黑色巖系鈾－氣共探可行性及勘探開發(fā)前景

徐國蒼，張德華，張紅建

（核工業(yè)航測遙感中心，鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心重點實驗室，河北 石家莊050002）

頁巖氣是指賦存于富有機質(zhì)泥頁巖及其夾層中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣，是一種清潔、高效的能源資源。近年來，隨著頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的不斷突破，產(chǎn)量快速增長，效益日趨顯著，對國際天然氣市場及世界能源格局產(chǎn)生了重大影響，世界主要資源國都加大了對頁巖氣的勘探開發(fā)力度。中國頁巖氣資源十分豐富，據(jù)專家估算，可采資源量約為2.6×1013m3[1]，資源潛力可達1×1014m3[2]。經(jīng)過近10年的工作，我國油氣勘探開發(fā)在川、滇、黔、內(nèi)蒙等地已取得可喜成果。油氣地質(zhì)理論與工程技術(shù)方面也有了突破性進展。

我國典型的海相碳硅泥巖主要形成于晚震旦世－早二疊世。在碳硅泥巖沉積建造和中生代陸相 （湖相、沼澤相、湖沼相）沉積盆地含煤碎屑沉積建造等黑色巖系中，鈾－有機質(zhì)含量普遍較高，鈾豐度值一般為 （10～40）×10－6，最高超過100×10－6，是我國碳硅泥巖型鈾礦和油氣藏的主要源巖[3]。我國陸地上 “黑色含鈾－氣巖系”分布廣泛，在滇、黔、川、桂、湘、鄂、贛、豫、陜、甘、寧、蒙、新等地均有分布 （圖1）。

我們在分析對比 “頁巖”和 “黑色含鈾巖系”沉積建造中，鈾－氣存在形式、鈾－氣與有機質(zhì)的相關(guān)性、礦 （藏）分布特征及成礦（藏）控制因素等方面情況，得出的結(jié)論是：黑色巖系中鈾－氣 （油）實質(zhì)上是同源、同生、同儲的整裝共體。它們既是碳硅泥巖型鈾成礦的礦源層，也是形成頁巖氣的烴源層，具有鈾氣共同開發(fā)的基本前提。

鈾、氣共同開發(fā)，不僅可以降低勘探開發(fā)成本，更為重要的是能大幅提高我國核能、燃氣資源的潛在資源量，從而改變我國能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。因此，鈾－氣共探對我囯能源資源開發(fā)具有劃時代意義。

1 碳硅泥巖黑色含鈾巖系與頁巖氣同具5個典型特征

1.1 兩者具有時空分布的一致性

我國黑色沉積建造形成時代跨度漫長，從晚震旦世至古近紀各個地質(zhì)發(fā)展階段皆有分布。以晚震旦世－早寒武世、志留紀、石炭－二疊紀海相碳硅泥沉積建造和中新生代含煤碎屑巖建造最為發(fā)育，在已發(fā)現(xiàn)的頁巖氣藏中，頁巖氣和鈾與黑色沉積建造同層現(xiàn)象普遍存在，層控性十分明顯。

我國黑色沉積建造在空間分布上，具有由南向北、由西向東呈由老變新的變化趨勢。均受陸緣、陸塊邊緣、陸塊裂谷等負向構(gòu)造的控制 （圖1）。

1.1.1 晚震旦世－古生代海相含有機質(zhì)碳硅泥巖型含鈾沉積建造

中國碳硅泥巖型鈾礦大多產(chǎn)在晚震旦世—古生代海相黑色頁巖系含鈾沉積建造中，這種含鈾沉積建造按其形成環(huán)境可分為 “陸緣裂谷帶中的含鈾建造、陸緣裂陷帶中的含鈾建造、陸塊邊緣盆地中的含鈾建造、陸緣活動帶中的含鈾建造”4種類型[4]（表1）。賦礦主巖時代主要為元古代－古生代 （表2）。

圖1 中國陸上黑色頁巖系分布示意圖Fig.1 Distribution map of black shale rock series in China continent

表1 海相碳硅泥巖含鈾沉積建造形成環(huán)境和建造類型Table 1 Types and forming environment of marine uraniferous carbonaceous－siliceos－argillaceos formation

表2 中國碳硅泥賦礦主巖時代Table 2 Hosting rock age of carbonaceous－siliceous－pelitic uranium deposit in China

