盛 湘，張 燁

(1.中國石油化工管理干部學(xué)院，北京 100012；2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)

國外頁巖油開發(fā)技術(shù)進展及其啟示

盛 湘1，張 燁2

(1.中國石油化工管理干部學(xué)院，北京 100012；2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)

全世界頁巖油資源主要分布在俄羅斯、美國、中國、阿根廷和利比亞等國家，中國的頁巖油可采資源量全球第三，美國和加拿大為全球頁巖油產(chǎn)量的大國，美國由于頁巖油開發(fā)核心技術(shù)的進步和相關(guān)配套政策措施的輔助作用，繼頁巖氣革命后，又掀起了頁巖油的開發(fā)熱潮，“井工廠”開發(fā)模式實現(xiàn)了頁巖油氣藏的安全、經(jīng)濟、高效開發(fā)，推進頁巖油的快速發(fā)展；中國頁巖油開發(fā)需要在科技創(chuàng)新和財稅政策上進行激勵。

頁巖油開發(fā)；頁巖油資源量；鉆井技術(shù)

頁巖油氣革命正在重新調(diào)整全球能源格局，美國頁巖油氣開發(fā)取得巨大成就對北美以外地區(qū)和整個能源行業(yè)都產(chǎn)生巨大影響[1]。據(jù)美國能源署資料，2012年美國頁巖油產(chǎn)量已達到72萬桶/日，占美國原油總產(chǎn)量的12.5%，北美油氣資產(chǎn)市場交易額的近50%涉及頁巖油項目；2013年美國原油的日產(chǎn)量提高了180萬桶，原油對外依存度從2008年的65%降至2011年45%；2014年1月美國原油進口量約2.87億桶，較2009年1月的4.07億桶降低約1.2億桶，一旦美國實現(xiàn)“能源獨立”，其國家戰(zhàn)略地位將空前鞏固。鑒于北美頁巖油氣產(chǎn)量增加，歐佩克報告預(yù)測到2035年，全球超過90%的需求增加來自亞洲，國際油氣價格將更加變幻莫測，中國國家能源保障及能源價格風(fēng)險將明顯增大。

中國常規(guī)剩余油氣資源主要分布在陸上深層、超深層、及陸上復(fù)雜隱蔽圈閉中，而頁巖油氣、煤層氣等非常規(guī)油氣資源是我國最重要的戰(zhàn)略接替資源，頁巖油集中分布在已知油區(qū)陸相地層中，是現(xiàn)有油區(qū)構(gòu)成重要的戰(zhàn)略資源接替。加快中國頁巖油發(fā)展將對中國能源工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要保障作用，是我國能源有序利用的客觀要求，是實現(xiàn)能源安全的重要保障。

1 國外頁巖油資源及勘探開發(fā)現(xiàn)狀

根據(jù)美國能源信息署(EIA)[2]的統(tǒng)計結(jié)果，全球頁巖油主要分布在北美和歐亞大陸，全球頁巖油可采儲量的排名見表1，俄羅斯、美國、中國、阿根廷和利比亞為頁巖油的主要分布國家。

表1 頁巖油資源可采儲量排名

1.1 北美

北美地區(qū)頁巖油開發(fā)的主要國家為美國和加拿大，其它國家頁巖油的勘探與開發(fā)還沒有提上日程。

美國能源信息署(EIA)2013年6月發(fā)布的全球主要國家和地區(qū)頁巖油氣資源評價結(jié)果顯示，美國的頁巖油地質(zhì)資源量為10 022億桶，技術(shù)可采資源量為500億桶，居世界第二；已明確具有頁巖油資源潛力的區(qū)帶共有8個，包括巴肯、伊格爾福特、奈厄布拉勒、馬塞勒斯、尤蒂卡等。 64%分布在西海岸Monterey/Santos，15%分布在落基山Bakken頁巖區(qū)，14%分布在墨西哥灣海岸EagleFord，7%分布在西南部Barnett-Woodford。2012年頁巖油的產(chǎn)量為200萬桶/天，2013年四季度，美國頁巖油的平均產(chǎn)量已達322萬桶/天，綜合各方面的預(yù)測來看，2014年美國頁巖油產(chǎn)量很可能突破500萬桶/天，并長時間穩(wěn)定在此值左右。2019年，美國頁巖油產(chǎn)量預(yù)計將達到960萬桶/天。

