林臘梅，許 洋，張金川，韓雙彪

(1.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580；2.中國地質大學(北京)，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

近年來，中國石油化工股份有限公司、中國石油天然氣股份有限公司、陜西延長石油(集團)有限責任公司、中國海洋石油集團有限公司及中聯(lián)煤層氣有限責任公司等企業(yè)大力推進頁巖氣勘探開發(fā)[1-4]。多個省區(qū)、市自籌資金，開展轄區(qū)內頁巖氣資源評價與選區(qū)[5-8]。頁巖氣礦權區(qū)塊中標企業(yè)積極探索，進行鉆探和調查工作[9-10]。當前，已在重慶涪陵、四川長寧-威遠等地區(qū)形成頁巖氣產(chǎn)能。

與常規(guī)油氣相比，頁巖氣在勘探開發(fā)過程中存在著更多不確定因素，主要體現(xiàn)在地質、技術、經(jīng)濟、環(huán)境等多個方面。不確定性即意味著風險[11-14]，美國依靠先進的技術和經(jīng)驗，雖然大幅提高了頁巖氣單井產(chǎn)量，卻無法避免鉆井失敗率，有半數(shù)以上的井產(chǎn)量并不達標。即使是Shell、Mobil及Amoco等大型油氣公司，在高風險、高潛力的油氣勘探項目中，平均成功率也只有10%，最終只有1%能產(chǎn)生實際經(jīng)濟效益[15]。

在當前自然資源與生態(tài)環(huán)境并重的新理念下，對頁巖氣資源潛力的評價，不能只停留在資源數(shù)量上，還要對資源開發(fā)中的各類風險及其社會、生態(tài)環(huán)境影響進行一體化綜合考量，才能科學認識頁巖氣資源潛力。只有充分認識和分析這些風險因素，加強風險評價工作，采取積極對策以降低風險，才能切實提高資源的可采性。

1 地質風險

1.1 地質參數(shù)的不確定性

不確定因素包含在所有的地質預測過程中[16-22]。地質參數(shù)是頁巖氣資源量計算和有利區(qū)優(yōu)選的主要依據(jù)，其不確定性帶來了風險。勘探目標評價所需的所有參數(shù)幾乎都是基于不確定因素條件下的評價，這種不確定性變化范圍可能很大[23-26]。

1.1.1 不確定性的原因

地質參數(shù)的不確定性主要來源于幾個方面。①德國物理學家海森堡的“測不準原理”。該原理雖源于量子力學，但其表征了現(xiàn)實意義上大自然最基本的模糊性，這種模糊性不是測量方法和精度引起的，而是其本身就不存在準確。②測試樣品代表性不足。相對于研究對象的地質規(guī)模，測試樣品的采集數(shù)量通常是極為有限的，采樣的平面位置和縱向分布具有偶然性，難以完整描述研究對象全貌。③樣品的各向異性。非均質性是地下巖層的普遍特性，即使緊密相鄰的樣品，部分地質參數(shù)也可能具有顯著差異，樣品的各向異性也會導致樣品處理方法不同，得到的測試值也不同。④實驗室分析測試條件、儀器設備的精度差異。樣品測試儀器、型號、精度直接決定了測試結果，測試時樣品所處的溫度、壓力、濕度等環(huán)境因素也會影響測試精度。⑤人為誤差。

我國頁巖氣資源評價中，地質參數(shù)的不確定性尤為顯著。這是因為一方面，我國目前頁巖氣勘探開發(fā)程度仍然較低，只在局部地區(qū)有產(chǎn)量突破，積累的針對性資料較少，既有的規(guī)律性認識仍然薄弱，開展預測依據(jù)不夠充足；另一方面，頁巖氣儲層致密，尤其是我國特色的陸相頁巖儲層更加復雜，在參數(shù)獲取中，對測試技術和設備的精度要求更高，往往出現(xiàn)的誤差也相對較大。這兩方面原因使得我國頁巖氣前景和勘探風險仍不夠清晰[27-28]。

1.1.2 不確定性實例

為進一步了解頁巖氣地質參數(shù)獲取中存在的不確定性，采集了我國上揚子地區(qū)下古生界寒武系牛蹄塘組的4塊頁巖樣品，對每個樣品進行粉碎并混合均勻后平均分成3份，分別送往中國地質大學(北京)某實驗室、美國猶他大學能源地學研究中心及德國地學研究中心，進行了有機地化指標和全巖X射線衍射的平行對比實驗。實驗結果表明，在各項測試中，不同機構的測試數(shù)據(jù)具有明顯差別(表1)。

采用現(xiàn)場解析法測試貴州省某井志留系龍馬溪組頁巖含氣量，不同機構對緊密相鄰的巖芯樣品分別進行測試，結果同樣顯示出明顯差異。測試結果的多解性使得研究者對目的層平均含氣量的認識相差1倍以上(表2)。

