頁巖油開發利用及在能源中的作用
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中國網/中國發展門戶網訊 2021年中國生產原油1.99億噸，同比增長2.4%，連續3年實現正增長；進口原油5.13億噸，原油對外依存度首次由升轉降，從上年度的73.6%下降為72%，國內原油產量持續增長為保障中國能源安全和低碳轉型作出了重要貢獻。在國內油氣生產實現增長的同時，也應看到，隨著經濟社會的快速發展，中國對油氣能源的需求將持續增長，原油對外依存度保持高位，確保原油供給安全成為保障國家能源安全最重要的任務之一。
頁巖油作為一種非常規石油資源，與常規石油資源不同，具有自生自儲、儲層致密、自然產能低等特點，需要采用水平井和大規模水力壓裂等特殊技術措施才能獲得工業產量。中國頁巖油潛力巨大，初步評價陸上中高成熟度頁巖油地質資源量為283億噸，是中國石油資源重要的戰略接續領域。近年來，隨著勘探開發技術的進步，中國頁巖油產量快速增長，2021年已達262萬噸，有望在“十四五”期間成為每年2億噸原油穩產的重要支撐。
2021年10月，習近平總書記考察勝利油田時指出，“中國作為制造業大國，要發展實體經濟，能源的飯碗必須端在自己手里”。貫徹習近平總書記指示，通過理論認識、開發技術、工程工藝等方面的深化提升，推動頁巖油開采成本持續降低，將預測的資源量轉化為現實產量，對于降低我國原油對外依存度、保障國民經濟健康發展和能源安全具有重大意義。
美國頁巖油開發利用及深遠影響
美國是世界上最早實現頁巖油商業開發的國家，也是產量最高的國家；2021年美國頁巖油年產量達到3.77億噸，占其全國石油產量的65%。頁巖油的成功開發為美國能源獨立奠定了堅實基礎，也改變了全球石油供應和地緣政治的格局。
美國頁巖油開發取得突破，經歷了長期的艱苦探索
1953年，美國在威利斯頓盆地發現第一個頁巖油田，并于1955年正式投產。在之后數十年中，由于勘探認識和開發技術的局限，美國頁巖油開發進展緩慢。2000年，“巴肯組烴源巖生成油氣可能更多地聚集在中段”的勘探新認識成功扭轉了美國頁巖油勘探局面，并發現了埃爾姆古麗油田。該創新在美國頁巖油產業發展中具有里程碑意義；在此基礎上，經過長期不懈的艱苦探索，逐漸形成了穩定寬緩構造條件下海相頁巖油氣大面積連續聚集、在局部地區富集成藏的基本地質認識。2005年，美國EOG能源公司將頁巖氣開發中成功應用的水平井和水力壓裂技術用于開發巴肯中段頁巖，并在帕歇爾油田測試中取得成功，從此揭開了美國頁巖油大開發的序幕。
美國頁巖油資源豐富，發展迅猛
美國頁巖油產區分布廣泛，主要產自威利斯頓盆地、墨西哥灣盆地西部、二疊盆地、丹佛盆地及阿納達克盆地等。據美國能源信息署（EIA）2022年1月發布的美國油氣儲量報告，截至2020年底，美國頁巖油探明儲量為28.08億噸。
美國頁巖油產量從2009年進入快速增長期。受油價波動影響，美國頁巖油產量在2015年3月達到66.9萬噸/天的階段峰值后，連續18個月遞減，并在跌至53.6萬噸/天的階段底部后持續快速回升。2018年產量達到3.29億噸，首次超過了常規石油產量。2022年1—5月美國頁巖油產量達1.62億噸，預計全年可達3.8億噸，保持了持續增產的勢頭（圖1）。
科技、經濟和管理創新，推動美國頁巖油快速發展
