页岩气勘探开发中的认识与哲学思辨

页岩气勘探开发中的认识与哲学思辨

高静1，丁昊明2

(1.延长油田股份有限公司永宁采油厂，陕西延安716000；2.陕西延长石油(集团)

有限责任公司研究院，陕西西安710075)

摘要：页岩气勘探开发过程中，需要更深入、更系统的认识页岩储层。针对美国页岩气成功开发的先例，综述了美国页岩气勘探开发的历史和应用的重点实用技术，指出了美国页岩气勘探开发的几个关键因素。结合中国页岩气勘探开发现状，总结了国内需要参考的美国页岩气的勘探开发已取得的经验和认识，提出了中国页岩气勘探开发应该注意的几个关键性问题，用辩证唯物主义的马克思哲学观正确、全面、辩证看待这一新兴能源，希望为中国页岩气勘探开发提供有益的讨论和补充。

关键词：页岩气；水力压裂；水平井；非常规能源；勘探开发；哲学思维

中图分类号：TE11

作者简介：第一高静(1986年生)，女，硕士，工程师，2012年毕业于中国石油大学(华东)，主要从事地质勘察和设计工作。邮箱：183282477@99.com

Cognition and Philosophical Speculation of Shale Gas Exploration and Development

Gao Jing1，Ding Haoming2

(1.YongningOilProductionPlant,YanchangOilfieldCo.,Ltd.,Yan’an,Shaanxi716000,China；2.ResearchInstituteof

ShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi710075,China)

Abstract:Shale gas exploration and development requires more in-depth and systematic recognition about shale reservoir. For successful shale gas development in U.S., history of U.S. shale gas exploration and development and application of important techniques were elaborated, and some key factors of U.S. shale gas exploration and development were proposed. Combined with shale gas exploration and development state in China, experience and cognition gained from U.S. shale gas exploration and development for domestic reference were summarized, and some key issues should be noted in China were put forward. The emerging energy should be should be treated correctly, comprehensively, and dialectically with dialectical materialism and Marxist philosophy. It was hoped to be useful for China’s shale gas exploration and development.

Key words: shale gas; hydraulic fracturing; horizontal well; unconventional energy; exploration and development; philosophical speculation

页岩是一种黏土岩，是沉积岩的一种，由黏土物质经压实、脱水、重结晶作用后形成，具有页状或薄片状层理。页岩既是烃源岩又是储层，普遍富含有机质，总体上页岩储层呈现矿物组分复杂、储层物性极差和天然裂缝发育等特征。页岩气是从页岩中开采出来，成分是以甲烷为主的天然气，行业内称其为非常规天然气。页岩气藏中的天然气既有自由气，又有吸附气，其开采机理相对复杂。页岩气藏渗透率极低(10-5～10-6mD)，释放天然气的速度很慢，但是大多高产页岩层分布相对平缓、厚度大、可预见性强、天然裂缝比较发育。虽然页岩气井初期产量不高，但稳定生产的持续时间较长。页岩气一般生成和富集于盆地腹地，埋藏较深，中国四川盆地的页岩气分布在地下2000～3500m。页岩气分布广泛，地球上几乎所有的大中型盆地中均含有页岩气，因为埋深、含气饱和度等差别而具有不同的开采价值。

1 页岩气的前世与今生

在20世纪70年代，出于对国内天然气供给能力下降的担忧，美国能源部(DOE)投资0.92亿美元对页岩气进行了第一次大规模研究。研究的对象有页岩气、煤层气和致密砂岩气。具体的项目有：东部的页岩气项目、西部砂岩气项目和煤层气项目。

