重慶涪陵頁巖氣開採現場百 度
位於四川省威遠縣的一口頁巖氣井。圖為工人在現場作業。百 度
《中國知網》作為一項重要的國家知識基礎設施，在實現全社會知識資源傳播共享的同時，也從一個側面忠實記錄下中國在各領域的發展進步的軌跡。在頁巖氣領域就是如此，通過其文獻搜尋引擎按年度檢索「頁巖氣」，我們會發現，1997年有一篇包含該關鍵詞的中文文獻，在此之前為空白。此後一直到2007年的10年間，一共有17篇，年均不到2篇。從2008年到2012年，文獻每年環比呈現數倍的爆發式增長，從32篇激增到2345篇，之後兩年平穩增長，到2014年達到2851篇，而後呈高位穩定狀態，基本保持每年約2000篇的水平。從內容上來看，2008年之前的文獻多是介紹外國特別是美國頁巖氣勘探開採方面的信息，總結可資借鑑的成功經驗；2008年之後，聚焦國內頁巖氣成藏特點和勘探開採技術的文章比例逐漸升高，直至成為主流和主導。
文獻是一面鏡子，其數量和內容在最近20年的嬗變真切地折射出中國在頁巖氣領域從「一片空白」到「一抹亮色」的非凡歷程。頁巖氣作為重要的非常規天然氣資源，在這麼短的時間內，在中國社會從連能源科技工作者都頗感陌生的詞彙，發展到大規模商業化開採階段，成為改革開放進程中最激動人心的「中國故事」之一，充分展現了中華民族勤於學習、勇於拼搏、敢於爭先的踏實進取精神。
頁巖氣革命風起雲湧
頁巖氣是指賦存於富有機質泥頁巖及其夾層中，以吸附和游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣。泥頁巖是一種以黏土礦物為主的沉積巖，有的容易分離成薄片，即為頁巖；有的比較均一，不容易分離成薄片，即為泥巖。泥頁巖顏色多樣，有紅、紫、褐黃、灰綠、灰黑、黑色等，其中灰黑、黑色泥頁巖一般為富有機質泥頁巖，能生成大量天然氣，就是我們常說的頁巖氣，其成分以甲烷為主，是清潔、高效的能源。
中國地質科學院地質力學研究所研究員、能源地質研究室主任王宗秀指出，頁巖氣具有4個特點：一是成藏時間早。富有機質泥頁巖在一系列地質作用下生成大量烴類，聚集形成頁巖氣藏，其形成時間在所有類型的油氣藏中是最早的。二是分布面積廣。富有機質頁巖具有分布面積廣、單層厚度大、橫向變化連續性強的特點，其形成的頁巖氣田規模也相應非常大。三是儲集空間微小。組成泥頁巖的粘土礦物顆粒微小，其中的孔隙、裂縫就更小，為納米級，導致孔隙、裂縫中的天然氣不易開採。隨著技術的進步，通過實施水平井及多井段壓裂在泥頁巖層中大規模製造人工裂縫，開採頁巖氣才具有商業價值。四是生產長期穩定。由於頁巖氣層分布範圍廣、厚度大，且普遍含氣，使頁巖氣井能夠長期穩定地生產，一般開採壽命為30年到50年。
頁巖氣與常規天然氣的開採不同，後者通過鑽探的氣井，直接流出即可達到商業利用價值；而前者沒有天然逸出通道，只有通過壓裂等特殊人工手段，建成氣流「高速路」才能獲得高產。這使得頁巖氣的開採面臨更大的技術難度和更高成本。美國是全球頁巖氣開採的先驅也是最成功的國家。早在1821年，美國紐約州弗裡多尼亞天然氣礦井中首次開採出頁巖氣。在此後近200年開採歷史中，美國進行了兩項關鍵開採技術創新：一是上世紀30年代，把水平鑽探技術應用於頁巖氣開採；二是從上世紀四五十年代開始，把壓裂改造增產技術特別是分段壓裂和減阻水壓裂等應用於頁巖氣開採，並成為該領域最經典、最常用的技術，推動美國頁巖氣開採量節節攀升，掀起了世界能源史上的美國「頁巖氣革命」。
