中國頁巖氣資源勘探開發(fā)挑戰(zhàn)初論

摘 要

摘　要：鑒于地質(zhì)條件與國情的明顯差異，中國能否成功復(fù)制美國的“頁巖氣革命”成為時(shí)下關(guān)注的焦點(diǎn)。為此，分析了中國頁巖氣資源勘探開發(fā)擁有的良好機(jī)遇以及面臨的嚴(yán)峻

摘　要：鑒于地質(zhì)條件與國情的明顯差異，中國能否成功復(fù)制美國的“頁巖氣革命”成為時(shí)下關(guān)注的焦點(diǎn)。為此，分析了中國頁巖氣資源勘探開發(fā)擁有的良好機(jī)遇以及面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其中，機(jī)遇包括：①中國能源結(jié)構(gòu)亟待改善，天然氣需求量在未來5年的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例將增長l倍；②能源需求量持續(xù)攀升，到2020年中國天然氣年均消費(fèi)量仍將以19％的復(fù)合年增長率遞增；③頁巖氣資源豐富，預(yù)測中國頁巖氣地質(zhì)資源量為57×1012～244×1012m3，技術(shù)可采資源量為10.3×1012～47×1012m3；④已初步形成了頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)。挑戰(zhàn)包括：①獨(dú)特的頁巖氣形成與富集地質(zhì)條件差異；②資源前景與核心區(qū)尚不完全落買；⑧勘探開發(fā)核心技術(shù)尚不掌握；④勘探開發(fā)成本偏高；⑤環(huán)境保護(hù)問題；⑥盡管中國已將頁巖氣定義為一個(gè)新的礦種，但就其根源和本質(zhì)，頁巖氣還是油氣資源中的一種類型，只不過與其他油氣資源相比具有其獨(dú)特性而已，因此非油氣企業(yè)貿(mào)然從事頁巖氣勘探開發(fā)將會面臨諸多挑戰(zhàn)；⑦自頁巖氣被設(shè)立為新礦種起，政府管理工作的挑戰(zhàn)就產(chǎn)生了。結(jié)論認(rèn)為：中國頁巖氣勘探開發(fā)正處在起步階段，有諸多基礎(chǔ)工作尚未深入開展，仍有系列嚴(yán)峻挑戰(zhàn)需要應(yīng)對。既不能因噎而廢食，也需做好扎實(shí)工作。

關(guān)鍵詞：頁巖氣革命  中國  能源結(jié)構(gòu)  需求量  資源量  勘探開發(fā)技術(shù)  發(fā)展機(jī)遇  挑戰(zhàn)

A primary discussion on challenges for exploration and development of shale gas resources in China

Abstract：Due to bvious difference in geological and national conditions，whether or not China can successfully duplicate the American style of shale gas revolution to realize the scientific development of shale gas has already become the most concerned focus at present.In view of this，this paper analyzes good opportunities and severe challenges for the exploration and development of shale gas in China. Good opportunlties include as foilows：(1)The energy structure is to be changed．(2)The energy demand is keeping rising．(3)There is rich shale gas resources in China，the reserves of which in place is predicted to be 57-244 trillion m3 and the technical recoverable reserves of which will be 10.3-47trillion m3．(4)Technologies have been primarily formed for shale gas exploration and development．The following issues are severe challenges to be faced with：the difference in geological conditions between the specific formation process ot shale gas and its accumulation；being unkrlown of prospective and target zones；being lack of key technologies for shale gas exploration and development；a relatively high cost for shale gas exploration and development；high requirement for environment protection. Besides，since the shale gas was regarded as a new mineral species，the government has been troubled by managing to deal with various problems．However，other companles will meet more unexpected challenges in this domain than oil and gas companies if not deliberating their decisions．In the end，this paper points out the fact is that because shale gas exploration and development is still at the initifil stage，a lot of elemental work needs to do and great challenge has to be faced with；however，never shall we dare not to eat for fear of being choked，and be brave enough to overcome any difficulties for the purpose of exploring and recovering more shale gas resources in China．

Key words：shale gas revolution，China，energy structure，demand quantity，  resource reserves，  exploration and development technologies，developing opportunity，challenge

