頁(yè)巖氣的基本科普

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面對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜，缺乏規(guī)律可循的非常規(guī)油氣藏，有著現(xiàn)代化鉆井工具的我們就像是當(dāng)年面對(duì)越南游擊隊(duì)的美國(guó)大兵，裝備精良但是時(shí)常碰壁。這是一場(chǎng)游擊戰(zhàn)，對(duì)于能源企業(yè)來(lái)說(shuō)，必須拋棄掉過(guò)去常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中形成的各種思維范式

近日，路透社援引兩位知情消息人士稱，中石油今年計(jì)劃在頁(yè)巖氣方面支出逾100億元，支出規(guī)模是前幾年的三倍多。

就在幾個(gè)月前，中石化宣布在頁(yè)巖氣領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)性發(fā)現(xiàn)，提高了中國(guó)在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)利用方面實(shí)現(xiàn)突破的希望。中石化的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)集中在重慶市涪陵地區(qū)，在該地區(qū)已開(kāi)鑿了近30口頁(yè)巖氣試驗(yàn)性勘探井。

當(dāng)頁(yè)巖氣這個(gè)概念開(kāi)始熱起來(lái)之后，我和大家一樣開(kāi)始對(duì)這個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了興趣，甚至比大多數(shù)人更進(jìn)一步——直接跳到了這個(gè)領(lǐng)域之中。目睹了國(guó)內(nèi)外媒體，包括不少圈內(nèi)甚至圈外的企業(yè)對(duì)這個(gè)概念不亦樂(lè)乎的各種炒作之后，我想以我入行不到兩年獲得的一點(diǎn)淺見(jiàn)，給對(duì)頁(yè)巖氣這個(gè)概念保有熱切期待的各位做點(diǎn)基本科普。

頁(yè)巖氣是一種非常規(guī)的油氣資源

頁(yè)巖氣顧名思義是儲(chǔ)存在頁(yè)巖當(dāng)中的天然氣，屬于所謂非常規(guī)油氣資源的一種。說(shuō)到非常規(guī)，當(dāng)然就有常規(guī)了。

常規(guī)規(guī)油氣資源的形成，先有靜水環(huán)境存在，例如湖泊、大陸架、河口等，然后浮游生物的遺體混合砂礫沉積到水體底部，并且逐漸積累，在高壓高溫?zé)o氧的環(huán)境當(dāng)中分解形成烴類(lèi)物質(zhì)，并且在浮力的作用下逐漸向更淺的地層遷移，最后被較為致密的巖石形成的圈閉所包圍住。

這就像一杯倒置的雞尾酒，酒杯由致密的巖石組成，最上面的一層是天然氣，中間的一層是石油，最下面的一層是地下水，而這杯雞尾酒里塞滿了“冰沙”——其實(shí)就是普通的沙子，只不過(guò)被地殼的重力壓得非常緊密，外表上看就是巖石——砂巖。油氣開(kāi)發(fā)所做的事情就是伸一根長(zhǎng)長(zhǎng)的吸管“油井”——到這杯雞尾酒當(dāng)中用力“吮吸”。

非常規(guī)油氣資源與常規(guī)資源最大的不同在于“雞尾酒”里的“冰沙”。事實(shí)上，只有一小部分的油藏會(huì)非常幸運(yùn)地儲(chǔ)藏在疏松多孔的砂巖當(dāng)中，相當(dāng)大一部分的生油的有機(jī)物質(zhì)沒(méi)有埋藏在沙礫當(dāng)中，而是埋藏在泥淖之中，例如湖泊環(huán)境下沉積的有機(jī)物，這些沉積物最后會(huì)變成空隙比例和滲透性都比較小的巖石，比如說(shuō)泥巖，也有可能因?yàn)槟甏^久，擠壓得過(guò)于致密而形成類(lèi)似頁(yè)巖的礦物，甚至于有可能存在于火山巖這種傳統(tǒng)觀點(diǎn)看來(lái)不可能有有機(jī)物存在的巖石當(dāng)中。

