页岩气勘探开发始于北美，已近200年历史，目前正进入全球快速发展期(图5-18)。北美页岩气开发发展尤其迅速，实现了高效、规模开发，成为北美天然气供应的重要来源，并引起全球天然气供应格局的重大变化。德国、法国、英国、波兰、奥地利、瑞典、中国、澳大利亚、新西兰、印度、阿根廷、智利等国家或地区已充分认识到页岩气资源的重要价值和广阔前景，开始了页岩气基础理论研究、资源潜力评价和工业化开采试验等相关的页岩气研究与勘探开发工作。
图5-18 全球页岩气勘探开发形势示意图
一、页岩气勘探开发现状
1.北美页岩气勘探开发现状
北美地区是全球发现页岩气最早的地区，1821年在美国东部泥盆系页岩中钻成第1口页岩气井，并由此拉开了世界天然气工业发展的序幕;1914年发现了第一个页岩气田———Big Sandy气田。1981年，被誉为Barnet页岩气之父的乔治·米歇尔，对Barnett页岩C.W.Slay No.1井实施大规模压裂并获成功，实现了真正意义上的页岩气开发突破。与世界石油发现相比，页岩气的发现要早近40年。至2009年底，北美地区仍是全球页岩气勘探开发最成功的地区，在约50个盆地的古生代和中生代地层中发现了含气页岩，在近10个盆地进行了页岩气生产，开发井50000余口，井深2500～4500m;2009年产量1000×108m3，占北美天然气总产量的12%，使北美进入了天然气富裕的新时代。
(1)页岩气早期勘探开发阶段(1821～1975年)
1821年，在美国东部阿巴拉契亚盆地泥盆系Dunkirk页岩中完钻的一口井，井深仅21m，在井深8.23m的泥盆系Perrysbury组Dunkirk页岩中获得天然气。该井成为北美陆台上的第一口页岩气井，也是全球第一口商业性页岩气井(Curtis，2002)，其生产的天然气满足了Fredonia城市的照明和部分生活，一直供气到1858年，长达37年。随着美国天然气需求的不断增加，以页岩气为目标的勘探开发一度升温，对泥盆纪黑色页岩层进行了大量浅层钻探。1863年在美国东部的伊利诺伊盆地泥盆系和密西西比系页岩中发现了低产气流。1870～1900年的勘探开发范围涉及了美国东部的纽约、宾夕法尼亚、俄亥俄、肯塔基和弗吉尼亚等州或地区。1914年在阿巴拉契亚盆地泥盆系Ohio页岩的钻探中获得日产气2.83×104m3的高产气流，由此发现了世界第一个页岩气田———Big Sandy气田，1926年BigSandy气田的含气范围由阿巴拉契亚盆地的东部扩展到西部，成为当时世界已知的最大气田(Roen，1993)。目前，Big Sandy气田已累计钻井约10000口，单井平均日产气最高为2831.2m3，2008年产气量为15.2×108m3，为美国第20大气田(EIA，2009，转引自US Department of Energy， et al.，2009)。BigSandy气田为页岩气早期勘探开发的重大成果。
(2)页岩气地质理论与勘探开发技术攻关阶段(1975～1989年)
20世纪中叶以前，美国页岩气勘探开发主要集中在东部地区的阿巴拉契亚、密歇根、伊利诺伊等盆地，以泥盆系和密西西比系黑色页岩为目的层系，除阿巴拉契亚盆地Ohio页岩的Big Sandy气田、密歇根盆地Antrim页岩气外，其余大量钻井无商业性气流或仅见低产气流，而未能进行大规模商业开发。针对上述困境，并为应对已经出现的石油危机，20世纪70年代末以来，美国能源部等政府机构与相关企业投入大量资金，启动了针对美国东部的页岩气地质理论与勘探开发技术攻关项目(ESGP)，开展了从地质、地球化学到气藏工程等一系列的理论研究与技术攻关，证实了以阿巴拉契亚盆地泥盆系和密西西比系为代表的东部地区黑色页岩的产气能力和巨大资源潜力，使页岩气资源正式成为新的天然气资源及勘探开发目标。
