質的含量和密度。壹般情況下，油頁巖密度越大，含油率越低。
3．硬度與強度
油頁巖的硬度與強度與所含礦物質的性質和形成年代有關。時代老的油頁巖硬度較大。強度和硬度對幹餾過程也有影響。
4．灰熔點
油頁巖的灰熔點也稱熔融性，是油頁巖受熱時由固態向液態逐漸轉化的特性，與油頁巖的成分及加工過程有關。在工業上多用軟化溫度作為熔融性指標，稱為灰熔點。低灰熔點的油頁巖在熱加工時在爐內易結渣，影響生產的進行。我國油頁巖灰分中氧化鈣較少，因此灰熔點壹般較高，軟化溫度多在1200～1450℃以上。
二、油頁巖資源、利用及發展趨勢
全球油頁巖資源比較豐富，世界油頁巖油的已知可采儲量折算成原油的總量要超過世界石油的總可采儲量。油頁巖已有200多年的開發歷史，從1839年法國Autun油頁巖礦床開采開始，到20世紀30年代，世界油頁巖油年產量達到了5×106t；20世紀40年代由於第二次世界大戰的影響，油頁巖油年產量明顯下降。1945-1980年，油頁巖利用率有快速增長的趨勢。但自1980年以後，由於石油的大量發現和開發，世界性大規模開采廉價石油，直接影響了油頁巖開發利用的進程。但在80年代後期，世界能源消費量猛增，油頁巖工業也再次興起。隨著國際油價的波動以及全球能源需求的不斷增長，以及石油的世界性大量消耗，開發石油及替代品是各國能源開發研究的主要課題，因此人造石油——油頁巖油的地位越來越顯得重要，重新引起世界各國的重視。
（壹）油頁巖資源分布
全球油頁巖資源十分豐富，據不完全統計其蘊藏資源量約有10×1012t，比煤炭資源量多40%，且分布非常廣泛。根據2006年對世界範圍內33個國家和地區的油頁巖資源綜合統計結果（圖2-3），折算成油頁巖油，總儲量超過4000×108t，遠遠超過了世界石油資源儲量1500×108t、總資源量3000×108t的數據。世界油頁巖油儲量超過10×108t的國家有美國、俄羅斯、剛果（金）、巴西、摩洛哥、約旦、澳大利亞、愛沙尼亞和中國等。美國的油頁巖儲量為3035.66×108t，約占世界總儲量的66%。美國大約75%的油頁巖集中在科羅拉多州、猶他州和懷俄明州。
中國的油頁巖資源也較豐富，其中最負盛名的為撫順礦區，與煤***生，探明油頁巖儲量36×108t，平均產油率約5.5%；茂名油頁巖礦，可采儲量40×108t，平均產油率6.0%。據國土資源部新壹輪油氣資源評價（2005）結果，我國油頁巖資源主要分布在22個省和自治區、47個盆地，***有80個含礦區。全國油頁巖資源為7199.37×108t，油頁巖油資源為476.44×108t，油頁巖油可回收資源為119.79×108t（表2-4）。
圖2-3 世界主要國家油頁巖油估量份額（據劉招君，2009）
表2-4 全國油頁巖/油頁巖油資源評價結果（據劉招君，2009） 單位：104t
我國油頁巖資源主要分布在東部區和中部區，東部區（主要包括松遼盆地和渤海灣盆地）為3442.48×108t，中部區（主要包括鄂爾多斯盆地和四川盆地）為1609.64×108t，青藏區（主要是羌塘盆地）為1203.20×108t，西部區（主要包括柴達木盆地、塔裏木盆地和準噶爾盆地）為749.43×108t，南方區（前面四區以外的中國南方大部分地區）為194.61×108t，這5個地區分別占我國油頁巖資源的48%、22%、17%、10%和3%。其中含油率為5%～10%的油頁巖油資源量為182×108t，含油率大於10%的頁巖油資源量為140×108t，遠比國內已經發現的天然石油儲量要多。與美國的油頁巖地質特征相比，我國油頁巖資源埋藏較深，油頁巖平均厚度約為20～30m，多夾有砂巖、泥巖等，且相當壹部分為含油率小於5%的貧礦，含油率大於10%的富礦較少，主要是5%～10%含油率的油頁巖資源。
