美国页岩气

美国页岩气（Shale gas in the United States）是种可供开采的天然气资源。由于有水力压裂和定向钻孔（钻孔方向与页岩层平行，这种井称为平行井）的新工艺可增加天然气的产量，而得弥补该国在常规垂直井产量的下降趋势；因为这些新工艺，让美国可供开采的储量被大量发现。美国天然气在2008年的估计储量就比2006年高出35%。

2007年，美国页岩气田中，在德克萨斯州纽沃克东部气田（Newark, East Gas Field）的巴涅特页岩区的产量排名第2，和在密歇根盆地的安存页岩区的气田产量排名第13。美国非常规天然气钻井的数量从2004年的18,485口，增加到2007年的25,145口，预计这种趋势会持续到2040年左右。

美国业者因开采页岩气而产生相当的经济利益，以及从2009年起产量快速增长，而引领加拿大页岩气产业的快速发展（参见页岩气#加拿大），然后又激发欧洲、亚洲和澳大利亚开采这种天然气的兴趣。据推测，美国天然气的储藏可供开采100年，但目前已探明的储量只足够开采11年。

## 页岩气生产

<image>

<image>

<image>

<image>

美国天然气业者经过与美国能源部(DOE)的长期合作，在加大勘探力度的同时也改进钻井和开采的方法，而让页岩气产量迅速增长。该国在2008年的产量为2.02兆立方英尺（570亿立方米），比前一年增长71%。2009年，产量增长率为54%，达到3.11兆立方英尺（880亿立方米），而在2009年底，美国探明页岩气储量增长76%，达到60.6兆立方英尺（1.72兆立方米）。美国能源信息署 (EIA)在其发布的2011年度能源展望（Annual Energy Outlook）中，把美国尚未探明，但可透过技术开采的页岩气储量的估计增加一倍多（从353兆立方英尺（10.0兆立方米）增至827兆立方英尺（23.4兆立方米），其中根据钻探所得数据，把新页岩气田，如 玛西勒斯地层、海恩斯维尔页岩和鹰津页岩也包括在内。2012年，EIA将其估计数量下调至482兆立方英尺（主要是把玛西勒斯地层的估计大幅降低的缘故）。EIA估计到2035年，页岩气产量将占全美天然气的49%（在2010年的占比为23%）。

由于开发页岩气，有望把美国的能源安全显著提升，并把造成空气污染的温室气体排放降低。

由于美国拥有大量页岩气储量，促使一些人提议把燃煤发电厂改为燃烧天然气，以降低二氧化碳排放，并作为风能的备用能源。

《纽约时报》在2011年6月刊出由调查记者伊恩·乌比纳撰写的报导，称“并非EIA中的每个人都同意“那种乐观的储量预测”，并质疑该机构发布的某些报告的公正性。为EIA提供信息的两个主要承包机构Intek和Advanced Resources International本身也拥有石油和天然气产业的重要客户。据《纽约时报》报导，“Advanced Resources的总裁Vello A. Kuuskraa也是西南能源公司的股东和董事会成员，而西南能源公司是家天然气钻探公司”，它在费耶特维尔页岩地区涉入很深。这篇报导被《纽约时报》本身的公共编辑等批评为不够平衡，省略事实和观点，偏袒产业和经济利益。对这篇报导的其他批评者包括《福布斯》杂志和美国外交关系协会的部落客（或称网志撰写者、博主）。

伊恩·乌比纳的文章在《纽约时报》刊出时，美国的当时最新数据（截至2010年底），页岩气探明储量为97.4兆立方英尺。在接下来的3年（2011年至2013年）中，页岩气总产量为28.3兆立方英尺，约占2010年底探明储量的29%。美国页岩气产量和页岩气探明储量均有增加，与报导中认为储量遭到夸大而表达关切的情况并不相符。2011年6月的美国页岩气产量为每天216亿立方英尺干气（含极少天然气凝析油的天然气）。此后，页岩气产量开始增加，到2015年3月为每天411亿立方英尺，接近2011年6月时产量的两倍，占美国天然气干气总产量的55%。虽然产量快速增长，但业者的探明储量增加速度更快，截至2013年底，业者报告在地下可供开采的页岩气探明储量已是159.1兆立方英尺，较2010年年底增长63%。

