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    中国可燃冰勘查利器——海马号无人潜水器

    新华社发

    勘查团队在祁连山南缘钻探发现“可燃冰”。

    冀 业摄(资料图片)

    近日,俗称“可燃冰”的天然气水合物成功获批为中国第173个矿种。这虽然是业界和公众意料之中的事,但还是引起了广泛关注和热烈讨论,人们由此预见,可燃冰作为一种战略性绿色能源,在中国获得了相应的法律地位,必将在勘查和开发利用方面迎来新的发展机遇。

    可燃冰被誉为“未来能源、洁净能源和21世纪能源”,这一方面在于其有能量密度极高、非常洁净等特质,另一方面在于其分布范围广、资源量巨大,可以为人类提供持久能源支持。对于环境资源压力巨大的中国来说,可燃冰更是承载着变革能源结构、实现绿色可持续发展的梦想。20多年来,中国科技工作者不懈努力、忘我奋斗,不仅系统提出了被实践证明正确的可燃冰成藏理论,而且形成了具有国际先进水平的可燃冰资源综合勘查高新技术体系,为可燃冰的开发和利用奠定了坚实基础。

    中国储量家底知多少

    在标准状况下,1立方米可燃冰可释放出164立方米天然气和0.8立方米的水,能量密度是天然气的2-5倍、是煤的10倍。这是人们对神奇的“冰火”津津乐道的主要原因之一。这样一种能量密度极高的物质,在地球上储量非常丰富。国土资源部天然气水合物重点实验室总工程师刘昌岭研究员介绍说,如果把全球可燃冰的储量折算为有机碳资源,其有机碳占总量的比例超过53%,而煤、石油、天然气三者有机碳之和仅占26.6%,也就是说,前者是后三者之和的约2倍。国际上广泛引用的可燃冰储量数据来自美国科学家科温沃登,他预测全球储量为21万亿吨油当量,与美国能源部2011年发布的数据大致相当。

    具体到中国,可燃冰的储量如何呢?中国地质调查局副局长王昆给出了一个数字:约800亿吨油当量。他强调,这是根据天然气水合物资源类型及赋存状态,结合地质条件对中国海域可燃冰源量的初步预测量。冻土区是陆域可燃冰的可能成矿区,而中国是世界上第三冻土大国,冻土区总面积达215万平方公里,具备良好的可燃冰赋存条件和资源前景。据科学家初略估算,陆域可燃冰远景资源量至少有350亿吨油当量。王昆介绍,总体上看,中国可燃冰分布广、类型多、储量非常丰富。目前,已在南海发现两个超千亿立方米的矿藏,圈定11个成矿远景区、25个有利区块。

    四个勘查阶段迎头赶上

    与一些国家从上世纪70年代就投入可燃冰勘查研究相比,中国在可燃冰资源调查研究方面起步无疑是较晚的。据刘昌岭介绍,如果从1995年原地质矿产部设立可燃冰调研项目开始算起,不过20多年,而这20多年又可以分为四个阶段。

    一是预研阶段。主要开展对国外调查研究情况的调研跟踪、文献整理等工作。这个阶段有两个标志性年份。1995年,“西太平洋水合物找矿前景与方法的调研”“中国海域水合物勘测研究调研”等项目设立,中国地质科学院矿产资源研究所和广州海洋地质调查局等机构参与其中,对水合物在世界各大洋中的形成、分布等方面进行了初步研究,明确指出了中国近海海域具有水合物成藏条件和资源远景。1998年,在国家“863”计划支持下,“海底水合物资源探查的关键技术”前沿性课题研究顺利启动。此外,中科院兰州冻土研究所开展了实验室合成天然气水合物研究,并通过书籍翻译将外国可燃冰领域研究进展系统介绍进来。

    二是前期调查阶段。1999年,国土资源部启动了“西沙海槽区天然气水合物调查与评价”项目,首次在该区域发现了可燃冰存在的重要标志。在东沙群岛南部和台湾西南等海域,调查团队也发现了蕴藏可燃冰的证据和标志,并综合利用多种海底调查手段,包括海底取样和摄像等,对这些证据和标志进行了研究分析,初步确认了可燃冰的存在。

    三是专项调查阶段。此阶段从2002年持续到2010年,参与调查的众多科研院所和大学与中石油、中石化等历时8年,实施了与可燃冰相关的4个专项,优选了南海的数个海域,开展了可燃冰调查与评价,并获得了可燃冰实物样品,取得了重大突破。与此同时,中国陆域可燃冰调查也在大力推进,初步结果显示,祁连山和漠河盆地等冻土地区具备较好可燃冰成矿条件和找矿前景。

    四是“127”工程国家专项阶段。2011年,“127”工程天然气水合物专项设立,按照“海路并举,先易后难”的思路,加强对南海、东海等海域和陆域冻土区的调查研究,查明中国海陆可燃冰家底,并为进一步开展资源评价和开发做好准备。上述专项实施的目标之一是实施赶超战略,使中国可燃冰勘查等技术与国际先进国家同步,为商业开发打好基础。

    推进理论和技术装备创新

    四个阶段,22年努力,中国不仅摸清了可燃冰家底,而且实现了一系列勘查理论和勘查技术、装备的创新。实际上,注重创新的引领作用,把地质调查过程变成科技创新的过程,全面提升科技创新解决资源环境基础地质问题的能力,也是中国地质领域工作的指导思想。

    中国地质调查局基础调查部副主任邱海峻指出,根据国际上的研究,可燃冰在全球主要分布有两类地区:一类是水深300米—3000米的海底,在海底以下0米—1500米的沉积物中产出;另一类是陆上冻土区。成功进行可燃冰勘查,光靠上述大体模糊的判断显然是不够的,必须摸索出适合中国海域和陆域地质特征的探测理论和方式。

    刘昌岭指出,中国科学家根据可燃冰成矿原因,创新性提出“渗漏型可燃冰”概念,并将可燃冰划分为“扩散型”和“渗漏型”等几种,总结出各自的特点,指出它们在南海北部具有密切的成藏关系,具备形成的地质条件,并揭示出该地区形成了南北成带状的可燃冰富集规律。

    工欲善其事,必先利其器。可燃冰勘查离不开先进的装备,而4500米级深海遥控潜水器海马号就是中国可燃冰勘查的一大利器。它历时6年研发而成,实现了一批关键技术突破,包括本体结构、浮力材料、液压动力和推进、作业机械手和工具、观通导航、控制软硬件、升沉补偿装置等,是中国迄今为止自主研发的下潜深度最大、国产化率最高的无人遥控潜水器系统。该潜水器研发成功后迅速转化为应用,在南海北部陆坡发现了海底活动性“冷泉”,实现了南海天然气水合物资源调查领域的突破性进展。

    在可燃冰勘查过程中,中国科学家摸索出一套成熟的调查技术和特效探测技术。刘昌岭举例说,针对可燃冰赋存的相关地貌、沉积矿物等,勘查人员集成了一套可燃冰综合探测系统,综合“地质、地球物理、地球化学”等调查手段,该技术已成为服务海域可燃冰常规勘探的主打技术。

    《 人民日报海外版 》( 2017年11月25日 第 08 版)

     

    人民日报:“冰火”勘查诠释中国地质速度(“瞄准世...

