页岩气发展的国际实践与中国式路径 编著 : 李博抒

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3 上海高校服务国家重大战略出版工程资助项目 图书在版编目 (CIP) 数据页岩气发展的国际实践与中国式路径 / 李博抒编著. 上海 : 华东理工大学出版社, ( 中国能源新战略 : 页岩气出版工程 ) ISBN 国 Ⅰ. 1 页 Ⅱ. 1 李 Ⅲ. 1 油页岩资源研究中 Ⅳ. 1TE155 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2017) 第 号 内容提要全书分两大部分共九章 第一部分为国外篇, 共分四章, 第一章系统地介绍了全球页岩气资源与开采 ; 第二章为 页岩气革命 的深刻影响 ; 第三章具体阐述了页岩气热潮背后的生态环境风险 ; 第四章是页岩气产业发展的国际经验及借鉴意义 第二部分为国内篇, 共分五章, 第五章系统地阐述了中国加快开发页岩气的战略意义 ; 第六章系统地介绍中国页岩气进展分析与产业展望 ; 第七章为中国页岩气环境之忧 ; 第八章是中国页岩气产业化发展的障碍 ; 第九章阐述了页岩气产业化发展的中国路径 本书可作为高等学校页岩气相关专业本科生 研究生的学习指导书, 也可作为从事页岩气生产和管理的人员的参考用书 项目统筹 / 周永斌 马夫娇 责任编辑 / 韩 婷 马夫娇 书籍设计 / 刘晓翔工作室 出版发行 / 华东理工大学出版社有限公司 地 址 : 上海市梅陇路 130 号, 电 话 : 网 址 : www. ecustpress. cn 邮 箱 : ecustpress. cn 印 刷 / 上海雅昌艺术印刷有限公司 开 本 / 710 mm 1000 mm 1 / 16 印 张 / 字 数 / 264 千字 版 次 / 2017 年 10 月第 1 版 印 次 / 2017 年 10 月第 1 次 定 价 / 元 版权所有 侵权必究

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7 II 页岩气发展的国际实践与中国式路径

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9 IV 页岩气发展的国际实践与中国式路径

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11 VI 页岩气发展的国际实践与中国式路径

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13 VIII 页岩气发展的国际实践与中国式路径

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15 X 页岩气发展的国际实践与中国式路径

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17 XII 页岩气发展的国际实践与中国式路径

18 前 言 近年来, 随着水平钻井和水力压裂等关键技术的突破, 美国率先实现了页岩气的商业化开发, 成为世界第一大天然气生产国, 并带动了页岩油的开采热潮 美国页岩油气的成功开发, 扭转了天然气长期依赖进口的局面并实现出口, 使得美国下游制造行业成本下降, 对从衰退中缓慢复苏的美国工业产生积极影响 同时, 削弱了中东地区和俄罗斯等能源大国的竞争力, 增强了美国在应对气候变化方面的主导权和话语权 页岩气革命 扩展到加拿大 波兰 英国 阿根廷 南非和中国等国家, 改变了世界天然气和能源市场格局 美国页岩气成功开发, 是在天然气领域采用市场化机制 政府有效监管 依靠利益驱动 政府资助研发, 以及具备成熟的油气服务体系 发达的天然气管网设施和风险投资市场等多种因素共同作用的结果 必须注意的是, 页岩气开发会对当地环境产生影响, 如对地表水和地下水的潜在污染 诱发地震的可能性及对气候变化 噪声 交通和土地使用影响 因此, 针对页岩气开发, 美国逐渐形成了独具特点的监管体系, 涵盖联邦 州和地方政府三个层次, 建立了明晰 可操作性强的规制框架, 并积累了丰富的最佳实践案例和经验, 如要求地质资料必须上交, 强制公开压裂液成分, 在进行钻井 压裂 水处理等关键开采活 前言

