摘 要：美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)全面進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段，作為頁(yè)巖氣資源蘊(yùn)藏量同樣極其豐富的中國(guó)，推動(dòng)開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣有利于改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全。以美國(guó)5個(gè)典型頁(yè)巖氣區(qū)帶解剖為依據(jù)，對(duì)頁(yè)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(yè)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(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)化各指標(biāo)的影響程度；通過(guò)對(duì)比，總結(jié)了美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟示。結(jié)果表明：①影響頁(yè)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(yè)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(duì)美國(guó)頁(yè)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(duì)比中美頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r可知，中國(guó)要想頁(yè)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(kāi)采公司數(shù)量少等3個(gè)方面的障礙。
關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣 產(chǎn)業(yè)化 影響因素 主成分分析 中國(guó) 美國(guó) 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(guó)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(yè)巖氣作為高效、清潔能源，在中國(guó)的技術(shù)町采資源量達(dá)25.08×1012m3，巨大的開(kāi)采前景使其成為中國(guó)能源發(fā)展的新方向。目前，在四川盆地焦石壩、長(zhǎng)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(guó)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(guò)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(kāi)發(fā)。中國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)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(guó)外成功產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，也要適合中國(guó)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(guó)Barnett頁(yè)巖氣率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模開(kāi)發(fā)。截至目前，美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)全面進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。據(jù)美國(guó)能源信息管理局(U．S．EnergY Information Administration，簡(jiǎn)稱EIA)統(tǒng)計(jì)，2013年美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)到11.3×1012ft3 (約3.2×1011m3，1ft3＝0.028m3，下同)，占美國(guó)天然氣總產(chǎn)量的37.45％。預(yù)計(jì)到2040年，美國(guó)頁(yè)巖氣年產(chǎn)量將高達(dá)19.82×1012ft3(約5612.39×108m3)，占美國(guó)天然氣總產(chǎn)量的52.8％(圖1)。美國(guó)頁(yè)巖氣的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，增強(qiáng)了美國(guó)能源安全保障，降低了美國(guó)天然氣價(jià)格，改變了世界天然氣市場(chǎng)的傳統(tǒng)格局[1]。
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美國(guó)Fort Worth盆地的Barnett頁(yè)巖、Arkoma盆地的Fayetteville頁(yè)巖、Anadarko盆地的Woodford頁(yè)巖、Appalachian盆地的Marcellus頁(yè)巖及墨西哥灣Salt盆地的Haynesville頁(yè)巖等五大區(qū)帶的頁(yè)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(yè)巖氣區(qū)帶解剖為依據(jù)，對(duì)頁(yè)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(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
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1 影響頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素
1．1 頁(yè)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(yè)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(duì)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(guò)建立頁(yè)巖氣資源基礎(chǔ)表征參數(shù)，以探究影響頁(yè)巖氣資源基礎(chǔ)的指標(biāo)。頁(yè)巖氣資源富集程度和儲(chǔ)層水平可選擇頁(yè)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(yè)巖氣資源豐度是單位面積內(nèi)的頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源量，反映不同區(qū)帶頁(yè)巖氣資源稟賦高低[9]，該指標(biāo)在資源評(píng)價(jià)中具有很好的橫向可對(duì)比性。而頁(yè)巖氣儲(chǔ)層條件對(duì)資源基礎(chǔ)的影響直接反映在頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)前景上[10]。相同地質(zhì)條件下，頁(yè)巖厚度越大，頁(yè)巖氣資源豐度越高，技術(shù)可采資源量越大。頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深適中、厚度越大的地區(qū)，頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)發(fā)展條件越好。
由表1可見(jiàn)美國(guó)五大頁(yè)巖氣區(qū)帶的資源豐度介于1.1×108～5.07×108m3／km2，頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深大部分在2000m左右，平均頁(yè)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(guó)頁(yè)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(cè)等技術(shù)不斷突破，并得到廣泛運(yùn)用。從1981年Barnett頁(yè)巖氣區(qū)帶的第一口發(fā)現(xiàn)井到1992年的十年中，Barnett頁(yè)巖氣區(qū)帶僅鉆探了99口生產(chǎn)井[12]，整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)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(yè)巖氣開(kāi)發(fā)最重要的增產(chǎn)手段，Barnett頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)也隨之加快(圖3)。
