頁巖氣研究的意義

頁巖氣研究的意義

巖漿巖作為一個具有巨大潛力的新能源領域，受到了世界各國的高度重視。在勘探開發(fā)技術相對成熟的北美,頁巖氣年產(chǎn)量仍以加速度增長。2009年,美國的頁巖氣產(chǎn)量達到878×108m3,加拿大的頁巖氣產(chǎn)量也達到了72×108m3。在頁巖氣快速發(fā)展的歐洲,2007年在德國的波茨坦成立了第一個頁巖氣研究的專門機構,目前已在波蘭、德國北部、北海南部等盆地中開展了頁巖氣的規(guī)模性勘探和開發(fā),涉及波蘭、德國、瑞典、奧地利、英國、法國等眾多國家。在澳大利亞、新西蘭、印度、南非等國家和地區(qū),頁巖氣勘探研究也已經(jīng)迅速起步。中國擁有大面積廣泛分布的頁巖層系,具有頁巖氣可能發(fā)育的廣泛空間和開發(fā)生產(chǎn)的巨大潛力,頁巖氣研究也得到了國家的高度重視。2009年11月15日,美國總統(tǒng)奧巴馬首次訪華,中美簽署了《中美關于在頁巖氣領域開展合作的諒解備忘錄》,把中國頁巖氣基礎研究的迫切性上升到了國家層面。相比之下,中國系統(tǒng)、深入的頁巖氣基礎理論研究還非常薄弱。目前的理論研究進展嚴重滯后于勘探生產(chǎn)實踐,一系列地質(zhì)問題認識不足構成了制約中國頁巖氣發(fā)展的瓶頸,尤其是在中國頁巖氣勘探快速起步的今天,研究工作的系統(tǒng)開展對頁巖氣工業(yè)的發(fā)展具有極其重要的意義。1頁巖氣勘探開發(fā)的必要性中國自1993年成為石油凈進口國以來,石油凈進口量連年遞增,2003年突破了1×108t(圖1)。2009年,中國的原油生產(chǎn)出現(xiàn)了28年以來的首次負增長,石油對外依存度沖破了50%防線。與此同時,中國在2008年成為天然氣凈進口國,2009年的天然氣供應缺口超過40×108m3(據(jù)中國石油和化學工業(yè)學會數(shù)據(jù)。2010年年初2次出現(xiàn)“氣荒”,對中國能源安全造成了進一步的沖擊。天然氣是保障國家能源安全的重要能源,但中國的天然氣能源短缺現(xiàn)象嚴重,已成為近年來經(jīng)濟運行中經(jīng)常出現(xiàn)且為社會帶來很大影響的頑疾,成為經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。在美國,天然氣生產(chǎn)緩解了石油不足的巨大沖擊,連續(xù)增長的頁巖氣產(chǎn)量在其中起到了不可低估的重要作用。據(jù)紐約時報2009年10月10日的消息,美國2009年頁巖氣產(chǎn)量占天然氣年總產(chǎn)量的13%,頁巖氣年總產(chǎn)量超過了900×108m3的規(guī)模(這一數(shù)值超過了中國同期所有類型天然氣年產(chǎn)量的總和830×108m3)。頁巖氣開采技術的進步使美國的天然氣儲量增加了40%。美國頁巖氣年產(chǎn)量的迅速增加進一步減緩了國內(nèi)能源需求的壓力,2008年石油的對外依存度出現(xiàn)了1977年以來的首次下降。2009年,頁巖氣產(chǎn)量以快速增長的方式首度超過了煤層氣。為了減緩對俄羅斯天然氣的依賴,西歐國家也積極開展頁巖氣地質(zhì)研究,希望藉此改變世界能源、經(jīng)濟和政治格局。