更新时间：2024-09-20 21:29
页岩气（shale gas）是一种非常规天然气，赋存于富有机质页岩及其夹层中，以吸附或游离状态存在，主要成分是甲烷，还有少量的乙烷、丙烷、氮气、二氧化碳等，极少含有H₂S气体。
页岩气既可以是生物成因气又可以是热成因气，也可以是生物成因气与热成因气的混合气。生物成因气通过在埋藏阶段的早期成岩作用或近代富含细菌的大气降水的侵入过程中厌氧微生物分解作用所形成，热成因气由埋藏比较深或温度较高时干酪根的热降解或由低熟生物气再次裂解所生成，甚至油和沥青达到高成熟时二次裂解亦可生成。成因多样性的特点延伸了页岩气的成藏边界，扩大了页岩气的成藏与分布范围，世界上页岩气主要分布在中国、阿根廷、阿尔及利亚、美国、加拿大。
页岩气是一种清洁、高效的能源资源和化工原料。可用来制备合成油、提取裂解原料、制备化学品，同时也可以用来发电，制备碳纳米管、纳米碳纤维或纳米碳颗粒等。
页岩气是指赋存于富有机质页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气。其主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷、正丁烷和正戊烷，一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮气，以及微量的性气体，如氨气和氩等。
页岩气藏、煤层气藏和致密砂岩气藏并称为三大非常规气藏，其天然气在炷源岩中大规模滞留，是典型的“自生自储”式气藏，运移距离极短，页岩气藏成藏典型地质特征如下图所示。
页岩储层的渗透率超低，页岩的典型渗透率为100~0.01mD，页岩的孔隙率通常只有3%~5%。常规致密气藏孔隙结构的尺寸都在微米或者更大的量级，但含气页岩的孔隙结构一般都在微米至纳米级。页岩气与常规天然气藏最显著的区别是，它是一个自给的系统。页岩既是气源岩，又是储层和封盖层。另外，常规天然气和页岩气其他不同之处在于：①液态烃热裂解甲烷干气可能主要存在于页岩气中；②常规天然气是从气源岩运移到砂岩或碳酸盐岩等储层的圈闭内。页岩具有极低的基质渗透率，天然气产自页岩自身，并以吸附气、游离气和溶解气等形式“原地”富集在页岩储层中。页岩气可以游离态存在于天然裂缝和孔隙中，以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒表面，还有极少量以溶解状态储存于干酪根和沥青质中，游离气比例一般在20%～85%。
页岩气的状态是多样的，大部分是以吸附状态存在于有机质颗粒和粘土矿物的表面，为吸附气；或者是以游离状态存在于页岩孔隙和裂缝中，为游离气，又称自由气；还有少部分会以溶解状态存在于干酪根（kerogen)、沥青及结构水中，为溶解气。
页岩气的生产过程中一般无需排水，开采周期比较长，一般的开采周期为30~50年，甚至更长。页岩气的开采难度比较大，开采技术要求高，采收率也比较低、投入高、产量递减快等特点。
自1821年美国阿帕拉契亚盆地成功钻探第1口页岩气井以来，页岩气开采已经有近200年的历史。但是，在20世纪90年代初期，随着致密（岩石）气与煤层气地位的上升，页岩气的地位逐渐下降。进入21世纪，随着页岩气地质与开发理论的创新和勘探开发关键技术的突飞猛进，页岩气开采进入了快速发展阶段。
美国是世界上最早进行页岩气开采的国家，其开采历史可以追溯到1821年，但页岩致密低渗的特点导致页岩气开采难度大、成本高，1976年美国能源部启动了东部页岩气项目，对页岩气地质、地球化学和石油工程开始进行系统研究，分别发现了Michigan盆地泥盆纪Antrim页岩、Appalachian盆地泥盆系Ohio页岩、Illinoi地的泥盆系New Albany页岩、Fort Worth盆地密西西比州系Barnett页岩和San Juan盆地白垩纪Lewis页岩等五大页岩气系统，截止到2002年，在美国按照年产排名的最大的12个气田中，有4个气田产层为页岩气。
