科技中国杂志

世界页岩气开发及技术发展现状与趋势

来源:《科技中国》2018年第十二期pp.17-21

日期:2018-12-18

  王晓川1, 吴根2,闫金定2

  (1.武汉大学;2.科学技术部高技术研究发展中心)

  美国页岩气的成功商业开发正在深刻改变世界能源与政治格局,中国拥有丰富的页岩气可采资源,对未来能源战略安全至关重要。本报告综述了国内外页岩气资源开发及技术发展现状与趋势,并提出了我国进一步发展重点和对策建议。

  页岩气作为新兴的非常规天然气,正在改变世界能源结构与政治格局。美国是世界上最早研究、开发页岩气的国家,从1821年第一口页岩气井开钻,经过20世纪70年代的页岩气勘探开发,以及90年代政策、价格及技术的推动,使其在本世纪初成功地从石油天然气进口国转变为出口国。

  美国页岩气的成功开发,极大地提升了页岩气的商业价值,页岩气自然也成为了全球的能源热点,德国、法国、波兰、阿根廷、墨西哥、巴西、澳大利亚、中国、印度、印尼等30多个国家纷纷积极开展页岩气技术研究和开发,在全球范围内掀起了“页岩气革命”。

  一、世界页岩气资源开发现状

  全球页岩气资源非常丰富。据2013年6月美国能源信息署(EIA)评估,全球41个国家95个盆地共137套页岩地层,页岩气地质资源量约为1013万亿立方米,技术可采资源量为220.7万亿立方米,主要分布在北美、东亚、南美、北非、澳大利亚等地区。其中,中国、阿根廷与阿尔及利亚分别以可采储量31.6和22.7和20.0万亿立方米位列前三甲。

  北美地区对页岩气的开发起步较早。美国是最早进行页岩气资源勘探开发的国家,其勘探开发速度惊人。美国能源信息署(EIA)2017年的数据显示,美国页岩气年产量由2007年的36.61亿立方米,快速增长到2015年的4307.87亿立方米,增长了117倍。2009年美国更是以6240亿立方米的产量超过俄罗斯成为世界第一大天然气生产国。2015年,由于原油价格的大幅度下跌,美国页岩气开发速度明显放缓,2016年出现了页岩气产量的下跌。

  加拿大对页岩气资源的认识仅次于美国,是世界上第二个成功进行页岩气商业开发的国家。2005年加拿大首次在Montney Play进行了致密气和页岩气井的钻进,并先后在British Columbia,Alberta,New Brunswick and Quebec等地区发现了具有开采价值的页岩气。据加拿大国家能源署统计,2015年1—7月加拿大累计天然气产量达908.42亿立方米,其中页岩气产量为120.56亿立方米,占天然气总产量的13.27%,全年页岩气产量为207亿立方米。

  拉丁美洲地区拥有56万亿立方米的页岩气可采储量,主要集中在阿根廷、墨西哥和巴西等国家。2013年3月,阿根廷油气巨头YPF与美国陶氏化学阿根廷子公司签署了共同开发页岩气的协议,标志着阿根廷正式进军页岩气开发领域。墨西哥也进行能源体制改革,以加快页岩气开发进程。

  欧洲页岩气潜在资源量约为14.4万亿立方米,其开发程度尚处于初级阶段,欧洲页岩气资源主要分布在俄罗斯、波兰、爱尔兰、法国和乌克兰等国家,其中波罗的海区域,波兰志留系、爱尔兰、莱茵河地区和英格兰威尔士地区的下石炭系,维也纳盆地的上侏罗系等均被认为是极具开发潜力的地区。总体来看,欧洲国家虽然也已着手页岩气的试探性开发,但是由于人口稠密、环保监管严格、开发成本高昂、国内意见分歧等一系列问题,导致其距页岩气大规模商业开发还有很远的距离。

  二、中国页岩气资源开发现状

  我国页岩气资源储量非常丰富,美国EIA的调查数据表明,中国页岩气资源以31.6万亿立方米的技术可采量居世界第一。主要分布于四川盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地、松辽盆地以及扬子地区。

