自本世纪初以来，页岩气作为可持续性聚集的非常规天然气得到了全世界的广泛关注。美国在 2016 年开始成为液化天然气（LNG）的净出口国，而这一成就的背后是美国页岩气革命的推动。该革命利用水平钻井和水力压裂技术大幅提升了天然气产量，使得美国不仅能够满足国内天然气需求，还能向国际市场出口天然气。
那么页岩气为什么被视为应对能源危机的利器？为什么页岩可以储存这些气体？页岩的储气量大小与什么因素有关？以及我们是如何在地表找到这些页岩气的？
下面小编为大家一一解答。
1、页岩气为什么被视为应对能源危机的利器？
全球页岩油气产业的发展始于 20 世纪末至 21 世纪初美国的技术突破，这是一段充满创新与挑战的旅程。美国通过先进技术成功商业化开发页岩气，在引领了全球页岩革命的同时重塑了全球能源格局，并使其成为世界上最大的天然气生产国之一。页岩气的商业开发不仅极大增加了全球的能源供应，还在随后推动了页岩油的开发。
随着技术的成熟和经验的积累，其他国家如中国、阿根廷、加拿大等也开始探索和开发自己的页岩油气资源。当众国家纷纷吃上“页岩气红利”的时候，国人不禁发问：我们有页岩气吗？页岩气在哪儿？终于，经过不懈努力，2010 年中国钻探了首口页岩气井，解答了页岩气在中国是否存在的问题。
紧接着中国页岩气的开采速度像坐上了火箭：2011 年，中国首次成功钻探了水平井宁 201-H1 井，实现了工业级的页岩气产出；2018 年，涪陵页岩气田的建成使年产量达到了 100 亿立方米，达到页岩气商业化的体量；进入 2020 年，中国在川南的页岩气产量实现了历史性的突破，达到了 200 亿立方米，连续三年日产量实现了千万方的增长，再次证明了中国在页岩气开发领域的强大实力。根据自然资源领域的顶级研究与咨询公司伍德马克（Wood Mackenzie）的预测，中国的页岩气年产量将达到 300 亿立方米，并在 2030 年进一步提升至 350 亿至 400 亿立方米，可采储量居世界首位。
2、为什么页岩可以存得住页岩气？
“页岩”顾名思义是书页般层层分布的岩石，具有薄页状或薄片层状的节理。它的成分复杂，除黏土矿物外还含有许多碎屑矿物和次生矿物。黏土沉积等物质经压实、脱水、重结晶等作用后形成页岩。页岩气的主要成分是甲烷，从页岩的有机质演化而来（图 2）。
在沉积压实过程中，原生沉积的矿物在堆积时会形成空隙。页岩气形成之初，甲烷气体主要存在于页岩中矿物搭建的孔隙之中。但是次生矿物在生长过程中很可能会占据孔隙，导致气体难以富集。然而页岩中的黏土矿物有更强的吸附气体能力，因此页岩中有存在富集气体的可能。
页岩气中的甲烷在页岩中呈两种状态存在：吸附在矿物表面的气体简称吸附气，可以在空气中或水中活动的气体简称游离气。页岩气的开采就是将各处吸附气转为游离气，经过聚集成为工业气流进而输送到千家万户。
然而并非所有页岩都可以成为气体储库。不同矿物类型的组合会影响页岩的孔隙度和渗透率，同时能够决定岩石被压裂后形成裂隙能力的大小，吸附气和游离气的含量比例等。
3、页岩的储气能力由什么决定？
首先，富有机质岩厚不同，页岩气储量不同，一般前者越厚储量越大。这是因为页岩中的有机质含量是页岩气形成的物质基础，同时能影响页岩内部空间气体存在及分布状态。这一因素可以理解为房子的占地面积，更厚的富有机质岩代表着更大的占地面积，也就意味着能装得下更多的页岩气。
其次，孔隙度的大小能影响页岩气的储量（图 3）。孔隙度越大，页岩气一般越多。实际上通过水饱和法测得的孔隙度一般小于总孔隙度，因为部分孔隙是封闭状态，水难以进入。我们可以将孔隙度简单理解为房间的大小，如果孔隙度很小，即使占地面积大，房间能够容纳的气体也会随之减少。
此外，孔隙的联通情况即渗透率也会影响页岩气的分布。极限情况可以认为所有孔隙都是联通的，这时的孔隙度非常大。各位成员的房间都没有被门或者墙壁隔开，这也会使得页岩中能容纳的页岩气增加。渗透率决定了液体或气体穿透岩石或岩层的能力。在开采页岩气过程中常用的压裂法，就是通过增加有效孔裂度，进而增加渗透率。
4、如何在地表探寻页岩气的位置？
尽管页岩气井在开发初期可以实现高产出，但要维持长期的持续产量则需要更多技术投入和新井的发掘。为了解决产量衰减的问题，理解并不断地升级页岩气开采技术非常关键。
提到页岩气开发，大家可能会想到地震勘探技术，水压致裂技术等等。实际上在开发页岩气资源前，资源评估阶段是非常重要的。该阶段需要完成对页岩及其储层潜力的评估，进而实现有的放矢。目前我国页岩气勘探的主要方法包括野外地质调查，有机地球化学实验分析，地球物理勘探，页岩气钻井等等。野外地质调查即通过地表出露的页岩进而判断地下页岩地层的发育情况。利用地质工具在地表对页岩及相邻层位的剖面进行观察和测量，记录相关构造等地质信息，对岩石样品进行采样等等操作，可以初步判断页岩气的埋藏深度和存储条件等。
通过在实验室分析野外采集来的页岩样品，人们可以判断该处是否具备页岩气生成的物质条件。正如前面所说的，并非所有页岩都含有页岩气，所以需要有机地球化学的手段判断某地区是否满足富集页岩气的基础物质条件。
倘若某地区经过实验验证属于良好的储气地，接下来便可以利用地球物理勘探技术给地球内部做透视（图 4）。地下页岩地层的发育情况，构造特征，页岩层分布和形态等问题都可以利用地球物理勘探技术给出答案。
经过上述流程确定页岩气可能存在的位置后，便需要钻井技术深入地层，取出页岩岩心进而判断气体含量以及气体成分分析。除此之外，在钻井过程中遇到的种种情况也是人们判断是否发现页岩气宝藏的重要经验积累。
目前开采页岩气最常用也最有效的方法之一是水力压裂技术（Fracking），这是一种提高岩石渗透性的开采方法，特别适用非常规油气藏如页岩气和页岩油的开发。其过程包括钻探进入目标岩层，然后在高压下向井内注入由水、砂砾（作为支撑剂）和少量化学添加剂组成的压裂液。这种高压力使得岩石层产生裂缝，注入的砂砾随后进入这些裂缝，防止它们闭合，从而提高岩石的渗透率。这样，原本被困在密集岩石中的油气可以通过这些人造裂缝流动到井中，进而被抽出地面。水力压裂技术能够有效增加油气产量，使得许多之前难以开发的资源得以利用。
结语
页岩气作为清洁高效的能量资源之一用途广泛，然而它的开采成本却相较常规油气资源高出很多。未来我们需要更好地认识页岩气，了解它所居住的环境，逐步掌握高效获取这一重要能源的秘诀。只有拥有利用资源的技术，资源才能成为真正的资源！
本文来自微信公众号：石头科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：KF
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