页岩气的基本科普

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面对错综复杂，缺乏规律可循的非常规油气藏，有着现代化钻井工具的我们就像是当年面对越南游击队的美国大兵，装备精良但是时常碰壁。这是一场游击战，对于能源企业来说，必须抛弃掉过去常规油气资源开发过程中形成的各种思维范式

近日，路透社援引两位知情消息人士称，中石油今年计划在页岩气方面支出逾100亿元，支出规模是前几年的三倍多。

就在几个月前，中石化宣布在页岩气领域实现商业性发现，提高了中国在页岩气开发利用方面实现突破的希望。中石化的页岩气开发集中在重庆市涪陵地区，在该地区已开凿了近30口页岩气试验性勘探井。

当页岩气这个概念开始热起来之后，我和大家一样开始对这个领域产生了兴趣，甚至比大多数人更进一步——直接跳到了这个领域之中。目睹了国内外媒体，包括不少圈内甚至圈外的企业对这个概念不亦乐乎的各种炒作之后，我想以我入行不到两年获得的一点浅见，给对页岩气这个概念保有热切期待的各位做点基本科普。

页岩气是一种非常规的油气资源

页岩气顾名思义是储存在页岩当中的天然气，属于所谓非常规油气资源的一种。说到非常规，当然就有常规了。

常规规油气资源的形成，先有静水环境存在，例如湖泊、大陆架、河口等，然后浮游生物的遗体混合砂砾沉积到水体底部，并且逐渐积累，在高压高温无氧的环境当中分解形成烃类物质，并且在浮力的作用下逐渐向更浅的地层迁移，最后被较为致密的岩石形成的圈闭所包围住。

这就像一杯倒置的鸡尾酒，酒杯由致密的岩石组成，最上面的一层是天然气，中间的一层是石油，最下面的一层是地下水，而这杯鸡尾酒里塞满了“冰沙”——其实就是普通的沙子，只不过被地壳的重力压得非常紧密，外表上看就是岩石——砂岩。油气开发所做的事情就是伸一根长长的吸管“油井”——到这杯鸡尾酒当中用力“吮吸”。

非常规油气资源与常规资源最大的不同在于“鸡尾酒”里的“冰沙”。事实上，只有一小部分的油藏会非常幸运地储藏在疏松多孔的砂岩当中，相当大一部分的生油的有机物质没有埋藏在沙砾当中，而是埋藏在泥淖之中，例如湖泊环境下沉积的有机物，这些沉积物最后会变成空隙比例和渗透性都比较小的岩石，比如说泥岩，也有可能因为年代较久，挤压得过于致密而形成类似页岩的矿物，甚至于有可能存在于火山岩这种传统观点看来不可能有有机物存在的岩石当中。

总之，由于过于致密而缺乏导流能力，这些有机物形成的烃类物质很难离开它们原本埋藏的岩石环境，也就很难形成“鸡尾酒”的效果——一层水，一层油再来一层气，甚至会形成颠倒的鸡尾酒——油在气的上方，此时油气界面的毛细管压力能够阻止天然气上浮到油层当中。由此可见，非常规油气资源的形成过程和常规油气资源相比，情节更曲折，结局更出人意料，代价就是开采成本也大大地提高了。

从水平井技术到水力压裂

多年以前，当我对油气行业还一无所知的时候，我看到了一则斯伦贝谢的广告短片。一个斯伦贝谢的工程师看到自己的儿子把可弯曲的吸管倒过来，用吸管较短的那一头去吸附着在雪顶咖啡半球形杯盖上的冰淇淋。这样的场景对于大家来说非常容易想象到，因为短的那一头吸管是水平的，可以非常自如地接触到杯盖的内表面。

于是这位工程师父亲就像被苹果砸中脑袋的牛顿一样，灵光一闪就发明了传说中的水平钻井技术。不去吐槽这个故事的真实性，用倒过来的吸管吸取冰淇淋确实是水平井技术的一个绝妙的比喻。那么水平井技术和非常规油气田有什么关系呢？

与普通的垂直井相比，水平井能够接触到的油藏面积要比垂直井要大得多，正如把吸管倒过来能够吸到的冰淇淋比正常情况下用吸管直接吸要多得多。由于非常规油藏异常致密的岩层，传统的垂直井往往生产了很短时间以后就干涸了，无法再流出油气。使用水平井可以大大的延长稳产的时间。另外水平井的使用可以有效减少钻井的数量，这样做意味着征地的成本能够大幅降低。对于人口稠密和土地矛盾尖锐的中国有着非同寻常的意义。

然而对于很多非常规油气田来说，因为岩层实在是太致密了，即使使用了水平井的技术，能够流出来的油气也非常有限。这个时候就必须要用到另一个重要的技术，也许大家已经有所耳闻了，就是水力压裂。

