發布時間：2021-03-06所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：中國作為北美之外最大的頁巖氣生產國，隨著頁巖氣勘探開發的持續快速推進，在埋深3500m以淺的海相頁巖區已經建成200108m3的頁巖氣年產規模。未來全國埋深3500m以淺頁巖氣能否繼續穩產上產、埋深超過3500m的深層頁巖氣的開發潛力如何，既是評價和判斷未
摘要：中國作為北美之外最大的頁巖氣生產國，隨著頁巖氣勘探開發的持續快速推進，在埋深3500m以淺的海相頁巖區已經建成200×108m3的頁巖氣年產規模。未來全國埋深3500m以淺頁巖氣能否繼續穩產上產、埋深超過3500m的深層頁巖氣的開發潛力如何，既是評價和判斷未來中國頁巖氣資源開發潛力和發展前景等的前提，也是決定能否在川渝地區建成“天然氣大慶”的關鍵。為此，通過總結中國頁巖氣理論認識和工程技術發展成果，分析頁巖氣資源的開發潛力，預判了未來的發展前景。研究結果表明：①在頁巖氣理論體系方面，明確了海相深水陸棚筆石黑色頁巖形成條件及頁巖氣富集機理，建立了“甜點區”和“甜點段”地質理論，初步構建基于“人造氣藏”的頁巖氣開發理論，建立了四川盆地南部地區深層優質頁巖厚度大、保存條件好、發育微裂縫與超壓的頁巖氣富集高產模式;②在頁巖氣工程技術方面，水平井多段壓裂等關鍵工程技術實現了跨代發展，支撐了中國僅用6年時間就實現了頁巖氣年產100×108m3、其后又用2年時間實現了年產200×108m3的歷史性跨越;③在頁巖氣資源方面，明確了四川盆地中淺層海相頁巖氣是產業發展的“壓艙石”，而深層海相頁巖氣則是未來產量增長的主體，以川南海相頁巖為重點具備還可探明頁巖氣地質儲量超6×1012m3的資源條件，可以支持頁巖氣產量持續快速增長。結論認為，通過加快對于埋深3500～4000m頁巖氣資源的開發，2025年全國頁巖氣年產量可以達到300×108m3;考慮到埋深4000～4500m頁巖氣資源開發突破難度較大，2030年頁巖氣有望落實的年產量為350×108～400×108m3。
關鍵詞：頁巖氣;海相頁巖氣;深層頁巖氣;非海相頁巖氣;四川盆地;“天然氣大慶”;開發潛力;年產氣規模
0 引言
世界能源發展已經進入從化石能源向新能源轉換的關鍵期，天然氣作為最清潔的化石能源，是化石能源向新能源轉換的“橋梁”或最佳“伙伴”[1]。北美“頁巖氣革命”成功，使美國由天然氣進口大國轉變為出口大國，深刻改變了世界天然氣供給格局[1-3]。全球頁巖氣資源豐富，水平井多段壓裂等技術是頁巖氣資源開發的成熟有效技術[1-3]，在美國頁巖氣示范效應的帶動下，中國和阿根廷也實現了對頁巖氣資源的有效開發，產量持續快速增長[4-5]。近年來，水平井密切割、地下光纖監測和大數據人工智能等新技術的應用，推動頁巖氣開發再次實現跨越式發展。但近期受新冠肺炎疫情和產油國出口博弈等因素的影響，全球油氣價格持續走低，國內外頁巖氣開發面臨著新的形勢[6]。
作為北美之外最大的頁巖氣生產國，通過10余年勘探開發攻關，中國以四川盆地及其鄰區為重點，實現了海相頁巖氣資源的有效開發[1,3]。以四川盆地埋深3500m以淺的海相頁巖區為重點，2020年全國實現頁巖氣產量200×108m3，其中中國石油天然氣集團有限公司(以下簡稱中國石油)在蜀南的長寧、威遠和昭通等區塊實現頁巖氣產量116×108m3，中國石油化工集團有限公司(以下簡稱中國石化)在涪陵、威榮頁巖氣田實現頁巖氣產量84×108m3。隨著頁巖氣開發的持續快速推進，明確埋深超過3500m深層頁巖氣的開發潛力如何，既是判斷未來中國頁巖氣資源開發潛力和發展前景等的前提，也是決定能否在川渝地區建成“天然氣大慶”的關鍵。
1 世界頁巖氣發展概況
