从页岩气革命看中国资源勘探的战略方向

2013-03-27张抗

地质与资源 2013年4期

张抗

（中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京100083）

1 美国页岩气革命的巨大成功

本世纪初美国一批中小石油公司把在致密砂岩油气开发中的关键技术系列（水平井和压裂等）成功运用到页岩中后，首先导致页岩气产量快速上升，使其年产量由百余亿立方米迅速增至2011年的1751×108m3、2012 年的约 2540×108m3.页岩气产量的激增改变了美国持续约30年的天然气产量下降和停滞之势，使2005～2008年和2008～2011年间气产量年均增长率分别达3.75%和4.49%.仅以2011年计，比2010年增长达7.81%,终于使美天然气产量超过俄罗斯而居世界首位.天然气产量迅速增加使气价大幅度降低，从本世纪初的百万英热单位（MMBtu）大于10美元降至2美元左右，迫使生产商加大与页岩气伴生或共生（即处于相同层位且开采方式相近）的页岩油的开发以保证公司的盈利，这使在页岩气仍持续增长的同时页岩油的产量亦高速增长.正是基于此，美国石油产量亦扭转了持续近40年的降势，2008年以来出现了持续快速增长，到2011年的3年间年增率为4.94%.与之对比的是同期世界石油产量年增率为0.26%，这使美国成为同期石油年增产量最大的国家.据美国能源信息署（EIA）2011年预测，2035年美天然气产量可达8210×108m3、为2011年的126.1%，其中非常规气共占74%，而发展最快的页岩气就占了46%.美国2001年仍为世界天然气第一进口国，净进口量占世界的24.4%，但按其乐观的估计，美在2016、2025年将依次为液化天然气和管道气的净出口国.预测2020年美页岩油产量可达1×108t，加上深海及其他领域的进展2035年前后有成为世界第一产油国的可能性.配合节能节油、生物液体燃料和新能源的替代，这个最大的石油进口国（本世纪初进口依存度仍大于60%），届时其石油进口依存度可降10%~20%.这使之可在南、北美洲范围内基本满足其石油的供应，摆脱了对动荡地区石油的依赖，从而实现“能源独立”的梦想［1］.在 2035年前后，美国以页岩油气为代表的非常规油气产量将超过常规油气并使南北美洲成为新的油气生产-出口带.静悄悄的页岩气革命就这样地改变了美国和世界的能源格局，进而影响着世界经济的发展.而从另一角度来看，也对油气地质学理论和实践［2］、对资源勘探产生着重大影响.

2 页岩气革命对资源勘探开发的启示

2.1 开拓低品位资源

人们利用地下资源总是遵循由易到难的发展道路.从可经济获得上看这个发展，首先表现在地表条件的难度、地下埋深及其复杂程度的不断增大上，进而表现在资源本身的品位的不断降低上.而后者可从（可采储量）丰度、规模、易采性和分离提纯的难度上定性、定量地评价.对于石油（Petroleum，包括原油（Oil）和天然气（Gas），但习惯上总是译为石油）来说，人们长期将勘探开发目标集中在圈闭（首先是背斜型，继而是地层-岩性型）内孔渗性较好的储层上，其品位高体现在丰度高，一般说其地层压力大而易于以自喷和抽提方式获得较高的单井日产量，从而取得较好的经济效益.而即使是较大型的圈闭，在地球表层的广大三维空间上看亦是非常局限的“点”，在复杂的地下去寻找这样的点（特别是其最重要的揭示验证手段是在地下数千米深度上用直径10 cm左右的钻井），其难度是相当大的.

在现代石油工业诞生百余年后，人们勘探油气的思路仍停留在圈闭和“好”储层上.明知此外仍有油气存在（甚至数量很大），但却无法用已知的技术实现经济开发.于是，把当时能开发的那部份油气称为常规油气，把当时尚不能经济开发者称为非常规油气.进入石油时代的人类社会对油气的迫切需求使勘探不断向纵深发展.首先，在最易发现的隆起背景上简单背斜圈闭多己被勘探后，人们更看重地层-岩性圈闭，目标向拗陷内部和向斜延伸.所寻找的圈闭越来越小、类型更复杂.进而，新勘探开发对象的储层物性越来越差.孔渗性参数的变小不但使单位体积储层中含油气量降低，而且使其流动性变差，难以流入井筒被采出.对于孔渗性很低的岩石，人们称之为致密（储）层，其最主要的是砂岩类的储层，习惯上就把具有典型低品位特征的致密砂岩中的油气直称为致密油气.为了从其中采出油气而采取了两类方法：打水平井以大为增加储层与井筒间的接触面积；用压裂等方法改造储层增加其孔缝并使其沟通.这些措施都可以使油气易进入井内被采出并因单井日产量提高而获得经济效益.于是非常规油气中的致密油气开发率先被突破并投入规模开发.广义地说，煤层和页岩类也属于致密性地层，当将致密（砂岩）油气勘探开发的成熟配套的技术体系应用于煤层和暗色页岩层系时就促成了煤层气和页岩油气的开发［3］.从这个角度上可以说，以页岩油气为代表的非常规油气是人类向低品位油气资源开拓的重大进展.