總之，由于過(guò)于致密而缺乏導(dǎo)流能力，這些有機(jī)物形成的烴類(lèi)物質(zhì)很難離開(kāi)它們?cè)韭癫氐膸r石環(huán)境，也就很難形成“雞尾酒”的效果——一層水，一層油再來(lái)一層氣，甚至?xí)纬深嵉沟碾u尾酒——油在氣的上方，此時(shí)油氣界面的毛細(xì)管壓力能夠阻止天然氣上浮到油層當(dāng)中。由此可見(jiàn)，非常規(guī)油氣資源的形成過(guò)程和常規(guī)油氣資源相比，情節(jié)更曲折，結(jié)局更出人意料，代價(jià)就是開(kāi)采成本也大大地提高了。

從水平井技術(shù)到水力壓裂

多年以前，當(dāng)我對(duì)油氣行業(yè)還一無(wú)所知的時(shí)候，我看到了一則斯倫貝謝的廣告短片。一個(gè)斯倫貝謝的工程師看到自己的兒子把可彎曲的吸管倒過(guò)來(lái)，用吸管較短的那一頭去吸附著在雪頂咖啡半球形杯蓋上的冰淇淋。這樣的場(chǎng)景對(duì)于大家來(lái)說(shuō)非常容易想象到，因?yàn)槎痰哪且活^吸管是水平的，可以非常自如地接觸到杯蓋的內(nèi)表面。

于是這位工程師父親就像被蘋(píng)果砸中腦袋的牛頓一樣，靈光一閃就發(fā)明了傳說(shuō)中的水平鉆井技術(shù)。不去吐槽這個(gè)故事的真實(shí)性，用倒過(guò)來(lái)的吸管吸取冰淇淋確實(shí)是水平井技術(shù)的一個(gè)絕妙的比喻。那么水平井技術(shù)和非常規(guī)油氣田有什么關(guān)系呢？

與普通的垂直井相比，水平井能夠接觸到的油藏面積要比垂直井要大得多，正如把吸管倒過(guò)來(lái)能夠吸到的冰淇淋比正常情況下用吸管直接吸要多得多。由于非常規(guī)油藏異常致密的巖層，傳統(tǒng)的垂直井往往生產(chǎn)了很短時(shí)間以后就干涸了，無(wú)法再流出油氣。使用水平井可以大大的延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)的時(shí)間。另外水平井的使用可以有效減少鉆井的數(shù)量，這樣做意味著征地的成本能夠大幅降低。對(duì)于人口稠密和土地矛盾尖銳的中國(guó)有著非同尋常的意義。

然而對(duì)于很多非常規(guī)油氣田來(lái)說(shuō)，因?yàn)閹r層實(shí)在是太致密了，即使使用了水平井的技術(shù)，能夠流出來(lái)的油氣也非常有限。這個(gè)時(shí)候就必須要用到另一個(gè)重要的技術(shù)，也許大家已經(jīng)有所耳聞了，就是水力壓裂。

香港賭片里面有個(gè)喜聞樂(lè)見(jiàn)的橋段：初入賭壇的男主角，在眾目睽睽之下笨手笨腳地碼起兩列麻將牌，然后很費(fèi)力地把麻將牌抵在一起并把它們舉起來(lái)亮給對(duì)方看，結(jié)果雙手略微一抖，麻將牌就立刻天女散花了。水力壓裂背后的物理原理跟這個(gè)橋段非常類(lèi)似。

地下的巖石不僅要受到上方巖石的重量帶來(lái)的壓力，水平方向上，還會(huì)受到板塊作用帶來(lái)的擠壓應(yīng)力，就像被男主角壓在一起的麻將牌一樣。根據(jù)牛頓第三定律，應(yīng)力矩陣是對(duì)稱的，因而也是可對(duì)角化的，所以巖石當(dāng)中的應(yīng)力必然存在兩個(gè)主應(yīng)力方向，分別對(duì)應(yīng)最大和最小應(yīng)力，且互相垂直（好吧，這句話寫(xiě)得非常不科普，但這是我能想到的最簡(jiǎn)單的解釋?zhuān)?。就像麻將牌橋段里面所看到的，在最大?yīng)力的垂直方向（對(duì)于麻將牌來(lái)說(shuō)就是和麻將牌之間縫隙的平行方向），也就是最小應(yīng)力平行的方向上對(duì)“麻將牌”巖石，施加一點(diǎn)擾動(dòng)，“麻將牌堆”巖石就會(huì)塌掉。

