林臘梅，許 洋，張金川，韓雙彪

(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

近年來，中國石油化工股份有限公司、中國石油天然氣股份有限公司、陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司、中國海洋石油集團(tuán)有限公司及中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司等企業(yè)大力推進(jìn)頁巖氣勘探開發(fā)[1-4]。多個(gè)省區(qū)、市自籌資金，開展轄區(qū)內(nèi)頁巖氣資源評價(jià)與選區(qū)[5-8]。頁巖氣礦權(quán)區(qū)塊中標(biāo)企業(yè)積極探索，進(jìn)行鉆探和調(diào)查工作[9-10]。當(dāng)前，已在重慶涪陵、四川長寧-威遠(yuǎn)等地區(qū)形成頁巖氣產(chǎn)能。

與常規(guī)油氣相比，頁巖氣在勘探開發(fā)過程中存在著更多不確定因素，主要體現(xiàn)在地質(zhì)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多個(gè)方面。不確定性即意味著風(fēng)險(xiǎn)[11-14]，美國依靠先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，雖然大幅提高了頁巖氣單井產(chǎn)量，卻無法避免鉆井失敗率，有半數(shù)以上的井產(chǎn)量并不達(dá)標(biāo)。即使是Shell、Mobil及Amoco等大型油氣公司，在高風(fēng)險(xiǎn)、高潛力的油氣勘探項(xiàng)目中，平均成功率也只有10%，最終只有1%能產(chǎn)生實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益[15]。

在當(dāng)前自然資源與生態(tài)環(huán)境并重的新理念下，對頁巖氣資源潛力的評價(jià)，不能只停留在資源數(shù)量上，還要對資源開發(fā)中的各類風(fēng)險(xiǎn)及其社會(huì)、生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行一體化綜合考量，才能科學(xué)認(rèn)識頁巖氣資源潛力。只有充分認(rèn)識和分析這些風(fēng)險(xiǎn)因素，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)工作，采取積極對策以降低風(fēng)險(xiǎn)，才能切實(shí)提高資源的可采性。

1 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

1.1 地質(zhì)參數(shù)的不確定性

不確定因素包含在所有的地質(zhì)預(yù)測過程中[16-22]。地質(zhì)參數(shù)是頁巖氣資源量計(jì)算和有利區(qū)優(yōu)選的主要依據(jù)，其不確定性帶來了風(fēng)險(xiǎn)?？碧侥繕?biāo)評價(jià)所需的所有參數(shù)幾乎都是基于不確定因素條件下的評價(jià)，這種不確定性變化范圍可能很大[23-26]。

1.1.1 不確定性的原因

地質(zhì)參數(shù)的不確定性主要來源于幾個(gè)方面。①德國物理學(xué)家海森堡的“測不準(zhǔn)原理”。該原理雖源于量子力學(xué)，但其表征了現(xiàn)實(shí)意義上大自然最基本的模糊性，這種模糊性不是測量方法和精度引起的，而是其本身就不存在準(zhǔn)確。②測試樣品代表性不足。相對于研究對象的地質(zhì)規(guī)模，測試樣品的采集數(shù)量通常是極為有限的，采樣的平面位置和縱向分布具有偶然性，難以完整描述研究對象全貌。③樣品的各向異性。非均質(zhì)性是地下巖層的普遍特性，即使緊密相鄰的樣品，部分地質(zhì)參數(shù)也可能具有顯著差異，樣品的各向異性也會(huì)導(dǎo)致樣品處理方法不同，得到的測試值也不同。④實(shí)驗(yàn)室分析測試條件、儀器設(shè)備的精度差異。樣品測試儀器、型號、精度直接決定了測試結(jié)果，測試時(shí)樣品所處的溫度、壓力、濕度等環(huán)境因素也會(huì)影響測試精度。⑤人為誤差。

我國頁巖氣資源評價(jià)中，地質(zhì)參數(shù)的不確定性尤為顯著。這是因?yàn)橐环矫?，我國目前頁巖氣勘探開發(fā)程度仍然較低，只在局部地區(qū)有產(chǎn)量突破，積累的針對性資料較少，既有的規(guī)律性認(rèn)識仍然薄弱，開展預(yù)測依據(jù)不夠充足；另一方面，頁巖氣儲層致密，尤其是我國特色的陸相頁巖儲層更加復(fù)雜，在參數(shù)獲取中，對測試技術(shù)和設(shè)備的精度要求更高，往往出現(xiàn)的誤差也相對較大。這兩方面原因使得我國頁巖氣前景和勘探風(fēng)險(xiǎn)仍不夠清晰[27-28]。

