頁巖氣革命風(fēng)起云涌

頁巖氣是指賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖及其夾層中，以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣。泥頁巖是一種以黏土礦物為主的沉積巖，有的容易分離成薄片，即為頁巖;有的比較均一，不容易分離成薄片，即為泥巖。泥頁巖顏色多樣，有紅、紫、褐黃、灰綠、灰黑、黑色等，其中灰黑、黑色泥頁巖一般為富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，能生成大量天然氣，就是我們常說的頁巖氣，其成分以甲烷為主，是清潔、高效的能源。

中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研究員、能源地質(zhì)研究室主任王宗秀指出，頁巖氣具有4個特點：一是成藏時間早。富有機(jī)質(zhì)泥頁巖在一系列地質(zhì)作用下生成大量烴類，聚集形成頁巖氣藏，其形成時間在所有類型的油氣藏中是最早的。二是分布面積廣。富有機(jī)質(zhì)頁巖具有分布面積廣、單層厚度大、橫向變化連續(xù)性強(qiáng)的特點，其形成的頁巖氣田規(guī)模也相應(yīng)非常大。三是儲集空間微小。組成泥頁巖的粘土礦物顆粒微小，其中的孔隙、裂縫就更小，為納米級，導(dǎo)致孔隙、裂縫中的天然氣不易開采。隨著技術(shù)的進(jìn)步，通過實施水平井及多井段壓裂在泥頁巖層中大規(guī)模制造人工裂縫，開采頁巖氣才具有商業(yè)價值。四是生產(chǎn)長期穩(wěn)定。由于頁巖氣層分布范圍廣、厚度大，且普遍含氣，使頁巖氣井能夠長期穩(wěn)定地生產(chǎn)，一般開采壽命為30年到50年。

頁巖氣與常規(guī)天然氣的開采不同，后者通過鉆探的氣井，直接流出即可達(dá)到商業(yè)利用價值;而前者沒有天然逸出通道，只有通過壓裂等特殊人工手段，建成氣流“高速路”才能獲得高產(chǎn)。這使得頁巖氣的開采面臨更大的技術(shù)難度和更高成本。美國是全球頁巖氣開采的先驅(qū)也是最成功的國家。早在1821年，美國紐約州弗里多尼亞天然氣礦井中首次開采出頁巖氣。在此后近200年開采歷史中，美國進(jìn)行了兩項關(guān)鍵開采技術(shù)創(chuàng)新：一是上世紀(jì)30年代，把水平鉆探技術(shù)應(yīng)用于頁巖氣開采;二是從上世紀(jì)四五十年代開始，把壓裂改造增產(chǎn)技術(shù)特別是分段壓裂和減阻水壓裂等應(yīng)用于頁巖氣開采，并成為該領(lǐng)域最經(jīng)典、最常用的技術(shù)，推動美國頁巖氣開采量節(jié)節(jié)攀升，掀起了世界能源史上的美國“頁巖氣革命”。

據(jù)王宗秀介紹，1980年，美國頁巖氣年產(chǎn)量達(dá)到10億立方米;2000年，超過236億立方米;2015年，激增到4300億立方米，占美國天然氣總產(chǎn)量的比例超過56%。2017年，美國頁巖氣產(chǎn)量再創(chuàng)新高，約4620億立方米。美國“頁巖氣革命”不僅深刻改變了國際能源格局而且向其他國家擴(kuò)散，加拿大緊隨美國之后，成為第二個商業(yè)開發(fā)頁巖氣的國家，2008年，產(chǎn)量為10億立方米;2015年，大幅提升到350億立方米。阿根廷近年來加大了本國頁巖氣開發(fā)力度，2012年該國烏內(nèi)肯盆地頁巖氣日產(chǎn)量達(dá)到12.7萬立方米。此外，澳大利亞、墨西哥等國也進(jìn)行了頁巖氣勘探并進(jìn)行了小規(guī)模開采。

“涪陵速度”折射中國干勁

與美國長達(dá)200年的頁巖氣開采歷史相比，中國在此領(lǐng)域無疑顯得太過年輕，是地道的新手。中國地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心田黔寧教授指出，中國從上世紀(jì)90年代開始研究頁巖氣，到進(jìn)行商業(yè)化開采之前，大體上經(jīng)歷了3個階段。

