【页岩气开发利用现状及其开采特征分析14000字】

页岩气开发利用现状及其开采特征分析在自然资源的庞大谱系当中，页岩气资源属于能源矿产中的非常规天然气。中国页岩气资源储量多达31万亿立方米，领先于美国(1161Tcf)、阿根廷(802Tcf)、阿尔及利亚(707Tcf)、加拿大(573Tcf)，丰富的资源储量和政策支持为页岩气产业发展奠定了坚实基础。近年来，我国页岩气开发利用获得喜人成果。2017年国家级页岩气示范区——涪陵页岩气田探明储量6008亿立方米，2018年探明国内首个深层页岩气田（威荣页岩气田），页岩气俨然成为“十四五”期间增储上产的主力军。相较于常规（传统）油气资源，页岩气资源的开发利用具有显著特征：一是赋存地域广且与常规油气资源形成纵向重叠；二是生产周期特殊，同一矿区的各子区域可处于不同的开发期或生产期；三是开采技术伴随环境风险。一、页岩气资源的概念界定（一）矿产资源中的能源矿产1.自然资源的定义和分类自然资源尚没有一个统一的定义，但大多数的定义都是从人类利用的角度提出的。在《辞海》中，关于自然资源是这样定义的：那些天然的，人类不参与加工制造的原料，就好比海洋资源、森林资源、土地资源和生物资源等，都属于自然资源，同时这些也是生产原料来源；而在《大英百科全书》中，则把自然资源定义为：人类可以利用的自然生成物以及其中一些生成物的环境功能，其中自然生成物代表土地、海洋、森林、岩石和矿物等，而环境功能是多个方面的，主要有地球物理的环境功能、生态学的环境功能、地球化学的循环功能。地球物理的环境功能是指气象、水文和海洋现象等，生态学的环境功能主要指植物的光合作用和微生物的分解作用等，而地球化学的循环功能则主要是指地热现象和非金属矿物生成作用等。尽管定义不同，但大同小异，一般来说自然资源是自然界形成的可供人类利用的一切物质和能量的总称。自然资源是具有使用价值的自然要素，具有有限性、区域性、整体性和多用性。自然资源的分类并没有统一的方法，可从各种角度、根据多种目的来分。如果按照属性的不同来进行划分，那么可以将自然资源分为海洋资源、土地资源、生物资源、矿物资源和气候资源等；如果按照资源的存在地来进行划分，则可以将自然资源分为地表资源和地下资源；按其利用时间长短可分为有限资源和无限资源。有限资源可分为包括土地、淡水、生物等在内的可更新资源和包括煤、石油、黄金等在内的不可更新资源；无限资源包含太阳能、风能、潮汐能、原子能等。现在采用较多的根据自然资源本身固有的属性，包括自然资源的可耗竭性、可更新性、可重复使用性以及发生起源等，对自然资源进行较详细的分类。（图2.1）2.矿产资源的定义与分类依据自然资源的定义与分类，可见矿产资源属于可耗竭性自然资源。矿产资源是指经过地质作用，使存在于地下或者露于地表的，并具有开发价值和潜在经济价值的天然富集物。根据《矿产资源法实施细则》，可以将矿产资源定义为：经过地质成矿作用，具有开发利用价值的，以固态、液态或者气态的自然资源。矿产资源具有矿床分布的非均衡性、不可再生性（有限性、可枯竭性）、矿床的勘探和开发的高度不确定性与风险性。同自然资源的分类方式一样，矿产资源的分类方式也不固定，可以从多个角度来进行划分。根据各种矿产资源形成条件的不同，可以将矿产资源分为外生矿产、内生矿产和变质矿产；而如果根据矿产资源的物理特性和组成结构进行划分，那么可以将矿产资源分为有机矿产和无机矿产；如果根据矿产资源的出产形态，划分为气体矿产、固体矿产和液体矿产；如果根据矿产资源属性和用途的不同来进行划分，可分为能源矿产、金属矿产、非金属矿产和水气矿产等，这一分类与《矿产资源法实施细则》附录《矿产资源分类细目》保持一致。孔庆友主编.地矿知识大系[M].青岛：山东科学技术出版社，2014.孔庆友主编.地矿知识大系[M].青岛：山东科学技术出版社，2014.图2.1自然资源分类图片来源图片来源：李永峰，陈红，徐春霞主编，杨传平主审.环境管理学[M].北京：中国林业出版社，2012：335.Fig.2.1Naturalresourceshierarchy能源矿产又称燃料矿产、矿物能源，是矿产资源中的一个重要类别。一般来说，能源矿产一般是指含有某种形式的能，并且这种能可以转换成为人类生产生活所需的热能，电能，光能或者其它形式能的矿产。它们通常是存在于地下或者露于地表，经过地质成矿作用，形成具有开发利用价值或者潜在意义能源价值的天然富集物。能源矿产的种类丰富，其中包括煤、石油、天然气、铀、钍以及地热等，其中，地热能也属于一种新能源，即使人类很早就已经开始利用地热能，但是直到20世纪中叶，人类才真正地对地热能源有一个正确的认识，并进行大规模的开发利用。而煤、石油、天然气等都属于化石燃料，其中煤炭主要是由高等植物死亡后，堆积层埋在地下，经过长时间的地质运动而形成的。而石油、天然气主要是由低等动物和植物死亡后堆积在海洋、湖沼的淤泥内，经过温度和压力对有机物质的热催化作用而形成。到目前为止，世界上的各个国家使用的燃料大多都是化石燃料，也就是煤、石油和天然气，这些化石燃料还是重要的化工燃料，被应用于多个领域，而且随着技术的发展，这些能源矿产的应用领域也必将更加广阔。成金华主编，吴巧生，陈军副主编.矿产经济学[M].北京：中国地质大学出版社有限责任公司，2012:136.成金华主编，吴巧生，陈军副主编.矿产经济学[M].北京：中国地质大学出版社有限责任公司，2012:136.（二）能源矿产中的常规天然气与非常规天然气根据矿产资源的定义和分类，可见天然气属于矿产资源中的能源矿产。