页岩气资源勘探开发历史及现状

门晓溪，韩志辉，王磊

（1.辽宁科技大学 土木工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.中冶焦耐（大连）工程技术有限公司，辽宁 大连 116085）

随着现代工业的发展和人民生活水平的提高，对石油和天然气等天然矿产资源的需求量越来越大，而随着开采的不断深入，常规油气资源逐渐开采殆尽，已经不能满足经济发展的需要。在全球进入了难动用储量开发时代的背景下，中国主力油田亦均面临着低渗、超低渗油藏开发的难题。1993年中国成为石油净进口国，2008年石油进口量近2×108t，对外依存度达到47.0%，2013年，中国已超过美国，成为全球最大石油进口国[1]，至2016年，中国石油对外依存度已达到60.6%，天然气依存度达到32.7%[2].自2006年起，中国天然气产量同样开始难以满足需求，缺口逐年增大[3]，预计到2020年，中国天然气需求量将达4 200×108m3，缺口将达1 800×108～2 000×108m3[4].据美国能源信息署（EIA）预测，2030年，中国石油消费比例将由目前的23.9%上升到32.0%，天然气的消费比例将由现在的4.0%提升至13.0%[5]，中国石油和天然气都将面临巨大的缺口。

在有效的可替代能源还未出现的情况下，石油天然气依旧是满足经济发展需求以及保证人民日常生活不可或缺的资源。据美国能源信息署预测，2030年前，化石能源仍为世界主体能源，石油和天然气在世界一次能源消费结构中的比例将占66.0%[5].因此，随着后石油时代的到来，储量丰富且分布广泛的非常规油气资源在全球能源结构中开始占领主要地位，对其进行勘探和开发的研究势在必行。非常规油气资源包括煤层气、页岩油、页岩气、致密砂岩气等，其中页岩气以其资源丰富和开发利用可行性较高而备受关注，尤其近年来美国对页岩气的成功开发，使得清洁、廉价的页岩气成为了解决能源危机的有效途径，因此页岩气被列为了21世纪的重要接替能源。

相对于常规油气藏来说，页岩储集层具有非均质性强、孔隙度极低和渗透率超低的特点，其结构复杂，富集条件复杂多变，使得页岩气的勘探和开发具有极高的难度和极大的风险。因此，在常规油气资源产量及储量逐年降低的背景下，针对页岩储集层展开地质勘探与有效的储集层改造研究，从而实现页岩气的经济开发是必须且亟需解决的问题，也是当前世界范围内面临的重要课题之一。

储集层改造技术的研究与应用，提高页岩储集层渗透率的研究，正成为破解当前难题及今后发展的关键；加快页岩油气资源的勘探开发和利用，对改变中国油气资源格局，缓解油气资源短缺，实现向清洁能源转变等都具有十分重要的意义。

1 页岩气资源勘探

页岩属于沉积岩，由粒径小于0.005 mm的细粒碎屑、黏土、有机质等共同组成，具有页状或薄片状层理。页岩气藏是一种分布广、丰度低、易发现但难开采的自生自储连续型非常规气藏。页岩气以游离状态和吸附状态赋存于纳米—微米级孔隙及裂缝中，其形成和富集有其自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩中。与常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，大部分产气页岩分布范围广、厚度大，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。

作为一种典型的非常规能源，页岩气资源在全球范围内十分丰富，并随着勘探开发力度的加大，可探明储量还在不断上升。全球范围内的10个主要地理区域约有95个页岩气盆地和137个页岩地层，页岩气风险地质资源量约为1 013.00×1012m3，技术可采资源量约为220.00×1012m3[6]（2011年其预测值分别为623.00×1012m3和163.00×1012m3[7]），其中亚洲地区的页岩气风险地质资源量和技术可采资源量均居五大洲之首。同时中国页岩气藏分布亦十分广泛，全国海相页岩气资源量约37.40×1012m3，其中南方海相约32.00×1012m3，略低于美国[2]，技术可采资源量居世界第一（表1）。

全球页岩气资源主要分布于北美、拉美、中亚、中国、非洲南部和中东等国家和地区[8]，全球页岩气技术可采资源量排名前十位的资源国页岩气技术可采资源量合计达163.00×1012m3，约占全球页岩气技术可采资源量的79%（表1）。据世界能源研究所2014年研究表明，世界页岩气技术可采资源量达203.97×1012m3[9].作为北美地区页岩气开发的主力国家，美国拥有5大页岩系统：Michigan盆地Anrim页岩系统，Appalachian盆地Ohio页岩系统，Fort Worth盆地Bar⁃nett页岩系统，Illinois盆地New Albany页岩系统和San Juan盆地Lewis页岩系统，这5大页岩系统页岩气资源量约为12.85×1012～25.14×1012m3.

