页岩气革命是怎么回事？

管埋员

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作者：猎狗先生
链接：https://www.zhihu.com/question/26622091/answer/33492141
来源：知乎

看到这么多人关心页岩气这个话题，我想大多数地质、石油的小伙伴们还是很开心的，本答案的初衷只是为了补充 @云舞空城学长的简答，扩充给大家更多相对专业的知识，如果不需要更多解释请移步下面两个答案，我其实更喜欢那种简洁明了型的。

本来不打算再补充本答案，因为我觉得把客观数据摆给大家剩下你们怎么想就是自己的问题了，我的导师也这么跟我说哪怕是跟小学生科普也不能把自己的猜测当做结果告诉大家，可是我实在是嫌弃某些骗局、虚假之类的阴谋论了，我国的页岩气事业刚刚起步，09年才有的第一份评估报告，落后美国30年技术，更别提已经如此成熟的conventional gas&oil，在如此短的时间内取得了如此令人瞩目的成就，在我们现在嘴炮的同时有无数基层的高校的研究所的科研人员还在进行着攻坚，就是为了解决你们所说的那些问题，使得这个能够缓解人类能源危机的天赐之物转化为真正的福利。真心希望大家对于这个刚刚诞生不久的产业多一点儿耐心、多一点儿宽容，哪怕要批判它也请多了解一点儿相关知识，多听听专业意见。给大家看看中石化副总裁是怎么讲页岩气的王志刚：找页岩气花了20亿 签字时心里很难受
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11.19补充

以下补充内容就是我自己瞎扯的了，主要是给不想看正文的各位回答一下热点问题，大家自己找感兴趣的题目随便看看吧。

1、 如果早就发现了页岩气，为什么现在才开始开发？
如后面两位答主所说，开发页岩气的最大限制因素就是技术达不到，在水平井和水力压裂技术成熟之前页岩气的日开采量十分有限而且衰减极快，而打井的前期投入又太高，经济效益低到爆，况且上个世纪70年代之前各国尚没有“石油资源枯竭”的紧迫感，没有将攻坚重点放在这方面故而拖累了开发节奏。与此类似的潜在化石燃料就是天然气水合物也就是我们常说的“可燃冰”了，由于大多数处在深海和高原冻土层中，开发难度更甚，而且如何转变为商业气各国也正在开发技术中，因此可以预见的是不久的将来，当页岩气市场稳定下来后，各国能源领域的重点方向将会向可燃冰转变。

2、 页岩气的储量大概是多少？中国的储量又如何？够我们用多少年？
页岩气的全球储量目前为止只有美国的EIA做过较为系统的资源评价，根据13年发表的评估报告U.S. Energy Information Administration (EIA)显示，理论可开采页岩气大约是7,299TCF也就是206万亿立方米，约占总资源量的32%。而理论上的地质储量则会在3-5倍于这个数字，在考虑化石燃料需求的增长和刨除技术革新的影响，这大概够全球用100-150年。而中国储量有很多机构进行过评价，在正文中也有表格，我认为相对客观的是国土资源部2011年正式启动“全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选”项目，截止于2012年我国陆域页岩气地质资源潜力为134.42万亿立方米，可采资源潜力为25.08万亿立方米（不含青藏区）。其中，已获得工业气流或有页岩气发现的评价单元，面积为88万平方公里，地质资源为93.01万亿立方米，可采资源为15.95万亿立方米，是目前页岩气资源落实程度较高，较为现实的勘查开发地区。

