1、证券研究报告行业研究机械设备 机械设备行业 1/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部分请务必阅读正文之后的免责声明部分 美国页岩革命美国页岩革命百年百年征途征途，终遂能源自主，终遂能源自主 增持（维持）投资要点投资要点 页岩油气储量丰富，美国借力页岩革命实现能源自主：页岩油气储量丰富，美国借力页岩革命实现能源自主：根据 EIA 2013年统计，全球页岩气可采储量为 206 万亿方，占全球天然气储量的 32%；页岩油储量达到了 3450 亿桶，占全球石油储量的 20%。目前只有美国实现了页岩油气大规模商业化开采，并在 2007 年前后实现产量迅速增长。依靠页岩气的开
2、发利用，2007-2017 年美国天然气产量复合增速达3.5%（对比 1997-2007 年复合增速 0.2%）。2017 年美国天然气产量达到7727 亿方（页岩气占比约 68%），超过当年天然气消费量 7676 亿方实实现能源自主，也正式实现了由天然气输入国向净出口国的转变现能源自主，也正式实现了由天然气输入国向净出口国的转变。四大阶段复盘美国页岩气发展史：四大阶段复盘美国页岩气发展史：美国页岩气革命的进程可大致划分为四大阶段，分别是发现阶段（发现阶段（1821-1975）技术探索阶段（技术探索阶段（1976-2001，页岩气年产量升至页岩气年产量升至 120 亿方）亿方）技术突破阶段（技
3、术突破阶段（2002-2006，年产量，年产量升至升至 310 亿方）亿方）产量产量高增高增阶段（阶段（2007 年至今，年产量超过年至今，年产量超过 5200 亿亿方）方）。其中第二、三阶段由于能源危机的出现，美国政府大力推进页岩气的开采与研究，期间关键技术持续突破，开采成本持续降低；至第四阶段，此前的技术积淀为页岩气大规模商业开采提供先决条件，叠加2007-2008 年高油价推升气价为页岩气开发提供了可观盈利空间，页岩气产量开始迅速增长。发展至今美国已实现天然气全面自给。国家战略与私企创新并行，政策护航页岩气发展：国家战略与私企创新并行，政策护航页岩气发展：20 世纪 70 年代能源危机与
4、天然气短缺促使美国开始推进页岩油气开发。政府牵头开展美国东部地区页岩气勘探工程，且提供补贴政策、税收减免并优化天然气定价机制，携手小型企业推动页岩油气开采技术进步。其中在补贴方面，开采页岩气等非常规天然气都直接受到财政补贴，且补贴数额较大。据美国康菲国际石油有限公司的估计，上世纪 80-90 年代非常规天然气开发的 30%的利润来自政策优惠。经过近 30 年不懈探索，美国绘制出详细的页岩气地质图谱，且逐渐掌握了水平井、水力压裂等核心技术，为掀起页岩革命奠定了坚实基础。水力压裂水力压裂+水平井技术突破，奠定页岩革命基础：水平井技术突破，奠定页岩革命基础：1982 年起美国 Mitchell公司开
5、始研究 Barnett 页岩气开发，不断改进压裂介质，改善压裂效果不断改进压裂介质，改善压裂效果并减少压裂成本，最终于并减少压裂成本，最终于 1998 年水力压裂试验取得突破性进展年水力压裂试验取得突破性进展；但此时水平井尚未普及，页岩气开采仍未具备明显经济性。2002 年 Devon能源公司以 35 亿美元价格收购 Mitchell 公司接棒页岩气开发进程。同年，其在 Barnett 区块试验水平井的成功，促使业界大力推广该技术取区块试验水平井的成功，促使业界大力推广该技术取代传代传统直井统直井，此后 Barnett 区块水平井数迅速增加。据测算，水平井产量可达传统直井的 3-4 倍，而成本
6、为其 1.5-2.5 倍。2003-2007 年 Barnett区块水平井累计完钻 4960 口，其中仅 2007 年一年完钻水平井 2219 口（直井则由 2002 年完钻 850 口锐减至 2007 年完钻 220 口）。国际油价传导气价，挂钩美国页岩气产量，助力美国页岩气产量前期国际油价传导气价，挂钩美国页岩气产量，助力美国页岩气产量前期高高增增：通过回顾 2000 年至今美国页岩气产量与油价走势，我们发现 2002年起油价中枢的持续上移带动气价上涨，且 2007 年下半年至 2008 年油价的强势上攻推动气价至历史高位，同期页岩气产量迅速释放，2008年页岩气产量 599 亿方，同比大
7、增 64%；2014-2016 年油价的暴跌使页岩气产量增速有所回调。但由于至此页岩气开采成本的大幅下降已提供但由于至此页岩气开采成本的大幅下降已提供了较强经济性保障，产量规模仍保持增长。了较强经济性保障，产量规模仍保持增长。2017 年美国页岩气/天然气总产量达 5260/7727 亿方，再创历史新高。投资建议：投资建议：持续首推【杰瑞股份】。我们认为市场对于国内页岩气开发持续性、经济性，以及设备市场的海外拓展仍有较明显的预期差。此外建议关注【中海油服】、【石化机械】、【海油工程】等，整体油服板块作业量均有较大幅度提升，订单回暖逐渐传导至业绩改善。此外港股推荐【华油能源】等。风险提示：风险提
