基于生命周期理论的美国页岩气产业发展启示

2022-01-14李小刚张博宁陈更生陈学忠鲁友常陈怡男刘鸿渊

天然气工业 2021年12期

李小刚张博宁,2 陈更生陈学忠鲁友常陈怡男刘鸿渊

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 2.成都北方石油勘探开发技术有限公司

3.中国石油西南油气田公司 4.四川长宁天然气开发有限责任公司 5.四川页岩气勘探开发有限责任公司

0 引言

美国是世界上最早研究和开发页岩气的国家[1-2]，是世界页岩气产业的领跑者[3]。美国页岩气革命成功，保障了美国能源安全和独立，重塑了世界地缘政治格局。欧洲的德国、法国、英国、波兰、奥地利、瑞典，亚洲的中国、印度，大洋洲的澳大利亚、新西兰，南美洲的阿根廷、智利等国家或地区也已认识到页岩气的价值和前景，开展了页岩气勘探开发研究或实践[2,4-6]，但目前只有美国、加拿大、中国和阿根廷实现了页岩气商业开发。与美国页岩气产量规模相比，其他三个国家的页岩气产量规模还非常小。我国页岩气资源潜力大[7]，但地质条件更复杂[8-14]、开发难度更大[12-14]、产量规模不能满足国家需要，且整个产业发展经历短[15-18]，尚处在快速成长期。

基于美国页岩气开发技术创新与产业发展的经验，从产业生命周期理论角度[19]，研究美国页岩气开发历程和产业发展特点，总结美国页岩气开发和产业发展的经验、启示甚至教训，有助于我国结合自身情况在不同阶段制定合理策略推动页岩气产业高质量发展。

1 产业生命周期理论的基本原理

产业生命周期理论[19]是在产品生命周期理论[20]基础上发展而来的，是一种对产业发展过程的定性分析理论。产业生命周期一般分初创期、成长期、成熟期和衰退期，表征曲线是一条近似S型的假设曲线（图1），通过产量或销售额、消费需求、技术变革、经济效益、竞争者数量、进入壁垒等主要观测点（标志）可以识别产业生命周期阶段[19,21]。产业在不同阶段具有不同特点（表1），通常不同产业同一阶段具有相似的特点[19-22]。通过产业生命周期分析，可以洞察不同阶段企业进入的壁垒，分析推动产业生命周期演化的动力[23]，研究促进产业发展的政策。

图1 产业生命周期曲线图[19]

表1 产业生命周期各阶段一般特点表[19-22]

2 美国页岩气产业生命周期

根据美国页岩气开发相关资料，结合产业生命周期各阶段特点，采用类比分析法，可将美国页岩气产业生命周期划分为四个阶段（图2），即初创期（1821—1999年）、成长期（2000—2007年）、成熟期（2008年至今）、衰退期（潜在），各阶段划分依据见表2。

表2 美国页岩气产业生命周期划分依据表

图2 美国页岩气产业生命周期示意图（数据来源：EIA）

2.1 初创期（1821—1999年）

美国页岩气早期勘探使人们发现并初步利用了页岩气，当时并没有形成页岩气勘探开发专门技术，传统油气技术在页岩气开发方面收效甚微[2]，随后出现了泡沫压裂技术、交联冻胶压裂技术、滑溜水压裂技术、水平井钻井技术、清水压裂技术和加砂水力压裂技术以及重复压裂技术等，直到1999年年产量才突破百亿立方米。其间，美国天然气占主要能源（煤、石油、天然气、核能、可再生能源）的消费比例（图2）迅速增长，1958年超过煤，成为美国第二大消费能源。虽然早期企业没有策略性进入壁垒且结构性进入壁垒也较低[24]，但由于页岩气产量少，天然气价格低，技术研发成本高，造成页岩气开发经济效益极低，根本不能吸引人们的注意，仅有一些小型新兴公司在坚持探索页岩气勘探开发。初创期的美国页岩气产业面临技术探索成本高、效益微、无法吸引从业者和投资者的主要困境，呈现出页岩气开发技术变化较大、产量低、消费需求增大、进入壁垒较低、经济效益极低、竞争者规模小且数量少的特点。

