美國頁巖氣公共研發(fā)的經(jīng)驗與啟示

李杏茹

(中國國土資源經(jīng)濟研究院，北京　101149)

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美國頁巖氣公共研發(fā)的經(jīng)驗與啟示

李杏茹

(中國國土資源經(jīng)濟研究院，北京101149)

摘要：本文論述了美國政府進行的一系列頁巖氣的科技活動，總結(jié)了其科技投入的經(jīng)驗，同時分析了中國頁巖氣科技研發(fā)中的問題，提出了建立投入與轉(zhuǎn)化的高效協(xié)同、加強部門間協(xié)調(diào)、完善資料共享等對策建議。

關(guān)鍵詞：美國；頁巖氣；公共研發(fā)；對策

1前言

美國頁巖氣的成功，受一系列因素影響，其中，科技創(chuàng)新是最重要的因素[1-2]。美國經(jīng)驗證明，沒有關(guān)鍵的理論技術(shù)創(chuàng)新，包括對氣的賦存機理、連通天然裂縫的重要性的認識，氮泡沫壓裂技術(shù)、方向鉆井技術(shù)的引入，早期微地震監(jiān)測等技術(shù)的發(fā)展，頁巖氣不可能實現(xiàn)效益化生產(chǎn)。

21世紀前10年美國頁巖氣的大規(guī)模開發(fā)，激發(fā)了包括中國在內(nèi)的多國關(guān)注[3-5]。2009年，中國開始評估資源量，之后通過技術(shù)引進和自主創(chuàng)新，于2014年涪陵氣田實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。不可否認，美國的現(xiàn)有技術(shù)為中國頁巖氣開發(fā)提供了推動力，但是目前國內(nèi)頁巖氣的突破僅限于四川盆地海相地層，其他地區(qū)尚未形成工業(yè)產(chǎn)能。頁巖氣開發(fā)與常規(guī)油氣比，投資回報風(fēng)險大，開發(fā)企業(yè)面臨前期資料缺乏、不具備開發(fā)經(jīng)驗、國外技術(shù)不適用等問題。解決這些問題亟需理論與技術(shù)創(chuàng)新，而國家進行高效的科技研發(fā)投入，對于頁巖氣技術(shù)創(chuàng)新至關(guān)重要。以往也有作者介紹過美國頁巖氣開發(fā)的政策、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗、監(jiān)管體制等[5-9]，但基本沒有涉及科研投入的研究。本文將回顧美國聯(lián)邦政府的科技投入及運行機制，結(jié)合中國實際，探討政府投入的思路。

2美國政府對頁巖氣的科技投入活動

美國政府對頁巖氣投入的研發(fā)活動主要有：能源部東部頁巖氣工程(屬于“非常規(guī)天然氣研究項目”的子項目)、天然氣研究所(GRI)的研發(fā)項目，以及“2005年能源法案”通過的“超深水、非常規(guī)天然氣和其他石油資源項目”。

2.1東部頁巖氣工程(EGSP)

20世紀70年代，美國能源危機和天然氣儲量下降，政府開始重視非常規(guī)天然氣的開發(fā)，能源部設(shè)立了旨在開發(fā)非常規(guī)天然氣的項目。其中，EGSP是其子項目之一(見圖1)，1976年1月正式啟動，運行16年(1976—1992年)，總經(jīng)費9200多萬美元。EGSP是針對每個氣頁巖省開展的一項多學(xué)科研究，基本目標(biāo)是研發(fā)有效的、環(huán)保的技術(shù)方法來尋找并生產(chǎn)天然氣；減少潛在資源量的不確定性，鼓勵私人企業(yè)更大規(guī)模地開發(fā)頁巖氣。項目前5年(1976—1981年)主要致力于對東部含氣頁巖地質(zhì)、地球化學(xué)、地球物理特征和儲層物性的描述，以及水力壓裂、化學(xué)爆炸壓裂、定向鉆探等增產(chǎn)實驗研究。這個時期，經(jīng)費投入最多，約占總經(jīng)費的2/3，其中1979年年內(nèi)預(yù)算最高，為1800萬美元。自20世紀80年代早期開始，EGSP將研究重點轉(zhuǎn)向了詳細的儲層特性分析和針對壓裂頁巖開發(fā)儲層數(shù)學(xué)模型，建立了壓裂頁巖的儲層模型(SUGAR-MD)。項目后期的研究集中于對模型的驗證與運用上[10]。