加拿大是继美国之后第二个实现页岩气商业化开采的国家，2010年的产量已达到134亿立方米。欧洲页岩气主要集中在英国的威尔德盆地、波兰的波罗的盆地、德国的下萨克森州盆地、匈牙利的Mako峡谷、法国的东巴黎盆地、奥地利的维也纳盆地以及瑞典的寒武系明矾盆地等。全球已有三十多个国家展开页岩气的钻探开发工作，但是北美以外国家的页岩气开发总体上仍处于初级阶段。
中国近年的页岩气热潮始于2005年。中国石油天然气股份有限公司、中国石化、国土资源部油气资源战略研究中心、中国地质大学（北京）等单位相继借鉴北美成功经验，以老井复查、区域地质调查为基础，开展了中国陆上页岩气形成地质条件和资源潜力评价，在页岩气远景区进行地质浅井、参数井和地震勘探，获取页岩气评价关键参数，评价优选有利页岩气区带，钻探页岩气评价井，实现了中国页岩气勘探初步突破。2023年12月，涪陵页岩气田焦页6-2HF井累计产量突破4亿立方米，创中国页岩气单井累产最高纪录。
页岩气既可以是生物成因气又可以是热成因气，也可以是生物成因气与热成因气的混合气。生物成因气通过在埋藏阶段的早期成岩作用或近代富含细菌的大气降水的侵入过程中厌氧微生物分解作用所形成，热成因气由埋藏比较深或温度较高时干酪根的热降解或由低熟生物气再次裂解所生成，甚至油和沥青达到高成熟时二次裂解亦可生成。成因多样性的特点延伸了页岩气的成藏边界，扩大了页岩气的成藏与分布范围，使传统意义上的非油气钻探有利区带需要重新审视并有可能获得工业性油气勘探突破的重要保障。
生物成因气通过在埋藏阶段的早期成岩作用或近代富含细菌的大气降水的侵入过程中厌氧微生物分解作用所形成。此阶段，细菌是甲烷生成的必要条件。生物成因气在世界天然气资源总量中所占比例不小，但形成条件却比较苟刻。以下条件必须同时满足，缺一不可。
（1）富含有机质的烃源岩是细菌开展工作的原材料，而缺氧、低硫酸及低温工作环境是细菌存活的外部环境，没有细菌一切都无从谈起，足够长的埋藏时间是细菌完成大量工作的前提保证。
（2）在此基础上，菌类繁殖需要一定程度的繁殖空间。由于有机质富集的页岩颗粒太小，其能提供的孔隙空间十分有限，此时页岩中发育的微裂缝就显得尤为重要。
只有具备上述这一系列的苛刻条件，细菌才有可能有条不紊地开展工作。不同类型的细菌在烃源岩有机质分解过程中所起的作用存在差异。整体看来，生物成因作用主要通过两种化学反应方式实现：第一种是醋酸盐的发酵作用，第二种是二氧化碳的还原作用。
热成因气由埋藏比较深、温度较高时干酪根的热降解或由低熟生物气再次裂解所生成，甚至油和沥青达到高成熟时二次裂解亦可生成。页岩中热成因气的形成可经过三个途径：首先，由干酪根分解生成天然气和有机沥青质；其次，有机沥青质分解生成天然气与液态油；最后，液态油受到二次裂解作用生成天然气、高含碳量的焦炭或者沥青残余物。最后一个途径主要取决于含油气系统中液态油的残余量以及储层的吸附能力。
整体看来，页岩气的形成是热成因与生物成因共同作用的结果。有机质的丰度与类型对页岩气的形成至关重要。与此同时，温度、压力以及还原环境也是页岩气形成的必要条件。
页岩气成藏从生烃过程、排烃过程、运移过程，以及聚集过程和储存整个过程都在烃源岩内部完成，因此页岩气藏属于“自生自储”式气藏。页岩气的成藏过程一般有4个阶段：
第一阶段为天然气生成与吸附阶段，该阶段形成的页岩气藏具有与煤层气相似的成藏机理；第二阶段为吸附气量（包括部分溶解气量）达到饱和时，富余气体解吸或直接充注到页岩基质孔隙中（也不排除少量直接进入了微裂缝中），其富集机理类似于孔隙型储层中天然气的聚集；第三阶段是随着大量气体的生成，页岩基质孔隙内温度、压力升高，会出现岩石造缝以及天然气以游离状态进入页岩裂缝中成藏；第四个阶段是天然气最终以吸附气和游离气的形式富集形成页岩气藏，即页岩气藏形成阶段。
全球页岩气可采资源/储量为2.145×1014m3。这一储量按照2020年天然气消耗量计算，相当于全球天然气61年的总消费量。
