返航途中，“海洋六号”的工作和生活相对轻松，但甲板部的工作则仍然丝毫不能放松。归途遥遥，对甲板部的驾驶员和水手们来说，只有驾驶海六将大家安全带回国的那一刻，他们才能真正松一口气。
不开灯的驾驶室
　　“怎么不开灯呀？”10月26日晚19点，记者来到位于顶层的驾驶室，见眼前黑乎乎一片，不经脱口而出。白天一上驾驶室就能看见的驾驶台、平日里很想去坐一坐的三个驾驶位都不见了。
　　一听我这话，值班的三副李胜勇、水手阿武都不禁笑了，很多第一次晚上来驾驶室的人都会问这个问题。“驾驶室晚上是不能开灯的，就跟晚上开车不能开车内灯一样，为了安全。”经船长蓝明华这么一解释，真觉得自己那个问题问得好幼稚。
　　原来，虽然在现代科技的助力下，船舶驾驶工作不像“加勒比海盗”里演绎的那样惊心动魄，但驾驶员的眼睛一刻也不能开小差，看航线有没有偏离、看仪表盘各项数据是否正常、看雷达上面有没有出现异样，甚至从200多度视角的驾驶台看夜晚的海面上有没有出现不明物体，以提前发出警报等等……虽然不需要耳听八方，但眼光眼观六路是实实在在的。如果开灯，光线会影响驾驶员观察外面夜幕下的海面。三副李胜勇手中拿了一个高倍望远镜，那是驾驶员的宝贝。
　　“夜晚航行时，船舶只能开航行灯。”记者想起前一阵子的一天晚上，大家欢呼海面来了一条船，跑出去一看，只见天边有一盏比夜幕上的星宿大不了多少的黄色灯光。大概，那就是航行灯了吧。茫茫太平洋上，常常连日连月见不到其他的船舶、岛屿、飞鸟。难怪一盏灯会让他们兴奋不已。这是题外话了。
　　其实，不仅驾驶室不能开灯，其他光线也是严格限制——尽可能不影响瞭望。“如果驾驶台以前的舱室有光线外露，不但会妨碍值班驾驶员正规瞭望，而且会影响其他船舶观察我船的号灯。不同的号灯，代表船舶不同的航行状态，比如航行灯亮表示船舶正在航行，锚灯亮表示船舶在锚泊。所以夜间航行，是禁止光线外露的。”蓝明华解释到道。
　　难怪驾驶室后侧的两个开放式的工作台，在晚上的时候都会拉上厚厚的帘子围住。
　　虽然在太平洋上遇见其他船舶的可能性小之又小，但安全航行的规定还是要严格遵循的。
　　现代科技让航海变得更安全
　　逐渐适应光线，驾驶室内的一切在眼前渐渐显现。面前三把椅子一字排开，左右两侧的是驾驶位，中间的是水手位，水手位前面是一排操作手柄。
　　“驾驶员发出指令，水手则在中间具体操作。以前的船舶，水手是站着操作的。现在船舶设计更加人性化，水手专门配备了位置。”蓝明华扶着水手位说到。难怪水手位比驾驶位会高出来很多，大概是方便水手操作仪器吧。水手阿武目视前方，时刻准备着，一有指令他得立马操作，不能有丝毫犹豫。
　　在椅子前方是一排显示屏，上面各种数据在变动。
　　蓝船长选其中的几台仪器做了介绍。电子海图显示屏上有红、黑两条线的是航线显示屏。红色的是设定航线，航线终端就是“海洋六号”的母港广州了。黑色的是“海洋六号”实际走的航线。
　　在这块显示屏的一侧，有一串各种各样的数据。“6米这个数据显示的是我们现在实际的航线的中线与设定航线中线的偏离距离，一般大洋航行，航线宽度设定为500米，即左右两侧偏离250米。所以，我们现在的航线误差是在允许范围内的”、“255度表示的是我们现在的航行方向，正北为零度，所以我们现在在向西南方行走”……李胜勇、蓝船长耐心地给记者讲解。如果发现偏离，则立马要修正整航线。当然，如果出现天气不好、海况差等情况，预订的航线也会根据需要做一定修正的。
　　雷达相当于人的眼睛。能见度不良或夜间航行时，主要靠雷达来辅助瞭望。“雷达的扫描半径有很多种，96海里、48海里、24海里、12海里不等等，扫描半径越大精确度越低。大洋航行过往船舶较少，我们一般设定12海里，如果发现相遇船舶，可以给驾驶员1预留足协调避碰的时间。海洋六号船航经海域，不在商船推荐航线上，水深、船少，通常半个月都很难碰到过往船舶，雷达显示屏上根本没有目标出现。”蓝船长指着雷达显示屏，不厌其烦地讲解。
　　说起现代海航技术，电子航海图是倍受赞誉的一项。在电子航海图显示屏上，可以看见密密麻麻的一串数字，那是海底深度。蓝船长说，“这里可以随时显示我们船所在位置的水深，这对于我们设计航线和航行是非常有帮助，设计时避开浅滩、暗礁，航行时可以直接从海图上观察航行时的船位，特别是进出港时，非常直观、方便。以往只能借助纸质海图进行人工定船位，那样的话精确度就会降低。”
　　记者看了看，我们现在的位置，水深3000多米。想起之前这上面显示的一连串5000多米的数据，大为过瘾。每次海洋六号跨过马里亚纳海沟时，仪器房都会聚集一大班人来欣赏多波束测深数据跳到“7000至10000多米”的精彩瞬间。而通过电子海图，驾驶员也可以提前预知船过马里亚纳海沟的准确时刻。
　　不能有一丝马虎的纸质航海资料
　　驾驶室后面两个被厚厚的窗帘围的严严实实的工作区，一个是报务区，这是对外通讯的“沟通台”；一个是“海图作业区”。当然，这是记者根据用途擅自取的名字。
　　记者怀着好奇心，掀开布帘。不知什么时候，三副李胜勇已经来到海图作业区。台灯下，他正拿着铅笔、圆规、直尺在几张摊开的地图面前忙碌着。这情景，记者不禁想起抗战前线的作战指挥部。
　　“虽然有电子航海图，但是我们每次航线都需要在纸质航海图上画出航线。”蓝船长解释到，“一般航海图在出海前或离开工区时就画好了，但这几天因为天气影响多次修改了航线，检查发现有些地方需要做一下调整。”
　　原来，在没有电子航海图之前，船舶需要线做好纸质航线图，然后每小时记下实际船位，再画到纸质航线图看，比较航线有无偏差。记者发现，在海图上，计划航线上或附近每隔一个小时都有用铅笔画的小五角星就是驾驶员们画的实际航行坐标了。“虽然有了电子海图，可以实时测知船舶船位，但仍需要在纸质版海图上每隔一个小时进行定位，如果是近岸航行，还需要缩短定位时间，以发现船舶是否偏离航线航行，以保证航行安全。”
　　记者细心发现几张海图的比例尺不一样。“比如，近海的地图比例尺比较大。因为近海的礁石、港口、设施等都很多，需要仔细画图，避开一切障碍物。而在大洋上，水深几千米，障碍物相对较少，海图比例尺不需要太大。”蓝船长介绍到。
　　虽然海图比例尺不一样，但要保证航线在每张地图上的一致性。
　　“铅笔再削得细一点，笔头太粗了，一笔下去就可能偏离几海里。”蓝船长提醒道，拿出铅笔刀将笔尖削得更细。李胜勇是90后，去年刚到“海洋六号”船。在这里，船长经常对驾驶员言传身教，手把手的“传、帮、带”无时不在。
　　除了纸质航海图，重要的还有航海日志。蓝船长说，“航海日志跟飞机上的黑匣子一样，清晰、准确记载船舶的航行状态，具有法律效力。万一有什么事情发生，这上面记录的一切都是追根溯源的原始证据。”
　　翻开航海日志，每天航行了多少里、船舶位置、船舶状况都记得一清二楚。每个值班的人员都要在上面郑重地签上自己的名字。
　　转眼，就快到交接班时间，李胜勇将航海情况仔细地记录下来，并在右下角签上自己的名字。
　　接下来值班的是二副龙春宇和水手蒋学军。太平洋上，在大家安睡的夜晚，他们将用自己的双眼、双手继续守护大家的安全。

