中國(guó)地質(zhì)學(xué)我國(guó)能源前景與能源科技前沿

第六章

我國(guó)能源前景與能源科技前沿

一、我國(guó)能源結(jié)構(gòu)與科技前沿1、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)2、能源消費(fèi)需求預(yù)測(cè)3、能源科技前沿二、我國(guó)主要能源資源的開(kāi)發(fā)利用1、油氣資源開(kāi)發(fā)2、煤炭資源開(kāi)發(fā)利用我國(guó)能源前景與能源科技前沿

一、我國(guó)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(lèi)所需的光、熱、動(dòng)力等任一形式能量的載能體資源，其核心是可以通過(guò)轉(zhuǎn)化而成為為人類(lèi)所利用的能量（Cleveland，2004）。通過(guò)不同的角度有不同的分類(lèi)，按利用的層次分為一次能源與二次能源，按來(lái)源分為化石能源與非化石能源，按開(kāi)發(fā)利用程度分為常規(guī)能源與新能源。根據(jù)分類(lèi)方案不同分析不同角度的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，可以為我們了解能源資源消費(fèi)狀況提供更為全面的支持。1、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

2009年世界一次能源消費(fèi)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(fèi)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(guó)2009年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)與全球有一定的相似之處，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示我國(guó)一次能源的消費(fèi)總量為21.77×108t油當(dāng)量，占全球的19.5%，略低于美國(guó)的21.82×108t油當(dāng)量，居全球第2位。從消費(fèi)結(jié)構(gòu)來(lái)看，2009年我國(guó)一次能源消費(fèi)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(fèi)需求預(yù)測(cè)

要考慮能源資源科學(xué)技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展，必須研究中長(zhǎng)期能源消費(fèi)整體構(gòu)成，并作出預(yù)測(cè)。國(guó)際能源組織（IEA）預(yù)測(cè)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(zhǎng)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(bǔ)充。IEA對(duì)2030年全球一次能源需求結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)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(cè)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(guó)際能源組織（IEA）預(yù)測(cè)至2030年，我國(guó)一次能源需求總量將達(dá)到38.27×108t油當(dāng)量，年均增長(zhǎng)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(bǔ)充。2030年我國(guó)一次能源需求預(yù)測(cè)，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(guó)的能源消費(fèi)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(jì)結(jié)果明顯地帶有其自身的觀點(diǎn)，賈承造院士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組根據(jù)我國(guó)的基本國(guó)情對(duì)我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與預(yù)測(cè)。以我國(guó)能源消費(fèi)年均增長(zhǎng)4%來(lái)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(gè)比較樂(lè)觀的估計(jì)。從對(duì)2030年全球范圍能源消費(fèi)預(yù)測(cè)來(lái)看，仍然以化石能源為主，但對(duì)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(guó)家“973”項(xiàng)目能源領(lǐng)域整個(gè)布局角度來(lái)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(yùn)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(kāi)發(fā)理論與技術(shù)、先進(jìn)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(kāi)采和清潔化利用的理論技術(shù)；（3）可再生能源：風(fēng)能、太陽(yáng)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(jìn)、安全的核能發(fā)電、核廢料處理技術(shù)，鈾礦資源開(kāi)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(yùn)輸分配：智能、安全、高效滿足社會(huì)發(fā)展需求與低碳、可再生能源增長(zhǎng)的新型能源運(yùn)輸分配系統(tǒng)。二、能源資源的開(kāi)發(fā)利用

能源資源的開(kāi)發(fā)利用是解決我國(guó)能源消費(fèi)迅速增長(zhǎng)、有效調(diào)整我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。分析我國(guó)能源資源各領(lǐng)域開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，提出亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，能有效促進(jìn)我國(guó)能源資源的高效開(kāi)發(fā)利用。1、油氣資源開(kāi)發(fā)

我國(guó)沉積盆地共505個(gè)，沉積巖面積67×105km2，其中陸相沉積盆地424個(gè)，海相沉積盆地12個(gè)，海陸相疊合盆地69個(gè)。目前我國(guó)沉積盆地勘探程度較低，僅在105個(gè)盆地中進(jìn)行過(guò)地震勘探，在86個(gè)盆地進(jìn)行過(guò)鉆探，具有油氣發(fā)現(xiàn)的盆地79個(gè)，其中工業(yè)油氣流盆地32個(gè)、低產(chǎn)油氣流盆地11個(gè)、見(jiàn)油氣顯示盆地36個(gè)。截止2009年底，我國(guó)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(guó)行列。但是，對(duì)于我國(guó)未來(lái)油氣勘探開(kāi)發(fā)而言，仍然存在很多復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題，面臨嚴(yán)峻的能源安全現(xiàn)實(shí)。對(duì)石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域來(lái)講，最關(guān)心的問(wèn)題有兩個(gè):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(chǔ)量的規(guī)模與賦存狀態(tài)，以及如何實(shí)現(xiàn)剩余資源的高效開(kāi)發(fā)。

