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石化技术唤醒“呆矿”钾锂资源

中国石化勘探分公司在四川盆地三叠系海相地层中获钾锂资源突破性发现,经济价值达数万亿元,有望建成我国首个亿吨级海相钾盐基地

来源:中国石化报 时间:2024-05-27 08:24

川宣地2井钻井现场。该井由勘探分公司部署、宣汉县政府出资,部署在普光地区大湾构造北部,是一口深部钾锂资源探采结合井。

项目名片

●名 称:达州地区三叠系钾锂资源勘查关键技术与应用

●时 间:2017年至今

●成 果:创新四川盆地海相深层固液两相钾锂资源成矿与富集理论认识;建立了选区评价体系,形成测井定量计算和地球预测关键技术系列,支撑了国内海相钾盐找矿重大突破。

●意 义:为四川省打造万达开(万州、达州、开州)天然气锂钾综合利用集聚区、建成全国第三大钾肥保供基地、推动建设成渝地区双城经济圈北翼振兴战略支点,提供了支撑。

川宣地2井石盐型杂卤石连续厚度达103米,杂卤石呈斑点状、团块状、薄层状赋存于石盐中,便于采用水溶法低成本、规模化开采,打破了常规杂卤石不易溶于水、在深层为“呆矿”、无法开采动用的固有认识。

一个新的研究领域

近日,中国石化勘探分公司所承担的“达州地区三叠系钾锂资源勘查关键技术与应用”项目获得中国化学矿业协会科学技术奖一等奖。得知这一喜讯,勘探分公司党委书记胡东风说:“该奖项评选标准严格,每两年评选一次,获奖难度极大。首次获此殊荣,无疑是对我们科研实力的极大认可和肯定。”

2017年,国家“十三五”重点研发计划项目——“中国钾盐矿产基地成矿规律与深部探测技术示范攻关”启动。盐湖学和地质矿床学学家、中国工程院院士郑绵平挂帅,中国地质调查局、中国科学院、教育部、中国石化下属的10家骨干单位及多家协作单位参加,联合开展协同创新研究。一个新的研究领域呈现在勘探分公司科研人员面前。

作为一支专业化勘探队伍,勘探分公司拥有长期从事南方复杂条件油气勘探的优秀科研团队,先后发现了普光、元坝、涪陵大气田,具有丰富的攻关经验和创新能力。

四川盆地及周缘已被二、三维地震资料所覆盖,为进一步在面上落实钾盐展布提供了资料基础。同时,普光地区钻井众多,自然伽马能谱等测井系列数据齐全,为含钾盐层的预测识别提供了较好的基础资料。

勘探分公司确定了“油钾兼探”的攻关方向,旨在利用丰富的石油钻测井和物探资料,系统开展深层海相钾盐资源攻关。

为了深入推进研究工作,勘探分公司组建起科研团队。时任勘探分公司总经理、中国工程院院士郭旭升提出了建设性意见:一是加大老井复查力度,充分利用钻井、测井和分析化验资料,明确钾盐矿的赋存状态,结合二、三维地震资料,揭示纵横向展布特征;二是加强富钾层段的取芯和分析化验工作,增加同位素、X衍射全岩、地层水等分析化验工作,深化对钾盐矿的认识;三是开展沉积相序及岩相古地理研究,明确钾盐矿的成因、成矿规律;四是开展测井刻度、定量计算及地球物理预测技术攻关,为钾盐资源的精准勘探提供技术支持。

打破“呆矿”固有认识

能否在四川盆地开辟钾资源新阵地并将其建成我国第四个钾盐资源基地?项目组面临着诸多挑战:常规杂卤石薄、与硬石膏伴生,导致无法被溶解开发动用;富钾卤水点上突破后难于在面上展开;能否实现规模开发动用不明朗……

“面对全新的研究领域,机遇与挑战并存。团队成员充满了对未知领域的兴奋与好奇,同时也对潜在的挑战和困难感到焦虑。在这种背景下,我们深刻体会到了提升自身专业能力的迫切需求。”该项目技术首席苏克露回忆。在集团公司高级专家郑天发的带领下,科研团队查阅了上百份文献和科研资料,成立了定期学习交流小组,不断完善相关知识体系。