一、背景

(一)国际发展动向

基于20世纪科学技术的迅猛发展，人类活动已经扩展到世界各个角落，实现全球合作、促进全球发展逐步成为各国的共识。全球范围内的发展中国家和发达国家在享受全球发展带来巨大收益的同时，也付出了资源、环境以及社会方面的高昂代价。人类生产活动不仅在全球范围内破坏着自身赖以生存的生态环境，同时由于过度开发，人类赖以发展的自然资源也正以惊人的速度减少。联合国给出的《千年生态系统评估》(2005年)报告指出：“由于人类活动的干预，2/3支持地球生命系统运转的自然资源已被严重破坏，几近耗光。人类赖以生存的生态系统有60%处于不断退化状态，支持能力正在减弱。未来50年内，这种退化也许还将继续。”随后，世界自然基金会(WWF)的《地球生命力报告(2008年)》针对人类对自然资源需求的生态足迹，指出“人类对自然资源的需求超出了地球承载力的近1/3。美国和中国的国家生态足迹最大，各消耗约21%的全球生物承载力。美国人均生态足迹量9.4全球公顷，可覆盖4.5个地球；中国人均生态足迹量2.1全球公顷，覆盖1个地球。”而据《中国生态足迹报告(2008)》，2003年中国人均生态足迹量1.6全球公顷，低于2.2全球公顷的全球平均生态足迹。有关度量指标除生态足迹(人类需求)、生命地球指数(自然状况)外，还有碳足迹、水足迹。一些发达国家已形成“经济(Economy)-能源(Energy)-环境(Environment)”协调发展的“3E”模式，而2009年的达沃斯论坛传出了“水资源破产”的预警。

（二）我国中长期经济、社会发展的趋势预测

在发展的大潮席卷全球的同时，我国经济社会发展遭遇了前所未有的契机与巨大的挑战。1970年以来，世界人口增长近60%，耕地、草地面积相对稳定，基于灌溉、化肥的农业增产，与人口增长相对平衡。与此同时，中国耕地数量历经20世纪80年代缓慢减少和1999~2003年迅速减少两个阶段后，进入基本受控状态。据相关数据统计，21世纪上半叶世界人口将增长70%，而人均耕地、草地面积将会减少；日益增长的人口与持续减少的耕地、草地之间的矛盾依靠先进的农业科学技术可得到缓解，人地关系预计不会到达崩溃的程度。虽然中国对改善目前形势、确保更好的发展有充分的信心，但形势依然严峻。世界银行公布的一份《解决中国的水稀缺》(2009年)的报告中列举中国“每年有约250亿立方米的水因受污染而不能使用，有240亿立方米的地下水被超采，水危机导致的经济损失占GDP的2.3%，不容忽视”(我国水利部公布的地下水超采数据为120亿立方米/年)，由此可见我国保证资源可持续利用的任重道远。

（三）国家当前和近期需要

国家发改委2008年做出的关于《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》实施中期情况的报告中，提出“十一五”后两年难以有效解决的全局性、战略性重大问题：①能源资源利用问题。②生态环境保护问题。③空间开发结构优化问题。④粮食安全保障问题。⑤城镇化健康发展问题。⑥人力资源开发问题等。并要求及早谋划好与之相关的“十二五”时期发展战略。这6个问题同时也是6个前瞻性研究题目，而前5项均与国土资源和国土空间的调控有关。

从长远看，国土资源和空间战略目标将以可持续性、生态化、低碳化、信息化、全球化为依归。

（四）经济与矿产资源全球化、区域化

随着世界经济或结束剧烈震荡进入缓慢复苏期，包括矿产资源全球化在内的经济全球化已成为当今世界不可逆转的发展趋势，各国的市场化改革与经济结构调整此起彼应，各国展开抢占下一轮发展经济制高点的竞争愈益激烈。在2009年全球经济复苏的曙光出现时，“后危机时代”世界经济的新格局正在形成。作为全球经济复苏的“主推手”——中国在世界经济舞台上的角色也在悄然发生变化。APEC作为亚太区域经济合作论坛起着对话和交流的作用，中国-东盟自由贸易区(CAFTA)即将面世，同时与南盟(SAARC)的区域合作开始提上日程，东北亚的中日韩自由贸易区的进程要慢一些，上海合作组织(SCO)则以地区安全为重心，并进一步深化区域经济合作。

（五）国土安全隐患

在经受全球发展冲击而引发资源、环境的国际纠纷不断的同时，我国的国土资源和空间由于历史、自然等原因也面临重大安全隐患。中印边界问题由来已久，印度除侵占我国藏南部分领土并设立所谓“阿鲁纳恰尔邦”外，还觊觎南疆阿克赛钦地区；国外和新疆的“东土耳其斯坦”分裂势力和恐怖组织妄图将新疆从中国分离出去；我国管辖海域近一半与邻国有争议，南海“九段线”虚多实少，主权深受侵蚀；钓鱼岛的主权争议，与那国岛、冲之鸟礁的军事开发问题都对我国东海海疆构成挑战。此外，自然灾害频发、生态环境破坏、资源衰退和骤减、国际金融抢滩我国资源开发等也成为国土资源安全的胁迫因素。