1.1.2 不確定性實(shí)例

為進(jìn)一步了解頁巖氣地質(zhì)參數(shù)獲取中存在的不確定性，采集了我國上揚(yáng)子地區(qū)下古生界寒武系牛蹄塘組的4塊頁巖樣品，對每個(gè)樣品進(jìn)行粉碎并混合均勻后平均分成3份，分別送往中國地質(zhì)大學(xué)(北京)某實(shí)驗(yàn)室、美國猶他大學(xué)能源地學(xué)研究中心及德國地學(xué)研究中心，進(jìn)行了有機(jī)地化指標(biāo)和全巖X射線衍射的平行對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在各項(xiàng)測試中，不同機(jī)構(gòu)的測試數(shù)據(jù)具有明顯差別(表1)。

采用現(xiàn)場解析法測試貴州省某井志留系龍馬溪組頁巖含氣量，不同機(jī)構(gòu)對緊密相鄰的巖芯樣品分別進(jìn)行測試，結(jié)果同樣顯示出明顯差異。測試結(jié)果的多解性使得研究者對目的層平均含氣量的認(rèn)識相差1倍以上(表2)。

1.1.3 對策

由于頁巖氣地質(zhì)參數(shù)存在明顯的不確定性，因此在勘探開發(fā)中采用確定值評價(jià)或單值預(yù)測不合適[29-30]，采用概率表征方法是有效對策之一。對頁巖氣各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)開展統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律研究，依據(jù)各自的分布模型，對參數(shù)值進(jìn)行概率表征，并進(jìn)一步應(yīng)用蒙特卡羅原理對資源可靠性進(jìn)行評價(jià)，獲得可能的資源量范圍，即可能的最大值、最小值及概率最大值。

地質(zhì)工作者需認(rèn)識、描述及分析這些不確定性，適時(shí)開展風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，結(jié)合專業(yè)研判，盡可能降低不確定性，將不確定程度準(zhǔn)確可靠地反映給決策者，以幫助決策者做出科學(xué)的綜合判斷。

表1 4塊平行樣品在不同國家測試得到的數(shù)據(jù)對比

注：采樣地點(diǎn)：渝東南地區(qū)；送樣時(shí)間：2012年3月；測試單位：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)、美國猶他大學(xué)能源地學(xué)研究中心、德國地學(xué)研究中心

表2 貴州省某井泥頁巖含氣量在不同機(jī)構(gòu)測試得到的數(shù)據(jù)對比

注：采樣地點(diǎn)：貴州省某井；測試時(shí)間：2012年9月；測試單位：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)、Weatherford公司

1.2 頁巖氣富集規(guī)律尚在摸索

相較于美國，我國頁巖氣地質(zhì)條件復(fù)雜，類型多樣。海相、海陸過渡相和陸相泥頁巖疊置，多成因的頁巖氣呈多層系分布，區(qū)域差異顯著，多數(shù)地區(qū)構(gòu)造改造劇烈，地貌復(fù)雜[31-32]。巨大的差異決定了我們不能直接借鑒國外的成功經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，

而我國目前積累的成功開發(fā)經(jīng)驗(yàn)也較少，且由于區(qū)域性差異大，這些經(jīng)驗(yàn)也很難在不同地區(qū)推廣適用，這使得當(dāng)前對我國頁巖氣富集規(guī)律尚未形成成熟的認(rèn)識?？碧街猩婕暗降某刹貦C(jī)理、富集條件、控制因素、勘探方向等方面還存在諸多需要深入研究的問題，例如多旋回的構(gòu)造變動(dòng)和改造作用對頁巖氣富集和保存的影響、陸相泥頁巖的可壓裂性、常規(guī)油氣勘探效果不佳的中小型盆地是否具有頁巖氣前景等。

富集規(guī)律和勘探開發(fā)理論的薄弱，決定了我們?nèi)詫⒃诟唢L(fēng)險(xiǎn)中摸索較長一段時(shí)間，只有持續(xù)不斷的資料積累、經(jīng)驗(yàn)積累和研究積累才能逐步降低風(fēng)險(xiǎn)，明晰勘探開發(fā)方向，探索出適合我國的頁巖氣勘探開發(fā)模式。