  鉴于页岩气资源在国家发展中的重要战略地位,自2005年起,我国主要石油企业、石油与地质类高等院校、国土资源部与国家能源局等相关机构,在四川盆地及邻区、滇东北昭通地区、重庆涪陵区域、湘西地区、鄂尔多斯盆地等地区开展了前期勘探评价,通过资料复查、地质探井的钻探等手段,取得了早期页岩气地质评价与页岩气资源潜力预测等关键参数,重点选定在威远、长宁-昭通、富顺-永川、涪陵、巫溪、甘泉-下寺湾等区块进行先导性试验。

  2009—2012年,国土资源部组织开展全国页岩气资源潜力调查,结果表明:我国陆域页岩气地质资源量为134.42万亿立方米,约为常规天然气地质资源量的2倍,技术可采资源量25.08万亿立方米(不含青藏区)。中国同时发育有海相、海陆过渡相、陆相3类页岩气,包括以中国南方五峰组-龙马溪组为代表的埋深较大、热成熟度高的海相页岩,以四川盆地志留统龙马溪组为代表的的薄互层物性较差的海陆相页岩,以及以鄂尔多斯盆地的延长组为代表的埋藏浅的陆相页岩气。

  我国南方海相页岩地层是页岩气的主要富集地区,此外,松辽、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔等陆相沉积盆地的页岩地层也具有页岩气富集的基础和条件。鄂尔多斯盆地自下而上沉积了下古生界海相页岩、上古生界海陆过渡相页岩以及中生界湖相页岩;准噶尔盆地是一个大型的多旋回盆地,常规油气和煤炭资源丰富,盆地内二叠系和侏罗系地层具有形成页岩气藏的基本地质条件。重庆涪陵地区页岩气为海相页岩气,沉积环境好,目前已成功进行了商业化开发。根据国土资源部优选的180个页岩气有利区和36个页岩气勘探开发规划区,其中海相页岩气可采资源潜力为8.2万亿立方米,海陆过渡相页岩气可采资源潜力8.9万亿立方米,陆相页岩气可采资源潜力7.9万亿立方米。

  随着页岩气勘探程度的加深,我国相关科研院所、企业都在积极进行页岩气开发。2008年中国石油勘探开发研究院进行了中国第一口页岩气地质井——长芯1井的钻探,获取了大量页岩气地质信息,对四川盆地南部和上扬子地区页岩气的前景做了明确判断。2009年中国石油与壳牌公司在四川盆地富顺-永川区块启动了中国第一个页岩气国际合作勘探开发项目。2010年5月,中原油田井下特种作业处完成了中石化首口页岩气井——方深1井的大型压裂。2012年11月27日,重庆涪陵焦页1井页岩气日产量达到20.3万m3,截至2014年6月30日,已实现稳产一年半,累计产气3769万m3。

  随着中央、地方和企业持续加大投入,页岩气勘探开发取得重大突破和发现。截至2014年12月底,全国累计投资230亿元,完成二维地震21818千米,三维地震2134 平方千米,钻井780口,铺设管线235千米;全国共设置页岩气探矿权54个,面积17万平方千米,相继在四川长宁、威远、井研-犍为、重庆涪陵、彭水、云南昭通、贵州习水和陕西延安等地取得重大突破和重要发现,获得页岩气三级地质储量近5000亿立方米。中国石化率先在涪陵区块实现页岩气商业开发,建成产能25亿立方米/年。中国石油也在加快推进威远、长宁和昭通页岩气规模建设,建成产能7亿立方米,2014年生产页岩气1.6亿立方米。

  经过近20年的技术、政策、配套及相关产业的发展,我国的页岩气工业化开发初具规模,取得了阶段性成果,但在开发中还面临着一系列的挑战:一是中国页岩气形成与富集机理尚不清楚,页岩气资源不确定性较大;二是优质页岩气储层精细地震识别与预测精度不够高;三是“穿针式”水平井精准地质导向技术还不成熟;四是压裂效果微地震监测与评估方法需要完善;五是山地-丘陵地区“小型工厂化”生产模式仍在探索中;六是高效开发理论与产能评价处于起步阶段;七是低压、低产井增产重复压裂技术需要攻关;八是较高水资源消耗与环境保护有待改善;九是全过程低成本勘探开发模式还没有形成;十是有效组织与管理方法需要进一步深化。

