页岩气
页岩气 - 概述
页岩气钻井现场
页岩气（shale gas）是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，与“煤层气”、“致密气”同属一类。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。页岩气很早就已经被人们所认知，但采集比传统天然气困难，随着资源能源日益匮乏，作为传统天然气的有益补充，人们逐渐意识到页岩气的重要性。[1]
页岩气 - 生成
页岩气分布示意图
页岩气，是从页岩层中开采出来的天然气，是一种重要的非常规天然气资源。生烃源岩中一部分烃运移至背斜构造中形成常规天然气，尚未逸散出的烃则以吸附或游离状态留存在暗色泥页岩或高碳泥页岩中形成页岩气。
以吸附、游离和溶解状态赋存于泥页岩中的天然气与常规天然气相比，其气藏的特点是页岩既是源岩，又是储层和封盖层。因此页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。
页岩气有机成因来源种类多，即有生物气、未熟一低熟气、热解气，又有原油、沥青裂解气。页岩演化和各个阶段均有可能形成具备商业价值的页岩气藏，但高演化阶段页岩气藏的规模更大。目前发现的具有商业价值的页岩气藏有机质类型以I-II型为主，页岩中有机质丰度与页岩气产能之间有着良好的线性关系。但是页岩孔隙中的含水量和矿物组成的变化会影响这种线性关系。[2]
页岩气 - 主要特点
页岩气主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态（大约50％）存在于裂缝、孔隙及其它储集空间。
页岩气气藏位置
以吸附状态（大约50％）存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面，极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中为天然气生成之后，在源岩层内的就近聚集表现为典型的原地成藏模式，与油页岩、油砂、地沥青等差别较大。与常规储层气藏不同，页岩既是天然气生成的源岩，也是聚集和保存天然气的储层和盖层。因此有机质含量高的黑色页岩、高碳泥岩等常是最好的页岩气发育条件。
页岩亦属致密岩石，故也可归入致密气层气。它起始于阿巴拉契亚盆地的泥盆系页岩，为暗褐色和黑色，富有机质，可大量生气。储集空间以裂缝为主并可以吸附气和水溶气形式赋存，为低（负）压、低饱和度（30％左右），因而为低产。但在裂缝发育带可获较高产量，井下爆炸和压裂等改造措施效果也好。
页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点——大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，使得页岩气井能够长期地稳定产气。但页岩气储集层渗透率低，开采难度较大。随着世界能源消费的不断攀升，包括页岩气在内的非常规能源越来越受到重视。美国和加拿大等国已实现页岩气商业性开发。
页岩气 - 储量
美国Barnett页岩气区块
全球非常规气/页岩气资源量丰富。美国国家石油委员会于基于Rognar的数据估算全球非常规天然气资源量约923万亿M3；其中：近半数为页岩气（456万亿M3），常规天然气资源量378万亿M3。页岩气主要分布在北美（1/4）、亚洲、太平洋地区与拉美。其中北美与中国合计占45%。
