中國(guó)頁(yè)巖氣：從“一片空白”到“一抹亮色”

頁(yè)巖氣革命風(fēng)起云涌

頁(yè)巖氣是指賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)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(yè)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(yè)巖;有的比較均一，不容易分離成薄片，即為泥巖。泥頁(yè)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(yè)巖一般為富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，能生成大量天然氣，就是我們常說(shuō)的頁(yè)巖氣，其成分以甲烷為主，是清潔、高效的能源。

中國(guó)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(yè)巖氣具有4個(gè)特點(diǎn)：一是成藏時(shí)間早。富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖在一系列地質(zhì)作用下生成大量烴類，聚集形成頁(yè)巖氣藏，其形成時(shí)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(yè)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(diǎn)，其形成的頁(yè)巖氣田規(guī)模也相應(yīng)非常大。三是儲(chǔ)集空間微小。組成泥頁(yè)巖的粘土礦物顆粒微小，其中的孔隙、裂縫就更小，為納米級(jí)，導(dǎo)致孔隙、裂縫中的天然氣不易開(kāi)采。隨著技術(shù)的進(jìn)步，通過(guò)實(shí)施水平井及多井段壓裂在泥頁(yè)巖層中大規(guī)模制造人工裂縫，開(kāi)采頁(yè)巖氣才具有商業(yè)價(jià)值。四是生產(chǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定。由于頁(yè)巖氣層分布范圍廣、厚度大，且普遍含氣，使頁(yè)巖氣井能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地生產(chǎn)，一般開(kāi)采壽命為30年到50年。

頁(yè)巖氣與常規(guī)天然氣的開(kāi)采不同，后者通過(guò)鉆探的氣井，直接流出即可達(dá)到商業(yè)利用價(jià)值;而前者沒(méi)有天然逸出通道，只有通過(guò)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(yè)巖氣的開(kāi)采面臨更大的技術(shù)難度和更高成本。美國(guó)是全球頁(yè)巖氣開(kāi)采的先驅(qū)也是最成功的國(guó)家。早在1821年，美國(guó)紐約州弗里多尼亞天然氣礦井中首次開(kāi)采出頁(yè)巖氣。在此后近200年開(kāi)采歷史中，美國(guó)進(jìn)行了兩項(xiàng)關(guān)鍵開(kāi)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(yè)巖氣開(kāi)采;二是從上世紀(jì)四五十年代開(kāi)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(yè)巖氣開(kāi)采，并成為該領(lǐng)域最經(jīng)典、最常用的技術(shù)，推動(dòng)美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采量節(jié)節(jié)攀升，掀起了世界能源史上的美國(guó)“頁(yè)巖氣革命”。

據(jù)王宗秀介紹，1980年，美國(guó)頁(yè)巖氣年產(chǎn)量達(dá)到10億立方米;2000年，超過(guò)236億立方米;2015年，激增到4300億立方米，占美國(guó)天然氣總產(chǎn)量的比例超過(guò)56%。2017年，美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量再創(chuàng)新高，約4620億立方米。美國(guó)“頁(yè)巖氣革命”不僅深刻改變了國(guó)際能源格局而且向其他國(guó)家擴(kuò)散，加拿大緊隨美國(guó)之后，成為第二個(gè)商業(yè)開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的國(guó)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(lái)加大了本國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)力度，2012年該國(guó)烏內(nèi)肯盆地頁(yè)巖氣日產(chǎn)量達(dá)到12.7萬(wàn)立方米。此外，澳大利亞、墨西哥等國(guó)也進(jìn)行了頁(yè)巖氣勘探并進(jìn)行了小規(guī)模開(kāi)采。

“涪陵速度”折射中國(guó)干勁

與美國(guó)長(zhǎng)達(dá)200年的頁(yè)巖氣開(kāi)采歷史相比，中國(guó)在此領(lǐng)域無(wú)疑顯得太過(guò)年輕，是地道的新手。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心田黔寧教授指出，中國(guó)從上世紀(jì)90年代開(kāi)始研究頁(yè)巖氣，到進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)采之前，大體上經(jīng)歷了3個(gè)階段。

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

在以上3個(gè)階段，中國(guó)進(jìn)行了一系列鉆探研究。2008年11月26日，中國(guó)首口頁(yè)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(yè)巖吸附氣樣品。一年多后，中國(guó)第一口頁(yè)巖氣直井“威201井”在四川省威遠(yuǎn)縣開(kāi)鉆。2010年7月，該井壓裂改造成功獲得工業(yè)氣流，證實(shí)了威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)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(guó)南方下古生界頁(yè)巖氣具有廣闊勘探開(kāi)發(fā)前景，為頁(yè)巖氣實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益開(kāi)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(guó)第一口頁(yè)巖氣水平井“威201—H1井”壓裂成功，此次施工創(chuàng)造國(guó)內(nèi)頁(yè)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(shí)間最長(zhǎng)等多項(xiàng)紀(jì)錄。2012年5月，另一口頁(yè)巖氣水平井在陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)頁(yè)巖氣工作現(xiàn)場(chǎng)壓裂成功，此前，延長(zhǎng)石油在鄂爾多斯盆地打成中國(guó)第一口陸相頁(yè)巖氣井并成功壓裂產(chǎn)氣，證實(shí)中國(guó)存在陸相頁(yè)巖氣。

