頁巖氣革命和有色金屬行業(yè)的機(jī)遇

汪旭光，吳春平

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

頁巖氣是一種賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖及其夾層中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣［1－2］。隨著美國在頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)方面的突破，頁巖氣迅速由“雞肋”變成能源新寵，并逐漸改變世界能源和地緣政治格局，大有演化為頁巖氣革命的趨勢。

我國目前已超過美國，成為世界石油進(jìn)口第一大國［3］。近年來我國能源對外依存度逐年上升［4］。另外，煤炭的大規(guī)模使用是造成霧霾天氣的重要原因之一［4］。因此，從能源結(jié)構(gòu)、安全等角度出發(fā)，開發(fā)非常規(guī)能源，尤其是頁巖氣資源，對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和改善環(huán)境質(zhì)量均具有重要的現(xiàn)實意義。

不同于產(chǎn)自其他低滲透油藏的天然氣和常規(guī)天然氣，頁巖氣是被圈閉在頁巖中［5］，必須用非常規(guī)技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)開采。但從技術(shù)角度而言，頁巖氣開采與有色金屬行業(yè)的地下采礦過程有某些相似之處［6］。面對即將到來的頁巖氣革命，有色金屬行業(yè)應(yīng)積極思考，迎接挑戰(zhàn)。

1 頁巖氣資源勘探開發(fā)現(xiàn)狀

隨著美國頁巖氣開發(fā)的成功，全球已有30多個國家積極開展頁巖氣研究和勘探開發(fā)工作［7］。頁巖氣開發(fā)將對能源安全、全球經(jīng)濟(jì)和地緣政治產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1.1 世界頁巖氣資源開發(fā)現(xiàn)狀

美國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)頁巖氣的國家，1821年就打出世界第一口商業(yè)頁巖氣井，迄今已有190多年勘探開發(fā)歷史。2010年，由于頁巖氣開發(fā)，美國已取代俄羅斯成為世界最大的天然氣生產(chǎn)國，實現(xiàn)了自給自足。2011年美國頁巖氣產(chǎn)量達(dá)1.8×1011m3，占天然氣總產(chǎn)量的28%，極大改變了美國能源消費結(jié)構(gòu)。加拿大是第二個開展頁巖氣勘探開發(fā)的國家，20世紀(jì)末即開始批量鉆井和商業(yè)性生產(chǎn)，2009年頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到7.2×109m3。另外，澳大利亞、德國、法國、瑞典、波蘭等國也已開始勘探開發(fā)工作［7］。

美國能源信息署（Energy Information Administration，EIA）2013年發(fā)布的評估報告顯示，美國以外的41個國家擁有不同資源量的頁巖氣和頁巖油。表1為頁巖氣技術(shù)可采資源量世界排名前10位的主要國家及其在世界的占比情況［2］。

表1 世界主要頁巖氣產(chǎn)出國技術(shù)可采資源量Table 1 Top 10countries with technically recoverable shale gas resources

從表1可看出，我國頁巖氣技術(shù)可采資源量約占世界頁巖氣總資源量的15.3%，居世界首位。

1.2 我國能源安全與頁巖氣開發(fā)戰(zhàn)略

目前我國是世界上最大的能源生產(chǎn)國，一次能源生產(chǎn)總量居世界第一，也是世界石油進(jìn)口第一大國［3］，世界第三大天然氣消費國［4，8］。但我國人均能源資源擁有量在世界上處于較低水平，煤炭、石油和天然氣的人均占有量僅為世界平均水平的67%、5.4%和7.5%［4］。此外，我國能源結(jié)構(gòu)也不合理，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)是造成霧霾天氣的重要原因之一。我國近年來能源對外依存度上升較快，2013年石油和天然氣的對外依存度分別達(dá)到58.1%和31.6%［8］。特別是受治理霧霾天氣影響，全國多個省份加快煤改氣進(jìn)程，導(dǎo)致天然氣需求量過快過猛增長［8］。

我國頁巖氣資源潛力大，分布面積廣、發(fā)育層系多，主要分布在上揚子及滇黔桂區(qū)、華北及東北區(qū)、中下?lián)P子及東南區(qū)、西北區(qū)和青藏區(qū)等5大陸域。除青藏區(qū)外，全國頁巖氣資源潛力及其占全國總量的比例如表2所示［9］。

