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(chǎn)和開發(fā)研究被稱為“靜悄悄的革命”。據(jù)統(tǒng)計，2000年全美頁巖氣產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)出現(xiàn)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(chǎn)量大幅度提高。2000年以后，美國頁巖氣發(fā)展迅猛，十年間產(chǎn)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(chǎn)量的20%，由此躍升為世界第一大產(chǎn)氣國。據(jù)美國能源局資料(EIA)預計，2015年美國頁巖氣產(chǎn)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(chǎn)井11271口，獲得頁巖氣可采儲量2.7萬億立方米，同年生產(chǎn)頁巖氣366億立方米，其核心產(chǎn)區(qū)東紐瓦克氣田頁巖氣產(chǎn)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(xiàn)自給，并推動美國國內天然氣價格大幅回落。能源生產(chǎn)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(chǎn)。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(tǒng)的，龐雜的工程，頁巖氣的經(jīng)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(tǒng)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(jīng)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(chǎn)量大幅上升，使頁巖氣開采實現(xiàn)經(jīng)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(shù)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(chǎn)井總數(shù)的50%以上，2007年完鉆2219口水平井，占該年頁巖氣完井數(shù)的94%。
巴納特頁巖最成功的直井在2006年上半年的累積產(chǎn)量為990萬立方米，而同期表現(xiàn)最好的水平井的產(chǎn)量為2830萬立方米，為直井的三倍。水平井生產(chǎn)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(shù)量緩慢增長。從2004年開始，水平井生產(chǎn)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(shù)量占到70%的比例，頁巖氣產(chǎn)量占到90%。
水平井完井成本較高，決定頁巖氣能否經(jīng)濟型開發(fā)的關鍵是單井產(chǎn)量，而壓裂技術是提高單井產(chǎn)量的關鍵一環(huán)。頁巖氣井鉆井完成后，還要經(jīng)過酸化、壓裂等儲層改造措施后才能獲得比較理想的產(chǎn)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(chǎn)量顯著增加。美國頁巖氣生產(chǎn)的幾大盆地中水平井長度和單井壓裂次數(shù)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(jīng)驗的線性流，恢復或增加產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)實現(xiàn)經(jīng)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(jù)統(tǒng)計，2000年全美頁巖氣產(chǎn)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(chǎn)量增至507億立方米，占全美天然氣總產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)和發(fā)展的道路�！�
1、關鍵技術突破和規(guī)模推廣應用。經(jīng)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(chǎn)量。
2、良好的市場條件和基礎設施。經(jīng)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(wǎng)和城市供氣網(wǎng)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(xiàn)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(jù)美國頁巖氣開發(fā)成功經(jīng)驗，其頁巖氣產(chǎn)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(shù)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(xiàn)了技術突破，才使頁巖氣開發(fā)得以實現(xiàn)商業(yè)化。
4、國家政策扶持。長期以來，美國聯(lián)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)。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(jīng)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(xiàn)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�？傮w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(chǎn)量大65億立方米。
�？松梨谧钚碌拈L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(chǎn)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(jīng)捷足先登，積累了豐富的經(jīng)驗和教訓，中國完全可以借鑒和汲取。
目前，據(jù)國內外有關研究部門不完全數(shù)據(jù)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(jù)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(chǎn)技術，力爭盡快實現(xiàn)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(chǎn)量將達到65億立方米，到2020年年產(chǎn)量要達到600億-1000億立方米的目標。
(作者單位：中國生產(chǎn)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(jù)EIA最新數(shù)據(jù)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?lián)P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(jīng)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(chǎn)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(xié)議《威遠地區(qū)頁巖氣聯(lián)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(lián)合評價協(xié)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(chǎn)區(qū)，在四川威遠、長寧區(qū)塊建成10億立方米/年的產(chǎn)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(jù)《金融時報》報道，中石油已在四川省內發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)濟實體招標出讓。遵循美國的經(jīng)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(xiàn)年產(chǎn)能150-300億立方米。該產(chǎn)能是中石油目前所有非常規(guī)能源產(chǎn)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(lián)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(jù)不完全統(tǒng)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(chǎn)超過1×104m3/d氣井七口。四川盆地、云南昭通實現(xiàn)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。