第一节 页岩气概述和全球分布开发现状

一 页岩气范畴的界定和全球分布开发现状

（一）页岩气范畴的界定

能源是指“可以直接或经转换提供人类所需要的光热、动力等任一形式能量的载能体资源，包括煤炭、石油、天然气、太阳能和风能等”[1]。可见天然气属于能源的范畴，天然气又包括常规天然气和非常规天然气，非常规天然气是指尚未充分认识，还没有可借鉴的成熟技术和经验进行开发的一类天然气资源，主要包括致密气、煤层气（页岩气、瓦斯、可燃冰）等。

此外根据《页岩气发展“十二五”规划》，页岩气是“赋存于有机制泥页岩及其夹层中，以游离或吸附状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁高效的能源资源”。通过对这些概念分析，可以看出页岩气属于非常规天然气，非常规天然气属于天然气的一种，天然气又包含在能源的范围内，因此页岩气属于能源的范畴。

鉴于页岩气属于能源，因此页岩气首先具有能源的属性，其次由于页岩气的埋藏位置的特殊性，它又具备不同于常规天然气的特点，本书对页岩气开发的研究则是围绕着页岩气作为能源的基本属性以及作为非常规天然气的独特属性这两个特点展开。

能源又包括能源资源和能源产品，能源资源是指未经过劳动过滤的赋存于自然状态下的能源，能源产品是指经过劳动过滤并符合人类需要的能源，[2]本书要解决的是对赋存于天然状态下的页岩气的合理勘探开发的法律调控问题，因此本书所称的页岩气主要是指页岩气能源资源（简称为“页岩气”）而不是页岩气能源产品。

（二）页岩气的全球分布概况

2011年根据国际能源署调查显示，全球页岩气储量约为456万亿立方米，是煤层气和致密气储量的总和，占非常规天然气储量的50%，是世界常规天然气的2.5倍。从全球分布来看，北美洲储量最多为54.69万亿立方米，居世界第一，亚洲拥有50.55万亿立方米，位居第二，非洲拥有29.51万亿立方米，欧洲拥有18.1万亿立方米，分别位居第三和第四，其他地区则拥有34.7万亿立方米。从各国探明情况来看，我国页岩气可采储量为25万亿立方米，位居全球第一；美国的可采储量仅次于我国，排名第二，为23.16万亿立方米；位居前五名的其他国家分别是阿根廷、墨西哥和南非。[3]

（三）页岩气的全球开发现状

除美国外，世界很多国家在探明页岩气储量的基础上，进行了先期的勘探开发工作，并得出支持或暂缓页岩气发展的结论。

欧洲。俄罗斯的页岩气储量为8.07万亿立方米，2010年着手开发页岩气，预计到2017年页岩气将实现大规模开采。[4]波兰的页岩气储量为5.3万亿立方米，可为波兰提供300年的能源供应，2012年以来波兰先后发放了100个页岩气勘探许可证，环境保护问题是波兰目前面临的主要挑战。乌克兰是欧洲页岩气产业的领跑者，乌克兰页岩气储量为1.2万亿立方米，由于地质条件较好以及完善的输气管网系统，预计到2020年将实现天然气自给。[5]英国页岩气的可采储量为0.78万亿立方米，然而由于环保问题，2010年英国决定暂停使用水力压裂技术开采页岩气，2012年12月英国政府重新批准水力压裂的使用，[6]2018年5月决定简化页岩气规划应用的监管流程，以促进页岩气产业的发展，预计英国页岩气在两年内实现商业化开采，并已经批准Cuadrilla能源公司进行首个水平页岩气井的开采。[7]西班牙、保加利亚、罗马尼亚禁止使用水力压裂技术开采页岩气。[8]

北美洲。美国是现今世界上页岩气发展最快、开采最成熟的国家。继美国之后，成功实现页岩气商业化开采的北美洲国家是加拿大，加拿大的页岩气储量是16万亿立方米，是世界上第二个对页岩气进行商业化开采的国家，加拿大与美国处于同一地质板块，页岩气主要分布在西部盆地和东部地区，美国开采页岩气的技术和经验可以直接为加拿大所用，水力压裂和水平钻井技术已经在加拿大得到推广和利用，2011—2018年页岩气产量增速达50%，艾伯特省、不列颠哥伦比亚省、魁北克省和新不伦瑞克省都进行了页岩气勘探开发。[9]

