探礦工程技術與低碳經(jīng)濟

張金昌

(中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所,河北廊坊 065000)

探礦工程技術與低碳經(jīng)濟

張金昌

(中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所,河北廊坊 065000)

低碳經(jīng)濟是當今時代的主題,已被世界各國人民作為發(fā)展本國經(jīng)濟所追求的理想方式。作為國民經(jīng)濟建設先行官的地質(zhì)工作組成部分的探礦工程(巖土鉆掘工程)技術與低碳經(jīng)濟有著密不可分的關系。針對當今時代特征及人類生存發(fā)展的時代主題,面對國民經(jīng)濟建設新形勢,簡要闡述了探礦工程(巖土鉆掘工程)技術與低碳經(jīng)濟的關系,以及技術本身發(fā)展的相關問題。

探礦工程;低碳經(jīng)濟;低碳生活;碳匯;碳儲

1 概述

低碳經(jīng)濟概念始于英國2003年的《能源白皮書》,低碳經(jīng)濟是通過更少的自然資源消耗和更少的環(huán)境污染,獲得更多的經(jīng)濟產(chǎn)出;是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經(jīng)濟模式?！吨泄仓醒腙P于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃的建議》指出,制定“十二五”規(guī)劃要以科學發(fā)展觀為主題,以加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式為主線。發(fā)展低碳經(jīng)濟是加快推進發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、積極應對國際金融危機的重要途徑,意義重大。

進入21世紀,人類社會面臨著3大問題:

一是能源問題,主要是以煤炭、石油為代表的化石能源危機;

二是環(huán)境問題,由于工業(yè)化進程的加快,全球氣候變暖已經(jīng)是一個不爭的事實,氣候變暖對自然生態(tài)系統(tǒng)、人類生存和發(fā)展環(huán)境產(chǎn)生的嚴重后果已越來越明顯;

三是糧食問題,也就是貧困人口和糧食安全問題[1]。

發(fā)展低碳經(jīng)濟,對于緩解能源緊張、減少碳排放、保護環(huán)境有著重要的作用。

目前,歐美一些發(fā)達國家正在掀起一場以高能效、低排放為核心的“新工業(yè)革命”。英國提出,到2050年將二氧化碳的排放量比1990年消減掉60%,并將英國創(chuàng)建為低碳經(jīng)濟國;德國稱,其環(huán)保技術產(chǎn)業(yè)有望在2020年趕超傳統(tǒng)的汽車及機械制造業(yè),成為德國的主導產(chǎn)業(yè);日本提出,1993～2020年用于能源和環(huán)境技術研發(fā)的財政預算支出達110億美元;美國投入巨資研發(fā)低碳技術,從生物燃料、太陽能設備到二氧化碳零排放的發(fā)電廠,都制定了宏大的開發(fā)計劃,美國總統(tǒng)奧巴馬上任伊始就明確提出,大力發(fā)展生物質(zhì)等可再生能源,催生一個新型產(chǎn)業(yè),帶領美國經(jīng)濟走向復蘇。

中國對發(fā)展低碳經(jīng)濟問題高度重視,2007年國家主席胡錦濤在出席亞太經(jīng)合組織(APEC)會議時,明確主張發(fā)展低碳經(jīng)濟,并提出促進低碳經(jīng)濟發(fā)展的若干設想。在此大背景下,吉林市已被國家有關部門列為低碳經(jīng)濟區(qū)案例研究試點城市;廣東提出,建議將珠海申請為中國第一個“低碳經(jīng)濟示范區(qū)”;上海已擬定在南匯區(qū)臨港新城、崇明島等地建立“低碳經(jīng)濟實踐區(qū)”;河南省已率先組建了低碳集團有限公司,其發(fā)展勢頭很好。