美國頁巖油的成功開發首先得益于豐富的資源儲量，但更重要的是科技創新、市場體系和政府監管等因素發揮了關鍵作用。①海相頁巖油勘探理論、“甜點”富集規律等理論認識創新，使勘探方向從傳統尋找圈閉到源儲一體的頁巖油富集帶（即“甜點”）的勘探思路轉變，一舉扭轉了頁巖油勘探開發近半個世紀躑躅不前的停滯局面。②水平井和分段壓裂技術的應用實現了美國頁巖油商業化規模開發，而在頁巖氣取得成功的地質導向精確鉆井、大規模低成本水力壓裂等關鍵技術的應用與持續創新使開發成本不斷下降，產量不斷提升，推動了美國頁巖油產業的迅猛發展。③美國作為世界現代石油工業的發源地，擁有完善的油氣市場體系，其清晰且完備的礦權體制、富于競爭性的市場機制、高效的政府監管機制、多元化投資主體和專業服務相結合的開發模式，這些也是美國頁巖油產業快速發展的重要因素。
為應對低油價，美國頁巖油產業不斷進行科技、經濟和管理創新。①發展形成了“超級井工廠”規模開發技術，從而顯著降低作業時間，使得單一平臺工程成本降低30%以上。②按儲層品質和油井初產將頁巖油產區劃分為5級，第1級優質“甜點”區的平衡油價低至30美元/桶，第5級的平衡油價則超過80美元/桶。頁巖油公司依據油價變化進行分級開發，提升了經濟性。③頁巖油公司與油服公司建立協同管理團隊，圍繞“提高單井產能”目標，建立地質-工程-經濟一體化運行機制，降本增效。這些措施有效應對了國際油價低迷的不利影響。
頁巖油開發推動了美國經濟發展，使美國實現了能源獨立
20世紀70年代的石油危機，對美國經濟產生了強烈沖擊。作為反思和對策，時任美國總統尼克松提出了美國能源獨立的目標設想。美國能源獨立的實質是避免外部因素對其能源、經濟乃至國家安全的嚴重影響，“獨立”掌控自身發展。這種對能源、經濟不受外部干擾的追求也是各國、各經濟體的共同目標。
為實現能源獨立，美國持續在節流和開源兩個方面下功夫。節流是提高能源利用效率和推動石油替代；開源是鼓勵老油田、低產井持續開發和大力發展非常規油氣，提高美國國內油氣產量。這些綜合措施使美國能源和石油消費量的增長趨緩，但由于其國內原油生產缺乏現實的接替資源，直到2005年，美國石油表觀進口量（消費量_產量）為6.265億噸，進口依存度達66.7%。
頁巖油開發利用的成功，對美國經濟產生了重大影響。2008年，頁巖油開發突破使美國原油產量由降轉升。2019年9月，美國單月原油貿易額轉為順差，標志著美國已成為原油凈出口國，實現了其能源獨立的目標，從而深刻影響和改變了世界能源格局。①美國對頁巖油氣的巨大投資直接拉動了國內經濟，創造了上百萬個就業崗位，改善了國家財政狀況；②大幅減少油氣進口，提高了美國在國際能源市場上的競爭力和自主性，改善了其進出口構成，減少了貿易逆差，對強化美元地位和推動經濟增長頗有助益；③美國國內化工、工業交通等部門獲得了穩定、廉價的原料和能源供應，直接推動了相關產業的繁榮，促進了美國制造業的回歸，使美國經濟基礎更加堅實；④幫助美國實現了以低污染能源替代高污染能源的清潔能源之路，使改善能源結構、推進環境保護變得經濟有利、現實可行。
中國頁巖油資源稟賦與發展探索
中國陸相沉積盆地中富有機質泥頁巖分布層系多、范圍廣，資源潛力巨大；EIA估算中國頁巖油技術可采資源量為43.93億噸，位居世界第3位。中國頁巖油開發起步較晚，尚處于勘探開發的初期階段。目前，中國石油的長慶、大慶、新疆等油田初步實現規模開發，中國石化的勝利、華東等油田的頁巖油評價水平井試油屢獲高產，中國頁巖油年產量已達262萬噸，展現出了廣闊的發展前景。
借鑒北美經驗，中國頁巖油完成探索，開始起步