據王宗秀介紹，1980年，美國頁巖氣年產量達到10億立方米；2000年，超過236億立方米；2015年，激增到4300億立方米，佔美國天然氣總產量的比例超過56%。2017年，美國頁巖氣產量再創新高，約4620億立方米。美國「頁巖氣革命」不僅深刻改變了國際能源格局而且向其他國家擴散，加拿大緊隨美國之後，成為第二個商業開發頁巖氣的國家，2008年，產量為10億立方米；2015年，大幅提升到350億立方米。阿根廷近年來加大了本國頁巖氣開發力度，2012年該國烏內肯盆地頁巖氣日產量達到12.7萬立方米。此外，澳大利亞、墨西哥等國也進行了頁巖氣勘探並進行了小規模開採。
「涪陵速度」折射中國幹勁
與美國長達200年的頁巖氣開採歷史相比，中國在此領域無疑顯得太過年輕，是地道的新手。中國地質調查局地學文獻中心田黔寧教授指出，中國從上世紀90年代開始研究頁巖氣，到進行商業化開採之前，大體上經歷了3個階段。
一是跟蹤研究階段。主要是針對北美頁巖氣開發的發展狀況，進行動態跟蹤與評價，在研究北美頁巖氣發展歷程的基礎上，總結頁巖氣賦存特徵、北美產氣頁巖地質特徵、開採技術等各種要素。二是對國內頁巖氣基礎研究階段。在研究美國頁巖氣開發理論和技術的基礎上，開展國內頁巖氣研究，初步評估中國頁巖氣資源潛力和有利區。對中國南方和大致相當於雲貴川區域的上揚子區開展了頁巖氣潛力評價，並進行了有利勘探開發目標選擇；引進美國公司進行四川內江威遠地區頁巖氣潛力評價。三是在有利區域頁巖氣先導試驗區優選階段，分層次地開展全國頁巖氣資源戰略調查，確定重慶為頁巖氣資源戰略調查先導試驗區主體，為早日實現中國頁巖氣產業化創造條件。
在以上3個階段，中國進行了一系列鑽探研究。2008年11月26日，中國首口頁巖氣取芯淺井在四川省宜賓市順利完鑽，獲得大量巖礦樣品、頁巖吸附氣樣品。一年多後，中國第一口頁巖氣直井「威201井」在四川省威遠縣開鑽。2010年7月，該井壓裂改造成功獲得工業氣流，證實了威遠地區頁巖層富含天然氣，表明以四川盆地威遠地區為代表的中國南方下古生界頁巖氣具有廣闊勘探開發前景，為頁巖氣實現規模效益開發提供了重要依據。2011年7月，在距離「威201井」2公裡處，中國第一口頁巖氣水平井「威201—H1井」壓裂成功，此次施工創造國內頁巖氣水平井壓裂段數最多、泵注壓力最高、施工排量最大、連續施工時間最長等多項紀錄。2012年5月，另一口頁巖氣水平井在陝西延長石油集團頁巖氣工作現場壓裂成功，此前，延長石油在鄂爾多斯盆地打成中國第一口陸相頁巖氣井並成功壓裂產氣，證實中國存在陸相頁巖氣。
2012年初，頁巖氣被列為單獨礦種，大大推動了中國頁巖氣規模化、產業化進程。2012年11月，中石化在位於重慶涪陵的「焦頁1HF井」鑽獲高產頁巖氣流。此後不到兩個月，「焦頁1HF井」正式投產外銷，不僅實現了當年開發、當年投產、當年見效，而且成為中國第一口實現商業開發的頁巖氣井，拉開了涪陵頁巖氣田和中國頁巖氣商業開發的序幕。2013年9月，國家批准設立重慶涪陵國家級頁巖氣示範區。2014年5月，示範區已開鑽頁巖氣井82口，完鑽47口，成功投產27口，平均單井日產氣11萬立方米以上。自2015年起，涪陵—王場輸氣管道與川氣東送管道實現互聯互通，涪陵頁巖氣通過川氣東送管道，輸往華中、華東等地，為長江經濟帶發展提供清潔能源，惠及沿線6省2億多居民。