2 低碳經(jīng)濟的前景分析及主要特征

眾所周知,我國社會經(jīng)濟正處于資源、環(huán)境約束最為嚴重的時期,工業(yè)化、城市化、現(xiàn)代化進程遠未實現(xiàn),發(fā)展經(jīng)濟、改善民生任務艱巨。如何化解經(jīng)濟快速發(fā)展對資源、能源消耗的高度依賴,如何跨越資源、能源的“瓶頸”約束成為今后一個時期面臨的主要難題。低碳之路無疑為中國的可持續(xù)發(fā)展提供了一條新的途徑。

2.1 低碳經(jīng)濟是經(jīng)濟發(fā)展新模式

改革開放以來,我國經(jīng)濟快速增長,各項建設成就巨大,但也付出了很大的資源和環(huán)境代價,經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳。這種狀況與經(jīng)濟結構不合理、增長方式粗放直接相關。不改變這種狀況,資源支撐不住,環(huán)境容納不下,社會承受不起,經(jīng)濟發(fā)展難以為繼。低碳經(jīng)濟是以低能耗、低污染、低排放為特征的經(jīng)濟發(fā)展模式,它與科學發(fā)展觀、節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟、建設節(jié)約型社會、構建和諧社會的總體要求是完全一致的。

2.2 低碳經(jīng)濟是新的產(chǎn)業(yè)革命

低碳經(jīng)濟的本質(zhì)是通過提高效率,轉(zhuǎn)變能源結構,發(fā)展低碳技術、產(chǎn)品及服務,確保經(jīng)濟穩(wěn)定持續(xù)增長,同時消減溫室氣體的排放量,以保護生態(tài)環(huán)境。發(fā)展低碳經(jīng)濟,涉及到經(jīng)濟、社會、生活的各個方面,有助于加快經(jīng)濟結構和產(chǎn)業(yè)結構的調(diào)整步伐;有助于促進經(jīng)濟轉(zhuǎn)型;有助于轉(zhuǎn)變?nèi)嗣竦纳钕M觀念;有助于推動生態(tài)文明建設,其意義十分深遠。以德國為代表的一些歐洲國家通過提高能源和資源效率,大力發(fā)展可再生能源,已形成了相對成熟和完備的綠色產(chǎn)業(yè),在世界未來經(jīng)濟發(fā)展中搶占了有利的戰(zhàn)略支點?？稍偕茉串a(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了世界經(jīng)濟的新熱點,大量的投資、研發(fā)和廣闊的市場前景,正在掀開通向低碳經(jīng)濟發(fā)展的新一輪技術和產(chǎn)業(yè)革命。

3 探礦工程技術與低碳經(jīng)濟

如上所述,低碳經(jīng)濟是目前各國追求的目標,要達到此目標,必須做好兩方面的工作。

一是盡量開發(fā)利用低碳潔凈能源,減少二氧化碳等溫室氣體排放量?，F(xiàn)在正在開發(fā)利用的潔凈能源包括太陽能、風能、水能、地熱能和生物質(zhì)能等。未來要大力發(fā)展?jié)崈裟茉床U大應用面,以最大限度地替代石油、煤炭等傳統(tǒng)的化石燃料。

二是把已經(jīng)或正在排放到大氣中的二氧化碳收集集中在一起進行封存,最大限度地減少空氣中二氧化碳的含量。

探礦工程(巖土鉆掘工程)技術在上述兩個方面都能發(fā)揮不可替代的作用。

探礦工程(巖土鉆掘工程)技術與低碳經(jīng)濟的關系表現(xiàn)在3個方面:

(1)到目前為止,探礦工程技術仍然是唯一能從地下取出實物巖礦樣品的勘查技術方法,其與低碳生活的關系,首先表現(xiàn)在通過鉆探的方法,尋找除煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源以外的新型潔凈能源,如核能、地熱能等,這些新能源的開發(fā)利用從2個方面有利于低碳經(jīng)濟發(fā)展,一是部分替代了傳統(tǒng)能源為經(jīng)濟社會發(fā)展直接提供動力源泉(如核能、地熱能),二是這些新能源在使用過程中基本不會產(chǎn)生環(huán)境污染,有利于環(huán)境保護;