二、起点

（一）我国快速工业化、城镇化

改革开放以来，随着我国工业化的快速发展，城镇化水平也逐年提高。2008年我国的GDP总值达到30万亿元(相当于4.3万亿美元)，成为世界第三大经济体，而人均GDP 仅3266美元，只及世界中等偏下收入水平，国土经济密度以倍数增长；工业化率达48.6%，正处在工业化中期、以传统工业为主的产业结构，遭遇资源“瓶颈”；城镇化率只及45.7%，低于世界平均水平，城市群规划建设开始提上议事日程；市场化程度达60%，已超过市场经济临界水平；国际化程度，我国已全方位对外开放，深度融入全球经济一体化；科技创新能力居发展中国家前列，总的仍处于世界中等水平。据世界经济论坛2009年9月公布《2009~2010全球竞争力报告》，中国(大陆)列全球第29位(比2008年晋级1位)，继续领跑“金砖四国”。作为人口、经济总量“双庞大”、结构复杂、非均衡性突出的发展中大国，中国积极参与国际竞争，如应对得当，有可能继续保持上升势头。

（二）对国土开发程度与资源、环境承载力的不同估计

1.综合评估：总体上尚未超载，西北和北方部分地区超载

据中国21世纪议程管理中心编著的《发展的基础——中国可持续发展的资源、生态基础评价》(2003年)，中国“水资源和水环境的人口承载力在15亿~18亿人之间，但将从南到北大规模转移；而土地对食物的承载能力略有盈余，在未来50年内都不会超出其边界；能源与矿产资源供需失衡的形势将更加严峻，10亿吨燃煤造成的污染已接近环境的承受极限，6种大宗矿产(铁、锰、铬铁矿、铜、铝、钾盐)现已供不应求。”而《中国工业发展报告——资源与环境约束下的中国工业发展》(2005年)认为：“中国经济增长越来越接近于资源和环境条件的约束边界。”《中国至2050年区域科技发展路线图》(2009年)把“资源环境承载力已接近饱和”列为4个基本国情之一。

就人口发展与资源承载能力而言，《国家人口发展战略研究报告》(2008年)指出，中国人口发展总体上没有超越自然资源承载能力，但是局部地区和部分资源已出现资源紧张和供需失衡现象。现有的经济发展规模和人口数量均在水土资源承载力范围之内，但区域之间极不平衡，西北部和北方部分地区超载严重。

2.分区域评估

1)海岸带开发不足。海岸带是连接陆地与海洋的纽带，是开发海洋资源、发展海洋经济的依托。我国拥有1.8万多千米的大陆海岸线，海岸带面积达38万平方千米，约相当于沿海省（区、市）面积的1/4。专家指出，我国沿海诸省（区、市）每1000平方千米陆域的海岸线资源量，基本上与欧洲主要国家和美国处于同一水平上，但开发程度却远比那些经济发达国家为低。

2）沿海地区局部已过度开发。在自然条件较好的东部沿海地区过度开发严重，珠三角9市土地开发强度15.9%，超过了日本三大都市圈，也超过国土面积相当的荷兰；包括安徽在内的环长三角地区，国土面积(约34万~35万平方千米)与德国、日本相当或相近，开发强度(约15%~16%)超过德国(12.8%)、日本(15.0%)。海洋资源过度开发造成开发利用密度高、生态环境退化严重的局面，需要实行绿色保护的海洋政策，解决可持续开发利用问题。(《2010~2020 中国海洋战略研究》，2009)

3.分资源门类评估

由于长期森林过伐、草地过牧、坡地滥垦、矿产乱采，超过限度，使我国的自然资源遭到不同程度的破坏，虽然近年施行了禁止乱砍滥伐、退耕还林、限制矿产开采等措施，我国的资源破坏现象有不同程度好转，总体上仍不乐观。

我国超限开发的典型例子还包括近海水产过度捕捞，年产量峰值可达1400万吨，超限额75%，导致海洋生态系统和水产资源严重退化，产量减少，水产品个体变小。

在水环境方面，水与环境超载，形势严峻。根据水利部2009年发布的最新数据，我国水资源总体上已经过度开发，其中黄河水资源利用率＞60%，海河＞98%，内陆河流域＞40%。过度的开发，不仅威胁或损害河流健康，还使某些主要功能丧失。不少地方水环境开始退化，出现了水质恶化、地下水位下降、河湖干涸、湿地消失的现象，所有这些都是出现水危机的先兆。

4.国土的粗放开发和资源、环境承载力评价

中国当前正经历新一轮重化工业化及与其相克相生的“资源瓶颈”，资源除总量大、人均少外，在国土开发利用中的矛盾也很突出，总的资源开发强度与国土经济密度不对称，开发过程中的粗放、分散、重复、低效、退化等问题(表1)日久年深，有的积重难返。

表1我国国土资源开发利用中的倾向性问题一览表

人口基数大和粗放式强度开发加重了国土的负担，对人口、经济密集区的资源、环境承载力有必要做出科学评价。国家部署主体功能区规划，根据自然条件适宜性开发，控制开发强度，调整空间结构，也以资源环境承载能力为基本依据。关于环境承载力，“十五”后期由清华大学承担的宁波市环境承载力研究，从资源供给能力、环境纳污能力、人类支持能力3个角度来量化环境承载力，建立了评价指标体系。厦门大学对厦门海岸带也做了生态安全压力分析。资源、环境承载力评价的综合度更高，相应的难度也更大。对此，中国地质调查局在汶川地震灾后重建规划工作中有实战性演练，正组织“环渤海湾重点地区环境地质调查及脆弱性评价”项目，将扩及全国海岸带资源、环境承载力调查监测和风险评估，其重要性不言而喻。

5.对国土面貌演变方向的两种预计

基于当前国土资源的利用现状，对未来国土面貌演变方向有以下两种预计。

1)从低收入转为中等收入国家的提升期是包括公共服务在内的现代服务业加速发展期、国土面貌向良性转变期，人均GDP 3000美元是对资源环境的边际压力的转折点。中国发展高层论坛2004年年会的总结讲话指出这一时期的6个基本特点：“消费结构升级，工业化进程加快，城市化速度上升，人口大量转移，国土面貌日新月异，社会财富迅速增加。”其中，“国土面貌日新月异”是良性预期。2005年，我国荒漠化和沙化土地面积实现中华人民共和国成立以来首次“双缩小”，“破坏大于治理”转为“破坏与治理相持”；2008年，电力弹性系数首次小于1(低于GDP增速)，都顺应和促进这样的转变。

