王曉川1， 吳根2，閆金定2

　　(1.武漢大學(xué);2.科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心)

　　美國(guó)頁(yè)巖氣的成功商業(yè)開發(fā)正在深刻改變世界能源與政治格局，中國(guó)擁有豐富的頁(yè)巖氣可采資源，對(duì)未來(lái)能源戰(zhàn)略安全至關(guān)重要。本報(bào)告綜述了國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣資源開發(fā)及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，并提出了我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)和對(duì)策建議。

　　頁(yè)巖氣作為新興的非常規(guī)天然氣，正在改變世界能源結(jié)構(gòu)與政治格局。美國(guó)是世界上最早研究、開發(fā)頁(yè)巖氣的國(guó)家，從1821年第一口頁(yè)巖氣井開鉆，經(jīng)過20世紀(jì)70年代的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)，以及90年代政策、價(jià)格及技術(shù)的推動(dòng)，使其在本世紀(jì)初成功地從石油天然氣進(jìn)口國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹趪?guó)。

　　美國(guó)頁(yè)巖氣的成功開發(fā)，極大地提升了頁(yè)巖氣的商業(yè)價(jià)值，頁(yè)巖氣自然也成為了全球的能源熱點(diǎn)，德國(guó)、法國(guó)、波蘭、阿根廷、墨西哥、巴西、澳大利亞、中國(guó)、印度、印尼等30多個(gè)國(guó)家紛紛積極開展頁(yè)巖氣技術(shù)研究和開發(fā)，在全球范圍內(nèi)掀起了“頁(yè)巖氣革命”。

　　一、世界頁(yè)巖氣資源開發(fā)現(xiàn)狀

　　全球頁(yè)巖氣資源非常豐富。據(jù)2013年6月美國(guó)能源信息署(EIA)評(píng)估，全球41個(gè)國(guó)家95個(gè)盆地共137套頁(yè)巖地層，頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量約為1013萬(wàn)億立方米，技術(shù)可采資源量為220.7萬(wàn)億立方米，主要分布在北美、東亞、南美、北非、澳大利亞等地區(qū)。其中，中國(guó)、阿根廷與阿爾及利亞分別以可采儲(chǔ)量31.6和22.7和20.0萬(wàn)億立方米位列前三甲。

　　北美地區(qū)對(duì)頁(yè)巖氣的開發(fā)起步較早。美國(guó)是最早進(jìn)行頁(yè)巖氣資源勘探開發(fā)的國(guó)家，其勘探開發(fā)速度驚人。美國(guó)能源信息署(EIA)2017年的數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)頁(yè)巖氣年產(chǎn)量由2007年的36.61億立方米，快速增長(zhǎng)到2015年的4307.87億立方米，增長(zhǎng)了117倍。2009年美國(guó)更是以6240億立方米的產(chǎn)量超過俄羅斯成為世界第一大天然氣生產(chǎn)國(guó)。2015年，由于原油價(jià)格的大幅度下跌，美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)速度明顯放緩，2016年出現(xiàn)了頁(yè)巖氣產(chǎn)量的下跌。

　　加拿大對(duì)頁(yè)巖氣資源的認(rèn)識(shí)僅次于美國(guó)，是世界上第二個(gè)成功進(jìn)行頁(yè)巖氣商業(yè)開發(fā)的國(guó)家。2005年加拿大首次在Montney Play進(jìn)行了致密氣和頁(yè)巖氣井的鉆進(jìn)，并先后在British Columbia，Alberta，New Brunswick and Quebec等地區(qū)發(fā)現(xiàn)了具有開采價(jià)值的頁(yè)巖氣。據(jù)加拿大國(guó)家能源署統(tǒng)計(jì)，2015年1—7月加拿大累計(jì)天然氣產(chǎn)量達(dá)908.42億立方米，其中頁(yè)巖氣產(chǎn)量為120.56億立方米，占天然氣總產(chǎn)量的13.27%，全年頁(yè)巖氣產(chǎn)量為207億立方米。

　　拉丁美洲地區(qū)擁有56萬(wàn)億立方米的頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量，主要集中在阿根廷、墨西哥和巴西等國(guó)家。2013年3月，阿根廷油氣巨頭YPF與美國(guó)陶氏化學(xué)阿根廷子公司簽署了共同開發(fā)頁(yè)巖氣的協(xié)議，標(biāo)志著阿根廷正式進(jìn)軍頁(yè)巖氣開發(fā)領(lǐng)域。墨西哥也進(jìn)行能源體制改革，以加快頁(yè)巖氣開發(fā)進(jìn)程。

