神秘的地层世界里蕴藏着各种各样的物质,在深度达1 000~5 000米的页岩地层中,就储藏着一种非常规天然气资源——页岩气。

2019年,中国地质调查局组织实施的鄂西地区页岩气调查科技攻坚战,分别在震旦系、寒武系和志留系三个富有机质页岩层系获得高产页岩气流,取得了长江中游页岩气调查的重大突破。页岩气资源评价结果表明,该地区地质资源量达11.68万亿立方米,具有建成年产能100亿立方米的页岩气资源基础,有望与重庆涪陵、四川长宁形成“三足鼎立”的资源基地。那么,页岩气是什么?资源有多少?开发利用前景又如何呢?

与储集在疏松多孔砂岩中的常规油气不同,页岩气是主要以吸附、游离方式储存在致密坚硬的富含有机质页岩中的天然气,被称为从石缝里挤出的“蓝金”。其成分与我们生活中用的天然气一样,主要是甲烷,含量高达90%以上。作为一种新型绿色环保的清洁化石能源,可用于居民燃气、城市供热、发电、汽车燃料及化工原料,等等。

页岩气的藏身之处具体来说就是在黑色的富有机质页岩中。这种黑色页岩是海洋、湖泊和沼泽环境下泥沙长期沉积形成的细粒岩石,主要呈页状或薄片状。它含有丰富的古老动植物遗骸等有机物,在缺氧的还原环境下埋藏保存,并随着温度和压力的增高,生成丰富的石油和天然气,因此,富含有机质的页岩被称为油气母岩（烃源岩）。

油气母岩不断生成的天然气,一部分滞留在黑色页岩中（自生自储）,即为页岩气,具有分布连续、资源量大、资源丰度低及孔隙度低、渗透率低等特点;一部分从页岩中运移聚集在疏松多孔的岩石中,被称为常规天然气,具有资源丰度高、孔隙度高、渗透率高等特点。我们可以把页岩气和常规天然气分别理解为麦田里被遗漏下的麦子和被批量收割并储存在粮仓里的麦子,当然,被遗漏下的麦子或许真的是因为总量少、质量不佳而被农夫选择性地放弃在麦田里,可页岩气则是实打实地被技术限制而未能提早面世的遗珠。

黑色页岩致密坚硬,人们用肉眼无法看到孔隙,但在电子显微镜下可以发现丰富的纳米孔隙,虽然孔径仅有5~200纳米,但对于直径0.36纳米的甲烷分子来说已经是所豪宅。页岩气就是以游离的方式储存在这些孤立的、互不连通的纳米孔隙中。而由于黑色页岩缺乏导流和渗透能力,页岩气便很难脱离原始的储集环境。

“像从细鸡尾酒吸管中吸出浓奶昔或像在枕头里吸气一样困难”,有人曾对开采页岩气打出这样的比方。

正是由于页岩气单位面积资源量较低的特点,与常规天然气有很大不同,采用传统直井开采方式,一般无自然产能。必须对页岩储层进行压裂,形成大规模的裂缝网络,才能把原先孤立的孔隙联通起来,实现有效开采。可是,对地下数千米的页岩进行压裂,并不是一件容易的事。

所幸,这个开采难题在21世纪初被解决了。采用水平钻井技术和水力分段压裂技术合力便可将页岩气从页岩的纳米孔隙里“解放”出来。第一步是水平钻井,钻头就像贪吃蛇一样深入地下做水平运动,走到哪里吃到哪里,控制面积是直井的数十倍,将优质页岩气的豪宅全部打通在一起;第二步是采用水力分段压裂技术,将水平井分为数十段,向地下深部页岩地层中分别注入水和砂,使页岩“顶”不住压力而破裂产生裂缝,并用砂子支撑,防止裂缝闭合,通过水进气出的方式将页岩气从纳米孔隙中挤压出来,顺裂缝渗流到井筒。

两步走的方法提高了页岩的渗透率,单井产量大幅提高可达直井产量的10~15倍,开采成本明显降低。

全世界页岩气资源储量丰富,开发利用进展迅速。根据美国能源信息署（2015）评价,全球页岩气技术可采资源量为220.69万亿立方米（以下简称“方”）,其中,中国、阿根廷、阿尔及利亚和美国分别占到世界总量的14.31%、10.29%、9.07%和7.99%。目前,世界上实现页岩气商业性开发的国家共有4个,分别是美国、加拿大、中国和阿根廷。根据2017年全球页岩气开采信息统计,以上四国的页岩气产量分别为4 746亿方、570亿方、91亿方和15亿方,总计5 422亿方。此外,波兰、英国、乌克兰、澳大利亚、新西兰、沙特阿拉伯、印度、南非及巴西等10多个国家也在进行页岩气勘探与评价工作。

