趙文智，董大忠，李建忠，張國生

(1.中國石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100007;2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

1 前言

中國石油與天然氣供給的對外依存度在不斷攀升。據(jù)國家發(fā)展和改革委員會(簡稱國家發(fā)改委)統(tǒng)計，2011年中國石油對外依存度超過了56%，天然氣在一次能源消費構(gòu)成中的比例也接近5%，其對外依存度已上升到了24%。當前，中國正在采取有效措施，加快非常規(guī)天然氣資源的勘探開發(fā)，以進一步遏制石油和天然氣資源的進口。

頁巖氣是一種清潔、優(yōu)質(zhì)的化石能源，產(chǎn)自富有機質(zhì)頁巖為主的沉積巖系。北美對頁巖氣的開采利用已經(jīng)改變了北美區(qū)域能源供給格局，并正對全球能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生著重大影響［1］。2005年以來，中國相繼開展了頁巖氣形成條件與富集規(guī)律、資源潛力與有利區(qū)帶評價等前期研究，并在四川盆地、渤海灣盆地等廣泛進行了資源調(diào)查和工業(yè)化勘探開發(fā)先導(dǎo)性試驗［2］。目前，已經(jīng)在古生界海相、中新生代陸相頁巖地層中發(fā)現(xiàn)了工業(yè)性頁巖氣流，成為全球除北美以外地區(qū)率先實現(xiàn)頁巖氣工業(yè)突破的國家，標志著中國在頁巖氣資源開發(fā)利用上邁出了重要的一步，未來將進入關(guān)鍵發(fā)展期。

據(jù)中國工程院、國土資源部、中國石油天然氣集團公司(簡稱中國石油)、中國石油化工集團有限公司(簡稱中國石化)等機構(gòu)預(yù)測，中國頁巖氣資源有著較為良好的發(fā)展前景，有效勘探開發(fā)頁巖氣將會加快提高天然氣在中國一次能源消費結(jié)構(gòu)中的比重，保障中國能源安全供給，改善中國能源結(jié)構(gòu)。為此，探索中國頁巖氣資源潛力與未來發(fā)展地位具有重要意義。

2 中國頁巖氣資源基礎(chǔ)

2.1 形成領(lǐng)域廣、類型豐富

中國大陸處于太平洋、印度和西伯利亞等板塊交匯處，成盆演化體系復(fù)雜，早古生代發(fā)育海相地層沉積，晚古生代—中生代發(fā)育過渡相與湖相煤系頁巖沉積，同時中新生代還發(fā)育湖相頁巖沉積［3］。上述3種環(huán)境下發(fā)育的富有機質(zhì)頁巖沉積共同構(gòu)成了頁巖氣資源形成的基本地質(zhì)條件。中國工程院2011年“中國頁巖氣和致密氣資源潛力與開發(fā)利用戰(zhàn)略研究”項目成果認為，中國頁巖氣勘探開發(fā)領(lǐng)域廣泛，但不同地質(zhì)發(fā)展演化階段、不同類型沉積盆地不僅直接控制了富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育與分布，也直接影響著頁巖氣資源潛力。

中國海相頁巖主要發(fā)育在前古生代及早古生代，分布于華北、南方、塔里木和青藏4個地區(qū)。早古生代形成了多套海相富有機質(zhì)頁巖，如南方地區(qū)古生代海相富有機質(zhì)頁巖有(見圖1)［2～9］:下寒武統(tǒng)的筇竹寺組頁巖(∈1q)、中—上奧陶統(tǒng)的大乘寺—五峰組頁巖(O2－3d－w)、下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖(S1l)、中—上泥盆統(tǒng)印堂—羅富組(D2－3y－l)頁巖和下石炭統(tǒng)舊司組(C1j)頁巖。中國海相頁巖分布范圍廣，厚度大，高總有機碳(total organic carbon，TOC)含量頁巖段發(fā)育，熱成熟度高，微—納米級孔隙豐富，脆性礦物含量高，頁巖氣成藏條件優(yōu)越。