表1 全球页岩气技术可采资源量排名（EIA，2013）

加拿大是除美国之外的另一个页岩气大国，主要有5大页岩气分布区：British Columbia，Alberta和Sas⁃katchewan，Ontario，Quebec和Maritimes（表2），预计页岩气资源量超过42.50×1012m3，其中仅British Colum⁃bia泥盆系页岩气资源量就约为7.08×1012m3[7].

表2 加拿大页岩气主要分布区及资源量（加拿大非常规天然气协会，2009）

中国各地质时期的页岩气分布广泛，资源丰富，开发潜力巨大。中国富有机质页岩发育层系多、类型多、分布广。自古生界至新生界12个层系中形成了数十个含气页岩层段。寒武系、奥陶系、志留系和泥盆系主要发育海相页岩，其中上扬子及滇黔桂区海相页岩[10]分布面积大，厚度稳定，有机碳含量高，热演化程度高，页岩气显示广泛；石炭系—二叠系主要发育海陆过渡相富有机质页岩，在鄂尔多斯盆地、南华北和滇黔桂地区[10]最为发育，页岩单层厚度小，但累计厚度大，有机碳含量高，热演化程度较高，页岩气显示丰富；中—新生界陆相富有机质页岩主要发育在鄂尔多斯盆地、四川盆地、松辽盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地[10]等含油气盆地中，分布广，厚度大，有机碳含量高，热演化程度偏低，页岩气显示层位多。根据大地构造格局和页岩气发育背景条件，中国可划分出上扬子及滇黔桂区、中—下扬子及东南区、华北及东北区、西北区、青藏区和海域区6大页岩气区。

2 页岩气资源开发

2.1 美国

对于页岩气的开发，美国毫无疑问一直走在全球前沿，通过近50年勘探开发与技术攻关，实现了页岩气规模化开采，在全球范围内引发了一场能源革命。

美国页岩气开发的试验研究最早可以追溯到19世纪，1821年William A.Hart在美国东部泥盆系Dunkirk页岩中钻成了第一口页岩气井[1]；1914年美国发现了第一个页岩气田——Big Sandy气田；1920年，Ohio首个气田级别页岩气得到开发；自20世纪50年代起，压裂改造增产技术在油田现场不断推广应用；20世纪70年代，一些私营公司、美国能源部以及天然气研究所开始致力于美国东部浅层页岩气的商业开发，并最早形成了页岩气开发的几项关键技术，包括水平井钻井、分段压裂和减阻水压裂[11]；1981年，对Barnett页岩C.W.Slay No.1井实施大规模压裂并获得成功[7]，之后Mitchell能源公司在德州中北部Barnett页岩气藏开始进行商业性开发[12-14]；截至2000年，北美针对页岩气藏的钻井数已超过28 000口，页岩气年产量达到100×108～120×108m3.

2001—2009年，美国页岩气年产量从122×108m3激增至880×108m3[5（]表3），并于2010年突破千亿大关，年产量达到1 510×108m3，占全美天然气总产量的23%[15]，超过中国当年天然气产量。2011—2012年，美国页岩气年产量从2 263×108m（32010年预测年产量为1 800×108m3）猛增至2 937×108m3，并于2013年突破3 000×108m3，到2014年，美国页岩气年产量达到3 808×108m（32009年EIA预测年产量为2 066×108m3），占美国当年天然气产量的48%[1].2015年美国页岩气年产量达到4 308×108m3，并且在2012年前后，美国就已实现大规模商业化生产[16]。

表3 2001—2009年美国页岩气年产量（EIA）

2001—2015年，美国页岩气年产量获得了超乎想象的迅猛增长（图1），且增长幅度在不断加大，实际产量都高出了曾经的预测产量，使得美国实现了天然气从进口到出口的巨大转变。

