自本世紀初以來，頁巖氣作為可持續(xù)性聚集的非常規(guī)天然氣得到了全世界的廣泛關注。美國在 2016 年開始成為液化天然氣（LNG）的凈出口國，而這一成就的背后是美國頁巖氣革命的推動。該革命利用水平鉆井和水力壓裂技術(shù)大幅提升了天然氣產(chǎn)量，使得美國不僅能夠滿足國內(nèi)天然氣需求，還能向國際市場出口天然氣。
那么頁巖氣為什么被視為應對能源危機的利器？為什么頁巖可以儲存這些氣體？頁巖的儲氣量大小與什么因素有關？以及我們是如何在地表找到這些頁巖氣的？
下面小編為大家一一解答。
1、頁巖氣為什么被視為應對能源危機的利器？
全球頁巖油氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展始于 20 世紀末至 21 世紀初美國的技術(shù)突破，這是一段充滿創(chuàng)新與挑戰(zhàn)的旅程。美國通過先進技術(shù)成功商業(yè)化開發(fā)頁巖氣，在引領了全球頁巖革命的同時重塑了全球能源格局，并使其成為世界上最大的天然氣生產(chǎn)國之一。頁巖氣的商業(yè)開發(fā)不僅極大增加了全球的能源供應，還在隨后推動了頁巖油的開發(fā)。
隨著技術(shù)的成熟和經(jīng)驗的積累，其他國家如中國、阿根廷、加拿大等也開始探索和開發(fā)自己的頁巖油氣資源。當眾國家紛紛吃上“頁巖氣紅利”的時候，國人不禁發(fā)問：我們有頁巖氣嗎？頁巖氣在哪兒？終于，經(jīng)過不懈努力，2010 年中國鉆探了首口頁巖氣井，解答了頁巖氣在中國是否存在的問題。
緊接著中國頁巖氣的開采速度像坐上了火箭：2011 年，中國首次成功鉆探了水平井寧 201-H1 井，實現(xiàn)了工業(yè)級的頁巖氣產(chǎn)出；2018 年，涪陵頁巖氣田的建成使年產(chǎn)量達到了 100 億立方米，達到頁巖氣商業(yè)化的體量；進入 2020 年，中國在川南的頁巖氣產(chǎn)量實現(xiàn)了歷史性的突破，達到了 200 億立方米，連續(xù)三年日產(chǎn)量實現(xiàn)了千萬方的增長，再次證明了中國在頁巖氣開發(fā)領域的強大實力。根據(jù)自然資源領域的頂級研究與咨詢公司伍德馬克（Wood Mackenzie）的預測，中國的頁巖氣年產(chǎn)量將達到 300 億立方米，并在 2030 年進一步提升至 350 億至 400 億立方米，可采儲量居世界首位。
2、為什么頁巖可以存得住頁巖氣？
“頁巖”顧名思義是書頁般層層分布的巖石，具有薄頁狀或薄片層狀的節(jié)理。它的成分復雜，除黏土礦物外還含有許多碎屑礦物和次生礦物。黏土沉積等物質(zhì)經(jīng)壓實、脫水、重結(jié)晶等作用后形成頁巖。頁巖氣的主要成分是甲烷，從頁巖的有機質(zhì)演化而來（圖 2）。
在沉積壓實過程中，原生沉積的礦物在堆積時會形成空隙。頁巖氣形成之初，甲烷氣體主要存在于頁巖中礦物搭建的孔隙之中。但是次生礦物在生長過程中很可能會占據(jù)孔隙，導致氣體難以富集。然而頁巖中的黏土礦物有更強的吸附氣體能力，因此頁巖中有存在富集氣體的可能。
頁巖氣中的甲烷在頁巖中呈兩種狀態(tài)存在：吸附在礦物表面的氣體簡稱吸附氣，可以在空氣中或水中活動的氣體簡稱游離氣。頁巖氣的開采就是將各處吸附氣轉(zhuǎn)為游離氣，經(jīng)過聚集成為工業(yè)氣流進而輸送到千家萬戶。
然而并非所有頁巖都可以成為氣體儲庫。不同礦物類型的組合會影響頁巖的孔隙度和滲透率，同時能夠決定巖石被壓裂后形成裂隙能力的大小，吸附氣和游離氣的含量比例等。
3、頁巖的儲氣能力由什么決定？
首先，富有機質(zhì)巖厚不同，頁巖氣儲量不同，一般前者越厚儲量越大。這是因為頁巖中的有機質(zhì)含量是頁巖氣形成的物質(zhì)基礎，同時能影響頁巖內(nèi)部空間氣體存在及分布狀態(tài)。這一因素可以理解為房子的占地面積，更厚的富有機質(zhì)巖代表著更大的占地面積，也就意味著能裝得下更多的頁巖氣。
