內(nèi)蒙古烏拉特后旗巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組油頁巖品質(zhì)特征及開發(fā)利用前景

袁二軍，馮小偉，楊寧寧，張 超，王延倫，蘇殿程

(1.青海大學地質(zhì)工程系，青海 西寧 810016； 2.青藏高原北緣新生代資源環(huán)境重點實驗室，青海 西寧 810016； 3.包頭市北斗地質(zhì)勘查有限責任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000； 4.內(nèi)蒙古自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局綜合普查隊，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引 言

近年來，我國國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，有力帶動了國內(nèi)能源市場，燃料油市場消費量也大幅增長，伴隨著原油的不斷消耗，石油資源短缺將成為制約經(jīng)濟發(fā)展的重大難題。而我國是貧油少氣國家，石油供需缺口逐年增大，原油對外依賴度不斷提高，石油供不應求的矛盾將長期存在。然而我國油頁巖資源豐富，可以接替部分常規(guī)油氣市場需求，緩解我國能源壓力。油頁巖作為一種重要的石油補充和替代能源，以其巨大的儲量、豐富的綜合利用層次引起了全世界的關注。隨著傳統(tǒng)資源短缺問題日益嚴重，人造石油的地位越來越重要，在不久的將來，頁巖油工業(yè)將會出現(xiàn)空前大發(fā)展，前景看好。

巴格毛德地區(qū)油頁巖位于烏拉特后旗查干瑙勞-查干特格斷陷盆地內(nèi)，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果顯示，該區(qū)油頁巖找礦遠景潛力巨大。為查明巴格毛德地區(qū)下白堊統(tǒng)巴音戈壁組油頁巖資源規(guī)模、儲量及品質(zhì)特征，2012—2018年該地區(qū)開展了地質(zhì)詳查及勘探工作，并進行了選礦試驗，主要對油頁巖干餾煉油的開發(fā)利用性能作了論述評價，對油頁巖的其他方面的開發(fā)利用前景研究較少[1-3]。

本文旨在通過對巴格毛德地區(qū)油頁巖的地層學、巖石學、礦物學、工業(yè)品質(zhì)等特征進行歸納總結(jié)，從而探討其開發(fā)利用前景，希望對該地區(qū)油頁巖資源的開發(fā)利用起到指導作用。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

巴格毛德地區(qū)位于內(nèi)蒙古西北部，所處區(qū)域大地構(gòu)造位置為銀(銀川)額(額濟納旗)盆地東北緣。

(注：1-第四系全新統(tǒng)；2-第四系更新統(tǒng)；3-上白堊統(tǒng)烏蘭蘇海組；4-下白堊統(tǒng)巴音戈壁組三段；5-下白堊統(tǒng)巴音戈壁組二段(油頁巖賦礦層位)；6-下白堊統(tǒng)巴音戈壁組一段；7-上石炭統(tǒng)阿木山組；8-早元古界寶音圖群；9-侏羅紀中細粒花崗巖；10-三疊紀花崗巖；11-二疊紀中細粒二長花崗巖；12-二疊紀蝕變、碎裂片理化閃長巖；13-石炭紀中細粒花崗巖；14-石炭紀花崗閃長巖；15-石炭紀輝長巖；16-實測地質(zhì)界線及侵入接觸界線；17-實測不整合地質(zhì)界線；18-巖漿巖相帶界線及地層相變界線；19-實測正地層；20-實測逆沖斷層；21-實測平推斷層；22-實測性質(zhì)不明地層；23-推測性質(zhì)不明地層；24-糜棱巖帶；25-碎裂巖帶；26-油頁巖礦床；27-研究區(qū)。)圖1 區(qū)域構(gòu)造綱要圖Fig.1 Regional structural outline

