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北美和欧洲页岩气现状

Michael H. Stephenson

关键词

经济，环境，水力压裂，页岩气

摘要

根据美国能源信息管理局的资料表明，到2035年页岩气将占到美国国内天然气总量的一半。美国已经从世界上最大的天然气进口国之一在不到十年的时间向自给自足转变，带来成千上万的就业机会，吸引回来了一些很久以前就离开美国寻找廉价的生产成本的公司。但页岩气开采的增加也有环境成本。有明确的科学证据表明页岩气井泄漏能诱发地震，在一些地区人口的快速增长不利于页岩气产业的发展。在美国发展的水平钻井和水力压裂技术正在尝试向美国之外的国家发展，包括欧洲，阿根廷和中国。很显然页岩气对欧洲很有吸引力，它可以为一些特别依赖俄罗斯天然气的国家提供安全能源；它可以刺激经济增长和就业；它可以提供一个比煤炭发电站更清洁的能源。但是，潜在的页岩往往存在于欧洲人口密度高的地区,更重要的是,这些地方的人们不熟悉陆上天然气业务。因此在欧洲的主要挑战不是主要技术而是该行业必须获得“社会许可”因为当地政府法规明显更倾向于保护公众和财产。

概述

页岩是一种细粒,深色的沉积岩,通常包含天然气(甲烷)以及其他气体。它起源于沉积在海和湖床里的泥。大部分稳定的矿物泥浆是由曾经的久远的岩石风化作用的结果,但它也含有来自植物生长在附近的土地的有机物(通常是按重量超过10%),以及生活在水柱的藻类和浮游生物。正是这种有机材料,埋在其它后来的沉积物下面通过加热和压力,经过一系列复杂的化学反应转化为石油和天然气。所需的温度是60°C和120°C之间,温度较高时形成天然气,较低时形成石油。因此，页岩可以包含在特定的地质环境下形成的油(称为“页岩油”)以及在其它环境下形成的气体。页岩的历史温度在60 - 120°C范围之外可能不会生成任何石油或天然气。占页岩大部分的矿物材料非常好,非常紧密,石油和天然气的形成过程中创建的页岩岩石不能轻易移动。除非存在天然裂缝,页岩往往会保留其碳氢化合物。这个非常规的碳氢化合物具有低渗透,所以石油和天然气行业必须采取新的非传统的方法来提取石油和天然气。在过去的几十年里主要的进步是水力压裂已经从长水平井深入到深层页岩。虽然水力压裂已在世界各地使用了几十年,但现在所使用的技术程度是前所未有的。在美国每年大约有33000天然气井被开采，其中大约90%都是采用水力压裂技术，很少有新技术能达到这种效果。页岩气的倡导者认为页岩气有廉价能源、能源安全、经济增长和气候改良等优点。批评者认为页岩气是环境恶化的一个原因,并怀疑其经济效益是否是真实的或持久的。

记住,页岩气的资源和储备之间有一个重要的区别。第一个概念是气体的总量,在地质条件构成材料的潜在价值。储备是一个较小的数量,是生产、环境和社会范围内经济资源的比例。“采收率”连接两个概念,可以理解为储备和资源的百分比。

只有加拿大和美国有商业页岩气业务和探明储量,所以考虑页岩气的影响需要集中在这些国家。

北美

主要的页岩地区

巴涅特页岩(图1)是第一个被发展为工业规模的页岩。它的面积有28000平方英里在北德州中部,包括沃斯堡的城市。核心产地是纽瓦克的东部气田占地500平方英里,超过2400口生产井和2.7 tcf(万亿立方英尺)的探明储量。

马塞勒斯页岩是一个年份比较久远的页岩占地75000平方英里跨越了安大略省,纽约、宾夕法尼亚、俄亥俄、西维吉尼亚州、马里兰州和维吉尼亚州，马塞勒斯页岩中最好的页岩部分从纽约东北开始,穿过宾夕法尼亚州东北部和宾夕法尼亚州的西南部。它的核心区域——超过50英尺厚,条件比较成熟——占地50000平方英里使其是北美地区最大的潜在页岩。

图1 ：北美页岩气分布情况

Eagle Ford页岩在德州的墨西哥边境进入东德克萨斯州,有大约50英里宽和400英里长，在这片区域,页岩的平均厚度有250英尺。斯威尔页岩处在一个面积约9000平方英里的东德克萨斯，路易斯安那州西部平均200 - 300英尺厚的区域为主要生产地区。页岩的位置很深在该地区10500 - 13000英尺以下的表面,并产生主要的气体。这使它的开采很昂贵。斯威尔页岩在美国是增长最快的一个页岩气业务直到2012年当天然气价格下跌,它因为深度变得更加难以盈利。许多公司转向更有利可图的页岩,在那里他们可以得到石油以及天然气如,Eagle Ford页岩。

费耶特维尔页岩和巴奈特页岩年份大致相同，它基本位于阿肯色州北部和邻州。它在范布伦Arkoma盆地的中央地区和页岩在几百到7000英尺的Cleburn县页岩产生天然气。

