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    1 前言

    近年由于常规天然气资源量和产量的下降,特别是在北美洲,非常规天然气得到了高度的重视。一些估计表明,全球非常规天然气资源量(不含水合物)超过30000万亿立方英尺,大约有50%的资源来自页岩气。Julander能源公司的首席执行官Fred Julander认为页岩气(SG)是“自发现石油以来最重要的能源进展”。

    水平钻井技术的进步、水力压裂、相对高的天然气价格(相比2009年之前)和近来在巴内特页岩(Barnett Shale)和美国其他几个页岩气藏的商业成功都使页岩气在美国成为了热门能源,而且页岩气的勘探开发已开始蔓延到加拿大和世界其他几个地区。

    由于页岩气远景的复杂性和广泛性,针对页岩气的应用不能采用普遍用于常规气和煤层气的应用技术,而需专门设计开发工具和方法。多名学者包括Gray等人(2007)和Harding(2008)认为基于确定性解决方案的决议不适用于页岩气开发,因其没有考虑与复杂成藏有关的风险和不确定性,且经常导致过于乐观的结果。

    到目前为止,尽管在北美和欧洲的勘查活动活跃以及近期商品价格下降,页岩气远景分析工作也只完成了极少的部分。商品价格的下降使最高质量远景区的开发至关重要,这些区域的开发不仅最符合公司的利益,并且赋予公司与国外的低成本常规气田(即卡塔尔和沙特阿拉伯相关的天然气)竞争的最佳潜力。Williams-Kovacs和Clarkson(2011)提供了与非常规的远景分析有关的现有工作的回顾,并提供了一种专为页岩气应用而设计的综合的六阶段远景分析及开发评价方法(PADEM)。本文中,作者还展示了一个专门开发用以筛查页岩气远景区并且选择最适合详细分析远景的工具。本文以Williams-Kovacs和Clarkson的工作为基础,致力于远景评价并选择进行更深入分析的远景区的试点位置。

    当前工作的目标是:①开发一种协助页岩气勘探开发阶段的方法和配套的分析工具;②演示已开发技术在加拿大西部致密砂岩/页岩远景区的应用。这项工作的主要贡献是开发与示范一种针对页岩气远景区的严格分析方法。当考虑共存关系时,基于先导试验井输入变量的不确定性,该方法能生成其预测的分布。以前所有的工作一直专注于全域开发方案,然而无法利用勘探开发早期阶段可获取的少量数据快速形成这种全域开发方案。

    2 工具开发

    在这项工作中,开发了一种用于分析页岩气远景的工具。该工具选择使用(以Williams-Kovacs和Clarkson提出的方法(2011)为例的)预筛选的方法。本文将重点放在该工具的开发和应用,分析某一远景区的不同区域,以确定它们是否是适合的试点项目,并描述了图1所示的PADEM工作流程的勘探阶段。勘探阶段的目的是对从更多的详细资料中筛选的远景进行调查,以增加对油藏流动性和碳氢化合物生成能力的了解。在这项工作中,我们对个别类型油井采用概率范围经济学(probabilistic scoping economics)作为勘探标准,以确定该远景区是否适合实行试点项目。表1中完整提供了Williams-Kovacs和Clarkson(2011)详细讨论整体勘探开发方法的总结。

    表1  勘探开发方法概况

    发展阶段

    概述

    靶区筛选

    评估所有潜在的远景区,并选择能提供最好的商业成功机会的远景区

    勘探

    对远景区进行更详细地调查,提高对油藏流体特性和相应碳氢化合物生产能力认识。确定有代表性的试点项目适合的地区

    试采

    继续提高对远景区的认识,集中验证试采区单井的供给能力,评估完井方法

    商业示范

    在项目提交全部资金预算之前,完成开发部分(30%)针对错误的试验结果的测试

    全域开发

    完成全域开发计划,开始制定退出战略

    新的远景/退出

    完成项目详细回顾,评估区域及具体化开发过程中新的远景相关区域。调整和实施退出战略以及任何所需的补充措施

    在这项应用中解析模型比数值模拟更适用,其原因在于应用程序自设置和初始化的时间很短,整合的蒙特卡罗模拟法简单易行,并且在勘探早期阶段不容易获得形成精准的数值模拟所需的详细数据。尽管数值模拟技术已得到改进,但解析方法在工业和文献中依然被大量使用。下文给出了开发工具的关键部分的概要。

    2.1 属性图

    勘查方法最关键的组成部分可能是关键储层、地质力学、岩石物理和地球化学特性的精确属性图的开发。从地质模型、产量不稳定分析(RTA)、压力不稳定分析(PTA)、岩石物理调查等组合中可以推导出这些属性图。这些属性图用于远景的可视化、区块选区以及单一区块的分析。天然气原始地质储量图(OGIP)、Km-h图、压裂脆性图等有助于选择代表性区块以及具备更大开发潜力的区块,甚至高度非均质性区块。区块作为一种评价不同区块远景生产特性的方法,基于地质和岩石物理的观察,比较简单易于操作。采用区块方法不需要针对每个勘探网区块开发一种标准井进行分析,然而通过应用蒙特卡罗法依然解释了其变化性和不确定性。Clarkson和McGovern(2005)采用区块方法评价了煤层气(CBM)远景。通过输入X-Y坐标值以及PetrelTM软件的储层属性Z值可以在Excel中创建储层属性图。随后,数据透视表程序被用于对数据排序,并利用二维绘图应用软件创建属性图。由于早期的岩石物理模型通常利用有限的数据集开发,单一区块在蒙特卡罗模拟中选择不确定的输入数据和参数范围可以解释模型参数的不确定性。这种解释不确定性的方法将在本文所示实例中进行演示。

    2.2 水力压裂模型

    该项工作中,水力压裂裂缝的半长采用Valko(2001)提出的在常规和致密气中应用的简单双翼压裂模型来预测。该模型采用基质渗透率、剪切模量(杨氏模量与泊松比的函数)以及其他储层参数作为输入数据,且如果建模的输入参数不确定,则都必须重新计算每次蒙特卡罗迭代。采用简单的关联(Acm=4xfh)可将裂缝半长转换为与压裂有关的面积。这个压裂模型可能无法代表部分更复杂的页岩气裂缝。为了更好的表示引入到大部分页岩气储层的复杂压裂网,Xu(2009,2010)等人建立了一个更具有代表性的水力压裂模型,该模型将被结合到本次工作中所演示的更新版本的方法中。该区的微地震观测表明,在本文预测的远景区横向双翼压裂的假设是合理的。

    作为所应用的速率预测模型中的关键组成部分必须估算裂缝半长,这一问题将在下面部分开展讨论。水力压裂裂缝半长在随机分析中作为不确定的输入量,其分布主要根据该地区的微地震事件或者其他方法来确定。

     

     

    图1  非常规天然气勘探阶段的勘探/开发方法工作流程

    2.3 速率预测

    Clarkson(2013)提供了关于页岩气井生产分析和速率预测综合全面的概述。在该工作中,我们将页岩气井理想化为一个矩形双孔介质系统,气体从基质岩块流入到裂缝且储层不随着裂缝延展(如图2的概念模型)。该模型忽略了包括体积压裂(SRV)在内的影响,其他作者认为大部分低渗页岩气井在合理的时间内不会发生体积压裂。此外,图2所示的概念模型假设了一个均质的完井——Amborse等(2011)和Nobakht等(2011a)讨论了非均质储层完井的预测。

    在本次工作中,该模型的解决方案首先由EI-Banbi(1998)提出来。人们普遍认为在页岩气藏中占主导地位的瞬时流动状态是从基质到裂缝的线性流。同时,也可能出现一个与水力压裂线性流动相关的线性流动周期,但是通常认为这个阶段持续时间很短,或者被水力压裂清理以及表皮效应所掩盖,而很少可用于分析。本项工作中,我们假设瞬时线性流(从基质到裂缝)之后是边界控制流,该流态与受表皮效应(见等式7)影响的线性流体模型存在早期偏差。压裂段之间的不渗透边界结构导致了边界控制流产生。由Wattenbarger等(1998)首先将早期线性到边界控制流体的假设引入到致密气的应用中,并且该假设被广泛应用于文献和页岩气行业的解析模型。

     

     

    图2  从线性流到边界流的解的概念模型

    2.3.1 瞬时线性流的速率预测

    EI-Banbi(1998)提出通过恒定速率和恒定流体压力来描述瞬时线性流的公式。本项工作中采用恒定流体压力的条件,这也是本文其他部分的重点——该边界条件最接近大部分产生达到最大水位降低值的页岩气井的流动条件。Samandarli等人(2011)采用不同的流体压力迭代方法,对页岩气生产进行分析建模,但是他们表明在大部分情况下采用恒定流体压力的假设就可以了。

    与常用于表征简单横向双翼压裂的裂缝半长(Xf)相比,相关储层面积(Acm)能更好的表示完井措施和增产措施效果以及生成复杂裂缝的能力。因此,在这一分析中,采用相关的储层(气藏)面积(Acm)取代裂缝半长(Xf)。许多业内专家相信由于页岩气藏超低的基质渗透率,复杂压裂对于页岩气的商业生产至关重要。

    无因次时间,tD,Acm,相关储层面积(Acm)依据公式1在恒定压力条件下定义。

                               (1)

    无因次速率,qD,Acm,由无因次时间定义:

                                           (2)

    基于储层特性的无因次速率表达式,如果可获得关于KmAcm估算值,通过公式(3)可确定气体流速。采用不稳定产量分析或者其他的模拟技术可估算KmAcmKm也可以通过实验室技术单独确定。

                                 (3)

    Ibrahim和Wattenbarger(2006)认为线性流的性能受水位下降程度的影响,同时提出水位下降量修正因子(fcp)。此次工作中采用的修正因子(fcp)由公式4给出。

                                (4)

    此处,

     

    Nobakht等人2011a和Nobakht等人(2011b)通过分析中采用校正时间(本次工作未采用)提出一种更严格的校正水位下降量的方法。

    将水位下降量修正因子应用到公式3得出公式5:

                           (5)

    除了水位下降量的修正,这些公式经过进一步修改可直接应用于页岩气井。与致密气井相比,大部分页岩气井在时间曲线的平方根中表现出的较大截距(在致密气井中曲线通常穿过原点),而在流量和时间双对数曲线上页岩气井则呈现出的一半斜率的偏差。多名作者最初认为是裂缝的有限导流能力造成了这种偏差,但是Bello(2009)和Bello和Wattenbarger(2009,2010)认为这种偏差可以通过采用表面效应来更好的解释。Bello(2009)、Bello和Wattenbarger(2009)在恒定流量和恒定流体压力条件下完成了大量的受表皮效应(skin effect)影响的线性流分析,且推导出了恒定流体压力条件下的解析解。在他们的分析中,将表皮效应作为一个常量。Bello(2009)和Bello和Wattenbarger(2009)证明恒定流量情况下表皮是附加量,而恒定流体压力情况下表皮的作用是非线性的。由Bello和Wattenbarger(2009)提出的解析式可以使用下面的近似代数方程:

                    (6)

    从方程(6)可以看出,当tD(t)值大时,包含表皮的项就会变小。

    Nobakht等人(2012)研究了巴内特、马塞勒斯和蒙特利的大量页岩气井(这些气井在相对恒定的流压下产量不断降低),同时得出结论:通常这些页岩气井更多表现出恒定流量的情况而不是恒定流压的情况。作者假设这种意想不到的表现可能是由于Bello(2009)以及Bello和Wattenbarger(2009)提出的表皮模型太过理想化,因此无法代表野外条件。通过假设恒定的表皮效应,模型不能说明由压裂清理、压力敏感地层、变化的压裂导流能力、变化的井底流压、压力相关的流体性质、变化的井筒流体梯度、液体加载等导致的表皮改变。作为这项工作的结果,作者提出了一个可应用于公式(2)的替代表皮修正项:

                       (7)

    包括水位最低量和表皮的影响,公式(1)、(5)、(7)能够利用预测的气体流量,作为时间的函数,在线性流区域可对KmAcm给出独立的估测。

    2.3.2 边界控制流的流量预测

    上面描述的方法适用于有效的储层边界相互接触,边界控制流形成之前。基于图2所示的几何图形,边界控制流紧随着瞬时线性流的末期出现。当外部SRV的影响较为显著时,这一观点较为保守。Clarkson和Beierle(2011)认为如果遇到了其他的瞬时流区,则应采用多重分区的方法,此外,如果多级压裂井需要进行非均质性储层的完井(heterogeneous completion),早期线性流之后不会立刻发生真实边界控制流,且需要更复杂“混合”预测技术。如同下面叙述的,我们选择采用更为保守预测程序,假设线性流之后紧随边界控制流。

    利用公式8计算达到线性流的拟稳态时间(或者是瞬时线性流的结束时间):

                           (8)

    正如图2中看到Ye是压裂到储层边界的距离,计算公式如下:

                           (9)

    多名作者已经提出了页岩气井拟稳态线性流的预测方法。包括Fraim和Wattenbarger(1987),Palacio和Blasingame(1993),Doublet等(1994),Agarwal等(1999)和Mattar和Anderson(2005)认为可采用物质平衡类模拟程序预测边界控制流。Clarkson和Pedersen(2010)将这种方法应用于致密油研究,同时本文也将采用这种方法。公式(10)给出采用物质平衡方法预测边界控制流的生产速度:

                  (10)

    此处qpssi-Linear是边界控制流初始的页岩气流体速度,Pri)pss是边界控制流初始的平均储层压力,且Pwfi)pss边界控制流体初始时井筒流体压力。通过物质平衡计算平均储层实际气体拟压力。对于含有大量吸附气的页岩气开采(application),一般使用Clarkson和McGovern(2005)提出的MBE方法。而在以游离气为主的情况下,则使用定容气藏的常规MBE方法。物质平衡计算需要地质储量和气体特性(比如天然气压缩因子),这两者都是由关键PVT输入量和状态公式(EOS)确定的。

    (a)

    收入总额

    (b)

    收入总额

    扣减

    使用费

    扣减

    使用费

    扣减

    运营成本

    扣减

    运营成本

    得出

    税前运营现金收入(OCIBT)

    扣减

    资金成本补助(CCA)

    扣减

    收入税

    扣减

    加拿大开发费用(CDE)

    得出

    税后运营现金收入(OCIAT)

    扣减

    加拿大勘查费用(CEE)

    扣减

    资本支出

    扣减

    加拿大油气物业费(COGPE)

    得出

    税后现金流(CFAT)

    得出

    生产应税所得

    贴现

    税后贴现现金流(DCFAT)

    生产税率

       

    得出

    应付税款

       

    扣减

    免税额度

       

    得出

    应付净所得税

    图3  现金流分析:(a)现金流;(b)收入税(加拿大税制)

    结合El-Banbi(1998)改进的瞬时线性流的无因次公式和边界控制流的物质平衡模拟方法,可以开发一种综合的预测方法:

    1)        获取Acm(或者Xf)和Km(来源于微地震和/或RTA模拟/已有生产数据或者其他估计)的独立估算值。

    2)        使用公式(1)和(7)作为时间函数计算tD,AcmqD,Acm

    3)        线性流部分的数据利用公式(5)作为时间函数计算qg

    4)        指定排放区(来源FMB模拟/已有的生产数据或者其他估算)。

    5)        使用公式(8)和(9)计算tPSS-LinearYe

    6)        确定

    7)        采用公式(10)通过废弃量(边界控制流)从tPSS-Linear预测产量。

    上面描述的解析模型是假设模型(最小变化)区块内的体积平均值参数是恒量,并从认为是不确定的参数的概率分布中选择一个值。每一次蒙特卡罗迭代将选择不同的值,导致不同的流量预测和不同的主要经济指标值。在许多参数高异质性水平的情况下,存在明显的不确定性,这种不确定性反映在关键输出参数的显著变化。

    2.4 经济模块

    将经济模块与速率预测集成来计算与生产相关的现金流。因为通常行业采用名义美元计算实际(通常的)现金流和名义(现行的)现金流,虽然采用实际的盈利指数计算项目的最低预期资本回收率,且通过不同的通货膨胀率来比较项目。采用图3中的业务流程计算现金流和收入税(加拿大税收制度)。

    该模块中的天然气价格的确定实行了价格操纵,而非价格预测。采用价格操纵表明了项目十分稳定(不论是单独而言还是相较于其他项目),并且不再需要预测极不稳定的天然气价格,该模块中也设置了以价格预测为基础引导经济的选项。

    方法中建立了多个实际盈利能力的指标,包括净现值(NPV)、内部收益率(IRR)和投资收益率(ROI),用来比较项目和公司设定的最低预期资本回收率,同时可给项目进行排序。

    2.5 蒙特卡罗模拟的一体化

    本次工作将蒙特卡罗模拟整合到方法开发中。采用@RISKTM(Palisade Corporation,2010)对关键PVT和储层属性(原始参数)进行概率分布和模拟操作。概率分布的输入变量根据不同项目的数据数量和质量而变化。Clarkson和McGovern(2005),Haskett和Brown(2005)和Harding(2008)认为对数正态分布最能代表PVT、储层和经济特性,因此本文使用了这种分布类型。这些概率分布拟合按P10(低)、P50(中)和P90(高)不同的值输入各个不确定变量。这些输入值可能来自勘探/远景数据、个人经验、模拟数据等。缩减所有输入变量的分布保证每个实现只选择合理的数值(缩减分布将选择少量接近无穷大的数值,从而影响输出变量)。

    上面讨论了@RISKTM输出变量定义的关键经济参数,以及气体速率和累积天然气产量。由于每个输出变量允许量化与项目相关的不确定性,可对其生成一个概率分布,以便做出与远景选取和开发有关的明智决策。

    通过在x轴上找到相应的最低预期资本回收率时的位置,向上垂直移动至曲线处,然后再水平投影到y轴,这样可以从累积概率分布计算出超过设定最低预期资本回收率的概率。用1减去y轴上求出的值,得出超过最低预期资本回收率的概率。这个方法在本文中将作为范例进行演示。

    在这一应用中(如在孔隙度和渗透率之间),采用了拉丁超立方体抽样,如果有必要的话,还可合并相关性(如孔隙度与渗透率)。典型的多相(气+水)页岩气/致密气应用的主要参数如表2.3所示。在某些情况下,参数的依赖关系可使用行业普遍接受的经验模型进行解释,而在其他情况下会使用来自现场数据或者估算得到的基于方向的相关性(如较高的正相关关系)。例如,与压力有关的渗透率(绝对的渗透率比值)使用Yilmaz等人(1991)的方法可与储层压力和岩石力学特性关联。相反,束缚水饱和度与孔隙度密切正相关。可能的参数关系如表2所示。

    蒙特卡罗模拟运用了一个类似于Clarkson和McGovern(2005)使用的煤层气气藏远景分析的方法。

    表2  基本参数、可能的相关性和参数关系

    基本参数

    可能的相关性

    关系

    有效厚度/英尺

    孔隙度/%

    粒径,有机质

    适用于某些情况下和正相关情况的实证模型

    初始含水饱和度/%

    孔隙度

    高度正相关

    束缚水饱和度/%

    孔隙度

    高度正相关

    基质渗透率/毫达西,初始状态

    孔隙度,有机物

    适用于某些情况下和正相关情况的实证模型

    基质渗透率/毫达西,初始比

    储层压力,力学性能

    野外/岩心数据经验曲线

    相对渗透率

    含水饱和度,束缚水饱和度

    野外/岩心数据经验曲线

    初始储层压力/磅/平方英寸

    深度,渗透率(超压)

    气压梯度

    储层温度/℉

    深度

    温度梯度

    天然气比重

    朗缪尔体积/标准立方英尺/吨

    容积密度

    来自岩心/岩屑的线性关系

    朗缪尔压力/磅/平方英寸

    体积密度/克/立方厘米

    流泄区/英亩

    含气量/标准立方英尺/吨

    TOC

    正相关

    井眼半径/英尺

    表面

    增产效果

    高度正相关

    压裂总半径/英尺

    剪切模量(+),渗透率(-),有效厚度(-),井眼半径/英尺

    变化—见括号中相关方向

    井底流压

    井眼长度

    高度正相关

    3 该方法应用于远景勘探

    本文中开发的方法广泛应用于SG远景将其分成区块进行分析的目的,以确定是否适合作为一个试点项目。由于SG试点和开发项目成本高,且其详细分析需要大量数据,页岩气远景勘探至关重要。

    对于远景勘探应用而言,其方法的选择以当前远景数据和模拟数据相结合为基础。理想情况下,对于关键PVT和储层参数情况良好的估计,作为空间坐标的函数可用于远景勘探。如果事实并非如此,可以对模拟气藏或者其他数据源进行估算以获取数据,同时分析该方法带来的不确定性。

    假定整个远景区PVT和其他储层特性不变,输入数据可用于生成主要储层特性图。关键生产指标图如OGIP和基质渗透率乘以可以开发的净投入(千米/小时),可用于区块的选择。区块的选择基于区域类似的关键生产指标的值。对页岩气储层而言,压裂的指标,如压裂指数或脆性也可能用于区块选择,同时许多作者表明建立复杂裂缝网的能力对于页岩气商业开采至关重要。

    选择区块后,开始进行蒙特卡罗模拟,按照P10、P50、P90的概率预测和可以开发累积产气的区块,且结合使用关键经济指标的分析来确定区块能否适合一个试点项目。其他因素比如公司的经验,企业和商业策略,可用的资源和基础设施等都将纳入评估,以便为公司以及股东们确定哪些区域可以作为最佳试点选项作出明智的决策。

    远景勘探方法工作流程见图4所示。

    4 采用两段页岩开发模型的样本示例

    为了进一步说明该方法的应用,对加拿大西部的某处致密砂岩/页岩(假定没有吸附气体)远景区的两段进行了分析。在之前的研究中,PetrelTM开发的远景地质模型采用可用的岩石物性、储层和生产数据。图5所示研究区域内4口井的三维孔隙度模型和孔隙度相关的钻/录/测井记录。在该区域,存在两处可获益的产气水平井段(井段3和井段4)。

     

    输入数据

    关键储层属性的填图属性

    PVT,其他储层和水力压裂属性

    生产数据

    经济投入

    区块选择

    根据OGIP或者其他关键属性确定区块

    蒙特卡罗模拟

    模拟输出

    P10、P50、P90的概率预测和累积产气量

    水力压裂运行情况

    经济参数

    可行的商业区块标志

    其他

     

     

    图4  远景勘探方法的工作流程

     

     

    图5  三维孔隙度模型和孔隙度相关的测井

    模型开发期间这个开发区拥有11口垂直井,2口倾斜井和4口水平井。最初钻完成垂直井,紧随其后的是开始于2008年的水平井。Clarkson和Beierle(2011)在该区选择一系列井进行不稳定产量试井(RTA)。模型开发中使用的水平井的总结显示在下面表3中,同时在图6中(在下面描述)该区域的天然气原始地质储量(OGIP)图上显示了井的近似轨迹。

