頁巖氣：全球油氣資源開發(fā)的新亮點(diǎn)——我國頁巖氣開發(fā)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題*

張鴻翔

隨著世界各國對于化石資源需求的不斷攀升，各國能源壓力日益增大。非常規(guī)天然氣作為常規(guī)油氣的重要戰(zhàn)略接替能源，近年來已引起各國政府和科學(xué)界的廣泛關(guān)注。非常規(guī)與常規(guī)天然氣的定義不是按成因進(jìn)行的分類，而主要是按天然氣的賦存狀態(tài)進(jìn)行界定。常規(guī)天然氣是指賦存在常規(guī)的構(gòu)造、地層等圈閉類型中的氣；其余賦存狀態(tài)的天然氣可通稱為非常規(guī)天然氣，包括：煤層氣（主要為煤層吸附儲存）、深層氣（位于當(dāng)前勘探目的層以下，傳統(tǒng)生氣窗以下生烴）、致密砂巖氣、頁巖氣、水溶氣（天然氣溶解在水中）、天然氣水合物等。頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣[1]，其通常分布在盆地內(nèi)厚度較大的頁巖烴源巖地層中。與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣開發(fā)具有資源潛力大、開采壽命長和生產(chǎn)周期長的優(yōu)點(diǎn)，頁巖氣田開采壽命一般可達(dá)30—50年，甚至更長。美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局最新數(shù)據(jù)顯示，美國沃思堡盆地Barnett頁巖氣田開采壽命可達(dá) 80—100年，預(yù)示了頁巖氣巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 頁巖氣的儲量與國內(nèi)外開發(fā)現(xiàn)狀

全球頁巖氣資源分布廣泛，儲量約為456.23×1012m3，相當(dāng)于煤層氣和致密砂巖氣的總和[2]，主要分布在北美、中亞和中國、中東和北非、拉丁美洲、蘇聯(lián)等地區(qū)（圖1）。

圖1 全球潛在可開發(fā)的頁巖氣分布

目前取得開采成功的主要是美國和加拿大。2000年以來，由于相關(guān)勘探開發(fā)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，頁巖氣的年產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可采儲量迅速攀升。2000年，美國頁巖氣年產(chǎn)量為 122×108m3（圖 2），美國天然氣研究所與ARI公司的研究數(shù)據(jù)表明，2007年美國頁巖氣生產(chǎn)井近42000口，頁巖氣年產(chǎn)量為450×108m3,約占美國年天然氣總產(chǎn)量的8%[3]。2009年美國頁巖氣產(chǎn)量接近1000億m3，超過我國常規(guī)天然氣的年產(chǎn)量（2009年我國天然氣產(chǎn)量830億m3），基本彌補(bǔ)了美國天然氣的市場缺口，也擺脫了美國對外天然氣市場的依賴，從而直接影響了世界天然氣市場的價格，具有重要的政治和經(jīng)濟(jì)雙重意義。

圖2 美國的頁巖氣前景

目前，除美國和加拿大外，澳大利亞、德國、法國、瑞典、波蘭等國家也開始了頁巖氣的研究和勘探開發(fā)，頁巖氣勘探開發(fā)正由北美向全球擴(kuò)展，2009年12月，石油巨頭埃克森美孚石油公司以310億美元巨資收購非傳統(tǒng)天然氣公司XTO能源公司，這是迄今為止最大金額的頁巖氣合同；法國道達(dá)爾石油公司2010年1月以8億美元的價格獲得切薩皮克石油公司位于得克薩斯州的Barnett頁巖氣項(xiàng)目的25%股權(quán)[4]。頁巖氣已成為全球油氣資源勘探開發(fā)的新亮點(diǎn)，必將改變世界油氣資源勘探開發(fā)的格局。