技术进步或经验累积可导引出更高的生产力。从2007年到2014年，美国页岩气和轻质致密油的钻探效率大幅提高。2014年1月钻掘的巴肯地层油井的石油产量是5年前的2.4倍。在玛西勒斯页岩气蕴藏带，2014年1月钻探的油井，与2009年1月相比，在每天同样作业时间内的天然气产量，前者是后者的9倍多。

## 历史

<image>

页岩气于1825年首度在纽约州弗雷多尼亚村被人以低压压裂方式在浅地层中开采。

位于肯塔基州弗洛伊德县的大珊蒂（Big Sandy）气田拥有自然断裂的泥盆纪页岩，于1915年被开发。到1976年，这个气田蔓延到肯塔基州东部，涵盖数千平方英里，并进入西维吉尼亚州南部，仅在肯塔基州就有5千口井。至少从1940年代开始，就有人开始在页岩气井引爆炸药来促进增产。1965年，一些业者开始采用水力压裂的工艺，当时压裂的规模通常较小：使用50,000磅沙子和42,000美制加仑的水；压裂普遍会让产量增加，尤其是那些原本产量不高的气井。这个气田原本预期最终可开采出2兆立方英尺的天然气，但平均每口井的产出率很小，并且在很大程度上是透过天然存在的裂缝产出。

1920年代开始，在阿帕拉契盆地（Appalachian Basin）、密歇根盆地和伊利诺伊盆地的泥盆纪页岩区域从事商业天然气生产逐渐普遍，但通常生产的规模不大。

美国的页岩天然气产量在2008年之后迅速增加，被能源学者称为“页岩气革命”或是“水力压裂革命”，对于美国为期几十年天然气产量下降的趋势产生逆转。在2010年代和2020年代初期，由于美国能生产足够的天然气，而开始成为净出口国。

### 联邦政府的影响

美国联邦政府的政策对天然气的生产有混合式的影响。有些政策会阻碍市场创新，但提供经费以供研发也推动生产技术的发展，最终让页岩气成为重要的替代性来源。

由于联邦对天然气做价格管制，而曾在1970年代造成供应不足。

联邦政府为因应传统天然气产量的下降，开始投资于替代来源方案，包括从1976年到1992年，启动东部页岩气项目（Eastern Gas Shales Project），以及由联邦能源监管委员会授予非营利机构天然气技术研究所研究项目的核准以及提供赞助，经费来自对业者交运天然气所征收的税金（1976年至2000年）。DOE与私营天然气公司合作，于1986年完成第一口于页岩层的气动钻掘，以及使用多阶段压裂的定向钻孔（平行井）。而桑迪亚国家实验室则在研究开发煤层气时，发展出透过微地震（人工地震）对地层成像的技术，这项技术对页岩水力压裂和海上石油钻探均十分重要。

东部页岩气项目专注于扩大和提高在已有生产活动页岩气区的采收率，尤其是在肯塔基州和西维吉尼亚州的大珊蒂气田，将工业界先前开发出的两项技术 - 大规模水力压裂和平行钻井 - 充分应用。1976年，联邦政府资助的摩根敦能源研究中心（Morgantown Energy Research Center (MERC)）的两名工程师为一项早期的页岩定向钻孔技术取得专利。

联邦政府还在1980年的能源安全法案中给予能源产业租税抵免，以及其他有利的规定。从1980年到2000年，泥盆纪页岩的天然气生产不受联邦的价格管制，包括页岩气在内的非常规天然气业者享有税收抵免优惠。

