从页岩气聊起（0）

木不铎 · 发表于 2013-10-19 07:37:16

根据已有的勘探结果，中国的页岩气储量高居全球之冠，拥有的可开发储量有36万亿立方米，为常规天然气储量（根据BP于2012年6月发布的数据为3.1万亿立方米）的12倍左右，而潜在储量则为144万亿立方米。那么，这些气田分布在哪儿呢？

如上图所示，在已勘探地区，塔里木盆地（Tarim Basin）和四川盆地（Sichuan Basin）是中国最大的两个页岩气储藏区。这两个地方虽然被青藏高原的万丈群山分隔开来，但都沉积了优良的海相古生代页岩，而如果查一下用于评价气藏的众多指标，诸如厚度、深度、总有机碳量（TOC）、成熟度等等，均是上上之选，而这其中，四川盆地的品相又稍好一点。中国已探明的页岩气蕴藏量主要就是指这两大盆地。

除此之外，中国还有其它五个较大的页岩气盆地，即准格尔盆地（Junggar Basin）、吐哈盆地（Tuha Basin）、鄂尔多斯盆地（Ordos Basin）、包括渤海湾盆地在内的华北盆地（North China Basin）以及松辽盆地（Songliao Basin），但这五个盆地所沉积的属于陆相页岩，论品质比起海相的要差一些，而且没有经过很好的勘探，但可以作为远景开发区域。

中国2011年的天然气年产量为1025亿立方米（注：因为气体在不同气压下体积变化很大，评估天然气生产时所用的体积单位为标准大气压下的体积；而在评估天然气气藏的体积时，用的则是气压为200巴（bar），即197个标准大气压下的体积），而年消耗量为1307亿立方米，缺口为282亿立方米，也就是说咱们的天然气有1/5以上需要进口。如果中国的页岩气资源能够得到充分开发，中国不但能够避免让毛熊卡脖子的命运，而且能调整能源结构，改变严重依赖煤炭这一“肮脏”能源的现状；另外，在国际气候大会上唱什么节能减排的高调时也能更硬气一些。

论储量，中国是冠军，但产量呢？中国的页岩气工业尚处于初始阶段，现如今，诸神就位，只待东风。

政策？2012年3月15日，温总理在第十一届全国人民代表大会第五次会议中所做的《政府工作报告》中已明确提出“优化能源结构，推动传统能源清洁高效利用，安全高效发展核电，积极发展水电，加快页岩气勘查、开发攻关，提高新能源和可再生能源比重。加强能源通道建设。”但是有了大的方针和战略后，具体实施的时候，还需要有配套的政策法规跟进，诸如税收优惠、贷款扶持，以及行业准入等。这方面，可以向美国好好学习。

资金？中国现在最不差的就是钱，而且一直是一拨儿心怀鬼胎的国外大小投资客青睐的对象。

技术，还有管理，这才是中国页岩气勘探开发的短板所在。油气开发是一个资金密集和技术密集的行业，而且因为油气本身沾火即着，且有一定的毒性，如果管理疏漏，一旦出事，经常带来巨大的生命财产损失，对环境的破坏也是很大的，此类前车之鉴数不胜数。

2003年12月23日，在四川盆地东缘的重庆开县，中国石油天然气总公司下属的川东北气井发生特大井喷事故，导致近200人死亡，周边五公里4.1万余人口被迫转移，开县一夜之间变成死城。

尽管存在诸多的问题和困难，但以页岩气、致密气以及煤层气为代表的非常规天然气勘探开发是中国要走的必由之路，截至2012年4月底，中国共计完钻63口页岩气(油)井，其中石油公司61口，国土资源部2口，且已有30口页岩气井获得工业气流。另外，壳牌（Shell）、雪佛龙（Chevron）、康菲（ConocoPhillips）、英国石油（BP）也开始和国内油企在页岩气项目上展开了合作。5月17日，中国国土资源部网站发布《页岩气探矿权投标意向调查公告》，公告对投标人资格条件的规定是：具有石油天然气或气体矿产勘查资质、注册资金应在3亿元以上的内资企业、独立法人。这也就意味着，页岩气领域的大门对民企打开了。当年，在美国真正掀起页岩气工业革命的并非石油巨头、业内大鳄，而是米切尔能源（Mitchell Energy）这家由政府扶持的中小公司。

