頁巖氣（Sha Legasse）它是一種非常規(guī)天然氣，以吸附態(tài)或游離態(tài)存在于富含有機質的頁巖及其夾層中主要成分是甲烷和少量乙烷、丙烷、氮氣、二氧化碳等，很少含有HS氣體。頁巖氣可以是生物氣或熱成因氣，也可以是生物氣和熱成因氣的混合物。生物氣是埋藏階段早期成巖作用中厭氧微生物分解或現(xiàn)代富菌降水侵入形成的熱成因氣是由干酪根在深埋或高溫下的熱降解或低成熟生物氣的二次裂解產生的，即使石油和瀝青達到高成熟時也是如此。成因多樣性的特征拓展了頁巖氣聚集的邊界，擴大了頁巖氣聚集和分布的范圍世界上頁巖氣主要分布在中國、阿根廷、阿爾及利亞、美國、加拿大。頁巖氣是一種清潔能源、高效能源和化工原料。可用于制備合成油、提取裂解原料、化學品的制備也可用于發(fā)電和制備碳納米管、納米碳纖維或納米碳顆粒等。

發(fā)現(xiàn)歷程

自1821年美國阿帕拉州Chia盆地成功鉆探第一口頁巖氣井以來，頁巖氣開采已有近200年的歷史。然而，在20世紀90年代初，隨著密度（巖石）隨著天然氣和煤層氣地位的上升，頁巖氣的地位逐漸下降。21世紀，隨著頁巖氣地質和開發(fā)理論的創(chuàng)新以及勘探開發(fā)關鍵技術的快速發(fā)展，頁巖氣開采進入了快速發(fā)展階段。

開采歷史

美國是世界上最早開采頁巖氣的國家，其開采歷史可以追溯到1821年然而，頁巖致密滲透率低的特點給頁巖氣的開采帶來了困難、成本高1976年，美國能源部啟動了東部頁巖氣項目、地球化學和石油工程開始進行系統(tǒng)研究，密歇根盆地泥盆系安特里姆頁巖分別被發(fā)現(xiàn)、阿巴拉契亞盆地的泥盆系俄亥俄頁巖、伊利諾伊州的泥盆系是新的頁巖、FortWorth盆地有五個頁巖氣系統(tǒng)，如密西西比州的Barnett頁巖和SanJuan盆地的Lewis頁巖截至2002年，在美國按年產量排名的12個最大的氣田中，有4個氣田采用頁巖氣生產。

加拿大是繼美國之后第二個實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開采的國家，2010年產量已達134億立方米。歐洲的頁巖氣主要集中在英國的懷爾德盆地、波蘭 波羅的海南部盆地、德國的下薩克森盆地、匈牙利的櫻井真子峽谷、法國的東巴黎盆地、奧地利的維也納盆地和瑞典的寒武紀明礬盆地等。全球已有30多個國家開始了頁巖氣的勘探開發(fā)，但北美以外國家的頁巖氣開發(fā)仍處于起步階段。

中國近年來的頁巖氣繁榮始于2005年。中國石油天然氣股份有限公司、中國石油化工股份有限公司、國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心、中國地質大學（北京）和其他單位借鑒了北美的成功經驗，重新審視老井、在區(qū)域地質調查的基礎上，對中國陸上頁巖氣地層的地質條件和資源潛力進行了評價，并在頁巖氣遠景區(qū)開展了淺層地質井、參數(shù)井和地震勘探，獲取頁巖氣評價關鍵參數(shù)，評價優(yōu)選頁巖氣有利區(qū)帶，鉆探頁巖氣評價井，實現(xiàn)我國頁巖氣勘探初步突破。2023年12月，涪陵頁巖氣田被燒到第6頁-2HF井累計產量超過4億立方米，創(chuàng)下中國頁巖氣累計產量紀錄。

