油页岩开采环境影响及其研究进展

胡舒娅 孙兆霞 李晴宇 韩希然 赵全升 肖长来 梁秀娟

(1.青岛大学环境科学与工程学院；
2.吉林大学地球科学学院；
3.吉林大学新能源与环境学院)

随着社会经济的发展，非常规油气资源的开发利用逐渐受到重视[1-2]。油页岩是一种富含有机质的高灰分沉积岩，发热量一般大于4 186.8 kJ，灰分含量超过40%，含油率大于3.5%[3]。通过无氧干馏，油页岩中的干酪根热解出页岩油，可直接作为燃料或经过加工处理生产柴油、汽油等。世界油页岩资源储量非常丰富，约有1×1013t，折算成页岩油约达4.5×1011t[4]，是石油资源储量的4倍[5]。作为一种重要的替代能源，油页岩以其巨大的储量、丰富的综合利用层次引起了全世界的关注[6-7]。

油页岩主要有两种开发方式：地面干馏(异位开采)和原位开采[8]。地面干馏是指油页岩经井下或露天开采至地面，再破碎筛分至所需粒度，由室内干馏炉加热干馏后生成页岩油或直接用于燃烧发电，其开发利用技术已较为成熟[9]。原位开采是通过热传导或热辐射等方式直接对地下油页岩层进行加热，使油页岩在地下裂解生成油气后通过开采井采出[10-12]。油页岩原位开采不需要进行采矿、运输及矿石的加工，直接对地下油页岩层进行加热，再将热解后的油气采出[13-14]。原位开采是油页岩工业化开采的发展趋势，大型能源公司及科研机构已相继开展了油页岩原位开采技术的研究[10-12，15-17]。

随着油页岩工业的发展及开采规模的扩大，油页岩开采带来的环境挑战不断增加，对油页岩开采造成的环境问题的研究也在逐步深入。本文通过回顾相关研究，总结该领域所面临的机遇与挑战，为油页岩开采过程中的环境保护问题提供新的理论依据和技术支持。

油页岩是一种复杂的高灰分有机质矿物，由无机矿物质和有机物质组成。无机物质有硅酸铝、氢氧化铁、方解石、石膏、黄铁矿等[18-20]。不同地域的油页岩，因物理、化学性质的差异，其矿物组成也不同[21]。

油页岩中有机物质由沥青和不溶于有机溶剂的干酪根组成，有机元素主要包括碳、氢、氧、氮、硫等[22]。不同地区油页岩不仅在有机元素组成上存在差异(表1)，其热解温度和热解产物组分也不尽相同。

表1 油页岩矿物组分 %

油页岩热解产物较为复杂，包括烷烃、烯烃、芳烃等烃类，以及苯系物、吡啶、腈等非烃类[23]，其热解产生页岩油的温度一般为350～600℃(表2)。研究发现桦甸油页岩在430，470，520℃时页岩油的产率分别为5.93%，10.90%，21.59%[24]。王军等[25]的研究发现随着热解温度的升高油页岩裂解程度加深，有机质分解加剧，气体产物的产率不断增加，而液体产物的产率则在530℃之后出现下降趋势，即部分液体产物二次裂解生成较小的气态分子。

表2 油页岩热解温度和阶段 ℃

油页岩地面干馏对环境的污染是综合性的，无论是在开采过程中对生态环境的破坏，还是油页岩热解过程中排放的废水、废气(二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、氯化氢、氟化氢、二噁英等)均会产生一系列的环境问题。并且高温炼油或燃烧处理后产生的油页岩灰渣仍具有较大环境风险，油页岩热解残渣在堆放与堆埋过程中极易被风化、氧化，经过雨水的淋滤后，其中的有害金属元素，烷烃、烯烃、多环芳烃等烃类物质以及苯系物、酚类等非烃类有机物质被雨水冲刷溶出，随着溶出液渗入到浅层地下水及其周围土壤或流入地表水体中，使水体的酸碱度、有机物浓度以及阴阳离子浓度等发生改变，对周围的地表水、土壤和地下水产生严重影响[26]。目前页岩油的主要生产国均在不同程度上受到油页岩开采带来的环境污染。

爱沙尼亚是世界上油页岩开发利用最多的国家，大量开采油页岩对周围环境影响很大，不仅使当地生态系统严重恶化、大气流高速碱化、森林退化等，也给周边国家尤其是芬兰和俄罗斯带来明显影响，使得芬兰和俄罗斯地区大气中的Ca、Al及微量元素浓度升高，沉降物覆盖了25%的苔藓植被叶子，甚至出现了地衣沙漠[27]。Erg[28]和Perens等[29]对爱沙尼亚东北地区油页岩矿区水位、水量、水质及地下水流场进行了研究，建立了该地区的水文地质模型，同时指出爱沙尼亚油页岩开采区地下水中含有大量的硫化物和硫酸盐物质。Gross等[30]对油页岩采矿区地下水进行水质检测分析，发现周边地下水中苯系物普遍超标，Michael等[31]的研究同样也发现油页岩的开采导致地下水中TDS、苯系物、酚类、多环芳烃类均超标。除对油页岩开采区地下水质量的调查研究外，也有研究从地面稳定性、景观特性、采矿废物管理、资源利用、采矿损失、水量管理、噪声污染和尘埃污染8个方面对爱沙尼亚油页岩开采造成的环境影响进行了系统分析[32]。

