内蒙古乌拉特后旗巴格毛德地区下白垩统巴音戈壁组油页岩品质特征及开发利用前景

2021-07-27袁二军冯小伟杨宁宁王延伦苏殿程

中国矿业 2021年7期

袁二军，冯小伟，杨宁宁，张超，王延伦，苏殿程

(1.青海大学地质工程系，青海西宁 810016； 2.青藏高原北缘新生代资源环境重点实验室，青海西宁 810016； 3.包头市北斗地质勘查有限责任公司，内蒙古包头 014000； 4.内蒙古自治区有色地质勘查局综合普查队，内蒙古呼和浩特 010010)

0 引言

近年来，我国国民经济持续快速发展，有力带动了国内能源市场，燃料油市场消费量也大幅增长，伴随着原油的不断消耗，石油资源短缺将成为制约经济发展的重大难题。而我国是贫油少气国家，石油供需缺口逐年增大，原油对外依赖度不断提高，石油供不应求的矛盾将长期存在。然而我国油页岩资源丰富，可以接替部分常规油气市场需求，缓解我国能源压力。油页岩作为一种重要的石油补充和替代能源，以其巨大的储量、丰富的综合利用层次引起了全世界的关注。随着传统资源短缺问题日益严重，人造石油的地位越来越重要，在不久的将来，页岩油工业将会出现空前大发展，前景看好。

巴格毛德地区油页岩位于乌拉特后旗查干瑙劳-查干特格断陷盆地内，根据区域地质调查成果显示，该区油页岩找矿远景潜力巨大。为查明巴格毛德地区下白垩统巴音戈壁组油页岩资源规模、储量及品质特征，2012—2018年该地区开展了地质详查及勘探工作，并进行了选矿试验，主要对油页岩干馏炼油的开发利用性能作了论述评价，对油页岩的其他方面的开发利用前景研究较少[1-3]。

本文旨在通过对巴格毛德地区油页岩的地层学、岩石学、矿物学、工业品质等特征进行归纳总结，从而探讨其开发利用前景，希望对该地区油页岩资源的开发利用起到指导作用。

1 区域地质背景

巴格毛德地区位于内蒙古西北部，所处区域大地构造位置为银(银川)额(额济纳旗)盆地东北缘。

(注：1-第四系全新统；2-第四系更新统；3-上白垩统乌兰苏海组；4-下白垩统巴音戈壁组三段；5-下白垩统巴音戈壁组二段(油页岩赋矿层位)；6-下白垩统巴音戈壁组一段；7-上石炭统阿木山组；8-早元古界宝音图群；9-侏罗纪中细粒花岗岩；10-三叠纪花岗岩；11-二叠纪中细粒二长花岗岩；12-二叠纪蚀变、碎裂片理化闪长岩；13-石炭纪中细粒花岗岩；14-石炭纪花岗闪长岩；15-石炭纪辉长岩；16-实测地质界线及侵入接触界线；17-实测不整合地质界线；18-岩浆岩相带界线及地层相变界线；19-实测正地层；20-实测逆冲断层；21-实测平推断层；22-实测性质不明地层；23-推测性质不明地层；24-糜棱岩带；25-碎裂岩带；26-油页岩矿床；27-研究区。)图1 区域构造纲要图Fig.1 Regional structural outline

