全球頁巖氣發展啟示與中國未來發展前景展望

董大忠，王玉滿，李登華，楊 樺，李新景，王淑芳

(1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083;2.北京大學，北京 100871)

全球頁巖氣發展啟示與中國未來發展前景展望

董大忠1，王玉滿1，李登華1，楊 樺1，李新景1，王淑芳2

(1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083;2.北京大學，北京 100871)

中國頁巖氣勘探開發已開展了大量露頭地質調研、前期研究與勘探開發先導試驗等工作，尤其是在中國南方海相頁巖氣區，完鉆了頁巖氣井40余口，獲氣10余口，多口井經壓裂初期日產量超過了1萬m3。實踐表明，中國頁巖氣資源發展前景較好，但也具有明顯的特殊性，許多地質與開發難題亟待解決，隨著頁巖氣勘探開發理論與關鍵技術的突破、經濟條件的改善和國家政策的支持，未來中國頁巖氣資源發展前景廣闊。

頁巖氣;資源前景;勘探實踐;發展前景

1 全球頁巖氣發展形勢與啟示

頁巖氣是以產自富有機質頁巖為主(包括富有機質頁巖、高碳頁巖及粉砂質頁巖、粉—細砂巖或砂巖夾層)的儲集巖系中的天然氣［1］。全球頁巖氣資源豐富，美國能源信息署(EIA，2011)［2，3］預測全球頁巖氣技術可采資源量為187.5萬億m3。全球掀起了一場“頁巖氣革命”，預計到2020年全球頁巖氣年產量可達3068億m3。

1.1 全球頁巖氣發展形勢

美國是全球頁巖氣勘探開發最早最成功的國家。1821年美國在其東部紐約州的Appalachian盆地鉆探了第一口頁巖氣井，在泥盆系Dunkirk頁巖中獲得頁巖氣［4～6］。近10年來，頁巖氣地質理論與勘探開發技術的重大突破與規模推廣應用，促使美國及整個北美地區頁巖氣儲量、產量快速攀升，改變了美國天然氣供應來源，影響了全球能源供給格局。目前，北美規模開發了 9 個頁巖氣區帶［2，3，7～9］:Antrim、Barnett、Eagle Ford、Fayetteville、Haynesville、Horn River、Marcellus、Montney 和 Woodford(見表1)。產層時代包括中上泥盆統、密西西比系(石炭系)、三疊系、侏羅系和白堊系，開發深度152～4200 m(生物成因頁巖氣150～670 m，熱成因頁巖氣900～4200 m)，有效頁巖厚度6～180 m，(以30～90 m 為主)，熱成熟度(Ro)為1.0% ～4.0%，總有機碳(TOC)含量為0.45% ～25.0%，孔隙度為2.0% ～14.0%，含氣量為 0.4 ～ 9.9 m3/t。2011年美國頁巖氣年產量約1720億m3［8］，為美國天然氣總產量的34%，加拿大頁巖氣年產量約190億m3［8］，為加拿大天然氣總產量的10%。在北美頁巖氣發展形勢的影響下，全球各地區紛紛開展了頁巖氣的勘探開發［10］。

2009年歐洲的德國、法國、英國、波蘭、奧地利、瑞典都啟動了頁巖氣勘探開發計劃，40余家跨國公司在歐洲從事頁巖氣開發工作。英國2011年宣布在英格蘭西北部發現了頁巖氣田，預測頁巖氣儲量約5.7 萬億 m3。

中國、印度、澳大利亞和新西蘭在頁巖氣勘探開發上均取得了不錯的成果。中國2008年鉆探了第一口頁巖氣地質淺井，2009年鉆探了第一口頁巖氣勘探評價井，2010年在四川盆地古生界海相頁巖中取得突破，成為北美以外地區率先實現頁巖氣突破的國家。印度初步評價7個盆地存在頁巖氣資源(斯倫貝謝，2010)，2011年在西孟加拉邦東部杜爾加布爾的第一口頁巖氣井在1700 m深處的Barren Measure頁巖中獲得發現。澳大利亞在 Cooper、Perth、Amadeus、Georgina 和 Canning 等盆地評價了頁巖氣前景，在 Perth、Cooper、Canning盆地取得了進展。