近年來，由北美掀起的“頁巖氣革命”撼動(dòng)了全球傳統(tǒng)能源版圖。越來越多的證據(jù)表明，這場“頁巖氣革命”的全球化及全球能源版圖的重構(gòu)，引發(fā)了各國政府及油氣(能源)企業(yè)和公司對頁巖氣資源超乎想象的激情[1]。富有機(jī)質(zhì)頁巖作為一種沉積巖，蘊(yùn)藏了豐富的油氣資源，長期以來一直被人們所忽視[2]。過去的10年間來，隨著全球能源需求量的增加、非常規(guī)油氣地質(zhì)勘探理論的進(jìn)展、難采油氣開采技術(shù)的突破，以及美國頁巖氣的成功開發(fā)，徹底改變并重新激活了人們對富有機(jī)質(zhì)頁巖的認(rèn)識，使頁巖氣一躍成了全球最熱、資源量最大、發(fā)展速度最快的天然氣新資源。中國在能源需求量越來越大、供給越來越依賴外源的背景下，為保障國家能源安全，不可避免地被卷入到了全球“頁巖氣革命”的洪流中，并試圖在中國領(lǐng)土上復(fù)制北美頁巖氣的成功。然而，北美頁巖氣的成功究竟能否在中國“再現(xiàn)”，中國油氣或能源企業(yè)能否在頁巖氣領(lǐng)域“展現(xiàn)大局面”，各派觀點(diǎn)并不統(tǒng)一。筆者認(rèn)為，從客觀與現(xiàn)實(shí)來看，頁巖氣在中國的發(fā)展既有良好的戰(zhàn)略機(jī)遇、美好的前景，同時(shí)也存在著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，應(yīng)該說“戰(zhàn)略機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存”。抓住機(jī)遇迎接挑戰(zhàn)，是未來5～l0年中國頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)現(xiàn)重大突破和長遠(yuǎn)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。本文試圖就發(fā)展機(jī)遇做出歸納，對面臨挑戰(zhàn)做出剖析，以謀求在中國頁巖氣發(fā)展進(jìn)程中，有效利用機(jī)遇及時(shí)應(yīng)對挑戰(zhàn)。

1　中國頁巖氣發(fā)展的重要機(jī)遇

1．1　中國能源結(jié)構(gòu)亟待改善

能源危機(jī)和環(huán)境問題同為當(dāng)今世界人類發(fā)展面臨的最大威脅，環(huán)境問題在很大程度上是由能源結(jié)構(gòu)不合理造成的。因此，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)是否合理是衡量一個(gè)國家和地區(qū)發(fā)展的重要指標(biāo)之一，以煤為主的能源資源存量，決定了中國在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)[3]。在中國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中[4] (圖1、2)，煤炭占到了69％，是世界煤炭消費(fèi)量的50％，比美國高出47％、比世界平均水平高出約40％；而天然氣僅占5％(為世界天然氣消費(fèi)量的4％)，遠(yuǎn)低于美國的28％及24％的世界平均水平。為保障中國社會經(jīng)濟(jì)又好又快可持續(xù)發(fā)展，中國的能源結(jié)構(gòu)亟待調(diào)整，需要充分開發(fā)和利用清潔能源。未來10年，中國政府希望在能源結(jié)構(gòu)上發(fā)生重大改變，減少對煤炭和石油的依賴，尤其是對煤炭的需求量將從69％降低到60％。在《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》(簡稱《“十二五”規(guī)劃》)中，政府宣布將增加清潔能源的供應(yīng)量，包括天然氣、水電及核能，其中天然氣需求量在未來5年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例將增長1倍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)2020年中國國內(nèi)單位生產(chǎn)總值CO2的排放量比2005年下降40％～45％。

 

 

1．2　中國能源需求量持續(xù)攀升

中國社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，能源需求量屢創(chuàng)新高。2011年中國一次能源生產(chǎn)總量為2 446.1×106t油當(dāng)量，一次能源消費(fèi)量為2613.2×106t油當(dāng)量[3]。2000—2011年世界平均能源消費(fèi)量增長為31.2％，而中國能源消費(fèi)量則增長了158.6％，占世界總能源消費(fèi)增長量的21.3％，超過了美國等發(fā)達(dá)國家(圖3)。但中國能源資源量仍非常低，尤其是人均油氣資源量僅占世界平均水平的6％。中國1993年首次成為石油凈進(jìn)口國，2006年天然氣也跨人凈進(jìn)口國之列[5]。中國石油對外依存度由l993年的l.2％飆升到2011年的58％，天然氣對外依存度由2006年的0.8％迅速攀升至2011年的23％，成為全球能源市場中最重要的進(jìn)口國。在天然氣需求中，近年來(2006 2011年)盡管中國的天然氣產(chǎn)量每年平均增長l3％以上，成為全球天然氣產(chǎn)量增長最快的國家之一，但總量還是非常少的。2011年中國天然氣產(chǎn)量為1025×108m3，天然氣消費(fèi)量同期年均增長量超過18％，2011年中國天然氣消費(fèi)量達(dá)1307×108m3。據(jù)預(yù)測，到2020年中國天然氣年均消費(fèi)量仍將以19％的復(fù)合年增長率遞增，在中國能源結(jié)構(gòu)中的比例將由2011年的5％提高到l0％～l 5％，而屆時(shí)中國天然氣產(chǎn)量僅為2000×108m3左右。