圖1 中國南方地區(qū)下古生界頁巖地層對比圖Fig.1 Strata correlation of the lower Palaeozoic shale formation of the South China

海陸過渡相—煤系頁巖在中國南方、陜甘寧、西北等地區(qū)廣泛發(fā)育［8，9］。研究表明，四川盆地的上三疊統(tǒng)須家河組和二疊系、南方地區(qū)的上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、渤海灣和鄂爾多斯盆地的石炭—二疊系、西北地區(qū)的侏羅系等海陸過渡相與陸相煤系頁巖面積大、有機碳含量高、有機質(zhì)類型以III型干酪根為主，熱演化程度適中，Ro(鏡質(zhì)體反射率)為0.6% ～2.5%，處于生氣階段，部分處于生氣高峰期。因此，煤系頁巖可能成為中國頁巖氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。

中國中新生代盆地多為陸相沉積，深湖和半深湖相形成了豐富的富有機質(zhì)泥頁巖，成為盆地的主力烴源巖［8，9］。現(xiàn)階段多數(shù)湖相泥頁巖正處于大量生油期，僅在埋深較大的凹陷內(nèi)部進入生氣階段。因此，湖相泥頁巖中頁巖油和頁巖氣并存，縱向上具有“上油下氣”、橫向上具有“邊油中氣”展布特點。渤海灣盆地沙河街組、松遼盆地的青山口組、鄂爾多斯盆地延長統(tǒng)、四川盆地侏羅系可能具備形成一定規(guī)模湖相頁巖氣的地質(zhì)條件。

綜上所述，中國陸上富有機質(zhì)頁巖類型多，時代廣，分布范圍大，具備頁巖氣形成的良好物質(zhì)基礎(chǔ)。頁巖氣勘探開發(fā)領(lǐng)域廣泛，只要成氣地質(zhì)條件合適，未來勘探發(fā)現(xiàn)潛力也會比常規(guī)油氣更大。

2.2 頁巖氣資源豐富

早在20世紀60年代，中國就在四川盆地發(fā)現(xiàn)了頁巖氣［3，7］。隨著北美地區(qū)頁巖氣資源的大規(guī)模開發(fā)利用，頁巖氣資源已得到中國政府和企業(yè)的高度重視，不僅開展了廣泛的形成與富集理論研究和全國性的資源戰(zhàn)略調(diào)查與評價，也在不同地區(qū)進行著資源勘探開發(fā)先導(dǎo)性試驗和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。2010年中國頁巖氣勘探在南方古生界海相頁巖中率先實現(xiàn)突破，在四川盆地、鄂爾多斯盆地陸相頁巖中獲得重要發(fā)現(xiàn)，證實了頁巖氣資源廣泛存在，顯示出良好的發(fā)展前景。

自2009年以來，許多學(xué)者與機構(gòu)從不同角度對中國頁巖氣資源開展了預(yù)測(見表1)。結(jié)果表明中國頁巖氣資源豐富，其地質(zhì)資源量為30萬億～166萬億m3，技術(shù)可采資源量為7萬億～45萬億 m3。該預(yù)測結(jié)果反映中國頁巖氣發(fā)展具有較好的資源基礎(chǔ)。

表1 中國陸上頁巖氣資源量預(yù)測統(tǒng)計表Table 1 Statistical list of resources prediction of onshore shale gas in China

