頁岩油

頁巖油（Shale oil）是種非常規石油，由油頁巖的碎片透過熱裂解、氫化或是方式提煉而得。這些加工過程可把岩石中的有機物（油母質）轉化為合成燃料（油與氣）。產生的油可以立即當燃料使用，或是透過新增氫，和去除硫和氮等雜質來，以符合煉油廠的原料規格要求。頁巖油的精煉產品與常規原油的衍生產品相似。

“頁巖油” 這個名詞也用於描述從其他非常規、滲透率極低的地層頁巖中生產的原油。但為減少把從油頁巖提煉的頁巖油與含油頁巖中的原油混淆的風險，使用 “緻密油” 稱呼後者會更適合。 國際能源署建議以 “輕質緻密油（light tight oil）” 稱呼後者，的 2013 年世界能源資源報告，也稱含油岩石中的原油為 “緻密油”。

歷史

油頁巖是人類最早利用的礦物油之一。在公元 10 世紀，亞述人醫生首度描述一種從 “某種瀝青頁巖” 中提煉石油的方法。在 14 世紀初於瑞士和奧地利也有使用頁巖油的報導。18 世紀符騰堡王朝腓特烈一世 (符騰堡公爵) 的私人醫生在 1596 年將其治療特性記錄下。在 18 世紀之交，頁巖油在義大利摩德納用於街道的夜間照明之用。 英國王室於 1694 年授予三人一項專利，因為這些人 “找到一種方法，可從一種石頭中提取和製造大量的瀝青、焦油和石油。” 提煉出產品後來冠以 Betton's British Oil 之名銷售，據說這種乾餾物 “經罹患各種疼痛的人嘗試之後，獲益良多。” 現代的頁巖油開採業於 1830 年代在法國和 1840 年代在蘇格蘭建立。提煉而得的油被用作燃料，潤滑劑和燈油。第一次工業革命開始後，也產生對於照明的需求。這種油品成為當時日益稀缺和價格昂貴的替代品。

頁巖油開採作業於 19 世紀後期在澳大利亞、巴西和美國建立。中國、愛沙尼亞、紐西蘭、南非、西班牙、瑞典和瑞士則在 20 世紀初開始生產頁巖油。由於 20 世紀中葉在中東發現常規油田，導致油頁巖產業中的大部分進入停滯狀態，但愛沙尼亞和中國東北部仍持續開採，直到 21 世紀初。為應對世界在 21 世紀之交不斷上漲的石油價格，美國、中國、澳大利亞和約旦又重新啟動、探勘或是更新開採的作業。

開採和提煉過程

頁巖油是把油頁巖透過熱裂解、氫化或熱溶解而提煉出的產物。熱裂解是透過裝置於地上或巖層內的乾餾器進行。迄 2008 年，大多數油頁巖產業的做法是開採岩石，將之破碎，再運輸到乾餾廠提煉，但曾有過幾種在礦藏現場（In situ）執行的實驗生產過程。讓油母質分解成可用的碳氫化合物的溫度隨過程的時間尺度而變化；在地面乾餾過程中，油母質到 300°C (570°F) 時就開始分解，溫度越高，會進行更快、更完全。在 480 至 520°C（900 至 970°F）之間的溫度時的分解速度最快。

氫化和熱溶解（反應流體工藝）使用轉移氫化、溶劑或是兩者的組合來提煉。熱溶解的做法是在升高的溫度和壓力下加入溶劑，把溶解的有機物裂化，來增加油產量。不同的生產方法，產出具有不同特性的頁巖油。

衡量開採可行性的一個關鍵指標，是油頁巖產生的能量與其開採和加工過程中所需能量的比率，這種比率稱為 “”(EROEI)。 當 EROEI 為 2（即 2:1 比率）時，表示要生產 2 桶石油，必須燃燒 / 消耗 1 桶油的等量能量。在 1984 年所做的一項研究，估計各種已知油頁巖礦藏的 EROEI 落在 0.7–13.3 之間。最近的研究估計油頁巖的 EROEI 為 1-2:1 或是 2-16:1，取決於內部能源是否被計為成本，或僅將購買的能源計為輸入，而把內部能源排除在外。殼牌公司在 2006 年報告其在 “Mahogny 研究專案（參見）” 中，in situ 開採的 EROEI 可達到 3 到 4 之間。

乾餾過程中可提煉出的油量因油頁巖種類和使用的技術而異。位於美國科羅拉多州、懷俄明州及猶他州的中約 6 分之 1 的油頁巖具有相對較高的產量，每噸油頁巖可產出 25 至 100 美製加侖（95 至 379 升，或 21 至 83 英制加侖）頁巖油；約 3 分之 1 的油頁巖，每噸可產出約 10 至 25 美製加侖（38 至 95 升，8.3 至 20.8 英制加侖），10 美製加侖 / 噸相當於每 100 噸頁巖約產 3.4 噸石油。格林河地層中大約一半的油頁巖產量低於 10 美製加侖 / 噸。