同期(20世纪80～90年代初)，美国天然气技术协会(GTI)集中研究了美国页岩气的资源潜力与提高采收率技术等问题;1980年美国政府颁布实施了《能源意外获利法》第29条税收补贴政策，为美国页岩气的发展起到了重要推动作用。这期间阿巴拉契亚、密歇根等盆地实现了页岩气的大规模开发及产量的稳定增长(图5-19)。尤其值得关注的是，页岩气革命之父———George P.Mitchell，依靠18年的页岩气开采技术攻关与勘探开发实践，1981年在美国中南部沃斯堡盆地密西西比系Barnett页岩中钻探MEC1C.W.Slay井，通过氮气泡沫压裂，成功实现了Barnett页岩气的工业化开采，发现了Newark East页岩气田(1982)，由此将页岩气产区从美国东部迅速推向了中南部地区。MEC1C.W.Slay井从1981到1993年的12年间累计产气600×104m3;1995年再次实施大型凝胶二次压裂，2年半时间内再产气82×104m3;1998年又一次关井并实施第三次加砂压裂，近10年累计产气2850×104m3，目前仍日产气约0.9×104m3。现今，Newark East页岩气田为美国第一大气田，探明可采天然气储量为7400×108m3，2008年产气460.2×108m3。从1979年到1990年，美国页岩气产量增加了2.5倍。
(3)页岩气大发展阶段(1990～2000年)
1990～2000年的10年间，页岩气成为美国最活跃的天然气开发目标。随着钻完井技术的进步、大型水力压裂技术的突破及输气管道的规模化建设，借鉴Antrim页岩气成功开发经验，实现了阿巴拉契亚盆地Ohio、伊利诺依盆地New Albany、沃斯堡盆地Barnett和圣胡安盆地Lewis页岩气的规模开采，美国页岩气产量大幅度增长，至2000年页岩气井达28000口，页岩气年产量突破100×108m3(Hill et al.，2000)。
图5-19 美国页岩气年产量变化
(4)页岩气快速发展阶段(2000～2006年)
水平井钻完井、大型水力压裂、重复压裂等技术的推广应用，沃斯堡盆地Barnett页岩气的规模开发，使美国页岩气的发展进入了一个快速发展阶段。2001年沃斯堡盆地Barnett页岩气区钻井数突破1000口，年产气量达38.2×108m3，2004年西南能源公司在阿科马盆地发现了Fayetteville页岩气区，沃斯堡盆地Barnett页岩气年产量突破100×108m3(108×108m3)，跃居美国第二大气田。2000年到2006年的5年时间里美国页岩气产量再次翻番，年产量突破200×108m3。
(5)页岩气高速发展阶段(2007年至今)
近年来，随着页岩气地质认识的创新，水平井钻完井、大型水力压裂、分级压裂、多井同步压裂等技术的不断突破，“工厂式”批量生产作业模式的规模推广应用，使北美页岩气跨入高速发展阶段，超过了致密砂岩气和煤层气。目前，在美国东部、中南部、西南部、西北部及西加拿大地区的50余个盆地46套页岩层中确定有页岩气存在，几乎涵盖了北美地区所有的海相烃源岩(图5-20)。页岩气年产量超过50×108m3的页岩有Woodford(52×108m3)，Montney(62×108m3)，Haynesaville(93×108m3)，Fayettville(145×108m3)，Barnett(475×108m3)(图5-21)。页岩气开发深度由早期的180～2000m加深至2500～4500m，个别盆地达6000m;生产井数年增3500～4500口(增幅10%～15%)，2009年累计达50000口以上，尤其是水平井数量大幅增加，占当年井数的75%以上;水力压裂等技术的突破减少了65%的储层改造费用，最终采收率提高了20%。在过去10年里，美国页岩气产量增加了近10倍，近年来实现了年年翻番。加拿大自2000年进行西加拿大盆地群的页岩气研究及勘探开发先导试验以来，2007年实现了页岩气产量突破。2009年北美页岩气上表产量达1000×108m3(其中美国为930×108m3，加拿大为70×108m3)，还有大量中小公司的产量未计入其中(ARI，2010)，页岩气产量已占到北美天然气总产量的12%，成为影响北美地区乃至全球天然气格局的重要战略资源。
图5-20 北美地区主要含气页岩分布示意图
图5-21 北美主要页岩产气量统计
2.中国页岩气勘探开发现状
页岩气在中国并不新鲜(王兰生等，2009)，自1667年第一次在四川盆地的邛1井发现天然气以来，就不断有页岩气的发现，尤其是自20世纪60年代以来，已在松辽、渤海湾、四川、鄂尔多斯、柴达木等几乎所有陆上盆地含油气盆地中，发现了页岩气或泥页岩裂缝气藏(戴金星等，1992，1996)。1966年在四川盆地威远构造钻探的威5井，在2795～2798m井深寒武系筇竹寺组页岩中获日产气2.46×104m3，成为中国早期发现的典型的页岩产气井。2000年以来，中国政府及相关企业就已高度重视页岩气的勘探开发，密切关注北美页岩气的发展动态。近年来，更是将页岩气的勘探开发提上重要日程。