2.3 頁巖氣資源主體在海相

2011年中國工程院開展的“中國非常規(guī)天然氣開發(fā)利用戰(zhàn)略研究”重大咨詢研究項目進一步加強了我國海相頁巖氣資源潛力評價。通過中美頁巖氣地質(zhì)與勘探開發(fā)條件類比，厘定了中國頁巖氣形成與富集條件;通過富有機質(zhì)頁巖基礎(chǔ)圖件編制，落實有利頁巖氣與核心區(qū)分布范圍;把有限的單井資料與地質(zhì)分區(qū)結(jié)合，實現(xiàn)了由點到面/由點到類的總體評價，保證評價的客觀性;做好與美國產(chǎn)氣頁巖的類比，保證評價數(shù)量級的準確性。按表2所列的條件與標準，系統(tǒng)落實了有利海相頁巖氣區(qū)范圍(穩(wěn)定區(qū)面積與深度)、富有機質(zhì)(TOC＞2%)頁巖厚度(集中段厚度與連續(xù)分布范圍)、成熟度、頁巖含氣量地層壓力系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，采用專家問卷調(diào)查法、類比法、含氣量法等多種方法重點評價了海相頁巖氣，概略評價了海陸過渡相—煤系和湖相頁巖氣，并對預(yù)測結(jié)果進行特爾菲法綜合，獲得較為客觀、準確的頁巖氣技術(shù)可采資源量。

專家問卷調(diào)查法中，共獲得了19位中國油氣行業(yè)及近年來對中國頁巖氣做了大量研究的專家的預(yù)測(見表3)。對19位專家的預(yù)測結(jié)果經(jīng)加權(quán)計算得頁巖氣技術(shù)可采資源量為8.3萬億～16.1萬億m3，期望值為10.5萬億m3。類比法中，頁巖氣資源豐度既參考了美國頁巖氣可采資源豐度(0.32億 m3/km2，EIA，2011)［1，10，11］，也研究了四川盆地蜀南地區(qū)頁巖氣資源豐度(0.30億m3/km2)。類比法預(yù)測中國海相頁巖氣技術(shù)可采資源為7萬億～8萬億m3，期望值為7.5萬億m3。含氣量法中，頁巖含氣量取值依據(jù)四川盆地及周邊井下巖芯實測數(shù)據(jù)，剔除構(gòu)造影響，按分布頻率綜合確定。筇竹寺組頁巖含氣量主體為1.5～3.5 m3/t，龍馬溪組頁巖含氣量主體為 2.0 ～4.0 m3/t，含氣量綜合取值2.3 m3/t，由此預(yù)測的海相頁巖氣技術(shù)可采資源為9萬億～11萬億m3，期望值為10萬億m3。

表2 中國頁巖氣形成與富集有利區(qū)評價條件與標準Table 2 Advantageous conditions and standard of shale gas formation and enrichment in China

表3 中國油氣專家對中國頁巖氣資源預(yù)測結(jié)果表Table 3 Prediction list of shale gas resources in China made by Chinese experts萬億m3

對上述預(yù)測結(jié)果進行蒙特卡洛概率綜合(見表4)，中國頁巖氣技術(shù)可采資源量為9.2萬億～11.8萬億m3，期望值為10萬億m3。其中海相頁巖氣技術(shù)可采資源量為7.5萬億m3，煤系頁巖氣技術(shù)可采資源量為2.2萬億m3，湖相頁巖氣技術(shù)可采資源量為0.3萬億m3。中國頁巖氣資源以海相為主(主要分布在南方地區(qū))，占75%;煤系和湖相頁巖氣資源(以上揚子、華北地區(qū)為主)僅占25%(見圖2)。需要說明的是文章對中國頁巖氣技術(shù)可采資源的預(yù)測，除考慮技術(shù)條件外，還考慮了部分經(jīng)濟因素，因此，為介于技術(shù)資源與經(jīng)濟資源間的一個預(yù)測結(jié)果。

表4 中國頁巖氣技術(shù)可采資源總量測算表Table 4 Prediction list of technical recoverable resources of shale gas in China萬億m3

綜上所述，中國頁巖氣資源與煤層氣、致密氣等非常規(guī)天然氣資源大體相當。海相頁巖厚度大、分布面積廣、有機質(zhì)豐度高、有機質(zhì)類型好，先導(dǎo)性試驗已有多口井在四川盆地及周緣下古生界海相頁巖層系獲得工業(yè)氣流，顯示出良好的勘探開發(fā)前景。研究也發(fā)現(xiàn)海相頁巖熱演化程度高，在盆地內(nèi)部埋深較大，經(jīng)濟成本及工程工藝技術(shù)的適應(yīng)性將是海相頁巖氣有效勘探開發(fā)的重要因素;在盆地以外地區(qū)，海相頁巖受多期構(gòu)造活動的疊加改造，斷裂發(fā)育程度、構(gòu)造復(fù)雜程度與頁巖氣保存條件的有效性會成為海相頁巖氣富集的關(guān)鍵因素。