 

1．3　中國頁巖氣資源豐富

頁巖氣在中國雖顯些許陌生，但目前在中國陸上已發(fā)現(xiàn)從前寒武紀(jì)到新生代均有豐富的富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育(圖4)[5]，初步預(yù)測中國具有豐富的頁巖氣資源量。美國學(xué)者(Rogner，1997) [6-7]、美國能源信息署(EIA，2011) [8]預(yù)測全球頁巖氣資源量為456×1012～716×1012m3 (圖4)，接近或超過了全球常規(guī)天然氣資源量(471×1012m3)。其中所預(yù)測的中國頁巖氣資源量為l00×1012～l44.4×1012m3，占世界頁巖氣總資源量的20％左右(圖5)。2005年以來，中國機(jī)構(gòu)或?qū)W者借鑒北美成功經(jīng)驗(yàn)，加快頁巖氣地質(zhì)認(rèn)識，強(qiáng)化頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)攻關(guān)，通過廣泛開展中國頁巖氣地質(zhì)評價(jià)與典型區(qū)塊的勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)，在四川、鄂爾多斯等盆地和重慶黔江、湖南漣源等地區(qū)的頁巖氣勘探開發(fā)中相繼取得突破，證實(shí)了中國頁巖氣(資源)的廣泛存在，具良好的勘探開發(fā)前景。利用露頭地質(zhì)調(diào)查、探井及實(shí)驗(yàn)測試等取得的實(shí)際數(shù)據(jù)，預(yù)測中國頁巖氣地質(zhì)資源量為57×102～224×1012m3，技術(shù)可采資源量為10.3×1012～47×1012m3 (表1) [5]。2012年中國政府已依據(jù)中國豐富的頁巖氣資源量、勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)的可喜成果，制定了雄心勃勃的《中國頁巖氣“十二五”發(fā)展規(guī)劃》：2015年中國頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到65×108m3，2020年力爭實(shí)現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量600×108～800×108m3[9]。

 

 

 

1．4　中國已初步形成了頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)

在頁巖氣勘探開發(fā)前，中國已在沁水盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地成功實(shí)現(xiàn)了煤層氣和致密砂巖氣的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)，基本明確了非常規(guī)天然氣的地質(zhì)特征、富集規(guī)律，基本形成了一套有效的地質(zhì)評價(jià)、富集區(qū)選擇方法，初步摸索出了一套有效的勘探開發(fā)技術(shù)。在頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)程中，中國充分借鑒、學(xué)習(xí)北美的成熟技術(shù)[10]，充分利用中國在常規(guī)及其他非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中形成的先進(jìn)有效技術(shù)，在致力于頁巖氣地質(zhì)理論研究的同時(shí)，初步探索形成了多項(xiàng)頁巖氣勘探開發(fā)適用技術(shù)(圖6)，包括頁巖氣形成與富集特征研究方法、頁巖氣地質(zhì)評價(jià)與選區(qū)方法、頁巖氣資源評價(jià)方法、頁巖氣測井識別與處理解釋技術(shù)、地震采集處理與儲層識別預(yù)測技術(shù)、水平井鉆完井技術(shù)、水平井分段體積壓裂工藝技術(shù)、頁巖儲層改造配套工具、儲層改造低摩阻與速溶滑溜水體系、多種裂縫監(jiān)測診斷評估技術(shù)等。

 