1.1.3 對策

由于頁巖氣地質參數(shù)存在明顯的不確定性，因此在勘探開發(fā)中采用確定值評價或單值預測不合適[29-30]，采用概率表征方法是有效對策之一。對頁巖氣各項地質參數(shù)開展統(tǒng)計分布規(guī)律研究，依據(jù)各自的分布模型，對參數(shù)值進行概率表征，并進一步應用蒙特卡羅原理對資源可靠性進行評價，獲得可能的資源量范圍，即可能的最大值、最小值及概率最大值。

地質工作者需認識、描述及分析這些不確定性，適時開展風險評價，結合專業(yè)研判，盡可能降低不確定性，將不確定程度準確可靠地反映給決策者，以幫助決策者做出科學的綜合判斷。

表1 4塊平行樣品在不同國家測試得到的數(shù)據(jù)對比

注：采樣地點：渝東南地區(qū)；送樣時間：2012年3月；測試單位：中國地質大學(北京)、美國猶他大學能源地學研究中心、德國地學研究中心

表2 貴州省某井泥頁巖含氣量在不同機構測試得到的數(shù)據(jù)對比

注：采樣地點：貴州省某井；測試時間：2012年9月；測試單位：中國地質大學(北京)、Weatherford公司

1.2 頁巖氣富集規(guī)律尚在摸索

相較于美國，我國頁巖氣地質條件復雜，類型多樣。海相、海陸過渡相和陸相泥頁巖疊置，多成因的頁巖氣呈多層系分布，區(qū)域差異顯著，多數(shù)地區(qū)構造改造劇烈，地貌復雜[31-32]。巨大的差異決定了我們不能直接借鑒國外的成功經(jīng)驗和規(guī)律，

而我國目前積累的成功開發(fā)經(jīng)驗也較少，且由于區(qū)域性差異大，這些經(jīng)驗也很難在不同地區(qū)推廣適用，這使得當前對我國頁巖氣富集規(guī)律尚未形成成熟的認識?？碧街猩婕暗降某刹貦C理、富集條件、控制因素、勘探方向等方面還存在諸多需要深入研究的問題，例如多旋回的構造變動和改造作用對頁巖氣富集和保存的影響、陸相泥頁巖的可壓裂性、常規(guī)油氣勘探效果不佳的中小型盆地是否具有頁巖氣前景等。

富集規(guī)律和勘探開發(fā)理論的薄弱，決定了我們仍將在高風險中摸索較長一段時間，只有持續(xù)不斷的資料積累、經(jīng)驗積累和研究積累才能逐步降低風險，明晰勘探開發(fā)方向，探索出適合我國的頁巖氣勘探開發(fā)模式。

1.3 頁巖氣采收率低

頁巖氣采收率一般在5%～30%之間(表3)，遠低于常規(guī)油氣。采收率高低與頁巖氣藏品質和開發(fā)技術密切相關。同時，頁巖含氣豐度低，品位低，開發(fā)中單井產(chǎn)量低、遞減快、生產(chǎn)周期長，開發(fā)者需要相當長的一段時間才能獲得經(jīng)濟效益，在此之前，投資成本呈螺旋式增長。

較低的可采性既增加了勘探目標的資源風險，也對開發(fā)規(guī)模(鉆井數(shù)量、技術難度、資金投入、投資期)提出了較高要求。

表3 美國典型頁巖氣區(qū)基本特征

資料來源：據(jù)文獻[11]、文獻[33]～[37]修編

2 技術風險

2.1 技術水平和能力

技術進步是美國頁巖氣產(chǎn)量迅速增長的關鍵。我國獲得頁巖氣產(chǎn)能雖然只有幾年時間，但在原有基礎上快速發(fā)展了開發(fā)頁巖氣的核心技術，自主創(chuàng)新層出不窮，相關的工程技術手段也逐步成熟。例如，水平井的部署、井眼軌跡設計、完井及分段多級壓裂、CO2壓裂等。中石化江漢石油工程有限公司在涪陵頁巖氣田開發(fā)中，持續(xù)開展科技創(chuàng)新。目前，包括長水平段鉆井和長水平段分段壓裂等關鍵頁巖氣開發(fā)技術已全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，國產(chǎn)橋塞與多級射孔、油基鉆井液、牽引器測井、地質導向4項國產(chǎn)化技術的應用，可降低施工成本70%。

但在先天地質條件方面，儲層縱、橫向連續(xù)性差，構造變形強，地貌多樣等特點，使得頁巖氣開發(fā)地質和工程地質條件尤為復雜。不同地區(qū)之間的巨大差異，進一步增加了技術推廣應用的難度。此外，許多大型國際油氣服務公司，例如斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓等，紛紛在我國加大申請各項頁巖氣相關技術專利的力度，進行了知識產(chǎn)權封鎖，為搶占我國頁巖氣市場做準備。

