第2章 美国页岩气革命及其影响

2.1 美国页岩气革命的动力与关键技术

2.1.1 美国页岩气革命及动力

美国对能源安全特别是石油供给安全的忧虑由来已久。二战前，美国曾是原油净出口国，原油产量居世界首位。二战期间，石油成为一种重要的战略物资，美国一度面临石油短缺的境况。20世纪50—70年代，尽管美国国内石油消费量和进口量不断增长，但由于美国国内石油产量上升，国际油价持续下降，石油供给安全并非急迫的政策问题。然而，1973年美国日益增长的石油进口受到石油危机的重创，面临供给骤减和油价飙升的双重困境。1979年伊朗革命和1990年两伊战争导致的石油供应短缺，进一步使美国意识到保障石油供给的重要性。因此，追求“能源独立”成了美国历届政府的重要政策议程，其真实目的是避免受国外某些因素对其能源安全、经济安全乃至国家安全的强烈影响。无论是1974年尼克松的《独立运动计划》、1975年福特的《能源独立法案》、1977年卡特的《国家能源计划》、1987年里根的《能源安全报告》、1991年老布什的《国家能源战略》，还是1997年克林顿的《联邦政府为迎接21世纪挑战的能源研发报告》和2001年小布什的《国家能源政策报告》，历届政府都将“能源独立”作为孜孜以求的理想和目标。为了实现能源独立目标，美国持续地在节流和开源两个方面下功夫。节流是要求提高能源效率（降低能源强度）和推广对石油的替代；开源是在陆上强调提高油田采收率，鼓励老油田后期低产井开发和低品位的非常规油气开发，在海上加大深海油气开发力度。对于老油田，美国一直不断以新技术和加大投资来提高其采收率，减缓产量下降速度，并以政策鼓励、资金支持低产油田包括处于产量递减期的油田和低品位、难开发的边际油气田，乃至非常规油气田的开发和相关科研。

二战以后，天然气在全球能源消费中的比重不断上升，由20世纪50年代的近15%逐渐攀升至2010年的约20%。作为从页岩岩层中开采出来的非常规天然气，页岩气的大规模开发提高了美国天然气产量，并有望逐步满足美国国内日益增长的能源需求。这一过程并非一蹴而就，经过了长达几十年的积累。20世纪80年代前，源于政策限制等一系列原因，美国天然气生产规模长期处在较低水平。二战结束到20世纪70年代中期，由于存在1938年美国国会通过的《天然气法案》、1954年美国联邦最高法院做出的《菲利普斯决定》等一系列政策法规，美国天然气开发一直面临井口价格管制的局面。这直接导致美国天然气价格长期徘徊在较低水平，生产商在扩大产量规模上缺少积极性，天然气生产在20世纪80年代甚至出现产量下降的时期。此外，在里根政府时期，由于采取减少政府干预、信奉市场主导的能源政策，对天然气产业支持力度有限。旨在减少进口石油、支持国内替代能源生产的人造燃料公司（Synthetic Fuels Corporation）计划被最终取消，包括埃克森公司在内的大能源公司也放弃了最初的页岩开采投资计划。

但是，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，美国在政策上一直在扶持各种新能源的开发，比如给予税收优惠或资金补助，页岩气的开采也是其长期扶持内容之一。美国的长期扶持政策，导致美国出现了很多中小型的页岩气开采公司，大量财力与人才汇集此领域。长时间努力后，终于产生或进化出了两项关键性技术：发明了可以拐弯的钻头（水平钻头），并且可以实现多个水平钻头同时进行，在接近页岩层时，钻头变成了沿水平方向往前推进，这样可以较大面积地接触地下的岩层，以及利用爆破技术，使岩层破裂，在破裂的瞬间向破裂岩层缝隙中注入小沙粒等坚硬的小颗粒，使岩层缝隙长时间保留，得以使页岩气逃逸出来。这两大技术的突破或成熟，促使页岩气开采成本大幅度下降，带来了页岩气的大开发。这场技术突破过程中，政府的扶持很重要，使页岩气开采领域长期保持了适度的规模，为技术突破奠定了基础。门槛较低的页岩气开采进入体制，也是关键因素，这让中小公司可以轻松进入页岩气开采领域，对页岩气开采规模的保持很重要。页岩气开采成熟以后，大型油气公司开始涉入，即通过购并这些中小页岩气开采公司，而进入这个领域。

