【泛嘉.行业资讯】美国页岩气开发回顾性调查：是什么促成了页岩气的繁荣？

摘要  

　　本文是首份研究美国页岩气开发的经济、政策和技术历史的学术论文。本文的主要目的在于回答哪些因素促成了美国页岩气的繁荣，从而为致力于开发国内页岩气资源的国家的利益相关方提供信息。本文同时也是对技术创新的动机、过程和影响以及政府在促进能源产业技术创新中的作用的案例研究。我们调查发现，国家政策、私营企业家精神、技术创新、私有土地和矿产权所有权、21世纪前十年天然气价格较高以及其他因素都是促成页岩气繁荣的重要因素。

1. 概述

　　在过去的十年中，美国页岩气经历了巨大的繁荣。图1显示了1990年至2020年期间美国不同类型天然气的实际产量或预测产量。图2显示了1979年至2020年期间美国页岩气的实际年产量或预测产量。2000年，页岩气仅占美国天然气总产量的1.6%，但是这一比例在2005年和2010年分别升至4.1%和23.1%。美国页岩气产量的巨幅增长，使世界各国探索页岩资源的兴趣日益增加。包括中国墨西哥、阿根廷、波兰、印度和澳大利亚在内的诸多国家正在考虑、或正在开发国内的页岩气资源。

　　自然而然地，学者、政策制定者及对开发美国之外的页岩气充满兴趣的利益相关方开始寻找成功开发页岩气资源的重要因素。回答该问题的一个方法就是学习美国的经验。虽然我们难以准确地了解促成页岩气繁荣的必要或充分条件，但是对美国经验的回顾性调查至少能够提供一些有利因素。在本文中，我们首次对页岩气开发的经济、政策和技术历史进行回顾性调查，借此回答哪些因素促成了美国页岩气的繁荣。

　　为了让私营部门实现真正的繁荣，高盈利性、或至少对未来高盈利性的预期，成为必要条件。我们调查发现，21世纪前十年同时出现的一系列因素，使公司大规模生产页岩气实现盈利，但是最重要的因素是技术创新。进行技术创新，最终使页岩气生产具有成本效益需要较长的时间。因此，我们在本文中探讨的主要问题是技术创新的来源是什么。调查发现，部分重要的技术创新来源于旨在开发非常规天然气（如页岩气、煤层气和致密地层天然气）的政府的研发项目和企业创新，，而部分重要技术（如水平钻井和三维地震成像）主要是由石油行业开发的，其目的不是为了勘探和开采非常规天然气，而是石油。

　　页岩气的发展萌芽于20世纪70年代末期。当时，美国政府决定为研发项目提供资金，并为通过开发非常规天然气解决当时天然气短缺的项目提供税收抵免（和鼓励性定价）。鉴于私营企业没有为开发开采非常规页岩气进行大规模和高风险投资的动机，这些政策是合理的。国家研究委员会（the National Research Council，NRC）（NRC，2001年，第195页）和摩根城能源技术中心（Morgantown Energy Technology Center）（1980年，第3页）总结了支持该观点的一系列因素。首先，很难实现石油和天然气产业新技术的专有化，只有为数不多的技术可以取得专利或认证。其次，在吸引投资方面，非常规天然气资源最初无法与传统石油或天然气资源抗衡。美国的大多数天然气生产企业属于小型企业，没有从事大规模研发的动力或能力。因此，国家政策刺激了阿巴拉契亚山脉和密歇根盆地页岩气的开发，促进了关键技术 （如微地震波压裂成像技术）的研发。

　　但是，正是米歇尔能源开发公司（Mitchell Energy & Development）（以下简称为米歇尔能源）的私营企业家精神，在德克萨斯州巴奈特区块的开发中发挥了主要作用。正是巴奈特区块的成功开发为页岩气的繁荣提供助力。图3显示了1979年至2005年期间阿巴拉契亚山脉、密歇根（安特里姆）和沃思堡（巴奈特）页岩气的年产量。政府支持的研发项目没有把巴奈特区块作为目标，而且税收抵免对米歇尔能源的影响非常有限。既然支持政府干预的理由是私营企业缺乏动力，那么米歇尔能源为什么开发巴奈特区块呢？