美国是全球页岩气开发利用最早、产量最大的国家。2000年以来,随着连续型油气藏理论认识的深入,以及水平井钻完井和分段体积压裂技术的广泛应用,在美国掀起了一场“页岩气革命”,呈现出油气（页岩气与页岩油）并举、产量大幅增长的局面。2000年美国页岩气产量约100亿方,占美国天然气总产量的2.0%;2006年美国页岩气产量311亿方,占美国天然气总产量的5.9%;2017年美国页岩气产量达到4 746亿方,占美国天然气总产量的63%。

面对世界金融危机以来经济增长疲软、失业率居高不下的阴影,“页岩气革命”无疑为美国经济注入了一剂“强心针”,同时也成为了美国经济新的增长点。页岩气产业繁荣带来了供应充足和价格低廉的天然气,有效降低了工业生产中的能源成本,进而带动了美国制造业的复苏,拉动了可再生能源产业的发展。

美国页岩气革命同时推动了全球非常规油气快速发展,影响了全球能源格局,甚至对国家地缘政治产生重大影响。一种流行的观点认为,美国由一个油气进口国转变为油气出口国,令其从海湾及中东地区进口石油的需求将大大减少。国际能源署预测,到21世纪30年代前半期,美国石油将不再依赖中东。

美国是页岩气开发行业的领军者,然而,在资源储备和政策支持方面,美国并不是最好的。

根据原国土资源部油气资源战略研究中心于2012年测算统计,我国页岩气地质资源量134万亿方,技术可采资源量25万亿方,居世界第一位。其中,海相、陆相和海陆过渡相页岩均蕴藏着丰富的页岩气资源,四川盆地及周缘是页岩气的有利勘查地区。

2009年以来,我国以页岩气综合选区评价为基础,在四川盆地及周缘实施页岩气勘探开发,并先后在四川威远、长宁和重庆涪陵实现了四川盆地内志留系龙马溪组页岩气勘探的重大突破,截至2018年年底,累计探明页岩气地质储量共10 455亿方,2018年页岩气产量达到109亿方,成为北美地区以外第一个实现页岩气商业开发的国家。

长江经济带发育多套富有机质页岩,页岩气资源丰富。地质研究表明,长江经济带广泛沉积了从震旦系到新近系10余套富含有机质页岩,既有海洋环境沉积形成的海相页岩,也有湖泊环境沉积形成的陆相页岩,还有沼泽环境沉积形成的海陆过渡相页岩,页岩气地质资源潜力84.96万亿方,技术可采资源潜力14.67万亿方,分别占全国总量的69.07%和67.17%。也就是说,我国页岩气资源的2/3分布在长江经济带。

此前,经过了半个多世纪的勘查,油气和页岩气发现仍局限于构造稳定的四川盆地等地区。常规油气勘探开发集中在长江上游的四川盆地、中游的江汉盆地和下游的苏北盆地,页岩气仅仅在四川盆地涪陵、威远和长宁等地区实现了勘探开发,且仅局限于志留系龙马溪组一个层系。自2009年开始,我国多家机构与技术团队在鄂西地区先后开展了页岩气资源调查勘查工作,实施页岩气钻井20余口,也仅仅在志留系龙马溪组取得了页岩气显示。经过强烈构造运动的盆地外复杂地质构造区是否存在有效保存单元?长江中下游是否具备页岩气的勘探开发前景?我国页岩气产业的发展尚需跨过更高门槛。

有人曾经将美国和中国的页岩气储藏形状进行了对比,形象地比喻成埋深靠近地面的相对完好的大盘子和一个从高空抛下落到地底深处的破碎成渣的盘子。与构造稳定的北美大陆相比,我国南方页岩气地质与地貌条件还面临着诸多严峻挑战：一是页岩时代老,热演化程度高;二是构造活动强烈,且具有多阶段性;三是地形地貌复杂,页岩气钻井井位选择难度大;四是山川交错,交通不便。

面对我国南方复杂构造区页岩气发展的多重挑战,中国地质调查局科研人员发挥区域地质调查优势,开展了页岩气富集与保存地质条件的系统研究,分析造成富有机质页岩热演化程度过高、构造破碎和含气量过低的原因,找出了影响页岩气形成和保存的主要控制因素：深水沉积的富有机质页岩是基础,适中的热演化程度是条件,稳定的构造保存是关键,并创新性提出“强中找弱、高中找低”的选区评价思路,新建立了古老隆起具有“隔热保整”作用的复杂地质构造区页岩气地质理论认识,以及古隆起控藏型富集保存模式。应用这一页岩气理论认识和富集保存模式,科研人员瞄准久攻未克的南方复杂地质构造区,组织实施页岩气调查科技攻坚战,终于成功实施二维地震、地质调查井、页岩气参数井、水平井和压裂试气工程,实现了新区、新层系、新类型页岩气调查的重大突破。