关于天然气的定义，在《中国大百科全书》和《天然气工程手册》、石油词典中不完全相同，但大体内容是一致的，系指：从地下开发出来的、可燃的烃和非烃的混合气体。根据天然气的开采形式，可以将其分为气田气和油田伴生气，其中气田气是指从气井中开采出来的；而油田伴生气是指随液体石油一起从油井中开采出来的。习惯上把气田气和油田伴生气统称为天然气。气田气约占世界天然气总量的60％，油田伴生气约占40％。李玉星，姚光镇主编.输气管道设计与管理[M].北京：中国石油大学出版社，2009.李玉星，姚光镇主编.输气管道设计与管理[M].北京：中国石油大学出版社，2009.天然气还可以分为常规天然气（conventionalnaturalgas）和非常规天然气（unconventionalnaturalgas），如果是通过常规的钻井方式，从地底下开采出的天然气成为常规天然气，这些天然气一般来自煤生气和油型气，成分上以烃类为主，某些可能以非烃类为主；非常规天然气是指聚集方式与常规天然气气藏明显不同的天然气；若不采用大型水力压裂、水平井或多分支井等技术，就不能经济有效开采的气藏。非常规天然气不含或极少含油田伴生气。庞名立，申鑫主编.非常规油气辞典[Z].北京：中国石化出版社，2015：100.依据国际能源署（IEA）的分类，非常规天然气包括：后者包括页岩气（shalegas）、致密地层天然气（tightgas）、煤层气（coal-bedmethane(CBM)）、甲烷水合物（methanehydrates）、生物气（biogenicgas）。依据部门规章《天然气基础设施建设与运营管理办法》第3条，天然气包括天然气、煤层气、页岩气和煤制气等。庞名立，申鑫主编.非常规油气辞典[Z].北京：中国石化出版社，2015：100.（三）非常规天然气中的页岩气资源依据天然气资源的定义与分类，可见页岩气资源属于非常规天气的一种。从成因上看，页岩气是一种自生自储、连续聚集的天然气藏。其中富烃页岩既是天然气的储集层又是天然气的源岩，而一些富有机质页岩烃源岩可以开采出大量的页岩气。李增学主编，常象春，刘海燕，吕大炜等副主编.非常规天然气[M].北京：中国矿业大学出版社，2013：227.李增学主编，常象春，刘海燕，吕大炜等副主编.非常规天然气[M].北京：中国矿业大学出版社，2013：227.国内外许多专家、学者、能源机构给从不同角度给页岩气资源下过定义。例如，美国能源部（TheUSDepartmentofEnergy）和学者John、Boyer认为，是指从富有机质页岩地层系统中开采的天然气。Curtis教授进一步指出，页岩气是聚集在细粒（包括粘土及致密砂岩）低渗透油藏中、有机质富集、以热解气或生物甲烷气为主、以游离气形式赋存于空隙、裂缝中，或以吸附气或有力气形式聚集于有机质或粘土中、连续的自生自储的非常规油气资源。依据国家能源局发布的《页岩气产业政策》，则可以认为页岩气一种赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气。归结各方观点，一般将页岩气定义为从页岩储层中开采出来的常规天然气。结合页岩气的开采特征，本书认为，页岩气是指富集在页岩储层中，需要通过水力压裂（hydraulicfracturing）和水平钻井（horizontaldrilling）等一系列技术促使低渗透性源岩（permeablesourcerock）产生裂缝，进而使页岩气从裂缝中流入钻井管道后采集至地上的一种非常规天然气。甲烷是页岩气的主要成分。甲烷是一种具有清洁高效特征的能源矿产，同时也具有分布广泛、生产周期长以及埋藏很深等特点。二、全球页岩气开发状况概览（一）域外页岩气资源开采概况自1821年第一口商业性页岩气井建造完毕之日起，美国成为页岩气勘探开采的发源地。第二次世界大战之后，天然气在能源供应中的比重不断上升，进一步推动了页岩气产业的发展。到1970年末，美国率先实现了页岩气的商业化开采与规模化生产，年产值达到20亿立方米。20世纪80年代初期，美国首次将水力压裂技术运用到页岩气开采中，使得页岩气的开采量猛增至1996年的85亿立方米，迎来的美国页岩气产业发展的黄金时代。短短35年间，美国2014年的页岩气产量已增至3787.71亿立方米，占非常规天然气总产量的七成。加拿大紧随美国步伐，成为世界上第二个实现页岩气商业化开采的国家。这主要得益于加拿大丰富的页岩气资源储备。据统计，加拿大页岩气可采储量约为42.5万亿立方米，主要分布在Quebec、BritishColumbia、Ontario、Albert和SaskatchewanMar-itimes等几大区域。欧洲地区也富集了丰富的页岩气资源。在英国、法国、德国、波兰、瑞典、乌克兰、奥地利、匈牙利等国，页岩气产业都得到了不同程度的发展。其中，波兰是欧盟国家中开采页岩气资源的“领头羊”。因坐拥欧洲最大规模的可采天然气资源量（4.2万亿立方米），波兰与雪佛龙、康菲石油和埃尼集团等国际石油巨头签订了能源合作大单。截至2012年7月，得到波兰政府许可的页岩气开采区块已超过国土面积的30%。《天然气黄金时代的黄金规则》中预测，欧盟的非常规天然气生产由波兰引领，在2020年以后，足以抵消常规天然气减产的缺口。需要指出，因欧洲人口稠密、环保标准严苛，加之环保NGO的强大影响力，成就了欧盟国家对页岩气开采的审慎态度，与美国政府的鼓励姿态形成对比。这也解释了在全球页岩气开采的热潮中，为何有的欧盟国家依然采取观望态势。除欧盟国家，中国、印度、澳大利亚和新西兰在页岩气开采上也业绩不凡。