中國地質(zhì)學(xué)我國能源前景與能源科技前沿

第六章

我國能源前景與能源科技前沿

一、我國能源結(jié)構(gòu)與科技前沿1、能源消費結(jié)構(gòu)與特點2、能源消費需求預(yù)測3、能源科技前沿二、我國主要能源資源的開發(fā)利用1、油氣資源開發(fā)2、煤炭資源開發(fā)利用我國能源前景與能源科技前沿

一、我國能源結(jié)構(gòu)與科技前沿能源是指可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動力等任一形式能量的載能體資源，其核心是可以通過轉(zhuǎn)化而成為為人類所利用的能量（Cleveland，2004）。通過不同的角度有不同的分類，按利用的層次分為一次能源與二次能源，按來源分為化石能源與非化石能源，按開發(fā)利用程度分為常規(guī)能源與新能源。根據(jù)分類方案不同分析不同角度的能源消費結(jié)構(gòu)，可以為我們了解能源資源消費狀況提供更為全面的支持。1、能源消費結(jié)構(gòu)與特點

2009年世界一次能源消費達(dá)111.64×108t油當(dāng)量。其中石油、天然氣約占總量的58.5%，石油消費38.82×108t油當(dāng)量，占比35%；天然氣26.53×108t油當(dāng)量，占比24%；煤炭32.78×108t油當(dāng)量，占比29%；核能6.11×108t油當(dāng)量，占比5%；水電7.40×108t油當(dāng)量，占比7%（BP石油公司，2010；右圖）。我國2009年能源消費結(jié)構(gòu)與全球有一定的相似之處，統(tǒng)計結(jié)果顯示我國一次能源的消費總量為21.77×108t油當(dāng)量，占全球的19.5%，略低于美國的21.82×108t油當(dāng)量，居全球第2位。從消費結(jié)構(gòu)來看，2009年我國一次能源消費量，煤炭15.37×108t油當(dāng)量，占比70%；石油4.05×108t油當(dāng)量，占比19%；天然氣0.80×108t油當(dāng)量，占比4%；核能0.16×108t油當(dāng)量，占比1%；水電1.39×108t油當(dāng)量，占比6%（右圖）。2、能源消費需求預(yù)測

要考慮能源資源科學(xué)技術(shù)的長期發(fā)展，必須研究中長期能源消費整體構(gòu)成，并作出預(yù)測。國際能源組織（IEA）預(yù)測至2030年，全球一次能源需求總量將達(dá)到167.9×108t油當(dāng)量，年均增長1.96%。構(gòu)成上以石油、天然氣為主，煤為輔，水電、核能等可再生能源為補充。IEA對2030年全球一次能源需求結(jié)構(gòu)預(yù)測如下：煤炭48.87×108t油當(dāng)量，占比29%；石油50.09×108t油當(dāng)量，占比30%；天然氣35.61×108t油當(dāng)量，占比21%；核能9.56×108t油當(dāng)量，占比6%；水電4.02×108t油當(dāng)量，占比2%；生物質(zhì)與廢棄物16.04×108t油當(dāng)量，占10%；其它可再生能源3.7×108t油當(dāng)量，占比2%（圖2a）。上面數(shù)據(jù)顯示，IEA預(yù)測到2030年化石能源仍然是主體，與現(xiàn)在化石能源所占比重相比略有下降，核電和水電有所下降，而生物質(zhì)能等占比上升。國際能源組織（IEA）預(yù)測至2030年，我國一次能源需求總量將達(dá)到38.27×108t油當(dāng)量，年均增長2.72%。構(gòu)成上仍然以煤為主，石油、天然氣為輔，水電、核能等可再生能源為補充。2030年我國一次能源需求預(yù)測，煤炭23.97×108t油當(dāng)量，占比從67%下降到64%；石油7.58×108t油當(dāng)量，占比20%；天然氣2.02×108t油當(dāng)量，占比5%，略有上升；核能1.27×108t油當(dāng)量，占比由1%上升到3%；水電0.90×108t油當(dāng)量，占比2%；生物質(zhì)與廢棄物2.05×108t油當(dāng)量，占比從0上升到5%；其它可再生能源0.47×108t油當(dāng)量，占比7%（圖2b）。我國的能源消費結(jié)構(gòu)與全球相比，化石能源的比例仍然大于全球的平均水平，以煤炭為主。IEA的統(tǒng)計結(jié)果明顯地帶有其自身的觀點，賈承造院士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組根據(jù)我國的基本國情對我國的能源消費結(jié)構(gòu)進行了分析與預(yù)測。以我國能源消費年均增長4%來看，2030年需要50×108t油當(dāng)量，其中石油8×108t，占比16%，天然氣3.8×108t油當(dāng)量（45×1010m3），占比7.6%，煤炭30×108t油當(dāng)量（43×108t煤），占比60%，核電、水電占比10%，新能源占比6.4%（表1），這是一個比較樂觀的估計。從對2030年全球范圍能源消費預(yù)測來看，仍然以化石能源為主，但對新能源、可再生能源等需求量分析差別很大。3、能源科技前沿