圖2 中國頁巖氣資源構(gòu)成圖Fig.2 Constitute map of the shale gas resources in China

3 中國頁巖氣未來發(fā)展前景

3.1 發(fā)展剛剛起步，具有快速發(fā)展的潛力和良好前景

美國天然氣的利用經(jīng)歷了先常規(guī)氣、后非常規(guī)氣的發(fā)展歷程。美國的頁巖氣早在1821年就已發(fā)現(xiàn)，但直到2000年頁巖氣產(chǎn)量才突破100億m3(實際為112億m3)。21世紀初以來，隨著水平井鉆探及分段多級壓裂技術(shù)的進步，美國頁巖氣勘探開發(fā)取得突破性進展，產(chǎn)量大幅度快速增長。2010年頁巖氣產(chǎn)量達到了1 378億m3，占美國天然氣總產(chǎn)量的23%［1，12］。加上致密氣和煤層氣產(chǎn)量，2010 年美國非常規(guī)天然氣產(chǎn)量已占總產(chǎn)量的60%，助推美國成為全球第一大產(chǎn)氣國，改變了美國天然氣供應(yīng)格局，對世界油氣供應(yīng)格局產(chǎn)生了深遠影響。在美國頁巖氣快速發(fā)展的影響下，全球掀起了一場“頁巖氣革命”，歐洲的德國、英國、法國、瑞典、奧地利與波蘭，亞洲的中國與印度，大洋洲的澳大利亞與新西蘭，非洲的南非等國家開始對本國頁巖氣資源進行前期研究與評價，其中中國、印度、新西蘭已經(jīng)取得了單井突破并進入試驗性開采階段。

同北美相比，中國頁巖氣勘探開發(fā)僅處于起步階段。但自2000年以來，中國已進行了廣泛的前期地質(zhì)條件評價與全國頁巖氣資源潛力調(diào)查，并在多個地區(qū)不同類型頁巖地層中進行了頁巖氣勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗。2009年中國石油與殼牌(Shell)在四川盆地富順—永川區(qū)塊啟動了中國第一個頁巖氣國際合作勘探開發(fā)項目，在四川盆地威遠—長寧、云南昭通等地區(qū)率先開展了頁巖氣工業(yè)生產(chǎn)先導(dǎo)試驗區(qū)建設(shè)。2010年中國石化與英國石油公司(BP)合作開展貴州凱里、蘇北黃橋等地區(qū)的頁巖氣前期評價。與此同時，國土資源部、石油企業(yè)及相關(guān)科研院校開展了中國揚子地區(qū)頁巖氣資源調(diào)查與選區(qū)評價示范區(qū)建設(shè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(見圖3)，至2011年中國已在四川、鄂爾多斯、渤海灣、沁水、泌陽等盆地，云南昭通、貴州大方、建南、銅仁等地區(qū)開展了頁巖氣鉆探與水力壓裂試氣，完鉆頁巖氣井35口(水平井5口)，水力壓裂試氣井14口(水平井2口)，獲工業(yè)氣(油)流井11口(水平井1口)，初產(chǎn)過萬立方米氣井7口，尤其是陽101井(直井)，其初始日產(chǎn)量達6萬m3，在四川盆地、云南昭通實現(xiàn)了古生界海相頁巖氣突破，在四川盆地、鄂爾多斯盆地實現(xiàn)了陸相頁巖氣突破，在泌陽盆地實現(xiàn)了陸相頁巖油突破?？傊?，借鑒北美頁巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗，開展廣泛國際交流與合作，中國頁巖氣勘探開發(fā)已見到好苗頭，相信在國家政策扶持下，通過進一步加強基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)攻關(guān)，加大勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗，中國頁巖氣會得到更大發(fā)展，從而增強中國天然氣開發(fā)利用規(guī)模，實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和環(huán)境質(zhì)量改善。