    表3  研究区水平井概况

    井名

    井向

    进入层位

    完井方式

    1号井

    水平

    井段4

    尾管注水泥

    2号井

    水平

    井段3

    自膨胀封隔器

    3号井

    水平

    井段4

    自膨胀封隔器

    4号井

    水平

    井段4

    自膨胀封隔器

    所做的分析主要集中在大部分是水平井的井段4。为了简化分析,采用孔隙度下限为4%,通过Excel加权平均井段4层位,将PetrelTM多层模型转换成一个单层模型。这一平均化过程是为了完成对基质的孔隙度、初始含水饱和度和渗透率的处理。利用孔隙度下限值还可以计算总有效收益和毛净收益(有效收益假设包括所有孔隙度下限值以上的层)。图7a和图8a显示了OGIP和Km-h属性图。

    模型采用的网格大小如表4所示。在整个开发过程中假设为常量的PVT、储层和生产参数如表5所示。

    表4  网格属性

    网格属性

    数值

    网格尺寸

    135×129

    区块长度,X/英尺

    49.76

    区块长度,Y/英尺

    49.76

    网格区块面积/Ac

    0.057

    对于这种情况,人们认为井筒流动压力(pwf)为常量1750磅/平方英寸,接近开发区水平井最初的井筒流动压力。随着时间的推移井筒流动压力降低,后期模型中压力驱动力低于开发井,模拟气率并不乐观。这种情况下,在可获取日常生产和流动压力期间内,平均两个收益井的流动压力大约是1550磅/平方英寸,因此到开发后期之前,这种假设的影响并不很明显。在实际勘探中,该地区还没有投入生产,由于我们不需要将可用的生产数据与模型匹配,而是采用实际的流动压力估计值尝试得到一个准确的潜在生产能力估计值,所以这种假设的影响不是一个值得关注的问题。

    表5  PVT常数、储层和生产投入参数

    参数

    PVT参数

     

    气体比重

    0.648

    N2/%

    0.46

    CO2/%

    0.2

    H2S/%

    0.0

    温度/℉

    166.5

    Cw/磅/平方英寸-1

    2.9×10-6

    Cr/磅/平方英寸-1

    5.6×10-6

    VL/标准立方英尺/吨

    N/A

    PL/磅/平方英寸

    N/A

    储层参数

     

    Pi/磅/平方英寸

    3500

    排放面积/Ac

    80

    生产参数

     

    Pwf/磅/平方英寸

    1750

    rw/英尺

    0.3

    3个区块中假设关键属性的变化情况如表6所示。各属性的数值是每个区块的各个网格值的算术平均数。由于基质渗透率是蒙特卡罗输入量,且利用基质渗透率值可计算总压裂半径(虽然也可使用压裂分析模型在每次迭代时作为基质渗透率函数计算总压裂半径),故给出了一个基质渗透率值以显示区块之间总值的变化情况。

    表6  储层变量和水力压裂输入参数

    参数

    区块1

    区块2

    区块3

    储层参数

         

    有效厚度/英尺

    102

    74

    58

    孔隙度/%

    7.1

    6.5

    6.0

    Sw/%

    18

    15

    16

    Km/毫达西

    0.0084

    0.0079

    0.0077

    水力压裂参数

         

    剪切模量/磅/平方英寸

    2×106

    2×106

    2×106

    总压裂半径/英尺

    1432

    1477

    1489

     

     

    图6  研究区地质储量图呈现近似水平井轨迹

    4.1 区块选择

    利用从PetrelTM多层模型开发的单层模型,其单层等量地质储量如图7a所示。根据类似颜色为代表的区域具有类似地质特征和岩石物理性质,通过视觉观察可选择区块。虽然已知气藏具有高度的横向非均质性,可以看到关键的地质和岩石物理性质明显凸出部分。该图形显示了更复杂的异质性模式的情况,需要更多的区块并且可能有必要用区块代表具有相似属性的不连续块段。图7b显示基于天然气原始地质储量选择的区块远景区。在计算天然气原始地质储量时,虽然该远景区吸附气体量很容易被包含其中,但还是假设其可以忽略不计。

     

     

    图7  地质储量图:(a)地质储量;(b)选区

    从图7b可以看出选取的三个区块中,区块1具有最高的天然气原始地质储量(红色和橙色),区块2具有的地质储量(光和暗绿色)次之,区块3具有的地质储量(紫色和蓝色)最低。从这幅图中可以推断出区块1将有最理想的属性,因此可能具有最高的产量,而区块3产气物性最不理想,因此可能具有最不理想产气量。如同气藏地质储量图(图7)一样,如果绘制Km-h图我们也可以分辨出三个相似的区块。此次应用区块选区采用的天然气原始地质储量图和Km-h图作为代表资源的程度/密度和储层特性的两个要素,这是工业上常用的评估致密砂岩和页岩远景好坏的关键因素。区块选区的属性根据不同项目而变化,取决于驱动特定资源类型远景的关键要素。

    对于这种情况,假设简单的水平双翼压裂(如所使用的压裂模型所假定的)就足够了,因为微地震数据对同一区域的补充水平压裂井的解译说明复杂程度较低,如果不是水平情况,则进行压裂(图9)。采用水平和垂直观察井用以观察,同时采用双阵列处理会产生一个好的数据集。一般情况下,各个阶段仅出现一个水力压裂裂缝。水力压裂裂缝通常选择北东-南西方向,与加拿大西部沉积盆地(WCSB)部分最大水平应力方向一致。

     

     

    图8  Km-h图:(a)Km-h;(b)选区

    通过比较图6与图7b和8b可以看出在开发区所有水平井部分或全部在区块1范围内。因为这个原因,剩余的分析还将在区块1中开展。对区块1区域的水平井的预测情况而言稍微乐观,因为这些水平井水平延伸超出区块1区域进入地质储量和Km-h更低的区域(该区水平井采用恒定的流体压力与(Pwf)i相比将获得相反的影响)。

     

     

    图9  根据微地震数据解译的研究区内水平井水力压裂裂缝几何图形

    4.2 经济分析

    分析假设只有天然气价格是变量,而所有其他经济参数都保持常量。表7列出了其他主要经济参数的值(基于Magyar和Jordan的估算(2009))和表8介绍了主要的专利权使用费、税和贴现参数。

    在本文的分析中,净现值(NPV)作为重要的收益经济指标且最低资本回报率为0。

    分析远景的工作流程图如图4。

    表7  资本和运营成本参数

    参数

    土地成本

     

    租金/美元/亩

    2500

    代理费/美元/亩

    50

    单井成本

     

    钻井/百万美元

    1.5

    完井/模拟/百万美元

    2

    配套设施/管道/百万美元

    0.35

    储层表征

     

    地震/百万美元

    0

    测井/百万美元

    0

    提取岩心/百万美元

    0

    其他/百万美元

    0

    运营成本

     

    固定成本/美元/月

    5800

    可变成本/美元/千标准立方英尺

    1.25

    表8  使用费、税收和折现率

    经济参数

    费率

    使用费率

    20%

    税率

    30%

    实际贴现率

    15%

    名义贴现率

    18.45%

    通货膨胀率

    3%

    4.3 蒙特卡罗模拟

    在区块选择之后,本文进行了蒙特卡罗模拟研究。蒙特卡罗模拟中,基质渗透率(km)和页岩气价格不断变化,而所有其他的PVT、储层参数和经济参数保持不变。为了更好地进行说明,我们选择了将“不确定”的输入变量的数量显著限制在基本控制远景的油藏性能(储层渗透率)和经济情况(天然气价格)。基于P10、P50和P90值按照对数正态分布模拟参数。在大多数的勘探情况下,许多参数都是不确定的,可以通过这些参数的概率分布(见表2)来定义。对于需要使用概率分布进行定义的一些关键参数,可通过评估给定区块内重大变化的属性图来直接确定,或用更严格的统计技术,如采用区块内部数值计算变异系数(Cv)。由于基质渗透率是基质流动的主要控制要素,以及未来商品价格造成的天然气价格的高度不确定,针对这种情况,我们选择基于视觉观察的基质渗透率。

    基质渗透率按照P10、P50和P90的值计算如下。通常情况下,可以通过岩石物理模型中的参数值拟合分布来生成概率分布,但是因为我们处理的是远景的早期评估,因此我们采用了替代的方法,即最大限度提高模型获取的不确定性来解释其他早期参数估算无法获取的变化性。如果需要,对其他不确定参数也可以使用相似的方法。

    P10——区块1中比第十百分位值的基质渗透率低20%

    P50——区块1中的基质渗透率值居中间数

    P90——区块1中比基质渗透率的九十百分位值高20%

    表9中定义了2个输入变量的分布。将模型内部不确定参数合并关联(见表2)也很重要。虽然孔隙度和渗透率之间的相关性被加入到原始岩石物理模型(幂律相关),并且压裂半径与剪切系数(正相关)、基质渗透率(负相关),净收益(负相关)和压裂模型井眼半径(负相关)相关,但是出于演示的目的,本文对这一方法进行了简化,使蒙特卡罗模拟中的主要变量之间没有相关性。由于压裂半径取决于基质渗透率,压裂模型必须在每次迭代时重新计算。气体流量,累积产气量和净现值被定义为@RISKTM输出变量。

    本文进行了5000次蒙特卡罗迭代,以确保蒙特卡罗输入变量充分覆盖样本空间。要求覆盖足够的样品空间,是为了确保每个模拟输入相同参数运行时,能得出同样的结论。出于演示的目的,用上述方法获得的迭代数并不是最优化。但是,通过将无限大(非常大)的样本输出分布与减少样本数量的输出分布比较,同时寻找要求充分重复“已知”输出分布的最小值,可以获得优化的迭代数。当进行多个模拟时,优化处理可用于减少处理时间和容量。

    4.4 结果

    图10显示了区块1中单口气井的确定产气量和累积产气量预测。这个“确定性”的基质渗透率的值来自于表9所示输入分布的斯旺森平均值(SM),假设这个值代表区块收益的平均水平(静态平均Km=0.0095毫达西)。虽然Bickel等人(2011)指出了斯旺森平均值(SM)的缺点,但它仍然被广泛地用于工业,因此在这种情况下还将使用。此外,斯旺森平均值在输入分布的平均值的5%范围内(使用@RISKTM计算),因此认为在这个例子中的平均值是准确的。另外,可以使用另一个估计的平均值(即分布平均值、区块值的算术平均值等)。图10a显示的产气速率与时间半对数图以及累积气体的产生与时间的笛卡尔曲线,而图10b显示了产气速率和时间的对数分布图。

     

     

    图10  开发模型情况下的确定速率预测:(a)产气速率和时间、累积产气量和时间的半对数;(b)产气速率和时间的对数关系

    图11显示了产气速率与时间的半对数图,图11b显示一个产气速率与时间的对数图和图11c显示预测(约14年)最初5000天累积产气与时间的笛卡尔曲线。

    通过比较图10和图11,可以再次看到确定性预测与P50概率预测相比,具有更大的IP,持续的生产速度和累积产气量,表明确定性预测是比中位数情况稍微乐观,并且明显远超过P10的情况。这些结果再次支持使用概率分析取代非常规应用的确定性分析。

     

      

    图11  开发模型情况中概率速率预测:(a)产气速度和时间的半对数关系;(b)产气速率和时间的对数关系;(c)累积产气量和时间

    随后,P10、P50和P90产量预测与区块1内水平井可获取的生产数据进行对比,以测试开发方法的稳健性和准确性。在这个比较中,由于完井的复杂性,只有井3和井4可用,而井1表现不佳,且井2在此次分析区块外部。井3的产量被缩减了30天,以便使该井产量自然下降的初始时间与概率预测的一致(指修正井3)。生产的前430天的对比曲线如图12所示。