亚洲及大洋洲。亚洲页岩气储量位居全球第二，中国、印度和印度尼西亚已经进行页岩气资源调查和勘探开采工作。印度是第一个发现页岩气的亚洲国家，资源储量可满足印度29年的能源供应，然而由于基础设施落后、技术不完备以及水资源短缺等问题尚未解决，印度页岩气产业发展缓慢。[10]印度尼西亚页岩气储量为30万亿立方米，2012年开始陆续启动4个页岩气开采项目，但受地理条件和地质结构限制，开采成本是美国的4倍，预计从2018年开始进行商业化开发。[11]澳大利亚的页岩气储量为30多万亿立方米，位居世界第四，由于页岩气储层位于偏远地区，澳大利亚页岩气开采的基础设施建设成本将是美国的两倍。[12]

拉丁美洲。拉丁美洲页岩气储量最丰富的国家是阿根廷，储量为24万亿立方米，目前已经掌握水力压裂和水平钻井两项技术，预计到2020年，页岩气产量占天然气产量的50%。[13]墨西哥的页岩气储量为24万亿立方米，位居世界第四，能满足墨西哥近100年的能源需求，然而由于能源改革不彻底以及缺少关键技术支撑，页岩气开采工作进展缓慢，目前尚未成功开采出页岩气生产井。[14]

非洲。南非页岩气储量为12万亿立方米，2018年5月南非正式宣布南非政府正在加快南卡罗来纳州主卡鲁盆地勘探页岩气，南非计划加快完成勘探权申请并促进相关行政司法案的推进，最大限度地提高产量并重塑该国的能源经济，同时强调了页岩气在南非经济稳定中的重要性。南非页岩气的发展将进一步推动天然气成为全球能源供应的主要组成部分[15]。

二 页岩气的基本特征

页岩气作为非常规天然气的一种，与常规天然气的最主要区别在于其储存在页岩或泥岩中的岩层裂缝或空隙中，导致页岩气需要使用特殊技术和手段开采，即水力压裂和水平钻井技术，水力压裂和水平钻井技术的使用，又为页岩气的开采带来与传统油气资源不同的环境负外部影响及不同的所有权认定方式。本书研究的是页岩气开发的法律调控，法律调控包括政策立法、行政管制、经济激励和社会监督四种手段，页岩气属于能源的范畴，因此受能源开发的政策立法、能源开发的行政管制机制、能源开发的经济激励机制和能源开发的社会监督机制的制约；而页岩气埋藏位置的特殊性，因此需要使用特殊技术开采，这就导致页岩气有不同于常规能源的基本特征，即所有权确定的特殊性（美国）和产生的环境负外部效应的特殊性。

（一）开采技术特殊

由于页岩气埋藏地理结构的特殊性，必须使用水力压裂和水平钻井两种技术开采。水平钻井是指先垂直向下钻井，然后逐渐转变钻井方向为水平，整个钻井影像呈“L”型。水平钻井有很多益处，管道可以打孔的距离更长，产出率更大，因此开采商从一个井场同时钻多口井，节省大量成本。[16]水力压裂技术是在水平钻井之后使用，将混合沙子、水和各种化学物质的压裂液注入井口，以巨大压力将压裂液注入地下，使页岩层破裂，天然气从这些裂缝流入水平井，最后到达地表。[17]美国通过水平钻井和水力压裂两项技术，大大降低了页岩气开采成本。

水力压裂和水平钻井技术的发展可追溯于19世纪初期，[18]1821年美国在纽约州的弗里多尼亚钻出第一口商业性页岩气井，但由于采用的泡沫压裂和垂直钻井技术成本高、产出率低，能源公司转而把精力投入到石油钻井的生产，较少关注页岩气的发展，导致近百年期间，钻井技术进展缓慢。20世纪30年代美国发明水平钻井，使钻井技术取得巨大进步。水平钻井技术有利于提高开采效率，但当时的水平钻井技术尚未应用于页岩气领域，主要进行石油开采。20世纪80年代以后，页岩气开采技术获得关键突破，水力压裂技术在法国问世，但法国未将水力压裂技术用于页岩气开采。1991年美国发明定向钻井技术，定向钻井的优点在于能够确定钻井路线和最终方向，解决传统钻井路线难以控制的问题。5年后微地震波压裂成像技术问世，使开采者对地下储层的观测从二维走向三维，增加了钻井的精准率，并实现了大范围定点观测。1998年美国米歇尔能源公司成功将水平钻井技术应用于页岩气开采。[19]2003年该公司首次使用水力压裂技术开采马萨勒斯页岩层，将开发成本降低了85%，彻底解决了页岩气规模化开采的技术难题，米歇尔能源公司成为美国页岩气产业的鼻祖。2007年美国开始使用集成钻井，提高开采率，增加作业安全性。从此美国页岩气开采走上快速发展轨道，美国页岩气产量从1990年的56亿立方英尺增加到2013年2.5万亿立方英尺，据美国能源信息署公布的数据，美国页岩气产量占天然气产量的20%，预计到2035年美国页岩气产量将占天然气总产量的50%。2008—2009年仅宾夕法尼亚州的水力压裂井就增长了4倍，页岩气的发展减少了美国对外国能源的依赖，提升了国家安全。此外，页岩气价格低至每立方英尺3美元，是其他能源价格的一半。[20]这些页岩气开采技术使得美国页岩气产量出现井喷式增长，很多国家纷纷效仿美国，发展页岩气产业。

