摘 要：美國頁巖氣開發(fā)全面進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段，作為頁巖氣資源蘊(yùn)藏量同樣極其豐富的中國，推動(dòng)開發(fā)頁巖氣有利于改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全。以美國5個(gè)典型頁巖氣區(qū)帶解剖為依據(jù)，對頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響因素進(jìn)行定量分析，提出了影響頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展因素的分類方案；采用主成分分析法，分析了影響頁巖氣產(chǎn)業(yè)化各指標(biāo)的影響程度；通過對比，總結(jié)了美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程對中國頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟示。結(jié)果表明：①影響頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的4個(gè)主要因素為資源基礎(chǔ)、技術(shù)支持、產(chǎn)業(yè)政策和投入產(chǎn)出，由此構(gòu)建了頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響因素指標(biāo)體系，包含11項(xiàng)具體指標(biāo)；②對美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展因素進(jìn)行分析可知，埋深是最為重要的主控因素；③根據(jù)因素的重要程度和對比中美頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r可知，中國要想頁巖氣產(chǎn)業(yè)化順利發(fā)展，必須跨越地質(zhì)條件復(fù)雜、單井投資高、油氣開采公司數(shù)量少等3個(gè)方面的障礙。
關(guān)鍵詞：頁巖氣 產(chǎn)業(yè)化 影響因素 主成分分析 中國 美國 資源基礎(chǔ) 技術(shù)支持 產(chǎn)業(yè)政策 投入產(chǎn)出
Influencing factors for the development of shale gas industry
Abstract：The development of the U．S．shale gas has entered the industrialization stage in an all round way．As China is similarly rich in shale gas reserves，promoting the development of shale gas can help improve energy structure and guarantee energy security in China．Through the analysis of the five typical shale gas zones in the United States，this paper makes a quantitative analysis of the influencing factors for the development of shale gas industry and puts forward a classification scheme thereof．By using the principal component analysis(PCA)，this paper analyzes how such factors(by indexes)affect the shale gas industrialization．By contrast，this paper summarizes the enlightenment provided by the development of the U．S．shale gas industry to China．The following results were revealed．Firstly，four major factors affecting the development of shale gas industry are respectively resource base，technical support，industrial policies，and input／output，on this basis，an index system of influencing factors was built containing 11 specific indices．Secondly．burial depth is regarded as the most important nlain controlling factor．Thirdly，according to the importance of different factors and by comparing the shale gas industry development situations between China and the United States，it is known that to realize shale gas industrialization smoothly，China must overcome three obstacles，i．e．，complex geological conditions，high investment in a single well．a(chǎn)nd a small number of oil and gas exploitation companies．
Keywords：Shale gas；Industrialization；Influencing factors；Principal component analysis；China；the United States；Energy mix
