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非常规天然气资源的勘探开发

    目前全球能源资源的日益紧张,越来越多的国家意识到非常规天然气已成为当今新能源发展的重要方向,降低技术成本和管理成本是非常规天然气开发利用的关键。目前,美国的非常规天然气开采已经形成了完整、成熟的技术体系,拥有多项低成本技术。我国已经初步形成了煤层气勘探开发配套技术,近一两年可能将实现重大突破。数据显示,世界非常规天然气资源量约为常规天然气资源量的4.56倍;我国非常规天然气资源总量是常规天然气资源量的5.01倍,主要为致密砂岩气。目前全球非常规天然气资源产量已经迅速上升到3,242亿立方米,成为一支不容忽视的能源力量。非常规能源作为最现实的低碳资源。技术成熟后,非常规能源可以转化为常规能源开发。

    如果说煤炭是高碳资源、石油是中碳资源,非常规能源就是最现实的低碳资源。因其具有低碳、洁净、绿色、低污染的特性,开发技术日益成熟,已成为当今新能源发展的重要方向。1.煤层气“煤层气属于非常规天然气。”中国地质大学的杨起院士这样说:“首先,煤矿中的这种气体,即“煤矿瓦斯”容易爆炸,严重威胁矿井工作人员的安全;其次,这种气体可以作为新的接替能源加以开发利用;再次,采煤产生的煤层气甲烷排放到大气中引起温室效应,污染环境。开发利用煤层气具有社会、经济与环保方面极其重要的意义。如果在采煤之前先采出煤层气回收利用,不仅增加新的能源,而且煤矿生产中的瓦斯将大大降低,减少瓦斯爆炸事故的发生,有效地改善煤矿安全,改善环境,降低采煤的成本。”煤层气主要成分(通常占90%以上)是甲烷(CH?)。在常温下其热值为34—37兆焦/每立方米(MJ/M?)与天然气的热值相当,,是一种很好的高效清洁气体原料。甲烷是造成环境温室效应的三种主要气体(甲烷、二氧化碳和氟利昂)之一,其温室效应很强,比二氧化碳作用大20倍(另一说法为10倍)。甲烷排入大气,不仅因其温室效应将引起气候异常,而且还消耗大气平流层的臭氧,它对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍,削弱了地球对太阳紫外线侵袭的防护作用,危害人类健康。我国每年因采煤向大气排放的甲烷量占世界采煤排放甲烷总量的三分之一,引起了世界的普遍关注。《京都议定书》中规定了各国的温室气体减排量,应该说我国对煤炭生产进行治理迫在眉睫。长期以来,为了避免瓦斯爆炸事故而采取的最主要方法是“通风”,即向矿井内鼓入大量空气,把矿井中的煤层气排出放空。现在我国已有一些煤矿企业将抽放出的煤矿瓦斯作为能源利用,是变害为利的重要措施。我国煤层气储量和开发利用现状是怎样的呢?截止目前我国已探明煤层气地质储量1023.08×108m,其中以地面开发为主探明储量754.44×108m,矿井抽放为主探明储量268.64×108m。

    我国煤层气开发利用起步较晚,其发展大体可分为三个阶段:

    第一阶段(20世纪50-70年代末):为减少煤矿矿井瓦斯灾害的井下抽放与利用阶段,这一阶段所抽放的瓦斯基本上都被排到大气中,很少对其进行利用。
    第二阶段(20世纪70年代末-90年代初):为煤层气勘探开发试验初期和煤层气井下抽放利用阶段。我国先后在抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿等矿区地面钻孔40余个,并且进行了水力压裂试验和研究。同时,大量的煤层气井下抽放和利用项目进一步展开。至1993年,井下抽放系统年抽放量达4×108m,部分地区已开始将其用于工业和民用取暖。
    第三阶段(20世纪90年代初开始至今)为煤层气的勘探开采试验全面展开和井下规模抽放利用阶段。这一阶段开始引进国外煤层气开发技术,开展了煤层气的勘探试验,取得了实质性突破。煤炭、地矿、石油系统和部分地方政府积极参与此项工作,许多国外公司如美国Texaco、Arco、Phillips、Greka石油公司及澳大利亚的Lowell石油公司等也积极投资在中国进行煤层气勘探试验。中国煤层气地面勘探工作开始于1989年,到目前为止已在12个省、自治区登记了64个煤层气勘探区块,勘探区块总面积为81810.3km。其中,具有煤层气商业化开发前景的十大重要勘探区块是沁水盆地南部、沁水盆地北部、大宁-吉县区块、陕西韩城区块、神府-保德区块、阜新盆地、宁武盆地、准噶尔盆地、恩洪-老厂区块及沈北-铁法地区。在我国未来几十年内天然气将获得飞速的发展。西气东输是煤层气产业发展的一次难得的历史机遇,根据“西气东输”工程的供气能力和设计年限估算,需要1万亿立方米的天然气地质储量作保证,但目前常规天然气地质探明储量仅7000亿立方米左右,急需补充气源,煤层气作为非常规天然气,其成分95%以上是甲烷,完全可以与天然气混输、混用。同时“西气东输”管线经过的地区也是煤层气资源富集的地区,塔北、鄂尔多斯盆地、沁水盆地、太行山东、豫西、徐淮和淮南等煤层气富集带,总资源量近14万亿立方米,而且管线经过的沁水大型煤层气田,已经获得煤层气探明储量,在短期内优先开发这些地区的煤层气资源最具有现实性和可行性。煤层气产业是一项庞大的系统工程,建设一个煤层气生产基地,除了带动运输、钢铁、水泥、化工、电力、生活服务等相关产业的发展外,也将带动下游相关产业的发展,如煤层气的管道运输、家用煤层气的供应、气体燃料汽车和化工产品的开发等,还能推动本行业的相关技术、科研等产业,促进整个产业的良性发展,如钻机、煤层气抽采及输送设备、监测监控设备、煤层气发电设备、利用煤层气生产化工原料设备等产业。据此,我国煤层气产业一旦形成和发展起来,将给相关产业带来巨大的发展机会和经济效益。