表2 全國頁巖氣資源潛力及比例表Table 2 Potential and its proportion with recoverable shale gas resources

從表1和表2可看出，與EIA給出的預(yù)測數(shù)據(jù)有所不同［2］，國土部發(fā)布的我國頁巖氣技術(shù)可采資源儲量為25.08×1012m3。近年來，我國已將頁巖氣勘探開發(fā)提升為國家能源戰(zhàn)略，先后進(jìn)行了全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選，確定頁巖氣為第172個礦種作為重點能源礦產(chǎn)進(jìn)行重點部署，并制定了“十二五”頁巖氣發(fā)展規(guī)劃。我國計劃到2015年實現(xiàn)頁巖氣探明可采儲量約0.2×1012m3，頁巖氣產(chǎn)量 6.5×109m3，2020年產(chǎn)量達(dá)到（0.06～0.10）×1012m3［8－10］。

截至2013年底，我國已完成頁巖氣鉆井約150口，頁巖氣產(chǎn)量接近2×108m3，頁巖氣已進(jìn)入實質(zhì)性商業(yè)開發(fā)階段［8］。但我國頁巖氣商業(yè)開采尚未形成規(guī)模，增速較緩。

1.3 我國頁巖氣開發(fā)的影響因素

美國和加拿大等國頁巖氣的商業(yè)開發(fā)得益于水平鉆進(jìn)和多級水力壓裂等技術(shù)的突破。然而在我國，因為頁巖氣賦存條件、水資源、管道建設(shè)、交通條件等的限制，一些在美國和加拿大等頁巖氣開發(fā)先行國家適用的技術(shù)，在我國卻不一定可行。

1）地質(zhì)斷層的影響

我國頁巖氣一般賦存深度達(dá)3km以上，如四川盆地有些頁巖氣賦存于地下約5km深處，而美國馬塞勒斯（Marcellus）頁巖氣田距離地表僅有1.5 km 左右［11］。

美國普遍采用水力壓裂技術(shù)開采頁巖氣，若頁巖層處于斷層中，水力壓裂可能導(dǎo)致地震的發(fā)生。如英國2011年曾因為對鮑蘭（Bowland）頁巖進(jìn)行水力壓裂作業(yè)而引發(fā)了兩次小型地震，主要是水力壓裂時，壓裂液直接注入到毗鄰的斷層帶引起［12－13］。

而我國頁巖氣通常位于褶皺斷層區(qū)，且四川等地是地震易發(fā)區(qū)，采用水力壓裂技術(shù)開采頁巖氣有可能增加地震風(fēng)險［11，14］。

2）水資源對水力壓裂的影響

水力壓裂的鉆井和完井過程都需要大量的水，如美國馬塞勒斯頁巖氣開發(fā)過程中，一口鉆井大約需要400～4 000m3的水作為鉆井液維持井下靜水壓力，冷卻鉆頭及清洗鉆屑。此外，一次典型的水力壓裂需要使用7 000～18 000m3的壓裂液［5］。而我國頁巖氣開發(fā)前景較好區(qū)域（如塔里木盆地）的水源缺乏［15］，一定程度上迫使我們研究新的壓裂增產(chǎn)技術(shù)。

3）管道網(wǎng)絡(luò)與交通問題的影響

我國頁巖氣賦存較好的區(qū)域很多都在崇山峻嶺或者邊遠(yuǎn)地區(qū)，交通不便［15］。而水資源、人員、物資的輸送都需要車輛。另外，頁巖氣運送到使用地，需要建設(shè)足夠的管道網(wǎng)絡(luò)，或在頁巖氣田附近建設(shè)天然氣液化或壓縮工廠，讓企業(yè)能夠從基礎(chǔ)設(shè)施匱乏的山谷中運出天然氣。

針對我國頁巖氣開發(fā)的具體情況，我國制定的“十二五”《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011—2015年）》將以下幾個方向列為研究重點：（1）頁巖氣資源評價技術(shù)；（2）頁巖氣有利目標(biāo)優(yōu)選評價方法；（3）頁巖儲層地球物理評價技術(shù)；（4）頁巖氣水平井鉆完井技術(shù)；（5）頁巖儲層改造及提高單井產(chǎn)量技術(shù)；（6）產(chǎn)能預(yù)測、井網(wǎng)優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)評價技術(shù)［10］。