圖1　1977—2002年能源部對非常規(guī)天然氣項目的各種資助(來源于NETL報告)

圖2　1978—2005年能源部油氣研發(fā)資助與GTL的對比(來源于NETL報告)

圖1　Web of Science中收錄的智能制造文獻數(shù)量

1976年國會授權(quán)資助非常規(guī)天然氣研究項目(UGRP)，UGRP包括三個獨立的子項目，分別是東部頁巖氣工程(EGSP)、西部砂巖氣工程、煤層氣工程。由圖1可以看出，1978—1981年資助經(jīng)費額度為每年2000萬～3000萬美元，大部分經(jīng)費流向東部氣頁巖工程和西部砂巖氣工程。1980年以后里根政府實施新政，能源研發(fā)經(jīng)費大幅降低，在整個80年代資助水平降至1000萬美元左右，重點資助與勘探開發(fā)相關(guān)的環(huán)境保護技術(shù)研究。1992年，非常規(guī)天然氣的研究經(jīng)費幾乎被砍掉。1993年，項目從關(guān)注非常規(guī)天然氣資源過渡到重點支持技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)，強調(diào)鉆井工具和方法、圖像、診斷、完井和壓裂。1994—2005年，涉及天然氣勘探開發(fā)的研究經(jīng)費保持在1000萬～2000萬美元。

2.2天然氣研究所(GRI)

GRI是天然氣行業(yè)創(chuàng)辦的非營利性機構(gòu)，1978年開始全面運作，主要負責(zé)規(guī)劃、管理和資助天然氣行業(yè)所有部門的研發(fā)項目。對頁巖氣來說，研發(fā)重點是新測井技術(shù)、油藏模擬和增產(chǎn)技術(shù)等產(chǎn)業(yè)技術(shù)的商業(yè)化與應(yīng)用。GRI資助項目的詳細信息非常少，通過其參與的項目了解到，1989—1995年，GRI管理了能源部的密歇根盆地泥盆紀安特里姆頁巖研發(fā)。

GRI經(jīng)費全部來源于洲際天然氣銷售的附加費，該附加費由聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會設(shè)立，專門用于開展公共研發(fā)項目，起初的附加費是0.12美分/103ft3，1988 年達到1.51美分/103ft3。在附加費實施期間(1978—2000 年)，總金額超過了30億美元。1978—1999年，GRI的經(jīng)費逐年增加，1978年經(jīng)費規(guī)模4000萬美元，20世紀80年代年均1.2億美元，90年代年均2億美元，達到峰值(見圖2)。在此期間，GRI資助天然氣供應(yīng)的經(jīng)費為每年3000萬～3500萬美元，約占總預(yù)算的15%[10]。

2.3“超深水、非常規(guī)天然氣和其他石油資源”項目

2005年能源政策法案(EPAct)中設(shè)立了“超深水、非常規(guī)資源和小生產(chǎn)者”項目，項目周期為2007—2017年。法案規(guī)定，每年從來自石油公司上繳美國政府的礦權(quán)費、土地租讓費和紅利中抽出5000萬美元用于項目研究，由國家能源技術(shù)實驗室(NETL)負責(zé)實施[11]。主要包括四個方面內(nèi)容：非常規(guī)天然氣和其他石油資源的勘探和生產(chǎn)(URP)、超深水的體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)、小生產(chǎn)者面臨的挑戰(zhàn)性技術(shù)以及由NETL開展的補充性研究。前三項研究由美國能源安全保障研究合作機構(gòu)(RPSEA)負責(zé)管理，經(jīng)費占75%，主要資助那些如果沒有聯(lián)邦政府資助工業(yè)界就不會從事的研究、開發(fā)和示范活動，降低非常規(guī)油氣勘探開發(fā)對環(huán)境的影響。其中，非常規(guī)天然氣項目致力于開發(fā)整個國家頁巖資源中的巨大資源量，并解決環(huán)境安全與保護問題[11]。RPSEA作為整個項目的管理者，每年都會選擇一批新項目進行資助。在非常規(guī)天然氣資源領(lǐng)域，超過半數(shù)的項目集中于頁巖氣，2007—2010年頁巖氣項目情況見表1。