　　米歇尔能源具有开发巴奈特区块的需求和经济能力，这一点有所不同；此外，米歇尔能源也受后期从创新中获得大规模财务回报的驱动。通过早期以较低价格出租大片土地和相关矿产权，后期以较高价格出售出租的土地、创新和积累的知识，米歇尔能源获得了大规模财务回报。这种早期以较低价格出租和后期以较高价格出售的机制，解决了业内大多数技术创新和知识货币化的难题。正是由于美国的私有土地和矿产权所有权制度，才使该机制成为可能。

　　受常规天然气产量下降及其他经济因素的影响，21世纪前十年天然气价格较高，这也是页岩气生产实现盈利的一个重要因素。其他影响因素还包括有利的地质条件、私有土地和矿产权所有权、市场结构、水资源可利用量、天然气管道基础设施和相关开放政策。我们没有尝试量化上述各个影响因素的效果；更精确地衡量任何一个因素的影响需要假设实际未发生的情景，这是我们无法观察或估计的。

　　本文也是一项针对创新动机、创新过程和技术创新影响的案例研究。因此，它可以对有关创新过程和微观经济效应的研究文献做出贡献。参阅乔瓦尼（1988年）对该类文献的精彩总结。我们知道，人们不应该从类似本文的一个案例研究中得出哪些国家研发政策是适合能源产业的武断结论。多年来，关于能源政策的讨论常常涉及政府在推动能源系统创新中应该发挥的作用。9

　　页岩气开发的环境影响一直是极具争议的话题，它提出了公共政策难题，影响了某些地区的开发步伐。在本文中，我们没有涉及可持续的页岩气开发和环境法规，这主要是因为：首先，本文的重点是研究哪些因素促成了页岩气的繁荣；其次，在页岩气繁荣之前没有出现环境争议。但是，我们应该讨论针对米歇尔能源的环境诉讼案件的重要影响，以及在没有关于页岩气开发的具体环境法规的情况下，责任法律的司法强制执行限制美国企业行为的影响。

　　本文其他章节的内容如下。第2章重点讨论国家政策以及对页岩气开发具有重要意义的技术历史。我们讨论了财政政策和联邦政府支持的非常规天然气研发项目、国家研究委员会对研发项目的评估、以及制定这些国家政策的原因。我们回顾了水平钻井、3D地震成像、微地震波压裂成像和大型水力压裂（MHF）技术历史，以解释这些关键技术的来源。第3章回顾了米歇尔能源在巴奈特区块的开发历史，并回答了下述问题：米歇尔能源为什么开发巴奈特区块？米歇尔能源的技术和知识是如何演进的？能源问题如何影响米歇尔能源？米歇尔能源获得了哪些外部支持？德文能源（Devon Energy）收购米歇尔能源如何加速巴奈特区块的开发？此外，第3章还回顾了水力压裂液体的技术演进，借此介绍米歇尔能源对减阻压裂法的主要贡献。第4章主要介绍21世纪前十年天然气价格较高的作用。第5章简要讨论了其他影响因素。第6章为结论部分。

2. 国家政策

　　美国政府自20世纪70年代末以来采取了一系列促进新天然气资源（包括非常规资源）开发的措施。这些政策为致密地层天然气和煤层气产量的增加以及后来的页岩气繁荣奠定了良好的基础。主要的天然气政策包括鼓励性定价、税收抵免、非常规天然气研发项目、促进产业重组的政策（如逐步撤销井口天然气价格管制以及开放州际天然气管道）。已有文献深入研究了天然气行业的重组，本文第5章对天然气行业的重组进行了简单讨论。

