金之钧院士:中国将来的油气勘探,低成本技术是关键

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  出品 | 网易新闻

  采写 | 史文慧

  日常生活中,我们的衣食住行方方面面都离不开能源,而石油和天然气又是我们经常会用到的能源,不知你是否曾好奇,油气资源都是怎么开采出来的?中国明明油气资源丰富,为什么却还在大量进口?近些年大热的页岩油气的开发,中国面临哪些挑战?带着这些问题,网易新闻《了不起的中国制造栏目》采访了中国科学院院士、页岩油气国家重点实验室主任金之钧。

  

  (一)油气勘探是个大的系统工程,中国总体处于第一方队

  网易新闻:科学家是如何勘探油气资源的?

  金之钧:这是个好的问题,说起来也比较长,但是我想尽量用最简洁的语言让大家能够了解这一切。

  要从地下寻找油气,最关键的是要回答油气在什么地方聚集,这是我们首要要回答的问题。

  要回答清楚这个问题,必须要了解地下深部的地层的结构、有什么样的岩层存在。比如说能够生成油气的烃源岩、能够储集油气的储层、能够保护油气的盖层,这三个要素是缺一不可的。再加上一些使油气聚集的基本的地质作用过程,有了这样的基本条件,油气才可以在地下聚集起来。

  但是油气又是活动的流体,构造运动来了,断裂来了,它就会跑掉,这是它区别于金属矿或者煤矿等固体矿藏的一个根本所在,所以从这个意义上讲,它更加复杂,需要的技术更高。

  在知道了油气在哪个地方(之后),我们就要确定井位,就是要打钻。我们有一句行话叫做“钻头不到,油气不冒”,要把地下的油气采出来,必须用钻机把岩石打穿或者打透,打到能够发现油气的层位,(然后)油气利用自身的地层能量(才)能够冒出来、自然喷出来。也可以采取特殊的技术,人工的举升,把油气采出来。

  所以整个过程可以总结出油气的勘探实际上是个大的系统工程,是一个千军万马作战的系统协同作战的行业。

  简单来讲,这个系统工程有两条腿,这两条腿就是我们的两大工程,一个是钻井工程,一个是地球物理工程;它也有一个大脑,这个大脑就是综合地质研究,及其决策部署系统;还有两只手,一手要抓发现、抓储量,有油气出来,另一只手就是抓基本的地质认识,要研究这种地下的结构,研究油气的分布规律。这是两个成果,一只手抓一个成果,两条腿支撑着我们石油工业,就是钻井工程技术和地球物理工程技术。

  我这个比方不一定完全对,但是有一定的道理,为了让大家能听懂,画了人体像来做这样的一个比喻。

  网易新闻:在油气勘探开发这个系统里,有没有什么技术是不可或缺的?

  金之钧:钻井技术是必不可少的。钻井技术最主要的是有驱动,有钻头在地下通过旋转来磨损岩石,往地下打。有一句话说登天难,我们现在的行话是,入地也难,入地比登天还难。现在探索太空已经到火星了,但是我们地下的钻,最深的钻才打到一万三千多米,取岩心的钻打到一万两千多米。咱们中国最深的钻是8418米,在四川刚刚完钻,塔里木的最深井是8408米,比太空的那个距离,那是远远不够的。

  什么原因?

  我刚才已经讲到了,要从事油气的勘探开发,必须要了解石油在哪里,在哪里聚集、在哪里富集,这样必须有地球物理、化学和地质学的几大学科的支撑,实际上也离不开数学。我们要有一些模拟,要有一些计算。

  当知道油气在哪里之后,我们就要确定这个井位在哪里打,通过打井使地下的油气能够释放出来。而钻井也是一个系统工程,它现在确实是我们这个行业的一种高科技。

  垂直打的井,世界上可以打到一万三千米深,更重要的一个技术,是打到一定深度以后,找到油气的储层,沿着这个储层打水平井,这个在世界上最先进的也可以打到七八千米,甚至上万米,就是在一个水平层段上,垂直打下去,拐个弯,这个技术是非常高的,中间的拐弯控制的核心技术叫旋转导向。

  我们现在的技术就是几米厚的油层,我们要控制这个钻头不歪,沿着这样几米厚的油层打几千米,打完了之后还要多段地压裂,这样一些低丰度的油气才能出来,经过这样的一个钻井技术,把地下的油气释放出来,采出来,供人类社会所使用。

  网易新闻:中国的石油勘探开发能力在世界上是什么样的水平?

