对页岩气成因及工业前景的思考

崔永强 杨永斌 马广宇 林丽娜 张楠楠 孟德福

大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆，163712

地质·矿床

对页岩气成因及工业前景的思考

崔永强*杨永斌 马广宇 林丽娜 张楠楠 孟德福

大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆，163712

页岩本身并不生气。以页岩为储层的油气藏，以裂缝为主要储集空间，即传统的裂缝性泥页岩油气藏。北美页岩气在以硅质胶结和以硅岩为主的储层中，产量偏高。这一现象从硅质的来源上，指出页岩气与碱性地幔流体的必然联系。阿巴拉契亚盆地深度3000m以下的页岩气，甲烷同系物碳同位素值完全反序排列，从地球化学角度证明页岩气来自地幔。如果页岩仅仅是储层而非气源岩，我国“页岩气十二五规划”探明页岩气储量6000×108m3和2015年产量65×108m3的目标将失去地质依据。因巨大的环境隐患，页岩气开发所必需的水力压裂法已在英、美、法、德、瑞士、保加利亚、澳大利亚等国立法禁止，在南非推迟发放所有的水力压裂法开采许可证。页岩气开采带来的环保问题不仅仅是有害气体向大气泄露，还有超过260种有害化学物质随着每次10000m3压裂液返排到地表，不断重复地向页岩气开采地区排放，将造成空前的污染。同时造成工业和民用供水短缺。美国页岩气被市场分析师称为“伪商业产品”，价格在成本区间内。我国计划到2020年页岩气产量达600×108～1000×108m3，根据美国的经验，起码需要2万口页岩气井，10年内所需投资将达到4000亿～6000亿元。显然，页岩气即将成为吞噬中国几十年经济发展成果的黑洞，即将成为破坏我们生息环境的“切尔诺贝利”。

页岩气 水力压裂法 环境保护 石油地质学 烃碱流体 幔源油气理论

1 研究背景

鉴于目前中美双方已签署了《中美关于在页岩气领域开展合作的谅解备忘录》等多项政府部门间合作文件、国土资源部已发布文件将页岩气作为独立矿种、国家已制定“十二五”《页岩气发展规划》、我国石油企业已投资上百亿美元购买国外页岩气区块及产权并正在引进国外技术进行国内页岩气勘探和开发，在此形势下，对页岩气相关理论及应用技术应用的研究显得尤为紧迫和重要。

2 中国地质大学倡导的页岩气成因、成藏理论难以自洽

据张金川等【1】，“页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。在页岩气藏中，天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中，为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果，表现为典型的‘原地’成藏模式”。

问题在于：页岩是不是气源岩？有机成因倡导的干酪根生油，不符合热力学第二定律。在面积无限广大的沉积层中的极其分散的有机质（干酪根）在某种未知过程中生油，并在某种未知的力量下从沉积岩中运移出来并汇聚成为可以开采的油气藏，这就是有机成因。由干酪根降解生成油气，这个过程必须吸热（据实验室干酪根降解生油的经验），但沉积层本身无法提供200℃以上的高温，所谓时-温补偿原理因反应物没有达到活化温度而失效。退一步讲，即使有条件生成油气，那么也没有力量让极其分散的、占地层质量0.01%的油气聚集成藏，因为这不符合热力学第二定律所规定的“熵增”原理。前苏联 “寒武系粘土中挤出水和油的实验”（据H.A.库德梁采夫等，1958）表明，即使在1000kg/cm2的压力下，仍会有质量3%～4%的石油遗留在粘土中。

以往认为有机成因三条主要立论依据【2】：①石油的旋光性；②石油的生物标志化合物；③世界99%的油气田都分布在沉积岩区。目前已认识到它们并不支持有机成因【3】。

3 页岩气即常规裂缝性泥页岩油气藏

据李新景等【4】，“北美地台有101个盆地，是世界著名产油气区，油气田数量大约35 000个，其中大油气田约占世界的1/5～1/4。从寒武系至新近系均有油气发现，产层及其分布与北美大陆地质背景密切相关。己发现页岩气盆地主要分布在被大陆边缘演化为前陆盆地的区域和古生界克拉通地台区，常规油气资源丰富”。所以，在这样的地质环境中，只要页岩层有裂缝、断裂与油气源沟通，其中发现油气不足为奇。