3、 现在页岩气的繁荣是不是假象？
出现国内页岩气假象这个问题是因为页岩气大骗局 _焦点透视这种报道的存在，其理由主要有这么几个：1、页岩气页岩油分布不够广泛，资源量堪忧；2、页岩气井产量衰减太快，生命周期太短；3、预估储量和实际产出量有出入；4、投入产出比太低，回报在短期内无法弥补前期的巨大投入导致撤资、停止开发等；5、环境污染问题成为巨大阻力；6、缺水。
关于页岩气繁荣是不是假象大家可以参考页岩气会是一个骗局吗？
说说我自己的想法，这个“骗局”的说法很有意思，这是谁对谁设的骗局？美国对其他各国设的骗局？没有美国难不成其他国家发现了这么珍贵的化石燃料就不开采了？不试试怎么知道储量有多大能不能缓解化石燃料危机。怎样才算是骗局？一切离开了标准谈利弊的都是耍流氓，很可惜的是我在所有的所谓大骗局的文章中统统没有找到这个标准，都是在大谈特谈弊处，更何况有些弊处还是一些一知半解的纯靠臆测猜想出来的。不能因噎废食这个道理谈了多少次了还要怎么多说？

回答上面的理由：
1、量大不大？大
2、衰减快不快？周期短不短？快，这是页岩气井的特性，衰减率高，基本第一年就可以衰减70%，如果要维持产量就需要一直打新的井进行补充。但周期不短，几十年细水长流出来的量，每年比不上高产天然气，但好歹总量在那摆着，可观得一比。
3、有没有出入？有，这玩意儿你给我准一个看看啊？都是大家根据理论推断出来的，跟实际有出入很正常，这还没差到一个数量级呢，总数量还不是一样可观。当年石油、天然气储量也是一波三折还不是该采的采该卖的卖该买的买，只要有经济效益不就行了。
4、油企会不会失去信心不采了？美国：有一些亏损的区块，但更多的是并来并去抢着买地开发，每年40%投入增加造不了假，都赚得合不拢腿。中国：更不会，国家集中开发的项目是说下马就下马的么，更何况十二五的规划都这么明显的要国家大力扶持了。中石化前期投入那么多好容易开始赚钱了还能不干了？初期产出已经基本回本了剩下的就是白赚。但不得不承认的是除了掌握着优质资源的三桶油以外剩下的小企业已经承担不起打空井的花费和前期投入了，很多企业的投资热情在消退。
5、环境问题有没有？有，不轻但也不严重。现在业内普遍担心的是反排压裂液对于表层土壤和表层水的影响，而那些地下水污染论者请你们相信石油工业界这么多年的积累的能力，千米以下的井除非管道破了否则怎么会影响到水层。至于引起微地震什么的，石油地质师们考虑的比大家多多了，没有充分的把握之前是不会开始压裂的。
6、缺水么？缺。但其实现在的压裂液回收率已经很高了，压裂所需要的水量在Texas那种地方都能满足所需所以其实并不是一个很大的问题，但这依然是现在中国页岩气开发的最大阻力之一，无水压裂技术的研发已经是大趋势了。

综上，有没有问题？有。可是并不能阻碍页岩气成为化石燃料重要组成部分的进程，随着技术发展和观念的改变以上问题都是可以解决的，无非期间波折大些，总的来说美国的经验只可借鉴不可照搬，页岩气在中国也可以慢慢坐稳它的位置。

4、有没有骗取经费和补贴？
有，中石化某单位有把致密气气量算进页岩气的先例，被处罚以后就不敢了，也没有必要。现在高层对于这个政策还是很看得开的。至于科研上面拿这个偏经费的，哪个方向没有呢，不过大体上还是热情更加高涨的，从学生和老师角度来看都是这样的，学生都对这个感兴趣，老师横向项目拿的也比以前多了。各个研究所勘探院对新技术的需求程度也很高，看到新的技术都是扎堆上的而且不缺钱~

5、为什么有这么多问题存在，企业还亏钱，国家还是要开发页岩气？
从国家层面上讲，页岩气是一种很重要的化石燃料，储量如此之大的战略物资国家怎么会不重视？虽然我们现在看到了一些问题频繁出现，但也丝毫不能影响我们开发的进度，说白了现在进行的一切尝试都是在打基础，只有当硬条件软条件都具备的时候才会出现我们所预期的那种收益，在此之前投入部分打水漂是肯定的。技术储备是一个漫长的过程，真等到其他资源枯竭的时候再去考虑就已经晚了，哪怕不考虑经济效益，完善页岩气等非常规能源的开发利用技术也势在必行。
从企业角度上讲，在传统化石燃料市场分割已经基本定型时，新资源的开发就成为日后抢占市场的最优途径，现在大家抢的都是时间而不是效益，从现在的情况来看中石化因为在上游资源上一直处于被压制的状态因而在页岩气上发力目前是领先与中石油的。