     

    二○一六年,苏德辰在广东丹霞山世界地质公园进行科普宣传

    地球已经有46亿年的历史了,在漫长的演化过程中,大自然鬼斧神工般创造了无数奇美的风景,而地质科学正是探索地球之美的最佳途径。一砂一世界,一石一天堂,苏德辰想用自己的努力,剥开地质科学看似深奥枯燥的坚硬外壳,展现动人心魄的内在之美。

    近日,国土资源首席科学传播专家聘任仪式举行,中国地质科学院地质研究所研究员苏德辰正是首批受聘的12名专家之一。

    4月14日一大早,苏德辰就和同事赶往房山地质博物馆,在4月22日地球日这一天,他将在这里为200名中小学生做一场地质科普讲座,之后,他还要带领孩子们到房山世界地质公园进行野外科普训练,帮助孩子们认识沿途的各种地质现象。因此,他提前一个星期去现场“踩点”,并搜集一些资料补充到自己的讲座中。

    “你们打那口5000米的科学钻井会不会把地球打穿?”

    谈起自己选择科普的缘由,苏德辰认为最早萌芽于2001年开始实施的中国大陆科学钻探项目,当时他负责将每天的项目进展、各项主要活动等信息上传到国际大陆科学钻探英文网站上,并负责更新中国大陆科学钻探中文网站的相关信息。

    中国是继苏联和德国之后第三个实施大陆科学深钻的国家,因此,中国大陆科学钻探的项目在实施过程中非常轰动,每天都有很多人到江苏东海的钻探现场参观访问,现场展版的解说词就要求写得通俗易懂些。尽管科学家们觉得这些展版已经很通俗了,但还是会有人提出各种各样的疑问,苏德辰就负责回答他们的问题。当有重大进展通报时,科学家们常常用专业的术语发布他们的成果,不要说普通读者如读天书,就连专业的记者都大呼看不懂,这个时候,苏德辰往往担任“翻译”,将专业名词解释成大家能够理解的文字。

    苏德辰,1981年考大学时第一志愿就填写了长春地质学院的地质系,毕业后到北京市地质调查所工作。有一年,他们在北京北部山区用化探法寻找石英脉型金矿,正常的工作流程是每隔40米采取一份土壤样品,而在采样时,白色的石英脉往往就暴露在野外,大部分人就只管取土壤样,以尽快完成任务,对出露在脚底下的石英脉看也不看。苏德辰每次见到石英脉露头或特殊的地质现象,都会对它们进行详细记录,并顺手采集一些样品。就这样,在采样的过程中,完成了填图的工作。这种习惯让他在之后的科研工作时,认真思索科普的必要性。

    而真正下定决心做科普,来源于两次亲身经历。

    2000年,苏德辰等6位地质学家参观德国的一个陨石撞击坑,刚一打开地质图,旁边一位女游客就凑上来看,并准确地指出陨石坑的位置和撞击构造,苏德辰非常惊讶,就问她:“你是学地质的么?”没想到女游客告诉他自己是一名医生。

    另一次是2005年参加科技部“973”项目答辩会,在会间休息的时候,苏德辰和另一组搞生物的科学家聊天。他简单介绍了在江苏东海进行的大陆科学钻探的情况,有人就问:“你们打那口5000米的科学钻探会不会把地球打穿?”苏德辰解释说,5000米的深钻,对于人类来讲已经是比较难为的一件大事,但是,地球的直径有12800公里,如果把地球比喻成一个鸡蛋,地壳就相当于蛋壳,只不过这个蛋壳的平均厚度有30多公里,5000米的深钻不过是在“鸡蛋壳”上打个浅浅的小孔,连蛋壳的五分之一都没有钻透。

    这两次经历让苏德辰感触颇深,国内不同领域的科学家对地学知识的了解几乎是空白,虽然这可能是个例,但是德国一位普通医生却具备相当丰富的地学知识。对他来说,身为一名地质学家,有责任将最基础的地学常识整理出来,让其他领域的科学家以及普通民众了解地学,喜爱地学。

    2008年,苏德辰在科学网开通了博客,算是开始了“科普生涯”,他的科学网博客标签是“地学科普与地质灾害”,内容多是与地质相关的内容。

    从开始做科普到现在,苏德辰觉得自己最成功的一次科普发生在2011年,当时他带着一个记者去北京西山参观他发现的15亿年前的古地震遗迹,回京的路上到灰峪采了一些化石,之后这位记者就喜欢上了地质,现在已经是三叶虫化石专家,专门收集和整理世界各地的三叶虫化石。

    “有的时候一个定义就要花三四天的时间,阅读好几十篇相关文章”

    决心投入到科普领域之后,苏德辰给自己定了一个小目标,从两个方面科普地学,一是从专业角度如地貌、矿物晶体等方面发掘地质之美,二是向公众全面系统地介绍中国的世界地质公园。

    而真正投身于科普事业,苏德辰才发现科普比科研困难多了,“科研工作有模式化的东西,就拿矿物来说,采集样品后,分析它的化学成分、物理性质、形成环境和年龄等等,基本上按照固定的套路往下做就可以了。科普就完全不一样,在介绍不同的矿物时,要根据受众的兴趣点,除了介绍矿物的基本特征外,还要联系实际和受众的兴趣,变换不同的角度来介绍它的用途、功效等与日常生活相关的常识,甚至与考古和历史故事融合在一起。”