對天然氣,尤其是包括頁巖氣在內(nèi)的非常規(guī)天然氣的開發(fā)利用程度,很大程度上反映了一個國家在能源領域中的科技進步水平。中國長期以來重油輕氣,在很大程度上影響了天然氣的勘探開發(fā)程度和總體認識水平,雖然近年來不斷有大型天然氣田的發(fā)現(xiàn),但非常規(guī)天然氣的研究一直處于薄弱狀態(tài),天然氣產(chǎn)量不足構成了制約經(jīng)濟高速發(fā)展的瓶頸。到目前為止,天然氣在中國一次能源消費結構中的比例只有3%~4%,但美國和世界其它主要國家的平均比例卻為23%~24%,巨大的反差促使我們必須加快天然氣勘探開發(fā)的進程。在天然氣能源開發(fā)領域中,頁巖氣具有明顯的優(yōu)勢,目前是北美國家、世界其它國家和地區(qū)影響作用最大、發(fā)展速度最快的新能源類型,是北美國家能源消費的主要構成之一。開展頁巖氣聚集機理和富集規(guī)律的探索研究,將對中國的能源產(chǎn)出和消費比例結構的改變產(chǎn)生重大影響。中國存在頁巖氣發(fā)育的良好地質(zhì)條件,根據(jù)地質(zhì)類比法研究和資源量初步估算,中國擁有與美國大致相同的頁巖氣資源量。根據(jù)美國的經(jīng)驗,頁巖氣開采可能是補充解決中國天然氣短缺的基本途徑和重要方面,即當有效工作量投入相當時,將會有大致相同的頁巖氣產(chǎn)量。中國目前已在多處發(fā)現(xiàn)頁巖地層中的氣苗和氣顯示,表明潛力巨大的頁巖氣資源有望成為能源接替的重要領域。作為具有現(xiàn)實勘探和開發(fā)意義的非常規(guī)天然氣,頁巖氣在橫向和縱向上均拓展了油氣勘探領域。橫向上,頁巖氣研究已經(jīng)將油氣勘探領域擴大到了保存條件良好的傳統(tǒng)盆地以外的殘留盆地地區(qū),僅在南方地區(qū)就增加了勘探面積200×104km2。包括四川盆地在內(nèi)的揚子地臺是特提斯域富含油氣帶的向東延伸,是中國油氣勘探中長期以來的重點攻關對象和目標,目前的頁巖氣基礎地質(zhì)理論研究不足,200×104km2分布面積的黑色頁巖還未予以系統(tǒng)的勘探。揚子地臺所在的南方地區(qū)是中國人口眾多、經(jīng)濟發(fā)達但能源資源嚴重匱乏的地區(qū),也是頁巖氣發(fā)育條件最好、規(guī)模最大的區(qū)域。頁巖氣的研究將會對潛力巨大的南方天然氣資源的開發(fā)產(chǎn)生重大影響,從而改變中國能源分布的地理格局,為近年來已經(jīng)影響社會發(fā)展的油氣能源短缺提供解決方案。在中國北方的廣大地區(qū),也有規(guī)模性發(fā)育的頁巖氣資源潛力區(qū),但由于相關的頁巖氣地質(zhì)基礎理論研究還沒有系統(tǒng)開展,頁巖氣地質(zhì)條件研究僅僅停留在理論分析及少量的實驗研究階段。標志中國陸相油氣地質(zhì)特色的華北、東北和西北地區(qū)是中國油氣工業(yè)的重要支柱,目前已分別在渤海灣、鄂爾多斯、吐哈等盆地和傳統(tǒng)概念的“含油氣盆地”外圍發(fā)現(xiàn)了良好的頁巖氣顯示?？