頁巖氣：全球油氣資源開發的新亮點——我國頁巖氣開發的現狀與關鍵問題*

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。非常規天然氣作為常規油氣的重要戰略接替能源，近年來已引起各國政府和科學界的廣泛關注。非常規與常規天然氣的定義不是按成因進行的分類，而主要是按天然氣的賦存狀態進行界定。常規天然氣是指賦存在常規的構造、地層等圈閉類型中的氣；其余賦存狀態的天然氣可通稱為非常規天然氣，包括：煤層氣（主要為煤層吸附儲存）、深層氣（位于當前勘探目的層以下，傳統生氣窗以下生烴）、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，以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣[1]，其通常分布在盆地內厚度較大的頁巖烴源巖地層中。與常規天然氣相比，頁巖氣開發具有資源潛力大、開采壽命長和生產周期長的優點，頁巖氣田開采壽命一般可達30—50年，甚至更長。美國聯邦地質調查局最新數據顯示，美國沃思堡盆地Barnett頁巖氣田開采壽命可達 80—100年，預示了頁巖氣巨大的發展潛力。

1 頁巖氣的儲量與國內外開發現狀

全球頁巖氣資源分布廣泛，儲量約為456.23×1012m3，相當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、蘇聯等地區（圖1）。

圖1 全球潛在可開發的頁巖氣分布

目前取得開采成功的主要是美國和加拿大。2000年以來，由于相關勘探開發技術得到了廣泛應用，頁巖氣的年產量和經濟、技術可采儲量迅速攀升。2000年，美國頁巖氣年產量為 122×108m3（圖 2），美國天然氣研究所與ARI公司的研究數據表明，2007年美國頁巖氣生產井近42000口，頁巖氣年產量為450×108m3,約占美國年天然氣總產量的8%[3]。2009年美國頁巖氣產量接近1000億m3，超過我國常規天然氣的年產量（2009年我國天然氣產量830億m3），基本彌補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濟雙重意義。

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，頁巖氣勘探開發正由北美向全球擴展，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頁巖氣項目的25%股權[4]。頁巖氣已成為全球油氣資源勘探開發的新亮點，必將改變世界油氣資源勘探開發的格局。

我國頁巖氣資源潛力大且地質條件優越，據估算，頁巖氣可采資源量約為26萬億m3，與美國大致相當。從現有資料分析，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。海相富含有機質泥頁巖最主要發育于下古生界的下寒武統、下志留統——上奧陶統頂部，以揚子克拉通地區最為典型。上揚子地區下寒武統普遍發育的黑色泥頁巖，有機碳含量高，最高達到12%，為我國頁巖氣勘探最有潛力的地區[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于該盆地常規天然氣資源量的 1.5—2.5倍[6]。

2004年，國土資源部油氣中心與中國地質大學 （北京）開始調研我國頁巖氣資源狀況，2009年在全國油氣資源戰略選區專項中，實施了“中國重點地區頁巖氣資源潛力及有利區帶優選”項目，并在重慶市彭水縣連湖鄉實施了我國第一口頁巖氣戰略調查井（圖3），見到了良好的頁巖氣顯示[6]，標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。

圖3 國內第一口頁巖氣勘探井彭水開鉆

2 頁巖氣開發的關鍵問題

2.1 地質控制條件評價

頁巖氣和傳統的油氣勘探在地質控制條件上有著很大差別，常規油氣勘探地質條件可概括為：“生、儲、蓋、運、圈、保”，而頁巖氣沒有“蓋”、“運”、“圈”、“保”的問題，“生”就是“儲”，“蓋”也是“儲”。

高產且經濟效益好的頁巖氣大多為含油氣系統中主力烴源巖，尤以受上升洋流影響、傾油混合型干酪根為主的海進體系黑色頁巖為佳，且現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質豐度，儲集大量吸附氣，又能新增一定孔隙度，容納足夠數量的游離氣，有助于提高基質系統的滲透性，使生產井保持較高產氣速度，規模化開發生產的經濟效益達到最大化[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評價方面。受復雜地質背景和多階段演化過程的影響，我國含油氣盆地類型多、盆地結構復雜，盆地的不同演化規律直接控制著富含有機質泥頁巖的發育與分布[8]。盡管頁巖氣成藏機理條件可與美國頁巖氣地質條件進行比對，但我國頁巖氣的主要儲層與美國有很大區別，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條件且對我國頁巖氣資源戰略調查和勘探開發具有指導意義的中國頁巖氣地質理論體系。應重點研究我國頁巖發育的構造背景、成藏條件與機理 （成藏主要受控于頁泥巖厚度、面積、總有機碳含量、有機質成熟度、礦物巖石成分、壓力和溫度等因素）、頁巖成烴能力（如有機質類型及含量、成熟度等）、頁巖聚烴能力（如吸附能力及影響因素等）、含氣頁巖區域沉積環境、儲層特征、頁巖氣富集類型與模式，系統研究我國頁巖氣資源分布規律、資源潛力和評價方法參數體系等。