页岩气,是从页岩层中开采出来的天然气,是一种重要的非常规天然气资源。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点,往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。较常规天然气相比,页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点,大部分产气页岩分布范围广、厚度大,且普遍含气,这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。

页岩气是从页岩层中开采出来的天然气,主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气,它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态(大约50%)存在于裂缝、孔隙及其它储集空间,以吸附状态(大约50%)存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面,极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中为天然气生成之后,在源岩层内的就近聚集表现为典型的原地成藏模式,与油页岩、油砂、地沥青等差别较大。与常规储层气藏不同,页岩既是天然气生成的源岩,也是聚集和保存天然气的储层和盖层。因此,有机质含量高的黑色页岩、高碳泥岩等常是最好的页岩气发育条件。页岩气发育具有广泛的地质意义,存在于几乎所有的盆地中,只是由于埋藏深度、含气饱和度等差别较大分别具有不同的工业价值。

    中国传统意义上的泥页岩裂隙气、泥页岩油气藏、泥岩裂缝油气藏、裂缝性油气藏等大致与此相当,但其中没有考虑吸附作用机理也不考虑其中天然气的原生属性,并在主体上理解为聚集于泥页岩裂缝中的游离相油气。因此属于不完整意义上的页岩气。因此,中国的泥页岩裂缝性油气藏概念与美国现今的页岩气内涵并不完全相同,分别在烃类的物质内容、储存相态、来源特点及成分组成等方面存在较大差异。中国主要盆地和地区页岩气资源量约为15万亿-30万亿立方米,与美国28.3万亿立方米大致相当,经济价值巨大。另一方面,生产周期长也是页岩气的显著特点。页岩气田开采寿命一般可达30~50年,甚至更长。美国联邦地质调查局最新数据显示,美国沃思堡盆地Barnett页岩气田开采寿命可达80~100年。开采寿命长,就意味着可开发利用的价值大,这也决定了它的发展潜力。

    中国许多盆地发育有多套煤系及暗色泥、页岩地层,互层分布大套的致密砂岩存在根缘气、页岩气发育有利条件,不同规模的天然气发现,但目前尚未在大面积区域内实现天然气勘探的进一突破。资料显示,中国南方海相页岩地层可能是页岩气的主要富集地区。除此之外,松辽、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔等陆相沉积盆地的页岩地层也有页岩气富集的基础和条件。重庆綦江、万盛、南川、武隆、彭水、酉阳、秀山和巫溪等区县是页岩气资源最有利的成矿区带,因此被确定为首批实地勘查工作目标区。页岩气藏的储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征,气流的阻力比常规天然气大,所有的井都需要实施储层压裂改造才能开采出来,开采难度很大。较为先进的有空气钻机技术。

    天然气水合物因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧,所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。它自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下,1单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体,因而其是一种重要的潜在未来资源。
    19世纪30年代初,人们开始注意到天然气输气管线中形成的天然气水合物。因为水合物造成的天然气输气管道堵塞问题给天然气工业带来许多麻烦。1934年,前苏联在西伯利亚地区被堵塞的天然气输气管道里首先发现了天然气水合物。同年,美国学者Hammerschmidt发表了水合物造成天然气输气管线堵塞的有关数据,人们开始更加详细地研究天然气水合物和它的性质。可燃冰由海洋板块活动而成。当海洋板块下沉时,较古老的海底地壳会下沉到地球内部,海底石油和天然气便随板块的边缘涌上表面。当接触到冰冷的海水和在深海压力下,天然气与海水产生化学作用,就形成水合物。科学家估计,海底可燃冰分布的范围约占海洋总面积的10%,相当于4000万平方公里,是迄今为止海底最具价值的矿产资源,足够人类使用1000年。“可燃冰”的形成有三个基本条件:首先温度不能太高,在零度以上可以生成,0-10℃为宜,最高限是20℃左右,过高会引起分解。第二要有足够压力,但不能太大,0℃时,30个大气压以上它就可能生成。第三,地底要有气源。因为,在陆地只有西伯利亚的永久冻土层才具备形成条件和使之保持稳定的固态,而海洋深层300-500米的沉积物中都可能具备这样的低温高压条件。因此,其分布的陆海比例为1∶100。有天然气的地方不一定都有“可燃冰”,因为它的形成除了压力主要还在于低温,所以一般在冰土带的地方较多。长期以来,有人认为我国的海域纬度较低,不可能存在“可燃冰”,而实际上我国东海、南海都具备生成条件。我国东海,南海天然气水合物资源量极为丰富。

    我国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量,约相当我国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。东海盆地面积达25万平方公里。经20年勘测,该盆地已获得1484亿立方米天然气探明加控制储量。中国工程院院士、海洋专家金翔龙带领的课题组根据天然气水化物存在的必备条件,在东海找出了“可燃冰”存在的温度和压力范围,并根据地温梯度、结合东海地质条件,勾画出“可燃冰”的分布区域,计算出它的稳定带的厚度,对资源量做了初步评估,得出“蕴藏量很可观”结论。这为周边地区在新世纪使用高效新能源开辟了更广阔的前景。据了解,全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍。

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