2.1促使出台非常规天然气国家政策的因素有哪些？

   20世纪70年代严重的天然气短缺是出台非常规天然气政策的诱因。有记录表明，20世纪60年代和70年代天然气市场的一个主要特征是价格上限规定，这导致了产量和储量的不足（如MacAvoy，1971年；Breyer和MacAvoy，1973年；MacAvoy，1983年；Vietor，1984年；Davis和Kilian，2011年）。州际天然气的价格上限低于市场均衡价格，这刺激了需求，减少了供应。短缺首先表现在天然气储量上。图4显示了1940年至2010年期间美国各种天然气的年探明储量和销售产量。天然气探明储量于1967年达到峰值，而在20世纪70年代经历了迅速的下降。储采比下降出现的更早；1959年、1969年和1979年的储采比分别为22：1、13：1和9.8：1。20世纪70年代中期，产量不足变得非常明显。例如，MacAvoy（1983年，第85页）指出，“被迫削减的承诺交货量从1973年占总州际需求的12%，升至1975年的30%。产量进一步的减少，使供应缺口占总需求的比例在1978年达到40%以上。”Davis和Kilian（2011年）指出，如果把短缺更准确地定义为实际消费与不受任何供应限制时消费者本应消费的天然气量之间的差异，短缺出现的时间就会更早，而且短缺程度更为严重。请注意，产量的绝对水平于1973年达到峰值，在20世纪70年代呈现出下降趋势。

　　天然气的严重短缺，促成了1978年《天然气政策法案》（the Natural Gas Policy Act，NGPA）的通过。该法案要求逐步取消对井口价格的管制，为开发新天然气的项目提供鼓励性定价，非常规天然气被涵盖其中。此外，天然气短缺还促使各联邦机构设立非常规天然气研发项目。选择非常规天然气的原因主要有以下几点。早在1968年天然气含量开始下降时，国家能源技术实验室（the National Energy Technology Laboratory, NETL）（NETL，2007年）指出，美国矿业局（the U.S. Bureau of Mines）开始研究如何开采非常规天然气资源的问题。20世纪70年代由联邦电力委员会（the Federal Power Commission）、能源研究和开发管理局（the Energy Research and Development Administration，ERDA）和美国能源部（the U.S. Department of Energy，DOE）委托开展的多项主要研究指出，非常规天然气的资源基础非常庞大，应该鼓励和资助开展非常规资源项目。20世纪70年代末期，非常规天然气的年产量占年天然气总产量的比例不足5%，而常规天然气的产量开始持续大幅下降（Kuuskraa 等，1978年）。

   20世纪70年代的能源危机是出台非常规天然气政策的大背景。1973年的石油禁运促使联邦政府开始采取一系列措施来应对能源危机，这些措施包括巩固和发展能源相关研发项目。1974年的联邦法律通过合并多个研究中心（美国矿产局的技术研究中心、美国内政部（the U.S. Department of the Interior）的化石能源研发项目以及原子能委员会（the Atomic Energy Commission）（当时被取消）的国家实验室系统）成立了能源研究和开发管理局括。1977年10月美国能源部成立，把能源措施和研发项目的职责纳入一个部门，承担了原来由能源研究和开发管理局、美国农业部、商业部、住房及城市发展部、交通部（the U.S. Departments of Agriculture, Commerce, Housing and Urban Development, and Transportation）所承担的职责（能源顾问秘书处（the Secretary of Energy Advisory Board），1995年，第21页）。国家能源技术实验室（2010年，第255页）指出，“1973年至1976年期间，联邦能源研究的总支出翻了一倍，而化石能源部分的支出增长10倍以上，从1974年的1.43亿美元增长至1979年的14.1亿美元。”

2.2 鼓励性定价和税收抵免

　　在本部分中，我们介绍美国联邦政府为了推动非常规天然气的开发采取的鼓励性定价和税收抵免政策。

  《天然气政策法案》第107条为从泥盆纪页岩、煤层、高压海水及联邦能源管理委员会（the Federal Energy Regulatory Commission，FERC）认为产生高额开采成本的其他气体中开采“高成本”天然气提供鼓励性定价。1979年11月1日撤销了对泥盆纪页岩、煤层和高压海水的井口价格的管制（MacAvoy，1983年，表格15）。这种撤销管制的做法为这些新兴气体资源提供了巨大的价格优势。20世纪80年代初期，撤销管制的高成本天然气的销售价格比接受管制的天然气价格高出两倍以上（Tobin等，1989年，第5页）。致密地层天然气虽然最初未被列为高成本气体，但后来也被联邦能源管理委员会指定为高成本气体。然而，对致密地层天然气价格的管制没有迅速地被撤销。相反，致密地层天然气适用于第107条的价格上限，这是《天然气政策法案》中规定的最高价格上限（Kuuskraa和Guthrie，2002年，第78页；Hass和Goulding，1992年，第298页）。有趣的是，米歇尔能源把巴奈特页岩登记为致密地层天然气地层，这或许是因为《天然气政策法案》只适用于泥盆纪页岩，而巴奈特页岩为密西西比纪页岩。

