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什么是“页岩气”

花匠小妙招
2024-12-21 04:42

页岩气掀起了21世纪能源革命的序幕，在当今世界，它对能源产业和结构优化、工业排放和环境保护、经济发展和能源保障、地缘政治和国防安全都有着重要的影响。

那么，页岩气到底是什么呢？它又藏在哪里呢？

与储集在疏松多孔砂岩中的常规油气不同，页岩气是主要以吸附、游离方式储存在致密坚硬的富含有机质页岩中的天然气，被称为从石缝里挤出的“蓝金”。其成分与我们生活中用的天然气一样，主要是甲烧，含量高达90%以上。作为一种新型绿色环保的清洁化石能源，可用于居民燃气、城市供热、发电、汽车燃料及化工原料，等等。

页岩气的藏身之处具体来说就是在黑色的富有机质页岩中。这种黑色页岩是海洋、湖泊和沼泽环境下泥沙长期沉积形成的细粒岩石，主要呈页状或薄片状。

它含有丰富的古老动植物遗骸等有机物，在缺氧的还原环境下埋藏保存，并随着温度和压力的增高，生成丰富的石油和天然气，因此，富含有机质的页岩被称为油气母岩（烃源岩）。

油气母岩不断生成的天然气，一部分滞留在黑色页岩中（自生自储），即为页岩气，具有分布连续、资源量大、资源丰度低及孔隙度低、渗透率低等特点；一部分从页岩中运移聚集在疏松多孔的岩石中，被称为常规天然气，具有资源丰度高、孔隙度高、渗透率高等特点。我们可以把页岩气和常规天然气分别理解为麦田里被遗漏下的麦子和被批量收割并储存在粮仓里的麦子，当然，被遗漏下的麦子或许真的是因为总量少、质量不佳而被农夫选择性地放弃在麦田里，可页岩气则是实打实地被技术限制而未能提早面世的遗珠。

黑色页岩致密坚硬，人们用肉眼无法看到孔隙，但在电子显微镜下可以发现丰富的纳米孔隙，虽然孔径仅有5～200纳米，但对于直径0.36纳米的甲炕分子来说已经是所豪宅。页岩气就是以游离的方式储存在这些孤立的、互不连通的纳米孔隙中。而由于黑色页岩缺乏导流和渗透能力，页岩气便很难脱离原始的储集环境。

那么该如何获取页岩气呢？

“像从细鸡尾酒吸管中吸出浓奶昔或像在枕头里吸气一样困难”，有人曾对开采页岩气打出这样的比方。

正是由于页岩气单位面积资源量较低的特点，与常规天然气有很大不同，采用传统直井开采方式，一般无自然产能。必须对页岩储层进行压裂，形成大规模的裂缝网络，才能把原先孤立的孔隙联通起来，实现有效开采。可是，对地下数千米的页岩进行压裂，并不是一件容易的事。

所幸，这个开采难题在21世纪初被解决了。采用水平钻井技术和水力分段压裂技术合力便可将页岩气从页岩的纳米孔隙里“解放”出来。第一步是水平钻井，钻头就像贪吃蛇一样深入地下做水平运动，走到哪里吃到哪里，控制面积是直井的数十倍，将优质页岩气的豪宅全部打通在一起；第二步是采用水力分段压裂技术，将水平井分为数十段，向地下深部页岩地层中分别注人水和砂，使页岩“顶”不住压力而破裂产生裂缝，并用砂子支撑，防止裂缝闭合，通过水进气出的方式将页岩气从纳米孔隙中挤压出来，顺裂缝渗流到井筒。

两步走的方法提高了页岩的渗透率，单井产量大幅提高可达直井产量的10～15倍，开采成本明显降低。

页岩气的资源量到底有多少呢？

全世界页岩气资源储量丰富，开发利用进展迅速。根据美国能源信息署（2015）评价，全球页岩气技术可采资源量为220.69万亿立方米（以下简称“方”），其中，中国、阿根廷、阿尔及利亚和美国分别占到世界总量的14.31%、10.29%、9.07%和7.99%。目前，世界上实现页岩气商业性开发的国家共有4个，分别是美国、加拿大、中国和阿根廷。根据2017年全球页岩气开采信息统计，以上四国的页岩气产量分别为4746亿方、570亿方、91亿方和15亿方，总计5422亿方。此外，波兰、英国、乌克兰、澳大利亚、新西兰、沙特、印度、南非及巴西等10多个国家也在进行页岩气勘探与评价工作。

美国是全球页岩气开发利用最早、产量最大的国家。2000年以来，随着连续型油气藏理论认识的深入，以及水平井钻完井和分段体积压裂技术的广泛应用，在美国掀起了一场“页岩气革命”，呈现出油气（页岩气与页岩油）并举、产量大幅增长的局面。2000年美国页岩气产量约100亿方，占美国天然气总产量的2.0%；2006年美国页岩气产量311亿方，占美国天然气总产量的5.9%；2017年美国页岩气产量达到4746亿方，占美国天然气总产量的63%。