1.1.2 中－新生代產(chǎn)鈾盆地陸相黑色沉積建造（Mz－Cz）

（1）晚二疊世－白堊紀（P2－K）盆地：發(fā)育在天山褶皺帶中及其南北兩側(cè)古陸塊上，包括準(zhǔn)噶尓、吐哈、伊犁和塔里木等大中型陸相含煤碎屑沉積盆地，盆地基底為前寒武紀老地塊。盆地規(guī)模大，沉積相帶穩(wěn)定，含煤碎屑巖系厚度大，含礦層以侏羅系含煤巖系為主，其次為白堊系。

（2）三疊－侏羅－白堊紀（T－J－K）盆地：包括發(fā)育于華北陸塊前寒武紀地塊之上的鄂爾多斯和揚子陸塊上的四川、楚雄、思茅等大中型盆地，盆地基底為古生代陸表海沉積地層，含礦層以侏羅系－白堊系含煤巖系為主。

（3）侏羅－白堊紀（J－K）盆地：主要發(fā)育于天山、昆侖山、河西走廊一帶，大體呈近東西向展布，均為中、小型山間或山前盆地。

（4）白堊－古近紀（K－E）盆地：主要發(fā)育于北部邊境一帶及我國東南部地區(qū)。前者為一近東西向弧形伸展的盆地帶，如松遼、海拉爾、二連、巴音戈壁等盆地，皆為大、中型斷陷－坳陷盆地，盆地基底以古生界為主；后者分布于我國東南部，受深斷裂或大斷裂控制，呈北東向展布。大多為小型地塹式盆地。

上述盆地中發(fā)現(xiàn)的鈾礦床（化）、油－氣藏的形成都與富有機質(zhì)地層、含煤系地層密切相關(guān)。

1.2 含鈾－氣源巖巖石建造的一致性

含鈾－氣沉積巖石建造均為含有機質(zhì)的頁巖、砂巖、碳酸鹽巖和硅質(zhì)巖。

鈾、氣豐度與有機質(zhì)含量呈正相關(guān)，有機質(zhì)豐度高，含鈾、含氣亦高。因此，鈾成礦區(qū)（帶）與頁巖氣的成礦區(qū)帶應(yīng)一致，鈾潛力資源量大的地區(qū)，也是氣資源潛力大的地區(qū)。前人工作預(yù)測的碳硅泥巖型鈾成礦遠景區(qū)（帶）和找礦靶區(qū)，均可作為頁巖氣勘探開發(fā)的選區(qū)依據(jù)。

1.3 成礦成藏的層控一致性

鈾－頁巖氣成礦成藏受Pz、Mz－Cz盆地含有機質(zhì)煤巖系地層控制。

鈾、煤、天然氣、頁巖氣等礦產(chǎn)資源存在同盆性已經(jīng)成為共識，鈾－頁巖氣與黑色巖系中富有機質(zhì)烴源層密切相關(guān)，具同層共儲的特點。

1.4 鈾－氣存在形式的類同性

有機碳為有機質(zhì)豐度的基礎(chǔ)指標(biāo)之一。劉繼順對贛北、桂北上震旦統(tǒng)—下寒武統(tǒng)碳硅泥巖有機碳和鈾含量分析統(tǒng)計結(jié)果表明，有機碳和鈾含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系[5]（圖2）。Ross等人對頁巖總有機碳含量與含氣量關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，頁巖對氣的吸附能力與頁巖的總有機碳含量之間存在正相關(guān)關(guān)系[6]（圖3）。茍學(xué)敏等對湘黔下古生界黑色巖系有機碳樣品分析結(jié)果（表3）表明，我國南方下寒武統(tǒng)黑色巖系有機碳含量較高，黑色巖系中有機質(zhì)主要來源于淺水臺地邊緣的藻類和菌類生物。郭慶銀等對鄂爾多斯盆地東北緣侏羅系黑色泥巖研究結(jié)果顯示，“同生－成巖介質(zhì)中有機質(zhì)腐酸含量約為24%～35%，極易形成有機質(zhì)黏土復(fù)合物，有利于有機質(zhì)對鈾的吸附作用”，其中鈾與有機質(zhì)正相關(guān)。大量礦源巖研究結(jié)果表明，鈾－氣在黑色巖系中，大多呈有機質(zhì)－泥質(zhì)吸附和部分游離形式存在，迄今發(fā)現(xiàn)的常規(guī)天然氣和碳硅泥巖型鈾礦，大多數(shù)鈾－氣游離物質(zhì)沿開放性（有利空間）構(gòu)造裂隙遷移再聚集，而大量吸附態(tài)鈾和氣卻仍然保存于源巖中，而成為待開發(fā)的鈾－氣資源。

