页岩气

页岩气（Sha Legasse）它是一种非常规天然气，以吸附态或游离态存在于富含有机质的页岩及其夹层中主要成分是甲烷和少量乙烷、丙烷、氮气、二氧化碳等，很少含有HS气体。页岩气可以是生物气或热成因气，也可以是生物气和热成因气的混合物。生物气是埋藏阶段早期成岩作用中厌氧微生物分解或现代富菌降水侵入形成的热成因气是由干酪根在深埋或高温下的热降解或低成熟生物气的二次裂解产生的，即使石油和沥青达到高成熟时也是如此。成因多样性的特征拓展了页岩气聚集的边界，扩大了页岩气聚集和分布的范围世界上页岩气主要分布在中国、阿根廷、阿尔及利亚、美国、加拿大。页岩气是一种清洁能源、高效能源和化工原料。可用于制备合成油、提取裂解原料、化学品的制备也可用于发电和制备碳纳米管、纳米碳纤维或纳米碳颗粒等。

发现历程

自1821年美国阿帕拉州Chia盆地成功钻探第一口页岩气井以来，页岩气开采已有近200年的历史。然而，在20世纪90年代初，随着密度（岩石）随着天然气和煤层气地位的上升，页岩气的地位逐渐下降。21世纪，随着页岩气地质和开发理论的创新以及勘探开发关键技术的快速发展，页岩气开采进入了快速发展阶段。

开采历史

美国是世界上最早开采页岩气的国家，其开采历史可以追溯到1821年然而，页岩致密渗透率低的特点给页岩气的开采带来了困难、成本高1976年，美国能源部启动了东部页岩气项目、地球化学和石油工程开始进行系统研究，密歇根盆地泥盆系安特里姆页岩分别被发现、阿巴拉契亚盆地的泥盆系俄亥俄页岩、伊利诺伊州的泥盆系是新的页岩、FortWorth盆地有五个页岩气系统，如密西西比州的Barnett页岩和SanJuan盆地的Lewis页岩截至2002年，在美国按年产量排名的12个最大的气田中，有4个气田采用页岩气生产。

加拿大是继美国之后第二个实现页岩气商业化开采的国家，2010年产量已达134亿立方米。欧洲的页岩气主要集中在英国的怀尔德盆地、波兰 波罗的海南部盆地、德国的下萨克森盆地、匈牙利的樱井真子峡谷、法国的东巴黎盆地、奥地利的维也纳盆地和瑞典的寒武纪明矾盆地等。全球已有30多个国家开始了页岩气的勘探开发，但北美以外国家的页岩气开发仍处于起步阶段。

中国近年来的页岩气繁荣始于2005年。中国石油天然气股份有限公司、中国石油化工股份有限公司、国土资源部油气资源战略研究中心、中国地质大学（北京）和其他单位借鉴了北美的成功经验，重新审视老井、在区域地质调查的基础上，对中国陆上页岩气地层的地质条件和资源潜力进行了评价，并在页岩气远景区开展了浅层地质井、参数井和地震勘探，获取页岩气评价关键参数，评价优选页岩气有利区带，钻探页岩气评价井，实现我国页岩气勘探初步突破。2023年12月，涪陵页岩气田被烧到第6页-2HF井累计产量超过4亿立方米，创下中国页岩气累计产量纪录。

形成原因

页岩气可以是生物气或热成因气，也可以是生物气和热成因气的混合物。生物气是埋藏阶段早期成岩作用中厌氧微生物分解或现代富菌降水侵入形成的热成因气是由干酪根在深埋或高温下的热降解或低成熟生物气的二次裂解产生的，即使石油和沥青达到高成熟时也是如此。成因多样性特征延伸了页岩气成藏边界，扩大了页岩气成藏和分布范围，使得传统的非油气勘探有利区带需要重新审视，并可能获得工业油气勘探突破的重要保障。

生物成因气

生物气是埋藏阶段早期成岩作用中厌氧微生物分解或现代富含细菌的大气降水侵入形成的。在这个阶段，细菌是产生甲烷的必要条件。生物气在世界天然气中占很大比例美国天然气总资源丰富，但地层条件相对较差。以下条件必须同时满足，二者缺一不可。