2.2 戰略選區

作為可商業規模化開采的頁巖氣，戰略選區是頁巖氣勘探開發前的基礎性、前瞻性工作，除了地質控制因素的考慮，還應特別重視頁巖氣開發可行性。我國頁巖氣起步階段應首先要考慮海相厚層頁巖中那些總有機碳含量大于1.0%、Ro介于1.0%—2.5%之間、埋深介于200—3000m之間、厚度大于30m的富含有機質頁巖發育區；其次考慮海陸交互相富含有機質泥頁巖與致密砂巖和煤層在層位上的緊密共生區；但同時要研發不同類型天然氣資源多層合采技術；對于湖相富含有機質泥頁巖，重點考慮硅質成分高、巖石強度大、有利于井眼穩定的層系[8]。

2.3 技術

頁巖氣開發相對常規天然氣來說，因頁巖氣藏的儲層一般呈低孔、低滲透率的物性特征，通常孔隙度最高僅為4%—5%，滲透率小于1×10-3μm，氣流的阻力比常規天然氣大，需實施儲層液壓破碎才能開采[10]。目前頁巖氣的開采技術主要有水平井+多段壓裂技術、清水壓裂技術和近期出現的最新壓裂技術——同步壓裂技術,創新的水平井鉆井和完井技術是保證生產成功的關鍵。采用水力壓裂和水平井技術、微地震裂縫成像技術，能直接監測水力裂縫網絡的擴展動態，可極大地提高頁巖儲層中頁巖氣的開采量[11]。正是這些先進技術的加速研發和成功應用,促進了美國頁巖氣開發的快速發展[9]。

目前我國已在地震儲集層預測、大型壓裂應用于低滲透氣藏儲集層改造、裂縫性油藏壓裂井產能評價以及微地震監測技術等方面積累了豐富的經驗。但目前的技術儲備尚難以解決我國的頁巖氣勘探開發問題。要遵循我國頁巖氣資源的地質條件、成藏特點等客觀規律，加大地質理論與配套關鍵技術的研究力度，應充分利用技術上的“后發優勢”，引進吸收和提高創新地球物理、地球化學、鉆探完井和壓裂等技術方法、頁巖氣儲層評價技術、射孔優化技術、水平井技術和壓裂技術，提高頁巖氣勘探開發技術水平。

2.4 環境

頁巖氣本身是一種潔凈能源，燃燒產生的二氧化碳僅為煤的50%，但由于目前開發主要采用的壓裂法，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物質，這些化學物質可能會對地下水產生污染。類似于現在國家大力推廣的太陽能發電，太陽能本身是一種低碳環保的新型能源，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災難至今仍未控制。油氣開采環節的環境災難是油氣行業不可回避的一個嚴重問題，需要高度重視對頁巖氣開采中潛在污染的評估。

2.5 政策

美國頁巖氣發展速度之快，離不開國家政策上的支持和先進的開發技術，而這是我國目前所不具備的。20世紀70年代末，美國政府在《能源意外獲利法》中規定了非常規能源開發稅收補貼政策，得克薩斯州自20世紀90年代初以來，則更進一步明確了對頁巖氣的開發不收生產稅；另外，美國還專門設立了非常規油氣資源研究基金[12]。一系列有利的政策支持大大降低了頁巖氣開發成本，刺激了美國頁巖氣的迅猛發展。

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

國家財政應加大對頁巖氣資源戰略調查的投入，鼓勵社會資金投入，對頁巖氣開采企業增值稅實行先征后退政策，企業所得稅實行優惠等特殊的行業政策。

2.6 合作

2007年10月，中國石油天然氣集團公司與美國新田石油公司簽署了“威遠地區頁巖氣聯合研究”協議，研究內容是四川威遠地區頁巖氣資源勘探開發前景綜合評價，這是我國頁巖氣開發對外合作簽署的第一個協議。2009年11月，美國總統奧巴馬同意通過投資中國的頁巖天然氣開發，承諾與中國共享這一領域的技術[4]。我國應抓住契機，進一步加強與國外有實力公司的合作開發，引進先進理念與開發技術，通過引進和消化頁巖氣開發技術，探索和創新適合我國頁巖氣開發的核心技術。

在“大型油氣田與煤層氣開發”國家重大專項的“十二五”規劃草案中，頁巖氣的開發已列入了戰略攻關內容；國土資源部表示，中國計劃到2020年將頁巖氣年生產能力提高到（150—300）×108m3，我國致力于到2020年能夠發現20—30個大型勘探開發區塊，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略調查和勘探開發格局，甚至改變整個能源結構，緩解我國油氣資源短缺，保障國家能源安全，促進經濟社會發展。

1 張金川，薛會，張德明等.頁巖氣及其成藏機理.現代地質，2003，17(4):466.

2 錢伯章.新能源技術與應用：石油和天然氣分冊.北京：科學出版社，2010.

3 譚蓉蓉.21世紀初的美國頁巖氣勘探開發情況.天然氣工業，2009，5：62.

4 特蕾西.頁巖氣：資源接替的新曙光?CEOCIO，2010（3）：78.

5 陳波，蘭正凱.上揚子地區下寒武統頁巖氣資源潛力，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.我國富含有機質泥頁巖發育特點與頁巖氣戰略選區.天然氣工業，2009，29(12):115-118.

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

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

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

12 安曉璇，黃文輝，劉思宇等.頁巖氣資源分布、開發現狀及展望.資源與產業，2010，12（2）：103-109.