巖石的垮塌就會(huì)形成一條巖石內(nèi)部的裂縫，可以使得更多的包裹在巖石當(dāng)中的烴類(lèi)流出來(lái)。 從水力壓裂的角度來(lái)說(shuō)，不光需要有合適的巖石應(yīng)力，還需要巖石本身夠脆，最好能像玻璃一樣一敲就碎，而不是像橡皮泥一樣不管怎么蹂躪總是一副老樣子。這需要技術(shù)手段來(lái)了解巖層的組成礦物質(zhì)成分來(lái)進(jìn)行確定。一旦裂縫成功的生成，下一步就是該如何保持裂縫的形狀，不讓它在地層的擠壓下再次閉合，這就需要向巖層中注入含有堅(jiān)硬的微小顆粒（過(guò)去用沙子，現(xiàn)在有專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)的陶瓷微粒）的水，當(dāng)微粒到達(dá)裂縫末端可以卡在裂縫中，支撐裂縫不至于閉合。

不是缺乏技術(shù)，而是要拋棄傳統(tǒng)思維范式

水平井和壓裂的技術(shù)可以分開(kāi)使用，也可以結(jié)合起來(lái)，全看油藏的條件如何。目前長(zhǎng)的水平井的水平部分可以達(dá)到數(shù)千米，并且通過(guò)它制造了幾十個(gè)人工裂縫，其產(chǎn)能可以數(shù)十倍于傳統(tǒng)的豎直井——前提是油藏確實(shí)有那么大。

很多媒體都在報(bào)道說(shuō)國(guó)內(nèi)企業(yè)現(xiàn)在缺乏有效的技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)非常規(guī)油氣田，這并非是因?yàn)榇蛩骄椭圃靿毫堰@兩項(xiàng)技術(shù)有多難，事實(shí)上國(guó)內(nèi)的油企已經(jīng)成功地做了不少這樣的項(xiàng)目了。個(gè)人認(rèn)為其中最大的技術(shù)難點(diǎn)是確定在哪里打井以及井的方向和軌跡。就像一個(gè)很老的《讀者》風(fēng)格的故事里面說(shuō)的，在電機(jī)外殼上用粉筆標(biāo)記出繞線錯(cuò)誤的地點(diǎn)的要價(jià)是1美元，而找到這個(gè)繞線錯(cuò)誤的要價(jià)是9999美元。

說(shuō)到人造裂縫，巖層當(dāng)中經(jīng)常都會(huì)有天然形成的各種裂縫與斷層，可以利用起來(lái)提高非常規(guī)油田運(yùn)用常規(guī)技術(shù)開(kāi)采的效果。但實(shí)際上，了解大尺度上裂縫的分布直到今天都是一個(gè)非常困難的技術(shù)問(wèn)題。

面對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜，缺乏規(guī)律可循的非常規(guī)油氣藏，有著現(xiàn)代化鉆井工具的我們就像是當(dāng)年面對(duì)越南游擊隊(duì)的美國(guó)大兵，裝備精良但是時(shí)常碰壁。這是一場(chǎng)游擊戰(zhàn)，對(duì)于能源企業(yè)來(lái)說(shuō)，必須拋棄掉過(guò)去常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中形成的各種思維范式。

為什么是頁(yè)巖氣，而不是電力

我們?nèi)粘Ｉ钪械哪茉捶N類(lèi)非常多，頁(yè)巖氣作為一種天然氣，在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中常被拿來(lái)比較的電能?，F(xiàn)階段來(lái)講，最理想的清潔能源到底是什么？我心中的答案是天然氣，實(shí)在是因?yàn)樘烊粴庥兄渌茉礋o(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

以需要大量能源的汽車(chē)為例。近來(lái)的輿論似乎對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的前景越來(lái)越樂(lè)觀，仿佛它與我們的距離已經(jīng)不再像過(guò)去那樣遙遠(yuǎn)：美國(guó)的著名純電動(dòng)車(chē)制造商特斯拉（Tesla）已經(jīng)號(hào)稱能夠提供和汽油車(chē)同樣的續(xù)航里程，盡管售價(jià)不菲，而其他很多廠商都推出了相對(duì)廉價(jià)的電動(dòng)轎車(chē)，盡管續(xù)航等方面的表現(xiàn)只能說(shuō)差強(qiáng)人意，就連政府也在出臺(tái)各種政策在鼓勵(lì)電動(dòng)車(chē)的使用，包括寬松的上牌政策和對(duì)公務(wù)用車(chē)的強(qiáng)制規(guī)定，等等。

