页岩气产业关键技术态势分析

页岩气产业关键技术态势分析

执笔人：叶晓芊

页岩气近年来在美国获得了快速发展，有效改变了北美地区的能源结构。商业化运作的成功，得益于一批关键技术的成功开发和大规模应用。本期简报基于上海市软科学研究基地——上海市前沿技术发展研究中心的研究成果，对页岩气产业关键技术进行了梳理，分析其存在的技术瓶颈和未来发展方向。

一个新兴产业的发展壮大，离不开早期技术的漫长积累和持续攻关。页岩气本质上仍是以甲烷为主的一种天然气，18世纪即被勘探发现。相比常规天然气，它具有分布范围广、开采寿命长的优势，气田产期长达30-50年。只因其赋存于泥页岩层，具有致密低渗的特点，导致开采难度大、产能低，无法在经济上获益，长期以来产业化进展缓慢。

然而，对页岩气的技术研究却从未停滞。从1821年打下第一口气井，到20世纪40年代压裂技术的诞生，页岩气领域的技术创新活动持续经历了近两百年时间。直到本世纪初，在一批重大革命性技术的突破之下，开采困难和低产能的问题得到了较好解决，“页岩气革命”得以卷土重来，正式走上了规模化发展之路。

北美在页岩气关键技术上的重要突破

页岩气的开采过程分为勘探、钻井和测井、井下作业及采气四个阶段。新的技术着眼于钻井和测井、井下作业两个主要环节，依靠更加高性能的成套设备，大幅提升了作业效率，具体表现为三方面：

水平井架构的提出和技术实现。水平井架构是相对于垂直井而言的，即在地下“横向”钻井，深入产层内部，通过采取多个井孔、扩大出气面积的方法，来提高产量。其中的关键技术包括：随钻地质导向和监测技术，用于掌握地下井况和地质特征，来定位和指导作业，目前已经实现了高精度、实时性和较强抗干扰的性能，电阻率、实时阵列声波、核磁共振等多种随钻测井工具获得应用；定向钻井技术，用于控制井眼轨迹，使得钻井作业更加精确快速，其中最先进的旋转导向钻井系统，能够将钻井时间缩短到一半以上；钻头复合材料技术，在大幅提高钻速的同时，保持较好的稳定性、清洁度和耐受性。

水力压裂技术日趋成熟。水力压裂也是一种增产方法，通过向井孔注入高压混合液（水、固体支撑剂、化学添加剂），扩大和保持住气藏岩层裂开的孔隙，从而提高每个井孔的采气效率。经过多年发展，水力压裂技术已经趋于成熟，表现在两方面的多样化上：一是技术解决方案，根据地质条件和气井实际情况，逐步形成了7种压裂方案（表一）；二是压裂液品种，固体支撑剂和化学添加剂已发展到数百种，可以较好适应不同的地层闭合压力，确保减阻、杀菌、防腐等功效，增强孔隙导流能力，提升产气性能。目前，“水平钻井+水力压裂”方案已经成为主流，为北美各大气田采用。

压裂成套装备市场不断繁荣壮大。压裂成套装备主要由地面车辆、井下工具和软件三块组成。在新的自动化技术、制造技术、材料技术的带动下，压裂成套设备性能不断提升，市场日趋繁荣。目前，地面车辆方面，已形成包括压裂车、混砂车、仪表车在内的压裂作业车组，以及储液罐、输砂设备、高低压管汇、高压井口等基础设施组成的庞大体系。井下工具方面，根据井型和压裂方式的不同，针对性开发了封隔、酸化、快钻桥塞、分簇射孔等各类工具。软件方面，压裂设计、数值模拟、完井增产一体化等辅助软件在全世界范围获得了广泛应用，海量的决策数据库已经形成。

归纳北美地区在页岩气技术攻关上的经验，主要有三点：

一是充分借助了美国油气工业和先进科技的优势。美国的油气工业已有一百多年历史，产业技术体系完整而发达，从开采设备到集成软件一应俱全。页岩气的技术突破，一方面，充分借用了传统石油和天然气技术发展的经验，包括引入气藏分析、数据收集和地层评价、钻井、完井及生产等一系列成熟技术；另一方面，页岩气的开采设备制造和系统开发，又与美国在信息技术、高端制造、机器人等方面的先进科技成果相得益彰，进一步提升了自动化和智能程度。

二是专业技术服务的全方位介入。斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯等一批国际知名的油田服务公司，自始至终贯穿于页岩气产业发展之中，为其提供全面、细致的配套技术服务。这些服务包括了集成应用方案和施工规划、井下作业系统和工具优化、压裂液配制和增产工艺、微地震监测和数据决策咨询等多个方面，覆盖了页岩气开采的全过程，有力促进了页岩气技术的快速体系化和定制化。

三是政府与产业界保持了密切合作。页岩气的发展，重演了美国政府与产业界合作的精彩故事。双方保持了密切关系，在地质条件评价和气藏分析、岩石力学和裂缝形成机理研究、压裂液性能研究、装备基础材料研究等多个方面合作开展应用基础研究和模拟实验，大大加速了早期产品和技术方法的论证进程。1991年，美国能源部桑迪亚国家实验室成功研发出3D微地震成像及地质地图技术，地球物理维里达斯集团、斯伦贝谢、贝克休斯等多家企业随后推出微地震技术服务。