2008-2009年，我国建造了第一口页岩气地质浅井和钻探评价井。2010年，依靠四川盆地古生界海相页岩的重大发现，我国成为继美国与加拿大之后全球第三大页岩气资源大国。2011年，南美洲的阿根廷在Neuquen地区探明了页岩气的存在。同年，印度诞生了第一口页岩气井（深度为1700m）。除了最早发现的西孟加拉邦东部杜尔加布尔的BarrenMeasure页岩区块，印度已完成了7个盆地的资源潜力评价工作。南非在Karoo盆地开展了大规模的地球物理实验工作，现正与壳牌公司在该地区合作开采页岩气。（二）中国页岩气资源潜力调查评价1.资源潜力调查评价的工作基础及概况为探明我国页岩气资源富集情况，划定不同等级的页岩气区块，推动我国页岩气产业发展，利用页岩气填补天然气的需求缺口，国土资源部油气资源战略研究中心组织开展了全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选工作。自2004年起，该中心联合中国地质大学（北京），开始追踪世界范围内页岩气资源开发利用的前沿信息。到2005年，初步完成了我国页岩储层的地质调查工作。2006-2007年，先后对新生代含油气盆地和出露区的资源富集规律和商业化前景进行分析。2008年，以上扬子地区为重点攻坚区域，在对比中美页岩储层的基础上，在宏观上划定了优选地区。2009年，启动“中国重点地区页岩气资源潜力及有利区优选”项目，在四川、重庆、贵州、湖北、下扬子和北方地区，通过资源调查评价，划定了优选页岩气远景区，并在重庆市彭水县建造了我国第一口页岩气试探井（渝页1井），获得了具有参考价值的技术参数。2010年，根据我国页岩气资源的富集特点，分3个层次在全国范围内分区域进行页岩气资源潜力评价工作：在上扬子川渝黔鄂地区，针对下古生界海相页岩，建设页岩气资源战略调查先导试验区；在下扬子苏皖浙地区和北方部分地区，开展陆相、海项页岩气资源储量调查。通过上述实践探索，基本掌握了我国的页岩储层类型、分布规律及页岩气资源储量，划定了页岩气开采和评价的的重点区域，总结了页岩气资源潜力的评估策略和有利区优选标准。2.资源评价工作的主要结论以地质特征、岩层层系、沉积条件、埋藏深度、地表环境和省别为评估指标，通过分析我国5大陆域、41个盆地和区域、87个评价单元、57个页岩储层，得出了我国页岩气资源储量多，富集面积广、发育层系多的资源调查结论。截至2012年，全国页岩气资源技术可采储量为134.42万亿立方米（不含青藏区）。其中，上扬子及滇黔桂区62.56万亿立方米，占全国资源储量的一半；华北及东北区富含的页岩气资源达到26.79万亿立方米，占全国总量的20%；中下扬子及东南区共含有25.16万亿立方米，占全国总量的19%；西北区的页岩气资源含量占全国总量的15%，共计19.90万亿立方米。3.美国能源情报署（EIA）对我国资源分布的测评由EIA/ARIWorldShaleGasandShaleOilResourcesAssessment评估的41个国家样本中，世界范围内共埋藏有35,728万亿立方英尺（trillioncubicfeet(Tcf)）的页岩气，其中7,795Tcf可利用现有技术进行开采（technicallyrecoverable），占所有页岩气地质储量的22%。在国际社会中，页岩气可采储量排名前五的国家依次为美国(1161Tcf)、中国(1115Tcf)、阿根廷(802Tcf)、阿尔及利亚(707Tcf)、加拿大(573Tcf)。在2015年底，与全球5.19Tcf常规天然气相比，页岩气可采储量以达到130Bcm。EIA2016年最新调查结果显示，我国页岩气技术可采储量约有31万亿立方米，与我国的常规天然气储量及美国页岩气储量相当。中国作为世界上名列前茅的页岩气大国，如图2.5所示，68.8%的陆上页岩气资源聚集在7大地区：即四川盆地（626Tcf）、塔里木盆地（216Tcf）、准格尔盆地（36Tcf）、松辽盆地(16Tcf)、苏北地区、扬子江流域、江汉盆地，EIA(USEnergyInformationAdministration).TechnicallyRecoverableShaleOilandShaleGasResources:AnAssessmentOf137ShaleFormationsin41CountriesOutsidetheUnitedStates[R].WashingtonDC:EIA,2013.后三个地区的技术可采资源量总计为222Tcf。其中，四川盆地的西北部和准格尔盆地势平坦、销售服务和管道设施完善，并且有水资源和科技作为支持，使该地区成为最具开发潜力的页岩气富集区，占技术可采资源总量的13.9%。若在技术上能解决水污染和地质活动的隐患，将来20年内四川盆地的日开采量将达到几十亿立方英尺。EIA(USEnergyInformationAdministration).TechnicallyRecoverableShaleOilandShaleGasResources:AnAssessmentOf137ShaleFormationsin41CountriesOutsidetheUnitedStates[R].WashingtonDC:EIA,2013.图2.5我国页岩气资源分布区Fig.2.5ShalegasresourceinChina综上，我国页岩气资源十分丰富，处于世界领先地位。