我国化石能源勘探、开发潜能与未来
发布时间：2021-03-10
摘要：当前我国正处在快速工业化、经济腾飞，并步入一个世界科技大国向世界科技强国迈进的前夜，需要大量的资源和能源乃必然的发展轨迹。然而，我国地大但物并不博。为此，在我国快速发展中、在多元共享世界能源的同时，必须立足本土，建立起可靠的、稳定的且能保障长期供给的能源战略后备基地已刻不容缓。研究与分析当今世界和我国油、气、煤等化石能源发展的历程，结果表明：①第二深度空间(5000～10000m)化石能源勘探和开发乃21世纪中叶前后的重要领域，此类能源是一次性能源消费的主体;②非常规油气、特别是页岩油气藏在最大限度地减少污染、强化高新科技应用于降低成本前提下，大力勘探、开发、利用乃未来化石能源发展的必然轨迹;③煤炭、煤层气与煤能转化，制油、煤制气，地下燃烧发电和煤化工产业的研发在能源结构中的主导地位不会改变。基于上述认识，在21世纪中叶前后乃至更长时期内，我国的能源匹配模式应为“第二深度常规油气”+“煤层气与煤能转换”+“非常规页岩气”。
关键词：化石能源;第二深度空间(5000～10000m);页岩油气;煤炭与煤能转化;能源战略后备基地
我国是一个拥有14×108人口的大国，地域广阔，但物并不博，目前我国已成为世界能源消费的第一大国，对外依存度不断攀升。2018年，石油对外依存度已达71%，天然气对外依存度已达43%[1]，到2030年将上升到何种程度令人担忧。如何将能源安全保障主动权掌控在自己手中，乃是国家战略需求之必须。因为，它是科技进步、经济腾飞与社会发展以及由一个科技大国向科技强国前进的动力。
我国在油气勘探、开发的征程上经历了一个逐步深化、理解与实施的过程。这也是世界对油气勘探进程中逐步深化认识与发展的轨迹!约在20世纪30年代，油气勘探开发乃是以构造圈闭油气为导向，即是在寻找背、向斜及潜山等圈闭地质体的框架下进行的。20世纪50年代前后，我国提出了陆相生、储油气理论，在新中国建设与发展初期起到了极为重要的作用。20世纪六七十年代，则以有机质生烃与油气理论为主体，即岩相油气藏。进入21世纪后至今，则处在第二深度空间(5000～10000m)[2-9]和“连续型”油气密集型与非常规油气的发展时代[10-13]，而且驱动着以前认为不可能开发的深层和致密油气藏，甚至低渗透率的岩层均可能形成一定规模化的油气藏。这便为大力扩展油气能源勘探、开发和利用开辟了新的领域。
油气勘探开发已有300年的历史，据其勘探领域可划分为构造油气藏、岩性地层油气藏和非常规连续型油气藏，也是三大发展阶段。在每一段历史发展中，我国石油和天然气勘探开发基本上都是跟随着世界上有关石油地质理论的步伐前进。应当看到陆相生油气理论对我国油气发展起到了极为重要的作用，首先是大庆油田的发现为解放后新中国初期建设提供了能源新径。近半个世纪的油气勘探和开发实践，打破了欧美一致认为中国贫油和无油气的信条，相继在我国陆相、海相沉积建造中发现了一批批中型、大型油气田。
显然，在上述每一个发展阶段的油气勘探、开发、利用的过程中，对油气的生成、聚集、分布等认识均有重大进步，促进了油气在我国建设事业中的作用发挥，更好地满足了人民生活的需求。
在全球的油气发展进程中，特别是非常规油气存储为世界能源的供给提供了可持续发展的新园地。在我国能源的勘探、开发进程中，人们必须清晰地认识到我国少油、缺气而富煤。尽管我国煤炭需求暂时疲软、限产，然而至今煤炭作为一种永继的能源，在我国能源结构中至今仍占65%左右的份额，如果将我国能源资源保有经济可供储量折合2150×108t油当量[14]，则煤炭占比超过90%，油、天然气占比却很小，这表明我国的能源配置与欧美等国以油气为主导的能源结构不同。对于一个科技大国，并向科技强国挺进的中国来讲，不仅这样的结构很不均衡，而更为重要的是能源安全保证问题。随着高新科技的发展和应用，煤炭的清洁、高效利用一定会提上日程，特别是煤炭燃烧过程中CO2的捕获、煤制油、制气和煤化工的发展以及煤炭储地深层燃烧及发电等的转化效应，当必会给煤炭带来新的更大的发展机遇。我国的煤炭资源量高达6×1012t，通过一系列技术改进、转化，必为我国“永不衰竭的主体能源”[3，15]。
基于我国过去、现在能源的潜能与需求，预计在未来的整体能源结构中，若以10年为一个阶段，则2010年、2020年、2030年和2040年这4个阶段的石油需求量分别为69×108，123×108，189×108，252×108t油当量，天然气需求量分别为101×1010，305×1010，685×1010，1170×1010m3，原煤需求量分别为536×108，921×108，1362×108，1789×108t，天然铀需求量分别为2×104，10×104，34×104，70×104t，所有这些均为我国快速工业化、经济腾飞与建设世界科技强国必须保障供给的核心能源。为此，在当今世界纷争的格局和科技发展大潮中，在多元化利用世界能源的同时，必须立足于本土，构筑综合能源有机匹配体系，建设起安全的、稳定的，且可保障长期供给的各类能源的战略后备基地刻不容缓!
