“頁巖氣化工”的發展機遇來了嗎？

唐宏青

（中科合成油工程有限公司，北京 101407）

近期，人們對非常規天然氣之一頁巖氣倍加重視，大力發展頁巖氣化工的說法破土而出。本文試圖討論這個大家關心的問題。

1 非常規天然氣

天然氣可以分為常規天然氣和非常規天然氣。非常規天然氣包括煤層氣、深盆氣、可燃冰和頁巖氣等。

非常規天然氣是指那些難以用傳統石油地質理論解釋，在地下的賦存狀態和聚集方式與常規天然氣藏具有明顯差異的天然氣聚集。主要包括以下幾種。

（1）煤層氣

是儲集在煤層中的自生自儲式天然氣，成因主要為熱成因，生物成因。其內涵也包括人們常說的煤礦瓦斯氣。

（2）深盆氣

也稱致密砂巖氣藏，指儲層為致密砂巖的氣藏，具有孔隙度低（12%以下）、滲透率比較低（1 ×10－3μm2）、含氣飽和度低（60%以下）、含水飽和度高（40%以上）、天然氣在砂巖層中流動速度較為緩慢的特點。

（3）可燃冰

可燃冰即天然氣水合物，它是一種天然氣與水的類冰狀固態化合物，主要成分是甲烷，因此也常稱為 “甲烷水合物”。它是在特定的低溫和高壓條件下，甲烷等氣體分子天然地被封閉在水分子的擴大晶格中，形成似冰狀固態水合物。“可燃冰”外表上看像冰霜，從微觀上看其分子結構就像一個 “籠子”，由若干水分子組成一個籠子，每個籠子里 “關”一個氣體分子。可以認為化學式是CH4·xH2O，其中x一般為6～8。

可燃冰主要分布在東、西太平洋和大西洋西部邊緣。目前可燃冰的勘探、研究程度尚較低，因為水合物的開發可能引起海嘯、海底滑坡、海水毒化等，且面臨開采的技術難題，尚不能進行大規模工業性開發，可燃冰至今仍原封不動地保存在海底和永久凍土層內。

2007年，我國在南海北部成功鉆獲的天然氣水合物實物樣品 “可燃冰”在廣州亮相。我國是繼美國、日本、印度之后第4個通過國家級研發計劃采到可燃冰實物樣品的國家。

2009年，我國在青海省祁連山南緣永久凍土帶成功鉆獲可燃冰實物樣品，這是世界上第一次在中低緯度凍土區發現的可燃冰。

（4）頁巖氣

頁巖氣是從頁巖層中開采出來的天然氣。頁巖氣是主體上以吸附或游離狀態存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質巖類夾層中的天然氣，它可以生成于有機成因的各種階段天然氣主體上以游離相態（大約50%）存在于裂縫、孔隙及其他儲集空間，以吸附狀態（大約50%）存在于干酪根、粘土顆粒及孔隙表面，極少量以溶解狀態儲存于干酪根、瀝青質及石油中天然氣中，也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、甚至砂巖地層中，為天然氣生成之后，在源巖層內就近聚集，表現為典型的原地成藏模式，與油頁巖、油砂、地瀝青等差別較大。

與常規儲層氣藏不同，頁巖既是天然氣生成的源巖，也是聚集和保存天然氣的儲層和蓋層。因此，有機質含量高的黑色頁巖、高碳泥巖等常是最好的頁巖氣發育環境。

頁巖氣發育具有廣泛的地質意義，存在于幾乎所有的盆地中，只是由于埋藏深度、含氣飽和度等差別較大而具有不同的工業價值。

2 頁巖氣的儲量

非常規天然氣資源儲量非常豐富。據估計，全球煤層氣資源量可能超過260×1012m3。隨著勘探的不斷深入，常規石油天然氣資源增儲增產難度越來越大，開發非常規天然氣資源顯得尤為重要。

從全世界范圍看，頁巖氣資源前景巨大。全球頁巖氣資源量為456.24×1012m3。主要分布在北美、中亞和中國、拉美、中東和北非、前蘇聯（表1）。

表1 世界主要地區頁巖氣儲量表［1］ 1012 m3

中國非常規天然氣資源豐富，預計是常規天然氣的5倍以上。中國頁巖氣資源量高達（26～31）×1012m3，與美國頁巖氣儲量28.3×1012m3大致相當。與美國不同的是，我國的頁巖氣開采難度更大，頁巖氣層深度比美國深得多。