巴西是油页岩资源储量大国，是油页岩开采第二大国。Alegrei等[33]调查发现巴西油页岩采矿区周围地下水呈碱性，主要有机污染物为苯系物(甲苯、乙苯和二甲苯等)，酚的化合物(苯酚、萘酚、苯胺和吡啶等)等非烃类有机物。美国虽然没有大规模开发油页岩，但在油页岩工业对环境的污染及治理方面的研究从未间断。1979年美国学者提出在油页岩开采前应进行环境影响评估，并提出计划解决开发过程中的环境问题[34]。

二战期间德国开始进行油页岩原位开采技术的研究，而后能源公司及科研机构也相继进行了大量卓有成效地相关研究[47-49]。目前油页岩原位开采工艺多达数十种，如壳牌公司的ICP技术，埃克森美孚公司的Electrofrac TM技术，雪弗龙公司和Los Alamos国家实验室的CRUSH技术，Raytheon公司的RF/CF技术，太原理工大学的对流加热技术等。不同油页岩原位开采技术原理基本相似，一般开采步骤为：①通过水力或高温气体等对油页岩层进行压裂，既增大热源与油页岩接触面积，又增加油页岩层孔隙度和渗透率，利于油气采集；
②将高温流体或导电材料通入油页岩层，并使其热解产生页岩油；
③通过开采井将生成的热解油气采出，进行水、油、气分离[50-52]。每种技术都是尽可能提高油页岩的渗透性以提高采油率，但高温加热使油页岩内有机质发生复杂的物理、化学反应和矿物质转化，油页岩内部产生大量的孔隙、裂隙，增大了油页岩层的孔隙度和渗透性[23，53-54]。原位热解使油页岩层由通常的隔水层或弱透水层，逐渐演变成为可透水层。天然条件下，地下水中有机污染物的含量较少，但当含油地层与含水层产生水力联系时，地下水中污染物也会发生相应的变化[55]。

油页岩原位开采工艺虽多，但目前都处于试验阶段，其对环境的影响研究多采用计算机或实验模拟的方法。针对原位开采过程中热解油气排放产生的污染问题，Brandt[53]以美国绿河地区油页岩原位开采为例，模拟了ICP技术中温室气体的排放量，与传统石油燃烧的排放量相比，其温室气体量约增加21%～47%。张凤君等[56]认为油页岩原位开采过程中采用的高温高压技术可能使部分有毒气体沿地质裂缝、输送管道接口及破损处泄漏，并以 H2S、苯、甲苯为风险评价因子，通过计算分析其开采过程中的泄漏量对开采区大气环境进行了风险评估。

从地球表层到地球深部，水-岩相互作用无处不在，地下水与周围岩土接触过程中不断发生复杂的水-岩相互作用，改变围岩及地下水自身的化学成分[57]，基于此，有学者认为油页岩层中水-岩相互作用溶液对地下水构成潜在污染风险，并开展了系列试验研究。如Amy[58]通过开展系列室内连续过柱淋洗实验，对原位热解废油页岩中淋洗出的有机物组分进行分析，辨明沥出液中有机污染物会使开采区范围内地下水质量严重恶化。姜雪等[59]利用300℃和500℃热解后的扶余市油页岩热解灰渣，进行了室温条件下的浸泡试验，发现加热至300℃的油页岩灰渣中释放的烃类物质最多，且烃类物质在水中的释放时间小于3 d，而后随着反应时间的增加，溶液中C10～C20浓度并未发生明显的变化。邱淑伟等[60]采用纯水对农安、扶余、桦甸、抚顺、梅河口5个地区油页岩进行了为期一年的室温浸泡试验，发现干酪根热解会产生大量有机酸，使反应水溶液逐渐变为酸性，地下水化学类型向硫酸型转化。Hu等[22]以农安地区油页岩为研究对象进行了水-油页岩/油页岩灰渣在100，80，50，20℃反应条件下的相互作用试验，发现随着反应温度的升高，水-油页岩反应溶液中总石油烃类(TPH)含量呈现逐渐升高的趋势，而水-油页岩灰渣溶液中TPH含量受温度的影响较小。相关研究多是采用常温超纯水浸泡的方式，较少考虑温度、压力等因素的影响。Ma等[61]通过高温高压反应釜对柳树河盆地油页岩样品进行了水热模拟实验，发现水对油页岩热解有催化作用，相比不饱水情况下的热解温度，饱水条件下的热解温度要低70℃。但其研究主要是从油页岩热解生烃效率等方面进行考虑，并未对水溶液中有机质含量进行测试分析，也未考虑反应溶液对地下水环境的污染问题。目前水-岩相互作用研究较少涉及极端温度、压力和酸碱条件，相关实验研究仍然薄弱[62-64]，而原位开采过程中水-岩相互作用与常温常压环境下有所不同，高温高压环境下水-油页岩相互作用过程亟待进一步深入研究。