截止2020年，世界上页岩气储量最多的国家是中国，其储量达到3.16×1013m3，之后是阿根廷（2.27×1013m3）、阿尔及利亚（2.0×1013m3）、美国（1.77×1013m3）、加拿大（1.62×1013m3）。这几个国家也是页岩气主要的分布区域。
北美地区是世界上页岩气产量最大的地区。与开采技术领先的北美地区相比，中国页岩气的开采虽然起步较晚，但是经过多年的勘探开发实践，页岩气勘探开发取得了重大的突破。截至2016年，四川盆地及周缘的海相地层，已探明页岩气储量7643亿m3。其中，重庆涪陵已探明页岩气储量6008亿m3，成为除北美之外最大的页岩气田。中国从2010年开始生产页岩气，到2017年页岩气产量达到91亿m3，仅次于美国和加拿大。
页岩气的开发过程主要包括5个阶段：第一阶段是钻前工程，主要是临时修建、道路等现场工程；第二阶段是钻井工程，包括垂直钻井和水平钻井两种方式，垂直钻井可以了解页岩气藏的特性，水平钻井则可以暴露更多的储层，获得更高的产量；第三阶段是完井与压裂阶段，主要是用套管和水泥进行固井与完井，利用水力压裂使页岩气层裂开；第四阶段是返排阶段，主要是收集、储存以及处理返排到地面的压裂液；第五阶段是生产阶段，主要负责生产、储存以及传送开采出来的页岩气。
地震勘探技术：地震勘探技术包括三维地震技术和井中地震技术。三维地震技术有助于准确认识复杂构造、储层非均质性和裂缝发育带，来提高探井或开发井成功率。井中地震技术是在地面地震技术基础上向“高分辨率、高信噪比、Hi-Fi”发展的一种地球物理学手段。在油气勘探开发中，将钻井、测井和地震技术很好地结合起来，成为有机联系钻、测井资料和地面地震资料对储层进行综合解释的有效途径。
钻井技术：页岩气先后经历了直井、单支水平井、多分支水平井、丛式井、丛式水平井的发展历程，在2002年以前，直井式美国开发页岩气的主要钻井方式。
测井技术：可用于含气页岩储层的测井识别、总有机碳（TOC）含量和热成熟度（Ro）指标计算、页岩孔隙及裂缝参数评价、页岩储集层含气饱和度估算、页岩渗透性评价、页岩岩矿组成测定、页岩岩石力学参数计算。
页岩含气量录井和现场测试技术：页岩孔隙度低，以裂缝和微孔隙为主，绝大多数页岩气以游离态、吸附态存在离游离态页岩气在取芯钻进过程中逸散进入井筒，主要是测定岩芯的吸附气含量。录井过程中，需要在现场做页岩层气含量测定、页岩解吸及吸附等重要资料的录取。这些资料对评价页岩层的资源量具有重要意义。针对页岩气钻井对录井的影响，可以通过改进录井设备、方法和措施，达到取全、取准录井资料的目的。
固井技术：岩气固井水泥浆主要有泡沫水泥、酸溶性水泥、泡沫酸溶性水泥以及火山灰+H级水泥（这种水泥对原料、燃料的质量和生产工艺要求均较宽松，水泥比表面积仅为270～300m2/kg）等4种类型。其中，火山灰+H级水泥成本最低，泡沫酸溶性水泥和泡沫水泥成本相当，高于其他两种水泥，是火山灰+H级水泥成本的1.45倍。
完井技术：主要包括套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井、组合式桥塞完井、机械式组合完井等。完井方式的选择会影响到工程复杂程度、成本及后期压裂作业的效果。
由于页岩气和常规天然气的基本组分相同，因此页岩气也可以用来制备合成油，即气制油（GTL)。气制油是天然气高效利用的重要途径，由于它不含硫、氮、杂质和芳香烃等组分，是一种清洁能源，能满足现代社会对油品的苛刻要求。柴油是气制油厂的主要产品，几乎不含硫，十六烷的含量为70%-80%。与常规炼油厂的清洁柴油相比，气制柴油性能要好得多，它的规格甚至能超过欧盟超清洁柴油。
页岩气的开发和利用有利于缓解石油、天然气、煤炭等能源资源的短缺，增加清洁能源供应，是常规能源的重要补充。
页岩气中的乙烷、丙烷、正丁烷属于低碳烷烃，具有良好的裂解特性，均是优质的裂解原料。如果将它们从页岩气中回收，送入乙烯装置进行裂解，可明显降低乙烯装置的生产成本和能耗，提高乙烯工业的经济效益。国际上存在多种从天然气中提取凝液（除甲外的低碳烷烃）组分的工艺，这些工艺的主要产品是液化天然气，副产品是凝液，乙烷回收率均可达90%以上。