受其大地构造环境的影响，该区域形成了中部为构造隆起带，两侧为断陷盆地的构造格局，总体构造方向呈北东向(图1)。区域的2个断陷盆地，分别为西尼乌苏-虎勒盖尔断陷盆地和查干瑙劳-查干特格断陷盆地，后者位于区域北西查干瑙劳-查干特格一带，该断陷盆地在区域上延伸长约100 km，宽大于20 km，局部宽8 km，为中新生代断陷盆地，沉积有白垩系下统巴音戈壁组、上统乌兰苏海组地层，其中，白垩系下统巴音戈壁组是油页岩主要赋矿层位。白垩系下统巴音戈壁组根据岩性组合特征及沉积旋回分为两个段。巴音戈壁组一段为砂砾岩段，发育一套灰褐色砾岩、含砾砂岩、细砾岩、灰白色砂岩，偶夹薄层灰色砂质泥岩、粉砂岩、青灰色泥灰岩等细粒沉积物，相变大，岩性变化大，粒度相对较粗，为低水位-水进体系域时期，沉积环境由扇三角沉积体系向滨浅湖-半深湖沉积体系过渡。巴音戈壁组二段为油页岩和泥岩段，下部发育含砾泥岩、灰色泥岩、深灰色泥岩，发育高水位体系域的灰黑色油页岩，是油页岩广泛发育的最主要岩性段，形成的油页岩厚度最大，层位稳定，区内主要油页岩矿层均位于该层位中，平面上分布较为连续，油页岩含油率较高，与巴音戈壁组一段呈整合接触，为半深湖-深湖沉积体系，可见介形虫、叶肢介和鱼类化石；上部发育为灰绿色、灰色泥岩，与钙质泥岩薄层泥质灰岩互层，在泥岩中可见黄铁矿的小晶体，为水退体系域，为半深湖过渡为滨浅湖沉积环境，常见动植物化石碎屑及碳屑，局部可见鱼类化石。与上覆地层白垩系上统乌兰苏海组呈不整合接触。

2 油页岩矿层地质特征

巴格毛德地区油页岩矿由巴格毛德、呼和恰布以及查干套海3个矿区组成，其中巴格毛德矿区位于中部，面积约200 km2；呼和恰布矿区紧邻巴格毛德矿区，位于其西南向，面积约25 km2；查干套海矿区亦紧邻巴格毛德矿区，位于其北东向，面积约30 km2。油页岩矿层主要赋存于下白垩统巴音戈壁组二段中，矿层下部为巴音戈壁组一段，上部为下白垩统乌兰苏海组，矿层横向延伸近30 km，矿层总厚度0～60 m。矿层共由103个钻孔控制，其中，巴格毛德矿区47个，呼和恰布矿区33个，查干套海矿区23个。通过对3个矿区施工钻孔所揭露油页岩矿层的地层综合柱状图进行对比，圈定出Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号3层油页岩矿层。各矿层埋深、形态、厚度、含油率及稳定类型等特征详见表1。

由表1可知，巴格毛德地区油页岩矿层主要呈层状产出，矿层较稳定，为大部可采矿层。矿层厚度为0～24.28 m，平均厚度为5.26 m。含油率为3.81%～10.60%，平均含油率为5.97%，属中等品质油页岩。矿层埋深为12.37～268.09 m，埋深较浅。

表1 巴格毛德地区油页岩矿层特征一览表Table 1 List of characteristics of oil shale deposits in Bagemaode area

3 油页岩岩石及矿物学特征

3.1 岩石学特征

巴格毛德地区油页岩颜色多呈深灰色、灰褐色、灰黑色。油页岩常与深灰色粉砂岩、粉砂质泥岩及炭质泥岩互层沉积，油页岩层之间多发育泥灰岩层，泥质结构，水平层理发育(图2)，呈薄页片状，也可见块状构造。硬度小，具油脂光泽，新鲜面指甲刻划出现光亮之油脂条痕，用小刀可削起卷屑，视密度多在2.0 g/cm3以上，一般为2.02～2.44 g/cm3，均值为2.20 g/cm3，密度较小，薄片或小块投入炉中可燃，燃烧散发较浓沥青味。页理面含丰富的叶肢介化石(图3)、藻类化石、碳屑、植物茎干化石及密集的介形虫化石。