2007年，美国页岩气产量366.2亿立方米。伴随着页岩气的开采，2009年美国以6240亿立方米的产量，超过俄罗斯成为世界第一大天然气生产国。数据显示，2010年美国页岩气产量已经超过了1000亿立方米。在过去的5年里，美国页岩气产量增长超过20倍——从2006年仅为其天然气总产量的1%，到2010年增长至美国天然气总产量的20%。依靠页岩气的开发利用，美国不仅可以一改天然气大量进口的局面，实现全面地自给自足，还成为液化天然气出口国。美国页岩气的大开发，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。页岩气的大规模开采，促使天然气产量大幅度增加，带来天然气价格下降。自2009年初至2010年3月1日，由于国际市场因素，原油价格上涨了73%，美国天然气价格下降了15%。天然气价格由于页岩气的开采，不再跟随原油价格上涨了。事实上，在较长的时间内，美国天然气价格下降幅度更大，这促使美国拥有世界最便宜的天然气价格，这种局面刺激了美国经济发展。

2.1.2 页岩气革命的关键技术

开采页岩气的关键技术发展并最终取得突破，可以追溯到19世纪。20世纪50年代，压裂技术便开始应用于石油和天然气的开采中。70年代中期，美国能源部与天然气研究所（Gas Research Institute）就开始共同研发从美国东部的页岩区块中开采天然气，并在获取低成本天然气的技术上取得初步进展，使得商业开采天然气的成本大大降低。

其关键技术主要是水平钻井和水力压裂，水平钻井技术使得从水平井而非传统的直井中获得页岩气成为可能。从水平井中开采页岩气，其最终采收率是直井的3倍，而费用只相当于直井的2倍。此外，相对于20世纪90年代使用的凝胶压裂技术，水力压裂法可节约50%—60%的成本。此外还有资源评价及目标区优选技术。

一、资源评价及目标区优选技术

地质理论创新为页岩气资源评价、有利区优选、井位确定及开发方式选择等奠定了基础。长期以来，在常规油气勘探中，页岩一直被认为是源岩或盖层，其含油气性被忽视，人们普遍认为页岩气藏没有任何生产价值。页岩储层中富含有大量的吸附气被发现后，大大改善了人们对页岩气储层的认识，为页岩气开发提供了基础理论支持，为油气勘探打开了新领域。2005年，美国地质调查局进一步提出连续性油气藏理论，并指导其他盆地的勘探开发。随着理论认识和开发技术的不断进步，美国页岩气勘探开发由核心区向非核心区发展，并在众多盆地获得突破。

美国页岩气开发积累了数万口井的基础工作和丰富经验，为页岩气资源评价工作提供了有力的数据支持，目前，已经形成了较为完善的页岩气资源评价方法体系，主要有类比法、体积法、物质平衡法和数值模拟法等。其中，类比法和体积法主要用于页岩气新区和生产早期的资源评价及储量评估；物质平衡法和数值模拟法适用于页岩气田开发的中、后期。

此外，页岩气目标区优选技术也日趋成熟，主要包括埋深1500—3000米、页岩单层厚度30—50米、基质渗透率大于100纳达西、有机碳含量（TOC）大于2%、镜质体反射率（Ro）为1.2%—3.5%、硅质含量大于35%等。三维地震采集及处理解释、页岩气测井识别和储层精细描述等地球物理评价技术的应用，能有效识别富含有机质页岩储层及含气性，为确定页岩气“甜点区”提供技术支持，同时指导钻井和压裂方案设计。