受其大地構(gòu)造環(huán)境的影響，該區(qū)域形成了中部為構(gòu)造隆起帶，兩側(cè)為斷陷盆地的構(gòu)造格局，總體構(gòu)造方向呈北東向(圖1)。區(qū)域的2個斷陷盆地，分別為西尼烏蘇-虎勒蓋爾斷陷盆地和查干瑙勞-查干特格斷陷盆地，后者位于區(qū)域北西查干瑙勞-查干特格一帶， 該斷陷盆地在區(qū)域上延伸長約100 km， 寬大于20 km， 局部寬8 km，為中新生代斷陷盆地，沉積有白堊系下統(tǒng)巴音戈壁組、上統(tǒng)烏蘭蘇海組地層，其中，白堊系下統(tǒng)巴音戈壁組是油頁巖主要賦礦層位。白堊系下統(tǒng)巴音戈壁組根據(jù)巖性組合特征及沉積旋回分為兩個段。巴音戈壁組一段為砂礫巖段，發(fā)育一套灰褐色礫巖、含礫砂巖、細礫巖、灰白色砂巖，偶夾薄層灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、青灰色泥灰?guī)r等細粒沉積物，相變大，巖性變化大，粒度相對較粗，為低水位-水進體系域時期，沉積環(huán)境由扇三角沉積體系向濱淺湖-半深湖沉積體系過渡。巴音戈壁組二段為油頁巖和泥巖段，下部發(fā)育含礫泥巖、灰色泥巖、深灰色泥巖，發(fā)育高水位體系域的灰黑色油頁巖，是油頁巖廣泛發(fā)育的最主要巖性段，形成的油頁巖厚度最大，層位穩(wěn)定，區(qū)內(nèi)主要油頁巖礦層均位于該層位中，平面上分布較為連續(xù)，油頁巖含油率較高，與巴音戈壁組一段呈整合接觸，為半深湖-深湖沉積體系，可見介形蟲、葉肢介和魚類化石；上部發(fā)育為灰綠色、灰色泥巖，與鈣質(zhì)泥巖薄層泥質(zhì)灰?guī)r互層，在泥巖中可見黃鐵礦的小晶體，為水退體系域，為半深湖過渡為濱淺湖沉積環(huán)境，常見動植物化石碎屑及碳屑，局部可見魚類化石。與上覆地層白堊系上統(tǒng)烏蘭蘇海組呈不整合接觸。

2 油頁巖礦層地質(zhì)特征

巴格毛德地區(qū)油頁巖礦由巴格毛德、呼和恰布以及查干套海3個礦區(qū)組成，其中巴格毛德礦區(qū)位于中部，面積約200 km2；呼和恰布礦區(qū)緊鄰巴格毛德礦區(qū)，位于其西南向，面積約25 km2；查干套海礦區(qū)亦緊鄰巴格毛德礦區(qū)，位于其北東向，面積約30 km2。油頁巖礦層主要賦存于下白堊統(tǒng)巴音戈壁組二段中，礦層下部為巴音戈壁組一段，上部為下白堊統(tǒng)烏蘭蘇海組，礦層橫向延伸近30 km，礦層總厚度0～60 m。礦層共由103個鉆孔控制，其中，巴格毛德礦區(qū)47個，呼和恰布礦區(qū)33個，查干套海礦區(qū)23個。通過對3個礦區(qū)施工鉆孔所揭露油頁巖礦層的地層綜合柱狀圖進行對比，圈定出Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號3層油頁巖礦層。各礦層埋深、形態(tài)、厚度、含油率及穩(wěn)定類型等特征詳見表1。

由表1可知，巴格毛德地區(qū)油頁巖礦層主要呈層狀產(chǎn)出，礦層較穩(wěn)定，為大部可采礦層。礦層厚度為0～24.28 m，平均厚度為5.26 m。含油率為3.81%～10.60%，平均含油率為5.97%，屬中等品質(zhì)油頁巖。 礦層埋深為12.37～268.09 m，埋深較淺。

表1 巴格毛德地區(qū)油頁巖礦層特征一覽表Table 1 List of characteristics of oil shale deposits in Bagemaode area

