趙文智院士：陸相頁巖油革命——主攻方向路徑清晰 前景值得期待

王坤

趙文智，中國工程院院士。石油地質與油氣勘探專家。從事中國陸上主要含油氣盆地油氣成藏理論技術研究與勘探實踐。研究提出的富油氣凹陷「滿凹含油」論、有機質「接力成氣」、巖性油氣藏大面積成藏和中低豐度天然氣大型化成藏理論以及疊合含油氣盆地「多勘探黃金帶」等新認識，推動在多個前人尚少涉足勘探的新領域實現突破，發現多個大型油氣田。

獲國家科技進步一等獎1項，國家科技進步二等獎3項，省部級科技進步（創新）一等獎8項，部級油氣重大發現獎1項。獲李四光地質科學獎、中國石油「傑出科技工作者獎」、孫越崎能源大獎、何梁何利科技創新獎。出版專著8部、發表論文230餘篇。

9月11日，習近平總書記在科學家座談會上的講話中，明確提到「石油對外依存度達到70%以上，油氣勘探開發、新能源技術發展不足」。在中美對抗大背景下，國家油氣供應安全形勢愈發嚴峻。當前，確保國內原油年產2億噸的安全底線，已成為我國油氣行業竭盡全力力保的生命線。

美國依靠頁巖油氣革命的成功大幅度提高了國內油氣生產自給能力，並於2019年成為油氣淨出口國，從而深刻改變了全球能源供應格局與地緣政治形勢。我國頁巖油氣資源豐富，其中海相頁巖氣已順利實現工業開發，2019年產量達到154億方，為我國加大天然氣在一次能源供應中的比重做出重要貢獻。我國陸相頁巖油資源也十分豐富，能否對確保原油2.0億噸穩產，甚至在2.0億噸基礎上實現規模上產發揮有力支撐作用？為此，就我國陸相頁巖油發展前景與未來地位等話題，筆者專訪了中國工程院趙文智院士。

筆者：美國頁巖油氣革命成功的主要原因有哪些？我國是否可以照搬美國頁巖油氣革命的模式？

趙文智：美國頁巖油氣革命的成功原因有四點：一是基礎研究超前走的早，美國政府在頁巖油氣革命發生以前的20多年裡一直投入支持從事頁巖油氣基礎研究，這為後來頁巖油氣資源開發在「甜點」選區標準制定與先進適應性技術突破方面奠定了重要基礎；二是關鍵技術選得準，技術創新實用而有效，尋找到水平井加水力壓裂這一解決頁巖油氣開發的最佳技術組合；三是甲乙方通力合作，對開發成本控制好；四是中小企業家面對資源新領域勇於闖天下的膽識和行動。

從技術層面看，美國推動頁巖油氣革命的關鍵技術有兩個，一是長井段水平井鑽井技術的突破，大大增加了鑽孔在富頁巖油氣層段穿行的距離，就等於增加了油氣層厚度；二是多段水力壓裂技術的突破，可以大規模打碎頁巖地層，為油氣從頁巖地層流入井孔創造了條件，不僅增加了單井產量，而且可以擴大單井累計採出油氣量的規模，這些對改善頁巖油氣資源經濟性發揮了重要作用。從政策層面看，美國政府對頁巖油氣生產給予了大力支持，從而吸引了眾多油氣生產商進入此領域，產量得以快速提升。

中美兩國的頁巖油類型不同，資源品質也有很大差異，發展模式也有不同，比如美國頁巖油氣革命首先是由中小企業開啟了成功之路，而中國則主要依靠大型油氣企業的參與和引領。但發展路徑應該大同小異，就是對這樣一個全新的資源領域，前期研究一定要有國家的政策扶持和資金投入支持。此外，要有在超前基礎研究支撐下的技術創新甚至革命。在此基礎上，還要有業界的高瞻遠矚，即面對這一新資源要給予積極的探索，努力尋找把資源變為現實產量的可行途徑。

