張 抗 張葵葉 張璐璐

1．中國石化石油勘探開發(fā)研究院 2．中國能源網(wǎng)研究中心 3．中國石油大學（北京）研究生院

1 廣義和狹義的致密儲層概念

1．1 勘探常規(guī)油氣藏首先關注儲層條件

傳統(tǒng)石油地質學理論認為：油氣生成于富含有機質的暗色層系，即烴源巖中，其主要是暗色細碎屑巖（頁巖、泥巖），也可以是泥質粉砂巖，甚至可包括泥質碳酸鹽巖、煤（巖）層。但隨著生烴層系成巖作用的進行，有機質經(jīng)熱演化作用而轉化成油、氣并隨著其成巖的致密化而與水一起被排出。流體，特別是較輕的油氣得以運移至多孔的巖石中儲存。這種保留較多孔隙且連通性較好的地層便是儲集層。最常見的好儲層是成巖程度不太高的砂巖類和碳酸鹽巖類地層，其中的油氣可以有很高的富集程度。油氣勘探就是去尋找油氣、去發(fā)現(xiàn)有經(jīng)濟開發(fā)價值的烴類賦存。對于僅限于特定區(qū)塊的油氣公司來說，它們最關注的是地下有無儲層及其含油氣性和開發(fā)條件。換言之，傳統(tǒng)的常規(guī)油氣勘探首先關注孔（隙度）、滲（透率）等物性條件好，油氣充滿程度高的好儲層的存在。

1．2 非常規(guī)油氣藏的各種致密儲層

在好儲層油氣勘探開發(fā)程度越來越高的情況下，為了滿足日趨增長的消費需求量，油氣工業(yè)便不斷到孔滲性能較差的儲層進軍，從低孔滲（性）儲層延伸向致密儲層。盡管上述二者之間的界限并沒有嚴格的規(guī)定，即使有的國家某個時期有從學術概念出發(fā)規(guī)定的孔隙度、滲透率值作界定，也往往難以被公認（特別是在不同國家、不同經(jīng)濟可采性的地層和石油品種間）［1－2］，但在生產(chǎn)實踐上，卻形成了約定俗成并且容易流行的類型劃分：從上世紀后期的條件上看，以可否被經(jīng)濟開發(fā)來區(qū)分常規(guī)油氣和非常規(guī)油氣，相應的也劃分為兩類儲層，而只有通過更高水平的技術（如水平井和壓裂）才能被有效開發(fā)的儲層則屬致密儲層。顯然，在后一標準界定下的致密儲層可以包括不同類型的高成巖程度、低孔滲性的巖石，除最常見的砂巖類外，還包含碳酸鹽巖、頁巖、煤層、火山巖等，這就是從學術定義出發(fā)的廣義致密儲層概念。

在對這些致密儲層進行非常規(guī)油氣勘探過程中，針對其不同特點形成了不同的研究和勘探開發(fā)分支。首先分離出了易于形成次生孔隙縫洞的碳酸鹽巖和火山巖，而后發(fā)現(xiàn)煤層和頁巖中也可賦存非常規(guī)油氣，它們分別有了與自己相應的名稱，如煤中的煤層氣、頁巖層系中的頁巖氣、頁巖油等。而剩下最常見的致密砂巖中的油氣卻逐漸被省去了“砂巖”二字，在生產(chǎn)實踐中流行為簡稱的致密氣、致密油。這就形成了狹義的致密儲層和致密油氣的概念。鑒于目前可用水平井和壓裂為主體技術實現(xiàn)經(jīng)濟開發(fā)的僅為致密砂巖、頁巖和煤層中的油氣，因而在許多文獻中廣義致密儲層和致密油、氣可包括以上3種，而狹義的致密油、氣就僅指在致密砂巖中儲集的石油和天然氣。你可以指責這樣的劃分和名稱如何的“不科學”，但實踐中卻同時并行兩種概念并頻頻見諸若干文獻，我們應當承認這種語言上的約定俗成。接受上述廣義和狹義的兩種概念并注意其在不同場合、不同文獻中的實際所指。致密（砂巖）油氣、頁巖油氣、煤層氣皆可賦存于（廣義的）致密儲層中，這一概念表達出它們在勘探開發(fā)技術上所擁有的許多共性，這一點對認識其發(fā)展歷程有著重大的啟迪。