    有些专业术语对于地学专业人员非常简单,但如果想让没有地学基础的人明白其含义,则要重新审视,为了用通俗易懂的语言精准描述,“有的时候一个定义就要花三四天的时间,阅读好几十篇相关文章,然后再绞尽脑汁地去组织文字。”

    地球已经有46亿年的历史了,在漫长的演化过程中,大自然鬼斧神工般创造了无数奇美的风景,而地质科学正是解释地球之美的最佳途径。一砂一世界,一石一天堂,苏德辰想用自己的努力,剥开地质科学看似深奥枯燥的坚硬外壳,展现动人心魄的内在之美。

    有一次苏德辰到广东丹霞山世界地质公园考察,正好遇上两个三年级的学生,趴在解说牌上抄简介,原来,老师给他们布置了一篇写丹霞地貌的作业。苏德辰上前和他们聊天,“既然叫丹霞,为什么周围的岩石看起来并不是红色的啊?”面对孩子的问题,苏德辰耐心给他们解释了砂岩和砾岩的知识,再分析为什么有的地方很红,有的地方不红。“不要低估孩子们的认知能力,和他们聊天,对我的书也很有帮助。”

    不久前,河北兴隆六道河中学找到苏德辰,原来师生们在阅读《温家宝地质笔记》的过程中,普遍反映看不懂,希望苏德辰能带领学生们现场演示一下《温家宝地质笔记》中描述的测量和绘制地质剖面的过程。苏德辰提前用一天时间找到了一处地质意义很重要的位置,第二天带着19个学生和几位老师来到这个这个野外露头,教孩子体验如何使用罗盘、如何观察和描述岩石、如何测制野外地质剖面。在他的指点下,学生们发现看起来普普通通的大石头里面藏有很多很多的学问啊。

    “做科普实际上对科研工作也有所促进”

    作为一名科学家,地质科研仍然是苏德辰的工作重心,“做科普大多是利用空闲时间在做,没想到几年积累下来,逐渐得到了社会的认可。”最近,苏德辰成为国土资源部首批首席科学传播专家之一。“就我自己来看,虽然在做科普的过程中会占用一些时间,但并没有因此而耽误这几年的地质科研,并且,这几年的科普对科研工作还有所促进。”

    2016年纪念地质百年的时候,苏德辰受邀在门头沟区做了一场科普讲座,主要介绍他们最近几年在北京西山的重要地质发现。讲座结束后,一位姓李的地理老师拿出一张照片来请教,李老师平时观察能力比较强,遇到不能解释的地质现象,就拍了张照片。而这张照片中的地质现象,正好与苏德辰正在研究的古地震有关,是他一直在寻找但还没有找到的。“如果没有这次科普讲座,最终也会有所发现,但可能会晚一些,不可能这么快就出来成果,这也算是无心插柳柳成荫吧。”

    有的时候,听众会向苏德辰提出各式各样的问题,出于科学家的严谨,知道的马上回答,不知道的他会回去查找资料寻找答案,如果资料上没有,说明这就是科学上的一个疑点,值得进行研究。

    每次出野外,苏德辰会随身携带两个相机,只要见到有意思的地质现象就会拍下来当成资料。这个习惯源于1997年,当时苏德辰与一位澳大利亚的专家在辽宁寻找金刚石矿,这位澳大利亚的专家是学地球物理的,但是他对野外见到的各种岩石都很熟悉。细究根源,原来国外所使用的教材大都特别精美,图片多是彩色的,而国内的教科书很多还是的黑白印刷,书中的岩石或矿物与野外实际看到的相关极大。 “在科普时,一张好的图片能让观众一目了然,每张照片背后都有一段精彩的故事。”10多年来,他已经积累了40多万张照片,今年年初,苏德辰花了一个多月的时间,从自己的照片中选出200多张,再加上网上征集的一些图片,出版了《地质之美——经典地貌》,这也是“地质之美”系列科普图书中的第一本,这本书刚一问世便荣获了2017年国土资源优秀科普图书荣誉。

    探索地质之美

      

    中化地质矿山总局的地质队员们在新疆沙漠地区工作

      

    野外工作中

      

    魏永峰在海拔5420米处工作

     

    2008年,国土资源部与新疆维吾尔自治区政府签订《合作开展新疆公益性地质调查和重要矿产勘查协议》,决定从2008年到2015年,由中央和地方财政投入资金,在天山、阿尔泰山、昆仑—阿尔金山三大山系展开地质找矿工作。自治区提出的目标是3年要有好的眉目、5年要出鼓舞人心的成果、8年要有令国人为之振奋的重大成效,这一项目也被简称为“358”。

    8年过去了,新疆“358”地质找矿工作会议于今年11月23日在乌鲁木齐召开,在全面总结新疆“358”项目取得的成就和经验的同时,也部署了新一轮新疆“358”项目。这8年间,无数地质队员从全国各地奔赴新疆,在辽阔的三山之间唱响昂扬的《勘探队员之歌》,谱写一首首振奋人心的找矿华章,不管他们来自何处,在这片土地上,他们有着一个共同的名字——“358”。

     

    寻宝天山

    王彦卿

     

    2016年初秋,我随同单位宣传片摄制组一起前往新疆,中化地质矿山总局所承担的新疆“358”项目组正在那里开展工作,我们想拍摄记录下他们的工作和生活。

    这是一支充满青春活力的优秀团队,平均年龄不到30岁,绝大多数是近年本科或研究生毕业的80后、“90后”,他们用辛勤的汗水、激昂的热情谱写出感人诗篇。

    “20天瘦了20斤”

    承担新疆西天山地质矿产综合调查项目的是中化地质矿山总局地质研究院的几个小伙子,他们组成一个项目组,组长叫鞠林雪,大家都叫他“大鞠”。调查区位于西南天山山脉北麓,海拔在5000米左右,大部分属于冰雪覆盖区,山势高耸险峻,多悬崖峭壁,平缓、低凹处则终年积雪,难以攀越和通行,马匹就成了他们主要的交通工具。乍听来很令小伙子们兴奋,可是山路崎岖难行,又不熟悉马性,骑马出行可不是那么容易的事。记得一次下山时,需要骑马过河,河水湍急浑浊,当马行进到河水中段时,一脚踩空,河水瞬间冲上了马背,马顺着水势发生倾斜,队员顿时惊恐万分,稍有不慎,很可能连人带马被奔腾的河水吞没,在这千钧一发之际,马儿瞬间兴奋起来,在河水里猛地向前一蹿,冲到了岸边。诸如此类的事情,几乎每天上演着,这给本就繁重的地质工作又增加了一分惊险。后来通过与马朝夕相处,队员们渐渐熟悉了马性,骑马技术也越来越高超。