2.2 加拿大

图1 2001—2015年美国页岩气年产量

加拿大是继美国之后第二个实现页岩气开发的国家，且页岩气在加拿大已成为了重要替代能源。

加拿大早期的页岩气生产来自Alberta东南部和Saskatchewan西南部白垩系科罗拉多群的Second White Speckled Shale.但在加拿大5大页岩气分布区中，British Columbia地区的Montney地层于2001年才开始进行商业性生产[2]，2005年年产量仅约2.70×108m3，2007年，该地区年产量就达到8.50×108m3[7].目前，British Columbia和Horn River盆地已经成为加拿大的页岩开采热点地区，其中Montney地层得到了大规模开发，而Horn River盆地内的Muskwa页岩还处于开发早期阶段，仅这2个岩层在2009年的年产量就达到72.30×108m3[2]，其中Montney页岩气年产量为62.00×108m3[17].近年来，随着新技术的应用，加拿大对页岩气的勘探开发除了主要的British Columbia和Al⁃berta之外，还扩展到了Saskatchewan，Ontario，Quebec，New Brunswick和Nova Scotia.2012年，加拿大页岩气年产量达到215.00×108m3，2013年页岩气年产量与2012年相当[17]。据高级资源国际公司（ARI）预测，到2020年，加拿大页岩气年产量将超过620.00×108m3，占加拿大天然气总产量的一半左右。

2.3 中国

中国是继美国和加拿大之后，第三个成功实现页岩气商业开发的国家。在美国能源信息署2016年发布的国际能源展望中，中国在2040年将成为仅次于美国的世界第二大页岩气生产国，页岩气将占中国天然气总产量的40%以上。

中国的页岩气研究及开发工作于2010年正式启动[1]，2011年12月，国务院批准页岩气为新的独立矿种[18]，而早在2007年中国就已经开始了页岩气地质综合评价工作。2010年，中国第一口页岩气直井在川东北钻探成功，在4 100 m深的下侏罗统压裂后获得近1.00×104m3/d的工业页岩气。同年，川东南2个区块下志留统、下寒武统海相页岩3口直井压裂后获得1.00×104m3/d左右的工业页岩气。2011年，中国第一口页岩气水平井钻探成功，鄂尔多斯盆地南缘的2口井在延长组突破了砂泥岩互层的页岩井产气大关；同年，在四川威远地区的水平井进行分段压裂获得页岩气，长宁地区的直井在压裂中获得页岩气，四川永昌地区的深层页岩油气直井在分段压裂后获得了高产。2012年，中国第一口具商业价值的页岩气井钻成并获得高产，四川长宁地区的水平井获得了15.00×104m3/d的产量，同年，重庆彭水地区的页岩气获得2.60×104m3/d的初步产量[19]。2014年，中国建成第一条页岩气外输管道，开始了示范区的规模建产，并达到了12.47×108m3的页岩气年产量。2015年，中国页岩气年产量超过40.00×108m3，2016年底，年产量达到78.82×108m3，仅次于美国和加拿大，位于世界第三位[20]。

近年来，中国页岩气发展迅速，已经钻成600多口页岩气井，且探明储量快速增长，目前已形成涪陵、长宁、威远和延长4大页岩气产区。

中国“十二五”对页岩气开发的规划为实现2015年页岩气年产量65.00×108m3（实际年产量为45.00×108m3），2020年力争达到300.00×108m3.在国家能源局发布的2016—2020年页岩气发展规划中展望，到2030年，实现年产量800.00×108～1 000.00×108m3.国土资源部计划到2020年发现20～30个大型页岩气勘探开发区块，获得1.00×1012m3的页岩气技术可采资源量，将年产量提升至150.00×108～300.00×108m3，使天然气在中国能源结构中的比例由2005年的3%提升至10%[7].