2011年南美洲的阿根廷在Neuquen地區發現了頁巖氣，哥倫比亞在其東部地區開展了頁巖氣勘探。

南非在Karoo盆地開展了大量頁巖氣前期評價，Shell已在該地區進行頁巖氣開發。

1.2 北美頁巖氣發展的主要影響因素

1.2.1 優惠政策的扶持

頁巖氣開發具有高投入、高風險、回收期長等特點，從發展角度看，特別需要一個協調一致的政策環境。美國1980年頒布了《能源意外獲利法》，其中第29條對非常規能源開發給予稅收補貼政策。這一政策的提出對煤層氣、頁巖氣、水溶氣等的開采直接進行財政補貼。最初每桶油當量產量補貼3美元，相當于每立方米天然氣補貼1.81美分。隨后根據經濟形勢變化和通貨膨脹情況，不斷調整補貼標準，最高補貼曾達到了相當于每立方米天然氣補貼4.95美分。同時，美國還將傳統油氣上游開發的稅收優惠政策移植到了頁巖氣開發領域，包括無形鉆探費用扣除、有形鉆探費用扣除、租賃費用扣除、工作權益為主動收入、小生產商耗竭補貼等。這些稅收優惠政策激發了小公司投資頁巖氣勘探開發的熱情，極大地促進了頁巖氣的發展。美國政府還提供大量資金鼓勵開展非常規天然氣研究，包括撥款、貸款和貸款擔保、培訓資助、科研資助和勘探直接投入等，如2004年美國能源法案規定10年內每年投資4500萬美元用于非常規氣研究。

在美國政府有利的政策支持下，大大降低了頁巖氣的勘探開發成本，為頁巖氣的快速發展提供了強勁的動力。

1.2.2 關鍵勘探開發技術的進步

頁巖為低滲、低產儲層，必須使用非常規技術進行開發。如果說資源基礎雄厚是商業開采的前提條件，大量的研發投入和技術不斷進步就是美國頁巖氣快速發展的必要條件［4，6，9，10］。20 世紀 80 年代到90年代初期，美國天然氣研究所(GRI)和美國能源部(DOE)資助了大量的油氣研發項目。依靠這些研發成果，90年代中期北美非常規天然氣初步實現了商業化生產。目前美國非常規天然氣的勘探開發仍在享受20世紀八九十年代的研發碩果，如美國在頁巖氣勘探開發方面形成的以水平井、分段壓裂、微地震裂縫監測為代表的特色技術(見圖1)，不斷實現了頁巖氣的高效、低成本開發，將以往不能經濟開采的非常規天然氣資源轉化為今日天然氣供應的重要來源。技術的進步不斷降低開發成本，以鉆、完井為例，早期以垂直井為主，每個井場只能打1口井。2002年以后，水平井技術逐漸成熟，叢式井鉆井技術也實現突破，每個井場能鉆2口以上的井，目前每個井場鉆井一般達16～32口。鉆井周期從早期的60 d降至目前的7～10 d，最長不過25 d，鉆井成本降低了近30%。在完井方面，采用“壓裂工廠”作業模式，在同一井場對多口井同時進行鉆井、射孔、壓裂、完井和生產作業，完井周期從原來的每口井60 d降至目前的20 d完成5口井，完井成本降低了近60%。技術進步較大幅度提高了頁巖氣單井產量，2009年美國主要頁巖氣田通過壓裂級數的增加，單井初始產量均有增加，Marcellus頁巖氣田的初始產量增加幅度高達30%。

圖1 北美頁巖氣開采關鍵技術發展路徑圖Fig.1 Key technology development path of shale gas extract in North America

