國外頁巖油開發技術進展及其啟示

盛 湘，張 燁

(1.中國石油化工管理干部學院，北京 100012；2.重慶地質礦產研究院)

國外頁巖油開發技術進展及其啟示

盛 湘1，張 燁2

(1.中國石油化工管理干部學院，北京 100012；2.重慶地質礦產研究院)

全世界頁巖油資源主要分布在俄羅斯、美國、中國、阿根廷和利比亞等國家，中國的頁巖油可采資源量全球第三，美國和加拿大為全球頁巖油產量的大國，美國由于頁巖油開發核心技術的進步和相關配套政策措施的輔助作用，繼頁巖氣革命后，又掀起了頁巖油的開發熱潮，“井工廠”開發模式實現了頁巖油氣藏的安全、經濟、高效開發，推進頁巖油的快速發展；中國頁巖油開發需要在科技創新和財稅政策上進行激勵。

頁巖油開發；頁巖油資源量；鉆井技術

頁巖油氣革命正在重新調整全球能源格局，美國頁巖油氣開發取得巨大成就對北美以外地區和整個能源行業都產生巨大影響[1]。據美國能源署資料，2012年美國頁巖油產量已達到72萬桶/日，占美國原油總產量的12.5%，北美油氣資產市場交易額的近50%涉及頁巖油項目；2013年美國原油的日產量提高了180萬桶，原油對外依存度從2008年的65%降至2011年45%；2014年1月美國原油進口量約2.87億桶，較2009年1月的4.07億桶降低約1.2億桶，一旦美國實現“能源獨立”，其國家戰略地位將空前鞏固。鑒于北美頁巖油氣產量增加，歐佩克報告預測到2035年，全球超過90%的需求增加來自亞洲，國際油氣價格將更加變幻莫測，中國國家能源保障及能源價格風險將明顯增大。

中國常規剩余油氣資源主要分布在陸上深層、超深層、及陸上復雜隱蔽圈閉中，而頁巖油氣、煤層氣等非常規油氣資源是我國最重要的戰略接替資源，頁巖油集中分布在已知油區陸相地層中，是現有油區構成重要的戰略資源接替。加快中國頁巖油發展將對中國能源工業的可持續發展具有重要保障作用，是我國能源有序利用的客觀要求，是實現能源安全的重要保障。

1 國外頁巖油資源及勘探開發現狀

根據美國能源信息署(EIA)[2]的統計結果，全球頁巖油主要分布在北美和歐亞大陸，全球頁巖油可采儲量的排名見表1，俄羅斯、美國、中國、阿根廷和利比亞為頁巖油的主要分布國家。

表1 頁巖油資源可采儲量排名

1.1 北美

北美地區頁巖油開發的主要國家為美國和加拿大，其它國家頁巖油的勘探與開發還沒有提上日程。

美國能源信息署(EIA)2013年6月發布的全球主要國家和地區頁巖油氣資源評價結果顯示，美國的頁巖油地質資源量為10 022億桶，技術可采資源量為500億桶，居世界第二；已明確具有頁巖油資源潛力的區帶共有8個，包括巴肯、伊格爾福特、奈厄布拉勒、馬塞勒斯、尤蒂卡等。 64%分布在西海岸Monterey/Santos，15%分布在落基山Bakken頁巖區，14%分布在墨西哥灣海岸EagleFord，7%分布在西南部Barnett-Woodford。2012年頁巖油的產量為200萬桶/天，2013年四季度，美國頁巖油的平均產量已達322萬桶/天，綜合各方面的預測來看，2014年美國頁巖油產量很可能突破500萬桶/天，并長時間穩定在此值左右。2019年，美國頁巖油產量預計將達到960萬桶/天。

2012年加拿大阿爾伯達能源資源保護局及阿爾伯達地質調查局研究認為[7]，西加拿大盆地頁巖地層中可能含有3 324萬億立方英尺的天然氣、586億桶凝析油，以及4 236億桶的石油資源。2013年加拿大頁巖油平均產量為34萬桶/天，約占其國內產量(352萬桶/天)的10%，主要集中在艾伯塔、馬尼托巴和薩斯喀徹溫等西部省份。

1.2 中東-北非[3-4]