表1　2007—2010年RPSEA管理的頁巖氣項目列表

3美國頁巖氣公共研發(fā)經(jīng)驗

美國頁巖氣的成功充分證明了科技先行的重要性，而政府出資主導(dǎo)的若干項目有效地推動了開發(fā)技術(shù)的創(chuàng)新和商業(yè)化應(yīng)用，為之后美國頁巖氣的成功開發(fā)奠定了堅實基礎(chǔ)。因此，美國頁巖氣的成功可以說是政府一手推動的。

(1)政府持續(xù)的研發(fā)投入對于技術(shù)突破極為重要。盡管美國是自由主義市場經(jīng)濟，但在頁巖氣勘探開發(fā)中，聯(lián)邦政府的科技投入?yún)s發(fā)揮了巨大的作用。從對頁巖知之甚少到重視環(huán)境影響，聯(lián)邦投入貫穿始終。20世紀70年代，美國能源危機和天然氣儲量下降，聯(lián)邦政府開始重視非常規(guī)天然氣的開發(fā)，但此時業(yè)界對頁巖氣的認識相當(dāng)有限。EGSP恰恰填補了美國油氣行業(yè)在頁巖氣認知領(lǐng)域的空白，所產(chǎn)生的地質(zhì)資料為美國公司獲取頁巖氣奠定了基礎(chǔ)。同期，天然氣行業(yè)成立GRI，管理行業(yè)相關(guān)的科技研發(fā)項目融資，經(jīng)費來源是由聯(lián)邦能源管理委員會批準(zhǔn)。2007年設(shè)立“超深水”項目，繼續(xù)對非常規(guī)天然氣的研發(fā)進行資助。盡管歷經(jīng)政黨更替、利益之爭，但聯(lián)邦政府通過不同的方式，穩(wěn)定地、連續(xù)地推動這種資源開發(fā)的技術(shù)研發(fā)。隨著研發(fā)工作的推進，不同的時期，投入重點從資源潛力、勘探開發(fā)技術(shù)到環(huán)保技術(shù)轉(zhuǎn)變的趨勢。

同時，GRI的演變可以從另一個側(cè)面反映聯(lián)邦投入的重要性。1998年之前，GRI經(jīng)費持續(xù)增加。1998年之后，GRI的經(jīng)費來源發(fā)生變化，由強制性附加費轉(zhuǎn)為行業(yè)和政府自愿資助，導(dǎo)致1998—2005年天然氣研發(fā)經(jīng)費持續(xù)下降。2000年，GRI與IGT合并為GTI。2005年，GTI已經(jīng)演化成完全由客戶組織自愿投入的機構(gòu)，包括能源部和其他公共實體，而GTI的天然氣勘探開發(fā)技術(shù)研發(fā)經(jīng)費非常少[10]。