    如图12所示,两口井的生产数据(修正井3和井4)普遍落在P10和P90之间(使用@RISKTM生成的预测)。除了生产的前20天和第300天左右时的大约20天两个时间段(模型没有指出的操作问题导致的结果)外,约80%的数据点如预期处在P10和P90预测之间。初步预测产量可能更高,因为它不考虑压裂清理干扰、启动效应等,该模型增加了表皮效应来提高与IP的匹配程度。但是,在真正的勘探情况下表皮效应的大小无从得知,这是因为无法获取产气远景区域的数据且需要将其作为不确定的输入量以最大限度地提高模型的准确性。

     

     

    图12  3号井和4号井生产数据和概率速率预测的对比:(a)产气速率和时间的半对数关系;(b)产气速率和时间的对数关系;(c)累积产气量和时间

    虽然这不是一个令人满意的统计样本,只有一个关键属性(Km)被认为是不确定的,但结果令人鼓舞。图13显示了净现值的增加的累积概率分布,直方图和回归系数托那多图。图13a再次显示超过最低预期资本回收率概率计算的累积概率分布图。

    从图13a可以看出这个模拟平均净现值为53万美元,可能超过最低预期资本回收率的50%。然后,可将平均净现值和超过最低预期资本回收率的概率与相同远景的其他区块,以及与其他潜在远景的区块进行比较,从而确定哪些远景区域可提供最好的经济成功机会。这一分析显示了积极的NPV平均值和超过最低预期资本回收率的适度概率。基于这样的分析,可以得出结论:区块1的样品远景对于试点项目是极好的备选。这一分析支持了该地区的开发,但是这一测试中所采用的天然气价格网格假设对其结果影响极大。图13C中托那多图表明天然气价格对净现值带来的影响最大,基质渗透率给净现值带来的影响其次(区块1中最小的基质渗透率变化的结果)。这表明假设较高的气体价格(比如该区水平井钻探时期的气体价格)将提高远景的可取性。从图13b直方图可以看出模拟中大部分的净现值在300万美元和350万美元之间,众数等于-1.5万美元,相当于平均数53万美元左右。

     

     

    图13  开发模型应用NPV法得出的经济结果:(a)累积概率分布;(b)柱状图;(c)回归系数的龙卷风图

    此分析程序可在在开发区的其他2个区块内完成,以协助选择最适合公司的试点项目的位置。2号和3号区块的填图属性的直观观察(图7b和8b)表明,这些地区情况没有区块1理想,因此在本次分析所使用的气体价格假设中可能不适合作为试点项目。

    5 结论

    在本文中,开发了一种方法理论和基于excel的方法以协助页岩气和致密砂岩气藏的勘探。这个方法包含了来自不同来源的映射属性、一个用于估算水力压裂半径的简单的压裂模型、目前应用于页岩气井开采的速率预测技术、计算关键盈利能力指标的经济模块以及解释非常规资源中内在的风险和不确定性的蒙特卡罗模拟。本文所描述的方法和工具可被工业界用于评估远景区域内的各个区块和选择适合试点项目的地区。该方法较为严谨,以岩石物理、地质和现在产业应用的分析储层模型为基础,且通过重建现有实例的油藏动态来证明其准确性。由于不需要建立复杂的数值模型和详细的开发方案(所需数据是在开发早期通常无法获取),这种方法既简单又高效。

    感谢代金友副教授对本文提出的宝贵意见。本文受中国地质调查“地学情报综合研究与产品研发”(121201015000150002)项目支持。

    资料来源:Williams-Kovacs J. D., Clarkson C. R. A new tool for prospect evaluation in shale gas reservoirs. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2014,18(5):90-103.

    一种用于页岩气藏远景评价的新方法
      一
      陈春亮值大夜班,6点半本该下班了。但8月8日这个早晨,他不得不留下来连续作战。昨天半夜箱式采样成功,首席科学家邓希光决定接着要冲刺本航段最后一个硬任务——用可视化多管取样。年轻的陈春亮是这条船上唯一有可视专业背景的人,他要挑大梁了。
      按照每分钟50米的速度,可视化多管取样设备下水。值班组长郝小柱从屏幕上看着仪器平稳下到了2800米,放心地去食堂吃早餐。十分钟后,坏消息传来:多管提前闭合了。
      正常的多管取样是仪器触底后机关释放驱动8个采样管自动闭合。水深5280米的站点,在水深仅仅刚过一半的地方就闭合,没什么说的,失败!
      仪器从水中提上来,大伙表情严峻。一个星期前,也是做可视化多管取样,设备出故障,仪器下到3000多米处时,屏幕就漆黑一片。那次多管取样硬是靠盲抓,样品上来,结果还不错,但就可视化试验来讲,是失败的。
      好在这次不是可视化设备出的毛病。赶紧叫来经验丰富的刘碧荣,捣鼓半天,感觉是推动杆松了。刘碧荣调紧弹簧,瓶口上方又绕了一圈胶布。
      7点多,可视化多管取样仪器再次下水。室内可视屏幕前围了一圈人。透过安放在多管仪器正上方位的摄像头,我们看到仪器缓缓地往下探,周边海水颜色从蓝,到黑蓝,在305米的时候,连仪器反光都消失了,陈春亮远程操控打开了仪器上的灯。
      3000米,屏幕上的仪器剧烈地摇动了一下,大家的心又提了起来。没事,王俊和郝小柱猜测可能那个层位有内波。3500米,4000米,5000米,5280米,屏幕上的仪器镜头突然被掀起的一团灰蒙蔽,这是运作正常的取样程序。好了!大伙高兴地喊起来。
      镜头前的画面逐渐清晰,原来透明的8个管子了明显变了模样。齐磊使劲盯着屏幕看取的样品。今天这8管样品,6个已经名花有主,假如失败2个管,他就没戏了。
      中午1点多,多管取样仪器上来了,只有一管漏了,其他样品完好。邓首席满意地站在一边说笑,齐磊开心地围着样品忙前忙后,陈春亮喝了一瓶矿泉水,说真困,睡觉去了。

      二
      海水像一面镜子,白日的阳光、云朵、夜晚的月亮、星星都在它上面反射自己的光影。它本身是透明的。
      可谁能用肉眼看到海底下的山川丘壑?没有。因为它太深了。在我们眼睛和洋底之间,存在着几千米海水的间隔。对于海洋调查工作而言,间隔越大,难度越大。
      一直以来,人们都在探索如何将可视化广泛应用到海洋调查中,新近研发的国产“蛟龙号”、“海马号”都在高清可视化应用上有突破。
      就在去年8月,邓首席乘坐“蛟龙号”下潜到5000多米深处,在只有5个立方米的狭小空间,他和其他两名科学家透过窗口看采薇平顶海山坡上生动的大世界:翻卷身姿的海参、憨态可掬的海胆、树枝繁茂的珊瑚、在镜头边游戏的鱼儿。
      可视技术的运用,对于海洋资源和环境调查意义深远。邓首席告诉记者,传统的调查仪器都可以采用可视化技术,这一点,理论上可行,实践上也已有成功先例,但在“海洋六号”,这是首次用传统仪器进行可视化作业。这次的可视化多管取样,是新的探索。


    拆下样品管


    样品拿到,先把水和泥做第一次简单的分离


    用淡水冲洗保养可视化使用的光纤缆绳
    透过海水

    煤炭发电站排放污染物

    1957年美国内华达州原子弹爆炸

    白垩纪恐龙时代

    国际年代地层表

    编者按 近日,一些科学家投票选出了一个新的地质年代——人类世,以此表明人类对地球做出的深刻改变。由34名成员组成的人类世工作组(AWG)做出的这一决定,标志着正式定义一个新的地质年代的工作迈出了重要一步。为什么要划分人类世?人类世始于何时?“金钉子”将选在哪里?……本版带您一起了解。

    事件

    地球进入“人类世”

    近日,人类世工作组(AWG)的科学家投票决定,地球已进入新地质时代——“人类世”,并指出20世纪中叶是“人类世”的起点。人类活动已经对地球造成了重大影响,甚至可能改变地球的演化方向。科学家们是在审阅了现有证据之后,投票赞成将我们所处的时代划分为一个新的地质时代——人类世。

    自从十多年前这个术语首次被正式提出以来,专家们一直为此进行激烈的争论。人类世工作组(AWG)确定,人类对地球产生了如此深远的影响,这一说法是有理有据的。国际地层委员会旗下的第四纪地层学小组委员会于2009年设立人类世工作组,该工作组负责考察和界定“人类世”,共有34名地质学、考古学、生物学、海洋学、气候学等多种学科专家参与,由英国莱斯特大学的简·扎拉斯维奇担任主席。

    国际地层委员会(ICS)尚未批准这个新术语,但AWG将在2021年之前向ICS提交一份正式提案,以正式定义我们当前的时代。

    AWG是由第四纪地层小组委员会建立的,该小组委员会是国际地层委员会的一部分。在这次投票中,AWG的29名成员支持人类世的定义,并投票赞成以20世纪中期作为人类世的起点——当时迅速增长的人口加快了工业生产、农用化学品使用和其他人类活动的步伐。与此同时,第一次原子弹爆炸产生的放射性尘埃在地球上飘荡,它们随后嵌入沉积物和冰川中,成为地质记录的一部分。

    此次投票的结果并不让人感到惊讶,因为它只是巩固了2016年在南非开普敦召开的国际地质大会上的非正式投票结果。但这一结果鼓舞着科学家尽快找到代表全新世结束和一个由人类活动塑造的新地质年代开始的地质标记。

    一旦AWG提出正式建议,国际地层委员会的其他几个小组将对其进行审议。如果获得通过,那么将由国际地质科学联合会下属执行委员会作出最后的审批。

    释疑

    1 什么是“人类世”

    “人类世”这个概念最早由诺贝尔化学奖得主、荷兰大气化学家保罗·克鲁岑于2000年提出。他认为,地球已告别1.17万年前开始的地质年代“全新世”,快速增长的人口和经济发展对全球环境造成巨大影响,人类活动对地球的改变足以开创一个新的地质年代。

    2002年,《自然》杂志发表了他的文章《人类地理学》。在这篇文章中,保罗·克鲁岑正式提出“人类世”的概念,并对“人类世”一词给出了具体阐释:“自1784年瓦特发明蒸汽机以来,人类的作用越来越成为一个重要的地质营力;全新世已经结束,当今的地球已进入一个人类主导的新的地球地质时代——人类世。”

    “人类世”概念的核心在于,人类活动对地球的影响已经大大超过了自然变化的影响,尤其是自工业革命以来,人类在土地利用、建坝挖河、水资源利用等方面极大地改变了地球的面貌和环境。更为重要的是,人类活动改变了大气成分,化石燃料的巨量燃烧造成大气中温室气体浓度飙升,改变了气候变化的方式,地球的历史演变自此进入了全新的阶段。

    2008年,英国地质学家、莱斯特大学地质学教授扎拉斯维奇和他的团队发表提案,论定地球已经进入“人类世”。

    2011年5月,约20名诺贝尔奖得主向联合国提交《斯德哥尔摩备忘录》,建议将人类现在所处地质年代改为人类世。

    2016年8月29日,第35届国际地质大会在南非召开,会议正式通过“人类纪”“人类世”和“人类期”的概念。

    2 为什么要划分“人类世”

    保罗·克鲁岑认为,人类活动对地球的影响足以开创一个新的地质时代。从工业革命开始,人类活动的影响已经大大超过了自然变化的影响,并且这种影响在未来数万年依旧会持续。因此,有必要专门划分出一个地质历史时期,来看待人类对地球环境重大且持续的改变。

    在过去的300年间,地球面貌发生了翻天覆地的变化。全球人口增长了10倍以上,克鲁岑在2002年发表文章的时候,全球人口为60亿左右,而到2018年初,全球人口已经飙升到了74.4亿以上。因为化石燃料燃烧引起大气中温室气体增加,2002年,大气中的二氧化碳浓度达到370ppm(百万分之一浓度),比工业革命前高30%;到2018年中期,大气中的二氧化碳浓度达到410ppm以上,这比工业革命前高了45%以上,比过去80万年中的任何时候都高,甚至是过去300万~500万年以来的最高值。

