美国页岩气公共研发的经验与启示

李杏茹

(中国国土资源经济研究院，北京　101149)



美国页岩气公共研发的经验与启示

李杏茹

(中国国土资源经济研究院，北京101149)

摘要：本文论述了美国政府进行的一系列页岩气的科技活动，总结了其科技投入的经验，同时分析了中国页岩气科技研发中的问题，提出了建立投入与转化的高效协同、加强部门间协调、完善资料共享等对策建议。

关键词：美国；页岩气；公共研发；对策

1前言

美国页岩气的成功，受一系列因素影响，其中，科技创新是最重要的因素[1-2]。美国经验证明，没有关键的理论技术创新，包括对气的赋存机理、连通天然裂缝的重要性的认识，氮泡沫压裂技术、方向钻井技术的引入，早期微地震监测等技术的发展，页岩气不可能实现效益化生产。

21世纪前10年美国页岩气的大规模开发，激发了包括中国在内的多国关注[3-5]。2009年，中国开始评估资源量，之后通过技术引进和自主创新，于2014年涪陵气田实现商业化生产。不可否认，美国的现有技术为中国页岩气开发提供了推动力，但是目前国内页岩气的突破仅限于四川盆地海相地层，其他地区尚未形成工业产能。页岩气开发与常规油气比，投资回报风险大，开发企业面临前期资料缺乏、不具备开发经验、国外技术不适用等问题。解决这些问题亟需理论与技术创新，而国家进行高效的科技研发投入，对于页岩气技术创新至关重要。以往也有作者介绍过美国页岩气开发的政策、产业发展的经验、监管体制等[5-9]，但基本没有涉及科研投入的研究。本文将回顾美国联邦政府的科技投入及运行机制，结合中国实际，探讨政府投入的思路。

2美国政府对页岩气的科技投入活动

美国政府对页岩气投入的研发活动主要有：能源部东部页岩气工程(属于“非常规天然气研究项目”的子项目)、天然气研究所(GRI)的研发项目，以及“2005年能源法案”通过的“超深水、非常规天然气和其他石油资源项目”。

2.1东部页岩气工程(EGSP)

20世纪70年代，美国能源危机和天然气储量下降，政府开始重视非常规天然气的开发，能源部设立了旨在开发非常规天然气的项目。其中，EGSP是其子项目之一(见图1)，1976年1月正式启动，运行16年(1976—1992年)，总经费9200多万美元。EGSP是针对每个气页岩省开展的一项多学科研究，基本目标是研发有效的、环保的技术方法来寻找并生产天然气；减少潜在资源量的不确定性，鼓励私人企业更大规模地开发页岩气。项目前5年(1976—1981年)主要致力于对东部含气页岩地质、地球化学、地球物理特征和储层物性的描述，以及水力压裂、化学爆炸压裂、定向钻探等增产实验研究。这个时期，经费投入最多，约占总经费的2/3，其中1979年年内预算最高，为1800万美元。自20世纪80年代早期开始，EGSP将研究重点转向了详细的储层特性分析和针对压裂页岩开发储层数学模型，建立了压裂页岩的储层模型(SUGAR-MD)。项目后期的研究集中于对模型的验证与运用上[10]。

图1　1977—2002年能源部对非常规天然气项目的各种资助(来源于NETL报告)

图2　1978—2005年能源部油气研发资助与GTL的对比(来源于NETL报告)

图1　Web of Science中收录的智能制造文献数量

1976年国会授权资助非常规天然气研究项目(UGRP)，UGRP包括三个独立的子项目，分别是东部页岩气工程(EGSP)、西部砂岩气工程、煤层气工程。由图1可以看出，1978—1981年资助经费额度为每年2000万～3000万美元，大部分经费流向东部气页岩工程和西部砂岩气工程。1980年以后里根政府实施新政，能源研发经费大幅降低，在整个80年代资助水平降至1000万美元左右，重点资助与勘探开发相关的环境保护技术研究。1992年，非常规天然气的研究经费几乎被砍掉。1993年，项目从关注非常规天然气资源过渡到重点支持技术产品研发，强调钻井工具和方法、图像、诊断、完井和压裂。1994—2005年，涉及天然气勘探开发的研究经费保持在1000万～2000万美元。