1）富含有机质的烃源岩是细菌工作的原料，但缺氧、低硫酸和低温工作环境是细菌生存的外部环境没有细菌，一切都无从谈起，埋藏时间长是细菌完成大量工作的前提。

2）在此基础上，真菌的繁殖需要一定的繁殖空间。由于富含有机质的页岩颗粒太小，所能提供的孔隙空间非常有限，此时页岩中发育的微裂缝就显得尤为重要。

只有具备以上一系列的恶劣条件，细菌才能有条不紊的工作。不同类型的细菌在烃源岩有机质分解中起着不同的作用。总的来说，生物发生主要通过两个化学反应来实现：第一个是醋酸发酵，第二个是二氧化碳还原。

热成因气

热气体埋藏很深、干酪根是由较高温度下的热降解或低成熟生物气的二次裂解产生的，即使当石油和沥青达到高成熟时也是如此。页岩中有三种形成热成因气的方式：首先，干酪根分解生成天然气和有机沥青质；其次，有机沥青质分解生成天然气和液态油；最后，液态油经过二次裂解生成天然气、高碳含量的焦炭或沥青残渣。最后一种方法主要取决于油气系统中液体油的剩余量和储层的吸附能力。

综合来看，页岩气的形成是热力和生物成因共同作用的结果。有机质的丰度和类型对页岩气的形成非常重要。与此同时，温度、压力和还原环境也是页岩气形成的必要条件。

元素组成

页岩气是指赋存于富含有机质的页岩及其夹层中的非常规天然气，以吸附或游离状态为主要存在方式。其主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大部分，还有少量乙烷、丙烷、丁烷和戊烷，通常含有硫化氢、二氧化碳、氮气和微量气体，如氨气和氩气。

基本特征

地质特征：页岩气藏、煤层气藏和致密砂岩气藏并称为三大非常规气藏，其天然气具有大量滞留在烃源岩中的典型特征“自生自储”运移距离极短。页岩储层渗透率极低，典型的页岩渗透率为100~0.01mD，页岩的孔隙度通常只有3%~5%常规致密气藏的孔隙结构在微米量级以上，而含气页岩的孔隙结构一般在微米至纳米范围内。页岩气和常规天然气藏最显著的区别在于，它是一个自给自足的系统。页岩不仅是气源岩，也是储层和盖层。此外，传统天然气和页岩气之间的其他差异包括：①液态烃热解产生的甲烷干气可能主要存在于页岩气中；②常规天然气从气源岩运移至砂岩或碳酸盐岩储层的圈闭中。页岩基质渗透率极低，天然气产自页岩本身，是吸附气、游离气体和溶解气体等“原地”富含页岩储层。页岩气可以以游离状态存在于天然裂缝和孔隙中，也可以以吸附状态存在于干酪根中、在粘土颗粒表面，极少量以溶解状态储存在干酪根和沥青质中，游离气的比例一般为20%～85%。

状态特征

页岩气的状态多样，大部分以吸附状态存在于有机颗粒和粘土矿物表面，是吸附气；或者以游离状态存在于页岩孔隙和裂缝中，称为游离气；少量以溶解状态存在于干酪根中（kerogen)沥青和结构水是溶解气体。

开采特征

页岩气生产过程中一般不需要排水，开采周期也比较长一般开采期为30至50年，甚至更长。页岩气开采难度大，技术要求高，采收率低、投入高、产量迅速下降。

成藏过程

生烃过程中的页岩气成藏、排烃过程、整个运移聚集和储存过程都是在烃源岩中完成的，因此页岩气藏属于“自生自储”式气藏。页岩气成藏过程一般有四个阶段：

第一阶段是天然气的生成和吸附，该阶段形成的页岩气藏具有类似于煤层气的成藏机制；第二阶段是吸附气量（包括部分溶解的气体体积）当达到饱和时，剩余气体被解吸或直接充入页岩基质的孔隙中（不排除有少量直接进入微裂纹）其富集机制类似于天然气在孔隙性储层中的聚集；第三阶段是页岩基质孔隙中的温度，产生大量气体、随着压力的增加，岩石会发生裂缝，天然气会以游离状态进入页岩裂缝，形成储层；第四阶段是天然气最终以吸附气和游离气的形式富集形成页岩气藏，即页岩气成藏阶段。

全球页岩气可采资源/储量为2.145×1014 cubic meters。这个储量是按照2020年的天然气消费量计算的，相当于61年全球天然气消费总量。到2020年，世界上页岩气储量最大的国家是中国，其储量将达到3.16×1013m3，其次是阿根廷（2.27×1013 cubic meters）阿尔及利亚（2.0×1013 cubic meters）美国（1.77×1013 cubic meters）加拿大（1.62×1013 cubic meters）这些国家也是页岩气的主要分布区。