(2)DOE與GRI之間的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)使國家投入更加高效。從以上介紹中可以看出，在很長一段時間DOE和GRI的項目是共同投資的。為了避免重復(fù)立項，在二者共存的時間里，存在顯著的合作和一致性。首先，在項目設(shè)置上，DOE的項目更多地關(guān)注基礎(chǔ)科學(xué)，而GRI的項目更多地關(guān)注應(yīng)用與技術(shù)轉(zhuǎn)讓。其次，在經(jīng)費管理上，1978—1981年資助經(jīng)費額度為每年2000萬～3000萬美元，1980年以后，里根政府實施新政，能源研發(fā)經(jīng)費大幅降低，在整個80年代資助水平降至1000萬美元左右。隨著80年代后期DOE對EGSP經(jīng)費的下降，GRI對于頁巖的研究經(jīng)費增加。第三，兩個部門之間存在密切的溝通，DOE代表參加GRI的天然氣勘探開發(fā)研究相關(guān)的指導(dǎo)委員會，這兩個機構(gòu)召開半年會議，商討高水平的計劃方向，確定研究內(nèi)容相互協(xié)調(diào)、不重復(fù)。另外，兩個部門之間的項目接替性很好。20世紀80年代，能源部科羅拉多多井試驗場的致密砂巖研究轉(zhuǎn)給GRI管理，設(shè)備一并轉(zhuǎn)給GRI使用，同時，為了該研究可以繼續(xù)給行業(yè)以及天氣消費者帶來最大利益，DOE與GRI密切合作來管理項目的過渡[9]。這種不同部門之間的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機制，保證了政府投入的高效性。

(3)政府投入產(chǎn)生了大量研究成果，并免費向社會公布。EGSP開展的詳細的泥盆紀頁巖的構(gòu)造填圖工作，發(fā)現(xiàn)了豐富的油氣潛力，獲得了將近38000米的原始巖心，出版了300份技術(shù)成果報告，向工業(yè)界提供了120多幅詳細的地質(zhì)圖和剖面圖，這些圖件首次詳細描述了涵蓋大部分阿巴拉契亞盆地的詳細的高有機質(zhì)含量分布、產(chǎn)氣性、壓裂頁巖等的信息。對油氣產(chǎn)生時代和盆地幾何形態(tài)的更好理解有助于業(yè)界識別最有潛力的生氣區(qū)域。大量的上述基礎(chǔ)知識免費向社會公布，對于后來開發(fā)Barnett和Lewis頁巖資源的開發(fā)商來說非常重要[10]。同時，能源部的投入與企業(yè)密切配合，將多項成熟技術(shù)引入頁巖氣領(lǐng)域，包括泡沫壓裂技術(shù)、定向取心及斷面分析、泥盆系頁巖測井套件、井下攝像、大規(guī)模水力壓裂技術(shù)、定向鉆進改善產(chǎn)氣率、隨鉆電磁測量等，形成了成熟的頁巖氣勘探開發(fā)的技術(shù)系列。

(4)政府與行業(yè)合作加速實現(xiàn)了科研成果的快速轉(zhuǎn)化。從EGSP到GRI項目，再到后來的“超深水”項目，都體現(xiàn)著政企的合作。首先，EGSP除了能源部投入外，還得到了天然氣研究所和私人企業(yè)分別投入的3000萬美元和3500萬美元[9]。其次，DOE與行業(yè)合作開展了大量的技術(shù)研發(fā)與示范，比如，1986年DOE和行業(yè)合作伙伴在泥盆紀頁巖鉆探了第一眼氣鉆水平井，1989—1990年DOE和企業(yè)合作鉆探了三眼水平井，識別出了美國負壓水平鉆井廣泛應(yīng)用的技術(shù)障礙。據(jù)統(tǒng)計，在EGSP的前四年中，DOE與行業(yè)共同承擔(dān)費用的示范項目進行了50多項[10]。此外，2007—2017年“超深水、非常規(guī)天然氣和其他石油資源項目”中明確要求，根據(jù)項目類型的不同，成本分攤占總項目支出不能低于20%和50%[11]。第三，能源部與行業(yè)合作，將水平鉆井、大型水力壓裂、泡沫壓裂等關(guān)鍵技術(shù)引入頁巖氣開發(fā)。在含氣頁巖項目之前，大型水力壓裂技術(shù)已經(jīng)是一項用于地滲透性或致密天然氣層商業(yè)開采的成熟技術(shù)，EGSP為將該類技術(shù)引入頁巖氣行業(yè)提供了關(guān)鍵平臺。另外，企業(yè)在能源部的資助下開展了大量的技術(shù)示范。1978年，米歇爾能源在能源部的資金支持下，實施了當(dāng)時最大規(guī)模的大型水力壓裂，之后迅速把其應(yīng)用于巴奈特頁巖開發(fā)[9]。

