页岩气开发的历史概述

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：页岩气的开采历史最早可以追溯到19世纪20年代。页岩气商业性开采带来了竞争压力,为了降低成本,开发商不断开发新的低成本开采技术。与此同时,能源价格的不断上升,使得页岩气的开发变得有利可图,由此推动美国境内掀起页岩气大开发浪潮,产量出现井喷。页岩气这一非常规天然气的开发,似乎将天然气生产和消费推入了黄金时期。

页岩气的开采历史最早可以追溯到19世纪20年代。1821年,一位名叫威廉·哈特(W illiam Hart)的美国年轻人为了获得照明燃料,在纽约州的弗里多尼亚镇(Fredonia)附近的泥盆系页岩上凿下了一口气井^[2],成功地获得了页岩气,美国第一家天然气公司,即弗里多尼亚天然气照明公司(Fredonia Gas Light Company)由此建立。由于为小镇居民提供了照明燃料,威廉·哈特此后被人们誉为“天然气之父”。随着美国工业化进程的逐步推进,天然气(页岩气)的应用从照明扩大到发电、机械动力上,商业性的规模开采逐渐出现。

1915年,肯塔基州弗洛伊德县裂缝性泥页岩发现大砂气田(Big Sandy Gas Field),吸引了众多油气公司纷至沓来。到1976年,开发区域已经从肯塔基州东部扩展到西弗吉尼亚州西南部,数千平方千米的土地上遍布着无数大大小小的气井,仅肯塔基一个州,气井就达五千多口。

页岩气商业性开采带来了竞争压力,为了降低成本,开发商不断开发新的低成本开采技术。20世纪40年代采用井下爆炸技术,1965年有开发商应用水力压裂技术,该技术大大提高了产量,使得那些较低收益的页岩井增加了产值。

不过,虽然美国在页岩气的勘探、开采及商业化应用上走在各国前面,但是直到20世纪70年代,页岩气的开采都没达到一定的生产规模。70年代的石油危机迫使美国开始重视起非常规能源的开发,70年代末,美国颁布《能源意外获利法》,对页岩气开发实行税收补贴政策,并专门成立机构对页岩气开发技术进行研究。此后,在开采、完井、压裂等方面获得了巨大技术进步,尤其是采用清水压裂,在提高采收率的同时,还能够降低成本,从而使页岩气可以以更经济的方式进行开采。与此同时,能源价格的不断上升,使得页岩气的开发变得有利可图,由此推动美国境内掀起页岩气大开发浪潮,产量出现井喷。

图1-1显示的是美国2011—2015年各类油气井开采量,从图中可见,页岩气井开采量增长迅速,2013年已超过了常规天然气井产量,2015年页岩气井开采量达到15.48×104 ft3(1 ft=0.304 8m),比2011年增长了82%。

世界上很多地区都拥有页岩油气发育的地质结构,一些国家从美国的成功中看到了解决本国能源瓶颈的希望,纷纷制定页岩气开发战略。根据国际能源机构(IEA)统计,2009年加拿大实现产量8.03×108 m3,2014年页岩气产量已达59.35×108 m3;阿根廷2011年实现产量200×104 m3,2014年达成3.05×108 m3;中国2012年实现产量2 500×104 m3,2014年为13.20×108 m3(图1-2)。页岩气这一非常规天然气的开发,似乎将天然气生产和消费推入了黄金时期。

图1-1 2011—2015年美国各类油气井年生产量比较

(U.S.Energy Information Administration,Natural Gas Annual 2015:1)
注:左轴刻度为美国各类油气井年生产量;右轴刻度为各类井生产量。

图1-2 全球页岩气生产情况

(Unconventional Gas Database)
注:左轴刻度为世界和美国页岩气年生产量;右轴刻度为加拿大、中国、阿根廷页岩气年生产量。

但页岩气的开发尚存在一定争议,环保人士认为,虽然页岩气使用中是低二氧化碳排放,但目前采用的水力压裂技术需要在开采中注入有毒的化学药剂,在钻井和水力压裂过程中,有10%~75%的水会流回到地表,这意味着毒水将污染土壤或江河,若排入地下,则污染地下水。因此,目前技术条件下的页岩气开采若不对废水加以处理,则会对环境(水资源)造成极大破坏。

此外,水资源的供应不能保障。页岩气的开采需要大量水,该条件很多地方满足不了。在美国,钻井需要(20~250)×104 L的水,而水力压裂环节的用水量高达(700~2 300)×104 L。在中国,页岩气资源大部分在北方,而水资源在南方,如何满足开采地大量的水资源需求?挤占灌溉水资源、工业用水和生活用水,会对地方经济造成破坏,给人民群众生活带来困难,若再不重视废水回收处理,还可能造成水资源短缺和水污染双重灾难。

如何控制废水的乱排或阻止废水回流入地下水对表面水源或地下水源造成污染?如何防止开采中气井的空烧对环境造成的破坏?这些问题引起了各国政府和国际社会的高度重视。

针对页岩气开发中存在的问题,2012年,国际能源机构(IEA)在《世界能源展望(特别报告)》(World Energy Outlook Special Report)中提出一个“天然气黄金时代的黄金法则”(Golden Rules for a Golden Age of Gas),要求产业布局、政府和其他利益攸关方在生产非常规天然气获取收入时应维护“社会许可”(social license)原则:(1)对开采中可能造成的环境破坏应采取必要的措施,及时披露生产情况并参与整治;(2)观察所钻探打井的地方是否会损害周围的环境,比如靠近河流、湖泊的地区;(3)隔离钻井,防止气体泄漏;(4)负责地对待开采中废水的处理问题;(5)消除排气,减少燃烧和其他有害物质排放;(6)有大的应急预案;(7)确保环境保护业绩持续高水平。为了推动各国政府、工业部门、非政府组织和其他关键利益相关者对上述建议的关注,国际能源机构董事会决定建立一个非常规天然气论坛。通过论坛,在全球范围内各国政府分享彼此的见解和监管措施,行业和其他关键利益相关者分享在确保经济、安全情况下提高产量的最佳实践,以推动页岩气开发“黄金法则”的实行。

页岩气开发的历史概述

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