頁巖氣是一種特殊的非常規(guī)天然氣，教科書將其定義為賦存于暗色泥頁巖、粉砂質泥巖地層中的天然氣，是清潔、高效的能源資源和化工原料。早在1921年，美國就鉆探了世界上笫一口工業(yè)性頁巖氣井，美國的頁巖氣勘探生產和開發(fā)研究被稱為“靜悄悄的革命”。據統計，2000年全美頁巖氣產量近200億立方米，到2008年增至507億立方米，占全美天然氣總產量的9%左右。美國頁巖氣成功開發(fā)極有可能成為全球頁巖氣開發(fā)的“引擎”，驅動能源產業(yè)出現一場革命……
領軍全球頁巖氣勘探開發(fā)
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上世紀70年代，美國為擺脫對外能源依賴，開始大量投入大量資金用于頁巖氣的地質和地球化學研究，并在頁巖氣的吸附機理研究等方面取得重大突破，使美國頁巖氣的產量大幅度提高。2000年以后，美國頁巖氣發(fā)展迅猛，十年間產量增長了12倍，由2000年的122億立方米增加到2010年的1500億立方米，占當年天然氣產量的20%，由此躍升為世界第一大產氣國。據美國能源局資料(EIA)預計，2015年美國頁巖氣產量將達到2800億立方米。
目前，美國頁巖氣開發(fā)主要集中在五大頁巖氣區(qū)，即伍德福德、巴納特、費耶特維爾、安特里姆新奧爾巴尼和海恩斯維爾。其中，位于美國得克薩斯州沃思堡盆地的巴納特頁巖氣區(qū)，截至2008年底完鉆頁巖氣生產井11271口，獲得頁巖氣可采儲量2.7萬億立方米，同年生產頁巖氣366億立方米，其核心產區(qū)東紐瓦克氣田頁巖氣產量超過110億立方米，成為美國境內12個大氣田之—。
頁巖氣異軍突起不僅彌補了美國國內天然氣供應缺口，使天然氣消費逐步實現自給，并推動美國國內天然氣價格大幅回落。能源生產結構的重大變革不僅改變了美國的能源供需結構，降低了美國天然氣消費的對外依存度，美國國家能源安全也在一定程度上得到保障。從20世紀70年代開始，美國政府實施了一系列鼓勵能源儲備、替代能源發(fā)展、替代燃料技術貿易化等方面的稅收激勵或補貼政策，極大地激勵了國內非常規(guī)能源的生產。美國政府對頁巖氣開發(fā)的重視為頁巖氣發(fā)展提供了強勁動力，有利的政策支持大大降低開發(fā)成本，刺激頁巖氣的發(fā)展。
頁巖氣開發(fā)是一個系統的，龐雜的工程，頁巖氣的經濟型開發(fā)對于技術要求更高。美國頁巖氣開發(fā)技術包含了頁巖氣開發(fā)過程中的鉆井、測井、錄井、完井、壓裂、酸化以及提高采收率系統技術，其中尤以水平鉆井和水力壓裂技術為核心技術。美國頁巖氣開發(fā)技術也經歷了相當長時間的摸索直至成熟的過程，隨著水力壓裂、同步壓裂、重復壓裂以及水平井的應用，單井產量大幅上升，使頁巖氣開采實現經濟性基礎。2002年以前，垂直井是美國頁巖氣開發(fā)主要的鉆井方式，隨著2002年戴文能源公司七口巴納特頁巖氣試驗水平井取得了巨大成功，業(yè)界開始大力推廣水平鉆井，水平井已然成為頁巖氣開發(fā)的主要鉆井方式。2002年后，巴納特頁巖氣水平井完井數迅速增加，2003-2007年巴納特頁巖水平井累計達4960口，占巴納特頁巖氣生產井總數的50%以上，2007年完鉆2219口水平井，占該年頁巖氣完井數的94%。