2)《新一轮全国国土规划前期研究(中国地域空间、功能及发展)》综合报告(2006年)，“第一章背景——剧烈变化的‘国土’”指出了我国国土开发和建设布局无序及空间失控态势的严重，包括：地域(空间)开发利用严重无序，建设用地过度扩张；许多地区资源环境压力过大，而支撑体系太弱；不少城市盲目攀比，贪大求洋，超前定位；一些快速发展地区环境状况令人担忧；生态退化问题依然严重，由此招致“国土安全和资源保障的危机”。这里所说的“剧烈变化”非“良性”一词所能道破。2009年9月《科技日报》关于“建设低碳城市”的对话栏目中有专家指出：“我们75%的地面水已经被污染，国土变得枯黄”，就是相应的写照。

国土面貌是广域性土地利用/覆被变化(LUCC，全球变化的中枢和核心主题之一)的反映，尤以人口增长胁迫下的LUCC为甚。我们终需这样的系统观测和研究成果为基础给出说明。

三、基点

(一)大国土

1.活动半径

日本前首相田中角荣1972年为中日邦交正常化访华，在与毛泽东主席会谈时曾说：“一个民族的能力水平与活动半径成正比。”其着眼点在于国家的对外开放和国际化程度。

一个国家的国土资源和空间管理及于领土、领空、领海和管辖海域(“准国土”或“国土化海域”)，我们要上天、入地、下海，所要求的技术、工程和管理能力水平也与活动半径相关。

“大国土”指现有国土全方位的内涵深化(包括系统化、整体化、聚合化、空间化)和管理(包括监督管理)到位：在国家层面上加强统筹协调，但不因“大国土”而扩张国土空间；在部门层面上加强内融外联，也不借以扩大职能范围。

2.内涵假设

“大国土”即广义的国土：一是国土资源与国土空间(或地域空间)的统一；二是自然国土与人文国土的统一；三是覆盖陆海、充斥立体空间的“三维国土”；四是统筹国内地球表里诸圈层的“多圈层国土”；五是宏观和中观层面上的“和合国土”。

(1)国土资源与国土空间

国土资源指土地、水、矿产、生物、海洋、大气等实体性资源，它们又占有各自的区位或地域，即空间性国土。而国土资源管理现状，既有重实体资源、轻空间的倾向，如把国土(空间)规划视同“国土资源规划”；也有重空间、轻实体资源的倾向，表现为土地管理的重数量、轻质量，区域地质调查的重陆轻海。

在适当的地形地貌条件下，农业用地的耕作层、建设用地的工程持力层都是实体，农业、建筑业等活动先选址、后丈量，基本程序是由实体到空间；探矿权首先是带有虚拟性的“空间试用权”，而采矿权是资源的用益物权，矿业过程是由空间到实体。由此可见国土资源的实体性和空间性同等重要，不可分割。

中国社会科学院黄皮书《2006年：全球政治与安全报告》认为，国家强弱更多取决于综合国力，其构成中科技力、人才力和信息力各占25%，自然资源和资本各占12.5%。自然资源的权重只占1/8，在当前阶段可能估低了，如果加上国土空间(区位)要素更要考虑提高。

(2)自然国土与人文国土

中国作为人口众多的文明古国，对国土垦殖和开发的历史悠久，但空间上极不均衡。开发强度，是指一个区域建设空间占该区域总面积的比例。作为发展中国家的中国，2008年全国平均开发强度达到3.48%，超出一度预计2010年达到3.23%的强度值很多，特别是东部沿海的一批城市已进入强度开发或超强开发，上海、无锡达到29%~30%，而东莞、深圳高达38%~40%，已臻于极限值，人工生态系统置换了自然生态系统。按照这样的发展速度，2020年全国开发强度达到3.91%的预计值也有可能被突破，国土人工化的趋势难以逆转。资源、资产、资本“三资合一”也是人文超过自然的国土。

另据吴霁虹指出，在全球化背景下的信息社会中，不同于土地、劳动力和资本要素的知识、商业生态网络、组织流程等已成为创新活动的“新生产要素”，实现全球联系和思想交流的商业生态网络正成为新的“虚拟地产”。IBM 2008年的企业价值超过1577亿美元，然而其土地、建筑物、实验室等有形资产只占9.1%，基于空间和时间动态地创造价值的组织流程相当于“创新工厂”。由此可见，“人文国土”的未来发展具有很大的空间。

(3)“三维”国土

科技部2008年推出基础科学研究和前沿技术探索的“三深战略”，包括“深空(宇宙空间)”“深海(公海大洋基底)”“深蓝(信息安全)”三大纵深领域，“三深”没有“深陆”。在国土资源战略的“三维国土”构架中，“深”含“深陆”“深海”，它们同属岩石圈、水圈富于探索价值的人类未知领域；“空”首先是地面以上100~110千米的“领空”或“近空”，其次是外层的“深空”或“公空”(图1)，概称“陆、海、空、深”。2009年9月，我国第一个集数据、软件于一体的三维地理空间信息系统——数字地球(中国)问世。

图1“三维”国土示意图

国土、资源、地质各有其自然演变和随人类社会农业、工业、科技革命的变异过程，并谋求可持续发展——时间维的过去、现在和未来。以46亿年计的地球历史可谓“深时”。这是“三深”向“四深”的发展。

《浙江省信息化测绘体系建设发展战略》（2008年）首次提出了基于“时间维-对象维-方法维”的测绘体系概念模型，是对信息化测绘体系的基本构成与内涵的创新性探索，这也是“国土资源战略研究”吸收地方成果的一个范例。

(4)“多圈层”国土

大国的“陆、海、空、深”是互相影响的“多圈层”国土。1760年英国工业革命以来，世界各国累计开采、消费了3万多亿吨(以标煤计)化石能源，近250年间从地球岩石圈向大气圈释放出数以万亿吨计的CO2(土地利用/覆盖变化也贡献了＞30%的份额)，扰乱了地球各圈层之间的平衡，导致全球气候变暖。同时，还要看到海洋-大气相互作用的重要影响，还有生物圈中土壤碳库(可抵消全球5%~15%的碳排放量)的储碳潜力。就碳排放大国而言，也可以看作“大国土”结构问题。

钱正英在《我国的江河整治问题》(1981年)中曾经建议：“对国土整治进行统一规划，水利建设纳入国土整治的统一规划。”