2012年加拿大阿爾伯達能源資源保護局及阿爾伯達地質(zhì)調(diào)查局研究認為[7]，西加拿大盆地頁巖地層中可能含有3 324萬億立方英尺的天然氣、586億桶凝析油，以及4 236億桶的石油資源。2013年加拿大頁巖油平均產(chǎn)量為34萬桶/天，約占其國內(nèi)產(chǎn)量(352萬桶/天)的10%，主要集中在艾伯塔、馬尼托巴和薩斯喀徹溫等西部省份。

1.2 中東-北非[3-4]

中東-北非具有十分豐富的頁巖油資源，現(xiàn)有OPEC國家將依然是頁巖油資源大國，但中東-北非資源大國對全球和本土頁巖油資源的開發(fā)和利用，更多關(guān)注頁巖油對OPEC產(chǎn)量配額和價格策略的影響。

據(jù)海外媒體2013年4月21日德黑蘭報道，伊朗國家石油公司(NIOC)日前向媒體公布了勘探頁巖油和頁巖氣的計劃。根據(jù)這些計劃，伊朗將開始在靠近與伊拉克接壤的邊境地區(qū)內(nèi)尋找頁巖油和頁巖氣。

1.3 中亞-俄羅斯

該地區(qū)包括俄羅斯、哈薩克斯坦、土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦和阿塞拜疆5個原油生產(chǎn)國。由于能源戰(zhàn)略、資源條件、開采程度差異，目前將頁巖油納入議事日程的國家主要有俄羅斯和烏茲別克斯坦。從2014 年1月1日起，俄羅斯將對頁巖油和海上石油勘探開發(fā)實行稅收減免，這將使俄羅斯成為世界上為數(shù)不多的鼓勵致密油開發(fā)的國家。俄羅斯天然氣工業(yè)公司[5](Gazprom)開始在西西伯利亞的Krasnoleninsky地區(qū)鉆探頁巖油(致密油)評價井。俄羅斯頁巖油平均產(chǎn)量為12萬桶/日，約占其國內(nèi)原油總產(chǎn)量的1%，主要集中在西西伯利亞盆地。目前，俄羅斯的石油企業(yè)正與國際石油公司進行頁巖油的勘探與開發(fā)工作。

烏茲別克斯坦的頁巖油資源量估計有3400 億桶。由于原油產(chǎn)量持續(xù)下降、供需矛盾日益突出，其宣布開始開采位于納沃依州北部地區(qū)的桑格倫套油田的頁巖油。

1.4 亞太

包括中國、印尼、印度、馬來、越南、泰國、澳大利亞和緬甸。該區(qū)常規(guī)石油資源主要富集在陸相地層中，常規(guī)石油資源分布一定程度上代表頁巖油潛在資源分布特征。頁巖油潛力最大的國家為中國和澳大利亞。

中國陸上[6-12]含油氣盆地有利頁巖油分布區(qū)主要集中在陸相地層中。東部盆地古近系主力烴源巖R00.5%～1.5%，處于低熟～成熟生油氣階段；松遼盆地白堊系主力烴源巖R0為0.7%～2.0%；西部準(zhǔn)噶爾盆地二疊系、侏羅系主力烴源巖R0為0.5%～1.0%；鄂爾多斯盆地三疊系烴源巖R0為0.7%～1.5%；四川盆地及周緣三疊系～下侏羅統(tǒng)泥頁巖熱演化適中，以頁巖油為主。

澳大利亞2002年的頁巖油產(chǎn)量為42萬桶，但是澳大利亞的頁巖油開發(fā)進展比較緩慢。2013年，澳大利亞自然資源公司林肯能源宣稱在阿卡林加盆地(Arckaringa Basin)發(fā)現(xiàn)了儲量達2330億桶的世界級頁巖油田。澳大利亞南澳洲(頁巖油礦所在地)礦業(yè)部長湯姆則認為，如果林肯能源公司的石油被挖掘出來，澳大利亞將從石油進口國轉(zhuǎn)變?yōu)閮舫隹趪?/p>