2　中國頁巖氣發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

頁巖氣是早在1821年于美國東部阿帕拉契亞盆地紐約州Chautauga縣泥盆系Perrysbury組Dunkirk黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖中發(fā)現(xiàn)的天然氣。頁巖氣白被發(fā)現(xiàn)以來，走過了近200年復(fù)雜艱辛的發(fā)展道路[6-7]，2000年以來才正式成為天然氣勘探開發(fā)的新目標(biāo)，并迅速對世界能源供給格局和地緣政治產(chǎn)生了重大影響。頁巖為典型的細(xì)粒沉積巖石，由粉砂和黏土級顆粒經(jīng)壓實(shí)作用而形成，是全球大多數(shù)常規(guī)油氣藏的主要源巖或封蓋層。頁巖不同于其他黏土巖和泥巖，頁巖呈薄層狀且易破裂，可以沿其薄層理破碎或裂開，容易形成裂縫。盡管頁巖十分常見(在地殼沉積巖中有60％是頁巖)，但能夠作為有遠(yuǎn)景的油氣資源開發(fā)的頁巖儲層并不多，能成為勘探開發(fā)的有效含氣頁巖僅是那些富含有機(jī)質(zhì)、沉積后得到較好保存、生成的天然氣多數(shù)仍被圈閉在超低滲透率的巖石基質(zhì)中的頁巖[2]。在可開采的含氣頁巖儲層中，頁巖氣部分以游離氣自由分布在頁巖基質(zhì)的原生孔隙與次生孔隙巾，部分以吸附氣的形式附著在頁巖中干酪根的表面上。頁巖儲層滲透率極低，一般為1.0×10-3～1．0×10-6 mD，比常規(guī)儲層滲透率低數(shù)個(gè)數(shù)量級[2]，頁巖氣儲層必須通過鉆大位移水平井和實(shí)施多級水力壓裂才能形成工業(yè)產(chǎn)能。因此，大位移水平井鉆井和多級水力壓裂是確保頁巖氣經(jīng)濟(jì)有效的兩項(xiàng)重要技術(shù)。但美國頁巖氣開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從頁巖儲層中開發(fā)天然氣絕非僅靠鉆水平井和實(shí)施水力壓裂那么簡單，而是要充分綜合運(yùn)用多種來源、各種規(guī)模的資料，加強(qiáng)對頁巖儲層特征的認(rèn)識，針對性地改進(jìn)開發(fā)工藝和技術(shù)，優(yōu)化鉆井、完井、增產(chǎn)措施，才能成功地從頁巖儲層中開采出油氣資源來[2]。中國盡管在頁巖氣資源勘探開發(fā)上已展露良好機(jī)遇，也在現(xiàn)有先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)取得了可喜進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)規(guī)模有效發(fā)展，還面臨一系列重大挑戰(zhàn)，不可忽視[11-13]。這些重大挑戰(zhàn)包括中國獨(dú)特的頁巖氣形成與富集地質(zhì)條件、復(fù)雜的地表地貌條件與成本控制、適用勘探開發(fā)核心技術(shù)與配套裝備的形成、水資源利用與環(huán)境保護(hù)等。

2．1　獨(dú)特的頁巖氣形成與富集條件差異的挑戰(zhàn)

在地質(zhì)特征上，作為有勘探開發(fā)遠(yuǎn)景的含氣頁巖儲層既要有產(chǎn)氣潛力大的物質(zhì)基礎(chǔ)——高質(zhì)量儲層(RQ)，也要是能進(jìn)行有效壓裂的目標(biāo)——良好的鉆完井地層(CQ)。有機(jī)質(zhì)含量高的富含有機(jī)質(zhì)頁巖是在特殊條件下形成的[2]，這種特殊的條件使得所有頁巖氣儲層都有其獨(dú)特性(圖7) [6-7]，即便是同一套頁巖儲層的地質(zhì)特征在縱橫向上也往往會有非常明顯的變化。每一頁巖儲層要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模開發(fā)都需要花費(fèi)一定的時(shí)間對其地質(zhì)特征進(jìn)行認(rèn)識，摸索適應(yīng)的工程技術(shù)。從對比研究的結(jié)果可知，與北美地臺頁巖氣儲層相比，中國頁巖氣形成與富集地質(zhì)條件非常復(fù)雜，除頁巖沉積總面積可能相當(dāng)外，其他條件都相差較遠(yuǎn)。美國產(chǎn)氣頁巖主要是海相沉積，而中國除海相頁巖外，還有較為發(fā)育的海陸過渡相和陸相頁巖(圖8)。美國頁巖氣主要產(chǎn)白上古生界一中生界，中國白元古界到新近系都有頁巖發(fā)育[1]。美國頁巖熱(R。)為1.0％～3.5％，處在生氣高峰期，中國海相頁巖R。為2.3％～5.1％，為高——過成熟熱裂解成氣階段，陸相頁巖R。為0．4％～l．2％，處于低熟一成熟階段，以生油為主，局部生氣。北美地臺構(gòu)造穩(wěn)定，斷裂少，頁巖自沉積、成巖、成氣以來，除有一定抬升外，很少有大的構(gòu)造改造，中國構(gòu)造背景總體處在活動(dòng)性較強(qiáng)的區(qū)域，斷裂發(fā)育，大部分頁巖都經(jīng)歷了強(qiáng)烈的后期多次改造，南方海相頁巖大面積出露。另外，從圖9中可明顯看出，中國頁巖儲層楊氏模量較低、泊松比高，巖石脆性指數(shù)低于美國頁巖儲層，可壓性差。