第33届国际地质大会中国代表团建议探索“外层空间”新领域，测绘瞄着“地-空-天一体化”目标，都是超出地球圈层范围的深空探索。

(5)宏、中观层面的“和合”国土

以城镇化进程中的土地资源管理为例，在城乡分割体制下的土地二元配置和使用，造成城镇和农村“两栖”人口的“双重占地”，导致“两不经济”的结果，加剧了城乡用地和人地关系的紧张局面，必须实行以城乡一体化为目标统筹城乡用地的战略转变。这既有利于人际和谐、人地和谐，也促进城乡融合，以臻于“和合(和谐+聚合)”境界。统筹陆海、区域(行政区、经济区、气候区等)、城乡、“三生(生活、生产、生态)”空间等，都是形成疏密有序的“和合”国土之路。

而国家所提倡的保护耕地的实质是保住耕作层的综合生产能力平衡，节约集约利用土地，以土地总和效益最大化为目标，都寓意于提高多元一体化程度的综合或集合，“和”“合”并用，相辅相成。

3.陆、海、空关系

(1)“滨海之国”与“滨、近海之国”

大国土涉及陆海关系，美国区域规划协会称美国为“滨海之国”，是离海岸线80千米的范围，在这个占国土面积13%的区间集中了美国51%的人口、57%的国民收入。实际上这只限于美国本土，美国又是多海洋国家，除了滨海的阿拉斯加州、夏威夷州，还有5片海外属地(岛域或群岛)，其管辖海域散布在大西洋、太平洋和北冰洋，比上述区域要大得多。就美国本土而言，我们把它看作“半环形的滨海（湖）之国”(东北角是五大湖区)。中国的陆海情况与它迵然不同，总体上是东南向临海的“滨、近海之国”。从大国土着眼，我们在看重沿海省(区、市)的同时还要看到近海省。近海省按区位可分3类：①中部近海省，涵盖中部地区6省；②西部近海省，有贵州、云南；③3个近海边疆省，即吉林(临海最近距离15千米)、黑龙江(临海最近距离＜100千米)和云南(临海最近距离＜500千米)。按此设想，现有沿海省（区、市）加3类近海省（区、市）共有24个，占全部省级单位的77%，这就能让更多的内陆省共享海洋资源，既有利于海洋共同开发和国土均衡，也有利于扩大内需和(海)港-腹(地)一体化，沿海省（区、市）和近海省（区、市）依托地缘关系共筑“和合国土”。

(2)深陆和深海

大国土包含“深陆”，现代科学技术的发展使人类向地壳深部、深海大洋和洋壳的探索成为现实。表2列举了我国实施的部分大陆深钻和超深钻。此外，山东新汶矿业集团的一处矿井深1350米，是亚洲最深矿井；清华大学与四川二滩水电开发公司合作，在锦屏山覆盖层深2500米以下的引水隧洞旁建筑极深地下暗物质探测实验室。

表2 我国实施的大陆深钻、超深钻一览表

海洋正逐步成为人类的第二生存空间、食品生产基地、化石能源和新能源开发基地、新的水资源开发基地、新的医药资源开发基地，又是全球交通和物流通道。美国《面向21世纪海上合作战略》(2007年)认为：在世界所有国家中，美国和中国是海洋利益最大的国家(实际上两者缺乏可比性)。大国土中涵盖的深海指的是水深超过500米的海域，我国把深海资源开发列为超前部署领域，尚处于发展的中级阶段。表3概列出海平面以下的分层化。

表3中所列海平面200米以下的深层水，保持低温、洁净，具有多种功能，在美国、日本、韩国开发利用这类较深的优质海水，已形成产业。

(3)近空和“地空”

城市高层建筑林立。全国大城市中现有5000多座50层以上的高层建筑。上海环球金融中心建成世界第一高楼，在高密度的建成区中出现了不同产权单元在空间上层层叠加的现象，并愈益普遍化。这一层近地空间简称“地空”。表4列出了近空分层的高度以及各层对应的主要功能。

表3 海平面以下分层化表

 

表4近空分层化表

 

我国利用低空(地表以上100米)风能发电居世界第四位，而“高空”(地表以上200米)风能尚未开发，这两层空域均在“地空”范围内。在更高空还有丰富、稳定的风能资源，其开发利用与航空飞行不兼容，待进一步研究。

城市在向空中“长高”的同时还向地下延深。我国有10个城市已使用或正在建设地铁，另有8个城市提出或筹建地铁，到2020年建设城市轨道交通线路将达到2000~3000千米，表明城市“地铁时代”已经来临。

“地空”和地下工程呼唤城市三维地质调查、三维地籍测绘和管理。

4.城市“三维”地质调查和“三维”地籍测绘与管理

地空和地下工程呼唤城市的三维地基调查和三维测绘调查，现在我国有6个城市在试点，上海、北京已经验收。

“上海市三维城市地质调查”项目按“中心城-新城-郊区”3个规划功能区，建立“基岩地质层-第四纪地质层-工程地质层”3个层次的地质结构模型，使三维可视化地质信息系统、地面沉降防治、地下空间与地质环境容量评价、地球化学调查与农用地分等定级相对接，特别是搭建起大型、综合、动态的地理地质信息平台，可望打破多源、异构、多维数据形成的“信息孤岛”互不相通的僵局，实现全市地质信息由分散到集中管理、由平面到三维显示、由单项专业应用到多元服务的转变。另在全市地下工程普查的基础上，从黄浦区着手地下地籍调查，构建“地上地籍图-地下地籍图-地质图”系统，为地下空间管理提供有效支持。

“北京市多参数立体地质调查”项目(2009年通过评审)推出的智能化三维地质信息管理与服务系统，为城市规划、建设和管理提供了全方位的科学依据。

在完成6个城市试点的基础上，将考虑另33个超大城市的“三维”地质调查。

深圳市国土与房产局正启动“三维地籍”的专项研究，这是有关城市“三维”地籍测绘和管理研究，在国内外尚处于探索阶段。而历来以二维宗地为核心、以“四至”为边界的传统地籍，都建立在宗地内产权主体同质化的基础上，而城市土地的立体化利用则以垂直方向上、产权主体的多元化为前提，即地表、地上、地下空间可以分层开发并分属不同权利人，这就形成以六面体或多面体为基本单元的“三元产权体”，在空间形态上表现为复杂的产权簇或产权层，需要有相应的“三维地籍”测绘为支撑的“三维地籍”管理。此外，《物权法》要求实行不动产统一登记制度，而任何不动产都占有一定的空间域，系统的三维地籍研究为在一个统一的技术框架下处理土地和房产的登记问题提供了可能。

上海市地质调查研究院研究地下空间资源管理与权籍调查关键技术，也有初步成果。

从城市空间要素立体化趋势中可引出一种新型的财产权，即空间权，它与建设用地使用权相分离，成为一项独立的物权(参见《民法》第七百七十三条、第八百三十二条），在我国台湾省已建立起比较完整的空间权制度。