6、如果需要摆脱现在中国页岩气开发的窘境，我们需要做什么？
这个涉及的面太广了，首先技术革新就不说了，然后需要开放市场，放资本进来，进行市场化运作，像现在这样国家把持用地，国企把持资源，有点儿太消极了。最重要的是要给予市场信心，不能让大家觉得短期内没有回报就得撤资，我觉得从这一点上来讲中国反而更有优势。还要使得社会大众了解这个行业，明白页岩气开发的重要性，公开透明一些关键数据尤其是环境指标，至少排除社会阻碍。

7、页岩气是不是化石能源的最后一根稻草了呢？
不是。目前已经进入公众视野的化石燃料还有我前面提到的可燃冰。可燃冰也就是天然气水合物是由甲烷（或乙烷、CO2等）与H2O在低温高压条件下形成的冰状固体物质（也称笼型化合物Clathrate)。它的能量密度是煤的10倍，甲烷的160倍，储量高且分布极广，大概是全球总化石燃料量的一半，主要在高原永久冻土带和深海浅部沉积物中。


现在难点主要还是识别难度大、开采成本和难度高、提纯利用技术不成熟。不过同样是一种具有巨大潜力的化石燃料。

正文中涉及到的一些数据和材料很大一部分是内部交流和教学使用请务必不要转引作他用，谢谢！

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正文

题主所说的页岩革命应该就是业内所称的“页岩气革命”（Shale gas revolution），实际上算是油气工业的第三次革命。前两次革命分别是从寻找浅部集中易勘探易开发的构造油气藏向地层岩性油气藏（以寻找隐蔽油气藏为核心）的油气勘探开发第一次转变，以及向非常规油气藏（以寻找连续型油气聚集为核心）的第二次转变。而从早期非常规能源如致密砂岩气等转向页岩油、页岩气则是第三次转变。
为了直观一点儿给大家来张图：

由于对页岩油不是很了解，我今天就还是着重给大家说说页岩气的发展。

一、什么是页岩气：

• 定义：主要以吸附和游离方式赋存于富有机质泥页岩及其夹层中的生物成因或热成因天然气。
• 赋存方式：吸附态、游离态或溶解；
• 赋存空间：有机质及粘土矿物表面、纳米级孔、基质微孔、裂缝；
• 赋存客体 ：泥页岩、致密储集岩。
  

页岩气赋存方式与成藏过程示意图（据Ron McDonald，2002，修改）
绝大部分是以吸附气的形式赋存于页岩内有机质和粘土颗粒的表面，这与煤层气相似。吸附气量与有机碳含量、地层压力等因素有关 。游离气则聚集在页岩基质孔隙或裂缝（主要为微裂缝）中，这与常规气藏中的天然气相似。 此外，可能还有极少部分页岩气以溶解气形式存在于页岩孔隙束缚水或沥青中。页岩气的形成机理兼具煤层吸附气和常规天然气二者特征，为不间断充注、连续聚集成藏。

二、页岩气革命的发展历程
美国页岩气革命历程的三个发展阶段
1821-1976    页岩气的发现及页岩气革命前期
1976-2000    美国页岩气革命正式开始及发展
2000-        页岩气革命成功及向世界蔓延