图2 油页岩水平层理Fig.2 Horizontal bedding of oil shale

图3 叶肢介化石Fig.3 Fossils of leaf limbs

3.2 矿物学特征

根据2018年9—10月吉林大学在巴格毛德地区对油页岩进行的衍射矿物成分分析可知[8]，油页岩以石英、长石为主的陆源碎屑矿物和以伊蒙混层、伊利石为主的黏土矿物组成，还含有部分方解石和白云石。据统计，油页岩中石英平均含量为23.6%；长石类型以斜长石为主，含量相对较少，不足10%；方解石含量较低，但富含较多白云石，平均含量为14.7%。通过对油页岩黏土矿物定量分析表明，黏土矿物中伊蒙混层、伊利石的含量占绝对优势，平均含量分别为34.8%、12.3%，高岭石和绿泥石含量较少，均不足总量的2%。据油页岩扫描电镜和能谱分析资料可知，在扫描电镜下，油页岩中的各种矿物形态清晰可见，根据能谱可进一步确定陆源碎屑矿物石英、钾长石、钠长石、方解石、白云石等，以及伊蒙混层、伊利石、绿泥石等黏土矿物。其中，扫描电镜下石英呈柱状，方解石呈四面体形，晶型较好，伊利石为鳞片状。从矿物组成上来说，油页岩属含高硅高铝矿。

4 油页岩矿工业品质特征

1) 水分。根据巴格毛德地区施工钻孔样品测试中水分分析结果可知，水分为0.03%～6.93%，平均为2.42%，油页岩水分总体含量较低，有利于油页岩的综合利用。

2) 灰分。据该区钻孔样品灰分分析测试结果，油页岩灰分为64.00%～88.24%，平均78.18%，表明该地区油页岩属高灰分油页岩。而且，油页岩灰分越低，其相应的含油率就越高。

3) 挥发分。该区油页岩挥发分为13.49%～19.38%，平均值17.85%，属低挥发分油页岩。

4) 固定碳。该区油页岩固定碳为0.01%～20.41%，平均值1.45%，属低固定碳油页岩。

5) 全硫。该区油页岩全硫为0.01%～4.63%，平均0.70%，属低硫油页岩。

6) 发热量。该区油页岩发热量为1.35～9.45 MJ/kg，平均值4.17 MJ/kg，属低发热量油页岩。

7) 元素分析。据该区油页岩部分钻孔样品元素分析测试结果，油页岩矿层的元素组成中碳含量为26.79%～62.34%，平均53.52%，氢含量为3.99%～11.41%，平均6.97%，氮含量为0.97%～1.80%，平均1.27%，氧含量为21.91%～67.21%，平均34.61%。参照《油页岩有机化学成分分类》标准，碳含量<60%，氢含量<7.3%，油页岩品级属一级品。

8) 油页岩灰成分分析。根据该区油页岩灰成分分析结果可知，灰成分以SiO2为主，含量为36.07%～61.28%，平均50.90%，其次为Al2O3含量为12.40%～17.21%，平均15.20%，CaO含量为2.99%～22.18%，平均10.70%，Fe2O3含量为5.59%～8.79%，平均6.82%，少量MgO、K2O、SO3、Na2O、TiO2。

综上所述，该地区油页岩属低水分、高灰分、低挥发分、低发热量、低固定碳和低硫型油页岩，油页岩品级属一级品。油页岩灰成分以SiO2为主，其次为Al2O3、CaO、Fe2O3。

5 开发利用前景分析

油页岩开发利用最早可追溯到17世纪，在20世纪前油页岩主要用于生产煤油、灯油、石蜡、燃料油、润滑油、油脂和化学肥料等产品；20世纪随着汽车的出现，油页岩被作为运输燃料原料而大量开发，直到20世纪60年代原油的大量开采利用，油页岩作为主要能源矿物才退出历史舞台[4]。目前，油页岩的利用更加广泛，国内外对油页岩的开发利用主要有发电、取暖、提炼页岩油、制造水泥、生产化学药品、用作塑料制品掺合料、填充料、合成建筑材料以及研制土壤增肥剂等[5-7]。

5.1 油页岩开发利用条件

巴格毛德地区油页岩矿通过详查和勘探已查明油页岩资源量20.70亿t，平均含油率5.97%，油页岩油量1.24亿t。矿层埋藏较浅，油页岩矿层较稳定，区内构造、开采技术条件简单。同时，巴格毛德地区油页岩属中等品质油页岩，水分、硫分低，油质较好。此外，该区有新建公路直达，交通较为方便，具备较好的开发利用条件[8]。