    每次进山10小时的骑马路程,不可能携带太多的补给和生活用品,每次进山前大鞠他们都会认真地计算食品补给量,细化到每一天每一餐,馕和矿泉水成为主要食品。在雪山脚下宿营,最严峻的考验是寒冷,每天清晨,冰冷的山风从脸颊划过。天刚蒙蒙亮,他们砸碎水桶内的浮冰取水,开始烧水做饭,由于天气冰冷、潮湿,点火也成了一件很困难的事,一次次的点燃、熄灭,再点燃、再熄灭。早饭过后,队员们就背上馕上山了。在山上工作时,几乎每天都下雨,在雪山附近,雨水变成了冰雹,海拔越高,冰雹越大、越急。

    一次填图过程中,队员们在海拔4000米的露头上,晴朗的天气突然转阴,伴着几声“轰隆隆”的雷声,突然下起了冰雹,几乎是一瞬间,山坡间布满了冰雹,队员们迅速撤离,可湿滑的草地,陡峭的山石,成为队员们下山最大的困难,无数次的跌倒,爬起,相互搀扶……足足花了1个小时,他们才走完平时10分钟的路程。

    第一次进山,在山上工作了20天。下山后称了称体重,小伙子们惊呆了:平均瘦了十多斤。

    采访西天山项目组时,时常能感受到这些年轻地质人对远方父母的牵挂和对妻儿的思念,技术员邓宇飞经常晚上收工后,站在帐篷外,抬头看着天上的星星,一边啃着馕,一边给远方的父母打电话:“爸爸妈妈,我在这里很好,吃得很好,天气很好,条件很好,放心吧,你们在家要多保重身体!”在他们年轻甚至有些稚嫩的脸上,已经有了一个地质队员所特有的坚韧神色。

    “找到大矿,是我最大的梦想”

    “是那山谷的风,吹动了我们的红旗。是那狂暴的雨,洗刷了我们的帐篷……”刚走近新疆拜城铜矿远景调查项目组的工作区,就传来了这首《勘探队之歌》。

    走进项目组办公室,大大小小的矿石标本摆满了柜子,墙面上挂满了各种地质图和野外地质工作要求及安全规章,六七张简易床整齐地摆放在房间的最里边。项目组组长孟都介绍说,由于矿区房子难找,项目组的办公室和宿舍就合二为一了。

    野外的生活对于年轻人来说,无疑是枯燥乏味的,这里没有商场、没有网吧、手机有时都没有信号……但是,他们却自得其乐,几个年轻人野外归来一起唱歌,有的还试着创作歌曲,以丰富业余生活,他们像是一个大家庭,互相取暖,互相关爱,但他们之间有一个共同的、不可触碰的话题——“想家”。组长孟都出队的头一天,爱人刚刚做了一个手术,带着对妻子的愧疚和不舍,他来到了新疆项目组。工程师王富强在野外工作时接到了家里的电话,说他父亲重病住院需要做手术,当时工作正处于关键阶段,他犹豫再三,还是留了下来。提起这段,小王还是满脸自责。但一谈起找矿,他们立刻两眼放光,滔滔不绝。“80后”的小伙子王占兵说,能为国家找到大矿,是我此生最大的梦想,其实,这也是每一个地质队员最大的梦想。

    “小羊沟硼矿有了新发现”

    最后一站,我们来到了吐鲁番小羊沟硼矿调查评价项目组,这是由中化地质矿山总局河南地质勘查院6个小伙子组成的,调查区位于吐鲁番市东北部,区内地形条件恶劣,山势陡峭,交通极为不便,仅靠牧民进出的山间牧道可到达,通过卫星电话才能联系到项目组。每次进山都要翻过十几公里的山路,还要蹚过一条宽约8米、水流湍急的小河,河水是山上融化的雪水。每次过河冰冷的河水让队员们感到刺骨的凉,稍有不慎,就会被湍急的河水冲走,大家互相搀扶着蹚过了河。上了岸大家先是把湿透的鞋和袜子脱掉,用力甩一下水,穿上接着上路。为了节省时间,项目组在工作区搭起了帐篷,由于物资运送困难太大,无法提供床铺,只能在地上铺上防潮布以地为床,潮湿自不必说,各种蜘蛛、昆虫、蚊子是这里的常客,有段时间晚上睡觉总有一群小老鼠在头顶上跑来跑去,大家每天晚上都会开展灭鼠运动,直到有一天在床铺下面发现了一个老鼠洞,才彻底结束了这场噩梦。

    在小羊沟工作的小伙子们,除了“罗盘、地质锤、放大镜、卫星电话、GPS”五件宝之外,还有一件必不可少的东西——打狼棍。当地人说,这里常有狼等野兽出没。

    第一次到西西尔塔克中点工作区踏勘,由于距离远且没有路,项目组聘请了两个维吾尔族老乡当向导。走在山里,队员们感觉像有一只狼跟在后面,大家立即挥起木棒准备开打,向导赶快拦住说,那只是一条狼狗,跟随他们一块儿进山。爬了一天的山路,队员们都累得筋疲力尽了,发现狼狗脚下的黑色肉垫都磨没了,向导也开玩笑说,狗狗的鞋子都跑丢了。

    就这样的日复一日,一个星期或者十天后出山的时候,地质队员的食物吃光了,袋子里换成了几十公斤的岩石样品;他们会为发现一个新的异常而欣喜,也会为几日的奔波无果而沮丧。

    离开小羊沟的时候,技术负责人焦紫辉兴奋地告诉我,通过野外地质工作,初步查明小羊沟硼矿位于新疆唯一的火山岩型硼矿化带上,发现主要矿(化)体三条,有望在该区找到一个中型以上的火山沉积型硼矿床。

    “这些年轻地质人以找矿为天职,殊不知在他们身上同样蕴藏着宝贵的精神富矿。

     

    喀喇昆仑记忆

    魏永峰

     