中国页岩气储量丰富。近期国土资源部对中国页岩气资源进行了初步的地质勘探调查。经初步评价，中国陆域页岩气地质资源潜力为134.42万亿立方米，可采资源潜力为25.08万亿立方米（不含青藏区）。其中，已获工业气流或有页岩气发现的评价单元，面积约88万平方公里，地质资源为93.01万亿立方米，可采资源为15.95万亿立方米，是目前页岩气资源落实程度较高，较为现实的勘查开发地区。中国页岩气资源基础雄厚。按省(区、市)统计，全国页岩气资源主要分布在四川省、新疆吾尔族自治区、重庆市、贵州省、湖北省、湖南省、陕西省等，这个省(区、市)占全国页岩气总资源的68.87%
示意图
中国全国共优选出页岩气有利区180个，累计面积为111.49x 104km2因部分地区不同层系有利区在垂向上的重叠，有利区叠合面积为66.93 x 104km2。其中，上扬子及滇黔桂区有利区累计面积62.42 x 104km2，占全国总量56%；中下扬子及东南区累计面积为17.44X 104km2，占16%；华北及东北区累计面积27.01 x 104km2，占全国总量24%；西北区累计面积4.62 x 104km2，占全国总量4%。
按照页岩气显示情况对有利区进行了分类。I类有利区11个，面积10.18 X 104km2; II类有利区89个，面积80.90x 104km2；III类有利区80个，面积20.39x X 104km2。
在中国陆域共划分出页岩气规划区36个，面积150.05x104km2。其中，油气矿业权区块外35.34x104km2，占23.55%，其余均在油气矿权区块内。其中，上扬子及湛黔桂区8个，面积为55.72x104km2；中下扬子及东南区8个，面积为38.57x 104km2；华北及东北区10个，面积为32.47 x104km2；西北区10个，面积为23.71 x104km2。[2]
页岩气 - 分布范围
页岩气勘探
北美的克拉通盆地、前陆盆地侏罗系、泥盆系-密西西比系富集多种成因、多种成熟度的页岩气资源。而在中国许多盆地发育有多套煤系及暗色泥、页岩地层，互层分布大套的致密砂岩存在根缘气、页岩气发育有利条件，不同规模的天然气发现，但尚未在大面积区域内实现天然气勘探的进一突破。
示意图
中国南方海相页岩地层可能是页岩气的主要富集地区。除此之外，松辽、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔等陆相沉积盆地的页岩地层也有页岩气富集的基础和条件。重庆綦江、万盛、南川、武隆、彭水、酉阳、秀山和巫溪等区县是页岩气资源最有利的成矿区带，因此被确定为首批实地勘查工作目标区。[3]
从全世界范围看，泥、页岩约占全部沉积岩的60%，页岩气资源前景巨大。主要分布在北美、中亚和中国、拉美、中东和北非、前苏联。加拿大西部地区大约有550万至860万亿立方英尺页岩气储量。美国页岩气地质储量约28万亿立方米。2007年美国页岩气总产量500亿立方米，占当年美国天然气总量的8%以上。中国的页岩气储量超过其它任何一个国家，可采储量有36万亿立方米。按当前的消耗水平，这些储量足够中国使用300多年。
页岩气 - 成藏条件
沉积环境
页岩气的工业聚集需要丰富的气源物质基础，要求生烃有机质含量达到一定标准。那些有机质丰度高的黑色泥页岩是页岩气成藏的最好源岩，它们的形成需要较快速的沉积条件和封闭性较好的还原环境。沉积速率较快可以使得富含有机质页岩在被氧化破坏之前能够大量沉积下来，而水体缺氧可以抑制微生物的活动性，减小其对有机质的破坏作用。在沉积埋藏后控制甲烷产量的因素是缺氧、缺硫酸盐环境，低温、富含有机物质和具有充足的储存气体的空间。
页岩气勘探热潮席卷欧洲
总有机碳含量
总有机碳含量是烃源岩丰度评价的重要指标，也是衡量生烃强度和生烃量的重要参数。有机碳含量随岩性变化而变化，对于富含粘土的泥页岩来说，由于吸附量很大，有机碳含量最高，因此，泥页岩作为潜力源岩的有机含量下限值就愈高，而当烃源岩的有机质类型愈好，热演化程度高时，相应的有机碳含量下限值就低。