2020年世界頁巖氣總產量為7688×108m3(增長3.2%)，其中美國7330×108m3、中國200×108m3、阿根廷103×108m3、加拿大55×108m3，美國是世界頁巖氣開發的主體。
1.1油氣開發形勢
美國頁巖油氣成為全球油氣產量增長的主要領域，“頁巖革命”推動美國實現“能源獨立”[4,7]。據美國能源信息署(EIA)的數據，2020年美國頁巖氣產量為7330×108m3，占其天然氣總產量的約80%;2019年美國頁巖氣產量增長957×108m3，占全球天然氣產量增長率的73%。2020年美國致密油/頁巖油產量為3.5×108t，占其原油總產量的比例超過50%;2019年美國致密油/頁巖油產量增長0.6×108t(增長19%)，占全球原油產量增長率的66%。2019年美國能源產量為22.6×108噸油當量(tonoilequivalent，縮寫為toe)，消費量為22.2×108噸油當量，已經基本實現了“能源獨立”。
2020年受新冠肺炎疫情的影響，國際原油價格一直低位徘徊，美國頁巖油氣行業出現了“破產潮”(HaynesandBoone，2020，據國外網站新聞報道)，頁巖油氣產量大幅度下跌后有望在2020年第四季度開始恢復(EnergyVoice，2020，據國外網站新聞報道)。2020年4月20日美國西德輕質原油價格(WTI)為-37.6美元/桶(EIA，2020)。當油價低于35美元/桶，30%的頁巖油氣公司資不抵債，20%的頁巖油氣公司面臨財務危機。大批企業申請破產，誘發了全行業進入“破產潮”。2020年將有170家從事頁巖油氣的公司破產，是2019年的2.3倍，行業資產減值超過3000億美元(Haynes，2020，據國外網站新聞報道)。2020年5月份頁巖氣產量減少400×108m3/a以上，致密油/頁巖油產量減少近4000×104t/a;2020年6月份產量開始逐步恢復。此次深度破產重組后，在2020年第四季度頁巖油氣產量完全恢復。
1.2幾點認識
1)美國政府主導超前布局“能源獨立”戰略，是“頁巖油氣革命”成功的關鍵。1976年美國政府通過《能源部重組法案》，在能源部(DOE)主導下設立了天然氣研究院(GTI)和非常規天然氣研究項目，28年持續投入油氣科技項目超過50億美元[8];1979年頒布《原油意外獲利法》第29條，對1980年到1993年期間鉆探并于2003年之前生產和銷售的非常規氣實施稅收減免[9]。
2)依靠科技和管理創新提質提效，是推動頁巖油氣行業持續快速發展的永恒主題。近10年北美頁巖油氣開發技術和管理革新不斷升級換代(圖1)。以Marcellus氣田為例，2012年以來頁巖氣開發技術多次革新，地質工程一體化和工廠化等管理模式不斷創新，頁巖氣開發效率大幅度提升。2012—2017年，以密切割為主體的4代技術跨越，助力頁巖氣單井最終可采儲量(EUR)由1.2×108m3提高至4.0×108m3。2018年以來，以大數據為主導的第5代技術，推動頁巖氣開發成本再降低(幅度超過30%)[10]。
3)依托現場先導科技試驗，多方緊密結合面向生產的科研攻關模式值得借鑒。美國GTI主導在多個盆地開展了不同類型的頁巖油氣開發科技先導試驗，創新關鍵理論技術，有效推動了頁巖油氣田的高效開發。2010年以來，GTI主導并聯合技術服務公司和生產企業，在Marcellus、Permian和EagleFord等頁巖油氣田開展先導試驗，有針對性地解決生產問題，頁巖油氣采收率由10%～15%提高至35%以上[11]。
4)依靠完善的市場機制，低油氣價格下實現頁巖氣低成本的產業深度整合后，頁巖油氣行業有望快速復蘇。盡管美國頁巖油生產成本在30美元/桶左右，但在高額的債務負擔下，需要WTI油價超過57美元/桶，行業才有可能實現盈利[6]。2020年Brent國際原油平均價格為41.85美元/桶，在此輪低油氣價格的影響下，通過完善的市場機制，大量從事頁巖油氣的公司破產重組，有利于行業短期擺脫高額債務危機。當前國際原油價格在40美元/桶以上，美國頁巖油氣行業在2020年第四季度逐步恢復生產(EnergyVoice，2020，據國外網站新聞報道)。