为确保研究的科学性和有效性,科研团队制定了详细的工作方案,从选层、选区等基础性工作入手,经过艰苦的野外作业,完成了数十条实测剖面和观察点的数据采集,收集了数以千计的水样和岩样。这些宝贵的数据为编制四川盆地海相成盐成钾剖面提供了坚实支撑。科研人员锁定了三叠系嘉陵江组四五段为最有利的成盐聚钾层段,解决了钾盐勘探选层难题。

“尽管取得了这些进展,但我们仍未发现钾石盐和光卤石等优质可溶性钾盐矿物,这无疑给满怀希望的科研人员带来了沉重打击……”苏克露说。

他们没有气馁,随即开展了百余口石油探井、近万米钻井资料复查,完成了1.5万千米二维地震格架、6900平方千米三维地震解释工作。终于,科研人员在嘉四五段放射性能谱资料中,发现了与石盐相关的钾异常。通过进一步追踪和分析,他们完成多井蒸发岩沉积旋回精细对比分析,揭示了普光地区多口井均有发育,大胆提出了可能发育与石盐伴生的新类型钾盐矿。

“研究成果不断超出预期。我们建立了四川盆地海相钾锂综合柱状图剖面,复查发现了新类型钾盐矿发育迹象,利用三维资料进行预测技术攻关,初步估算出普光地区石盐型钾盐矿资源量达50亿吨。”郑天发说。

2020年7月,由勘探分公司提出井位部署方案,宣汉县政府与中国地质科学院矿产资源研究所共同出资,成功钻探了川宣地1井。该井深3797米,成功钻遇了石盐型杂卤石层33米,钾含量远超工业品位。经专家研究,此类与盐岩伴生的杂卤石厚度大,可采用绿色环保的水溶法进行低成本、规模化开采。至此,四川盆地实现了规模石盐型杂卤石钾盐矿找矿突破,打破了四川盆地杂卤石为“呆矿”的固有认识。

2021年9月22日,中国地质科学院组织专家组对勘探分公司牵头承担的“深部钾盐探测方法与技术研究”项目进行了结题验收。郑绵平对该项目的成果给予了高度评价,认为课题研究聚焦关键问题、成果显著且令人鼓舞,攻关形成了“四川盆地海相含钾盆地富钾资源富集规律、深部地球物理探测技术及未来战略选区”重大标志性成果。

有望建成首个亿吨级海相钾盐基地

近年来,勘探分公司应四川省达州市宣汉县政府邀请,深化企地合作,协助地方政府完成了两轮共计8口井的部署,其中,川宣地1井和川宣地2井的完钻成果尤为显著,分别探获62.81米和103.9米厚的巨层、高品位、可溶采石盐岩新类型杂卤石,接连取得勘探重大突破。同时,在富锂钾卤水的勘探中也取得了新发现。川宣地1井实现日产卤水800立方米,钾离子含量8.45克/升,远超综合利用指标(1.3克/升)和工业开采指标(3.1克/升)。川宣地2井则钻遇70余米裂缝孔隙型储层,锂离子含量为111.5毫克/升,远超工业品位。此外,大湾3井的试水试验也证实了水层富含锂、钾等离子,特别是锂离子含量高达124毫克/升,接近工业品位的2.5倍。这些在三叠系海相地层中钾锂资源的突破性发现,使得原本以“找钾为主”的勘探策略,转变为“钾锂兼探”新方向,为四川盆地三叠系海相钾盐开辟了全新的领域。

普光地区钾锂资源的发现,不仅为宣汉建设国家级新能源产业基地注入了新的活力,也为中国石化在四川盆地油气伴生资源的勘查与利用奠定了坚实的基础。据科研团队初步估算,普光核心区1500平方千米范围内钾资源量达76亿吨,富锂钾卤水资源量达28亿立方米。相关专家进一步测算,富锂钾卤水经济价值在7000亿元以上,新型杂卤石钾盐矿中硫酸钾经济价值在2万亿元以上,这无疑为我国首个亿吨级海相钾盐基地的建设提供了坚实的资源保障。