 

 

 

2．2　中國頁巖氣資源前景與核心區(qū)待落實(shí)的挑戰(zhàn)

初步研究結(jié)論指出(圖8)，中國南方地區(qū)、華北地區(qū)、新疆塔里木盆地、西藏羌塘盆地發(fā)育海相頁巖，南方地區(qū)、華北地區(qū)、新疆地區(qū)發(fā)育海陸過渡相—湖沼相煤系頁巖，松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地等發(fā)育湖相頁巖，上述3類頁巖都具備頁巖氣形成與富集的條件。國內(nèi)外專家預(yù)測：中國頁巖氣資源非常豐富，或許超過常規(guī)天然氣資源量(圖5、表l)。實(shí)際上，中國到底會有多少頁巖氣資源，從目前國內(nèi)流行的多版本資源數(shù)據(jù)就可見一斑，每個(gè)預(yù)測數(shù)據(jù)看似依據(jù)都很充分，但實(shí)際又都不可信，關(guān)鍵緣由是目前中國頁巖氣資源預(yù)測的基礎(chǔ)非常差。美國是在經(jīng)歷了數(shù)l0年頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，才逐步解決了頁巖氣資源問題，其頁巖氣資源量估算基礎(chǔ)是建立在工業(yè)化規(guī)模開發(fā)的9大頁巖氣區(qū)帶、近60 000口頁巖氣生產(chǎn)井、近30年頁巖氣規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)上，采用了單井(生產(chǎn))最終可采儲量法。即便是如此，美國的頁巖氣資源量在不同經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件下，仍然還會隨時(shí)有較大的變化(表2) [14]。

 

中國頁巖氣勘探開發(fā)歷時(shí)剛5個(gè)年頭，僅在四川、鄂爾多斯等盆地、重慶黔江、湖南漣源等地區(qū)見到好苗頭，全國各類(包括地質(zhì)淺井、評價(jià)井、先導(dǎo)試驗(yàn)井等)頁巖氣鉆井不足100口，尚無正式進(jìn)入開發(fā)階段的貞巖氣田，必要的實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)很少，尤其是來自井下的數(shù)據(jù)稀少，頁巖含氣量、單井可控制資源等關(guān)鍵參數(shù)極其有限，頁巖氣資源估算所采用的方法是簡單的類比法，預(yù)測的資源結(jié)果相對比較粗略。事實(shí)上，中國頁巖氣資源前景在未來一段時(shí)期內(nèi)仍將是一個(gè)未知數(shù)，需要深入的地質(zhì)認(rèn)識、大量的鉆井實(shí)踐、足夠的實(shí)驗(yàn)測試，才可能較為準(zhǔn)確地確定出中國的頁巖氣資源前景。

更為重要的是每一個(gè)成功的頁巖氣田從發(fā)現(xiàn)到工業(yè)化規(guī)模開發(fā)都需要經(jīng)歷“點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)、面上評價(jià)、落實(shí)核心區(qū)、拓展規(guī)模開發(fā)”4個(gè)階段。與常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)不同，頁巖氣首先是在遠(yuǎn)景區(qū)帶評選的基礎(chǔ)上，通過l～2口或更多一點(diǎn)的鉆井工作，驗(yàn)證貞巖氣的存在，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)；再以數(shù)口至數(shù)10口評價(jià)井鉆探，對整個(gè)頁巖氣區(qū)帶開展面上評價(jià)，落實(shí)資源規(guī)模，分析資源分布規(guī)律，劃分不同資源豐度富集區(qū)；隨后進(jìn)行富集區(qū)綜合評價(jià)，開展先導(dǎo)試驗(yàn)井鉆探，評價(jià)單井產(chǎn)能，總結(jié)高產(chǎn)富集規(guī)律，確定核心區(qū)；最后以核心區(qū)為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模開發(fā)，以此為基礎(chǔ)逐漸拓展，最終實(shí)現(xiàn)頁巖氣區(qū)帶整體開發(fā)。頁巖氣形成與富集機(jī)理特殊，一般大面積連續(xù)分布，資源富集程度總體較低，核心區(qū)為資源相對富集區(qū)。一個(gè)頁巖氣區(qū)帶中，核心區(qū)范圍不大，但所擁有的資源可占整個(gè)頁巖氣區(qū)帶的60％以上[6-7](表3)，單井最終可采儲量(EUR)高，核心區(qū)內(nèi)的頁巖氣井中的干井、低產(chǎn)井比例不足4％。因此，核心區(qū)的確定成為一個(gè)頁巖氣區(qū)帶成功的關(guān)鍵。中國頁巖氣勘探開發(fā)處于起步階段，資源潛力尚未完全落實(shí)，遠(yuǎn)景頁巖氣區(qū)帶尚未確定，核心區(qū)的確定目前更無從談起。