1.5 南美

主要包括委內(nèi)瑞拉、巴西、厄瓜多爾、哥倫比亞、阿根廷。該區(qū)陸上頁巖油可采資源潛力較大的國家可能包括委內(nèi)瑞拉、厄瓜多爾、哥倫比亞和阿根廷。

阿根廷頁巖油獲得重大發(fā)現(xiàn)，2011年5月，阿根廷最大的能源公司YPF在內(nèi)烏肯盆地發(fā)現(xiàn)1.5億桶頁巖油[12]；2012年3月，YPF公司在門多薩省Payun Oeste和Valle del Rio Grande區(qū)塊發(fā)現(xiàn)10億當(dāng)量桶頁巖油氣。阿根廷國家石油公司在2013年三季度季報中稱，其位于內(nèi)烏肯盆地(Neuquén Basin)的瓦卡穆爾塔油田(Vaca Muerta)已獲得超過1萬桶油當(dāng)量/日的頁巖油氣產(chǎn)量，其中頁巖油產(chǎn)量約0.79萬桶/天。另外，西班牙雷普索爾的阿根廷子公司YPE SA 在阿根廷境內(nèi)巴塔哥尼亞地區(qū)的羅馬拉拉塔區(qū)塊發(fā)現(xiàn)9.27億桶頁巖油。

1.6 歐洲

歐洲的石油資源主要分布在北海、北極海域；陸上除了羅馬尼亞前喀爾巴仟盆地及特蘭西瓦尼亞盆地早期產(chǎn)油以來，其他地區(qū)主要分布頁巖氣和頁巖油資源。英國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)學(xué)者Nigel Smith表示，英國的海上頁巖氣和頁巖油儲量遠超陸上，前者可能是后者的5到10倍。

由于擔(dān)心頁巖氣開發(fā)特別是水力壓裂對環(huán)境污染的影響，歐洲許多國家都出現(xiàn)了反對頁巖油開發(fā)的聲音，部分國家也出臺了一些相應(yīng)的政策限制頁巖油的開發(fā)，例如法國和荷蘭禁止開發(fā)過程中使用水力壓裂技術(shù)。由于反對聲音和一些不利于頁巖油開發(fā)的政策的存在，歐洲的頁巖油勘探和開發(fā)進程緩慢。

2 頁巖油開發(fā)的工程技術(shù)

2.1 鉆井工程技術(shù)

井工廠技術(shù)：頁巖油鉆井先后經(jīng)歷了直井、水平井、叢式 “井工廠”的發(fā)展歷程。加拿大能源公司(EnCana)最先提出“井工廠”開發(fā)的理念，即使用水平井鉆井方式，在一個井場完成多口井的鉆井、射孔、壓裂、完井和生產(chǎn)，所有井筒采用批量作業(yè)模式，從而提高作業(yè)時效，實現(xiàn)頁巖油氣藏的安全、經(jīng)濟、高效開發(fā)[13-18]。據(jù)路透社報道稱，2014年美國巴肯頁巖區(qū)帶上將有超過90%的頁巖油鉆井采用“井工廠”技術(shù)，每個平臺可實現(xiàn)鉆井12～16口，能夠?qū)尉@井成本降至750萬美元/口。在巴肯頁巖油區(qū)帶資源潛力良好的Sanish次級區(qū)帶和部分Nesson背斜上，頁巖油的盈虧平衡價格分別達到58美元/桶和61美元/桶。

鉆井液技術(shù)[19-22]：頁巖油開發(fā)使用的油基鉆井液配套技術(shù)成熟，目前正在開展頁巖油水基鉆井液的嘗試與應(yīng)用，初步取得試驗成功，但大規(guī)模應(yīng)用尚需進一步研究與完善。Bakken、Eagle Ford等盆地頁巖油氣水平井90%采用油基鉆井液技術(shù)，Barnett頁巖水平井80%采用水基鉆井液。