我國頁巖氣資源潛力大且地質(zhì)條件優(yōu)越，據(jù)估算，頁巖氣可采資源量約為26萬億m3，與美國大致相當(dāng)。從現(xiàn)有資料分析，除分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準(zhǔn)噶爾等含油氣盆地外，在我國廣泛分布的海相頁巖地層、海陸交互相頁巖地層及陸相煤系地層也都有分布。海相富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖最主要發(fā)育于下古生界的下寒武統(tǒng)、下志留統(tǒng)——上奧陶統(tǒng)頂部，以揚(yáng)子克拉通地區(qū)最為典型。上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)普遍發(fā)育的黑色泥頁巖，有機(jī)碳含量高，最高達(dá)到12%，為我國頁巖氣勘探最有潛力的地區(qū)[5]。以四川盆地為例，僅評價的寒武系和志留系兩套頁巖，頁巖氣資源量就相當(dāng)于該盆地常規(guī)天然氣資源量的 1.5—2.5倍[6]。

2004年，國土資源部油氣中心與中國地質(zhì)大學(xué) （北京）開始調(diào)研我國頁巖氣資源狀況，2009年在全國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)專項(xiàng)中，實(shí)施了“中國重點(diǎn)地區(qū)頁巖氣資源潛力及有利區(qū)帶優(yōu)選”項(xiàng)目，并在重慶市彭水縣連湖鄉(xiāng)實(shí)施了我國第一口頁巖氣戰(zhàn)略調(diào)查井（圖3），見到了良好的頁巖氣顯示[6]，標(biāo)志著繼美國和加拿大之后，中國正式開始這一新型能源頁巖氣資源的勘探開發(fā)。

圖3 國內(nèi)第一口頁巖氣勘探井彭水開鉆

2 頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵問題

2.1 地質(zhì)控制條件評價

頁巖氣和傳統(tǒng)的油氣勘探在地質(zhì)控制條件上有著很大差別，常規(guī)油氣勘探地質(zhì)條件可概括為：“生、儲、蓋、運(yùn)、圈、保”，而頁巖氣沒有“蓋”、“運(yùn)”、“圈”、“?！钡膯栴}，“生”就是“儲”，“蓋”也是“儲”。

高產(chǎn)且經(jīng)濟(jì)效益好的頁巖氣大多為含油氣系統(tǒng)中主力烴源巖，尤以受上升洋流影響、傾油混合型干酪根為主的海進(jìn)體系黑色頁巖為佳，且現(xiàn)今處于大量生氣階段或充注過程中，既保存了較高的殘余有機(jī)質(zhì)豐度，儲集大量吸附氣，又能新增一定孔隙度，容納足夠數(shù)量的游離氣，有助于提高基質(zhì)系統(tǒng)的滲透性，使生產(chǎn)井保持較高產(chǎn)氣速度，規(guī)模化開發(fā)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化[7]。

我國頁巖氣勘探才剛剛起步，目前研究主要集中在頁巖氣成藏條件和有利區(qū)評價方面。受復(fù)雜地質(zhì)背景和多階段演化過程的影響，我國含油氣盆地類型多、盆地結(jié)構(gòu)復(fù)雜，盆地的不同演化規(guī)律直接控制著富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖的發(fā)育與分布[8]。盡管頁巖氣成藏機(jī)理?xiàng)l件可與美國頁巖氣地質(zhì)條件進(jìn)行比對，但我國頁巖氣的主要儲層與美國有很大區(qū)別，如四川盆地的頁巖氣層埋深比美國大:美國的頁巖氣層深度在 800—2600m,四川盆地的頁巖氣層埋深在2000—3500m[9]。因此需要建立適合于我國地質(zhì)條件且對我國頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)具有指導(dǎo)意義的中國頁巖氣地質(zhì)理論體系。應(yīng)重點(diǎn)研究我國頁巖發(fā)育的構(gòu)造背景、成藏條件與機(jī)理 （成藏主要受控于頁泥巖厚度、面積、總有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、礦物巖石成分、壓力和溫度等因素）、頁巖成烴能力（如有機(jī)質(zhì)類型及含量、成熟度等）、頁巖聚烴能力（如吸附能力及影響因素等）、含氣頁巖區(qū)域沉積環(huán)境、儲層特征、頁巖氣富集類型與模式，系統(tǒng)研究我國頁巖氣資源分布規(guī)律、資源潛力和評價方法參數(shù)體系等。