20世紀60年代，中國松遼、渤海灣、柴達木、江漢、蘇北及四川盆地等地均發現頁巖油資源，但限于認識和技術水平，試采進展緩慢。2010年后，在北美海相頁巖油氣革命的啟發下，中國石油企業選取典型盆地，引入北美非常規壓裂技術實施體積壓裂現場試驗，在多層系頁巖段取得較大進展?；谠囼炚J識，在國家“973”項目及“十三五”國家油氣重大專項等支持下，針對中國陸相頁巖油賦存富集與可動性開展攻關研究，形成了一系列新認識、新理念、新方法、新技術。
地質評價與“甜點”預測新認識堅定了再次勘探部署的信心。通過對適宜演化程度的新認識，促使勘探布井從構造高部位轉向成熟度較高的生烴凹陷區，并且認識到不同類型頁巖油富集的成熟度窗口存在顯著差異；明確了紋層狀混積頁巖為最有利巖相——富有機質紋層狀泥頁巖游離油含量高，已成為首先突破的方向。研究識別了受構造和熱演化控制的頁巖油多種賦存模式，為準確認識和評價頁巖油高產因素奠定了基礎；明確了陸相淡水湖泊廣積型泥頁巖和斷陷湖盆混積型頁巖油高產要素，為有利區優選提供了依據。配套形成了巖心現場冷凍—密閉碎樣—熱解含油性評價技術、頁巖油多溫階熱解分析技術、陸相頁巖油儲層巖石物理模型及其模板、頁巖層系薄韻律層全頻段拓頻處理技術、頁巖油有利區優選評價軟件平臺及“甜點”地球物理識別與預測軟件平臺。
頁巖油儲層改造新認識為陸相頁巖油工程工藝突破指明了方向。深化了對頁巖油壓裂效果影響因素的認識，提出了發揮裂縫體系協同作用，尤其是無支撐裂縫的作用是提高頁巖油增產效果的關鍵；形成了以開啟最多層理縫為壓裂設計目標的新認識，提出了擴大遠井有效改造體積、建立近井高導通道的設計理念。實驗證明了頁巖儲層采用二氧化碳（CO2）壓裂在可壓性和裂縫復雜性方面存在顯著優勢，提高攜砂性能、降低摩阻是關鍵因素。配套形成了紋層狀頁巖網狀裂縫形成判別準則、頁巖壓裂縫網定量表征及支撐劑運移模擬方法、低傷害高減阻壓裂液體體系、滑溜水+膠液近井砂塞壓裂工藝技術、頁巖油儲層CO2壓裂技術、頁巖油“整體體積改造”水平井井網優化技術。
頁巖油可動性、流動性新認識為陸相頁巖油井產量預測和增產增效提供了途徑。揭示了頁巖儲層內不同賦存方式原油的運移特征，建立了儲層內流體流動模式，形成了適用于陸相頁巖油儲層孔隙、天然裂縫、人工裂縫特征的儲層孔縫介質模型；提出了通過加熱裂解或注入化學藥劑提高中低成熟度頁巖油流動性的思路；明確了超臨界CO2對鹽間頁巖擴孔、抑制鹽堵的作用。配套形成的新技術、新方法包括：頁巖油井儲層-井筒耦合流動數值模擬技術及軟件平臺、中低成熟度頁巖油熱解定量評價方法、耐溫抗鹽低聚型頁巖油流動改進劑、鹽間頁巖油水+超臨界CO2交替注入增產方式。
科技、管理創新推動中國頁巖油開發相繼取得重大突破。借鑒北美經驗，創新采用頁巖油示范井、井組和區塊的方式，將系列新認識、新理念、新方法、新技術應用于現場試驗，促使中國陸相頁巖油勘探進一步向生烴凹陷區聚焦，在準噶爾盆地吉木薩爾凹陷、鄂爾多斯盆地、濟陽坳陷、松遼盆地古龍凹陷等地陸相頁巖油勘探開發取得重大突破，實現了中國頁巖油年產量百萬噸級的增長，完成了從試驗探索到起步發展的跨越。
中國頁巖油資源豐富，但稟賦較差，效益開發面臨挑戰
中國頁巖油資源豐富。多家機構對中國頁巖油地質資源量進行了評價，由于評價方法、覆蓋地區或層系不同，評價地質資源量介于203.00億—402.67億噸，可采資源量介于37.06億—43.93億噸。根據原國土資源部油氣資源戰略研究中心2015年評價結果，綜合地質條件和資源豐度，中國頁巖油潛力勘探領域可歸納為兩大區域、四大領域。在東部地區兩大領域：斷陷盆地古近系，頁巖油地質資源量56.58億噸，資源豐度3.10萬噸/平方公里；松遼盆地白堊系，頁巖油地質資源量41.68億噸，資源豐度3.834萬噸/平方公里。在中西部地區兩大領域：鄂爾多斯盆地三疊系，頁巖油地質資源量42.39億噸，資源豐度1.751萬噸/平方公里；準噶爾-三塘湖盆地二疊系，頁巖油地質資源量33.16億噸，資源豐度2.41萬噸/平方公里。
