从页岩气聊起（0）

木不铎

7 l* z4 L% Q+ n) o1 h  K     河里的（这儿应该说是坛子里的）不爱吱声曾经写过一篇《从页岩气开采说开来》。在页岩气勘探开发方面，不爱吱声应该是行家里手，而俺则连初窥门径都算不上，不过是因为工作原因，接触到一些东西。当初本想偷个懒，等不爱吱声写完他的大作，自己顶多敲点边鼓就成了。可因为种种原因，他的这个帖子只起了一个头，就断了，而人也渐渐淡出西西河。现如今，已经过去一年半载，那俺就接过这个接力棒，正好也整理一下学习笔记，捋一捋自己的思路，所谓“学而不思则罔，思而不学则殆”。

     文中的主要信息来源为美国能源信息局（http://www.eia.gov）和美国地质调查局（http://www.usgs.gov），以及一些内部技术网站。

      老规矩，信马游缰，写哪儿算哪儿，河（坛）里的同行及专业人士，还望不吝赐教则个。

(注：原帖于2012年9月发在西西河及某内部BBS）

木不铎

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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：
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, Y9 D! W4 \& X2 Q' z5 \+ X. ^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。
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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。
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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。
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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。
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5 E$ D) R4 E1 T0 `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：

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$ u' o; b6 P1 C油

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  }$ h3 n* y# q3 C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？



7 D. {3 Z2 v3 V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。
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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。

木不铎

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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。
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! w! C% b& [3 U: _. ^5 m“哥们儿，要不要搭把手啊？”

2 |+ i9 W" G1 l4 S% l( C- A* U“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。
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: w, q) z! r) Z2 C# L5 n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。
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0 G8 V$ x, f6 v: x; E& X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。
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木不铎

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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%。
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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。
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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？

) l4 v) y" x' P7 V+ y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。
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0 e. G% W5 ]7 u8 l2000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。
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（注：关于页岩气相关专业名词解释，请参阅http://shalegaswiki.com）

木不铎

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。
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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。
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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。
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1 a, A& B0 i- _$ U' p8 ~- n* n5 K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。

不爱吱声

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  T, q" b' U1 r, ]$ ?2 C3 H. T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。

  ~0 b0 h! w% j" k! q+ y: X2 w你还有其他的科普文章么？不妨都贴过来。

不爱吱声

木不铎 发表于 2013-10-18 15:20
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。
, g' |+ g' r* K+ g& g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。

木不铎

《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。
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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。
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# S, {+ K4 ^( o/ T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。
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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。

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3 j0 m( g8 @- j" C( s# i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？
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木不铎

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？
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( Z4 O- B5 w* O' c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。
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+ V/ ]1 F3 l) A3 Q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。
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- I2 a  F3 ~; d/ ?" L4 `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。
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7 K( Z$ P) i* v1 ]0 Q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。
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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。
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+ l1 F; t* g) N6 ]1 C  H. `3 z% c' Y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。

. I/ d3 b& n/ ^% N) j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。
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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。


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4 w1 G7 q4 d& W3 ^% ^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。
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借用一句大俗话----“道路是曲折的，前途是光明的”。
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木不铎

