页岩气革命和有色金属行业的机遇

汪旭光，吴春平

（北京矿冶研究总院，北京 100160）

页岩气是一种赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气［1－2］。随着美国在页岩气勘探开发技术方面的突破，页岩气迅速由“鸡肋”变成能源新宠，并逐渐改变世界能源和地缘政治格局，大有演化为页岩气革命的趋势。

我国目前已超过美国，成为世界石油进口第一大国［3］。近年来我国能源对外依存度逐年上升［4］。另外，煤炭的大规模使用是造成雾霾天气的重要原因之一［4］。因此，从能源结构、安全等角度出发，开发非常规能源，尤其是页岩气资源，对我国经济发展和改善环境质量均具有重要的现实意义。

不同于产自其他低渗透油藏的天然气和常规天然气，页岩气是被圈闭在页岩中［5］，必须用非常规技术进行经济开采。但从技术角度而言，页岩气开采与有色金属行业的地下采矿过程有某些相似之处［6］。面对即将到来的页岩气革命，有色金属行业应积极思考，迎接挑战。

1 页岩气资源勘探开发现状

随着美国页岩气开发的成功，全球已有30多个国家积极开展页岩气研究和勘探开发工作［7］。页岩气开发将对能源安全、全球经济和地缘政治产生深远的影响。

1.1 世界页岩气资源开发现状

美国是世界上最早发现和生产页岩气的国家，1821年就打出世界第一口商业页岩气井，迄今已有190多年勘探开发历史。2010年，由于页岩气开发，美国已取代俄罗斯成为世界最大的天然气生产国，实现了自给自足。2011年美国页岩气产量达1.8×1011m3，占天然气总产量的28%，极大改变了美国能源消费结构。加拿大是第二个开展页岩气勘探开发的国家，20世纪末即开始批量钻井和商业性生产，2009年页岩气产量达到7.2×109m3。另外，澳大利亚、德国、法国、瑞典、波兰等国也已开始勘探开发工作［7］。

美国能源信息署（Energy Information Administration，EIA）2013年发布的评估报告显示，美国以外的41个国家拥有不同资源量的页岩气和页岩油。表1为页岩气技术可采资源量世界排名前10位的主要国家及其在世界的占比情况［2］。

表1 世界主要页岩气产出国技术可采资源量Table 1 Top 10countries with technically recoverable shale gas resources

从表1可看出，我国页岩气技术可采资源量约占世界页岩气总资源量的15.3%，居世界首位。

1.2 我国能源安全与页岩气开发战略

目前我国是世界上最大的能源生产国，一次能源生产总量居世界第一，也是世界石油进口第一大国［3］，世界第三大天然气消费国［4，8］。但我国人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平，煤炭、石油和天然气的人均占有量仅为世界平均水平的67%、5.4%和7.5%［4］。此外，我国能源结构也不合理，以煤炭为主的能源结构是造成雾霾天气的重要原因之一。我国近年来能源对外依存度上升较快，2013年石油和天然气的对外依存度分别达到58.1%和31.6%［8］。特别是受治理雾霾天气影响，全国多个省份加快煤改气进程，导致天然气需求量过快过猛增长［8］。

我国页岩气资源潜力大，分布面积广、发育层系多，主要分布在上扬子及滇黔桂区、华北及东北区、中下扬子及东南区、西北区和青藏区等5大陆域。除青藏区外，全国页岩气资源潜力及其占全国总量的比例如表2所示［9］。

表2 全国页岩气资源潜力及比例表Table 2 Potential and its proportion with recoverable shale gas resources

从表1和表2可看出，与EIA给出的预测数据有所不同［2］，国土部发布的我国页岩气技术可采资源储量为25.08×1012m3。近年来，我国已将页岩气勘探开发提升为国家能源战略，先后进行了全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选，确定页岩气为第172个矿种作为重点能源矿产进行重点部署，并制定了“十二五”页岩气发展规划。我国计划到2015年实现页岩气探明可采储量约0.2×1012m3，页岩气产量 6.5×109m3，2020年产量达到（0.06～0.10）×1012m3［8－10］。