页岩气制氢气：制备氢气的途径有两种：一种途径通过制备合成气（H2和CO的混合气）进而得到氢气；另一种途径通过甲烷的催化裂解得到氢气。甲烷惰性比较强，其活化需要的条件比较苛刻。
页岩气制合成氨（尿素）：页岩气首先经过脱硫工序除去各种硫化物，然后与蒸汽混合预热，在一段转化炉的反应管内进行转化反应，产生合成气和CO2，同时还有未转化的CH4和水蒸气，采用甲烷化的方法除去CO和CO2，最后将含有少量CH4、Ar的H2、N2压缩至高压状态送入合成塔进行合成氨反应。
页岩气制甲醇：随着甲醇制烯烃工艺技术的发展与应用，国内外市场对于甲醇的需求与日俱增。利用合成气制备甲醇是当前工业生产甲醇的主要方法。甲烷和水直接合成甲醇和氢气，是页岩气资源和氢气绿色开发应用的一种有效方式。
页岩气制乙烯：将页岩气中的甲烷转化成乙烯，会成为页岩气未来主要的利用途径。甲烷制备乙烯的方法分为一步法、二步法、三步法。一步法主要有氧化偶联法和选择性氧化法，中国在氧化偶联法制备乙烯方面处于国际领先水平。二步法则主要包括合成气路线、氧化路线和氯化路线，技术尚未成熟，不能满足工业要求。三步法具体分为甲醇路线、二甲醚路线、乙醇路线，其中甲醇路线是应用最多的工艺。
页岩气制芳香烃：将甲烷催化转化成为芳烃，能极大地提高页岩气的商业价值。当前甲烷转化成芳烃的主要方法是部分氧化法和无氧脱氢法。但部分氧化法甲烷转化率很低并且芳烃选择性回收率低，且会生成大量二氧化碳，对环境不友好，甲烷无氧脱氢芳构化已经成为甲烷利用研究中的一个重要分支，但是离应用还有一定距离。
页岩气除了用于提取裂解原料、制备合成油和化学品外，还可以用来发电，制备碳纳米管、纳米碳纤维或纳米碳颗粒等。
页岩气开发潜在的环境风险是制约页岩气发展的主要因素之一。页岩气开发引发环境问题主要源于两个方面：一方面，页岩气资源不如常规气藏储气集中，若要达到一定的开采量，所需的工业作业规模比生产等量常规天然气要大得多，大规模的页岩气开发可能对当地土地利用及居民生活产生较大影响；另一方面，页岩气开采目前主要依靠水力压裂技术，对当地的地表水和地下水、空气存在潜在污染威胁。
页岩气开发会对水资源造成一些影响，影响主要源自页岩气开发核心技术——水力压裂技术。水力压裂操作中，夹杂着化学添加剂（包括缓蚀剂、抗菌剂、防垢剂等多种有害组分）的大量水及泥沙（压裂液）被高压注入地下井，压裂岩石、构造出扩张裂口，从而使天然气能够流入井中以便采集。此技术带来两个主要问题：一是水资源大量消耗；二是产生的废水可能对地下水和地表水造成污染。
页岩气开发和利用时会产生甲烷等温室气体排放。甲烷不仅会造成当地空气污染，同时也是一种高强度温室气体，其温室效应影响是二氧化碳的25倍。在页岩气开发过程中会有约1.19%的甲烷泄漏，主要来源于水力压裂操作后大量的压裂液和产生的水返排至地表，其中包括部分产出的甲烷；再考虑加工、输气和配气环节，则整个开发过程中泄漏量约为2.01%。
页岩气开发对区域生态和环境也具有一些负面影响，主要包括土地占用、交通（道路破坏）等。
土地占用与污染：通常陆上常规气田每10平方千米不到1口气井，而页岩气田同样面积的气井数可能超过10口。除页岩气气井施工需要用地外，配套道路、储水槽以及输气设施建设同样需要用地。同时开发过程产生的废水、废物若处置不当可能对附近土壤造成污染。例如，美国宾夕法尼亚州的钻井活动就引发了对土地破碎和生物多样性减少的忧虑。
交通道路损毁：页岩气井址一般位于偏远地区，道路多为县道、乡道等低等级公路，路况差、易损毁。页岩气钻井设备、远离水源地的压裂开发用水和需集中处理的废水，以及未连接管网的产出气等均需要大型卡车运输，可能会导致非常严重的路面损坏，对周边地区居民生活造成影响。
注：以上表格的参考资料来自
突破4亿立方米！涪陵页岩气田单井累计产量创全国纪录.今日头条.2023-12-12