住宅产业规划到2020年基本做到“户均一套房、人均一间房、功能配套、设备齐全”。在产业层面，青岛“海尔地产”为节能省地提出“小户大家(小户型、大社区)，和谐住区”的理念。即通过5个空间结构把家庭做大：家居空间紧凑化，环境空间功能化，会馆空间场所化，商业空间生活化，网络空间无域化(建设数字化网络社区，用网络服务来解决物理空间解决不了的问题，使得生活无域化——与“虚拟地产”相联系)。而微观上的空间意识将会有助于模式和设计创新。

(二)大资源

1.内涵假设

“大资源”即广义的自然资源及其组合开发利用。

一是单门类自然资源及其多形态的综合利用，多功能的优选利用(如在农业用地中， 对耕作层既是“土壤水库”又是“土壤碳库”的合理利用)，非常规资源和新资源的递进或接替利用。

二是包括土地、水、矿产、生物、海洋、大气等在内的多门类自然资源及其优化组合和综合管理(如水、土资源综合管理，海洋综合管理)。

三是大资源以土地、能源为根本，我国的耕地和宜居建设用地都是稀缺资源，要在统筹生活、生产、生态空间的前提下节约集约和多元利用土地，新能源比传统能源的范围大大拓宽，要在尽可能清洁利用化石能源的同时研发低碳导向下的替代能源。

四是确立、推进基于生态系统的国土资源管理和海洋综合管理，与经济、社会、生态建设相互交融，并探索资源、资本、资产“三位一体”的复合式管理方式，使资源开发利用的技术链、产业链、价值链层层相扣。

五是融入经济全球化，积极利用包括国际海域在内的境外资源和公共资源。

2.大资源与大能源

中国在2012年将成为世界最大能源消费国。在21世纪上半叶，能源在我国矿产资源中仍居首位。在低碳导向下的大能源发展离不开大资源、大地质的支撑（表5）。

3.单项管理案例

水利部基于我国人多水少、水资源时空分布不均、与生产力布局不相匹配的突出水情和严峻的水资源形势，从2009年开始实行最严格的水资源管理制度。这比实行最严格的土地管理制度晚13年，但所规定的“三道红线”——开发利用“红线”即控制用水总量；水功能区限制纳污“红线”即控制入河排污总量；用水效率控制“红线”即遏制用水浪费——是对水量、水质和水耗的综合调控，体现了水资源和水环境管理的相对统一，起点高于只设“一道红线”的土地管理制度，也可以说把土地管理、利用的两个最严格制度“合二而一”了。

2009年瑞典斯德哥尔摩大学和德国波茨坦气候研究所的科学家量化分析了“蓝水”和“绿水”，其中，“蓝水”是来自河流和地下含水层的水资源，占35%，“绿水”则是源于降水、存储于土壤并通过植被蒸发而消耗掉的水资源，占65%；科学家们根据分析结果提出了应该大力研发绿水资源利用技术，由此可见土壤水作为“大资源”的一个分支兼及“大土地”“大地质”领域，应予以重视。

表5 大能源战略及其资源、地质支持一览表

注：①第33届国际地质大会中国地质代表团得到启示：“非传统能源越来越受到重视，能源多样性是今后出路所在。可再生型能源可能是未来能源的主体。”

4.综合管理案例

中国工程院2007年关于《东北地区有关水土资源配置、生态与环境保护和可持续发展的若干战略问题研究》指出，基于东北是我国水土资源搭配最好的地区，可以建成全国最大的优质商品粮基地，而东北地区过去的垦荒，实际上是占用了林、草、湿地。目前的生态与环境状况，已到了临界状态。因此得出一条基本结论：“东北地区土地利用的总体格局应当是：耕地总量不再增加，林、草、湿地不再减少，城市和工矿用地合理控制”；并指出东北“西部地区的农业发展方向必须是农牧结合，以牧为主；农作物……以雨养农业为主，在缺水地区不宜种植水稻”等，在宏观上都有道理。但一年后，即2008年推出的《吉林省增产百亿斤1斤商品粮能力建设总体规划》中规划投资62亿元引嫩入白、以稻治碱，用5年时间在该省西部新增255万亩基本农田。这反映出国家战略研究与地方战略行动脱节，见仁见智，有待实践检验。

多门类资源的综合管理，如作为复合式资源和空间的海洋综合管理，已成为国际趋势。其核心思想是从分散的行业管理转向跨行业、跨学科和跨部门的、基于生态系统的海洋综合管理。20世纪90年代中期，厦门市率先建立了海洋综合管理体制，成为有关国际组织部署的东亚海洋防污和管理的示范区，但推广不易。国家海洋局受权“综合管理中国海域”已10多年，尚难到位。对此，《2010~2020中国海洋战略研究》第五章中有具体建议。

(三)大地质

1.内涵假设

大地质基于经济、社会与时俱进和地质工作功能最大化，不断扩大服务领域、贯穿于生产和生态建设的全过程。

一是为经济、社会发展打好三个(应用)基础，即资源基础(开源、节流)、环境基础(保护、修复和防灾减灾)和工程基础(岩土工程)，都有旺盛需求，为夯实资源和工程基础服务的地勘、工勘已商业化， 作为环境基础前期工作的“全国土壤现状调查与污染防治大计划”(2006年)正在实施中。

二是大地质工作即大地质产业，它跨三次产业，即为“一产”服务的农业地球化学调查和供水水文地质勘察，融入矿业(现属“二产”)的矿产勘查和融入工程业的工勘作业，隶属“三产”的地质科学研究和信息服务，分别拉长产业链，不自成独立体系，大地质≠大地矿(对1991年提出的“地矿产业”要反思)，按这个产业定位，现行地勘行业管理的覆盖范围还要加宽。

三是基于国家财政支持、走在商业性地质工作的前面的公益性地质工作要做大，其信息供全社会共享，基于市场和地勘基金的商业性地质工作规模更大。

四是地学研究多元化，地球科学正从传统的分散的单学科研究向地球系统科学研究转变，地质科学也要向地球系统科学即“大地学”拓展。

五是适应“矿产资源全球化”的发展趋势，在立足国内的同时，“走出去”开拓境外地质工作，为利用“两个市场、两种资源”不失时机地做好前期服务。

2.大地质与大地学

基于地质科学的大地质和基于地球科学的大地学，其研究对象相同而研究领域不同。大地学的包容面广于大地质，但有交融态势（表6）。

表6 大地学与大地质研究方向的概略比较表

由表6可见，两者的共同点比较多，有向地球系统科学合流趋势，但在学科上仍显示出整体和局部相包含关系的脉络。“大地质”栏中未列举的海洋、陆地地表过程恰是“大国土”关注的热点领域。

