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非常規天然氣資源的勘探開發

    目前全球能源資源的日益緊張,越來越多的國家意識到非常規天然氣已成為當今新能源發展的重要方向,降低技術成本和管理成本是非常規天然氣開發利用的關鍵。目前,美國的非常規天然氣開采已經形成了完整、成熟的技術體系,擁有多項低成本技術。我國已經初步形成了煤層氣勘探開發配套技術,近一兩年可能將實現重大突破。數據顯示,世界非常規天然氣資源量約為常規天然氣資源量的4.56倍;我國非常規天然氣資源總量是常規天然氣資源量的5.01倍,主要為致密砂巖氣。目前全球非常規天然氣資源產量已經迅速上升到3,242億立方米,成為一支不容忽視的能源力量。非常規能源作為最現實的低碳資源。技術成熟后,非常規能源可以轉化為常規能源開發。

    如果說煤炭是高碳資源、石油是中碳資源,非常規能源就是最現實的低碳資源。因其具有低碳、潔凈、綠色、低污染的特性,開發技術日益成熟,已成為當今新能源發展的重要方向。1.煤層氣“煤層氣屬于非常規天然氣!敝袊刭|大學的楊起院士這樣說:“首先,煤礦中的這種氣體,即“煤礦瓦斯”容易爆炸,嚴重威脅礦井工作人員的安全;其次,這種氣體可以作為新的接替能源加以開發利用;再次,采煤產生的煤層氣甲烷排放到大氣中引起溫室效應,污染環境。開發利用煤層氣具有社會、經濟與環保方面極其重要的意義。如果在采煤之前先采出煤層氣回收利用,不僅增加新的能源,而且煤礦生產中的瓦斯將大大降低,減少瓦斯爆炸事故的發生,有效地改善煤礦安全,改善環境,降低采煤的成本!泵簩託庵饕煞郑ㄍǔU90%以上)是甲烷(CH?)。在常溫下其熱值為34—37兆焦/每立方米(MJ/M?)與天然氣的熱值相當,,是一種很好的高效清潔氣體原料。甲烷是造成環境溫室效應的三種主要氣體(甲烷、二氧化碳和氟利昂)之一,其溫室效應很強,比二氧化碳作用大20倍(另一說法為10倍)。甲烷排入大氣,不僅因其溫室效應將引起氣候異常,而且還消耗大氣平流層的臭氧,它對臭氧層的破壞能力是二氧化碳的7倍,削弱了地球對太陽紫外線侵襲的防護作用,危害人類健康。我國每年因采煤向大氣排放的甲烷量占世界采煤排放甲烷總量的三分之一,引起了世界的普遍關注!毒┒甲h定書》中規定了各國的溫室氣體減排量,應該說我國對煤炭生產進行治理迫在眉睫。長期以來,為了避免瓦斯爆炸事故而采取的最主要方法是“通風”,即向礦井內鼓入大量空氣,把礦井中的煤層氣排出放空,F在我國已有一些煤礦企業將抽放出的煤礦瓦斯作為能源利用,是變害為利的重要措施。我國煤層氣儲量和開發利用現狀是怎樣的呢?截止目前我國已探明煤層氣地質儲量1023.08×108m,其中以地面開發為主探明儲量754.44×108m,礦井抽放為主探明儲量268.64×108m。

    我國煤層氣開發利用起步較晚,其發展大體可分為三個階段:

    第一階段(20世紀50-70年代末):為減少煤礦礦井瓦斯災害的井下抽放與利用階段,這一階段所抽放的瓦斯基本上都被排到大氣中,很少對其進行利用。
    第二階段(20世紀70年代末-90年代初):為煤層氣勘探開發試驗初期和煤層氣井下抽放利用階段。我國先后在撫順龍鳳礦、陽泉礦、焦作中馬村礦、湖南里王廟礦等礦區地面鉆孔40余個,并且進行了水力壓裂試驗和研究。同時,大量的煤層氣井下抽放和利用項目進一步展開。至1993年,井下抽放系統年抽放量達4×108m,部分地區已開始將其用于工業和民用取暖。
    第三階段(20世紀90年代初開始至今)為煤層氣的勘探開采試驗全面展開和井下規模抽放利用階段。這一階段開始引進國外煤層氣開發技術,開展了煤層氣的勘探試驗,取得了實質性突破。煤炭、地礦、石油系統和部分地方政府積極參與此項工作,許多國外公司如美國Texaco、Arco、Phillips、Greka石油公司及澳大利亞的Lowell石油公司等也積極投資在中國進行煤層氣勘探試驗。中國煤層氣地面勘探工作開始于1989年,到目前為止已在12個省、自治區登記了64個煤層氣勘探區塊,勘探區塊總面積為81810.3km。其中,具有煤層氣商業化開發前景的十大重要勘探區塊是沁水盆地南部、沁水盆地北部、大寧-吉縣區塊、陜西韓城區塊、神府-保德區塊、阜新盆地、寧武盆地、準噶爾盆地、恩洪-老廠區塊及沈北-鐵法地區。在我國未來幾十年內天然氣將獲得飛速的發展。西氣東輸是煤層氣產業發展的一次難得的歷史機遇,根據“西氣東輸”工程的供氣能力和設計年限估算,需要1萬億立方米的天然氣地質儲量作保證,但目前常規天然氣地質探明儲量僅7000億立方米左右,急需補充氣源,煤層氣作為非常規天然氣,其成分95%以上是甲烷,完全可以與天然氣混輸、混用。同時“西氣東輸”管線經過的地區也是煤層氣資源富集的地區,塔北、鄂爾多斯盆地、沁水盆地、太行山東、豫西、徐淮和淮南等煤層氣富集帶,總資源量近14萬億立方米,而且管線經過的沁水大型煤層氣田,已經獲得煤層氣探明儲量,在短期內優先開發這些地區的煤層氣資源最具有現實性和可行性。煤層氣產業是一項龐大的系統工程,建設一個煤層氣生產基地,除了帶動運輸、鋼鐵、水泥、化工、電力、生活服務等相關產業的發展外,也將帶動下游相關產業的發展,如煤層氣的管道運輸、家用煤層氣的供應、氣體燃料汽車和化工產品的開發等,還能推動本行業的相關技術、科研等產業,促進整個產業的良性發展,如鉆機、煤層氣抽采及輸送設備、監測監控設備、煤層氣發電設備、利用煤層氣生產化工原料設備等產業。據此,我國煤層氣產業一旦形成和發展起來,將給相關產業帶來巨大的發展機會和經濟效益。

頁巖氣,是從頁巖層中開采出來的天然氣,是一種重要的非常規天然氣資源。頁巖氣的形成和富集有著自身獨特的特點,往往分布在盆地內厚度較大、分布廣的頁巖烴源巖地層中。較常規天然氣相比,頁巖氣開發具有開采壽命長和生產周期長的優點,大部分產氣頁巖分布范圍廣、厚度大,且普遍含氣,這使得頁巖氣井能夠長期地以穩定的速率產氣。

頁巖氣是從頁巖層中開采出來的天然氣,主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中,頁巖氣是主體上以吸附或游離狀態存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質巖類夾層中的天然氣,它可以生成于有機成因的各種階段天然氣主體上以游離相態(大約50%)存在于裂縫、孔隙及其它儲集空間,以吸附狀態(大約50%)存在于干酪根、粘土顆粒及孔隙表面,極少量以溶解狀態儲存于干酪根、瀝青質及石油中天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、甚至砂巖地層中為天然氣生成之后,在源巖層內的就近聚集表現為典型的原地成藏模式,與油頁巖、油砂、地瀝青等差別較大。與常規儲層氣藏不同,頁巖既是天然氣生成的源巖,也是聚集和保存天然氣的儲層和蓋層。因此,有機質含量高的黑色頁巖、高碳泥巖等常是最好的頁巖氣發育條件。頁巖氣發育具有廣泛的地質意義,存在于幾乎所有的盆地中,只是由于埋藏深度、含氣飽和度等差別較大分別具有不同的工業價值。

    中國傳統意義上的泥頁巖裂隙氣、泥頁巖油氣藏、泥巖裂縫油氣藏、裂縫性油氣藏等大致與此相當,但其中沒有考慮吸附作用機理也不考慮其中天然氣的原生屬性,并在主體上理解為聚集于泥頁巖裂縫中的游離相油氣。因此屬于不完整意義上的頁巖氣。因此,中國的泥頁巖裂縫性油氣藏概念與美國現今的頁巖氣內涵并不完全相同,分別在烴類的物質內容、儲存相態、來源特點及成分組成等方面存在較大差異。中國主要盆地和地區頁巖氣資源量約為15萬億-30萬億立方米,與美國28.3萬億立方米大致相當,經濟價值巨大。另一方面,生產周期長也是頁巖氣的顯著特點。頁巖氣田開采壽命一般可達30~50年,甚至更長。美國聯邦地質調查局最新數據顯示,美國沃思堡盆地Barnett頁巖氣田開采壽命可達80~100年。開采壽命長,就意味著可開發利用的價值大,這也決定了它的發展潛力。