2.2 成长期（2000—2007年）

2000年开始，页岩水平井压裂技术逐渐成形，分段压裂、同步压裂技术获得突破。美国页岩气产量和占天然气比例均稳步上升，2007年达到1999年的3倍。常规天然气产量自2000年开始下滑，而天然气消费需求不断扩大[25]，对外依存度提升至历史最高16.4 % （2007年）。虽然水平井成本是直井的1.5～2.0倍[26]，钻井成本从80万美元/井（1998年）增加至348万美元/井（2007年），但是水平井产量是直井的4～8倍。同时，水力压裂使页岩储层改造成本降低了65%且产量增加了20%，同步压裂平均产量比单井压裂提高了21%～55%[27]，开发成本降低一半以上。加之，2000年美国天然气价格（4.3 美元/106kJ）增至1999年（2.3 美元/106kJ）的近2倍并持续上涨，页岩气开发经济效益增加。而此时油气企业巨头们关注点在国际LNG市场，中、小型企业由于缺乏进入国际市场的资本，则更多运用新技术开采国内的页岩气，从事页岩气开发的企业从几家增至2007年的64家。此时页岩气市场开始形成，市场竞争开始增强，策略性进入壁垒开始提高，结构性进入壁垒依然较低。成长期的美国页岩气产业面临技术改进成本高、市场不健全、生产规模小的主要困境，呈现出页岩气开发技术渐趋定形、产量增加、消费需求较大、经济效益增加、竞争者规模和数量增加、进入壁垒逐渐提高的特点。

2.3 成熟期（2008年至今）

2008年开始，美国大规模应用成熟的页岩气开发技术，页岩气产量逐年提升。2008年页岩气产量大幅提升至599×108m3，2019年达到7 210×108m3，年均增长率为28%，占天然气的比例逐年增长至2019年的62.5%。美国天然气对外依存度从2007年的16.4 %最高位逐年大幅下降，2017年实现了自给自足并成为净出口国。而美国天然气消费需求仍在增长，天然气消费量从6 542×108m3（2007年）增长至8 782×108m3（2019年），仅次于石油，占美国主要能源消费的1/3。天然气价格自2008年达到历史最高位（8.9 美元/106kJ，亨利中心天然气现货价格）后由于金融危机、天然气产能过剩等因素开始回落，至2015年开始保持在较低位（约2.6 美元/106kJ）。随着市场竞争加剧，低气价环境下，企业针对降本增效的技术研发和生产成本随之增加，水平井单井钻井成本增加了一倍，达到686万美元。但美国用页岩气副产物乙烷生产乙烯，其成本仅为使用传统石脑油工艺的一半，使美国乙烯产业获得巨大成本优势，加上成熟的页岩气勘探开发技术使生产效率大幅提升，页岩气开发经济效益继续保持高位。高额利润吸引了大批油气和化工企业巨头投资，大量资本再次蜂拥而入，以至于页岩气产业经过金融危机短暂萧条后又繁荣起来[28]。此时成熟的页岩气产业市场已完全形成，激烈的市场竞争已大幅促进了企业结构性和策略性进入壁垒的速度。成熟期的美国页岩气产业面临降本增效技术革新难、产能过剩、产业动荡风险潜在的主要困境，呈现出技术成熟、页岩气产量高、消费需求大、经济效益高、竞争者规模大且数量多、进入壁垒高的特点。

2.4 衰退期（潜在）

2020年新冠肺炎疫情造成全球原油和天然气需求暴跌，而原油和天然气输出国为抢占国际市场并未大量减产，导致原油和天然气产能依然过剩，油价和气价均走低并保持低位，使得美国几家大型页岩油气生产商亏损达到380亿美元，净亏损超过了过去6年总共29亿美元的平均水平[29]。拥有美国最大页岩气田Bakken的怀廷石油公司（Whiting Petroleum Corp.）在2020年4月初申请了破产保护。页岩气巨头切萨皮克能源公司（Chesapeake Energy Corp.）于2020年6月28日正式宣告破产[30]。若新冠肺炎疫情持续时间较长，美国页岩气产业可能会因需求—收入弹性低而不得不进入衰退期。但若疫情及时解除，恢复正常的社会经济活动，天然气（页岩气）消费需求将正常化甚至大幅增长，页岩气产业必将随即复苏。但是随着科学技术的不断发展，美国能源结构也将不断发生变化，新能源将替代页岩气成为美国重要能源。所以，新冠肺炎疫情影响或新能源替代可能成为美国页岩气产业走向衰退的潜在因素，美国页岩气产业衰退期处于潜在状态。

