全球页岩油发展及展望

2019-11-15金之钧

中国石油勘探 2019年5期

杨雷金之钧

（ 1《国际石油经济》编委会；2页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室；3中国石化石油勘探开发研究院）

0 引言

研究美国页岩油发展的历程，并展望全球页岩油发展的态势，有助于更加清晰地认识页岩油发展战略及路线。国际能源署（IEA）[1-4]与不少国际机构与学者[5-8]都曾展望全球页岩油发展前景，金之钧、邹才能等[9-15]国内学者也对页岩油气在中国的可复制性进行了分析。本文在这些工作基础上，更加系统深入地收集了相关数据，梳理了相关技术和商业模式的发展，对全球页岩油发展进行全景式展望，希望对中国走出自己特色的发展之路有一些启发。

1 美国页岩油发展情况及特征

1.1 发展历程

美国页岩油产量快速增长，使得美国已经成为最大的石油出口国之一。2018年，美国页岩油产量达到了历史新高，高峰日产量超过6×106bbl，并继续呈现快速增长态势（图1）[16]。IEA评估，预计到2021年，美国将结束70多年的石油净进口历史，成为石油净出口国。美国页岩油开发改变了全球油气供需格局，对地缘政治也产生了深远影响。

图1 美国页岩油产量情况Fig.1 Shale oil production in the United States

美国的页岩油概念比较宽泛，主要为来自烃源岩的页岩层系中的轻质原油，其中也包括夹层中的致密油。美国页岩油分布广泛（图2）[17]，主要产自威利斯顿盆地巴肯、墨西哥湾盆地伊格尔福特、二叠盆地博恩斯普林和沃尔夫坎普、丹佛盆地奈厄布拉勒和阿纳达科、东部阿帕拉契亚盆地尤提卡等区带。

图2 美国页岩油主要生产区带Fig.2 Primary shale oil producing areas in the United States

美国页岩油开发经历了一个较长的准备期，到20世纪八九十年代，随着水力压裂和水平井技术的逐步成熟，页岩油开发才逐步崭露头角，但很长时间内并没有形成规模产能。

2000年巴肯组中段利用水平井成功商业开发了Alm Coulee油田，2006年伊格尔福特区带开始生产页岩油，2007年通过水平井分段压裂等手段巴肯组页岩油产量超过2×104bbl。页岩油开始进入规模化商业开发阶段。

2010年后美国页岩油进入快速增长阶段，仅用8年时间产量就增长了十多倍，部分时期增产每天超过百万桶（相当于年增产5000×104t），创造了史无前例的增长[3-4]。

1.2 页岩油开发降本增效与相关技术

IEA针对美国不同地区，分析了页岩油生产的价格平衡点（图3）。2014年后所有主要产区的价格平衡点都有大幅度降低，从80美元/bbl的综合成本很快降低到目前的45～60美元/bbl[1]。这主要得益于技术进步，如2018年综合钻井效率比2014年提高了50%，水平段效率提高100%。

美国页岩油开发的成功与成本降低首先得益于地质认识的提高，关键是寻找甜点的能力。美国页岩油具有油质较轻、含油饱和度高、气油比高、地层压力系数大、流动性好等特点，页岩层Ro多介于0.9%～1.3%[18]。但不同地区也存在很大差异，很多中小公司基于对特定地区地质情况的认识，往往聚焦在熟悉的地区进行开发，以取得最大产出。

图3 美国主要页岩油产区的价格平衡点情况Fig.3 Price break-even points of primary shale oilproducing areas in the United States

技术进步是页岩油开发成功的核心。综合看来，美国页岩油开发相关技术包括选区与甜点评价、超长水平井、“一趟钻”钻井、立体井网（多分支）布井、细切割及重复水力压裂等技术[19-20]。

美国页岩油开发采取“工厂式”密集钻水平井的方法，目前美国生产页岩油的水平井超过10万口，如2017年完井8500口，钻井规模化降低了生产成本[1]。过去10年，页岩油开发单位面积钻井数量大增，超级井场成为发展趋势。2010年，每平方英里钻井数量一般为4口水平井，2015年每个井场基本为6口水平井，2016年发展到16口井，2017年开始出现5层分布的超级井场，1个井场可达到64口水平井[9]。