一是跟蹤研究階段。主要是針對北美頁巖氣開發(fā)的發(fā)展?fàn)顩r，進(jìn)行動態(tài)跟蹤與評價，在研究北美頁巖氣發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，總結(jié)頁巖氣賦存特征、北美產(chǎn)氣頁巖地質(zhì)特征、開采技術(shù)等各種要素。二是對國內(nèi)頁巖氣基礎(chǔ)研究階段。在研究美國頁巖氣開發(fā)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展國內(nèi)頁巖氣研究，初步評估中國頁巖氣資源潛力和有利區(qū)。對中國南方和大致相當(dāng)于云貴川區(qū)域的上揚子區(qū)開展了頁巖氣潛力評價，并進(jìn)行了有利勘探開發(fā)目標(biāo)選擇;引進(jìn)美國公司進(jìn)行四川內(nèi)江威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣潛力評價。三是在有利區(qū)域頁巖氣先導(dǎo)試驗區(qū)優(yōu)選階段，分層次地開展全國頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查，確定重慶為頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查先導(dǎo)試驗區(qū)主體，為早日實現(xiàn)中國頁巖氣產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造條件。

在以上3個階段，中國進(jìn)行了一系列鉆探研究。2008年11月26日，中國首口頁巖氣取芯淺井在四川省宜賓市順利完鉆，獲得大量巖礦樣品、頁巖吸附氣樣品。一年多后，中國第一口頁巖氣直井“威201井”在四川省威遠(yuǎn)縣開鉆。2010年7月，該井壓裂改造成功獲得工業(yè)氣流，證實了威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖層富含天然氣，表明以四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)為代表的中國南方下古生界頁巖氣具有廣闊勘探開發(fā)前景，為頁巖氣實現(xiàn)規(guī)模效益開發(fā)提供了重要依據(jù)。2011年7月，在距離“威201井”2公里處，中國第一口頁巖氣水平井“威201—H1井”壓裂成功，此次施工創(chuàng)造國內(nèi)頁巖氣水平井壓裂段數(shù)最多、泵注壓力最高、施工排量最大、連續(xù)施工時間最長等多項紀(jì)錄。2012年5月，另一口頁巖氣水平井在陜西延長石油集團(tuán)頁巖氣工作現(xiàn)場壓裂成功，此前，延長石油在鄂爾多斯盆地打成中國第一口陸相頁巖氣井并成功壓裂產(chǎn)氣，證實中國存在陸相頁巖氣。

2012年初，頁巖氣被列為單獨礦種，大大推動了中國頁巖氣規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。2012年11月，中石化在位于重慶涪陵的“焦頁1HF井”鉆獲高產(chǎn)頁巖氣流。此后不到兩個月，“焦頁1HF井”正式投產(chǎn)外銷，不僅實現(xiàn)了當(dāng)年開發(fā)、當(dāng)年投產(chǎn)、當(dāng)年見效，而且成為中國第一口實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的頁巖氣井，拉開了涪陵頁巖氣田和中國頁巖氣商業(yè)開發(fā)的序幕。2013年9月，國家批準(zhǔn)設(shè)立重慶涪陵國家級頁巖氣示范區(qū)。2014年5月，示范區(qū)已開鉆頁巖氣井82口，完鉆47口，成功投產(chǎn)27口，平均單井日產(chǎn)氣11萬立方米以上。自2015年起，涪陵—王場輸氣管道與川氣東送管道實現(xiàn)互聯(lián)互通，涪陵頁巖氣通過川氣東送管道，輸往華中、華東等地，為長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展提供清潔能源，惠及沿線6省2億多居民。

今年3月26日，涪陵頁巖氣田如期建成100億立方米年產(chǎn)能，成為全球除北美之外最大的頁巖氣田，相當(dāng)于建成一個千萬噸級的大油田。短短幾年間，涪陵就發(fā)展成為舉足輕重的國家能源基地，跑出了舉世矚目的頁巖氣“涪陵速度”。