“黑色页岩层系中常发现裂缝性油气藏，如前苏联西西伯利亚上侏罗统Bazhenov页岩油藏、美国W illiston盆地Bakken页岩油藏、北美泥盆系、石炭系、侏罗系以及白垩系裂缝性页岩气藏、我国渤海湾盆地、松辽盆地以及西部沉积盆地均发现裂缝性油气藏”。裂缝性泥页岩油气藏的存在是个普遍现象。

4 泥页岩中吸附气、游离气开采恐无工业价值

泥页岩是全世界钻井中均能钻遇的油气藏的盖层，有无工业前景应早有定论。所以，美国成功开发的页岩气田，情况并不乐观。

据孙永祥等【5】，“页岩气勘探开发需要巨额投资，而目前投入产出效益并不理想。从经济角度看，有的页岩气田开发并不划算。因为页岩气分布相当分散，即使在美国，不同地区页岩气的赋存状态、开发技术参数差异都很大。页岩气田的含气泥质岩层厚，埋藏很深，开采成本很高。如美国页岩气开采历史最长的得克萨斯州北部的巴尼特页岩气田，含甲烷的页岩埋藏在面积为13 000 km2、深450～2000 m、地层厚度为12～270 m的区块内，原计划页岩气年开采量要达到365×108m3，需钻探20 000多口井。到2006年，已钻探了6080口井，开采出页岩气200×108m3；到2008年底，已钻11 800口井，但2009～2010年的产量并未增加很多。美国最大的马塞勒斯页岩气田也处于起始阶段，其泥质岩层厚度有8～80 m，从纽约州延伸到田纳西州的总面积约为14× 104km2，埋藏深度为700～3 000 m。据不同估价，其页岩气地质储量为（4.5～15.2）×1012m3，页岩气可采系数为0.1。该气田需钻探10万～22万口井，每口井价值为300万～400万美元。因此，仅用于钻井的投资至少为3000亿美元。由于页岩气开采在巨厚地层的区块进行，每开采1000 m3页岩气的生产成本为80～150美元，折旧费用为100～200美元，而页岩气的销售价格只有不低于350～500美元/1000 m3才能保持盈亏平衡。就目前情况看，要完全实施马塞勒斯页岩天然气项目是绝对不现实的”。

据郭勇刚等【6】，“一份美国最新研究报告《21世纪天然气将为美国供给燃料》的作者David Hughes对于页岩气的长期可持续性提出质疑，他认为基于美国从2008年开始减少钻井活动，页岩气产量最终注定要下降。另外开采页岩气带来的环境问题也是一个需要认真考虑的问题。报告认为美国不应该用天然气代替煤炭在发电中的基础地位或者在运输部门代替石油。他认为美国天然气产量的增长是2006～2008年间大量钻探活动产生的‘附属品’，当时平均每年钻探33 000口石油或天然气井，而2008年下半年爆发经济危机后，由于油价下跌，钻探活动锐减，2011年美国即使按照计划钻探2万口井，如果没有大幅的产量增加，页岩气产量将会下降”。

5 水力压裂法已被欧美澳多国立法禁止

据李洋【7】译自美国《Scientific American》中的文章，“纽约州2009年12月出炉了一份报告，列举了利用水力压裂法开采马塞卢斯页岩天然气过程中使用化学制剂对环境造成的隐患。报告中公开了260种化学制剂的名称，比宾夕法尼亚州规定允许使用的数量多了7倍。

环境学家一直都在搜寻水力压裂法开采天然气过程中使用化学制剂的相关信息。他们指出，当化学制剂被注入地下，或者弃之垃圾堆，甚至是在被运往水处理厂的过程中，都存在产生污染的风险，最终影响河流和饮用水源。

