孫友宏：油頁巖里蘊藏的中國夢

本刊記者 錢朝軍

2009年，教育部、財政部啟動了產(chǎn)業(yè)“躍升計劃”專項“國家潛在油氣資源（油頁巖勘探開發(fā)利用）產(chǎn)學(xué)研用合作創(chuàng)新項目”，吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院院長孫友宏擔(dān)任項目執(zhí)行總負責(zé)人。經(jīng)過4年多的鉆研，如今，項目已取得突破性成果。

時不我待的油頁巖資源開發(fā)

吉林大學(xué)20000平米建筑面積的油頁巖綜合樓實驗基地里，身為“國家潛在油氣資源（油頁巖勘探開發(fā)利用）產(chǎn)學(xué)研用合作創(chuàng)新項目”執(zhí)行總負責(zé)人的孫友宏眼睛正緊緊地盯著實驗設(shè)備中大大小小幾塊褐色的石頭。這些石頭從外表上看來與其他普通的石頭幾乎沒什么兩樣，不過如果拿起一塊往地上一摔，就會摔成許多片狀的碎塊，看起來就像一頁頁的紙疊起來似的，人們因此管它叫油頁巖。

油頁巖是由中生代或新生代的低等藻類生物、高等水生、陸生植物的殘體腐解的有機質(zhì)與淤泥、粉沙等形成腐泥物質(zhì)，經(jīng)成巖作用和揮發(fā)物質(zhì)散失等物理化學(xué)作用沉積而成。是一種高灰分的固體可燃有機沉積巖，有機質(zhì)含量較高，含油率通常在3.5-10%，發(fā)熱量是煤發(fā)熱量的30-50%。

孫友宏教授將其中一塊油頁巖插上兩個“針頭”，這是一個電極，我們假設(shè)這是油頁巖地層，在上面鉆兩個孔，分別下入電極的正極和負極，通過地下高壓電，把巖層擊穿，產(chǎn)生石墨化裂隙，然后再通過工頻電對它進行加熱，這樣就能提取頁巖油。

眾所周知，石油是當今世界最主要的能源之一，一直是關(guān)乎世界各國政治版圖、經(jīng)濟發(fā)展和民眾生活的重要議題。我國是世界最早發(fā)現(xiàn)和利用石油的國家之一，但是目前我國的石油儲備量僅占全球的2%，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油對外依存度還在逐年增加，至2014年中國原油對外依存度已逼近60%。如何開發(fā)利用潛在的油氣資源是緩解現(xiàn)今能源危機、提高油氣資源產(chǎn)能和保證國家能源安全最有效的途徑之一，已成為一件迫在眉睫的大事。

在這種情況下，油頁巖資源的勘探開發(fā)和利用的問題被迫切地擺到了我國科研工作者的案頭。油頁巖蘊藏著干酪根物質(zhì)，石油和天然氣都是由此生成，未來可作為石油和天然氣的替代資源。孫友宏手中的一份新一輪全國油頁巖資源評價結(jié)果顯示：全國預(yù)測油頁巖資源7256億噸，頁巖油資源476億噸，相當于傳統(tǒng)石油探明儲量的1.5倍，居世界第4位，開發(fā)利用的潛力巨大。

孫友宏教授向記者介紹，油頁巖全身上下都是寶，可以干餾提取頁巖油、瓦斯氣，還可用于發(fā)電和供暖。干餾和發(fā)電后的灰渣可用于提取化工產(chǎn)品、稀土與貴重金屬，加工生產(chǎn)建筑材料、多功能材料等。但是在此之前的一百年間，我國對油頁巖的勘探、開發(fā)和利用的能力還很有限，原因在于技術(shù)難度大和成本高等原因，一直未能大規(guī)模開發(fā)利用。