非常規天然氣屬于化石能源中的清潔能源，全球非常規天然氣的發展非常迅速，產量快速上升，2008年非常規天然氣產量占天然氣產量的18%。在過去10年里，美國頁巖氣得到快速發展。2000年，美國頁巖氣產量為122×108m3；2007年，美國頁巖氣產量366.2×108m3；2010年達到1 379.2×108m3，占美國當年天然氣總產量6 400×108m3的21.5%。

與美國等發達國家相比，我國非常規天然氣的勘探研究還處于起步階段，開發潛力巨大。隨著國際能源結構的改變，我國應對非常規天然氣形成的地質條件，資源分布，以及儲量進行研究，與國外非常規天然氣對比分析，提出我國勘探開發的關鍵技術、發展戰略與政策建議，為我國的能源戰略決策和規劃提供科學依據。

國際能源署（IEA）近日發布的 《天然氣黃金時代的黃金規則》報告認為，全球非常規天然氣即將進入一個黃金發展時期，2035年全球以頁巖氣為主的非常規天然氣產量可達到1.6× 1012m3，非常規天然氣在天然氣總產量中的份額將從目前的14%上升至32%。2035年全球非常規天然氣產量構成情況是，頁巖氣56%、煤層氣38%、致密氣6%。在預測期內，非常規天然氣最大的生產國是美國和中國，美國將超過俄羅斯成為全球最大的天然氣生產國。報告提出，開發利用非常規天然氣資源是推動天然氣進入黃金發展時期的關鍵，但是迎來非常規天然氣光明的未來仍有諸多障礙需要克服，必須成功解決非常規天然氣開發過程中的土地、空氣和水資源污染等環境問題，消除不良社會影響。

3 我國開發頁巖氣的規劃

可以肯定地說，我國政府對頁巖氣極為重視！

政策扶持和技術創新是實現我國非常規天然氣大規模開發利用的關鍵。國家已出臺政策扶持和引導機制，確保非常規天然氣開發利用有序健康發展。包括加強機制引導，政策扶持，重視非常規天然氣領域工程技術前瞻性探索，鼓勵自主創新，積極推動工程技術與設備配套發展等。

預計經過一段時間的努力，非常規天然氣可以成為我國天然氣工業發展的主體。預計2020年產量將占我國天然氣總產量的一半，2030年將占總產量的三分之二左右，在保障國家能源安全和改善能源結構中具有十分重要的戰略地位。

國民經濟和社會發展 “十二五”規劃明確要求 “推進頁巖氣等非常規油氣資源開發利用”，為大力推動頁巖氣勘探開發，增加天然氣資源供應，緩解我國天然氣供需矛盾，調整能源結構，促進節能減排，國家有關部門特制定了頁巖氣發展規劃（2011～2015年）。“十二五”期間將實現以下規劃目標。

（1）基本完成全國頁巖氣資源潛力調查與評價，初步掌握全國的資源量及其分布，優選30～50個頁巖氣遠景區和50～80個有利目標區。

（2）探明頁巖氣地質儲量6 000×108m3，可采儲量2 000×108m3。2015年頁巖氣產量65 ×108m3。

（3）形成適合我國地質條件的頁巖氣地質調查與資源評價技術方法，頁巖氣勘探開發關鍵技術及配套裝備。

（4）形成我國頁巖氣調查與評價、資源儲量、試驗分析與測試、勘探開發、環境保護等多個領域的技術標準和規范。

4 頁巖氣化工是天然氣化工的一部分

資料顯示，我國天然氣資源不多，可采儲量排名世界第13位，見表2。如果考慮人口的因素，我國是天然氣資源貧乏的國家。

表2 2010年世界天然氣可采儲量與產量［2］

我國天然氣主要存在于中部和西部地區。除東海、渤海灣和海南鶯歌海域有零星天然氣礦外，氣源主要集中在四川、陜甘寧、新疆塔里木、青海準噶爾、柴達木盆地等地。西部地區占全國總探明資源量的2／3左右。