中國頁巖油勘探開發仍面臨諸多挑戰。北美頁巖油生成于海相盆地，中國陸相頁巖油沉積體系在盆地規模、構造穩定性和沉積類型上與其存在顯著差異，進而導致沉積、成烴、儲層、流體物性等方面與北美存在較大差異（表1）。①陸相沉積相變快、非均質性強、地層能量相對較低的挑戰。從沉積特征來看，陸相頁巖沉積-構造演化穩定性較差，沉積盆地類型多，具有埋藏深度和沉積厚度較大、分布范圍廣但沉積連續性較差、巖相變化快、非均質性強、地層能量相對較低的特點，導致陸相頁巖油井高產規律性不強，產量遞減快。②陸相頁巖儲層埋藏深、致密低孔、黏土高、脆性低難改造的挑戰。從儲層品質來看，陸相頁巖以無機孔和微裂縫為主，儲層較致密，孔隙度和滲透率較低，壓力分布較復雜，儲層有利面積、單井累計產能較小。從工程地質參數來看，陸相頁巖脆性礦物含量、楊氏模量、脆性系數低，黏土礦物含量、泊松比和儲層閉合壓力高，具有脆性低、難壓開且壓開后易閉合的特點，導致陸相頁巖油井壓裂改造成本高、效果不理想。③陸相頁巖油成熟度較低，富含的蠟、瀝青等對流動性與開采的挑戰。從流體性質來看，陸相頁巖油成熟度相對較低，烴類流體多屬于黏度、密度較大的高蠟油，流動性較差；同時，部分區域產出頁巖油中的硫、瀝青含量較高。這些因素對頁巖油在儲層孔隙中的流動性和采油工藝都有不利影響。④陸相頁巖油開發基礎設施條件對工程技術和經濟性的挑戰。從地理因素來看，北美頁巖油主要分布于落基山區的巴肯頁巖層系、墨西哥灣岸區的伊格福特頁巖層系和二疊盆地等，埋深淺且多為平原，有利于開發和油氣運輸；北美水資源較豐富，能夠滿足頁巖油開采的用水需求。從基礎設施角度看，美國油氣管道長度超過48萬公里，覆蓋了主要市場和頁巖油產區，減少了企業前期投入，是其頁巖油開發具備效益的直接基礎。而中國陸相頁巖油產區地表與地質特征復雜，水源條件不充足，地面管網相對不發達，使開發工程難度加大，成本增高。
因此，與北美海相頁巖油相比，中國陸相頁巖油的資源潛力大，但資源稟賦較差，實現效益開發的道路仍充滿挑戰。
初步形成中國陸相頁巖油開發技術，仍需創新發展
初步形成中國陸相頁巖油開發技術。經過多年技術攻關和實踐，在充分認識中國陸相頁巖油地質開發特征基礎上，初步形成了囊括富集規律認識、巖相評價、儲集性表征、可動性評價、可壓性評價、產能評價及地質建模-數值模擬一體化“甜點”分析技術等陸相頁巖油開發評價方法與技術，推動了中國陸相頁巖油開發突破。
中國陸相頁巖油開發技術需要創新發展。與海相頁巖油不同，在地質上，陸相頁巖沉積相變快、非均質性強、熱演化程度和成巖作用變化大，難以借鑒北美資源評價和選區評價方法。在工程上，陸相頁巖油儲層塑性強，裂縫擴展難度大，人工縫網改造體積受限，北美成熟應用的鉆完井技術適應性差，導致中國水平井單井技術可采儲量（EUR）偏低，效益開發受限。由于資源稟賦差異，中國陸相頁巖油規?；б骈_發仍面臨基礎理論研究薄弱、勘探開發技術體系不完善、工程技術與國外差距大、開發成本高等系列重大難題，需要重點開展不同類型陸相頁巖層系油氣差異富集機理、地質工程一體化、大數據和人工智能技術應用，以及提高采收率技術等領域創新研究。
