頁巖氣的基本科普

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面對錯綜復雜，缺乏規律可循的非常規油氣藏，有著現代化鉆井工具的我們就像是當年面對越南游擊隊的美國大兵，裝備精良但是時常碰壁。這是一場游擊戰，對于能源企業來說，必須拋棄掉過去常規油氣資源開發過程中形成的各種思維范式

近日，路透社援引兩位知情消息人士稱，中石油今年計劃在頁巖氣方面支出逾100億元，支出規模是前幾年的三倍多。

就在幾個月前，中石化宣布在頁巖氣領域實現商業性發現，提高了中國在頁巖氣開發利用方面實現突破的希望。中石化的頁巖氣開發集中在重慶市涪陵地區，在該地區已開鑿了近30口頁巖氣試驗性勘探井。

當頁巖氣這個概念開始熱起來之后，我和大家一樣開始對這個領域產生了興趣，甚至比大多數人更進一步——直接跳到了這個領域之中。目睹了國內外媒體，包括不少圈內甚至圈外的企業對這個概念不亦樂乎的各種炒作之后，我想以我入行不到兩年獲得的一點淺見，給對頁巖氣這個概念保有熱切期待的各位做點基本科普。

頁巖氣是一種非常規的油氣資源

頁巖氣顧名思義是儲存在頁巖當中的天然氣，屬于所謂非常規油氣資源的一種。說到非常規，當然就有常規了。

常規規油氣資源的形成，先有靜水環境存在，例如湖泊、大陸架、河口等，然后浮游生物的遺體混合砂礫沉積到水體底部，并且逐漸積累，在高壓高溫無氧的環境當中分解形成烴類物質，并且在浮力的作用下逐漸向更淺的地層遷移，最后被較為致密的巖石形成的圈閉所包圍住。

這就像一杯倒置的雞尾酒，酒杯由致密的巖石組成，最上面的一層是天然氣，中間的一層是石油，最下面的一層是地下水，而這杯雞尾酒里塞滿了“冰沙”——其實就是普通的沙子，只不過被地殼的重力壓得非常緊密，外表上看就是巖石——砂巖。油氣開發所做的事情就是伸一根長長的吸管“油井”——到這杯雞尾酒當中用力“吮吸”。

非常規油氣資源與常規資源最大的不同在于“雞尾酒”里的“冰沙”。事實上，只有一小部分的油藏會非常幸運地儲藏在疏松多孔的砂巖當中，相當大一部分的生油的有機物質沒有埋藏在沙礫當中，而是埋藏在泥淖之中，例如湖泊環境下沉積的有機物，這些沉積物最后會變成空隙比例和滲透性都比較小的巖石，比如說泥巖，也有可能因為年代較久，擠壓得過于致密而形成類似頁巖的礦物，甚至于有可能存在于火山巖這種傳統觀點看來不可能有有機物存在的巖石當中。

總之，由于過于致密而缺乏導流能力，這些有機物形成的烴類物質很難離開它們原本埋藏的巖石環境，也就很難形成“雞尾酒”的效果——一層水，一層油再來一層氣，甚至會形成顛倒的雞尾酒——油在氣的上方，此時油氣界面的毛細管壓力能夠阻止天然氣上浮到油層當中。由此可見，非常規油氣資源的形成過程和常規油氣資源相比，情節更曲折，結局更出人意料，代價就是開采成本也大大地提高了。

從水平井技術到水力壓裂

多年以前，當我對油氣行業還一無所知的時候，我看到了一則斯倫貝謝的廣告短片。一個斯倫貝謝的工程師看到自己的兒子把可彎曲的吸管倒過來，用吸管較短的那一頭去吸附著在雪頂咖啡半球形杯蓋上的冰淇淋。這樣的場景對于大家來說非常容易想象到，因為短的那一頭吸管是水平的，可以非常自如地接觸到杯蓋的內表面。

于是這位工程師父親就像被蘋果砸中腦袋的牛頓一樣，靈光一閃就發明了傳說中的水平鉆井技術。不去吐槽這個故事的真實性，用倒過來的吸管吸取冰淇淋確實是水平井技術的一個絕妙的比喻。那么水平井技術和非常規油氣田有什么關系呢？

與普通的垂直井相比，水平井能夠接觸到的油藏面積要比垂直井要大得多，正如把吸管倒過來能夠吸到的冰淇淋比正常情況下用吸管直接吸要多得多。由于非常規油藏異常致密的巖層，傳統的垂直井往往生產了很短時間以后就干涸了，無法再流出油氣。使用水平井可以大大的延長穩產的時間。另外水平井的使用可以有效減少鉆井的數量，這樣做意味著征地的成本能夠大幅降低。對于人口稠密和土地矛盾尖銳的中國有著非同尋常的意義。

然而對于很多非常規油氣田來說，因為巖層實在是太致密了，即使使用了水平井的技術，能夠流出來的油氣也非常有限。這個時候就必須要用到另一個重要的技術，也許大家已經有所耳聞了，就是水力壓裂。