页岩气的形成，是因为页岩的孔隙度非常小，一旦天然气进入页岩里，就原地踏步。既然天然气可以这样，那么流动性比气体要差的原油为什么就不可以呢？自然界可是没有“只许州官放火，不许百姓点灯”这种混帐事儿。
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6 E$ f: q3 q3 j  i% \7 b至于这种滞塞在页岩中的原油也就是页岩油（Shale Oil），也被称为“干酪根油（Kerogen Oil）”或者“油页岩油（Oil Shale Oil）”，而存储原油的这种页岩就是油页岩（Oil Shale）。早在公元10世纪，阿拉伯医学家Masawaih al-Mardini就在自己的书中记录了如何从这种油页岩中提取油，关于页岩油提取的第一份专利技术是由三个英国人在1684年获得的，而欧洲工程师似乎对页岩油一向偏爱有加，19世纪中叶，工业革命时期，就有较为成熟的页岩油提炼技术，例如英国工程师亚历山大·柯克（Alexander C. Kirk：1830～1892）就设计利用蒸馏方法提取页岩油的高炉。
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油页岩在世界各大洲都有发现，但品质差异比较大。据世界能源署（World Energy Council）2010年底的数据，保守估计的可采的页岩油储量在4.8万亿桶左右。其中第一大户美国为3.7万亿桶，其次为中国，为3544亿桶，俄罗斯排第三，为2480亿桶。需要注意的一点是，除了美国，其余各国，包括中国在内，勘探的力度很小，或许大家觉得没那么紧迫吧。（唉，为啥山姆大叔总是能引领时代潮流呢？）
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# x/ l+ @' _4 ~. U3 h中国的油页岩主产地为辽宁抚顺和广东茂名，小鬼子霸占东北期间，中国的页岩油产量曾经是世界第一，而生产的油相当一部分被注入了小鬼子的战争机器。1949年以后，新中国在很长一段时期一直戴着贫油国的小帽子，而国内的页岩油生产在1960年达到了顶峰，其重要性随着大庆、胜利等大型油田的发现方逐渐降低。世界的页岩油生产在1979～1980年达到顶峰，油页岩年开采量约为4800万吨，若按1吨油页岩可以提取100升油计算，当年页岩油产量为430万吨，即3220万桶，仅相当于当年世界原油日产量（约6300万桶）的一半多一点而。之后，逐步下降，2000年以后，才缓慢上升，目前约80%的油页岩是爱沙尼亚开采的，主要用于发电。根据按世界能源署的2008年的数据，页岩油生产的第一大国为中国，日产7600桶，其次为爱沙尼的亚6300桶和巴西的3800桶，而米国和俄罗斯的数据为零，总体聊胜于无。


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油页岩的开采方技术一般有热裂解（Pyrolysis）、氢化（Hydrogenation）或者热溶解（Thermal Dissolution）三种。如果按照开采地点分，有两种，即原地（In Situ）开采和异地（Ex Situ）开采。原地开采，通常是向地下注入热流体或者气体，将油从页岩出“挤”出来，然后再打竖井进行抽取，典型代表是CCR方法，参见下图：
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而异地开采，就是把油页岩挖出来，然后送到处理工厂，最后再提取原油。最简单的法子，就是干脆就当煤一样，扔进炉子里，烧了发电，比如油页岩开采第一大户爱沙尼亚就是这么干的。

: D5 e" u' |' d! j7 ]' \页岩油的开采方式目前存在很大的问题，一是生产成本过大，二是污染比较重。

+ h# {( b! p5 q# E& B和页岩油类似，有致密气，就有存储在砂岩这类岩石中的致密油（Tight Oil）。因为砂岩的孔隙度比页岩要大，虽然油的品质要差一些，但相对开采要容易一些，成本也略低，米国的致密油产量在2011年5月时已经达到了日产近90万桶的水平。


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其实，页岩油以及致密油都属于非常规石油资源。相对于常规石油而言，非常规石油储量为其二倍以上。
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随着常规石油资源的逐渐枯竭，以及生产技术的不断进步，非常规石油资源早晚会唱主角，但开发的时候千万不要忘记环境保护。

木不铎

前文说到页岩气的开发技术时，提及两项关键技术，其中之一就是“Slick-Water Fracturing（油水劈裂）”。这项技术就是通过钻孔向地下的页岩岩层注入混入砂体和化合物的高压流体，从而劈裂岩体，使页岩中存储的天然气能够通过裂隙沿钻孔喷涌出来。这一技术带来了页岩气工业的革命，一定程度上有效地缓解了能源供应的问题，但它也不可避免地带来了副作用即对周边环境产生了一定程度的污染，现分述如下：
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地下水污染

# G; ^2 N: k) d- i由于进行劈裂的高压流体并非纯粹的水，为了增强劈裂效果，里面加入了化合物和砂体，而这种流体有可能会污染了当地的地下水系统，没有谁胆敢饮用含有这种东西的水。另外，开采过程中，会有逃逸天然气的污染啊水源，达到一定浓度后，遇火就能爆炸。就这些问题，美国环境保护局（EPA）和几所大学展开了相关研究，发现在一些气井附近的地下水中甲烷（天然气的主要成分）含量异常高，而且也发现了用于劈裂的流体化合物。但同时，也有学者撰文指出，在很多页岩气采集地区，并没有发现有明显的变化。
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空气污染