2 有色金屬行業(yè)的機(jī)遇

頁巖氣革命和有色金屬行業(yè)是兩個看似沒有交集的領(lǐng)域。但從某種意義上說，頁巖氣的開采過程與有色金屬行業(yè)的采礦過程有某些相似之處，兩者有諸多共有技術(shù)。

我國頁巖氣賦存條件等情況與美國、加拿大不盡相同，勘探開發(fā)工作主要面臨勘探技術(shù)、鉆井技術(shù)、壓裂技術(shù)、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可行性等方面的新挑戰(zhàn)。有色金屬行業(yè)在資源勘探開發(fā)領(lǐng)域具有十分雄厚的技術(shù)儲備［6］，積累的技術(shù)可以貫穿頁巖氣勘探、鉆井、完井和測井等流程。

有色金屬行業(yè)在頁巖氣革命中的開發(fā)技術(shù)樹如圖1所示。

圖1 有色金屬行業(yè)的頁巖氣開發(fā)技術(shù)樹Fig.1 Shale gas development technical tree of nonferrous metals industry

圖1表明，有色金屬行業(yè)在頁巖氣革命中可以深入研究的技術(shù)包含：1）地震勘探技術(shù)，主要在震源藥柱、專用雷管、震源槍、震源彈等方面；2）微地震成像技術(shù)，主要在微地震3D成像技術(shù)、4D地震（時移地震）技術(shù)、信息解釋技術(shù)等方面；3）壓裂液制備與應(yīng)用技術(shù)，主要在瓜爾膠、田菁膠、表面活性劑、配液站、配液車等方面；4）套管整形加固技術(shù)，主要在聚能切割、套管爆炸整形、燃?xì)鈩恿ρa(bǔ)貼加固、清蠟等方面；5）爆破壓裂增產(chǎn)技術(shù)，主要在聚能射孔、增效射孔、多脈沖復(fù)合射孔、爆炸壓裂、高能氣體壓裂等方面。

2.1 地震勘探技術(shù)

地震勘探采用人工方法將炸藥或其他能源在巖體中激發(fā)地震波，沿測線的不同位置用地震勘探儀器檢測大地的震動，根據(jù)記錄的地震波參數(shù)在地下巖層中的傳播情況，結(jié)合數(shù)據(jù)處理、解釋分析研究地質(zhì)構(gòu)造特征和地層巖性特征，從而尋找礦產(chǎn)資源，有炸藥爆破激發(fā)和非炸藥爆破激發(fā)兩種［6］。

我國“十二五”頁巖氣發(fā)展規(guī)劃提出發(fā)展地震采集和處理解釋技術(shù)［10］。在頁巖氣勘探方面，可采用傳統(tǒng)有色金屬行業(yè)的震源藥柱、專用雷管、震源槍、震源彈等器材進(jìn)行作業(yè)。為滿足頁巖氣勘探的需要，可考慮發(fā)展三維甚至四維勘探技術(shù)。

2.2 微地震成像技術(shù)

微地震成像技術(shù)被稱為“礦山CT機(jī)”。在有色金屬行業(yè)，通常使用微地震成像技術(shù)全方位立體獲取礦體的形狀。

在頁巖氣開發(fā)過程中，鉆井位的合理布置、水力壓裂方案的設(shè)計、壓裂液的選擇、水力壓裂后的裂隙擴(kuò)張狀態(tài)等，都需要對頁巖氣裂隙發(fā)育情況進(jìn)行詳細(xì)了解。微地震成像是一種可以確定裂隙方向、高度和長度等參數(shù)的技術(shù)，目前已經(jīng)成為北美頁巖氣開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)測量技術(shù)［16］。頁巖氣水力壓裂過程中，可通過微地震成像技術(shù)測算氣田儲層體積、觀測原有裂隙與壓裂后的裂隙及相互構(gòu)成的裂隙網(wǎng)絡(luò)，還可以獲取水力壓裂對儲層滲透性的改善程度、地質(zhì)斷層情況等。如美國巴內(nèi)特（Barnett）頁巖氣田使用微地震成像進(jìn)行裂隙網(wǎng)絡(luò)成像及優(yōu)化，加拿大蒙特尼（Montney）頁巖氣田使用微地震成像識別地質(zhì)斷層的方位［17］。