在东部的页岩气项目中，研究人员(来自于大学和工业界)对阿巴拉契亚盆地泥盆系的页岩进行了详细地刻画描述。共钻探了35口井，对西弗吉尼亚、肯塔基、俄亥俄的休伦湖(Huron)页岩进行了取心(25000ft的岩心)和测井，获取了基本的地质资料。该项目的具体目标为评价泥盆系和石炭系页岩的页岩气储量，以及研发新的完井技术，使得页岩气开发成为可能。1986年，项目取得了重要进展，水平井在页岩中水平钻进2000ft。到1992年，DOE又钻了3口水平段为2000ft的水平井，随钻测井等技术也在这些井中得到了应用，这些技术都为当下的页岩气开发打下很好的基础。除了钻井、完井技术之外，另外一项重要的成果是对区域自然水力压裂裂缝进行了很好的填图。自然水力压裂裂缝是指超压的天然气通过多空弹性效应产生的应力压裂岩石形成的，是节理中的一种，在阿巴拉契亚盆地广泛分布、产状稳定，自然形成的裂缝为天然气运移提供了通道。成功的裂缝填图有效降低了完井的成本。

页岩气钻井和压裂技术的先驱者是美国米歇尔能源开发公司的乔治·米歇尔，其于20世纪80年代决定尝试一项重大技术，即从巴尼特(Barnett)部分页岩中开发页岩气，主要采用以下3种技术：一是水平井钻井技术，最早使用于19世纪，在20世纪30年代经前苏联改造后用于生产石油，在20世纪80年代后逐渐完善；二是水力压裂技术，即将流体(水)注入岩石中使其破裂，从而使岩石中的天然气和石油更易流动；第三种技术，是向水中加砂，使岩石形成的裂缝持续存在，这为页岩气的持续流动提供了最有利的通道，为水力压裂的裂缝提供了支撑材料。在短短几年内，水力压裂技术和水平井钻井技术开始改变了石油和天然气行业的面貌，这种革命性技术正被应用在页岩气开发中。

世界页岩气资源量为456×1012m3，主要分布在北美、中亚、中国、中东、北非、拉丁美洲、俄罗斯等地区。中国页岩气资源丰富，可采资源量约为26×1012m3。2006年，美国页岩气产量为当年全国天然气总产量的1%；到2013年，这一数据跃升至19%，超过1100×108m3；这期间，美国页岩气产量增长近20倍。石油行业用“页岩气革命”来形容美国在页岩气领域取得的重大突破。乔治·米歇尔的成功引发了美国页岩气革命，几年时间内，美国一跃成为世界天然气第一大资源国和生产国，不但实现了天然气的自给，还有可能成为天然气出口国，这一转变将对世界天然气的供需格局产生巨大影响，也对世界的政治格局产生一定影响。

页岩并不是传统的储层，美国页岩气的发现和成功开采，并非一朝一夕之事。

2 美国页岩气成功开发的关键因素

(1)美国政府(能源部)的远见卓识。政府对有发展潜力但是技术不成熟的项目给予强有力的支持，降低了先导性研究成本。让单独一个公司在20世纪70年代投资将近1亿美元对一个短期收不到任何回报的项目进行研究，这是难以完成的。由政府牵头，不计短期回报，才有可能做成。对于奥巴马在可再生能源研究上的投资，因很多项目风险太高而容易失败；但这是一种长期风险投资，而非短期套利，只要有十分之一的项目成功，就可以收回百倍的回报。页岩气的开发就是一个生动的、成功的例子。

(2)各界部门通力配合。研究机构、工业界和政府部门在页岩气项目中都具有重要角色。研究人员(大学教授、研究机构的研究员)在项目中发挥专业特长，对区域地质和潜力进行了细致刻画；工业界在项目中应用和试验开发的先进技术；政府则在资金和导向上起到关键作用，又不过度限制研究人员。小布什总统任期内，美国国会继续对新能源和非常规能源进行研究投资。具体项目由能源部负责给了美国能源安全研究合作伙伴(Research Partnership to Secure Energy for America,简称RPSEA)组织进行为期10年的管理。RPSEA负责对项目的资金进行具体操作和验收，而能源部对RPSEA组织进行审查。RPSEA的人员包括一些来自工业界的退休返聘专家，这些人对项目和技术都有深入的理解，对项目的潜在价值有着深刻的认识，不仅能够与研究人员很好地交流；而且又为研究人员分担很多行政和其他琐碎工作，做到了政府、工业需求和研究机构最佳配合。

