隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源問題顯得越來越重要，不斷增長的世界能源需求迫使各國通過各種渠道解決自身的能源問題，其中最重要的手段之一就是尋找補充與替代能源。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)濟效益而被各國政府、科研部門及能源公司所重視。
非常規(guī)天然氣是指儲量大、難以開發(fā)，必須依靠大規(guī)模增產(chǎn)措施或者特殊的開發(fā)方法以及先進勘探開發(fā)技術(shù)才能以有經(jīng)濟價值的產(chǎn)量生產(chǎn)的天然氣藏。通常所說的非常規(guī)天然氣包括致密砂巖氣、煤層氣、頁巖氣、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，各國能源科學家便開始了對其勘探開發(fā)技術(shù)的刻苦攻關(guān)，中國科學院大學博士生導師琚宜文教授就一直專注于該領(lǐng)域的探索，并始終走在學科的前沿。
開發(fā)和利用煤層氣 一舉多得
煤層氣俗稱瓦斯，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)給我國煤礦安全開采帶來嚴重困擾，但同時瓦斯又是一種相當寶貴的天然氣資源。因此專家指出，開發(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。
我國煤層氣資源豐富，儲量位居世界第三。煤炭地質(zhì)學家逐漸認識到，我國深部煤層氣資源量遠遠大于淺部，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，給煤與煤層氣開采工作帶來了很大困難。
對此，在2012年11月6日，以“深部煤礦瓦斯災(zāi)害與煤層氣開發(fā)重大基礎(chǔ)問題”為主題的香山科學會議上，琚宜文在題為《我國構(gòu)造變形區(qū)深部煤層氣勘探開發(fā)重要科學問題》的中心議題評述報告中，指出在我國構(gòu)造變形區(qū)深部煤層尋找新的煤層氣開發(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，進一步精細探測富集高滲區(qū)以提高其產(chǎn)能與開采效率也是煤層氣開發(fā)中亟待解決的難題。
構(gòu)造變形區(qū)深部煤層氣開發(fā)重要科學問題主要包括四個方面：盆地演化過程中擠壓與伸展構(gòu)造的疊加方面;煤儲層變質(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;儲層改造中儲集空間導通改造及多場動力改變方面。前兩個方面主要涉及從宏觀角度尋找煤層氣開發(fā)有利選區(qū)的問題，后兩個方面是在煤層氣開發(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理與開發(fā)技術(shù)問題。
琚宜文指出，要真正實現(xiàn)煤層氣的規(guī)�；彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展，除了埋藏較深、只能地面開采的煤層氣以外，必須實行煤層氣地面開采和煤礦井下抽采的聯(lián)合開發(fā)，這是我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的模式和必由之路。
轉(zhuǎn)變頁巖氣開采觀念 勢在必行
作為清潔能源，頁巖氣近年來越來越受到重視。先是2011年底，頁巖氣被列為獨立礦種，接著在2012年4月，《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2011-2015年)》(下稱《規(guī)劃》)出臺。同年7月13日，國土資源部發(fā)布《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術(shù)要求(試行)(征求意見稿)》，希望為下一步頁巖氣的實際開發(fā)鋪平技術(shù)道路。
《規(guī)劃》提出，在“十二五”期間，基本完成全國頁巖氣資源潛力調(diào)查與評價，初步掌握全國頁巖氣資源量及其分布，優(yōu)選30～50個頁巖氣遠景區(qū)和 50～80個有利目標區(qū);探明頁巖氣地質(zhì)儲量6000億立方米，可采儲量2000億立方米。2015 年頁巖氣產(chǎn)量達65 億立方米等目標。
“與常規(guī)油氣儲層相比，頁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，并非作為儲集層。”琚宜文介紹說。
頁巖氣是位于富含有機質(zhì)頁巖層及其夾層中的天然氣，以吸附和游離狀態(tài)存在于頁巖基質(zhì)或有機質(zhì)孔隙之中。據(jù)介紹，頁巖氣開發(fā)雖然產(chǎn)能低，但具有開采壽命長和生產(chǎn)周期長的優(yōu)點，同時由于含氣頁巖分布范圍廣、厚度大，使得頁巖氣資源量巨大。也正因如此，頁巖氣井能夠長期地以穩(wěn)定的速率產(chǎn)氣，開采壽命通�？蛇_30～50年，甚至可持續(xù)80年。
琚宜文表示，時至今日，國內(nèi)對于頁巖氣的基礎(chǔ)研究還談不上成為一個理論體系。他介紹，目前我國在頁巖方面的研究觀念有待轉(zhuǎn)變：將頁巖作為烴源巖、蓋層轉(zhuǎn)變?yōu)樽鳛閮舆M行研究，由單一非常規(guī)氣開采轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N非常規(guī)氣共采、非常規(guī)氣與常規(guī)氣多氣共采進行攻關(guān);頁巖氣富集機理研究沒有開展：國內(nèi)前期主要側(cè)重對頁巖裂縫油氣藏研究，頁巖氣研究基礎(chǔ)薄弱，對富集機理、富集條件(主控因素)、富集模式及富集單元(體系)劃分原則沒有進行系統(tǒng)研究;缺乏技術(shù)創(chuàng)新研究：頁巖氣儲層納米孔隙系統(tǒng)導通技術(shù)、儲層裂隙再造技術(shù)、溫壓與滲流等多場改造技術(shù)沒有取得突破。琚宜文等人在國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，從頁巖氣源巖、生成與演化特征，儲集與分布特征，滲流與運移特征等方面開展研究并總結(jié)了頁巖氣的富集條件、富集特征以及與煤層氣的共性與差異性。
琚宜文還指出，我國頁巖氣儲層與美國差別較大，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。一些在美國頁巖氣開發(fā)上已經(jīng)取得成功的技術(shù)和方法需要經(jīng)過修改才能應(yīng)用于我國。
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、運移、聚集及其成藏與盆-山的統(tǒng)一演化動力學過程和巖石圈深部作用具有密切的聯(lián)系，盆-山演化過程及其盆地演變的構(gòu)造-熱動力學是研究非常規(guī)天然氣富集和分布的前提和關(guān)鍵。通過研究華北陸塊內(nèi)部及其周緣盆-山演化動力學過程，發(fā)現(xiàn)盆地構(gòu)造動力直接制約著非常規(guī)天然氣(包括煤層氣和頁巖氣)的形成和其他烴類成藏的條件、特點及分布規(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-熱動力學條件是煤層氣富集的有利動力學條件，擠壓作用/伸展作用轉(zhuǎn)換與疊加的構(gòu)造過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-熱動力學環(huán)境，其動力學機制有明顯的區(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)力場的轉(zhuǎn)換增加了煤儲層的構(gòu)造裂隙，從而有利于煤層氣的滲流和開采;兩淮煤田強構(gòu)造變形作用形成不同類型的構(gòu)造煤，有利于煤層氣的富集，而后期擠壓應(yīng)力場轉(zhuǎn)化為拉張性應(yīng)力場，有利于煤層氣的增滲作用，因此，可在構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)尋找煤層氣勘探開發(fā)的有利區(qū)域。
琚宜文對盆山演化與非常規(guī)天然氣的探索，不僅充分揭示了煤層氣富集特點，闡明了盆地構(gòu)造-熱動力演化與非常規(guī)天然氣賦存關(guān)系，而且能夠指導復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層氣和頁巖氣的勘探開發(fā)，具有重要的理論價值及應(yīng)用意義。
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