借用一句大俗话----“道路是曲折的，前途是光明的”。

木不铎 · 发表于 2013-10-19 07:35:09

《千字文》中有一句词----“孔怀兄弟，同气连枝”，页岩气也是有兄弟的。与常规天然气资源相对，还存在一个庞大的非常规天然气家族，老大即是页岩气（Shale Gas），另外还有致密气（Tight Gas）和煤层气（Coalbed Methane/Gas，简称CBM），而且这个家族还在不断扩张中。这里，暂且先聊聊老二和老三。

所谓致密气，指的是蕴藏在渗透率奇差无比且异常坚硬的岩石中的天然气，一般含有致密气的岩石为砂岩（Sandstone）和石灰岩（Limestone），这两种岩石与页岩相比，孔隙度稍大一点（8% vs. 6%），渗透率也要大几个数量级（～1mD vs. ～0.001mD），但它们本身并非源岩，是天然气逐渐运移进来以后逐渐存储下来的，和页岩气这位可自产自储的老大相比，致密气的储量相对较少。而致密气的采集方法和页岩气大同小异，主要也是通过水平钻探和水力劈裂这两招，当然在细节上会有一定的差异。以美国为例，其致密气产量占其天然气产量的比例在2008年一度达到了28%，随着页岩气的异军突起，其比例虽有下降，但也会保持在二成以上。目前致密气形成商业开发规模的主要是在北美，其中的代表就是美国北达科他州和蒙大拿州的巴肯（Bakken）岩系以及相邻的加拿大阿尔伯塔省的蒙特利（Montney）岩系。

至于老三煤层气，顾名思义，是存储在煤层中的天然气，其主要成分是甲烷，也就是矿工们闻之色变的瓦斯。记得当年读书的时候，有一位老师谈到了煤矿中的五大灾害，位居首位的就是瓦斯。一旦坑道中的瓦斯浓度超过阈值（5%～16%），一遇明火就会爆炸。如果将煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，如果能变废为宝，在进行煤炭开采之前先将煤层气开采出来，不但能创造经济效益，而且能保护环境，更能极大地保护矿工兄弟的安全，一举数得，这对咱们中国这个严重依赖煤炭资源的发展中国家而言，意义不可不谓重大。然而，愿望虽好，一旦实施起来并不那么容易。例如，煤层气含量的多少一般与煤的品质相关，品质越好，则含气量越大，这就意味着并不是所有的煤田的煤层气都适合商业开采，另外就是许多煤田透气性较差，开采成本过高。

目前煤层气开采的主要方式是通过地表钻井，将地下水抽取出来，降低煤层中的压力，煤层气的围压一旦下降，就形成了负压力，煤层气随即通过管道被采集出来；另一种方式就是通过瓦斯抽取系统，直接抽气。

根据BP所提供的数据，全球煤层气蕴藏量截至2008年约为270万亿立方米，超过了常规天然气蕴藏量（自2009年底为187.49万亿立方米），其中中国位于美国和俄罗斯之后，占18.5%，蕴藏量为36万亿立方米。但若论到煤层气的生产，美国和俄罗斯远远走在中国前面，美国的煤层气生产在2007年就已经达到了近500亿立方米，而中国的目标是在2010年实现年产量达到100亿立方米，到2015年达到300亿立方米，目前制约中国煤层气开发生产的主要原因是什么呢？难道仅仅只是技术差距吗？

不爱吱声 · 发表于 2013-10-19 07:06:39

木不铎发表于 2013-10-18 15:20 : U) z; t0 m, i% l$ A
在谈页岩气之前，先聊聊常规油气藏。在这方面，大家已经形成共识，即若想形成良好的油气藏，一般需要五大 ...

唯一的瑕疵就是页岩是空隙率低，渗透率低因此采用常规手段无法开采，但将气采出来却不是靠增加压力挤出来的，压裂本质上是把石头通过水力压裂方法撑开裂缝，这样增大自由表面面积，也就是增加孔隙率和渗透率，却无法压挤出气体，在水压过后，注入支撑剂支撑裂缝，气体分子会自动沿裂缝跑出来。
好的页岩类似与千层饼被高压挤在一起，压裂就是把这些层间裂缝撑开。

不爱吱声 · 发表于 2013-10-19 06:49:07

本帖最后由不爱吱声于 2013-10-18 16:53 编辑

写得真好，我写不出来这么精彩的科普。可能我条条框框太多下笔多有顾虑反倒无法写得这么流畅。

你还有其他的科普文章么？不妨都贴过来。

木不铎 · 发表于 2013-10-19 05:33:22

页岩气开发首先是在德州北部的巴尼特页岩（Barnett Shale）岩系取得突破，随后又在其它页岩系列全面铺开，诸如阿堪萨州的Haynesville岩系，阿巴拉契亚盆地的Marcellus岩系，达拉斯附近的老鹰滩（Eagle Ford）岩系等等，落基山脉（Rocky Mountains）以东的盆地山脉构造区（Basin and Range Province）及密西西比河两岸已然是星火燎原之势。