中國的陸相頁巖油包括三大部分，其中埋藏深度小於300米的稱為油頁巖油，這是可以通過地面乾餾的方式開採的一類資源。對其資源潛力與未來開發利用地位，目前還有爭議，一是含油豐度下限的取值將決定油頁巖油資源總量的大小，顯然，下限取值偏低，如油頁巖含油率下限取3%-5%，則資源量巨大；反之，如果把含油率下限標準提高到8%-10%，則資源量就比較小。此外，油頁巖層的集中性與分散性，也對資源的可利用性與規模有重大影響，如果頁巖層很薄，且多層分散，即便含油率高也很難經濟開發。唯有單層厚度大、分布有一定規模且含油率高的油頁巖才可能投入經濟開發利用。從這一點來說，油頁巖油的資源總量就比較有限。

頁巖油是指埋藏深度大於300米的頁巖層系多類有機物的統稱，包括石油烴、瀝青和尚未轉化的有機質。按照有機質熱成熟度的高低，又分為中低成熟度頁巖油和中高成熟度頁巖油兩大類。

中低成熟度頁巖油是指有機質物在地下溫度和壓力不夠高的環境中，只有一小部分易轉化有機物發生了向石油烴的轉化，大部分有機物因溫度不夠高並沒有發生轉化，而且因為溫度不高，已轉化的石油烴分子比較大，輕烴組分比較少。所以，一是石油烴的數量不夠多，二是油質比較稠，流動性比較差。不能利用現有成熟的工程技術進行開採，而需要地下人工加熱的辦法對不同類型有機物進行「降質改造」，即把未轉化的固體有機物變成石油和天然氣，把重質組分轉化為輕質烴類（如汽油、煤油和柴油等）。據初步評價，我國中低成熟度頁巖油採收率較高（可超過50%），所以資源總量巨大，一旦技術成熟，將帶來我國石油工業的一場革命，我們稱之為陸相頁巖油革命，可以與美國的海相頁巖油革命相媲美。

中高成熟頁巖油是指地下溫度、壓力比較高，埋藏時間比較長，已經使大部分有機質發生了向石油烴的轉化，同時也伴隨產生了相當多的天然氣，但這些石油和天然氣並沒有從頁巖中排出來，而是滯留在頁巖中，只要滯留烴數量足夠大，就可以利用水平井加體積壓裂技術把油氣採出來。

中高成熟度頁巖油能不能實現經濟開採，需要具備三個條件：一是單井日產油量要達到經濟標準；二是單井累計採出的油量也要有經濟性，就是採出的油氣經銷售以後的收入要大於該井鑽完井所投入的總費用；三是有經濟性的頁巖油分布範圍要達到一定規模，以支撐建設最小的經濟產量並穩產8-10年以上。

滿足上述條件的中高成熟度頁巖油稱為頁巖油「甜點」區。應該說頁巖油「甜點」區的範圍並不廣泛，加之中高成熟度頁巖油的採收率普遍低於10%（多數在6%-8%），所以儘管我國中高成熟度頁巖油的地質資源量比較大，但經濟可採總量卻比較有限。從目前已有的試採資料看，中高成熟度頁巖油對支撐我國原油年產2.0億噸有很好的現實性，但貢獻的產量份額不夠大，難擔當上產主力。

筆者：中國陸相頁巖油革命的內涵是什麼？

趙文智：與美國不同，我國陸相頁巖油革命的實現需要中高成熟度頁巖油與中低成熟度頁巖油的接續發展，其中中高成熟度頁巖油現實性好，可以依靠成熟的水平井和體積壓裂技術實現有效開發利用，但規模有限。中低成熟度頁巖油資源潛力巨大，但現有技術的穩定性和適應性還有待先導試驗驗證，目前還有不確定性。一旦技術取得突破，將帶來原油產量的大規模增長，對保國家油氣供應安全將發揮重大作用。因此，實現陸相頁巖油革命的主體是中低成熟度頁巖油。總體看，我國陸相頁巖油革命一旦發生，將具有四方面內涵：

一是資源類型的革命—從「人工油藏」邁向「人造油藏」。

中高成熟度頁巖油的開發思路與美國無異，即依靠改變地下流體滲流環境和補充地層能量，在「甜點」內形成高滲透流動通道，即人工改造油藏。

中低成熟度頁巖油開發的關鍵是採用人工加熱改質的方法，就是在地下把頁巖加熱到350℃-450℃，使頁巖中滯留的多類有機物發生降質改造，形成輕質油和天然氣並採至地表，是真正意義上的「人造油藏」。一旦經先導試驗證實技術的可行性和經濟性，我國原油產量將在現有產量基礎上大規模增長，對改善我國油氣供應安全形勢發揮關鍵作用。