    “‘人类’本身已经变成了一个地质过程。”英国地质调查局的地质学家科林·沃特斯说,“塑造地球的主要地质力量——它不再是河流、冰或风了,而是人类。”

    2008年,英国地质学家扎拉斯维奇认为已正式进入了人类世。第四纪地层学小组委员会网站发布的文章指出,与“人类世”相关联的现象包括,生物栖息地减少,全球气候变暖,混凝土、塑料等物质出现……这些变化将存留千年或更久,它们正在改变地球系统。

    3 “人类世”始于何时

    关于“人类世”的起始时间,科学界存在不同的观点,其中最早的日期是1万年前的农业革命。而克鲁岑把人类世的起始地质年代精确定为1784年,即从瓦特改良蒸汽机开始。

    2016年,《科学》杂志发表综述《人类世在功能上和地层上与全新世截然不同》,来自英国地质调查局的科林·沃特斯等人依据大量数据,提出人类世应该被认作是一个新的地质时间单位,其开始的时间应该为20世纪中期,即1950年左右,当时核能时代开始、人口膨胀、工业急剧发展、矿产和能源加快使用。人类活动给地球留下了无处不在而且持久的印记,与之前的全新世截然可分。

    大多数支持人类世命名的科学家更倾向于以1945年为起点。由于20世纪中叶人口的快速增长及工业化消耗了更多的自然资源并产生了更多的温室气体,标志着人类对地球物种的影响“大加速”。

    AWG大多数成员认为,20世纪中期是“人类世”的起点,当时迅速增长的人口加快了工业生产、农用化学品使用和其他人类活动的步伐。不过,有4名AWG成员不赞同这一观点。AWG的4名成员投票反对将人类世定为新地质年代的想法。他们反对工作组试图在全球地质记录中找到一个单一明确信号的做法,认为应该承认人类从史前农业开始便对地球产生了渐进性的影响。

    英国莱斯特大学考古学家、AWG成员埃奇沃思说:“地层证据压倒性地表明,这是一个跨越时间的人类世,它有多个起点,而不是一个单一的起点时间。”他认为,仅仅根据放射性核素信号来命名一个新的地质年代,“阻碍而不是促进了对人类参与的地球系统变化的科学理解”。

    尽管围绕着人类世的概念还有很多学术争议,但是人类世的概念深刻影响了全球各界看待世界的方式。我国“黄土学之父”、已故著名地质学家刘东生院士指出:“人类世的提出是一个值得考虑的问题,因为它不仅是一个地质学分期的问题,同时还涉及人在自然界的地位的问题和人类认识自己的问题。”

    4 “金钉子”将选在哪里

    人类世要想作为新的地质年代,它就需要具备相应的年代地层,这首先就需要确定边界。AWG的下一步工作重点是确定一个具体的地质标记或“金钉子”,这在技术上被称为全球界线层型剖面和点位(GSSP)。这是一个国际公认的岩层基准点,科学家们用它来定义地质时代之间的边界。

    根据国际地质科学联合会和国际地层委员会规定,“金钉子”是确定和识别全球两个时代地层之间界线的唯一标志。地球上的宙、代、纪、世、期都要由“金钉子”来区分,它一旦在世界某个地方“钉下”,该地点就变成一个地质年代的“国际标准”。现在这个被称为全新世的时代大约始于1.17万年前的最后一个冰河时期的末期。

    AWG列出了10个“金钉子”候选地点,它们可以用来区分全新世和人类世,包括意大利北部的一个洞穴、大堡礁的珊瑚和中国的一个湖泊。他们还在考虑是否使用来自第一次核试验的放射性碎片痕迹来支持他们的主张。目前,许多参与这项工作的科学家正在德国柏林协调未来两年的研究工作,他们希望在正式提案中包含一个单一地点。

    扎拉斯维奇表示,工作组正在考虑是否选择1945年原子弹爆炸至1963年《有限禁止核试验条约》缔结期间产生的放射性核素作为证据。

    “我们需要非常详细地分析每个地点存留的地质信号,并比较所有信号,以判断哪些能最清楚地反映与‘人类世’起始相关的全球变化。鉴于存在多种信号,例如矿物质含量、化学性质、不同种类的化石等,而且它们存在于湖底、极地冰川、热带珊瑚等不同环境中,选定‘金钉子’是一个漫长的过程。”扎拉斯维奇说。

    小知识

    地球地质年代的划分

    地球46亿年历史可分为三大阶段——天文时期:46亿~35亿年,地球上基本未保留这一时期的地质体;隐生宙时期:35亿~6亿年,地质体在部分地区有保留,已有原始生命出现;显生宙时期:6亿年至今,此期地质体遍布全球。

    也因此,地球历史年表中主要是以有地质体的时间来划分的,其中最大的时间单位是宙(eon),宙下是代(era),代下分纪(period),纪下分世(epoch),世下分期(age),期下分时(chron)。以代来划分,新生代是地球历史上最新的一个地质时代,从6400万年前开始一直持续到今天。随着恐龙的灭绝,中生代结束,新生代开始。新生代又分为古近纪、新近纪、第四纪,然后是纪下的七个世:古新世、始新世、渐新世、中新世、上新世、更新世和全新世。

    人类就是在距今约260万年的全新世之时,从灵长目中的猿逐渐完成了从猿到人的演化。过去认为,如果把地球的历史比喻成24小时,人类只存在了3秒。但是,由于发现了更早的人类化石,又把古猿转变为人类始祖的时间向前推进到700万年前。

    当然,人类的出现与进化是第四纪最重要的事件。第四纪可分为更新世(早更新世、中更新世、晚更新世)和全新世。如果现在要划分人类世,就是把第四纪从更新世、全新世延续到了人类世,也是与全新世道别。

    与地球46亿年的历史相比,人类短短300万年的历史犹如“一瞬间”,然而,就在这“一瞬间”,人类已将自己的印记深深“烙”在了这颗蓝色星球上。

    “人类世”来了

    从镇巴县城到圈子崖天坑的水泥公路还剩下最后的两三千米就修通了,这八九十千米的山路,即使是越野车,也得行驶近三个小时。

    记者随同科考队从镇巴县城出发,过了三元镇,沿途都是在悬崖绝壁上忙于修路的山民。尽管已经铺上了水泥路面,但路牙子和栏杆还没有配起来。车在路上行驶,记者往窗外一看,脚下就是悬崖,没有在这样的路上跑过的人,还是会心生恐惧的。

    正在修路的山民们对于我们一行的匆匆驶过很友善,从他们喜形于色的脸上,可以看出他们对天坑开发的某种期待。

    科考人员在天坑底部考察天坑构造

    近年来,陕西汉中天坑群的发现让天坑这种奇特的地质现象为世人所瞩目,也惊动了国际地学界。今年4月28日~5月9日,中国地质调查局岩溶地质研究所、陕西省地质调查院与捷克洞穴学会、英国洞穴协会联合对汉中天坑群进行了第四次国际科考。

    天坑群成了继“两汉三国”汉文化之后汉中的又一张靓丽名片。汉中天坑群调查研究成果显示,汉中地区5019平方千米面积内,共发现天坑54个,占全球已发现天坑的1/4,此外,洞穴、峡谷、地缝、石芽、石林、湖泊等岩溶地貌景观超过400处,这也让汉中天坑群成了当之无愧的世界级天坑博物馆。

    显然,作为罕见的地质遗迹,汉中天坑群的发现无疑会引发一股旅游开发热潮。但是,在旅游开发的同时,也必然会引来一些反对的声音,到底是重开发还是重保护,这就要考验当地政府的智慧了。

    什么是天坑?

    天坑是在地球表面自然形成的平均宽度与深度均超过100米的独特的大型喀斯特地貌。站在坑口直接向下观望,让人有一种深不见底的恐惧。在伯牛坑探秘期间,记者怀着好奇,糊里糊涂地跟着科考队顺着绳子往坑里滑,刚刚下到一半,就感到了莫名的恐惧。记者硬着头皮下到坑底,溶洞般的巨大洞厅令记者惊叹,随处可见坍塌的碎石,川流不息的地下暗河不知流向了何方。

    据专家介绍,地下河水的强大侵蚀动力是天坑形成的主要原因之一。随着河水的不断冲刷,洞穴面积不断扩大,形成了我们看到的这种大厅。再经过数万年的冲刷和崩塌,大厅顶部完全塌陷,最终形成天坑。

    对于天坑的概念,陕西省地质调查中心主任罗乾周用比较通俗易懂的语言给出了自己的答案,天坑是指四周陡壁具有一定规模、发育在碳酸岩岩区的一种地貌,是在地下河强烈溶蚀和侵蚀作用下,石灰岩不断溶解,导致岩层不断崩塌,并贯通地表所形成的。

    2001年之前,天坑只是对重庆奉节县小寨天坑这种景观的特称,类似的地貌在各地有不同的名称,如“龙缸”、“石院”、“石围”、“岩湾”、“天盆”等。2001年,天坑作为一个专门的喀斯特术语被我国专家提出。

    作为一种地质奇观,天坑虽然已经在地球上存在了漫长的岁月,但直到2005年,中国地质调查局岩溶地质研究所研究员朱学稳与其所在研究集体提出的喀斯特天坑理论体系和“天坑(karst tiankeng)”的名称,才正式被国际喀斯特学术界认可。这是继峰林(fenglin)和峰丛(fengcong)之后,第三个由中国人定义并用汉语和拼音命名的喀斯特地貌术语。

    在朱学稳和英国诺丁汉特伦特大学Tony Waltham教授联合署名的论文《天坑释义》中,他们是这样定义天坑的:具有巨大的容积,陡峭而圈闭的岩壁,深陷的井状或桶状轮廓等非凡的空间与形态特征,发育在连续沉积厚度及其含水层包气带厚度均特别巨大(地下水位深埋)的可溶性岩层(以碳酸盐岩为主)中,从地下通向地面,平面宽度与深度从大于100米至几百米以上,底部与地下河相连接(或有证据证明地下河道已迁移)的一种特大型喀斯特负地形。

    此外,在观赏方面是否具有稀有、壮观、险峻、生境独特和生物多样性等综合属性,也应该被认为是鉴别天坑与一般漏斗、洼地或竖井的重要标志。失去地下河行迹或周壁的完整性遭受严重破坏的天坑,可称为退化(剥蚀)天坑。

    “据推断,汉中天坑群的天坑形成时间在18万年到12万年前,最古老的可追溯到68万年前,通过研究天坑我们可以研究古地理环境、气候等,可以帮助我们更好地了解过去。”罗乾周称,独特的地形、负地形下特殊的生态环境是人类了解地质、气候变化的最佳场所。

    汉中天坑群的一大特点是,这些天坑都处于原始森林之中。我国的喀斯特地貌以“中国南方喀斯特”世界自然遗产最为著名,那些分布于云南、贵州、广西、重庆等地的石林、峰丛、溶洞、天生桥以及天坑等,没有一处有着汉中天坑群这样丰美茂盛的原始森林。

    关于汉中天坑群的形成,陕西省地质调查中心总工程师李新林告诉记者,天坑群的形成是一个很复杂的过程,它不是简单的地质塌陷的结果,地下水流的侵蚀和微生物(细菌)的侵蚀也是天坑形成的诱因。当然微生物的侵蚀必须具备一个条件,就是上部有适合菌体繁育的土和植物。

    天坑是一种自然景观,由喀斯特作用形成,因此人为作用形成的巨型坑不能叫天坑,比如矿坑就不能算天坑。此外陨石撞击地球形成的陨石坑也不能叫天坑,因为它不是喀斯特作用所形成的。