    11月23日,新疆乌鲁木齐市,约300人齐聚一堂,新疆“358”地质找矿工作会议隆重召开。这一天,新疆西昆仑地区5幅 1∶5万区调获新疆“358”找矿项目优秀成果三等奖,我也被评为新疆“358”找矿项目先进个人,并代表单位上台领取了先进单位的牌匾。

    2012年4月,四川省地矿局区域地质调查队取得新疆西昆仑地区5幅1∶5万区域地质调查项目,之后的每年春天,项目组成员都会带着梦想踏上喀喇昆仑山。

    在海拔5500米以上的高原,有迷人的冰川,无垠的高原草甸,成群结队的藏羚羊,幽静深邃的山湖泊……当所有人还沉浸在美景中无法自拔时,高原的天气来了个当头棒喝,突然飘起了雪花,越来越大,变成了冰雹,打在车上噼啪直响。气温急剧下降,不少队员的高原反应也越来越明显。这时,有多年高原经验的项目经理不厌其烦地向新队员们交代注意事项:下车不要往下跳,走路不要太快,吃饭不能太饱,睡觉不能太早,上厕所蹲下起来要慢一点……

    在狂风怒吼、暴雪纷飞中,在海拔5500米冰川下方,队员们忍着身体上的不适,升起了鲜红的队旗,搭起了青绿的帐篷,在巍峨的昆仑山上安下了简陋却不乏温馨的新家。

    清晨八点半,队员们带上干粮和仪器,顶着寒风前往工作地,两腿像灌了铅似的,每走一步都十分吃力,汗水浸透了衣裤,浑身冰冷。天色渐晚,队员们经过一天的测量,坐上车子回到驻地。记忆中印象最深的一次,是回驻地的路上,大家正昏昏欲睡,突然,驾驶员谭梦大叫一声“糟了”,我们猛然惊醒,往车窗外看去,车子陷进了淤泥中。

    看着谭梦懊恼的表情,队员陈威开解道:“我们还真够幸运的,现在活动一下晚上可以多吃一些。”取出木板,搬来石头,挥起铁锹,原本沉寂的戈壁滩也热闹起来,气温很快降到零下十几摄氏度,谭梦好几次试着发动汽车,可惜奇迹并没有出现,挖车还要继续。两个小时过去了,伴着大家的口号声,车轮终于从泥泞中出来了,人群一阵欢呼,这时,前来寻找我们的同事也赶到了。

    队员们的青春就这样与这片孤寂亿万年的热土联系在了一起,观察、采样、记录、连图,熟悉的工作流程,忘我的工作节奏,还有高原赋予面容的那抹红。

    青春从不畏艰险,但是现实也同样残酷,项目部技术负责陈大健在刚到昆仑时昏迷,患上脑水肿,被迫离开;副项目经理邓浩然面部偏瘫发作,离开了昆仑;朱华患上脑水肿,离开了昆仑;甘海涛在工作中胃病发作,患上肺水肿,治疗后坚持工作;患上脑水肿的赵志强也在诊治后坚持到了最后。

    在工作区,有一条向北流的大河,名叫喀拉喀什河,因为盛产墨玉,又被称为墨玉河,工作区最高峰团结峰(海拔6644米)也是此河源的最高峰,在河畔还驻扎着一个边防连。8月的一天,项目组的车子已经非常小心了,但还是陷入沙石之中,队员们想尽了办法都没能脱困,眼看着原本温顺的河水似脱缰的野马般奔腾起来。项目组只好向边防连求援,夜幕低垂,远处点点灯光点燃了希望,随车来的于连长和彭指导员还带来了水与干粮。顺利脱困到达边防连驻地已是凌晨3点,连队还为我们准备好了热腾腾的饭菜,“军民鱼水情谊深”的旋律在每个人心中荡漾。

    经过3年艰苦卓绝的工作,这个项目有多个成果得到专家们认可。 2015年12月15~18日,中国地质调查局西北项目办专家组在西安市对项目最终报告进行验收,项目总体为优秀级,得分90分。

    转眼已是五年,每一位奋斗在喀喇昆仑的地质人,都像座座耸立云天的高山,用青春为地质事业书写着传奇,如今,他们依然披荆斩棘,毅然前行。

    我们共同的名字叫“358”

    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

    11月30日下午,敬爱的江泽民同志逝世的噩耗传来,大江南北、长城内外,中华大地笼罩在巨大的悲痛之中。全国各地各族人民收听收看告全党全军全国各族人民书,以各种方式悼念缅怀江泽民同志的光辉业绩,颂扬江泽民同志的伟大情操和崇高品质。

    敬爱的江泽民同志一直十分关心我国地质事业和矿业行业的发展。1991年,江泽民同志为地质工作者题词:“献身地质事业无尚光荣”。同年,江泽民同志为节能宣传周活动题词:“节约能源、保护环境、造福子孙”。《中国矿业报》的创刊,也得到了江泽民同志的亲切关怀。1993年年底,正在筹备创办的《中国矿业报》为报头的设计大伤脑筋,一张新创刊的报纸,按一般的做法,用电脑制作报头或请知名书法家题写报名即可,但时任地矿部部长的朱训和中国矿业协会秘书长郭振西局长却不这么认为。他们认为,《中国矿业报》必须有一个高起点!

    是时,中国矿业正处于高速发展的关键时期,《中国矿业报》肩负着充当中国矿业喉舌的重任,题写报名之事不可草率。我国的几代领导人都非常重视中国矿业的发展,毛泽东主席在新中国成立之初就题写了“开发矿业”,以勉励地矿工作者为祖国建设多做贡献。因此,请党和国家领导人题写报名应该是最佳的选择。

    于是,一份恳请党和国家领导人题写报名并题词的报告,通过正规程序后,被送到了时任中共中央总书记、国家主席江泽民和其他中央领导手中。江泽民同志欣然应允为《中国矿业报》题写报名。他虽日理万机但还是忙中抽空,用毛笔题写了5幅“中国矿业报”以供选用。据说,这是江泽民同志当时亲笔题写报名的第二张报纸。

    说起江总书记题写报名,还有一段小小的插曲——

    江泽民同志题写了5幅“中国矿业报”,其中3幅为繁体字,2幅为简体字。这却无意中给筹办者出了一道不大不小的“难题”。简体字笔画较少,视觉显得有些空,不如繁体字饱满、好看。朱训部长、郭振西局长和大家一样,都觉得应该采用繁体字的那一幅,但根据我国有关出版规定,报头原则上应该以简体字书写。既然江总书记书写了简体版的《中国矿业报》,似乎就该选择简体版。面临这样的“两难”选择,最好的办法是请江总书记自己选定,或者认可筹办者的选择。