按盆地劃分，我國油頁巖主要分布在松遼盆地、鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、羌塘盆地、柴達木盆地、撫順盆地、茂名盆地、民和盆地、敦密盆地等，其中以松遼盆地油頁巖資源量最大，達3000多億噸；按成礦年代劃分，我國油頁巖分布年代廣，包括了石炭紀、二疊紀、三疊紀、侏羅紀、白堊紀、古近紀和新近紀；按成礦環境劃分，主要油頁巖成礦環境包括湖相、湖沼相、海陸交互相、淺湖相、半深湖—深湖相、淺海—潟湖相。
（二）油頁巖資源的開發利用
1．油頁巖的開采方式
由於油頁巖中的有機質呈固態，不能像石油壹樣在巖石孔隙中流動。油頁巖的開采分為露天開采和地下開采，與煤的開采非常類似。當地下油頁巖層傾角較緩，埋藏較淺，通常小於500m，且油頁巖層厚度達幾十米時，則可以采用露天開采方法，即剝離覆蓋於油頁巖層上面的巖土，使油頁巖敞露於地表進行開采。露天開采除了考慮油頁巖的地下埋深外，還須考慮剝采比，即覆蓋於油頁巖層上應剝離的巖土量與油頁巖采出量之比，這是油頁巖露天開采經濟性的重要因素。如果油頁巖層較薄，而覆蓋於其上的巖土又較厚，即剝離比很大，那麽即使油頁巖層埋藏較淺，也會使得開采費用很高，從而增加油頁巖的利用成本。當油頁巖層埋深大於500m時，通常采用地下開采方法，地下開采的方法主要有壁式開采和房柱式開采。
2．油頁巖的利用途徑
油頁巖的沈積環境範圍很廣，因此具有多種有機質和礦物質。油頁巖不但可提煉出各種燃料油類，而且還可煉制出各種合成燃料氣體及化工原料，副產品還可用於制磚、水泥等建築材料。歸納起來，油頁巖有三種主要用途：幹餾制取油頁巖油及相關產品；作為燃料用來發電、取暖和運輸；生產建築材料、水泥和化肥。
1）幹餾制取油頁巖油及相關產品
油頁巖經過加熱和裂解可產生類似於天然石油的油頁巖油，常稱為人造石油。壹般來說，1t頁巖可提煉出38～378L（相當於0.3～3.2bbl）油頁巖油。油頁巖油加氫裂解精制後，可獲得汽油、煤油、柴油、石蠟、石焦油等多種化工產品。
當前世界上油頁巖幹餾生產油頁巖油的國家只有中國、愛沙尼亞和巴西。2000年世界油頁巖油油產量為50×104t，到2011年世界油頁巖油產量已達到146×104t（表2-5）。近年來，由於油價下跌，在壹定程度上影響了油頁巖油產量，但2015年全球油頁巖幹餾煉油量達到151×104t，其中中國83×104t，愛沙尼亞50×104t，巴西18×104t（馬躍等，2016）。
表2-5 2011年世界頁巖油產量（據李術元等，2012）
2）作為燃料用來發電、取暖和運輸
首先是用來發電，利用油頁巖發電的形式有兩種。壹是直接把油頁巖用作鍋爐燃料，產生蒸汽發電；另壹種是把油頁巖低溫幹餾，產生氣體燃料，然後輸送到內燃機燃燒發電。目前普遍采用前壹種形式。其次，可以利用油頁巖燃燒供暖。另外，可以利用油頁巖燃燒帶動發動機，用於長途運輸。
愛沙尼亞擁有世界上裝機容量最大的油頁巖發電廠，是利用油頁巖發電方面最好的國家，該國94%的電力依托於油頁巖發電。中國目前有3座小型油頁巖電站，分別為吉林樺甸熱電廠，能力15MW；吉林汪清頁巖油廠熱電站，能力9MW；廣東遂溪熱電廠，能力6MW（表2-6）。
表2-6 2011年世界油頁巖發電廠（據李術元等，2012）
3）生產建築材料、水泥和化肥
油頁巖渣是油頁巖在幹餾提煉頁巖油時產生的廢渣，累積堆積占用大量的土地。與此同時，因為油頁巖渣中含有大量的重金屬元素，雨水淋溶以及擴散後會破壞農業生產，嚴重汙染周圍的水源、生物及土地，使土地毒化、酸化，破壞土壤生產能力，從而危害居民的健康。油頁巖渣的應用主要是制備陶粒支撐劑、覆膜支撐劑、輕質磚和水泥等建築材料，以及吸附劑和泡沫玻璃等（周紅霞等，2013）。
（三）油頁巖油開發面臨的問題
雖然油頁巖資源豐富，對於緩解能源危機具有十分重要的意義，但油頁巖油的勘探開發仍存在壹系列的問題，包括資源評價、開采技術、後期環境破壞等，這壹系列的問題都嚴重制約了油頁巖油的開采。