中國能源結(jié)構(gòu)正面臨由高污染、高消耗向綠色能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，頁巖氣作為高效、清潔能源，在中國的技術(shù)町采資源量達(dá)25.08×1012m3，巨大的開采前景使其成為中國能源發(fā)展的新方向。目前，在四川盆地焦石壩、長寧等局部地區(qū)已初步實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)委員會(huì)的界定，產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)需要包含六方面的要素：生產(chǎn)連續(xù)性、生產(chǎn)物標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)過程各階段集成化、工程高度組織化、盡可能用機(jī)械化作業(yè)代替手工勞動(dòng)、生產(chǎn)與組織一體化的研究與開發(fā)。中國的頁巖氣開發(fā)需要由局部地區(qū)的小規(guī)模生產(chǎn)向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型，這既要借鑒國外成功產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，也要適合中國的地質(zhì)特征、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展特征。
20世紀(jì)80年代初，美國Barnett頁巖氣率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模開發(fā)。截至目前，美國頁巖氣開發(fā)全面進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。據(jù)美國能源信息管理局(U．S．EnergY Information Administration，簡稱EIA)統(tǒng)計(jì)，2013年美國頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到11.3×1012ft3 (約3.2×1011m3，1ft3＝0.028m3，下同)，占美國天然氣總產(chǎn)量的37.45％。預(yù)計(jì)到2040年，美國頁巖氣年產(chǎn)量將高達(dá)19.82×1012ft3(約5612.39×108m3)，占美國天然氣總產(chǎn)量的52.8％(圖1)。美國頁巖氣的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，增強(qiáng)了美國能源安全保障，降低了美國天然氣價(jià)格，改變了世界天然氣市場的傳統(tǒng)格局[1]。
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美國Fort Worth盆地的Barnett頁巖、Arkoma盆地的Fayetteville頁巖、Anadarko盆地的Woodford頁巖、Appalachian盆地的Marcellus頁巖及墨西哥灣Salt盆地的Haynesville頁巖等五大區(qū)帶的頁巖氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展相比其他地區(qū)更為成熟(圖2)。因此，以這5個(gè)典型頁巖氣區(qū)帶解剖為依據(jù)，對頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響因素進(jìn)行定量分析，尋求關(guān)鍵指標(biāo)，以期總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)中國頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
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1 影響頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素
1．1 頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響因素分析
筆者結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)[4-8]，提出資源基礎(chǔ)、技術(shù)支持、產(chǎn)業(yè)政策和投入產(chǎn)出是影響頁巖氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的4個(gè)主要因素。其中，資源基礎(chǔ)對產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)物標(biāo)準(zhǔn)化有基礎(chǔ)作用，而投入產(chǎn)出是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展連續(xù)性的經(jīng)濟(jì)原動(dòng)力。
1．1．1資源基礎(chǔ)
通過建立頁巖氣資源基礎(chǔ)表征參數(shù)，以探究影響頁巖氣資源基礎(chǔ)的指標(biāo)。頁巖氣資源富集程度和儲(chǔ)層水平可選擇頁巖氣資源豐度、儲(chǔ)層平均埋深和儲(chǔ)層平均厚度等三個(gè)指標(biāo)衡量。其中，頁巖氣資源豐度是單位面積內(nèi)的頁巖氣技術(shù)可采資源量，反映不同區(qū)帶頁巖氣資源稟賦高低[9]，該指標(biāo)在資源評價(jià)中具有很好的橫向可對比性。而頁巖氣儲(chǔ)層條件對資源基礎(chǔ)的影響直接反映在頁巖氣產(chǎn)業(yè)前景上[10]。相同地質(zhì)條件下，頁巖厚度越大，頁巖氣資源豐度越高，技術(shù)可采資源量越大。頁巖儲(chǔ)層埋深適中、厚度越大的地區(qū)，頁巖氣勘探開發(fā)產(chǎn)業(yè)發(fā)展條件越好。
由表1可見美國五大頁巖氣區(qū)帶的資源豐度介于1.1×108～5.07×108m3／km2，頁巖儲(chǔ)層埋深大部分在2000m左右，平均頁巖厚度介于30～100m。
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1．1．2技術(shù)支持