微地震裂縫監(jiān)測、頁巖氣測井識別和儲層精細(xì)描述等地球物理識別技術(shù)是我國“十二五”頁巖氣發(fā)展規(guī)劃提出的突破方向［10］。美國能源部也將壓裂與微震信號間的關(guān)系列為研究領(lǐng)域［18］。就有色金屬行業(yè)而言，可將現(xiàn)有的微地震成像技術(shù)及監(jiān)測方法與頁巖氣開發(fā)情況結(jié)合，發(fā)展微地震3D成像技術(shù)、4D地震（時移地震）技術(shù)［19］、信息解釋技術(shù)，構(gòu)建頁巖氣裂隙網(wǎng)絡(luò)模型、水力壓裂模型等。

2.3 壓裂液制備與應(yīng)用技術(shù)

頁巖氣是被圈閉在低滲透率頁巖中的氣體［18］。頁巖氣在頁巖中的儲存和運移復(fù)雜且緩慢，其過程尚未完全被理解，因此需要通過人工壓裂方式進(jìn)行增產(chǎn)［20］。其中的關(guān)鍵技術(shù)是壓裂液，主要包括支撐劑和化學(xué)改性劑等。支撐劑通過砂子等物將微裂縫“撐開”，其中99.50%是水和砂子、鋁、陶瓷顆粒、鋁礬土及其他材料［21］?；瘜W(xué)改性劑通常包含酸、氯化鈉和氯化鉀、碳酸鈉和碳酸鉀、瓜爾膠、N－二甲基甲酰胺、硼酸鹽、聚丙烯酰胺、石油餾出物、檸檬酸、亞硫酸氫銨、乙二醇和異丙醇［18］。

有色金屬行業(yè)使用瓜爾膠、田菁膠、表面活性劑等制備炸藥和石油壓裂液已有多年成熟的經(jīng)驗［22］，且有配套的BK－90、BK－150等型號固定式配液站，及BKZSYH－1.5單車型、BKZSYH－1.5雙車型移動式配液車等全自動石油壓裂液混配成套裝備。

頁巖氣開采過程中，儲層的不同特點對壓裂液和添加劑有不同的要求，合理配置壓裂液和添加劑是提高經(jīng)濟(jì)效益和保證安全生產(chǎn)的必要措施。因此有色金屬行業(yè)可在瓜爾膠等基礎(chǔ)上，通過在石油工業(yè)中已經(jīng)取得的成功經(jīng)驗，研究適合我國頁巖氣儲層特點的新型綠色環(huán)保壓裂液及其處理、再利用技術(shù)，并發(fā)展相關(guān)的試驗和模擬手段。

2.4 套管整形加固技術(shù)

頁巖氣水平井段深度通常1.5km 左右［23］，我國頁巖氣一般賦存深度達(dá)3km以上［11］，意味著垂直井深度至少為3km。頁巖氣田鉆井過程中，通常為防止井孔垮塌，避免壓裂液、鉆井液和頁巖氣通過井壁竄出污染環(huán)境，需要用多級鋼套管進(jìn)行固井［23］。目前，我國爆炸加工技術(shù)（尤其是爆炸焊接技術(shù)）已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，爆炸焊接復(fù)合板產(chǎn)品幾乎占了世界復(fù)合板市場的一半［24］。因此，有色金屬行業(yè)的爆炸加工和爆炸焊接技術(shù)在套管整形加固方面大有用武之地。

鉆井時，出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象或有廢舊管道需要更換時，比較成熟的技術(shù)是采用環(huán)形聚能切割技術(shù)進(jìn)行處理。目前我國有環(huán)形聚能切割器和切割彈等產(chǎn)品［6］。有色金屬行業(yè)可針對頁巖氣開采特點，研究合適的切割器材。

隨著時間推移，套管可能發(fā)生變形、破裂、錯斷等損壞，但使用機(jī)械整形又無法修復(fù)。有色金屬行業(yè)的套管爆炸整形技術(shù)就是針對套管變形、輕微錯斷井發(fā)展而成的一種綜合修復(fù)技術(shù)［6］，可用于頁巖氣的爆炸修井，主要包括套管爆炸整形技術(shù)和套管爆炸焊接加固技術(shù)。

