頁巖氣產業關鍵技術態勢分析

頁巖氣產業關鍵技術態勢分析

執筆人：葉曉芊

頁巖氣近年來在美國獲得了快速發展，有效改變了北美地區的能源結構。商業化運作的成功，得益于一批關鍵技術的成功開發和大規模應用。本期簡報基于上海市軟科學研究基地——上海市前沿技術發展研究中心的研究成果，對頁巖氣產業關鍵技術進行了梳理，分析其存在的技術瓶頸和未來發展方向。

一個新興產業的發展壯大，離不開早期技術的漫長積累和持續攻關。頁巖氣本質上仍是以甲烷為主的一種天然氣，18世紀即被勘探發現。相比常規天然氣，它具有分布范圍廣、開采壽命長的優勢，氣田產期長達30-50年。只因其賦存于泥頁巖層，具有致密低滲的特點，導致開采難度大、產能低，無法在經濟上獲益，長期以來產業化進展緩慢。

然而，對頁巖氣的技術研究卻從未停滯。從1821年打下第一口氣井，到20世紀40年代壓裂技術的誕生，頁巖氣領域的技術創新活動持續經歷了近兩百年時間。直到本世紀初，在一批重大革命性技術的突破之下，開采困難和低產能的問題得到了較好解決，“頁巖氣革命”得以卷土重來，正式走上了規模化發展之路。

北美在頁巖氣關鍵技術上的重要突破

頁巖氣的開采過程分為勘探、鉆井和測井、井下作業及采氣四個階段。新的技術著眼于鉆井和測井、井下作業兩個主要環節，依靠更加高性能的成套設備，大幅提升了作業效率，具體表現為三方面：

水平井架構的提出和技術實現。水平井架構是相對于垂直井而言的，即在地下“橫向”鉆井，深入產層內部，通過采取多個井孔、擴大出氣面積的方法，來提高產量。其中的關鍵技術包括：隨鉆地質導向和監測技術，用于掌握地下井況和地質特征，來定位和指導作業，目前已經實現了高精度、實時性和較強抗干擾的性能，電阻率、實時陣列聲波、核磁共振等多種隨鉆測井工具獲得應用；定向鉆井技術，用于控制井眼軌跡，使得鉆井作業更加精確快速，其中最先進的旋轉導向鉆井系統，能夠將鉆井時間縮短到一半以上；鉆頭復合材料技術，在大幅提高鉆速的同時，保持較好的穩定性、清潔度和耐受性。

水力壓裂技術日趨成熟。水力壓裂也是一種增產方法，通過向井孔注入高壓混合液（水、固體支撐劑、化學添加劑），擴大和保持住氣藏巖層裂開的孔隙，從而提高每個井孔的采氣效率。經過多年發展，水力壓裂技術已經趨于成熟，表現在兩方面的多樣化上：一是技術解決方案，根據地質條件和氣井實際情況，逐步形成了7種壓裂方案（表一）；二是壓裂液品種，固體支撐劑和化學添加劑已發展到數百種，可以較好適應不同的地層閉合壓力，確保減阻、殺菌、防腐等功效，增強孔隙導流能力，提升產氣性能。目前，“水平鉆井+水力壓裂”方案已經成為主流，為北美各大氣田采用。

壓裂成套裝備市場不斷繁榮壯大。壓裂成套裝備主要由地面車輛、井下工具和軟件三塊組成。在新的自動化技術、制造技術、材料技術的帶動下，壓裂成套設備性能不斷提升，市場日趨繁榮。目前，地面車輛方面，已形成包括壓裂車、混砂車、儀表車在內的壓裂作業車組，以及儲液罐、輸砂設備、高低壓管匯、高壓井口等基礎設施組成的龐大體系。井下工具方面，根據井型和壓裂方式的不同，針對性開發了封隔、酸化、快鉆橋塞、分簇射孔等各類工具。軟件方面，壓裂設計、數值模擬、完井增產一體化等輔助軟件在全世界范圍獲得了廣泛應用，海量的決策數據庫已經形成。

歸納北美地區在頁巖氣技術攻關上的經驗，主要有三點：

一是充分借助了美國油氣工業和先進科技的優勢。美國的油氣工業已有一百多年歷史，產業技術體系完整而發達，從開采設備到集成軟件一應俱全。頁巖氣的技術突破，一方面，充分借用了傳統石油和天然氣技術發展的經驗，包括引入氣藏分析、數據收集和地層評價、鉆井、完井及生產等一系列成熟技術；另一方面，頁巖氣的開采設備制造和系統開發，又與美國在信息技術、高端制造、機器人等方面的先進科技成果相得益彰，進一步提升了自動化和智能程度。

二是專業技術服務的全方位介入。斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等一批國際知名的油田服務公司，自始至終貫穿于頁巖氣產業發展之中，為其提供全面、細致的配套技術服務。這些服務包括了集成應用方案和施工規劃、井下作業系統和工具優化、壓裂液配制和增產工藝、微地震監測和數據決策咨詢等多個方面，覆蓋了頁巖氣開采的全過程，有力促進了頁巖氣技術的快速體系化和定制化。

三是政府與產業界保持了密切合作。頁巖氣的發展，重演了美國政府與產業界合作的精彩故事。雙方保持了密切關系，在地質條件評價和氣藏分析、巖石力學和裂縫形成機理研究、壓裂液性能研究、裝備基礎材料研究等多個方面合作開展應用基礎研究和模擬實驗，大大加速了早期產品和技術方法的論證進程。1991年，美國能源部桑迪亞國家實驗室成功研發出3D微地震成像及地質地圖技術，地球物理維里達斯集團、斯倫貝謝、貝克休斯等多家企業隨后推出微地震技術服務。