   1979年的石油危机促成了 1989年《原油暴利税法案》（the Crude Oil Windfall Profit Tax Act）的通过，其中部分规定为生产非常规燃料提供税收抵免。税收抵免是根据《国内税收法典》（the Internal Revenue Code）第29条实施的，不仅适用于从泥盆纪页岩、煤层和致密地层天然气开采的非常规天然气，也适用于生物技能、高压海水、页岩或沥青砂石油、从煤中开采的合成燃料以及其他燃料。1980年1月1日至1992年12月31日期间钻探的非常规天然气井适用于税收抵免，从符合条件的气井开采的产品在2002年12月31日前继续适用税收抵免。泥盆纪页岩（和煤层气）税收抵免的幅度是根据公式计算得出的，最初为0.52美元/千立方英尺，1992年提升至0.94美元/千立方英尺（Hass和Goulding，1992年，第3页）。在此期间的大部分时间内，国家天然气平均井口价格为1.5至2.5美元/千立方英尺。该公式考虑了通货膨胀，并在石油价格高时逐步取消税收抵免，当石油价格处于低位限制非常规燃料的竞争力时，才使税收抵免生效（Soot，1991年）。20世纪80年代初期，致密地层天然气的税收抵免为0.52美元/千立方英尺，低于泥盆纪页层或煤层气的税收抵免。致密地层天然气“于1985年由于解除部分物价管制而失去抵免资格”，但是1991年重新获得了该抵免资格（Hass和Goulding，1992年，第299页）。

　　天然气生产企业需要在《天然气政策法案》鼓励性定价或第29条的税收抵免中做出选择。但是，该要求对泥盆纪页岩或煤层气的影响不大，因为1979年末解除了对泥盆纪页岩或煤层气的价格管制，天然气生产企业此后自然而然地选择税收抵免。因此，第29条的税收抵免相比鼓励性定价对促进非常规油气资源的开发发挥了更重要的作用。 目前尚没有任何研究详尽地探讨财政激励对非常规天然气的影响。一些行业出版物（如Soot，1991年；Kuuskraa和Guthrie，2002年；Hass和 Goulding，1992年；Kuuskraa和Stevens，1995年）概括介绍了上述政策，并指出第29条的税收抵免刺激了非常规天然气的开发。Hass和Goulding（1992年，第300页）指出，“[甚至税收抵免政策的]批评人士也承认税收抵免刺激了钻探和生产。”Kuuskraa和Stevens（1995年）指出，第29条的税收抵免提高了财政收益，降低了投资非常规天然气资源的风险，因而激励了投资者向开发活动和技术改进注资。但是，如本文第3章所述，税收抵免或鼓励性定价对米歇尔能源的影响非常有限。

2.3 研发项目

　　能源研究和开发管理局于1976财年启动了非常规天然气研究项目，1978年由能源部继续实施该项目。非常规天然气研究项目包括三个组成部分：东部含气页岩项目、西部含气砂岩项目以及煤层气开发项目。在本部分中，我们重点关注东部含气页岩项目这个最相关的项目，并讨论能源部其他研发项目的相关贡献。此外，我们将简要讨论天然气研究院（the Gas Research Institute，GRI）的作用。天然气研究院对天然气研发项目进行管理并提供资金支持。国家能源技术实验室2007年的一份报告记录了能源部非常规天然气研发项目的历史；2001年，国家研究委员会评估了能源部大量研发项目的绩效和成本，被评估的项目包括上述三个非常规天然气项目。 20世纪80年代和90年代，国家研究委员会对最重要的能源技术创新以及能源部在技术开发中发挥的作用进行了评估。被认为对页岩气开发具有关键作用的三项技术——：水平钻井、3D地震成像和水力压裂技术，均被列入国家研究委员会确定的最重要的技术创新。国家研究委员会（2001年，第13页）认为，能源部在改进水平钻井和三维地震成像技术中“没有”发挥作用或发挥的作用“微乎其微”，但是能源部在“致密地层天然气的水力压裂技术”中发挥了“重大”作用。国家研究委员会没有讨论受致密地层天然气水力压裂技术影响极大的页岩气水力压裂技术，这或许是因为在国家研究委员会发布报告时，页岩气的繁荣尚未到来。国家研究委员会发布报告时，另一项被视为对页岩气开发具有关键作用的技术——微地震波压裂成像技术，还没有被完全开发或投入使用。如下文所述，国家能源技术实验室（2007年）及其他行业出版物指出，能源部在开发微地震波压裂成像技术中发挥了关键性的作用。