截至2013年底，我国已完成页岩气钻井约150口，页岩气产量接近2×108m3，页岩气已进入实质性商业开发阶段［8］。但我国页岩气商业开采尚未形成规模，增速较缓。

1.3 我国页岩气开发的影响因素

美国和加拿大等国页岩气的商业开发得益于水平钻进和多级水力压裂等技术的突破。然而在我国，因为页岩气赋存条件、水资源、管道建设、交通条件等的限制，一些在美国和加拿大等页岩气开发先行国家适用的技术，在我国却不一定可行。

1）地质断层的影响

我国页岩气一般赋存深度达3km以上，如四川盆地有些页岩气赋存于地下约5km深处，而美国马塞勒斯（Marcellus）页岩气田距离地表仅有1.5 km 左右［11］。

美国普遍采用水力压裂技术开采页岩气，若页岩层处于断层中，水力压裂可能导致地震的发生。如英国2011年曾因为对鲍兰（Bowland）页岩进行水力压裂作业而引发了两次小型地震，主要是水力压裂时，压裂液直接注入到毗邻的断层带引起［12－13］。

而我国页岩气通常位于褶皱断层区，且四川等地是地震易发区，采用水力压裂技术开采页岩气有可能增加地震风险［11，14］。

2）水资源对水力压裂的影响

水力压裂的钻井和完井过程都需要大量的水，如美国马塞勒斯页岩气开发过程中，一口钻井大约需要400～4 000m3的水作为钻井液维持井下静水压力，冷却钻头及清洗钻屑。此外，一次典型的水力压裂需要使用7 000～18 000m3的压裂液［5］。而我国页岩气开发前景较好区域（如塔里木盆地）的水源缺乏［15］，一定程度上迫使我们研究新的压裂增产技术。

3）管道网络与交通问题的影响

我国页岩气赋存较好的区域很多都在崇山峻岭或者边远地区，交通不便［15］。而水资源、人员、物资的输送都需要车辆。另外，页岩气运送到使用地，需要建设足够的管道网络，或在页岩气田附近建设天然气液化或压缩工厂，让企业能够从基础设施匮乏的山谷中运出天然气。

针对我国页岩气开发的具体情况，我国制定的“十二五”《页岩气发展规划（2011—2015年）》将以下几个方向列为研究重点：（1）页岩气资源评价技术；（2）页岩气有利目标优选评价方法；（3）页岩储层地球物理评价技术；（4）页岩气水平井钻完井技术；（5）页岩储层改造及提高单井产量技术；（6）产能预测、井网优化与经济评价技术［10］。

2 有色金属行业的机遇

页岩气革命和有色金属行业是两个看似没有交集的领域。但从某种意义上说，页岩气的开采过程与有色金属行业的采矿过程有某些相似之处，两者有诸多共有技术。

我国页岩气赋存条件等情况与美国、加拿大不尽相同，勘探开发工作主要面临勘探技术、钻井技术、压裂技术、环境保护和经济可行性等方面的新挑战。有色金属行业在资源勘探开发领域具有十分雄厚的技术储备［6］，积累的技术可以贯穿页岩气勘探、钻井、完井和测井等流程。

有色金属行业在页岩气革命中的开发技术树如图1所示。

图1 有色金属行业的页岩气开发技术树Fig.1 Shale gas development technical tree of nonferrous metals industry

图1表明，有色金属行业在页岩气革命中可以深入研究的技术包含：1）地震勘探技术，主要在震源药柱、专用雷管、震源枪、震源弹等方面；2）微地震成像技术，主要在微地震3D成像技术、4D地震（时移地震）技术、信息解释技术等方面；3）压裂液制备与应用技术，主要在瓜尔胶、田菁胶、表面活性剂、配液站、配液车等方面；4）套管整形加固技术，主要在聚能切割、套管爆炸整形、燃气动力补贴加固、清蜡等方面；5）爆破压裂增产技术，主要在聚能射孔、增效射孔、多脉冲复合射孔、爆炸压裂、高能气体压裂等方面。