資源方面，油頁巖資源豐富但資源探明程度低。以吉林省為例，該省的油頁巖資源豐富，總資源量達2800×108t以上，但查明資源僅占總資源量的四分之壹，且除樺甸、汪清外，全省99%以上的油頁巖資源還沒有進行可行性研究和經濟評價，嚴重制約了資源的大規模開發和利用。此外，該省油頁巖的開發利用率低。目前，全省僅樺甸、汪清兩地油頁巖資源正在開發利用，且集中於中、小富礦，采富棄貧資源浪費問題嚴重。
環境方面，首先對生態及水質破壞嚴重。數據表明，開采1m3油頁巖，壹般需抽出25m3的地下水，采礦水排放導致地表水和地下水中硫酸鹽含量大量增加，長期開采將破壞生態平衡和水位水質的穩定。二是灰渣汙染問題突出。油頁巖幹餾或直接燃燒後產生大量灰渣，1t原礦幹餾後約產生0.7～0.9t半焦，燃燒發電後約產生0.6～0.7t灰渣，需占用大量土地露天堆放，形成粉塵，造成水體等二次汙染。三是生產環節產生粉塵、廢氣、廢水、廢物等汙染環境。主要是破碎篩分工序產生粉塵，幹燥單元、加熱爐、幹餾爐及儲存運輸過程中產生SO2、NO2、H2S等煙氣，幹餾、脫硫工藝生成廢水，幹餾、燃燒等過程產生半焦、頁巖灰、爐渣等。四是采空區沈陷隱患較大。目前，油頁巖開采方式為傳統的井工開采，形成的采空區在巖移作用下將使地表產生不同程度的沈陷，對周邊居民生產生活、城市建設及用地規劃產生較大影響。
（四）油頁巖油的發展趨勢
2007年世界油頁巖年會作出測算，當石油達到每桶25美元時，油頁巖地下冷卻幹餾就可盈利；當油價達到每桶35美元時，將油頁巖采出加溫幹餾也可達到盈利點。2012年國際油價在80～110美元/bbl之間波動，雖較2011年有所回落，但油頁巖油的價格不斷攀升。油頁巖油的市場價格從2005年的平均2600元/t上升到2012年的5500元/t。但近年來隨著國際原油價格的降低，世界頁巖油產量預計將會減少。
對油頁巖的利用是綜合性的，其經濟效益也要綜合考慮。以生產頁巖水泥為例：1×104t的頁巖油廠，可以生產25×104t的水泥，投資25×104t的水泥廠為2000萬元，頁巖水泥的利潤為50～100元/t，純利潤達到每年1250萬～2500萬元。可見如果投資頁巖水泥廠，投資成本當年基本就可收回。如果對油頁巖廢料加以合理充分利用，其利潤甚至不低於從中提煉油頁巖油。油頁巖油和頁巖水泥的綜合利潤，折合成國際市場的綜合油價為10～15美元/bbl，即原油價格在10～15美元/bbl為此項目盈虧平衡區間。當然，提取油頁巖油後的副產品還有許多其他用途，牽涉到具體開發利用時，經濟效益的計算要統籌考慮。
國家在宏觀政策上大力支持油頁巖資源的開發和綜合利用，中國政府在“十壹五”發展規劃中，就已明確提出將大力開展油頁巖的勘探開發，增加科技投入，降低開采成本，增加中國油氣資源的保障程度。2011年國家發改委發布的國家產業結構調整指導目錄中將油頁巖、油砂、頁巖氣、天然氣水合物等非常規資源勘探開發列為鼓勵類產業。因此，應當抓住有利時機，對油頁巖資源進行合理開發。在充分利用油頁巖資源的同時，更要重視環境和經濟的可持續發展。根據實際情況，可考慮在以下七個方面對油頁巖進行綜合利用：（1）引進先進的油頁巖幹餾工藝生產油頁巖油；（2）以煉油焦和篩選後的油頁巖為燃料，建設配套燃油頁巖循環流化床機組的發電廠；（3）利用油頁巖灰渣生產油頁巖燒結磚和油頁巖水泥等建築材料；（4）利用油頁巖燃燒供暖，為礦區和當地百姓解決冬季取暖問題；（5）借鑒撫順礦業集團的經驗和引進其工藝技術及設備，利用頁巖油生產噴霧炭黑；（6）為農業發展生產所需的復合肥；（7）對酚、氨及吡啶等副產品予以綜合利用。總之，在最大限度地實現其資源價值並且考慮環境因素的情況下，油頁巖開發利用前景將十分光明，尤其是對於中國這種能源高度依賴國際市場的國家，油頁巖市場會更加寬廣。國際能源機構預言，2020年以後，非傳統來源的石油供應量會有很大的增加，約占世界石油需求總量的8%，這部分增量很可能由部分油頁巖油來滿足。