2 從致密（砂巖）油氣到煤層氣、頁巖油氣

2．1 從致密油氣到煤層氣

在人們不斷降低油氣經(jīng)濟可采的下限時，相當“自然地”由孔滲參數(shù)高的好儲層向物性越來越差的儲層進軍，向致密砂巖領域拓展和延伸。以水平井和壓裂為主體的技術系列在致密砂巖儲層中得以逐漸發(fā)展走向成熟，其大量人造裂縫勾通了儲層使其中的油氣可較順暢地匯流入井筒而被采出。氣比油分子量小，在致密條件下其可流動性明顯大于油，因而在各種致密巖層的烴類開發(fā)中總是率先突破氣的經(jīng)濟開采。嘗到這類新技術甜頭的人們開始以其為武器向其他致密儲層中的油氣探索。美國的油氣需求迫切、技術水平高、市場經(jīng)濟條件成熟、政府鼓勵支持，再加上有一批富于探索創(chuàng)新精神的企業(yè)家和研究者，因而就成為新突破不斷涌現(xiàn)的沃土。在這個過程中，首先被突破的就是煤層氣，也許這得益于對煤層中含有大量甲烷并常給人類帶來災難事故的認知。從宏觀或毫米級尺度上看煤層是致密的，因而所含游離氣少且可流動性差。但從微米、甚至納米級尺度上看煤層仍然存在著大量的孔隙，不但有相當數(shù)量的游離氣，還有更多的吸附氣。在對煤層含氣機理深入研究的基礎上，輔以水平井、壓裂為主體的技術系列逐漸適應于煤層和煤層氣的開發(fā)，于是煤層氣便成為可被經(jīng)濟開發(fā)的非常規(guī)氣的新類型，并從美國推廣到全球，特別是澳大利亞、中國等?；诿簬r學組分的特點，煤主要生成甲烷，很少能生成和保存油，因而從經(jīng)濟開發(fā)角度只有煤層氣而難以見到煤層油。

2．2 從致密油氣到頁巖氣

富含有機質頁巖與煤層有某些類似的特征，其所生成的油氣部分被排出，但也一定會有相當部分被大量細微顆粒所吸附或者被微米—納米級孔隙所封閉、保存。于是，人們依托在攻克致密砂巖、煤層中更趨成熟的技術向頁巖中的氣、油進軍。在頁巖類地層水平井鉆井、完井和有效壓裂的難度更大些，因而它的技術和開采工藝醞釀期（產(chǎn)量很低）就較長。但基于其良好的生烴和保存條件，一旦獲得突破就會很快發(fā)展，顯示出它比致密氣、煤層氣更大的潛力。