4中國頁巖氣公共研發(fā)存在的問題

(1)多部門的科研投入缺乏協(xié)調(diào)。與其他油氣資源一樣，中國頁巖氣的行政管理屬于多部門共管，這也導(dǎo)致了科技研發(fā)的多部門投入?？萍疾?73專項中有3個頁巖氣的技術(shù)研發(fā)項目正在開展。國土資源部開展資源調(diào)查，在重慶彭水縣實施了中國第一口頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查井渝頁1井，獲取巖心并首次成功解析出了頁巖氣，為日后頁巖氣成為獨立礦種提供了切實的支撐依據(jù)。關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)得益于三大國有油公司的投入和技術(shù)攻關(guān)，同時，發(fā)改委也進行了大量的投入，批準(zhǔn)了三個頁巖氣示范區(qū)，推廣應(yīng)用研制的技術(shù)與裝備。地方政府(江蘇、貴州、江西、湖南等)為了摸清各省的資源潛力也開展了頁巖氣的調(diào)查與評價。對于頁巖氣開發(fā)的環(huán)保問題，則是由環(huán)保部主管?？梢?，各部門都進行了或正在進行大量的科技投入，但在現(xiàn)有的制度體系下，科研投入基本上是各自為戰(zhàn)，缺乏協(xié)調(diào)，難以形成合力，導(dǎo)致科技資源分散低效、科技領(lǐng)域各自為戰(zhàn)等現(xiàn)象較為普遍，跨部門、跨區(qū)域、跨學(xué)科的資源整合與協(xié)同創(chuàng)新力度不夠。

(2)行業(yè)缺乏技術(shù)創(chuàng)新的動力和能力。由于中國頁巖氣賦存區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，工作程度偏低，地質(zhì)資料積累少，對分布特征和分布規(guī)律仍缺乏深入了解，勘探部署依據(jù)嚴重不足。頁巖氣預(yù)測巖心測試、水平井段鉆完井、鉆進工具、裂縫的監(jiān)測產(chǎn)能評價、經(jīng)驗等核心技術(shù)，還不能滿足頁巖氣大規(guī)?？辈殚_發(fā)的需要。因此，頁巖氣實現(xiàn)突破性開發(fā)，科技創(chuàng)新面臨更大挑戰(zhàn)。然而，在中國頁巖氣開發(fā)體制中，國有大型企業(yè)占絕對主導(dǎo)地位，缺少研發(fā)和創(chuàng)新動力[6]。招標(biāo)進入的企業(yè)缺乏油氣開發(fā)經(jīng)驗和研發(fā)投資能力，例如，第二輪進入的企業(yè)因為油氣經(jīng)驗缺乏，很多工作開展得不好，在后期勘探開發(fā)中陷于被動[12]。因此，頁巖氣的突破，迫切需要國家持續(xù)高效的投入。

(3)地質(zhì)資料共享難以實現(xiàn)?！罢畽C構(gòu)先期地質(zhì)摸底、企業(yè)單位后期適用”的模式，在美國東部頁巖氣工程中已被證明是一條可有效縮短企業(yè)學(xué)習(xí)曲線的方法[13]。對于勘查開發(fā)企業(yè)來說，獲取基礎(chǔ)地質(zhì)資料，將會減少大量前期勘探成本。然而，中國的現(xiàn)實情況是，基礎(chǔ)地質(zhì)資料缺乏，常規(guī)油氣區(qū)塊內(nèi)的勘查開發(fā)資料主要由石油公司掌握，其他企業(yè)難以獲得。對于區(qū)域地質(zhì)資料，許多尚未匯交，不易獲得。同時，企業(yè)之間勘查開發(fā)資料封鎖較嚴重，難以實現(xiàn)資料共享，一定程度上造成了工作重復(fù)和資金浪費。實現(xiàn)資料共享，是提高研發(fā)效果的手段之一。