四川盆地的西北部和准格尔盆地势平坦、销售服务和管道设施完善，并且有水资源和科技作为支持，使该地区成为最具开发潜力的页岩气富集区，占技术可采资源总量的13.9%。若在技术上能解决水污染和地质活动的隐患，将来20年内四川盆地的日开采量将达到几十亿立方英尺。（三）中国页岩气资源勘探开采进展1．页岩气资源开采进程及阶段性成果相比于美国早在1998年开始应用水力压裂技术，RussellGold.WhenDidtheEnergyIndustryBeginFracking?[EB/01]./quora/when-did-the-energyindusb_5019285.html.,2014-03-24.我国开采页岩气的历史较短，但发展迅速。如图2.6所示，我国于1966年首次探明页岩气资源，2009年开始从国家层面形成开采规划。JiehuiYuanetal.PolicyRecommendationstoPromoteShaleGasDevelopmentinChinaBasedonaTechnicalandEconomicEvaluation[J],ENERGY,2015,(85):194-195.RussellGold.WhenDidtheEnergyIndustryBeginFracking?[EB/01]./quora/when-did-the-energyindusb_5019285.html.,2014-03-24.JiehuiYuanetal.PolicyRecommendationstoPromoteShaleGasDevelopmentinChinaBasedonaTechnicalandEconomicEvaluation[J],ENERGY,2015,(85):194-195.在大量的宏观层面鼓励政策推动下，我国的页岩气资源开采量与开发水平得到额很大提高。现阶段，我国在页岩气勘查开采方面的技术水平已经能够完全摆脱对进口技术的依赖，开采成本也得到了有效控制，工期相对于以往大大缩短了。单井成本由以前的每开采一井耗资一亿元人民币控制到单井耗资在五千万元到七千万元人民币范围内，钻井周期由以往的一百五十天控制到七十天范围内，经过大量地技术研发与攻关工作，我国目前已实现了对页岩气多项技术地自主研发与科学应用，掌握了在底层下三千五百米深度以浅水平井进行钻井开采和实施分段压裂的高精尖技术，并构建出完善的技术体系与应用措施。图2.6页岩气产业发展历程Fig.2.6Thehistoryofshalegasdevelopment2.页岩气勘探开采企业投产情况随着技术进步和优惠政策的不断出台，国内外油气公司也积极参与到国内页岩气产业建设中来。中国石化、中国石油、延长石油、中国海油、中联煤层气公司及页岩气中标企业积极推进页岩气勘查开发，在四川盆地下古生界海相页岩气勘查开发取得重大突破，在四川盆地及周缘侏罗系陆相、鄂尔多斯盆地三叠系陆相和华北海陆交互相页岩气勘查取得重要发现，在重庆涪陵、四川长宁—威远等示范区率先开展页岩气产能建设。我国成为继美国、加拿大之后的第三个实现页岩气商业开发的国家。截至2014年，页岩气勘探开采企业累计投资230亿元，获得三级储量近5000亿立方米，已形成年产15亿立方米产能，完成二维地震21818千米，三维地震2134平方千米，钻井780口（其中，调查井197口，直井探井238口，水平井345口），铺设管线235千米。2012—2014年全国页岩气累计产量超过15亿立方米。（见表2.2）下面分别详细介绍三大国有油气公司、第一轮、第二轮中标企业的页岩气开采进展情况。表2.2页岩气开采进展及投入情况Table2.2Thedevelopmentandinvestmentofshalegas截至2014年7月底，中国石油、中石化、延长石油已累计生产页岩气6.8亿立方米。预计2015年有望达到或超过65亿立方米的规划目标。（1）中石化页岩气勘探开发进展目前中石化取得重要进展的主要是重庆的涪陵区块，另一个是第一轮中标的重庆南川区块。其中，涪陵区块已探明页岩气地质储量1067.5亿立方米，于2013年底被国家能源局设立为“重庆涪陵国家级页岩气示范区”，于2014年3月成为我国首个提前进入商业化开发阶段的大型页岩气田。截至2015年4月2日，涪陵页岩气田累计开钻217口，完井164口，试气105口，投产98口，单井测试均获高产工业气流。同时，建成标准化集气站26座，累计产气15.95亿立方米，集输能力达到50亿立方米/年。此外，涪陵页岩气田焦页6-2HF井已持续高产550天，累计产量达1.5亿立方米，刷新了中国页岩气开发单井累计产量的最高纪录，预计2017年底将建成年产能100亿立方米。其次，南川区块完成二维地震勘探830公里，架设了国内最深页岩气井南页1HF井，该井完钻井深5820，其中垂深4627米，水平段长度1103米，压裂后试气期间间断性产气，顺时产气量大约6.8万方/天。南页1HF井实现了水平井压裂“最大垂深、最大斜深、最高施工压力”等多项国内之最，为我国实现页岩气技术突破提供了宝贵的实践经验。（2）中国石油页岩气勘探开发进展截至2014年11月，中国石油公司在四川盆地拥有页岩气矿权5.65万平方千米，其中75%国内合作开发、10%国际合作开发、3%风险作业开发、12%自营开发。中国石油主要从事页岩气勘探开发的是西南油气田公司和浙江油田公司，其中中国石油的长宁区块由四川长宁天然气开发有限责任公司负责，滇黔北昭通区块由浙江油田公司负责。长宁天然气开发有限责任公司于2013年12月8日在成都挂牌成立，由中国石油西南油气田（55%）、四川省能投公司、宜宾市国资公司和北京国联能源产业投资基金联合组建。