2.1 地震勘探技术

地震勘探采用人工方法将炸药或其他能源在岩体中激发地震波，沿测线的不同位置用地震勘探仪器检测大地的震动，根据记录的地震波参数在地下岩层中的传播情况，结合数据处理、解释分析研究地质构造特征和地层岩性特征，从而寻找矿产资源，有炸药爆破激发和非炸药爆破激发两种［6］。

我国“十二五”页岩气发展规划提出发展地震采集和处理解释技术［10］。在页岩气勘探方面，可采用传统有色金属行业的震源药柱、专用雷管、震源枪、震源弹等器材进行作业。为满足页岩气勘探的需要，可考虑发展三维甚至四维勘探技术。

2.2 微地震成像技术

微地震成像技术被称为“矿山CT机”。在有色金属行业，通常使用微地震成像技术全方位立体获取矿体的形状。

在页岩气开发过程中，钻井位的合理布置、水力压裂方案的设计、压裂液的选择、水力压裂后的裂隙扩张状态等，都需要对页岩气裂隙发育情况进行详细了解。微地震成像是一种可以确定裂隙方向、高度和长度等参数的技术，目前已经成为北美页岩气开发的标准测量技术［16］。页岩气水力压裂过程中，可通过微地震成像技术测算气田储层体积、观测原有裂隙与压裂后的裂隙及相互构成的裂隙网络，还可以获取水力压裂对储层渗透性的改善程度、地质断层情况等。如美国巴内特（Barnett）页岩气田使用微地震成像进行裂隙网络成像及优化，加拿大蒙特尼（Montney）页岩气田使用微地震成像识别地质断层的方位［17］。

微地震裂缝监测、页岩气测井识别和储层精细描述等地球物理识别技术是我国“十二五”页岩气发展规划提出的突破方向［10］。美国能源部也将压裂与微震信号间的关系列为研究领域［18］。就有色金属行业而言，可将现有的微地震成像技术及监测方法与页岩气开发情况结合，发展微地震3D成像技术、4D地震（时移地震）技术［19］、信息解释技术，构建页岩气裂隙网络模型、水力压裂模型等。

2.3 压裂液制备与应用技术

页岩气是被圈闭在低渗透率页岩中的气体［18］。页岩气在页岩中的储存和运移复杂且缓慢，其过程尚未完全被理解，因此需要通过人工压裂方式进行增产［20］。其中的关键技术是压裂液，主要包括支撑剂和化学改性剂等。支撑剂通过砂子等物将微裂缝“撑开”，其中99.50%是水和砂子、铝、陶瓷颗粒、铝矾土及其他材料［21］。化学改性剂通常包含酸、氯化钠和氯化钾、碳酸钠和碳酸钾、瓜尔胶、N－二甲基甲酰胺、硼酸盐、聚丙烯酰胺、石油馏出物、柠檬酸、亚硫酸氢铵、乙二醇和异丙醇［18］。

有色金属行业使用瓜尔胶、田菁胶、表面活性剂等制备炸药和石油压裂液已有多年成熟的经验［22］，且有配套的BK－90、BK－150等型号固定式配液站，及BKZSYH－1.5单车型、BKZSYH－1.5双车型移动式配液车等全自动石油压裂液混配成套装备。

页岩气开采过程中，储层的不同特点对压裂液和添加剂有不同的要求，合理配置压裂液和添加剂是提高经济效益和保证安全生产的必要措施。因此有色金属行业可在瓜尔胶等基础上，通过在石油工业中已经取得的成功经验，研究适合我国页岩气储层特点的新型绿色环保压裂液及其处理、再利用技术，并发展相关的试验和模拟手段。