3 美国页岩气产业周期对我国页岩气产业的启示

3.1 页岩气革命成功需先取得页岩气开发技术革命成功

美国40多年的持续技术攻关形成了页岩气大规模效益开发的成熟系列技术（图3），使其成为世界页岩气开发领域的领跑者。20世纪70年代中期以前，美国依靠传统油气勘探开发技术开发页岩气，年产量不到十亿立方米，根本没有效益可言，但为后续的研究奠定了基础。1976年美国批准资助由能源部、能源研究开发署、国家地质调查机构、州级地质调查所、研究型大学、工业企业等联合发起的东部页岩气项目，资助工作一直持续到1992年，标志着美国开始系统研究页岩气勘探开发技术。20世纪80和90年代，以米歇尔能源公司为代表的中小型企业大量投资参与页岩气开发技术研究，形成了以“直井+压裂”为核心的第一代页岩气开发技术，使页岩气年产量达到十亿立方米级，基本实现页岩气开发收支平衡，使得页岩气生产研发能继续进行。进入21世纪，水平井压裂技术突破，井工厂开发模式[31]开始应用，形成了以“水平井+分段压裂”为核心的第二代页岩气开发技术，使页岩气年产量达到百亿立方米级，在高气价的推动下，拉开了页岩气商业化开发序幕。2010年开始，页岩气水平井分段压裂技术迅速发展，水平段可达3 000 m以上，压裂段数可达80段，压裂效率可达18段/天，井深4 000～5 000 m的水平井平均钻井周期缩短到10天[32]，形成了以“长水平井+超级压裂”为代表的第三代页岩气开发技术，加上一趟钻、微裂缝监测等组合技术开始应用，大幅提升了页岩气开发效率，使页岩气年产量稳定在千亿立方米级。美国主要通过项目资助、研发试验、系统创新、联合攻关，破解了产业初创期技术探索成本高、成长期技术改进成本高和成熟期降本增效技术持续革新的困境，推动了页岩气开发技术革命，创造了页岩气产业发展的前提条件。

图3 美国页岩气开发技术发展历程图（数据来源：EIA及公开资料）

3.2 页岩气产业发展必须要配套及时且全面的产业政策

第一次世界大战期间美国就开始研究天然气化工，随后又掀起了跨州输气管道建设热潮，出台了一些政策法案，消除大公司对天然气的跨州垄断。第二次世界大战后天然气产业初步形成，并于1954年通过“菲力普斯决议”进入全面监管阶段。1992年636号法令使天然气工业走向市场经济。美国天然气产业的形成为页岩气产业发展奠定了政策、市场和管网等多方面的基础。美国在石油峰值理论盛行和石油产量达到峰值后持续下滑时陷入能源危机，尼克松总统提出“能源独立”目标将视线转向非常规能源（1970年）。面对三次全球石油危机（1973年、1978年和1990年），美国持续投入资金组织力量实施东部含气页岩研究计划；通过立法解除天然气井口价格管制并鼓励投资，多次税收补贴立法并多次延长优惠期限鼓励页岩气勘探开发，极大提高了页岩气企业积极性。20世纪90年代天然气价格下跌，《纳税人减负法案》（1997年）继续延续和扩大财税补贴优惠，进一步激发了中小型公司投资页岩气的热情。进入21世纪，高气价和新技术使页岩气成为了更具商业价值的开采对象。美国通过《能源政策法案》继续投资（2004年）并加大了补贴力度（2005年和2006年），颁布的《能源独立和安全法案》（2007年）从技术创新、市场培育、企业自由度、投资引导等各个能源发展环节贯彻了资源最优配置原则[33]。尽管2008年爆发全球金融危机，页岩气产业仍然吸引了大量外资，使美国页岩气进入规模开发阶段。美国页岩气产量随之大幅提升，2009年超过俄罗斯成为世界第一大天然气生产国[34]。随即出台了《清洁能源与安全法案》，推进国际清洁能源领域的合作，为页岩气产业国际化发展做准备[35]。当页岩气产量剧增导致产能过剩而气价较低时，美国解除了长达40年的原油出口禁令（2015年），利用页岩气开采优势开始向欧洲出口天然气（2016年）。总之，美国一百多年在产权、财税、价格、研发、投融资和管网建设等方面制定并实施的一系列及时且全面的政策，破解了产业初创期成本高效益低使从业者和投资者不愿高风险进入、成长期页岩气产业市场不健全和成熟期产能过剩的主要障碍，不断吸引着大中小型企业参与页岩气开发，持续推动着页岩气产业化和市场化发展，刺激着产业向着成熟期演化（图4），创造了页岩气产业发展所必要的政策环境。