5提升中國頁巖氣公共研發(fā)效果的若干建議

基于美國經(jīng)驗與中國現(xiàn)狀，以提高政府的科技投入效果為目標(biāo)，筆者提出建議如下：

(1)創(chuàng)新管理體制，加強部門間投入的協(xié)調(diào)聯(lián)動。美國DOE與GRI的合作表明，溝通協(xié)調(diào)對于提高國家投入效果至關(guān)重要。因此，中國能源局、國土部等相關(guān)部委應(yīng)該聯(lián)合力量，創(chuàng)新管理，從國家層面出發(fā)，以推動頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展為根本，對科研項目進行相互協(xié)調(diào)、溝通，并聯(lián)合高校、研究所、大型油氣公司、中小企業(yè)共同搞研發(fā)，避免重復(fù)，政府部門之間建立溝通協(xié)調(diào)機制，明確各自定位，避免過度重復(fù)。

(2)重視成果轉(zhuǎn)化，建立投入與轉(zhuǎn)化的高效協(xié)同機制。第一，將基礎(chǔ)調(diào)查研究的投入提前，依靠地調(diào)局、高校、研究所等，集中力量搞清形成機理與分布特征，同時，國家投入產(chǎn)生的研究成果無償向企業(yè)開放，形成共享機制，降低企業(yè)的投資風(fēng)險。第二，在國家扶持引導(dǎo)下，技術(shù)示范和引進相結(jié)合，要使企業(yè)成為主體，逐步形成中國特色的有效且低成本的勘探開發(fā)技術(shù)體系。第三，政府對基礎(chǔ)性研究全面投入，對于技術(shù)示范與應(yīng)用類項目，通過成本分攤的方式吸引企業(yè)資金進入。建議參照美國頁巖氣科研項目的管理經(jīng)驗，企業(yè)參與政府設(shè)立的項目，需自籌一定比例的經(jīng)費，一般為20%～50%。這種做法有利于促進科研單位與生產(chǎn)企業(yè)之間建立聯(lián)系，形成高效的政企研發(fā)機制。

(3)重視資料共享，建立全流程信息化服務(wù)渠道。深入改革現(xiàn)有的科技管理體制，加強規(guī)范化管理，實現(xiàn)從項目立項、成果驗收、成果登記、資料查詢、借閱服務(wù)全流程信息化管理，建立資料服務(wù)新模式。同時，落實相關(guān)法規(guī)要求，切實執(zhí)行資料匯交程序。收集歸攏以往大比例尺的地質(zhì)填圖數(shù)據(jù)，用來提供給企業(yè)，減少企業(yè)前期勘探成本。建立信息共享和協(xié)調(diào)聯(lián)動機制，設(shè)立科技信息公開網(wǎng)站，開設(shè)專欄進行公布，同時在報刊、期刊、著作等媒介形式上發(fā)表。按相關(guān)法律，取得區(qū)塊的單位應(yīng)定期向主管單位報告工作進展，并在階段工作完成后上交地質(zhì)資料，如果沒有完成約定的最低工作量，應(yīng)逐步縮小區(qū)塊面積。但遺憾的是，主管單位并沒有依法落實上述規(guī)定。

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(責(zé)任編輯沈蓉)

Shale Gas Public R&D Funding of US and Its Implications to China

Li Xingru

(Chinese Academy of Land & Resources Economics，Beijing 101149,China)

Abstract：This paper discussed a series of shale gas research activities of the public R&D funding of America and its experience.Then，it analyzed the problems of shale gas technology development in China.At last，it proposed some suggestions to improve the effectiveness of government funding，such as coordinating from funding to transferring，to more cooperating between different sectors，to sharing the resulting products in time.

Key words:US；Shale gas；Public R&D；Countermeasure

中圖分類號:P618.1

文獻標(biāo)識碼:A

作者簡介：李杏茹(1980-)，女，河北趙縣人，中國國土資源經(jīng)濟研究院助理研究員，博士；研究方向：科技管理及標(biāo)準(zhǔn)化。

收稿日期：2015-07-27

基金項目：地質(zhì)調(diào)查評價專項(12120113018900)。