（二）页岩气产权制度的特殊性

由于页岩气开采使用水力压裂和水平钻井技术，美国对于页岩气产权（主要是指所有权）的分配，与常规油气资源的所有权分配原则不一致。

对于美国而言，根据19世纪70年代确定的杜哈姆原则[21]，将石油天然气排除出矿产资源的范畴，因此石油天然气的所有权不适用矿产资源所有权的天空原则[22]，对于石油、天然气而言，其所有权的分配适用获取原则，获取原则是指由于石油天然气的流动特性可能超出土地所有权的界限，因此在所有权理论上应该与其他固态矿产资源相区别，即原土地所有人原则上拥有位于其土地之下的石油天然气资源，但在其实际控制石油天然气之前，不能排除相邻土地所有权人获取原土地所有权人土地之下石油天然气的权利，如果相邻土地所有权人在自己土地上钻井，开采出属于原土地所有权人土地之下的石油天然气，或实际控制这些油气资源，则原土地所有权人丧失对石油天然气的所有权，相邻土地所有权人获得油气资源所有权。[23]然而由于埋藏位置和开采技术的差异，美国对于非常规天然气的所有权适用原则，做出重大修改。根据20世纪70年代美国钢铁公司对霍格案的判决，[24]煤层气所有权的归属，不适用常规油气资源的获取原则，而是将煤层气纳入矿产资源的范畴，根据天空原则分配煤层气的所有权。到2013年，宾夕法尼亚州的巴特勒诉查尔斯电力公司案件，[25]经过初审法院、宾夕法尼亚州高等法院和州最高法院的判决，将页岩气排除在矿产资源的范畴外，对于所有权原则的适用可参照获取原则。在2007德克萨斯州沿海石油天然气公司与盖尔斯的案件中，由于水平钻井技术发展到多井场和集群钻井之后，德克萨斯州沿海石油天然气公司，对于水力压裂和水平钻井的控制能力有限，对相邻土地所有权人的土地利用带来限制和对他人土地之下页岩气不当抽取，因此开采到的部分页岩气不适用获取原则，不属于德克萨斯州沿海石油天然气公司，[26]成为获取原则的变通适用（第二章第一节通过判例对杜哈姆原则、天空原则、获取原则、美国钢铁公司案、巴特勒案和德克萨斯州沿海石油天然气公司案进行详细介绍）。

（三）与常规天然气不同的环境负外部影响

页岩气开采过程中使用水力压裂和水平钻井技术，导致释放氮氧化物和挥发性有机物。页岩气在开采过程中会导致大气污染，页岩气生产使用的发动机、钻探设备、货车等装置均以柴油为动力来源，柴油燃烧后产生大量氮氧化物和颗粒污染物，其中氮氧化物和空气中的氧气结合产生臭氧，臭氧是灰霾天气形成的主要原因，而颗粒污染物的直径小于100微米时，则是能够被人体吸入的有毒空气污染物，对健康危害极大。除柴油外，页岩气的开采会释放挥发性有机物，挥发性有机物经过阳光照射，产生有毒气体，损害人体大脑、肝脏、肾脏和神经系统。美国联邦环保局对页岩气开采区域进行抽检，发现怀俄明州、内华达州、西弗吉尼亚州、卡罗莱纳州的臭氧含量高于国家标准。[27]此外压裂液中使用的化学制剂往往含有苯、乙苯和正己烷等有毒气体，导致呼吸系统异常。

压裂液和回流水污染地下水。水力压裂需要使用的压裂液至少有数十种致癌物。[28]此外，压裂液中1/3的压裂废水回流到地表即回流水，回流水的处理方式一般为深井注入或存放在井场的贮存池，或者用特殊处理设施现场处理，而在处理的过程中经常发生泄露，造成回流水污染。回流水含有很多污染物，包括压裂制剂导致土壤和地下水污染。

