能源地质学Word文档格式.docx
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(1)世界能源资源仍比较丰富,但能源贸易及运输压力增大
根据《2004年BP世界能源统计》,截止到2003年底,全世界剩余石油探明可采储量为1565.8亿吨,2003年世界石油产量为36.97亿吨,比上年度增加3.8%。
通过对比各地区石油产量与消费量(见表1-2)。
表1-22003年世界石油剩余探明储量、产量及消费量表(单位:
亿吨)
类别
中东
北美洲
中南美洲
欧洲
非洲
亚太
探明储量
991.2
86.7
139.4
144.4
138.9
65.0
1565.8
比例(%)
63.3
5.5
8.9
9.2
4.2
100
石油产量
10.9
6.7
3.4
8.2
4.0
3.8
37.0
29.6
18.2
22.1
10.8
10.2
石油消费
2.1
2.2
9.4
1.2
10.5
35.3
5.9
30.1
6.0
25.9
3.3
28.8
产销差
8.8
-4.2
-1.2
2.8
-6.7
1.7
资料来源:
EPStatisticalReviewofWorldEnergy,June2004
煤炭资源的分布存在巨大的不均衡性。
截止2003年底,世界煤炭剩余可采储量为9844.5亿吨,储采比高达192(年),欧洲、北美和亚太三个地区是世界煤炭主要分布地区,三个地区合计占世界总量的92%左右。
同期,天然气剩余可采储量为175.78万亿立方米,储采比达到67。
中东和欧洲是世界天然气资源最丰富的地区,两个地区占世界总量的75.5%,而其他地区的份额仅分别为5%-8%。
随着世界一些地区能源资源的相对枯竭,世界各地区及国家之间的能源贸易量将进一步增大,能源运输需求也相应增大,能源储运设施及能源供应安全等问题将日益受到重视。
(2)受经济发展和人口增长的影响,世界一次能源消费量不断增加
随着世界经济规模的不断增大世界能源消费量持续增长。
1990年世界国内生产总值为26.5万亿美元(按1995年不变价格计算),2000年达到34.3万亿美元,年均增长2.7%。
(见表1-3)。
表1-3过去30年世界能源消费变化趋势
地区
1973
1983
1993
2003
消费量
占世界比例(%)
北美
20.1
35.1
19.9
29.7
24.1
29.3
27.3
28.0
17.8
3.1
25.6
3.5
4.3
4.7
4.8
欧洲
24.5
42.8
28.4
42.6
29.1
35.5
29.9
中东
0.9
1.6
2.6
2.9
3.6
4.4
非洲
1.8
2.7
2.3
3.0
亚太
9.1
15.9
12.4
18.6
14.5
世界
57.3
100.0
66.8
82.1
97.4
OECD
39.0
68.0
39.3
58.8
47.5
57.8
54.0
55.4
(3)世界能源消费呈现不同的增长模式,发达国家增长速率明显低于发展中国家
过去30年,北美、中南美洲、欧洲、中东、非洲及亚太等六大地区的能源消费总量均有所增加,但是经济、科技与社会比较发达的北美洲和欧洲两大地区的增长速度非常缓慢,其消费量占世界总消费量的比例也逐年下降。
其主要原因,一是发达国家的经济发展已进入到后工业化阶段,经济向低能耗、高产出的产业结构发展,高能耗的制造业逐步转向发展中国家;
二是发达国家高度重视节能与提高能源使用效率。
(4)世界能源消费结构趋向优质化,但地区差异仍然很大
自19世纪70年代的产业革命以来,化石燃料的消费量急剧增长。
初期主要是以煤炭为主,进入20世纪以后,特别是第二次世界大战以来,石油和天然气的生产与消费持续上升,石油于20世纪60年代首次超过煤炭,跃居一次能源的主导地位。
虽然20世纪70年代世界经历了两次石油危机,但世界石油消费量却没有丝毫减少的趋势。
此后,石油、煤炭所占比例缓慢下降,天然气的比例上升。
