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揭开美国页岩气开发的面纱
——访北京大学工学院院长、清洁能源研究院院长张东晓
2014-05-13 | 作者: 刘艾瑛 | 来源: 中国矿业报 | 【 】【打印】【关闭

  页岩气的勘探开发成为当前的热点话题,美国作为成功勘探开发页岩气的国家,不仅改变了本国的能源结构,而且动摇了全球能源的市场格局,甚至由页岩气革命改变了地缘政治,其所取得的成就具有里程碑的意义。对这一现象,北京大学工学院院长、清洁能源研究院院长张东晓教授5月6日来到中国地质调查局进行了专题讲座,理性梳理了美国页岩气勘探开发的历程。

  张东晓历任美国南加州大学Marshall讲席正教授(终身制)、美国俄克拉荷马大学石油和地质工程系米勒讲席正教授(终身制),还是美国地质学会会士,回国后执掌北京大学工学院院长的帅印。他从上世纪90年代末开始研究二氧化碳埋藏,曾长期在美国从事能源地质及渗流机理方面的研究,2003年开始研究页岩气开发技术,因此对美国页岩气的勘探开发有着更多的发言权。
  记者:请您谈谈美国页岩气的储量及其分布情况?其勘探开发走过了怎样的发展历程?具有哪些特点?
  张东晓:全球页岩气储量大概是456万亿立方米,美国页岩气储量可观,技术可采储量达到24.4万亿立方米,分布广泛,各个盆地的可采效果也非常好。1821年,美国第一口天然气就打在了页岩气层,但产量很低。上世纪70年代以后,随着压裂技术的发展,特别是上世纪90年代以后,页岩气的产量每5年翻一番,2000年开始增速明显加快,尤其是2006年,增长量非常大,到了2009年,已经达到1000亿立方米,相当于现在中国天然气一年的总产量;2010年,美国页岩气产量达到1379亿立方米,占美国天然气总产量的23%;2012年,这个比例增长到37%,页岩气产量达到了2200亿立方米;2013年,美国页岩气产量接近3000亿立方米,相当于中国七八个大庆的规模。与之相配套的是美国发达的管网,长度是中国管网的10倍,并且协调统一,管理高效。这也为页岩气的输送奠定了很好的基础,使页岩气得以迅速“渗透”到千家万户,得到广泛应用。
  美国页岩气的勘探开发是遍地开花,而且都取得了成功。美国有几千家油气公司,85%的页岩气产量都是由中小公司贡献的,技术也分别由不同的中小公司掌握,不像中国很多技术都是由“三桶油”掌握。这是美国页岩气勘探开发的一个明显特征。
  记者:美国页岩气产量的快速增长带来的直接影响是什么?
  张东晓:美国页岩气的成功开发,使其从天然气进口国变成了出口国,页岩气产量的快速增长直接导致了天然气价格的大幅下降。10年前,美国天然气的价格还高至14美元/百万英热单位,前年则只有2美元/百万英热单位。虽然现在美国天然气的价格涨到了三四美元,冬天还可能是五六美元,但总体趋势是下降的,核算下来只是中国天然气价格的几分之一。
  过去15年,美国燃煤发电量的比重从53%下降到25%,减少的份额都是被页岩气所取代。另外,大型车辆的动力能源也是由页岩气提供,数量非常可观。页岩气的成功开发,为上述大量能源供给提供了保障。
  记者:美国页岩气的成功开发对其他行业产生了什么影响?引发了哪些效应?人们评价美国页岩气的成功开发是一场能源革命,这主要表现在哪些方面?
  张东晓:美国用页岩气的副产品生产了乙烯,生产成本下降为每吨500美元,中国用石脑油制作乙烯的成本则高达每吨1000美元至1200美元。美国的乙烯生产甚至超过了传统的乙烯生产地区——中东,对中东乙烯生产构成了很大威胁。
  同时,页岩气的成功开发,导致天然气价格大幅下降,便宜的天然气为制造业和化工业提供了核心竞争力,使美国的制造成本不断下降,美国很多本土大型化工公司都加大了在本国的投资力度。此外,台湾化工企业也到美国投资,南非一家公司在美国一口气建了两个工厂,就是想利用美国廉价的原材料和天然气。美国页岩气的成功开发,在一定程度上重振了美国制造业,使其具备了更大的竞争优势。今年4月25日,美国发布的一份最新研究报告显示,美国制造业的竞争优势已经超过了欧洲,成为世界第二。
  伴随着页岩气产量的增加,美国用同样的技术成功开发了页岩油,并使页岩油的产量逐年增加,从2010年开始上升得非常快,2012年页岩油产量占到了原油总产量的1/5,去年产量更高,将来很快会达到原油产量的1/3。
  由于页岩油产量的增加,美国原油的进口量正在逐年下降,降低了原油对外进口的依存度。目前,美国原油进口比重是50%以上,2020年的目标是下降到30%,而这30%的原油完全可以由加拿大和墨西哥两国供应,形成北美的能源自给圈,相对实现了能源独立。现在,美国每年原油进口量约为3.7亿吨,中国约为2.7亿吨。虽然中国的原油进口总量还未超过美国,但单月原油进口量已经开始超过美国,比如2012年的12月份。预计5年之内,中国每年原油进口总量将超过美国,成为世界第一大原油进口国。美国页岩油气的成功开发,对中美两国原油进口格局产生了深远影响。
  页岩气开发的巨大成功,不仅改变了美国的能源结构,也动摇了世界能源的市场格局。由于供气关系发生巨变,也引发了地缘政治的改变。因为美国页岩气的成功开发,欧洲市场降低了对俄罗斯天然气的依存度,所以俄罗斯加紧了进入中国市场的步伐,希望加大对中国天然气的供应量。
  记者:美国应用了大量页岩气,这对消减二氧化碳等气体排放会带来哪些影响?