3.大地学——科技和信息服务

公益性地质工作以地质图件为窗口面向全社会服务。英国地调局2006年发起的《全球1∶100万数字地质图计划》，产生于矿产资源全球化催生地质调查全球化的背景，旨在推进各国既有地质图数据网络化和国际共享。为保护市民避免遭受地震、海啸、滑坡和火山爆发等地质灾害的威胁，由联合国发起在日本神户通过的《2005~2025兵库行动框架》，有关信息和知识都要及时传输到全社会。

2008年我国地理信息产业已形成测绘服务、遥感服务、地理信息系统、卫星导航4大支柱产业，总产值＞600亿元；2009年增速20%，从业人员达40万人，机构＞1万家；预计到2010年达到800亿~1000亿元，带动相关产业增长5000亿元。目前，全国唯一、初具规模的黑龙江省地理信息产业园2007年在哈尔滨开园，已建起国际地理空间数据加工基地和高新技术企业孵化器，前景看好。《北京空间信息产业调研白皮书》披露，该产业应用领域扩大到数字奥运、政府共享平台、数据库、防灾减灾等方面，国际合作领先于全国。

四、浅释

“三大”之间是有内在联系的，以“四面体”(图2)示意：A代表“大土地”，B代表“大海洋”，它们是“大国土”的两个主要载体，C代表“大资源”，D代表“大地质”作为基础置于底面。

图2“三大”内在联系示意图

（一）“四面体”扫描

“大国土”与“大资源”有交叉重叠，宜各有侧重：“大国土”重在空间，以地表面、海平面为通用界面；“大资源”重在物质和能量，以水土、生物、能源和矿产为载体；“大地质”连同“大测绘”提供科学支撑和信息服务。三者构成一个统一、聚合的“四面体”。我国陆地空间虽大、资源品种虽多，但受结构性矛盾的深度制约，难题不少。

定格国土空间区位的“大土地(A）”和“大海洋(B）”，其中“大土地”“七山二水一分田”，又派生出：A 高原和山地型土地结构(平原少，后备耕地少，开发成本高），A-C中低产型耕地、草地结构(优质耕地、草地少，又是少林国家）和大江河与中小湖泊型的陆地水域结构(淡水少）；“大海洋”“三海两链半纷争”，源于A-B单面陆缘海与陆中海型海洋结构，而中国是世界上拥有邻国最多的国家(共29个，其中15个直接相邻），于本国资源禀赋弊多利少；“大资源(C）”“门类多、总量大、人均少、时空分布不均衡、相互匹配不理想”，又派生出煤基型化石能源结构(高碳、高硫空间）和低品位型非煤大宗矿产结构(富矿少）等。

（二）“三大”的必然性和价值取向

“三大”既是科学理念，又是顺应必然趋势的战略定位(表7)。作为人口过量的资源大国和经济大国，必须从大处着眼，针对国土开发中长期存在的几个倾向性问题(表1)，集中多方面智慧谋划与经济、社会发展相适应的“大格局”(表8)，使“三大”的组合优势得以充分发挥。

表7“三大”的必然性一览表

表8营造国土、资源的“和合”大格局一览表

以上大格局，有的正在形成，有的受体制和机制束缚，施展不开。现行体制、机制问题如表9所列，要有序、分期研究解决。

提出“三大”，旨在落实科学发展观，融合部门职能，加强统筹协调。经济、社会发展对资源环境的需求与时俱进、因人而异(表10)，要瞻前顾后、留有余地。

表9 “三大”的体制、机制问题一览表

表10 人对“三大”的阶梯式需求一览表

资源“瓶颈”有两重性，要以“三大”为杠杆，与经济发展互动，形成供、需“双向制约”，同时，还受生态、社会、政治等“多重制约”(表11)。

表11 供需双向和多向制约一览表

下一步，“三大”的研究领域再向“五维”拓宽，“五维”除时间维、空间维外还包括市场维、环境维、文化维。

（三）推进“三大”的路径选择

对于推进“三大”的路径可从以下几方面着手：

1）把“国家可持续发展国土资源战略研究”项目持久化、常态化，提高研究内容的战略含量，从国家层面加强对重大问题的协调力度。

2）编制部门战略规划，或加强部门发展规划的战略引导，向“三大”提升。

3）有条件地实施部内整合，发挥基础地质调查、测绘、国土信息和经济研究工作对土地、矿产资源和海洋管理的全面支撑作用。

4）基于“智能地球”(中国)，搭建国土资源管理信息化的综合平台，从小到大，分步实现多门类资源的信息交流和共享。

5）加强跨部门协调，在政企分开、所有权与行政权分离的前提下，逐步推进“非全能”、服务型的大部门制。

6）在现行法规基础上适时启动国土资源和空间的综合立法。

（四）几点困惑

1)国土、资源管理和地质工作中积累下来的矛盾比较多，化解矛盾要有一个过程，现在是不是推出“三大”的合适时机?

2)“三大”是从国家层面立意的，眼下设想“三大”的高度还不完全上得去。

3)“三大”的容量放大了，没有现成的抓手，有待于实践中探索。

（该文原载《国土资源战略与构建保障和促进科学发展新机制(2009年度)》、国土资源部信息中心《国际动态与参考》2010年第1期(总第439期)。本文为国土资源管理改革与战略高层论坛上的演讲。演讲于2009年11月19日。郭文华、刘丽、陈静、李政制作图表，王凌云整理。）

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

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）、K_m-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Petrel^TM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（A_cm＝4x_fh）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（X_f）相比，相关储层面积（A_cm）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（A_cm）取代裂缝半长（X_f）。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，t_D,Acm，相关储层面积（A_cm）依据公式1在恒定压力条件下定义。

                           （1）

无因次速率，q_D,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K_m和A_cm的估算值，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K_m和A_cm。K_m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（f_cp）。此次工作中采用的修正因子（f_cp）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t_D(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K_m和A_cm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Y_e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q_pssi-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）	乘	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A_cm（或者X_f）和K_m（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t_D,Acm，q_D,Acm。

3)        线性流部分的数据利用公式（5）作为时间函数计算q_g。

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t_PSS-Linear和Y_e。

6)        确定 。

7)        采用公式（10）通过废弃量（边界控制流）从t_PSS-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@RISK^TM（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@RISK^TM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

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，Petrel^TM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Petrel^TM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K_m-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

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	值
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Petrel^TM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K_m-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K_m-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  K_m-h图：（a）K_m-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K_m-h更低的区域（该区水平井采用恒定的流体压力与（P_wf）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

表8  使用费、税收和折现率

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（k_m）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@RISK^TM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K_m=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@RISK^TM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@RISK^TM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（K_m）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.