目前國內(nèi)已經(jīng)形成自主知識產(chǎn)權(quán)的低黏高切油基鉆井液體系，開發(fā)出乳化劑、提切劑、降濾失劑等核心助劑，成本較國外同類產(chǎn)品降低30%，體系性能達到國際先進水平，初步解決了頁巖油氣藏井壁穩(wěn)定難題，但鉆井含油廢棄物處理技術(shù)與國外尚具有很大差距。

2.2 壓裂工程技術(shù)

2.2.1 壓裂工藝

目前頁巖油壓裂工藝和頁巖氣的壓裂工藝類似，主要有以下幾種。

(1)水平井分段壓裂技術(shù)[22-23]。該技術(shù)包括裸眼封隔器+滑套分壓技術(shù)、水力噴射分段壓裂技術(shù)、雙封單卡分段壓裂技術(shù)、套管射孔管內(nèi)封隔器分段壓裂技術(shù)和泵送橋塞分段壓裂技術(shù)。Bakken頁巖油儲層和EagleFord頁巖油儲層的水力壓裂工藝主要是裸眼封隔器+滑套分段壓裂技術(shù)和連續(xù)油管水力噴射壓裂技術(shù)。

(2)水平井同步壓裂技術(shù)[38]。利用兩口井或多口井的同步壓裂形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，從而增加頁巖油氣的產(chǎn)量。2006年同步壓裂技術(shù)開始在Bakken頁巖氣區(qū)使用，作業(yè)者在相隔152～305 m范圍內(nèi)鉆兩口平行的水平井，并同時進行壓裂。

(3)無水壓裂技術(shù)。使用已交聯(lián)的液化石油氣LPG(Liquefied Petroleum Gas)壓裂液替代常規(guī)壓裂液的一種壓裂方式，LPG壓裂液主要成份是丙烷和丁烷。 GASFRAC公司目前已掌握該項技術(shù)，并在頁巖油氣和致密油氣井上已成功應(yīng)用，可替代常規(guī)的水基、油基壓裂液及甲醇、CO2和N2壓裂液。

(4)高導(dǎo)流水力通道壓裂技術(shù)。采用分簇射孔，以短小脈沖式方式注入攜砂液和凈壓裂液，在裂縫內(nèi)形成開啟的流動通道，其中支撐劑團簇形成骨架非均勻地鋪置在開啟通道周圍，此時支撐劑不再充當(dāng)導(dǎo)流介質(zhì)，而是作為支撐結(jié)構(gòu)，形成導(dǎo)流通道。斯倫貝謝公司掌握該項技術(shù)，并在世界范圍應(yīng)用超過4000井次5000多段壓裂。

2.2.2 壓裂液

頁巖油的常用壓裂液為滑溜水、線性膠，采用黏度更高的壓裂液和粒徑更粗的支撐劑以及更高的砂比，注重壓裂液和支撐劑的匹配，實現(xiàn)形成高導(dǎo)流能力主裂縫，降低地層頁巖油流入井底阻力，提高頁巖油井產(chǎn)量。

2.2.3 支撐劑

由于北美頁巖油氣資源儲層埋深較淺，儲層閉合壓力相對較小，因此，主要采用石英砂作為壓裂的主要支撐劑類型，對于部分儲層采用石英砂和陶?；旌现蝿?，對壓裂縫進行支撐，形成寬度較大的支撐縫，提高主裂縫導(dǎo)流能力。Bakken頁巖上部頁巖壓裂常用的支撐劑粒徑主要是20/40目，常采用石英砂；Eagle Ford頁巖壓裂前置液階段支撐劑粒徑主要是100目砂(打磨炮眼和降濾失作用)，攜砂液階段初期支撐劑粒徑主要30/50目砂，后期支撐劑粒徑主要是20/40目覆膜砂。