2.2 管網(wǎng)設施尚不完善

美國能源信息署(EIA)認為，天然氣生產(chǎn)基礎設施的完善程度是能否成功開發(fā)和利用頁巖氣的重要因素。美國高度成熟的天然氣工業(yè)體系為頁巖氣的革命性發(fā)展奠定了基礎條件。美國建成了四通八達的天然氣管網(wǎng)和城市供氣網(wǎng)絡，天然氣管網(wǎng)長度達48萬km，上游天然氣生產(chǎn)商6 800多家，天然氣管道運營商160多家，天然氣交易商250多家，有近1 200個地區(qū)配氣公司和6 500多個終端用戶[38]。發(fā)達的管網(wǎng)使眾多中小廠商可以方便地將自己生產(chǎn)的頁巖氣出售給交易商，大大減少了頁巖氣開發(fā)在末端環(huán)節(jié)的前期投入，降低了市場風險，迅速實現(xiàn)了頁巖氣開發(fā)的市場化和商品化。

與美國相比，我國天然氣管網(wǎng)較少，現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)還不完善。全國油氣管道總長度僅9.3萬km，且分布不均，開放程度不夠。這些基礎設施能否被頁巖氣利用與共享還取決于多種因素，是制約頁巖氣的商業(yè)利用的因素之一。只有不斷增進和完善基礎設施，才會降低頁巖氣的開采和運輸成本，提升頁巖氣開發(fā)的經(jīng)濟性，早日促成頁巖氣的商業(yè)利用。

3 經(jīng)濟風險

3.1 持續(xù)大量的投資

我國尚處于頁巖氣勘探開發(fā)前期階段，還需要投入大量的鉆探、實驗測試、地球物理信息采集、理論研究等工作量和資金，用來發(fā)展認識，摸清規(guī)律。在中期測試與開發(fā)階段，必須實施大規(guī)模的水平鉆井和壓裂技術，工藝更加復雜，成本更高。我國部分技術和設備工具還需要國際公司的技術支持和進口，造成開發(fā)成本較高，完成一口水平井鉆完井及壓裂所用的金錢和時間成本相當于美國的3～4倍。例如，北美地區(qū)頁巖氣開發(fā)井的平均成本折算為人民幣一般在2 500萬～3 000萬元/口，而目前我國頁巖氣單口開發(fā)井成本在6 000萬～7 000萬元/口。由于頁巖氣資源豐度低，因此在開發(fā)后期階段，需要大規(guī)模、長期開采以獲得經(jīng)濟效益，仍需要持續(xù)不斷地增加鉆井數(shù)量和投資來保持規(guī)模。此外，我國地形地貌條件復雜和輸送管道等基礎設施不成熟也是增加成本的重要原因。

3.2 天然氣價格波動

國際天然氣價近兩年低位徘徊，根據(jù)花旗銀行的預測，全球天然氣過?？赡軙掷m(xù)到2020年。未來一段時間內的天然氣價格走勢仍不確定。我國現(xiàn)階段頁巖氣開發(fā)成本仍然較高，且在獲得收益之前，仍需經(jīng)過很長時間的勘探、開發(fā)和開采階段。在這期間，天然氣價格上漲或下跌，都會對收益產(chǎn)生巨大影響。在目前的低經(jīng)濟效益甚至虧損形勢下，國有企業(yè)仍然積極探索，努力創(chuàng)新，對頁巖氣保持興趣，是因為世界對清潔能源需求的不斷上漲會促使天然氣價格保持穩(wěn)定或上漲，從而帶來經(jīng)濟效益。從長期來看，一方面未來一段時間，通過技術進步、規(guī)模開發(fā)可有效降低頁巖氣開發(fā)成本;另一方面持續(xù)高漲的天然氣需求也使得頁巖氣開發(fā)的經(jīng)濟性隨之上升。但以目前的頁巖氣開采成本和收益率，難以吸引到更廣泛的投資者和企業(yè)參與。這將是一個不良循環(huán)，越少投資參與，技術進步越慢，成本下降就越慢。因此，在高風險中勘探開發(fā)頁巖氣還有較長的一段路要走。

4 環(huán)境風險

開發(fā)頁巖氣的過程當中，大規(guī)模的水力壓裂不僅會耗費大量的用水，還可能引起天然氣和壓裂液滲漏，造成環(huán)境污染。在美國的紀錄短片“天然氣之國(GASLAND)”中，部分環(huán)保人士對頁巖氣開發(fā)中引起的環(huán)境問題進行了專題報道，引起了世界各國相關人士的關注，法國政府甚至明令禁止頁巖氣的勘探開發(fā)，引起熱議。