油页岩原位开采造成的环境问题一方面是对地层结构的破坏，使地质结构出现垮落、裂缝及弯曲变形，对含水介质层的导水、储水、阻水能力产生影响，使地下水环境系统水动力驱动层发生变化。另一方面是对地下环境尤其地下水环境质量的影响，热解水、油、气等有机物的运移造成的直接污染，同时由于高温加热造成地层中温度场的重新分布，地层水-岩间强烈的相互作用也会对地下水质造成一定影响，Hu等据此构建了油页岩原位开采对地下水环境影响的研究模型(图1)[65]。

图1 油页岩原位开采对地下水环境影响的研究模型

针对地层结构破坏方面的影响研究，姜雪等[59]利用点荷载实验，对油页岩加热前后的抗拉强度、抗压强度、黏聚力、内摩擦角等进行了测定，发现热解后油页岩力学性质明显衰减，岩体内部应力会重新分布。同时以吉林扶余油页岩原位热解开采示范区为例，分析了采用ICP技术开采油页岩对地下水环境造成的影响，发现ICP技术不可避免地影响上部潜水和承压水，并改变温度场、流场及地下水化学场，最终使水量和水质在一定区域内发生变化。Hu等[65]通过建立的一种油页岩原位开采对地下水环境影响实验室模拟系统，以吉林农安“国家油页岩原位开采先导试验工程”为例，从油页岩热解过程中地层温度场、压力场变化及地层结构损伤特征3个方面论述油页岩原位开采对含水层系统的扰动特征。

针对油页岩原位开采过程中温度场变化的相关研究较多，主要集中于理论计算和数值模拟方面，如薛晋霞[66]建立了油页岩电加热的瞬态数学模型，杨栋等[67]模拟了油页岩电加热过程并建立了不同加热时间下的温度场变化，李强[68]基于岩体的热传导方程模拟ICP技术热解油页岩的温度场变化。少量研究结合油页岩原位模拟装置开展室内实验模拟，如李术元等[69]利用油页岩热解反应装置研究了油页岩内部温度的分布情况。

页岩油厂和有关科研单位在油页岩异位开采过程中在环境监测、“三废”治理与资源的综合利用等方面开展了系列工作[9]，如抚顺石油一厂将氨含量为3～5 g/L的污水用作氨吸收过程中硫酸铵循环母液的补充水，每天节水超过1 300 t，压缩了污水排放量；
抚顺石油研究所采用压力溶气浮选法对含油污水进行处理，除油率可达90%以上[70]；
抚顺石油炼制研究所和茂名石油工业公司等相继进行了溶剂萃取法回收污水中酚类化合物的研究，对污水中酚类化合物进行回收[71]；
抚顺石油一厂采用离心分离干化的方法，将离心出的干渣重回干馏炉回炼处理，不仅增加了页岩油提取率，还减轻了环境污染[36]。尽管如此，异位开采过程中仍不可避免地对大气、水体、土壤和地表植被等产生污染，如何开发油页岩灰渣的高效利用途径，解决油页岩灰渣二次污染问题是现阶段面临的技术屏障。目前，国内外油页岩原位开采技术大多处于实验研究和数值模拟阶段，开采过程中的环境保护工作也刚刚起步。总体来说，原位开采可采取的环境保护措施有：①在加工、精制、利用过程中，减少页岩油的漏失，密切注意出现的渗漏对水体和土壤的污染，提高采收率；
②建立与油页岩工业相关的监测系统，以观测油页岩工业排放造成的大气、土壤、水体及植被、人体健康等方面的影响，指导工业生产等；
③注重油页岩开发利用整个生命周期的环境影响研究，定量分析对不同生态要素的环境影响。

油页岩作为一种重要的替代能源，在能源供给中有不可估量的作用。世界主要页岩油生产国均在不同程度上受到油页岩开采带来的环境污染，大规模开发油页岩带来的环境问题不可忽视。地面干馏油页岩造成的环境污染问题已有较系统的研究成果，现阶段最大的技术屏障是如何开发油页岩灰渣的高效利用途径，解决油页岩灰渣二次污染问题。目前油页岩原位开采的工艺较多，未进行大规模工业开采，油页岩原位开采相关的环境影响研究刚刚起步，应注重油页岩开发利用整个生命周期的环境影响研究，定量分析对不同生态要素的环境影响。