2012年初，頁(yè)巖氣被列為單獨(dú)礦種，大大推動(dòng)了中國(guó)頁(yè)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(yè)1HF井”鉆獲高產(chǎn)頁(yè)巖氣流。此后不到兩個(gè)月，“焦頁(yè)1HF井”正式投產(chǎn)外銷，不僅實(shí)現(xiàn)了當(dāng)年開(kāi)發(fā)、當(dāng)年投產(chǎn)、當(dāng)年見(jiàn)效，而且成為中國(guó)第一口實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣井，拉開(kāi)了涪陵頁(yè)巖氣田和中國(guó)頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)的序幕。2013年9月，國(guó)家批準(zhǔn)設(shè)立重慶涪陵國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)。2014年5月，示范區(qū)已開(kāi)鉆頁(yè)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(wàn)立方米以上。自2015年起，涪陵—王場(chǎng)輸氣管道與川氣東送管道實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，涪陵頁(yè)巖氣通過(guò)川氣東送管道，輸往華中、華東等地，為長(zhǎng)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(yè)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(yè)巖氣田，相當(dāng)于建成一個(gè)千萬(wàn)噸級(jí)的大油田。短短幾年間，涪陵就發(fā)展成為舉足輕重的國(guó)家能源基地，跑出了舉世矚目的頁(yè)巖氣“涪陵速度”。

可以預(yù)期，今年中國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量將在2017年91億立方米基礎(chǔ)上獲得大幅增長(zhǎng)，繼續(xù)保持第三名位置。而從儲(chǔ)量來(lái)看，根據(jù)自然資源部近期發(fā)布的信息，中國(guó)頁(yè)巖氣累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量已超1萬(wàn)億立方米;根據(jù)聯(lián)合國(guó)貿(mào)易和發(fā)展會(huì)議發(fā)布的一份報(bào)告，中國(guó)頁(yè)巖氣總儲(chǔ)量高達(dá)31.6萬(wàn)億立方米，居全球第一。

自主創(chuàng)新催生能源變革

雖然開(kāi)采量與美國(guó)、加拿大的相比還有很大距離，但是中國(guó)頁(yè)巖氣已經(jīng)在短時(shí)間內(nèi)實(shí)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(yè)巖氣自然稟賦而言，中國(guó)雖然總儲(chǔ)量很大，但是開(kāi)采難度更高，這就決定了中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采不可能復(fù)制美國(guó)和加拿大模式，必須堅(jiān)定地走自主創(chuàng)新之路。

北美地區(qū)地質(zhì)背景好，頁(yè)巖氣藏構(gòu)造條件較為簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)平緩、儲(chǔ)層面積大、厚度大且連續(xù)分布。儲(chǔ)層地表主要以平原為主，交通運(yùn)輸、鉆探開(kāi)采、設(shè)備安裝都十分方便。

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

面對(duì)困難，中國(guó)多年來(lái)持續(xù)加大科技攻關(guān)力度。在國(guó)家層面，設(shè)立了國(guó)家能源頁(yè)巖氣研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心，在“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”國(guó)家科技重大專項(xiàng)中設(shè)立“頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”研究項(xiàng)目，在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)中設(shè)立“南方古生界頁(yè)巖氣賦存富集機(jī)理和資源潛力評(píng)價(jià)”和“南方海相頁(yè)巖氣高效開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)研究”等項(xiàng)目，廣泛開(kāi)展各領(lǐng)域技術(shù)探索。在開(kāi)發(fā)企業(yè)層面，中國(guó)石化、中國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)的裝備，不僅完成了關(guān)鍵開(kāi)發(fā)裝備的進(jìn)口替代，而且打入國(guó)際市場(chǎng)。到“十二五”結(jié)束，中國(guó)已基本掌握3500米以內(nèi)淺海相頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)主體技術(shù)，有效支撐了頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。

根據(jù)2016年9月國(guó)家能源局印發(fā)的頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)，到2020年，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣產(chǎn)量300億立方米;到2030年，實(shí)現(xiàn)頁(yè)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(yè)巖氣科技創(chuàng)新。“十三五”開(kāi)局以來(lái)，中國(guó)在頁(yè)巖氣領(lǐng)域又實(shí)現(xiàn)了一系列關(guān)鍵創(chuàng)新。例如在壓裂方面，國(guó)產(chǎn)4500馬力電驅(qū)動(dòng)壓裂泵系統(tǒng)研制成功并在實(shí)踐中接受考驗(yàn)。

今年初，4500馬力電驅(qū)動(dòng)壓裂泵系統(tǒng)取代傳統(tǒng)3000型壓裂車投入實(shí)戰(zhàn)，該系統(tǒng)采用了交直交變頻傳動(dòng)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(shí)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(zhǎng)、過(guò)載能力更強(qiáng)，標(biāo)志著中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采核心技術(shù)裝備在電動(dòng)化、綠色智能方面再次實(shí)現(xiàn)跨越。這為突破頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)國(guó)外技術(shù)壁壘，有效降低單井開(kāi)發(fā)成本，進(jìn)一步推動(dòng)商業(yè)化進(jìn)程開(kāi)辟了道路。