巴納特頁巖最成功的直井在2006年上半年的累積產量為990萬立方米，而同期表現最好的水平井的產量為2830萬立方米，為直井的三倍。水平井生產還具有目標范圍更廣，裂縫相遇幾率大、地質限制低和安全性更高的優(yōu)點。上世紀90年代，巴納特氣田開發(fā)使用的是直井，鉆井數量緩慢增長。從2004年開始，水平井生產量顯著上升，開啟水平井替代直井的技術升級，至2010年，水平井的數量占到70%的比例，頁巖氣產量占到90%。
水平井完井成本較高，決定頁巖氣能否經濟型開發(fā)的關鍵是單井產量，而壓裂技術是提高單井產量的關鍵一環(huán)。頁巖氣井鉆井完成后，還要經過酸化、壓裂等儲層改造措施后才能獲得比較理想的產量。水力壓裂是目前用于頁巖儲層改造的主要技術，包括多級壓裂、清水壓裂、同步壓裂及重復壓裂技術。同步壓裂技術是頁巖氣儲層改造的另一項重要技術，適用于兩口或多口距離相近，水平井段大致平行的井。2006年，同步壓裂技術開始應用于巴納特頁巖氣完井，最終改變近井地帶的應力場使頁巖氣井短期內產量顯著增加。美國頁巖氣生產的幾大盆地中水平井長度和單井壓裂次數均處于上升狀態(tài)。氣井開發(fā)中后期，初始壓裂效果下降時可以采用重復壓裂技術，對于初次壓裂效果不理想的井同樣適用。1999年引入的重復壓裂能重建儲層到經驗的線性流，恢復或增加產能，可以使估計最終采收率提高8%—10%，可采儲量增加60%。巴納特頁巖新井完井和老井采用重復壓裂方法壓裂后，頁巖氣產量與估計最終可采儲量都接近甚至超過初次壓裂時期。
美國2007年開始進入頁巖氣開發(fā)高潮，每年的水平井增量在6000-7000口，每口井的投資成本在200-600美元，再加上管線和增壓站投資，工程投資量非常大，在投資高峰時期每年的投資近400億美元。隨著政策因素和技術進步的推動，美國頁巖氣已經實現經濟性開發(fā)，某些開發(fā)商的投資回報率可高達50%。在紐約商品交易所天然氣價格和12%必要報酬率的條件下，很多盆地和開發(fā)商的盈虧成本非常低。據統計，2000年全美頁巖氣產量近200億立方米，頁巖氣井2.8萬口，開發(fā)企業(yè)10余家；到2008年，頁巖氣產量增至507億立方米，占全美天然氣總產量的9%左右，年均增長12.5%，頁巖氣井超過四萬口，開發(fā)企業(yè)達到64家。
對中國和全世界均意義重大
美國頁巖氣開發(fā)的經驗值得我國借鑒，并取長補短，少走彎路，加快步伐走出一條適合中國頁巖氣開發(fā)勘探生產和發(fā)展的道路。
1、關鍵技術突破和規(guī)模推廣應用。經過多年的探索攻關，美國已形成一套先進有效的頁巖氣開采技術，主要有水平井技術、壓裂技術(包括多段壓裂技術、清水壓裂技術和多段同步壓裂技術)。在—定的市場和政策條件下，這些先進技術的大規(guī)模推廣應用，降低了開發(fā)成本，大幅提高了頁巖氣井產量。
2、良好的市場條件和基礎設施。經過多年發(fā)展，美國形成了相對健全的天然氣市場體系，建成了四通八達的天然氣管網和城市供氣網絡，大大減少了頁巖氣開發(fā)在末端環(huán)節(jié)的前期投入，降低了市場風險，迅速實現了頁巖氣開發(fā)的市場化和商品化。
3、投資主體的多樣化。根據美國頁巖氣開發(fā)成功經驗，其頁巖氣產業(yè)允許各種資本和各種實體進入。頁巖氣開發(fā)之初，主體是數以千計、充滿活力的民營小企業(yè)，其中有小型勘探公司、設備制造企業(yè)和感興趣的科研公司；當然不乏實力雄厚的大公司與大學科研機構，他們不斷創(chuàng)新技術，壓縮成本，最終實現了技術突破，才使頁巖氣開發(fā)得以實現商業(yè)化。