v向上,盆地內(nèi)的頁巖氣勘探延伸到了新的領域,一系列通常只被作為烴源巖或蓋層的“非油氣勘探層系”將成為頁巖氣勘探的基本目標和開發(fā)(作為儲層)的重要對象,向泥頁巖地層中延伸的油氣勘探新層系將有可能使油氣勘探目標囊括包括烴源巖、儲集層在內(nèi)的所有層系。在老油氣區(qū),泥頁巖層系通常只被作為生氣源巖或者封閉蓋層,實際上這些泥頁巖層系很可能就是頁巖氣勘探開發(fā)的有效目標層系。當其它地質(zhì)條件具備時,一批可供勘探開發(fā)的含油氣新層系將會悄然而至,勘探開發(fā)領域和目標將會陡然增加,從而極大地增加油氣勘探開發(fā)的空間領域和油氣資源量。2頁巖氣聚集和賦存條件除了直接的能源意義以外,頁巖氣研究還對廣義的地質(zhì)研究具有積極的影響和促進作用。(1)頁巖氣多重成藏機理:頁巖氣的賦存狀態(tài)多種多樣,除極少部分呈溶解狀態(tài)賦存于干酪根、瀝青和結構水中外,絕大部分天然氣以吸附狀態(tài)賦存于有機質(zhì)顆粒的表面,或以游離狀態(tài)賦存于孔隙和裂縫之中。從總體統(tǒng)計來看,頁巖中的吸附氣含量介于85%~20%之間,吸附氣和游離氣含量大約各占50%,含氣量大小與有機質(zhì)的含量密切相關。因此從賦存狀態(tài)觀察,頁巖氣介于煤層吸附氣(吸附氣含量在85%以上)、根緣氣(致密砂巖氣,吸附氣含量小于20%)和常規(guī)儲層氣(含裂縫游離氣,但吸附氣含量通常忽略為零)之間(圖2)。頁巖氣的存在體現(xiàn)了天然氣聚集機理遞變的復雜特點,即天然氣從生烴初期時的吸附聚集到大量生烴時期(微孔、微裂縫)的活塞式運聚,再到生烴高峰時期(較大規(guī)模裂縫)的置換式運聚,運移方式還可能表現(xiàn)為活塞式與置換式兩者之間的過渡形式。上述一系列作用過程的發(fā)生使頁巖中的天然氣賦存相態(tài)構成了從典型吸附到典型游離之間的序列過渡,將煤層氣(典型的吸附作用)、根緣氣(活塞式氣水排驅(qū))和常規(guī)儲層氣(典型的置換式運聚)的運移、聚集和成藏過程聯(lián)結在一起,具有多重聚集機理。復雜的天然氣生成機制、賦存相態(tài)、聚集機理、富集條件等,使頁巖氣具有明顯的地質(zhì)特殊性。與常規(guī)儲層氣相比,頁巖氣的聚集屬于無二次運移或極短距離二次運移,天然氣的賦存和富集不依賴于常規(guī)意義上的圈閉及其保存條件。直接將傳統(tǒng)意義上的氣源巖作為天然氣勘探目標,擴大了天然氣勘探領域和范圍。與傳統(tǒng)意義上的“裂隙氣”相比,頁巖氣突出了天然氣賦存的吸附特點,平均50%(20%~85%)的吸附氣量極大地增加了天然氣的產(chǎn)量、儲量和資源量,使得頁巖地層中原本沒有裂縫的地區(qū)和層位也可以通過人工造隙和壓裂的方法獲得工業(yè)規(guī)模產(chǎn)量。與以吸附作用為主的煤層氣相比,頁巖氣兼具有吸附和游離2種天然氣賦存相態(tài),雖然泥頁巖有機質(zhì)的含量較之煤巖普遍較低,產(chǎn)氣和吸附氣的能力相對較差,但微裂縫、微孔隙的發(fā)育和游離氣的存在,使頁巖氣的產(chǎn)能和產(chǎn)量頗具經(jīng)濟價值。頁巖的發(fā)育和分布范圍遠較煤層廣,故頁巖氣的資源潛力也較煤層氣更大;雖然兩者同為致密儲層,但頁巖氣較致密砂巖氣具有更優(yōu)先的聚集條件,具有近水樓臺先得月之優(yōu)勢。