在加拿大,有两个页岩是很重要的:Muskwa(角河)页岩和Montney页岩。Muskwa页岩第一次被发现是在露头的喇叭河,是西北地区的马更些河的支流。该页岩在不列颠哥伦比亚省东部,深度范围从6300到10200英尺,平均8000英尺的潜在区域。Montney页岩在阿尔伯塔省西北部面积约1900平方英里,深度从3000到9000英尺,平均6000英尺的潜在区域。

北美页岩的商业发展开始于东德克萨斯北部的巴涅特，在1997年和2009年之间随着页岩井气井的开采增加的尤为明显。巴涅特页岩的成功发展迅速领导了伍德福德页岩,费耶特维尔斯威尔页岩,马塞勒斯页岩,Eagle Ford页岩和加拿大的一些页岩的发展。相对重要性不同的美国页岩层生产情况如图2所示。

图2：美国不同页岩层的相对重要性

图三：美国1990年至2035年天然气产量情况

页岩气的经济影响

能源信息管理局2011年度能源展望显示,页岩气的近代历史和放眼到2035时(图3),预测页岩气到2035年将占近一半的美国天然气产量。EIA年度能源展望2014年表明,大量便宜的页岩气甚至将影响到美国的发电方式,和天然气的进口和出口之间的平衡。电力的生产将保持不变或略有下降,而气体燃烧发电将显著增加。EIA年度能源展望2014年还预测,美国天然气的出口可能增长,通过管道输往墨西哥和加拿大,同时还包括液化天然气(LNG)。美国已经从世界上最大的进口商之一在不到十年的时间里做到了自给自足。

页岩气已经促进了美国的能源安全。美国传统的天然气产量在2000年代早期达到高峰,广泛讨论需要解决的短缺方案是在中东,澳大利亚和俄罗斯的传统天然气田中进口液化天然气。在2006年,有四个陆上操作的液化天然气进口终端在美国成立,还有更多的将被期望建立。从那时起,美国页岩气产量减少了天然气进口，并减少到了自1994年以来没有见过的水平。EIA年度能源展望2012年表明,美国在2016年将有望成为天然气净出口国，这些天然气以液化天然气的形式出口。到2019年可能每年超过20亿立方英尺液化天然气将被出口。

EIA年度能源展望2014年预测美国制造业将因为以页岩气的形式出现的廉价燃料而产生一次波动。主要产业的影响将是能源密集型的散装化学品和主要冶金业,两者都提供采矿所需的产品和其他下游产业如加工金属和机械等行业。散装化学品行业也是一个主要的天然气用户,越来越多的碳氢化合物气体或液体通常从页岩天然气生产。其中一个是乙烷用来制造乙烯，有许多工业产品包括PVC、聚苯乙烯乳胶、洗涤剂、和乙烯基都需要乙烯来充当原材料。陶氏化学公司在2012年宣布,将建立一个17亿美元的乙烯和丙烯的生产工厂，使用的原料就是当地德克萨斯州页岩里的乙烷。

现在美国燃料的低价格意味着生产成本减少，那些曾经离开美国在国外找到更便宜的生产成本的公司“回流”或返回到美国生产,这些公司建立新的工厂创造了100万个制造业工作岗位。页岩气2010年在美国创造了600000个就业机会,预计到2025年将提供一亿个工作岗位，到2035年将提供1.6亿个就业岗位。仅在宾夕法尼亚州,巨大的马塞勒斯页岩的故乡,页岩气业务预计将带来180亿美元的额外业务,近20亿美元的当地税务和200000个工作岗位到2020年。美国劳工统计局(Bureau of Labor Statistics)指出,在2007年和2012年之间使用在宾州的石油和天然气行业(主要是页岩气)增加了15114(259.3%),同时,该州的年平均工资增长了5158美元(11.9%),到2012年达到了48397美元,宾州的石油和天然气行业的工资水平上升了22104美元(36.3%),到2012年达到了82974美元。安永会计师事务所最近为联合王国预测英国页岩气行业的4000口井将提供64500个工作岗位的高峰。

天然气替换煤炭发电的结果之一就是2006年- 2011年,化石燃料的消耗产生的CO2在美国下降了4.3亿吨(或7.7%)；尽管美国能源相关二氧化碳排放量从2012年的52.67亿吨增加到2013年的53.96亿吨。

环境

关于环境污染的担忧在北美中心主要有三个议题:地下水被流失的甲烷污染,不受控制的向大气中排放的甲烷(非正常的排放)和地震造成的直接或间接相关的水力压裂。可能造成的污染区域一直被放在首位。至少有两个同行评审论文代表研究在宾夕法尼亚州接近水力压裂页岩地下水报道表明浅水井被污染。