形成原因

頁巖氣可以是生物氣或熱成因氣，也可以是生物氣和熱成因氣的混合物。生物氣是埋藏階段早期成巖作用中厭氧微生物分解或現(xiàn)代富菌降水侵入形成的熱成因氣是由干酪根在深埋或高溫下的熱降解或低成熟生物氣的二次裂解產生的，即使石油和瀝青達到高成熟時也是如此。成因多樣性特征延伸了頁巖氣成藏邊界，擴大了頁巖氣成藏和分布范圍，使得傳統(tǒng)的非油氣勘探有利區(qū)帶需要重新審視，并可能獲得工業(yè)油氣勘探突破的重要保障。

生物成因氣

生物氣是埋藏階段早期成巖作用中厭氧微生物分解或現(xiàn)代富含細菌的大氣降水侵入形成的。在這個階段，細菌是產生甲烷的必要條件。生物氣在世界天然氣中占很大比例美國天然氣總資源豐富，但地層條件相對較差。以下條件必須同時滿足，二者缺一不可。

1）富含有機質的烴源巖是細菌工作的原料，但缺氧、低硫酸和低溫工作環(huán)境是細菌生存的外部環(huán)境沒有細菌，一切都無從談起，埋藏時間長是細菌完成大量工作的前提。

2）在此基礎上，真菌的繁殖需要一定的繁殖空間。由于富含有機質的頁巖顆粒太小，所能提供的孔隙空間非常有限，此時頁巖中發(fā)育的微裂縫就顯得尤為重要。

只有具備以上一系列的惡劣條件，細菌才能有條不紊的工作。不同類型的細菌在烴源巖有機質分解中起著不同的作用?？偟膩碚f，生物發(fā)生主要通過兩個化學反應來實現(xiàn)：第一個是醋酸發(fā)酵，第二個是二氧化碳還原。

熱成因氣

熱氣體埋藏很深、干酪根是由較高溫度下的熱降解或低成熟生物氣的二次裂解產生的，即使當石油和瀝青達到高成熟時也是如此。頁巖中有三種形成熱成因氣的方式：首先，干酪根分解生成天然氣和有機瀝青質；其次，有機瀝青質分解生成天然氣和液態(tài)油；最后，液態(tài)油經過二次裂解生成天然氣、高碳含量的焦炭或瀝青殘渣。最后一種方法主要取決于油氣系統(tǒng)中液體油的剩余量和儲層的吸附能力。

綜合來看，頁巖氣的形成是熱力和生物成因共同作用的結果。有機質的豐度和類型對頁巖氣的形成非常重要。與此同時，溫度、壓力和還原環(huán)境也是頁巖氣形成的必要條件。

元素組成

頁巖氣是指賦存于富含有機質的頁巖及其夾層中的非常規(guī)天然氣，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式。其主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大部分，還有少量乙烷、丙烷、丁烷和戊烷，通常含有硫化氫、二氧化碳、氮氣和微量氣體，如氨氣和氬氣。

基本特征

地質特征：頁巖氣藏、煤層氣藏和致密砂巖氣藏并稱為三大非常規(guī)氣藏，其天然氣具有大量滯留在烴源巖中的典型特征“自生自儲”運移距離極短。頁巖儲層滲透率極低，典型的頁巖滲透率為100~0.01mD，頁巖的孔隙度通常只有3%~5%常規(guī)致密氣藏的孔隙結構在微米量級以上，而含氣頁巖的孔隙結構一般在微米至納米范圍內。頁巖氣和常規(guī)天然氣藏最顯著的區(qū)別在于，它是一個自給自足的系統(tǒng)。頁巖不僅是氣源巖，也是儲層和蓋層。此外，傳統(tǒng)天然氣和頁巖氣之間的其他差異包括：①液態(tài)烴熱解產生的甲烷干氣可能主要存在于頁巖氣中；②常規(guī)天然氣從氣源巖運移至砂巖或碳酸鹽巖儲層的圈閉中。頁巖基質滲透率極低，天然氣產自頁巖本身，是吸附氣、游離氣體和溶解氣體等“原地”富含頁巖儲層。頁巖氣可以以游離狀態(tài)存在于天然裂縫和孔隙中，也可以以吸附狀態(tài)存在于干酪根中、在粘土顆粒表面，極少量以溶解狀態(tài)儲存在干酪根和瀝青質中，游離氣的比例一般為20%～85%。