2.2天然气研究所(GRI)

GRI是天然气行业创办的非营利性机构，1978年开始全面运作，主要负责规划、管理和资助天然气行业所有部门的研发项目。对页岩气来说，研发重点是新测井技术、油藏模拟和增产技术等产业技术的商业化与应用。GRI资助项目的详细信息非常少，通过其参与的项目了解到，1989—1995年，GRI管理了能源部的密歇根盆地泥盆纪安特里姆页岩研发。

GRI经费全部来源于洲际天然气销售的附加费，该附加费由联邦能源监管委员会设立，专门用于开展公共研发项目，起初的附加费是0.12美分/103ft3，1988 年达到1.51美分/103ft3。在附加费实施期间(1978—2000 年)，总金额超过了30亿美元。1978—1999年，GRI的经费逐年增加，1978年经费规模4000万美元，20世纪80年代年均1.2亿美元，90年代年均2亿美元，达到峰值(见图2)。在此期间，GRI资助天然气供应的经费为每年3000万～3500万美元，约占总预算的15%[10]。

2.3“超深水、非常规天然气和其他石油资源”项目

2005年能源政策法案(EPAct)中设立了“超深水、非常规资源和小生产者”项目，项目周期为2007—2017年。法案规定，每年从来自石油公司上缴美国政府的矿权费、土地租让费和红利中抽出5000万美元用于项目研究，由国家能源技术实验室(NETL)负责实施[11]。主要包括四个方面内容：非常规天然气和其他石油资源的勘探和生产(URP)、超深水的体系结构和技术、小生产者面临的挑战性技术以及由NETL开展的补充性研究。前三项研究由美国能源安全保障研究合作机构(RPSEA)负责管理，经费占75%，主要资助那些如果没有联邦政府资助工业界就不会从事的研究、开发和示范活动，降低非常规油气勘探开发对环境的影响。其中，非常规天然气项目致力于开发整个国家页岩资源中的巨大资源量，并解决环境安全与保护问题[11]。RPSEA作为整个项目的管理者，每年都会选择一批新项目进行资助。在非常规天然气资源领域，超过半数的项目集中于页岩气，2007—2010年页岩气项目情况见表1。

表1　2007—2010年RPSEA管理的页岩气项目列表

3美国页岩气公共研发经验

美国页岩气的成功充分证明了科技先行的重要性，而政府出资主导的若干项目有效地推动了开发技术的创新和商业化应用，为之后美国页岩气的成功开发奠定了坚实基础。因此，美国页岩气的成功可以说是政府一手推动的。

(1)政府持续的研发投入对于技术突破极为重要。尽管美国是自由主义市场经济，但在页岩气勘探开发中，联邦政府的科技投入却发挥了巨大的作用。从对页岩知之甚少到重视环境影响，联邦投入贯穿始终。20世纪70年代，美国能源危机和天然气储量下降，联邦政府开始重视非常规天然气的开发，但此时业界对页岩气的认识相当有限。EGSP恰恰填补了美国油气行业在页岩气认知领域的空白，所产生的地质资料为美国公司获取页岩气奠定了基础。同期，天然气行业成立GRI，管理行业相关的科技研发项目融资，经费来源是由联邦能源管理委员会批准。2007年设立“超深水”项目，继续对非常规天然气的研发进行资助。尽管历经政党更替、利益之争，但联邦政府通过不同的方式，稳定地、连续地推动这种资源开发的技术研发。随着研发工作的推进，不同的时期，投入重点从资源潜力、勘探开发技术到环保技术转变的趋势。