圖1很直觀地展現(xiàn)出了這個過程。本世紀初美國頁巖氣仍處在艱苦的技術攻關階段，2000年產(chǎn)量僅122×108m3，但到2005年已進入技術過關、實施大面積開發(fā)的階段，產(chǎn)量以兩位百分數(shù)的年增率快速增長，2008年頁巖氣產(chǎn)量迅速升到600×108m3。此后因產(chǎn)氣量快速上升導致天然氣價格的大幅度下降，由本世紀初超過10美元／Btu（1Btu＝1 055MJ）下降到3美元／Btu左右，使頁巖氣開發(fā)的經(jīng)濟效益大為降低。這一度使美國鉆井數(shù)量大降并迫使各運營公司以多生產(chǎn)價格仍保持在高位的頁巖油的方式來維持其利潤。2009年以后鉆井數(shù)得以重新向高位回升并在2011年以來使開采石油的鉆井數(shù)量越來越明顯的超過天然氣?？梢赃@樣做的基礎是油氣的同源和共伴生性，這一特點對常規(guī)和非常規(guī)油氣、致密（砂巖）油氣和頁巖油氣是一樣的——只是一套頁巖層在同一盆地的不同部位產(chǎn)出油、氣的比例，性質有所不同而已。如美國著名的沃斯堡盆地Barnett頁巖，向盆地深處熱成熟程度高、鏡質體反射率Ro＞1．1%的地區(qū)以產(chǎn)氣為主，而在Ro介于0．9%～1．1%的地區(qū)則以同時產(chǎn)天然氣和凝析油為主，向更淺處在Ro介于0．6%～0．9%的地區(qū)則多產(chǎn)正常輕質原油。當然，從干氣到濕氣、從氣層氣到溶解氣（伴生氣），從凝析油到正常原油（業(yè)內(nèi)常稱其為黑油）是逐漸過渡的。這樣，對生產(chǎn)者來說，可用基本上相同的技術向同一套頁巖的埋深較淺處布井（其單井作業(yè)成本還可降低）就可以多產(chǎn)出油少產(chǎn)出氣；對凝析油氣藏來說，也可用人為控制氣層壓力的辦法使之多產(chǎn)（凝析）油少產(chǎn)氣（而且這種輕質凝析油的經(jīng)濟價值遠大于正常原油，特別是重質原油）。這樣，在鉆井數(shù)量回升的背景下，仍可在低氣價時做到頁巖氣、頁巖油的產(chǎn)量雙雙增長。2009—2012年的三年間美國油氣產(chǎn)量年增率達32．5%，又恢復了快速增長的勢頭。2012年頁巖氣產(chǎn)量達2 049×108m3，占全部氣產(chǎn)量的37%，已超過致密氣的產(chǎn)量?！禕P2013年度全球能源展望》進一步表明：美國2012年天然氣總產(chǎn)量達6 814×108m3，增長329×108m3，年增長率達5．1%；而作為世界第二大產(chǎn)氣國的俄羅斯當年產(chǎn)氣5 923×108m3，年增率為－2．4%；美國2012年天然氣增產(chǎn)量占全球天然氣總增產(chǎn)量的45．3%［3］?？紤]到頁巖氣的巨大潛力，國際能源署（IEA）和美國能源信息署（EIA）都一再做出其產(chǎn)量持續(xù)增長的預測。很可能到2035年左右，美國頁巖氣的產(chǎn)量將占其天然氣總產(chǎn)量的46%，明顯超過致密氣（22%）和煤層氣（8%）的所占比例。當然，屆時非常規(guī)氣的產(chǎn)量也就將明顯超過傳統(tǒng)的常規(guī)氣產(chǎn)量。鑒于頁巖氣快速上產(chǎn)對美國乃至世界油氣格局變化的重大影響，“頁巖氣革命”一詞已成為被廣泛接受的提法［4］。

