中國頁巖氣實現產業化發展需重視的幾個問題

翟光明 何文淵 王世洪

中國石油天然氣集團公司咨詢中心

中國頁巖氣實現產業化發展需重視的幾個問題

翟光明 何文淵 王世洪

中國石油天然氣集團公司咨詢中心

中國大陸發育的暗色泥頁巖層系多，頁巖氣資源比較豐富，分布廣泛，將來可成為中國能源消費結構中天然氣供給的重要來源之一。基于國內外頁巖氣發展現狀和趨勢，指出了中國當前加快頁巖氣發展，實現產業化、跨越式發展需要重視的幾個問題：①加強對頁巖氣資源的認識和基礎研究，重視對不同頁巖氣資源的分類評價；②借鑒煤層氣發展經驗，加強頁巖氣開發技術儲備和攻關；③創建以頁巖氣為主的多種資源綜合開發機制，搞好先導試驗區，采用集約化的地面“井工廠”模式，合理建立“地下立體井網”，實現“少井高產和高采收率”；④注重頁巖氣發展規劃，科學有序、安全環保地開發和利用。

中國 頁巖氣 資源分類 產業化 井工廠 綜合開發 安全 環保

近年來，頁巖氣資源的研究、勘探和開發成為熱點，它的成功開發利用，大大拓寬了勘探視野，將世界油氣資源潛力提升到一個新臺階。中國目前非常重視頁巖氣的發展，國土資源部和各大石油公司等單位紛紛進行資源選區、勘探評價和現場試驗工作，取得了一定的進展。但是，要把中國頁巖氣資源的開發利用形成產業化、規模化、高效發展，需要重視幾個關鍵問題。

1 加強對頁巖氣資源的認識，重視不同頁巖氣資源的分類研究

1.1 頁巖氣快速發展之前必然要經歷較長時間的認識過程

美國是世界上最早發現和研究頁巖氣的國家，從1821年Mitchell能源公司在阿巴拉契亞盆地Chautauqua泥盆系Dundirk頁巖中鉆探的第一口天然氣井算起，至2005年開始大規模商業開采，到近年來快速發展，2010年頁巖氣產量達到1 380×108m3，占美國天然氣總產量的22%，期間經歷了漫長的認識積累和技術攻關過程。其中最重要的舉措是20世紀70年代第一次石油危機促使美國能源部加快了天然氣勘探研究的步伐，加強了對非常規油氣資源的研究，包括頁巖氣在內的非常規資源的地質、地球化學、開發工程等方面的研究，如1978—1992年期間，實施了頁巖氣資源評價、成藏機理、壓裂增產技術、水管理等很多個研究項目。1981—1999年期間，美國頁巖氣鉆井總數超過2.8萬口，直到20世紀90年代末，美國頁巖氣產量仍徘徊在（30～50）×108m3／a［1－2］。但正是這一時期大量“地毯式鉆井”，才加深了對頁巖氣資源成藏的認識，獲得頁巖氣藏特征、儲集物性、開采特點等基本地質規律和特征，為頁巖氣開發技術攻關和突破提供了大量的基礎數據。

1.2 對中國頁巖氣資源的認識仍需要加深

中國的頁巖氣資源潛力較大，但是認識程度較低［3］。1966年在四川盆地威遠構造鉆探的威5井，在下寒武統筇竹寺組黑色頁巖中曾獲得2.46×104m3／d的天然氣產量，限于當時的油氣勘探條件和部署目的，沒有引起足夠的重視并及時開展進一步深入研究。直到2000年前后，我國越來越多的學者才開始關注中國頁巖氣的發展，對比分析國內外頁巖氣的成藏特征、地質條件，探索頁巖氣勘探開發技術［4－7］。2008年在四川長寧地區開鉆中國第一口頁巖氣地質井——長芯1井，2010年才建立起中國第一條頁巖氣標準剖面。迄今為止，全國還沒有系統地評價頁巖氣資源，頁巖氣探井總數還不到50口，目前也沒有探明頁巖氣儲量。

可見，中國對頁巖氣資源的認識和勘探程度都還很低，要實現頁巖氣資源的規模化開采、工業化突破，尤其是在中國復雜的地質構造背景條件下，不可忽視加深對頁巖氣資源的認識，還需要做大量的物探、鉆井和分析研究工作。