19 II 动之前必须经过许可 发挥公众监管能力 市场公平准入等 这些经验值得后发国 家学习借鉴 页岩气发展的国际实践与中国式路径 中国开发页岩气的重要性和紧迫感源自中国能源安全与环境保护的现实 以煤为主的能源消费结构对环境和公众健康造成重大威胁, 雾霾等极端天气在全国范围内频频出现, 中国节能减排任务进一步 加码 倒逼能源的绿色转型 因此, 加快中国页岩气开发具有重大战略意义, 能够直接增加中国天然气供应 优化能源结构 缓解减排压力 保障能源供应安全 提高能源利用效率 拉动油气装备制造业发展 带动基础设施建设, 以及培育下游相关产业新的经济增长点 以页岩气开发为抓手, 借助制度创新, 还有助于推动我国能源体制的深化改革 相比美国和加拿大, 当前中国页岩气产业虽在少数地区成功实现了商业化开发, 但整体而言仍处于发展的初级阶段 油气行业立法和标准尚不健全, 管理和监管机构职能分散, 多头管理, 相互之间缺乏有效的政策协调机制 ; 矿权管理方面进入 退出机制有待完善且执行不到位, 在 77% 的页岩气可采资源位于国有石油公司现有已登记矿权的常规油气区块的现实情况面前, 如何拿出更多的区块用以招标或者如何更大程度调动国有油公司开发页岩气的积极性成为制约页岩气发展的重要挑战, 否则将难以实现发展目标 同时, 我国环境监管能力一直比较薄弱, 相关配套环保法规政策和标准并不完善, 一旦大规模开发又不加以有效监管, 可能会引起更大的环境风险 此外, 页岩气市场化程度低也是阻碍中国页岩气开发的重要因素 页岩气开发本身就是一项高投入 高风险 长周期的投资活动 美国需要连续接替打上百口甚至上千口的页岩气井才能实现规模化量产, 投入高达数亿元 由于中国矿产资源投融资制度不完善, 能否在页岩气产业初期获得来自社会和金融机构的大量资本的支持, 成为中国页岩气能否持续发展的关键 在页岩气富集的中西部地区, 管网等基础设施建设严重不足且高度垄断互不开放, 难以满足页岩气开发对管网及配套设施的需求 未来中国页岩气大规模开采出来后, 如何进行下游市场利用的问题至今尚未明确 到底是集中进入天然气输送管网进行输配利用, 还是就近开展分布式利

20 III 用, 抑或是就地转化为 LNG CNG 输送和利用, 甚至出口等, 均缺乏明确而科学的前期规划 中国页岩气的地质构造 地表条件 资源潜力 天然气管网设施等与美国存在诸多差异, 美国的成功经验不能完全照搬, 需要结合中国实际情况来快速推进页岩气勘探开发 页岩气是新兴的能源产业, 中国要实现自己的 页岩气革命, 必须打破现有障碍, 在管理体制 矿权管理 环境监管 市场利用方面进行综合创新, 并从国家层面尽快做好页岩气发展的整体规划和顶层设计, 统一政府 企业认识, 汇聚各方力量, 加快改革, 创新发展 在吸收大量中外文献和数据资料的基础上, 本书系统阐述了 页岩气革命 给美国经济 社会和环境带来的巨大变化及其全球影响, 重点分析了美国页岩气勘探开发和利用的管理制度及监管体系, 以及加拿大 英国等其他国家的发展经验和教训 在此基础上, 结合能源学 环境经济学的基本理论和方法, 分析中国页岩气资源现状及政策环境, 探讨和提出了中国页岩气产业发展的实现路径及其政策建议 本书从构思 写作到最后成稿历时近 2 年, 是作者在分析 思考和吸收大量中外最新相关研究文献 公司案例和数据年鉴的基础上完成的, 尤其得益于在中国能源网研究中心工作期间主持参与相关课题的研究积累 在北大国家资源经济研究中心和环境科学与工程学院工作学习期间, 从事环境经济学研究, 更加深了对页岩气产业发展环境问题的认识 感谢中国能源网研究中心冯丽雯主任 韩晓平副主任, 国务院发展研究中心企业研究所张永伟副所长的巨大帮助, 他们不仅是作者进行页岩气研究最早的引路人, 其许多洞见也为本书提供了重要启迪 感谢北京大学张世秋教授和戴瀚程研究员, 两位良师的言传身教和学术造诣对作者的专业发展起到极为重要的作用, 谆谆教诲, 受益终身 本书在研究和写作过程中, 还得到了国内有关高校和科研院所 油气公司以及国外研究机构的无私帮助 在有关国家部委的大力支持下, 作者曾赴美国实地调研页岩气开发进展和监管经验, 有幸与美国能源部 环保署和一些州立监管部门的专家座谈 前言