中國陸相頁巖油開發技術的發展方向。針對不同盆地、不同類型頁巖油，開展油氣差異富集機理研究，明確富油盆地、新區、新層系頁巖油“甜點”類型和資源潛力；開展地質工程一體化技術綜合研究，加強地質工程一體化數據庫和平臺建設，構建地質工程一體化知識圖譜；利用大數據和人工智能技術挖掘頁巖油水平井產能與工程、地質和生產因素之間的相關關系，建立壓裂水平井的產能智能預測模型，優化頁巖油水平井井網部署和開發技術政策參數；探索不同類型陸相頁巖油提高采收率技術，研究天然氣和CO2驅替/吞吐采油的提高采收率機理和可行性，形成陸相頁巖油大幅提高采收率技術。通過技術攻關，形成系列實用技術，提高頁巖油開發效益，推動中國的陸相“頁巖油革命”。
示范區建設推動中國頁巖油走向規?；l展
中國陸相頁巖油開發尚處于起步階段。由于地層條件復雜，現有試驗井區的開發成本居高不下；同時，在單井和區塊試采成功的技術和經驗推廣應用到區域和油田的規模開發過程中，仍有很多的技術、經濟和管理“瓶頸”亟待克服。因此，需要發揮中國社會主義制度優勢，從國家層面組建高水平的開發創新示范區，先行先試，以點帶面，推動頁巖油勘探開發從先導試驗走向規?；l展之路。
為深化陸相頁巖油地質理論和認識，加強資源勘探與評價工作，2020年1月23日，國家能源局、自然資源部批復設立中國第一個國家級陸相頁巖油示范區“新疆吉木薩爾國家級陸相頁巖油示范區”。隨后，針對不同類型陸相頁巖油，分別設立了大慶古龍和勝利濟陽2個國家級示范區（表2）。
建設頁巖油國家級示范區，是中國頁巖油開發管理模式的創新探索，有利于推動建立中國陸相頁巖油理論技術體系，統籌制定頁巖油勘探、開發、工程技術等全領域標準，實現技術突破和示范引領，從而為中國陸相頁巖油產業的整體規?；l展和商業開發奠定扎實基礎。
頁巖油開發是中國新型能源體系建設的重要組成部分
能源安全是實現“雙碳”目標的前提。中國是世界第二大經濟體，也是全球能源消費和碳排放的第一大國。2020年9月，中國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標（以下簡稱“雙碳”目標）。在實現“雙碳”目標的奮斗過程中，必須以保障國家能源安全為前提，立足中國能源資源稟賦，深入推進能源革命，加快規劃建設新型能源體系，保障國民經濟可持續健康發展。
國內原油產量穩定是實現“雙碳”目標的基礎。中國是一個“富煤、少油、缺氣”的國家，從中國能源資源稟賦和現實條件出發，實現“雙碳”目標的基本路徑是減煤、穩油、增氣，大力發展可再生能源。在可再生能源具備足夠規模，形成有效接替之前，國內2億噸原油年產量的硬穩定是中國深入推進能源革命、建設新型能源體系的必要條件。
國內原油產量穩定面臨諸多挑戰。中國油氣資源豐富，但資源稟賦較差。經過石油工業數十年的艱苦奮斗，中國原油年產量已達1.99億噸，成功甩掉了貧油帽子，成為世界第七大產油國。目前，中國東部陸上油氣勘探處于中高勘探程度階段，且老油田進入開發后期階段，面臨高含水、儲量動用難度大等問題，給原油產量硬穩定的目標帶來了諸多挑戰。
頁巖油開發利用對穩定國內原油產量，實現“雙碳”目標意義重大。中國石油企業“十四五”規劃均將頁巖油作為重點開發領域，預計2025年中國可實現頁巖油年產量650萬噸。分析對比國內多種類型油氣資源開發利用前景，頁巖油是今后相當長一個時期內支撐中國原油產量穩定的重要領域。目前，需要進一步推動中國陸相頁巖油勘探開發理論創新、技術創新和管理創新，不斷降低開采成本，使中國陸相頁巖油開發快速完成從小規模突破到大規模工業化開發的革命性歷程，形成國內原油穩產的戰略性接替力量。
加快中國頁巖油開發利用的政策建議
