锂是自然界存在的一种金属元素，因其具有密度小(0.534 g/cm3)、抗疲劳性能强、氧化还原电位低(-3.04 V)等优势特征[1]，故被广泛应用于电池、陶瓷、玻璃、润滑脂、制冷液以及核工业等重要领域[2]。近年来，我国对温室效应等气候和环境问题日益关注和重视。因受到环境与政策的双重刺激，国内新能源电动汽车等产业飞速发展，带动锂离子电池的消费大幅上涨，其关键原材料之一的锂资源也已逐渐上升为一种战略资源，成为全球竞争的焦点。据报道，2020年我国锂资源需求量为14×104 t，对外依存度高达70%[3]，预计国内对锂资源的需求在2025年会增长至31×104 t，2030年将达到50×104 t(以Li2CO3计)[4]。在当前的资源条件下，未来我国极可能会面临锂矿石、盐湖等锂资源供不应求的局面。研究表明，天然气开发中的副产物——气田水在油气成藏阶段与烃类物质共同经历了漫长的演化过程，与普通地层水相比，其化学组分更复杂，通常具有更高的微量组分含量，因而一些油气田水中的锂含量可能远高于自然界地表河流、湖泊等水体，部分甚至高于盐湖卤水，具有较大的开发利用价值[5]。为此，本综述对国内外锂资源现状及西南油气田含锂气田水资源现状进行了调查分析，以期掌握西南油气田含锂气田水资源情况及重点分布区块，为含锂气田水综合利用提供参考。
根据美国地质调查局(USGS)《Critical Mineral Resources of the United States—Economic and Environmental Geology and Prospects for Future Supply》锂资源部分的报告，全球锂资源主要由卤水型(64%)和硬岩型(36%)两大类组成，如图 1所示。
随着全球锂资源的不断勘探，根据USGS《Mineral Commodity Summary 2021》报道(图 2)，截至2020年，全球已查明的锂资源量约为8 600×104 t(以Li计)(图 2(a))，集中分布在南美玻利维亚(2 100×104 t)、阿根廷(1 930×104 t)和智利(960×104 t)的“锂三角”地区。虽然，从整体数据上来看，全球锂资源储量较为丰富，但部分国家锂资源受到国内开采条件、提锂技术等因素影响，尚未实现大规模自主开发。因而，全球具有一定工业开发利用价值的锂资源储量仅约为2 100×104 t(以Li计)(图 2(b))。
从矿床类型来看，我国的锂资源主要是以盐湖为主的卤水型锂资源，占全国锂资源总量的85%以上，集中分布在青海(753.38×104 t)、西藏(430.50×104 t)和湖北(108.78×104 t)三省，三省查明的资源储量占全国盐湖锂资源总量的99.9%[6]，如图 3所示。
尽管锂资源消费市场因不同地区而有所差异，但其消费市场主要集中在电池、陶瓷、玻璃、助熔剂、聚合物及空气处理等行业。由于以锂为原料制备得到的锂电池具有较高的能量密度与稳定的充放电性能，因而被广泛用于便携式移动设备与新能源电动汽车等设备，加之新能源电动汽车能有效替代传统油气等汽车能源供给方式，显著降低大气CO2排放，全球对新能源电动汽车发展日益重视。新能源电动汽车等行业快速发展带来的消费需求，使得电池行业成为锂资源的最主要消费领域。根据USGS最新数据显示，2020年，全球电池领域锂资源消费占到了锂消费市场的71%(图 4(a))。此外，从近5年锂资源主要消费变化情况也可以看出(图 4(b))，相对陶瓷、玻璃和润滑脂等行业锂资源消费占比逐年下降，电池行业的锂资源消费占比从2016年的39%增大到2020年的71%，5年内相对增长了约0.8倍。
受到电池消费领域快速增长的刺激，国内锂资源主要衍生产品如碳酸锂、氢氧化锂等需求及其价格增长迅速。仅在2021年6月至2022年6月一年内，工业级碳酸锂国内平均价格就从8.7万元/t增长到了46.0万元/t，增长了约428.7%；工业级氢氧化锂国内平均价格从8.9万元/t增长到了47.0万元/t，增长了约428.1%。从目前形式来看，碳酸锂，氢氧化锂等锂资源衍生产品价格仍保持较好的增长势头。