由于钻头等技术的改进，使从过去钻完一口水平井要更换多次钻头，发展到不用更换钻头“一趟钻”即可完成钻井，最长水平段可一次钻进近6000m。钻井用时从2008年的35～40天，减少到2018年的10天左右，效率提高了3～4倍[19]。

完井设计从最初的裸井一段压裂，发展到多段分割投球滑套、多段桥塞分簇射孔压裂等，目前水平井压裂分30～65段。压裂完井时间从原来的3～4周，发展到目前的不到2周，如果同时考虑到压裂段的增加，单段压裂完井效率提高了5～6倍。在不断增加完井难度和复杂性的前提下，整体钻完井周期却从原来的7～8周降低到目前的3周左右。

由于油价下跌的倒逼作用，页岩油开发商也积极提高页岩油开发过程中伴生气的商业化，进一步降本增效，从而提高了页岩油开发的经济效益。

页岩油开发展示了非常明显的技术学习曲线改进过程。图4是IHS整理的一个水平井段平均长度的统计，随着钻井数量的增多，不同地区样本的水平井段平均长度都明显快速增加[20-21]。这个例子显示页岩油开发相关技术的成熟应用及成本降低也需要时间。

图4 美国不同地区页岩油水平井段平均长度改进曲线Fig.4 The improvement of the average horizontal length of shale oil wells in different regions in the United States

1.3 页岩油品质分级及相应开发策略

地质选区评价和“甜点”选取是页岩油开发的重要基础[22]。在开发过程中，美国页岩油产区大致按每300m水平井段初始产量将页岩油资源品质分为5级，第一级优质“甜点”地区平衡油价可以低至30美元/bbl，第五级则高达80美元/bbl以上。这样的资源品质分级可以使得开发商根据油价变化灵活掌握开发的节奏。

灵活的资源品质分级控制提高了页岩油开发的韧性，2014年油价暴跌，美国页岩油产量在短暂停滞以后继续保持快速增长的态势。到2016年，美国主要产区的页岩油开发综合成本都降到了60美元/bbl以下，与很多地区的常规石油生产成本相比都具有竞争力[23]。

页岩油开发的这种特性也极大影响了国际油价，使市场的作用获得了空前提升。当油价回升，页岩油产量随即大幅提高，对冲了石油输出国组织OPEC及盟友减产协议所减产的量，使产油国控制油价的影响因素明显降低。

1.4 创新的融资及市场条件

美国页岩油产业发展得益于资本市场的支持，据统计，近10年来页岩油开发投资超过1.2万亿美元。灵活的融资模式包括风险投资、股份转让、债券和多种金融创新的衍生品。这保障了即使在页岩油行业现金流长期为负的状况下，也获得了大量资金投入，页岩油产量持续增长。这一模式与互联网、新能源等新经济有相似性，即早期虽然并不盈利，但由于保持了高增长，因此吸引了资本的支持。

自2015年以来，页岩油行业效益开始明显改善，2018年，美国页岩油实现了全行业的自由现金流为正，这具有里程碑意义（图5）[24]。同时，资本市场对页岩油开发开始要求盈利，页岩油开发商的策略也变得谨慎。

图5 美国页岩油行业资本投资及自由现金流情况Fig.5 Capital investment and free cash flow of shale oil industry in the United States

1.5 政策及体制支持

美国在国家政策导向上一直把能源安全置于重要地位，1973年尼克松就曾经提出“能源独立计划”，这也一直成为美国国策的组成部分。从20世纪80年代起，美国政府就对非常规油气开发给予优惠的财税支持，并拨款对水平井、压裂等相关关键技术进行科技研发，累计约20亿美元。2005年的能源政策法案规定包括页岩油开发的非常规油气开发享受优惠财税政策，相当于每桶约3美元的补贴，同时将水力压裂从安全饮用水法中免除，促进了水力压裂技术的迅速推广。2015年奥巴马政府取消了原油出口禁令，2017年特朗普政府将页岩油行业纳入了降低所得税的范畴。

美国页岩油多元化的投资主体、完善的市场体制及配套政策使得企业的创新能力得到了充分发挥[25]。在页岩油开发过程中，开放的石油服务市场和竞争也是美国页岩油开发成本快速降低的重要因素。