同时，GRI的演变可以从另一个侧面反映联邦投入的重要性。1998年之前，GRI经费持续增加。1998年之后，GRI的经费来源发生变化，由强制性附加费转为行业和政府自愿资助，导致1998—2005年天然气研发经费持续下降。2000年，GRI与IGT合并为GTI。2005年，GTI已经演化成完全由客户组织自愿投入的机构，包括能源部和其他公共实体，而GTI的天然气勘探开发技术研发经费非常少[10]。

(2)DOE与GRI之间的统筹协调使国家投入更加高效。从以上介绍中可以看出，在很长一段时间DOE和GRI的项目是共同投资的。为了避免重复立项，在二者共存的时间里，存在显著的合作和一致性。首先，在项目设置上，DOE的项目更多地关注基础科学，而GRI的项目更多地关注应用与技术转让。其次，在经费管理上，1978—1981年资助经费额度为每年2000万～3000万美元，1980年以后，里根政府实施新政，能源研发经费大幅降低，在整个80年代资助水平降至1000万美元左右。随着80年代后期DOE对EGSP经费的下降，GRI对于页岩的研究经费增加。第三，两个部门之间存在密切的沟通，DOE代表参加GRI的天然气勘探开发研究相关的指导委员会，这两个机构召开半年会议，商讨高水平的计划方向，确定研究内容相互协调、不重复。另外，两个部门之间的项目接替性很好。20世纪80年代，能源部科罗拉多多井试验场的致密砂岩研究转给GRI管理，设备一并转给GRI使用，同时，为了该研究可以继续给行业以及天气消费者带来最大利益，DOE与GRI密切合作来管理项目的过渡[9]。这种不同部门之间的统筹协调机制，保证了政府投入的高效性。

(3)政府投入产生了大量研究成果，并免费向社会公布。EGSP开展的详细的泥盆纪页岩的构造填图工作，发现了丰富的油气潜力，获得了将近38000米的原始岩心，出版了300份技术成果报告，向工业界提供了120多幅详细的地质图和剖面图，这些图件首次详细描述了涵盖大部分阿巴拉契亚盆地的详细的高有机质含量分布、产气性、压裂页岩等的信息。对油气产生时代和盆地几何形态的更好理解有助于业界识别最有潜力的生气区域。大量的上述基础知识免费向社会公布，对于后来开发Barnett和Lewis页岩资源的开发商来说非常重要[10]。同时，能源部的投入与企业密切配合，将多项成熟技术引入页岩气领域，包括泡沫压裂技术、定向取心及断面分析、泥盆系页岩测井套件、井下摄像、大规模水力压裂技术、定向钻进改善产气率、随钻电磁测量等，形成了成熟的页岩气勘探开发的技术系列。

(4)政府与行业合作加速实现了科研成果的快速转化。从EGSP到GRI项目，再到后来的“超深水”项目，都体现着政企的合作。首先，EGSP除了能源部投入外，还得到了天然气研究所和私人企业分别投入的3000万美元和3500万美元[9]。其次，DOE与行业合作开展了大量的技术研发与示范，比如，1986年DOE和行业合作伙伴在泥盆纪页岩钻探了第一眼气钻水平井，1989—1990年DOE和企业合作钻探了三眼水平井，识别出了美国负压水平钻井广泛应用的技术障碍。据统计，在EGSP的前四年中，DOE与行业共同承担费用的示范项目进行了50多项[10]。此外，2007—2017年“超深水、非常规天然气和其他石油资源项目”中明确要求，根据项目类型的不同，成本分摊占总项目支出不能低于20%和50%[11]。第三，能源部与行业合作，将水平钻井、大型水力压裂、泡沫压裂等关键技术引入页岩气开发。在含气页岩项目之前，大型水力压裂技术已经是一项用于地渗透性或致密天然气层商业开采的成熟技术，EGSP为将该类技术引入页岩气行业提供了关键平台。另外，企业在能源部的资助下开展了大量的技术示范。1978年，米歇尔能源在能源部的资金支持下，实施了当时最大规模的大型水力压裂，之后迅速把其应用于巴奈特页岩开发[9]。