面对当今世界油、气、煤等潜在能源的分布和我国快速发展的需求，则必须针对我国领土、领海地下各类能源存储的潜力，勘探和开发理念、方法和技术水平，在发展中加深理解，在理解与践行及示范中创新。因为跟踪世界必须有边界条件而不是照搬或终极。显然，如何从实际出发，从目标出发，从可能出发，厘定我国能源匹配与组合的路线乃是关系到整个国民经济可持续发展和能源合理结构的关键所在。为此，概括起来本文将讨论以下3个方面的问题：①第二深度空间(5000～10000m)油、气化石能源乃本世纪中叶前后勘探、开发和供给的重要领域;②在我国非常规油气中，页岩油气藏在示范研发与最大限度减少污染的同时加强理论、技术研究是发展的必然路线;③煤炭的高效利用和能型转化，如煤制气、煤制油、地下燃烧煤产气发电和煤化工并举乃我国能源之本!
1第二深度空间油气化石能源乃本世纪勘探与开发的主体领域
随着第一深度空间(<5000m)油气田的勘探、开发和消耗，油气的潜在资源量在逐减，已远不能满足我国国民经济持续发展的需求。尽管在不同地区尚可发现新油气藏，但其量毕竟很有限，而当今油气供需的对外依存度逐增，能源安全形势日趋严重。可是，当今常规石油能源的采收率依然尚低(约为70%)，如何提高采收率是研究重点之一。同时，地壳内部陆相、海相沉积建造中，中新生代一直到古生代地层中都存在着丰富的潜在油气藏[4-5]，故向第二深度空间要油、要气是我国，乃致世界能源勘探、开发和消耗的必然走向!显然，至少在本世纪中叶乃至下叶以后，常规化石能源必是主控能源。
1.1世界各地第二深度空间的油气勘探发展概况
早期油气勘探与开发深度一般不超过3000m，称为第一深度空间的油、气。世界上第二深度空间的油气勘探始于20世纪50年代[16]，当时称为深部或超深部。据统计[17-20]：目前已有超过1000个油、气田的含油、气储层深度位于4500～8103m，其石油储量占全球的7%，天然气储量占全球的25%。美国1956年在西内盆地阿纳达科凹陷发现了深层气藏，埋深达4663m，为当时之最深;1977年在阿纳达科凹陷发现更深的气藏，达7663～8083m。前苏联24个深层含油、气盆地中，储层埋深大于6000m的盆地占比为75%，其中4个探明储量达到工业级油、气藏[21]。当前油气勘探由陆上向海上进军，由浅层向第二深度空间(埋深大于7500m)发展，这也离不开深层钻井和完井等技术的促进[14]。表1给出了全球七大深层油、气产区的油气探明和控制(2P)可采储量分布，可见，第二深度空间的油、气勘探潜力巨大。
1.2国外第二深度空间的油气藏分布特征
国外深钻井主要分布于北美洲、中东及前苏联：北美洲如GulfCoast、Anadarko、Permiao、Califor-nia、Alasla、RockyMountain等盆地，中南美洲如SantaCvusTarij、Maracaiho、Sureste等盆地，前苏联如Vilguy、Dineper-Donets、SuvithCaspian、NorthCsapian、MiddleCaspian、Amn-Darya、FergnaVal-ley、Akuban等盆地，欧洲如Aqartaino、PVally等盆地，中东如Omen盆地等，非洲如Sirte盆地等[22]。
美国已有深钻井20715口，其中，深度大于4500m的占比为54.7%，产层深度大于6000m的产井占比为4.7%，52口钻探深达7500m[23]。俄罗斯古老克拉通地区气藏及凝析气藏产层主要分布在4000～6000m深度范围。墨西哥湾盆地外带的含油、气相带位于约6000m深处。
1.3我国第二深度空间的油气藏分布特征
我国油、气勘探目标已逐步转向盆地更深层的沉积建造，即第二深度空间，主要分布于西部、东部、中部几个典型盆地。