2009年，白宫发言人信心十足地向米国老百姓宣布“页岩气的开发预计将显著改善美国的能源安全状况，同时还有助于减轻温室气体污染（The development of shale gas is expected to significantly increase U.S. energy security and help reduce greenhouse gas pollution）”。美国依赖其技术优势，以页岩气为代表的非常规油气生产这几年高速增长，其能源自给率自2005年的历史最低点69.2%已经逐步回升到2011年的78%。预计在2035年，美国的页岩气产量将占天然气总常量的46%，而其天然气进口量将降低到1%。有乐观的家伙甚至说美国将成不远的将来为油气资源的净出口国。2011年的时候，美国的确成为油气制成品的净出口国，但需要强调的一点，是“油气制成品”，而非“原油”或者“天然气”这类原材料（Raw Material）。至于美国成为“油气资源的净出口国”是一句铿锵有力的口号，还只是一个吹给阿拉伯大叔和北极毛熊看的大气球，让我们拭目以待吧。

伦敦奥运会开幕式上，蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）作为互联网的发明人和约翰牛的优秀代表露了一把脸。但互联网能之所以能够大行于天下，却是因为美国。好像大家伙儿都瞅着美国佬儿，一旦他们做成了啥事儿，大家立马一窝蜂跟进。难道这就是所谓“敢为天下先”？在页岩气的开发上面，美国很幸运地成为光荣的“先行者”，而不是可怜的“小白鼠”。看着美国佬儿已经在大把大把得赚银子了，大家都照猫画虎吧，于是乎，页岩气勘探开发在全世界如火如荼得展开了。

这一调查不要紧，全球的页岩气还是很丰富的嘛。就目前而言，已经在32个国家，发现了48个蕴藏有大规模页岩气资源的盆地.根据IEA在2012年年初所发布的《世界页岩气资源：对美国以外12个地区的初评报告（World Shale Gas Resouces: An Initial Assessment of 14 Regions Outside the United States）》所提供的数据，全球已探明的可开发（Technicallly Recoverable）总储量为187万亿立方米；而如果要算潜在的蕴藏储量（含目前技术无法开发的页岩气藏），则高达623万亿立方米，这个数字为全球常规天然气储量（自2009年底为187.49万亿立方米）的三倍还多，就单算可开发储量，也意味着大家能用的气翻了整整一倍。

中国一直被大家认为是一个油气资源贫乏的国家，我们的常规天然气蕴藏量只有可怜的2.46万亿立方米。但是，当我们把视线稍微转移一下，一定会微微一笑，我们的页岩气可开发储量是36万亿立方米，而潜在储量则为144万亿立方米，均高居世界第一；排在老二美国之后的是阿根廷，其可开发储量为22万亿立方米，潜在储量为77万亿立方米。2009年11月，奥黑同志答应向中国提供页岩气勘探开发技术，条件是让美国公司进入中国油气领域，目前仍处于双方博弈阶段。事情进展何如尚不得知，但有一点是必须强调的，只有中国人自己掌握了这项技术，才能真正确保中国的能源安全。

木不铎 · 发表于 2013-10-19 05:29:27

本帖最后由木不铎于 2013-10-19 05:34 编辑

1973年10月6日，萨拉特大手一挥，埃及军队搭乘冲锋舟迅速突破苏伊士运河，登上了丧失敌手六年之久的西奈半岛，第四次中东战争（即“赎罪日战争”）打响了，随后石油输出国组织（OPEC）为打击以色列及其黑后台即以美英为首的西方国家，宣布石油禁运，暂停出口，第一次石油危机也随之引爆。数天之内，油价涨到了13美元一桶，而以前只需要一个零头，也就是3个刀乐儿，低油价的时代一去不复返，欧美发达国家在此重压之下阵脚大乱，经济出现严重衰退，当年美国的GDP下降4.7%，欧洲整体下降2.5%，小日本子摔得最狠，跌了7%。