虽然中国页岩气资源量巨大，可采资源潜力居世界前列，且在近几年的努力攻关之下，技术装备基本实现国产化，并已经基本掌握了页岩气地球物理、钻井、完井、压裂和试气等勘探开发技术。但与此同时，富集规律不清、核心技术尚需攻关仍是当前中国页岩气勘探开发所面临的难题。中国海相页岩的构造改造强、地应力复杂、埋藏较深、地表条件特殊等复杂性[2]，使得中国并不能简单地复制美国的成功，还需要探索适合中国页岩气勘探开发的发展之路。

在2016年发布的国家能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）中，将非常规油气开发列为重点任务，提出要深入开展页岩油气地质理论和勘探技术、油气藏工程、水平井钻完井以及压裂改造技术的研究，实现页岩油气等非常规油气的高效开发[21]。页岩气作为一种清洁、高效能源，在中国具有雄厚的资源基础、广阔的市场需求、良好的政策环境和难得的发展机遇，相信在不久的将来，在各个相关领域的专家学者共同协作及不懈努力之下，中国的页岩气勘探开发会进入全新的快速发展阶段，确立页岩气在中国能源中的战略地位。

3 页岩气压裂技术

伴随着压裂相关技术、设备、材料等的更新，页岩气开发经历了多年的探索，从最早的直井压裂发展到水平井压裂；从小规模探索性实验压裂发展到大规模体积压裂；从纯清水压裂发展到多种压裂液组合压裂；从小型压裂泵车发展到大功率作业。页岩储集层一般具有一定的厚度和较大的平面展布，具有分布广、比表面积大、规模大和储量大的特点，同时页岩又具有着孔隙度小、渗透率低和连通性差的特点，因此，需要人工制造体积裂缝，沟通天然裂缝和储集层中不连通的细微孔隙空间，形成裂缝网络[22-23]，提高储集层渗透率，从而获得有效产能。基于设计理念、压裂管柱、支撑剂、压裂液及压裂设备能力等不同条件，多种压裂技术[24]被推出并逐渐广泛应用于各大油田。

（1）分段（分级）压裂技术 在完井套管串上用封隔器和压裂滑套通过射孔将储集层分成若干段，依次单段压裂。主要分为可钻式桥塞封隔分段压裂、多级滑套封隔器分段压裂、固井压差式滑套多级分段压裂和水力喷射分段压裂。

（2）“井工厂”压裂技术 根据现场作业条件和设计理念的不同，可分为水平井单井顺序压裂作业、多井“拉链式”压裂作业和多井同步压裂作业等。

（3）同步压裂技术 能够增加水力压裂裂缝网络的密度和比表面积，最大限度的连通天然裂缝，对页岩气井短期内的增产效果非常明显，完井速度快，节省压裂成本。

（4）爆燃压裂技术 利用火药或火箭推进剂等高含能材料，在目的层段进行有控制的燃烧，通过高温高压气体使井筒周围地层产生多条径向辐射状裂缝。

（5）气枪技术 基于美军专有弹道导弹技术以改善储集层条件，通过逐渐燃烧的推进剂进行有效造缝，从而提高储集层渗透率。

（6）液态二氧化碳压裂技术 通过一定的压力，将液态二氧化碳和支撑剂混合，利用液态二氧化碳起到携砂和造缝的作用，具有避免液体滞留地层，消除滞留液对产出气流的阻碍作用。

4 结论

（1）在常规石油天然气逐渐开采殆尽，油气供需缺口逐年增大且化石能源为世界主体能源的背景之下，页岩气的经济开发是必须且亟需解决的问题。

（2）页岩气是21世纪的巨大资源，中国页岩气资源丰富，分布广泛，如能成功开发，页岩气的产量也将是巨大的，并会逐年大幅增长，对缓解中国油气资源短缺及国家能源安全和经济发展具有重要意义。

（3）中国页岩气地质条件复杂，海相、海陆过渡相和陆相页岩均有发育，具有多层系分布、多成因类型、复杂后期改造等特点，不能简单照搬国外开发经验，需在学习和借鉴北美成功经验的同时，结合中国页岩储集层实际，突破关键技术，开创出独具中国特色的中国页岩气勘探开发之路。

（4）页岩气在中国具有雄厚资源基础、广阔市场需求和良好政策支持，虽然中国的页岩气勘探开发尚处于起步阶段，但“十二五”期间页岩气产业已经初具规模，相信“十三五”期间页岩气会形成快速发展之势，从而确立页岩气在中国能源中的战略地位。

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