2.4 套管整形加固技术

页岩气水平井段深度通常1.5km 左右［23］，我国页岩气一般赋存深度达3km以上［11］，意味着垂直井深度至少为3km。页岩气田钻井过程中，通常为防止井孔垮塌，避免压裂液、钻井液和页岩气通过井壁窜出污染环境，需要用多级钢套管进行固井［23］。目前，我国爆炸加工技术（尤其是爆炸焊接技术）已经达到国际先进水平，爆炸焊接复合板产品几乎占了世界复合板市场的一半［24］。因此，有色金属行业的爆炸加工和爆炸焊接技术在套管整形加固方面大有用武之地。

钻井时，出现卡钻现象或有废旧管道需要更换时，比较成熟的技术是采用环形聚能切割技术进行处理。目前我国有环形聚能切割器和切割弹等产品［6］。有色金属行业可针对页岩气开采特点，研究合适的切割器材。

随着时间推移，套管可能发生变形、破裂、错断等损坏，但使用机械整形又无法修复。有色金属行业的套管爆炸整形技术就是针对套管变形、轻微错断井发展而成的一种综合修复技术［6］，可用于页岩气的爆炸修井，主要包括套管爆炸整形技术和套管爆炸焊接加固技术。

近年来研制成功的燃气动力补贴加固技术是对破损井、错断井进行套管修复的一种新技术。它利用火药燃烧产生的高压气体推动工具中的活塞运动，使补贴管上下两端的锥形管相对运动，迫使金属锚扩径并固定在套管中，达到补贴加固的目的［6］。

此外，在油气开采过程中，若套管结蜡严重，油井则无法正常生产。传统的清蜡方法有水力携砂冲刷法、机械清蜡法、热力清蜡法和化学清蜡法等。有色金属采矿业则采用高能燃烧剂为主装药的套管清蜡弹方法，具有良好高效的清蜡效果［6］。该方法能否适用于页岩气开采也值得探索。

2.5 爆破压裂增产技术

页岩气开发过程中，由于全井段都有套管，必须在套管上打孔形成导气通道才能实现页岩气输送。射孔技术分聚能射孔、增效射孔、多脉冲复合射孔等方式。一般用射孔枪或导向轮完成打孔。射孔枪在水平井中定位后可发射聚能射孔弹，以穿透钢套管和环形空间中充填的固井水泥。我国射孔弹研制水平接近和部分产品达到世界先进水平，有常温射孔弹和耐高温射孔弹等类型［6］。

水力压裂，特别是多级水力压裂与水平钻井技术是成功进行页岩气经济开发的关键。但水力压裂需要消耗大量水资源，且在有断层存在条件下容易诱发地震。国外一些公司已开始尝试采用液态CO2和N2

［13］、液化石油气（LPG）［21］、丙烷［23］等新技术进行压裂作业。

我国“十二五”页岩气发展规划提出开展分段压裂、长井段射孔等技术攻关，掌握适用于我国页岩气开发的增产改造核心技术［10］。我国页岩气开发前景较好的大部分区域水资源缺乏，且通常位于褶皱断层区，应积极利用爆破研究节水压裂技术。

3 结语

页岩气革命对于缓解能源危机，改变地缘政治格局有着重要的意义。随着美国首先成功开发页岩气资源，并成为天然气净出口国，其他国家也投入到页岩气开发领域。我国能源需求旺盛，但是人均资源匮乏，能源结构不合理，造成近年来雾霾天气影响愈发突出。我国页岩气储量位居世界第一，开发这种比石油和煤炭更清洁的能源对我国是十分必要的。目前我国已将页岩气勘探开发提升为国家重要的战略规划。但我国页岩气赋存又存在诸多不利因素，国外适用的勘探开发技术，在我国并不一定适合，因此有必要开发新的技术。

有色金属行业在诸多方面拥有雄厚的技术储备。页岩气开发与有色金属行业的采矿工作有一定的相似性，一些技术是可以相互借鉴的。具体而言，有色金属行业可在如下几个方面加强研究，积极迎接页岩气革命带来的新机遇和挑战：1）地震勘探技术；2）微地震成像技术；3）压裂液制备与应用技术；4）套管整形加固技术；5）爆破压裂增产技术。

［1］ 《矿产资源工业要求手册》编委会 .矿产资源工业要求手册［M］.修订版 .北京：地质出版社，2012.