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壓裂級(jí)數(shù)和水平井段長(zhǎng)度代表目前美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采的技術(shù)水平，其級(jí)數(shù)的增大和長(zhǎng)度的增加不僅帶來(lái)鉆井?dāng)?shù)量的大幅增長(zhǎng)(表2)，更帶來(lái)頁(yè)巖氣產(chǎn)量的迅速提高，最終促進(jìn)了頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，可以用平均壓裂級(jí)數(shù)和平均水平井段長(zhǎng)度作為技術(shù)影響因素表征頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展程度的指標(biāo)。從表2可見(jiàn)，美國(guó)五大頁(yè)巖氣區(qū)帶生產(chǎn)的最大壓裂級(jí)數(shù)高達(dá)34段，平均壓裂級(jí)數(shù)10段以上；最長(zhǎng)的水平井長(zhǎng)度高達(dá)3000m，平均水平井段長(zhǎng)度1200m以上。
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1．1．3產(chǎn)業(yè)政策
美國(guó)政府不斷出臺(tái)優(yōu)惠扶持頁(yè)巖氣開(kāi)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(duì)行業(yè)參與度的監(jiān)管等。
截至2011年，美國(guó)擁有總長(zhǎng)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(duì)天然氣供應(yīng)商實(shí)施無(wú)歧視準(zhǔn)入，為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)商解除了運(yùn)輸方面的后顧之憂。此外，美國(guó)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(guó)規(guī)定從境內(nèi)開(kāi)采頁(yè)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(guó)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(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)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(guó)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(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中造成的環(huán)境問(wèn)題；④行業(yè)監(jiān)管方面，美國(guó)政府把監(jiān)管權(quán)分屬到聯(lián)邦和州兩級(jí)，聯(lián)邦政府通過(guò)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(kāi)采、何時(shí)開(kāi)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(guó)實(shí)行完全開(kāi)放的頁(yè)巖氣開(kāi)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(yè)巖氣勘探開(kāi)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(kāi)發(fā)，大公司通過(guò)并購(gòu)企業(yè)、購(gòu)買頁(yè)巖氣礦業(yè)權(quán)等方式介入[16]。
考慮到產(chǎn)業(yè)政策對(duì)頁(yè)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(zhǎng)度、資源稅率三項(xiàng)指標(biāo)代表美國(guó)政府對(duì)頁(yè)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(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)是否能持續(xù)吸引投資、長(zhǎng)久發(fā)展的最重要經(jīng)濟(jì)影響因素。頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)的投入指頁(yè)巖氣在開(kāi)采過(guò)程中所需的資本投入，產(chǎn)出是指頁(yè)巖氣開(kāi)采后所獲得的產(chǎn)值。頁(yè)巖氣開(kāi)采的資本投入包括發(fā)現(xiàn)成本、開(kāi)發(fā)成本、操作成本和礦區(qū)資源使用成本等，其中開(kāi)發(fā)成本的比重最大，占總成本的54％左右。單井投資占開(kāi)發(fā)成本的近90％。因此，單井投資是頁(yè)巖氣開(kāi)采成本最重要的構(gòu)成，它基本能代表頁(yè)巖氣開(kāi)采的投入情況。隨著頁(yè)巖氣勘探開(kāi)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(zhǎng)[17]，鉆井?dāng)?shù)成為表征頁(yè)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(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)的提高使開(kāi)采成本大幅下降，規(guī)?；_(kāi)采成為可能[19]，頁(yè)巖氣產(chǎn)量隨之急劇增長(zhǎng)。但吸引美國(guó)企業(yè)投入頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不僅是可觀的頁(yè)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(yè)巖氣投入產(chǎn)出的重要指標(biāo)。
1．2 構(gòu)建頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響因素指標(biāo)體系
根據(jù)美國(guó)頁(yè)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(yè)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(jí)表征指標(biāo)。
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2 頁(yè)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(píng)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(guò)程受主觀影響較大，又解決了其他方法對(duì)數(shù)據(jù)要求過(guò)高的問(wèn)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(duì)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(yè)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(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的絕對(duì)主控因素。F1包含了資源豐度、埋深、水平井段長(zhǎng)度、管道長(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)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(yè)巖氣水平井產(chǎn)量與壓裂級(jí)數(shù)成正向相關(guān)，一般壓裂級(jí)數(shù)越多，頁(yè)巖氣水平井單井產(chǎn)量越高，頁(yè)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(yè)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(yè)巖氣層厚度貢獻(xiàn)率低、相關(guān)系數(shù)低反映就目前開(kāi)采技術(shù)水平，氣層厚度并非影響頁(yè)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(yè)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(yè)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(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響因素的分析認(rèn)識(shí)中，一般只是簡(jiǎn)單認(rèn)為頁(yè)巖氣工業(yè)前景取決于頁(yè)巖儲(chǔ)層本身而非國(guó)家政策。這一觀點(diǎn)顯然只簡(jiǎn)單考慮了儲(chǔ)層特性、壓裂次數(shù)增多帶來(lái)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(lái)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(yè)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(zhǎng)度、資源稅率和企業(yè)數(shù)都是頁(yè)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(guó)家政策對(duì)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要影響。