1.6 页岩油开发前景

页岩油开发对油价十分敏感，目前美国大部分的页岩油可以在60美元/bbl的油价水平上保持盈利。据IEA评估，按此油价水平预测，美国页岩油产量将继续保持增长，到2021年有望达到日产9×106bbl。如果油价进一步上涨到每桶80美元，则美国的页岩油产能到2024年将比基准水平再增加2.4×106bbl/d（图 6）[1]。

图6 关于不同油价水平的页岩油产量预测Fig.6 Prediction of shale oil production at different oil prices

目前，主要的国际石油公司通过收购和获得新区块等方式大规模进入页岩油领域，比如埃克森美孚公司和雪佛龙公司等主要国际石油公司都制定了雄心勃勃的增产计划，未来5年日增产量都在百万桶以上。这些大公司具有更强的抗风险能力，对页岩油产量的持续增长也将发挥积极作用。

2 全球页岩油资源及开发

受美国页岩油成功的激励，全球很多国家都展开了页岩油勘探开发工作，并取得了积极进展。

2.1 全球页岩油资源概况

据美国能源信息署（EIA）评价，全球页岩油技术可采资源总量为4189×108bbl，分布在46个国家104个盆地的170多套页岩层系中。北美是页岩油资源最为丰富的地区，其次为东欧和亚太地区（图7）。美国、俄罗斯和中国页岩油资源丰富，可采资源量分别为 782×108bbl、746×108bbl、322×108bbl，分别约占全球的19%、18%和8%，其他页岩油资源较为丰富的国家还有阿根廷、利比亚、阿联酋、乍得、澳大利亚、委内瑞拉和墨西哥等，这10个国家拥有全球四分之三以上的页岩油技术可采资源[26]。

图7 全球主要地区页岩油技术可采资源量（据EIA数据整理）Fig.7 Technically recoverable shale oil resources all over the world (source from EIA data)

全球页岩油资源量评估与勘探开发程度密切相关，随着新的发现，资源评估也在动态调整之中[27]。比如2017年底，美国新一轮的石油储量比2016年调高了19.2%。

2.2 主要国家页岩油生产情况

加拿大是美国之外最大的页岩油生产国，产量在约40×104bbl/d水平波动，加拿大地调局评估认为加拿大页岩油原始地质储量为840×108bbl，这一数字远高于EIA对加拿大可采页岩油资源量88×108bbl的评估。2014年以来，加拿大油砂的投资持续下降，而页岩油投资从2016年开始增长，到2018年增长了约100亿加元，这也表明页岩油具有更大的成本优势和吸引力[28-29]。近期壳牌公司、雪佛龙公司等在杜维纳页岩区开展了大量前期工作。

阿根廷是北美以外首个实现页岩油商业开发的国家，目前阿根廷页岩油产量约为5×104bbl/d。阿根廷页岩油主要位于中南部内乌肯盆地的瓦卡穆尔塔（Vaca Muerta）页岩区，是全球第四大页岩油资源区，与美国伊格尔福特页岩区具有一定相似性[30]。阿根廷积极吸引外资开发页岩油资源，包括马来西亚国家石油公司、雪佛龙公司等都已在阿根廷签署了合作开发的协议。其中马来西亚国家石油公司投资约23亿美元，预计2022年产量可以达到6×104bbl/d。

俄罗斯页岩油资源丰富，主要位于西西伯利亚盆地的巴热诺夫组，专家评估该组页岩分布面积达上百万平方千米[31]。俄罗斯天然气公司所属石油公司制定了雄心勃勃的开发计划，希望2025年达到规模化的商业开发。

其他页岩油资源丰富的国家包括墨西哥、澳大利亚等，这些国家均有页岩油发现的报道，但基本处于早期研究阶段。

中国是页岩油资源非常丰富的国家，不同机构资源评估差别较大，2011年EIA评价认为可采资源量为43×108t，2014年中国石油化工股份有限公司（以下简称中国石化）评估认为可采资源量为204×108t，2017年中国石油天然气股份有限公司（以下简称中国石油）评估认为超过700×108t（包括低成熟页岩油资源）。在勘探开发实践中，准噶尔、松辽、渤海湾、鄂尔多斯等多个盆地均有页岩油发现并实现了工业开发[32-37]。其中准噶尔盆地吉木萨尔等页岩油田开发示范区已经取得良好进展[38]，目前中国石油、中国石化及相关油田也在制定页岩油勘探开发的计划，有针对性地研发适合中国页岩油特征的技术，有望取得进一步的突破[34]。