近期，國內對頁巖氣的關注很高，事出有因。

長期以來，我國常規天然氣資源不足，對化工的發展產生不利影響，不得不發展煤化工。由于煤化工的投資大、環境污染嚴重，不是理想的發展方向，人們總是希望能夠得到一種可以代替常規天然氣的氣態原料。近期由于報道我國頁巖氣的資源豐富，可以用一百年以上，國家把頁巖氣定義為一個新礦種，再加上美國正在大規模開采頁巖氣等，這就給化學工業的發展展示了新的希望。實際上，國家對頁巖氣的勘探、開發研究一直在進行，只是現在備受重視，開始 “熱”了，并不是天上新掉下一個餡餅。

由于頁巖氣的成分與常規天然氣相仿，都是以甲烷為主、少量飽和低碳烴和惰性氣體組成的可燃氣體，因此，頁巖氣化工是天然氣化工的一部分。天然氣化工能夠實現的技術，頁巖氣化工也一樣能夠實現。

天然氣在化工上的主要用途是生產合成氣，少量的用于制取乙炔，還可以將碳二以上物質進行裂解，另外還能得到稀有氣體和硫化物，見圖1。這些科目，頁巖氣也能做到。

圖1 天然氣化工簡圖

把頁巖氣作為化工原料，是眾望所歸。

5 與煤化工的關系

一個嚴峻的問題被提出：“頁巖氣化工的發展會不會使近年來熱火朝天的煤化工全軍覆沒？”。這個問題要從以下兩個方面來回答。

5.1 不受影響的一面

碳一化工的原料是煤、天然氣、焦爐氣、油田氣、煉廠氣、煤層氣等可以經過加工生產合成氣的氣液固各種原料。

碳一化工的生產，按照工藝步驟可劃分為三個工業化主流層次，見圖2。

從上述劃分可看到，合成氣的生產是碳一化工的第一個層次，它是碳一化工原料進行加工的必要步驟，化工上統稱為氣化工藝。因此，我們有理由相信，合成氣以后的第二和第三層次，是具有一定的通用性的，不一定非要與第一層次直接聯系。研究天然氣化工和煤化工的區別，只應該到合成氣為止。

合成氣中的H2與CO的比例、附屬氣體（H2O、CO2、H2S、N2、CH4等）的含量等工藝條件，都可以隨著要求的具體化，通過補碳或凈化方法來調整。就目前的合成氨、甲醇、氫、醋酸等獨立的工業化大裝置，絕大部分都要通過合成氣這一步。

圖2 碳一化工工藝三個工業化主流層次的劃分

所以，新型煤化工的技術發展方向，如費托合成制油品（柴油、汽油、石腦油、LPG、石蠟等）、甲醇制烯烴（MTO、MTP、MTG、MTA等）、合成氣制醇（甲醇、乙醇、低碳醇等），都是可為天然氣化工技術所利用、借鑒和包容的。

這是從碳一化工原料生產醇、醚、油、烯烴等產品的階段劃分，說明頁巖氣化工對煤化工中的后續部分合成氣加工沒有影響。

5.2 受影響的一面

我們也看到，煤化工中煤制天然氣（甲烷）和煤氣化單元要受到影響。

（1）煤制天然氣

煤制天然氣是一個利民工程，作為13億人口的大國，居民飲食和生活燃料問題十分重要。隨著我國西氣東輸工程的實施，城市燃氣管道化已經較普及。天然氣、液化氣、煤氣、沼氣等燃氣管道網絡在我國迅猛發展，無疑是一件好事，對于提高經濟效益、減少城市大氣污染、方便居民生活、減輕百姓的家務勞動等都有顯著的好處。無疑，人民生活水平的提高，對環保、生活的舒適性要求越來越高，天然氣肯定供不應求。讓13億人的飲食和生活燃料都用上甲烷（約需1 800×108m3／a），實現全國居民用燃料管道化，前景是相當誘人的！由于我國天然氣儲量不足，煤制天然氣成為西北產煤區的主流產業。

現在的問題是，如果頁巖氣大量開發，在滿足一定要求后，如有富裕氣還可以向化工進軍，這會產生什么后果？

煤制天然氣是從煤經過合成氣到甲烷，而頁巖氣化工要從甲烷經過合成氣到產品，見圖3。從地方利益來說，有的地方用煤制合成氣再制甲烷，有的地方用甲烷制合成氣再制其他產品。從國家的層面來看，這里蘊含著能量的浪費。