3.2 未來發(fā)展產(chǎn)量規(guī)模預(yù)測

頁巖氣資源的勘探開發(fā)前景日益凸顯，已引起人們的廣泛關(guān)注，有效利用頁巖氣資源可以在較大程度上滿足未來能源需求。據(jù)預(yù)測，未來全球頁巖氣產(chǎn)量將有較快速度的增長，如美國預(yù)測頁巖氣產(chǎn)量將在2035年占其天然氣總產(chǎn)量的45%以上［1］。

圖3 中國頁巖氣勘探開發(fā)形勢圖Fig.3 Situation of exploration and development of shale gas in China

關(guān)于中國頁巖氣未來發(fā)展規(guī)模，依據(jù)中國頁巖氣資源潛力，已有機構(gòu)預(yù)測2015年頁巖氣產(chǎn)量規(guī)模有望達到65億m3，2020年有望實現(xiàn)800億m3。研究中，按照美國頁巖氣前20年(1980—2000年)平均年新增產(chǎn)量5億m3，后10年(2001—2010年)平均年新增產(chǎn)量90億m3的綜合發(fā)展趨勢，如果中國頁巖氣產(chǎn)量按穩(wěn)產(chǎn)20年，采用Pad井場，每個井場鉆6口水平井，可控制面積3 km2，在不同單井產(chǎn)量規(guī)模下，核心區(qū)面積估算為:單井初始產(chǎn)量為10萬m3/d，最小頁巖氣核心區(qū)面積為0.77萬km2;單井初始產(chǎn)量為8萬m3/d，最小頁巖氣核心區(qū)面積為0.96萬km2;單井初始產(chǎn)量為 6萬m3/d，最小頁巖氣核心區(qū)面積為1.28萬 km2;單井初始產(chǎn)量為5萬m3/d，最小頁巖氣核心區(qū)面積為1.53萬km2。中國頁巖氣有利區(qū)面積為25萬～30萬km2，預(yù)計可以滿足產(chǎn)量目標，即2020年達到100億m3、2030年達到600億m3。

3.3 發(fā)展節(jié)奏預(yù)測

頁巖氣為典型的非常規(guī)氣藏，要實現(xiàn)有效動用，工程工藝技術(shù)和規(guī)?；a(chǎn)是關(guān)鍵。美國經(jīng)過多年攻關(guān)，探索出一套先進的頁巖氣開采技術(shù)，主要有微地震監(jiān)測技術(shù)、水平井+多段壓裂技術(shù)、清水壓裂技術(shù)和近期出現(xiàn)的最新壓裂技術(shù)——同步壓裂技術(shù)。這些先進技術(shù)的規(guī)模推廣應(yīng)用不但大幅提高了頁巖氣單井產(chǎn)能，而且延長了頁巖氣井開采期限;規(guī)?；a(chǎn)(即“井工廠”)方式的采用，縮短了鉆井和壓裂周期，有效降低了頁巖氣開采成本。中國頁巖氣勘探開發(fā)尚為起步階段，發(fā)展基礎(chǔ)與北美頁巖氣成熟區(qū)相比有較大差距。因此，中國頁巖氣勘探開發(fā)不會一蹴而就，需要一定時間的探索與實踐。未來中國頁巖氣勘探開發(fā)應(yīng)采取“三步走”的發(fā)展思路，通過加強工程技術(shù)攻關(guān)和先導(dǎo)試驗、引入市場機制和扶持政策等措施，扎實推進，盡早實現(xiàn)工業(yè)突破和大規(guī)模開發(fā)利用。第一步，“十二五”期間以四川盆地海相頁巖氣為重點，開辟若干先導(dǎo)試驗區(qū)，初步形成適合中國特點的勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)濟有效開發(fā)方式，同時加強全國資源落實和有利區(qū)優(yōu)選，2015年形成10億m3左右工業(yè)產(chǎn)量，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)起步。第二步，“十三五”期間全面突破南方海相頁巖氣，落實核心開發(fā)區(qū)，形成先進適用的勘探開發(fā)配套技術(shù)與裝備，實現(xiàn)規(guī)模開發(fā)利用的起步，并探索陸相和海陸過渡相頁巖氣開發(fā)技術(shù)，2020年產(chǎn)量達到100億m3。第三步，2020年以后形成便捷、高效、低成本和環(huán)境友好的勘探開發(fā)配套技術(shù)，產(chǎn)量快速增長，2030年產(chǎn)量達到600億m3左右。