1.2.3 發達的管網設施與第三方準入條款

美國已經形成的覆蓋全國、連接主要氣區和終端用戶的天然氣供應網絡，為非常規天然氣的開發創造了良好條件［2］。美國目前有210多個天然氣管道系統，州際和州內管道總長度達到49萬km以上，配氣管道300萬km。除此之外，還有1400多個天然氣壓縮站、400個天然氣地下儲集設施及11000多個交收點、5000個接收點和24個交匯點或市場中心。1992年美國聯邦能源管理委員會還頒布了專門的法令(第636號)，規定從1993年11月起州際天然氣管道公司只能開展天然氣輸送業務，而不能再從事天然氣生產和銷售業務，從此實現了天然氣運輸的完全獨立。政府按照不同的政策監管天然氣生產和銷售公司及管道運輸公司，保證了天然氣生產商和用戶對管道擁有無歧視準入權利。州內管道由州與地方法律約束，州際管道則受聯邦能源管理委員會、州、地方法律同時約束。管道運營商對天然氣供應商實施無歧視準入，接受聯邦能源管理委員會的監管。天然氣管道輸送價格受到美國頁巖氣相關政策監管，州際天然氣管道公司的運費計算方法由聯邦能源管理委員會確定，而天然氣價格則完全放開。完善的天然氣管網和無歧視準入政策為小公司從事頁巖氣開發創造了極為有利的條件。

1.3 北美頁巖氣發展啟示

美國頁巖氣的成功開發已使昔日的天然氣進口國基本上實現了自給自足，將來甚至有可能成為天然氣出口國。雖然中美兩國地質條件存在差異，但美國的成功經驗對中國頁巖氣發展仍具有重要啟示。

1.3.1 頁巖氣的規模開發需要經歷一定時間準備

美國頁巖氣開發已有上百年歷史，前期發展并非很成功，在政府各種優惠政策支持下，中小油氣/能源公司的長期深入研究和技術研發，最終在水平井鉆完井技術和水力壓裂技術實現突破后，才促進了頁巖氣開發的迅猛發展［10］。典型的是Barnett頁巖氣田從1981年發現，經過22年產量才達到100億m3。整個發展過程分為5個階段［4］:點上發現、面上評價、落實資源、確定核心區和擴大開發面積，開采范圍由最初的60 km2擴大到目前的1.07萬km2(見圖2)。漫長的發展過程表明頁巖氣的發展不可能一蹴而就，需要一定時間探索。

圖2 美國Barnett頁巖氣區帶發展歷程簡圖Fig.2 Schematic of Barnett shale gas zone development history in America

1.3.2 頁巖氣開采必須掌握核心技術

美國依靠持續技術突破實現了頁巖氣規模化開采，并開始向外輸出技術，以圖用技術控制資源。中國頁巖氣開采剛起步，需要抓住機遇在引進國外技術的同時，立足自主研發，盡快形成適合中國地質條件的針對性較強的勘探開發關鍵技術與重大裝備。

1.3.3 政府扶持優惠政策要創新

政府不僅需要加大前期評價與技術研發力度，同時在發展初期就要提供必要的財政支持，使頁巖氣開發一開始就有利可圖。待頁巖氣進入規模化開采階段后，再逐漸減少或取消特殊優惠，既可減輕政府負擔，又可刺激技術創新。用資源稅、增值稅、所得稅等稅收減免而不是直接補貼方式，將更有利于鼓勵開發商進行設備投資和降低成本。

1.3.4 嚴格環境監管是持續發展的保障

開發主體多、開發速度快，并不一定會帶來開采混亂，關鍵是要在開采前制定并執行嚴格的監管制度。環境問題應作為頁巖氣監管重點。應跟蹤了解美國頁巖氣環境監管上的新發展，結合我國特點，及時制定有關法規和管理辦法，確保監管先行到位，開發可控。

2 中國頁巖氣勘探現狀

2005年以來，中國開始了規模性的頁巖氣前期地質評價與勘探開發先導試驗，借鑒北美經驗，依靠理論創新，強化技術進步，邊研究邊發展，有序推進［11～16］。迄今為止，借鑒北美經驗，中國已在富有機質頁巖地質特征、頁巖氣成藏地質條件、有利頁巖氣遠景區帶等方面的認識上取得重要進展，在頁巖氣勘探開發先導試驗中于四川盆地古生界海相頁巖、鄂爾多斯盆地三疊系湖相頁巖等多個地區取得重要突破。

2.1 中國頁巖氣勘探發展歷程

與北美相比，中國頁巖氣勘探起步較晚，與全球其他地區相比，中國頁巖氣勘探處于領先，為北美以外地區率先實現頁巖氣突破和工業化先性試驗的國家。中國油氣勘探對頁巖氣并不陌生。1994—1998年間中國已針對頁巖裂縫油氣藏做過大量工作，此后許多學者在不同地區也涉及過頁巖氣的研究。中國頁巖氣勘探開發已經歷了頁巖裂縫性油氣藏勘探、基礎地質條件研究與技術儲備、工業性突破與開發先導性試驗等歷程(見圖 3)［10，11］。