　　歐洲頁(yè)巖氣潛在資源量約為14.4萬(wàn)億立方米，其開發(fā)程度尚處于初級(jí)階段，歐洲頁(yè)巖氣資源主要分布在俄羅斯、波蘭、愛爾蘭、法國(guó)和烏克蘭等國(guó)家，其中波羅的海區(qū)域，波蘭志留系、愛爾蘭、萊茵河地區(qū)和英格蘭威爾士地區(qū)的下石炭系，維也納盆地的上侏羅系等均被認(rèn)為是極具開發(fā)潛力的地區(qū)?？傮w來(lái)看，歐洲國(guó)家雖然也已著手頁(yè)巖氣的試探性開發(fā)，但是由于人口稠密、環(huán)保監(jiān)管嚴(yán)格、開發(fā)成本高昂、國(guó)內(nèi)意見分歧等一系列問題，導(dǎo)致其距頁(yè)巖氣大規(guī)模商業(yè)開發(fā)還有很遠(yuǎn)的距離。

　　二、中國(guó)頁(yè)巖氣資源開發(fā)現(xiàn)狀

　　我國(guó)頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量非常豐富，美國(guó)EIA的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，中國(guó)頁(yè)巖氣資源以31.6萬(wàn)億立方米的技術(shù)可采量居世界第一。主要分布于四川盆地、塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、松遼盆地以及揚(yáng)子地區(qū)。

　　鑒于頁(yè)巖氣資源在國(guó)家發(fā)展中的重要戰(zhàn)略地位，自2005年起，我國(guó)主要石油企業(yè)、石油與地質(zhì)類高等院校、國(guó)土資源部與國(guó)家能源局等相關(guān)機(jī)構(gòu)，在四川盆地及鄰區(qū)、滇東北昭通地區(qū)、重慶涪陵區(qū)域、湘西地區(qū)、鄂爾多斯盆地等地區(qū)開展了前期勘探評(píng)價(jià)，通過資料復(fù)查、地質(zhì)探井的鉆探等手段，取得了早期頁(yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)與頁(yè)巖氣資源潛力預(yù)測(cè)等關(guān)鍵參數(shù)，重點(diǎn)選定在威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧-昭通、富順-永川、涪陵、巫溪、甘泉-下寺灣等區(qū)塊進(jìn)行先導(dǎo)性試驗(yàn)。

　　2009—2012年，國(guó)土資源部組織開展全國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力調(diào)查，結(jié)果表明：我國(guó)陸域頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量為134.42萬(wàn)億立方米，約為常規(guī)天然氣地質(zhì)資源量的2倍，技術(shù)可采資源量25.08萬(wàn)億立方米(不含青藏區(qū))。中國(guó)同時(shí)發(fā)育有海相、海陸過渡相、陸相3類頁(yè)巖氣，包括以中國(guó)南方五峰組-龍馬溪組為代表的埋深較大、熱成熟度高的海相頁(yè)巖，以四川盆地志留統(tǒng)龍馬溪組為代表的的薄互層物性較差的海陸相頁(yè)巖，以及以鄂爾多斯盆地的延長(zhǎng)組為代表的埋藏淺的陸相頁(yè)巖氣。

　　我國(guó)南方海相頁(yè)巖地層是頁(yè)巖氣的主要富集地區(qū)，此外，松遼、鄂爾多斯、吐哈、準(zhǔn)噶爾等陸相沉積盆地的頁(yè)巖地層也具有頁(yè)巖氣富集的基礎(chǔ)和條件。鄂爾多斯盆地自下而上沉積了下古生界海相頁(yè)巖、上古生界海陸過渡相頁(yè)巖以及中生界湖相頁(yè)巖;準(zhǔn)噶爾盆地是一個(gè)大型的多旋回盆地，常規(guī)油氣和煤炭資源豐富，盆地內(nèi)二疊系和侏羅系地層具有形成頁(yè)巖氣藏的基本地質(zhì)條件。重慶涪陵地區(qū)頁(yè)巖氣為海相頁(yè)巖氣，沉積環(huán)境好，目前已成功進(jìn)行了商業(yè)化開發(fā)。根據(jù)國(guó)土資源部?jī)?yōu)選的180個(gè)頁(yè)巖氣有利區(qū)和36個(gè)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)規(guī)劃區(qū)，其中海相頁(yè)巖氣可采資源潛力為8.2萬(wàn)億立方米，海陸過渡相頁(yè)巖氣可采資源潛力8.9萬(wàn)億立方米，陸相頁(yè)巖氣可采資源潛力7.9萬(wàn)億立方米。