该公司2014年底预计完成13个平台建设，钻井58口，产量1亿立方米，2015年产量达到10亿立方米。浙江油田公司计划在2015年之前，在滇黔北昭通实施8个平台33口井建设，开发面积335平方公里，预计2015年底形成5亿立方米产能并稳产十年以上，“十三五”末期达到30亿立方米产能。中国石油西南油气田页岩气对外合作区块有3个，面积7575km2，联合评价2个。（1）2012年，2012年3月，中国石油与英国皇家壳牌公司Shell签订富顺——永川区块页岩气产品分成合同（PSC），合同约定的页岩气矿区面积为3500km2。该项目于次年进入试生产阶段，以日产5万m3的当量向重庆市永川区供应天然气。（2）2013年，英国皇家壳牌公司Shell与中国石油合作开采的永川页岩气田获得有关部门的行政许可，成为国内首个政府批准的页岩气对外合作项目，安琪儿，安海忠，方伟等.中国页岩气开发中的国际合作[J].资源与产业，2013，（6）：59-65.（3）中国石油分别于2016年先后与英国石油公司BP达成《四川盆地内江大足区块页岩气合同》《四川盆地荣昌北区块页岩气合同》，上述两个产品分成合同由外国石油公司在勘探阶段的投入资金、技术并承担勘探风险，由中国石油公司开展钻探作业。该合作方式有利于充分利用本国石油企业的开采经验和低成本优势，并积极转化BP石油公司在北美页岩气开采中运用的新型科技。安琪儿，安海忠，方伟等.中国页岩气开发中的国际合作[J].资源与产业，2013，（6）：59-65.综上，中国页岩气产业正迎来前所未有的发展机遇。BP在其2016年版的能源展望中预测：到2035年，全球1/4的页岩气产量将由中国制造，中国将由此成为世界上最大的页岩气生产商。虽然我国页岩气资源丰富并有良好的发展基础，但要实现页岩气的规模化生产，我国仍面临诸多挑战。第一，地形复杂。大面积的资源富集地具有断层、褶皱和高频度的地震活动，这无疑提高了开采的技术复杂程度与风险。不同于美国的页岩资源贮存于平原地形之下，我国的页岩构造要求深层钻井，如西南地区的高丰度页岩资源埋藏在地下3000-5000m处，LanreAladeitan,ChisomNwosu.ShaleGasDevelopment:TheirGain,OurPainandtheCost[J].J.POL.&L.,2013,(6):216-217.这也同时拉高了地质勘查、资源勘探和开采的成本，如图1.3所示。也即是说，井钻的越深，就越昂贵、噪声就越大、潜在风险就越高。如图所示，在四川盆地建造一口页岩气井的成本为1亿美元，这个造价是美国钻探成本的10倍。 LanreAladeitan,ChisomNwosu.ShaleGasDevelopment:TheirGain,OurPainandtheCost[J].J.POL.&L.,2013,(6):216-217. EdwinLee.ShaleGasinChina:HowFarFromDreamToReality?[J],LEXOLOGY,2013,(6):338-359.三、页岩气开发利用的特征：基于与常规油气对比的视角因成因不同，页岩气所需的开采技术与常规油气资源有别。以天然气储层的孔隙度和渗透率作降顺排列，分别为常规天然气、致密砂岩气、煤层气、页岩气，可见页岩气的开采难度高于致密砂岩气和煤层气。以天然气生产成本做升序排列，依次是常规天然气、致密砂岩气、煤层气、页岩气、天然气水合物，可见页岩气的开发成本高于致密砂岩气和煤层气。若按环境影响排列各种天然气资源，从低到高依次为常规天然气、致密砂岩气、煤层气、页岩气、天然气水合物，可见页岩气开发利用的环境风险颇高，超出了常规天然气开采的环境影响。页岩气常以吸附或游离状态赋存，在泥岩、页岩等岩层内部大量存在。因其所处的源岩储层缺乏渗透性，因而气体流动所遭遇的阻力普遍要大于一般的天然气资源，如果要对页岩气进行开采，首先应就其发育带实施水力压裂重构。又因页岩气的开发利用存在储层压力不足，日开采量小，采收率不高等突出特点，在开采方面必须实现多井开采规模化产气才能够实现投资地有效回收，有效降低开采成本。对于页岩气开采工作而言，单井寿命与生产周期通常长与常规油气资源，大致为20-46年期间，有的长达80-100年。上述特征决定了页岩气在开发利用中会对当地的水、大气等自然资源与附近的生态环境造成多方面的影响，此类影响也会因开采周期而表现出长期性、隐蔽性和潜伏性。彭民，雷鸣，杨洪波，王艳秋.我国页岩气资源开发中的环境政策选择——基于环境空间差异的考虑[J].生态经济，2016，（4）：208-213.彭民，雷鸣，杨洪波，王艳秋.我国页岩气资源开发中的环境政策选择——基于环境空间差异的考虑[J].生态经济，2016，（4）：208-213.（一）赋存地域广且与常规油气资源形成纵向重叠超过七成的页岩气蔵位于常规油气储层之下形成矿业权重叠，为保证地质结构稳定和储层压力难以同时开采。在理论上，引发了基于何种法律原则解决“谁应优先开采、后者受何补偿”的讨论；在实践上，引发重叠矿业权人之间“争相开采”或“圈而不采”的问题。（二）生产周期特殊：同一矿区的各子区域可处于不同的开发期或生产期相比于常规能源矿藏，页岩构造延伸面积更广，我国非常规天然气富集地域是常规天然气的13倍。这种特点决定了只有长期投入密集的勘探活动才能采集大规模的页岩气。从技术角度解释，如果每10km2的陆上常规能源矿藏需要建造一口探井，那同样区域内则至少需要10口探井开采页岩资源。