陳旭院士(中)正在觀察巖心中的筆石。
■鄭金武
位於河北燕郊的中國地調局自然資源實物地質資料中心,偌大的倉庫裡保存了數以萬計的礦井巖心實物資料。一排排圓柱形的巖心,是揭示地下地層、礦產分布和油氣特徵的重要證據。
4月19日,中國科學院院士、中科院南京地質古生物研究所古生物與地層學家陳旭帶領十多人的團隊來到這裡,一下車,陳旭就忙不迭地安排隊員們對巖心裡的筆石化石進行觀測記錄。
邀請陳旭前來的是中國地調局油氣資源調查中心學術委員會主任翟剛毅。此前,翟剛毅在雲南昭通綏江地區鑽取的一口頁巖氣礦井巖心中,發現了筆石化石層。而通過筆石化石研究來釐清地層中頁巖氣分布情況,並揭示當地古地理環境特徵,正是陳旭的專長。
發現「黃金卡尺」
筆石動物是一類從莖管系統連續規則出芽的海生群體動物,多為浮遊生活,部分附著於海底,約在5億年前的寒武紀中期出現,在3.5億年前的石炭紀早期絕滅。滄海桑田,筆石動物死後,經億萬年時間洗禮,以化石形式保存在黑色頁巖中。
由於筆石動物很多屬種演化速度快、地層延限短,且全球廣布,因此,筆石常用於早古生代地層的劃分和對比。
但筆石真正成為精確測度頁巖氣地層的「黃金卡尺」,則是因為陳旭的貢獻。
過去幾年,全球頁巖氣勘探與開發進入密集期,我國也積極加大科研攻關,在全國範圍內開展了頁巖氣勘探開發的相關研究。
2015年,國家能源頁巖氣研發(實驗)中心在四川盆地及其周邊地區研究頁巖氣鑽井巖心實物時發現,有幾口鑽井的巖心中,筆石種類豐富,演化序列規則,且與含頁巖氣地層有很好的對應性;但在其他一些鑽井巖心中,卻有一些筆石種類是缺失的;不同的鑽井如何用筆石測定統一的含頁巖氣地層,當時還缺乏科學的標準。
中科院院士、國家能源頁巖氣研發中心主任鄒才能想到了陳旭。「陳旭長期從事我國奧陶紀和志留紀地層學及筆石動物群的古生物學研究,對筆石的系統分類、演化和地理分布,及含頁巖氣地層形成時的古氣候和古地理學都有深厚的造詣。」
自2015年以來的4年時間裡,陳旭率團隊組織了87次針對四川、湖南等地筆石的聯合科考,系統觀測了32口鑽井的巖心實物資料。根據筆石的種類、分布特徵等,陳旭及其科研團隊將四川盆地上奧陶統五峰組的筆石地層按時間順序劃分為4個筆石生物帶,將五峰組地層之上的下志留統龍馬溪組的筆石地層劃分為9個筆石生物帶。這裡的筆石帶,指的是含有特定筆石類型或組合的某段地層,這13個筆石帶因此成了我國頁巖氣產業部門共同採納的地層劃分標準。
「對這13個筆石生物帶的研究發現,五峰組的第二至第三個筆石帶、龍馬溪組的第二至第六個筆石帶,具有產出頁巖氣的普遍特徵。」陳旭介紹,這13個筆石地層,就像一個標尺,只要對鑽井巖心中筆石的種類進行分析,確定其對應於13層中的哪一層,就能確定該巖心是否富含頁巖氣了。
古老學科新應用
開採頁巖氣,不但需要高端的鑽井技術,更需要精準的黑色頁巖地層層位標定,其中生物地層標定是鑽井現場最快速、精準的方法,可以直接指導打鑽至精準的頁巖氣層位。
在中國的南方地區,東至浙江,南至廣西、雲南,西至四川,在寒武紀至石炭紀有著相似的古地理環境,並因此形成了相似的筆石地層。隨著13個筆石帶的確立,可以對這些地區的不同巖心資料進行精確對比研究。