(1)页岩气基础地质研究
2008年11月，在上扬子地区古生代海相页岩地层广泛露头地质调查与老井资料复查基础上，中国石油勘探开发研究院在四川盆地南部钻探了我国第一口页岩气地质井———长芯1井，获取了大量页岩气地质信息，对四川盆地南部及上扬子地区页岩气前景做了明确判断。
2009年12月，国土资源部与中国地质大学在四川盆地东部钻探了地质调查井———渝页1井，探索了页岩地层广泛出露及高陡构造复杂区的页岩气勘探前景。
2010年7月，中国石油勘探开发研究院、中国石油西南油气田公司综合运用伽马能谱仪、元素捕获仪、探地雷达及陆地激光三维全信息扫描仪等新技术，开展了中国南方古生界页岩露头地质调查与实测，在四川盆地长宁地区建立了中国第一个海相页岩地层数字化标准剖面———长宁双河上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩地层剖面。
(2)国际合作与勘探开发
2006年中国石油与美国新田石油公司进行了首次页岩气国际研讨，2007年进一步开展了威远地区页岩气潜力与开发可行性联合研究;2008年国土资源部在全国油气资源战略选区调查与评价专项中，确立了中国重点地区页岩气资源潜力及有利区带优选项目。中国石油等国内石油企业开始了与丹文、埃克森美孚、康菲、壳牌等公司的广泛交流与选区评价。
2009年中国石油与美国、挪威等国专家组织召开了页岩气国际研讨会，与壳牌公司在四川盆地富顺-永川区块启动了中国第一个页岩气国际合作勘探开发项目，在四川盆地威远-长宁、云南昭通等地区率先开展了中国页岩气工业生产先导试验区建设。
2009年11月美国总统奥巴马访问中国期间，与中国签署了《中美源于在页岩气领域开展合作的谅解备忘录》;2010年中国石化与英国石油公司(BP)在贵州凯里、苏北黄桥等地着手合作开采页岩气。中国石油与康菲、挪威国家石油合作，开展了四川盆地中南部页岩气前景评价及勘探开发工作。2010年四川的威201井在寒武系、志留系页岩中获高产气流，实现了中国页岩气首次工业化突破。
国土资源部、石油企业及相关科研院、校开展了中国扬子地区页岩气资源调查与选区评价示范区建设，其目标为今后10年内对中国页岩气资源展开全面系统的调查与评价，到2020年在中国优选出20～30个有利勘探开发区，形成一定页岩气生产能力。
总之，借鉴北美页岩气勘探开发经验、广泛的国际交流与合作，目前中国已在南方多个地区开展了针对古生界海相页岩地层的页岩气工业化勘探开发试验区建设，正在进行扬子地区、鄂尔多斯、塔里木、渤海湾、松辽等盆地或地区的页岩气基础研究和前期评价。利用地质类比，预测了中国页岩气资源潜力。中国的页岩气勘探开发和相关研究启动较晚，目前总体仍处于起步阶段。
3.其他地区页岩气勘探开发现状
自2005年以来，页岩气勘探开发逐渐由北美扩展到整个全球。2007年欧洲启动了由行业资助、德国国家地质实验室协助的为期6年的欧洲页岩气项目(GASH)，对欧洲页岩气资源进行评价与盆地优选。目前，已在5个盆地发现了富有机质页岩，初步估算页岩气资源量为30×1012m3(ARI，2010)，埃克森美孚、丹文、道达尔、康菲、壳牌等至少有40家企业在欧洲寻找页岩气(Vello， et al.，2009)。2009～2010年挪威石油(Statoil)、切萨皮克(Chesapeake)、萨索尔(Sasol)等公司对南非的页岩气前景进行了联合评价，在Karoo盆地获得了页岩气资源探矿权。澳大利亚Beach石油公司在大洋洲7个盆地发现了富有机质页岩，前期评价资源潜力大，计划对Cooper盆地的页岩气进行开发，已在新西兰获得单井工业性突破。亚洲多个国家开展了页岩气资源调查和先导性试验，中国已在页岩气勘探开发上取得明显成效。
二、全球页岩气资源潜力