干酪根类型
在不同的沉积环境中，由不同来源有机质形成的干酪根，其组成有明显的差别，其性质和生油气潜能也有很大差别。因此研究干酪根的类型（性质）是油气地球化学的一项重要内容，也是评价干酪根生油、生气潜力的基础。干酪根类型是衡量有机质产烃能力的参数，不同类型的干酪根同时也决定了产物以油为主还是以气为主。页岩气可以在不同有机质类型的源岩中产出，有机质的总量和成熟度才是决定源岩产气能力的重要因素。
热演化程度
热演化程度含气页岩的热成熟度通常用Ro来表示，Ro越高表明生气的可能越大。美国五大产气页岩的热成熟度可以从0.4%~0.6%（临界值）到0.6%~2.0%（成熟），页岩气的生成贯穿于有机质向烃类演化的整个过程。也就是说，只要页岩层中的有机质达到了生烃标准，即Ro>0.4%，就可以生成天然气，它们就有可能在页岩中聚集成藏。一般地，当Ro>1.0%更易于生气，1.0%1.4%时则生成干气；Ro<0.6%为未成熟阶段，0.4%
页岩气 - 主要用途
页岩气是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，主要用于民用和工业燃料，化工和发电等，具有广阔开发前景，页岩气的开发和利用有利于缓解油气资源短缺，增加清洁能源供应，是常规能源的重要补充。[5]
页岩气开采技术，主要有水平井＋多段压裂技术、清水压裂技术和压裂技术-同步压裂技术，这些先进的技术不断提高着页岩气井的产量。正是这些先进技术的成功应用，促进了美国页岩气开发的快速发展。
页岩气 - 分布式应用
中国天然气输送管网现状
中国天然气管输网路
与美国不同，中国页岩气资源地质条件复杂、管网等配套基础设施不完善，不能像美国一样大量发展管道气利用，应结合中国地质条件及管理体制，因地制宜地采取页岩气应用发展新模式，推动产业迅速实现商业应用，促进其健康有序发展。
中国分布特点有利于分布式应用
中国页岩气资源分布特点有利于分布式应用：中国国土资源部主要将页岩气藏的目标区域划分为南方（即扬子沿线：川渝、湘鄂、滇黔桂一带等）、华北、东北（松辽平原）、西北（包括吐哈盆地和鄂尔多斯盆地等）和青藏五大区域。其中南方、华北和东北区域中的四川盆地、渤海湾盆地、松辽盆地、及江汉盆地及中、东部一系列中、小盆地均靠近经济发达、电力负荷重区如长江三角洲、京津唐地区等，具备就近建立分布式供能系统的市场潜力。
中国分布式利用
中国天然气管网准入限制迫使页岩气的分布式利用：中国天然气管网稀疏，截止2010年底，中国天然气管道总长度约4.5万千米，而美国本土48个州管线长度达49万公里，中国管线建设相对滞后。但中国电网分布已经相当密集，通过采用分布式能源技术，利用页岩气就近发电，就近传输电能，就近利用不失为一个有效的市场化方式。另外，页岩气的开采方式决定了其较高的开发成本，而远距离输送在一定程度上为其附加一笔显著的输配费，造成其到达市场后无法在价格上与其他能源相竞争。如果将其直接转换成二次能源-电力，就近送入电网，则在成本、效率、环保等方面均具有无可比拟的优势。
中国政策鼓励分布式利用
页岩气相关利用政策鼓励分布式利用：目前我国有关页岩气的利用政策尚未出台，但页岩气本质上是天然气，可沿用常规天然气的应用路径实现商业化应用。按照天然气的应用方向，页岩气的途径主要有：城市燃气，工业燃料，天然气发电，天然气化工。其中城市燃气又可细分为居民生活用气、公共服务用气、商业用气、压缩天然气汽车用气，集中采暖用气等。国家政策对不同天然气利用方式采取不同的支持态度，2007年发改委发布的《天然气利用政策》，将我国天然气利用方向划分为优先类、允许类、限制类和禁止类，其中城市居民用气，公共服务设施用气，天然气汽车，分布式热电联产，以及热电冷三联供等被列为天然气利用的优先类，重要用电负荷中心且天然气供应充充足的地区，建设利用天然气调峰发电项目被列为允许类。