技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步成為推動(dòng)美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵因素[9]，水平井鉆井、水力多段壓裂、重復(fù)壓裂、同步壓裂及裂縫綜合監(jiān)測等技術(shù)不斷突破，并得到廣泛運(yùn)用。從1981年Barnett頁巖氣區(qū)帶的第一口發(fā)現(xiàn)井到1992年的十年中，Barnett頁巖氣區(qū)帶僅鉆探了99口生產(chǎn)井[12]，整個(gè)開發(fā)過程進(jìn)程緩慢。而到了1997年之后，由于水力壓裂取代了凝膠壓裂成為頁巖氣開發(fā)最重要的增產(chǎn)手段，Barnett頁巖氣開發(fā)也隨之加快(圖3)。
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壓裂級數(shù)和水平井段長度代表目前美國頁巖氣開采的技術(shù)水平，其級數(shù)的增大和長度的增加不僅帶來鉆井?dāng)?shù)量的大幅增長(表2)，更帶來頁巖氣產(chǎn)量的迅速提高，最終促進(jìn)了頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，可以用平均壓裂級數(shù)和平均水平井段長度作為技術(shù)影響因素表征頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展程度的指標(biāo)。從表2可見，美國五大頁巖氣區(qū)帶生產(chǎn)的最大壓裂級數(shù)高達(dá)34段，平均壓裂級數(shù)10段以上；最長的水平井長度高達(dá)3000m，平均水平井段長度1200m以上。
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1．1．3產(chǎn)業(yè)政策
美國政府不斷出臺(tái)優(yōu)惠扶持頁巖氣開發(fā)的政策，是該產(chǎn)業(yè)得以迅速發(fā)展的又一重要因素[14]。整套產(chǎn)業(yè)政策既包括建設(shè)發(fā)達(dá)的管網(wǎng)為運(yùn)輸提供基礎(chǔ)，也有稅收、資金的實(shí)體支持，還有對行業(yè)參與度的監(jiān)管等。
截至2011年，美國擁有總長達(dá)358.4×107m的天然氣管道，以及與之配套的管網(wǎng)設(shè)施，管道對天然氣供應(yīng)商實(shí)施無歧視準(zhǔn)入，為頁巖氣開發(fā)商解除了運(yùn)輸方面的后顧之憂。此外，美國政府還制定了一系列政策法規(guī)：①財(cái)政補(bǔ)貼方面，1980年美國規(guī)定從境內(nèi)開采頁巖氣可獲得每桶油當(dāng)量3美元的補(bǔ)貼，到2006年，補(bǔ)貼上升到每桶油當(dāng)量22.05美元；②稅收減免方面，美國先后修訂了《能源意外獲利法》和《納稅人減負(fù)法案》，明確規(guī)定對頁巖氣開發(fā)的稅收減免政策幅度達(dá)28％，且持續(xù)23年之久[15]；③法律政策方面，美國政府出臺(tái)了包括《安全飲用水法》《清潔水法》《清潔空氣法》《綜合環(huán)境責(zé)任與賠償法》等多部法律，防止頁巖氣開發(fā)過程中造成的環(huán)境問題；④行業(yè)監(jiān)管方面，美國政府把監(jiān)管權(quán)分屬到聯(lián)邦和州兩級，聯(lián)邦政府通過環(huán)境和跨州管道準(zhǔn)入監(jiān)管進(jìn)行有限介入，而何處開采、何時(shí)開采、氣井標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)際監(jiān)管權(quán)則下放至各州[15]。由于美國實(shí)行完全開放的頁巖氣開發(fā)政策，使得在產(chǎn)業(yè)發(fā)展之初，眾多中小公司擁有頁巖氣勘探開采的權(quán)利；隨著技術(shù)成熟和收益前景明朗，為適應(yīng)大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)，大公司通過并購企業(yè)、購買頁巖氣礦業(yè)權(quán)等方式介入[16]。
考慮到產(chǎn)業(yè)政策對頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)作用，兼顧上述因素的量化可行性，可以以企業(yè)數(shù)量、天然氣管道長度、資源稅率三項(xiàng)指標(biāo)代表美國政府對頁巖氣產(chǎn)業(yè)的基本態(tài)度。
1．1．4投入產(chǎn)出
投入產(chǎn)出是頁巖氣產(chǎn)業(yè)是否能持續(xù)吸引投資、長久發(fā)展的最重要經(jīng)濟(jì)影響因素。頁巖氣產(chǎn)業(yè)的投入指頁巖氣在開采過程中所需的資本投入，產(chǎn)出是指頁巖氣開采后所獲得的產(chǎn)值。頁巖氣開采的資本投入包括發(fā)現(xiàn)成本、開發(fā)成本、操作成本和礦區(qū)資源使用成本等，其中開發(fā)成本的比重最大，占總成本的54％左右。單井投資占開發(fā)成本的近90％。因此，單井投資是頁巖氣開采成本最重要的構(gòu)成，它基本能代表頁巖氣開采的投入情況。隨著頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的不斷提高使井網(wǎng)密度不斷增加，鉆井?dāng)?shù)量增長[17]，鉆井?dāng)?shù)成為表征頁巖氣區(qū)帶投資活躍性的重要指標(biāo)。從圖4可看出Haynesville和Marcellus是近年新增鉆井活動(dòng)最頻繁的區(qū)帶。
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由于頁巖氣開采技術(shù)的提高使開采成本大幅下降，規(guī)?；_采成為可能[19]，頁巖氣產(chǎn)量隨之急劇增長。但吸引美國企業(yè)投入頁巖氣開發(fā)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不僅是可觀的頁巖氣產(chǎn)量，還包括天然氣價(jià)格的攀升。因此，單井投資、鉆井?dāng)?shù)和日產(chǎn)值是表征頁巖氣投入產(chǎn)出的重要指標(biāo)。
1．2 構(gòu)建頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響因素指標(biāo)體系