据预测(Rogner，1997)(李建忠等，2009;Rogner，1997)，全球页岩气资源量为456.2×1012m3(表5-11)，相当于煤层气(256×1012m3)和致密气(210×1012m3)的总和。页岩气资源主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非、拉丁美洲、前苏联等地区。目前，除美国和加拿大外，中国、澳大利亚、德国、法国、瑞典、波兰等国也正在开展页岩气的研究和勘探开发。
表5-11 全球页岩气资源分布
从全球来看，除了撒哈拉以南的非洲地区，欧洲的页岩气资源可能较少。到目前为止，只有北美地区进行了商业性勘探开发，有较为可靠的储量结论。尽管如此，据经验，Rogner(1997)对全球页岩气资源量的估算较为保守(AEI，2009)。以北美为例，2008年Tristone Capital对美国Barnett、Deep Bossier、Haynesville、Fayetteville、Woodford、Marcellus以及加拿大Montney、HornRiver(Muskwa)、UticaGothic等9个页岩气区带进行了评价，如果不考虑风险因素，这9个区带的可采资源量达到21×1012m3(Anonymous，2008，转引自Vello， et al.，2009)。最近，Advanced Resources International Inc.(2009)对北美Barnett、Fayetteville、Woodford、Marcellus、Haynesville、Montney、Horn River等7大页岩气盆地进行了资源评价，其原地页岩气资源量约为146×1012m3，可采资源量为20×1012m3。其中，美国Barnett、Fayetteville、Woodford、Marcellus、Haynesville等5个页岩气盆地的页岩气原地资源量达107×1012m3，可采资源量为13×1012m3。
据加拿大非常规天然气协会(CSUG)资源评价结果，加拿大页岩气原地资源量大于42.5×1012m3(Dawson，2008，2009，转引自Chalmsar， et al.，2008)，超过了加拿大常规天然气资源量12×1012m3。其中BC省页岩气资源量最大，达28×1012m3以上。而Kuuskraa(2009)估算的Montney与Horn River两个盆地页岩气原地资源量为39×1012m3，可采资源量为7×1012m3。
三、中国页岩气资源潜力
1.富有机质页岩分布特征
中国海相富有机质页岩分布广、厚度大，主要发育在古生界的陡山沱组(Z2)、筇竹寺组(1)、大乘寺组(O1)、五峰组—龙马溪组(O3—S1)、罗富组(D2)、德坞组—大塘组(C1)、龙潭组(P2)(表5-12)。发育最好的页岩分布在下寒武统、上奥陶统顶部—下志留统底部，以扬子克拉通地区最为典型。
(1)下寒武统海相页岩
在中上扬子区发育好，有机质类型为腐泥型-混合型。从沉积环境看，川东—鄂西、川南及湘黔3个深水陆棚区下寒武统海相页岩最发育，平均厚100m，TOC值平均高达8%左右。四川盆地下寒武统海相页岩在全盆地发育，以硅质页岩、炭质页岩、粉砂质页岩和黑色页岩为主，厚度平均为139m，TOC值平均为1.0%～5.5%，盆地南部页岩埋藏浅于4000m。
(2)上奥陶统—下志留统海相页岩
在川东南、川东北、鄂西渝东、中下扬子等区广泛发育，以黑色页岩、炭质页岩、黑色笔石页岩、钙质页岩为主，平均厚120m，TOC值平均4%左右，干酪根为腐泥型。四川盆地上奥陶统—下志留统海相页岩在川南—川东地区发育较好。据四川盆地长宁双河上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相页岩统计，川南上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩厚度大于308m，有机质类型为腐泥型，TOC值平均为2.94%，最高达8.75%。
(3)海陆交互相及湖相煤系炭质页岩