1.3 頁巖氣采收率低

頁巖氣采收率一般在5%～30%之間(表3)，遠(yuǎn)低于常規(guī)油氣。采收率高低與頁巖氣藏品質(zhì)和開發(fā)技術(shù)密切相關(guān)。同時(shí)，頁巖含氣豐度低，品位低，開發(fā)中單井產(chǎn)量低、遞減快、生產(chǎn)周期長，開發(fā)者需要相當(dāng)長的一段時(shí)間才能獲得經(jīng)濟(jì)效益，在此之前，投資成本呈螺旋式增長。

較低的可采性既增加了勘探目標(biāo)的資源風(fēng)險(xiǎn)，也對開發(fā)規(guī)模(鉆井?dāng)?shù)量、技術(shù)難度、資金投入、投資期)提出了較高要求。

表3 美國典型頁巖氣區(qū)基本特征

資料來源：據(jù)文獻(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[33]～[37]修編

2 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

2.1 技術(shù)水平和能力

技術(shù)進(jìn)步是美國頁巖氣產(chǎn)量迅速增長的關(guān)鍵。我國獲得頁巖氣產(chǎn)能雖然只有幾年時(shí)間，但在原有基礎(chǔ)上快速發(fā)展了開發(fā)頁巖氣的核心技術(shù)，自主創(chuàng)新層出不窮，相關(guān)的工程技術(shù)手段也逐步成熟。例如，水平井的部署、井眼軌跡設(shè)計(jì)、完井及分段多級壓裂、CO2壓裂等。中石化江漢石油工程有限公司在涪陵頁巖氣田開發(fā)中，持續(xù)開展科技創(chuàng)新。目前，包括長水平段鉆井和長水平段分段壓裂等關(guān)鍵頁巖氣開發(fā)技術(shù)已全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，國產(chǎn)橋塞與多級射孔、油基鉆井液、牽引器測井、地質(zhì)導(dǎo)向4項(xiàng)國產(chǎn)化技術(shù)的應(yīng)用，可降低施工成本70%。

但在先天地質(zhì)條件方面，儲層縱、橫向連續(xù)性差，構(gòu)造變形強(qiáng)，地貌多樣等特點(diǎn)，使得頁巖氣開發(fā)地質(zhì)和工程地質(zhì)條件尤為復(fù)雜。不同地區(qū)之間的巨大差異，進(jìn)一步增加了技術(shù)推廣應(yīng)用的難度。此外，許多大型國際油氣服務(wù)公司，例如斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓等，紛紛在我國加大申請各項(xiàng)頁巖氣相關(guān)技術(shù)專利的力度，進(jìn)行了知識產(chǎn)權(quán)封鎖，為搶占我國頁巖氣市場做準(zhǔn)備。

2.2 管網(wǎng)設(shè)施尚不完善

美國能源信息署(EIA)認(rèn)為，天然氣生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施的完善程度是能否成功開發(fā)和利用頁巖氣的重要因素。美國高度成熟的天然氣工業(yè)體系為頁巖氣的革命性發(fā)展奠定了基礎(chǔ)條件。美國建成了四通八達(dá)的天然氣管網(wǎng)和城市供氣網(wǎng)絡(luò)，天然氣管網(wǎng)長度達(dá)48萬km，上游天然氣生產(chǎn)商6 800多家，天然氣管道運(yùn)營商160多家，天然氣交易商250多家，有近1 200個(gè)地區(qū)配氣公司和6 500多個(gè)終端用戶[38]。發(fā)達(dá)的管網(wǎng)使眾多中小廠商可以方便地將自己生產(chǎn)的頁巖氣出售給交易商，大大減少了頁巖氣開發(fā)在末端環(huán)節(jié)的前期投入，降低了市場風(fēng)險(xiǎn)，迅速實(shí)現(xiàn)了頁巖氣開發(fā)的市場化和商品化。

與美國相比，我國天然氣管網(wǎng)較少，現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)還不完善。全國油氣管道總長度僅9.3萬km，且分布不均，開放程度不夠。這些基礎(chǔ)設(shè)施能否被頁巖氣利用與共享還取決于多種因素，是制約頁巖氣的商業(yè)利用的因素之一。只有不斷增進(jìn)和完善基礎(chǔ)設(shè)施，才會(huì)降低頁巖氣的開采和運(yùn)輸成本，提升頁巖氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性，早日促成頁巖氣的商業(yè)利用。