虽然天然气技术研究所和东部页岩气项目的工作增加阿帕拉契亚盆地南部和密歇根盆地的天然气产量，但在1990年代后期，若是没税收抵免，页岩气生产仍被广泛认为属于边际性，甚至是无经济利益的生意，到2000年联邦税收抵免到期时，页岩气的产量仅占美国天然气总产量的1.6%。东部页岩气项目测试多种增产方法，但DOE得出结论是，仅靠刺激增产并不能让东部页岩气具有经济效益。美国地质调查局（USGS）在1995年指出，未来东部页岩的天然气产量仍须依靠技术更新。但根据一些分析人士的说法，前述的联邦计划已为即将到来的页岩气盛况播下种子。

1991年，米契尔能源（Mitchell Energy，现隶属于德文能源公司）在德州巴涅特页岩完成第一口平行井压裂作业，这个项目由天然气技术研究所资助，而研究所的经费来自对天然气管道征收的联邦税。第一次对巴涅特页岩采用平行井压裂并未取得经济上的成功，Mitchell Energy之后所作的平行井实验也是如此。但在此区域内对垂直井做压裂的结果则成果良好，直到2005年，当地的平行井数量才超过垂直井。在整个1990年代，天然气技术研究所与Mitchell Energy合作，在巴涅特页岩中应用许多其他技术。当时担任Mitchell Energy的一位副总裁回忆说：“你不能低估DOE的贡献。”

### 开发巴涅特页岩及后续发展

Mitchell Energy于1981年开始从东德州北部的巴涅特页岩中开采天然气，起初并不顺利，但该公司仍坚持对新技术做试验。Mitchell Energy很快就把东部页岩气项目开发的泡沫压裂法放弃，转而采用含氮凝胶的水力压裂（称为滑溜水压裂（slick-water fracturing））而在1998年在当地完成首个高产量的压裂完井。根据USGS的说法：“在巴涅特页岩区的开发工作直到1990年代才找出一种适用于压裂页岩的技术”Mitchell Energy也尝试透过平行井做压裂，但早期并不成功，倒是当地在垂直井的压裂方面的成果良好。直到2005年，当地新钻探的油气井中，平行井开始变为多数；到2008年，当地钻井中的94%均为平行井。

自从在巴涅特页岩区增产获得成功后，页岩气一直是美国总一次能源 (TPE) 区块成长中最迅速的的部分，也引领许多其他国家开发页岩矿床。据国际能源署（IEA）称，由于页岩气受到成功开采，让全球天然气的预计生产年限增加一倍以上（从125年到超过250年）。

美国页岩气井在1996年生产0.3兆立方英尺（85亿立方米）的天然气，占美国产量的1.6%；到2006年，产量增加两倍多，达到1.1兆立方英尺（310亿立方米），占美国产量的5.9%。到 2005年，美国有14,990口页岩气井。而在2007年则达到创纪录的4,185口。

美国业者由于在德州的巴涅特页岩区的开发获得成功，建立起信心，到2005年，类似的作业很快在美国东南部（包括阿肯色州的费耶特维尔页岩和路易斯安那州的海恩斯维尔页岩地区）展开。

宾夕法尼亚州立大学和纽约州立大学弗雷多尼尔学院进行联合研究的几位教授在2008年1月，把玛西勒斯页岩的天然气估计储量变成USGS估计量的250倍，而让此报告传遍整个产业。几家来自德州的能源公司如Range Resources、Anadarko Petroleum、切萨皮克能源公司和Coterra均来此签下许多土地租约以进行探勘。

## 各页岩气产地

<image>

### 安存页岩，密歇根州

沿着横跨密歇根盆地北部有一片上泥盆纪的安存页岩存在。虽然这里自1940年代就开始生产天然气，但活动要直到1980年代后期才开始活跃。安存页岩气与其他地区（如巴涅特页岩）生产的页岩气不同，这儿的似乎是经由产甲烷作用细菌在富含有机物的岩石中所产生。