狀態(tài)特征

頁巖氣的狀態(tài)多樣，大部分以吸附狀態(tài)存在于有機顆粒和粘土礦物表面，是吸附氣；或者以游離狀態(tài)存在于頁巖孔隙和裂縫中，稱為游離氣；少量以溶解狀態(tài)存在于干酪根中（kerogen)瀝青和結構水是溶解氣體。

開采特征

頁巖氣生產過程中一般不需要排水，開采周期也比較長一般開采期為30至50年，甚至更長。頁巖氣開采難度大，技術要求高，采收率低、投入高、產量迅速下降。

成藏過程

生烴過程中的頁巖氣成藏、排烴過程、整個運移聚集和儲存過程都是在烴源巖中完成的，因此頁巖氣藏屬于“自生自儲”式氣藏。頁巖氣成藏過程一般有四個階段：

第一階段是天然氣的生成和吸附，該階段形成的頁巖氣藏具有類似于煤層氣的成藏機制；第二階段是吸附氣量（包括部分溶解的氣體體積）當達到飽和時，剩余氣體被解吸或直接充入頁巖基質的孔隙中（不排除有少量直接進入微裂紋）其富集機制類似于天然氣在孔隙性儲層中的聚集；第三階段是頁巖基質孔隙中的溫度，產生大量氣體、隨著壓力的增加，巖石會發(fā)生裂縫，天然氣會以游離狀態(tài)進入頁巖裂縫，形成儲層；第四階段是天然氣最終以吸附氣和游離氣的形式富集形成頁巖氣藏，即頁巖氣成藏階段。

全球頁巖氣可采資源/儲量為2.145×1014 cubic meters。這個儲量是按照2020年的天然氣消費量計算的，相當于61年全球天然氣消費總量。到2020年，世界上頁巖氣儲量最大的國家是中國，其儲量將達到3.16×1013m3，其次是阿根廷（2.27×1013 cubic meters）阿爾及利亞（2.0×1013 cubic meters）美國（1.77×1013 cubic meters）加拿大（1.62×1013 cubic meters）這些國家也是頁巖氣的主要分布區(qū)。

北美是世界上頁巖氣產量最大的地區(qū)。與開采技術領先的北美相比，中國頁巖氣的開采起步較晚，但經過多年的勘探開發(fā)實踐，頁巖氣的勘探開發(fā)取得了重大突破。截至2016年，四川盆地及周邊地區(qū)海相地層已探明頁巖氣儲量7643億m3。其中，重慶涪陵已探明頁巖氣儲量6008億m3，是北美以外最大的頁巖氣田。中國從2010年開始生產頁巖氣，到2017年，頁巖氣產量達到91億m3，僅次于美國和加拿大。

頁巖氣的開發(fā)過程主要包括五個階段：第一階段是鉆前工程，主要是臨時施工、道路等現(xiàn)場工程；第二階段是鉆井工程，包括垂直鉆井和水平鉆井垂直鉆井可以了解頁巖氣儲層的特征，水平鉆井可以揭露更多的儲層，獲得更高的產量；第三階段是完井壓裂階段，主要是套管和水泥固井完井，水力壓裂壓裂頁巖氣層；第四階段是回流階段，主要是收集、返排到地面的壓裂液的儲存和處理；第五階段是生產階段，主要負責生產、儲存和運輸開采的頁巖氣。

地震勘探技術：地震勘探技術包括三維地震技術和鉆孔地震技術。三維地震技術有助于準確理解復雜構造、儲層非均質性和裂縫發(fā)育帶，提高探井或開發(fā)井的成功率。井震技術是以地面地震技術為基礎的“高分辨率、高信噪比、高保真”發(fā)展的地球物理手段。在石油和天然氣勘探和開發(fā)中，將進行鉆探、測井和地震技術很好地結合起來，成為一個有機的連接鉆井、利用測井資料和地面地震資料綜合解釋儲層的有效方法。