  面对上述挑战,我国经过十几年科学探索与技术引进,逐渐形成了符合中国实际的页岩气成藏理论、钻完井技术、页岩气工业化排采、配套政策法规等方面的技术体系。在长时间的摸索与工业化实践中,我国初步完成了陆相和海陆过渡相页岩气的地质评价和“甜点区”评选及工业化探索,实现了水平井钻完井、体积压裂、“工厂化”平台井组生产模式等关键技术装备国产化。

  三、进一步研究重点与对策建议

  今后一段时间内,我国页岩气开发技术研究的热点将集中在页岩气资源分布、页岩气成藏机理、岩石地质力学分析、微地震监测技术深层水平井钻进等钻井技术、完井技术、CO2压裂技术,以及后期的压裂增产技术的研究方面。其中,钻井方面国外在旋转导向、地质导向、高性能水基钻井液、高效PDC钻头、自动化钻机等页岩气钻井核心技术方面仍然处于垄断地位,这些是国内页岩气开发后续研究需要攻克的技术难点。超临界二氧化碳高效开采技术目前也得到了国内众多学者和机构的关注,正在逐步进行深入研究和现场试验。

  随着国家和国民对于生态环境和健康的重视,页岩气开发过程中的环保与健康问题的研究将持续成为热点。由于我国页岩气开采历史还不长,开采行为对于地下水、周边环境以及地震增多的影响还缺乏足够的研究。北美地区已经通过实践和研究发现水力压裂和微地震增多之间存在联系。压裂过程中压裂液的化学添加剂会影响地下环境,钻井时防喷气体燃烧产生的温室气体排放也会对环境造成影响。在今后的一段时间内,随着页岩气研究的深入,环境与健康方面的研究将成为未来热点问题。为进一步发展页岩气开发技术,缩短与国际先进水平的差距,促进我国页岩气产业健康发展,建议做好以下方面的工作:

  1.加强资源普查,夯实资源基础

  加强全国范围内的页岩气资源基础地质调查工作,完善地质资料和信息共享机制,利用页岩气资源储量计算与评价技术,全面综合评价页岩气资源,准确掌握页岩气资源的潜力及其分布,优选出页岩气富集区、有利目标区;不断收集和积累国内资料,结合国内沉积地层和盆地构造特征等因素,对页岩气成藏机理、地质条件、资源评价方法等进行科学分析,以形成一套适合中国页岩气资源评价和勘探开发的理论体系。

  2.设立专项基金,做好人才技术储备

  中国应该设立专门的页岩气开发研究基金和专业研究机构,支持页岩气勘探开发技术和设备的研究以及先进国际技术的国产化,加强国家页岩气发展研发中心和其他页岩气重点实验室的建设,鼓励国内企业、科研院所等研究机构通过技术交流、联合研发、国际合作等方式攻关页岩气勘探开发核心技术和设备,做好高层次专业化人才的培养和创新技术的储备工作。

  3.完善页岩气产业链,科学制定产业发展规划

  能源行业具有较长的产业链,合理的产业布局不仅能够优化资源配置,而且能够产生巨大的经济社会效益。从美国经验看,页岩气产业链分为开发、设备、应用三个主要环节。其中,开发环节包括了勘探、开采、增产、储运,设备环节包括了各种页岩气勘探开发装备的生产,应用环节包括燃气车辆、燃气发电、天然气化工。职能部门需要结合现有基础和页岩气发展实际,科学制定页岩气产业发展专项规划,重点作好与页岩气勘探开发相关的装备制造业发展规划,配套基础设施建设规划,页岩气下游产品相关的化工、汽车等产业规划,以及页岩气产业发展的配套政策和保障措施的制定。

  本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号:ZLY2015072)研究成果之一。

  本文特约编辑:姜念云