今年3月26日，涪陵頁巖氣田如期建成100億立方米年產能，成為全球除北美之外最大的頁巖氣田，相當於建成一個千萬噸級的大油田。短短幾年間，涪陵就發展成為舉足輕重的國家能源基地，跑出了舉世矚目的頁巖氣「涪陵速度」。
可以預期，今年中國頁巖氣產量將在2017年91億立方米基礎上獲得大幅增長，繼續保持第三名位置。而從儲量來看，根據自然資源部近期發布的信息，中國頁巖氣累計探明地質儲量已超1萬億立方米；根據聯合國貿易和發展會議發布的一份報告，中國頁巖氣總儲量高達31.6萬億立方米，居全球第一。
自主創新催生能源變革
雖然開採量與美國、加拿大的相比還有很大距離，但是中國頁巖氣已經在短時間內實現了巨大跨越，而背後的支撐因素在很大程度上就是科技創新。
就頁巖氣自然稟賦而言，中國雖然總儲量很大，但是開採難度更高，這就決定了中國頁巖氣開採不可能複製美國和加拿大模式，必須堅定地走自主創新之路。
北美地區地質背景好，頁巖氣藏構造條件較為簡單，結構平緩、儲層面積大、厚度大且連續分布。儲層地表主要以平原為主，交通運輸、鑽探開採、設備安裝都十分方便。
中國地質條件複雜得多，頁巖大多分布在年代更老的地層，斷層和褶皺構造相對活躍，頁巖氣聚集規律更為複雜、儲層厚度不大。而中國頁巖氣資源多分布在川、黔、渝等地區，人口稠密，地勢較高，地質災害多發，交通運輸、設備安裝和鑽探開採都極為困難。
面對困難，中國多年來持續加大科技攻關力度。在國家層面，設立了國家能源頁巖氣研發（實驗）中心，在「大型油氣田及煤層氣開發」國家科技重大專項中設立「頁巖氣勘探開發關鍵技術」研究項目，在國家重點基礎研究發展計劃（「973」計劃）中設立「南方古生界頁巖氣賦存富集機理和資源潛力評價」和「南方海相頁巖氣高效開發的基礎研究」等項目，廣泛開展各領域技術探索。在開發企業層面，中國石化、中國石油等加強各層次聯合攻關，在山地小型井工廠、優快鑽完井、壓裂改造等方面進行技術創新，並研製了3000型壓裂車等一批具有自主智慧財產權的裝備，不僅完成了關鍵開發裝備的進口替代，而且打入國際市場。到「十二五」結束，中國已基本掌握3500米以內淺海相頁巖氣勘探開發主體技術，有效支撐了頁巖氣產業健康快速發展。
根據2016年9月國家能源局印發的頁巖氣發展規劃（2016-2020年），到2020年，力爭實現頁巖氣產量300億立方米；到2030年，實現頁巖氣產量800億-1000億立方米。要完成上述宏大的目標必須繼續推進頁巖氣科技創新。「十三五」開局以來，中國在頁巖氣領域又實現了一系列關鍵創新。例如在壓裂方面，國產4500馬力電驅動壓裂泵系統研製成功並在實踐中接受考驗。
今年初，4500馬力電驅動壓裂泵系統取代傳統3000型壓裂車投入實戰，該系統採用了交直交變頻傳動系統和全數字變頻多相控制技術，並將目前最先進的通訊網絡技術與之結合，實現了遠程操作與智能化控制，不僅將壓裂效率提升至1.5倍，而且使用壽命更長、過載能力更強，標誌著中國頁巖氣開採核心技術裝備在電動化、綠色智能方面再次實現跨越。這為突破頁巖氣開發國外技術壁壘，有效降低單井開發成本，進一步推動商業化進程開闢了道路。（本報記者 張保淑）
《 人民日報海外版 》（ 2018年07月28日 第 08 版）