InternationalEnergyAgency.Goldenrulesforagoldenageofgas:WorldEnergyOutlookSpecialReportonUnconventionalGas[R].IEAPUBLICATIONS,2012:21.页岩气开发利用共分为勘探期、开发期和生产期，整个生产周期一般将持续20-46年，具体划分为５个时期（如图2.3）。第一时期为资源评估时期，也就是就目标页岩气的储层潜力实施定量评估；第二时期为勘探启动时期，就目标位置开始进行钻探试验井，通过压裂实验，在此基础上进行天然气产量的预估工作；第三时期为初期开采，就目标位置实施高速开发，同时构建有关标准；第四时期为成熟开采时期，实施开采数据资料分析，建立天然气储量模型，构建开采资料数据库；第五时期为产量递减时期。为更多利用目标位置的优势尽可能多的进行天然气开采，减缓产量的递减情况，一般通过采用一定的增产办法进行处理，如重复压裂、人工举升等措施。广阔的富集地域决定了页岩气的开采周期久于常规能源，遂需要采用特殊的开采规划，而密集的开采活动也会给当地居民和周围环境带来更深刻的影响。Jose´Martı´nezdeHoz(h),Toma´sLanardonne，AlexMa´culus.Shalewedanceanunconventionaltango?[J]JournalofWorldEnergyLawandBusiness,2013,(3):179-209.InternationalEnergyAgency.Goldenrulesforagoldenageofgas:WorldEnergyOutlookSpecialReportonUnconventionalGas[R].IEAPUBLICATIONS,2012:21.Jose´Martı´nezdeHoz(h),Toma´sLanardonne，AlexMa´culus.Shalewedanceanunconventionaltango?[J]JournalofWorldEnergyLawandBusiness,2013,(3):179-209.图2.3页岩气生产周期Fig.2.3Thelifecircleofshalegasdevelopment（三）开采技术伴随环境风险1.页岩气开采技术：水平钻井+水力压裂+三/四维地震的技术结合页岩气贮存于源岩（sourcerock）中无数个独立、封闭的孔隙中，因为源岩的渗透性低，使得困在其中的页岩气无法通过自由运动形成规模性气藏/气田，不能通过传统的垂直打井技术直接采集，这也是页岩气被称为“科技产品（aproductoftechnology）”的原因。JoséMartínezdeHoz,TomásLanardonne,AlexMáculus,ShaleweDanceanUnconventionalTango?[J].J.OFWORLDENERGYBUS,2013,(6):169-187.那新技术水平钻井法、水利压裂法、地震技术是如何探查页岩气的呢？JoséMartínezdeHoz,TomásLanardonne,AlexMáculus,ShaleweDanceanUnconventionalTango?[J].J.OFWORLDENERGYBUS,2013,(6):169-187.如图2.2所示，所谓“水平钻井法”（HotizontalDriling），是指将垂直井架设稳固后，建造水平井一向与垂直经连接，另一向沿水平方向延伸至页岩气富集区，进而联通所有富含页岩资源的孔隙。水平钻井技术有以下优点：一是水平井的建设费用相对于垂直井会提升50%左右，但是产量却可以提升三倍，性价比占优；二是水平井储层里面相对延伸较长，跟页岩当中的裂缝发生相交的几率更大，比较有利于增加泄流面积；三是通过水平井进行开采，地下可延伸的区域较大，可以有效突破地面限制这一瓶颈。图2.2页岩气水利压裂和水平钻井技术图示Fig.2.2HudraulicFranturingandHotizontalDriling所谓“水利压裂法”（HudraulicFranturing），是通过大量高压水流（含沙粒和化学助剂）使页岩孔隙产生裂缝，帮助困于孔隙中的页岩气流入水平管道中。水力压裂属于一类油气开采的储层增产技术，能够在储气岩层形成十分密集的裂缝网，提高储气岩层的渗透率，以便开采出更的天然气。该工艺的施工程序是：第一步先对井底注入腐蚀性物质“岩石酸”（盐酸），把近井污染清除；第二步向目标部位注入“减阻水”进行段塞锁业；第三步向目标位置注入减阻水与一定比例的低密度细砂，同时随着注入工作深入缓步提高水砂比例；第四步向目标位置开始注入粗砂并保持近井裂缝处在张开状态下，以实现导流能力的提升；第五步以“减阻水”大量注入进行洗井返排。在页岩气开发利用的不同阶段，会采用不同的施工技术。首先，分段压裂通过封堵球以及限流措施就目标位置的岩层实施多层位分段压裂。通过探测可以就储层性质实施有针对性地作业，使压裂效果更为突出。其次，通过同步压裂可以形成多口配对实现同期压裂，使目标位置的页岩气产量会出现显著提高，同时对工作区的影响相对较小，且提升了完井的速度，费用更加低廉。第三，重复压裂，适用于当页岩气井初始压裂处理已经无效或现有的支撑剂因时间关系损坏或质量下降时。通过重复压裂能够使得目标位置天然气实现增产。重复压裂的增产方法主要就处理低渗问题、天然裂缝发育、层状与非均质环境效果十分显著，尤其针对页岩气藏，通过使用该技术能够形成导流能力突出的支撑裂缝，提高天然气的产量。