(3)成功的技术转让。科研项目成功的标志是成功的技术转让。这个项目的可贵之处在于，工业界利用了在项目中获得的经验，并且持续的研究和应用。

(4)广泛而坚实的自然科学和工程研究基础。天然气在页岩层中的赋存早已被人们认识，阿巴拉契亚盆地裂缝的研究也已有近百年的历史(从1912年康奈尔大学谢尔顿的博士论文算起)，阿巴拉契亚若干个造山和沉积旋回的研究使得人们对泥盆系页岩的构造和沉积特征有着深刻的认识。这些看似无用的自然科学和工程基础在后来的工业开发中起到了很好的帮助作用。

(5)市场经济的强大活力和成功的资本运作。页岩气的成功开发并非来自于每年投资几十亿资金用于研发的石油巨头(如埃克森、美孚或壳牌)，而是来自于一个独立的小公司(米歇尔能源)。马塞勒斯页岩的发现也是来自于另一个小公司Range资源股份有限公司。只有在无法依靠垄断优势进行牟利时，人们才会把精力放在新技术和新领域的研发上。反观那些超级大公司，在中小石油公司几乎已经成熟地完成了页岩气勘探和开发的情况下，才通过各种收购来进入非常规能源市场。埃克森收购了XTO，吉牌收购了Eastern，雪佛龙收购Atlas……。但是如果没有这些中小公司和健康的市场竞争，也不会有今天美国非常规能源蓬勃发展的局面。

3 美国成功开发页岩气的启示

(1)突破传统。现代工业对能源的巨大需求迫使人们开始发掘各种油田气、气田气、煤层气、泥火山气、生物生成气等以补充常规石油和天然气的供给。在油气田开发过程中，发现页岩中有较好的油气显示，则开始了页岩取气的不懈探索。如当年超导材料的发现，几代科学家都在金属中寻找而无果，最后是从非金属的陶瓷材料中获得突破。从页岩中开采出天然气，也是石油工业革命性的进步，是对传统乃至正统的逆袭。

(2)树立标杆企业。中国页岩气探矿权争夺的新一轮博弈正在上演。第3轮页岩气招标正在紧锣密鼓的筹备中，国土资源部已经划定了招标区域，有来自于能源领域的中央企业、地方国有企业、民营企业及外资企业。与第2轮竞标相比，此次地方国有企业和民营企业已变得谨慎与冷静了许多。美国模式及乔治·米歇尔的实践证明了小公司能做得很好。美国既有上万家民间油服小企业开启“页岩气革命”，又有埃克森、美孚和雪佛龙等石油巨头，或是等着成功小企业击鼓传花般的成果转让，或是耐心经营其页岩气产业利益链条。中国对于参与企业大小、体制的争论并没有多少实际意义，起码没有深入到问题的实质层面。市场的高度开放与高效率，才是美国页岩气产业成功崛起的重要原因。营造健康、有序的市场环境，是美国的强项。但还有一个更关键的因素不能忽略，即核心技术的掌握。水平井技术和多层压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术及最新的同步压裂技术的进步和突破，提高了产量，降低了成本，才有了今天页岩气大规模开采的局面。对于这一方面，大型国企在中国具有独一无二的优势。

(3)掌握核心技术。页岩气开发主要依赖于油气藏评价、水平井技术和水力压裂。中国已经掌握水平井技术。水力压裂主要涉及分段压裂工艺和压裂液工艺两方面。水力压裂所需要的压裂液大多为减阻水，目前此产品正逐渐国产化。分段压裂工艺主要是速钻桥塞分段压裂，这方面中国的制造水平比较落后，在桥塞工具的质量上一直无法有积极性的突破。其实关于页岩气最核心的技术是油气藏评价，如何找到“甜点”，即使在北美仍然也不是很成熟。中国企业进入页岩气领域，关键是选择好能够掌握核心技术的战略路径，无论合资还是引进，最终还是要掌握核心技术。