中東-北非具有十分豐富的頁巖油資源，現有OPEC國家將依然是頁巖油資源大國，但中東-北非資源大國對全球和本土頁巖油資源的開發和利用，更多關注頁巖油對OPEC產量配額和價格策略的影響。

據海外媒體2013年4月21日德黑蘭報道，伊朗國家石油公司(NIOC)日前向媒體公布了勘探頁巖油和頁巖氣的計劃。根據這些計劃，伊朗將開始在靠近與伊拉克接壤的邊境地區內尋找頁巖油和頁巖氣。

1.3 中亞-俄羅斯

該地區包括俄羅斯、哈薩克斯坦、土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦和阿塞拜疆5個原油生產國。由于能源戰略、資源條件、開采程度差異，目前將頁巖油納入議事日程的國家主要有俄羅斯和烏茲別克斯坦。從2014 年1月1日起，俄羅斯將對頁巖油和海上石油勘探開發實行稅收減免，這將使俄羅斯成為世界上為數不多的鼓勵致密油開發的國家。俄羅斯天然氣工業公司[5](Gazprom)開始在西西伯利亞的Krasnoleninsky地區鉆探頁巖油(致密油)評價井。俄羅斯頁巖油平均產量為12萬桶/日，約占其國內原油總產量的1%，主要集中在西西伯利亞盆地。目前，俄羅斯的石油企業正與國際石油公司進行頁巖油的勘探與開發工作。

烏茲別克斯坦的頁巖油資源量估計有3400 億桶。由于原油產量持續下降、供需矛盾日益突出，其宣布開始開采位于納沃依州北部地區的桑格倫套油田的頁巖油。

1.4 亞太

包括中國、印尼、印度、馬來、越南、泰國、澳大利亞和緬甸。該區常規石油資源主要富集在陸相地層中，常規石油資源分布一定程度上代表頁巖油潛在資源分布特征。頁巖油潛力最大的國家為中國和澳大利亞。

中國陸上[6-12]含油氣盆地有利頁巖油分布區主要集中在陸相地層中。東部盆地古近系主力烴源巖R00.5%～1.5%，處于低熟～成熟生油氣階段；松遼盆地白堊系主力烴源巖R0為0.7%～2.0%；西部準噶爾盆地二疊系、侏羅系主力烴源巖R0為0.5%～1.0%；鄂爾多斯盆地三疊系烴源巖R0為0.7%～1.5%；四川盆地及周緣三疊系～下侏羅統泥頁巖熱演化適中，以頁巖油為主。

澳大利亞2002年的頁巖油產量為42萬桶，但是澳大利亞的頁巖油開發進展比較緩慢。2013年，澳大利亞自然資源公司林肯能源宣稱在阿卡林加盆地(Arckaringa Basin)發現了儲量達2330億桶的世界級頁巖油田。澳大利亞南澳洲(頁巖油礦所在地)礦業部長湯姆則認為，如果林肯能源公司的石油被挖掘出來，澳大利亞將從石油進口國轉變為凈出口國。

1.5 南美

主要包括委內瑞拉、巴西、厄瓜多爾、哥倫比亞、阿根廷。該區陸上頁巖油可采資源潛力較大的國家可能包括委內瑞拉、厄瓜多爾、哥倫比亞和阿根廷。

阿根廷頁巖油獲得重大發現，2011年5月，阿根廷最大的能源公司YPF在內烏肯盆地發現1.5億桶頁巖油[12]；2012年3月，YPF公司在門多薩省Payun Oeste和Valle del Rio Grande區塊發現10億當量桶頁巖油氣。阿根廷國家石油公司在2013年三季度季報中稱，其位于內烏肯盆地(Neuquén Basin)的瓦卡穆爾塔油田(Vaca Muerta)已獲得超過1萬桶油當量/日的頁巖油氣產量，其中頁巖油產量約0.79萬桶/天。另外，西班牙雷普索爾的阿根廷子公司YPE SA 在阿根廷境內巴塔哥尼亞地區的羅馬拉拉塔區塊發現9.27億桶頁巖油。

1.6 歐洲

歐洲的石油資源主要分布在北海、北極海域；陸上除了羅馬尼亞前喀爾巴仟盆地及特蘭西瓦尼亞盆地早期產油以來，其他地區主要分布頁巖氣和頁巖油資源。英國地質調查局地質學者Nigel Smith表示，英國的海上頁巖氣和頁巖油儲量遠超陸上，前者可能是后者的5到10倍。