诱发地震等次生性灾害。据美国地质调查局统计表明，近十年来，页岩气开采地区地震频发，一些州的地震次数是30年前的10倍，2009年以来美国中西部地区发生3级及以上地震50次，2010年达到87次，2011年激增到134次，美国石油研究院的研究表明这些地震可以认定是人为因素造成的，与水力压裂有关。[29]

水力压裂大量消耗水资源。与开采常规天然气相比，水力压裂需要消耗大量水资源。根据美国能源信息署统计，每口水力压裂井需要使用7580—15160立方米水，是常规天然气开采用水量的10倍，而压裂用水大多来源于地下水以及附近河流和水体，大量抽取水资源会使水量减少，水质降低水温升高，氧气溶解度降低，污染物浓度增加，导致水生生物死亡。[30]而我国水资源严重短缺，是世界13个人均水资源最贫乏的国家之一，根据《页岩气发展“十二五”规划》到2020年页岩气开发至少需要3.8亿立方米水，相当于人口1000万城市一年的用水量，页岩气的分布区域除四川盆地外，其余的西北和华北区属于大陆性气候水源地区，水资源匮乏再加上近年干旱，水力压裂开发会使当地水源不足问题更加严重。所以在我国页岩气开发过程中如何获得足够的水源供给是我们应该考虑的一大问题。

增加温室气体排放。根据《页岩气发展“十三五”规划》，与煤炭相比，“十三五”期间，天然气燃烧的二氧化碳排放量减少1400万吨、二氧化硫减少11.5万吨、氮氧化合物和烟尘排放量分别减少4.3万吨和5.8万吨，天然气因此被称为清洁能源。但天然气中含有大量的甲烷，释放的甲烷对温室效应的贡献率是二氧化碳的72倍，100年后仍为25倍，而甲烷主要来源于页岩气开采过程中天然气泄漏。页岩气在进行水平钻井时为防止管道挤压，需要进行套管，套管操作不当则会发生天然气泄漏，导致温室气体甲烷的排放。同时水力压裂也是天然气泄漏的另一个原因，在页岩气开采过程中，一些天然气从岩层裂缝泄漏到空气中或蓄水层里，导致甲烷的泄漏。[31]页岩气生产规模的扩大，开采、输送、储存和压裂废物处理的每个过程都会发生天然气泄露，这些则导致温室气体排放量的增加。

钻井设施和压裂液破坏生态系统。很多页岩气的钻井场地、传输管网、页岩气贮存池和废物处理厂设置在森林地区，对森林生态系统造成威胁。美国联邦环境保护局在西弗吉尼亚州莫农加希拉国家森林公园对部分林地进行试验，在回流水流经这里两年后，该森林地块的树木全部死亡，森林遭受破坏性影响，影响林区动植物生存甚至种群繁衍。同时英国皇家鸟类保护协会的一项调查表显示，英国页岩气开采使293个野生动植物保护区受到影响。[32]此外水力压裂从河流水体中抽取水资源，使水量和水质发生变化，威胁水生生物，甚至有些河流因此而枯竭，破坏水生生态系统。与此同时，页岩气开采的基础设施建设和道路运输使敏感的野生动物受到直接噪声影响，2012年美国康奈尔大学一项研究表明，很多页岩气井场位于生态敏感区。另外水力压裂还会导致家畜死亡，马萨勒斯页岩地区的牲畜死亡率近20%。

井场作业时产生的噪声，干扰当地居民的生活和安宁。水平钻井使井场和装置更密集，噪声污染严重超标，国际标准化组织公布的数据表明，长期在页岩气开采噪声污染中生活的居民，20%的人将产生噪音性耳聋。此外由于水力压裂和水平钻井技术的使用，需要更多的空间储存压裂液、化学物质和压裂废物，据美国能源信息署统计，水力压裂产生的废物相当于垂直钻井产生废物的100倍，占用当地居民的土地面积逐渐增多，导致开采商与居民的冲突增加。此外压裂废物中含有烃类物质，这些物质在挥发时产生恶臭，对居民的呼吸系统、消化系统和循环系统等产生危害。

损害工人健康。美国联邦职业安全与卫生健康署的调查表明，从事页岩气钻井工作的工人死亡率是美国工人平均死亡率的7倍。[33]接近一半的死亡都与使用重型机械设备有关。此外工人长期与支撑剂中的硅元素接触，诱发矽肺和肾毒性疾病的发生。页岩气储层中还含有大量的氡元素，氡颗粒被工人吸入后，会损害肺泡，产生肺癌。压裂制剂、密集井场、钻井泥浆和蒸汽对人体健康也有损害。我国在一些页岩气分布区域发现高浓度硫化氢，其中四川威远地区的浓度达1.4%，东北部地区浓度高达15%，给工人健康带来严重威胁。