然而，资源赋存的不均衡性决定了品位越高者其总体赋存量越小，降低品位下限往往可获得成倍、乃至成数量级增长的赋存规模.这就反映了低品位油气最值得关注的另一侧面：它一旦可为人们利用，就能以巨大的规模保障经济需求和可持续发展，为人类带来可观的总体经济效益.

2.2 勘探开发思路的转变

当从致密砂岩向煤层和暗色页岩发展时己开始了油气勘探开发思路的革命性变化.将近一个半世纪的时期内，人们所探索的对象都是油气“二次运聚”的产物.油气分子或微粒从煤层、特别是暗色富有机质烃源岩（煤和页岩属之）层系中形成并和地层水一起聚集成流体谓之一次运聚，它们被从生烃层中排出并在圈闭内高孔渗储层中形成油气富集则为二次运聚.在这种思路指导下，人们不会把烃源岩作为勘探开发的目的层.但煤层气和页岩油气的开拓则反之，要另辟蹊径，要去关注那些仍残留在生烃层中的油气，这就从根本上改变了一个半世纪以来人们习以为常的找油气思路和理论［2］.为此，在勘探开发理论、方法、技术工艺等各方面必须要有相应的改变、创新.

从现今油气勘探的实践和理论高度上回顾现代石油工业发展史，我们惊讶地发现己取得的辉煌成就是沿着一条路行走而获得的，而可望找到油气的探索之路远不止这一条，多条路径将引导我们发现更广阔的天地.从常规油气上看，从传统的背斜圈闭向非背斜圈闭的转变才刚刚开始，还有许多陆地、海洋的新区新领域等待开拓 .从非常规油气上看，有其富含的有机质尚未经历生油气热演化的油页岩（其更确切的名称应为油母页岩），有尚与地下水互溶而形成的水溶气和天然气水合物，有经过二次运移聚集而含油气却在后期经历储层致密化而难以开采的致密油气，有生成并运聚富集成藏而后被氧化改造后形成的重稠油和沥青砂岩，更有尚残留在生烃层中的煤层气和页岩油气.多种非常规油气的总和要比己知的常规油蕴藏高1~2个数量级！复杂的地质演化历程决定着地下资源多样的赋存形式［5］.每当我们从实践中认识到一个新的资源赋存形式并克服多种障碍去实现其勘探开发时就会带来一大批可利用资源的出现.这就是勘探者所希望的“领域新突破”.一个个新突破的累积促进了不可再生资源的持续开发，保障着经济的可持续发展.页岩油气的发展正是这种勘探思路改变带来资源利用跨上新台阶的良好范例.

2.3 技术创新是实现新类型新领域突破的关键

人们知道除了已被开发的资源之外还有相当多未被开发、未被认识的资源.于是总有一批人不甘拘于现状而努力开拓资源开发的新路.从客观环境上看，允许、鼓励独立思考创新思维的社会氛围、促使创新实现的成熟的市场需求为这种开拓创造了条件.从主观上看，善于借鉴不断涌现的新认识、新理论（特别是相邻学科），善于从不断失败中总结经验的人往往会首先摘到探索的成果.而从经济开发的角度上看，实现这种创造财富的新途径关键在于技术的创新、完善、配套.没有水平井、压裂等技术就不可能从致密砂岩中获得油气，没有它们与多种技术、工艺形成配套的技术系列并大幅度地降低成本也还不能实现其规模开发.而试图将其应用于亦属致密的煤层、页岩层中时又开始向新领域的探索.去探索百余年的石油工业史上“无人问津”的暗色页岩是勇敢而重要的思路创新.令人深思的是，走出这开拓第一步的却不是大牌公司的石油专家，而是一个叫切萨皮克的房地产商.然而，使这套技术适用于页岩气的规模勘探开发却用了17年的时间，其成功主要归功于各类工程设备和施工专家在其特殊领域中对技术工艺的改进并使之适应于页岩油气.进一步看，在这个过程中，对不同地质特点（如中国）、不同类型（如不同时代、不同岩相岩性特点）的页岩也还要有技术工艺的创新才能实现其经济开发［6］.页岩油气开发实践又反过来大为促进水平井系列、压裂系列以及配套的完井固井测井、微地震监测和页岩含油气预测等配套技术系列的发展，这使得美国页岩油气的增长速度后来居上超过起步于前的致密油气和煤层气.显然，哪怕是已有了探索新领域的新思维，要实现其突破、实现其经济开发还必须有相应的技术创新，必须有技术水平上台阶的提高.