2.3.1 东部含气页岩项目

          国家能源技术实验室（2007年，第19页）概括指出，能源部页岩项目“有助于开发新天然气气源并大幅增加天然气供应。能源部重新振兴了阿巴拉契亚（泥盆纪）盆地的页岩钻探和开发，帮助带动了此前其他被忽视的页岩盆地的开发，率先使用了 效率更高、成本更低的页岩生产和开采技术。”我们对现有证据的研究也证实了该结论。

　　东部含气页岩是指分布于美国东部广阔地区地下的泥盆纪页岩，包括阿巴拉契亚、密歇根和伊利诺伊盆地。由于泥盆纪页岩处于浅层而且容易通达，早在20世纪20年代以来就已经开始了商业开发，但是在含气页岩项目初期其产量只占美国天然气产量的很小一部分。国家研究委员会（2001年，第201页）指出，用于开采页岩气的技术，“成本低，但是技术简单，效率低。”业内对泥盆纪页岩的物理和化学特征了解匮乏，对可采储量的估概算具有很高的不确定性。因此，国家研究委员会（2001年，第201页）概括指出，该项目旨在“对资源基础的数量、分布和特征进行评估，为这一小型和独立的生产企业占据多数的行业引入更先进的测井和完井技术。项目目的是在国家亟需增加天然气供应时，大幅提高这些盆地的产量。”自1978年至1992年项目结束，能源部对该项目的支出总计1.37亿美元（按1999年美元价值计算），其中约三分之二是在项目初期（1978年至1982年）支出的。除了能源部的支出外，能源研究和开发管理局、天然气研究院和私人企业分别对东部含气页岩开发投入2000万美元、3000万美元和3500万美元。该项目的研发项目由能源部的技术中心、国家实验室、大学和私营企业共同实施完成。 含气页岩项目的实际效益主要来自从相应页岩层开采的天然气产量的增加。自项目启动后，页岩气产量呈现巨幅增长：1978年、1992年和1993年的页岩气总年产量分别为700亿、2000亿和3800亿立方英尺。但是，除东部含气页岩项目外，促成产量增加的影响因素还包括鼓励性定价、税收抵免、天然气研究院的研发项目和私营企业的贡献。国家研究委员会（2001年、第201页）指出，“阿巴拉契亚盆地页岩气产量（相对基准情景）增加的50%和密歇根和沃思堡盆地页岩气产量增加的10%”，可以归功于能源部的含气页岩项目。国家研究委员会（2001年）指出，能源部的项目使天然气行业的收入增加了7.05亿美元，而较低的天然气价格使消费者节约80亿美元。在产生实际效益方面，能源部的含气页岩项目似乎是非常成功的。 我们注意到，即使能源部的页岩气项目未涉及沃思堡盆地，而且沃思堡盆地在2000年之前主要是由米歇尔能源开发的，国家研究委员会还是把沃思堡盆地天然气产量增加的10%归功于能源部的页岩气项目。如果能源部的页岩气项目发挥了作用，那么页岩气项目开发的技术、方法或知识应当被应用于开发沃思堡盆地。遗憾的是，国家研究委员会报告没有介绍具体应用了哪些技术或方法。在第3章中，我们将看到米歇尔能源在开发巴奈特页岩的初期把泥盆纪页岩视为勘探的参照。这表明能源部页岩气项目的成功或许在激励米歇尔能源启动巴奈特页岩开发中发挥了举足轻重的作用。 国家研究委员会（2001年）和国家能源技术实验室（2007年）仅简要讨论了含气页岩项目开发或引入的技术。我们重点关注对页岩气开发可能最为重要的几项技术，同时基于其他信息来源来简要介绍这几项技术的发展历史。 水平钻井技术。为了正确地评估能源部对水平钻井技术的贡献，我们首先介绍由能源信息管理局（EIA，1993年）记录的水平钻井技术的历史。