根據(jù)我國未來油氣資源的戰(zhàn)略需求，結(jié)合我國油頁巖資源實際地質(zhì)條件和開發(fā)利用現(xiàn)狀，孫友宏所在的吉林大學(xué)聯(lián)合國內(nèi)外6家大學(xué)、3家研究所和7家生產(chǎn)單位等16家油頁巖領(lǐng)域的優(yōu)勢單位，于2009年8月向國家教育部和財政部提出了“國家潛在油氣資源（油頁巖勘探開發(fā)利用）產(chǎn)學(xué)研用合作創(chuàng)新項目”的申請。2010年1月18日，教育部在長春組織召開了各合作單位參加的項目啟動會，標志著項目的正式啟動。而該項目的執(zhí)行總負責(zé)人的重擔(dān)就落在了孫友宏教授的肩上。

強大的團隊方能締造創(chuàng)新模式

孫友宏教授始終堅定地認為，做好一個科研項目，絕非是一兩個人能夠完成的，必須依靠一個強大的團隊，跨學(xué)科、多工種地形成一個系統(tǒng)，按照科研規(guī)律辦事，持之以恒肯定會有成果。這一次的“油頁巖”項目便匯集了吉林大學(xué)、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）、中國石油大學(xué)（北京）、中國地質(zhì)裝備總公司等多個單位聯(lián)合參與，堪稱油氣資源行業(yè)的國家隊。不僅如此，項目組還聘請了李廷棟院士等17位專家作為項目科技與咨詢委員會成員，是團隊的堅強后盾和智囊。政府也從政策、環(huán)境、資金等項目開展的各個方面給予了全力支持和配合。因此，盡管項目很大，難度不小，但是孫友宏教授自始至終都保持著必勝的信心。

目前，工業(yè)上對油頁巖資源的利用主要是通過傳統(tǒng)露天開采，將油頁巖礦石開采到地表后，再經(jīng)過低溫干餾，制取頁巖油或燃燒發(fā)電。這種技術(shù)屬于粗放型，每次只能提煉出5%-7%的頁巖油，卻產(chǎn)生超過90%的廢渣。廢氣、廢水和廢渣污染環(huán)境，這成了世界性難題。美國和國際上一些大型石油公司一直在致力于油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)的研發(fā)，直接給地下的油頁巖層加熱，使它在地下裂解，生產(chǎn)出頁巖油和天然氣，最后通過生產(chǎn)井把油氣開采出來。但由于技術(shù)開發(fā)的難度太大和使用條件的限制，至今未能商業(yè)化生產(chǎn)。而在此之前，我國在油頁巖原位開采技術(shù)上的研究幾乎還是空白，在基礎(chǔ)理論研究和工藝技術(shù)研究上也基本屬于起步階段。

所有的困難并沒有嚇退孫友宏教授和他的團隊，熟悉他的人都了解，他是一個越遇到挑戰(zhàn)越興奮的人。在孫友宏教授的字典里，只有“迎難而上”，沒有“挫折退縮”。團隊核心負責(zé)人之一郭威教授也提到，孫教授除了對自己嚴苛外，還經(jīng)常跟著課題組早晨七點工作到凌晨十二點，這是常有的事，逢年過節(jié)也是如此。有的時候甚至為了一個項目匯報材料或解決一個技術(shù)難題一干就是通宵。因為在他們看來，科研過程中如果沒有一個個需要攻克的難關(guān)，科研成果就不能領(lǐng)先別人。反復(fù)發(fā)現(xiàn)和解決問題正是不斷提高科研成果含金量的過程。

在孫友宏教授的精神感染下，項目組的全體成員經(jīng)過四年艱苦決絕的奮斗，針對我國油氣資源領(lǐng)域未來發(fā)展的重大科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)難題，圍繞六大創(chuàng)新平臺和六大攻關(guān)課題進行關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)的攻關(guān)研究與重大技術(shù)裝備的研發(fā)取得了重大突破。

回憶起過去的上千個日日夜夜，孫友宏教授動容地表示，團隊的每一位成員都付出了常人難以想象的精力和心血。尤其是像在出野外的科研中，環(huán)境條件非常艱苦，但是大家都能夠堅守，哪怕離家只有幾十公里的距離，也沒人提出回家去住，而是為了科研的順利進行，幾過家門而不入的常駐野外。