此类岩石在华北、华南地区和塔里木盆地广泛分布(表5-13)。北部主要发育在天山-兴蒙海槽。鄂尔多斯盆地海陆交互相山西组—太原组—本溪组页岩厚40～120m，单层厚度不大，多数与煤层、致密砂岩甚至薄层灰岩交互出现。准噶尔盆地石炭系滴水泉组炭质页岩最厚达249m，二叠系芦草沟组黑色页岩累计厚度超过200m。中国南方地区的二叠系龙潭组(P2)炭质页岩厚20～200m，最厚达670m，分布面积约30×104～50×104km2。其中，滇黔桂地区上二叠统龙潭组页岩厚度为20～60m，四川盆地上二叠统页岩厚10～125m，川中和川西南一带厚80～110m，四川盆地西北缘、北缘及东北缘较薄，多小于20m。中新生代湖相煤系炭质页岩主要发育在坳陷和断陷湖盆中，如鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地侏罗系、四川盆地上三叠统、吐哈盆地侏罗系等，厚50～400m，最厚达1000m。
表5-12 中国海相页岩分布
表5-13 中国海陆交互相及煤系炭质页岩分布
总体上，中国海陆交互相和中新生界湖相炭质页岩，除上扬子及滇黔桂地区单层厚度较大外，多数地区单层厚度都不大，常与煤和致密砂岩甚至灰岩互层，单层平均厚度一般小于15m，单独开发这套薄层煤系页岩气将面临很大的挑战，进行页岩气、致密气、煤层气等多目的层联合开发是有效的开发新途径。
主要分布于陆相含油气盆地的湖相页岩沉积范围最广泛(表5-14)。统计显示，目前中国超过80%的油气储量都来自于湖相烃源岩。松辽、鄂尔多斯等中、新生代坳陷盆地及渤海湾新生代断陷盆地都沉积了厚层湖相富有机质页岩。如松辽盆地嫩江组和青山口组两套页岩十分发育，嫩江组在全盆地稳定分布，中央坳陷区厚度超过250m，青山口组一段在中央坳陷区几乎全部为黑色页岩，厚度为60～80m，干酪根类型为Ⅰ—Ⅱ型，Ro值为0.9%～1.8%。
表5-14 中国湖相页岩分布
鄂尔多斯盆地延长组长7段主要为深湖相沉积，富有机质页岩平均厚20～40m，分布面积超过4×104km2，有机碳含量平均高达14%，干酪根类型为Ⅰ—Ⅱ型，Ro值为0.6%～1.2%。最近，在该套湖相页岩地层内发现了大量致密油，油层为厚10～20m、孔隙度10.2%、渗透率0.21×10-3μm2的致密粉砂岩夹层，有工业油气流井近200口，平均产量8.6t/d。该特征与北美在Willis-ton盆地Bakken页岩层中发现的致密油极为相似。Bakken页岩为发育在上泥盆统顶底部、厚度不到15m、TOC值高达14%～18%、Ro值为1.1%～1.3%的富有机质页岩。主要油层孔隙度为10%～13%，渗透率小于1×10-3μm2，厚5～15m，面积约75563km2，2008年USGS估算页岩油地质资源量为241×108～518×108t。
2.中国页岩气资源潜力
有不少学者或机构对中国页岩气资源潜力做过预测，总体评价乐观(邹才能等，2010a;李建忠等，2009;刘成林等，2004;朱华等，2009)。
中国页岩气勘探开发尚处于起步阶段，可用于页岩气资源潜力预测的资料非常有限。尽管中国不同地区在富有机质页岩发育规模、页岩质量等方面具广泛的相似性，但中国地质条件复杂，尤其是构造演化、沉积环境、热演化过程等不同，使不同地区页岩气的形成、富集存在许多差异。中国古生界海相富有机质页岩分布范围广、连续厚度大、有机质丰度高，但演化程度高、构造变动多;中、新生界湖相富有机质页岩横向变化大，以厚层泥岩或砂泥互层为主，有机质丰度中等，热成熟度低。
基于地质类比对中国页岩气资源潜力进行预测。中国古生界海相富有机质页岩有利领域展布面积为63×104～90×104km2，中、新生界湖相富有机质泥页岩有利领域展布面积为23×104～33×104km2，有效页岩厚度为20～300m，有机了碳含量为0.5%～25.71%，Ro值为0.8%～4.5%，初步预测中国页岩气资源量为30×1012～100×1012m3，中国页岩气技术与经济可采资源量需要进一步研究。
中国页岩气与北美页岩气对比有3个特殊性:一是海相页岩热演化程度较高(Ro值为2.5%～5.0%)，构造活动较强，需寻找保存条件有利的地区，避开露头和断裂破坏区;二是湖相页岩热演化程度较低，分布非均质性较强，有效开发需要针对性技术;三是地面多山地、丘陵等复杂地表，埋藏较深(1000～6000m)，需采用适应技术降低成本。因此，中国页岩气勘探开发应注意复杂地表、埋藏深度、后期保存等特殊地质条件，如塔里木盆地海相页岩埋藏深度大、南方部分地区页岩出露后面临保存、开发中地表多山地等等难题，因此，要加强有利区优选与经济评价。