香港賭片里面有個喜聞樂見的橋段：初入賭壇的男主角，在眾目睽睽之下笨手笨腳地碼起兩列麻將牌，然后很費力地把麻將牌抵在一起并把它們舉起來亮給對方看，結果雙手略微一抖，麻將牌就立刻天女散花了。水力壓裂背后的物理原理跟這個橋段非常類似。

地下的巖石不僅要受到上方巖石的重量帶來的壓力，水平方向上，還會受到板塊作用帶來的擠壓應力，就像被男主角壓在一起的麻將牌一樣。根據牛頓第三定律，應力矩陣是對稱的，因而也是可對角化的，所以巖石當中的應力必然存在兩個主應力方向，分別對應最大和最小應力，且互相垂直（好吧，這句話寫得非常不科普，但這是我能想到的最簡單的解釋）。就像麻將牌橋段里面所看到的，在最大應力的垂直方向（對于麻將牌來說就是和麻將牌之間縫隙的平行方向），也就是最小應力平行的方向上對“麻將牌”巖石，施加一點擾動，“麻將牌堆”巖石就會塌掉。

巖石的垮塌就會形成一條巖石內部的裂縫，可以使得更多的包裹在巖石當中的烴類流出來。 從水力壓裂的角度來說，不光需要有合適的巖石應力，還需要巖石本身夠脆，最好能像玻璃一樣一敲就碎，而不是像橡皮泥一樣不管怎么蹂躪總是一副老樣子。這需要技術手段來了解巖層的組成礦物質成分來進行確定。一旦裂縫成功的生成，下一步就是該如何保持裂縫的形狀，不讓它在地層的擠壓下再次閉合，這就需要向巖層中注入含有堅硬的微小顆粒（過去用沙子，現在有專門生產的陶瓷微粒）的水，當微粒到達裂縫末端可以卡在裂縫中，支撐裂縫不至于閉合。

不是缺乏技術，而是要拋棄傳統思維范式

水平井和壓裂的技術可以分開使用，也可以結合起來，全看油藏的條件如何。目前長的水平井的水平部分可以達到數千米，并且通過它制造了幾十個人工裂縫，其產能可以數十倍于傳統的豎直井——前提是油藏確實有那么大。

很多媒體都在報道說國內企業現在缺乏有效的技術來開發非常規油氣田，這并非是因為打水平井和制造壓裂這兩項技術有多難，事實上國內的油企已經成功地做了不少這樣的項目了。個人認為其中最大的技術難點是確定在哪里打井以及井的方向和軌跡。就像一個很老的《讀者》風格的故事里面說的，在電機外殼上用粉筆標記出繞線錯誤的地點的要價是1美元，而找到這個繞線錯誤的要價是9999美元。

說到人造裂縫，巖層當中經常都會有天然形成的各種裂縫與斷層，可以利用起來提高非常規油田運用常規技術開采的效果。但實際上，了解大尺度上裂縫的分布直到今天都是一個非常困難的技術問題。

面對錯綜復雜，缺乏規律可循的非常規油氣藏，有著現代化鉆井工具的我們就像是當年面對越南游擊隊的美國大兵，裝備精良但是時常碰壁。這是一場游擊戰，對于能源企業來說，必須拋棄掉過去常規油氣資源開發過程中形成的各種思維范式。

為什么是頁巖氣，而不是電力

我們日常生活中的能源種類非常多，頁巖氣作為一種天然氣，在開發和應用中常被拿來比較的電能。現階段來講，最理想的清潔能源到底是什么？我心中的答案是天然氣，實在是因為天然氣有著其他能源無可比擬的優勢。

以需要大量能源的汽車為例。近來的輿論似乎對于電動汽車的前景越來越樂觀，仿佛它與我們的距離已經不再像過去那樣遙遠：美國的著名純電動車制造商特斯拉（Tesla）已經號稱能夠提供和汽油車同樣的續航里程，盡管售價不菲，而其他很多廠商都推出了相對廉價的電動轎車，盡管續航等方面的表現只能說差強人意，就連政府也在出臺各種政策在鼓勵電動車的使用，包括寬松的上牌政策和對公務用車的強制規定，等等。

在我看來，這樣做有點舍近求遠，減少機動車交通對空氣污染的貢獻其實有個更簡單有效的措施，就是鼓勵改裝天然氣車。之所以目前的輿論和政策依然是在捧電動車而冷落天然氣車，個人認為有兩個原因。第一，目前國內的天然氣供應太緊張了，根本無法滿足天然氣車普及之后的需求；第二，電動汽車的上下游可以拉動很多產業的發展，而天然氣車的改裝相對簡單和廉價，無法給經濟發展帶來太多助力。

天然氣的清潔性是毋庸贅述的。天然氣的成分和燃燒產物都非常簡單，而且其中的雜質也非常容易去除，單位熱量所釋放的溫室氣體也遠遠小于其他的化石燃料。考慮到目前世界范圍內發電依然是燃煤發電所主導，天然氣車對環境的影響并不會顯著大于電動汽車。