安存页岩气田在2007年生产1,360亿立方英尺（39亿立方米）的天然气，是美国第13大天然气来源。

### 巴涅特页岩，德克萨斯州

第一口巴涅特页岩井于1981年在德州怀斯县完工。由于天然气价格上涨和利用平行井方式增产，让此地区在过去几年的钻探活动大幅增加。巴涅特页岩井与较老的安存页岩、纽阿尔巴尼页岩和俄亥俄页岩等产区区相比，其完井深度更深（达到8,000英尺）。巴涅特页岩的厚度从100到1,000英尺（300米）不等，但多数有开采价值的钻井是位于厚度在300到600英尺（180米）之间的岩层。在巴涅特页岩区成功开发之后，刺激业者对其他深层页岩进行探勘。

2007年，巴涅特页岩在纽沃克东部气田生产1.11兆立方英尺（310亿立方米）的天然气，成为美国第二大天然气来源。由巴涅特页岩生产的天然气在美国天然气总产量的占比超过6%。

油田服务公司贝克休斯在2015年4月报告称，当时巴涅特页岩气田并无钻井活动。（这并不表示当地没生产，因为当地仍有大量已经钻好的井，尚未抽取）。

### 卡尼页岩，奥克拉荷马州

在阿寇玛盆地的坎尼页岩（Caney Shale）相当于德州北方与奥克拉荷马州南方的巴涅特页岩地层。自从巴涅特页岩开发成功后，这个卡尼页岩地层也成为天然气产区。

### 科纳绍佳页岩，阿拉巴马州

在2008年至2009年间，有业者在阿拉巴马州北部的寒武纪科纳绍佳页岩钻井开采天然气。作业地点在圣克莱尔县、埃托瓦县和卡尔曼。

### 费耶特维尔页岩，阿肯色州

在阿寇玛盆地的阿肯色州部分，那儿的密西西比世费耶特维尔页岩生产天然气。产气地层的厚度从50到550英尺（170米）不等，深度为从1,500到6,500英尺（460到1,980米）不等。最初的页岩气透过垂直井生产，但有越来越多的业者转向钻取平行井。生产者包括SEECO（最早在此区域开发的的西南能源公司的子公司），以及切萨皮克能源公司。

### 佛洛伊德页岩，阿拉巴马州

位于阿拉巴马州和密西西比州的黑勇士盆地，有密西西比世的弗洛伊德页岩，是当前的天然气勘探目标区域。

### 哥德页岩，科罗拉多州

USGS在1916年报告说，仅科罗拉多州就有足够的含油页岩矿床，可生产200亿桶原油；然后可提炼出20亿桶汽油。Bill Barrett公司在培拉多克斯盆地东南方的蒙提祖马县的歌德页岩完成几口气井，其中一口平行井每天可产出57亿立方英尺的天然气。

### 海恩斯维尔页岩，路易斯安那州

虽然在路易斯安那州西北部的侏罗纪海恩斯维尔页岩区自1905年起即有天然气的生产，但直到2007年11月经Cubic Energy公司钻探之后，才成为现代页岩气作业的重心。在Cubic Energy公司的发现之后，切萨皮克能源公司于2008年3月宣布其完成一口海恩斯维尔页岩气井。在德州东北部也有钻勘这种页岩井的活动，当地将这种页岩称为伯希尔页岩（Bossier Shale）。

### 科林伍德页岩及悠缇卡页岩, 密歇根州

在2008年到2010年间，奥维特纳的前身Encana公司在密歇根州中奥陶纪科林伍德页岩及悠缇卡页岩区以“平均150美元/英亩”的租金租下“大片土地”（250,000英亩）。科林伍德页岩和覆盖于其上的悠缇卡页岩均能生产天然气。

号称为“美国最有前途的石油和天然气项目”之一的密歇根州公共土地招标租赁在2010年5月上旬举行。

### 纽阿尔巴尼页岩，伊利诺伊盆地

位于伊利诺伊盆地东南部的伊利诺伊州、印第安纳州和肯塔基州有泥盆纪-密西西比世的纽阿尔巴尼页岩，可生产天然气。当地在过去100年均有天然气的生产，由于完井技术改进后才让钻井活动增加，井深250至2,000英尺（610米）不等。此地的气体是经由生物成因以及热成因产生者混合而成。