    朱训部长的回忆录《大山无涯》中记载了这一段经历:“毛里塔尼亚总统塔亚夫妇访华,我担当中国政府代表团团长。在江主席欢迎塔亚总统的宴会上,时任中矿协副秘书长的我的妻子尹惠宇作为陪同团团长夫人坐在江总书记左侧。于是尹惠宇就趁机请示江主席,可否以江主席写的繁体字作为中国矿业报的报名,江总书记当即表示同意。就这样,一个难题解决了。”

    一些党和国家领导人也纷纷为《中国矿业报》题字题词。时任国务院总理李鹏的题词是“为发展中国矿业服务”,乔石委员长的题词是“把中国矿业报办成千百万矿业职工喜爱的群众性报纸”。一位国家副主席、一位副总理、五位全国人大常委会副委员长、一位国务委员也题词祝贺。

    此外,煤炭部、冶金部、化工部等10个矿业部门的部长或主管副部长等,都为《中国矿业报》题了词。

    江泽民同志亲自题写《中国矿业报》的报名,不仅一直给予矿业报社全体员工以极大鼓舞,更是激励着全国地质和矿业行业广大干部职工为了地质找矿事业和矿业开发前赴后继,奋发前行。

    江泽民同志离我们而去了,但是我们一定会继承他的遗志,以党的二十大精神为指引,深入学习贯彻习近平总书记给山东省地矿局第六地质大队全体地质工作者重要回信精神,在新时代继续弘扬优良传统,积极践行绿色发展理念,落实新一轮找矿突破战略行动,推进矿业行业高质量发展,为保障国家能源资源安全和经济社会高质量发展奋力拼搏。

    江泽民同志亲自为《中国矿业报》题写报名揭秘

    2017年1月20日,夏潭1井试验性抽水时,一位行动不便的老大爷执意让晚辈抬着到了井场,如品酒般细细地品尝着甘甜的井水,久久不愿离去,连声赞叹:“水好,好水!”当地从此实现了几代人梦寐以求喝上安全放心水的愿望。

    这是武汉地质调查中心按照中国地质调查局精准扶贫工作总体部署,在江西省赣州市赣县区五云镇夏潭村精心组织实施的“夏潭饮水示范工程”。

    承担这个光荣使命的是夏潭饮水示范工程建设团队,这是武汉地质调查中心为该工程量身定制的水工环专业团队,战斗力强,团队主要成员有中国地质调查局优秀人才陈立德教授、邵长生硕士、杨艳林博士、路韬硕士和张傲博士。他们虽然平均年龄只有35岁,却是一个专业性极强的高学历团队,曾先后承担过“长江中游城市群地质环境调查与区划”、“长江中游城市群地质环境综合调查”、“长江中游城市群咸宁-岳阳和南昌-怀化段高铁沿线1∶5万环境地质调查”等地质调查项目,发表专业论文32篇,出版专著(含合著)7部,获国土资源科学技术二等奖4项,获中国地质调查成果一等奖1项……

    这一次夏潭饮水示范工程,虽然困难重重,但该团队依然是使命必达。

    聚焦“三步走”战略

    夏潭村位于赣南老区,是国家级贫困村,人口1326人,人均耕地0.75亩,人多地少,而且村内无工业企业,无矿产资源,农作物种植结构单一,产业基础薄弱。原来,夏潭村村民生活用水主要是使用简易水管从溪流或陈年老井中直接取水,细菌、农药残留、牲畜养殖直排等因素导致水质无法保障,简易取水管在雨季也容易被冲断或堵塞了。因此,长久以来“用水难”一直是萦绕在村民心头的一大痛点,“特别想喝上干净的自来水”成为最为迫切的需求。夏潭村离赣州市很近,但还是因为缺水,限制了当地土地有效开发利用,特别是经济作物种植和乡村旅游发展。缺水,特别是缺乏卫生干净的安全饮用水,成为夏潭村整体脱贫和提高村民生活质量的瓶颈。

    夏潭1井出水,村民争相品尝甘甜的井水

    “江西省赣县、于都县1∶5万水文地质调查”是武汉地质调查中心承担的“长江中游城市群咸宁-岳阳和南昌-怀化段高铁沿线1∶5万环境地质调查”二级项目下的一个子项目,夏潭村位于该子项目工作区内。按照中国地质调查局《支撑服务赣州六县精准脱贫攻坚地质调查实施方案(2016~2020年)》整体部署,实施精准地质扶贫解决夏潭村安全饮水问题成为该二级项目2016~2017年重点工作任务。

    武汉地质调查中心对此高度重视,专门成立了赣南地质扶贫工作领导小组,抽调精干技术人员,组建工作专班,高效落实资金和工程设备保障,以解决夏潭村安全饮水为突破口,全力实施“夏潭饮水示范工程”建设,这也是团队的任务目标。

    针对基础工作,团队实施了“三步走”战略。

    一是在前人工作基础上,开展重点地区1∶5万地质环境综合调查,对长江中游城市群资源环境条件和重大地质问题进行系统梳理和综合研究,编制完成了《支撑长江中游城市群发展地质调查报告》、《长江中游城市群资源与地质环境图集》,参与编制了《长江经济带国土资源与重大地质问题图集》、《支撑服务长江经济带发展地质调查报告》,为长江经济带规划建设提供了有力支撑,相关成果已得到各级政府高度重视。

    二是系统总结了长江中游城市群岩溶塌陷重点区分布状况与发育特征,研究了区内岩溶塌陷的影响因素和成灾机理,梳理了区内岩溶塌陷的首要因素、岩溶塌陷的其他表现形式,及岩溶塌陷的诱发因素等。

    三是开展了长江中游河湖演化及其地质环境效应研究,系统梳理了江汉-洞庭盆地已有研究成果,开展了大量的野外地质调查和测试数据分析,扬弃了以阶地分析和冰川论为基础建立的各自独立的江汉盆地和洞庭盆地第四系地层系统。基于冲积扇研究并识别出宜昌砾石层、白沙井砾石层与上覆网纹红土之间的不整合关系,开展了江汉-洞庭盆地周缘更新统划分与对比,进而建立了江汉-洞庭盆地统一的第四系地层格架。基于江汉-洞庭盆地第四系研究,进一步提出网纹红土层与下伏砾石层所代表的沉积环境的重大变化是长江三峡续接贯通的环境效应,并据此提出了长江三峡续接贯通的时限相当于网纹红土层或网纹泥砾层底界年龄,大体相当于早-中更新世之交。相关成果成为长江流域地球科学系统研究成果的重要组成部分。