 

2．3　頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)

除了雄厚的資源基礎(chǔ)外，頁巖氣成功規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵還包括實(shí)現(xiàn)勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的突破。頁巖氣開采中，一般單井產(chǎn)量低、單井控制儲量少、高產(chǎn)時(shí)間短。為提高頁巖氣單井產(chǎn)量、增加單井控制儲量，常采用大位移長水平井生產(chǎn)、多級水力壓裂儲層改造、微地震壓裂縫網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測。為實(shí)現(xiàn)頁巖氣田規(guī)?；a(chǎn)，控制生產(chǎn)成本，還常采取集中批量鉆井、“工廠化”作業(yè)。頁巖氣開采中涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)收集、地層評價(jià)、氣藏模擬、大位移水平井鉆井、多級水力壓裂、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井、微地震監(jiān)測、生產(chǎn)管理等。盡管這些技術(shù)大多屬于成熟技術(shù)，但多被國際大公司“把控”[11]。中國涉足頁巖氣時(shí)間短，相關(guān)頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)還不成熟，關(guān)鍵核心技術(shù)在國內(nèi)尚為空白。中國頁巖氣與國外頁巖氣儲層品質(zhì)的差異，使得即便直接引進(jìn)國外成熟技術(shù)，短時(shí)間內(nèi)也難對這些進(jìn)行技術(shù)消化、實(shí)現(xiàn)本土化。中國頁巖氣也存在開發(fā)條件上的技術(shù)難關(guān)，突出的是特殊的地表?xiàng)l件和較大的埋藏深度。中國南方海相頁巖發(fā)育區(qū)是迄今評價(jià)認(rèn)為最有前景的頁巖氣區(qū)，但中國南方地表溝壑縱橫、高山峽谷相連、人口密集、耕地較少。這一復(fù)雜的地形地表?xiàng)l件將嚴(yán)重限制大規(guī)模的交通運(yùn)輸，嚴(yán)重制約頻繁的、多井次的大規(guī)模施工。井場范圍受限會給大規(guī)模施丁帶來制約，不能集中、連續(xù)部署集群化(Pad平臺)鉆井井場，“工廠化”作業(yè)就難以施展。中國頁巖埋藏深度普遍偏深，概略統(tǒng)計(jì)有65％以上的頁巖埋深超過3500m，而美國頁巖埋深主體上介于1500～3500m。埋深加大不僅直接增加生產(chǎn)成本，也較大地增加了技術(shù)難度。目前中國已鉆的頁巖氣水平井在鉆井過程中無一例外地遇到了井擘垮塌、卡鉆等頻發(fā)事故，水平井段40％的鉆井進(jìn)尺要花費(fèi)總鉆井時(shí)間的70％以上。因此，中國頁巖氣勘探開發(fā)不可完全移植國外的成熟方法和技術(shù)，技術(shù)突破是中國頁巖氣規(guī)?；l(fā)展的重要前提。

2．4　頁巖氣開發(fā)成本偏高的挑戰(zhàn)