塔里木盆地目前油气储层钻井测试已完成156口，储层底界超过5000m深度的占比为33.3%。中石油完成了7口大于7000m的深井，已完钻的深度在5000～7000m的深钻井超过450口。塔深1井深度达到8404m，深部奥陶系到三叠系厚度为600m左右的白云岩中发现液态烃，产微量气。康东坳陷的博孜1井为塔里木盆地最深的气流井，7014～7084m深井段属典型的碎屑岩凝析气藏。托普39井钻井深度已达8800m，是塔里木盆地最深的工业油流井，主要产油井段深度为6950～7110m[24-27]，为孔洞型储层，能形成有效的深部储集体。准噶尔盆地开展了7000m以下的深部钻探工作，已初步见效。
渤海湾盆地渤中凹陷为最大的富生烃凹陷，面积达8660km2，其中沙河街组烃源岩最大埋藏深度达9000m，有机质类型好;东三段平均埋深达6000m，处于成熟-高成熟阶段。冀中坳陷1992年以前已有176口测井深度大于4000m、获得工业油气产出的深测井，占比为20%。黄骅坳陷主要包括5个生烃凹陷，属持续埋深型生烃凹陷。南堡凹陷主要沉积中心如北堡、高柳，沉积厚度为3800～4400m，储集层深度超过6000m，富含烃源岩有机质。考虑到我国目前实际钻探技术水平，将我国东部含油、气盆地的深层勘探深度界定在6000m以下是比较科学的。
四川盆地及其周边地区，下志留统龙马溪组底界古埋深大于6500m，下寒武统牛蹄塘组底界古埋深大于9000m。龙马溪组底界古埋深向盆地东南缘和北缘明显加深，最大埋深处位于川西—川北前陆盆地，深达11000m，最小古埋深处在川中—川西南宜宾—自贡—遂宁一带，也接近8000m[28]。普光气田、元坝气田位居我国前三位的大型海相气田，前者形成经过了3个油气运移期，在3625m深度为进油期，在5292m深度进行第2次运移，在6958m深度进行第3次运移;后者测井钻深大于7300m时发现高产气流。显然，我国四川盆地第二深度空间的页岩气有很大的潜力[29-37]。不过，必须清晰地认识到我国的页岩气与美国页岩气在质与量上均存在明显差异。
总之，当今我国油气处在关键时刻，必须清晰地认识到，随着勘探技术的提高，至少在21世纪中下叶时期，乃至更长时期，第二深度空间(5000～10000m)的常规油气勘探、开发、利用确实仍占有极为重要的地位，且已成为我国能源供给的必然途径。强化第二深度空间油气勘探与开发已刻不容缓[2，5，7，9，15，38-42]。
2页岩油气藏乃化石能源发展的必然轨迹
在世界石油和天然气能源发展的进程中，特别是1995年美国地质勘探局(USGS)的SCHMAKER-SCHMAKER[10，43]和GANTISR等[11]提出“连续型”油气聚集的概念，开启了非常规油气的新认识、新纪元。2002年LAW[44]提出了非常规油气的构思;对Barnett页岩储集层有机质微空观孔喉舌特征的研究[45-47]，特别是微纳米孔喉结构模型的提出，突破了页岩、致密砂岩无储层空间的约束[10，43，48-50]，揭示了非常规油气“连续型”聚集的规律性认知，现已成为油气开发的前沿。这为21世纪油气勘探开发与创新带来了新的机遇。
非常规油气资源是未来油气勘探的战略性领域。据美国联邦地质调查局和美国能源部统计，目前全球非常规石油资源规模达4495×108t，与常规石油资源基本相当，全球非常规石油产量快速上升，2008年较2001年增长近一倍，已经超过6000×104t;全球非常规天然气资源规模达3922×1012m3，是常规天然气资源的8倍，非常规天然气产量快速上升，已经超过5600×108m3。因此需要加强在理论、技术方面的突破，强化勘探与开发的深度，并在查明存储及潜力的前提下逐渐形成规模与产能。在非常规油气中，尽管包括诸多的内涵，如致密油气、煤层气、页岩油气等，并逐为石油界所瞩目，而当今应当重视的实属页岩油气。因为过去认为不能作为储层的致密岩系或几乎无渗透性的封隔层系当今已均可成为具有可开发价值的储集层，且分布广泛。