圖3 中國頁巖氣勘探發展歷程圖Fig.3 Historical map of shale gas exploration and development in China

2.2 中國頁巖氣勘探開發進展

中國近年來的頁巖氣發展熱潮始于2005年。2005年以來，中國石油、中國石化、國土資源部油氣研究中心、中國地質大學等單位借鑒北美成功經驗，相繼以老井復查、區域地質調查為基礎，開展了中國頁巖氣形成條件和資源潛力評價，在頁巖氣遠景區進行了地質淺井、參數井和地震勘探，獲取了頁巖氣關鍵評價參數，優選了有利頁巖氣區帶，鉆探了一批頁巖氣評價井和頁巖氣開發先導試驗井，建立了四川威遠—長寧等國家級頁巖氣開發示范區。

中國政府高度重視中國頁巖氣發展。2009年中國與美國簽署了《中美關于在頁巖氣領域開展合作的諒解備忘錄》、國土資源部設立了“全國頁巖氣資源潛力調查評價及有利區優選”重大專項;2010年中國與美國簽署了《美國國務院和中國國家能源局關于中美頁巖氣資源工作行動計劃》、成立了國家能源頁巖氣研發(實驗)中心;2011年國家科技部在國家油氣重大專項中設立了《頁巖氣勘探開發關鍵技術》項目，國家發改委等多部委聯合編制了中國頁巖氣“十二五”勘探開發規劃。

迄今為止，中國已在陸上廣泛開展了頁巖氣前期地質綜合評價和勘探開發先導性試驗，初步明確了中國南方古生界海相頁巖為中國頁巖氣勘探開發最有利領域。據不完全統計(見圖4)，中國已在四川、鄂爾多斯、渤海灣、沁水、泌陽等盆地，云南昭通、貴州大方、湖北建南、湖南漣源、貴州銅仁等地區開展了頁巖氣鉆探與水力壓裂試氣，完鉆頁巖氣井40余口(水平井6)，水力壓裂試氣井14口(水平井4口)，獲工業氣(油)流井11口(水平井3口)，每天初產過萬立方米氣井7口。在四川盆地、云南昭通、湖南漣源等地區實現了古生界海相頁巖氣突破，在四川、鄂爾多斯等盆地實現了陸相頁巖氣突破，在泌陽、渤海灣盆地等地區還發現了陸相頁巖油。

3 中國頁巖氣發展前景展望

許多學者與機構認為中國頁巖氣資源豐富(見表2)，地質資源量86萬億～166萬億m3，技術可采資源量 10 萬億 ～ 36.1 萬億 m3［11～16］。一批頁巖氣先導試驗井的相繼鉆探與突破，初步展示了中國頁巖氣良好的發展前景。

表2 中國陸上頁巖氣資源量預測統計表Table 2 Statistics of shale gas forecast resources in China

圖4 中國南方古生界海相頁巖氣重點鉆井分布圖Fig.4 Well－ drilled distribution in Marine shale gas of the South China

頁巖氣為典型的非常規天然氣，中國頁巖氣勘探開發雖已在先導性試驗井取得突破，但仍為起步階段，發展基礎與北美相比差別較大。未來需要5～10年深化地質認識與技術攻關，加強基礎地質研究、有利區與核心區評價、先導試驗區建設。海相頁巖氣現實性較好，重在深化富集條件與開發潛力研究，落實經濟可采資源，優選開發目標區;加強關鍵技術攻關，形成針對性強的勘探開發關鍵技術，推動先導試驗區建設，形成一定規模頁巖氣產量。海陸過渡相、煤系及湖相頁巖氣以基本地質條件落實為重點，以技術可采資源潛力評價為核心，開展先導性試驗井鉆探，優選有利頁巖氣區帶和層系，實現中國頁巖氣持續穩定發展。據北美頁巖氣產量增長規律，結合中國頁巖氣技術可采資源潛力，通過典型產氣區類比法、理論模型計算法、發展歷史類比法等(見表 3)［17～23］，預測中國頁巖氣產量到 2020 年可達到100億m3，到2030年有望達到600億m3。