在我看來(lái)，這樣做有點(diǎn)舍近求遠(yuǎn)，減少機(jī)動(dòng)車(chē)交通對(duì)空氣污染的貢獻(xiàn)其實(shí)有個(gè)更簡(jiǎn)單有效的措施，就是鼓勵(lì)改裝天然氣車(chē)。之所以目前的輿論和政策依然是在捧電動(dòng)車(chē)而冷落天然氣車(chē)，個(gè)人認(rèn)為有兩個(gè)原因。第一，目前國(guó)內(nèi)的天然氣供應(yīng)太緊張了，根本無(wú)法滿足天然氣車(chē)普及之后的需求；第二，電動(dòng)汽車(chē)的上下游可以拉動(dòng)很多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而天然氣車(chē)的改裝相對(duì)簡(jiǎn)單和廉價(jià)，無(wú)法給經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)太多助力。

天然氣的清潔性是毋庸贅述的。天然氣的成分和燃燒產(chǎn)物都非常簡(jiǎn)單，而且其中的雜質(zhì)也非常容易去除，單位熱量所釋放的溫室氣體也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他的化石燃料?？紤]到目前世界范圍內(nèi)發(fā)電依然是燃煤發(fā)電所主導(dǎo)，天然氣車(chē)對(duì)環(huán)境的影響并不會(huì)顯著大于電動(dòng)汽車(chē)。

電動(dòng)車(chē)最大的弊病在于續(xù)航和充電時(shí)間，由于化學(xué)原理的限制，充電電池的能量密度幾乎不可能達(dá)到與化石燃料相提并論的地步，因此近來(lái)電池方面的研究努力主要集中在減少充電時(shí)間上，而相應(yīng)商業(yè)化的過(guò)程注定非常緩慢。這也決定了，即便電動(dòng)車(chē)真正實(shí)現(xiàn)了大范圍的商業(yè)化，長(zhǎng)途重載運(yùn)輸方面我們可能依然需要依賴化石燃料。盡管天然氣也存在能量密度的問(wèn)題，但是隨著液化天然氣技術(shù)的發(fā)展，能量密度的問(wèn)題正在逐步減小。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有使用LNG的公交甚至于載重卡車(chē)，而美國(guó)也已經(jīng)決定將在運(yùn)輸領(lǐng)域大規(guī)模使用LNG?？梢哉f(shuō)，目前天然氣車(chē)的續(xù)航問(wèn)題較為尖銳的只有轎車(chē)了，畢竟轎車(chē)無(wú)法像大型商用車(chē)輛一樣有足夠的空間安裝LNG設(shè)備，而目前轎車(chē)使用的CNG的能量密度仍比汽油小一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。但即便如此，天然氣轎車(chē)的續(xù)航能力依然要優(yōu)于目前絕大部分電動(dòng)汽車(chē)，且充氣時(shí)間也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于后者的充電時(shí)間。

天然氣車(chē)的最吸引人的優(yōu)點(diǎn)當(dāng)然是廉價(jià)，普通的天然氣罐加裝的成本只有兩三千元，而天然氣的燃料成本僅是汽油的三分之一左右。誠(chéng)然，與高大上的Tesla比起來(lái)，天然氣車(chē)給人的刻板印象是行駛在三四線城市當(dāng)中各種QQ夏利奧拓改裝的屌絲車(chē)，但正是由于它的草根，可以預(yù)期天然氣車(chē)的普及在合適的環(huán)境形成之后將會(huì)是非常迅速的過(guò)程。

價(jià)格與環(huán)境：影響頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的兩個(gè)因素

既然天然氣在清潔能源領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)如此大，那么為什么中國(guó)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外呢？第一個(gè)問(wèn)題就不得不說(shuō)說(shuō)天然氣的價(jià)格。

事實(shí)上，對(duì)于天然氣的價(jià)格，國(guó)內(nèi)的普通民眾的心態(tài)是非常矛盾的。同樣的天然氣，家庭主婦會(huì)抱怨它價(jià)格太高，因?yàn)樗齻兊谋容^基準(zhǔn)是煤氣，而且往往忽視了熱值的概念；司機(jī)們會(huì)覺(jué)得天然氣的價(jià)格很良心，因?yàn)樗麄兊谋容^基準(zhǔn)是汽油；而對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，天然氣的價(jià)格實(shí)在是太低了，低到難以撬開(kāi)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的大門(mén)。國(guó)內(nèi)的人口密度和地質(zhì)環(huán)境決定了國(guó)內(nèi)的頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)成本注定很高。