　　隨著頁(yè)巖氣勘探程度的加深，我國(guó)相關(guān)科研院所、企業(yè)都在積極進(jìn)行頁(yè)巖氣開發(fā)。2008年中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院進(jìn)行了中國(guó)第一口頁(yè)巖氣地質(zhì)井——長(zhǎng)芯1井的鉆探，獲取了大量頁(yè)巖氣地質(zhì)信息，對(duì)四川盆地南部和上揚(yáng)子地區(qū)頁(yè)巖氣的前景做了明確判斷。2009年中國(guó)石油與殼牌公司在四川盆地富順-永川區(qū)塊啟動(dòng)了中國(guó)第一個(gè)頁(yè)巖氣國(guó)際合作勘探開發(fā)項(xiàng)目。2010年5月，中原油田井下特種作業(yè)處完成了中石化首口頁(yè)巖氣井——方深1井的大型壓裂。2012年11月27日，重慶涪陵焦頁(yè)1井頁(yè)巖氣日產(chǎn)量達(dá)到20.3萬(wàn)m3，截至2014年6月30日，已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)一年半，累計(jì)產(chǎn)氣3769萬(wàn)m3。

　　隨著中央、地方和企業(yè)持續(xù)加大投入，頁(yè)巖氣勘探開發(fā)取得重大突破和發(fā)現(xiàn)。截至2014年12月底，全國(guó)累計(jì)投資230億元，完成二維地震21818千米，三維地震2134 平方千米，鉆井780口，鋪設(shè)管線235千米;全國(guó)共設(shè)置頁(yè)巖氣探礦權(quán)54個(gè)，面積17萬(wàn)平方千米，相繼在四川長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、井研-犍為、重慶涪陵、彭水、云南昭通、貴州習(xí)水和陜西延安等地取得重大突破和重要發(fā)現(xiàn)，獲得頁(yè)巖氣三級(jí)地質(zhì)儲(chǔ)量近5000億立方米。中國(guó)石化率先在涪陵區(qū)塊實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣商業(yè)開發(fā)，建成產(chǎn)能25億立方米/年。中國(guó)石油也在加快推進(jìn)威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧和昭通頁(yè)巖氣規(guī)模建設(shè)，建成產(chǎn)能7億立方米，2014年生產(chǎn)頁(yè)巖氣1.6億立方米。

　　經(jīng)過近20年的技術(shù)、政策、配套及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)的頁(yè)巖氣工業(yè)化開發(fā)初具規(guī)模，取得了階段性成果，但在開發(fā)中還面臨著一系列的挑戰(zhàn)：一是中國(guó)頁(yè)巖氣形成與富集機(jī)理尚不清楚，頁(yè)巖氣資源不確定性較大;二是優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層精細(xì)地震識(shí)別與預(yù)測(cè)精度不夠高;三是“穿針式”水平井精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)還不成熟;四是壓裂效果微地震監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法需要完善;五是山地-丘陵地區(qū)“小型工廠化”生產(chǎn)模式仍在探索中;六是高效開發(fā)理論與產(chǎn)能評(píng)價(jià)處于起步階段;七是低壓、低產(chǎn)井增產(chǎn)重復(fù)壓裂技術(shù)需要攻關(guān);八是較高水資源消耗與環(huán)境保護(hù)有待改善;九是全過程低成本勘探開發(fā)模式還沒有形成;十是有效組織與管理方法需要進(jìn)一步深化。

　　面對(duì)上述挑戰(zhàn)，我國(guó)經(jīng)過十幾年科學(xué)探索與技術(shù)引進(jìn)，逐漸形成了符合中國(guó)實(shí)際的頁(yè)巖氣成藏理論、鉆完井技術(shù)、頁(yè)巖氣工業(yè)化排采、配套政策法規(guī)等方面的技術(shù)體系。在長(zhǎng)時(shí)間的摸索與工業(yè)化實(shí)踐中，我國(guó)初步完成了陸相和海陸過渡相頁(yè)巖氣的地質(zhì)評(píng)價(jià)和“甜點(diǎn)區(qū)”評(píng)選及工業(yè)化探索，實(shí)現(xiàn)了水平井鉆完井、體積壓裂、“工廠化”平臺(tái)井組生產(chǎn)模式等關(guān)鍵技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化。

　　三、進(jìn)一步研究重點(diǎn)與對(duì)策建議

　　今后一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)研究的熱點(diǎn)將集中在頁(yè)巖氣資源分布、頁(yè)巖氣成藏機(jī)理、巖石地質(zhì)力學(xué)分析、微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)深層水平井鉆進(jìn)等鉆井技術(shù)、完井技術(shù)、CO2壓裂技術(shù)，以及后期的壓裂增產(chǎn)技術(shù)的研究方面。其中，鉆井方面國(guó)外在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、地質(zhì)導(dǎo)向、高性能水基鉆井液、高效PDC鉆頭、自動(dòng)化鉆機(jī)等頁(yè)巖氣鉆井核心技術(shù)方面仍然處于壟斷地位，這些是國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開發(fā)后續(xù)研究需要攻克的技術(shù)難點(diǎn)。超臨界二氧化碳高效開采技術(shù)目前也得到了國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者和機(jī)構(gòu)的關(guān)注，正在逐步進(jìn)行深入研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