頁巖氣井生產(chǎn)具有單井產(chǎn)量低、遞減快等顯著特征，需要大量鉆井才能實(shí)現(xiàn)頁巖氣規(guī)模產(chǎn)量與穩(wěn)產(chǎn)(表4)。因此，頁巖氣勘探開發(fā)投資巨大，成本高，一般企業(yè)承擔(dān)不了如此巨大的投入風(fēng)險(xiǎn)。美國的頁巖氣勘探開發(fā)是在較為完善的天然氣管網(wǎng)和發(fā)育的消費(fèi)市場基礎(chǔ)上，不斷改善技術(shù)、優(yōu)化作業(yè)流程、降低成本，才使其勘探開發(fā)成本明顯偏高，短期內(nèi)根本無利可圖。四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)試驗(yàn)區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，目前該試驗(yàn)區(qū)頁巖氣水平井所需費(fèi)用均超過4000萬元(人民幣)，有的甚至達(dá)到7000萬元(人民幣)，單井頁巖氣產(chǎn)量僅1.0×104～15.0×104m3／a，單井可采儲量為0.2×108～0.5×108m3，其虧損明顯。況且中國頁巖的賦存地質(zhì)條件比美國復(fù)雜，頁巖氣勘探開發(fā)成本本身就可能會高于美國。

 

2．5　頁巖氣勘探開發(fā)中環(huán)保的挑戰(zhàn)

頁巖氣本身是潔凈能源，毋庸置疑，但頁巖氣在勘探開發(fā)巾會引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染問題也不應(yīng)回避。美國有輿論指出頁巖氣開采已產(chǎn)生了明顯的環(huán)境污染，在美國的一些地方，已爆發(fā)多起抗議由頁巖氣勘探開發(fā)導(dǎo)致的水源污染、房屋損害等事件。歐洲因擔(dān)心頁巖氣勘探開發(fā)存在環(huán)境隱患而叫停了多個(gè)頁巖氣項(xiàng)目，越來越多的國家正在由于對環(huán)境的擔(dān)憂而不鼓勵(lì)頁巖氣發(fā)展[13]。頁巖氣勘探開發(fā)可能造成的環(huán)境污染包括勘探開發(fā)中大量占有土地對地表的破壞、大量鉆井液與壓裂液的用水與排放對水資源的過度使用與污染(表5)、烴類氣體遺散及其他有害物質(zhì)的排放對大氣及土地等的污染。大量占有土地、鉆井液與壓裂成功實(shí)現(xiàn)了頁巖氣大規(guī)模商業(yè)性開采。據(jù)美國西南能源公司2007—2011年對Fayetteville頁巖氣區(qū)帶的開發(fā)統(tǒng)計(jì)，通過不斷的技術(shù)進(jìn)步和優(yōu)化作業(yè)流程，鉆井時(shí)間減少了52％以上，水平井段長度增加了84％以上，產(chǎn)量、儲量均提高了7倍以上，但鉆井成本基本保持不變，發(fā)現(xiàn)和開發(fā)成本大幅度降低(圖10) [2]，盡管如此，該區(qū)帶所有頁巖氣井，仍有80％處于虧損或無利可盈狀態(tài)，只有20％的井有盈利狀態(tài)。中國頁巖氣勘探開發(fā)剛駛?cè)斯I(yè)化試驗(yàn)發(fā)展道路，以地質(zhì)評價(jià)、資源落實(shí)、技術(shù)積累為主，頁巖氣鉆井、儲層改造技術(shù)還不成熟，工具、工藝不配套，特別是施工工具、裂縫監(jiān)測等工具與技術(shù)尚需進(jìn)口，同時(shí)，盡管中國的天然氣市場需求旺盛，但管網(wǎng)建設(shè)還不成熟且分布不均，使中國頁巖氣液的用水在中國將是更為嚴(yán)峻的環(huán)保挑戰(zhàn)。在中國南方地少人多、地貌以丘陵、山地為主，頁巖氣井場往往會臨近村舍，人口密集，且取水、排液主要以灌溉及飲用水源為主，這將使得頁巖氣在鉆井、儲層改造中面臨嚴(yán)峻的噪音消除、鉆井液與壓裂液處理及交通設(shè)施協(xié)調(diào)的壓力。大量土地占有，會造成地表植被破壞，大規(guī)模水力壓裂會破壞巖層穩(wěn)定性，二者并存將會增加山體滑坡發(fā)生的町能性。在中國北方，尤其是兩北地區(qū)，干旱缺水現(xiàn)象較為突出，在較短的時(shí)間內(nèi)消耗大量的水，會給當(dāng)?shù)厝诵笥盟凸I(yè)用水帶來影響。另外，水力壓裂中大量消耗和陶粒、石英砂及KC1等也是寶貴的天然資源。

 

 