美国对页岩气的所有权分配原则的特殊性以及页岩气产生的与常规油气资源不同的环境负外部效应这两大基本特征，是本书展开研究的前提。

三 页岩气开发利用的积极影响

页岩气的开发产生了地缘政治效应，能够增强生产国在全球的政治影响力，带来了基础设施的完善和能源技术的提高。

（一）地缘政治的改变

页岩气产业的发展改变了世界能源格局，使常规石油天然气生产国的油气资源供大于求，油价下降，导致其国际竞争能力和综合国力下降，而美国作为页岩气生产国，随着能源对外依存度减弱和页岩气出口能力的增强，其在全球的影响力进一步提高。

对美国的影响：随着美国页岩气产量大幅增加，实现能源独立将指日可待。从2011年开始，美国取消对俄罗斯天然气的大量进口，同时成为俄罗斯天然气出口强大的竞争对手，通过对天然气进口国影响力的增加，削弱俄罗斯的地缘政治地位，继续与俄罗斯在国际政治、军事舞台上抗衡。对中东的影响：美国、加拿大、巴西和委内瑞拉页岩气储量远远超过中东，加上日渐成熟的开采技术和经验，伊朗和沙特阿拉伯的油气出口和收益将受重创，因此未来油气资源将由中东地区移至西半球，出现油气“中心西移”的局面。[34]油气中心西移，将降低中东在全球地缘政治中的重要性。对俄罗斯的影响：页岩气的开采，使俄罗斯的垄断供应地位受到挑战，对俄罗斯经济产生重大影响，中国作为俄罗斯天然气的主要出口国，页岩气储量居世界第一，中国政府积极进行页岩气研发和准备工作，目前已经成功进行商业化开采，俄罗斯对中国的天然气出口必将大幅减少。俄罗斯60%的税收都来源于能源出口，[35]全球页岩气的发展必然对俄罗斯政治经济产生重大影响。对我国的影响：作为世界最大的能源消费国，实现能源安全是我国重要的政治战略，我国页岩气储量居世界第一，一旦实现商业化大规模开采，能有效增加天然气国内供应，缓解供需矛盾，增强在国际天然气贸易上的话语权，消除国际安全隐患。

（二）技术创新的提升

从20世纪80年代到2003年，美国将水力压裂和水平钻井技术成功应用于页岩气开采，使页岩气实现大规模商业化生产。我国页岩气产量要实现大幅度增长，必须掌握水力压裂和水平钻井两项技术，虽然我国尚未研发出核心技术，但是已经有部分企业参与美国页岩气开采的生产环节，通过学习和借鉴，在技术上已经有所突破。目前中石化石油工程研究院已经掌握生产完井工具、核心压裂制剂以及钻井流体等技术，民营企业杰瑞股份有限公司生产出世界最大动力“阿波罗”压裂车，中国成为继美国和俄罗斯之后研制出涡轮压裂车的第三个国家，有利于降低页岩气的开采成本。[36]同时页岩气生产所需要的固井水泥车、钻探机以及大功率压裂机组等设备已经由石油工程机械公司研制成功。随着技术研发的深入，我国必然能掌握页岩气开采的核心技术，带来新一轮的技术革命。

（三）优化能源结构和完善基础设施

全球的能源消费仍然以石油和煤炭为主，但石油和煤炭在生产过程中产生大量二氧化硫、二氧化碳和烟尘，对环境破坏较严重，因此各国主张开发太阳能、风能等可再生能源。然而由于技术受限，实现全球以可再生能源为主的能源结构尚需时日，而天然气在生产过程中排放的二氧化碳和二氧化硫等物质大大低于煤炭和石油，因此天然气也称为“清洁能源”，各国将天然气作为从化石能源到可再生能源的桥梁能源，页岩气的开采有助于这个目标的实现。

页岩气发展带动了天然气管网传输等基础设施的发展，伴随页岩气的开发，美国已经建成世界上规模最大、最完善的天然气管道传输网络，美国油气管网长达49万多千米，各管道间联络线发达，城市配气网络完备，天然气管线遍布各州，完善的基础设施为降低成本、推动页岩气迅速市场化、商品化创造了有利条件。截至2018年年底，我国已经建成总里程达13.6万千米的油气管网，油气运输能力的提高将有助于页岩气产业的发展，但目前的管网建设与市场需要还有很大差距，因此未来需继续进行基础设施建设，满足页岩气发展的需要。