圖1 1990—2035年美國天然氣來源構成的變化圖

2．3 以頁巖油為主體的致密油產(chǎn)量快速增長帶來的變化

當人們還在深入探討頁巖氣革命對美國能源獨立，以及對地緣油氣、經(jīng)濟和政治的影響時，美國原油的產(chǎn)量上升卻更令人驚詫。但在有關文獻上都強調(diào)，在傳統(tǒng)常規(guī)石油（包括陸上、海上和阿拉斯加）產(chǎn)量總體上下降的背景上，使美國改變了數(shù)十年石油產(chǎn)量降勢［5］的因素是致密油產(chǎn)量的快速增加（圖2）。在這類文獻中所指的致密油實際上包括了頁巖油和致密砂巖油［6］，顯然使用的是筆者在本文開始時就指出的廣義的致密油氣概念。在有關文獻的文圖中一提到具體的產(chǎn)地和產(chǎn)層，就顯示它們大部分都位于研究者熟知的頁巖氣產(chǎn)區(qū)和層系內(nèi)。實際上，即使在本世紀初伴隨頁巖氣增產(chǎn)，以凝析油為主的頁巖油產(chǎn)量就已經(jīng)在不斷增加著（如2004年日產(chǎn)11．1×104桶，1桶＝158．9 L，下同），這就促使美國的石油產(chǎn)量從2006年日產(chǎn)684．1×104桶的最低點開始了具歷史性意義的轉降為升，2007年僅增產(chǎn)0．9%，而2008和2009年的平均年增率為2．3%。在美國開始更加重視頁巖油的2009年，所統(tǒng)計的致密油的日產(chǎn)量就達25×104桶；到2011年為日產(chǎn)90×104桶，增加了2．6倍，從而使這兩年美國石油產(chǎn)量年增率達4．6%，該年致密油產(chǎn)量占全美石油總產(chǎn)量的11．5%。顯然，美國致密油產(chǎn)量和石油總產(chǎn)量都呈加速增長之勢。由于產(chǎn)量基數(shù)大，使得近年來美國石油年增加量居世界之首。按照EIA的初步統(tǒng)計，2012年上半年致密油產(chǎn)量同比增加9．7%?！禕P2013年度全球能源展望》進一步表明：美國2012年原油總產(chǎn)量達3．949×108t，增長49．2×106t，年增率達14．2%?！按蟛糠中略霎a(chǎn)量來自頁巖資源”。全球按石油年增率排序列在美國后4位的伊拉克、科威特、加拿大、卡塔爾依次為11．5%、9．2%、7．2%、6．5%；總產(chǎn)量居世界前兩名的沙特阿拉伯和俄羅斯年增率分別僅為3．91%、1．5%；美國2012年石油增產(chǎn)量占全球增產(chǎn)量的49．2%［3］。據(jù)EIA預測，2020年美國致密油日產(chǎn)量可達300×104桶，可占全美石油總產(chǎn)量的36%；進而推測2017年后美國石油產(chǎn)量將有超過沙特阿拉伯的可能。直接受惠于美國的技術和管理，加拿大2011年致密油日產(chǎn)量為19×104桶，約占其石油總產(chǎn)量的5．4%；預測2035年加拿大原油日產(chǎn)量可達50×104桶。EIA還預測，2020年中國頁巖油日產(chǎn)量將可能超過20×104桶，阿根廷的內(nèi)烏達盆地頁巖油日產(chǎn)量可達15×104桶［7］。

圖2 1990—2040美國石油產(chǎn)量構成變化圖

3 對頁巖油氣資源潛力的新認識

3．1 新一輪資源評價的結果

EIA曾依據(jù)從常規(guī)油氣勘探中獲得的關于生烴巖系的主要參數(shù)和美國頁巖油氣勘探開發(fā)的第一批成果，做出過對全球頁巖油，特別是頁巖氣資源量的初步測算［8］。近來又根據(jù)致密油研究的新成果在2013年4月的《技術可采頁巖油和頁巖氣資源量報告》中公布了對頁巖油資源量評價的新數(shù)據(jù)。全球頁巖氣技術可采資源量7 299×1012ft3（約為203．7×1012m3），較2011年的評價增加了677×1012ft3，增長近10%，占全球天然氣資源量的32%；全球頁巖油技術可采資源量為3 450×108桶（約為470．6×108t），較2011年的評價增加了3 130×108桶，增長了10倍，占全球原油資源量的10%。報告單獨評價了美國，預測其頁巖油、頁巖氣技術可采資源量分別為580×108桶（約為79．1×108t）、567×1012ft3（約為16×1012m3），分別占美國油、氣資源總量的26%和27%，分別使包括頁巖油氣在內(nèi)原計算的油、氣資源量增長了35%和38%。該報告中除美國以外的41個國家的頁巖油技術可采資源量為2 870×108桶（約為391．5×108t），占其原油資源量的9%；頁巖氣技術可采資源量6 634×1012ft3（約為187．7×1012m3），占其天然氣資源量的32%，分別使41個國家包括頁巖油氣在內(nèi)原計算的油、氣資源量增長了10%和48%。按照這一測算，頁巖油資源量最為豐富的國家依次為俄羅斯、美國、中國、阿根廷、利比亞、委內(nèi)瑞拉、墨西哥，這7國頁巖油技術可采資源量合計為2 440億桶（約為332．8×108t），占全球總量的71%；頁巖氣資源最豐富的國家依次為中國、阿根廷、阿爾及利亞、美國、加拿大、墨西哥，這6國頁巖氣技術可采資源量4 407×1012m3，占全球總量的60%［9］。與上述評價相應，普華永道公司發(fā)布《頁巖油——下一次能源革命》的報告，預測2035年全球頁巖油日產(chǎn)量將達1 400×104桶，占屆時石油產(chǎn)量的12%［7］。筆者計算，所預測的2035年頁巖油產(chǎn)量相當于2011年世界石油總產(chǎn)量的16．8%。