香港赌片里面有个喜闻乐见的桥段：初入赌坛的男主角，在众目睽睽之下笨手笨脚地码起两列麻将牌，然后很费力地把麻将牌抵在一起并把它们举起来亮给对方看，结果双手略微一抖，麻将牌就立刻天女散花了。水力压裂背后的物理原理跟这个桥段非常类似。

地下的岩石不仅要受到上方岩石的重量带来的压力，水平方向上，还会受到板块作用带来的挤压应力，就像被男主角压在一起的麻将牌一样。根据牛顿第三定律，应力矩阵是对称的，因而也是可对角化的，所以岩石当中的应力必然存在两个主应力方向，分别对应最大和最小应力，且互相垂直（好吧，这句话写得非常不科普，但这是我能想到的最简单的解释）。就像麻将牌桥段里面所看到的，在最大应力的垂直方向（对于麻将牌来说就是和麻将牌之间缝隙的平行方向），也就是最小应力平行的方向上对“麻将牌”岩石，施加一点扰动，“麻将牌堆”岩石就会塌掉。

岩石的垮塌就会形成一条岩石内部的裂缝，可以使得更多的包裹在岩石当中的烃类流出来。 从水力压裂的角度来说，不光需要有合适的岩石应力，还需要岩石本身够脆，最好能像玻璃一样一敲就碎，而不是像橡皮泥一样不管怎么蹂躏总是一副老样子。这需要技术手段来了解岩层的组成矿物质成分来进行确定。一旦裂缝成功的生成，下一步就是该如何保持裂缝的形状，不让它在地层的挤压下再次闭合，这就需要向岩层中注入含有坚硬的微小颗粒（过去用沙子，现在有专门生产的陶瓷微粒）的水，当微粒到达裂缝末端可以卡在裂缝中，支撑裂缝不至于闭合。

不是缺乏技术，而是要抛弃传统思维范式

水平井和压裂的技术可以分开使用，也可以结合起来，全看油藏的条件如何。目前长的水平井的水平部分可以达到数千米，并且通过它制造了几十个人工裂缝，其产能可以数十倍于传统的竖直井——前提是油藏确实有那么大。

很多媒体都在报道说国内企业现在缺乏有效的技术来开发非常规油气田，这并非是因为打水平井和制造压裂这两项技术有多难，事实上国内的油企已经成功地做了不少这样的项目了。个人认为其中最大的技术难点是确定在哪里打井以及井的方向和轨迹。就像一个很老的《读者》风格的故事里面说的，在电机外壳上用粉笔标记出绕线错误的地点的要价是1美元，而找到这个绕线错误的要价是9999美元。

说到人造裂缝，岩层当中经常都会有天然形成的各种裂缝与断层，可以利用起来提高非常规油田运用常规技术开采的效果。但实际上，了解大尺度上裂缝的分布直到今天都是一个非常困难的技术问题。

面对错综复杂，缺乏规律可循的非常规油气藏，有着现代化钻井工具的我们就像是当年面对越南游击队的美国大兵，装备精良但是时常碰壁。这是一场游击战，对于能源企业来说，必须抛弃掉过去常规油气资源开发过程中形成的各种思维范式。

为什么是页岩气，而不是电力

我们日常生活中的能源种类非常多，页岩气作为一种天然气，在开发和应用中常被拿来比较的电能。现阶段来讲，最理想的清洁能源到底是什么？我心中的答案是天然气，实在是因为天然气有着其他能源无可比拟的优势。

以需要大量能源的汽车为例。近来的舆论似乎对于电动汽车的前景越来越乐观，仿佛它与我们的距离已经不再像过去那样遥远：美国的著名纯电动车制造商特斯拉（Tesla）已经号称能够提供和汽油车同样的续航里程，尽管售价不菲，而其他很多厂商都推出了相对廉价的电动轿车，尽管续航等方面的表现只能说差强人意，就连政府也在出台各种政策在鼓励电动车的使用，包括宽松的上牌政策和对公务用车的强制规定，等等。

在我看来，这样做有点舍近求远，减少机动车交通对空气污染的贡献其实有个更简单有效的措施，就是鼓励改装天然气车。之所以目前的舆论和政策依然是在捧电动车而冷落天然气车，个人认为有两个原因。第一，目前国内的天然气供应太紧张了，根本无法满足天然气车普及之后的需求；第二，电动汽车的上下游可以拉动很多产业的发展，而天然气车的改装相对简单和廉价，无法给经济发展带来太多助力。

天然气的清洁性是毋庸赘述的。天然气的成分和燃烧产物都非常简单，而且其中的杂质也非常容易去除，单位热量所释放的温室气体也远远小于其他的化石燃料。考虑到目前世界范围内发电依然是燃煤发电所主导，天然气车对环境的影响并不会显著大于电动汽车。