  金之钧:现在我们的钻井技术总体来讲属于世界的第一方队。

  但是你说有没有差距?有。刚才我提到的钻井技术当中最核心的旋转导向(技术),就是能够把钻头拐个弯拐过来,同时还得保证在岩层当中不打偏,相当于那个导弹的制导技术,我们和先进的世界一流的公司还有一定的差距,但是现在正在攻关。这个就是我们这个行业的所谓的卡脖子技术,我们还有差距。

  在水平钻井段,我们国内的一个钻头,钻井的水平距离差不多在1500米左右,可以一个钻头完成1500米的钻井,国际上最先进的技术,一个钻头可以打5000米,这样成本就下来了,竞争力就上来了,有一些本来不能开采的油气就变得可开采了,不是资源的就可以成为资源了。

  所以,未来的科技,一个很大的特点是低成本战略,就是发展低成本的技术,我刚才讲的旋转导向,和一个钻在水平段打5000米这样的技术,可以把它叫做低成本技术。

  关于理论这一块,可以说我们不但是进入第一方队,我们应该是先进的。

  这主要取决于中国大地构造背景不一样,我们整个中国是处在三大板块汇聚的一个交合部位,南部的有印度板块,北部的有西伯利亚板块,东部的有太平洋板块。三个板块一起汇集,在不同的时间,把中国这个大陆挤在中间。所以我们的构造在世界范围来讲几乎是最复杂的、多期构造。这造成了油气的多期次成藏,油气的分布规律比其他的地区要更复杂一些。所以从研究油气分布规律来讲,这种多期叠加、多期成藏的盆地是最复杂的。

  在这种盆地里面寻找油气,需要更高的理论和技术水平,在这方面我们中国的科学家不输于国外,我们在第一方队,还处在领先的行列。

  另外在国外,海相被认为是油气的有利勘探地区,而中国面对的主要盆地是中新生代,主要是陆相,所以我们国内首先在世界上出现了陆相生油理论,为世界石油地质是做了贡献的。

  (二)中国页岩油气开发面临巨大挑战,低成本技术是关键

  网易新闻:中国现在的油气以进口为主,是因为自己开采本身比较少,还是需求比较大造成的?

  金之钧:这应该说还是由中国的能源结构的一些特殊性所带来的问题。

  中国应该说是个产油产气的大国,我们的石油的产量很长一段时间是占据世界第五、第六位,天然气的产量我记不太清了,大概也应该进入了前十位。我们是产油产气的大国,也是有着丰富油气资源的国家,但是和我们的人口相比,和我们目前高速经济发展对油气的需求相比,我们又是有差距的。

  你说我们的用量特别大,总的量来讲,我们是比较大,我们(用量)已经超过了6亿吨的原油,但是我们的人均量,是小的。我们只有北美,加拿大和美国人均量的十分之一,我们量大吗?我们不够大,我们够节约的了。我们有将近14亿人口,我们处在高速经济增长的时期,有一定的原油的需求量,包括天然气的需求量,这是必须的。

  由于构造结构的复杂,含油气盆地的特殊性,限制了我们原油的产量和天然气的产量,进口一部分原油和天然气,这也是时代必须的,这是中国的国情所决定的。问题是我们如何保障未来油气的国家能源安全,这是我们要认真研究、要用我们的智慧来完成的一件事情。

  网易新闻:油气资源分为常规和非常规,它们在成因、分布还有勘探开发方面有什么样的差别?

  金之钧:什么叫非常规和常规?油气的勘探始于十九世纪中叶,那个时候就是根据破坏的油藏、在地表发现的油气苗,然后去打钻,发现油气。在这个过程当中人们发现,在地下的高点上,往往容易找到油气,多少年来油气的勘探家就遵循着这个高点去找油气,获得了巨大的成功。

  (油气)为什么容易在高点上聚集?大家知道油、气、水在地下往往在岩石的空隙当中是混向的,油和气都比水轻,在浮力的作用下它就容易在高点上聚集,然后水沉到底下去,这就是在高处能够寻找油气的一个基本道理,这是物理学的概念。