3 經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)

3.1 持續(xù)大量的投資

我國尚處于頁巖氣勘探開發(fā)前期階段，還需要投入大量的鉆探、實(shí)驗(yàn)測試、地球物理信息采集、理論研究等工作量和資金，用來發(fā)展認(rèn)識，摸清規(guī)律。在中期測試與開發(fā)階段，必須實(shí)施大規(guī)模的水平鉆井和壓裂技術(shù)，工藝更加復(fù)雜，成本更高。我國部分技術(shù)和設(shè)備工具還需要國際公司的技術(shù)支持和進(jìn)口，造成開發(fā)成本較高，完成一口水平井鉆完井及壓裂所用的金錢和時(shí)間成本相當(dāng)于美國的3～4倍。例如，北美地區(qū)頁巖氣開發(fā)井的平均成本折算為人民幣一般在2 500萬～3 000萬元/口，而目前我國頁巖氣單口開發(fā)井成本在6 000萬～7 000萬元/口。由于頁巖氣資源豐度低，因此在開發(fā)后期階段，需要大規(guī)模、長期開采以獲得經(jīng)濟(jì)效益，仍需要持續(xù)不斷地增加鉆井?dāng)?shù)量和投資來保持規(guī)模。此外，我國地形地貌條件復(fù)雜和輸送管道等基礎(chǔ)設(shè)施不成熟也是增加成本的重要原因。

3.2 天然氣價(jià)格波動(dòng)

國際天然氣價(jià)近兩年低位徘徊，根據(jù)花旗銀行的預(yù)測，全球天然氣過?？赡軙?huì)持續(xù)到2020年。未來一段時(shí)間內(nèi)的天然氣價(jià)格走勢仍不確定。我國現(xiàn)階段頁巖氣開發(fā)成本仍然較高，且在獲得收益之前，仍需經(jīng)過很長時(shí)間的勘探、開發(fā)和開采階段。在這期間，天然氣價(jià)格上漲或下跌，都會(huì)對收益產(chǎn)生巨大影響。在目前的低經(jīng)濟(jì)效益甚至虧損形勢下，國有企業(yè)仍然積極探索，努力創(chuàng)新，對頁巖氣保持興趣，是因?yàn)槭澜鐚η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嗌蠞q會(huì)促使天然氣價(jià)格保持穩(wěn)定或上漲，從而帶來經(jīng)濟(jì)效益。從長期來看，一方面未來一段時(shí)間，通過技術(shù)進(jìn)步、規(guī)模開發(fā)可有效降低頁巖氣開發(fā)成本;另一方面持續(xù)高漲的天然氣需求也使得頁巖氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性隨之上升。但以目前的頁巖氣開采成本和收益率，難以吸引到更廣泛的投資者和企業(yè)參與。這將是一個(gè)不良循環(huán)，越少投資參與，技術(shù)進(jìn)步越慢，成本下降就越慢。因此，在高風(fēng)險(xiǎn)中勘探開發(fā)頁巖氣還有較長的一段路要走。

4 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

開發(fā)頁巖氣的過程當(dāng)中，大規(guī)模的水力壓裂不僅會(huì)耗費(fèi)大量的用水，還可能引起天然氣和壓裂液滲漏，造成環(huán)境污染。在美國的紀(jì)錄短片“天然氣之國(GASLAND)”中，部分環(huán)保人士對頁巖氣開發(fā)中引起的環(huán)境問題進(jìn)行了專題報(bào)道，引起了世界各國相關(guān)人士的關(guān)注，法國政府甚至明令禁止頁巖氣的勘探開發(fā)，引起熱議。

4.1 耗水

開發(fā)頁巖氣必須實(shí)施壓裂工藝，頁巖氣的規(guī)模開發(fā)會(huì)耗費(fèi)大量的用水[39]。據(jù)估計(jì)，一口水平井進(jìn)行一次水力壓裂約需用水25 000 m3，而頁巖氣的商業(yè)性開發(fā)需要一定規(guī)模的近井距井網(wǎng)，總用水量大。我國是一個(gè)水資源相對缺乏的國家，大量用水，可能會(huì)影響到周邊的生活和生產(chǎn)用水。使用后的工程用水部分可以回收，但回收后的大部分很難通過處理使其恢復(fù)可用性。該問題在我國水資源缺乏的地區(qū)(例如我國北方地區(qū))更為明顯。