(2)探礦工程(巖土鉆掘工程)技術直接服務于低碳經(jīng)濟,這是該項技術服務領域不斷擴大的一個重要方面,碳儲存井的鉆鑿及封存、礦井瓦斯抽采、地熱能的勘探開發(fā)利用等;

(3)探礦工程(巖土鉆掘工程)技術本身的發(fā)展,技術水平的提高以及新技術的應用有利于資源勘探開發(fā)效率的提高及環(huán)境保護。

發(fā)展低碳經(jīng)濟離不開碳匯和碳儲等技術手段。

4 探礦工程技術與碳匯

碳匯一般是指從空氣中清除二氧化碳的過程、活動、機制。主要是指森林吸收并儲存二氧化碳的多少,或者說是森林吸收并儲存二氧化碳的能力。

定向鉆探技術不但提高了礦區(qū)勘探見礦度,而且使有些用傳統(tǒng)方法無法勘探的特殊地理位置的礦體勘探成為可能[2]。定向?qū)舆B通井技術使可溶性礦產(chǎn)開采效率成倍提高,而且對環(huán)境、植被破壞小有利于碳匯。導向鉆進非開挖鋪設地下管線技術不但使穿越障礙物鋪設地下管線成為可能,而且大大提高鋪管效率,更為重要的是它不破壞路面,不破壞地表環(huán)境及植被[3]。因此,后兩種技術被稱為綠色環(huán)保技術。

大位移定向鉆井技術在近海大陸架石油勘探、天然氣水合物勘探開發(fā)中具有廣闊的應用前景。

興起于20世紀80年代的無循環(huán)干式成孔法(長短螺旋鉆、旋挖斗成孔法、全套管護壁沖抓成孔法等)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的正反循環(huán)鉆進成孔法,大大提高了施工效率,改善了施工工地環(huán)境,無污染,是基礎樁孔施工技術的一次革命。

5 探礦工程技術與碳儲

碳儲存或者固碳是一種用于對捕獲的二氧化碳進行安全儲存的技術,防止其再泄露到大氣中。地質(zhì)固碳是在碳捕獲后,把其儲存在地下深層的地質(zhì)結構中。

用于碳儲存的大多數(shù)地質(zhì)結構是深的鹽井或者枯竭的石油和天然氣儲層。碳儲存好的地質(zhì)結構需要上面覆蓋無孔巖石層的多孔巖石層。壓縮后的二氧化碳通過鉆探到巖層的深井注入巖層中。在地下800～1000 m的深度以及高壓下,二氧化碳就變成液態(tài),因此其可以在多孔巖石層中流動。在其流動過程中,因受浮力影響,趨向于向上流動,這樣在多孔巖石層上覆蓋的無孔巖石層對這些碳儲存起著非常重要的作用。

用于碳儲存的另一個地質(zhì)結構是煤層。煤層可以吸收二氧化碳,使其免于排放到大氣中。

深的鹽層也可用于碳儲存。鹽層是富含鹽水的多孔巖石層,它們含有的礦物質(zhì)可與注入的二氧化碳發(fā)生反應,形成固態(tài)碳酸鹽,以此來儲存二氧化碳。

碳儲存要求鉆掘碳儲存井,需要鉆探技術作為支撐。礦井瓦斯抽采不但避免了儲存于煤層中的甲烷氣體直接排入大氣中,而且可以變廢為寶。煤礦瓦斯抽排井是以鉆井方法在煤礦地面和井下工作場所之間建造的一種用于輸送井下抽采的瓦斯,并集中回收利用的特殊工程通道。近年來煤礦瓦斯抽排井在煤礦安全生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應用,目前瓦斯抽排井的鉆孔直徑一般為600～1200 mm,鉆孔深度在300～1000 m不等[4]。