從國家“973”項目能源領(lǐng)域整個布局角度來看，總共分為油氣、煤炭、可再生能源、核能、能源轉(zhuǎn)化與節(jié)能以及能源運輸分配等6大領(lǐng)域，各領(lǐng)域相關(guān)基礎(chǔ)研究前沿如下：（1）油氣：石油天然氣（含煤層氣）賦存地質(zhì)規(guī)律、勘探開發(fā)理論與技術(shù)、先進物探、鉆井、海洋工程裝備；（2）煤炭：煤炭資源賦存規(guī)律、安全開采和清潔化利用的理論技術(shù)；（3）可再生能源：風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、氫能等可再生能源提高能量轉(zhuǎn)化效率及穩(wěn)定、低成本供能的理論、技術(shù)和材料工藝研發(fā)；（4）核能：先進、安全的核能發(fā)電、核廢料處理技術(shù)，鈾礦資源開采技術(shù)；（5）能源轉(zhuǎn)化與節(jié)能：提高熱功轉(zhuǎn)化效率、清潔能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，及大規(guī)模工業(yè)節(jié)能技術(shù)；（6）能源運輸分配：智能、安全、高效滿足社會發(fā)展需求與低碳、可再生能源增長的新型能源運輸分配系統(tǒng)。二、能源資源的開發(fā)利用

能源資源的開發(fā)利用是解決我國能源消費迅速增長、有效調(diào)整我國能源消費結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。分析我國能源資源各領(lǐng)域開發(fā)利用現(xiàn)狀，提出亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，能有效促進我國能源資源的高效開發(fā)利用。1、油氣資源開發(fā)

我國沉積盆地共505個，沉積巖面積67×105km2，其中陸相沉積盆地424個，海相沉積盆地12個，海陸相疊合盆地69個。目前我國沉積盆地勘探程度較低，僅在105個盆地中進行過地震勘探，在86個盆地進行過鉆探，具有油氣發(fā)現(xiàn)的盆地79個，其中工業(yè)油氣流盆地32個、低產(chǎn)油氣流盆地11個、見油氣顯示盆地36個。截止2009年底，我國原油產(chǎn)量1.89×108t，天然氣產(chǎn)量845×108m3，分別居全球第五位和第七位，已居于世界產(chǎn)油產(chǎn)氣大國行列。但是，對于我國未來油氣勘探開發(fā)而言，仍然存在很多復(fù)雜的科學(xué)問題，面臨嚴(yán)峻的能源安全現(xiàn)實。對石油天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域來講，最關(guān)心的問題有兩個:1、目前剩余油氣資源的分布，以及如何有效勘探以找到剩余資源;2、剩余可采儲量的規(guī)模與賦存狀態(tài)，以及如何實現(xiàn)剩余資源的高效開發(fā)。