1.3 重視對不同頁巖氣資源的分類研究

中國大陸在顯生宙漫長的地質歷史演化過程中，發育了多套暗色泥頁巖。根據沉積環境的差異可分為海相頁巖、海陸過渡相頁巖及陸相頁巖3種，其中富有機質的頁巖層段有十余個。古生代，在中國南方、華北及塔里木地區形成了廣泛的海相和海陸過渡相沉積，發育多套海相富有機質頁巖和海陸過渡相煤系碳質頁巖。中、新生代以來，形成了中國獨特的陸相湖盆沉積，在盆地穩定沉降階段形成了分布廣泛的湖相富有機質頁巖［8］。

另一方面，中國石油地質條件復雜，經歷了多塊體多期的聚合—離散，不同性質、不同類型的頁巖在各地區、各塊體發育特征很不一樣。因此，開展頁巖氣資源調查和評價等基礎工作不可逾越，解放思想，開拓思路，尤其要注意分類研究、分類評價，深入研究不同地區、不同類型頁巖氣地質特征、關鍵參數、資源潛力、成藏特征和富集規律，為頁巖氣開發技術的工業化突破奠定堅實的基礎。

2 借鑒煤層氣發展經驗，加強頁巖氣開發技術儲備和攻關

2.1 煤層氣勘探開發歷程與經驗

頁巖氣和煤層氣資源的賦存，在某些方面具有相似的特點（都是在“烴源層”）。開采頁巖氣和煤層氣資源的技術既有大的不同，也可以相互借鑒。中國煤層氣發展經歷了25年，直到近兩年才開始商業化生產，2010年地面抽采年產煤層氣約15×108m3，但依然面臨諸多挑戰。煤層氣發展最初也是跟美國學，走了一段彎路之后，才明白不能盲目照搬美國的經驗和技術。同樣是從煤層中開采煤層氣，美國和中國的煤層地質特點有很多不同的地方，美國多為低煤階煤，而中國則以中高階煤為主，雖然摸索了很長一段時間，學習引進美國的水力壓裂技術，但直到現在還沒有很好地解決鉆井、壓裂增產等方面的問題。

以鉆井為例，很長時間我國都停留在鉆直井的水平上，直到近幾年才逐步轉變到利用水平井技術進行開發的思路上來，截至2011年10月全國煤層氣鉆井總數為7 230余口，其中水平井僅占170口左右，且多數是2009年以后鉆的。中國石油華北油田公司近兩年在山西沁水盆地樊莊、鄭莊區塊煤層氣開發工作做得比較成功，一個重要的因素就是充分發揮了其在水平井技術上攻關的優勢，大量實施水平井和分段壓裂技術。因此，必須在頁巖氣資源開發技術的探索過程中汲取煤層氣的經驗和教訓，少走彎路。

2.2 不能照搬美國的頁巖氣開發技術

從近幾年中國頁巖氣研究的一些進展看，中國的頁巖氣藏儲層與美國有較大的差異（表1），美國以海相頁巖層系為主，而中國頁巖層系的時代和沉積環境比較復雜，從海相到陸相層系差異很大。因此，中國可以借鑒美國頁巖氣發展的一些認識和經驗，剖析其開發技術在中國的有效性和適用性，但不可盲目或完全照搬。

表1 中、美頁巖氣資源條件與特點簡要對比表［5，9］

中國的頁巖氣總體上有機質熱演化程度高，埋藏深度較大，經歷了多次構造運動強烈改造，因此，必須研發適合于中國頁巖氣地質特點的開發技術。

2.3 自主創新頁巖氣開發關鍵技術

鑒于對國內頁巖氣資源的認識有限，適合中國頁巖氣地質特點的開發技術特別是一些重大關鍵技術仍處于探索階段，在與有頁巖氣開發技術和經驗的國外公司合作的同時，更應強調“以我為主”，充分吸取煤層氣開發技術、經驗和教訓，大力攻關水平井、分段壓裂技術，實現頁巖氣資源勘探開發的跨越式發展。

目前國內正在初步研究優選的有利探區實施國家級先導試驗區，這是一個非常適合當前階段發展的重大舉措。在難以見效的初期，加大投入，加強綜合研究，多鉆一些探井、評價井，為關鍵技術的突破提供更多的參數和現場實踐，最終為形成中國獨立自主的頁巖氣勘探開發技術系列奠定堅實的基礎。

3 創新開發模式和機制，多種資源綜合開發推動有效發展

中國的頁巖氣資源要實現工業化高效發展，還有一段艱苦的路要走。過了出氣關之后，最重要的問題是如何實現經濟規模有效開發。因此，在技術攻關的同時，結合中國頁巖氣資源的特點，探索創新開發模式和管理機制，方能推動頁巖氣產業有效發展。

3.1 探索適合中國頁巖氣資源開發的新模式

成本和新技術應用之間的矛盾是任何一種新資源開發初期面臨的挑戰。頁巖氣特殊的儲層特性、低產量和長生產周期的特點，決定了頁巖氣開發工程需要遵循兩個原則：低成本與高質量。