由于擔心頁巖氣開發特別是水力壓裂對環境污染的影響，歐洲許多國家都出現了反對頁巖油開發的聲音，部分國家也出臺了一些相應的政策限制頁巖油的開發，例如法國和荷蘭禁止開發過程中使用水力壓裂技術。由于反對聲音和一些不利于頁巖油開發的政策的存在，歐洲的頁巖油勘探和開發進程緩慢。

2 頁巖油開發的工程技術

2.1 鉆井工程技術

井工廠技術：頁巖油鉆井先后經歷了直井、水平井、叢式 “井工廠”的發展歷程。加拿大能源公司(EnCana)最先提出“井工廠”開發的理念，即使用水平井鉆井方式，在一個井場完成多口井的鉆井、射孔、壓裂、完井和生產，所有井筒采用批量作業模式，從而提高作業時效，實現頁巖油氣藏的安全、經濟、高效開發[13-18]。據路透社報道稱，2014年美國巴肯頁巖區帶上將有超過90%的頁巖油鉆井采用“井工廠”技術，每個平臺可實現鉆井12～16口，能夠將單井鉆井成本降至750萬美元/口。在巴肯頁巖油區帶資源潛力良好的Sanish次級區帶和部分Nesson背斜上，頁巖油的盈虧平衡價格分別達到58美元/桶和61美元/桶。

鉆井液技術[19-22]：頁巖油開發使用的油基鉆井液配套技術成熟，目前正在開展頁巖油水基鉆井液的嘗試與應用，初步取得試驗成功，但大規模應用尚需進一步研究與完善。Bakken、Eagle Ford等盆地頁巖油氣水平井90%采用油基鉆井液技術，Barnett頁巖水平井80%采用水基鉆井液。

目前國內已經形成自主知識產權的低黏高切油基鉆井液體系，開發出乳化劑、提切劑、降濾失劑等核心助劑，成本較國外同類產品降低30%，體系性能達到國際先進水平，初步解決了頁巖油氣藏井壁穩定難題，但鉆井含油廢棄物處理技術與國外尚具有很大差距。

2.2 壓裂工程技術

2.2.1 壓裂工藝

目前頁巖油壓裂工藝和頁巖氣的壓裂工藝類似，主要有以下幾種。

(1)水平井分段壓裂技術[22-23]。該技術包括裸眼封隔器+滑套分壓技術、水力噴射分段壓裂技術、雙封單卡分段壓裂技術、套管射孔管內封隔器分段壓裂技術和泵送橋塞分段壓裂技術。Bakken頁巖油儲層和EagleFord頁巖油儲層的水力壓裂工藝主要是裸眼封隔器+滑套分段壓裂技術和連續油管水力噴射壓裂技術。

(2)水平井同步壓裂技術[38]。利用兩口井或多口井的同步壓裂形成復雜的網狀裂縫，從而增加頁巖油氣的產量。2006年同步壓裂技術開始在Bakken頁巖氣區使用，作業者在相隔152～305 m范圍內鉆兩口平行的水平井，并同時進行壓裂。

(3)無水壓裂技術。使用已交聯的液化石油氣LPG(Liquefied Petroleum Gas)壓裂液替代常規壓裂液的一種壓裂方式，LPG壓裂液主要成份是丙烷和丁烷。 GASFRAC公司目前已掌握該項技術，并在頁巖油氣和致密油氣井上已成功應用，可替代常規的水基、油基壓裂液及甲醇、CO2和N2壓裂液。

(4)高導流水力通道壓裂技術。采用分簇射孔，以短小脈沖式方式注入攜砂液和凈壓裂液，在裂縫內形成開啟的流動通道，其中支撐劑團簇形成骨架非均勻地鋪置在開啟通道周圍，此時支撐劑不再充當導流介質，而是作為支撐結構，形成導流通道。斯倫貝謝公司掌握該項技術，并在世界范圍應用超過4000井次5000多段壓裂。

2.2.2 壓裂液

頁巖油的常用壓裂液為滑溜水、線性膠，采用黏度更高的壓裂液和粒徑更粗的支撐劑以及更高的砂比，注重壓裂液和支撐劑的匹配，實現形成高導流能力主裂縫，降低地層頁巖油流入井底阻力，提高頁巖油井產量。