目前中國陸相頁巖油氣已在勘探和開發領域實現了“點”和“帶”的突破，未來需要把相關經驗和技術在更多區域推廣應用。因此，提出4個方面的建議。
加強中國陸相頁巖油勘探開發基礎理論、關鍵技術及裝備研究。針對中國陸相頁巖油的特殊性，借鑒美國成功經驗，加強頁巖油勘探開發基礎理論和關鍵技術攻關研究，大力推動科技創新，全力突破頁巖油勘探開發系列關鍵技術。①優選基礎研究和科技攻關項目列入國家基礎性研究重大項目計劃和國家自然科學基金重大研究計劃項目，給予優先安排；科學技術部持續支持頁巖油勘探開發關鍵技術納入國家油氣科技重大專項；部分前沿技術攻關進入顛覆性技術計劃，給予支持。②依托國家級技術平臺，構建產學研用技術創新體系，重點突破頁巖油“甜點”地球物理精細預測技術、長水平井精確成井技術、大規模分段體積壓裂技術和工具、低成本環保友好壓裂液等關鍵技術。③支持頁巖油開發重大裝備研發，針對陸相頁巖油規模建產所面臨的深層、高溫和復雜工況，持續開展大功率壓裂裝備、永置式光纖監測系統、地質-旋轉導向鉆井、高溫深層鉆井配套工具等重大裝備的國產化攻關。④設立國家頁巖油風險勘探基金，組織相關企業、高校開展聯合科技攻關，在用地、用水和基礎設施等方面給予有力支持。
建設國家級示范區，探索效益開發模式?，F有三大國家級示范區是針對不同類型頁巖油開發而設立，下一步建議參考美國頁巖油分級管理經驗，加強資源分類分級精細評價；擇優在重點盆地、重點頁巖油儲層類型設立相關示范區和先導試驗區，開展建設工作，先行先試，探索適應技術，引領效益開發。
適時將中低成熟度頁巖油納入國家戰略儲備。為保證在國家緊急情況下的武裝部隊燃料來源，美國在1912—1924年以系列法規建立了美軍海軍石油和油頁巖儲備（NPOSR），將其國內4塊可能有豐富油氣藏和3塊有大量油頁巖礦藏的地區，劃為“海軍用油保護區”，規定只允許美國海軍在戰爭急需時經國會批準后開采。1975年，時任美國總統福特簽署《能源政策與節約法》，宣布建立10億桶的戰略石油儲備（液體石油）。雖然中國陸相頁巖油資源量較大，但稟賦特性決定了開發成本較高，在大力推進中高成熟度陸相頁巖油勘探開發的基礎上，建議適時將中低成熟度頁巖油納入國家戰略儲備，建立多元化能源供應，切實保障國家能源安全。
完善鼓勵頁巖油勘探開發的相關配套政策。①在頁巖油勘查開采領域引入市場化機制。參考北美創新型小公司運行模式，推動能源央企設立獨立頁巖油開發企業或項目經理部，充分授權，構建責權利統一的全生命周期項目閉環管理，充分調動積極性，實現提質增效。②建立鼓勵勘查、開采頁巖油的財政政策體系和資產產權制度，建議財政部給予稅收優惠政策，減免特別收益金，降低所得稅，“十四五”期間免征頁巖油資源稅。③為扶持頁巖油勘查開采，建議國家出臺鼓勵和支持頁巖油開發的補貼政策，比照頁巖氣及頁巖油開采難度，給予500元/噸的補貼。
（作者：郭旭升，中國石油化工股份有限公司、頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室、國家能源頁巖油研發中心、中國石化石油勘探開發研究院；黎茂穩，頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室、國家能源頁巖油研發中心、中國石化石油勘探開發研究院；趙夢云，頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室、國家能源頁巖油研發中心、中國石化石油勘探開發研究院；《中國科學院院刊》供稿）