6 探礦工程技術與能源勘探

目前我國能源供需矛盾日漸突出,自1992年出現(xiàn)能源供不應求以來,能源自給率已下降到93%左右。近幾年石油對外依存度更是超過了50%。彌補能源缺口,一是靠勘探開發(fā)新油田、新氣田及新煤礦;二是在老能源基地深部及周圍勘探尋找新的能源儲量,并提高開采技術水平,提高現(xiàn)有能源基地產(chǎn)量。傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣三大能源都需用到鉆探方法進行勘探。

但是傳統(tǒng)礦物能源都是不可再生的,總有一天會枯竭。因此,不斷尋找新能源并擴大其應用范圍才是根本的解決辦法。在眾多勘探技術方法中,鉆探技術仍然是唯一能從地下取出實物巖礦樣品的勘查技術方法[5]。水力發(fā)電壩址的工程地質(zhì)勘查需要鉆探工程技術的支持;在水電站的建設過程中也涉及大量的巖土鉆掘工程量。

地熱能作為一種可再生的新能源,除了少數(shù)可直接利用的地表溫泉外,多數(shù)需要大量的鉆探工作量進行勘探開發(fā)。以河南省為例,其地熱資源熱儲面積占全省國土面積的25.2%,已探明的經(jīng)濟型地熱資源總量折合1.15×1010t標準煤[6]。已鉆鑿的地熱井數(shù)有73口,井深在1000～3000 m之間。河南省地熱資源主要用于生活、溫泉洗浴、房產(chǎn)開發(fā)、酒店及休閑娛樂等方面,截止2010年,全省地熱資源開采量為67364.63萬m3/a。

干熱巖熱能的勘探開發(fā)是鉆探技術重要服務領域,干熱巖儲存熱能的開發(fā)利用主要用于發(fā)電,其基本原理是通過深井將高壓水注入地下2000～6000 m的巖石,使其滲透進入巖層縫隙并吸收地熱能量;再通過另一個深井(相距200～600 m左右)將巖石裂隙中的高溫水、氣提取到地面;取出的水、氣溫度可達150～200℃,通過熱交換及地面循環(huán)裝置用于發(fā)電;冷卻后的水再次通過高壓泵注入地下熱交換系統(tǒng)循環(huán)使用[7]。

地源熱泵技術開發(fā)利用的是淺層地熱能,溫度低于25℃,深度一般在200 m以內(nèi)。目前,我國每年使用地源熱泵系統(tǒng)的項目已超過2000個[8],建筑面積近8000萬m2。淺層地熱能的調(diào)查評價,需要鉆鑿大量的勘探孔,基于地溫地熱能開發(fā)利用的地源熱泵技術,需要鉆鑿豎井或?qū)勇?lián)通井。

核能作為一種高效清潔能源,自20世紀初發(fā)現(xiàn)以來,已成為一種可以大規(guī)模和集中利用的能源,可以代替能源礦產(chǎn)(煤炭、石油和天然氣等),目前主要用于發(fā)電。鈾礦的勘探開發(fā)自從核能被發(fā)現(xiàn)并掌握了其利用方法后,就引起了世界各國尤其是發(fā)達國家的高度重視。我國也不例外,曾經(jīng)成立專門的核工業(yè)部負責此項工作。核工業(yè)部撤消后,現(xiàn)在的核工業(yè)地質(zhì)局仍保留了一支相當規(guī)模的鈾礦勘探隊伍。為適應新的形勢,國家增大了這方面的投入,加大了鈾礦勘探的力度;在其它礦種鉆探工作量處于低迷情況下,2003年以來,鈾礦的鉆探工作量每年達十幾萬米。