根據(jù)新一輪油氣資源評價，我國石油總可采資源量254.9×108t，已探明76.07×108t，目前剩余可采資源量178.83×108t；常規(guī)天然氣總可采資源量27.5×1012m3，探明儲量3.68×1012m3，剩余可采資源量23.82×1012m3。我國剩余油氣資源主要分布在七大勘探領(lǐng)域內(nèi)（表2）。其中，海域所占比重最大，需要加快勘探開發(fā)力度。此外，非常規(guī)油氣領(lǐng)域的資源量也很大，如頁巖氣、致密氣、煤層氣、油砂油、頁巖油等，應(yīng)該做好前期準(zhǔn)備工作，加大勘探開發(fā)投入力度。原油剩余可采儲量主要分布在松遼、渤海灣、渤海海域及鄂爾多斯等盆地（表3）。目前全國原油剩余可采儲量穩(wěn)定增長（圖3），一方面歸功于原油勘探的不斷突破，另一方面要歸功于原油勘探開發(fā)技術(shù)的不斷進步，使得更多的地質(zhì)儲量轉(zhuǎn)化為可采儲量。而且，近年來原油剩余可采儲量的增加支撐了原油產(chǎn)量的穩(wěn)定增長（圖3）。

油氣資源的開發(fā)利用需要一方面研究各領(lǐng)域油氣成藏機理，找準(zhǔn)勘探方向，另一方面要盡可能將油氣資源轉(zhuǎn)化為可采儲量。當(dāng)前油氣資源開發(fā)領(lǐng)域面臨的重大科技問題有如下10個：（1）巖性地層油氣藏形成機理與低滲透油氣藏有效開采的基礎(chǔ)研究；（2）中國深部油氣藏成藏機理與海相碳酸鹽巖油氣富集規(guī)律基礎(chǔ)研究；（3）中國中西部石油地質(zhì)理論問題與勘探新領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究；（4）高含水油藏及深層稠油提高采收率基礎(chǔ)研究；（5）復(fù)雜天然氣藏有效開采基礎(chǔ)理論研究；（6）油氣深部鉆井與地球物理探測的應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究；（7）海上油氣田提高采收率關(guān)鍵基礎(chǔ)理論研究；（8）深水鉆完井基礎(chǔ)理論與深水安全鉆井開采基礎(chǔ)理論研究；（9）中低煤階及特殊類型煤層氣藏成藏機理與提高煤層氣采收率的基礎(chǔ)理論研究；（10）非常規(guī)油氣資源勘探開采的基礎(chǔ)理論研究。2、煤炭資源開發(fā)利用

我國已有煤炭資源總量5.57×1012t，位居世界第三，其中埋深在1000m以下的為2.95×1012t，占煤炭資源總量的53%。煤炭是我國的基礎(chǔ)能源，2009年我國煤產(chǎn)量達(dá)到的30.50×108t（圖4），占世界煤產(chǎn)量的44%（位居世界第一）和我國一次能源需求的70％，我國能源工業(yè)對煤炭的依存十分強烈。目前已查明煤炭資源儲量約11598×108t?？刹蓛α?825.4×108t。在儲量中40%已經(jīng)利用，60%尚未利用的儲量中，只有1/3是精查和詳查儲量。煤炭的儲采比低，很難有效地保證我國煤炭工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

以上分析數(shù)據(jù)顯示，中國煤炭資源量并不是世界上最多的，但開采強度位居世界第一。新中國成立以來，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中一直占據(jù)絕對主導(dǎo)位置，近10年資料表明煤炭在一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中一直占65%~70%左右。根據(jù)不同資料從不同方面預(yù)測分析，到2030年之前，我國對煤炭的總需求量將繼續(xù)保持上升趨勢，峰值需求量將達(dá)到40×108t/a左右（圖5）。

