提起天然氣，可謂家喻戶曉，它在現(xiàn)代生產(chǎn)、生活中扮演著不可或缺的重要角色。天然氣家族龐大，其中有一種特殊的類別，叫作頁巖氣?？吹健绊搸r氣”三個(gè)字，相信絕大多數(shù)人覺得既熟悉又陌生：之所以說熟悉，是因?yàn)榻?jīng)常在新聞報(bào)道中聽到這個(gè)詞；說陌生，是因?yàn)椴⒉恢理搸r氣到底是什么，也不知道它來自何處，有哪些用途。

頁巖氣是如何被人類發(fā)現(xiàn)和利用的？與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣有哪些特點(diǎn)？它的開采難度為何那么大？開采頁巖氣的“武功秘籍”都有哪些？為什么說頁巖氣的開采是一項(xiàng)復(fù)雜和規(guī)模龐大的系統(tǒng)性工程？

下面，就讓筆者為大家一一道來。

氣在巖中藏

頁巖氣的開發(fā)利用歷史最早可以追溯到19世紀(jì)，在此之前，這種嵌藏在巖石孔隙中的資源并沒有引起太多重視。1821年，美國人威廉姆·A. 哈特（William A. Hart）在紐約弗里多尼亞首開先河，鉆探出第一口針對頁巖層的商業(yè)天然氣井，井深約8.23米。這一開創(chuàng)性的行動(dòng)在日后被業(yè)界廣泛認(rèn)為是頁巖氣為公眾所知的起點(diǎn)。

時(shí)光流轉(zhuǎn)至1914年，科研工作者在美國阿巴拉契亞盆地泥盆系俄亥俄（Ohio）頁巖中發(fā)現(xiàn)了著名的大桑迪（Big Sandy）頁巖氣田，但受限于當(dāng)時(shí)的地質(zhì)理論和方法技術(shù)，人們并未充分意識到頁巖氣所蘊(yùn)含的巨大能源價(jià)值，也并未將頁巖氣視為可供大規(guī)模開采的能源。

直到20世紀(jì)70年代，美國才開始對頁巖氣進(jìn)行全面研究，并嘗試進(jìn)行實(shí)際開采。1976年，美國首次成功地從頁巖層中提取出天然氣，為頁巖氣的商業(yè)化開采奠定了基礎(chǔ)。隨后，在1981—1998年，米切爾能源公司在福特沃斯（Fort Worth）盆地進(jìn)行了持續(xù)的實(shí)驗(yàn)和探索，終于研發(fā)出水力壓裂技術(shù)和水平井技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用使得巴內(nèi)特（Barnett）頁巖氣田得以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；_發(fā)，由此標(biāo)志著頁巖氣的開采進(jìn)入了全新的階段。

在接下來的幾十年里，隨著勘探開發(fā)技術(shù)的不斷革新和完善，頁巖氣的采集成本逐漸下降，產(chǎn)量不斷增加，頁巖氣逐漸成為美國的重要能源來源。與此同時(shí)，其他國家也逐漸開始關(guān)注頁巖氣資源的開發(fā)與利用，我國也不例外。

開采何其難

作為一種近年來異軍突起的非常規(guī)天然氣資源，頁巖氣的大氣田數(shù)量和產(chǎn)量規(guī)模越來越大，在我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中的作用愈發(fā)重要和明顯。

頁巖氣屬于非常規(guī)天然氣。從名字直觀來看，頁巖氣是來自頁巖的天然氣，通常賦存在有機(jī)質(zhì)頁巖的納米級的細(xì)孔中，即主要以吸附和游離的方式賦存于有機(jī)質(zhì)泥頁巖中—主要有炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖等，且具有自生自儲、大面積連續(xù)成藏、低孔、低滲等特點(diǎn)。

如果把常規(guī)天然氣開采類比成醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的“靜脈采血”，那么頁巖氣開采就如同更為精細(xì)的“毛細(xì)血管采血”。因此，相對于傳統(tǒng)天然氣，頁巖氣更難以開發(fā)。

“武功秘籍”多

近年來，隨著科技的不斷革新和完善，技術(shù)、裝備等持續(xù)不斷的發(fā)展，涌現(xiàn)出一批高精尖技術(shù)裝備，它們不僅大大降低了頁巖氣的勘探開發(fā)成本，而且快速提高了頁巖氣的采收率和產(chǎn)量，堪稱頁巖氣勘探開發(fā)的利器。

一、地震勘探技術(shù)