  张东晓:由于页岩气的成功开发,使美国应用了更多的天然气,从而减少了其他化石能源的应用。天然气在化石能源中属于清洁能源,燃烧同等热值的天然气,排放的二氧化碳是煤的1/2,油的2/3;如果采用电冷热三联供,能源利用效率可达到80%,是煤的两倍。虽然从长远来说,太阳能、风能等可再生能源的大量应用,可减少化石能源的使用,但因为技术、经济性等诸多条件限制,今后30年、50年或更长的时间内,还会在很大程度上应用化石能源,相对于煤炭,使用天然气减少了对环境的污染,提高了热能效率。
  目前,全球温室效应越来越明显,二氧化碳是温室效应的罪魁祸首,各国都有减排二氧化碳的任务,像中国这样的发展中国家减排任务是相当艰巨的。中国是温室气体排放第一大国,每年的排放量还在继续上升,而且二氧化碳地质埋藏的处理费用很高。而美国现在即使不再采取任何措施,哪怕是什么也不做,二氧化碳的排放量也是在逐年下降,因为美国的能源用量已经趋于平稳,而且占发电总量27%的煤电已经改为了天然气发电,这就大大减少了二氧化碳的排放量。而这些都是因为页岩气的成功开发,为大量的天然气供应提供了保障。
  记者:页岩气开采过程中是否会引发页岩气泄露、水污染,以及用水量过大等环境问题?
  张东晓:页岩气开采过程中使用的是水力压裂技术,此顶技术是用掺入化学物质的高压水灌入页岩层,然后进行液压碎裂,改善储层渗透率,以释放天然气。压裂本身不会造成污染,也几乎不可能引发破坏性的地震,但因为开采过程中掺入了化学物质,若生产废水处理不当,会污染环境。但是,通过一些回收处理措施,完全可以避免污染。页岩气实际开采过程中发生的水污染事件多是因为处理操作不当,所以要规范操作和管理。
  虽然开采页岩气比开采常规天然气用水量多一些,单口井用水量比较大,一般需要几万吨水,但这是一次性用水量,之后二三十年的开采都不需再用水。如果从包括开采和发电的全流程来看,页岩气的用水量比煤电、核电分别低60%和70%,也比常规石油低,甚至比地热能还要低。
  从一个州的角度来看,美国德克萨斯州页岩气开采的用水量只占所有用水量的0.4%,而宾州仅用了不到0.1%。连0.1%都不到的用水量,能说大吗?这些完全是科学研究统计出来的详尽数据。
  而且,美国有些地方根本不准许从水库取水,不准用淡水和地表水,但可以用微咸水、工业废水和回收水。相比淡水和地表水,微咸水的价值很低,这种不可饮用的水大量存于地下,稍做处理就能够满足页岩气开采需求。后两者更是废物利用,这都有利于降低页岩气的开发成本。
  记者:美国页岩气之所以能成功开发,都有哪些原因和政策保障?这些做法是怎样促进了页岩气的勘探开发?
  张东晓:美国页岩气开发成功的关键要素一是政策的稳定性和透明度,二是技术创新。
  美国在发布优惠补贴政策时,不仅会写明补贴项目、补贴金额,而且还会写明补贴时间,比如“2020年之前有效”,因为油气资源开发生产链条长,要经历勘探、生产、运输、销售、应用等诸多环节,是一个较为漫长的周期,政策的稳定性和透明度更有利于页岩气的长期开采。
  此外,美国通过完善的政策很好地协调了矿权人和地表所有人之间的关系。美国同一块土地上的地表与地下资源(包括矿产资源)可以分属不同的私人公司或个人所有,而且矿权优先于地表使用权。这意味着,地表权利人不应拒绝矿权人占用地表的要求。在此过程中,矿权人与地表权利人通过谈判签署独立的地表使用协议,以便在资源开发时在地表之上建立相应的生产设施。但矿权人不得滥用这种权利,同时在地表使用协议中明确向地表所有权人进行补偿,并且最后需将地表恢复原状。美国较为完善的法规、政策,对于保护双方利益、勘探开发页岩气都发挥了积极作用。
  美国政策倡导的是分享理念,曾发生过这样一件事情:作业方早期打了一口浅层直井,虽然产量低,但矿权拥有者也获得了相应的收益分成,每次会收到几百美元的支票。突然有一天,她收到的支票变成了上万美元,有点不敢相信。原来,是作业方在附近打了一口页岩气水平井,经过该矿权拥有者的区块,作业方产量提高了,矿权拥有者的收益分成也提高了。
  此外,不断的创新也为美国的页岩气开发提供了技术支撑。美国页岩气之父乔治·米歇尔在上世纪80年代,别人都放弃了页岩气研发时,他却一直研发页岩气开采技术,自己先后投了数亿美元,17年不赚钱却从未停止,先后钻了30多口试验井,测试了各种方法,无意中找到了最经济、效果最好的方法,最终把束缚在页岩里的天然气大规模、经济性地开采了出来。2002年,他以35亿美元将公司卖给了一家能源公司,不仅将17年的投入全部收回,而且赚得盆满钵满,成为页岩气领域的第一个亿万富翁。这就是创新的秘诀——山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村,创新往往是在绝望时,才发现真正行之有效的技术。
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