中国商业化途径
“以气打气”，电力自发自用：首先在试点区域内的能源利用方式进行整体规划和设计，只在初期的工程建设和勘探开采需要外部供燃油、电力等能源。当页岩气井开始出气后，直接利用自产的页岩气进行发电，为整个区域内提供照明和动力用电，在地面工程、勘探开采、污水处理、管网运输等各个环节提供自给自足的能源供应。在这方面我国鄂尔多斯盆地苏里格大气田的开发中己有成功经验。
页岩气分布式利用与可再生能源实现多能互补：发展基于非常规天然气燃料的“智能可再生能源联合循环电站（Integrated renewables Combined cycle power plant简称：IRCC）” 或称为“灵巧电源系统（Smart power systems）”。将分布式的非常规天然气资源开采与就近的可再生能源实现智能化的多能互补，结合周边县城发展热电联产，充分使各种能源之间实现有机的相互弥合，形成稳定、持续、可靠的优质清洁电流，并成为智能电网的重要组成部分。建立区域调峰电厂：天然气燃烧后产生1500度以上的高温，是高品位的电力热源。通过建设承担调峰功能的天然气发电厂。这类电厂运行机动灵活，启停方便且速度快，更加适应电网调峰需要，实现就近供电，提高电网的稳定性。另外，他在占地面积、用水量、环境污染等方面均比其它类型电站小得多。
燃气冷热电三联供：借助分布式能源技术，因地制宜，实现燃气冷热电三联供，以天然气为主要燃料带动燃气轮机或内燃发电机组等燃气发电设备运行，产生的电力满足用户的电力需求，系统排出的废热通过余热锅炉或余热直燃机等余热回收利用设备向用户供热、供冷。经过能源的梯级利用使能源利用效率从常规发电系统的40%左右提高到80%左右，节省了大量的一次能源。针对以冷热电负荷为主要负荷需求，且对供能安全性要求极高的用户，配置三联供系统是当前一种可行的节能措施。三联供所发电力与电网共同保障用电安全，同时发电余热与常规空调系统还可共同保障用户的安全供冷、热，具有电力和燃气的双重保障功能。
利用LNG和CNG方式：天然气汽车燃料的装载方式有压缩天然气（CNG）、液化天然气（LNG）和吸附天然气（ANG）。现在，在世界各地使用的天然气汽车中，绝大多数为压缩天然气汽车，并有单一燃料、双燃料、混合燃料和混合动力几种类型。天然气汽车对环境污染小、安全性高、动力和性能也不逊于汽油和柴油。全球天然气汽车的市场份额进入了一个迅猛增长的新阶段，预计从2008年的970万辆成倍增长至2015年的的1700万辆，LNG和CNG的市场潜力相当巨大。开采的页岩气通过LNG和CNG方式储存和运输能够绕开接入天然气管网难的瓶颈，推动国内天然气在交通运输业中的普及应用。[6]
页岩气 - 开采历史
美国
美国进行页岩气开采大约有80多年历史。页岩气开发极大改善了美国天然气供应格局和能源安全状况，其占美国天然气产量的比重从1996年的1.6%猛增至2010年的约23%，并使美国在2009年超过俄罗斯成为世界第一大天然气生产国和资源国。随着技术的进步及探明储量的持续增加，未来页岩气开采将进入爆发式增长期，带动美国的天然气生产进入“黄金时代”。
加拿大
加拿大是继美国之后第二个实现页岩气商业化开采的国家，2009年的产量已达到72亿立方米。数据显示，加拿大西部地区大约有550万至860万亿立方英尺页岩气储量。
欧洲（除俄罗斯以外）
页岩气技术可采资源量相对较低，但分布广泛，主要集中在波兰、法国、挪威、乌克兰和瑞典等国。波兰的页岩气可采资源量为欧洲之最。此外，德国、英国、西班牙等国也已开始开展页岩气研究和试探性开发，部分企业已着手商业性勘探开发。但在法国，由于担心页岩气的开采会对水资源管理带来较大负面影响，已暂时停止相关开采活动。[7]