    北纬30度以北

    北纬30度主要是指北纬30度上下波动5度所覆盖的范围。在这一个纬度发生着许许多多让人捉摸不透的未解之谜和神秘事件,四大文明古国全部集中在神秘的北纬30度附近。

    据研究发现,在北纬30度附近发生的地震都十分严重,其实不仅仅是地震,海难、火山和空难在北纬30度发生的概率也非常高。

    在北纬30度,既有着许多奇妙的自然景观,又存在着许多神秘现象以及未解之谜。北纬30度发生的一系列现象都有着一定的必然联系,其被人们称为地球的脐带,该纬度的磁场、电场、重力场等都对地球环境产生了很大的影响,北纬30度未解之谜等着人们去探索。

    北纬30度既是地球山脉的最高峰所在地,又是海底最深处的藏身之所,世界著名的几条大河都在这一纬度进入海洋。在这里,不仅有着神秘的古埃及金字塔群,还有神秘的火神火种壁画,死海、空中花园、百慕大三角州、玛雅文明遗址等都在这一纬度存在着,甚至人们猜想的亚特兰蒂斯似乎也存在于北纬30度附近。

    在北纬30度存在的神秘现象以及未解之谜数不胜数,这一纬度也一直被人们称之为神秘的北纬30度。地球在46亿年的历史变迁过程中,形成了今天独特的地质和地貌特征。关于北纬30度的奇异现象,尽管地球物理学家发现了由地表至地心分布着地壳、地幔和地核,以及三者不同尺度的三维横向不均匀性,但有些奇怪的自然现象还无法弄清,很多问题仍需进一步进行研究。

    天坑是一种罕见的地质现象,一般形成期在50万年左右。目前,全世界发现并被确认的天坑共有130个,其中90多个在中国。那么,为什么说这次发现的汉中天坑群十分罕见?原来,汉中天坑群发现之前,全世界发现并被确认的天坑均位于北纬24度~31度之间和南、北纬20度以内,而在汉中发现的天坑群沿着大巴山脉,分布在北纬32度~33度范围内,是在我国北纬32度湿润热带-亚热带岩溶地貌区最北界首次发现的岩溶地质景观。

    据了解,汉中天坑群是首次在北纬32度~33度范围内被发现的全球纬度最高的天坑群,填补了世界岩溶地质研究的空白。汉中天坑群共有54处,主要分布在汉中市宁强县禅家岩镇、南郑县小南海镇、西乡县骆家坝镇、镇巴县三元镇4个区域,其中超级天坑2个、大型天坑7个、常规天坑45个、其他地质遗迹473处。

    中科院院士袁道先在进行实地考察后认为,汉中天坑群将我国湿润热带-亚热带岩溶地貌区界限显著北移,具有重要的科学价值,合理保护与开发利用天坑群地质遗迹资源,对于地方经济发展具有重要的推动作用。

    汉中发现罕见天坑群的重要价值在于,不仅极大地丰富了我国乃至世界地质遗迹旅游资源,更填补了世界岩溶地质研究空白,增加了生物研究原始样本,对研究我国南北方乃至全球古地理环境及气候变化具有重要科学价值,其被专家誉为改写地质历史的世界级“自然博物馆”。

    由联合国教科文组织选出的地质公园是以其地质科学意义、珍奇秀丽和独特的地质景观为主,融合自然景观与人文景观的自然公园。联合国教科文组织的目标是选出超过500个值得保存的地质景观加强保护。目前,我国已有35处地质公园进入联合国教科文组织世界地质公园网络名录。无论是地质公园还是世界自然遗产都是全球自然景观中的佼佼者,其科学意义和旅游观赏意义不言而喻。记者从不同渠道了解到,针对汉中天坑群这一独特的地质遗迹,目前各方正在积极筹备世界地质公园和自然遗产申报。

    中国地质调查局高级工程师毛晓长认为,汉中天坑群与南方天坑有着不同的形成机理,生物多样方面也很独特,因此从稀有性、科学性、美学性、可保护性等方面而言,汉中天坑群具备成为世界级地质遗迹的条件。

    专家认定,汉中天坑成群分布,规模巨大的洞穴廊道、地缝、峡谷、石林及湖泊等岩溶景观类型齐全,组成了完整的岩溶地貌系统。岩溶洞穴中保留有丰富的古地下河冲积物、次生化学沉积物及重力崩塌堆积物,为研究地下河演化和秦岭南部古环境变化提供了素材。

    记者了解到,中国地质调查局岩溶地质研究所与陕西省地质调查院已达成共识,拟共同推进汉中天坑群国家及世界地质公园申报工作,初步确定以汉中黎坪地质公园为基础,联合南郑小南海、宁强禅家岩天坑群,争取申报世界地质公园。

    开发之惑

    天坑是一种独特的自然奇观,为喀斯特条件下所特有。它在自然景观中,具有稀少、奇特、险峻、恢弘、壮丽、秀美、生态环境独特等一系列特殊的旅游观赏价值与感官属性。同时,天坑总是与洞穴、地下河、奇峰怪石等其他旅游资源共存于一体,因而无疑是一种特殊的超级旅游资源。

    据了解,重庆小寨天坑已于1999年向游人开放,广西乐业大石围天坑群正在旅游开发规划之中。未来,喀斯特天坑风景名胜区将为世界旅游业增添一个璀璨夺目的亮点。

    汉中天坑群一般分布在人迹罕至的大山顶上,居住在这里的村民大多因为交通问题而在贫困线上挣扎着。在南郑县小南海镇考察伯牛坑时,正在地里干活的一位老农民悄悄地向记者打听,这里真的能开发吗?几天后,在央视对镇巴县三元镇天悬天坑进行直播的当天,一群前往围观的当地村民又问了同样的问题,其中一个年轻人告诉记者,他自己花钱修通了一条从家到公路的水泥路,准备开一个农家乐。

    记者注意到,每个天坑附近的百姓都对天坑的开发充满了期待。面对这一世界级的旅游资源,当地政府又岂能错过?对于经济欠发达的汉中来说,有开发利用的冲动也在情理之中。但是天坑资源属于不可再生的自然遗迹资源,一旦开发不当将会带来不可挽回的损失。

    在本次科考期间,中国地质环境监测院地质环境评估室主任、全国重要地质遗迹项目负责人董颖对天坑一味地搞大规模开发提出了反对意见,她说:“地质遗迹开发要谨慎,应以保护为主,即使要开发,也应该以维持天坑的原貌为基点,不要对其原有的风貌进行破坏,否则就失去了意义。”

    因此,对于经济实力不强、脱贫攻坚压力较大的汉中来说,如何利用天坑群资源,推动区域经济发展、促进当地群众致富增收成了主政者面临的主要问题。

    “汉中天坑群基本上为原始状态,未受人为破坏,保存程度极好。”李新林介绍,汉中天坑群地质遗迹呈现地面与洞内景观相结合的多层次的游览空间,可以与人文、生态及红色旅游资源相结合,形成完整的旅游资源配置格局,具备观光游览、度假休闲、探险科考、科学研究、科普教学等多种功能。

    据了解,由于自然条件限制,天坑周边交通十分不便,当地群众的生活也十分贫困。周边群众期待天坑群的发现能够带动基础设施建设,依靠生态旅游促进自然资源开发和农副产品销售,为当地脱贫攻坚提供机遇。

    实际上,由于汉中天坑群还处于科考阶段,旅游还尚未开始,加之天坑所在之处地形都较为险峻,保障措施还不完备,为了游客的安全,暂时没有对外开放。不过,在科考队进入圈子崖天坑和天悬天坑期间,记者发现,还是有不少重庆、四川、湖北等外省市的游客慕名前来参观旅游。

    据了解,当地已着手编制下一步调查、保护和开发利用方案。陕西省计划对其余岩溶遗迹区继续开展深入地质勘查,并启动地质遗迹保护管理办法的起草工作。

    “通过考察,我们发现,汉中天坑群还存在许多未解之谜,需要我们在今后若干年开展多学科、多方面的深入调查。”陕西省地质调查院副院长黄建军说。

    斯洛文尼亚科学院岩溶所的安德烈·米哈维奇博士在不久前考察汉中天坑群后表示,汉中天坑群非常壮观,具有很高的科学价值和旅游价值。

    斯洛文尼亚最著名的波斯托伊纳洞已有约200年的开发历史,它经历了一个不断纠正错误和调整旅游战略的发展过程,以求在遗迹保护和开发旅游之间实现平衡。安德烈·米哈维奇说:“我建议对汉中天坑群的保护利用进行综合评估,三思而后行,避免破坏和犯错。”

    汉中天坑群如何做到在保护中开发,相信当地政府部门会有一套完善的规划。记者意识到,要想更好地开发,把汉中天坑群当作一个地学科普基地,还需要我们的地质学家更好地讲好地球的故事。

    开发与保护,汉中天坑群之惑

    7月,全国各地可以用两个字来形容“炙热”。

    7月23日至29日,由中国地质学会主办的2018年全国青少年地学夏令营开启了“北上科考之旅”。

    为办好此次夏令营,中国地质学会与黑龙江省国土资源厅、黑龙江省地质学会、黑龙江科技大学等单位多次协商、部署、采点,最终选择了太阳岛江漫滩性湿地、漠河北极光、五大连池火山地貌、嘉荫古生物化石采集等最具地学科考价值的几个地区为考察点,来自全国各地的近200余名营员与带队老师,开启了为期7天的地学之旅。

    自然资源部中国地质调查局副局长王研在开营仪式上致辞

    第一站 美丽的太阳岛

    上世纪90年代,一首《太阳岛上》唱响了祖国的大江南北,让大家熟知了太阳岛这个美丽的地方,但对于它是国内唯一一个位于城市中心的江漫滩湿地草原型沿江生态区却了解的不多。

    7月24日,随营的中国地质大学教授江满容在太阳岛上向营员们讲解了江漫滩湿地的形成过程,以及立在太阳岛正门前的那块标志性的大石头的来历。黑龙江营的郭子川说:“虽然我是土生土长的哈尔滨孩子,太阳岛也来过不知多少次了,与这块大石头也没少合影,但到今天我才知道,这块大石头的学名叫日光石,是因为它体内的赤铁矿、针铁矿等对光就会呈现出‘日光效应’,又被称为太阳石。”

    为让营员们勿忘国耻,营员们还一同参观了侵华日军第七三一部队遗址,牢记日军当年所犯下的罪行。

    中国地质学会2018年全国青少年地学夏令营总指挥长、中国地质学会副理事长兼常务副秘书长朱立新为营员们授课

    第二站 神秘北极光

    7月25日一早,大家抵达中国最北极——大兴安岭地区漠河市漠河乡的北极村。

    这里是中国观察北极光最佳的地点,冬季这里的极地冰雪也是让人向往之地。这次虽然没能亲眼目睹到神秘的北极光,但营员却了解到北极光的形成,它是太阳风、地球磁场和大气层共同的杰作。随队的老师为大家讲解了北极光和如何写好科考报告的讲座。

    营员认真采集化石

    同时,大家还来到最北邮局,在明信片上盖上邮戳;到北极广场,与“北”的标志合影留念,在一片“我找到北了”的欢笑声中,结束了第二站的愉快“寻北”之旅。

    专家在采集化石现场授课

    第三站 火山与冷泉

    7月26日一早,团队抵达五大连池世界地质公园。

    五大连池世界地质公园位于黑龙江省五大连池市,是由14座火山堆中间蜿蜒曲折的河串起大大小小5个堰塞湖组成,主景点有老黑山,岸边是火山石。

    营员们坐在电瓶观光车上,一路凉风习习,听着车内播放的风景简介和老黑山历史,让这个炎热的夏天多了些惬意。

    科普专家为营员普及火山知识

    到了山脚下,大家开始爬山,栈道两边火山岩形成的石海,形态各异,非常壮观。营员们不时驻足观看,听取老师讲解。大约半个小时左右,抵达老黑山的火山口,一个大大的漏斗状火山坑便呈现在大家眼前。火山坑直径约350米,深约140米,俯视口底还是会让令人望而生畏。在周围的山坡上分布着众多的浮石、熔岩砾、火山弹等,营员们寻找着标本,乐在其中。