［2］ U.S.Energy Information Administration.Technically recoverable shale oil and shale gas resources：an assessment of 137 shale formations in 41countries outside the United States［R］.Washington，DC：EIA，2013.

［3］ 艾德·克鲁克斯，露西·霍恩比.中国成为新一代石油消费大国［N］.金融时报 .2013－10－17.http：／／www.ftchinese.com／story／001052956

［4］ 中华人民共和国国务院 .中国的能源政策（2012）［EB／OL］.［2012－10－24］.http：／／www.gov.cn／jrzg／2012－10／24／content＿2250377.htm.

［5］ Gregory K B，Vidic R D，Dzombak D A.Water management challenges associated with the production of shale gas by hydraulic fracturing［J］.Elements，2011，7（3）：181－186.

［6］ 汪旭光 .爆破手册［M］.北京：冶金工业出版社，2010.

［7］ U.S.Energy Information Administration.World shale gas resources：An initial assessment of 14regions outside the U－nited States［R］.Washington，DC：EIA，2011.

［8］ 中国石油经济技术研究院.2013年国内外油气行业发展报告［R］.北京：中国石油经济技术研究院，2014.

［9］ 国土资源部 .全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选成果［N］.中国国土资源报.2012－03－02（4）.

［10］ 国家发展改革委，财政部，国土资源部，国家能源局 .页岩气发展规划（2011－2015年）［EB／OL］.［2012－03－13］.http：／／www.ndrc.gov.cn／zcfb／zcfbtz／2012tz／W02012031637 0486643634.pdf.

［11］ 韩碧如，艾德·克鲁克斯 .中国特色的页岩革命［N］.金融时报.2014－01－17.http：／／www.ftchinese.com／story／001054444.

［12］ Heike Trischmann，Jan Mellmann，Chris Kilburn，et al.Shale gas－who are the winner？［J］.Natural Resources Briefing，2013，2：1－6.

［13］ Andreas Kotsakis.The regulation of the technical，environmental and health aspects of current exploratory shale gas extraction in the united Kingdom：initial lessons for the future of European Union energy policy［J］.Review of European Community ＆International Environmental Law，2012，21（3）：282－290.

［14］ 大卫·比尔略 .中国为避免气候灾难而押宝“水力压裂法”开采页岩气［N］.科学美国人.2014－01－28.

［15］ KPMG Global Energy Institute.Shale gas：Global M ＆ A trends－Focus on Argentina，China and United States［R］.KPMG International，2012.

［16］ Miskiming J.The importance of geophysical and petrophysical data integration for the hydraulic fracturing of unconventional reservoirs［J］.The Leading Edge.2009，7：848－849.

［17］ Schlumberger S.M.Microseismic hydraulic fracture imaging：the path toward optimizing shale gas production［J］.The Leading Edge，2011，3：340－346.

［18］ Tutuncu A N，Krohn C，Gelinsky S，et al.Environmental challenges in fracturing of unconventional resources［J］.The Leading Edge，2012，8：898－906.

［19］ 王海华 .4D地震（时移地震）技术的研究进展及应用［J］.国外地学动态，2014（1）：23－32.

［20］ Slatt R M.Important geological properties of unconventional resource shales［J］.Central European Journal of Geosciences，2011，3（4）：435－448.

［21］ KPMG International.Watered－down：minimizing water risks in shale gas and oil drilling［R］.KPMG International，2012.

［22］ 汪旭光 .乳化炸药［M］.2版 .北京：冶金工业出版社，2008.

［23］ Smrecak T A，PRI Marcellus Shale Team.Understanding drilling technology［J］.Marcellus Shale，2012，6：1－9.

［24］ 汪旭光，郑炳旭，宋锦泉，等 .中国爆破技术现状与发展［C］／／郑炳旭 .中国爆破新技术Ⅲ［M］.北京：冶金工业出版社，2012：3－12.