頁巖氣

鉆井技術：頁巖氣先后經歷了直井、單支水平井、多分支水平井、叢式井、叢式水平井的開發(fā)，在2002年之前，直井是美國頁巖氣開發(fā)的主要鉆井方式。

測井技術：可用于含氣頁巖儲層的測井識別、總有機碳（TOC）含量和熱成熟度（Ro）指標計算、頁巖孔隙度和裂縫參數(shù)的評價、頁巖儲層含氣飽和度的估算、頁巖滲透性評價、頁巖礦物成分的測定、頁巖力學參數(shù)的計算。頁巖氣含量測井及現(xiàn)場測試技術：頁巖孔隙度低，主要為裂縫和微孔，大部分頁巖氣處于游離狀態(tài)、取心鉆井時有吸附態(tài)和解離態(tài)的頁巖氣逸出到井筒中，主要是測定巖心中吸附氣體的含量。在測井過程中，需要現(xiàn)場測量頁巖氣含量、接受重要數(shù)據(jù)，如頁巖解吸和吸附。這些數(shù)據(jù)對頁巖資源評價具有重要意義。針對頁巖氣鉆井對測井的影響，可以改進測井設備、方法和措施，實現(xiàn)整體、準確記錄數(shù)據(jù)的目的。

固井技術：巖氣固井水泥漿主要包括泡沫水泥、酸溶性水泥、泡沫酸溶性水泥和火山灰H級水泥（這種水泥對原料、對燃料質量和生產工藝的要求相對寬松，水泥的比表面積只有270~300m2/kg）等4種類型。其中火山灰H級水泥成本最低，泡沫酸溶水泥和泡沫水泥成本相當，高于其他兩種水泥，是火山灰H級水泥成本的1.45倍。

完井技術：主要包括套管固井后的射孔和完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井、組合式橋塞完井、機械聯(lián)合完井等。完成方式的選擇會影響項目的復雜程度、后期壓裂作業(yè)的成本和效果。

頁巖氣開發(fā)的潛在環(huán)境風險是制約頁巖氣發(fā)展的主要因素之一。頁巖氣開發(fā)帶來的環(huán)境問題主要來自兩個方面：一方面，頁巖氣資源不像常規(guī)氣藏那樣集中要達到一定的開采量，工業(yè)運行的規(guī)模要遠大于生產同等量的常規(guī)天然氣大規(guī)模頁巖氣開發(fā)可能會對當?shù)赝恋乩煤途用癞a生巨大影響生命；另一方面，頁巖氣開采主要依靠水力壓裂技術，對當?shù)氐乇硭偷叵滤斐捎绊?、空氣中有潛在的污染威脅。

對水資源的影響：頁巖氣開發(fā)會對水資源產生一些影響，主要來自頁巖氣開發(fā)的核心技術，——水力壓裂技術。在水力壓裂作業(yè)中，混合化學添加劑（包括緩蝕劑、抗菌劑、防垢劑和其他有害成分）的大量水及泥沙（壓裂液）通過高壓注入地下油井，壓裂巖石、建造膨脹裂縫，以便天然氣可以流入井內進行收集。這項技術帶來了兩個主要問題：一是水資源的大量消耗；第二，產生的廢水可能污染地下水和地表水。

溫室氣體排放：頁巖氣的開發(fā)利用會產生甲烷等溫室氣體排放。甲烷不僅造成局部空氣污染，而且是高強度溫室氣體，其溫室效應是二氧化碳的25倍。在頁巖氣的開發(fā)過程中，大約有1.19%甲烷泄漏主要來自水力壓裂作業(yè)后大量壓裂液和產出水返流到地面，其中也有部分甲烷產生；再考慮加工、燃氣輸配環(huán)節(jié)，整個開發(fā)過程中的泄漏量約為2.01%

生態(tài)環(huán)境影響：頁巖氣開發(fā)對區(qū)域生態(tài)和環(huán)境也有一些負面影響，主要包括占地、交通（道路破壞）等。土地占用與污染：通常陸上常規(guī)氣田每10平方公里不到一口氣井，而頁巖氣田同一區(qū)域的氣井數(shù)量可能超過10口。除了頁巖氣井建設所需的土地，配套道路、儲水罐和輸氣設施也需要土地。同時，開發(fā)過程中產生的廢水、廢物處理不當可能會污染附近的土壤。例如，美國賓夕法尼亞州的鉆井活動引起了人們對土地破碎和生物多樣性喪失的擔憂。