美国中部的科罗拉多州2008年通过一项法律，要求能源企业公布化学制剂的名称，但只对那些用量超过189.27L（50 gal）的化学制剂有效。即便是这样低的要求，能源企业都难以达到”。

另据报道【8】：“在法国，民众因害怕水力压裂法破坏环境，强烈反对页岩气开采。法国环保人士4月甚至举行示威活动，要求政府对页岩气勘探颁布禁令。2011年6月末，法国议会通过了禁止应用水力压裂技术的法案。由于目前没有其他成熟技术可用于页岩气开采，法国事实上已经成为了第一个对页岩气开采明确说‘不’的国家。

水力压裂法从其应用之初即被各种非议、争论所包围。如今，继北美、欧洲之后，这一饱受争议的天然气开采方法又被引入了南非，但同样带来了一场围绕环保和开采地居民权利的争论。在‘绿色和平组织’和‘非洲地球生命’等环保团体的强烈反对和游说下，南非政府将推迟发放所有的水力压裂法开采许可证。

波兰目前同样面临着巨大压力。据波兰媒体报道，开采地区附近的居民抗议对页岩气的开采。由于通过水力压裂法开采页岩气可能导致地下水污染，因此，这成为民众主要关心的问题。此外，波兰人口密度是美国的4倍，一旦威胁到饮用水，后果将不堪设想”。在页岩气开发屡屡受挫之后，2009年12月，波兰同意与俄的购气合同再延长37年。

据介绍【9】，英国能源公司Cuadrilla Resources日前在英格兰西北地区发现大量页岩气储备，一方面为英天然气界带来产业兴盛的希望，但同时也迫使英国不得不正视另外一个麻烦的问题：是否引入水力压裂法开采页岩气。法国、瑞士以及美国几个州已经相继禁止了水力压裂法的应用，而英国当局仍然迟迟没有行动，不管是延迟勘探时间还是加大额外监管力度。

据悉，英国政府没有出台限定非常规资源勘探深度法规的打算，仍将按照海上油田开发的旧法规来实行。按海上油田开发的旧法规，500～1000m井深，10 000m3/d方能达到工业气流标准准予开发，而1000～2000m井深的工业气流标准是30 000m3/d。页岩气的产量每日仅1000m3，远低于这个开采门槛。事实上，英国悄然无息地禁止了本土页岩气开采。

据报道【10】，“在5月10日举办的第八届中国能源投资论坛上，有专家指出，开采页岩气要环保先行，避免走稀土开采带来严重环境破坏的覆辙。‘在中国页岩气大规模开采前，如果不能建立环境保护的框架，那么未来的开采可能就是一场灾难’。因担心页岩气开发带来的环境污染问题，近期还有业内专家专门上书国务院，建议在水污染问题解决之前慎重开发页岩气。

据《明镜周刊》援引不愿具名官员消息称，德国经济部长罗斯勒和环境部长罗特跟上周就明确表态，同意暂不在德国进行页岩气生产。《明镜周刊》称，罗斯勒向身边人士表示，还须对水力压裂法等几项技术进行考察，以便对其带来的环保问题进行全面评估。

美国环保署（EPA）日前发布了一项针对页岩气开采的新法规，法规将对页岩气开采中因使用水力压裂技术所造成的空气污染加以控制。这是美国控制页岩气开采造成环境污染的首个法规。

该法规要求到2015年1月，所有采用水力压裂法进行页岩气开采的气井都必须安装相关设备，以减少可挥发性有机化合物及其他有害空气污染物的排放，如苯和正己烷等。该项法规将对目前美国约13000口天然气井产生影响。据悉，EPA早在2011年7月就提出了对水力压裂法气井进行控制的初步建议，当时美国石油协会和其他行业协会都认为这项计划实施的时间进度太紧。因此美国环保署在最终颁布这项法规时，将具体实施时间推迟了两年多，在此期间，这些气井在生产中可以通过燃烧的方法减少甲烷和其他污染物的排放”。