2019年,中国石化普光气田大湾3井深井成功试水,标志着卤水老井重新勘探开发的进程进一步加快。同年,我国首个深部卤水钾锂综合开发示范园——“中国(普光)锂钾综合开发产业园”在四川达州挂牌成立。该园区瞄准形成钾锂资源开采-初加工-深加工完整工业链,推动地方经济产业升级。钾锂资源综合利用项目更是被列为四川省100个重点推进项目之一。

达到整体国际先进水平

研究的脚步从未停歇,在承担繁重油气勘探任务的同时,科研团队依然凝心聚力,通过系统研究,成功建立了选区评价体系,攻克了新类型杂卤石测井定量解释难题,并创新形成了复杂构造变形条件下新类型钾盐地球物理定量预测技术序列。

团队取得了三项显著的创新成果:一是发现了四川盆地嘉陵江组四五段规模成盐聚钾盆地,并明确了其中发育可水溶开采的石盐型杂卤石和富钾(锂)卤水;二是创新建立了石盐型杂卤石和富锂钾卤水固、液两相资源富集模式;三是创新形成了海相深层复杂构造区钾盐地球物理预测技术序列。

2023年6月16日,四川省科技厅组织了专家评审会,对勘探分公司的项目成果进行了全面评估。经过深入研讨,该项目在新型杂卤石钾盐矿与富锂钾卤水富集条件、成矿规律探索、区带评价与目标优选,以及地球物理评价技术等方面取得的系列创新成果,被鉴定为整体国际先进水平。

勘探分公司科研人员在进行野外地质调查。

持续深化创新攻关 助力钾锂资源可持续开发

□勘探分公司总地质师、副总经理 魏志红

2003年7月,中国石化勘探分公司在普光地区发现国内首个海相整装大气田——普光气田,带动了四川盆地天然气大发展;时光荏苒,20年后,又为宣汉地区筑牢了我国首个亿吨级海相钾盐基地的坚实基础。

宣汉县位于四川达州,其石盐型杂卤石钾盐矿卤水中锂、溴、硼等有用元素均超过了工业品位,综合利用价值不言而喻。这一发现促使普光地区的找矿工作重心从单一“找钾”转变为“锂钾兼探”。星火燎原,这一转变不仅推动了宣汉地区钾盐资源的深入勘探,更以点带面,逐步在大川东地区形成了海相钾盐资源产业基地集群,为我国构建“海陆并举”的钾盐资源产业新格局注入了强劲动力。

作为国家战略资源的锂,被誉为“白色石油”,是支撑战略性新兴产业发展的关键原材料。我国作为全球第一大锂消费国,消费量几乎占据全球半壁江山。随着锂资源需求的迅猛增长,价格亦水涨船高。赣锋锂业、正威国际、蜂巢能源等企业纷纷“抢滩”宣汉县、布局锂电产业,资源优势正逐步转化为经济优势,极大提振了社会资本的投资信心。

勘探分公司科研团队所取得的系列创新成果,经过专家鉴定,达到整体国际先进水平。

在成盐聚钾地质成矿模式方面,深入剖析了石盐型杂卤石和富钾锂卤水的来源,总结出富钾锂卤水源自海水、深刻变质和溶滤钾盐的成因模式。同时,提出了石盐型杂卤石具有原生沉积、构造调整和破裂溶滤的成因模式,系统解决了钾锂资源成因难题。

在钾锂资源空间富集规律方面,发现适度的构造改造条件能够促进石盐型杂卤石的叠加增厚富集,而规模性的裂缝-孔隙型储层则是新类型杂卤石钾盐和富钾锂卤水资源富集的关键。

在固、液两相钾资源地球物理综合预测技术方面,首次明确了石盐型杂卤石的低密、高钾和低钍敏感三参数,并构建了钾指数(KI)特征识别曲线,岩性识别吻合率高达97%。此外,还创新建立了含钾盐层空间约束的石盐型杂卤石地球物理预测关键技术,厚度预测符合率超过85%,成功解决了膏盐岩复杂构造揉皱下地球物理预测难题。

四川盆地深层海相钾锂资源勘探潜力大。在石盐型杂卤石成因和富钾锂卤水富集模式的指导下,科研团队明确了普光、元坝、通南巴地区发育着连续、厚层的规模石盐型杂卤石,最厚处可达100米。这一发现进一步拓展了四川盆地石盐型钾盐矿的时空分布和资源量规模,填补了川东北钾资源的空白。