3 油頁巖巖石及礦物學特征

3.1 巖石學特征

巴格毛德地區(qū)油頁巖顏色多呈深灰色、灰褐色、灰黑色。油頁巖常與深灰色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及炭質(zhì)泥巖互層沉積，油頁巖層之間多發(fā)育泥灰?guī)r層，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，水平層理發(fā)育(圖2)，呈薄頁片狀，也可見塊狀構(gòu)造。硬度小，具油脂光澤，新鮮面指甲刻劃出現(xiàn)光亮之油脂條痕，用小刀可削起卷屑，視密度多在2.0 g/cm3以上，一般為2.02～2.44 g/cm3，均值為2.20 g/cm3，密度較小，薄片或小塊投入爐中可燃，燃燒散發(fā)較濃瀝青味。頁理面含豐富的葉肢介化石(圖3)、藻類化石、碳屑、植物莖干化石及密集的介形蟲化石。

圖2 油頁巖水平層理Fig.2 Horizontal bedding of oil shale

圖3 葉肢介化石Fig.3 Fossils of leaf limbs

3.2 礦物學特征

根據(jù)2018年9—10月吉林大學在巴格毛德地區(qū)對油頁巖進行的衍射礦物成分分析可知[8]，油頁巖以石英、長石為主的陸源碎屑礦物和以伊蒙混層、伊利石為主的黏土礦物組成，還含有部分方解石和白云石。據(jù)統(tǒng)計，油頁巖中石英平均含量為23.6%；長石類型以斜長石為主，含量相對較少，不足10%；方解石含量較低，但富含較多白云石，平均含量為14.7%。通過對油頁巖黏土礦物定量分析表明，黏土礦物中伊蒙混層、伊利石的含量占絕對優(yōu)勢，平均含量分別為34.8%、12.3%，高嶺石和綠泥石含量較少，均不足總量的2%。據(jù)油頁巖掃描電鏡和能譜分析資料可知，在掃描電鏡下，油頁巖中的各種礦物形態(tài)清晰可見，根據(jù)能譜可進一步確定陸源碎屑礦物石英、鉀長石、鈉長石、方解石、白云石等，以及伊蒙混層、伊利石、綠泥石等黏土礦物。其中，掃描電鏡下石英呈柱狀，方解石呈四面體形，晶型較好，伊利石為鱗片狀。從礦物組成上來說，油頁巖屬含高硅高鋁礦。

4 油頁巖礦工業(yè)品質(zhì)特征

1) 水分。根據(jù)巴格毛德地區(qū)施工鉆孔樣品測試中水分分析結(jié)果可知，水分為0.03%～6.93%，平均為2.42%，油頁巖水分總體含量較低，有利于油頁巖的綜合利用。

2) 灰分。據(jù)該區(qū)鉆孔樣品灰分分析測試結(jié)果，油頁巖灰分為64.00%～88.24%，平均78.18%，表明該地區(qū)油頁巖屬高灰分油頁巖。而且，油頁巖灰分越低，其相應的含油率就越高。

3) 揮發(fā)分。該區(qū)油頁巖揮發(fā)分為13.49%～19.38%，平均值17.85%，屬低揮發(fā)分油頁巖。

4) 固定碳。該區(qū)油頁巖固定碳為0.01%～20.41%，平均值1.45%，屬低固定碳油頁巖。

5) 全硫。該區(qū)油頁巖全硫為0.01%～4.63%，平均0.70%，屬低硫油頁巖。

6) 發(fā)熱量。該區(qū)油頁巖發(fā)熱量為1.35～9.45 MJ/kg，平均值4.17 MJ/kg，屬低發(fā)熱量油頁巖。

7) 元素分析。據(jù)該區(qū)油頁巖部分鉆孔樣品元素分析測試結(jié)果，油頁巖礦層的元素組成中碳含量為26.79%～62.34%，平均53.52%，氫含量為3.99%～11.41%，平均6.97%，氮含量為0.97%～1.80%，平均1.27%，氧含量為21.91%～67.21%，平均34.61%。參照《油頁巖有機化學成分分類》標準，碳含量<60%，氫含量<7.3%，油頁巖品級屬一級品。

