頁巖氣產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)態(tài)勢(shì)分析

頁巖氣產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)態(tài)勢(shì)分析

執(zhí)筆人：葉曉芊

頁巖氣近年來在美國獲得了快速發(fā)展，有效改變了北美地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)。商業(yè)化運(yùn)作的成功，得益于一批關(guān)鍵技術(shù)的成功開發(fā)和大規(guī)模應(yīng)用。本期簡報(bào)基于上海市軟科學(xué)研究基地——上海市前沿技術(shù)發(fā)展研究中心的研究成果，對(duì)頁巖氣產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理，分析其存在的技術(shù)瓶頸和未來發(fā)展方向。

一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，離不開早期技術(shù)的漫長積累和持續(xù)攻關(guān)。頁巖氣本質(zhì)上仍是以甲烷為主的一種天然氣，18世紀(jì)即被勘探發(fā)現(xiàn)。相比常規(guī)天然氣，它具有分布范圍廣、開采壽命長的優(yōu)勢(shì)，氣田產(chǎn)期長達(dá)30-50年。只因其賦存于泥頁巖層，具有致密低滲的特點(diǎn)，導(dǎo)致開采難度大、產(chǎn)能低，無法在經(jīng)濟(jì)上獲益，長期以來產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢。

然而，對(duì)頁巖氣的技術(shù)研究卻從未停滯。從1821年打下第一口氣井，到20世紀(jì)40年代壓裂技術(shù)的誕生，頁巖氣領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新活動(dòng)持續(xù)經(jīng)歷了近兩百年時(shí)間。直到本世紀(jì)初，在一批重大革命性技術(shù)的突破之下，開采困難和低產(chǎn)能的問題得到了較好解決，“頁巖氣革命”得以卷土重來，正式走上了規(guī)模化發(fā)展之路。

北美在頁巖氣關(guān)鍵技術(shù)上的重要突破

頁巖氣的開采過程分為勘探、鉆井和測井、井下作業(yè)及采氣四個(gè)階段。新的技術(shù)著眼于鉆井和測井、井下作業(yè)兩個(gè)主要環(huán)節(jié)，依靠更加高性能的成套設(shè)備，大幅提升了作業(yè)效率，具體表現(xiàn)為三方面：

水平井架構(gòu)的提出和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。水平井架構(gòu)是相對(duì)于垂直井而言的，即在地下“橫向”鉆井，深入產(chǎn)層內(nèi)部，通過采取多個(gè)井孔、擴(kuò)大出氣面積的方法，來提高產(chǎn)量。其中的關(guān)鍵技術(shù)包括：隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向和監(jiān)測技術(shù)，用于掌握地下井況和地質(zhì)特征，來定位和指導(dǎo)作業(yè)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高精度、實(shí)時(shí)性和較強(qiáng)抗干擾的性能，電阻率、實(shí)時(shí)陣列聲波、核磁共振等多種隨鉆測井工具獲得應(yīng)用；定向鉆井技術(shù)，用于控制井眼軌跡，使得鉆井作業(yè)更加精確快速，其中最先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，能夠?qū)@井時(shí)間縮短到一半以上；鉆頭復(fù)合材料技術(shù)，在大幅提高鉆速的同時(shí)，保持較好的穩(wěn)定性、清潔度和耐受性。

水力壓裂技術(shù)日趨成熟。水力壓裂也是一種增產(chǎn)方法，通過向井孔注入高壓混合液（水、固體支撐劑、化學(xué)添加劑），擴(kuò)大和保持住氣藏巖層裂開的孔隙，從而提高每個(gè)井孔的采氣效率。經(jīng)過多年發(fā)展，水力壓裂技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，表現(xiàn)在兩方面的多樣化上：一是技術(shù)解決方案，根據(jù)地質(zhì)條件和氣井實(shí)際情況，逐步形成了7種壓裂方案（表一）；二是壓裂液品種，固體支撐劑和化學(xué)添加劑已發(fā)展到數(shù)百種，可以較好適應(yīng)不同的地層閉合壓力，確保減阻、殺菌、防腐等功效，增強(qiáng)孔隙導(dǎo)流能力，提升產(chǎn)氣性能。目前，“水平鉆井+水力壓裂”方案已經(jīng)成為主流，為北美各大氣田采用。

壓裂成套裝備市場不斷繁榮壯大。壓裂成套裝備主要由地面車輛、井下工具和軟件三塊組成。在新的自動(dòng)化技術(shù)、制造技術(shù)、材料技術(shù)的帶動(dòng)下，壓裂成套設(shè)備性能不斷提升，市場日趨繁榮。目前，地面車輛方面，已形成包括壓裂車、混砂車、儀表車在內(nèi)的壓裂作業(yè)車組，以及儲(chǔ)液罐、輸砂設(shè)備、高低壓管匯、高壓井口等基礎(chǔ)設(shè)施組成的龐大體系。井下工具方面，根據(jù)井型和壓裂方式的不同，針對(duì)性開發(fā)了封隔、酸化、快鉆橋塞、分簇射孔等各類工具。軟件方面，壓裂設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬、完井增產(chǎn)一體化等輔助軟件在全世界范圍獲得了廣泛應(yīng)用，海量的決策數(shù)據(jù)庫已經(jīng)形成。