    中国地质大学教授曾广策为营员讲解化石

    与老黑山相邻的南北泉,是世界三大冷泉之一,于1954年发现,是饮用矿泉。从景区进门的一条主道可以走到一个小广场,广场上有一个个水池,龙头里放出来的泉水可以直接饮用。营员与老师们都先喝上一大口,然后都纷纷拿出早已准备好的空瓶接上满满的一瓶。营员说:“这水凉凉的,还有汽,像汽水一样,不过喝下之后有股铁锈味,还是处理过的五大连池水好喝。”

    在这里,你也可以看到当地的居民拎着大桶、暖瓶打水的,还有在这做水疗的。

    第四站 恐龙之乡

    7月27日,营员们来到汤旺河国家地质公园,这里是以其稀有的花岗岩石林地貌景观和完善的原始生态为特征。

    在这里营员们不仅领略了大自然的风光,还在老师们的带领下,认识了地质中岩石“三兄弟”——岩浆岩、沉积岩、变质岩,了解了这“三兄弟”并不是一成不变的,在一定条件下,三大岩石可以相互转换;知道了汤旺河的花岗岩是一种火成岩,而汤旺河石林是目前国内发现的唯一一处类型最齐全,发育最典型,造型最丰富的地质遗迹。

    营员认真撰写论文

    7月28日,营员们来到了嘉荫恐龙国家地质公园——孩子们的乐园。

    还没到公园,远远的就看到了有两个巨大的恐龙像标志的大门,走进去,你会看到四周各种恐龙的塑像,宛如走进了侏罗纪公园。进入博物馆,讲解员向大家一一介绍了展出的展品由来。营员们不时的记录、拍照。

    解说介绍,嘉荫是我国第一块恐龙化石的发生地。目前,从这里出土的化石,已经被装成了10具恐龙化石骨架。两年前,多国古生物学家和地质学家在嘉荫野外考察时,发现了新的大规模恐龙化石群,除鸭嘴龙、虚骨龙外,还发现了甲龙化石等,使“恐龙之乡”的名声更加远扬。

    为使营员们进一步了解古生物化石,中国地质学会还联系到化石采集点,让全体营员有机会亲自去寻宝,采集化石。在化石采集点不时听到营员们兴奋的声音,“看,树叶化石”“老师,这是不是鱼骨化石”……

    全体营员

    七天的夏令营在大家的收获中圆满结束。

    此行的总指挥长、中国地质学会副理事长兼常务副秘书长朱立新说:“这次选择在黑龙江举办夏令营,一是这几个地域具有很强的地学科考价值,二是夏季黑龙江的气候宜人。为了使这次地学夏令营突出科考性,我们特别邀请了中国地质大学的五位专家作为随团老师,并为营员准备了科谱书籍及详细的活动手册。”

    就像营员南昌三中的李昕怡在科谱小论文中写到,感谢这次夏令营,让她不仅欣赏到祖国的秀美河山,更真切地体会到大自然的神奇,了解了许多地学知识,更加懂得珍惜保护这些地质遗迹的重要性,这些都是自己旅游无法体会的。

    北上科考之旅

     

    成都地下空间建设现场。 赵 凡 摄

     

    武汉地铁站。 赵 凡 摄

     

    上海地铁地下空间。资料图片

     

    核心提示:城市化使得城市土地资源日益紧张,有效开发和利用地下空间成为大势所趋。在5月份召开的全国科技创新大会上,习近平总书记明确提出,向地球深部进军是我们迫切需要解决的战略科技问题。而国土资源部提出的科技创新“三深一土”战略,则让“向地球深部战略”实施进入快车道。其实近年来,上海、成都、武汉等城市已经开始立体空间发展的探索和实践,取得了不少实绩。但大部分城市在地下空间利用的规划、法规、管理、技术等方面都还处在起步阶段,如何解决地下空间的安全利用问题迫在眉睫。

     

    自以为熟悉成都,可我还是在它最中心位置的天府广场上迷失。令人堵心的堵车和比肩接踵的人流像是不见了。

    这是11月27日的上午,成都少有的太阳出来,眼前所见,是宽阔的广场,上面喷泉、绿地、雕塑、玩闹孩子,还有晒太阳的老人。

    成都市规划院的领导带着我们来到步梯口,一边往下走,一边介绍:天府广场地下工程的总体布局是四层:地面广场,用于休闲和人车集散;地下一层,是商业、文化、交通功能;地下二层,是车库和地铁站厅,地下三层,是1号线站台,地下四层,是2号线站台。

    原来,地面上的广场,在地下却成为另一个立体的繁华世界。会生活的成都人依然会生活,但是换了一种方式。

    这种改变,是从什么时候开始的?终将向何方?

     

    朝向未来的国家战略,迫切性、必要性几乎被大举进军的城市化“逼”出来,一开始就显示出不可阻挡的趋势性。从政府角度看,“三深一土”是中国科技创新的新高地。中国城市未来的发展、中国地勘产业的未来转型都能在地下空间利用中找到突破口

     

    当在很多人都在纠结如何利用地面空间的时候,地下空间的利用,其实早就开始,只不过没有上升到整体的、长远的理念上认识。

    中国在西汉时期就出现了5到7米深的水井;

    1835年,四川自贡诞生了1001.42米的人工钻凿盐井;

    我国目前最深的油井在新疆塔里木盆地,深达8408米;

    我国第一口用于科学研究目的的5000米深钻在江苏省东海县诞生;

    1969年10月1日,北京第一条地铁线路建成通车;

    20世纪初,中国地质调查局开始把城市地质调查研究作为重要的工作内容

    ……

    无论是单孔挖凿,还是成面积的挖掘建设,亦或是摸清家底的探索研究,我们早就因为各种各样的原因打起了地下空间的主意。但是,当21世纪第一个15年过去之后,很多有识之士深刻地意识到,这件事,我们再不做,就晚了。

    在国外高校执教多年的中国地质科学院教授级高工戴春森知道不少国际做法。比如美国的“地球透明计划”、芬兰的“赫尔辛基地下空间总体规划”、马来西亚的“排洪与地下公路一体化”。

    这些成规模、成系统的地下空间利用规划,在一些国家已经完成。地下空间利用的实践也在一些国家做得有声有色,比如新加坡利用100米以下的地下空间,主要是做物流;加拿大蒙特利的城市空间建设,30%已经转到地下;东京在地下修建了巨型的排水系统。有数据表明,国际城市地下空间利用率为30%。而我国城市平均地下空间的利用率只是17%。

    地下空间利用的差距是因为整体深测水平有差距。按照地球深部探测首席专家组组长董树文的观点,我国深部探测领域相对国际先进水平之间有一个30年左右的代沟,我们在探测技术、探测和利用深度、探测分辨率和探测程度上都存在明显差距。就在人家开始第二轮深地探测时,我们的第一轮才刚刚开始。

    其实,对地下空间利用的必要性,地球人的认识都一样,因为横亘在所有人眼前的问题都一样——而中国,压力则更大。

    人口增长、交通拥堵、日益加剧的污染、越来越频繁的自然灾害、越来越严重的地表资源的枯竭……种种问题表明,要做到可持续发展,必须要把深地探测研究上升到国家战略的高度认识。

    地下空间安全利用的国家专项研究势在必行。

    在今年5月召开的全国科技创新大会上,习近平总书记明确提出,向地球深部进军是我们迫切需要解决的战略科技问题。国家领导人对地下空间和能源资源的开发利用高度重视,而新近叫响的国土资源科技创新“三深一土”战略,恰好契合了国家“十三五”规划纲要中提出的“深空、深海、深地、深蓝”发展目标。

    “向地球深部战略”实施进入快车道。在此背景下,国土资源部与教育部、中科院、中国地震局共商建立了深地探测研究协调机制,成立了由国土资源部部长姜大明任组长的深部研究领导小组,责成由8位院士专家组成的首席专家组领衔编制地球深部探测国家重大科技项目方案,由多位院士专家组成的专家顾问委员会咨询把关,共同推进深地探测研究重大科技项目立项。

    立项建议书目前已经完成,计划年底前完成论证工作,这是深地探测的进度表。在科学家的立项书里,深地探测项目分四个层次:第一层,近地表探测(0到0.5公里);第二层,万米资源探测(0.5到10公里);第三层,透视地壳探测(10到30公里);第四层,深地科学探测(大于30公里)。要完成八大任务:地下空间探测与安全利用;深部含水层结构探测;深部资源能源探测与开采;深部油气探测与开采;地热资源探测与地热利用;深部地下观测与地壳活动性监测;深部探测前沿技术与装备;深部探测与深部过程。

    地下空间安全利用的课题排在八大任务的第一,不仅因为它对于中国未来发展至关重要,还因为大家对它最摸不清底。

    中国地下空间起步晚发展快,存在资源浪费、生态环境破坏等诸多问题,亟须科学的理论、先进的技术和严谨的规则进行破解,迫切需要通过国家重大科技专项“创理论、攻技术、建规则”。中国地质科学院党委书记、副院长王小烈说,地下空间安全利用和立项研究对于国家发展有三个重大意义:第一是缓解城市土地供应的压力,保障城市可持续发展;第二是防范自然灾害影响;第三是引导产业转型,培育新兴产业,增加社会经济的效益和生态环境的效益。因此,“向地下要空间、要安全、要效益,是我国社会经济和城市发展的必然选择”。

    调研,就是立项论证工作的重要部分。

    11月25日~28日,地球深部深探研究领导小组及首席专家组成员赴上海、武汉、成都三个大都市调研。来自国土资源部、教育部、中科院、中国地震局等不同部门的有关院士、专家每到一处,即马不停蹄地召开座谈会并考察现场,了解各个城市地下空间安全利用的需求点、梳理未来在地下空间安全利用中需要攻克的科技难题、沟通各地方因地制宜的特色发展途径。

     

    关于地下空间的种种涉及,不能再只当成文学看。科学家的畅想把一个完全不一样的世界展现出来,你还当这是异想天开吗?不,它也许就是我们看得见的未来

     

    “全球变暖,环境恶化,地面城市问题突出,人类已经开始探索太空定居。那么,我们有没有可能往下看?深部空间资源丰富,人类能否实现在地球深部生存和定居?”

    四川大学的谢和平院士从这个发问开始了自己的阐述。他说,与我们已经熟悉的地面空间相比较,深地空间环境清洁、隔音隔震、天然抗自然灾害,低成本无辐射而且恒温恒湿。因此,深地空间可能成为优于太空移民定居,应对未来地球灾害的人类移居方式。

    移居地下生活,需要建立全链条的生态圈。谢和平构想的奇特之处正在于此。在他的构想中,地下空间要打造出三层——地下宜居城市、地下生态圈和科学探索基地。在这张构想图中,有生活和文化区域,比如可将图书馆、博物馆、会展中心、体育馆、音乐厅、养老院等地上文化、娱乐设施转入地下;有交通与通信,比如可以在深部纵向和横向设计覆盖整个地下空间网络;有生态景观,比如可以进行包括植物、动物和微生物的地下生态系统构造,以及地下瀑布等景观系统建设。

    科学的构想不是科幻小说,它的内核,还是科学研究与推理。对于谢和平带来的这场头脑风暴,大家观点并不相同,但都认为,地下空间的安全利用可以通过科技攻关实现,这已经并可能为越来越多的实践案例所证实。

    地球深部工程要做什么?