电动车最大的弊病在于续航和充电时间，由于化学原理的限制，充电电池的能量密度几乎不可能达到与化石燃料相提并论的地步，因此近来电池方面的研究努力主要集中在减少充电时间上，而相应商业化的过程注定非常缓慢。这也决定了，即便电动车真正实现了大范围的商业化，长途重载运输方面我们可能依然需要依赖化石燃料。尽管天然气也存在能量密度的问题，但是随着液化天然气技术的发展，能量密度的问题正在逐步减小。目前国内已经有使用LNG的公交甚至于载重卡车，而美国也已经决定将在运输领域大规模使用LNG。可以说，目前天然气车的续航问题较为尖锐的只有轿车了，毕竟轿车无法像大型商用车辆一样有足够的空间安装LNG设备，而目前轿车使用的CNG的能量密度仍比汽油小一个数量级左右。但即便如此，天然气轿车的续航能力依然要优于目前绝大部分电动汽车，且充气时间也要远远优于后者的充电时间。

天然气车的最吸引人的优点当然是廉价，普通的天然气罐加装的成本只有两三千元，而天然气的燃料成本仅是汽油的三分之一左右。诚然，与高大上的Tesla比起来，天然气车给人的刻板印象是行驶在三四线城市当中各种QQ夏利奥拓改装的屌丝车，但正是由于它的草根，可以预期天然气车的普及在合适的环境形成之后将会是非常迅速的过程。

价格与环境：影响页岩气开发的两个因素

既然天然气在清洁能源领域的优势如此大，那么为什么中国页岩气的开发远远落后于国外呢？第一个问题就不得不说说天然气的价格。

事实上，对于天然气的价格，国内的普通民众的心态是非常矛盾的。同样的天然气，家庭主妇会抱怨它价格太高，因为她们的比较基准是煤气，而且往往忽视了热值的概念；司机们会觉得天然气的价格很良心，因为他们的比较基准是汽油；而对于我们来说，天然气的价格实在是太低了，低到难以撬开国内页岩气开发的大门。国内的人口密度和地质环境决定了国内的页岩气的开发成本注定很高。

如果没有高气价的支持，国内的页岩气潜力将长期停留在纸面上，而经济发展将仍旧停留在对煤的依赖之上。天然气的定价机制正是最近一段时期国内政界和企业界热议的话题，希望一个理性的机制能够帮助我们平衡好经济发展和环境保护的需要。

目前页岩气另一个引人注目的话题是其开发过程中的环境影响。就我们目前开发的地层来看，深度多在2000米以上，离常用的地下水层还是非常远的（美国媒体提到对于页岩气环境影响经常会引用一张照片：一个宾夕法尼亚的居民扭开水龙头，水龙头里面流出天然气。这个问题有点诡异，因为水龙头流出天然气几乎只有一种可能性，就是他们用的不是自来水，而是用机井直接从地下水层中抽出来的地下水）。

个人认为页岩气开采最值得关注的风险可能在于水力压裂造成的地震。有记录显示，四川盆地天然气井的注水作业很可能已经引发了若干次4级以上的地震，且都是震源在地下三四千米的浅层地震。这也是页岩气研究领域最近火热的一个问题。（作者系能源工程硕士，油藏工程师）

美国的“页岩气革命”

世界上对页岩气资源的研究和勘探开发最早始于美国。依靠成熟的开发生产技术以及完善的管网设施，美国的页岩气成本仅仅略高于常规气，这使得美国成为世界上唯一实现页岩气大规模商业性开采的国家。

数据显示，2010年美国页岩气产量已经超过了1000亿立方米。在过去的5年里，美国页岩气产量增长超过20倍——从2006年仅为其天然气总产量的1%，到2010年增长至美国天然气总产量的20%。有关专家指出，依靠页岩气的开发利用，在未来的10年里，美国不仅可以一改天然气大举进口的局面，实现全面的自给自足，还有望成为液化天然气出口国。

美国的“页岩气革命”已经动摇了世界液化天然气市场格局，并且这一影响还将愈发显著，进而改变世界能源格局。得益于非常规天然气尤其是页岩气开发技术的突破，2009年美国以6240亿立方米的产量首次超过俄罗斯成为世界第一天然气生产国。产量地位的更替使美国天然气消费长期依赖进口的局面发生逆转。美国专家兴奋地认为，有了页岩气，美国100年无后顾之忧。

页岩气的开发，特别是美国页岩气产量的急剧增加，使这个大多数人还十分陌生的能源话题成为热门。悄然降临的“页岩气革命”开始对全球天然气供需关系变化和价格走势产生重大影响，并引起天然气生产和消费大国关注。页岩气的开发利用，成为低碳经济战略发展机遇的推动力，成为世界油气地缘政治格局发生结构性调整的催化剂。