2.2.3 支撐劑

由于北美頁巖油氣資源儲層埋深較淺，儲層閉合壓力相對較小，因此，主要采用石英砂作為壓裂的主要支撐劑類型，對于部分儲層采用石英砂和陶粒混合支撐劑，對壓裂縫進行支撐，形成寬度較大的支撐縫，提高主裂縫導流能力。Bakken頁巖上部頁巖壓裂常用的支撐劑粒徑主要是20/40目，常采用石英砂；Eagle Ford頁巖壓裂前置液階段支撐劑粒徑主要是100目砂(打磨炮眼和降濾失作用)，攜砂液階段初期支撐劑粒徑主要30/50目砂，后期支撐劑粒徑主要是20/40目覆膜砂。

2.2.4 壓裂液回收利用

頁巖油和頁巖氣儲層通常采用水平井分段壓裂技術進行增產，壓裂液的配制需要使用大量的淡水資源，平均一口頁巖氣水平井壓裂需要7 000～20 000 m3水，在水資源貧乏地區，壓裂成本非常高。傳統的壓裂施工中，需要大量的淡水資源的同時，返排的壓裂液通常儲存在裸露的地表，容易導致壓裂液的泄露，對地表和地下水資源造成污染。采用壓裂液回收利用系統，可以大大減少用水量，減少壓裂施工車輛，同時減少了有害化學物質的泄漏。

目前國內和國外頁巖油氣壓裂井場都建立壓裂液配液站和廢液處理站，改變了以往單口井臨時配制壓裂液的做法，實現了壓裂液循環利用。

3 美國頁巖油開發對我們的啟示

美國頁巖油氣的產業化發展，受益于核心技術的革命性突破及相關配套政策措施，主要包括：①競爭開放的開發體制；②專業化分工協作機制；③市場化的管網運行和價格政策；④科技創新激勵措施。

中國陸相頁巖油地質的復雜性與工程技術需求的特殊性，決定了不能簡單照搬北美技術與經驗。中國要走在世界頁巖油技術的前列，并且實現規模化生產，就必須發揮國家優勢，立足陸相頁巖油資源特征，全面加快科技攻關。為此，需要借鑒美國發展經驗，從國家戰略的高度給予政策及激勵措施保障。

(1)加快建立國家非常規資儲評價與管理體系。加快推出中國頁巖油氣資源與儲量評價方法，建議在非常規油氣領域直接借鑒北美頁巖油氣資源量評價、儲量評價方法。

(2)加快完善非常規油氣開采特殊財稅政策。頁巖油主要分布在陸相地層中，部分與現有油氣區不重疊，可以作為市場化的試點領域，基于此，建議國家對頁巖油開發借鑒煤層氣、頁巖氣財稅政策。

(3)加大激勵非常規資源開采科技自主創新力度。建議通過國家頁巖油工程實驗室建設、國家頁巖油研究中心建設等結構性措施，開辟國家特殊政策通道和人才隊伍建設平臺，激勵中國陸相頁巖油科技快速發展。

(4)加快研究并實施非常規資源開采環保政策。針對頁巖油開發可能造成潛在的地下水污染、空氣污染、土地污染、噪聲污染以及環境可持續發展問題，加快研究和完善針對性環境保護法律法規，以確保中國頁巖油開采的同時，不對環境可持續發展構成威脅。

4 結論

(1) 頁巖油資源主要分布在俄羅斯、美國、中國、阿根廷和利比亞等國家，美國和加拿大是全球頁巖油的產量大國，其它國家還處于勘探或者觀望階段。

(2)頁巖油開發經歷了直井、水平井、“井工廠”階段，“井工廠”開發模式實現了頁巖油氣藏的安全、經濟、高效開發。

(3)頁巖油壓裂以水平井多級分段壓裂為主，其它新型壓裂應用相對較少，壓裂液主要以滑溜水和線性膠相結合的混合壓裂液為主。

(4)美國頁巖油氣的產業化發展，受益于核心技術的革命性突破及相關配套政策措施。

(5)我國頁巖油的開發需要在科技創新和財稅政策上進行激勵，保證頁巖油勘探開發的高效快速發展。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)06-0080-05

2015-04-22

盛湘，高級工程師，碩士，1977年生，2002年畢業于中國地質大學石油地質專業，主要從事油氣勘探、油氣田開發等專業技術人才培訓工作。

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