1821年， William A. Hart 在美国纽约的弗里多尼亚钻了第一口产自页岩的商业天然气井(27 英尺深）。
1914年，在阿巴拉契亚盆地泥盆系Ohio页岩中，发现了世界第一个页岩气田—Big Sandy 。
受地质认识和技术手段的限制，人们对这类资源并没有重视，没有认识到它的巨大潜力，没有想到它可以被大规模地开采利用。
1970s晚期—1990s 早期，美国能源部（DOE）联合油公司、科研机构、高校等单位开展了非常规天然气（页岩气、致密气和煤层气）评价和开采方法研究。
其中针对页岩气，1976实施了东部页岩气工程（EGSP），主要目的有3个：（1）开展精确的页岩气资源评价;（2)建立勘探选区原则;(3)开发和完善的成本有效的页岩气开采技术。


1980s—1990s, Mitchell能源公司坚持在Fort Worth盆地探索试验，综合开发了水力压裂和水平井技术，最终实现了Barnett 页岩气的规模商业开发。页岩气年产量由1999年的22亿方增加到2009年560亿方，Barnett页岩气开发成功具有里程碑意义，成为这场页岩气革命成功的标志。

美国页岩气2011年产量1800亿，占总产量的23%。据EIA预测，到2035年，美国页岩气产量将占到美国天然气总产量的45%

全球页岩气分布：

据美国EIA，页岩气技术可采资源量排名靠前的国家有：中国、美国（24万亿）、阿根廷、墨西哥、南非、澳大利亚、加拿大等。全球187.4万亿立方米。

三、页岩气藏开发特点：


气层压力低：一般不会自喷，以水平井为主，需压裂改造措施；
单井产量较低：初期气产量递减快，后期趋于稳定；平均日产1万方～2万方；
页岩气采收率低：通常小于5% ～ 20%不等
投入高：前期勘探开发投入大（单口井450万美元），且难以形成稳定的投资回报
产量递减快： 需要打很多口井以形成规模化生产与供应；
生产周期长：单井经济寿命长，30年～50年。
由于页岩气有不同于常规天然气的特点，页岩气藏开发需要大面积、规模化、连续钻井。
美国Barnett页岩气区块：面积约1.2万平方公里，2008年钻井数量已达12125口（不含因产量下降关闭的井），平均1000口/千平方公里，“地毯式钻井”。



四、页岩气革命中的科技因素：


现在的页岩气革命之所以受到大家的关注，其成功之处可以总结为三点：坚持不懈的基础地质研究；
水平井和水力压裂技术的进步；
多种相关技术的运用。



1、基础地质研究：
1930年代开始，只有个别专家提出页岩不只是烃源岩，还具有天然气储集能力。如Browning Iley B.（1932）Hunter C.D.和 D.M.Young（1953），但没有引起重视。
1970年代后30多年，政府组织研究解决资源评价、页岩储层描述、吸附气和游离气测量等重大问题
70多年坚持不懈的基础地质研究为页岩气革命奠定了坚实的基础。

2、水平井和水力压裂技术
关键技术（水平井钻井和多段压裂技术）的出现与成功应用，催生了美国这场页岩气革命；
水平井技术Barnett页岩气区的广泛应用，促进了美国页岩气产量快速增长。

水平井工作原理

水平井是目前主要的页岩气藏生产形式。水平井的产量是垂直井的3~4倍多，成本仅是直井的1.5～2.5倍。目前85%的开发井为水平井＋多段压裂。
此外，水平井多段水力压裂、重复压裂技术、新型压裂液技术、新型支撑剂等也极大地提高了单井页岩气产量。

3、相关新型技术：

• 甜点地震识别：斯伦贝谢把地震与地质模拟相结合，成功地预测了Lower Doig页岩气藏的甜点。下图色标显示甜点的厚度，灰色代表页岩储层比较差。
  

• 页岩微观表征：涉及到技术较多，我就不一一介绍了，说几种我们正在用的技术大家了解一下，如：
• 基于原子力显微镜AFM分析的微细孔隙分析技术
• 基于扫描电镜微区图像分析的PCAS方法
• 基于吸附等温线和QSDFT理论的页岩孔隙表征技术
• 逐层切片连续扫描CT成像
• 基于核磁共振冻融法NMRC技术的复杂体系孔隙表征技术
  