3．2 對新資源評價的分析

筆者分析，上述對頁巖油氣資源評價的結果中還透露出以下信息：

1）這次頁巖油氣資源評價擴大了評價的國家（達42個）和盆地，這是所計算總量增大的原因之一。但尚有若干地區(qū)未計算在內(nèi)，如中東和里海地區(qū)。

2）以經(jīng)過更多研究和勘探開發(fā)的美國為例，其新的計算值比原先值有大幅度提高。以前某些文獻認為：美國對其頁巖氣潛力的上次評價言過其實，新評價大幅降低了其測算值。這顯然是片面的一家之言。從以上兩條可以得出推論：今后的評價可能還會再提高其資源量測算值，這與中外常規(guī)油氣資源評價的變化趨勢是一致的［10－11］。

3）按照目前資源評價的結果，頁巖油、頁巖氣分別占全球已評價油、氣資源總量的10%、32%，由于目前美國以外地區(qū)的頁巖油的實際資料明顯偏少，可以認為這個10%的比例明顯偏低。美國整體研究程度較高，但對頁巖油的認識仍顯不足，其頁巖油、頁巖氣分別占全國已評價油、氣資源總量的26%、27%，故可認為從宏觀構成和現(xiàn)今的技術－經(jīng)濟水平上看，頁巖油、頁巖氣至少可占石油、天然氣全部技術可采資源量的1／4以上。

4）從測算的可采資源量氣／油比看，若以1 000m3氣折合1t油匡算，全球的氣／油比為4．3，以研究程度較高的美國計，氣／油比為2．0。作為非常規(guī)油氣之一的頁巖油氣資源有較高的氣／油比，恰恰說明了其對油、氣的不同賦存和采出機理，頁巖中的油比氣被保留更難、采出亦更難。

5）新資源評價中對各國頁巖油的排序與目前包括常規(guī)石油和部分非常規(guī)石油（重稠油和瀝青砂巖油）潛力的認識基本一致，但頁巖油前7名中沒有加拿大這個以瀝青砂巖油豐富而著稱者。在頁巖氣的排序中，美國研究者的兩次評價都把中國排列為第一。對此，部分中國學者有著不同的意見。筆者認為，外國學者對中國油氣保存條件差的特點估計不足，測算值有偏高的可能性。但即使按中國目前發(fā)表的不同測算值來計算，全國頁巖氣總的可采資源量也多在10×1012m3［11］。顯然，中國頁巖油氣資源從總體上看是豐富的。某些業(yè)外人士認為美國專業(yè)機構對中國頁巖油氣潛力的較高評價是欺哄中國的“陰謀論”，實屬無稽之談。