& y* V. `7 G2 g" `页岩气的主要成分为易燃的甲烷，还同时含有带有毒性的其它气体，例如硫化氢。在开采过程中，难免会有页岩气逃逸，进入大气中。根据康纳尔大学R.W. Howarth教授的统计，约有3.6～7.9%的页岩气逃逸，这一比例比常规天然气开采要高出30%至100%。在这种情况下，页岩气开采所产生的温室气体要比开采同样油当量的煤还要高。但就这个问题，Howarth教授的同校同事却在研究相同数据的基础上，提出了异议，认为他过高估计了逃逸的页岩气比例。在怀俄明州，一些居住在页岩气井附近的居民经常抱怨有头疼鼻塞呕吐的问题，就此展开的病理学研究报告给出了一份含糊不清的报告----“这可能说明或者排除在这些抱怨和劈裂作业之间并非存在什么联系（that might confirm or rule out any connection between these complaints and fracking are virtually non-existent.）”
1 P' z% ~. _+ U/ i4 k- F/ z0 b; W! a
, D" o: a% x8 a放射性污染
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) z0 m& a# X# A/ K* M% y2012年2月22日，纽约时报上发表了一篇题为“法纪松弛----天然气井的污水进入了河流（Regulation Lax as Gas Wells’Tainted Water Hits Rivers）”文章，四天之后的2月26日，又发表了一篇题为“天然气井的有毒污染（Toxic Contamination From Natural Gas Wells）”对宾夕法尼亚州的页岩气工业引起的发射线污染进行了曝光。在这些报道中，记者指出在宾州的179口深气井中有116口的反射性检测超标，而且发射性物质已经进入了水源区，引起了当地居民各种不良反应。但宾州的环保部门则指出记者的说法是建立在非常片面的数据基础上的，根据他们的测量，气井区域的发射性水平并未与该州其它地区有啥区别，甚至有的还要低一些。
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地震
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记得当年读地质学的时候，老师谈道：“水是大自然最好的润滑剂”。例如，降雨引起的山体滑坡数不胜数，而一旦足量的水进入了本身比较活跃的断层地带，可能会导致或者加速断层的错动，从而引发地震。因为劈裂作业的目的就是为了增加裂隙，而地下气藏的开发，也会影响到地下应力平衡状态的稳定，如果作业区位于断裂地带，一般都会引起一系列微震，但绝大多数此类地震震级非常之小（Mw < -1.6级），对人们的生活所带来的影响可以忽略不计。但是，这并不意味着由此引发的所有地震都会是这种微震。2010年3月，油气工业界的权威学术期刊《前沿（The Leading Eage）》上发表了MIT的Jenny Suckale的一篇文章----“油气生产所引发的中强度地震（Moderate-to-large seismicity induced by hydrocarbon production）”，在文中，作者就70个地震事件做了分析，这其中美国（主要是分布在德克萨斯州的气田）有30个，荷兰有16个。但最终，作者指出还需要更多的观测数据才能做出确定性的结论。

# [/ p% T. L+ f, Y去年四、五月间，在英国的布拉克普（Blackpool）发生了两次地震，分别为里氏2.3级和1.5级，均与当地的页岩气开采作业有关。这两次地震虽然震级很小，但在这个一向自诩与地震海啸绝缘的岛国引起了很大的震动。环保组织、社会团体纷纷揭竿而起，群起反对页岩气工业。也是，有谁希望自家后院有座火山呢？尽管这种可能性微乎其微。



环境保护与能源工业就像是一对剪不断理还乱的冤家，但它们之间并非是那种非此即彼你死我活的关系。人类要进步要发展，就离不开能源工业，没有了石油和天然气，现在的人类将寸步难行；但是，如果一味向地球母亲索取资源，而不知道保护，人类将要走上的也必是一条自我毁灭之路。怎么办呢？也许，还是得取老祖宗的“中庸之道”。

3 _1 v5 n) T, a（全文完）

不爱吱声

木不铎 发表于 2013-10-18 17:35
《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 ...