4中国页岩气公共研发存在的问题

(1)多部门的科研投入缺乏协调。与其他油气资源一样，中国页岩气的行政管理属于多部门共管，这也导致了科技研发的多部门投入。科技部973专项中有3个页岩气的技术研发项目正在开展。国土资源部开展资源调查，在重庆彭水县实施了中国第一口页岩气资源战略调查井渝页1井，获取岩心并首次成功解析出了页岩气，为日后页岩气成为独立矿种提供了切实的支撑依据。关键技术研发得益于三大国有油公司的投入和技术攻关，同时，发改委也进行了大量的投入，批准了三个页岩气示范区，推广应用研制的技术与装备。地方政府(江苏、贵州、江西、湖南等)为了摸清各省的资源潜力也开展了页岩气的调查与评价。对于页岩气开发的环保问题，则是由环保部主管。可见，各部门都进行了或正在进行大量的科技投入，但在现有的制度体系下，科研投入基本上是各自为战，缺乏协调，难以形成合力，导致科技资源分散低效、科技领域各自为战等现象较为普遍，跨部门、跨区域、跨学科的资源整合与协同创新力度不够。

(2)行业缺乏技术创新的动力和能力。由于中国页岩气赋存区地质构造复杂，工作程度偏低，地质资料积累少，对分布特征和分布规律仍缺乏深入了解，勘探部署依据严重不足。页岩气预测岩心测试、水平井段钻完井、钻进工具、裂缝的监测产能评价、经验等核心技术，还不能满足页岩气大规模勘查开发的需要。因此，页岩气实现突破性开发，科技创新面临更大挑战。然而，在中国页岩气开发体制中，国有大型企业占绝对主导地位，缺少研发和创新动力[6]。招标进入的企业缺乏油气开发经验和研发投资能力，例如，第二轮进入的企业因为油气经验缺乏，很多工作开展得不好，在后期勘探开发中陷于被动[12]。因此，页岩气的突破，迫切需要国家持续高效的投入。

(3)地质资料共享难以实现。“政府机构先期地质摸底、企业单位后期适用”的模式，在美国东部页岩气工程中已被证明是一条可有效缩短企业学习曲线的方法[13]。对于勘查开发企业来说，获取基础地质资料，将会减少大量前期勘探成本。然而，中国的现实情况是，基础地质资料缺乏，常规油气区块内的勘查开发资料主要由石油公司掌握，其他企业难以获得。对于区域地质资料，许多尚未汇交，不易获得。同时，企业之间勘查开发资料封锁较严重，难以实现资料共享，一定程度上造成了工作重复和资金浪费。实现资料共享，是提高研发效果的手段之一。

5提升中国页岩气公共研发效果的若干建议

基于美国经验与中国现状，以提高政府的科技投入效果为目标，笔者提出建议如下：

(1)创新管理体制，加强部门间投入的协调联动。美国DOE与GRI的合作表明，沟通协调对于提高国家投入效果至关重要。因此，中国能源局、国土部等相关部委应该联合力量，创新管理，从国家层面出发，以推动页岩气产业发展为根本，对科研项目进行相互协调、沟通，并联合高校、研究所、大型油气公司、中小企业共同搞研发，避免重复，政府部门之间建立沟通协调机制，明确各自定位，避免过度重复。

(2)重视成果转化，建立投入与转化的高效协同机制。第一，将基础调查研究的投入提前，依靠地调局、高校、研究所等，集中力量搞清形成机理与分布特征，同时，国家投入产生的研究成果无偿向企业开放，形成共享机制，降低企业的投资风险。第二，在国家扶持引导下，技术示范和引进相结合，要使企业成为主体，逐步形成中国特色的有效且低成本的勘探开发技术体系。第三，政府对基础性研究全面投入，对于技术示范与应用类项目，通过成本分摊的方式吸引企业资金进入。建议参照美国页岩气科研项目的管理经验，企业参与政府设立的项目，需自筹一定比例的经费，一般为20%～50%。这种做法有利于促进科研单位与生产企业之间建立联系，形成高效的政企研发机制。