21 IV 交流, 他们也为本书提供了许多第一手的资料和参考 在此向有关领导 专家和同行 谨致衷心的感谢! 页岩气发展的国际实践与中国式路径 中国页岩气开发正进入商业化开发阶段, 相关研究仍在继续, 学界和业界对一些重大问题仍存在争论, 随着研究的深入, 作者深感其中还会存在诸多不足, 加之研究水平所限, 书中难免有不当和错漏之处, 恳请读者和同行不吝赐教, 以便今后加以补充和修正 2017 年 5 月于北大环境大楼

22 目 录

23 VI 第一部分国外篇 页岩气发展的国际实践与中国式路径 第一章全球页岩气资源与开采 003 第一节 页岩气及其特征 004 一 概念 004 二 气藏开发特点 004 三 资源分布 007 第二节 世界页岩气开发历程与进展 008 一 北美 009 二 欧洲 049 三 拉丁美洲 055 四 亚太地区 057 五 非洲 059 第二章向全球蔓延的 页岩气革命 的深刻影响 061 第一节 对美国经济和能源政策的影响 062 一 改善美国能源安全 062 二 带来丰厚的商业价值 065 三 促进产业经济发展 068 四 重塑实体经济产业布局 072 第二节 对世界能源体系与地缘政治的影响 075 第三章页岩气热潮背后的生态环境风险 077 第一节页岩气勘探开发工艺 078 第二节生态环境风险 078

24 VII 一 水消耗与污染 080 二 土地占用和植被破坏 085 三 地震风险 085 四 温室气体泄漏 086 五 公共健康风险 089 第四章页岩气产业发展的国际经验及借鉴意义 091 第一节 北美页岩气革命的做法与经验 092 一 美国页岩气发展战略及措施 092 二 加拿大页岩气发展战略及措施 094 第二节 欧洲页岩气发展的经验与教训 097 一 波兰 097 二 英国 098 第三节 中美页岩气发展比较与启示 099 一 中美发展对比 099 二 对中国的启示 103 第二部分国内篇 第五章中国加快开发页岩气的战略意义 107 第一节 当前中国能源态势与发展趋向 108 第二节 页岩气在中国能源革命中的功能与定位 109 一 有利于调整能源结构 110 二 有助于提升油气开发勘采能力 114 三 有助于推进油气体制改革 119 四 影响其他能源行业变革 121 目录

25 VIII 第六章中国页岩气开发进展分析与产业展望 127 页岩气发展的国际实践与中国式路径 第一节 资源分布与特点 128 一 分布特点 128 二 资源特点 130 第二节 开发进展 133 一 总体情况 133 二 企业开发进展 134 三 政策规划 141 四 技术发展 145 第三节 市场结构 148 一 上游 149 二 中游 150 三 下游 150 第四节 未来前景 151 一 开发前景预测 151 二 商业投资机会与风险 152 第七章中国页岩气环境之忧 155 第一节 开采环境受限 156 一 水资源压力 156 二 土地破坏和地震风险 158 第二节 环保制度不足 158 一 现有水资源立法不足 158 二 土壤污染防治立法空白 162 三 化学品环境管理立法空白 162 四 环境信息公开立法空白 163