4、國家政策扶持。長期以來，美國聯邦政府對非常規(guī)能源開發(fā)實施稅收補貼政策，許多州政府也制定了相應的鼓勵政策，例如得克薩斯州對頁巖氣開發(fā)免征生產稅。另外，美國能源部設立了專門的非常規(guī)油氣資源研究基金，以促進頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)資源開發(fā)的基礎研究。
5、發(fā)達的專業(yè)技術服務業(yè)起到關鍵作用。美國的油氣專業(yè)服務企業(yè)具有很強的技術優(yōu)勢和服務意識。這些企業(yè)聚集各種技術人員，而且自主研發(fā)能力強，專業(yè)化程度高，能解決一些生產中遇到的難題。一些拿到頁巖氣中標項目的企業(yè)、公司，都會把鉆井、完井、固井和壓裂等工序、實驗測試等多段工程，委托或承包給專業(yè)技術服務公司，各自取得經濟利益。
我國頁巖氣資源量豐富，可采儲量達30萬億立方米。借鑒美國成功的經驗，開發(fā)條件日趨成熟，我國頁巖氣開發(fā)提上日程，“十二五”規(guī)劃提出達到探明儲量一萬億立方米，年產量65億立方米。
政府政策支持、技術水平的進步將會使我國頁巖氣商業(yè)性開發(fā)成為可能。2011年12月30日，國土資源部發(fā)布的2011年第30號公告，國務院正式批準頁巖氣成為中國第172種礦產。按國務院指示精神，考慮頁巖氣自身特點和中國頁巖氣勘查開采進展以及國外經驗，國土資源部將頁巖氣按照獨立礦種進行管理，引進多種投資主體，制定相關支持政策，推進頁巖氣勘查開采進程，盡快實現中國頁巖氣規(guī)模開發(fā)，有利于緩解中國油氣資源短缺，提高天然氣供應能力，改變中國能源結構，增加清潔能源供應，形成油氣勘探開發(fā)新格局。
我國頁巖氣“十二五”規(guī)劃已初步成型，將在頁巖氣資源潛力調查評價和頁巖氣勘探開發(fā)布局兩方面有所突破，形成以四川、重慶、山西和遼寧為重點的鄂西渝東、川西、川東北、南川等19個頁巖氣重點勘探開發(fā)區(qū)域。總體發(fā)展目標上，規(guī)劃提出到2015年基本完成全國頁巖氣資源潛力調查與評價，探明頁巖氣地質儲量一萬億立方米，可采儲量2000億立方米，年產量大65億立方米。
埃克森美孚最新的長期展望報告顯示，由于儲量豐富以及清潔能源運動的展開，頁巖氣將在2025年前取代煤成為美國的主要發(fā)電燃料，同時也將成為世界第二大燃料源。一個新興產業(yè)開發(fā)前期的風險肯定是有的，頁巖氣的開發(fā)同樣如此。但是風險和機遇并存。幸運的是，美國、加拿大等國已經捷足先登，積累了豐富的經驗和教訓，中國完全可以借鑒和汲取。
目前，據國內外有關研究部門不完全數據表明，中國的頁巖氣可采儲量達到36.08萬億立方米，占世界第一。最重要的是，頁巖氣將成為改變世界能源格局的新興能源，必須未雨綢繆，早日扎實做好勘探、開采、運輸、銷售等方面的前期準備。筆者認為，技術引進的工作須同步跟進，同時要根據國情如地質結構、開采設備、環(huán)保監(jiān)管等消化引進技術，并逐步形成自己的頁巖氣開發(fā)生產技術，力爭盡快實現頁巖氣商業(yè)化，也就是在國務院發(fā)布的《頁巖氣“十二·五”發(fā)展規(guī)劃》提出的，到2015年頁巖氣產量將達到65億立方米，到2020年年產量要達到600億-1000億立方米的目標。
(作者單位：中國生產力學會 金誠信礦業(yè)建設集團)
全球頁巖氣資源分布概況