1.5 鈾－氣勘探開發(fā)技術(shù)的通用性

富有機質(zhì)頁巖系鈾－氣同生共儲及它們都以泥質(zhì)有機質(zhì)吸附和游離形式存在，因此，當(dāng)前頁巖氣勘探開發(fā)中所使用的頁巖氣地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、鉆探完井和壓裂技術(shù)等方法，在頁巖系鈾－氣整體勘探開發(fā)中基本上都是實用的。唯一的差別在于鈾、氣解吸和提取方式有所不同，黑色頁巖中氣體分子大部分以物理吸附狀態(tài)存在，在壓裂條件下氣體分子隨著溫度、壓力環(huán)境改變，脫離了吸附體的引力制約，由吸附相變?yōu)橛坞x相，并以氣態(tài)方式沿裂隙聚集直接形成頁巖氣藏；而黑色頁巖系中的鈾，大部分以離子吸附形式存在（酪酰離子），在壓裂條件下，可以用加酸或堿的化學(xué)溶浸的解吸方式通過液態(tài)濃縮（類似于地浸法）來提取。因此，頁巖氣開發(fā)中的壓裂技術(shù)（清水、重復(fù)、同步、多級、縫網(wǎng)等壓裂方法），為黑色頁巖鈾－氣共同開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

圖2 上震旦統(tǒng)—下寒武統(tǒng)中鈾含量與有機碳含量的關(guān)系（據(jù)劉繼順，1992）Fig.2 Content correlation between uranium and organic carbon in Upper Sinian and Lower Cambrian（After LIU Jishun，1992）

圖3 吸附氣含量與總有機碳含量的關(guān)系（據(jù)Ross D J K，et al，2007）Fig.3 Correlation between gas content and total organic carbon（After Ross D J K，et al，2007）

表3 黑色巖系有機碳和有機硫含量Table 3 Contents of organic carbon and sulphur of the Lower Cambrian black shale series in Guizhou and Hunan

2 鈾－氣共勘開發(fā)前景

我國碳硅泥巖 （頁巖）分布甚廣，古生界海相沉積富有機質(zhì)頁巖分布面積約 （100～150）×104km2，中新生代頁巖面積約 （60～100）×104km2，頁巖氣潛在資源量很大 （表4），其遠景資源量期望值約為100×1012m3，是能源勘探開發(fā)的重要目標(biāo)，尤其是隨著頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)——水平井多級水壓裂與重復(fù)壓裂技術(shù)及低品位鈾地浸提取技術(shù)的成熟和配套使用，無疑將進一步飆升鈾、氣資源工業(yè)資源量，提高資源保證度和促進能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變革，為我囯提供大量經(jīng)濟有效的清潔能源。

（1）由于含U （P）碳硅泥沉積建造與頁巖氣 （油）為同源、同生、同儲的整裝共體，因此，鈾成礦區(qū)帶即是頁巖氣成藏區(qū) （帶）。在頁巖氣勘探開發(fā)過程中，可以充分利用鈾勘探開發(fā)資料及鈾資源潛力評價區(qū) （帶）及遠景預(yù)測資料，以加速頁巖中鈾、氣的共同勘發(fā)進程。

（2）數(shù)十年的鈾礦勘查工作，積累了大量的航磁、航放、地面物化探 （地震、電磁法）和勘探工程 （鉆、槽、井、坑道）等資料，在頁巖氣勘探中進行二次開發(fā)利用，對深化和充實頁巖氣藏選區(qū)依據(jù)將起到重要作用。

表4 中國頁巖氣資源預(yù)測Table 4 Forecast of shale gas resource in China

（3）頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)，特別是 “水壓裂技術(shù)”、“水平完孔技術(shù)”，從理論上說應(yīng)適用于碳硅泥巖型鈾的地浸提取，二者之間的差異，僅僅表現(xiàn)為氣相和液相分離濃集方式。該項技術(shù)的應(yīng)用，不僅能降低勘探成本，而且鈾－氣共勘將大幅度提升鈾、氣資源保證量，為推進我國能源的結(jié)構(gòu)變革作出重大貢獻。