据有关信息显示，通过使用重复压裂技术可以（3.54-7.05）美元每100立方的费用提升气产量，让气井预计最终采收率上升百分之十左右，整体可采量提升60％。路萍，刘兴国.页岩气勘探开发综述[J].油气地球物理，2017，（3）:54-56.路萍，刘兴国.页岩气勘探开发综述[J].油气地球物理，2017，（3）:54-56.在探采页岩气的过程中，三维地震（3-Dmicro-seismic）技术用于探测页岩孔隙的具体方位，指导压裂操作。四位地震（4-Dseismic）用于测量地下施工和压裂时间，有助于提高开采数量。GarthNaldrett.Downholemonitoring,controlusingdigitaldistributedsensing[J].OFFSHOREMAG,2010,(3):103-120.与此同时，geoVISION随钻成像服务跟RAB钻头周边地层电阻率仪器等LWD技术的应用可以为钻遇后快速发现天然裂缝提供支持，提高测井工作有效性。通过使用此类技术，能够系统研究井筒长度区域当中形成的电阻率成像与井筒的地层倾角，同时通过成像测井获得很多可以提高完井作业质量的有用数据，如地层地质数据信息、力学特征数据等。在开展加密钻井作业情况下，井眼成像技术能够有效识别附近井里面出现的水力裂缝，帮助施工人员在目标位置找到以往没有受到压裂的部分并采取措施进行处理从而提高气产量。GarthNaldrett.Downholemonitoring,controlusingdigitaldistributedsensing[J].OFFSHOREMAG,2010,(3):103-120.水力压裂技术和水平钻井技术都并非为页岩气开采领域的最新发明。早在20世纪40年，油气公司就开始运用水力压裂技术提高石油采收率。在对页岩气进行商业化开采之前，先驱者已经探明了页岩储层中富集的非常规天然气。然而，利用早期的水力压裂技术开采天然气并不经济，直到15年后定向钻孔技术的问世。定向钻井可实现从一个平台向多个方向钻多口井，横向可达数千米之遥，而导航进步也使得钻工对确切位置的判断从数千米的误差精确到几厘米。随着地下地质勘测的进步，定向钻孔和水力压裂技术使人们过去10年里得以开采以前不经济的页岩天然气矿藏，深入到以往无法到达的地下开采天然气的能力，使得美国页岩气产量猛增。包括德克萨斯、路易斯安那、宾夕法尼亚、纽约、怀俄明和科罗拉多。仅在位于美国北达科他州和蒙大拿州的巴肯页岩层，天然气日产在六年中从零提升到日产天然气五十万桶(每桶159升)，占美国能源总产量的近1/4，2010年，美国赶超俄罗斯成为世界上最大的天然气出口国。龚铁鹰.国际时事评述论集[M].世界知识出版社，2013：275.龚铁鹰.国际时事评述论集[M].世界知识出版社，2013：275.需要指出，新技术成就了页岩气的商业化生产，也给环境安全带来了不稳定因素。垂直井用于探采常规油气，其一旦建设就具有极高的稳定性。但水平井的稳定性会伴随孔隙压力而不算变化。正如PermianProductionEquipmentInc的副董事长MarkLancaster所言：“你可以在今天固定一个水平井，但一周之后就会出现变化。这就是难点所在。”MellaMcEwen.Symposiumwillfocusontechnologytooptimizeunconventionalwells[EB/01]./business/oil/article/Symposium-will-focus-on-technology-to-optimize-11270855.php,2017-06-09.MellaMcEwen.Symposiumwillfocusontechnologytooptimizeunconventionalwells[EB/01]./business/oil/article/Symposium-will-focus-on-technology-to-optimize-11270855.php,2017-06-09.2.页岩气开采流程中的环境风险页岩气开发过程伴随着地质结构改变、地表环境破坏，大量耗水和排水，以及甲烷泄漏，这些环境影响和风险分布在页岩气开采的各个阶段，具体如下。第一，选址和钻井准备工作。在选定页岩气开采的地址后，必须要场地清空、整平并准备钻井。其中对环境产生影响的活动包括：清理场地、修路、建设井场、修建管道、其他设施建设、汽车运输。第二，钻井。在钻井过程中首先要将井轴垂直钻入预定位置，然后利用末端的斜井井筒在页岩层中钻水平井。其中对环境产生影响的活动包括：钻井、下套管和固井、汽车运输、使用地表水或地下水、排放页岩气、甲烷燃烧、压裂液储存、钻井液和钻屑处理。第三，压裂和完成阶段。在水平压裂过程中，水、沙并添加了化学剂的压裂液在高压下注入钻井孔压裂页岩。其中对环境产生影响的活动包括、使用地表水或地下水、射孔井的套管／固井、水压裂、注入压裂砂、冲洗井筒、返排水、排放页岩气、甲烷燃烧、压裂液储存、汽车运输、压裂设施运行。第四，生产阶段。在生产阶段，页岩气混合着其他气体和液体从井孔到达地面，并输送入管道。其中对环境产生影响的活动包括：生产、冷凝槽与脱水操作、压缩机运行、甲烷燃烧。第五，压裂液、返排水和生产废水的储存和处理。压裂一口气井大概需要好几百万升的水。如何储存、处理并处置如此大量的新鲜水、生产废水和排放水将是这个阶段的重点。