    找水打井见真功

    当所有的基础工作准备就绪,2016年10月,团队由二级项目负责人陈立德教授领衔,开启了夏潭找水打井之路。然而,这条路走得异常艰难。

    夏潭村及周边广泛分布寒武系下统牛角河组变余凝灰质细砂岩,是典型的基岩裂隙水弱含水地层分布区,一般的探采结合井单井出水量每天仅30吨左右,只能满足不超过400人的用水需求。而夏潭村现有村民1300余人,结合夏潭村旅游发展规划,则需要解决不低于2000人的安全饮水问题,这意味着需要至少找到一口单井出水量为每天200~300吨的探采结合井。上世纪80年代开展的赣州地区1∶20万水文地质调查资料表明,在夏潭村一带没有发现有供水意义的构造变形迹象。因此,要完成找水打井的任务,困难是显而易见的。

    压力就是动力。团队技术人员立即行动,通过研究分析现有资料、实地踏勘,确定了实施地面调查和物探调查解译相结合的工作思路,地面调查和物探相继展开。赣南植被发育,杂草、密灌丛生,技术人员披荆斩棘,跑遍了夏潭村及周边的每一条山间小路、每一条溪沟,详细观察了乡村公路边和村民房屋后面的每一处切坡。

    功夫不负有心人,在陈立德的带领下,团队终于在村西北1千米处发现了基岩破碎现象,经延伸追查和推测,又在村边不起眼的一处小竹林里发现了约1平方米大小的断层破碎带露头,这时确定了以寻找构造裂隙水作为夏潭村饮水示范工程的找水方向,根据地面调查情况圈定了2处水源勘查靶区,提出了物探部署建议。随后开展的地面物探勘查进一步查明、验证了夏潭村北西向基岩破碎带的走向、产状和破碎深度,结合物探解译,分别在夏潭村东、西两侧初步推荐了多个地下水源钻探井位。团队完成这一系列工作仅仅只用了不到20天的时间!

    接下来的工作是对地面调查和物探调查圈定的井位实施钻探,然而这时团队却有意放慢了工作节奏,因为他们有了更多的考量,如何做到实施数量较少钻探工作量又达到找水目标,从而最大限度地发挥资金的效益;工程不仅仅是打井和找到优质的地下水,如何统筹考虑高位水池、配套管网建设和后期运行维护的成本,要费用低,好管理,让夏潭村百姓用得起、愿意用,归根到底让百姓高度满意,在他们看来这才是衡量饮水示范工程成功与否的标尺!

    数天时间里,团队技术人员们拿着地质图、物探解译报告和遥感影像资料,反复攀爬在村子周围的山头上,在夏潭村北面最高的山顶上,有时一呆就是4个小时,渐渐理出了头绪:长村水库位于夏潭中心村下游约500米,夏季洪水期水位上涨,水库水位线距中心村就几十米远,长年的水产养殖和牲畜养殖直排已造成水质富营养化,水质差。如果在村子东面打井,长期抽排地下水可能沟通井水与库水之间的水力联系,井水水质可能会受到长村水库的影响;物探调查推荐的村西井位,距离村子南面、西面的山头近,但村子南面的山头高度低,不能保证自然供水压力,村子西面的山头山体单薄、强风化层厚度大余20米,也不宜建高位水池;村北的山头是最佳的位置,夏潭中心村就在山脚下,相对高差50米,山体厚实,是高位水池建设的最佳选择。但是,初步的地面调查和物探解译成果推荐的井位距村北山头平面500多米,相对高差80米,铺设上水管网要越过村西的水沟和县级公路,工程建设、运营管理和维护成本高、难度大,如果要二次抽水,势必进一步推高百姓用水成本。由此看来,单纯从水量丰富、打井找水成功率高这个角度推荐的井位并非最佳选择。

    如何化解这个矛盾成为团队要攻关的难点。为此,他们奔波于武汉、南昌和赣州之间,与物探工作组技术人员一起反复研究物探资料,虚心求教熟悉赣州地区地质情况的水文地质专家。根据物探资料中存在北西向异常的显示,在听取了专家的意见和建议后,技术人员立即再赴野外开展了补充调查,通过反复观察和研究野外地质现象,最终查明在夏潭村西沿溪沟一线存在一条北西向次级断层。如果在该断层上盘沿北西方向部署探采结合井,井位则位于村北山坡的下部,距离拟建高位水池平面距离不足200米,而且地形简单,如果找水打井成功,夏潭饮水示范工程建设、运营、管理的综合成本则会大幅降低40%以上,团队分析认为,虽然有一定的技术风险却无疑是最理想的选择。

    团队技术人员凭借扎实的基础地质功底、长期的野外地质调查工作实践和科学严谨的态度,反复交流研讨、统一思想后,果断放弃原有推荐井位,毅然决定选择技术风险较大但建设运营综合成本低、水质有保障的夏潭1井和夏潭2井井位。同时,为降低高位水池建设成本、延长高位水池使用寿命,通过对拟建高位水池山顶一带的工程地质条件分析研究,将高位水池建设方案优化为下沉式水池结构,并在水池顶部配套绿化植被,这一优化调整将更有利于保障水质和口感。

    说干就干。经过钻探取芯、试抽、扩孔、洗井、再试抽、成井、水质检测等,2017年1月20日夏潭1井完钻终孔并成功见水,当水汩汩而涌时,全村兴奋了,奔走相告,纷纷涌向井口品尝这甘甜的井水,就出现了文章开头的一幕。在这之后不到两个月的时间里,再传喜报,3月12日夏潭2井也完钻终孔并成功见水。夏潭1井井深124.8米,单井水量大于200吨/天;夏潭2井井深127.4米,单井水量为220吨/天。两口井水量均满足了工程设计要求,水质也都达到生活饮用水标准,保证了夏潭村全体村民生活用水、特色农业种植用水和远期乡村旅游发展用水需求,彻底改变了当地用水状况。