歸納北美地區(qū)在頁巖氣技術(shù)攻關(guān)上的經(jīng)驗(yàn)，主要有三點(diǎn)：

一是充分借助了美國油氣工業(yè)和先進(jìn)科技的優(yōu)勢(shì)。美國的油氣工業(yè)已有一百多年歷史，產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系完整而發(fā)達(dá)，從開采設(shè)備到集成軟件一應(yīng)俱全。頁巖氣的技術(shù)突破，一方面，充分借用了傳統(tǒng)石油和天然氣技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，包括引入氣藏分析、數(shù)據(jù)收集和地層評(píng)價(jià)、鉆井、完井及生產(chǎn)等一系列成熟技術(shù)；另一方面，頁巖氣的開采設(shè)備制造和系統(tǒng)開發(fā)，又與美國在信息技術(shù)、高端制造、機(jī)器人等方面的先進(jìn)科技成果相得益彰，進(jìn)一步提升了自動(dòng)化和智能程度。

二是專業(yè)技術(shù)服務(wù)的全方位介入。斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等一批國際知名的油田服務(wù)公司，自始至終貫穿于頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展之中，為其提供全面、細(xì)致的配套技術(shù)服務(wù)。這些服務(wù)包括了集成應(yīng)用方案和施工規(guī)劃、井下作業(yè)系統(tǒng)和工具優(yōu)化、壓裂液配制和增產(chǎn)工藝、微地震監(jiān)測和數(shù)據(jù)決策咨詢等多個(gè)方面，覆蓋了頁巖氣開采的全過程，有力促進(jìn)了頁巖氣技術(shù)的快速體系化和定制化。

三是政府與產(chǎn)業(yè)界保持了密切合作。頁巖氣的發(fā)展，重演了美國政府與產(chǎn)業(yè)界合作的精彩故事。雙方保持了密切關(guān)系，在地質(zhì)條件評(píng)價(jià)和氣藏分析、巖石力學(xué)和裂縫形成機(jī)理研究、壓裂液性能研究、裝備基礎(chǔ)材料研究等多個(gè)方面合作開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究和模擬實(shí)驗(yàn)，大大加速了早期產(chǎn)品和技術(shù)方法的論證進(jìn)程。1991年，美國能源部桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)出3D微地震成像及地質(zhì)地圖技術(shù)，地球物理維里達(dá)斯集團(tuán)、斯倫貝謝、貝克休斯等多家企業(yè)隨后推出微地震技術(shù)服務(wù)。

表一 水力壓裂技術(shù)的特點(diǎn)及其適用性

存在的技術(shù)問題和風(fēng)險(xiǎn)

盡管頁巖氣的產(chǎn)業(yè)化取得了空前成功，然而現(xiàn)有方案卻并非完美無暇。新的技術(shù)伴生出一系列新的問題，亟待調(diào)整和改進(jìn)。

水力壓裂方法本身耗水量巨大。美國頁巖氣田的單個(gè)鉆井平均耗水量約在1-1.5萬立方米。如果不能正確控制鉆探取水的頻率、時(shí)間和地點(diǎn)，大量增加的頁巖氣開采用水將對(duì)周邊的水資源和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響（如地表和地下水枯竭、水質(zhì)惡化、含水層儲(chǔ)水和可持續(xù)利用能力喪失等）。在我國，70%的能源開采區(qū)域都與缺水區(qū)高度重合，該問題將會(huì)更加嚴(yán)重。

壓裂液回流導(dǎo)致了地表和水污染。這是目前頁巖氣開采的主要爭議之一。壓裂所用的高壓混合液，70%將從地下循環(huán)回流到地表和淺水層。而經(jīng)測算，每1萬立方米回流壓裂液中就含有50噸化學(xué)物質(zhì)（苯、甲醇、烴類化合物、重金屬及放射性礦物質(zhì)等），若不及時(shí)處理，將對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來巨大污染。美國已有數(shù)起較大的污染事件。2011年，一部反映頁巖氣污染的紀(jì)錄片《Gas Land》獲奧斯卡獎(jiǎng)，觸目驚心的畫面讓民眾和部分州政府對(duì)頁巖氣前景憂心忡忡。

壓裂作業(yè)可能引發(fā)更多地震。《科學(xué)》、《地質(zhì)學(xué)》、美國地質(zhì)調(diào)查局等權(quán)威機(jī)構(gòu)研究表明，水力壓裂及污水處理作業(yè)會(huì)改變頁巖層原有應(yīng)力狀態(tài)，誘發(fā)斷層滑移現(xiàn)象。這一結(jié)論得到了北美、歐洲等地的數(shù)據(jù)和案例的佐證。2009年以來，美國中西部地區(qū)地震頻發(fā)，在頁巖氣主要產(chǎn)區(qū)——俄克拉荷馬州，3級(jí)以上的地震年均25次，而此前半個(gè)世紀(jì)的均值僅為1.2次。2012年，美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布報(bào)告稱，上述地震“幾乎可以肯定是人為的”，將矛頭直接指向了污水處理作業(yè)。