同時,五峰組和龍馬溪組中能夠指示頁巖氣的筆石地層,在中石油、中海油等生產部門的非常規油氣勘探工作中,起著不可替代的「黃金卡尺」作用。
在國家能源頁巖氣研發(實驗)中心副主任王紅巖的背包裡,裝著地質錘、放大鏡和比例尺。「在野外工作中,筆石工作者僅通過一個10倍的放大鏡,即可進行快速現場鑑定,準確判斷地層年代,框定地層框架,進而為各生產部門提供寶貴的指導意見。」
利用筆石這個「黃金卡尺」,結合地球物理學等數據,王紅巖和生物地層小組成員對四川盆地及其周邊的鑽井巖心進行了系統的對比研究,基本查明了頁巖氣產出的規律和地層分布特徵。2018年6月,第27屆世界天然氣大會在美國召開,王紅巖匯報的「頁巖氣十年發展與創新」研究項目,獲得了大會唯一一個勘探生產領域技術與創新獎。
翟剛毅承擔了國家科技重大專項「頁巖氣資源評價方法與勘查技術攻關」項目,將對不同類型頁巖氣進行對比研究,並開展頁巖氣生成機理與富集規律、頁巖氣資源評價方法和參數體系等多方面的科技攻關。雲南昭通綏江的鑽井巖心是其項目中對比研究的案例之一。
「我們希望陳旭院士能夠幫助分析確定巖心中的筆石種類,及其對應的筆石地層層位。這對於我們反演古地理古環境有重要的價值。」翟剛毅說,陳旭對筆石的研究,是一項「陽春白雪」式的工作,而今應用於生產實踐,對頁巖氣選區提供了重要的支撐。
培養更多的實用人才
隨著我國頁巖氣勘探開發的大規模展開,筆石這一「黃金卡尺」對頁巖氣選區的實際指導意義進一步凸顯。培養更多的筆石研究人才,已經迫在眉睫。
在陳旭指導下,由中科院南京古生物所、中石油勘探開發研究院、中石化勘探開發研究院、中國地質調查局等單位的青年科研骨幹,組成了生物地層研究組,自行編寫教材,培養科研技術人才。王紅巖是生物地層研究組組長。
目前,已有多批生物地層研究組的學員畢業,走向頁巖氣生產實踐,成功應用筆石生物地層學的方法精準定位頁巖產氣的有利地層。生物地層研究組組長王紅巖就是其中的一員。
「面向國民經濟主戰場」「面向國家重大戰略需求」是中國科學院新時期的兩大任務。多年來,中科院南京古生物所一直努力推動研究所與產業部門建立實質性的深入合作,真正將科學研究轉化為生產力,為國民經濟發展做出應有的貢獻。
2017年,中科院南京古生物所依託中國科學院資源地層學與古地理學重點實驗室,分別與國家能源頁巖氣研發(實驗)中心及中海油實驗中心籤署了戰略合作及共建聯合實驗室協議。該聯合實驗室將針對中石油、中海油等單位古生物學基礎研究薄弱、地層古生物學應用研究對油氣勘探開發生產的支撐能力停滯不前等問題,提供科研技術支撐和人才培養支撐。
2018年12月,中科院南京古生物所為了加強與各生產部門之間的合作,在中國科學院資源地層學與古地理學重點實驗室諮詢服務工作的基礎上,抽調部分從事地層古生物學基礎研究的力量,特別成立了地層古生物諮詢中心。
據悉,該諮詢中心是研究所與全國能源、沉積礦產等相關部門以及高校、博物館等單位之間開展產學研深度合作的橋梁,將開展古生物巖石樣品分析鑑定、地層和古生物科技諮詢等工作,積極致力於解決國民經濟生產過程中遇到的地層和古生物問題,加快將古生物所科研成果應用到現代化事業中去的步伐。
《中國科學報》 (2019-04-25 第5版 轉移轉化)