(3)重视资料共享，建立全流程信息化服务渠道。深入改革现有的科技管理体制，加强规范化管理，实现从项目立项、成果验收、成果登记、资料查询、借阅服务全流程信息化管理，建立资料服务新模式。同时，落实相关法规要求，切实执行资料汇交程序。收集归拢以往大比例尺的地质填图数据，用来提供给企业，减少企业前期勘探成本。建立信息共享和协调联动机制，设立科技信息公开网站，开设专栏进行公布，同时在报刊、期刊、著作等媒介形式上发表。按相关法律，取得区块的单位应定期向主管单位报告工作进展，并在阶段工作完成后上交地质资料，如果没有完成约定的最低工作量，应逐步缩小区块面积。但遗憾的是，主管单位并没有依法落实上述规定。

参考文献：

[1]黄玉珍,黄金亮,葛春梅,等.技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键[J].天然气工业,2009,29(5):7-10.

[2]李小地,梁坤,李欣.美国政府促进非常规天然气勘探开发的政策与经验[J].国际石油经济,2011,9:15-20.

[3]张翼燕,尹军.欧洲页岩气开发现状及面临的挑战[J].全球科技经济瞭望,2013,28(10):19-23.

[4]罗佐县,张礼貌,谭云冬.墨西哥页岩气产业发展现状与未来发展模式分析[J].中外能源,2014,12:9-14.

[5]李梁.国际年终盘点:世界各国页岩气财税政策大盘点[EB/OL].中国电力新闻网,[2013-12-20].http://www.cpnn.com.cn/zdyw/201312/t20131220_641487.html.

[6]尹硕,张耀辉.页岩气产业发展的国际经验剖析与中国对策[J].产业经济,2013(228):28-36.

[7]朱凯.中美页岩气发展路径比较研究[J].国际石油经济,2013,1-2:89-95.

[8]林明彻,李晶晶,杨富强.建立促进页岩气发展的监管体制——放松价格监管和加强环境监管[J].中国能源,2012,34(10):8-14.

[9]王忠民,艾伦·克鲁普尼克.美国页岩气开发回顾性调查:是什么促成了页岩气的繁荣?[EB/OL].中国能源网,[2014-03-05].http://www.china5e.com/energy/news-862237-1.html.

[10]NETL.DOE’s unconventional gas research programs 1976—1995[M].U.S.department of energy：national energy technology laboratory strategic center for natural gas and oil，2007.

[11]United States Department of Energy.2013 annual plan ultra-deepwater and unconventional natural gas and other petroleum resources research and development program:report to congress[R].2013,6.http://energy.gov/sites/prod/files/2013/07/f2/2013%20Annual%20Plan%20June%202013.pdf.

[12]中国页岩气勘查开发报告(2013)[R].中国地质调查局油气资源调查中心，2014.

[13]李自琴.我国页岩气开发正处储层突破关键阶段[EB/OL].中国能源网,[2014-03-21].http://www.china5e.com/depth-analysis/news-863875-1.html.

(责任编辑沈蓉)

Shale Gas Public R&D Funding of US and Its Implications to China

Li Xingru

(Chinese Academy of Land & Resources Economics，Beijing 101149,China)

Abstract：This paper discussed a series of shale gas research activities of the public R&D funding of America and its experience.Then，it analyzed the problems of shale gas technology development in China.At last，it proposed some suggestions to improve the effectiveness of government funding，such as coordinating from funding to transferring，to more cooperating between different sectors，to sharing the resulting products in time.

Key words:US；Shale gas；Public R&D；Countermeasure

中图分类号:P618.1

文献标识码:A

作者简介：李杏茹(1980-)，女，河北赵县人，中国国土资源经济研究院助理研究员，博士；研究方向：科技管理及标准化。

收稿日期：2015-07-27

基金项目：地质调查评价专项(12120113018900)。