在20世纪80年代初期以前，几乎没有水平钻井水平的实际应用；到20世纪80年代初期，井底发动机、井底遥测及其他钻孔设备和技术使油井水平钻井的商业化成为可能。井底发动机为钻头提供额外的动力，从而提高了穿透率。井底遥测在钻孔时把井底信息传输至地面。能源信息管理局（1993年，第7页）指出，法国石油公司埃尔夫阿奎坦（Elf Aquitaine）于1980年至1983年钻探的四个水平井“表明可以成功实现水平钻井的商业化”，水平钻井“随后被英国石油公司（British Petroleum）应用在阿拉斯加的普拉德霍贝油田，成功地把不必要水气侵入降至最低程度……”。上述成功使得水平钻井技术在20世纪80年代末期获得了商业化可行性。1990年，在美国钻探的水平井99%以上完井至油层，而非天然气层（EIA，1993年，第8页）。能源信息管理局（1993年）发布报告时，“水平井生产天然气的商业化可行性尚未完全实现。”国家研究委员会认为能源部在开发水平钻井中没有发挥作用或发挥的作用“微乎其微”，这并不表明能源部在把该技术应用于页岩气中没有发挥作用。含气页岩项目促成多项在泥盆纪页岩水平钻井的行业“第一”。例如，1986年，能源部和行业合作伙伴在泥盆纪页岩钻探了第一眼气钻水平井。国家能源技术实验室（2007年，第4页）指出，这是“在充气钻井孔成功安装外部套管封隔器和充气的第一眼水平井，是完成七个水力压裂间隔的第一眼水平井。”1989至 1990年，能源部和企业合作钻探了三眼水平井，“识别出了美国负压水平钻井广泛应用的技术障碍。” 大型水力压裂技术。含气页岩项目把大型水力压裂技术引入东部泥盆纪页岩开发。用来衡量大型水力压裂规模的标准有压裂的半长（钻井孔与压裂端的距离），和压裂液和压裂支撑剂的数量。例如，Fast等（1997年）把大型水力压裂技术定义为半长为1500英尺的压裂处理，Agarwal等（1997年）依据压裂液和压裂支撑剂的数量给出了大型水力压裂技术的定义。国家研究委员会（2001年）或国家能源技术实验室（2007年）均未提及含气页岩项目大型水力压裂实验的具体规模。在含气页岩项目之前，大型水力压裂技术未被用于页岩气开发，但是Agarwal等（1979年，第172页）指出，大型水力压裂技术已经是“一项用于低渗透性或 ‘致密’天然气层商业开采的成熟技术。”1978年，米歇尔能源在能源部的资金支持下，在致密天然气层实施了当时最大规模的大型水力压裂。米歇尔能源迅速把大型水力压裂应用于巴奈特页岩的开发。

　　泡沫压裂法。该技术首次被用于含气页岩项目，能源部在该项目的前四年中进行了50多项与行业共同承担费用的示范项目。在此之前，裸眼井或水力压裂爆炸被主要用于为泥盆纪页岩井增产。国家能源技术实验室（2007年，第31页）指出，“与传统的水力压裂相比，”泡沫压裂“用水量降低了75%至90%。而井清理费用的降低和生产率的提高，抵消了泡沫压裂增加的费用。”此外，国家能源技术实验室（2007年，第31页）还指出，“到1979年，泡沫压裂是最受欢迎的用于泥盆纪页岩气井增产的商业化技术，美国东部地区的开发企业可以享有针对该技术的商业服务。”在第3章中，我们指出，由于泡沫压裂法被应用于泥盆纪页岩，米歇尔能源在开发巴奈特页岩的前几年中使用了泡沫压裂法，但是米歇尔能源很快放弃了这种做法。有趣的是，米歇尔能源的主要技术创新是在巴奈特页岩应用水力压裂。