全球主要頁巖油生產者均會公佈其商業運作產量。報告其每年從 660 萬噸頁巖中產出 30 萬噸頁巖油，按重量計，產量比為 4.5%。愛沙尼亞頁巖油控股公司聲稱每年從 200 萬噸頁巖中生產 250,000 噸石油，產量比為 13%。巴西石油在南聖馬特烏斯的工廠每天可從 6,200 噸頁巖中生產 550 噸石油，產量比為 9%。

屬性

提煉出的頁巖油特性會因母體油頁巖的成分和提煉技術而異。頁巖油是種複雜的碳氫化合物，具有傳統石油的整體特性。頁巖油通常含有大量的烯烴和芳香烴。頁巖油也含有大量的雜原子。典型的頁巖油成分含有 0.5-1% 的氧、1.5-2% 的氮和 0.15-1% 的硫，有些含有更多的雜原子，也經常包含礦物顆粒和金屬。通常其流動性低於常規原油，傾點溫度在 24 至 27°C（75 至 81°F），而傳統原油的傾點在 - 60 至 30°C（-76 至 86°F）），這種屬性影響到頁巖油在一般管道中的輸送能力。

頁巖油含有會致癌的多環芳香烴。頁巖油原油被描述為具有輕微的致癌潛力，與某些中間煉油產品相似，而經升級的頁巖油，致癌潛力會被降低，因為大多數多環芳烴被認為會經氫化而分解。世界衛生組織（WHO）把頁巖油列為第一類致癌物（參見致癌物質 #International Agency for Research on Cancer）。

升級

頁巖油原油可立即作燃料油使用，但許多其他應用須經升級後方可。這類原油有不同特性，在送往傳統煉油廠精煉之前需做相應的預（升級）處理。

原油中顆粒物會堵塞管道；所含的硫和氮會造成空氣汙染。硫和氮，以及可能存在的砷和鐵，也會破壞精煉時所用的催化劑。烯烴會形成不溶性的沉澱物，導致不穩定。油中的氧含量高於常規原油，有助於形成具有破壞性的自由基。可利用加氫脫硫和加氫脫氮（hydrodenitrogenation）來解決這類問題，並產生可與基準原油相媲美的產品。酚類可透過水萃法去除。透過新增氫（加氫裂解）或去除碳來調整氫碳比率，可把頁巖油原油升級為運輸用的燃料（重油）。

透過某些技術（例如）所生產的頁巖油無需進一步升級，即可當作油和酚類化合物原料使用。經由 Kiviter 工藝的餾出油也可用作石油衍生重油的，以及瀝青等材料的增粘新增劑。

用途

第二次世界大戰之前，大多數頁巖油都經升級，而用作運輸燃料使用。之後則用作化工中間體、純化學品和工業樹脂的原料，並用作鐵路枕木的防腐劑。截至 2008 年，頁巖油主要用作取暖油和船舶用燃料，有少數會用於各式化學品的生產。

頁巖油富含高沸點化合物，適合生產煤油、噴氣機燃料和柴油等中間餾分物。 進一步裂解可產生較輕的碳氫化合物（如汽油）。

“淺硫化頁巖油”(PSSO) 是種硫化和氨中和的變體，稱為 “Ichthammol”（化學物質：，在醫學上用作治療各種皮膚疾病的藥物）至今仍為人們使用。

儲量與產量

根據目前技術，全球可開採的油頁巖儲量估計約可生產 2.8 至 3.3 萬兆桶（450×109 至 520×109 立方米）頁巖油，其中美國的儲量最大，據信有 1.5-2.6 萬兆桶 (240×109–410×109 立方米). 估計 2008 年全球頁巖油產量為每天 17,700 桶（2,810 立方米 / 天）。主要生產國是中國（每天 7,600 桶（1,210 立方米 / 天））、愛沙尼亞（每天 6,300 桶 / 天（1,000 立方米 / 天））和巴西（3,800 桶 / 天（600 立方米 / 天））。

開採頁巖油因技術困難和成本高昂而受到阻礙。美國內政部土地管理局在 2011 年 3 月對科羅拉多州、猶他州和懷俄明州的商業開採提案提出質疑，稱 “對於開採頁巖油，目前尚無經濟上可行的商業模式”。美國能源資訊署（IEA）有時使用 “頁巖（緻密）油” 來指緻密油，“原油…… 直接從緻密油地層中生產”。 美國在 2021 年每天生產 723 萬桶此類緻密油，約佔美國原油總產量的 64%。IEA 有時也稱緻密油為 “頁巖油”，但包括從油頁巖中提煉的任何固體燃料。