從我國煤炭資源未來發(fā)展來看，目前煤炭勘探開發(fā)呈現(xiàn)如下4個特點：（1）東部條件基本查明的淺部資源急劇枯竭。統(tǒng)計資料顯示，我國主要煤炭產(chǎn)地的華北地區(qū)煤礦平均采深達(dá)600m以上。每年有大量礦井因淺部可采資源枯竭而關(guān)停。預(yù)測顯示，到2020年，將有超過40%的國有重點煤礦和60%的國有地方煤礦，因淺部資源枯竭面臨關(guān)閉。（2）西部條件基本查明的煤炭資源受諸多因素影響無法大規(guī)模開采。受生態(tài)環(huán)境脆弱、基礎(chǔ)設(shè)施落后、距消費市場遙遠(yuǎn)等因素的制約，近期完全靠開發(fā)西部資源來替代東部煤炭產(chǎn)量缺口不現(xiàn)實。（3）開發(fā)深部煤炭是國家煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的出路。據(jù)最新煤田預(yù)測和第一輪“973”項目研究成果顯示，呂梁山以東的華北地區(qū)埋深800~1500m有4050×108t的煤炭資源可供勘探和開發(fā)利用。

（4）東部深部煤炭資源豐富且開采基礎(chǔ)較好。華北石炭二疊紀(jì)煤炭資源約13781×108t，絕大部分賦存于1000至2000m埋藏深度（圖6）。目前全國煤礦平均開采深度約為540m，華北華東地區(qū)平均開采深度約為650m，每年以12到20m速度延深。超過1000m的礦井有33對，最大深度達(dá)到1400m。因此，研究解決理論上、技術(shù)上、工藝上的重大難題，安全高效開采我國（尤其是華北地區(qū)）深部煤炭資源成為當(dāng)前急需、今后需要的煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要出路。因此，需要從開采條件基礎(chǔ)理論、開采理論與開采技術(shù)、安全要素監(jiān)測監(jiān)控與管理等三個大的層面上來進行分析研究，以解決我國深部煤炭資源勘探開發(fā)問題。

此外，高效開發(fā)利用技術(shù)問題也是提高煤炭資源轉(zhuǎn)化利用效率關(guān)鍵，如中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)低碳燃料和化學(xué)品、褐煤潔凈高效轉(zhuǎn)化的催化與化學(xué)工程基礎(chǔ)等。（1）煤資源開發(fā)利用實例——中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)低碳燃料和化學(xué)品。中低階煤（褐煤/次煙煤）的高效潔凈轉(zhuǎn)化是我國能源領(lǐng)域具有重大戰(zhàn)略意義的課題。此研究將煤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性看成分級轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢，研究思路打破了傳統(tǒng)的煤氣化、再合成的煤化工路線，從煤的分子結(jié)構(gòu)和自由基反應(yīng)機理出發(fā)，致力于創(chuàng)建分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)低碳燃料和化學(xué)品的新技術(shù)體系，具有明顯的創(chuàng)新性，有望突破多年來煤化學(xué)和煤轉(zhuǎn)化理論研究瓶頸。（2）煤資源開發(fā)利用實例——褐煤潔凈高效轉(zhuǎn)化的催化與化學(xué)工程基礎(chǔ)。有效利用我國的褐煤資源是我國能源領(lǐng)域迫切需要解決的、具有重大戰(zhàn)略意義的課題。此研究提出褐煤經(jīng)部分加氫熱解、提取輕油、殘渣氣化、FT合成、以及甲醇催化轉(zhuǎn)化獲得油品和相關(guān)化學(xué)品的思路，把直接液化和間接液化有機結(jié)合起來，符合潔凈綠色和梯級利用原則。

從整個煤炭資源勘探開發(fā)領(lǐng)域來看，需要解決的重大科學(xué)問題較多，總體而言有如下10個：（1）深部及特殊地質(zhì)體下找煤的重大科學(xué)問題研究；（2）煤礦復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和災(zāi)害源高分辨地球物理探測的基礎(chǔ)研究；（3）深部煤炭開發(fā)中煤與瓦斯共采的