同时,核能、风能、水力、地热等其他形式的新能源逐渐被开发和利用,形成了目前以化石燃料为主和可再生能源、新能源并存的能源结构格局。
到2003年底,化石能源仍是世界的主要能源,在世界一次能源供应中约占87.7%,其中,石油占37.3%、煤炭占26.5%、天然气占23.9%。
非化石能源和可再生能源虽然增长很快,但仍保持较低的比例,约为12.3%(见表1-4)。
表1-42003年世界能源消费结构(单位:
%)
石油
天然气
煤炭
核能
水电
40.1
25.2
22.5
7.4
4.9
46.5
21.2
1.0
27.5
32.3
33.5
18.4
9.8
50.4
47.0
2.0
0.0
0.7
北非
40.2
32.4
6.3
36.1
10.7
44.9
37.3
23.9
26.5
6.2
6.1
中国
22.9
68.3
0.8
中国数据来自国家统计局;
其他数据来自EPStatisticalReviewofWorldEnergy,June2004
但是随着经济发展和人口增长对能源需求的不断增加,化石能源大规模的开采与消耗己导致能源的资源基础在逐渐削弱和退化,并在化石能源开采和利用过程中造成了严重的环境污染与生态破坏。
如何以最低的环境代价确保化石能源安全、有效地可持续利用,己成为人类社会在经济发展过程中所而临的重大课题。
1.2中国化石能源现状
目前,我国是世界第二大能源消费国和第三大能源生产国,但我国也是能源特别是石油严重紧缺的国家。
能源工业的发展有力地保证和促进了国民经济的快速增长,在我国可持续发展战略中起着越来越重要的地位。
但与此同时,诸如能源供应总量不足、石油供应紧缺、环境污染严重、能源利用效率低下等长期存在的根本问题依然存在,亟待解决。
(1)能源储量丰富,以煤为主
我国常规能源煤炭、石油、天然气及水电储量相当丰富。
表1-5列出我国一次能源的探明储量和居世界的位次。
表1-5中国一次能源的探明储量和居世界的位次
能源
探明储量
世界位次
1500Gt
3
7.0Gt
6
33300Gm3
16
水电
0.68GkWh
1
现已探明,我国煤炭占能源资源总储量的98%以上,而石油和天然气所占比例很小,不到2%,这是我国能源储量构成的最大特点。
我国能源储量构成以煤为主,从根本上决定了我国能源生产和能源消费以煤为主的基本格局,奠定了我国能源自给政策的基础。
(2)能源分布不均
我国能源分布广泛,但能源种类及储量极不均衡,差异很大,表1-6列出我国能源资源区分布及其构成。
由(表1-6)可见,华北、西南及地区是我国煤炭、水力、石油和天然气储量丰区域,人均能源丰度较高,东北地区石油及天的储量也占有重要的地位。
我国煤炭资源分布广泛,但分布极不均衡。
现有储量中,80.2%集中在华北和西北,而且以燃料煤为主,其中山西、内蒙古和陕西分别占28.2%、23.0%和18%;
加上贵州、新疆、宁夏和安徽这四个省、三个自治区的储量占全国的85.2%。
东北和中南分别只占3.1%和3.7%,华东也只占6.5%。
如果以京广铁路为东西分界线,东边储量占15%,西边储量占85%。
若以秦岭—大别山划分南北,北部储量占94%,南部仅占6%。
表1-6我国能源资源的地区分布及构成
能源资源占全国的比重(%)
能源资源构成(%)
能源合计
水力
石油、天然气
石油、天然气、油页岩
能源
丰度
(tce/人)
华北
43.9
64.0
14.4
98.2
1.3
0.5
2680
东北
48.3
54.6
14.2
31.2
293
华东
6.5
72.9
4.6
141
中南
5.6
3.7
9.5
2.5
44.5
51.8
142
西南
28.6
70.0
74.7
0.1
1218
西北
12.1
12.0
12.5
14.0
66.7
31.3
1216
(3)煤炭储量可观,品质不高
我国煤炭品种齐全,从褐煤到无烟煤都有,其中以烟煤为主,占全国煤炭储量的70%以上,无烟煤占16%,褐煤只占14%。