可以預(yù)期，今年中國頁巖氣產(chǎn)量將在2017年91億立方米基礎(chǔ)上獲得大幅增長，繼續(xù)保持第三名位置。而從儲量來看，根據(jù)自然資源部近期發(fā)布的信息，中國頁巖氣累計探明地質(zhì)儲量已超1萬億立方米;根據(jù)聯(lián)合國貿(mào)易和發(fā)展會議發(fā)布的一份報告，中國頁巖氣總儲量高達(dá)31.6萬億立方米，居全球第一。

自主創(chuàng)新催生能源變革

雖然開采量與美國、加拿大的相比還有很大距離，但是中國頁巖氣已經(jīng)在短時間內(nèi)實現(xiàn)了巨大跨越，而背后的支撐因素在很大程度上就是科技創(chuàng)新。

就頁巖氣自然稟賦而言，中國雖然總儲量很大，但是開采難度更高，這就決定了中國頁巖氣開采不可能復(fù)制美國和加拿大模式，必須堅定地走自主創(chuàng)新之路。

北美地區(qū)地質(zhì)背景好，頁巖氣藏構(gòu)造條件較為簡單，結(jié)構(gòu)平緩、儲層面積大、厚度大且連續(xù)分布。儲層地表主要以平原為主，交通運輸、鉆探開采、設(shè)備安裝都十分方便。

中國地質(zhì)條件復(fù)雜得多，頁巖大多分布在年代更老的地層，斷層和褶皺構(gòu)造相對活躍，頁巖氣聚集規(guī)律更為復(fù)雜、儲層厚度不大。而中國頁巖氣資源多分布在川、黔、渝等地區(qū)，人口稠密，地勢較高，地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，交通運輸、設(shè)備安裝和鉆探開采都極為困難。

面對困難，中國多年來持續(xù)加大科技攻關(guān)力度。在國家層面，設(shè)立了國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心，在“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”國家科技重大專項中設(shè)立“頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”研究項目，在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)中設(shè)立“南方古生界頁巖氣賦存富集機(jī)理和資源潛力評價”和“南方海相頁巖氣高效開發(fā)的基礎(chǔ)研究”等項目，廣泛開展各領(lǐng)域技術(shù)探索。在開發(fā)企業(yè)層面，中國石化、中國石油等加強(qiáng)各層次聯(lián)合攻關(guān)，在山地小型井工廠、優(yōu)快鉆完井、壓裂改造等方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，并研制了3000型壓裂車等一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的裝備，不僅完成了關(guān)鍵開發(fā)裝備的進(jìn)口替代，而且打入國際市場。到“十二五”結(jié)束，中國已基本掌握3500米以內(nèi)淺海相頁巖氣勘探開發(fā)主體技術(shù)，有效支撐了頁巖氣產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。

根據(jù)2016年9月國家能源局印發(fā)的頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)，到2020年，力爭實現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量300億立方米;到2030年，實現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量800億-1000億立方米。要完成上述宏大的目標(biāo)必須繼續(xù)推進(jìn)頁巖氣科技創(chuàng)新。“十三五”開局以來，中國在頁巖氣領(lǐng)域又實現(xiàn)了一系列關(guān)鍵創(chuàng)新。例如在壓裂方面，國產(chǎn)4500馬力電驅(qū)動壓裂泵系統(tǒng)研制成功并在實踐中接受考驗。

今年初，4500馬力電驅(qū)動壓裂泵系統(tǒng)取代傳統(tǒng)3000型壓裂車投入實戰(zhàn)，該系統(tǒng)采用了交直交變頻傳動系統(tǒng)和全數(shù)字變頻多相控制技術(shù)，并將目前最先進(jìn)的通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與之結(jié)合，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作與智能化控制，不僅將壓裂效率提升至1.5倍，而且使用壽命更長、過載能力更強(qiáng)，標(biāo)志著中國頁巖氣開采核心技術(shù)裝備在電動化、綠色智能方面再次實現(xiàn)跨越。這為突破頁巖氣開發(fā)國外技術(shù)壁壘，有效降低單井開發(fā)成本，進(jìn)一步推動商業(yè)化進(jìn)程開辟了道路。