4 關于致密油的討論

4．1 輕質致密油

面對著異軍突起的致密油發(fā)展，IEA在2013年5月于巴黎召開了其能源展望工作組的專題會議，參加者有全球一流公司和研究機構的首席代表（CEO），中國亦有專家參會。會議的名字為“致密油革命的未來”（The future of tight liquids revolution，據(jù)馮麗雯《“致密油革命”的啟示》，中國能源網(wǎng)研究中心2013年6月5日）。會議所討論的致密油包括兩部分：LTO（Light Tight Oil）和 NGLs（Natural Gas Liquids天然氣液）。LTO的正確譯名應為輕質致密油，但有人卻不當?shù)胤g為輕緊油［12］。而天然氣液的主體為凝析油（Condensate Oil），不言而喻亦為輕質油，但它卻可比生產(chǎn)者常稱的黑油中的輕質原油分子中的碳原子數(shù)更少，因而更輕、色更淺、流動性更好，價格也更高?？磥恚壳傲餍械闹旅苡透拍钪写嬖谥錇檩p質（Light）的定語。這就道破了致密儲層中石油開發(fā)的“天機”。由于油的分子比氣大、采出更難，因而以目前技術能在致密類儲層中實現(xiàn)經(jīng)濟開發(fā)的只能是其中油質相對輕的部分。油質趨重、流動性趨差者經(jīng)濟開采困難，是致密油進一步開拓的指向。而真正的重（稠）油已屬非常規(guī)油，在致密儲層（砂巖、頁巖、碳酸鹽巖）中的經(jīng)濟開采尚不過關。故在目前討論的致密油前加上輕質（Light）的定語是國外常見的說法。

4．2 頁巖氣革命的深入和延續(xù)

前述的IEA2013年能源展望工作組的專題會議還打出了“致密油革命”的旗號，此稱謂已開始在西方流行。筆者注意到在近期能源研究中“革命”成為出現(xiàn)頻率頗高的詞匯。注意節(jié)能和消費側管理被稱為能源消費革命，在能源生產(chǎn)構成中著力新能源的發(fā)展被稱為新能源革命，甚至在天然氣水合物中取得了一些進展但還談不上經(jīng)濟開發(fā)時就聳人聽聞地冠之于“可燃冰革命”……濫用的結果是使人難以接受，反倒抹殺了其關鍵性的進展。退一步說，由于東西方文化的差異，西方人樂于把重要進展譽為革命，而中國人往往僅把“革命”一詞賦予特別重大、帶有根本性甚至顛覆性的改變。目前頁巖氣革命的提法已日趨流行，對其在油氣、能源，甚至經(jīng)濟和地緣政治上的影響已有較深入的探討［3］。這一變革已從頁巖氣延伸到頁巖油、致密油，提高了對非常規(guī)油氣整體地位的認識并使勘探開發(fā)的技術水平大幅度提高，進而推動油氣地質學理論的創(chuàng)新［13］。筆者認為這都可以看作頁巖氣革命的深入和延續(xù)，而不必要冠以使業(yè)內(nèi)外人士眼花繚亂的某某革命之名。

可以說，頁巖氣革命使原來未放在找油氣目標內(nèi)的頁巖層系成為油氣勘探的目的層系、生產(chǎn)層系，在本世紀中期可成為重要（對某些國家和地區(qū)甚至可成為首要）的開采對象。這一重大創(chuàng)新和突破產(chǎn)生了深遠的影響、引起不斷擴大的連鎖反應。它已開始改變著世界和主要生產(chǎn)國消費國的能源構成，引導著新世紀能源發(fā)展的方向。它正改變著世界油氣—能源的空間格局和地緣關系，引起世界經(jīng)濟和國際關系的微妙變化。頁巖氣革命推動著能源獨立的“美國夢”進入實現(xiàn)的過程，沒有理由說這種夢想不可能在條件類似的地區(qū)以某種方式復制?？傊?，全球，特別是迫切希望自己國家可持續(xù)發(fā)展的中國人，正對此密切關注。

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