2．6　非油氣企業(yè)從事頁巖氣開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

盡管中國將頁巖氣定義為一個(gè)新的獨(dú)立礦種，但就其根源和本質(zhì)來說，頁巖氣還是油氣資源中的一種類型，只不過與其他油氣資源相比有其獨(dú)特性而已。因此，非油氣企業(yè)貿(mào)然從事頁巖氣勘探開發(fā)，將會面臨以下諸多挑戰(zhàn)。

2．6．1對油氣資源認(rèn)識的能力

非油氣企業(yè)較少從事油氣資源的勘探開發(fā)，對該領(lǐng)域所需知識、技術(shù)熟悉程度一般都不會高，可能造成對油氣資源、包括頁巖氣資源把握不準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2．6．2預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)、抗風(fēng)險(xiǎn)能力

油氣行業(yè)有高投入、高回報(bào)的特點(diǎn)，但也有高投入、無回報(bào)的高風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際是高投入、高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)。只有事前資源落實(shí)到位、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測準(zhǔn)確、資金雄厚、技術(shù)實(shí)力強(qiáng)，才具有相應(yīng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。能否盈利是非油氣企業(yè)投身頁巖氣勘探開發(fā)的核心，如能保障盈利，則非油氣企業(yè)可承擔(dān)較小風(fēng)險(xiǎn)，否則，一般的非油氣企業(yè)承受不起這樣的虧損。

2．6．3實(shí)現(xiàn)資源充分有效開采的能力

頁巖氣資源為低品位的非常規(guī)油氣資源，以“瘦”和“骨”為主，“肥”的很少。對這種資源的開發(fā)實(shí)際上是以在“骨頭上剔肉”為主，需要避免“挑肥揀瘦”，否則就會使大量有效資源被浪費(fèi)。

2．6．4保護(hù)環(huán)境的能力

前文已對頁巖氣開采可能造成的環(huán)境影響有了明確的論述，作為非油氣企業(yè)是否對此有足夠的認(rèn)識，抑或認(rèn)識到了但是否有足夠的能力實(shí)現(xiàn)環(huán)保開采，其中的能力包括資金上的、技術(shù)上的和經(jīng)驗(yàn)上的等多個(gè)層面。實(shí)際上，在油氣開采過程巾造成環(huán)境影響的事例屢見不鮮，即使像BP公司這樣的國際石油巨頭也難以避免，非油氣企業(yè)在頁巖氣開采中的環(huán)保工作就更為重要，否則將會面臨難以預(yù)料的困難和挑戰(zhàn)。

2．7　政府管理工作面臨的挑戰(zhàn)

實(shí)際上，自頁巖氣被設(shè)立為新礦種起，管理工作的挑戰(zhàn)就產(chǎn)生了。目前已進(jìn)行了兩輪頁巖氣礦權(quán)招標(biāo)，應(yīng)充分總結(jié)招標(biāo)成果，正確評估招標(biāo)區(qū)塊效果，充分發(fā)揮市場機(jī)制，加強(qiáng)對投資者在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等層面的管理，避免招標(biāo)潮后投資人的失望。加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，一旦招標(biāo)區(qū)頁巖氣取得突破，頁巖氣外送、銷售和利用的問題將接踵而至。

3　結(jié)論與建議

頁巖氣資源的勘探開發(fā)具有非常重要的戰(zhàn)略意義，全球很多公司都在爭先恐后地尋找頁巖氣資源。世界頁巖氣革命已“蔓延”到中國，中國頁巖氣勘探開發(fā)已見良好苗頭，資源豐富，具有美好的發(fā)展前景。但是，頁巖氣勘探開發(fā)不僅僅是發(fā)現(xiàn)富含有機(jī)質(zhì)頁巖和實(shí)施水平井與水力壓裂，地質(zhì)條件和國情上的差異，使中國無法完全復(fù)制美國頁巖氣的成功。

中國頁巖氣勘探開發(fā)正處在起步階段，有諸多基礎(chǔ)工作尚未深入開展，仍有系列嚴(yán)峻挑戰(zhàn)需要應(yīng)對。既不能因噎而廢食，也需做好扎實(shí)工作，未雨綢繆，應(yīng)積極深化理論認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，降低成本，有效保護(hù)環(huán)境。

 

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本文作者：王道富  高世葵  董大忠  黃旭楠  王玉滿  黃金亮  王淑芳  蒲泊伶

作者單位：中國石油天然氣股份有限公司

  中國地質(zhì)大學(xué)(北京)人文經(jīng)管學(xué)院

  中國石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院

  北京大學(xué)

  中國石油勘探開發(fā)研究院