奥斯本等人描述了高浓度的甲烷从水井接近活跃水力压裂处的现象，用甲烷的化学成分分析表明,产热的热量远大于生物,所以可能来自页岩而非浅滩的生物活动。这项研究被(如戴维斯等人)批评,支持的数据太少,并且缺少在宾夕法尼亚州自然发生在水井的甲烷的基本数据(见,例如[18])。然而,杰克逊等人在宾夕法尼亚州同一地区统计了大量的数据点,可以明显得出结论，水井的水力压裂井中每1公里内含有高水平的自由流动的甲烷。Molofsky等人表明,甲烷——明显产热的页岩气体——可能来自页岩层上面的水力压裂层(马塞勒斯页岩)，表明水力压裂不是自由流动甲烷产生的直接原因,而很可能是泄漏的或有其它纰漏的水井产生的。因为,在其他地方的大型研究领域进行激烈的水力压裂测试,比如阿肯色州费耶特维尔页岩,只在水井里找到了极低浓度的生物甲烷,表明宾夕法尼亚州泄漏是一个局部的地域性问题。最近的研究宾夕法尼亚州地下水供应污染事件表明,问题可能来自钻井或存在于地下水中的水力压裂液中的添加剂。

然而,我们担忧用于水力压裂液中的添加剂主要集中从地面泄漏或在运输时到达周围环境中,比如非法倾倒废水,或损坏的废水蓄水大坝衬垫中流出[22]。水力压裂液的大部分是水但同时无毒砂支撑剂也是一个重要的组成部分。水力压裂液的体积平均0.17%是由其他添加剂组成的[23]。这些通常包括抑制剂，用来保护水井的墙壁上的测量工具,酸可以引发腐蚀,杀菌剂杀灭细菌可以产生酸,导致腐蚀。

在最近的一项调查中[24],81种常见添加剂根据他们的功能被识别和分类。其中17种化学品被认为存在潜在的治疗挑战但大多数添加剂被认为是“无毒或低毒性”和三个根据标准的“全球化学品统一分类和标签制度”被“分类为类别2”的口服毒素(见[24])。Stringfellow等人[24]指出,建议30种不在毒性范围内的添加剂需要被做进一步的研究和评估。

理查森等人[25]的调查发现,近一半的美国州允许目前水力压裂要求的某种形式的压裂液,但因州而异。环保组织(行业)和一些工厂建议,国家应该坚持告知民众联邦政府是否有明确要求。许多公司自愿披露在网上数据库的信息。

霍沃斯等人[26]研究了从几个页岩气井装置表面放出的甲烷排放量，发现高水平的甲烷释放到大气中主要是由于两个常规流程:回流,钻出去。回流的液体返回到水力压裂下的地面。通常它有甲烷。避免回流水产生的做法是在开放的储水池表面(准备处置或重用)允许甲烷直接释放到大气中。后钻出(水井插头的,对水力压裂的分区的部分被移除)的甲烷也逃离到大气中。霍沃斯等人26]发表的数据显示一个页岩气井在它的工作期限内将泄漏非常高水平的甲烷，达到3%至8%。由于甲烷是一种温室气体,[26]考虑到排放水平可能被质疑,页岩气可能是低碳燃料,例如,与煤炭相比。霍沃斯的论文已经有争议,最近的工作[27]表明,高排放论文中引用的数据包括不具代表性的行业。从大量的页岩气钻井网站[28]表明,最近页岩气的泄漏率大约是1%的天然气产量的一半。

直接由水力压裂引起地震在美国是非常罕见的,虽然在加拿大有记录情况[29]。然而深地质处置的相关活动回流水越来越与地震有关。Frohlich[30]表明,在德克萨斯州东北部的回流处理井页岩地区的几个小地震可以得出结论,断层附近的井,特别是断层与压力,是最可能引发地震的。这样的一些研究表明,地下永久处置废水比水力压裂更容易产生地震，主要是因为水注入是永久性的,而不是暂时的,因为在地下可以建立非常大的体积空间。

欧洲

EIA[31]表示,世界大部分地区的页岩气可能是北美以外的,在欧洲、中国、阿根廷、墨西哥,虽然页岩气在这些地区基本没什么发展。这些资源的开采方式,及其潜在的商业化价值,在很大程度上取决于这个国家对能源价格上涨,能源供应安全和环境问题的具体情况。

欧洲页岩地区

在欧洲最潜在的区域包括波罗的海东部,北乌克兰东部,乌克兰西部巴尔干半岛,波兰中部,北部的德国,挪威和瑞典南部的一些地区,荷兰、法国北部,英格兰北部。欧洲国家最先进的页岩气开发、勘探,钻井技术以及被许可的是波兰和英国。

波兰

波兰似乎有一个巨大的页岩气资源[31]。波兰地质研究所[32]估计波兰页岩气资源储藏量范围为346 - 768立方米。

波兰也有天然气供应安全的担忧,作为欧盟的成员国，波兰有一个很有雄心的计划,减少欧洲的一部分——温室气体排放，通过欧盟排放交易方案(ETS)。几乎70%的波兰的天然气进口(主要来自俄罗斯)和近90%的电力使用本地生成的波兰煤矿[33]。因此有一个清晰的政策需要波兰不仅停止用煤来发电,而且降低依赖俄罗斯供应。因此波兰政府非常重视页岩气的开发和对页岩气气勘探许可的探讨。用来勘探的地区覆盖37000平方公里,构成该国领土的百分之十一和扩展的宽腰带波美拉尼亚(波兰

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