8) 油頁巖灰成分分析。根據(jù)該區(qū)油頁巖灰成分分析結(jié)果可知，灰成分以SiO2為主，含量為36.07%～61.28%，平均50.90%，其次為Al2O3含量為12.40%～17.21%，平均15.20%，CaO含量為2.99%～22.18%，平均10.70%，F(xiàn)e2O3含量為5.59%～8.79%，平均6.82%，少量MgO、K2O、SO3、Na2O、TiO2。

綜上所述，該地區(qū)油頁巖屬低水分、高灰分、低揮發(fā)分、低發(fā)熱量、低固定碳和低硫型油頁巖，油頁巖品級屬一級品。油頁巖灰成分以SiO2為主，其次為Al2O3、CaO、Fe2O3。

5 開發(fā)利用前景分析

油頁巖開發(fā)利用最早可追溯到17世紀，在20世紀前油頁巖主要用于生產(chǎn)煤油、燈油、石蠟、燃料油、潤滑油、油脂和化學肥料等產(chǎn)品；20世紀隨著汽車的出現(xiàn)，油頁巖被作為運輸燃料原料而大量開發(fā)，直到20世紀60年代原油的大量開采利用，油頁巖作為主要能源礦物才退出歷史舞臺[4]。目前，油頁巖的利用更加廣泛，國內(nèi)外對油頁巖的開發(fā)利用主要有發(fā)電、取暖、提煉頁巖油、制造水泥、生產(chǎn)化學藥品、用作塑料制品摻合料、填充料、合成建筑材料以及研制土壤增肥劑等[5-7]。

5.1 油頁巖開發(fā)利用條件

巴格毛德地區(qū)油頁巖礦通過詳查和勘探已查明油頁巖資源量20.70億t，平均含油率5.97%，油頁巖油量1.24億t。礦層埋藏較淺，油頁巖礦層較穩(wěn)定，區(qū)內(nèi)構(gòu)造、開采技術(shù)條件簡單。同時，巴格毛德地區(qū)油頁巖屬中等品質(zhì)油頁巖，水分、硫分低，油質(zhì)較好。此外，該區(qū)有新建公路直達，交通較為方便，具備較好的開發(fā)利用條件[8]。

5.2 油頁巖開發(fā)利用前景

1) 巴格毛德地區(qū)的油頁巖平均灰分為78.18%，平均硫分為0.70%，平均發(fā)熱量4.17 MJ/kg，發(fā)熱量低于規(guī)范中燃燒用油頁巖最低發(fā)熱量一般工業(yè)指標要求，同時灰分也大于最高灰分要求，因此，該區(qū)油頁巖不能用作燃料。但平均含油率5.97%，根據(jù)規(guī)范和選礦試驗報告，適合進行低溫干餾提取頁巖油。

2) 油頁巖灰渣可作水泥原料、燒制陶粒、陶瓷纖維等輕質(zhì)骨料和保溫材料。此外，巴格毛德地區(qū)油頁巖灰渣中SiO2和Al2O3總含量為66.10%左右，可從中提取氧化鋁和高純度二氧化硅。

3) 油頁巖發(fā)熱量較低，固定碳也很低，難以直接用于鍋爐燃燒，但可以用于油頁巖的干餾加熱。

6 結(jié) 論

1) 巴格毛德地區(qū)油頁巖屬于中等品質(zhì)、低水分、高灰分、低揮發(fā)分、低發(fā)熱量、低固定碳和低硫型油頁巖，油頁巖品級屬一級品。油頁巖灰成分以SiO2為主，其次為Al2O3、CaO、Fe2O3。

2) 巴格毛德地區(qū)油頁巖資源量大，埋藏淺，地質(zhì)條件較好，交通便利，聯(lián)合干餾煉油-灰渣-建材的一站式工業(yè)開發(fā)工藝，具有較高的工業(yè)價值。在現(xiàn)有經(jīng)濟技術(shù)條件下，適宜大規(guī)模開采，具有巨大的開發(fā)利用前景。