山姆大叔这时才真正醒悟过来，这个油管子气袋子不能控制在阿拉伯大叔手中。怎么办？咱不是有页岩气嘛，似乎还挺多的，就是开采成本高点儿，但等油气价格真涨到天边了，这点成本不也就不高了嘛，那就先研究研究吧。1976年，在美国能源部和工业界的天然气研究所（Gas Research Institute）主持下，“东部天然气页岩项目（Eastern Gas Shales Project）”这一研究计划正式开展，研究经费则是由美国联邦能源监督管理委员会（Federal Energy Regulatory Commission）负责提供，研究目的是对美国东部即阿巴拉契亚山一带的浅层泥盆纪页岩气进行商业性开采。1980年，美国政府又通过了《1980能源法案（1980 Energy Act）》，为页岩气研究开发项目提供政策扶持和税收等方面的优惠。

在美国政府的大力扶持和石油工业界的协同努力下，为页岩气开发带来革命性突破的两项技术问世，一项就是水力劈裂（Hydraulic Fracturing），另一项是水平钻井（Horizontal Drilling），这两项技术就是页岩气工业界的必杀技，江湖人称“二鬼拍门”。

所谓“水力劈裂”（又称“水力压裂”），即向岩层打钻，用水泵将高压水流注入进去，使岩石产生破裂，这样在原来结构细密的页岩中就形成了天然气上涌的人工通道。另外，一般钻井都是垂直朝下的，可页岩岩层厚度是有限的，垂直下钻，意味着接触面非常有限。如果让钻头拐弯，比如说沿着岩层的产状走，这样不就能保证凡页岩所在之处，高压水流均能光顾。有了这两份陪嫁，“页岩气”这位待字闺中久矣的老姑娘该可以出阁了吧？

其实，早在1947年，就有人提出来“Horizontal Slickwater Fracking（水平油水劈裂）”技术，但限于当时各种技术条件尚不成熟，结果不了了之。一直到了1991年，在能源部的资金扶持下，米切尔能源（Mitchell Energy）公司首次在德克萨斯州北部的巴尼特页岩（Barnett Shale）区打出第一口水平钻探气井。1998年，米切尔能源公司又研发出了“Slick-Water Fracturing（油水劈裂）”，即用加入砂、润滑剂以及其它化学添加剂的油水（Slick-Water）代替水，进行劈裂。有了该技术，商业规模的页岩气开发从此才真正大行于天下。

从上图可以看出，无论是从钻井数量还是产量上，水平钻探已经成为页岩气开发的主流。下图则为2009年在达拉斯附近的页岩气井分布图，红点为水平井，黑点为传统的竖井。

2000年，美国的页岩气开采量仅为84亿立方米，而到了2010年则为1359亿立方米，占当年全国天然气产量的21%。根据美国能源信息局（EIA）的资料，全美的页岩气预计储量约为24.4万亿立方米。

（注：关于页岩气相关专业名词解释，请参阅http://shalegaswiki.com）

木不铎 · 发表于 2013-10-19 05:25:08

本帖最后由木不铎于 2013-10-19 05:34 编辑

先穿越一把，让我们回到1821年（也有说1825年）夏天的一个下午，地点是一个名为“弗里多尼亚（Fredonia）”的小村子，村子离大湖区的小四---伊利湖（Lake Erie）不远，“加拿大路（Canadaway）”这条小溪从村边缓缓流过，一位名叫威廉·哈特（William Hart）的汉子正在溪边的空地上刨坑呢。

“哥们儿，要不要搭把手啊？”

“不用，这点活儿，俺一个人就干了。”但见哈特先生手持一把铲子，上下翻飞，刨出了八米来深的一口坑来，然后栽上一根中间掏空的木头，缝隙用焦油和破布塞上，再接上个笼头，哈特先生一手创建的“弗里多尼亚煤气照明公司（Fredonia Gas Light Company）”就这样哇哇坠地。他的顾客只有三位，两家小商店和一家磨坊，用他提供的天然气照明，管道也是接在一起的木头管子。可别小看这个迷你公司，它被西方石油工业界推崇为现代天然气工业的鼻祖，而弗里多尼亚也因此以天然气工业的诞生地自居，在该市的市政府大印上就有一盏煤气灯。

在这里，请大家不要忘记，在同时代的中国四川自贡，早已是井架如林，几十、几百米的气井数不胜数，而在十几年后的1835年，世界第一口超千米深井——燊海井（1001.42米）在自贡凿成。

哈特的这口井所生产的就是页岩气，埋藏虽浅，出气也少，但因为客户需求量有限，勉强够用。但随着工业化革命的进程，煤气开始逐渐走进北美和西方的大小城市，需求量越来越大，而在美国的宾夕法尼亚州、加利福尼亚州和得克萨斯州、俄国巴库以及中东地区先后发现了更大规模的油气田，这种小规模的开采方式也就渐渐被淘汰，页岩气也暂时隐入了历史。