就是這樣一群“當代大禹”，向自然界進行著自我挑戰(zhàn)。團隊先后建設(shè)24個油頁巖相關(guān)實驗室，組成了6個科技創(chuàng)新平臺，具備了油頁巖研發(fā)所需的優(yōu)越條件。在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面，以油頁巖地下原位開采技術(shù)和油頁巖綜合利用技術(shù)為重點，開展了油頁巖資源從評價、勘探、開采、利用到環(huán)保的關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。

團隊完成了松遼、樺甸、梅河等重點含油頁巖盆地進行資源評價，優(yōu)選出扶余-長春嶺和農(nóng)安-永安兩個優(yōu)質(zhì)油頁巖含礦區(qū)作為油頁巖產(chǎn)學(xué)研用項目的野外試驗基地，評價了試驗基地的區(qū)域地質(zhì)特征與水文地質(zhì)條件、研發(fā)了污染物遷移轉(zhuǎn)化過程模擬系統(tǒng)。

團隊還自行研發(fā)了JLEM12型電磁探測系統(tǒng)、便攜式現(xiàn)場近紅外光譜儀、原位高溫高壓光纖監(jiān)測系統(tǒng)、油頁巖礦層識別與綜合處理系統(tǒng)等性能卓越的儀器設(shè)備，形成了我國自主產(chǎn)權(quán)的油頁巖地球物理探測關(guān)鍵技術(shù)與儀器。

特別值得一提的是，在油頁巖原位裂解技術(shù)方法的研究中，團隊結(jié)合中國特殊的油頁巖埋藏特點，研發(fā)了近臨界水地下原位裂解技術(shù)（SCW法）、地下原位高壓－工頻電加熱技術(shù)（HVF法）和地下原位局部化學(xué)法（TS法）三種油頁巖的原位轉(zhuǎn)化工藝。

近臨界水法原位裂解技術(shù)是以近臨界水作為傳質(zhì)介質(zhì)和提取劑，在地下經(jīng)過浸潤、溶脹、滲透和提取的過程，可將油頁巖內(nèi)部的干酪根有機質(zhì)裂解成油氣產(chǎn)物，并由循環(huán)的近臨界水攜帶采出。

局部化學(xué)反應(yīng)法原位裂解技術(shù)是吉林大學(xué)和以色列科學(xué)家合作開發(fā)的油頁巖原位轉(zhuǎn)化新技術(shù)。該技術(shù)將熱燃氣和空氣的混合氣體注入到地下油頁巖層，通過化學(xué)熱強化處理的過程在油頁巖層引發(fā)局部化學(xué)反應(yīng)，進而可經(jīng)濟、高效地提取出頁巖油。

高壓-工頻電加熱原位裂解技術(shù)由吉林大學(xué)與俄羅斯托木斯克理工大學(xué)共同研發(fā)，該技術(shù)首先利用高壓電擊穿油頁巖層，使其內(nèi)部形成具有強導(dǎo)熱與導(dǎo)電能力等離子導(dǎo)電通道，然后通過外加工頻電壓即可實現(xiàn)對油頁巖層加熱，裂解出頁巖油，大大提高了加熱效率。

在孫友宏教授的筆記本中精心記載著每一次試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)，這三種原位轉(zhuǎn)化技術(shù)都已在實驗室獲得了成功，為油頁巖原位開發(fā)技術(shù)的工程實施提供了大量的實驗數(shù)據(jù)。孫友宏教授介紹說，實現(xiàn)油頁巖地下原位開采技術(shù)，不僅能緩解我國油氣資源緊缺的局面，更能實現(xiàn)生態(tài)環(huán)保，形成技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、學(xué)術(shù)體系鏈，以及專門的新興學(xué)科領(lǐng)域。