近年來研制成功的燃?xì)鈩恿ρa(bǔ)貼加固技術(shù)是對破損井、錯斷井進(jìn)行套管修復(fù)的一種新技術(shù)。它利用火藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體推動工具中的活塞運動，使補(bǔ)貼管上下兩端的錐形管相對運動，迫使金屬錨擴(kuò)徑并固定在套管中，達(dá)到補(bǔ)貼加固的目的［6］。

此外，在油氣開采過程中，若套管結(jié)蠟嚴(yán)重，油井則無法正常生產(chǎn)。傳統(tǒng)的清蠟方法有水力攜砂沖刷法、機(jī)械清蠟法、熱力清蠟法和化學(xué)清蠟法等。有色金屬采礦業(yè)則采用高能燃燒劑為主裝藥的套管清蠟彈方法，具有良好高效的清蠟效果［6］。該方法能否適用于頁巖氣開采也值得探索。

2.5 爆破壓裂增產(chǎn)技術(shù)

頁巖氣開發(fā)過程中，由于全井段都有套管，必須在套管上打孔形成導(dǎo)氣通道才能實現(xiàn)頁巖氣輸送。射孔技術(shù)分聚能射孔、增效射孔、多脈沖復(fù)合射孔等方式。一般用射孔槍或?qū)蜉喭瓿纱蚩住Ｉ淇讟屧谒骄卸ㄎ缓罂砂l(fā)射聚能射孔彈，以穿透鋼套管和環(huán)形空間中充填的固井水泥。我國射孔彈研制水平接近和部分產(chǎn)品達(dá)到世界先進(jìn)水平，有常溫射孔彈和耐高溫射孔彈等類型［6］。

水力壓裂，特別是多級水力壓裂與水平鉆井技術(shù)是成功進(jìn)行頁巖氣經(jīng)濟(jì)開發(fā)的關(guān)鍵。但水力壓裂需要消耗大量水資源，且在有斷層存在條件下容易誘發(fā)地震。國外一些公司已開始嘗試采用液態(tài)CO2和N2

［13］、液化石油氣（LPG）［21］、丙烷［23］等新技術(shù)進(jìn)行壓裂作業(yè)。

我國“十二五”頁巖氣發(fā)展規(guī)劃提出開展分段壓裂、長井段射孔等技術(shù)攻關(guān)，掌握適用于我國頁巖氣開發(fā)的增產(chǎn)改造核心技術(shù)［10］。我國頁巖氣開發(fā)前景較好的大部分區(qū)域水資源缺乏，且通常位于褶皺斷層區(qū)，應(yīng)積極利用爆破研究節(jié)水壓裂技術(shù)。

3 結(jié)語

頁巖氣革命對于緩解能源危機(jī)，改變地緣政治格局有著重要的意義。隨著美國首先成功開發(fā)頁巖氣資源，并成為天然氣凈出口國，其他國家也投入到頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域。我國能源需求旺盛，但是人均資源匱乏，能源結(jié)構(gòu)不合理，造成近年來霧霾天氣影響愈發(fā)突出。我國頁巖氣儲量位居世界第一，開發(fā)這種比石油和煤炭更清潔的能源對我國是十分必要的。目前我國已將頁巖氣勘探開發(fā)提升為國家重要的戰(zhàn)略規(guī)劃。但我國頁巖氣賦存又存在諸多不利因素，國外適用的勘探開發(fā)技術(shù)，在我國并不一定適合，因此有必要開發(fā)新的技術(shù)。

有色金屬行業(yè)在諸多方面擁有雄厚的技術(shù)儲備。頁巖氣開發(fā)與有色金屬行業(yè)的采礦工作有一定的相似性，一些技術(shù)是可以相互借鑒的。具體而言，有色金屬行業(yè)可在如下幾個方面加強(qiáng)研究，積極迎接頁巖氣革命帶來的新機(jī)遇和挑戰(zhàn)：1）地震勘探技術(shù)；2）微地震成像技術(shù)；3）壓裂液制備與應(yīng)用技術(shù)；4）套管整形加固技術(shù)；5）爆破壓裂增產(chǎn)技術(shù)。

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