二是開採技術的革命—從「水平井+體積壓裂」邁向「地下原位轉化」。

中高成熟度頁巖油的開發可以照搬頁巖氣開發的成功技術和經驗，即通過水平井鑽井提高井筒與含頁巖油地層的接觸面積，通過水力壓裂技術形成複雜人工縫網，提高地層內頁巖油向井筒的流動能力和規模，最大限度提高單井產量。

中低成熟度頁巖油的開發則需要地下原位轉化技術，這是和現有的水平井和多段壓裂技術完全不同的一類全新技術，包括了小井距磁定位鑽井、井下加熱工具、均勻升溫控制系統等。目前，直井原位轉化技術已基本成熟，並在國外已有成功先例，深度大於2000米的水平井地下原位轉化尚無先例，但相關工具都是成熟的，就待先導試驗予以證實。這套技術一旦成功，將帶來頁巖油地下原位轉化的技術革命。

三是開發方式的革命—從地上「井工廠」邁向地下「油煉廠」。

當前，中高成熟度頁巖油的開發普遍採用「井工廠」的方式，即利用一個作業平臺完成多口水平井的鑽完井，達到降本增效的目標。

中低成熟度頁巖油的開發除利用「井工廠」技術完成鑽完井外，還需要在地下建立「油煉廠」，通過人工升溫對頁巖中的多類有機物進行降質改造，也就是把固體有機物變成液態石油烴，把重質石油烴變成輕質石油烴和天然氣。這一過程可以同時增加地層中的能量並改善頁巖的滲透流動能力。整個地下對油氣的「煉製」和採出過程無需水力壓裂，可以節省大量的水資源，並把地下有機質改質過程中產生的焦瀝青、二氧化碳和部分硫化氫等汙染物留在地下，從而實現油氣的綠色開採，這對於我國生態基礎薄弱的中西部地區油氣生產而言是走向與環境和諧發展的重要方向。

四是資源地位的革命—從「保2億噸原油穩產」邁向「大規模上產」。

我國中成熟度頁巖油的開發已經起步，2019年發現慶城大油田並快速建成年產頁巖油百萬噸的國家開發示範基地，「十四五」將是我國陸相頁巖油快速發展期。對於緩解我國日益嚴峻的油氣供給形勢和保持我國原油2.0億噸穩產有重要意義。但中高成熟度頁巖油產量規模不會太大，在我國原油2.0億噸產量中佔比不會超過10%，甚至可能低於5%。

中低成熟度頁巖油地下原位轉化技術有望在「十四五」期間完成先導試驗並向工業化生產邁出關鍵一步。同時關鍵裝備的國產化也在積極推進中，一旦先導試驗成功，中低成熟度頁巖油產量將在「十五五」期間大規模增長，那時我國原油對外依存度將大幅降低，值得期待。

筆者：當前制約我國頁巖油產業發展的瓶頸問題有哪些？如何破解？

趙文智：我國中高成熟度頁巖油的開發已經取得較好突破和進展，但在開採成本、單井累計採出量、關鍵技術裝備國產化等方面與美國相比仍有較大差距。例如美國依靠技術進步，桶油成本由2014年的大於80美元降至2019年的40美元。而我國地質條件更複雜，加上國有企業技術服務的市場化程度不夠高，造成我國陸相頁巖油的桶油成本遠高於美國。另外，我國水平井鑽完井部分關鍵技術和裝備還依賴進口，這容易受到複雜外部環境的影響，打亂我國頁巖油正常生產節奏。

中低成熟度頁巖油方面，當前顛覆性的水平磁定位鑽井技術、長壽命電加熱工具等還處在攻關階段，技術的穩定性還有待進一步提高。此外相關基礎研究還相對薄弱，目前還缺少國家級的科技支撐和相關實驗平臺建設。

建議國家要在「十四五」把支撐陸相頁巖油革命發生的關鍵技術攻關和先導試驗選區納入國家重大專項設計支持方向，要用不太長時間的攻關準備，支撐和推動陸相頁巖油革命在我國儘早實現。

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編輯：王琳琳

校對：李詩琪

審核：梁剛