電動車最大的弊病在于續航和充電時間，由于化學原理的限制，充電電池的能量密度幾乎不可能達到與化石燃料相提并論的地步，因此近來電池方面的研究努力主要集中在減少充電時間上，而相應商業化的過程注定非常緩慢。這也決定了，即便電動車真正實現了大范圍的商業化，長途重載運輸方面我們可能依然需要依賴化石燃料。盡管天然氣也存在能量密度的問題，但是隨著液化天然氣技術的發展，能量密度的問題正在逐步減小。目前國內已經有使用LNG的公交甚至于載重卡車，而美國也已經決定將在運輸領域大規模使用LNG。可以說，目前天然氣車的續航問題較為尖銳的只有轎車了，畢竟轎車無法像大型商用車輛一樣有足夠的空間安裝LNG設備，而目前轎車使用的CNG的能量密度仍比汽油小一個數量級左右。但即便如此，天然氣轎車的續航能力依然要優于目前絕大部分電動汽車，且充氣時間也要遠遠優于后者的充電時間。

天然氣車的最吸引人的優點當然是廉價，普通的天然氣罐加裝的成本只有兩三千元，而天然氣的燃料成本僅是汽油的三分之一左右。誠然，與高大上的Tesla比起來，天然氣車給人的刻板印象是行駛在三四線城市當中各種QQ夏利奧拓改裝的屌絲車，但正是由于它的草根，可以預期天然氣車的普及在合適的環境形成之后將會是非常迅速的過程。

價格與環境：影響頁巖氣開發的兩個因素

既然天然氣在清潔能源領域的優勢如此大，那么為什么中國頁巖氣的開發遠遠落后于國外呢？第一個問題就不得不說說天然氣的價格。

事實上，對于天然氣的價格，國內的普通民眾的心態是非常矛盾的。同樣的天然氣，家庭主婦會抱怨它價格太高，因為她們的比較基準是煤氣，而且往往忽視了熱值的概念；司機們會覺得天然氣的價格很良心，因為他們的比較基準是汽油；而對于我們來說，天然氣的價格實在是太低了，低到難以撬開國內頁巖氣開發的大門。國內的人口密度和地質環境決定了國內的頁巖氣的開發成本注定很高。

如果沒有高氣價的支持，國內的頁巖氣潛力將長期停留在紙面上，而經濟發展將仍舊停留在對煤的依賴之上。天然氣的定價機制正是最近一段時期國內政界和企業界熱議的話題，希望一個理性的機制能夠幫助我們平衡好經濟發展和環境保護的需要。

目前頁巖氣另一個引人注目的話題是其開發過程中的環境影響。就我們目前開發的地層來看，深度多在2000米以上，離常用的地下水層還是非常遠的（美國媒體提到對于頁巖氣環境影響經常會引用一張照片：一個賓夕法尼亞的居民扭開水龍頭，水龍頭里面流出天然氣。這個問題有點詭異，因為水龍頭流出天然氣幾乎只有一種可能性，就是他們用的不是自來水，而是用機井直接從地下水層中抽出來的地下水）。

個人認為頁巖氣開采最值得關注的風險可能在于水力壓裂造成的地震。有記錄顯示，四川盆地天然氣井的注水作業很可能已經引發了若干次4級以上的地震，且都是震源在地下三四千米的淺層地震。這也是頁巖氣研究領域最近火熱的一個問題。（作者系能源工程碩士，油藏工程師）

美國的“頁巖氣革命”

世界上對頁巖氣資源的研究和勘探開發最早始于美國。依靠成熟的開發生產技術以及完善的管網設施，美國的頁巖氣成本僅僅略高于常規氣，這使得美國成為世界上唯一實現頁巖氣大規模商業性開采的國家。

數據顯示，2010年美國頁巖氣產量已經超過了1000億立方米。在過去的5年里，美國頁巖氣產量增長超過20倍——從2006年僅為其天然氣總產量的1%，到2010年增長至美國天然氣總產量的20%。有關專家指出，依靠頁巖氣的開發利用，在未來的10年里，美國不僅可以一改天然氣大舉進口的局面，實現全面的自給自足，還有望成為液化天然氣出口國。

美國的“頁巖氣革命”已經動搖了世界液化天然氣市場格局，并且這一影響還將愈發顯著，進而改變世界能源格局。得益于非常規天然氣尤其是頁巖氣開發技術的突破，2009年美國以6240億立方米的產量首次超過俄羅斯成為世界第一天然氣生產國。產量地位的更替使美國天然氣消費長期依賴進口的局面發生逆轉。美國專家興奮地認為，有了頁巖氣，美國100年無后顧之憂。

頁巖氣的開發，特別是美國頁巖氣產量的急劇增加，使這個大多數人還十分陌生的能源話題成為熱門。悄然降臨的“頁巖氣革命”開始對全球天然氣供需關系變化和價格走勢產生重大影響，并引起天然氣生產和消費大國關注。頁巖氣的開發利用，成為低碳經濟戰略發展機遇的推動力，成為世界油氣地緣政治格局發生結構性調整的催化劑。