3 中国矿产资源勘探的战略指向

3.1 锲而不舍地向多种低品位资源开拓

油气资源向深度开拓的过程也体现在其他地下资源上.按其品位和数量的特点，资源的赋存被形象地称为金字塔，高品位的资源居于金字塔的顶端但其数量并不大.它可首先被人发现，也首先被人们利用.品位越低越居于资源金字塔的低部位，但它的规模更大，金字塔向下一个单位高度，其体积增大不止是一倍，而可能是一个数量级.矿业发展进步的重要标志之一就是其矿石的有用矿物含量下限的不断降低，使矿与非矿的边界值不断下降.一般来说，在矿物含量下限已定的条件下，首先找到的是规模大的矿床，随着时间推移矿床规模总体变小.对此，甚至有人将此推演出矿床规模排列呈指数下降的曲线和公式，成为以数学地质方法预测可能发现某种规模矿床（包括油气田）的方法之一.但是如果其经济下限值有一定幅度的降低，新发现矿床的规模就可不服从上述“公式”而猛然增大，在相当长时间的找矿难有突破的困局后会发现新的巨型，甚至世界级的矿床［7］.矿业史上这样的实例屡见不鲜.

降低矿石中有用矿物含量经济下限的途径之一是改进选矿水平，不断借鉴其他学科中涌现的新理论新技术新工艺是其捷径.这方面的实验室探索和小规模的实验一直没停止过.可以说它是地质勘探和开发利用之间的桥梁，也是多学科多工种相结合的科研前沿.但也许正因为它处于被人为分割为多学科的“边缘地带”而使基础科学和地质找矿实践性学科都对其认识不足，成为薄弱环节，使其进展远不能适应资源勘探开发的要求.

在得到精矿和富矿方面，以往多局限于采出后的地面选矿.地浸技术开采砂岩型铀矿给了我们重要启示，开拓了找矿和选矿思路.它使许多不具经济价值的铀赋存转而成为重要的铀矿床类型，产生了一批“世界级”大矿.

3.2 大力推进资源的综合勘探开发利用

前面提到了在美国天然气价格急剧下降使页岩气获利大幅降低，甚至部分井部分地区亏损时，开发商们加强了伴生共生的页岩油开发，不但保障了页岩气产量持续增长，而且“意外地”使美国石油产量大增.这个实例再一次雄辩地说明了综合勘探、综合开发、综合利用的重要性.如果说还有少许遗憾的话，那就是美国的实业者对此还缺乏自觉性、预见性.

无论从元素看还是从矿物看，不同地下资源总是有规律地组合赋存的，其中对我们最重要的规律是有用矿物的伴生和共生.从地下流体角度看，油气水可互溶而伴生：在地下溶于油的气为溶解气，溶于气中的油是凝析油，溶于水中的气为水溶气和天然气水合物（此二者皆属非常规气），天然气中伴生的氦（如俄罗斯远东的克科维金气田）、溶于地下热水中的氦（如我国的渭河盆地）则是航天和军工中的重要材料，而常与它们伴生/共生的还有卤水中的盐类.在沉积岩系（广义地说甚至可包括夹于其内的火山岩）内各类沉积矿产有规律地共生和伴生，特别是油气、煤、盐类（包括钾盐）、沉积型铀矿❶于德福，王俊.内蒙古大营铀矿的煤铀兼探之路（一）—（三）.地学哲学通讯，2012（增刊）:14—19.等我国特别重要/急缺的资源的共生是业内所熟知的.即使仅以煤系来说，煤系中的煤和暗色页岩是油气的源岩，本身也可赋存煤层气和页岩油气；其间的灰岩和砂岩可赋存常规油气和非常规的致密油气；煤层上下、甚至其夹矸中多常见油页岩、铝土矿、黏土（包括耐火黏土）矿［8］.特别要指出的是，许多采矿的废弃物，弃之为害，用之为宝，利用了不仅可化害为利，甚至使整个矿床由无经济价值变为可开发利用.如若干含油率较低的油页岩，如果主体用于在特殊炉体内燃烧发电，在余热利用的同时灰渣中的氧化铝、黏土，特别是含有的稀散元素也得到利用，就可使其成为良好资源［9］.