在锂资源分布方面，国内硬岩型锂资源主要分布在四川的甘孜和阿坝等高海拔地区，而绝大部分卤水型锂资源则以盐湖形式分布在青海、西藏等生态环境脆弱的高原地区。上述地区均地处高寒，生态环境恶劣，水、电、气等基础设施配套条件相对较为落后，生活、交通、产业等集群配套较为欠缺，因而导致上述地区锂资源开发条件差、开发程度较低。在提锂技术方面，围绕国内矿石及盐湖锂资源开发，目前已分别形成了以石灰/石灰石法、硫酸法为主的硬岩型矿石提锂工艺和以沉淀法、吸附法、膜分离法、萃取法为主的卤水提锂工艺。其中，矿石提锂技术较为成熟，但传统矿石提锂工艺存在石灰/石灰石、硫酸等原料消耗量大、能耗高、环境污染严重等问题，极大地限制了国内矿石锂资源的开发。卤水提锂技术的关键则在于解决盐湖高镁锂比品位条件下的镁锂分离问题，但国内青海盐湖镁锂比含量普遍较高，锂分离提取难度较大；西藏盐湖镁锂比含量普遍较低，提锂技术相对成熟，可直接开采，但受到西藏地区地理位置、生态环境、运输条件等因素的制约，难以形成规模化生产。
据研究表明，2021-2025年期间，我国动力电池产业锂资源需求旺盛，累计将达到12.9×104 t(以Li计)，但受制于上述锂资源分布及提取技术，国内锂资源开发供应严重不足，使得我国锂资源的对外依存度高达70%，需大量进口碳酸锂等锂矿资源衍生品，这极大地制约了我国新能源电动汽车等产业的快速发展。
据统计，截至2020年，西南油气田在川渝地区已开发气田及构造共计140余个，其中95%的气田及构造产水。例如，在盆地气田勘探过程中发现，仅某3处重点区块(A，B和C)的地层水储量总计就高达13.3×108 m3。目前，西南油气田拥有生产井1 900余口，其中超80%生产井产水，2020年常规气气田累计产水量超120×108 m3。如现A气藏气田水日产量就高达1 600 m3，随着该气藏开采力度的加大，未来该区块气田水日产量预计最高将达到约3 400 m3。综上所述，西南油气田拥有较为丰富的气田水资源。
研究表明，气田水作为地层水在油气成藏阶段与烃类物质共同经历了漫长的演化，与普通地下水相比其化学组分更复杂，通常含有更多的微量组分。据以往研究报道，国内部分盆地气(油)田水中均有较高含量的锂离子，如柴达木盆地、四川盆地、塔里木盆地和江汉盆地[5, 7-12]。其中，柴达木盆地南翼山油田南13、南2-3等油井卤水锂离子质量浓度普遍达到230~261 mg/L[7]，四川盆地普光气田黄金口背斜群高达323 mg/L[8]，尤其是西南油气田矿区范围内的平落4井[9]以及威远气田[10]的气田水中锂离子含量均具有较高的工业品位，具体含量列于表 1。
为进一步掌握西南油气田气田水锂资源情况，根据DZ/T 0212.4-2020《矿产地质勘查规范盐类第4部分：深藏卤水盐类》中深藏卤水盐类矿产一般工业指标和综合评价指标(表 2)，对西南油气田矿权范围内17口井进行了统计分析，其中包括16口取样分析井和1口历史数据井，结果见图 5，图中14井数据来源于《平落坝气田平落20井与平落4井雷4段富钾卤水层对比研究及储量预测》研究报告。
图 5(a)表明，取样各井锂离子质量浓度范围为4.1~131.6 mg/L，约50%取样井气田水中锂离子含量高于最低工业品位(如表 2所示，折算锂离子质量浓度约49 mg/L)，集中分布在位于A区块的1井(126.8 mg/L)、2井(101.2 mg/L)、3井(74.5 mg/L)、6井(86.2 mg/L)、7井(89.5 mg/L)、8井(75.3 mg/L)和位于B区块的10井(109.8 mg/L)、11井(131.6 mg/L)。上述井气田水锂离子质量浓度甚至高于部分国内外盐湖，如表 3所列[11]。
由于镁、锂在元素周期表内处于对角线位置，其性质较为相似，因而卤水中镁离子含量的高低决定了锂资源分离提取的难易程度。通常将镁锂质量比(以下简称镁锂比)小于8的卤水称为低镁锂比卤水。如图 5(b)所示，17口统计井气田水中的镁锂比介于1.5~37.9，相较于青海盐湖约40.3~24 600.0的高镁锂比而言[13]，西南油气田各取样井气田水中镁锂比较低。尤其针对1井、2井、3井、6井和11井等气田水中锂离子品位较高的井，其镁锂比均小于8。综上表明，西南油气田部分气田水中锂资源含量具有较高品位，且相较盐湖而言分离提取难度更低。