在亚太地区
中国和澳大利亚的页岩气储量都很丰富，上述两国以及印度、印尼都已相继开始对页岩气资源展开调查与勘探。中国页岩气开发刚刚起步，总体处于以资源评估与勘探为主的探索和准备阶段。2011年7月，中国国土资源部举行了首轮页岩气探矿权招标。中国相关部门和石油公司也已着手与美国有关机构在页岩气开发、技术合作研究等方面展开多种形式的合作。
拉丁美洲
页岩气资源主要集中在阿根廷、墨西哥和巴西等国。目前道达尔、埃克森美孚等能源公司已经开始与阿根廷国内的石油公司合作，参与其国内矿区页岩气的开采。墨西哥的页岩气可采资源量位列世界第四， 2011年10月墨西哥北部与美交界处发现大规模页岩气田，预计该气田能满足墨西哥90多年的天然气需求。
中国开发现状
中国主要盆地和地区页岩气资源量约为15万亿-30万亿立方米，与美国28.3万亿立方米大致相当，经济价值巨大。[8]
2009年10月，中国国土资源部在重庆市綦江县启动了中国首个页岩气资源勘查项目。2012年3月，中国国家能源局于发布了《页岩气发展规划（2011-2015年）》，根据该规划，中国计划在“十二五”期间，完成探明页岩气地质储量6000亿立方米，可采储量2000亿立方米，实现2015年页岩气产量65亿立方米，基本完成全国页岩气资源潜力的评估与勘探，为“十三五”打好基础，目标是到2020年力争达到页岩气年开采量为600亿-1000亿立方米。
中国是北美以外唯一一个现有石油服务行业规模较大而且政策和税收环境较为宽松的地区，加之中国页岩气储量丰富且能源供需严重不平衡，中国已被视为未来除美国之外页岩气开发最快的国家。
页岩气 - 美国页岩气发展
开发背景
美国能源结构示意图及预测（来源EIA2011年度能源报告）
美国是世界能源消费大国，长期以来，美国政府将“能源独立”作为政策纲领，希望通过各种手段寻求更多能源供给渠道，改变石油对外依存度高的被动局面。1973年以阿战争，阿拉伯等石油输出国家组织（OPEC）对美国实施石油禁运，1979年伊朗革命造成中东政治陷入混乱造成全球石油短缺，1990年伊拉克入侵科威特带来两国石油减产冲击美国石油进口，这三次“石油震撼”加上对本国油气资源日益减少的担心迫使美国政府进一步落实能源供给分散的策略，加快天然气以及非常规油气的勘探研究步伐，页岩气前期的勘探研发工作就是在这样的大背景下实现突破的。
2007年，美国页岩气产量366.2亿立方米，到2010年，产量突破千亿，达到1379.2亿立方米（相当于美国天然气总产量的23%）。预计，到2035年，美国页岩气产量将占到本国天然气总产量的45%，在未来能源格局中扮演更重要的角。美国页岩气开发获得的巨大成功并非“偶然事件”，在很大程度上得益于技术进步，美国系统完善的、有利于新兴产业发展的市场环境与政策等多方面因素。[9]
时间表
页岩气的时间表包括了若干个重要的里程碑：
1821年，在美国纽约的弗里多尼亚商业天然气井中首次生产出页岩气。
1859年，埃德温?德雷克表示油可大量生产，启动了美国的石油工业。
19世纪60年代到20世纪20年代，天然气，包括在阿巴拉契亚山脉和伊利诺伊州的盆地由浅，低压产出的页岩气，仅限于用在靠近生产领域的城市。
20世纪30年代，技术的发展使得运用大口径管道把大量的中大陆和东南部油田的天然气输送到东北部城市成为可能;天然气工业的迅速发展。
20世纪40年代后期，液压压裂首次用于刺激石油和天然气井。1947年泛美石油股份公司经营的堪萨斯州格兰特县的气井第一次运用了水力压裂技术。