2.2 戰(zhàn)略選區(qū)

作為可商業(yè)規(guī)?；_采的頁巖氣，戰(zhàn)略選區(qū)是頁巖氣勘探開發(fā)前的基礎(chǔ)性、前瞻性工作，除了地質(zhì)控制因素的考慮，還應(yīng)特別重視頁巖氣開發(fā)可行性。我國頁巖氣起步階段應(yīng)首先要考慮海相厚層頁巖中那些總有機(jī)碳含量大于1.0%、Ro介于1.0%—2.5%之間、埋深介于200—3000m之間、厚度大于30m的富含有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育區(qū)；其次考慮海陸交互相富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖與致密砂巖和煤層在層位上的緊密共生區(qū)；但同時要研發(fā)不同類型天然氣資源多層合采技術(shù)；對于湖相富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖，重點(diǎn)考慮硅質(zhì)成分高、巖石強(qiáng)度大、有利于井眼穩(wěn)定的層系[8]。

2.3 技術(shù)

頁巖氣開發(fā)相對常規(guī)天然氣來說，因頁巖氣藏的儲層一般呈低孔、低滲透率的物性特征，通?？紫抖茸罡邇H為4%—5%，滲透率小于1×10-3μm，氣流的阻力比常規(guī)天然氣大，需實(shí)施儲層液壓破碎才能開采[10]。目前頁巖氣的開采技術(shù)主要有水平井+多段壓裂技術(shù)、清水壓裂技術(shù)和近期出現(xiàn)的最新壓裂技術(shù)——同步壓裂技術(shù),創(chuàng)新的水平井鉆井和完井技術(shù)是保證生產(chǎn)成功的關(guān)鍵。采用水力壓裂和水平井技術(shù)、微地震裂縫成像技術(shù)，能直接監(jiān)測水力裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展動態(tài)，可極大地提高頁巖儲層中頁巖氣的開采量[11]。正是這些先進(jìn)技術(shù)的加速研發(fā)和成功應(yīng)用,促進(jìn)了美國頁巖氣開發(fā)的快速發(fā)展[9]。

目前我國已在地震儲集層預(yù)測、大型壓裂應(yīng)用于低滲透氣藏儲集層改造、裂縫性油藏壓裂井產(chǎn)能評價以及微地震監(jiān)測技術(shù)等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但目前的技術(shù)儲備尚難以解決我國的頁巖氣勘探開發(fā)問題。要遵循我國頁巖氣資源的地質(zhì)條件、成藏特點(diǎn)等客觀規(guī)律，加大地質(zhì)理論與配套關(guān)鍵技術(shù)的研究力度，應(yīng)充分利用技術(shù)上的“后發(fā)優(yōu)勢”，引進(jìn)吸收和提高創(chuàng)新地球物理、地球化學(xué)、鉆探完井和壓裂等技術(shù)方法、頁巖氣儲層評價技術(shù)、射孔優(yōu)化技術(shù)、水平井技術(shù)和壓裂技術(shù)，提高頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)水平。

2.4 環(huán)境

頁巖氣本身是一種潔凈能源，燃燒產(chǎn)生的二氧化碳僅為煤的50%，但由于目前開發(fā)主要采用的壓裂法，每次液壓破碎需要200萬—400萬噸水，而且在注入的壓裂液中會加入化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)可能會對地下水產(chǎn)生污染。類似于現(xiàn)在國家大力推廣的太陽能發(fā)電，太陽能本身是一種低碳環(huán)保的新型能源，但其使用的多晶硅則是一種高耗能高污染的材料。2010年4月20日英國石油公司（BP）在墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺爆炸所造成的生態(tài)災(zāi)難至今仍未控制。油氣開采環(huán)節(jié)的環(huán)境災(zāi)難是油氣行業(yè)不可回避的一個嚴(yán)重問題，需要高度重視對頁巖氣開采中潛在污染的評估。