钾在植物的生长发育过程中能促进某些重要酶的活化，因而能有效促进植物的光合与呼吸等作用，进一步促进植物的生长与发育，因此被广泛用于肥料的生产；溴是我国的主要化工原材料之一，在制冷、医药、燃料、农药等领域发挥着重要作用。西南油气田部分气井气田水中钾离子与溴离子含量见图 6。如图 6(a)所示：14井气田水中钾离子质量浓度高达53 380.0 mg/L；1井、2井、3井、10井气田水中钾离子质量浓度分别为9 888.9 mg/L、2 989.0 mg/L、3 145.6 mg/L和7 013.2 mg/L，均高于最低工业品位(如表 2所示，折算钾离子质量浓度约2 635 mg/L)。各统计井气田水中还含有极其丰富的溴资源(图 6(b))，除9井外，其余16口井气田水中溴离子质量浓度为101.5~2 521.0 mg/L，均高于溴离子的综合评价指标50~60 mg/L，最高溴离子质量浓度是评价指标的近50倍。取样结果表明，西南油气田气田水中除含锂外，还含有较为丰富的钾、溴等资源，其具体情况列于表 4。
气田水是气田开采过程中的副产物，其组分及含量受生产过程条件的影响可能存在一定波动情况，其中的锂等离子质量浓度的多少直观反映了气田水锂等资源利用价值的高低。因此，为进一步落实锂等资源长周期品位情况，开展了重点井/站场气田水资源的长周期跟踪评价。以3井和4井为例，如图 7所示，3井锂离子质量浓度为74.5~129.8 mg/L，溴离子质量浓度为550.0~618.0 mg/L；4井锂离子质量浓度为51.0~128.1 mg/L，溴离子质量浓度为523.2~602.0 mg/L。上述结果表明，气田水中锂溴资源质量浓度长周期波动较小，具有一定的稳定性，且均高于工业利用品位。综上所述，西南油气田部分气田水的锂含量可能远远高于自然界地表河流、湖泊等水体，部分甚至高于盐湖卤水，同时共存有较为丰富的钾、溴等资源。因此，锂等资源作为气田水资源的重要组成部分，具有潜在的综合开发利用价值。
结合3处重点区块13.3×108 m3地层水储量，初步估算西南油气田高于工业品位的碳酸锂资源量达68×104 t，按照工业级碳酸锂46.0万元/t估算，总价值超3 100亿元。因此，锂资源是西南油气田在天然气开发过程中极具开发利用价值的伴生资源。从20世纪80年代起，研究者就围绕四川盆地气田水综合开发利用开展过相关研究[14-17]，特别针对威远气田水开展了用MR-2成型离子筛提取锂盐扩大试验、空气吹出-氨碱吸收法制取溴化钠中间试验、天然沸石离子交换法提取氯化钾扩大试验。研究表明，采用气田水综合提取碳酸锂、氯化钾、溴化钠时，每处理1 m3气田水当时可收益7.91元。但受制于以往的研究技术，其碳酸锂、氯化钾、溴化钠产品收率整体上偏小[16]。
目前，西南油气田常规气田水仍基本采用地层回注处置方式，该气田水处置方式不仅会耗费大量生产成本，还会造成气田水中锂等资源严重浪费。因此，在气田水处置过程中开展锂等资源综合利用具有以下优势：①将气田水锂等资源利用与西南油气田主力气藏开发相结合，保障主力气藏生产的同时，实现锂等资源利用，摊薄地面气田水处置费用；②将气田水锂等资源利用与西南油气田老气藏开发相结合，在一定程度上缓解气藏水淹问题，提高单井天然气产量及气藏采出率；③转变现有气田水处置方式，实现气田水变废为宝。
(1) 目前国内锂资源对外依存度较高，西南油气田储层水资源丰富且重点区块部分井气田水中锂资源品位较高，最高达131.6 mg/L，具有潜在的开发利用价值。
(2) 西南油气田气田水中除含锂外，还含有较为丰富的钾(最高达53 380.0 mg/L)、溴(最高达2 521.0 mg/L)等资源，同时锂、溴等资源含量长周期波动较小，建议在锂资源利用基础上开展资源综合利用工作。
(3) 西南油气田气田水中锂资源的开发利用对于油气田企业新能源板块战略发展、创造新的经济增长点、形成西南油气田天然气开采和气田水锂等资源利用深度融合发展具有重要意义，建议开展气田水中锂资源利用工程示范项目。
(4) 依托西南油气田各站场现有生产、回注及转水井，建议由易到难，分阶段、分步骤开展含锂气田水利用工作。前期，以天然气生产为主，依托气水同采井，在回注或达标外排基础上实现含锂气田水利用，摊薄西南油气田气田水处理成本；中期，依托底水或边水等水侵井，可加大排水采气力度，在增大单井天然气采出率的同时，实现含锂气田水利用；后期，以水资源利用为主，依托枯竭气藏废弃枯竭井，重点开采深层卤水开展水资源综合利用。
2023, Vol. 52 Issue (2): 41-47 2023, Vol. 52 Issue (2): 41-47