2.3 全球页岩油产能预测

对于全球页岩油的发展，不少机构都进行了预测，总体看页岩油将继续保持增长的态势，其中最主要产能仍然来自美国，占七成以上。

EIA预计，到2040年全球页岩油产量将达到1036×104bbl/d，BP公司预计2035年达到1000×104bbl/d;IEA预测的页岩油产量也在这一区间内，但对在美国以外的产能增加评价更为积极，认为到2040年，将有日产350×104bbl的产量来自美国以外[1]。其中澳大利亚、中国等将会有显著的产量增加。

页岩油第一年产量递减率一般达70%左右，美国庞大的页岩油产量基数也将意味着日益增长的年递减量，加之优质资源逐步减少，因此2025年左右以后，即使美国继续保持大量新增产能，但也将难以弥补其产量的递减，此后全球页岩油产量的增长将主要来自美国以外地区。

3 对中国发展页岩油的启示

中国石油对外依存度快速攀升，加大国内石油资源的勘探开发是保障国家能源安全的重要举措，页岩油是现实的战略接替资源[39]。如何参考学习美国经验，促进中国页岩油产业快速发展，实现规模化开发，具有非常现实的意义。

3.1 制定中国页岩油发展战略规划

美国从“能源独立”战略高度重视页岩油开发，持续支持几十年才迎来页岩油的大发展。即使在5年前，很多人也并不相信美国能够依靠页岩油实现能源独立。页岩油发展的非线性规律值得关注，其较长的准备期需要国家支持。

建议在战略上重视页岩油开发，制定中国页岩油发展战略规划，明确将其作为战略接替资源，集中相关资源进行攻关。

3.2 加强基础理论及勘探开发关键技术研究

中国的地质情况与美国有较大差异，中国页岩油主要为陆相，地表也更复杂，应加强基础理论研究，探索适合中国页岩油资源情况的可持续开发技术与手段，例如对于低成熟度的页岩油进行原位转化等技术的开发。

进一步落实中国页岩油资源量情况，建立有效的页岩油品质分级体系及相关勘探开发技术的标准体系，为行业的快速发展创造条件。

3.3 加强实验室与人才队伍建设

建议延续油气重大专项资金对页岩油勘探开发的支持。同时，创新机制，促进政府、企业和研究机构加大页岩油科研投入。根据页岩油开发特征，有针对性地加强相关实验室建设，培养多方面的人才队伍。

3.4 推进勘探开发重点示范工程

在页岩油开发早期阶段，选择有利资源地区进行试验示范区建设，从而积累经验进行推广，比如吉木萨尔页岩油开发试验区等应加快建设。同时，示范区不仅要进行技术的示范，也要着力创新体制机制。

3.5 完善相关配套政策

建议中国在页岩油开发早期给予类似页岩气的补贴政策，以吸引更多的资本投资，加快开发进程。在土地利用、矿权设置等方面研究符合页岩油开发的扶持政策。同时，也要加强用水、环保等相关问题研究，明确标准，避免相关风险。

3.6 推动体制机制创新

美国页岩油的成功，展现了一种综合的创新模式，包括油气公司、服务及装备、资本市场等，是一个依靠完善市场化体系支撑的系统。中国在进一步推进页岩油发展的过程中，也应该从国家角度推动体制机制改革，创造更加开放的市场化体系。

中国长期以来上下游一体化的石油公司模式，打造了完整的产业链，但在创新机制上却存在短板。国家已经发布了关于油气体制改革的指导意见，应结合到具体的页岩油开发过程中，创新机制，盘活国家石油公司页岩油资源，对油田分公司实施有效的激励措施;同时也应吸引更多的其他投资主体和资金参与到页岩油开发中，激发科技创新的活力。