向来重视环保的美国竟拖延执行环保法两年之久，值得深思。

6 反思——国际能源大博弈方兴未艾，需站在战略高度看待能源问题

众所周知，BP公司带头把向日葵和玉米转化成汽车用的酒精，中国引进该技术，曾造成重大经济损失。用玉米生产的乙醇是“二次能源”，无论从经济效益、社会效益和环保角度看，都是得不偿失的。

“石油巨头BP公司日前宣布与美国第三大天然气生产商Chesapeake能源公司达成合资意向，将出资19亿美元收购Chesapeake能源公司Fayetteville页岩资产25%的权益”。“2008年7月18日，BP公司宣布以17.5亿美元收购Chesapeake能源公司位于美国俄克拉何马州Arkoma盆地的Woodford页岩勘探区约362.2km2（9万英亩）租赁区块的全部权益及天然气开采权”。“加上BP所参与的东得克萨斯州Haynesville页岩项目，BP已成功完成对北美洲的三大页岩勘探区域的战略布局，为BP带来10亿桶油当量的资源”【11】。

BP公司做的，我们未必要做。

我们对页岩气的认识与BP公司设在中国的“北京国际能源俱乐部”总裁陈新华博士的认识完全相反。据北京国际能源俱乐部【12】，“美国天然气的大规模发展源于其清洁低碳、提高能源安全、协助可再生能源发展的优势。天然气比石油的碳排放低30%，美国天然气储量丰富，价格有竞争力”等优势。

现在看，所谓“清洁低碳、提高能源安全、协助可再生能源发展的优势”，已经不复存在。其环境极度损害、稳定供给无保障、碳排放与煤相当、价格低于成本等种种弊端已暴露无遗。

据陈宏杰【13】，“生物燃料经过2007～2008年玉米乙醇疯狂后，整个行业已经完全垮掉。商人没能找出一个适合规模生产并产生合理回报，加大投资几乎等于增加亏损，资本大量撤出乙醇行业。加乙醇的成品油仍然是个次要角色，除了巴西，全球没有其他地区真正进入大范围运用。面对糖价大幅上升，乙醇油前景更为难测”。

“从巴聂特页岩的数据显示，分析师阿瑟伯尔曼发现，天然气生产率下降惊人，大约一年后将损失50%以上产能，且此类恶性情况出现在巴聂特九成以上已开采气井。于是伯尔曼形容天然气是一种‘伪商业产品’，他甚至预计首批井生产后5年内因为输出量过低，大部分页岩气井将遭废弃”。

陈宏杰补充，“还有一个问题，之前未阐述，美国天然气平均生产成本为0.247～0.282美元/m3（7～8美元/Mcf），现价大约0.143～0.179美元/ m3（4～5美元/MMBtu）的情况下，大多数新井根本没有商业价值”。

英国皇家国际事物研究所的最新研究报告显示【14，15】，美国页岩气的快速发展已经导致全球多数地区常规天然气领域投资的大幅削减，这或将导致未来十年全球天然气供应的短缺。是福是祸，很难确定。

“英国石油（BP）的首席经济学家Christof Rühl认为: ‘页岩气革命’所拥有的力量令所有人震惊。美国国家石油协会（National Petroleum Council）曾在2003年估计，北美地区的可再生页岩气储量可能高达1.1万亿m3。而美国国际先进能源公司（Advanced Resources International）2011年所作的估算则表明，实际数字可能50倍于国家石油协会的估计”【16】。从2003年到2011年，北美地区的页岩气储量增加50倍，其储量估算的随意性令人质疑。

据吴恺媛【17】，“《纽约时报》引述多封业界及地质学家内部电邮，质疑油企高估页岩气盈利前景，夸大油井蕴藏量，甚至将相关投资形容为庞氏骗局。

油公司一致唱好页岩气之际，却未有说明开采的难度和成本，虽然美国本土的确有不少活跃油井，但通常被大范围产量较低、开采成本较高的油井包围，而且不少主要油井的产量跌幅亦比想象中快”。