4.2 天然氣和壓裂液滲漏

頁巖氣開發(fā)中，水平鉆井和壓裂都可能造成地下天然氣和壓裂液的滲漏，污染地下水、地表水和空氣(表4)。

目前普遍應(yīng)用的清水壓裂是在清水中加入適量的減阻劑、穩(wěn)定劑、表面活性劑或線性凝膠，以少量的砂作為支撐劑的壓裂作業(yè)方法。為了減弱清水壓裂液可能帶來的危害，還可以進(jìn)一步凈化壓裂液。

表4 頁巖氣開發(fā)可能引起的環(huán)境污染問題

4.3 其他環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

由壓裂引起的巖層破碎和開發(fā)引起的地層壓力下降均有可能誘發(fā)地震和地面沉降。在常規(guī)油氣田區(qū)，由于地下流體的長期、大量抽采，引起地面沉降的實(shí)例已有發(fā)現(xiàn)(例如大慶油田、大港油田等)。美國頁巖氣開發(fā)早期，這些問題在個(gè)別地區(qū)也有發(fā)現(xiàn)，主要是由于壓裂過度引起竄層、壓裂段與斷裂帶連通等原因造成。

頁巖氣勘探開發(fā)中可能存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)終將會(huì)通過工藝和技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)得以控制和消除，例如，節(jié)水/無水壓裂技術(shù)發(fā)展快速，LPG、CO2、N2等無水壓裂技術(shù)已處在探索階段，前景廣闊。

對我國而言，美國幾十年的頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐可為我們提供經(jīng)驗(yàn)，在規(guī)模開發(fā)頁巖氣之前已經(jīng)清楚地了解面臨的環(huán)境問題，只要采取積極措施應(yīng)對，我們將付出更少的環(huán)境代價(jià)。

5 討 論

頁巖氣勘探開發(fā)還存在著政策與體制風(fēng)險(xiǎn)，包括監(jiān)管體制、礦權(quán)重疊、管網(wǎng)壟斷及地質(zhì)資料共享機(jī)制風(fēng)險(xiǎn)等。例如，頁巖氣開發(fā)需要大量投資促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步以降低成本，但目前較低的收益難以吸引到廣泛的投資，由此形成不良循環(huán)，這就需要政策和體制的刺激和鼓勵(lì)。

我國南方與北方的頁巖氣資源在自然條件、人文條件等方面均具有較大差異，在勘探開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和對策上應(yīng)區(qū)別對待。南方地區(qū)資源匱乏，頁巖氣開發(fā)若能形成商業(yè)規(guī)模，將對政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及人文等發(fā)展均具有戰(zhàn)略性意義。南方地區(qū)地貌復(fù)雜，水系發(fā)達(dá)，地下水埋藏淺，地下水、地表水和大氣水交替活躍，應(yīng)對壓裂液的組成十分謹(jǐn)慎，盡量減少化學(xué)劑的使用，重視發(fā)展少水壓裂和無水壓裂技術(shù)。南方古生界頁巖氣儲層成巖作用強(qiáng)、脆性大、埋藏淺、易壓裂，但壓裂縫不易控制，需要重點(diǎn)考慮發(fā)展定向壓裂技術(shù)。北方地區(qū)地表?xiàng)l件相對較好，但水資源匱乏，應(yīng)重視工程用水的回收和重復(fù)使用，重點(diǎn)發(fā)展少水或無水壓裂技術(shù)；北方地區(qū)上古生界、中生界和新生界泥頁巖層系埋深大、不易壓裂，多數(shù)有利區(qū)位于已成熟開發(fā)常規(guī)油氣田內(nèi)部，宜重視多類型油氣的綜合勘探開發(fā)、降低成本，提高效益。

綜上所述，我國正在開展的一系列油氣體制改革為頁巖氣勘探開發(fā)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。加快頁巖氣的勘探開發(fā)、盡快實(shí)現(xiàn)頁巖氣規(guī)模性、工業(yè)性開發(fā)是大勢所趨。在積極探索的同時(shí)，我們還需冷靜地思考、科學(xué)地分析各類風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)工作，采取措施積極應(yīng)對，這對科學(xué)部署頁巖氣勘探規(guī)劃、實(shí)現(xiàn)美麗中國目標(biāo)、保障國家能源安全都具有重要意義。