在烟煤中以动力煤(燃料煤)储量为最多,占其总储量的一半以上,主要分布在华北地区。
炼焦煤主要分布在山西、黑龙江东部、河南、江苏、山东、安徽及贵州省西部地区;
无烟煤主要分布在山西和贵州两省;
褐煤主要分布在内蒙古及云南、江西等省。
我国煤炭储量虽然数量可观,但煤炭资源质量参差不齐,总体上煤炭品质不高。
在我国煤炭总储量中,含硫量低于1%的优质煤占17%,含硫量大于3%的高硫煤占25%,而含硫量为1%-3%的中硫煤占58%。
总之,我国煤炭资源中含硫量高于2%的煤多。
燃烧高灰份、高硫煤,是造成我国煤烟型大气严重污染的根本原因。
(4)我国化石能源消费
2003年我国的化石能源消费构成如(表1-7)。
我国目前化石能源消费仍以煤炭为主,占化石能源总消费的72.4%,其次为石油,占总消费的24.9%,天然气仅占我国化石能源总消费量的2.7%煤炭:
石油:
天然气=27.1:
9.3:
1,即在我国化石能源消费结构组成中,若将总消费量分为37份,则煤炭消费占27份,石油消费占9份,天然气消费仅占1份。
表1-72003年我国化石能源消费结构
化石
煤炭(百万吨油当量)
石油(百万吨油当量)
天然气(百万吨油当量)
总计(百万吨油当量)
数量
799.7
275.2
29.5
1104.4
比例%
72.4
24.9
图2我国化石能源中煤炭、石油和天然气消费比例随年份的变化(何金祥,2004)
图2是我国化石能源消费结构随年份变化情况。
由图可见,自1993年以来,尽管我国的化石能源消费结构有一定变化,但从未发生根本性改变。
煤炭消费比例变化在64-79%之间,石油消费比例变化在19--32%之间,天然气消费所占比例变化在1.9-3.5%之间。
煤炭、石油、天然气值,自本文计算的1993年以来,尽管有若干变化,但大体维持在18-42:
9-10:
1范围,可以认为变化并不十分明显。
2.化石能源研究技术综述
2.1在化石能源勘探方面
在化石能源勘探方面,板块构造理论的提出、层序地层学的诞生和盆地分析理论的建立等无疑是对能源勘探注入了新的活力和希望。
以层序地层学为例:
层序地层学是根据露头、钻井、测井和地震资料,结合有关沉积环境和岩相古地理解释,对地层层序格架进行地质综合解释的地层学分支学科。
它是划分对比和分析沉积岩的一种新方法。
当它与生物地层学及构造沉降分析相结合时,便提供了一种更为精确的以不整合面或与之可对比的整合面为边界的地质时代对比、岩相古地理再造和钻前预测生储盖地层的方法。
从本质上讲,层序地层学分析提供了被称为层序和体系域成因地层单元的年代地层格架。
这些层序和体系域的几何形态及地层叠置样式是由海平面相对变化造成的,它们与特定的沉积体系和油气产出具有密切的联系。
对于油气勘探来说,层序地层学具有良好的理论和实际预测作用。
从理论上讲,通过对海(湖)平面相对变化的研究,可以预测尚未钻探地层的年代,预测某些体系域的地层叠置样式相分布范围,科学地推测盆地沉积充填历史和地质发展史。
从实际情况来看,通过体系域和沉积岩相分布规律以及高分辨串地震勘探研究,可以预测形成油气藏及其它沉积矿产的有利地区,预测钻前油藏类型和油层产量和己开发油田的扩边和开发效率。
2.2在化石能源利用方面
2.2.1煤变油研究技术
“煤变油”在科学上称为煤炭的液化,是以煤炭为原料制取汽油、柴油、液化石油气的技术。
在“煤变油”技术研究方面中国走在世界的前列。
“煤变油”技术无论是在节约能源和减少环境污染等方面,还是在缓解关系世界能源安全的石油短缺问题方面都应是当今世界的能源研究的热点和焦点。
煤炭液化技术源于二战前的德国,该技术分为直接液化和间接液化两大类。
直接液化是先把煤磨成粉再和自生产的液化重油配成煤浆,在4500C的高温和高压下,直接加氢,将煤转化成汽油、柴油的石油产品;
间接液化是先把煤全部气化为合成气CO和H2O,再以合成气为燃料合成液体燃料,这在石油化工中都是较为成熟的技术,易实现工业生产。