7 结论和建议——“页岩气事件”凸显我国石油科学严重落后，必须重建中国的石油地质学理论

据悉，中国工程院14位院士力谏开发非常规油气并正在开展页岩气重大咨询研究项目【18，19】。这些专家秉持石油有机成因。

石油有机成因随精密仪器自西方引入我国。现在看来，精密仪器并不代表先进科学理论。有机成因所依据的是石油与油藏附近泥岩中烃类的亲缘关系。如果考虑到石油极易运移，泥岩中的烃类完全可以从外部渗入进去，考虑到石油中还有大量生物毒性的金属成分，甚至是地幔来源的金属，考虑到生物标记物并非生物特有而是广泛分布在宇宙中，陨石和地幔岩捕掳体中都有烃类抽提物，考虑到世界石油分布的不均匀性、波斯湾地区拥有世界60%的储量，我们还有什么理由坚持有机成因呢？

“一般认为泥页岩主要由粘土矿物组成，其次为碎屑矿物如石英、长石和少量自生非粘土矿物，包括铁、锰、铝的氧化物和氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、硫化物、硅质矿物及一些磷酸盐等。实际上其矿物组成与含量变化很大。富含SiO2（有时高达85%以上）者为硅质泥页岩；含大量碳化有机质者为碳质泥页岩；含较多分散有机质和硫化铁者为黑色泥页岩”【4】。

可见泥页岩并没有离开碳硅泥岩系【20】的范畴。泥页岩的碳、硅、泥三元组分和热液岩石的三元组分：石英（玉髓等）、碳酸盐（方解石、白云石、菱铁矿等）及热液蚀变粘土矿物完全相当【21】。“脆性矿物（如硅质、碳酸盐等）富集的泥页岩比主要由粘土矿物等构成的岩石更容易产生裂缝”，这些泥页岩的主要成分并非泥质而是SiO2，其实就是硅岩或硅质岩。而硅岩是地幔烃碱流体造成的碱交代作用排硅的产物。这就引出一个已经回避20年的重要概念——地幔烃碱流体。而地幔烃碱流体才是正确认识油气来源的关键。

来自北美阿巴拉契亚盆地志留系和奥陶系的非常规气【22】，深度大于3000m的碳同位素全部表现为反序排列（δ13C1＞δ13C2＞δ13C3），系幔源特征。这是该地区天然气来自地幔的直接证据。根据烃碱流体地球化学原理，硅质和烃类正是地幔烃碱流体上升到浅层的两大端元产物。

否定页岩生气，就是否定有机成因。当前石油科学研究最重要的任务，即重建石油地质学理论。大庆油田有5000万t以上稳产22年的勘探开发经验，有连续8年开展幔源石油天然气地质研究的经历，有全国公认的幔源二氧化碳和幔源烃类气田。在此特别向国家有关部门推荐，以大庆油田为依托，设置《松辽盆地幔源油气地质特征研究》国家项目，建立石油地质学新理论，建立新的石油勘探开发指导原则。

1 张金川，金之钧，袁明生. 页岩气成藏机理和分布[J]. 天然气工业，2004，24（7）: 15～18

2 西北大学地质系石油地质教研室. 石油地质学[M]. 北京： 地质出版社，1979

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4 李新景，胡素云，程克明. 北美页岩气资源形成的地质条件[J]，石油天然气工业，2009，29（5）：392～400

5 孙永祥，张晶. 相关国家页岩气勘探开发概况及启示[J]. 天然气技术与经济，2011，5（2）：3～5，77

6 郭勇刚，毛燕飞. 专家预测美国页岩气产量将下降[J]. 北京石油管理干部学院学报，2011，（5）： 14～16

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8 顾永强. 页岩气开发：带刺的“玫瑰”[EB/OL]. 中国石化新闻网，2011-09-21