26 IX 第三节 环境管理及其制度缺陷 163 一 现行环境监管和法律制度分析 163 二 水资源管理框架 167 三 现行环境法律存在的问题 168 第八章中国页岩气产业化发展的障碍 171 第一节 前两轮招标经验总结 172 第二节 资源勘查及评价基础工作不到位 173 第三节 关键技术有待进一步突破 174 第四节 上游勘采成本高 175 第五节 缺乏充分竞争的市场环境 175 第六节 管理体制与监管方面存在的问题 183 第九章页岩气产业化发展的中国路径 189 第一节 以页岩气重点资源区域开发为开端与示范 190 第二节 鼓励研发与技术创新降低开发成本 195 第三节 健全法律法规和管理体制机制 196 第四节 创新页岩气矿权管理及监管框架 202 第五节 完善环境监管和加强环保制度建设 205 第六节 创新有别于传统油气的页岩气市场化开发模式 209 参考文献 216 附录 Ⅰ 美国宾夕法尼亚州公有林地租赁合同 225 附录 Ⅱ 美国宾州森林土地石油和天然气活动管理准则 233 目录

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28 页岩气发展的国际实践与中国式路径

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30 第一部分 国外篇

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32 第一章 第一节 页岩气及其特征 004 一 概念 全球页岩气 资源与开采 004 二 气藏开发特点 007 三 资源分布 第二节 世界页岩气开发历程与进展 009 一 北美 049 二 欧洲 055 三 拉丁美洲 057 四 亚太地区 059 五 非洲 全球页岩气资源与开采

33 0 0 4 第一节 页岩气及其特征 页岩气发展的国际实践与中国式路径 一 概念 第一章 页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中, 以吸附或游离状态为主要存在方 式的非常规天然气, 成分以甲烷为主, 如图 1 1 所示 页岩气的主要特点是以热解或 生物成因为主, 主要以吸附状态和游离状态两种形式存在于页岩孔隙 裂隙中 图 1 1 非常规天然气与常规天然气的形成 ( 江怀友,2011) 1 二 气藏开发特点 常规天然气一般赋存于圈闭内物性较好的储层中, 不经过改造就能开发生产和 利用, 而非常规天然气则对技术要求较高, 开采相对困难, 如图 1 2 所示, 具体区别 见表 英里 (mi) = 千米 (km)

34 0 0 5 图 1 2 常规与非常规油气的对比 ( 汪民等,2012) 12 表 1 1 常规天然气与非常规天然气对比表 ( 汪民等, 2012) 对比项目常规天然气页岩气 界定浮力作用影响下, 聚集于储层顶部的天然气 主要以吸附和游离两种状态聚集于泥 / 页岩系中的天然气 主要成分 甲烷为主, 乙烷 丙烷等含量变化较大 甲烷为主, 少量乙烷 丙烷 储层介质 孔隙性砂岩 裂缝性碳酸盐岩等 页 / 泥岩及期间砂质夹层 赋存状态 各种圈闭的顶部高点, 不考虑吸附影响因素 20%~80% 为吸附, 其余为游离和水溶 成藏特点 生 储 盖合理组合 自生 自储 自保 储层结构及条件 多为单孔隙结构, 双孔隙结构低渗 : K 为 0. 1 ~ 50 md 中渗 : K 为 50 ~ 300 md 高渗 : K >300 md 纳米级孔隙低孔 低渗特征 ϕ 为 4%~6% K < md 分布特点构造较高部位的多种闭圈盆地古沉降沉积中心及斜坡 埋深埋深有深有浅, 一般大于 m 埋深有深有浅 成藏及勘探有利区正向构造 ( 圈闭 ) 的高部位 m 以浅的页岩裂缝带 开采技术工艺 较简单常规工艺技术 主要有水平井 + 多段压裂技术 清水压裂技术 同步压裂技术等 井距井距大, 可采用单井, 一般用少量生产井开采必须采用井网, 井的数量较多 初期单井产量高低 生产特点 采收率高, 初始产气量大, 随时间而降低, 无水或很少水产出, 气 / 水随时间而减少 采收率低, 生产周期长, 无水或很少水产出, 气产量随时间增加, 直至达最大值, 然后下降 桶 (bbl) = 立方米 (m 3 ) 1 D = md = 1 μm 2 = m 2 全球页岩气资源与开采