團隊針對我國油氣資源領(lǐng)域未來發(fā)展的重大科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)難題，形成了我國未來油頁巖資源勘探開發(fā)利用可持續(xù)的創(chuàng)新能力。取得了一批創(chuàng)新性的基礎(chǔ)理論成果和具有自主知識產(chǎn)權(quán)的重大技術(shù)成果，項目完成期間，已發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文266篇，其中SCI收錄101篇，EI、ISTP收錄87篇；申請專利48項，其中發(fā)明專利25項；完成軟件著作6項；逐步構(gòu)建國家油頁巖資源勘探開發(fā)利用的技術(shù)體系和服務(wù)體系，建立了一種以大學(xué)為依托、“產(chǎn)學(xué)研用”合作創(chuàng)新的新模式與新機制，進行了科研組織模式、管理體制和運行機制等方面的探索與試點，建立了一套有利于發(fā)展的創(chuàng)新模式。

“結(jié)束”是另一種開始

油頁巖地下原位裂解野外先導(dǎo)試驗規(guī)劃

“油頁巖”的項目大部分課題都已結(jié)束驗收，這一點意味著，在尋找替代資源的路上，我們又向前邁出了堅實的一步。談及未來，孫友宏教授表示這個項目雖然已經(jīng)基本結(jié)束，但是要做的事情還有很多，“結(jié)束”只是另一種開始。

首先便是要穩(wěn)定住這支現(xiàn)有的隊伍。這支無堅不摧的團隊是獲得最終勝利的基石，他正在積極向國家申請油頁巖的國家地方聯(lián)合工程實驗室，希望能夠得到國家的后續(xù)支持，讓這支人馬就項目中的有些難題繼續(xù)進行攻關(guān)。吉林省委省政府對此十分重視，作為這一項國家級科研計劃的延伸，特別資助吉林大學(xué)開展該課題研究，先后從吉林省的“雙十”重大項目和新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)項目給予支持。

其次，孫友宏教授迫切地希望團隊的研究成果能夠推廣出去，真正意義上實現(xiàn)科研成果的實用化和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)換，能為祖國的建設(shè)發(fā)展出一份力，因為他覺得科研不能只是空中樓閣，只有能夠解決實際問題的科研成果才有價值。能否和企業(yè)做好對接，能否利用企業(yè)的優(yōu)勢來推動自身，這個非常關(guān)鍵，正所謂“一個有效的市場需求勝過10所大學(xué)”。如何把優(yōu)勢資源轉(zhuǎn)變成優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，加快推進油頁巖開發(fā)利用，將是一個巨大的考驗。

孫友宏教授和他的團隊同事們依舊在為油頁巖不停的忙碌著，就在不久前的2014年底，國際油頁巖勘探開發(fā)利用學(xué)術(shù)研討會暨第八屆亞洲太平洋地區(qū)地質(zhì)資源與地質(zhì)工程國際學(xué)術(shù)會議在吉林大學(xué)舉辦。來自中國、俄羅斯、以色列、德國、美國、澳大利亞的油頁巖勘探開發(fā)利用和地質(zhì)資源與工程領(lǐng)域的100余名著名專家學(xué)者參加了會議。會議圍繞油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)；油頁巖地面干餾、發(fā)電相關(guān)技術(shù)；油頁巖綜合利用技術(shù)；油頁巖資源評價和環(huán)境保護；吉林省油頁巖原位開發(fā)與綜合利用技術(shù)5個主題展開。擔(dān)任會議組委會主席的正是孫友宏教授。

“我國的油頁巖地下原位轉(zhuǎn)化開采如果實現(xiàn)了，世界其他地區(qū)的油頁巖地下原地開采問題也會迎刃而解。”這是本次會議之后，孫友宏教授和他的同事們嘴上最常掛著的一句話。這樣一批有著胸懷和擔(dān)當?shù)男聲r代中國科研工作者，他們將繼續(xù)在油頁巖開發(fā)利用這條艱苦的道路上風(fēng)雨兼程，奮勇前行。