隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源問(wèn)題顯得越來(lái)越重要，不斷增長(zhǎng)的世界能源需求迫使各國(guó)通過(guò)各種渠道解決自身的能源問(wèn)題，其中最重要的手段之一就是尋找補(bǔ)充與替代能源。天然氣作為一種清潔高效的能源，在世界能源需求中占有較大比重。非常規(guī)天然氣由于其巨大的資源潛力和經(jīng)濟(jì)效益而被各國(guó)政府、科研部門(mén)及能源公司所重視。
非常規(guī)天然氣是指儲(chǔ)量大、難以開(kāi)發(fā)，必須依靠大規(guī)模增產(chǎn)措施或者特殊的開(kāi)發(fā)方法以及先進(jìn)勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)才能以有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的產(chǎn)量生產(chǎn)的天然氣藏。通常所說(shuō)的非常規(guī)天然氣包括致密砂巖氣、煤層氣、頁(yè)巖氣、天然氣水合物(可燃冰)等。
隨著非常規(guī)天然氣在世界能源結(jié)構(gòu)中的比重逐步增大，各國(guó)能源科學(xué)家便開(kāi)始了對(duì)其勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的刻苦攻關(guān)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士生導(dǎo)師琚宜文教授就一直專(zhuān)注于該領(lǐng)域的探索，并始終走在學(xué)科的前沿。
開(kāi)發(fā)和利用煤層氣 一舉多得
煤層氣俗稱(chēng)瓦斯，又名煤層甲烷，是與煤伴生、共生的氣體資源，其主要成分為甲烷(CH4)，相對(duì)含量約為80%～99%，其次還有少量的 CO2、N2、H2、SO2、C2H6等氣體。瓦斯災(zāi)害頻發(fā)給我國(guó)煤礦安全開(kāi)采帶來(lái)嚴(yán)重困擾，但同時(shí)瓦斯又是一種相當(dāng)寶貴的天然氣資源。因此專(zhuān)家指出，開(kāi)發(fā)和利用煤層氣既可治理瓦斯，又可增加能源供應(yīng)，還可減少溫室氣體排放，一舉多得。
我國(guó)煤層氣資源豐富，儲(chǔ)量位居世界第三。煤炭地質(zhì)學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到，我國(guó)深部煤層氣資源量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于淺部，1000米以深的煤層氣資源量占煤層氣總資源量的61%。即使目前開(kāi)發(fā)程度最高的沁水盆地和鄂爾多斯盆地，埋深大于1000米的煤層氣地質(zhì)資源也分別占全盆地的47%和72%。然而，與淺部煤層不同，深部煤層具有高地壓、高地溫和低滲透性以及構(gòu)造變形復(fù)雜等特點(diǎn)，給煤與煤層氣開(kāi)采工作帶來(lái)了很大困難。
對(duì)此，在2012年11月6日，以“深部煤礦瓦斯災(zāi)害與煤層氣開(kāi)發(fā)重大基礎(chǔ)問(wèn)題”為主題的香山科學(xué)會(huì)議上，琚宜文在題為《我國(guó)構(gòu)造變形區(qū)深部煤層氣勘探開(kāi)發(fā)重要科學(xué)問(wèn)題》的中心議題評(píng)述報(bào)告中，指出在我國(guó)構(gòu)造變形區(qū)深部煤層尋找新的煤層氣開(kāi)發(fā)有利選區(qū)并取得突破是煤層氣產(chǎn)業(yè)化的迫切需要，進(jìn)一步精細(xì)探測(cè)富集高滲區(qū)以提高其產(chǎn)能與開(kāi)采效率也是煤層氣開(kāi)發(fā)中亟待解決的難題。
構(gòu)造變形區(qū)深部煤層氣開(kāi)發(fā)重要科學(xué)問(wèn)題主要包括四個(gè)方面：盆地演化過(guò)程中擠壓與伸展構(gòu)造的疊加方面;煤儲(chǔ)層變質(zhì)變形作用及脆韌性疊加與轉(zhuǎn)換方面;煤巖變形的微-納米結(jié)構(gòu)及其物性突變方面;儲(chǔ)層改造中儲(chǔ)集空間導(dǎo)通改造及多場(chǎng)動(dòng)力改變方面。前兩個(gè)方面主要涉及從宏觀角度尋找煤層氣開(kāi)發(fā)有利選區(qū)的問(wèn)題，后兩個(gè)方面是在煤層氣開(kāi)發(fā)有利區(qū)的基礎(chǔ)上從微觀角度研究煤層氣富集高滲的機(jī)理與開(kāi)發(fā)技術(shù)問(wèn)題。
琚宜文指出，要真正實(shí)現(xiàn)煤層氣的規(guī)�；彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展，除了埋藏較深、只能地面開(kāi)采的煤層氣以外，必須實(shí)行煤層氣地面開(kāi)采和煤礦井下抽采的聯(lián)合開(kāi)發(fā)，這是我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的模式和必由之路。
轉(zhuǎn)變頁(yè)巖氣開(kāi)采觀念 勢(shì)在必行
作為清潔能源，頁(yè)巖氣近年來(lái)越來(lái)越受到重視。先是2011年底，頁(yè)巖氣被列為獨(dú)立礦種，接著在2012年4月，《頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃(2011-2015年)》(下稱(chēng)《規(guī)劃》)出臺(tái)。同年7月13日，國(guó)土資源部發(fā)布《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)要求(試行)(征求意見(jiàn)稿)》，希望為下一步頁(yè)巖氣的實(shí)際開(kāi)發(fā)鋪平技術(shù)道路。
《規(guī)劃》提出，在“十二五”期間，基本完成全國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力調(diào)查與評(píng)價(jià)，初步掌握全國(guó)頁(yè)巖氣資源量及其分布，優(yōu)選30～50個(gè)頁(yè)巖氣遠(yuǎn)景區(qū)和 50～80個(gè)有利目標(biāo)區(qū);探明頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量6000億立方米，可采儲(chǔ)量2000億立方米。2015 年頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)65 億立方米等目標(biāo)。