“頁巖氣熱”導(dǎo)致溫室氣體排放激增。在“轉(zhuǎn)變美國能源未來”的美好愿景煽動(dòng)之下，巨額資金涌入頁巖氣領(lǐng)域，導(dǎo)致供大于求、產(chǎn)能過剩。大量多余的頁巖氣只能放空燃燒，帶來了驚人的溫室氣體排放和大氣污染。據(jù)世界銀行估計(jì)，五年來，美國放空燃燒的天然氣量增長了三倍，上升至俄羅斯、尼日利亞、伊朗和伊拉克之后的世界第五位。2012年，美國巴肯頁巖氣產(chǎn)區(qū)燒掉的多余天然氣較去年增長了50%，個(gè)別州政府發(fā)放的放空燃燒許可數(shù)翻了兩番以上。

頁巖氣資源總量仍存在不確定性。頁巖氣的總量規(guī)模十分龐大，但可開發(fā)的資源數(shù)量多少仍然有待商榷。一方面，頁巖氣產(chǎn)業(yè)化歷史尚短，產(chǎn)量衰減的規(guī)律有待進(jìn)一步摸索；另一方面，頁巖氣項(xiàng)目開發(fā)難度較大，平均成功概率只有10%左右，對(duì)于埋藏更深的頁巖氣的勘探開發(fā)更是難上加難，統(tǒng)計(jì)蘊(yùn)藏量時(shí)都應(yīng)當(dāng)充分考慮。2012年，被認(rèn)為世界最大的美國Marcellus頁巖氣田蘊(yùn)藏量再次被大幅調(diào)低，從11.6萬億立方米降至3.99萬億立方米，減少了65%。

下一步改進(jìn)方向

作為一種可能蘊(yùn)藏巨大的清潔能源，頁巖氣的發(fā)展確實(shí)值得世界去關(guān)注和期待。面對(duì)存在的環(huán)保問題，國際上各類組織、跨國企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)都在抓緊研究應(yīng)對(duì)舉措。從技術(shù)上看，下一步方向包括：

攻關(guān)替代化學(xué)添加劑和水處理技術(shù)。一方面，改進(jìn)經(jīng)營效率，減少淡水用量，安全存儲(chǔ)和處理回流壓裂液，加強(qiáng)污染物監(jiān)測，提升水資源的循環(huán)利用率。另一方面，減少對(duì)化學(xué)添加劑的使用，開發(fā)和利用對(duì)環(huán)境更加友好的替代品。

推進(jìn)開采設(shè)備的節(jié)能降耗。頁巖氣溫室氣體排放中很大一部分來自傳統(tǒng)的開采設(shè)備，包括壓縮機(jī)/引擎、脫水器、監(jiān)測與維護(hù)設(shè)備、管道、氣壓控制裝置、儲(chǔ)罐系統(tǒng)等。為此，要加強(qiáng)改造升級(jí)，提升上述設(shè)備的自動(dòng)化程度和運(yùn)轉(zhuǎn)效率，降低碳排放。

繼續(xù)開展氣藏地質(zhì)機(jī)理研究。進(jìn)一步理解巖石、流體、化學(xué)物質(zhì)之間交互的地質(zhì)化學(xué)性質(zhì)，及地質(zhì)層與模擬流體之間關(guān)系，不斷完善現(xiàn)有的資源評(píng)估框架體系，提高頁巖氣預(yù)測的可靠性，準(zhǔn)確判斷勘探開發(fā)價(jià)值，并為壓裂技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)打下基礎(chǔ)。

建立新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和框架體系。從化學(xué)、大氣、地質(zhì)等多個(gè)角度出發(fā)，建立針對(duì)頁巖氣技術(shù)的環(huán)保評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和框架體系，進(jìn)一步加強(qiáng)管控。目前，國際能源署（IEA）已經(jīng)設(shè)計(jì)了一套“黃金規(guī)則”，用于防止氣井泄漏、降低溫室氣體排放、嚴(yán)格監(jiān)控廢水排放等，美國也開始對(duì)水力壓裂技術(shù)的影響、化學(xué)添加劑毒性等進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)。

重新考慮可再生能源技術(shù)。從長遠(yuǎn)來看，發(fā)展太陽能、風(fēng)能等可再生能源仍然是未來的主要趨勢(shì)之一。因此，要加大對(duì)可再生能源技術(shù)的支持力度，依靠研發(fā)投入、規(guī)模化建設(shè)及推廣應(yīng)用，提高其經(jīng)濟(jì)性。目前，歐洲部分地區(qū)可再生能源并網(wǎng)平價(jià)已可預(yù)見，德國2012年的光伏電力已經(jīng)接近了電網(wǎng)平價(jià)。

（作者就職于上海科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，本文受軟科學(xué)項(xiàng)目資助）