如果沒(méi)有高氣價(jià)的支持，國(guó)內(nèi)的頁(yè)巖氣潛力將長(zhǎng)期停留在紙面上，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展將仍舊停留在對(duì)煤的依賴之上。天然氣的定價(jià)機(jī)制正是最近一段時(shí)期國(guó)內(nèi)政界和企業(yè)界熱議的話題，希望一個(gè)理性的機(jī)制能夠幫助我們平衡好經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的需要。

目前頁(yè)巖氣另一個(gè)引人注目的話題是其開(kāi)發(fā)過(guò)程中的環(huán)境影響。就我們目前開(kāi)發(fā)的地層來(lái)看，深度多在2000米以上，離常用的地下水層還是非常遠(yuǎn)的（美國(guó)媒體提到對(duì)于頁(yè)巖氣環(huán)境影響經(jīng)常會(huì)引用一張照片：一個(gè)賓夕法尼亞的居民扭開(kāi)水龍頭，水龍頭里面流出天然氣。這個(gè)問(wèn)題有點(diǎn)詭異，因?yàn)樗堫^流出天然氣幾乎只有一種可能性，就是他們用的不是自來(lái)水，而是用機(jī)井直接從地下水層中抽出來(lái)的地下水）。

個(gè)人認(rèn)為頁(yè)巖氣開(kāi)采最值得關(guān)注的風(fēng)險(xiǎn)可能在于水力壓裂造成的地震。有記錄顯示，四川盆地天然氣井的注水作業(yè)很可能已經(jīng)引發(fā)了若干次4級(jí)以上的地震，且都是震源在地下三四千米的淺層地震。這也是頁(yè)巖氣研究領(lǐng)域最近火熱的一個(gè)問(wèn)題。（作者系能源工程碩士，油藏工程師）

美國(guó)的“頁(yè)巖氣革命”

世界上對(duì)頁(yè)巖氣資源的研究和勘探開(kāi)發(fā)最早始于美國(guó)。依靠成熟的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)技術(shù)以及完善的管網(wǎng)設(shè)施，美國(guó)的頁(yè)巖氣成本僅僅略高于常規(guī)氣，這使得美國(guó)成為世界上唯一實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣大規(guī)模商業(yè)性開(kāi)采的國(guó)家。

數(shù)據(jù)顯示，2010年美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)了1000億立方米。在過(guò)去的5年里，美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量增長(zhǎng)超過(guò)20倍——從2006年僅為其天然氣總產(chǎn)量的1%，到2010年增長(zhǎng)至美國(guó)天然氣總產(chǎn)量的20%。有關(guān)專(zhuān)家指出，依靠頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)利用，在未來(lái)的10年里，美國(guó)不僅可以一改天然氣大舉進(jìn)口的局面，實(shí)現(xiàn)全面的自給自足，還有望成為液化天然氣出口國(guó)。

美國(guó)的“頁(yè)巖氣革命”已經(jīng)動(dòng)搖了世界液化天然氣市場(chǎng)格局，并且這一影響還將愈發(fā)顯著，進(jìn)而改變世界能源格局。得益于非常規(guī)天然氣尤其是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的突破，2009年美國(guó)以6240億立方米的產(chǎn)量首次超過(guò)俄羅斯成為世界第一天然氣生產(chǎn)國(guó)。產(chǎn)量地位的更替使美國(guó)天然氣消費(fèi)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面發(fā)生逆轉(zhuǎn)。美國(guó)專(zhuān)家興奮地認(rèn)為，有了頁(yè)巖氣，美國(guó)100年無(wú)后顧之憂。

頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)，特別是美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量的急劇增加，使這個(gè)大多數(shù)人還十分陌生的能源話題成為熱門(mén)。悄然降臨的“頁(yè)巖氣革命”開(kāi)始對(duì)全球天然氣供需關(guān)系變化和價(jià)格走勢(shì)產(chǎn)生重大影響，并引起天然氣生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)關(guān)注。頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)利用，成為低碳經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略發(fā)展機(jī)遇的推動(dòng)力，成為世界油氣地緣政治格局發(fā)生結(jié)構(gòu)性調(diào)整的催化劑。