3 結(jié)論與建議

從現(xiàn)有資料對比分析得出，黑色巖系碳硅泥巖型鈾礦與頁巖氣在空間分布、源巖巖石建造、成礦成藏控制因素以及存在形式等方面是相同或類似的，它們是同源、同生、同儲的整裝共體。在勘探和開發(fā)方面，將二者有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)同探同采，其方法可行、前景廣闊。據(jù)此，為更好地做好該項工作，特提出如下建議：

（1）為加速全國頁巖氣區(qū)域大調(diào)查和重點勘查區(qū)選區(qū)工作，應(yīng)該充分利用多年來我國碳硅泥型鈾礦普查、勘探的成果和全國鈾資源潛力評價成果，參考鈾礦資源潛力評價遠景區(qū)劃，通過地面物化探和航磁航放解釋成果，查明盆地、鈾－氣整裝地質(zhì)體的三度空間分布，優(yōu)選富有機質(zhì)－富鈾沉積建造發(fā)育地區(qū)，開展鈾－氣共同勘探開發(fā)工作。

（2）鈾－氣共探是一項涉及多學(xué)科 （地、物、化）、多部門的新課題，在國土資源部統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，科研院校等部門需要通力合作，明確分工，攻克難關(guān)，才能取得突破性的進展。

（3）中核集團地礦事業(yè)部應(yīng)積極參與多部門協(xié)作，開展我國鈾－氣資源評價選區(qū)工作，按照優(yōu)選程度制定規(guī)劃，首選鈾－氣共勘試驗區(qū)，先試驗再普及分階段逐步推進。

（4）晚古生代 （C－P）海相沉積盆地和中生代 （T－J－K）陸相含煤沉積盆地中，鈾、油、氣、煤多種能源礦產(chǎn)同盆共存，在我國秦嶺—昆侖一線以北地區(qū)普遍存在 （圖4），因此，在油氣煤勘探開發(fā)過程中應(yīng)兼顧頁巖氣和低品位鈾的勘發(fā)。

（5）加速鈾－氣共勘技術(shù)引進、開發(fā)、創(chuàng)新。加強壓裂地浸采鈾法、鈾－氣分離技術(shù)的研究。

圖4 中國北方主要盆地多種能源礦產(chǎn)同盆共存含礦層位對比 （據(jù)吳朝東等，1999）Fig.4 Basins and strata producing different energy and mineral resource coexisted in northern China（After WU Chaodong，et al，1999）

（6）“頁巖氣”勘發(fā)尚處于起步階段，鈾－氣共探還處在探索之中，涉及的困難很多，如部門之間的合作協(xié)調(diào)、礦權(quán)申報、勘發(fā)資金等，都有待于囯家在政策和資金方面給予扶持。

致謝：孟祥寶、朱琳、寧媛麗等同志為本文資料收集、整理，做了大量工作，深表謝意。

[1]李延鈞，劉 歡，劉家霞，等 .頁巖氣地質(zhì)選區(qū)及資源潛力評價方法 [J].西南石油大學(xué)學(xué)報，2011，33 （2）：29－34.

[2]董大忠，鄒才能，李建忠，等 .頁巖氣資源潛力與勘探開發(fā)前景 [J].地質(zhì)通報，2011，30（2～3）：324－335.

[3]趙鳳民 .中國碳硅泥巖型鈾礦地質(zhì)工作回顧與發(fā)展對策 [J].鈾礦地質(zhì)，2009，25 （2）：91－97.

[4]漆富成，張字龍，李治興，等 .中國碳硅泥巖型鈾礦床時空演化規(guī)律 [J].鈾礦地質(zhì)，2012，28（2）：66－71.

[5]劉繼順 .華南碳硅泥巖型鈾礦床的地質(zhì)特征分析[J].地質(zhì)找礦論叢，1992，7 （1）：103－105.

[6]Ross D J K，Bustin R M.Shale gas potential of the Lower Jurassic Gordondale Member，northeastern British Colunbia，Canada [J].AAPG Bulletin，2007，55 （1）：51－75.