页岩本身是一种优良的烃源岩和储集岩，早已成为优质油气藏的标志之一，有的油页岩甚至可以直接拿来烧。

但是，页岩的渗透率（permeability）比较低，天然气一旦进入了页岩中以后，就不愿意动弹了，要想把它开采出来，总不能就那么插个管子，等它慢慢往外挤牙膏。怎么办呢？上压力啊，把气给挤出来不就行了。可怎么上呢？如果加压花的钱，比卖气得的钱还多，估计也没人愿意干。

用“Gas Industry”咨询了一下维基大师，结果给俺转到了“Flatulence”，嘛意思？有中文词条，点上去一看，原来是个“屁”。嗯，这个词条的确和压力以及气有关，但天然气的主要成份是甲烷，而这个“屁”呢？99%的成分属于无味的氧气、氮气，还有甲烷。中文词条上还附上了一张日本鬼子的浮世绘，名曰《屁合战》，把这个含甲烷的东东可谓发扬光大到了极致。

木不铎 · 发表于 2013-10-19 05:20:46

本帖最后由木不铎于 2013-10-19 05:35 编辑

在谈页岩气之前，先聊聊常规油气藏。在这方面，大家已经形成共识，即若想形成良好的油气藏，一般需要五大要素：

1）烃源岩（Source Rock）：不是随便一块石头就能形成油气，得是那种富含有机质，温度、时间、压力等等全部合适的那种，比如阿巴拉契亚山的马塞勒斯页岩（Marcellus Shale）、位于沙特的世界第一大油田加瓦尔油田（Ghawar Field）的侏罗纪碳酸岩。

2）运移通道（Migration Path）：源岩可能深埋地下或者他处，油气在压力的作用下会发生运移，其路径可以是孔隙度比较大的岩层，断层也是挺不错的一个选择。

3）储集岩（Reservoir Rock），比如孔隙和层理发育的岩石，渗透率也不能太低，某些页岩再次光荣地成为候选人。

4）盖层（Seal）：得有个盖子，不然油气就挥发跑了，最好是盐（Salt）做的，密封性和柔韧性都好。

5）圈闭（Trap）：油气最终通过储集岩汇集在一起，但得有足够的空间来容纳油气，还不能太小，否则没有商业开采价值，得不偿失。

而说到圈闭，则有两种主要类型，一种与构造相关，称之为构造圈闭（Structural Trap），比如背斜所形成的穹窿，或者断层错断形成的空间；另外一种则与地层结构相关，称之为地层圈闭（Stratigraphic Trap），比如尖灭（ Pinchout）或者不整合带（Unconformity）。当然，这个圈闭也可以是构造+地层这样二合一的混合类型，但不管怎么说，得有足够的空间存在。由于油比水轻，油挥发以后会形成的气又比油轻，因此经常出现的情形是：

气

--------

油

--------

水

再往上当然就是负责把大家都罩住的盖层了。通过分析人工地震数据及测井资料，只要这五大要素过关，再估算出油气藏的大致储量，如果价格合适量又足，就可以开钻取油分银子了。

五大要素通通齐备，根据概率论原理，决定因素越多，则成功几率越小（10% ×10%=1%），这样的优等生可并不是那么好找，要不满世界为啥就阿拉伯大叔那儿油啊气啊那么多？难道是真主眷顾吗？如果五大要素凑不齐，甚至某些方面先天不足，比如遇到页岩气这种非常规气藏，该怎么办呢？

页岩气（Shale Gas），顾名思义，自然是储集在页岩中的天然气。注意：它是储集在岩层中的，具体说，是储集在页岩中那些细小的孔隙中，因为孔隙度和渗透率低，加上压力也不够，在这种情况下，页岩内的天然气就不愿意挪窝了，因而根本就没有圈闭这个大气囊等着你去钻。就算你去钻，到底朝哪儿开钻呢？无的怎么放矢呢？另外，没有圈闭、盖层等这类特殊构造形式，怎么估算页岩里面就一定有商业储量的天然气呢？原有对付常规天然气藏的勘探开发的方法已不堪使用。因此，在页岩气的勘探开发上，技术要求更高，而成本也随之上升。

幸亏这些年油气价格不断攀升，而技术进步又降低了开采成本，一上一下，就有了足够的利润空间，这才引发了页岩气的大开发。

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