2 中國頁巖氣開發進展
中國頁巖氣產量從無到有，僅用6年時間就實現了年產100×108m3，其后又用2年時間在深埋3500m以淺實現了年產200×108m3的歷史性跨越，在深埋3500～4000m深層實現突破發現，創造了中國天然氣發展史上的奇跡。
2.1中國頁巖氣開發歷程
2.1.1 合作借鑒階段(2007—2009年)
此階段國內學者引入美國頁巖氣概念，在地質評價的基礎上，明確了四川盆地上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組和下寒武統筇竹寺組兩套頁巖是中國頁巖氣的工作重點，找到了長寧、威遠和昭通頁巖氣有利區，并啟動了產業化示范區建設。該階段屬于中國頁巖氣產業的啟蒙階段(圖2)。2007年中國石油勘探開發研究院與美國新田石油公司聯合開展了“威遠地區頁巖氣聯合研究”，2008年在長寧構造北翼鉆探我國第1口頁巖氣地質資料井——長芯1井，確定四川盆地五峰組—龍馬溪組為頁巖氣工作的主力層系[3-4]。2009年12月中國石油批復了《中國石油頁巖氣產業化示范區工作方案》，確立了長寧、威遠和昭通3個頁巖氣有利區，啟動了產業化示范區建設，初步提出年產15×108m3的頁巖氣發展目標[3-4]。
2.1.2自主探索階段(2010—2013年)
此階段通過努力攻關與實踐，中國頁巖氣地質理論及開發認識取得重要進展，明確了四川盆地海相五峰組—龍馬溪組頁巖氣的開發價值(表1)，發現了蜀南和涪陵兩大頁巖氣區，是中國頁巖氣產業的發展突破階段(圖2)。2010年，中國第一口頁巖氣井——威201直井，在龍馬溪組頁巖段壓裂獲得頁巖氣測試產量0.3×104～1.7×104m3/d，解決了有無頁巖氣的問題[3,12-13];在北美以外首次在頁巖中發現孔徑介于5～100nm的納米孔隙;中國石油勘探開發研究院率先在川南長寧雙河地區，建立了第一批五峰組—龍馬溪組數字化露頭剖面[3,12-13]。2011年中國石油在長寧區塊實施了寧201-H1水平井10段壓裂，獲得頁巖氣測試產量15×104m3/d，成為中國第一口具體商業開發價值的頁巖氣井[3,12-13]。2012年中國石化經過多年不斷探索，在重慶涪陵地區以五峰組—龍馬溪組頁巖為目的層，鉆探了焦頁1HF水平井，獲得頁巖氣測試產量20.3×104m3/d，發現了涪陵頁巖氣田[14-15]。2013年中國石化啟動了涪陵區塊頁巖氣井組開發試驗[14]。此外，陜西延長石油(集團)有限責任公司、中國華電集團公司和神華集團有限責任公司等投入超過50億元人民幣，在四川盆地以外開展了大量的海相、陸相和海陸過渡相頁巖氣的勘探評價工作，但總體效果欠佳[3]。
相關期刊推薦：《天然氣工業》(月刊)1981年創刊，是經國家科委和國家新聞出版署批準出版的全國唯一全面報道天然氣工業的綜合性科技期刊。重點反映天然氣工業在勘探、開發、鉆采、儲運、處理、加工方面的科學研究、工業生產和技術應用成果，并通過廣告促進天然氣工業界和相關產品和技術信息交流。
國家十分重視頁巖氣產業發展，從多方位支持頁巖氣產業的發展。2010年，國家能源頁巖氣研發(實驗)中心揭牌成立，2011年在國家科技重大專項中設立頁巖氣項目。2011年，國土資源部發布公告，確定頁巖氣為獨立礦種，2011—2012年通過兩輪招標共計出讓19個頁巖氣區塊。2012年，國家發展和改革委員會(以下簡稱發改委)、財政部、國土資源部和國家能源局聯合發布了《頁巖氣發展規劃(2011—2015年)》，提出了2015年實現頁巖氣65×108m3的發展目標。2012年，發改委批準設立了涪陵、長寧—威遠、昭通和延安4個國家級頁巖氣示范區;財政部和國家能源局發布了《關于出臺頁巖氣開發利用補貼政策的通知》，對2012—2015年開發利用的頁巖氣補貼0.4元/m3。在國家政策的大力支持下，中國石油和中國石化兩家企業以四川盆地為重點，2013年實現了頁巖氣年產量2×108m3的生產突破。