二、水平井技术

页岩气钻井先后经历了直井、单支水平井、多分支水平井、丛式井和丛式水平井的发展历程。目前，除页岩气探井采用直井，页岩气生产井一般采用水平井，以使更多的生产区域和井筒接触并和裂缝相交，改善储层流动状况，获得较大的排泄区域，提高产量。水平井技术在石油工程领域已发展了近80年，2002年后开始大量用于页岩气开发，近年来智能化测量、井下动力钻具、旋转导向控制、地质导向技术的进步促进了水平井技术的发展和成熟。

页岩气井的完井方式主要包括组合式桥塞完井、套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井和机械式组合完井等。“丛式井工厂”开发模式能提高设备利用率和钻井效率，保护生态环境，降低钻井成本，将逐步成为页岩气开发的主要钻井方式；为了开采多层页岩气，减少钻井的数量和地面设备，多分支水平井是未来的发展趋势。

三、压裂增产技术

相比之下，页岩气井压裂改造更为困难。由于页岩气储层的孔隙度和渗透率极低，必须进行增产改造才具有商业开发价值。水力压裂是改善储层裂缝系统、增加渗流通道的最有效方法，且水力压裂对储层伤害小，增产效果明显，美国在页岩气开发中主要用水力压裂技术进行储层增产作业。目前常用的水力压裂技术有分段压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂和同步压裂等，在页岩气开发过程中，往往需要多种压裂技术综合使用。

页岩气压裂与常规砂岩压裂不同，裂缝纵横交错，缝网无规则。在实施压裂之前，必须根据天然裂缝与地应力、岩石脆性及储层敏感性等因素进行压裂设计，一般通过模拟软件对裂缝三维几何特征进行模拟预测，从而优选压裂方案，但精确描述很困难。通常压裂设计工艺呈现大施工排量、大用液量、小粒径支撑剂和低砂比等特征。在页岩气井压裂过程中，需要使用压裂监测技术监测裂缝情况，评估压裂作业效果，目前最常用的是微地震裂缝监测技术。

此外，压裂液及压裂水资源管理也是压裂技术的重要领域。水力压裂耗水量巨大，且会造成压裂液中的化学物质和页岩气混入地下水中，返排液处置不当也会污染地表水，出于环保和节约水资源的考虑，国外各公司都加大了氮气泡沫压裂、二氧化碳压裂和液化油气（LPG）压裂等水力压裂替代技术的研发投入。对水资源贫乏的地区，无水压裂技术是特别值得关注的发展方向，但综合考虑成本、技术成熟度和安全性等因素，这些技术还需要不断完善。

从上面的分析可知，页岩气开采的核心技术是水平井钻井法和水力压裂法（或称压裂法），如图2.1所示。美国超过一半的天然气都是通过压裂法开采获得。水平井是增加渗流面积、穿过更多储层、捕获天然裂缝的最好方式，单井生产周期较长，是页岩气开发最合理的方式。水平井的月最大产量明显高于直井，特别是在核心地区，水平井的月最大产量一般是直井的4倍。水平井钻井技术主要有低压欠平衡、平衡空气钻井、控制压力钻井和旋转导向钻井等技术，低压欠平衡空气钻井技术应用较成熟，控制压力钻井技术能够很好地克服井壁坍塌问题，旋转导向钻井技术是页岩气水平钻井技术发展的方向。页岩气井钻井完成后，只有少数天然裂缝特别发育的井可直接投入生产，90%以上的井需要经过酸化、压裂等储层改造措施后才能获得比较理想的产量，水力压裂技术是用于页岩气储层改造的主要技术。目前常用的水力压裂技术有多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂。其中，多级压裂技术是目前应用最广泛的技术，多级压裂加水平井是页岩气开发合理的方式。