根據(jù)美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展四大影響因素的深入分析，按數(shù)據(jù)的客觀性、可比性、代表性和可操作性，構(gòu)建頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展指標(biāo)體系(表3)，并同時(shí)明確了11個(gè)二級表征指標(biāo)。
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2 頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展因素影響程度主成分分析
2．1 方法選擇
目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響因素的評價(jià)方法很多[21-28]。相較于其他方法，主成分分析法是根據(jù)客觀數(shù)據(jù)自身間的相關(guān)性，尋找各指標(biāo)間的重要性程度，即權(quán)重，這樣既可以避免分析過程受主觀影響較大，又解決了其他方法對數(shù)據(jù)要求過高的問題。此外，主成分分析法可以很好地剔除指標(biāo)體系中的重復(fù)信息，并能保證綜合后的各指標(biāo)間的獨(dú)立性。采用SPSS軟件可以應(yīng)用主成分分析法快速、清晰、直觀地得出相關(guān)囚素的統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果。
2．2 主成分分析結(jié)果
應(yīng)用SPSSl6．0軟件對表3提供的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各指標(biāo)的特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率(表4)。根據(jù)主成分提取的兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：“特征值大于1”，和“累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85％”確定出影響頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主成分F1、F2、F3(表5)。
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由表4和表5可知，F(xiàn)1為第一個(gè)主成分，其主成分貢獻(xiàn)率為49.52％(表4)，是影響頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的絕對主控因素。F1包含了資源豐度、埋深、水平井段長度、管道長度、資源稅率、企業(yè)數(shù)、單井投資等7項(xiàng)因子(指標(biāo))，各因子間相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.902、0.931、0.742、0.860、0.805、0.693、0.874(表5)。其中反映資源基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)政策的資源豐度、埋深、管道長度、資源稅率及單井投資等因子影響程度較大。第二個(gè)主成分為F2，主成分貢獻(xiàn)率達(dá)33.47％(表4)，水平壓裂級數(shù)、鉆井?dāng)?shù)、日產(chǎn)值是主要因子，各因子間相關(guān)系數(shù)分別為0.885、0.870、0.896(表5)。實(shí)踐證明，頁巖氣水平井產(chǎn)量與壓裂級數(shù)成正向相關(guān)，一般壓裂級數(shù)越多，頁巖氣水平井單井產(chǎn)量越高，頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展越迅速。反映投入產(chǎn)出的指標(biāo)——鉆井?dāng)?shù)和日產(chǎn)值是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動(dòng)力。第三個(gè)主成分F3只有頁巖氣層厚度，貢獻(xiàn)率10.94％(表4)，相關(guān)系數(shù)為0.637(表5)。頁巖氣層厚度貢獻(xiàn)率低、相關(guān)系數(shù)低反映就目前開采技術(shù)水平，氣層厚度并非影響頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素。
表5確定的11項(xiàng)指標(biāo)按照其在頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響因素中的重要程度排序(表6)，排序表中的前兩位為反映資源基礎(chǔ)的指標(biāo)，其后的三項(xiàng)指標(biāo)反映的是產(chǎn)業(yè)政策。這一排序特征表明資源和政策是頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的兩項(xiàng)關(guān)鍵因素。
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目前有關(guān)頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響因素的分析認(rèn)識中，一般只是簡單認(rèn)為頁巖氣工業(yè)前景取決于頁巖儲(chǔ)層本身而非國家政策。這一觀點(diǎn)顯然只簡單考慮了儲(chǔ)層特性、壓裂次數(shù)增多帶來的效益遞減和產(chǎn)量與成本的關(guān)系，忽視了技術(shù)水平提高帶來的單井成本縮減和表6影響因素表征指標(biāo)重要程度排序表政策給予產(chǎn)業(yè)發(fā)展的直接補(bǔ)貼和間接支持。數(shù)據(jù)證明，不論是代表頁巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)的資源豐度、埋深，還是代表產(chǎn)業(yè)政策的管道長度、資源稅率和企業(yè)數(shù)都是頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不可或缺的決定因素。因此，不可忽視國家政策對頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要影響。