9 中国能源报. 水力压裂法令英国页岩气无所适从[N]. 中国能源报， 2011-10-06

10 高凌云. 页岩气开发中国提速德国暂停，专家称环境污染或酿灾难[EB/OL]. 全球石油化工网，2012-05-14

11 徐沛宇. BP再次投资页岩气开发完成北美勘探区战略布局[EB/OL]. 人民网，2008-09-11

12 北京国际能源专家俱乐部. 支持页岩气成功发展的美国监管政策[J]. 国际石油经济，2011，（1～2）： 107～109

13 陈宏杰. 油价还在成本区间. 股市动态分析[J]. 2009，（45）： 28

14 晓华. 页岩气快速发展，福兮?祸兮?[J] 中国石油石化，2011，（21）：16

15 The ‘Shale Gas Revolution’: Hype and Reality[EB/OL]. A Chatham House Report by Paul Stevens. September 2010. www.chathamhouse.org.uk

16 郭栋梁，编译. 天然气革命[J]. 中国海关，2011，（9）：72～73

17 吴恺媛. 油企吹捧页岩气前景疑高估[N]. 香港经济日报，2012-05-08

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20 杜乐天. 烃碱流体地球化学原理[M]. 北京： 科学出版社. 1996. 356～361

21 杜乐天. 硅桥问题——兼及当代热液成矿理论的概念更新[J]. 矿床地质，1992，11（1）：13～20

22 Burruss.R.C， Laughrey.C.D. Carbon and hydrogen isotopic reversals in deep basin gas： Evidence for limits to the stability of ydrocarbons[J]. ELSEVIER，Organic Geochemistry，2010，41：1285～1296

ON THE SHALE GAS ORIGIN AND ITS INDUSTRIAL PROSPECTS

Cui Yongqiang Yang Yongbin Ma Guangyu Lin Lina Zhang Nannan Meng Defu
E&D Research Institute of Daqing Oil Field Company Ltd.，Daqing，Helongjiang，163712，China

Shale can not generate gas，and shale gas reservoir is just traditional fractured mud and shale gas reservoir with shale as its reservoir and fractures as its reservoir spaces. In North America，shale gas reservoirs containing mainly siliceous cementation and siliceous rock，with relatively high production. Consequent relationship between shale gas and alkali mantle fluid is pointed out from view of siliceous source. Shale gas in depth of ＞3000m in Appalachian Basin has completely inverted sequence of methane homolog carbon isotope value，geochemically proving its mantle source. If shale is only reservoir not source rock，Chinese 12thfive-year-plan with a target of 6000×108m3proved reserves and 65×108m3production in 2015 will lose geological basis. Because of enormous environmental hazards，hydraulic fracturing for development of shale gas is prohibited by legislation in Britain，the United States，Germany，Switzerland，Bulgaria and Australia. All hydraulic fracturing licenses are deferred in South Africa. Issues caused by shale gas development is not only harmful gas revealed to atmosphere，but also 260 kinds of harmful chemicals flow back continuously to surface with 10000m3fracturing fluid，causing much contamination to environment and water shortage of industrial and civil use. In America，shale gas is called “false-commercial product” by market analyst，with price within cost interval. China plans to 2020 shale gas production reached 60～100 billion cubic metres. According to American experience，at least 20000 shale gas well needed，within 10 years the investment required to reach 400～600 billion yuan. Apparently，shale gas will become the black hole that engulf the achievements of Chinese decades economic development，and might be a "Chernobyl" that destroying descendants living environment.

shale gas; hydraulic fracturing，environmental protection，petroleum geology，hydrocarbon alkalic-fluids，mantle hydrocarbon theory

TE122

A

1006–5296（2012）02–0065–06

*第一作者简介：崔永强（1965～），男，石油地质专业，高级工程师。研究方向：构造地质、深部流体、油气成因。E-mail: cyq_52@sina.com; cuiyongqiang@petrochina.com.cn, 联系电话：13945976152.

2012-01-08；改回日期：2011-05-21;2012-06-11