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砂岩（Sandstone）和石灰岩（Limestone）原本都是最好的储集岩（Reservoir Rock），但是碰巧有些空隙率和渗透率很小用常规方法开采不出来附着的气体，所以就需要压裂了，这种致密的岩石（非页岩）出来的气就是tight gas.
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! F. i$ V* X' p' ^5 {# O: k顺便说一句，你在（1）中说页岩是储集岩（Reservoir Rock）的候选是不准确的，应该是砂岩（Sandstone）和石灰岩（Limestone）。页岩是烃源岩（Source Rock）。
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这张图是各种岩石特性的对比

不爱吱声

存疑。因为一些中文及英文书上也有把页岩也列为储集岩的一种，我想是指那种存在节理或者裂隙的页岩。

# h# J6 ~+ k4 l传统上，页岩确实不认为是储集岩（Reservoir Rock），但是由于现在非常规的开采技术可以把气和油从页岩中开采出来，因此认为页岩也是储集岩（Reservoir Rock）也算是与时俱进的说法了

不爱吱声

木不铎 发表于 2013-10-18 17:41
3 m; i8 G$ i3 x  Y页岩气的形成，是因为页岩的孔隙度非常小，一旦天然气进入页岩里，就原地踏步。既然天然气可以这样，那么流 ...

$ m, I3 L# w% g9 {* d油页岩出油要蒸石头，蒸完的石头残渣很难处理，而且油质也不好，污染问题非常严重，不像页岩气开采完后地表就一个出气口，只要保证开采及运输过程不泄漏，施工安全，加上排炭量相对低，总体至少比煤炭要环保很多，因此页岩气更值得大力推广。
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致密油则与页岩气类似使用非常规手段开采出来的油质也不错，因此tight oil也是应该发展，美国现在tight oil产量越来越高了。

不爱吱声

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木不铎 发表于 2013-10-18 17:44
9 m( o3 f/ N6 S+ I2 _前文说到页岩气的开发技术时，提及两项关键技术，其中之一就是“Slick-Water Fracturing（油水劈裂）”。这 ...

+ K+ z; \' N4 `* k环保部分给你扣一分。其实你写的算是公允了。
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" G2 N0 F. }% N+ V  ], q7 A1 `不过你贴的这张图是让油工们比较郁闷+恶心的图之一。那是美国好莱坞一个导演制造出来的。

那是科罗拉多某农家发现自己水井中有天然气，点火甚至可以燃烧。然后她家不远处不久前有一口页岩气井，导演就暗示是页岩气开采的问题。

彻底的调查后发现导演根本就是故意拍电影制造恐怖。

因为，那家的水井正好穿越了煤层，那些天然气是煤层产生的。当地水井有天然气的报告早在页岩气井之前就有了。另外，对于水井中天然气成分检测报告表明，水井中的天然气是生物成气，而页岩气是深埋地下上千米的，都是热成气，生物成气正好说明是地表煤层出来的天然气，而不是页岩气井泄露导致的。

此外，天然气是无色无味无毒、易散发，比重轻于空气，不宜积聚成爆炸性气体，是较为安全的燃气。你喝进去最多打个嗝放个屁就出来了，制造恐慌的导演实在是可恶。

牌牌

不爱吱声 发表于 2013-10-19 07:06
4 B' v% \, A; n. L  Q) Z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 ...

9 m/ x/ t( K" r# M2 ?( x
7 J& B1 C! c1 D0 C. H0 _是的，水平井和压裂作业的本质是增加接触面积/泄流体积

牌牌

不爱吱声 发表于 2013-10-19 08:17
环保部分给你扣一分。其实你写的算是公允了。

关于压裂污染的话题有一个想法与不爱商榷
' z7 r( F& w7 X1 `* h9 M俺觉得吧，压裂液不可能做到100%返排，必然会有部分残留在地层中的造成污染，美国的页岩气资源一般埋藏较浅，印象中也就150-300米的样子，与地下水层的距离比较近，确实有可能会比较容易造成地下水污染。
而中国的页岩气埋藏较深，一般都大几百米上千米，距离地下水层较远，相对而言造成地下水污染的可能性会小得多。
, b* P. k  k5 r3 V不知道这种看法是否有道理，望不爱指正。

不爱吱声

牌牌 发表于 2013-10-19 09:06
关于压裂污染的话题有一个想法与不爱商榷
; @: b8 n( A7 w5 s俺觉得吧，压裂液不可能做到100%返排，必然会有部分残留在地层 ...