35 0 0 6 页岩气藏具有自生自储 无气水界面 大面积连续成藏 低孔及低渗等特征, 必须 采用先进的储层改造工艺才能实现商业性开发 具体来说, 页岩气藏储层介质具有 低孔低渗 特征 : 1 页岩气主要是以吸附状态存在 ;2 赋存不需要其他岩性作为盖 页岩气发展的国际实践与中国式路径 层, 气藏形成无明显圈闭界限, 气藏范围几乎与生气源岩面积相等 ;3 页岩气资源呈大 面积连续分布状态, 资源丰度低 非均质性强, 往往仅局部有 甜点 第一章 基于页岩气藏的上述特征, 页岩气开采需要打水平井与实施压裂工程, 而常规天 然气田相对容易开采, 可能并不需要打水平井及压裂 页岩气开发的工艺流程主要包 括 5 个环节 ( 图 1 3), 即 : 1 钻竖直井到页岩层 ;2 钻水平井进入页岩储气层 ;3 向 页岩气井中注入由水 砂及化学添加剂特定配比而成的高压混合液 ;4 进行水力压裂, 扩大岩层缝隙 ;5 抽采页岩气到地表 图 1 3 页岩气开发 流程 ( 据中国能源网研 究中心 ) 页岩气开发的关键是 采 页岩气藏的特征决定了页岩气开发具有单井产量低 采收率低 投入高 产量递减快 生产周期长等特点, 这就使得在开采过程中只有打大 量的气井, 通过接替生产以产生规模效应后才能形成稳定的投资回报, 开发初期和单

36 0 0 7 井小规模难以形成稳定的投资回报 由此可见, 页岩气产业化开发的有效模式关键是形成规模化 采 气, 而不像常规天然气开发, 是否投入产业化开发的关键是 找 气 这也就使得页岩气开发在核心技术 投资需求 监管模式及风险特性等方面都有不同于常规天然气的发展规律 三 资源分布 从资源角度看, 全球页岩气储量丰富, 勘探和开发程度较低, 发展潜力巨大 据美国能源信息署 (Energy Information Administration,EIA)2013 年的评估, 全球页岩气资源量高达 m 3, 如图 1 4 ~ 图 1 6 所示 随着技术的不断进步, 全球页岩气技术可采储量从 2011 年的 m 3, 增长到 2013 年的 m 3, 且美国排名变动较大, 由之前的世界第二跌至第四的位置, 阿尔及利亚则由世界第九上升至世界第三的位置 除美国和加拿大已经成功开展页岩气商业化开发外, 世界许多国家也已经开始了页岩气的勘探开发工作 图 1 4 各大洲页岩气储量 ( 据美国能源信息署 美国地质勘探局 先进资源研究所,2013) 全球页岩气资源与开采

37 0 0 8 页岩气发展 图 1 5 全球页岩气分布图 ( 据美国能源信息署 美国地质勘探局 先进资源研究所,2013) 的国际实践与中国式路径第一章 图 1 6 全球主要国家 ( 地区 ) 页岩气可采量 ( 据美国能源信息署 美国地质勘探局 先进资源研究所,2013) 第二节 世界页岩气开发历程与进展 进入 21 世纪以来, 石油资源短缺已成为制约全球经济发展的共同难题, 世界各国

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