4 頁巖氣在未來天然氣發(fā)展中具有重要地位

4.1 頁巖氣發(fā)展將有效改善中國天然氣利用比例過低的狀況

頁巖氣成分以甲烷為主，不含硫化氫，相比其他天然氣氣質(zhì)更好。眾所周知，同等條件下，天然氣排放的CO2為石油的67%，為煤的44%;與煤排放的污染物相比，灰分為1∶148，SO2為1∶2 700，NOx為1∶29。若考慮到煤炭開發(fā)利用的外部成本，頁巖氣將比煤炭更具競爭力。

未來發(fā)展中，隨著勘探開發(fā)理論與技術(shù)突破，中國頁巖氣產(chǎn)量將快速增長，推動天然氣消費量整體快速上升。2011年中國已成為全球第四大天然氣消費國，但天然氣在一次能源消費結(jié)構(gòu)中的比例仍然不足5%，與世界平均水平23.8%相差較大，與亞太地區(qū)11.2%的平均水平相比差距也非常明顯，具有進一步加大天然氣消費量、提升消費比例的空間。頁巖氣的大規(guī)模開發(fā)利用必將能夠促進中國天然氣的大發(fā)展。

4.2 中國天然氣需求旺盛，頁巖氣有望實現(xiàn)快速發(fā)展

2009年來美國天然氣年產(chǎn)量突破6 000億m3，成為世界上最大的天然氣生產(chǎn)國，基本實現(xiàn)自給，主要得益于頁巖氣的快速開發(fā)。自1993年中國成為石油凈進口國之后，2011年對外依存度達到56%以上。中國天然氣的情況也不容樂觀，2005年也開始進口。盡管中國天然氣產(chǎn)量大幅度提高，但是需求量加大、對外依存度不斷增加，2011年對外存度超過了20%，預(yù)計將很快超過30%。因此，中國的能源安全問題十分嚴峻，積極開發(fā)中國天然氣后備資源是當務(wù)之急。我國未來頁巖氣發(fā)展應(yīng)以海相頁巖氣為重點，創(chuàng)新管理體制，調(diào)動各方面積極性，大力加強工業(yè)化先導(dǎo)試驗，用5～10年時間，突破關(guān)鍵工程技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)模開發(fā)利用。

5 結(jié)語

1)中國發(fā)育海相、海陸過渡相和陸相三類富有機質(zhì)頁巖，頁巖氣技術(shù)可采資源量為9億 ～12億m3，其中海相頁巖氣最現(xiàn)實，煤系頁巖氣存在很大不確定性，湖相頁巖氣可能具有一定的資源潛力。

2)中國頁巖氣基礎(chǔ)研究與勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗剛剛起步，已見到好苗頭，但大規(guī)模開發(fā)利用需要加強技術(shù)攻關(guān)和準備。預(yù)計2011—2020年將是我國頁巖氣發(fā)展的關(guān)鍵期，將進入技術(shù)試驗、準備與工業(yè)化應(yīng)用階段，初步形成適合我國地質(zhì)特點、低成本的頁巖氣開發(fā)技術(shù)，形成較為完善的有效開發(fā)方式。

3)預(yù)計2020年前后我國頁巖氣年產(chǎn)量為100億m3左右，實現(xiàn)工業(yè)化起步;之后進入快速發(fā)展階段，2030年有望達到600億m3。

4)頁巖氣的發(fā)展將有效助推我國天然氣的快速發(fā)展，提升天然氣在一次能源結(jié)構(gòu)中的比例，對改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全具有重要意義。

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