根據(jù)新一輪油氣資源評(píng)價(jià)，我國(guó)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(chǔ)量3.68×1012m3，剩余可采資源量23.82×1012m3。我國(guó)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(kāi)發(fā)力度。此外，非常規(guī)油氣領(lǐng)域的資源量也很大，如頁(yè)巖氣、致密氣、煤層氣、油砂油、頁(yè)巖油等，應(yīng)該做好前期準(zhǔn)備工作，加大勘探開(kāi)發(fā)投入力度。原油剩余可采儲(chǔ)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(guó)原油剩余可采儲(chǔ)量穩(wěn)定增長(zhǎng)（圖3），一方面歸功于原油勘探的不斷突破，另一方面要?dú)w功于原油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得更多的地質(zhì)儲(chǔ)量轉(zhuǎn)化為可采儲(chǔ)量。而且，近年來(lái)原油剩余可采儲(chǔ)量的增加支撐了原油產(chǎn)量的穩(wěn)定增長(zhǎng)（圖3）。

油氣資源的開(kāi)發(fā)利用需要一方面研究各領(lǐng)域油氣成藏機(jī)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(chǔ)量。當(dāng)前油氣資源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域面臨的重大科技問(wèn)題有如下10個(gè)：（1）巖性地層油氣藏形成機(jī)理與低滲透油氣藏有效開(kāi)采的基礎(chǔ)研究；（2）中國(guó)深部油氣藏成藏機(jī)理與海相碳酸鹽巖油氣富集規(guī)律基礎(chǔ)研究；（3）中國(guó)中西部石油地質(zhì)理論問(wèn)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(kāi)采基礎(chǔ)理論研究；（6）油氣深部鉆井與地球物理探測(cè)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(kāi)采基礎(chǔ)理論研究；（9）中低煤階及特殊類(lèi)型煤層氣藏成藏機(jī)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(kāi)采的基礎(chǔ)理論研究。2、煤炭資源開(kāi)發(fā)利用

我國(guó)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(guó)的基礎(chǔ)能源，2009年我國(guó)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(guó)一次能源需求的70％，我國(guó)能源工業(yè)對(duì)煤炭的依存十分強(qiáng)烈。目前已查明煤炭資源儲(chǔ)量約11598×108t。可采儲(chǔ)量1825.4×108t。在儲(chǔ)量中40%已經(jīng)利用，60%尚未利用的儲(chǔ)量中，只有1/3是精查和詳查儲(chǔ)量。煤炭的儲(chǔ)采比低，很難有效地保證我國(guó)煤炭工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

以上分析數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)煤炭資源量并不是世界上最多的，但開(kāi)采強(qiáng)度位居世界第一。新中國(guó)成立以來(lái)，煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中一直占據(jù)絕對(duì)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(fèi)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(cè)分析，到2030年之前，我國(guó)對(duì)煤炭的總需求量將繼續(xù)保持上升趨勢(shì)，峰值需求量將達(dá)到40×108t/a左右（圖5）。

從我國(guó)煤炭資源未來(lái)發(fā)展來(lái)看，目前煤炭勘探開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)如下4個(gè)特點(diǎn)：（1）東部條件基本查明的淺部資源急劇枯竭。統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)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(cè)顯示，到2020年，將有超過(guò)40%的國(guó)有重點(diǎn)煤礦和60%的國(guó)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(wú)法大規(guī)模開(kāi)采。受生態(tài)環(huán)境脆弱、基礎(chǔ)設(shè)施落后、距消費(fèi)市場(chǎng)遙遠(yuǎn)等因素的制約，近期完全靠開(kāi)發(fā)西部資源來(lái)替代東部煤炭產(chǎn)量缺口不現(xiàn)實(shí)。（3）開(kāi)發(fā)深部煤炭是國(guó)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(cè)和第一輪“973”項(xiàng)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(kāi)發(fā)利用。

（4）東部深部煤炭資源豐富且開(kāi)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(guó)煤礦平均開(kāi)采深度約為540m，華北華東地區(qū)平均開(kāi)采深度約為650m，每年以12到20m速度延深。超過(guò)1000m的礦井有33對(duì)，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(kāi)采我國(guó)（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(kāi)采條件基礎(chǔ)理論、開(kāi)采理論與開(kāi)采技術(shù)、安全要素監(jiān)測(cè)監(jiān)控與管理等三個(gè)大的層面上來(lái)進(jìn)行分析研究，以解決我國(guó)深部煤炭資源勘探開(kāi)發(fā)問(wèn)題。

此外，高效開(kāi)發(fā)利用技術(shù)問(wèn)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(jí)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(kāi)發(fā)利用實(shí)例——中低階煤分級(jí)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(guó)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(jí)轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢(shì)，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(jī)理出發(fā)，致力于創(chuàng)建分級(jí)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(lái)煤化學(xué)和煤轉(zhuǎn)化理論研究瓶頸。（2）煤資源開(kāi)發(fā)利用實(shí)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(guó)的褐煤資源是我國(guó)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?jiān)鼩饣?、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(jī)結(jié)合起來(lái)，符合潔凈綠色和梯級(jí)利用原則。

從整個(gè)煤炭資源勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域來(lái)看，需要解決的重大科學(xué)問(wèn)題較多，總體而言有如下10個(gè)：（1）深部及特殊地質(zhì)體下找煤的重大科學(xué)問(wèn)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(cè)的基礎(chǔ)研究；（3）深部煤炭開(kāi)發(fā)中煤與瓦斯共采的