其次，孔隙度的大小能影響頁巖氣的儲量（圖 3）。孔隙度越大，頁巖氣一般越多。實際上通過水飽和法測得的孔隙度一般小于總孔隙度，因為部分孔隙是封閉狀態(tài)，水難以進入。我們可以將孔隙度簡單理解為房間的大小，如果孔隙度很小，即使占地面積大，房間能夠容納的氣體也會隨之減少。
此外，孔隙的聯(lián)通情況即滲透率也會影響頁巖氣的分布。極限情況可以認為所有孔隙都是聯(lián)通的，這時的孔隙度非常大。各位成員的房間都沒有被門或者墻壁隔開，這也會使得頁巖中能容納的頁巖氣增加。滲透率決定了液體或氣體穿透巖石或巖層的能力。在開采頁巖氣過程中常用的壓裂法，就是通過增加有效孔裂度，進而增加滲透率。
4、如何在地表探尋頁巖氣的位置？
盡管頁巖氣井在開發(fā)初期可以實現(xiàn)高產(chǎn)出，但要維持長期的持續(xù)產(chǎn)量則需要更多技術(shù)投入和新井的發(fā)掘。為了解決產(chǎn)量衰減的問題，理解并不斷地升級頁巖氣開采技術(shù)非常關鍵。
提到頁巖氣開發(fā)，大家可能會想到地震勘探技術(shù)，水壓致裂技術(shù)等等。實際上在開發(fā)頁巖氣資源前，資源評估階段是非常重要的。該階段需要完成對頁巖及其儲層潛力的評估，進而實現(xiàn)有的放矢。目前我國頁巖氣勘探的主要方法包括野外地質(zhì)調(diào)查，有機地球化學實驗分析，地球物理勘探，頁巖氣鉆井等等。野外地質(zhì)調(diào)查即通過地表出露的頁巖進而判斷地下頁巖地層的發(fā)育情況。利用地質(zhì)工具在地表對頁巖及相鄰層位的剖面進行觀察和測量，記錄相關構(gòu)造等地質(zhì)信息，對巖石樣品進行采樣等等操作，可以初步判斷頁巖氣的埋藏深度和存儲條件等。
通過在實驗室分析野外采集來的頁巖樣品，人們可以判斷該處是否具備頁巖氣生成的物質(zhì)條件。正如前面所說的，并非所有頁巖都含有頁巖氣，所以需要有機地球化學的手段判斷某地區(qū)是否滿足富集頁巖氣的基礎物質(zhì)條件。
倘若某地區(qū)經(jīng)過實驗驗證屬于良好的儲氣地，接下來便可以利用地球物理勘探技術(shù)給地球內(nèi)部做透視（圖 4）。地下頁巖地層的發(fā)育情況，構(gòu)造特征，頁巖層分布和形態(tài)等問題都可以利用地球物理勘探技術(shù)給出答案。
經(jīng)過上述流程確定頁巖氣可能存在的位置后，便需要鉆井技術(shù)深入地層，取出頁巖巖心進而判斷氣體含量以及氣體成分分析。除此之外，在鉆井過程中遇到的種種情況也是人們判斷是否發(fā)現(xiàn)頁巖氣寶藏的重要經(jīng)驗積累。
目前開采頁巖氣最常用也最有效的方法之一是水力壓裂技術(shù)（Fracking），這是一種提高巖石滲透性的開采方法，特別適用非常規(guī)油氣藏如頁巖氣和頁巖油的開發(fā)。其過程包括鉆探進入目標巖層，然后在高壓下向井內(nèi)注入由水、砂礫（作為支撐劑）和少量化學添加劑組成的壓裂液。這種高壓力使得巖石層產(chǎn)生裂縫，注入的砂礫隨后進入這些裂縫，防止它們閉合，從而提高巖石的滲透率。這樣，原本被困在密集巖石中的油氣可以通過這些人造裂縫流動到井中，進而被抽出地面。水力壓裂技術(shù)能夠有效增加油氣產(chǎn)量，使得許多之前難以開發(fā)的資源得以利用。
結(jié)語
頁巖氣作為清潔高效的能量資源之一用途廣泛，然而它的開采成本卻相較常規(guī)油氣資源高出很多。未來我們需要更好地認識頁巖氣，了解它所居住的環(huán)境，逐步掌握高效獲取這一重要能源的秘訣。只有擁有利用資源的技術(shù)，資源才能成為真正的資源！
本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：KF
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