表一 水力壓裂技術的特點及其適用性

存在的技術問題和風險

盡管頁巖氣的產業化取得了空前成功，然而現有方案卻并非完美無暇。新的技術伴生出一系列新的問題，亟待調整和改進。

水力壓裂方法本身耗水量巨大。美國頁巖氣田的單個鉆井平均耗水量約在1-1.5萬立方米。如果不能正確控制鉆探取水的頻率、時間和地點，大量增加的頁巖氣開采用水將對周邊的水資源和生態環境產生不利影響（如地表和地下水枯竭、水質惡化、含水層儲水和可持續利用能力喪失等）。在我國，70%的能源開采區域都與缺水區高度重合，該問題將會更加嚴重。

壓裂液回流導致了地表和水污染。這是目前頁巖氣開采的主要爭議之一。壓裂所用的高壓混合液，70%將從地下循環回流到地表和淺水層。而經測算，每1萬立方米回流壓裂液中就含有50噸化學物質（苯、甲醇、烴類化合物、重金屬及放射性礦物質等），若不及時處理，將對生態環境帶來巨大污染。美國已有數起較大的污染事件。2011年，一部反映頁巖氣污染的紀錄片《Gas Land》獲奧斯卡獎，觸目驚心的畫面讓民眾和部分州政府對頁巖氣前景憂心忡忡。

壓裂作業可能引發更多地震?！犊茖W》、《地質學》、美國地質調查局等權威機構研究表明，水力壓裂及污水處理作業會改變頁巖層原有應力狀態，誘發斷層滑移現象。這一結論得到了北美、歐洲等地的數據和案例的佐證。2009年以來，美國中西部地區地震頻發，在頁巖氣主要產區——俄克拉荷馬州，3級以上的地震年均25次，而此前半個世紀的均值僅為1.2次。2012年，美國地質調查局發布報告稱，上述地震“幾乎可以肯定是人為的”，將矛頭直接指向了污水處理作業。

“頁巖氣熱”導致溫室氣體排放激增。在“轉變美國能源未來”的美好愿景煽動之下，巨額資金涌入頁巖氣領域，導致供大于求、產能過剩。大量多余的頁巖氣只能放空燃燒，帶來了驚人的溫室氣體排放和大氣污染。據世界銀行估計，五年來，美國放空燃燒的天然氣量增長了三倍，上升至俄羅斯、尼日利亞、伊朗和伊拉克之后的世界第五位。2012年，美國巴肯頁巖氣產區燒掉的多余天然氣較去年增長了50%，個別州政府發放的放空燃燒許可數翻了兩番以上。

頁巖氣資源總量仍存在不確定性。頁巖氣的總量規模十分龐大，但可開發的資源數量多少仍然有待商榷。一方面，頁巖氣產業化歷史尚短，產量衰減的規律有待進一步摸索；另一方面，頁巖氣項目開發難度較大，平均成功概率只有10%左右，對于埋藏更深的頁巖氣的勘探開發更是難上加難，統計蘊藏量時都應當充分考慮。2012年，被認為世界最大的美國Marcellus頁巖氣田蘊藏量再次被大幅調低，從11.6萬億立方米降至3.99萬億立方米，減少了65%。

下一步改進方向

作為一種可能蘊藏巨大的清潔能源，頁巖氣的發展確實值得世界去關注和期待。面對存在的環保問題，國際上各類組織、跨國企業和科研機構都在抓緊研究應對舉措。從技術上看，下一步方向包括：

攻關替代化學添加劑和水處理技術。一方面，改進經營效率，減少淡水用量，安全存儲和處理回流壓裂液，加強污染物監測，提升水資源的循環利用率。另一方面，減少對化學添加劑的使用，開發和利用對環境更加友好的替代品。

推進開采設備的節能降耗。頁巖氣溫室氣體排放中很大一部分來自傳統的開采設備，包括壓縮機/引擎、脫水器、監測與維護設備、管道、氣壓控制裝置、儲罐系統等。為此，要加強改造升級，提升上述設備的自動化程度和運轉效率，降低碳排放。

繼續開展氣藏地質機理研究。進一步理解巖石、流體、化學物質之間交互的地質化學性質，及地質層與模擬流體之間關系，不斷完善現有的資源評估框架體系，提高頁巖氣預測的可靠性，準確判斷勘探開發價值，并為壓裂技術的進一步改進打下基礎。

建立新的環保標準和框架體系。從化學、大氣、地質等多個角度出發，建立針對頁巖氣技術的環保評估標準和框架體系，進一步加強管控。目前，國際能源署（IEA）已經設計了一套“黃金規則”，用于防止氣井泄漏、降低溫室氣體排放、嚴格監控廢水排放等，美國也開始對水力壓裂技術的影響、化學添加劑毒性等進行評價分級。

重新考慮可再生能源技術。從長遠來看，發展太陽能、風能等可再生能源仍然是未來的主要趨勢之一。因此，要加大對可再生能源技術的支持力度，依靠研發投入、規?；ㄔO及推廣應用，提高其經濟性。目前，歐洲部分地區可再生能源并網平價已可預見，德國2012年的光伏電力已經接近了電網平價。

（作者就職于上海科學技術情報研究所，本文受軟科學項目資助）