1）低成本意味著必須用大工作量無縫銜接攤低高新技術的應用平均成本。建議在先導試驗區采用“并行作業”的方式開展工作，該方式主要包括3個方面的內容：①采用“小間距大叢式井組”鉆井，采用工廠化流程平行作業；②使用集約化的工具組合來開發多井作業程序；③實施集約化生產控制來確保安全、按時執行。

2）高質量意味著生產井的壽命必須長，同時為后期開展重復壓裂等作業打下基礎。美國已經有頁巖氣井生產證明，其壽命最高可以超過30年。井眼規則、固井質量好、井筒完整性好、水平段長且位置準確，才能滿足30～50年的生產要求。

根據以上兩點要求，為形成中國頁巖氣的經濟有效開發模式，必須采用集約化的地面“井工廠”模式，合理建立“地下立體井網”，做到“少井高產和高采收率”。

3.2 創建以頁巖氣為主的多種資源綜合開發機制

目前，國內單純以頁巖氣為唯一礦種難以實現經濟有效高效開發。因此，可考慮在一個地區以頁巖氣為主的多種資源綜合開發的模式，以此來促進頁巖氣的有效開發。筆者在2010年全國第三屆煤層氣地質年會專題報告中談到煤層氣如何高效開發時曾強調，開發煤層氣的過程中，不要放過煤系地層附近形成的頁巖氣藏、伴生的游離氣天然氣藏，自上而下綜合勘探、綜合開發。

頁巖氣資源的開發也應如此。中國很多盆地縱向上不止一套烴源巖層系，往往既有海相泥頁巖，也有陸相煤系泥頁巖等，因此頁巖氣不是孤立的、簡單地以一種資源形式存在于一個地區，既可能有賦存在源巖中的頁巖氣、頁巖油藏、煤層氣藏，也可能發育從源巖中產生排出運移富集在適合的圈閉中的常規油氣藏。

所以，為了提高頁巖氣的研究和認識水平，推動頁巖氣的有效開發，尤其是在初期階段，可以因地制宜考慮常規油氣與非常規氣相結合，頁巖氣與致密氣、煤層氣、頁巖油相結合進行綜合開發，可以實現效益互補，逐步推動頁巖氣的有效開發。

3.3 規范頁巖氣資源礦業開發管理體制

由于中國的頁巖氣資源存在豐度低、埋藏深度偏大等特點，在勘探開發的初期更應該依托大型國有石油公司進行開發攻關。大型國有石油公司有常規油氣開發區研究認識頁巖氣的雄厚基礎，有可利用的龐大的人才隊伍，也有資金支持和一定的技術基礎優勢。

依托大型國有石油公司進行開發，可避免 “一哄而上、一哄而散”，影響頁巖氣資源勘探的可持續發展。頁巖氣開發管理機制不能照搬美國的經驗，美國長期以來已經形成了油氣勘探開發的市場化機制，技術服務隊伍多，甲乙方關系明晰。而長期以來中國油氣勘探開發的關鍵技術掌握在大型國有公司手上，民營企業技術薄弱，難以形成有效投入。此外，目前頁巖氣開發成本高、風險大，如果不加以引導，允許地方企業、民營資本或其他機構參與頁巖氣的勘探開發，一旦投入不見效益、甚至失利，一方面將造成人力物力浪費，另一方面也可能影響我國頁巖氣產業的長遠健康發展。

4 注重頁巖氣發展規劃，科學有序、安全環保地開發和利用

4.1 制定頁巖氣發展規劃是實現產業化發展的前提

回顧美國頁巖氣產業化的快速發展，主要有3個原因，即發展初期有國家系列政策的大力支持、長時期研發積累的先進技術體系和完善的基礎設施系統。中國近兩年來，政府有關部門支持，各油田企業高度重視，已經掀起了頁巖氣研究、開發試驗的高潮，力圖加快發展，盡早見到開發效益。但是，中國頁巖氣的發展要把困難和挑戰估計得充分一些，不可能一帆風順，甚至可能出現比煤層氣發展更棘手的難題。

頁巖氣成藏的特殊性決定了頁巖氣資源開發的特殊性。在規模化開采利用之前制定好發展規劃，就是要科學有序、安全環保地進行頁巖氣資源開發利用［10］。因此，需要冷靜地看待發展中可能出現的問題，政府有關部門需首先加快搞好發展規劃，制定好發展思路、戰略框架、階段策略、管道和道路等基礎設施建設以及配套支持的政策措施。