全球頁巖氣資源量約456萬億立方米，相當于煤層氣和致密氣的總和，主要分布在北美、中亞和中國、中東和北非以及拉美等地區(qū)。主要特點是：分布范圍廣，主要分布在海相地層；沉積厚度大，一般300—500米左右，單層厚度大于50米；有機質含量普遍在2%以上，成熟度(Ro)在1.4—3.0之間；開采壽命長，一般30—50年，有些可達80—100年。據EIA最新數據顯示，全球32個國家有48個頁巖盆地含有頁巖氣資源，頁巖氣技術可采資源量為187萬億立方米，其中我國的頁巖氣技術可采資源量為36萬億立方米，排名世界第一(約占20%)，其后依次是美國(約占13%)、阿根廷、墨西哥和南非。中國的頁巖氣儲層分布廣泛，主要有海相和陸相兩種類型，頁巖氣資源的主體是海相，主要分布在南方地區(qū)，以楊子板塊地區(qū)為主，而陸相主要分布在中西部地區(qū)的四川、鄂爾多斯、渤海灣、江漢、吐哈、塔里木、準噶爾等盆地及其周緣。同時，在我國南方的寒武系、志留系、二疊系等古老地層分布區(qū)的頁巖氣勘探前景亦不可忽視。
目前，全球頁巖氣業(yè)務主要集中在海相。初步預測國內三大地區(qū)海相頁巖氣資源量約21萬億立方米，占總資源量的70%。
我國高度重視頁巖氣勘探開發(fā)
我國對頁巖氣資源的勘探開發(fā)還處在初級階段，與美國相差甚遠。2009年8月，國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心在重慶市綦江縣啟動了我國首個頁巖氣資源勘查項目。同年12月，我國第一口頁巖氣勘探淺井渝頁1井在重慶市彭水縣連湖鎮(zhèn)順利完鉆，標志著我國正式實施頁巖氣勘探開發(fā)。2010年分三個梯次展開，啟動“川渝黔鄂頁巖氣調查先導試驗區(qū)”，在下揚子地區(qū)開展頁巖氣調查和北方地區(qū)開展區(qū)域頁巖氣研究，優(yōu)選有利區(qū)、評價資源潛力。2011年3月，我國國民經濟發(fā)展“十二五”規(guī)劃明確，“推進頁巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)利用”。2011年我國已啟動了全國頁巖氣資源潛力評估及有利目標區(qū)優(yōu)選。
我國頁巖氣“十二五”規(guī)劃已初步成型，將在頁巖氣資源潛力調查評價和頁巖氣勘探開發(fā)布局兩方面有所突破，形成以四川、重慶、山西和遼寧為重點的鄂西渝東、川西、川東北、南川等19個頁巖氣重點勘探開發(fā)區(qū)域。總體發(fā)展目標上，規(guī)劃提出到2015年基本完成全國頁巖氣資源潛力調查與評價，探明頁巖氣地質儲量一萬億立方米，可采儲量2000億立方米，年產量大65億立方米，初步形成符合我國地質特點的頁巖氣勘探開發(fā)核心技術，形成一系列國家級頁巖氣技術標準和規(guī)范。
2007年，中石油天然氣集團公司與美國新田石油公司簽署頁巖氣開發(fā)對外合作的第一份協議《威遠地區(qū)頁巖氣聯合研究》。2009年11月，中國石油與殼牌公司在北京簽訂《四川盆地富順—永川區(qū)塊頁巖氣聯合評價協議》，吹響了我國在頁巖氣這一能源新領域的勘探開發(fā)號角。2009年11月，在重慶實施了第一口頁巖氣戰(zhàn)略調查井，得到了良好的頁巖氣顯示。2011年4月1日，中國第一口頁巖氣水平井威201-H1井在四川省威遠縣順利完井，垂直鉆井2823米以后又水平鉆井1079米，用時僅34天。這口井已成為中國國內第一個水平頁巖氣鉆井。2011年4月，中國石油與道達爾在內蒙古投資20億美元開發(fā)頁巖氣。2011年9月，隨著最后一臺壓裂車停泵，中國石化首口頁巖氣水平井——建頁HF-1井大規(guī)模分段壓裂施工順利完成。