2.5 政策

美國頁巖氣發(fā)展速度之快，離不開國家政策上的支持和先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)，而這是我國目前所不具備的。20世紀(jì)70年代末，美國政府在《能源意外獲利法》中規(guī)定了非常規(guī)能源開發(fā)稅收補(bǔ)貼政策，得克薩斯州自20世紀(jì)90年代初以來，則更進(jìn)一步明確了對頁巖氣的開發(fā)不收生產(chǎn)稅；另外，美國還專門設(shè)立了非常規(guī)油氣資源研究基金[12]。一系列有利的政策支持大大降低了頁巖氣開發(fā)成本，刺激了美國頁巖氣的迅猛發(fā)展。

天然氣的價格因素也是限制頁巖氣發(fā)展的一個原因，我國天然氣價格較之國外市場明顯偏低，2009年金融危機(jī)時，美國天然氣價格為120—180美元/1000立方米，而我國華北地區(qū)為70多美元/1000立方米，這在一定程度上挫傷了國內(nèi)頁巖氣市場的積極性，不利于頁巖氣行業(yè)的發(fā)展。

國家財政應(yīng)加大對頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查的投入，鼓勵社會資金投入，對頁巖氣開采企業(yè)增值稅實(shí)行先征后退政策，企業(yè)所得稅實(shí)行優(yōu)惠等特殊的行業(yè)政策。

2.6 合作

2007年10月，中國石油天然氣集團(tuán)公司與美國新田石油公司簽署了“威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣聯(lián)合研究”協(xié)議，研究內(nèi)容是四川威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣資源勘探開發(fā)前景綜合評價，這是我國頁巖氣開發(fā)對外合作簽署的第一個協(xié)議。2009年11月，美國總統(tǒng)奧巴馬同意通過投資中國的頁巖天然氣開發(fā)，承諾與中國共享這一領(lǐng)域的技術(shù)[4]。我國應(yīng)抓住契機(jī)，進(jìn)一步加強(qiáng)與國外有實(shí)力公司的合作開發(fā)，引進(jìn)先進(jìn)理念與開發(fā)技術(shù)，通過引進(jìn)和消化頁巖氣開發(fā)技術(shù)，探索和創(chuàng)新適合我國頁巖氣開發(fā)的核心技術(shù)。

在“大型油氣田與煤層氣開發(fā)”國家重大專項(xiàng)的“十二五”規(guī)劃草案中，頁巖氣的開發(fā)已列入了戰(zhàn)略攻關(guān)內(nèi)容；國土資源部表示，中國計劃到2020年將頁巖氣年生產(chǎn)能力提高到（150—300）×108m3，我國致力于到2020年能夠發(fā)現(xiàn)20—30個大型勘探開發(fā)區(qū)塊，獲得1×1012m3的頁巖氣可采儲量[11]。相信隨著國家對頁巖氣的日益重視和科技力量的投入，頁巖氣將改變我國油氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)格局，甚至改變整個能源結(jié)構(gòu)，緩解我國油氣資源短缺，保障國家能源安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。

1 張金川，薛會，張德明等.頁巖氣及其成藏機(jī)理.現(xiàn)代地質(zhì)，2003，17(4):466.

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5 陳波，蘭正凱.上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖氣資源潛力，中國石油勘探，2009，3 ：1-15.

6 高慧麗.喚醒沉睡的頁巖氣.山東國土資源，2010，26（4）：60-61.

7 John B Curtis.Fractured shale－gas systems.AAPG,2002,86(11):1921-1938.

8 李玉喜，聶海寬，龍鵬宇.我國富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育特點(diǎn)與頁巖氣戰(zhàn)略選區(qū).天然氣工業(yè)，2009，29(12):115-118.

9 蔣志文.頁巖氣簡介.云南地質(zhì)，2010 年，29（1）：109-110.

10 張金川,金之鈞,袁明生.頁巖氣成藏機(jī)理和分布.天然氣工業(yè),2004,24(7):15-18.

11 錢伯章，朱建芳.頁巖氣開發(fā)的現(xiàn)狀與前景.天然氣技術(shù)，2010，4（2）：11-13.

12 安曉璇，黃文輝，劉思宇等.頁巖氣資源分布、開發(fā)現(xiàn)狀及展望.資源與產(chǎn)業(yè)，2010，12（2）：103-109.