2.1.3工業化開發階段(2014年至今)
此階段中國頁巖氣有效開發技術逐漸趨于成熟，埋深3500m以淺頁巖氣資源實現了有效開發，埋深3500m以深頁巖氣開發取得了突破進展，四川盆地海相頁巖氣已經成為我國天然氣產量增長的重要組成部分，是中國頁巖氣產業的跨越發展階段(圖2)。
中國石油實現了川南地區五峰組—龍馬溪組海相頁巖氣的有效開發。2014年，中國石油啟動了川南地區26×108m3/a頁巖氣產能建設，2015年實現頁巖氣產量13×108m3。“十三五”期間，中國石油加快頁巖氣開發步伐，以長寧、威遠和昭通埋深3500m以淺頁巖氣資源為主實施產能建設工作，截至2019年底，累計探明頁巖氣地質儲量10610×108m3，2019年生產頁巖氣80.3×108m3，2020年生產頁巖氣116.1×108m3。
中國石化實現了涪陵、威榮區塊五峰組—龍馬溪組海相頁巖氣的有效開發。2014年，中國石化啟動涪陵氣田產能建設工作，通過兩輪建設2016年實現頁巖氣產量50×108m3。2017年，在涪陵區塊實施頁巖氣立體開發，實現頁巖氣持續穩產上產，并啟動威榮氣田產能建設。截至2019年底，累計探明頁巖氣地質儲量7255×108m3，2019年生產頁巖氣73.4×108m3，2020年產量達84.1×108m3。
國家繼續強力支持頁巖氣產業發展。2016年，國家能源局發布了《頁巖氣發展規劃(2016—2020年)》。2015年，財政部發布《關于頁巖氣開發利用財政補貼政策的通知》，對2016—2018年開發利用的頁巖氣補貼0.3元/m3、2019—2020年開發利用的頁巖氣補貼0.2元/m3。2018年，財政部、稅務總局印發《關于對頁巖氣減征資源稅的通知》，對2018年4月1日—2021年3月31日生產的頁巖氣減征30%資源稅。2020年，財政部發布《清潔能源發展專項資金管理暫行辦法》，明確2020—2024年通過多增多補的方式延續頁巖氣補貼政策。
在川南、涪陵頁巖氣田開發取得突破后，全國頁巖氣產量加快增長，2018年頁巖氣產量達到108×108m3，2019年產量為154×108m3，2020年產量超過200×108m3。2014—2019年中國天然氣產量增長550×108m3，其中頁巖氣占產量增長貢獻率的28%，已經成為中國天然氣產量增長的重要組成部分(圖2)。
2.2理論技術進展
通過10余年的勘探開發攻關，四川盆地海相頁巖氣基礎地質理論認識取得了重要的進展，埋深3500m以淺海相頁巖氣開發技術成熟配套，埋深介于3500～4000m海相頁巖氣開發技術基本形成。
2.2.1基礎理論取得重要進展
2.2.1.1 五峰組—龍馬溪組海相頁巖儲層具有高有機質含量和高納米級孔隙度的“兩高”特征
2010年，對川南頁巖氣儲層的分析結果表明，龍馬溪組底部總有機碳含量值(TOC)超過3%的頁巖厚度介于10～20m，威201井在國內首次發現孔徑介于5～100nm的納米孔隙[12-14]。采用分子動力學模擬，考慮頁巖微觀孔隙表面水膜厚度，甲烷可動孔喉半徑均值為5.0nm[4,16]。通過分析大量中下揚子五峰組—龍馬溪組頁巖樣品發現，納米孔隙是頁巖氣的主要儲集空間(圖3)，占總有效孔隙度的60%～80%[12-13]。研究發現，川南五峰組—龍馬溪組頁巖TOC>3%儲層的孔隙度介于3%～8%。——論文作者：鄒才能1,2 趙群1,2 叢連鑄3 王紅巖1,2 施振生1 武瑾1 潘松圻1
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