2.2.4 壓裂液回收利用

頁巖油和頁巖氣儲層通常采用水平井分段壓裂技術(shù)進行增產(chǎn)，壓裂液的配制需要使用大量的淡水資源，平均一口頁巖氣水平井壓裂需要7 000～20 000 m3水，在水資源貧乏地區(qū)，壓裂成本非常高。傳統(tǒng)的壓裂施工中，需要大量的淡水資源的同時，返排的壓裂液通常儲存在裸露的地表，容易導(dǎo)致壓裂液的泄露，對地表和地下水資源造成污染。采用壓裂液回收利用系統(tǒng)，可以大大減少用水量，減少壓裂施工車輛，同時減少了有害化學(xué)物質(zhì)的泄漏。

目前國內(nèi)和國外頁巖油氣壓裂井場都建立壓裂液配液站和廢液處理站，改變了以往單口井臨時配制壓裂液的做法，實現(xiàn)了壓裂液循環(huán)利用。

3 美國頁巖油開發(fā)對我們的啟示

美國頁巖油氣的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，受益于核心技術(shù)的革命性突破及相關(guān)配套政策措施，主要包括：①競爭開放的開發(fā)體制；②專業(yè)化分工協(xié)作機制；③市場化的管網(wǎng)運行和價格政策；④科技創(chuàng)新激勵措施。

中國陸相頁巖油地質(zhì)的復(fù)雜性與工程技術(shù)需求的特殊性，決定了不能簡單照搬北美技術(shù)與經(jīng)驗。中國要走在世界頁巖油技術(shù)的前列，并且實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，就必須發(fā)揮國家優(yōu)勢，立足陸相頁巖油資源特征，全面加快科技攻關(guān)。為此，需要借鑒美國發(fā)展經(jīng)驗，從國家戰(zhàn)略的高度給予政策及激勵措施保障。

(1)加快建立國家非常規(guī)資儲評價與管理體系。加快推出中國頁巖油氣資源與儲量評價方法，建議在非常規(guī)油氣領(lǐng)域直接借鑒北美頁巖油氣資源量評價、儲量評價方法。

(2)加快完善非常規(guī)油氣開采特殊財稅政策。頁巖油主要分布在陸相地層中，部分與現(xiàn)有油氣區(qū)不重疊，可以作為市場化的試點領(lǐng)域，基于此，建議國家對頁巖油開發(fā)借鑒煤層氣、頁巖氣財稅政策。

(3)加大激勵非常規(guī)資源開采科技自主創(chuàng)新力度。建議通過國家頁巖油工程實驗室建設(shè)、國家頁巖油研究中心建設(shè)等結(jié)構(gòu)性措施，開辟國家特殊政策通道和人才隊伍建設(shè)平臺，激勵中國陸相頁巖油科技快速發(fā)展。

(4)加快研究并實施非常規(guī)資源開采環(huán)保政策。針對頁巖油開發(fā)可能造成潛在的地下水污染、空氣污染、土地污染、噪聲污染以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展問題，加快研究和完善針對性環(huán)境保護法律法規(guī)，以確保中國頁巖油開采的同時，不對環(huán)境可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅。

4 結(jié)論

(1) 頁巖油資源主要分布在俄羅斯、美國、中國、阿根廷和利比亞等國家，美國和加拿大是全球頁巖油的產(chǎn)量大國，其它國家還處于勘探或者觀望階段。

(2)頁巖油開發(fā)經(jīng)歷了直井、水平井、“井工廠”階段，“井工廠”開發(fā)模式實現(xiàn)了頁巖油氣藏的安全、經(jīng)濟、高效開發(fā)。

(3)頁巖油壓裂以水平井多級分段壓裂為主，其它新型壓裂應(yīng)用相對較少，壓裂液主要以滑溜水和線性膠相結(jié)合的混合壓裂液為主。

(4)美國頁巖油氣的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，受益于核心技術(shù)的革命性突破及相關(guān)配套政策措施。

(5)我國頁巖油的開發(fā)需要在科技創(chuàng)新和財稅政策上進行激勵，保證頁巖油勘探開發(fā)的高效快速發(fā)展。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)06-0080-05

2015-04-22

盛湘，高級工程師，碩士，1977年生，2002年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)石油地質(zhì)專業(yè)，主要從事油氣勘探、油氣田開發(fā)等專業(yè)技術(shù)人才培訓(xùn)工作。

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