    打造饮水工程示范

    2017年1月21日,国土资源部党组成员、副部长凌月明视察了夏潭村饮水示范工程,实地查看了夏潭1井的抽水情况,详细询问了水量、水质及引水入户方案等情况,对武汉地调中心承担的夏潭村饮水示范工程取得的成果给予了充分肯定,希望武汉地调中心再接再厉,不负众望,继续推进夏潭村饮水示范工程建设,切实惠及贫困区人民群众,助力国土资源精准扶贫工作。

    部领导寄予厚望和当地村民的期盼,更加坚定了团队继续做好后续工作的决心,打造饮水示范工程。按照夏潭饮水示范工程设计和实施方案,在取得打井找水成功的基础上,将着手建设高位水池、取水泵房和管网设施,随着工程的推进,团队成员经常驻守在夏潭村,为施工人员提供技术指导,监督工程安全、质量和进度。为确保工程质量,团队还划定了两条红线:一是对任何形式的不规范施工和质量问题必须“零容忍”;二是严禁团队成员以任何理由接受宴请。团队成员也是这样做的,因施工不规范或质量不合格就坚决责令返工,将隐患消除在萌芽,坚决高标准严要求施工,这让当地百姓深切感受到团队严谨的科学态度和强烈的责任心。

    示范工程建设中,团队紧紧抓住高位水池建设和供水管网铺设这两个关键环节,制订了一套精细的推进实施方案。高位水池建设是饮水示范工程最关键的环节,建设质量事关整个工程的成败和工程的使用寿命,团队成员轮流盯紧现场,严格把关,严格检查验收高位水池砖砌外模制作、钢筋配置及混凝土现场浇筑等每个细节,保证了示范工程关键设施的建设质量。在铺设供水管网时,他们选用质量最好的PE管材,严格热熔焊接技术要求,以超过规范的更高要求进行试压,保证了供水管网铺设质量。为了便于运行期间的管理和维护,在铺设规格为63毫米和50毫米的次级管网时,他们采用规格为100米长的管材,大大减少了热熔焊接的数量,降低了供水管道出现问题的几率,同时也更有利于后期的管理和维护。

    饮水示范工程先后完成了两个泵房及配套设施、100立方米下沉式高位水池的建设,还完成了7000多米主供水管网和5000多米次级管网铺设及试压等工作。目前,团队正抓紧实施管网入户、安装智能水表等收尾工作,为实现夏潭村“一户一表一龙头”既定目标进行最后的冲刺,同时着手整理全套工程设计、施工和后续使用管理技术资料,为及时将饮水示范工程移交夏潭村民委员会、投入正常运行做好支撑与服务。

    示范工程在找水打井、建设施工期间,中国地质调查局党组副书记、副局长王研,中国地质调查局副总工程师、总工室主任徐学义,中国地质调查局副总经济师、财务部主任严兴华等先后亲临现场指导工作,解决实际问题,这些极大鼓舞了团队士气。

    2017年6月29日,国土资源部中国地质调查局在江西赣州召开“支撑服务赣州七县脱贫攻坚地质调查工作推进会暨脱贫攻坚地质调查协调联动领导小组会议”,会议代表实地考察了夏潭饮水示范工程并给予高度肯定,认为该项工程实现了“精准扶贫、引水到户”的目标任务,切实惠及了贫困地区人民群众,是贯彻落实中国地质调查局“延长地质工作产业链,破解最后一公里难题”的成功示范。

    夏潭村全体村民喝上了干净、放心的自来水,由衷地感谢国土资源部的定点帮扶,感谢中国地质调查局武汉地质调查中心实施的饮水示范工程,并对项目组在工程实施过程中,心系村民、勇于担当和对工程质量的严格要求交口称赞。

    建设团队用实际行动传承了地质工作者“三光荣”“四特别”精神,自觉践行“责任、创新、合作、奉献、清廉”新时期地质工作者核心价值观,而且并没有就此满足,如今又有了新目标。

    下一步,他们将紧密结合二级项目工作任务和赣南人民群众安全用水需求,在开展赣南其他地区1∶5万水文地质调查工作过程中,合理部署地下水探采结合井,从根本上解决季节性缺水和水质性缺水地区百姓安全饮水问题。同时,团队将结合地方需求和水文地质调查工作要求,注重工作区矿泉水和地热资源的调查评价,为赣南地区经济社会发展提供更强地质技术支撑,在国土资源赣南精准地质扶贫工作中再创佳绩!

    高位水池建设现场

     

    清泉喷涌润民心

    近日,来自中国、德国、意大利、美国、日本等国家和地区的30多名专家,在参加第13届国际三叠纪野外研讨会时专程考察了罗平生物群国家地质公园。

    中国地质调查局成都地质调查中心胡世学研究员、北京大学江大勇教授、罗平生物群国家地质公园管理局刘腾林局长等分别为介绍了罗平生物群的发现、研究情况及国家地质公园的建设情况。各国专家兴致勃勃地参观了罗平生物群国家地质公园主碑、响洞坡三号化石发掘点以及大洼子村化石陈列室。保存精美、栩栩如生的罗平生物群化石给各国专家留下了深刻印象。罗平生物群丰富多彩的海生爬行类、鱼类、节肢动物、棘皮动物等多门类化石,让专家们仿佛置身三叠纪时期,感受到二叠纪末生物大灭绝之后生命史上最为壮观的生物大辐射事件。

    著名中生代鱼类专家、意大利米兰大学Tintori Andrea教授已经多次访问过罗平,但还是对罗平生物群国家地质公园建设速度之快惊叹不已,认为罗平生物群是世界上研究三叠纪的最佳地点之一。首次来到罗平的欧洲三叠纪委员会主席、德国哈勒-维滕贝格大学Bachmann Gerhard教授对罗平生物群的重大科学意义及国家地质公园建设工作给予了高度评价,并建议罗平生物群作为一个世界级的化石群,应和贵州的盘县生物群、兴义生物群、关岭生物群一起申报世界自然遗产,走向世界,让更多的人了解罗平生物群,扩大罗平生物群的国际影响。

     

    各国专家在罗平生物群国家地质公园主碑前合影 

     

    Bachmann Gerhard H教授接受采访高度评价罗平生物群 

     

    参观大洼子村化石陈列馆 

     
    多国专家考察罗平生物群