20世纪70年代初，井下发动机，作为定向钻井技术的关键组成部分，发展加速。在随后的三十年里，定向钻井能力继续向前推进。
20世纪70年代末和80年代初，出于对美国的天然气资源日益减少的担心，联邦政府开始资助“非常规天然气藏”，如页岩气，致密砂岩和煤层的气体等方面的估算方法的研究和如何改善将气体从这些岩石中提取的方法。页岩埋藏较深，如得克萨斯州Barnett和宾夕法尼亚州Marcellus区块，都是被众所周知，认为其通透性基本上为零，因此也不考虑其经济性。
20世纪80至90年代初，Mitchell 能源公司结合大裂缝设计，严谨的油藏描述，水平井，更低的成本和水力压裂，使得Barnett页岩区块具有经济性。
2003年至2004年，从Barnett页岩区块生产的页岩气超越了一些浅层天然气井的产量，如历史上的阿巴拉契亚俄亥俄区块和密歇根盆地Antrim页岩区块。现在每天约有20亿立方英尺的天然气是产自美国页岩气。
2005年至2010年，Barnett区块的页岩产量增长到大约每天5亿立方英尺。在其他主要盆地的主要页岩区块也开始发展。
2010年，Marcellus页岩区块亚特兰大中部/东北部地区--靠近东海岸的大城市的天然气需求中心的一个重要的组成部分-被认为拥有接近一半的技术可采近的页岩气资源。[9]
对美国产生的影响
美国页岩气的大开发，一是改变了全国能源供应结构，促使全国油气进口预期不断降低，对外依存度有望降至20世纪80年代以来的最低水平；二是诱发了油气价格联动机制减弱。自2009年初至2010年3月1日，原油价格已上涨了73%，而美国天然气价格却下降了15%；三是刺激了传统能源的替代应用。如，在交通行业中增加压缩天然气替代石油，发电行业中增加天然气替代煤炭等，其中在2005年至2010年的5年间，用于交通燃料的天然气消费量增长了43.5%，气发电的消费份额（相对于天然气的消费总量）从2005年的26%攀升至2010年的30.1%；四是带来了更多的就业机会、税收收入以及一定程度的区域经济增长。如，2008年Marcellus页岩气的发展给宾夕法尼亚州带来了23亿美元的经济收入，创造了29000个就业机会，给州政府和当地政府带来了2.4亿美元的税收。[9]
页岩气 - 改变全球能源游戏规则
美国页岩气分布图
页岩气的异军突起不仅改变了美国国内能源结构和能源战略，也影响着世界地缘政治和能源供应格局。
欧洲天然气市场呈现多元化供应格局。当前的美国天然气市场处于供过于求和高库存状态，在迫使一些LNG出口商将出口目标从美国转移到欧洲和亚太市场的同时，美国也正在向LNG出口国转变，目前已经与欧洲签订了第一个LNG出口合同。
俄罗斯正逐渐失去在欧洲天然气市场强硬的定价权和一定范围的市场份额。随着更多的LNG进入欧洲和亚太地区，欧洲天然气消费单一依赖俄罗斯的局面将得到改变，同时可能会有更多用户转向现货市场促使LNG价格降低。另外，中国面临的油气地缘竞争压力将会减弱。中国的能源消费大国地位和现阶段相对良好的经济环境，使得全球天然气供应商普遍认为中国会是未来管输气和LNG进口潜力最大的国家，进而导致来自美国、俄罗斯等资源国的能源合作愿望增强，而俄罗斯天然气价格的松动可能使中国在中俄天然气价格谈判过程中拥有更多的议价空间。
美国页岩气大发展催化世界油气地缘政治格局发生结构性调整。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大天然气生产国，产量地位的更替意味着美国凭借资源主导优势在能源外交和巩固政治霸权方面有了更多的话语权。美国通过争夺天然气贸易伙伴达到排挤俄罗斯在亚欧大陆天然气供应垄断的目的已经初见成效，未来的油气地缘竞争依然是美国主导的大国博弈，只是大国势力结构已经并将继续发生变化。