2.1世界上页岩气分布与潜能
据推测世界页岩气资源量达456×1012m3，主要分布于北美、南美、前苏联、中国、中亚、中东和北非等地区(表2)。
2.1.1美国页岩气的发展
1976年美国能源部、能源研究和开发署(ER-DA)、国家地质调查局、州级地质调查局等多家机构联合发起，实施了针对页岩气研究与开发的东部页岩气工程计划(EGSP)，这显著扩大了页岩气勘探开发范围，促进了页岩气产量大幅度增加，催生了一批科研成果，为美国页岩气的发展奠定了基础。1998—2007年美国非常规天然气步入快速发展阶段，产量增加65%。2015年年产量达4250×108m3，占全球页岩气产量的90.56%[52]。
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美国页岩气主要产于泥盆系、石炭系、侏罗系，工业开发页岩气主要分布于中西部地区的古生界、中生界及新生界海相页岩层系中，包括阿巴拉契亚、密西根、伊利诺斯等盆地，如威利斯顿Bakken、圣胡安丹佛、Barnett、Woodford、Marcellus和Haynesville页岩等，产量可达930×108m3[45-46]。
2.1.2美国之外的几个主要国家页岩气的发展
加拿大是继美国之后成功开发页岩气的第2个国家，目前其页岩气供应量已占据北美市场的半壁江山，其页岩气资源主要分布于不列颠哥伦比亚省、阿尔伯塔省、萨斯喀彻温省、南安大略地区、魁北克低地以及滨海诸省。不列颠哥伦比亚省东北部的霍恩河盆地将成为北美第三大页岩产气区，仅次于美国的Marcellus和Haynesville页岩气藏。
欧洲非常规天然气勘探开发主要集中在波兰、奥地利、瑞典、德国和英国等，其非常规天然气产量据预测2030年高达600×108m3/年，其中波兰产量最高。2009年在德国国家地学研究中心(GFZ)启动了“欧洲页岩气研究计划(GASH)”，旨在通过收集欧洲各地区的页岩样品、测井试井和地震资料，建立欧洲页岩数据库，并与美国含气页岩进行对比研究。
澳大利亚页岩气可开采资源量约为11×1012m3，主要分布在Cooper，Perth，Amadeus，Geor-gina和Canning等盆地。依据20%采收率的保守估计，Perth盆地可采页岩气为1.67×1012m3[53-55]。澳大利亚地层的钻井、完井以及压裂成本高于美国的大多数页岩气田，挑战性大，商业生产需要在长水平井完井作业后进行大规模水力压裂。
2.2中国页岩气能源的可能潜力概况与分布
据估计，我国页岩气可采资源量可达26×1012m3，与美国大致相当[56-58]，主要分布在鄂尔多斯、四川、松辽、渤海湾、塔里木、准噶尔、吐哈、江汉等含油气盆地[29，59-64]。页岩地层既有有机质含量高的古生界海相页岩、海陆交互相页岩，也有有机质较丰富的中、新生界陆相页岩[62，65]。主要远景区位于川南、川东、渝东南、黔北、鄂西等上扬子地区。
目前我国页岩油、气勘探开发总井数达到63口，在泌阳凹陷、东濮凹陷、辽河坳陷及济阳坳陷等中新生界陆相泥页岩层系获得了工业油流。但是我国的页岩气勘探开发面临着：①与美国页岩、加拿大油页岩和致密砂岩等世界页岩气强国相比，在页岩类型、含气丰度和采掘条件等方面均存在较大差异;②多处发现页岩气显示，但不一定有工业价值;③气含量是核心问题;④裂缝，水平钻井技术、用水量与产能是关键;⑤液体返回地面的污染程度与防范;⑥经济投入与效益。——论文作者：滕吉文1，2，3，司芗2，王玉辰1，4