現(xiàn)在倍受世界各國重視的21世紀新能源——天然氣水合物的勘探與開采,更是需要高精尖的鉆探取心(樣)技術及復雜的開采技術作后盾才能實現(xiàn)。經(jīng)過多年的研究和精心準備,2008年10月18日我國第一口陸地永久凍土帶天然氣水合物科學鉆探孔DK-1井在海拔4200 m的青海木里地區(qū)正式開鉆,該孔在鉆探取樣過程中,在133.5～135.5 m、142.9～147.7 m、165.3～165.5 m三個層段發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。在此基礎上,2009年又在同一地區(qū)實施了DK-2、DK-3及DK-4鉆孔,并取得了天然氣水合物樣品[9]。鉆進過程中,采用大直徑快速取樣及低溫泥漿護孔護心技術,取得了顯著效果。在高原凍土地區(qū)鉆獲天然氣水合物在世界上尚屬首次,標志著我國天然氣水合物調(diào)查研究和取樣鉆探技術達到國際先進水平。

總而言之,新能源的勘探開發(fā)離不開鉆探技術。

7 結語

低碳經(jīng)濟已成為人類發(fā)展所追求的理想經(jīng)濟發(fā)展模式?！叭丝?、資源、環(huán)境”是可持續(xù)發(fā)展的三大要素,是人類社會在21世紀共同面臨的三大主題。地質(zhì)工作研究人類賴以生存的自然資源和自然環(huán)境,直接涉及“資源”和“環(huán)境”兩大主題?！百Y源”是建設和發(fā)展的基礎,而“環(huán)境”則是建設和發(fā)展的載體。

探礦工程(巖土鉆掘工程)技術與低碳經(jīng)濟有著密不可分的關系,勘探開發(fā)低碳潔凈能源、減少CO2等溫室氣體排放量以及有效儲存已排放的CO2都離不開探礦工程技術的支撐。探礦工程(巖土鉆掘工程)技術自身的發(fā)展和技術水平的提高,有利于保護環(huán)境和植被,可間接服務于碳匯的形成。

[1] 張金昌.探礦工程(巖土鉆掘工程)技術與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2004,(2):1-5.

[2] 胡漢月,等.Smar tMag定向中靶系統(tǒng)工業(yè)實驗研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,(4):6-10.

[3] 顏純文.我國非開挖行業(yè)現(xiàn)狀與展望[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,(10):56-60.

[4] 耿建國,等.煤礦瓦斯抽排井套管強度校核計算方法探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,(10):78-81.

[5] 張金昌.地質(zhì)巖心鉆探技術及其在資源勘探中的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,(8):1-6.

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[7] 冉恒謙,等.我國干熱巖勘查的有關技術問題[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,(10):17-21.

[8] 孫友宏,等.中國地源熱泵技術應用及進展[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,(10):30-34.

[9] 張永勤.國外天然氣水合物勘探現(xiàn)狀及我國水合物勘探進展[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,(10):1-8.

Exploration Engineering Techn iques and Low-carbon Economics

ZHANG Jin-chang(Institute of Exploration Tech-niques,CAGS,Langfang Hebei 065000,China)

Low-carbon economics is the theme of our age and it is taken as an ideal form of national economical develop-ment by all the countries.As a part of the geologicalwork,the exploration engineering(rock&soil drilling and tunneling) is the pioneer of national economic construction,which has inseparable relations with low-carbon economics.This article briefly discussed the relationship of exploration engineering(rock&soil drilling and tunneling)with low-carbon economics and the continuous development of the technique itself.

exploration engineering;Low-carbon economics;low-carbon life;carbon sink;carbon store

P634;X5

A

1672-7428(2010)12-0001-04

2010-10-15

張金昌(1959-),男(漢族),河北唐縣人,中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所副所長(主持工作)、總工程師、教授級高級工程師,中國地質(zhì)學會探礦工程專業(yè)委員會副主任委員,探礦工程專業(yè),工學碩士,從事固體礦產(chǎn)鉆探、水文水井鉆探及工程施工鉆探設備設計和鉆探工藝研究工作,河北省廊坊市金光道77號,jinchang@cniet.com。