(4)三位一体，合理组合技术、资金和管理。在发展战略和项目管理上，北美有许多值得借鉴的经验。因为页岩气的开发初期投资较大，如何结合中国国情将各种渠道的资金合理引入页岩气开发市场，如何结合中国国情设计出高效的从设计到施工到后勤保障的管理体系，这些方面也很关键。页岩气开发应将技术链、资金链和管理链有机结合。对于页岩气的开发，最好用些时间，在页岩气试验区取得成效后，再扩大试验及全面铺开。中国企业缺少核心技术，为了抢先机而忽视了对供需失衡市场最基本的判断力，又恰逢全球经济不景气，易造成全军覆没。

(5)建设中国页岩气的工业化之路。中国的页岩气储量巨大，但中国页岩气藏的储层与美国相比，埋藏更深且更复杂，无疑给中国本不成熟的技术又增添了难度。页岩气开发是大投入、大产出的、史诗般的工业行为，要考虑环境资源的限制，即使是每年有上千亿资本投入页岩气勘探开发的美国，也有许多天然气勘探公司在亏损，还导致人们对页岩气企业能否盈利而担忧。

通过以上种种分析，中国在页岩气开发上要慎重，要走对路、走稳路、走好路。

4 用哲学思维看待页岩气开发

20世纪50年代，美国石油地质家华莱士·E·普拉特发表了《找油的哲学》，提出了一个令石油勘探者深省的问题：“石油在哪里？”这是石油勘探工程师永恒的主题及为之奋斗的目标。石油究竟在哪里？从石油地质学意义上说，石油赋存在这样的圈闭中：①曾经有一个由有机质演化而形成的油源；②油源中的石油经运移而到达该圈闭；③圈闭中有一个具有孔隙和渗透性的岩体，其上被非渗透性盖层覆盖，使石油聚集其中；④圈闭中的石油保存至今。

勘探工程师勘探研究和决策时必须运用创造性思维。我们的头脑虽然不会直接创造出石油和天然气，但是可以创造出发现石油和天然气的思想。人类只有思想得到解放，才会爆发出巨大的技术革新，比如文艺复兴和启蒙时期。页岩气犹如我们头脑中的镜子，镜子中的影像能够激发头脑中的智慧，使我们对自然的认识更加深刻，更深入揭示事物的本质。笔者作为页岩气现场一名工程技术人员，在页岩气的勘探开发过程中，发现了很多有意思的哲学命题。

4.1 对立与统一

矛盾是事物内在发展的源泉和动力，而对立与统一是矛盾的基本属性。压裂液中的稠化剂与破胶剂、快速成胶与进入地层后压裂液的顺利破胶、增加压裂液体系黏度携砂与降低压裂液体系黏度降低摩阻、低黏度压裂液造缝与低表面张力压裂液返排等现象都是在压裂过程中对立而统一的矛盾。工程技术人员只有清楚认识到在压裂的不同阶段，有效组合滑溜水+冻胶的组合压裂液，才能取得较好的压裂效果。

4.2 系统与集成

系统的集成可以产生协同效应，形成优化的新系统。压裂液中有多种添加剂，如杀菌剂、降阻剂、防膨剂、防气锁剂，只有将这些添加剂优化组合到压裂液系统内形成新的集成系统，才能最大限度地发挥压裂液在地层中携砂、造缝、地层保护的作用。而很重要的一点就是这些添加剂要满足基本的配伍要求，只有各种物质形成一个有效不冲突的系统，才能最大限度发挥集成效应。