北美是世界上页岩气产量最大的地区。与开采技术领先的北美相比，中国页岩气的开采起步较晚，但经过多年的勘探开发实践，页岩气的勘探开发取得了重大突破。截至2016年，四川盆地及周边地区海相地层已探明页岩气储量7643亿m3。其中，重庆涪陵已探明页岩气储量6008亿m3，是北美以外最大的页岩气田。中国从2010年开始生产页岩气，到2017年，页岩气产量达到91亿m3，仅次于美国和加拿大。

页岩气的开发过程主要包括五个阶段：第一阶段是钻前工程，主要是临时施工、道路等现场工程；第二阶段是钻井工程，包括垂直钻井和水平钻井垂直钻井可以了解页岩气储层的特征，水平钻井可以揭露更多的储层，获得更高的产量；第三阶段是完井压裂阶段，主要是套管和水泥固井完井，水力压裂压裂页岩气层；第四阶段是回流阶段，主要是收集、返排到地面的压裂液的储存和处理；第五阶段是生产阶段，主要负责生产、储存和运输开采的页岩气。

地震勘探技术：地震勘探技术包括三维地震技术和钻孔地震技术。三维地震技术有助于准确理解复杂构造、储层非均质性和裂缝发育带，提高探井或开发井的成功率。井震技术是以地面地震技术为基础的“高分辨率、高信噪比、高保真”发展的地球物理手段。在石油和天然气勘探和开发中，将进行钻探、测井和地震技术很好地结合起来，成为一个有机的连接钻井、利用测井资料和地面地震资料综合解释储层的有效方法。

页岩气

钻井技术：页岩气先后经历了直井、单支水平井、多分支水平井、丛式井、丛式水平井的开发，在2002年之前，直井是美国页岩气开发的主要钻井方式。

测井技术：可用于含气页岩储层的测井识别、总有机碳（TOC）含量和热成熟度（Ro）指标计算、页岩孔隙度和裂缝参数的评价、页岩储层含气饱和度的估算、页岩渗透性评价、页岩矿物成分的测定、页岩力学参数的计算。页岩气含量测井及现场测试技术：页岩孔隙度低，主要为裂缝和微孔，大部分页岩气处于游离状态、取心钻井时有吸附态和解离态的页岩气逸出到井筒中，主要是测定岩心中吸附气体的含量。在测井过程中，需要现场测量页岩气含量、接受重要数据，如页岩解吸和吸附。这些数据对页岩资源评价具有重要意义。针对页岩气钻井对测井的影响，可以改进测井设备、方法和措施，实现整体、准确记录数据的目的。

固井技术：岩气固井水泥浆主要包括泡沫水泥、酸溶性水泥、泡沫酸溶性水泥和火山灰H级水泥（这种水泥对原料、对燃料质量和生产工艺的要求相对宽松，水泥的比表面积只有270~300m2/kg）等4种类型。其中火山灰H级水泥成本最低，泡沫酸溶水泥和泡沫水泥成本相当，高于其他两种水泥，是火山灰H级水泥成本的1.45倍。

完井技术：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、组合式桥塞完井、机械联合完井等。完成方式的选择会影响项目的复杂程度、后期压裂作业的成本和效果。

页岩气开发的潜在环境风险是制约页岩气发展的主要因素之一。页岩气开发带来的环境问题主要来自两个方面：一方面，页岩气资源不像常规气藏那样集中要达到一定的开采量，工业运行的规模要远大于生产同等量的常规天然气大规模页岩气开发可能会对当地土地利用和居民产生巨大影响生命；另一方面，页岩气开采主要依靠水力压裂技术，对当地地表水和地下水造成影响、空气中有潜在的污染威胁。

对水资源的影响：页岩气开发会对水资源产生一些影响，主要来自页岩气开发的核心技术，——水力压裂技术。在水力压裂作业中，混合化学添加剂（包括缓蚀剂、抗菌剂、防垢剂和其他有害成分）的大量水及泥沙（压裂液）通过高压注入地下油井，压裂岩石、建造膨胀裂缝，以便天然气可以流入井内进行收集。这项技术带来了两个主要问题：一是水资源的大量消耗；第二，产生的废水可能污染地下水和地表水。