资源的综合勘探、综合开发、综合利用是在人类工业化历程初期就已提出的问题.这在今天注重环境保护的世界上，特别是在不仅环境污染特别严重而又资源相当紧缺的中国具有重要的意义，成为保障经济可持续发展不可或缺的手段.它在经济运营中还没有得到充分重视，原因是多方面的.举国上下对其重要性认识不够是其一方面，更重要的还是管理体制的僵化和分割.矿业权上的限制就是突出的例子.在获得常规油气勘探权的区块（哪怕是长期搁置未投入法定最低勘探工作量的区块）内不允许专业的勘探队搞铀矿勘探，不允许其他有资质的公司勘探页岩气，在煤田划定的远期开发区块上不允许煤层气公司进行地面抽采的勘探开发，都是已经屡被业界人士垢病的痼疾.而握有勘探权的公司却受目前利润的压力而无力或不愿进行综合勘探开发.再加上环保管理不到位，宁愿将含有许多可综合利用的资源弃置而不愿投入资金去进行综合利用.这使得一再强调的资源的综合勘探综合开发综合利用方针难以真正落实.这就出现因缺乏资源而不远千万里投资风险较大的非洲拉美矿业，却不认真勘探和利用本国资源的失衡现象.

可喜的是近来出现了煤铀综合勘探取得丰顽成果的实例.受煤系控制的地浸式砂岩找铀新思路的启发，我国铀矿勘探队伍在鄂尔多斯盆地北部伊克昭盟发现了大型沉积铀矿.考虑到铀矿与煤系层位上的密切共生关系，国土资源部和中央地勘基金的管理部门把正在同一大矿区实施的煤矿勘探升级为煤铀兼探的“大会战”.两类矿产的专家和勘探队伍统一指挥协同工作，在管理、资金、技术三方面实施勘探新体制，在3400 km2面积上打了500余口钻井，获得500余亿吨煤炭后备储量，同时圈定了超大型铀矿的富矿有利目标区和远景区并探明、控制了相当的储量，一个“世界级”的沉积型铀矿出现在国人面前，该类型的铀矿为中国将成为世界最大的核电国增添了资源底气.仅仅在一个地区煤、铀两矿种的综合勘探就取得这样令人振奋的成果，“小荷才露尖尖角”，展现出打破矿种界限、打破专业性公司的条块界限，对多种共/伴生资源实施综合勘探综合开发综合利用的良好前景.

3.3 积极进行找矿新思路和新技术研究

保障资源的持续供应要进行两方面的努力：一是对已知的矿床油气田类型进行更深入的勘探，不断提高其采收率和利用率；二是发现资源赋存新类型，开拓勘探开发利用新途径.从宏观角度上看，前者基本上可属于资源的战术（性）接替，后者则可说是资源的战略（性）接替.它可开拓新局面，使人类在资源获取上取得更大主动性并对经济社会发展起重大推动作用［10］.在这两方面上每前进一步都是思维的创新、技术的创新，甚至要伴随管理体制的创新.

从常规到非常规油气的储层，其赋存的空间有根本性的变化，要从纳米级的尺度研究岩石对流体的吸附机理及其渗流理论，要对储层进行人工改造就必须研究地下高温高压下的岩石体积性微破裂形成演化过程及其监测手段［11］.显然，地质勘探开发行业需面临基础理论和技术的艰苦的创新攻关.我们强调向低品位资源开拓，强调资源综合利用就要求对不同元素、不同矿物赋存方式和分离机理的深入研究，要求在选矿技术上有突破性的创新.

人类对资源开发的实践一再启示我们，积极、主动、持续地进行基础性和技术性的创新研究和实验是实现资源勘探开发突破的前提，也伴随着其发展的全过程.而作为社会的资源管理部门的重要任务之一就是为其创新创造条件，引导、组织、鼓励、支持其有效地进行.

本文在煤铀兼探的相关论述中参考了于德福、王俊发表在内部刊物中的文章，特致谢意。

［1］张抗.美国能源独立和页岩气革命的深刻影响［J］.中外能源,2012,17（12）:1—16.

［2］张抗.页岩气革命带来油气地质学和勘探学的重大创新［J］.石油科技论坛,2012,31（6）:37—41.

［3］张抗.从致密油气到页岩油气——中国非常规油气发展之路探析［J］.国际石油经济,2012,20（3）:9—15.

［4］张抗.中国油气产区战略接替形势与展望［J］.石油勘探与开发,2012,39（5）:513—523.

［5］邱中建，邓松涛.中国油气勘探新思维［J］.石油学报,2012,33（增刊1）:1—5.

［6］王中华.国内页岩气开采技术进展［J］.中外能源,2013,18（2）:23—32.

［7］《地球科学大辞典》编委会.地球科学大辞典.应用科学篇［M］.北京：地质出版社,2005:1—261.

［8］张抗.在页岩气发展中重视综合勘探开发［J］.当代石油石化,2010,1（7）:6—8.

［9］刘招君，杨虎林，董清水，等.中国油页岩［M］.北京：石油工业出版社,2009:1—156.

［10］张抗.油气田的生命周期和战术战略接替［M］.北京：地质出版社,2000:233—289.