### 皮尔萨尔页岩，德克萨斯州

截至2007年，业者已在德州南部马文力克盆地（Maverick Basin）的皮尔萨尔页岩（Pearsall Shale）区完成约50口井。在当地最活跃的业者是TXCO Resources公司。当地在2008年之前钻掘的都是垂直井，TXCO Resources则钻掘并完成许多平行井。

### 泥盆纪页岩，阿巴拉契亚盆地

<image>

<image>

#### 查塔努加页岩与俄亥俄页岩

自20世纪初以来，位于阿帕拉契盆地的上泥盆纪页岩在不同地区以不同的名称而为人知，这些页岩一直有天然气的产出。主要产区横跨维吉尼亚州、西维吉尼亚州和肯塔基州，也延伸穿过俄亥俄州中部，沿着伊利湖进入宾夕法尼亚州的狭长地带。盆地中有超过20,000口天然气井。井深通常为3,000至5,000英尺（1,500米）不等。最常被钻掘生产的是查塔努加页岩（也称为俄亥俄页岩）。USGS估计从肯塔基州到纽约的这类页岩中的天然气总储量为12.2兆立方英尺（3,500亿立方米）。

#### 玛西勒斯页岩

在西维吉尼亚州、宾夕法尼亚州和纽约州的玛西勒斯页岩内的储量曾一度被认为已开采完毕，但据估计，利用平行钻探仍可开采出168-516兆立方英尺（14.6万亿立方米）的天然气。有人认为阿帕拉契盆地的玛西勒斯页岩和其他泥盆纪页岩足以供应美国东北部的天然气需求。

### 悠缇卡页岩，纽约州与俄亥俄州

一向在魁北克省的奥陶纪悠缇卡页岩区钻掘气井的加拿大公司Gastem，于2009年10月在纽约州奥齐戈县钻掘第一口悠缇卡页岩气井（州政府总共核准钻掘三口井）。

### 伍德福德页岩，俄克拉何马州

<image>

俄克拉荷马州的泥盆纪伍德福德页岩（Woodford Shale）的厚度有50至300英尺（15至91米）不等。虽然当地在1939年已有生产天然气的纪录，但到2004年底，伍德福德页岩气井只有24口。但到2008年初，此地的气井已超过750口。当地的气井与许多页岩气区一样，最初采取垂直井的做法，然后改以平行井为主。产地主要位于俄克拉荷马州东南部的阿寇玛盆地，但钻探已向西延伸至阿纳达科盆地，向南延伸至阿德莫尔盆地（Ardmore Basin）。在伍德福德页岩区作业的大型业者有德文能源公司、切萨皮克能源公司、Coterra、Antero Resources、SM Energy、Pablo Energy、Petroquest Energy、Continental Resources和Range Resources。伍德福德页岩的产量在2011年达到顶峰，之后开始下降。

## 经济影响

在2010年，开发页岩资源的作业为美国提供60万个工作职位。价格适当的天然气是振兴美国国内化学、制造和钢铁产业的关键因素。但如果增加天然气的出口，有人担心这种新兴的优势会被逆转。美国化学委员会确定当乙烷（由页岩气提炼出的液体）增加25%，可为美国增加超过400,000个工作职位，每年为联邦、州和地方提供超过44亿美元的税收，同时为化学产业增加162亿美元的投资。化学委员会还指出，相对价廉的乙烷让美国制造业较许多国外对手有重要优势。全国制造业协会也同样认为产量丰富的页岩气和较低的价格有助于美国制造业，在2025年前雇用人员达到1,000,000人，而较低的原料和能源成本可让它们在2025年之前将天然气支出减少多达116亿美元。2011年12月，美国天然气联盟 (America’s Natural Gas Alliance，ANGA) 估计，由于天然气价格降价，在2012年到2015年间可为美国每个家庭，每年增加926美元可支配收入，到2035年则可能增加到2,000美元。预计投资于美国石油化工业的资金将会超过2,760亿美元（多数集中在德州）。由于页岩气的大量增加，美国的煤炭的消耗量从2009年开始减少。