  后来随着打钻的深入,有一些高点没有油气,这是显而易见的,没有油气来,它就不可能(有油气聚集),有高点它也不可能有油气,所以这个圈闭就是空的。有一些发现不在高点上也有油气,我们把这一类的油藏类型叫做地层岩性圈闭。

  地层岩性的(油气),就是油气从烃源岩生出来以后,经过一定的距离运移,在一个储存物性好的,相对能保存住油气的地方聚集下来,这一类油气都是常规油气。它的特点是丰度比较高,单井产量高。

  (非常规油气)就是要在生成油气的烃源岩里头来打井取油气。你们可以想象这个烃源岩是更致密、更细的一种岩层,过去我们都不把它当做储层来看待,以为它就是生油的,生出来以后必须排出来,然后在好的、空隙大的储层里头聚集起来,才能开发。我们早知道它里头有油有气,但是采不出来(比如页岩油、页岩气)。

  后来怎么采出来了呢?就是这个钻井技术提高了,过去都是打垂直井,垂直井打完了之后来压裂、改造,提高单井产量。但是现在我们这个水平钻井技术提高了,在页岩段里可以长距离地打井,打完了井以后分段把它压裂,几十米或者一百米一段,多处地压裂,这样相当于人造了一系列的裂缝,使得天然气或者石油从这个烃源岩里头慢慢地渗流出来,到一个主孔道来,再把它采上来。

  网易新闻:中国现在在页岩油气开发这块大概是什么样的情况?

  金之钧:最早研究在页岩里头开采天然气的,是美国,页岩能够采气采油带来了整个世界能源格局巨大的变化,有人把这一项技术的进步叫做“页岩革命”,因为原油和天然气的自给,带来了美国廉价的能源的供给和经济的复苏,也改变了全球的能源版图,过去大量的原油和天然气向美国进口,现在倒过头来,向亚洲进口。过去的油气的供应从中东到俄罗斯,是一个中轴线,现在是两个中轴线。从北美到南美,中东和俄罗斯仍然是供应,最大的消费区域是在亚洲。

  更重要的一点是改变了人们对油气资源稀缺的认识,由于这个页岩里头可以采油气,同时在一个盆地,既产页岩油又产页岩气,这样一个对资源的稀缺性的认识在全球性的改变,带来了全球的页岩革命,也引起了中国的页岩油、页岩气的探索。

  所以到今天我们可以讲,就油气资源来讲,满足全人类供给100年,甚至200年都没有问题,关键是我们能不能廉价地提供油气。

  说到中国页岩气和页岩油的探索,我们也是受美国同行的启发,他们在2000年前后获得成功,从那个时候开始,我们在关注页岩气。到了2006年,我就建议中国石化要立项,研究页岩气,在我们研究院里首先成立了页岩气的工作组,开始跟踪做这个事情。到2009年,我们就完成了第一轮的全国的页岩气的评价,960万平方公里,这么多的含油气盆地,从哪里下手、在哪里开钻,这是非常大的一个问题。

  我们评价了东部地区,但是考虑到它的成熟度低,多油少气,所以它的页岩气潜力非常低,评价了西部地区,埋藏很深,所以最终把目标集中在南方地区。

  2010年,中国石化的南方勘探公司定了我们的发现井,叫焦页一井,最终获得了巨大的成功,这就是我们中国第一个页岩气商业发现,当时的产量是20万方,到今天应该说我们已经建成了一个100亿方产能的页岩气气田,提交了6009亿方的页岩气的储量,这个规模是巨大的,产量也是好的,2017年我们52亿方页岩气的天然气进入中国石化所建设的川气东送管道,供给长江两岸的经济发达地区,直到浙江和上海一些经济发达地区,做出了重要的贡献。

  也就是说从2006年我们开始立项评价,到2012年底我们发现这个气田,大概是用了七年的时间。

  应该说,(中国)页岩气的勘探得到了世界的公认,我们的技术、我们的人才、实验设备也都相应地有了很好的发展,可以说我们也进入了第一方队。

  但是这不等于我们的页岩气的勘探开发就万事大吉了,我们当前可以说还面临着巨大的挑战。

  下一阶段,页岩气的勘探的潜力,一个是向深里走,埋藏在4000米以下的这个层位,应该说还有很大的潜力,这一块需要新的理论和技术。首先,随着地层的加深,地球物理的反射越来越长,我们能不能找到这种甜点,就是一个很大的挑战,所以需要新的地球物理技术。