温室气体排放：页岩气的开发利用会产生甲烷等温室气体排放。甲烷不仅造成局部空气污染，而且是高强度温室气体，其温室效应是二氧化碳的25倍。在页岩气的开发过程中，大约有1.19%甲烷泄漏主要来自水力压裂作业后大量压裂液和产出水返流到地面，其中也有部分甲烷产生；再考虑加工、燃气输配环节，整个开发过程中的泄漏量约为2.01%

生态环境影响：页岩气开发对区域生态和环境也有一些负面影响，主要包括占地、交通（道路破坏）等。土地占用与污染：通常陆上常规气田每10平方公里不到一口气井，而页岩气田同一区域的气井数量可能超过10口。除了页岩气井建设所需的土地，配套道路、储水罐和输气设施也需要土地。同时，开发过程中产生的废水、废物处理不当可能会污染附近的土壤。例如，美国宾夕法尼亚州的钻井活动引起了人们对土地破碎和生物多样性丧失的担忧。

交通道路损毁：页岩气井一般位于偏远地区，道路多为县道、乡道等低等级公路路况较差、易损毁。页岩气钻井设备、远离水源地的压裂开发水需要集中处理的废水未接入管网的采出气需要大货车运输，可能会造成非常严重的路面损坏，影响周边地区居民的生活。

合成油的制备：因为页岩气和常规天然气的基本成分是一样的，所以页岩气也可以用来制备合成油，也就是气制油（GTL)气制油是高效利用天然气的重要途径，因为它不含硫、氮、镍杂质芳烃等成分是一种清洁能源，可以满足现代社会对油品的苛刻要求。柴油是气制油厂的主要产品，几乎不含硫，十六烷含量为70%80%与常规炼油厂的清洁柴油相比，气制柴油的性能要好得多，其规格甚至可以超过欧盟的超清洁柴油。页岩气的开发利用有利于缓解石油、天然气、煤炭等能源资源短缺，增加清洁能源供给是常规能源的重要补充。

提取裂解原料：页岩气中的乙烷、丙烷、丁烷属于低碳烷烃，具有良好的裂解特性，是优质的裂解原料。如果将其从页岩气中回收并送至乙烯装置裂解，可明显降低乙烯装置的生产成本和能耗，提高乙烯工业的经济效益。世界上从天然气中提取的凝析油有很多种（除甲烷外的低碳烷烃）这些工艺的主要产品是液化天然气，副产品是凝析油，乙烷回收率可达90%以上。

制备化学品：页岩气制氢气：有两种制备氢气的方法：一种方法是制备合成气（H2和一氧化碳的混合物）进而得到氢气；另一种方法是通过甲烷的催化裂解获得氢气。甲烷相对来说是惰性的，它的激活需要苛刻的条件。页岩气制合成氨（尿素）页岩气首先经过脱硫过程除去各种硫化物，然后与蒸汽混合预热，再在一段转化炉的反应管中进行转化反应，生成合成气和CO2，同时还有未转化的CH4和蒸汽CO和CO2通过甲烷化被除去，最后它将含有少量的CH4、Ar的H2、N2被压缩到高压状态，送入合成塔进行合成氨反应。

页岩气制甲醇：随着甲醇制烯烃技术的发展和应用，国内外市场对甲醇的需求日益增加。合成气制甲醇是目前甲醇工业生产的主要方法。甲烷和水直接合成甲醇和氢气是页岩气资源和氢气绿色开发利用的有效途径。

页岩气制乙烯：将页岩气中的甲烷转化为乙烯将成为未来页岩气的主要利用方式。由甲烷制备乙烯的方法分为一步、二步法、三步法。一步法主要包括氧化偶联法和选择性氧化法中国在氧化偶联法制备乙烯方面处于国际领先水平。两步法则主要包括合成气路线、氧化路线和氯化路线还不够成熟，不能满足工业要求。三步法分为甲醇路线、二甲醚路线、乙醇路线，其中甲醇路线是应用最广泛的工艺。

页岩气制芳烃：甲烷催化转化为芳烃可以大大提高页岩气的商业价值。目前，甲烷转化为芳烃的方法主要有部分氧化法和厌氧脱氢法。而部分氧化法甲烷转化率低，芳烃选择性回收率低，而且会产生大量二氧化碳，对环境不友好甲烷无氧脱氢芳构化已成为甲烷利用研究的一个重要分支，但离应用还很远。

其他领域：页岩气不仅用于提取裂解原料、除了制备合成油和化学品，还可以用来发电和制备碳纳米管、纳米碳纤维或纳米碳颗粒等。