我国煤炭资源十分丰富,占我国能源资源储量中的84%以上,而我国的石油短缺,这就为我国的“煤变油”项目提供了一个广阔的空间,从一定程度上也为我国经济的高速发展提供了能源保障。
2.2.2洁净煤研究技术
洁净煤技术是指在煤炭开发、加工、利用全过程中旨在提高煤炭利用效率,减少环境污染的一系列新技术的总称,洁净煤的发展和利用将能源节约、环境保护和技术创新密切配合,形成一完整的协调发展的概念。
洁净煤技术包括两大方面的内容:
煤的洁净开采和煤的洁净利用技术。
其中煤的洁净开采主要分为煤炭的地下气化、煤炭的地下液化和煤层甲烷的开发利用技术三大方面;
煤的洁净利用技术包含加工、燃烧和净化等几方面。
洁净煤技术包括以下四个领域:
煤炭燃烧前的处理和净化技术、煤炭燃烧中的净化技术、煤炭燃烧后的净化技术和煤的转化技术。
2.2.2.1煤炭燃烧前的处理和净化技术
(1)洗选处理
洗煤和选煤即通过洗选除去或减少原煤中所含的灰分、矸石、硫等杂质,并按不同煤种、灰分、热值和粒度分成不同等级,以满足不同用户需要的方法。
主要选煤方法有重介质选煤、跳汰选煤、浮选。
(2)型煤加工
型煤加工即用机械方法将粉煤和低品味煤制成具有一定粒度和形状的煤制品,减少烟尘的排放量,高硫煤成型时可以加入适量的固硫剂或催化剂,以减少二氧化硫的排放。
(3)水煤浆技术
水煤浆技术是20世纪70年代兴起的一种以煤代油新燃料,由灰分很低而挥发分高的煤约70%、添加剂约1%和水组成,可以像油一样泵送、雾化、储存和着火点燃,其热值约为燃料油的一半,而成本不及石油价格的1/3,进一步降低制浆成本和售价是发展水煤浆的关键。
2.2.2.2煤炭燃烧中的净化
(1)硫氧化物的去除主要是用硫氧化物与碱性氧化物氧化钙、氧化镁等反应而生成硫酸钙、硫酸镁等进行,因而在煤燃烧过程中最经济的脱硫方法,就是用石灰石作脱硫剂,将其破碎到合适的颗粒度喷入炉内,碳酸钙在高温下氧化生成氧化钙和二氧化碳,氧化钙在氧化性气氛中遇到二氧化硫而发生脱硫反应,我国含硫量大于2%的高硫煤的储量约占煤炭总储量的20%,可见高硫煤多,研究除硫意义重大。
(2)氮氧化物的去除方法很多,具体可以分类为:
改变燃烧条件、炉膛喷射脱硝、烟气脱硝三种,具体地抑制氮氧化物的生成和创造条件,尽可能地让氮氧化物破坏或还原。
2.2.2.3煤炭燃烧后的除尘技术
(1)燃煤电厂的锅炉烟气除尘以电除尘为主,电除尘技术水平不断提高,袋式除尘器得到应用并不断完善。
(2)工业锅炉是主要的大气污染源,其除尘原理是利用各种不同的作用力如重力、离心力、惯性力、扩散附着力、静电力等令烟尘从烟气中分离出来,具体分为机械力除尘器、湿式除尘器、过虑式除尘器、电除尘器四大类。
2.2.2.4煤的转化技术
煤炭气化技术已相当成熟,目前用于工业生产的主要有三种:
以块煤为燃料的加压鲁齐固定床气化法、以粉煤为燃料的温克乐流化床气化法、以水煤浆为燃料的德士古气流床气化法。
煤的气化在我国深受重视,这种工艺一般在800oC以上高温条件下,在气化剂的作用下将煤转化成可燃性气体,后用分离工艺除去有害气体,从而得到燃料煤气的方法。
2.2.3煤层气研究技术
煤层气地质作为一个崭新的研究领域,在我国沁水盆地、鄂尔多斯盆地等地取得采气试验的突破。
这些突破给我国煤层气基础研究创造了较好的条件,在一些方面取得创新性的成果,基本代表了我国煤层气研究的最新进展。
2.2.3.1煤层气成藏动力学研究技术
(1)煤层气成因类型及其判识
与常规天然气成因研究一样,煤层气成因的研究往往建立在地球化学方法对气体来源的判识基础上。
煤层气起源于两个成因,即生物成因和热成因,生物成因煤层气又可分为泥炭至软褐煤阶段的原生生物成因气和在烟煤中形成的次生生物成因气。
然而,部分地区煤层气碳稳定同位素组成的显示出不同成因煤层气的叠合。
王彦龙等、张小军等通过煤层气组分、碳同位素及氢同位素的研究,对我国山西沁水盆地、云南洪恩地区和淮南新集的煤层气成因进行了厘定,其中首次系统大量的氢同位素的分析为煤层气成因类型的确定提供了充分的依据,并建立了相应的地球化学判识指标。
(2)煤储层特征及储层评价