其中对环境产生影响的活动包括：现场渗坑储存、现场储罐储存、运输到场外、现场处理及再利用、在工业废水处理设施处理、在市政废水处理设施处理、污泥处理和其他固体废弃物填埋、地下深井灌注、道路除雪和抑制扬尘的废水应用。第六，其他活动。在气井生产阶段需要对气井进行维修、补救工程或移除气井。在气井生产最后，需要进行填堵和完整性测试。同时还考虑发展过程的上游活动和将气体销售到市场的下游活动。其中对环境产生影响的活动包括：闭井、堵塞和弃井、维修、下游活动(如管道)。王金南，陆军，吴舜泽主编.中国环境规划与政策（第11卷）[M].北京：中国环境出版社,2015：485.王金南，陆军，吴舜泽主编.中国环境规划与政策（第11卷）[M].北京：中国环境出版社,2015：485.3.页岩气开采中环境污染的主要类型（1）水污染在大举进军页岩气产业的时代背景下，与页岩气开采相关的环境风险映入眼帘，成为各国页岩气发展过程中亟待关注的问题。我国很多页岩气区块坐落于干旱地区，在缺乏稳定的水源供应的情况下，难以运用水力压裂技术开采页岩气。于是，在淡水中加入化学成分进行稀释，成为开采中节约用水的主要方式。压裂后的废水有三种可能的处置方式：从地下抽出、做无害化处理后再次使用；直接存放在地下页岩层中；采集至地上进行存储或做其他用途。因水力压裂液中参入了高剂量的有害化学成分，使得水力压裂法在应用中伴随环境风险，若疏于环境管理或处置不当，这些化学成分很有可能渗入用于饮用的地下水中，造成地下水污染。水力压裂作业会造成对自然环境的不良影响，主要体现为“返排废水”与“生产废水”带来的污染问题。此类废水具有有毒有害性、放射性与腐蚀性等，若未经无害处理流入自然环境，会造成大量的动植物死亡甚至损害人身健康。页岩气开采中的污水主要来自于水利压裂液和岩层地下水。前者包含支撑剂（包括砂）、增稠剂、减阻剂、杀菌剂和防腐剂，后者含有水体盐分、重金属和高浓度的挥发性有机化合物（如苯）。例如，美国马赛勒斯页岩地区的反排水中包含高浓度钡、溴、镭-228，锶和盐。出于节水的考虑，页岩气开采时会将10-80％不等的废水重新注入页岩井进行循环利用。但是，废水在循环利用中会导致水体污染物的浓度继续增加。参见DavidSandalow,JingchaoWu,QingYang,AndersHove,JundaLin.“MeetingChina’sShaleGasGoals.”ColumbiaUniversity’sCenteronGlobalEnergyPolicy,Sep.2014.因此，页岩气生产用水的无害化处理就变得尤为重要。参见DavidSandalow,JingchaoWu,QingYang,AndersHove,JundaLin.“MeetingChina’sShaleGasGoals.”ColumbiaUniversity’sCenteronGlobalEnergyPolicy,Sep.2014.在页岩气开采过程中，水资源是水力压裂技术得以应用的重要原料，加之钻探设备的清洁也由水流冲洗，使得页岩气的开发需要使用大量的水资源。不同地层用水量有很大差别：纯气体区域一般每口井需要用水量较少，而伴生气地层用水量较大。水平井通常比直井用水量多，其中一个原因是这些井的水平段有可能有上千米长。由于页岩矿床的深度，中国每单位页岩气产量的耗水量很可能比美国大。在美国，单口页岩气井平均用水300-400万加仑,深处地层需要使用高达600万加仑的水。中国的人均水资源约为美国的四分之一，全球平均水平的三分之一，使得中国面临巨大的供水挑战。近期中国南部发生的干旱再一次体现了中国的供水压力。中美两国都在进行一系列研究，想要减少页岩气生产的用水，以及寻找其它液体或气体（例如丙烷或二氧化碳）替代水力压裂中的水。这可能是中美清洁能源研究中心的一个有价值的工作方向。（2）大气污染虽然页岩气的应用对于减缓气候变暖具有潜在优势，但页岩气开采中的甲烷泄漏则成为一个重要的抵消因素。来自《IPCC第五次评估报告》（IPCCFifthAssessmentReportWorkingGroup）中一项时间跨度为20-100年的分析显示：甲烷作为天然气中的主要成分，所产生的温室气体效应比二氧化碳高出34-86倍。正因如此，美国开展了大量关于天然气系统中甲烷泄露程度的研究，其中一项调查认为：页岩地层进行水力压裂的甲烷排放量比生产常规天然气至少高出30%。RobertHowarthetal.,“MethaneandtheGreenhouse-GasFootprintofNaturalGasfromShaleFormations,”ClimaticChange(2011)RobertHowarthetal.,“MethaneandtheGreenhouse-GasFootprintofNaturalGasfromShaleFormations,”ClimaticChange(2011)大气污染集中体现在页岩气开采的甲烷排放和泄漏、压裂现场无组织废气和动力机械废气排放。在钻井、压裂、压裂后采气及输气等不同的作业阶段，都可能会造成甲烷泄漏并排放于大气环境之中，形成的温室效应可以比二氧化碳高出34-86倍，对气候变化具有负面影响。目前大量研究都在试图更好地了解美国页岩气开发过程中甲烷泄漏的程度。在最近完成的一项研究中发现，“整个系统的甲烷泄漏不太可能大到可抵消天然气替代燃煤给气候带来的好处”。而另一项研究却发现一个新气井产生的甲烷排放量比美国环保局（EPA）的预计排放量要高几百倍甚至几千倍[25~27]。在页岩气开采工作中，散逸性甲烷经常在井口、