图4 美国页岩气产业生命周期演化历程及部分产业政策图

3.3 页岩气开发必须要持续正视并及时解决环境保护问题

早在1948年，美国制定《联邦水污染控制法》时，人们就开始关注到压裂可能造成水污染，直到1970年美国环保署才开始进行管理。1972年在驳回尼克松总统的否决后，国会颁布了《清洁水法》。而1974年国会通过的《安全饮用水法》理应对水力压裂进行监管，但却因当时正值第一次全球石油危机而并没有起到监管作用。1984年被戏称为“脏水法案”的《清洁水法》修正案引起环保团体强烈不满而并未通过。1986年修订的《安全饮用水法》才对页岩气开发过程中的地表活动、水资源管理和大气污染等方面进行不同程度的约束，后来又多次对《清洁水法》和《安全饮用水法》进行了具有争议性的修订。1997年居民上诉法院要求美国环保署遵循《安全饮用水法》，可见其修订的法案约束效果并不乐观。

水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一。在页岩气产业的初创期，美国一边面临群众对水力压裂技术的环保质疑甚至是反对，一边又面临必须实现页岩气开采增产技术突破的现实困境，美国采取了先放松环境保护的做法。正因为如此，一些反抗水力压裂的团体组织和抗议活动陆续出现。2004年，美国环保署对水力压裂的环境影响进行评估，当时的结果认为这种技术很安全[35]，后来陆续又有机构和学者论述开采页岩气的环境影响。2009年，美国准备删除水力压裂免监管政策，但油气财团、政府因考虑生产和税收问题最终否定了该修正案。可见，美国在页岩气产业成长期迫于环境保护的压力开始评估水力压裂对环境的污染问题，但考虑到经济效益问题仍然采取了放松态度。直到页岩气产业进入成熟期，加上2010年指控天然气开发带来环境问题的纪录片《天然气之国》被公开，美国才开始增加压裂环保评价并建立相关环保标准，真正着手解决页岩气开发涉及的环境保护问题。2016年，美国已有28个州建立了水力压裂化学物质强制披露制度。近些年的民调显示（表3），越来越多的人们认识到页岩气产业创造了就业机会和财富，但同时也带来了问题，特别在社会经济、健康和环境等方面。美国页岩气开发是资源环境保护与资源效益开发博弈的过程，而美国采取了初创期先忽视、成长期再回避、成熟期才解决的政策，使得页岩气革命虽然成功但备受争议。

表3 水力压裂部分民调情况表[36-40]

3.4 页岩气产业必须构建应对新冠肺炎疫情等“黑天鹅”事件的能力

2020年，全球爆发新冠肺炎疫情，近100个国家采取了禁止跨境移动的政策，人们对石油和天然气的消费需求急剧下降。部分油气供应国考虑大规模减产的同时，也存在部分油气供应国为争夺油气市场份额而继续增产，加之美国页岩气革命带来的油气产量大幅增长。2020年开始，以页岩气巨头切萨皮克公司为代表的大量页岩油气公司因负债亏损而倒闭。目前新冠肺炎疫情仍存在季节性、地域性、反复性和长期性的特点。BP 2020年全球能源展望[41]提到，新冠肺炎疫情的经济成本和破坏规模可能对全球经济和能源体系产生重大而持久的影响。

全球新冠肺炎疫情等“黑天鹅”事件正在倒逼页岩气产业和企业转型升级。美国页岩油气企业出现危机大多数是因为其高度依赖债务融资和市场投资者的风险偏好，其高杠杆带来高负债导致严重亏损或资金链断裂。因此，在产业成长期和成熟期应提升产业投融资风险识别与管控能力，同时，政府应积极应对新冠肺炎疫情等“黑天鹅”事件，采取及时有效防控措施恢复正常的产业发展环境。通过扩大天然气内需和出口，从需求侧减小其对页岩气产业的消极影响，通过页岩气勘探开发理论与技术创新[42-43]、管网建设等供给侧改革，矫正要素配置，提高供给结构对需求变化的适应性和灵活性，从而增强产业和企业抗风险能力。