(2)多種礦產(chǎn):由于沉積環(huán)境的特殊性和細粒泥質(zhì)沉積巖的吸附性,泥頁巖地層中常有多種與沉積相關的礦產(chǎn)同時發(fā)育,形成類型豐富的共、伴生礦產(chǎn),包括賦存于黑色巖系中的頁巖氣、頁巖油、固體瀝青、石煤、磷、硫等沉積礦產(chǎn),也包括賦存于黑色巖系中的汞、金、銻、釩、鉬、錳、銀、鎳等低溫層控礦產(chǎn),頁巖氣常與其它礦產(chǎn)形成共、伴生關系。在渤海灣、吐哈等陸相沉積盆地中,暗色泥頁巖層系常與煤系地層共、伴生,也包含了賦存其中的鈾礦資源。這些礦產(chǎn)是重要的國家戰(zhàn)略資源,對保障國家的能源、經(jīng)濟、軍事等方面的安全具有重大意義。黑色巖系既是頁巖氣和相關礦產(chǎn)形成的基礎和賦存的介質(zhì),同時又是礦產(chǎn)資源富集的載體。以揚子地區(qū)為核心的中國南方地區(qū)是古生界黑色巖系分布和頁巖氣發(fā)育的有利區(qū)域,也是低溫層控和其它沉積礦產(chǎn)分布的主要地區(qū)。借助于其它礦產(chǎn)資源研究成果分析黑色巖系中的頁巖氣,或者利用頁巖氣研究成果進一步對黑色頁巖系中其它礦產(chǎn)資源的分布進行預測,有助于在完整的地質(zhì)過程中進一步認識多種礦產(chǎn)資源的共、伴生關系,建立多種礦產(chǎn)資源共、伴生的條件關系譜圖,研究頁巖氣及其它礦產(chǎn)的共、伴生關系,預測其資源潛力,為綜合礦產(chǎn)資源勘查提供理論支撐。(3)全球地質(zhì)事件:頁巖氣由于特殊的地質(zhì)特點,對其研究具有特殊的方法和內(nèi)容。在地質(zhì)研究過程中,通常聚焦于關鍵地質(zhì)變動期,側重于關鍵地質(zhì)作用的過程和結果。泥頁巖系地層往往是地質(zhì)構造平靜期的產(chǎn)物,除了構造、沉積等地質(zhì)背景信息外,它還完整地記錄了地質(zhì)時期中的古生物、古生態(tài)、古地理、古氣候等多種信息,對于研究全球地質(zhì)事件及其變化、全球生態(tài)及其演進、全球環(huán)境及其變遷均有重要的參考意義。因此,側重于構造平靜期沉積產(chǎn)物特征分析的泥頁巖研究,補充了對完整地質(zhì)過程的系統(tǒng)認識,特別是天體活動、氣候變遷、海平面升降、地殼震蕩、生物滅絕、物種新生、缺氧事件等,均能夠在地質(zhì)歷史變動的平靜期內(nèi)找尋答案。在古生界的黑色頁巖層系中,全球范圍內(nèi)發(fā)育并發(fā)現(xiàn)了地球早期的古生物和微體古生物的化石和變種,發(fā)現(xiàn)并找到了規(guī)模不等、形態(tài)各異、常呈層狀產(chǎn)出的頁巖結核(圖3),它們之間的產(chǎn)狀變化、成因機理和分布具有全球?qū)Ρ纫饬x。3頁巖氣采集防治風險的必要性頁巖氣屬于低碳能源的一種,提高頁巖氣在油氣消耗中的比例有助于開辟新的能源領域,減少二氧化碳排放,發(fā)展低碳經(jīng)濟,保護地球環(huán)境,減緩全球變暖趨勢,保持社會經(jīng)濟的良好發(fā)展。頁巖氣屬于綠色能源的一種,美國的頁巖氣產(chǎn)量目前已經(jīng)超過了煤層氣,位居非常規(guī)天然氣中的第二位。由于開發(fā)過程中不需要排水采氣,故頁巖氣具有較煤層氣更清潔的開發(fā)方式。