交通道路損毀：頁巖氣井一般位于偏遠地區(qū)，道路多為縣道、鄉(xiāng)道等低等級公路路況較差、易損毀。頁巖氣鉆井設備、遠離水源地的壓裂開發(fā)水需要集中處理的廢水未接入管網的采出氣需要大貨車運輸，可能會造成非常嚴重的路面損壞，影響周邊地區(qū)居民的生活。

合成油的制備：因為頁巖氣和常規(guī)天然氣的基本成分是一樣的，所以頁巖氣也可以用來制備合成油，也就是氣制油（GTL)氣制油是高效利用天然氣的重要途徑，因為它不含硫、氮、鎳雜質芳烴等成分是一種清潔能源，可以滿足現(xiàn)代社會對油品的苛刻要求。柴油是氣制油廠的主要產品，幾乎不含硫，十六烷含量為70%80%與常規(guī)煉油廠的清潔柴油相比，氣制柴油的性能要好得多，其規(guī)格甚至可以超過歐盟的超清潔柴油。頁巖氣的開發(fā)利用有利于緩解石油、天然氣、煤炭等能源資源短缺，增加清潔能源供給是常規(guī)能源的重要補充。

提取裂解原料：頁巖氣中的乙烷、丙烷、丁烷屬于低碳烷烴，具有良好的裂解特性，是優(yōu)質的裂解原料。如果將其從頁巖氣中回收并送至乙烯裝置裂解，可明顯降低乙烯裝置的生產成本和能耗，提高乙烯工業(yè)的經濟效益。世界上從天然氣中提取的凝析油有很多種（除甲烷外的低碳烷烴）這些工藝的主要產品是液化天然氣，副產品是凝析油，乙烷回收率可達90%以上。

制備化學品：頁巖氣制氫氣：有兩種制備氫氣的方法：一種方法是制備合成氣（H2和一氧化碳的混合物）進而得到氫氣；另一種方法是通過甲烷的催化裂解獲得氫氣。甲烷相對來說是惰性的，它的激活需要苛刻的條件。頁巖氣制合成氨（尿素）頁巖氣首先經過脫硫過程除去各種硫化物，然后與蒸汽混合預熱，再在一段轉化爐的反應管中進行轉化反應，生成合成氣和CO2，同時還有未轉化的CH4和蒸汽CO和CO2通過甲烷化被除去，最后它將含有少量的CH4、Ar的H2、N2被壓縮到高壓狀態(tài)，送入合成塔進行合成氨反應。

頁巖氣制甲醇：隨著甲醇制烯烴技術的發(fā)展和應用，國內外市場對甲醇的需求日益增加。合成氣制甲醇是目前甲醇工業(yè)生產的主要方法。甲烷和水直接合成甲醇和氫氣是頁巖氣資源和氫氣綠色開發(fā)利用的有效途徑。

頁巖氣制乙烯：將頁巖氣中的甲烷轉化為乙烯將成為未來頁巖氣的主要利用方式。由甲烷制備乙烯的方法分為一步、二步法、三步法。一步法主要包括氧化偶聯(lián)法和選擇性氧化法中國在氧化偶聯(lián)法制備乙烯方面處于國際領先水平。兩步法則主要包括合成氣路線、氧化路線和氯化路線還不夠成熟，不能滿足工業(yè)要求。三步法分為甲醇路線、二甲醚路線、乙醇路線，其中甲醇路線是應用最廣泛的工藝。

頁巖氣制芳烴：甲烷催化轉化為芳烴可以大大提高頁巖氣的商業(yè)價值。目前，甲烷轉化為芳烴的方法主要有部分氧化法和厭氧脫氫法。而部分氧化法甲烷轉化率低，芳烴選擇性回收率低，而且會產生大量二氧化碳，對環(huán)境不友好甲烷無氧脫氫芳構化已成為甲烷利用研究的一個重要分支，但離應用還很遠。

其他領域：頁巖氣不僅用于提取裂解原料、除了制備合成油和化學品，還可以用來發(fā)電和制備碳納米管、納米碳纖維或納米碳顆粒等。