根据原国土资源部油气资源战略研究中心于2012年测算统计，我国页岩气地质资源量134万亿方，技术可采资源量25万亿方，居世界第一位。其中，海相、陆相和海陆过渡相页岩均蕴藏着丰富的页岩气资源，四川盆地及周缘是页岩气的有利勘查地区。

2009年以来，我国以页岩气综合选区评价为基础，在四川盆地及周缘实施页岩气勘探开发，并先后在四川威远、长宁和重庆涪陵实现了四川盆地内志留系龙马溪组页岩气勘探的重大突破，截至却18年年底，累计探明页岩气地质储量10455亿方，2018年页岩气产量达到109亿方，成为北美地区以外第一个实现页岩气商业开发的国家。

我国页岩气调查的重大发现在哪里？

长江经济带发育多套富有机质页岩，页岩气资源丰富。地质研究表明，长江经济带广泛沉积了从震旦系到新近系10余套富含有机质页岩，既有海洋环境沉积形成的海相页岩，也有湖泊环境沉积形成的陆相页岩，还有沼泽环境沉积形成的海陆过渡相页岩，页岩气地质资源潜力84.96万亿方，技术可采资源潜力14.67万亿方，分别占全国总量的69.07%和67.17%。也就是说，我国页岩气资源的2/3分布在长江经济带。

此前，经过了半个多世纪的勘查，油气和页岩气发现仍局限于构造稳定的四川盆地等地区。常规油气勘探开发集中在长江上游的四川盆地、中游的江汉盆地和下游的苏北盆地，页岩气仅仅在四川盆地涪陵、威远和长宁等地区实现了勘探开发，且仅局限于志留系龙马溪组一个层系。自2009年开始，我国多家机构与技术团队在鄂西地区先后开展了页岩气资源调查勘查工作，实施页岩气钻井20余口，也仅仅在志留系龙马溪组取得了页岩气显示。经过强烈构造运动的盆地外复杂地质构造区是否存在有效保存单元？长江中下游是否具备页岩气的勘探开发前景？我国页岩气产业的发展尚需跨过更高门槛。

面对我国南方复杂构造区页岩气发展的多重挑战，中国地质调查局科研人员发挥区域地质调查优势，开展了页岩气富集与保存地质条件的系统研究，分析造成富有机质页岩热演化程度过高、构造破碎和含气量过低的原因，找出了影响页岩气形成和保存的主要控制因素：深水沉积的富有机质页岩是基础，适中的热演化程度是条件，稳定的构造保存是关键，并创新性提出“强中找弱，高中找低”的选区评价思路，新建立了古老隆起具有“隔热保整”作用的复杂地质构造区页岩气地质理论认识，以及古隆起控藏型富集保存模式。应用这一页岩气理论认识和富集保存模式，科研人员瞄准久攻未克的南方复杂地质构造区，组织实施页岩气调查科技攻坚战，终于成功实施二维地震、地质调查井、页岩气参数井、水平井和压裂试气工程，实现了新区、新层系、新类型页岩气调查的重大突破。

为支撑长江经济带绿色可持续发展战略，我国首次开展了鄂西地区“三位一体”的页岩气资源评价，远景区地质资源量11.68万亿方、技术可采资源量1.37万亿方，有利区地质资源量3.27万亿方，目标区地质资源量8640亿方，证实了鄂西地区具备建成百亿方产能的资源基础。创新形成古隆起控藏页岩气地质理论认识和成藏模式，解决了制约复杂构造区页岩气富集保存的历史性难题，指导页岩气调查在鄂西黄陵古隆起、陕南汉南古隆起、雪峰古隆起取得发现和突破。同时创新形成的南方复杂构造区页岩气富集地质理论认识和古隆起控藏富集模式，以及复杂构造区选区选层评价技术、水平井优快钻探技术和复杂储层压裂返排试气工艺技术“三大技术体系”，对南方复杂构造区页岩气选区评价和勘查开发具有重要的指导引领作用。在长江上游的志留系（安页1井）和长江中游的震旦系（鄂阳页1井、鄂阳页2HF井）、寒武系（鄂阳页1HF井、鄂宜页1HF井）和志留系（鄂宜页2HF井）实现了页岩气调查的重大突破，在长江下游二叠系（港地1井）获得了页岩气调查的重要发现。

开采利用页岩气有何意义？

首先，开发利用页岩气对于保障国家能源安全十分重要。美国通过大规模开发页岩油气掀起的“页岩气革命”不但实现了能源独立，而且自给有余，由油气进口国转变为油气出口国，我国的油气对外依存度持续增长，开发利用页岩气可以有效缓解油气供需矛盾。其次，页岩气的开采有助于优化能源消费结构。我国以煤为主的能源消费结构，对环境造成了较为严重的污染。页岩气是清洁能源，加大页岩气的开发利用力度，可以改善大气环境，促进生态文明建设，同时促进制造业发展，提高我国的综合国力。

（文章来源：地质调查科普网| 作者：包书景高堋自然资源部中国地质调查局油气调查中心）

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