在眾多勘探開發(fā)技術(shù)中，一馬當(dāng)先的就是地震勘探技術(shù)。地震勘探是利用地震波在地殼中的傳播特性來探測地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種方法。通過人工方式在地表激發(fā)地震波，并接收它們在地下反射回地面的信號，可以推斷出地下不同地質(zhì)界面的深度和形態(tài)。這種技術(shù)堪稱描繪地下地質(zhì)構(gòu)造、確定含氣頁巖層位的“透視眼”。目前，頁巖氣勘探階段使用的重要工具就是高精度三維地震勘探技術(shù)，它能夠提供精確的地層結(jié)構(gòu)和儲層分布信息。

地震勘探的主要設(shè)備包括震源、檢波器、記錄系統(tǒng)等。其中，震源負(fù)責(zé)激發(fā)地震波，常見的震源有炸藥震源、可控震源等；檢波器負(fù)責(zé)接收地震波信號，并把地震波信號轉(zhuǎn)化為電信號；記錄系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將這些電信號收集和記錄下來，以供后續(xù)分析使用。

在地震勘探技術(shù)中，地震數(shù)據(jù)的處理至關(guān)重要。所謂地震數(shù)據(jù)處理，是通過濾波、疊加、反褶積等多種方法提高被記錄下來的地震波信號的信噪比，增強(qiáng)有效信號，并壓制干擾。經(jīng)過處理后的地震數(shù)據(jù)可以生成地震剖面圖和三維圖像，這些圖像直觀地展示了地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過解讀分析這些圖像，可以確定地下界面的相關(guān)信息。

數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的空間有一維、二維、三維和多維之分，地震勘探的種類與之類似。一維勘探是指觀測地下某個(gè)點(diǎn)的情況；二維勘探是指觀測地下某條線的情況；三維勘探則是觀測地下某塊面積的特征。四維勘探是觀測同一塊面積在不同時(shí)間段的地下變化情況，即在同一地區(qū)的不同時(shí)間內(nèi)重復(fù)進(jìn)行三維地震勘探最終得到的勘探結(jié)果。根據(jù)地質(zhì)任務(wù)目標(biāo)的不同，我們可選擇不同的勘探維度。

二、水平鉆井技術(shù)

水平鉆井技術(shù)堪稱頁巖氣開采的兩大核心“利器”之一。

鉆井通常都是垂直于地面向下打的。“水平井”則是沿水平方向或接近水平的方向鉆出的。水平鉆井技術(shù)可以使井筒橫向穿越富含頁巖氣的巖層，大大增加了井筒與巖層的接觸面積，不僅有效提高了采收率，而且克服了頁巖氣儲層中日產(chǎn)量低、生產(chǎn)周期短等諸多問題。目前，水平井已逐漸成為頁巖氣開發(fā)中最受推崇的方法，特別是在美國的頁巖氣開發(fā)鉆井中得到廣泛采用。

不僅如此，水平井也是頁巖生產(chǎn)井中最理想的完井方式。這是因?yàn)轫搸r層具有產(chǎn)層薄、孔隙度小、滲透率低等特點(diǎn)，水平井在開發(fā)這類儲層時(shí)展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢。與直井相比，水平井具有更高的單井產(chǎn)量和更長的生產(chǎn)周期，比較相關(guān)數(shù)據(jù)可知，從水平井中獲得的頁巖氣最終采收率大約是直井的三倍。

應(yīng)用水平鉆井技術(shù)時(shí)，選擇合理的井位至關(guān)重要，應(yīng)優(yōu)先考慮那些天然裂縫系統(tǒng)發(fā)育、有機(jī)質(zhì)富集、泊松比（反映材料橫向變形的彈性常數(shù)， 也被稱為橫向變形系數(shù) ）低和楊氏模量（描述固體材料抵抗形變能力的物理量，用于表征材料剛度，是 材料力學(xué)中的一個(gè)重要概念）高的地區(qū)，因?yàn)檫@樣的地質(zhì)條件有利于實(shí)現(xiàn)單井的高產(chǎn)量和長期的穩(wěn)定生產(chǎn)。

三、分段壓裂及實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)

分段壓裂技術(shù)是頁巖氣開發(fā)的另一項(xiàng)核心技術(shù)，一般在鉆井完成后，通過向地底深處的巖層注入高壓壓裂液，打開細(xì)小的巖石裂縫，把頁巖氣儲層連接起來，使頁巖氣能夠沿著裂縫自由地流到鉆井口。

水是壓裂液的主要成分，通常占到總體積的80%～90%。水的主要作用是作為溶劑和傳質(zhì)介質(zhì)，將其他組分溶解并輸送到巖石層中。此外，壓裂液中還包括能增加其黏度和密度的懸浮劑、改變壓裂液性質(zhì)和性能的化學(xué)添加劑、溶解巖石礦物質(zhì)的酸化劑、打破壓裂液膠體結(jié)構(gòu)的破膠劑、調(diào)節(jié)壓裂液酸堿性的pH調(diào)節(jié)劑、用于防止壓裂液中細(xì)菌和微生物生長繁殖的防菌劑，以及緩蝕劑、漂浮劑、阻垢劑等。