　　隨著國(guó)家和國(guó)民對(duì)于生態(tài)環(huán)境和健康的重視，頁(yè)巖氣開發(fā)過程中的環(huán)保與健康問題的研究將持續(xù)成為熱點(diǎn)。由于我國(guó)頁(yè)巖氣開采歷史還不長(zhǎng)，開采行為對(duì)于地下水、周邊環(huán)境以及地震增多的影響還缺乏足夠的研究。北美地區(qū)已經(jīng)通過實(shí)踐和研究發(fā)現(xiàn)水力壓裂和微地震增多之間存在聯(lián)系。壓裂過程中壓裂液的化學(xué)添加劑會(huì)影響地下環(huán)境，鉆井時(shí)防噴氣體燃燒產(chǎn)生的溫室氣體排放也會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。在今后的一段時(shí)間內(nèi)，隨著頁(yè)巖氣研究的深入，環(huán)境與健康方面的研究將成為未來(lái)熱點(diǎn)問題。為進(jìn)一步發(fā)展頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)，縮短與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，促進(jìn)我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，建議做好以下方面的工作：

　　1.加強(qiáng)資源普查，夯實(shí)資源基礎(chǔ)

　　加強(qiáng)全國(guó)范圍內(nèi)的頁(yè)巖氣資源基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作，完善地質(zhì)資料和信息共享機(jī)制，利用頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)，全面綜合評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣資源，準(zhǔn)確掌握頁(yè)巖氣資源的潛力及其分布，優(yōu)選出頁(yè)巖氣富集區(qū)、有利目標(biāo)區(qū);不斷收集和積累國(guó)內(nèi)資料，結(jié)合國(guó)內(nèi)沉積地層和盆地構(gòu)造特征等因素，對(duì)頁(yè)巖氣成藏機(jī)理、地質(zhì)條件、資源評(píng)價(jià)方法等進(jìn)行科學(xué)分析，以形成一套適合中國(guó)頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)和勘探開發(fā)的理論體系。

　　2.設(shè)立專項(xiàng)基金，做好人才技術(shù)儲(chǔ)備

　　中國(guó)應(yīng)該設(shè)立專門的頁(yè)巖氣開發(fā)研究基金和專業(yè)研究機(jī)構(gòu)，支持頁(yè)巖氣勘探開發(fā)技術(shù)和設(shè)備的研究以及先進(jìn)國(guó)際技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，加強(qiáng)國(guó)家頁(yè)巖氣發(fā)展研發(fā)中心和其他頁(yè)巖氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)企業(yè)、科研院所等研究機(jī)構(gòu)通過技術(shù)交流、聯(lián)合研發(fā)、國(guó)際合作等方式攻關(guān)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)核心技術(shù)和設(shè)備，做好高層次專業(yè)化人才的培養(yǎng)和創(chuàng)新技術(shù)的儲(chǔ)備工作。

　　3.完善頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)鏈，科學(xué)制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃

　　能源行業(yè)具有較長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈，合理的產(chǎn)業(yè)布局不僅能夠優(yōu)化資源配置，而且能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。從美國(guó)經(jīng)驗(yàn)看，頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)鏈分為開發(fā)、設(shè)備、應(yīng)用三個(gè)主要環(huán)節(jié)。其中，開發(fā)環(huán)節(jié)包括了勘探、開采、增產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)，設(shè)備環(huán)節(jié)包括了各種頁(yè)巖氣勘探開發(fā)裝備的生產(chǎn)，應(yīng)用環(huán)節(jié)包括燃?xì)廛囕v、燃?xì)獍l(fā)電、天然氣化工。職能部門需要結(jié)合現(xiàn)有基礎(chǔ)和頁(yè)巖氣發(fā)展實(shí)際，科學(xué)制定頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃，重點(diǎn)作好與頁(yè)巖氣勘探開發(fā)相關(guān)的裝備制造業(yè)發(fā)展規(guī)劃，配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃，頁(yè)巖氣下游產(chǎn)品相關(guān)的化工、汽車等產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，以及頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的配套政策和保障措施的制定。

　　本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”(編號(hào)：ZLY2015072)研究成果之一。

　　本文特約編輯：姜念云