在2017年所做的一项研究发现，水力压裂有助增加就业和提高工资：“由于新的石油和天然气开采，让美国在2007年起发生的经济大衰退之后，总就业人数增加725,000人，失业率下降0.5%”。但研究显示页岩气井会对某些房价产生重大的负面影响，依赖地下水供水的房价下降13%，而有自来水供应的房价上涨2-3%。后者价格上涨的原因很有可能是业者在土地拥有者的地下开采天然气，而支付特许权使用费的缘故。

至于是否出口天然气的问题引起商界间的意见分歧。天然气使用大户如陶氏化学等，与埃克森美孚等能源公司就是否应允许出口天然气展开争论。用户希望维持较低的天然气价格，而能源公司则持续努力通过说服政府允许它们出口，以便提高天然气价格。用户担心增加出口而导致能源价格上涨，而伤害到制造业。几项研究显示页岩气的量产给美国能源密集型制造业带来竞争优势，造成这类制造业的出口旺盛，显示美国在1996年到2012年间，制造业出口中的平均美元单位，其中能源含量几乎增加两倍。

2014年，由于天然气价格不振，多家业者的现金流转为负数；而拥有正现金流的业者关注的是每口油井的生产量而非拥有油井的数量。在2016年和2020年间，全球由于天然气供过于求，导致价格跌至每百万英热单位仅2美元以下，而2.50美元是美国业者在2020年能让现金流成为正值的底线。美国在2019年的产量为每天920亿立方英尺。

## 政治影响

在2015年所做的一项研究发现，由于页岩油盛产，让当地人对保守派和保守派利益增加支持。“对保守派利益的支持增加，以及共和党候选人因此获得选民青睐，导致胜选的可能性几乎翻了一倍。损失的是民主党候选人。”

## 环境问题

<image>

由于水力压裂的蓬勃发展，让接触放射性的铀以及缺乏供水基础设施成为人们关注的环境问题。在宾州的争议则围绕着“水力压裂”所产生的污水被排放进入河流，而把民生用水备用来源污染。

水力压裂会导致甲烷（强大的温室气体）释放进入大气，也令人担忧。

一篇在《能源政策》杂志发表的文章，把几个主要页岩气来源，包括悠缇卡页岩、玛西勒斯页岩和伍德福德页岩，直指为“碳炸弹”，意思是如果其中的天然气在完全开采和燃烧后，会产生超过10亿吨的二氧化碳。

## 流行文化

“fracking”这个字是个源自hydraulic fracturing（水力压裂）的俚语，现已成为英语中的一个字。

<image>

淘页岩气潮（The Great Shale Gas Rush，参见加利福尼亚淘金潮（California Gold Rush））指的是21世纪初对于非常规页岩气的开采热潮。

美国导演乔什·福克斯在2010年奥斯卡奖中受到提名的电影《天然气之地》（Gasland）成为一个反水力压裂页岩的中心。这部电影展示宾夕法尼亚州、怀俄明州和科罗拉多州钻井现场附近的地下水污染问题。2012年出品的电影《心灵勇气》（主角麦特·戴蒙）也持反对水力压裂的立场，影片剧情中描述的是在匹兹堡地区的事，但拍摄地点是在纽约州。

## 外部链接

- The Shale Gas Boom: The global implications of the rise of unconventional fossil energy , FIIA Briefing Paper 122, 2013.
- A creative exploration of natural gas drilling and development in the Marcellus Shale
- Jackson School of Geosciences (January 2007): Barnett Boom Ignites Hunt for Unconventional Gas Resources
- American Association of Petroleum Geologists (March 2001): Shale Gas Exciting Again
- Marcellus Shale: horizontal drilling and hydrofracing
- The Haynesville Shale of Louisiana, Texas and Arkansas
- West Virginia Geological and Economic Survey: Geology of the Marcellus Shale
- West Virginia Geological and Economic Survey: Enhancement of the Appalachian Basin Devonian shale resource base in the GRI hydrocarbon model
- China Goes Shopping for Shale in U.S., Canada 2012-05-11