在進(jìn)行水力壓裂作業(yè)時(shí)，準(zhǔn)確把握裂縫的走向和評估壓裂效果至關(guān)重要。因此，需要密切監(jiān)測誘導(dǎo)裂縫的方位和幾何形態(tài)。頁巖氣井水力壓裂監(jiān)測過程通常由專業(yè)的模擬軟件執(zhí)行。這種軟件可以預(yù)生成裂縫的三維圖像，并為工程師們提供優(yōu)化后的壓裂方案。在壓裂作業(yè)實(shí)施過程中，相關(guān)軟件還可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對壓裂效果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和評價(jià)，以便修正不合理的壓裂措施，讓規(guī)劃壓裂過程更為經(jīng)濟(jì)高效，進(jìn)而提升增產(chǎn)效果。

目前，人們主要通過微地震監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)對水力壓裂過程中誘導(dǎo)裂縫的精確監(jiān)控。其基本原理是，在水力壓裂過程中，裂縫周圍的天然縫隙、層理面等薄弱層面可能因穩(wěn)定性受損而發(fā)生剪切滑動(dòng)。這種現(xiàn)象類似于沿?cái)鄬影l(fā)生的微地震或微天然地震。它們釋放出具有極高頻率的彈性波，安裝在鄰井中的精密傳感器可以探測到這些彈性波信號，并通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)提取出震源的相關(guān)信息。由于對微地震的持續(xù)跟蹤，裂縫監(jiān)測結(jié)果得以不斷更新，從而構(gòu)建出動(dòng)態(tài)的裂縫延伸圖像，即微地震裂縫圖。通過此圖，人們不僅可以直觀地觀察到裂縫的方位和長度，還可以直接獲取裂縫頂部和底部的深度、裂縫兩翼的長度和裂縫的擴(kuò)展方位等數(shù)據(jù)，為優(yōu)化壓裂作業(yè)提供重要依據(jù)。

四、壓裂液技術(shù)

壓裂液技術(shù)是一項(xiàng)在油氣開采中得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，頁巖氣、煤層氣、油田開采等領(lǐng)域都會(huì)使用壓裂液技術(shù)。

所謂壓裂，是利用高壓水將石油天然氣儲層中的裂縫擴(kuò)大，以增加儲層的滲透性，提高開采效率。

在壓裂過程中使用的壓裂液是由多種化學(xué)物質(zhì)、水和材料組成的混合物，其組成和性質(zhì)對于壓裂效果和環(huán)境具有極為重要的影響。壓裂液的主要成分包括水、黏度劑和斷裂劑等。其中，水作為壓裂媒介，傳遞壓力，造成巖層破裂，為裂縫擴(kuò)大提供動(dòng)力。黏度劑的主要作用是增加壓裂液的黏度，從而擴(kuò)大壓裂液與巖石的接觸面積，減小壓裂液的流動(dòng)速度，使巖層裂縫擴(kuò)大得更加充分。斷裂劑則用于增加巖石的脆性，使巖石更容易破裂，裂縫得以擴(kuò)大，提高儲層的滲透性。

在頁巖氣和煤層氣中，壓裂液被用于改善孔隙空間，增加氣體產(chǎn)量。在油田增產(chǎn)中，壓裂液可用于清潔油井和破壞儲層中的油氣結(jié)構(gòu)，從而提高油井產(chǎn)量和能源利用率。

頁巖開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一是研究和開發(fā)高效的壓裂液配方、環(huán)保型添加劑和水資源管理技術(shù)。

五、環(huán)境保護(hù)技術(shù)

除了以上四項(xiàng)技術(shù)，頁巖氣開發(fā)還會(huì)涉及環(huán)保技術(shù)。這是因?yàn)?，在頁巖氣開發(fā)過程中，可能造成壓裂液竄層、頁巖氣滲漏、巖石脆裂、壓裂液滲漏、甲烷和硫化氫等氣體滲漏，從而產(chǎn)生地下污染、地表污染和空氣污染等環(huán)境問題。

這些環(huán)境問題涉及的水資源使用、廢水處理和巖石固體廢棄物處理等。所以，開發(fā)廢水回收、固體廢棄物管理和二氧化碳捕集等環(huán)保技術(shù)，對于減少頁巖氣開發(fā)對環(huán)境的影響具有重要作用。

（本文受“南方頁巖氣重點(diǎn)調(diào)查區(qū)地球物理綜合調(diào)查項(xiàng)目”編號DD 20243070支持。作者單位：中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所）

【責(zé)任編輯】趙 菲