/ {( H( t8 v: a美国页岩几百米埋深的极其稀少，大多上千米。中国是几千米。

* G. D4 w! _6 m; \2 f目前美国有确凿证据证明压裂液污染地下水的据我所知还没有。

隧道

牌牌 发表于 2013-10-19 22:56
/ @+ ]6 J, \0 w7 v# W是的，水平井和压裂作业的本质是增加接触面积/泄流体积

- ^4 e, p, [3 b# ?9 \能用的招都用了，最后实在采不出来的时候，可不可以沿途放炸药？
逐个地方炸一下，把这些页岩弄得更碎些。。。。

不爱吱声

隧道 发表于 2013-10-19 12:32
+ \6 P, k( q7 {/ [- t能用的招都用了，最后实在采不出来的时候，可不可以沿途放炸药？
逐个地方炸一下，把这些页岩弄得更碎些 ...

使用炸药可不是实在采不出来的时候采用的，恰恰相反，常规开采就是使用的高能炸药。

$ n- B7 i' Y/ \, Q2 g不过，炸药可绝对不能简单的沿途炸一下，把岩石弄得更碎些。
; N4 @# S9 m5 C6 r* s; `因为
1。井直径不大，不可能用很多炸药
2。如果直接用炸药炸岩石，是非常可怕的事情，这样会把井炸塌。具体说来，一般开采方式井下是要用钢管套管封井的，这叫cased hole completion,这种方式下用炸药只会把钢管炸坏。
现在还有一种完井方式叫open hole completion, 这种常见于水平井，对于比较致密的坚硬的岩石是可以不用套管封井，岩石本身强度够大，可以保证油气出来后，岩石也不会塌。但是即便对于岩石裸露的open hole,用炸药直接炸也只是把事情搞得更糟。
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因为，不管什么岩石，空隙率和渗透率高才好，什么情况下空隙率高呢？其实是岩石颗粒（grain size)越大越好,
看这张图

( c( G, {+ q* F# q很直观吧，上面的鹅卵石(gravel)石子很大，彼此之间的空隙就很大，下面的致密沙石（fine sand)，很明显直观上就很密实，设想如果石油和天然气存在于两种不同石子的缝隙中，当然是存在于鹅卵石的比致密沙石更通畅一些，更容易逃逸出来。
这样，如果你把岩石通过炸药弄得更碎些，就会导致岩石的孔隙率和渗透率降低，所以我说会把事情搞得更糟。
7 ?& v2 h3 r, w$ g: M
但是人们在常规开采中还是使用炸药的，那就是采用空腔聚能器，射孔的方式。
关于空腔聚能器，我恰好在写相关的科普，这里顺便做个广告。
8 d; R$ i/ [0 @& T9 W3 u见[趣味力学] 空腔聚能与金属射流(一)
http://www.aswetalk.org/bbs/thread-11835-1-1.html

" p! D+ B  s  m9 _% ~$ H7 Q# W真正射孔枪是这个样子的
1 s( l4 d4 v- B# ^: K0 E( ?( A

工作原理是这样的


0 l8 F% M" m* w9 n# a2 g这就是常规开采中最常用的射孔方式，perforating.成本比较低，效率非常高。

但是，对于页岩就不管用了。因为页岩空隙率太低，单独射孔是不够的。射孔一般穿深不会超过半米，半米的深度，给致密的页岩增加的空隙率还远远不到可以实现开采的出油率或者出气率的标准。
4 ?8 `' T8 r" K3 a0 G3 I
: D" M1 f5 R, x! E  \1 ?这就需要压裂+水平井了，因为只要压裂+水平井才能最大限度增加空隙率。
- z) j/ p" `) }. z
+ Z. T; l8 I/ ^9 P  t一条水平井也已千米甚至几千米长度，而最常用的水平井分段压裂，一条井可以分成十几段甚至几十段，每一段裂缝长度都可以几百米，这样出来的空隙体积率才足够。想想水平井+压裂技术形成的开采区上千立方米的范围的人工空隙，比较传统射孔方式只能沿井一米以内见方的人工空隙，这不是一个量级的概念。
3 m8 `7 q# ]) H* |1 d) t
水平井+压裂示意图

: G" Y3 s# r1 P: D7 K1 ~4 I
# Q! b; @5 r$ F$ g! G可惜水平井+压裂比较常规射孔开采方式成本高太多了，对于地质成像测量技术以及相应钻井完井技术要求也高太多了，因此根据目前情况，除略估算，只有天然气价高于＄5/McF才可以实现营利。