  找到了甜点,我们这个钻井能不能打得准,在埋深4000到5000米的深度上,也就是说10米到30米的一个有效的这样一个烃源岩,我们要准确地打1500到3000米,甚至到4000米这样一个水平层段,这对钻井的要求是非常高的,要打得准,同时还得压得开,这对我们压裂的机械的制造又提出了新的挑战。现在3千马力的压裂车能不能适用这样深度的压裂,还不清楚,是一个很大的挑战。那么这个领域的攻克预计会对页岩气的储量和产量带来一个新的增长。

  除了这样一个领域以外,我们还有另外一个很大的远景区,就是那种地层压力偏低、单井产量低的地区,比如说在鄂西渝东、在我们北方的鄂尔多斯盆地,地层都是负压的,页岩气主要是吸附气田,单井产量偏低,大概3万方左右。如果要实现这一批的商业开发,那必须降低成本。

  我们算了一笔经济账,单个钻井到压裂完井的整个成本要控制在3000万左右。目前的钻井成本是5000万,我们还有很大的一个降本的空间。所以从2018年初开始,在我们业界,我就倡导未来石油行业的科技应该向低成本技术发展,也是从实践当中感到我们的油气勘探开发,包括页岩气,特别这种低丰度的页岩气的开发,没有低成本技术,我们很难前行。

  如果说这两方面,我们都获得了成功,再加上一些空白区域的新的发现,预计到2030年前后,我们的页岩气产量会在800亿到1000亿方。到那个时候,会占到我们全国产量的20%左右,应该说对中国的天然气的发展是一个巨大的贡献。

  说到页岩油,情况就比较复杂。大概是在2010年,中石油也好,中石化也好,我们就开始关注页岩油,带来了第一次的中国页岩油的勘探高潮。先是过去打过的井,来看看页岩里头有没有油出来,发现很多油气显示(指在钻井、掘进过程中遇到的各种含油气迹象),也有相当一批油井出油了,有的甚至还高产,但是稳定不住,产一段时间就停止了。接下来就进行了页岩油勘探的部署,获得了不错的产量,但是不容易稳定住,也没有获得很好的商业突破。

  究其原因,最主要的是(我们中国)和美国的页岩油有着很大的不同。我们东部地区主要是陆相盆地,形成的时间短,埋藏相对不够深,油的成熟度低,原油的黏度高,地下的流动性不好。所以用现在美国成熟的页岩油的开发技术,来对付中国的页岩油,我们没有获得成功。

  这就是技术的关键,这也是我们当前从事页岩油勘探的科学家和工程师们共同面临的巨大挑战,怎么针对中国的这一套低成熟度、高黏度、低流动性的页岩油,去建立我们新的勘探开发技术,去研究新的油气的分布规律、流动机理,这是我们当前面临的巨大挑战。

  页岩油现在可以说没有形成大规模的商业开发的阵地和地区,但是我们也看到了希望。

  如果按照目前的一些攻关,理论研究、技术攻关能够得以实现的话,我们大概乐观地估计一下,在2020年前后,我们页岩油会实现商业突破。

  实际上,中国石油的新疆油气分公司在准噶尔盆地的吉木萨尔凹陷已经获得了重大突破。到2018年底,他们的页岩油的产能建设会超过20万吨,一个页岩油的新区建设已经开始显现。中国石化在江汉油田也获得了几口有商业价值的页岩油油井,那么到2020年,也有望建成一个3到5万吨的页岩油的试验区或者叫示范区。再乐观地估计一下,经过十年的奋斗和努力,到2030年,我们想,中国的页岩油的产量有望实现500万吨到1000万吨这样一个产量。所以,对此我们还是抱有信心。

  一旦这个场面到来,中国就会迎来下一轮或者叫新一轮的页岩革命,那就是页岩油的商业突破和一个比较快速的发展。

  (三)学地质的人要懂一些科学哲学,同时要有乐观的精神

  网易新闻:像油气勘探这样专业的科学研究,要怎么样做科普以便让大众了解?