4.1 耗水

開發(fā)頁巖氣必須實施壓裂工藝，頁巖氣的規(guī)模開發(fā)會耗費大量的用水[39]。據(jù)估計，一口水平井進行一次水力壓裂約需用水25 000 m3，而頁巖氣的商業(yè)性開發(fā)需要一定規(guī)模的近井距井網(wǎng)，總用水量大。我國是一個水資源相對缺乏的國家，大量用水，可能會影響到周邊的生活和生產(chǎn)用水。使用后的工程用水部分可以回收，但回收后的大部分很難通過處理使其恢復可用性。該問題在我國水資源缺乏的地區(qū)(例如我國北方地區(qū))更為明顯。

4.2 天然氣和壓裂液滲漏

頁巖氣開發(fā)中，水平鉆井和壓裂都可能造成地下天然氣和壓裂液的滲漏，污染地下水、地表水和空氣(表4)。

目前普遍應用的清水壓裂是在清水中加入適量的減阻劑、穩(wěn)定劑、表面活性劑或線性凝膠，以少量的砂作為支撐劑的壓裂作業(yè)方法。為了減弱清水壓裂液可能帶來的危害，還可以進一步凈化壓裂液。

表4 頁巖氣開發(fā)可能引起的環(huán)境污染問題

4.3 其他環(huán)境風險

由壓裂引起的巖層破碎和開發(fā)引起的地層壓力下降均有可能誘發(fā)地震和地面沉降。在常規(guī)油氣田區(qū)，由于地下流體的長期、大量抽采，引起地面沉降的實例已有發(fā)現(xiàn)(例如大慶油田、大港油田等)。美國頁巖氣開發(fā)早期，這些問題在個別地區(qū)也有發(fā)現(xiàn)，主要是由于壓裂過度引起竄層、壓裂段與斷裂帶連通等原因造成。

頁巖氣勘探開發(fā)中可能存在的環(huán)境風險終將會通過工藝和技術的發(fā)展和改進得以控制和消除，例如，節(jié)水/無水壓裂技術發(fā)展快速，LPG、CO2、N2等無水壓裂技術已處在探索階段，前景廣闊。

對我國而言，美國幾十年的頁巖氣勘探開發(fā)實踐可為我們提供經(jīng)驗，在規(guī)模開發(fā)頁巖氣之前已經(jīng)清楚地了解面臨的環(huán)境問題，只要采取積極措施應對，我們將付出更少的環(huán)境代價。

5 討 論

頁巖氣勘探開發(fā)還存在著政策與體制風險，包括監(jiān)管體制、礦權重疊、管網(wǎng)壟斷及地質資料共享機制風險等。例如，頁巖氣開發(fā)需要大量投資促進技術進步以降低成本，但目前較低的收益難以吸引到廣泛的投資，由此形成不良循環(huán)，這就需要政策和體制的刺激和鼓勵。

我國南方與北方的頁巖氣資源在自然條件、人文條件等方面均具有較大差異，在勘探開發(fā)風險和對策上應區(qū)別對待。南方地區(qū)資源匱乏，頁巖氣開發(fā)若能形成商業(yè)規(guī)模，將對政治、經(jīng)濟、社會及人文等發(fā)展均具有戰(zhàn)略性意義。南方地區(qū)地貌復雜，水系發(fā)達，地下水埋藏淺，地下水、地表水和大氣水交替活躍，應對壓裂液的組成十分謹慎，盡量減少化學劑的使用，重視發(fā)展少水壓裂和無水壓裂技術。南方古生界頁巖氣儲層成巖作用強、脆性大、埋藏淺、易壓裂，但壓裂縫不易控制，需要重點考慮發(fā)展定向壓裂技術。北方地區(qū)地表條件相對較好，但水資源匱乏，應重視工程用水的回收和重復使用，重點發(fā)展少水或無水壓裂技術；北方地區(qū)上古生界、中生界和新生界泥頁巖層系埋深大、不易壓裂，多數(shù)有利區(qū)位于已成熟開發(fā)常規(guī)油氣田內部，宜重視多類型油氣的綜合勘探開發(fā)、降低成本，提高效益。

綜上所述，我國正在開展的一系列油氣體制改革為頁巖氣勘探開發(fā)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。加快頁巖氣的勘探開發(fā)、盡快實現(xiàn)頁巖氣規(guī)模性、工業(yè)性開發(fā)是大勢所趨。在積極探索的同時，我們還需冷靜地思考、科學地分析各類風險，加強風險評價工作，采取措施積極應對，這對科學部署頁巖氣勘探規(guī)劃、實現(xiàn)美麗中國目標、保障國家能源安全都具有重要意義。