• 微地震监测：监测、描述水力分段压裂裂缝的走向、倾向、高度、长度、密度等。图示微地震监测水平井分段进行压裂的效果。
  

• 页岩测井技术：
  

五、中国页岩气资源


在中文期刊中，“页岩气”一词最早见于张义刚1982年在《石油实验地质》上以笔谈会方式发表的“多种天然气资源的勘探”一文中；
此后，宋岩（1990）、华桦（1994）、樊明珠（1997）等在不同期刊上使用了“页岩气”术语；
张金川、金之钧、袁明生“页岩气成藏机理和分布”《天然气工业》（2004.2）应该是我国首篇系统论述页岩气的论文。


在多旋回的构造与沉积过程中，我国含油气盆地发育了海相、陆相和过渡相多套富有机质泥页岩。



中国页岩油气资源量：

六、中国页岩气开发所面临的问题：


*以上为2012数据，政策和技术都在改进

我国页岩气开发中的难点
      1. 页岩气勘探开发技术空白
　　中国现在仅有的几口页岩气井，还没有一个投入开发的页岩气藏，所以对于页岩气资源量、储量、产量均只能大概预测，不能给出较有理的科学依据。页岩气开发的关键工艺技术主要有水平井（井组）钻完井技术体系、分段多级压裂技术体系和微地震监测技术体系。中国现有的水平井钻完井技术还不能完全满足页岩气水平井钻完井的需求，水平井分段多级压裂工艺技术及配套工具仍需要引进、研发、试验和评价，页岩气压裂裂缝延伸规律、压裂规模优选、产量预测等方面还有待提高，利用微地震监测压裂效果的检测设备、施工技术和评价方法在中国还处于空白。在某种程度上而言，中国页岩气的勘探开发技术方面研究有很大的一块空白，而这块空白的填写仍然需要一段时间。
　　2. 开采成本控制
　　页岩气是一种开采周期长，开采成高的非常规天然气体。中国页岩气地质背景复杂，尚处于技术攻坚阶段，前期评价成本高，科技攻关投入大，再加上中国气藏一般埋藏较深，钻探成本高。目前美国页岩气勘探开采技术较成熟，中国前期开采页岩气必然要引进美国的先进技术与设备，在美国一家独大的情况下，美国技术和设备引进费用会较高，这将影响中国页岩气的勘探与开发。
　　3. 资源与环境的平衡
　　美国地广人稀，地势较平坦，水源丰富，交通便利，钻前工作量小，有利于页岩气开发。而我国页岩气资源丰富的川、黔、渝等地区，人口稠密，地势较高，地质灾害多发，且压裂井场占地面积较大，如果未来开发井位较为密集，人为撬动易引发山体滑坡等地质灾害。而开发页岩气主要采用的是水力压裂法，每次液压破碎岩层需要数万吨水，我国是一个能源紧缺的发展中大国，不能重复发达国家的先污染后治理的老路。所以，如何做到资源与环境和谐可持续地发展是一个急需解决的问题。开采页岩气面临巨大环境风险，其开发用水量大，污染地下水，这些都意味着可能很高的环境成本。由于环境成本的外部性，不可能依靠企业去主动承担这些成本，需要政府的环境监管将环境成本内部化。这些问题在中国如何解决，应该未雨绸缪。在大规模开发页岩气前，应对环境风险进行评估，建立相应的保护框架，并保证执行力度。
　　4 . 页岩气开发管理难点
　　对于如何发展中国的页岩气产业，技术问题争论不多，但是关于页岩气开发管理的问题就是众说纷纭。中国页岩气资源管理工作刚刚开始，页岩气的开发管理面临着一些难点：页岩气资源规划、战略和政策研究不够深入，缺乏相应的管理制度；页岩气资源调查投入少，工作程度低，资料信息缺少统一规范管理的技术平台。

亦左亦右

受教了

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好资料，学习一下