  金之钧:科普的工作非常重要,不光我们油气勘探,任何一个学科、一个行业、一个领域都需要做科普,都需要和大众沟通。

  比如我们在勘探当中所涉及到的环保问题,有人以为地震放炮、钻井,会占用一定的土地,对环境会带来或多或少的影响。但是当你了解了以后,就感到没那么可怕了。

  钻井占用土地,钻井完了之后我们会还原,会种一些植被,和原来可以说是没有什么差别。地震的放炮由过去放的大药量型,现在也慢慢变得用可控震源,随着技术的进步,对环境带来的负面影响会越来越小。我们也是生活在地球上的人,我们也知道应该自觉地去保护环境。但是你不沟通,大众就容易造成误解,不支持你搞勘探,不支持你搞开发,那你油气就取不出来。

  但是做科普并不容易,需要精力和时间。应该说科普是一个“苦差事”,没有水平的人是肯定做不了的,有水平的人也不见得都想做。(做科普)还需要去做一些原创性的研究,在现在的科技评价体系当中,科普的评价是远远被低估的。

  我个人以为科普和翻译家差不多,他要读懂原文,在这样的基础上还要能用大众接受的语言所描述。

  网易新闻:您给很多年轻的科研人员提过一个建议,让他们多读点哲学,在您看来科学和哲学是什么样的关系?

  金之钧:这也是我愿意探讨的话题,也是个没完没了的话题。我认为哲学是每个人都需要学的一门学问,它是研究人的思维方式、生命的意义,回答这样一些重大问题的。对我来讲,我认为科学哲学对我更重要,对一个学地质的人员更重要。

  为什么这么讲呢?因为在地下(勘探),我们是很难直接看到地下去的,如果太空还有望远镜,还可以望望远的话,我们地下基本上是没有这种工作条件,经常要猜,根据已有的资料、多解性的资料去推测。

  比如说塔里木56万平方公里,我们一口井的岩心取上来,我告诉大家,直径10公分。10公分的岩心,要判断56万平方公里,这种可能性。这个岩心并且是非均质的,这一层取着,那一层还取不着,取不着的你不知道什么样。另外在整个的漫长的地质历史的演化过程当中,有岩层记录的是少数,占整个历史过程当中三分之一,甚至还不到,三分之二的是没有岩心记录的,看啥?这是钻井这一块,10公分的岩心供你观察,要研究56万平方公里,举个例子。

  那地下的地震反射成像,它也具有多解性,这个波这么解释也行,那么解释也行。地球化学的资料也有多解性。因此,搞地质、特别是搞综合研究,(作为)一个决策者,必须建立一个正确的思维方式。要有一个正确的思维方式,就要懂一些科学思维,就要学一点逻辑学,就要学一点科学哲学。也许是我这个行业,地下的风险性、不确定性大所带来的一个特殊要求。

  网易新闻:对于油气勘探或者说研究地质这块儿来说,最重要的品质是什么?

  金之钧:讲到做一个地学人员最优秀的品质是什么,品质可以是多方面的,我个人认为最主要的是乐观的精神。

  如果说一个搞油气的,在西方,美国有一个知名的石油地质学家叫Pratt(华莱士·E·普拉特),他说过一句话,被后来AAPG年会上一个大横幅标出来,说油气首先是在地质家的脑袋里头,什么意思呢?就是你地质家脑袋里头得有油气。你脑袋里头有油气也未必找得到,但是脑袋里没有油气你就永远找不到油气。要地质家的脑袋里有油气,就得要乐观,不能悲观。

  另外我们打井,全世界的野猫子井的成功率不到30%,换句话说,定十口井,八口或者七口井是空的,成功的喜悦是短暂的,是少数的,承受的打击是大量的,是持久的,你得经受住这种打击。在这种打击的情况下,你还能坚持自信,你还能对这个盆地有信心,这是非常不容易的。

  除了乐观精神以外,我觉得一个搞勘探的人必须具有坚韧不拔的毅力。有的油气发现,是一个很持久的过程,不是一蹴而就的,也不是一口井下去就发现的,既有过去的例子也有现在的,既有国内的也有国外的,这种例子比比皆是。

  另外,还得有担当的精神,作为一个管理者来讲要敢于担当,作为一个技术工作者来讲也要敢于担当,哪个井位定空了,失败了,被人骂,自己名声不好。但是你想想,只有两口井成功,八口井都要失败,没有担当精神是不能定准位的。

  (还)要有一定的冒险精神,在科学基础上的冒险,得有担当精神,没有这种精神也是不行的。

  所以我感到这些素质都是非常重要的一些基本素质。

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