黑色泥頁巖是沉積礦產(chǎn)和低溫層控礦產(chǎn)賦存的基礎,多種礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)和綜合利用對環(huán)境保護和生產(chǎn)安全具有重要意義。頁巖地層中富集的大量頁巖氣對于天然氣的開發(fā)利用來說必不可少,但在頁巖層系中進行采礦和隧道開鑿是一種事故隱患。在以巷道掘進方式進行頁巖地層中的礦產(chǎn)開發(fā)中,頁巖中吸附的天然氣發(fā)生自然解析而使巷道中甲烷氣體的含量升高。由于巷道中空氣流通條件較差,當甲烷含量越聚越高并達到爆炸的濃度時,明火、電流及其它原因產(chǎn)生的火花、火星等都能引發(fā)爆炸。有報道表明,目前僅在重慶就已有多起類似的災害發(fā)生。2006年8月3日18時30分,城口縣至修齊鎮(zhèn)六公里處(葛城鎮(zhèn)柿坪村吳家灣)一錳礦洞發(fā)生爆炸,造成5人死亡,一名礦工被爆炸的氣浪從洞中拋出;2007年3月1日14時,位于城口縣葛城鎮(zhèn)陽坪村半山腰的一個錳礦(修齊錳礦下茅坡子工區(qū))發(fā)生爆炸,造成4人死亡;2009年8月27日11時,已經(jīng)停產(chǎn)11天的修齊鎮(zhèn)石坊三礦段錳礦瓦斯?jié)舛冗_到16%而發(fā)生爆炸,造成4人死亡……。重慶地區(qū)是頁巖氣發(fā)育的有利地區(qū),這些礦洞爆炸的原因很可能就是頁巖氣的聚集達到了爆炸時的臨界濃度。而頁巖氣的研究則可以為礦洞和隧道施工提供地質(zhì)災害預警,盡量避免在富含頁巖氣巖層內(nèi)進行工程作業(yè),或?qū)嵭懈鼮閲栏竦谋Ｗo措施,以防止該類事件的發(fā)生。頁巖中常含有磷、硫等常溫易燃物質(zhì)。當頁巖被粉碎成顆粒時,其表面積成倍增加,其中的磷、硫等礦物松散堆積并暴露地表后很容易發(fā)生自燃,并引發(fā)頁巖表面吸附和脫吸附甲烷的燃燒,進一步點燃頁巖中干酪根等有機質(zhì)和少量金屬元素,從而導致大面積的頁巖碎屑隱燃。這些堆積的頁巖碎屑改變了地表土壤的地球化學特點,引燃的頁巖碎屑增加了地表的溫度,其中常含有不充分燃燒的氣體和煙塵,產(chǎn)生刺鼻的氣味,對當?shù)丨h(huán)境造成嚴重的污染(圖4)。因此,在對頁巖地層進行施工時,宜提早采取措施增加頁巖碎屑的可燃系數(shù),采取減小頁巖表面積增加倍數(shù)、降低可燃物質(zhì)濃度、消減可燃物質(zhì)含量、減少頁巖碎屑堆積體積、增加頁巖碎屑的空氣隔絕程度等技術防范,盡量避免環(huán)境污染。由于頁巖的礦物成分主要為粘土礦物,質(zhì)地相對柔軟、易碎,且易于形成頁理,故頁巖發(fā)育地段也常是山體滑坡等其它地質(zhì)災害容易發(fā)生的地區(qū)。在對頁巖氣的勘探過程中,頁巖是地質(zhì)研究的主體對象,進行頁巖氣的相關研究有助于系統(tǒng)認識頁巖的宏觀地質(zhì)特點,可以為礦山采掘、隧道施工、山體滑坡等地質(zhì)工程和地質(zhì)災害研究提供借鑒參考。此外,泥頁巖由于具有較強的吸附性,故也可考慮作為核廢料深埋處理的有利介質(zhì),為核廢料的永久處理提供處置空間。4巖氣勘探研究有助于完善中