中石化第一口頁巖氣井在2010年12月鉆至4110米的目標深度，已獲頁巖氣流，目前鉆井20口。該公司計劃在三年內對南川區(qū)塊鉆井11口，計劃投資5.9億元。中國石油計劃“十二五”末“十二五”期間可能建立1、2塊頁巖氣試產區(qū)，在四川威遠、長寧區(qū)塊建成10億立方米/年的產能。2011年8月，我國第一口頁巖氣水平井試采。2011年8月，中國石油和美國油田服務公司互派壓裂技術人員培訓，縮短與國外壓裂技術差距，加快中國石油頁巖氣開發(fā)腳步。據《金融時報》報道，中石油已在四川省內發(fā)現頁巖氣田，并已在四川南部鉆探約20口井，采用水力壓裂方法，單井日產量超過一萬立方米，仍在評估確切資源規(guī)模。
頁巖氣發(fā)展優(yōu)勢明顯。資源量豐富，與常規(guī)天然氣相當。作為獨立的礦種，不存在采氣權和采礦權的沖突。國土資源部將頁巖氣列為獨立礦種，鼓勵多種投資主體進入頁巖氣勘探開發(fā)領域，今后將有更多的頁巖氣區(qū)塊面向社會各種符合條件的經濟實體招標出讓。遵循美國的經驗，非常規(guī)氣尤其是頁巖氣的開發(fā)應更多向市場開放，鼓勵各種新技術的應用和創(chuàng)新。從這一點上看，比較適合有實力的民營企業(yè)進入。國土資源部對頁巖氣的開發(fā)目標是：在2020年實現年產能150-300億立方米。該產能是中石油目前所有非常規(guī)能源產量的150-300倍。這意味著未來5-10年將是頁巖氣發(fā)展的黃金時代。
中國政府對中國頁巖氣勘探給予了高度重視。2009年，中國與美國簽署《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(qū)優(yōu)選”重大專項；2010年中國與美國制訂并簽署了《美國國務院和中國國家發(fā)展改革委員會及能源局關于中美頁巖氣資源工作行動計劃》、成立國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心；2011年科技部在油氣重大專項中設立《頁巖氣勘探開發(fā)關鍵技術》項目，國家發(fā)展和改革委員會等多部委聯合編制了中國頁巖氣“十二五”勘探開發(fā)規(guī)劃。
目前，中國已在陸上廣泛開展頁巖氣前期地質評價和勘探開發(fā)先導試驗，初步明確了上揚子區(qū)古生界海相富有機質頁巖為中國陸上頁巖氣勘探最有利領域。據不完全統計，中國在陸上四川、鄂爾多斯、渤海灣、沁水、泌陽等盆地，云南昭通、貴州大方、建南、銅仁等地區(qū)開展了頁巖氣鉆探與水力壓裂試氣，完鉆頁巖氣井35口，水力壓裂試氣井14，獲工業(yè)氣(油)流井11口，初產超過1×104m3/d氣井七口。四川盆地、云南昭通實現了古生界海相頁巖氣的突破；四川盆地、鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣見到良好顯示；泌陽盆地陸相頁巖油勘探也取得了進展。
繼2011年6月頁巖氣探礦權首次招標之后，2012年9月10日我國又啟動了第二輪招標，目前已有近百家企業(yè)領取了招標文件，除中石油、中石化等大型國企外，其中不乏較有實力的民企，還有中方控股的外資企業(yè)。而上次招標的只有兩個省的四個區(qū)塊，此次上升到八個省20個區(qū)塊，且投資額度有了新的要求，第一次要求每1000平方公里至少打兩口井，每平方公里投資不少于兩萬元；第二次則要求每500平方公里至少打兩口井，每平方公里投資不少于三萬元。