数亿年以前,鄂西地区是一片大海,气候温暖湿润,水生生物繁盛,一片汪洋之下是滞留在富有机质页岩中形成的页岩气。斗转星移,沧海变桑田,强烈的地壳运动使鄂西地区由海洋变成了陆地,形成了沟壑纵横、山水交融的复杂地表地貌和地层起伏、断层发育的复杂地下构造。一部分含气页岩暴露地表,页岩气发生散失;一部分含气页岩仍然埋藏在地下,页岩气得以保存。

2014年以来,围绕页岩气形成与保存的地质条件,科研人员在鄂西复杂构造区开展了页岩气基础地质调查,部署实施野外地质剖面测量、重磁电和地震勘查及页岩气地质调查井钻探工程,其中,秭地1井、秭地2井、宜地1井和巴页1井分别在震旦系、寒武系、志留系和二叠系钻遇30~120米厚度不等的富有机质页岩,气测全烃和甲烷显示活跃,页岩含气量在2立方米/吨以上,初步展示了鄂西地区巨大的页岩气资源勘查前景。基础地质调查研究认为,鄂西黄陵古隆起周缘具有较好的页岩气形成和保存条件,富有机质页岩深埋时间较短、热演化程度适中,早期形成的花岗岩刚性基底（这也是三峡大坝建设的基础）减弱了构造破坏作用,并圈定了长阳—秭归、点军—宜都、夷陵—远安页岩气远景区。

完成页岩气基础地质调查后,科研人员针对长阳—秭归、点军—宜都、夷陵—远安页岩气远景区,开展了细分沉积相、构造埋藏史、断裂性质与规模、富有机质页岩分布、含气性预测等研究工作,评价优选出长阳贺家坪、点军土城和夷陵龙泉3个有利目标区,克服了复杂地形地貌和复杂地质构造等诸多挑战,论证钻探了鄂阳页1井、鄂宜页1井和鄂宜页2井等页岩气参数井,实现了鄂西复杂构造区震旦系、寒武系和志留系页岩气调查重大发现：（1）鄂宜页1HF井在寒武系牛蹄塘组试获6.02万方/天、无阻流量12.38万方/天的高产页岩气流,获得了中扬子地区盆地外复杂地质构造区页岩气调查战略性突破;（2）鄂阳页1HF井在寒武系牛蹄塘组试获实测7.83万方/天、无阻流量28.84万方/天的高产页岩气流,实现了低压页岩气储层的重大突破;（3）鄂宜页2HF井在志留系龙马溪组500米水平段长度试获3.15万方/天、无阻流量为17.11万方/天的稳定工业气流,发现了盆地外复杂地质构造区高压页岩气藏;（4）鄂阳页2HF井在震旦系陡山沱组试获5.53万方/天、无阻流量19.82万方/天的高产页岩气流,发现了我国最古老的天然气藏,证实了一个新的页岩气勘探开发层系。

为支撑长江经济带绿色可持续发展战略,我国首次开展了鄂西地区“三位一体”的页岩气资源评价,远景区地质资源量11.68万亿方、技术可采资源量1.37万亿方,有利区地质资源量3.27万亿方,目标区地质资源量8 640亿方,证实了鄂西地区具备建成百亿方产能的资源基础。创新形成古隆起控藏页岩气地质理论认识和成藏模式,解决了制约复杂构造区页岩气富集保存的历史性难题,指导页岩气调查在鄂西黄陵古隆起、陕南汉南古隆起、雪峰古隆起取得发现和突破。同时创新形成的南方复杂构造区页岩气富集地质理论认识和古隆起控藏富集模式,以及复杂构造区选区选层评价技术、水平井优快钻探技术和复杂储层压裂返排试气工艺技术“三大技术体系”,对南方复杂构造区页岩气选区评价和勘查开发具有重要的指导引领作用。

首先,开发利用页岩气对于保障国家能源安全十分重要。美国通过大规模开发页岩油气掀起的“页岩气革命”不但实现了能源独立,而且自给有余,由油气进口国转变为油气出口国,我国的油气对外依存度持续增长,开发利用页岩气可以有效缓解油气供需矛盾。其次,页岩气的开采有助于优化能源消费结构。我国以煤为主的能源消费结构,对环境造成了较为严重的污染。页岩气是清洁能源,加大页岩气的开发利用力度,可以改善大气环境,促进生态文明建设,同时促进制造业发展,提高我国的综合国力。

页岩气的开采之路任重道远,非一朝一夕之事。当然,页岩气也不是化石能源的最后一根稻草。不久的将来,继页岩气大规模开发之后,资源规模更大的天然气水合物（俗称可燃冰）开发利用或将掀起另一场“能源革命”。