由中国地质调查局青岛海洋地质研究所提出的“油藏数值模拟等效井筒半径计算方法（ZL202010118813.6）”日前获得国家发明专利授权。

据了解，由于井筒尺寸与储层尺度的巨大差异，油气藏开采数值模拟中井筒的处理是模拟最关键的部分之一。目前的数值模拟广泛使用结构网格进行离散化，井筒则使用源汇项的处理，其中等效井筒半径的计算至关重要。传统的等效井筒半径计算都是基于结构网格，而基于非结构网格的模拟则缺乏通用的等效井筒半径计算方法。

针对上述问题，本发明采用数值模拟和解析解结合，并使用迭代的方法计算等效井筒半径，可以实现任意的网格和任意的数值离散方法调节下等效井筒半径的计算，从而大大拓展了油藏数值模拟计算能力。

青岛海洋所近年来针对天然气水合物开采数值模拟方法实施持续攻关，成效显著，建立了一套基于非结构网格框架内的水合物多场耦合数值模拟方法，开发了多套具有完全自主知识产权的数值模拟软件，已经获得的国家发明专利有“基于非结构网格有限元法计算水合物沉积物中渗流速度场的方法”等，为水合物开采产能和地层稳定性的分析预测提供了新的方法和工具。 

 

中国地质调查局郑州矿产综合利用研究所在花岗岩固废资源综合利用等方面持续攻关，取得多项发明专利。近日，《一种花岗岩细粒石粉全粒级除杂制备超细高白微粉的方法》（专利号ZL 201910979893.1）、《一种花岗岩石材废石制备陶瓷原料的方法》（专利号ZL 201910978877.0）、《一种花岗岩石材锯泥石粉制备陶瓷原料的方法》（专利号ZL 201910532022.5）等3项发明专利获得授权。

我国现有花岗岩开采及加工产业聚集基地20余处，年增固废超1.5亿吨，受运输半径限制，主要以集中堆存、填埋为主，造成资源浪费、土地占压、环境污染等问题。郑州综合利用所发挥国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心技术、人才和品牌优势，依托“华东地区脉石英晶质石墨等重要非金属矿综合利用评价”地质调查项目，形成花岗岩资源非金属矿物分离、除杂提纯、功能材料制备等综合利用技术，并完成年处理30万吨规模花岗岩固废制备陶瓷原料工业试验，实现花岗岩固废规模化消纳、无害化处理、资源化利用。研究所充分发挥专利技术优势，与驻马店市人民政府共建非金属矿高效利用产学研用合作基地，构建“矿山开采—天然石材—边角废料—非金属矿加工—废浆废渣再利用—陶瓷原料—建筑卫生陶瓷建材—功能材料等”的循环产业链，促进了驻马店市非金属矿资源优势转化为经济优势。

以上3项“花岗岩资源综合利用技术”均采用无污染物理技术，绿色环保、经济高效，可在山东平邑、五莲、莱州；河南泌阳、南召；湖北麻城、随州、通山、咸丰、罗田；广西贺州、岑溪；新疆奇台、和硕、焉耆、哈密、博乐、托里；吉林蛟河；内蒙古镶黄旗、合林格尔等花岗岩资源基地推广应用。此外，该技术还适用于花岗岩型钽铌、锡铜、钨钼、锂铷铯等多金属矿废石及尾矿综合利用。

近日，荷兰爱思唯尔出版集团主办的能源科学领域期刊《Applied Energy》在线发表了我国天然气水合物试采团队关于海域天然气水合物首次试采的研究成果《The response of temperature and pressure of hydrate reservoirs in the first gas hydrate production test in South China Sea》（中国南海天然气水合物首次试采储层温压响应特性）。

天然气水合物开采过程中，储层内部温度、孔隙压力对分析水合物分解区域、分解状态等至关重要，也是评估持续产气量、二次水合物形成以及储层稳定性的重要参数。2017年我国海域天然气水合物首次试采后，广州海洋地质调查局试采团队利用TOUGH+HYDRATE软件，对试采过程和结果数据进行了深度分析，结合2018年和2019年新获取的水合物试采矿体赋存地质特征及三维地质模型，建立精细的物理模型，模拟低渗水合物储层竖井降压开采储层温度和孔隙压力响应规律、储层温度和孔隙压力影响半径及长期开采过程二次水合物的有利形成区域。形成如下新认识：

一、初步明确了首次试采水合物分解气、自由气及溶解气对产气量的贡献。模拟结果表明，试采60天时，总产气量为30.9万立方米，与试采结果一致，产气量变化趋势与试采结果基本吻合（图1），其中水合物分解产气量约为26.2万立方米，占总产气量的85%，其它相态的甲烷（如溶解态和自由态甲烷）对产气量的贡献约为15%（图2a）。

 

图1 试采产气量与模拟研究结果对比分析

二、初步明确了首次试采水合物分解半径和储层温压影响范围。模拟结果表明，首次试采过程水合物开采半径约为5m，压力传递半径可达50m（0.1MPa）（图2b），温度变化半径超过24m（0.1℃）（图2c）三、探讨了长期开采过程中二次水合物生成产生的影响。模拟结果表明，二次水合物主要形成于长期开采过程的分解前缘处，开采前期储层近井区域温压条件不利于二次水合物形成，但分解前缘局部区域存在形成二次水合物的可能（图2d）。

图2 水合物试采/开采过程水合物分解对总产气量贡献（a）、试采期间储层压力（b）和温度变化规律（c）以及二次水合物形成条件分析（d）

该研究成果深化了对水合物开采过程储层温压传递及分布规律的认识，为天然气水合物勘探开发提供有利指导，但低渗水合物储层的传热传质规律复杂，还需进行更深入地研究。论文第一作者为秦绪文博士，通讯作者为梁前勇博士和杨林博士，合作作者为叶建良、邱海峻、谢文卫、梁金强、陆敬安、陆程、卢海龙、马宝金、匡增桂、陆红峰、尉建功和寇贝贝。该项研究由国家自然科学基金、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）等共同资助。《Applied Energy》是JCR期刊Q1区，中科院SCI期刊分区为工程技术-能源与燃料1区，影响因子为8.848，CiteScore为16.4，论文相关信息如下：Qin Xuwen, Liang Qianyong*, Ye Jianliang, Yang Lin*, Qiu Haijun, Xie Wenwei, Liang Jinqiang, Lu Jin’an, Lu Cheng, Lu Hailong, Ma Baojin, Kuang Zenggui, Lu Hongfeng, Wei Jiangong and Kou Beibei. The response of temperature and pressure of hydrate reservoirs in the first gas hydrate production test in South China Sea. 2020. 278, 115649.