圖3 煤制甲烷和頁巖氣化工的重疊

很顯然，到一定的時候，即滿足國內生活需要和一部分發電需要后，如果頁巖氣還有富裕，再加上全國天然氣管網的建成，可以進入頁巖氣化工時代，現在的煤制天然氣工業要壓縮。

問題是這需要多長的時間？筆者估計大約在20年后，即2030～2035年期間啟動。因此，我們需要確定目前全國煤制氣的規模多少合適。

現在正大規模發展的煤制天然氣工業，以新疆為例，“十二五”的規劃為768×108m3／a，不僅規模巨大，投資更是驚人。原可研報告中40 ×108m3／a裝置的總投資為250億元，根據內蒙在建的裝置，實際基礎設計的投資都超過310億元，原料煤熱值下降、物價上升、自建長距離輸氣管道是投資大幅度上升的主因。

煤制天然氣是一個微利或無利的 “公益”項目，如果大規模 “頁巖氣化工”啟動時間距現在是20年，那么現在還沒有開始建設的煤制天然氣裝置在建成后可能沒有收回投資就要結業，這是一個值得行業內重視的問題。

（2）煤氣化單元

目前我國有十幾種煤氣化技術在運行，其中水煤漿氣化和干煤粉氣化是主流。國內研究的“多噴嘴水煤漿氣化技術”和 “航天爐粉煤氣化技術”得到普遍贊同，可達到設計的年度指標。

盡管西方國家不主張發展煤化工，但是他們用于發電的煤氣化技術還在不斷地向中國推廣，如E－gas、KBR氣化等。

通常氣化工藝（含空分）占單體化工全部裝置費用的50%以上，所以煤氣化是煤化工的投資主體。頁巖氣氣化技術成熟、投資少、能耗低，環境污染小，一旦頁巖氣化工得到發展，煤氣化的推廣將會受挫。這也是一個值得重視的問題。

6 積極發展頁巖氣化工

能源是人類生存和發展的基本條件，作為世界三大支柱能源——石油、天然氣、煤，在人類發展的歷史進程中，起著不同的作用。隨著天然氣生產及利用技術的進步，在今后的20年里天然氣將成為世界上增長速度最快的主要能源，發展前景和經濟效應頗為樂觀。國際上預計，21世紀天然氣的開采、貿易、使用將要超過煤炭和石油而躍居世界能源首位。

我們應該研究這個結論是否適合中國。

我國天然氣化工起步比較晚，始于上世紀50年代末。截止到60年代，我國的天然氣使用已經取得一定的成果，并且逐步規模化。70年代初，我國引進多套天然氣制氨裝置，對天然氣化工的發展起了引導作用。化工用天然氣主要是作為制氨的原料和燃料，約占化工總用氣量的80%。

目前，我國天然氣化工的利用與國外存在著一定的差距，主要體現在裝置規模較小、國產化工藝技術水平略差上。

長期以來，我們強調的是裝備國產化，沒有強調工藝技術國產化，因此，大規模裝置設計的工藝技術基本上靠引進，例如，國內一些有幾十年甲醇設計經驗的大型化工設計院迄今不會做大型甲醇合成的工藝包，仍然靠不斷地重復引進。如果我們現在大規模發展頁巖氣化工，我們的工藝技術就完全被西方公司控制。

所以，我國要發展頁巖氣化工，目前就要做工作，在二十年內不僅要實現裝備國產化，更要實現工藝技術國產化，包括蒸汽轉化、凈化、甲醇合成等幾個主要環節工藝技術國產化，否則，只會制造設備，不會設計工藝和設計設備，“自主知識產權”是一句空話。

目前，國內蒸汽轉化的高溫低水碳比催化劑（Z系列）和甲醇合成的催化劑（NXC98，C307等），在性能上已經達到國際水平，可以滿足要求。

7 頁巖氣化工的發展機遇來了嗎？

發展機遇的氣息到了，但是發展機遇沒有到！

未來二十年是多種能源（油、氣、煤、太陽能、風能）并舉的能源時代。在這段時間內做好準備：包括蒸汽轉化、凈化、甲醇合成等幾個主要環節規模化的工藝技術國產化，再加上煤化工中合成氣化工（費托合成）、甲醇化工（甲醇制烯烴）等技術不斷發展，在我國頁巖氣大量開采的時候，就可以迎接頁巖氣化工發展機遇的到來。

［1］江懷友，宋新民，安曉璇，等.世界頁巖氣資源與勘探開發技術綜述［J］.天然氣技術，2008，24（6）：26～30.

［2］BP世界能源統計年鑒.2011，6.