4.3. 认识、实践与再认识、再实践

实践是检验认识的唯一标准，但正确的认识是实践的前提。按照“理论与实践、科研与生产”紧密结合的原则，延长陆相页岩气储层改造研究工作主要分为完善和推广应用、自主研究和引进消化吸收再创新等工作。通过室内优化研究结合现场试验，初步研究出了适用的活性水/滑溜水+线性胶复合压裂液体系，优选出了多种低密度支撑剂体系，形成了低密度高强度多粒径陶粒支撑剂优化组合的多级加砂工艺技术。这些工作也是在实践中不断深化认识、再认识、再实践的过程。

4.4 平衡与秩序

平衡有序反映了宇宙万物、矛盾双方的势均力敌，处于暂时的相对统一，平衡才能存在，存在就要平衡。中国页岩气开发必须坚持开发与节约并重、节约优先的方针，正确处理好生产与消耗的关系，以节能、节水、节地和资源综合利用为重点，形成低投入、低消耗、低排放、高效率的节约型增长方式。要注意优化存量、控制增量的原则，进一步加强用地管理，节约使用土地；大力发展循环经济，全方位、多渠道地做好循环再利用工作，不断提高资源综合利用水平。这也体现了动与静、平衡与秩序的哲学思维。开发页岩气的最终目的是实现人与自然和谐发展、寻求清洁能源的一种新的生态、社会秩序。

4.5 创新与创造

页岩气勘探开发与常规石油、天然气勘探开发的技术并无本质区别，但一些基本问题更需要被工程技术人员所重视，如钻进中的安全与储层保护问题、体积压裂规模问题、压裂液返排液再利用问题等，都需要工程技术人员不断创新与创造，推动页岩气勘探开发技术的成熟化。

4.6 实践唯物论

页岩气是一种新兴能源，需要唯物地看待已获得的符合页岩气成藏理论的实物和数据，唯物辩证地看产量、唯物辩证地看页岩气实践运作。既有符合实情的科学作业，又有不当的作业。辩证地分析作业过程与成果的关系，已获产量的有产能，但未获产量的不一定就无产能，其受钻进伤害程度、录井测井认识判断准确度、射孔穿透与否、压裂改造程度、地层伤害情况等多种因素的制约。既不能在获产时冲动、盲目，也不能在无产时简单粗暴下结论，悲观放弃。既要实事求是，又要辩证思维。

4.7 矛盾的普遍性与特殊性

(1)普遍性。唯物辩证法认为矛盾就是对立统一，从普遍性的角度说，矛盾存在于一切事物的发展过程中，矛盾无时不在，矛盾无处不在。页岩气作为战略资源属于国家所有，拥有勘探开发权的石油、石化企业要在油气富集区施工作业，企业与地方会产生千丝万缕的关系，处理得好，企业与地方相互依赖、和谐发展、科学发展；处理得不好，对立性增强，各自利益受损，矛盾升级，企业与地方的关系或成为生产力的掣肘。

(2) 特殊性。矛盾特殊性指矛盾双方相互联系、相互吸引的性质和趋势。企业发展增加地方税收、带动地方餐饮等产业发展、吸引资金投资、降低劳动失业率，对地方经济发展的贡献是全方位的；地方服务于企业，使企业利润增加、投资加大、就业扩大，收入增加，双方形成良性发展。相互促进，是解决问题的出发点和归宿，这也是包括鄂尔多斯盆地在内的开发页岩气面临的现实问题和机遇。

5 结束语

页岩非常道，哲学有其妙；实践验真理，劝君莫急躁。要用哲学思维来思考整个西部资源开发与利用问题。页岩气开发必须把生态建设放在首位，必须根据自然资源的利弊程度，树立起新的资源层次观。页岩气在国内勘探开发历史不长，最主要的技术和方法虽已经实践证实基本可靠，但未知的、尚待探讨的和仍在争论的问题还比较多，需要经历实践、认识、再实践、再认识的循环往复才会不断得到进步。