4.2 科學有序開采的關鍵是礦權管理

頁巖氣是天然氣資源的一種，尤其是結合中國的實際情況，在初期階段，不宜作為單獨礦種進行管理。如前所述，在單獨開發難以見效的情景下，納入現行常規油氣開采礦權管理范圍，依托大型國企綜合勘探開發，可以降低成本（減少開發鉆井平臺、節約土地等），還可以避免礦權疊置混亂、無序開發和資源浪費。

4.3 安全環保是頁巖氣開采的硬要求

眾所周知，頁巖氣的開發如果技術不過關首先破壞的是環境，對環境保護的要求很高。因此，實現頁巖氣安全環保地開采是科學發展的硬要求，也是產業化發展的必然要求。頁巖壓裂需要大量的水資源，而水力壓裂回收水的處理等環節都必須科學地解決，否則將會造成水資源的浪費和破壞，影響施工區的環境和水資源安全。例如，正在四川盆地南部開展的頁巖氣先導試驗工程項目，所在地區地形地貌復雜，交通條件比較差，人口比較稠密，耕地和水資源十分寶貴，發展頁巖氣產業，不但要盡可能少占用耕地，而且還要最大限度地節約用水，更要把環境保護工作放在首位。

5 結束語

中國頁巖氣資源比較豐富，是可以實現規模化有效開采利用、走產業化發展道路的。它可以成為彌補中國常規天然氣消費缺口的重要組成部分，將來在天然氣生產中必將占有重要地位。但是，根據近幾年發展的情況看，頁巖氣資源的開采利用面臨的困難和挑戰很大，快速發展并非易事，還有一段較長的探索之路要走，應當有一個量的積累過程，尤其要重視基礎研究，尤其要加強對中國頁巖氣資源的地質認識，做好分類評價，基于不同地區、不同類型的頁巖氣資源，通過先導試驗區工程實施，強化開采關鍵技術攻關。

發展頁巖氣需要政府有關部門牽頭加強做好整體規劃，制定好發展思路、戰略框架、階段策略、基礎設施建設以及配套支持的政策措施，促進頁巖氣科學有序地發展。根據頁巖氣開發具有投資大、見效慢、周期長等特點，在初期階段，勘探效益問題不應制約頁巖氣的開拓發展，要因地制宜，依托大型石油公司，將常規油氣與非常規油氣，頁巖氣與頁巖油、致密氣、煤層氣等資源綜合勘探開發，效益互補，從而帶動對頁巖氣資源的開發和認識，避免礦權混亂和資源浪費，最終實現頁巖氣的產業化、規模化有效發展。

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A few issues to be highlighted in the industrialization of shale gas in China

Zhai Guangming，He Wenyuan，Wang Shihong
（CNPC Consultation Centre，Beijing 100724，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 2，pp.1－4，2／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

There are well－developed dark mudstones and shales with multiple series of strata in the Chinese continent where shale gas resources are rich in wide distribution and will become one of the major gas sources in future Chinese energy consumption.Based on the present status and developing trend of shale gas in China，this paper points out a few issues to be focused on in the industrialization of shale gas.（1）The reserves and distribution of shale gas resources should be made clearer and such resource classification should be more concerned；（2）Good experiences should be learned from the CBM gas development to facilitate the technical reserve and research for the shale gas exploitation；（3）An integrated multiple resource development system dominated by shale gas should be built with the intensive ground well factory mode and underground stero－network so as to achieve a high productivity and a high recovery ratio with fewer wells；（4）The development plan should be highly considered ensuring the shale gas to be exploited and utilized in a reasonable，scientific，safe，and environmentally friendly way.

China，shale gas，resource classification，industrialization，safety，environmental protection

翟光明，1926年生，中國工程院院士，石油地質勘探專家；1950年畢業于北京大學地質系，曾任原石油工業部地質勘探司總地質師、司長，原中國石油天然氣總公司石油勘探開發研究院院長，第十五屆世界石油大會秘書長，全國油氣資源評價首席科學家等職；擔任本刊第七屆編委會顧問。地址：（100724）北京市西城區六鋪炕6號。E－mail：zgm＠cnpc.com.cn

翟光明等.中國頁巖氣實現產業化發展需重視的幾個問題.天然氣工業，2012，32（2）：1－4.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.02.001

2012－01－30 編輯 趙 勤）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.02.001

Zhai Guangming，Academician of Chinese Academy of Engineering，born in 1926，is an expert of petroleum geology and exploration.He is also one of consultants of the 7thNGI Editorial Board.

Add：No.6，Liupukang，Xicheng District，Beijing 100724，P.R.China

E－mail：zgm＠cnpc.com.cn