表3 Barnett頁巖與南方下古生界頁巖基礎數據對比表Table 3 Contrast of Barnett shale and the Lower Palaeozoic shale of the South China

4 中國頁巖氣發展建議

4.1 創新地質理論，加快落實頁巖氣經濟資源潛力

中國頁巖氣地質理論創新與頁巖氣經濟可采資源潛力的落實是中國頁巖氣實現商業化勘探開發的重要環節。通過頁巖氣資源戰略調查，摸清頁巖氣資源形成條件和賦存規律，獲取頁巖氣經濟可采資源評價關鍵參數，形成適合中國地質特點的頁巖氣地質理論，優選和圈定有利頁巖氣區和勘探開發目標區，建立頁巖氣經濟可采資源預測方法，落實頁巖氣經濟可采資源，促進頁巖氣勘探開發科學發展。

4.2 建立頁巖氣開發示范區，推動頁巖氣工業化發展

中國頁巖氣勘探開發尚處于起步階段，建立頁巖氣勘探開發先導性試驗區，以此為依托，進行理論與技術研發，是推動頁巖氣工業化生產的重要途徑。建議以海相頁巖氣示范區為重點，以不同類型頁巖氣示范區建設為基地，借鑒國外先進經驗和開采模式，探索適合中國頁巖氣地質特征的開發理論與技術體系，為頁巖氣規模化開發提供技術保障。

4.3 加大科技投入，加快科技創新

針對頁巖氣實驗測試、水平井、壓裂改造等關鍵技術與工藝，加大科技投入，加快關鍵技術及配套工藝攻關，盡快形成自主知識產權、適合中國地質條件的核心技術與配套工藝［16］，實現頁巖氣經濟高效開發。

4.4 加強天然氣基礎設施建設

天然氣基礎設施建設滯后已經制約了中國天然氣產業發展，對頁巖氣等非常規天然氣發展的制約不言而喻。應加快天然氣輸送主干網和聯絡管網建設，逐步建成覆蓋全國的國家級骨干管網，并建立公平入網機制。同時，推進LNG(liquefied natural gas，液化天然氣)設施建設，促進非常規天然氣的開發利用。

4.5 加大財稅政策支持，激勵頁巖氣開發

頁巖氣資源品位低，開采成本高，政府財稅支持有助于推動其發展。中國對煤層氣開發實施的財稅政策支持發揮了重要作用。頁巖氣資源的開發同樣需要針對性的國家政策扶持。相比煤層氣而言，頁巖氣開發難度更大，給予的政策支持應更加優惠，建議加大補貼力度，減免資源稅，增值稅先征后返或即征即返，加速折舊，科技研發費用抵扣所得稅等。

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Global shale gas development revelation and prospect of shale gas in China

Dong Dazhong1，Wang Yuman1，Li Denghua1，Yang Hua1，Li Xinjing1，Wang Shufang2

(1.Research Institute of Petroleum Exploration ＆ Development，Petrochina，Beijing 100083，China;2.Peking University，Beijing 100871，China)

A lot of outcrop geological survey works，basic research and pilot of exploration and development of shale gas were undertaken in China.Especially in the marine black shale of the South，more than 40 wells were drilled and more than 10 wells had got shale gas.The initial production of some wells has reached more than 1×104m3/d.It was showed that the prospect of shale gas was better in China.Because of the obvious particularity in geologic settings，many geological and development problems have to be solved.With the breakthrough of the theories and key technologies in exploration and development of shale gas，improvement of economic conditions，and the support of national policy，the exploration prospect of shale gas is better in China.

shale gas;resources prospect;exploratory practice;development prospect

TE132.1+1

A

1009－1742(2012)06－0069－08

2012－04－06

中國工程院重大咨詢研究項目“我國非常規天然氣開發利用戰略研究”(2011－ZD－19－2);國家大型氣田與煤層氣開發項目(2011ZX05018－001)

董大忠(1962—)，男，四川蒼溪縣人，教授級高級工程師，主要從事非常規油氣形成、分布基礎理論與核心技術研究;E－mail:ddz@petrochina.com.cn