    中國許多盆地發育有多套煤系及暗色泥、頁巖地層,互層分布大套的致密砂巖存在根緣氣、頁巖氣發育有利條件,不同規模的天然氣發現,但目前尚未在大面積區域內實現天然氣勘探的進一突破。資料顯示,中國南方海相頁巖地層可能是頁巖氣的主要富集地區。除此之外,松遼、鄂爾多斯、吐哈、準噶爾等陸相沉積盆地的頁巖地層也有頁巖氣富集的基礎和條件。重慶綦江、萬盛、南川、武隆、彭水、酉陽、秀山和巫溪等區縣是頁巖氣資源最有利的成礦區帶,因此被確定為首批實地勘查工作目標區。頁巖氣藏的儲層一般呈低孔、低滲透率的物性特征,氣流的阻力比常規天然氣大,所有的井都需要實施儲層壓裂改造才能開采出來,開采難度很大。較為先進的有空氣鉆機技術。

    天然氣水合物因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒,所以又被稱作“可燃冰”或者“固體瓦斯”和“氣冰”。它自然界廣泛分布在大陸、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內陸湖的深水環境。在標準狀況下,1單位體積的天然氣水合物分解最多可產生164單位體積的甲烷氣體,因而其是一種重要的潛在未來資源。
    19世紀30年代初,人們開始注意到天然氣輸氣管線中形成的天然氣水合物。因為水合物造成的天然氣輸氣管道堵塞問題給天然氣工業帶來許多麻煩。1934年,前蘇聯在西伯利亞地區被堵塞的天然氣輸氣管道里首先發現了天然氣水合物。同年,美國學者Hammerschmidt發表了水合物造成天然氣輸氣管線堵塞的有關數據,人們開始更加詳細地研究天然氣水合物和它的性質?扇急珊Q蟀鍓K活動而成。當海洋板塊下沉時,較古老的海底地殼會下沉到地球內部,海底石油和天然氣便隨板塊的邊緣涌上表面。當接觸到冰冷的海水和在深海壓力下,天然氣與海水產生化學作用,就形成水合物?茖W家估計,海底可燃冰分布的范圍約占海洋總面積的10%,相當于4000萬平方公里,是迄今為止海底最具價值的礦產資源,足夠人類使用1000年!翱扇急钡男纬捎腥齻基本條件:首先溫度不能太高,在零度以上可以生成,0-10℃為宜,最高限是20℃左右,過高會引起分解。第二要有足夠壓力,但不能太大,0℃時,30個大氣壓以上它就可能生成。第三,地底要有氣源。因為,在陸地只有西伯利亞的永久凍土層才具備形成條件和使之保持穩定的固態,而海洋深層300-500米的沉積物中都可能具備這樣的低溫高壓條件。因此,其分布的陸海比例為1∶100。有天然氣的地方不一定都有“可燃冰”,因為它的形成除了壓力主要還在于低溫,所以一般在冰土帶的地方較多。長期以來,有人認為我國的海域緯度較低,不可能存在“可燃冰”,而實際上我國東海、南海都具備生成條件。我國東海,南海天然氣水合物資源量極為豐富。

    我國南海天然氣水合物的資源量為700億噸油當量,約相當我國目前陸上石油、天然氣資源量總數的二分之一。東海盆地面積達25萬平方公里。經20年勘測,該盆地已獲得1484億立方米天然氣探明加控制儲量。中國工程院院士、海洋專家金翔龍帶領的課題組根據天然氣水化物存在的必備條件,在東海找出了“可燃冰”存在的溫度和壓力范圍,并根據地溫梯度、結合東海地質條件,勾畫出“可燃冰”的分布區域,計算出它的穩定帶的厚度,對資源量做了初步評估,得出“蘊藏量很可觀”結論。這為周邊地區在新世紀使用高效新能源開辟了更廣闊的前景。據了解,全球天然氣水合物的儲量是現有天然氣、石油儲量的兩倍。

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