“與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比，頁(yè)巖層具有極低的滲透性。在此以前我們是將其作為烴源巖和油氣資源的蓋層，并非作為儲(chǔ)集層。”琚宜文介紹說(shuō)。
頁(yè)巖氣是位于富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層及其夾層中的天然氣，以吸附和游離狀態(tài)存在于頁(yè)巖基質(zhì)或有機(jī)質(zhì)孔隙之中。據(jù)介紹，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)雖然產(chǎn)能低，但具有開(kāi)采壽命長(zhǎng)和生產(chǎn)周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于含氣頁(yè)巖分布范圍廣、厚度大，使得頁(yè)巖氣資源量巨大。也正因如此，頁(yè)巖氣井能夠長(zhǎng)期地以穩(wěn)定的速率產(chǎn)氣，開(kāi)采壽命通常可達(dá)30～50年，甚至可持續(xù)80年。
琚宜文表示，時(shí)至今日，國(guó)內(nèi)對(duì)于頁(yè)巖氣的基礎(chǔ)研究還談不上成為一個(gè)理論體系。他介紹，目前我國(guó)在頁(yè)巖方面的研究觀念有待轉(zhuǎn)變：將頁(yè)巖作為烴源巖、蓋層轉(zhuǎn)變?yōu)樽鳛閮?chǔ)層進(jìn)行研究，由單一非常規(guī)氣開(kāi)采轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N非常規(guī)氣共采、非常規(guī)氣與常規(guī)氣多氣共采進(jìn)行攻關(guān);頁(yè)巖氣富集機(jī)理研究沒(méi)有開(kāi)展：國(guó)內(nèi)前期主要側(cè)重對(duì)頁(yè)巖裂縫油氣藏研究，頁(yè)巖氣研究基礎(chǔ)薄弱，對(duì)富集機(jī)理、富集條件(主控因素)、富集模式及富集單元(體系)劃分原則沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)研究;缺乏技術(shù)創(chuàng)新研究：頁(yè)巖氣儲(chǔ)層納米孔隙系統(tǒng)導(dǎo)通技術(shù)、儲(chǔ)層裂隙再造技術(shù)、溫壓與滲流等多場(chǎng)改造技術(shù)沒(méi)有取得突破。琚宜文等人在國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，從頁(yè)巖氣源巖、生成與演化特征，儲(chǔ)集與分布特征，滲流與運(yùn)移特征等方面開(kāi)展研究并總結(jié)了頁(yè)巖氣的富集條件、富集特征以及與煤層氣的共性與差異性。
琚宜文還指出，我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與美國(guó)差別較大，主要表現(xiàn)在沉積環(huán)境不同，并經(jīng)歷了更加復(fù)雜的構(gòu)造變形。一些在美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)上已經(jīng)取得成功的技術(shù)和方法需要經(jīng)過(guò)修改才能應(yīng)用于我國(guó)。
探索盆山演化與非常規(guī)天然氣賦存
意義非凡
盆地中非常規(guī)天然氣的形成、運(yùn)移、聚集及其成藏與盆-山的統(tǒng)一演化動(dòng)力學(xué)過(guò)程和巖石圈深部作用具有密切的聯(lián)系，盆-山演化過(guò)程及其盆地演變的構(gòu)造-熱動(dòng)力學(xué)是研究非常規(guī)天然氣富集和分布的前提和關(guān)鍵。通過(guò)研究華北陸塊內(nèi)部及其周緣盆-山演化動(dòng)力學(xué)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)盆地構(gòu)造動(dòng)力直接制約著非常規(guī)天然氣(包括煤層氣和頁(yè)巖氣)的形成和其他烴類(lèi)成藏的條件、特點(diǎn)及分布規(guī)律。
琚宜文研究成果表明：華北陸塊的沁水盆地和兩淮煤田的構(gòu)造-熱動(dòng)力學(xué)條件是煤層氣富集的有利動(dòng)力學(xué)條件，擠壓作用/伸展作用轉(zhuǎn)換與疊加的構(gòu)造過(guò)渡帶是煤層氣富集高滲的有利構(gòu)造單元。沁水盆地和兩淮煤田處于不同構(gòu)造-熱動(dòng)力學(xué)環(huán)境，其動(dòng)力學(xué)機(jī)制有明顯的區(qū)別：沁水盆地煤層氣賦存特征是煤的變質(zhì)程度高、變形程度弱，有利于煤層氣富集卻不利于煤層氣的滲透，之后擠壓構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的轉(zhuǎn)換增加了煤儲(chǔ)層的構(gòu)造裂隙，從而有利于煤層氣的滲流和開(kāi)采;兩淮煤田強(qiáng)構(gòu)造變形作用形成不同類(lèi)型的構(gòu)造煤，有利于煤層氣的富集，而后期擠壓應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)化為拉張性應(yīng)力場(chǎng)，有利于煤層氣的增滲作用，因此，可在構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)尋找煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的有利區(qū)域。
琚宜文對(duì)盆山演化與非常規(guī)天然氣的探索，不僅充分揭示了煤層氣富集特點(diǎn)，闡明了盆地構(gòu)造-熱動(dòng)力演化與非常規(guī)天然氣賦存關(guān)系，而且能夠指導(dǎo)復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣和頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)，具有重要的理論價(jià)值及應(yīng)用意義。
發(fā)布信息