然而,要实现钾盐资源的商业开发,仍面临着诸多理论和技术难题,科研团队将继续深入攻关研究、提质增效,为钾锂资源的可持续开发利用贡献更大力量。

链接:用途广泛但资源紧缺的钾盐

钾盐是以钾的氯化物和硫酸盐类矿物为主要成分的非金属矿产,包括钾石岩、钾盐镁矾、光卤石、硫酸镁石和氯化钾等。

钾盐矿主要存在于地壳表层或将要干涸的湖泊和海洋的卤水中,最重要的钾盐矿发现于德国、俄罗斯、加拿大、意大利、法国、西班牙和美国。1839年4月,德国在钻探盐矿时发现了钾盐矿床,此后,钾盐工业迅速发展,钾肥的施用量迅速增加。1904年,德国又在莱茵河上游地区发现钾盐矿床。1910年、1915年,德国和法国的两个钾盐矿床开始工业规模生产。2005年,国际市场1/3以上的钾盐产品来自加拿大。

我国的钾资源主要集中在青海柴达木盆地、新疆罗布泊盐湖及西藏藏北盐湖区等地的陆相层系中,地质储量合计10.1亿吨。

钾盐在农业、食品、医药等多个领域被广泛应用,其中,世界上95%的钾盐产品用作肥料,被称为粮食的“粮食”。然而,按照我国钾盐年需求量680万吨且呈逐年递增的趋势预测,20年后我国钾盐资源面临枯竭,农业和国家粮食安全将受到重大影响,因此,其作为我国七大紧缺矿产资源之一,重要性不言而喻。

钾肥进口量及出口量

钾盐的开发利用仍面临挑战

四川因独特的地理条件与丰富的矿产资源孕育了悠久的制盐历史。早在2000年前,四川就建起了一座座盐井,被称作“千年盐都”的自贡拥有汲卤制盐的传统。在自贡一片55平方千米的狭窄土地上,人们先后开凿出了13000多口盐井,架起了最高达118米的井架,有些井深甚至达到了惊人的1000米。

四川盆地三叠纪海相深层富钾卤水分布最广、品质最优,主要分布在川中和川东北等地。20世纪60年代,科研人员在四川盆地拉开了找钾序幕,取得了重要的发现和勘探进展。钾盐勘查经历了“初始发现-浅探”“深部卤水-浅部杂卤石兼探”“深部探液弃固”三个主要阶段,获得了一些点上的突破,但一直未取得规模性突破。

部分探井在深部发现了富钾卤水,在地表浅层发现了钾盐类矿物——杂卤石。据综合预测,四川盆地杂卤石远景资源量高达100亿吨。

这类与硬石膏互层伴生的杂卤石,普遍发育在三叠系,且大部分埋深超2000米,其难溶于水的特性使传统的地下坑道采矿法或水溶法无法对其进行开采利用,通常被视为“呆矿”。因此,四川盆地海相深层中是否真的蕴藏着可供规模性开采的钾盐类“活矿”,成为摆在科研人员面前的重要科学问题。

作为战略性资源的锂

在能源革命浪潮下,绿色低碳发展成为大势所趋,作为动力电池最重要的上游原材料锂资源,在新能源汽车、储能、电动自行车、电动工具等多种应用场景的需求快速提升,价格节节攀升,碳酸锂已由2021年初的每吨不到4万元最高涨为近30万元,目前回落至10万元。诺贝尔化学奖获得者、锂电池之父约翰·古迪纳夫认为,锂是一种“白色的石油”,锂的重要性不亚于石油等战略性资源。

锂是航天设备、新能源汽车、农机装备、新材料、航母军工等领域必不可少的原材料。锂资源主要赋存于含锂盐湖、硬岩锂和含锂深部卤水、油田水、地热水和黏土类矿物中。我国锂矿资源较为丰富且类型多样,锂辉石、锂云母、盐湖锂、地下卤水锂及黏土锂矿均具有开采价值。我国锂矿主要分布于青藏高原(柴达木+藏北)卤水型锂矿带、新疆阿尔泰硬岩型锂矿带、川西硬岩型锂矿带、华南锂矿带等,其中,盐湖锂资源最为丰富。

(责任编辑:王莹)