煤储层特性包括裂隙—孔隙特性、吸附性、含气性、渗透性、煤储层压力等,是煤层气地质研究的一个重要方向。
传统的对煤储层的认识建立在以干燥煤样为基准的基础之上,提出了煤的兰氏体积“三段式”的演化模式,我国研究者通过煤在平衡条件下的吸附特性及其演化规律的研究,发现了“两段式”演化模式。
煤储层特性研究的另一个方面是煤储层裂隙—孔隙系统的非线性特征及其分维描述。
国内外一直将煤储层看成是由孔隙、裂隙组成的“双重孔隙”结构系统,某些研究者也曾尝试采用分形理论和方法对其进行描述。
傅雪海提出了煤储层是由宏观裂隙、显微裂隙、孔隙共同组成的三元裂隙—孔隙介质,并建立起煤储层三元裂隙—孔隙系统的分形数学模型和分类方案。
(3)煤层气形成动力场研究
构造从宏观上控制了煤盆地形成和演化的大地构造背景,从盆地的角度看,构造应力场特征和内部应力分布不均一是导致煤储层和封盖层的产状、结构、物性、裂隙发育状况及地下水径流条件差异性的重要原因,进而影响到煤储层的含气性和可采性。
在热动力学条件控制下的生气特征研究方面,认识到控制我国东部晚古生代煤层气富集的古热场具有“多期多热源叠加”的特征,结合特定地区煤化作用和生气特征,将热动力条件与煤层气生成保存条件之间的关系分为不同的类型。
相对于煤层气地质研究的其它方向,我国在煤层气成藏的水动力条件方面前期研究较为薄弱,但近年来在水文地质条件区域控气作用、控藏作用、数值模拟、评价理论等方面都取得显著进展。
水化学场对煤层气成藏过程的影响近年来受到重视,秦勇等通过物理模拟并结合对钻孔抽水试验、煤层气试井等资料,提出甲烷溶解度随压力增加而呈对数形式增大;
甲烷溶解度随矿化度的增加而呈指数形式降低,矿化度增高,不同埋藏深度(压力)条件下煤层水的甲烷溶解度趋同。
煤层气成藏动力场的研究工作,过去主要强调了单因素的作用以及规律的总结,控气机理及不同因素的耦合研究较少,秦勇等通过对我国沁水盆地的研究,提出了耦合构造应力场、构造变形特征、煤储层镜质组光性组构特征来研究煤层气成藏构造动力条件的新思路;
通过模拟实验研究,针对煤储层天然裂隙开合程度的变化,提出煤基块弹性自调节综合效应,并且发现,在煤级恒定的情况下,煤储层孔隙、裂隙流体压力增大,综合效应呈逐渐降低的趋势;
在流体压力恒定的条件下,煤级增高,煤基块弹性自调节综合效应逐渐降低,并利用综合效应对沁水盆地煤层气成藏动力学条件有利地区进行了预测。
(4)煤层气成藏过程分析
煤层气藏在储集机理、成藏过程、气藏边界、流体状态等方面不同于常规气藏,煤层气成藏过程、成藏模式等方面的研究一直是我国很多研究者关心的煤层气研究领域之一。
鉴于煤层气藏的非常规性,许多学者在煤层气地质研究中也试图对煤层气藏赋予了一定涵义和定义,但普遍认为煤层气藏不仅难以给出确切的定义,而且在地质空间上也难以界定,所以煤层气藏的定义及边界的研究一直是煤层气藏研究中悬而未决的问题。
煤层气藏的封闭条件可以分为水压和气压封闭两种类型,以此为基础,很多研究者结合赋气构造特征划分出不同的气藏类型,但目前为止煤层气藏类型划分还没有一个统一的方案,而且对于煤层气藏的成藏过程的研究往往侧重于地球化学方法,综合分析较少。
(5)吸附和解吸机理研究
在吸附作用研究中,20世纪90年代以后由于勘探开发的需要,N2、CO2等其它气体以及不同组分的混合气体的吸附作用越来越受到重视,研究表明,煤储层对气体的吸附具有以下规律:
随煤级增加,煤对各种气体吸附能力增大;
任一种煤,对不同单组分气体的吸附能力都有显著差异:
总体表现是CO2>
CH4>
N2。
针对较高的温度和压力条件及多组分的吸附、地层水对煤层气吸附作用的影响研究较少,崔永君等通过模拟实验取得了较大的进展:
对CH4+N2、CH4+CO2混合气的吸附试验表明,不同煤对相同混合气体的吸附特征有很大差异,同一煤样对不同混合气体的吸附特征也不同。
总吸附量介于强吸附质和弱吸
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