表一 水力压裂技术的特点及其适用性

存在的技术问题和风险

尽管页岩气的产业化取得了空前成功，然而现有方案却并非完美无暇。新的技术伴生出一系列新的问题，亟待调整和改进。

水力压裂方法本身耗水量巨大。美国页岩气田的单个钻井平均耗水量约在1-1.5万立方米。如果不能正确控制钻探取水的频率、时间和地点，大量增加的页岩气开采用水将对周边的水资源和生态环境产生不利影响（如地表和地下水枯竭、水质恶化、含水层储水和可持续利用能力丧失等）。在我国，70%的能源开采区域都与缺水区高度重合，该问题将会更加严重。

压裂液回流导致了地表和水污染。这是目前页岩气开采的主要争议之一。压裂所用的高压混合液，70%将从地下循环回流到地表和浅水层。而经测算，每1万立方米回流压裂液中就含有50吨化学物质（苯、甲醇、烃类化合物、重金属及放射性矿物质等），若不及时处理，将对生态环境带来巨大污染。美国已有数起较大的污染事件。2011年，一部反映页岩气污染的纪录片《Gas Land》获奥斯卡奖，触目惊心的画面让民众和部分州政府对页岩气前景忧心忡忡。

压裂作业可能引发更多地震。《科学》、《地质学》、美国地质调查局等权威机构研究表明，水力压裂及污水处理作业会改变页岩层原有应力状态，诱发断层滑移现象。这一结论得到了北美、欧洲等地的数据和案例的佐证。2009年以来，美国中西部地区地震频发，在页岩气主要产区——俄克拉荷马州，3级以上的地震年均25次，而此前半个世纪的均值仅为1.2次。2012年，美国地质调查局发布报告称，上述地震“几乎可以肯定是人为的”，将矛头直接指向了污水处理作业。

“页岩气热”导致温室气体排放激增。在“转变美国能源未来”的美好愿景煽动之下，巨额资金涌入页岩气领域，导致供大于求、产能过剩。大量多余的页岩气只能放空燃烧，带来了惊人的温室气体排放和大气污染。据世界银行估计，五年来，美国放空燃烧的天然气量增长了三倍，上升至俄罗斯、尼日利亚、伊朗和伊拉克之后的世界第五位。2012年，美国巴肯页岩气产区烧掉的多余天然气较去年增长了50%，个别州政府发放的放空燃烧许可数翻了两番以上。

页岩气资源总量仍存在不确定性。页岩气的总量规模十分庞大，但可开发的资源数量多少仍然有待商榷。一方面，页岩气产业化历史尚短，产量衰减的规律有待进一步摸索；另一方面，页岩气项目开发难度较大，平均成功概率只有10%左右，对于埋藏更深的页岩气的勘探开发更是难上加难，统计蕴藏量时都应当充分考虑。2012年，被认为世界最大的美国Marcellus页岩气田蕴藏量再次被大幅调低，从11.6万亿立方米降至3.99万亿立方米，减少了65%。

下一步改进方向

作为一种可能蕴藏巨大的清洁能源，页岩气的发展确实值得世界去关注和期待。面对存在的环保问题，国际上各类组织、跨国企业和科研机构都在抓紧研究应对举措。从技术上看，下一步方向包括：

攻关替代化学添加剂和水处理技术。一方面，改进经营效率，减少淡水用量，安全存储和处理回流压裂液，加强污染物监测，提升水资源的循环利用率。另一方面，减少对化学添加剂的使用，开发和利用对环境更加友好的替代品。

推进开采设备的节能降耗。页岩气温室气体排放中很大一部分来自传统的开采设备，包括压缩机/引擎、脱水器、监测与维护设备、管道、气压控制装置、储罐系统等。为此，要加强改造升级，提升上述设备的自动化程度和运转效率，降低碳排放。

继续开展气藏地质机理研究。进一步理解岩石、流体、化学物质之间交互的地质化学性质，及地质层与模拟流体之间关系，不断完善现有的资源评估框架体系，提高页岩气预测的可靠性，准确判断勘探开发价值，并为压裂技术的进一步改进打下基础。

建立新的环保标准和框架体系。从化学、大气、地质等多个角度出发，建立针对页岩气技术的环保评估标准和框架体系，进一步加强管控。目前，国际能源署（IEA）已经设计了一套“黄金规则”，用于防止气井泄漏、降低温室气体排放、严格监控废水排放等，美国也开始对水力压裂技术的影响、化学添加剂毒性等进行评价分级。

重新考虑可再生能源技术。从长远来看，发展太阳能、风能等可再生能源仍然是未来的主要趋势之一。因此，要加大对可再生能源技术的支持力度，依靠研发投入、规模化建设及推广应用，提高其经济性。目前，欧洲部分地区可再生能源并网平价已可预见，德国2012年的光伏电力已经接近了电网平价。

（作者就职于上海科学技术情报研究所，本文受软科学项目资助）