    地质学告诉我们,地球从地表到地心,分地壳、地幔和地核三个同心球层。现在所谓的地下空间利用,主要还在地壳层。在开发的过程中,要对付的,主要是覆土层和基岩层。而这两个层面的施工,需要多种技术的支持。

    技术是为目标服务的。董树文提出,首先,地下空间是资源,需要向评价其他地下矿产资源一样进行规范地调查、勘查和评价;其次,所谓地下空间并“不空”,而是充满水土、岩石物质、具有温压梯度、应力变化等多重场元的平衡系统,一旦开发利用必然产生原始平衡的扰动和破坏,需要精细的探测和实时的监测技术;再次,地下深部空间具有极端物理、化学、生物和地质环境,可以开展地表温压条件下不可实现的实验,如增重环境与上天的失重环境恰恰相反,极具探索性。所以,地下空间探测与安全利用,包括了城市地下空间、地下含水层和特殊空间三个部分。

    地质勘查、工程地质和地铁建设的多年实践,已经开发和运用了不少地下工程技术。但是要想达到董树文所说的三部分的要求,还远远不够。

    戴春森根据国际事例研究提出,深部工程的展开,应该走这样的流程:第一是要做探测评价。要搞清地球原始平衡状态、建立多场的3D静态模型,画出基本线。第二是做规划。规划设计要考虑多种影响因素,比如工程叠加后对地质环境的影响、地质环境变化对工程的影响,这些变化随时间的演变过程、对这些演变最终造成灾害的可行性的动态模拟及灾变预测和规划、设计中的规避。第三就是建设使用阶段。这一阶段要进行对变化参数的监测,监测结果要用于校正和更新动态模型,要工程干预消除或延缓灾变演变过程。

    将地面建设放到地下,必须杜绝急功近利。

    作为地球深部探测首席专家,中国地质大学(北京)教授王成善院士说,在调研中,他产生了两个基本想法。第一个想法是要保证规划第一、安全第一和环境第一。城市地下空间的利用具有不可逆性。地面上建一个建筑,觉得不合适可以炸掉,地下就不行了;地下空间的发展是高成本投入,空间利用先后次序不同,影响的不是一两亿元,而是几十亿元、几百亿元的问题;地下空间受多强制性要素的约束,所谓上天容易入地难,是因为地下是个固体空间,充满了巨大不确定性。

    他的第二个想法是地下空间利用规划必须考虑全功能、全深度、全资源和全灾害。他解释道,所谓全功能,是说由于地下空间的特殊性和巨大挑战性,我们一开始做的时候,就要把所有功能都考虑清楚,这种考虑要非常超前。所谓全深度,是指要站在整个世界科技发展的前沿态势来考虑深度问题。所谓全资源,不仅指地下资源,而且指在开发过程中的水、热和废渣石等资源的综合利用。所谓全灾害,是指既要考虑在地下空间利用之前的灾害问题,也要考虑到在开发利用过程之中的灾害问题,还要考虑开发利用之后运行过程中的灾害问题。

     

    对于中国正在崛起的一批特大乃至超大型城市,解决地下空间的安全利用问题已迫在眉睫。城镇化大举进攻下,满负荷、超载量滋生出形形色色的城市病。一些城市已经开始立体空间发展的探索和实践,也取得了不少实绩。但大部分城市在地下空间利用的规划、法规、管理、技术等方面都还处在起步阶段

     

    21世纪初,中国地质调查局开始拓展了一项有重要意义的工作:城市地质。2003~2009年,环渤海、长三角和珠三角启动了上海、北京、杭州、天津、南京、广州6个城市的三维地质调查试点。

    南京地调中心研究员程光华告诉记者,三维地质调查试点在多领域采用多种技术手段对城市地质进行了全面、综合、系统的调查。在多个试点城市建立了数据库、三维模型和信息系统,为城市地下空间探测奠定了很好基础。但是调查深度大都以50米以浅为主,以工程地质钻为主,以钻孔为主,没能够很好地解决不确定性和抗干扰性的问题,深度和精度都有很大的局限性。

    但是城镇化的大潮完全不能等待。大城市、特大城市、超大城市的交通和各种形式的污染让城市管理者急切寻找另一个空间,在全国各地迅速兴起的地铁建设热,是这种情绪最直接的表现。

    成都,一个让人充满安逸生活想象的城市,在2005年之前,它的地下空间建设主要还是在人防工程、地下人行通道、车行下穿隧道、地下停车场这个层面。2005年,地下空间利用问题进入市政府的重要议事日程,该市先后编制了地下空间总体规划纲要(2005~2020)和《成都市中心城区地下空间利用规划》,将商业空间及居民活动空间逐渐往地下拓展。从2010年起,成都市进入了地铁快速发展期。该市规划局有关负责人说,目前,成都已经开通了地铁2号线、4号线1期和地铁3号线1期工程,运营里程达108公里。明年将开通运营4号线2期、10号线1期和7号线。

    让他们自豪的还有巧用地下空间建交通隧道、地下停车场、地下综合管廊,以此来舒缓地面老城区压力。比如天府广场地下工程、川大校园内运动场地下工程、川师车辆段与综合基地地下工程等。把地下通道、停车场和地铁综合在一个空间成规模设计施工,既解决了交通拥堵老大难问题,又让历史古建熠熠生辉,让老城旧貌换新颜。

    针对地区特点,成都市对地震水文进行认真分析梳理,在规划中重点研究地下公共设施规划布局,在深度上按浅、中、深分层指导,平面上形成分类控制布局。

    成都市的热情非常高涨。他们计划要在2020年末,全市地铁运营总里程达到650公里以上,运营达到500公里以上。计划2025年末,全市建成地下综合管廊约500公里,全域成都基本形成区域骨干地下综合管廊网线。

    武汉,一个由长江和其支流分为三处、水面面积占整个区域版图面积1/4的江城,地下空间如何利用?这个问题,实在让武汉市政府焦虑。武汉市市委常委、常务副市长龙正才感慨道,武汉这地方,动不动就要修桥,动不动就要修隧道,地上建筑设计力量还算雄厚。但是要论地下,难度就大了。

    据武汉市规划部门介绍,该市2007年启动第一轮主城区地下空间利用专题规划,2014年结合地铁城市、海绵城市建设、“三旧”改造以及“十三五”规划等,启动新一轮武汉市地下空间综合利用专项规划编制。按规划,到2020年,武汉主城区地下空间规模要达到达到450万平方米,人均地下空间建筑面积达到6个平方米。

    武汉人说,目前他们的地下空间使用最多的还是停车场。自2012年首条地铁通车后,武汉市进入地铁时代。目前已建成2、3、4号线地下轨道,线网总长度达到89公里。但这距离目标还很远。他们的规划是以14条线轨道交通线路,达到60分钟穿越,30分钟达到中心城区的目标。此外,武汉完成了多条水下隧道,其中武汉长江隧道2008年建成使用,是万里长江上第一条穿江隧道。东湖隧道2015年建成,是我国最长承重湖隧道。综合管廊、大型地下商业项目、地下人防设施等都在建设中。今后,他们将进一步拓展过江隧道,谋划地下排水深邃建设。

    在管理方面,武汉市出台了《地下空间开发利用管理暂行规定》《轨道交通规划管理办法》等一批地方管理法规,探索了地下土地供应和产权登记,轨道交通安全建设与运营管控途径,开展了全市及重点地区的地下空间综合利用规划。

    在对三个大城市的考察中,专家们不约而同地对上海地下空间安全利用的实践和规划思路竖起了大拇指。

    上海的常住人口高达2415万,对于地下空间的迫切需求,促使它较早即开始了地下空间的开发。20世纪90年代以来,随着大规模旧城改造和新区建设,特别是地铁建设的大力推进,上海的地下空间开发已经形成一定规模,近几年更是进入快速发展期。

    上海市规划和国土资源管理局有关人士介绍说,截至2016年,全市已经建成地下地下工程共有3.6万个,总建筑面积8186万平方米。截至“十二五”末,上海城市轨道交通网络运行线路总数已达14条600多公里,城市轨道交通基本网络已经全面建成。形成了一批多功能、大规模的地下综合体。地下综合交通枢纽和道路为优化城市交通提供了新渠道,结合绿地、广场、公园建成的地下车库缓解了中心城区停车资源紧张的问题。地下市政管线设施已成相当规模,专业管沟和综合管廊建设正在探索和推进阶段。此外,还已建成了一批指挥工程、医疗救护工程、防空专业队工程和大型人员隐蔽部等骨干民防工程。

    上海在地下空间利用的管理上也进行了多项探索。比如出台了一系列法规政策,对地下空间安全使用管理和地下空间开发引发地面沉降防治等进行规范。2014年颁布实施的《上海市地下空间规划建设条例》要求,地下空间开发应遵循统筹规划、综合开发、合理利用、安全环保、公共利益优先、地下与地上相协调的原则,并对地下空间实现分层利用。同时,上海还建立了地下空间管理联席会议制度,市住建委牵头、17个部门统筹协调涉及地下空间利用的重大事项。为加强地下地籍管理,上海市还发布了《上海市城市地下空间建设用地审批和房地产登记规定》,分别针对存量单建地下空间、存量结建地下空间和新增地下空间提出了三维宗地构建方法。2013年市政府办公厅转发了《上海市地下建设用地使用权出让规定》,规范了经营型地下建设用地使用权实行出让制度,明确了出让方式,量化了出让价款的确定方法。

    早在2003年,上海就在全国率先完成地下空间概念规划,这些年,该市相继出台不少相关规划,已有的规划在不断完善中。2012年出台《上海市城市地下空间开发利用和保护十二五规划》。目前,该市已制定了《上海市城市总体规划2016~2040》并向社会公示。

    规划、法律、管理、技术工艺等等方面尽可能到位,上海的探索让人感受到精致用心的国际范儿。

    三个城市以自己的方式因地制宜地探索地下空间的安全利用,原因是他们都有共同迫切的需求!

    但问题和困难也是显见的,比如:

    ——规划布局需要有更长远的眼光,需要为未来发展做预留。

    ——就目前开发的深度和结构而论,尽管不少城市地下交通设施建设规模不小,但开发深度与全球城市相比有差距,轨道交通承担公共交通比重有待提高,地下交通网络化需要完善,地下快速路和地下步行道尚处于起步阶段。

    ——就管理而言,地下市政公用设施缺乏统一监管。地下空间建设的历史信息缺乏梳理和统筹管理和分享机制。

    ——在复杂地形上的地下空间利用好还存在技术工艺的难点

    ——在地下空间利用的法规政策上还有很多问题需要探索规范

    ——如何在地下空间建设中防灾减灾,保障地面和地下空间的安全,技术和设施需要借鉴全球城市经验,提前做合理有序的开展规划和建设。

    11月28日晚,记者在返京的飞机上采访了刚结束调研任务的深地探测协调领导小组成员、中国地质调查局总工程师、地球深部探测中心主任严光生。

    “中国城市发展的迅速程度令人震惊,像上海、武汉、成都这样的特大城市对地下空间的需求之大,简直就是迫不及待,而且它们都在加快脚步发展地下设施建设。”这种状态,严光生觉得,有喜有忧。“喜的是大家都意识到了地下空间安全利用的必要性,像上海这样的城市,甚至考虑得更长远,在规划中给后人留下了发展空间,从环保的角度,编制了2030年和2040年的不同规划。忧的是,我们现在对地下空间的了解还并不十分清楚,仓促上阵,肯定不行。还有很多科技难关需要进一步攻克”。下一步,他说,要在今年底前完成总体方案的论证,明年争取将完善好的方案上报国家。

    怎么面对地下可利用空间?