8、示：油价波动风险；技术研发风险油价波动风险；技术研发风险 行业走势行业走势 相关研究相关研究 1、机械设备：工程机械销量持、机械设备：工程机械销量持续超预期，持续推荐基本面与主续超预期，持续推荐基本面与主题兼备的油服板块题兼备的油服板块2019-09-15 2、机械设备：政策宽松呵护制、机械设备：政策宽松呵护制造业回暖，补短板、稳基建利好造业回暖，补短板、稳基建利好工程机械工程机械2019-09-08 3、机械设备行业半年报总结：、机械设备行业半年报总结：周期亮眼，成长减速周期亮眼，成长减速 2019-09-03 2019 年年 09 月月 15 日日 证券分析师证券分析师 陈显帆陈显帆 执业
9、证号：S0600515090001 021-60199769 证券分析师证券分析师 倪正洋倪正洋 执业证号：S0600518070003 021-60199793 -23%-11%0%11%23%34%2018-082018-122019-042019-08机械设备 沪深300 每日免费获取报告1、每日微信群内分享7+最新重磅报告；2、每日分享当日华尔街日报、金融时报；3、每周分享经济学人4、行研报告均为公开版，权利归原作者所有，起点财经仅分发做内部学习。扫一扫二维码关注公号回复：研究报告加入“起点财经”微信群。2/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正
10、文之后的免责声明部分分 行业深度报告 内容目录内容目录 1.页岩油气页岩油气资源丰富，美国借力页岩革命实现能源自主资源丰富，美国借力页岩革命实现能源自主 .4 4 1.1.页岩油气页岩油气能源结构中的重要拼图能源结构中的重要拼图.4 1.2.钻完井为核心流程，水平井和水力压裂为核心技术钻完井为核心流程，水平井和水力压裂为核心技术.5 2.四大阶段复盘美国页岩气革命四大阶段复盘美国页岩气革命 .6 6 2.1.页岩气的发现阶段：页岩气的发现阶段：1821 年年-1975 年，未实现大规模开采年，未实现大规模开采.8 2.2.技术探索阶段：技术探索阶段：1976 年年-2001 年，页岩气经济性不
11、高年，页岩气经济性不高.9 2.2.1.石油危机叠加天然气短缺，非常规天然气勘探需求日益强烈.9 2.2.2.国家计划与私企创新并行，探索页岩气技术创新.9 2.2.3.政策支持：税收优惠与补贴维持页岩油气产量增长.11 2.3.技术突破阶段：技术突破阶段：2002 年年-2006 年，核心技术应用带来大规模经济性年，核心技术应用带来大规模经济性.12 2.3.1.水平井技术开始应用，增产降成本效应显著.12 2.3.2.分段压裂等多种压裂技术引进，进一步提高页岩气开采效益.13 2.3.3.政策刺激：环保政策集中支持页岩气开发，补贴政策持续加码.14 2.3.4.天然气定价市场化改革取得成效
12、，气价抬升助力页岩气经济性实现.15 2.4.先进技术大规模应用阶段：先进技术大规模应用阶段：2007 年至今年至今.16 2.4.1.先进技术叠加高位气价，促使页岩气经济性不断提升，引发产量激增.16 2.4.2.挂钩国际油价，前期受益高油价，页岩气产量迅速增长.20 2.4.3.马塞勒斯产区产量释放，为美国页岩气注入新动力.22 2.5.意外冲击：意外冲击：2014-2016 年油价暴跌下的页岩油气开发年油价暴跌下的页岩油气开发.23 2.5.1.页岩油产量下降，大部分企业面临亏损，撤回核心区开采并推迟完井.23 2.5.2.油价低迷促使页岩油厂商转向页岩气，页岩气产量持续增长.25 2.
13、5.3.2016 年底油价回升，伴随技术创新带来的成本降低，页岩油气回暖.25 3.他山之石他山之石美国页岩油气革命成功因素分析美国页岩油气革命成功因素分析 .2626 3.1.页岩油气储量大，开采环境好页岩油气储量大，开采环境好.26 3.2.市场成熟，大量中小市场成熟，大量中小公司推进技术突破，专业化分工降低生产成本公司推进技术突破，专业化分工降低生产成本.26 3.3.土地矿产资源私有化，土地流转便利，为小公司参与提供了条件土地矿产资源私有化，土地流转便利，为小公司参与提供了条件.27 3.4.完善的油气管网降低了页岩气输送成本完善的油气管网降低了页岩气输送成本.27 3.5.政策激励：
14、天然气定价走向市场化，税收补贴与产业基金投入并行政策激励：天然气定价走向市场化，税收补贴与产业基金投入并行.28 4.投资建议投资建议 .2929 5.风险提示风险提示 .2929 6.附录附录参考文献参考文献 .2929 3/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正文之后的免责声明部分分 行业深度报告 图表目录图表目录 图图 1：页岩油气矿藏构造：页岩油气矿藏构造.4 图图 2：页岩气储量占世界总可采储量：页岩气储量占世界总可采储量 32%.4 图图 3：页岩油储量占世界总开采：页岩油储量占世界总开采储量储量 20%.4 图图 4：2017 年美国实现天
15、然气自给，并成为净出口国年美国实现天然气自给，并成为净出口国.5 图图 5：页岩油气的开发流程：页岩油气的开发流程.6 图图 6：水平井技术图示：水平井技术图示.6 图图 7：水力压裂图示：水力压裂图示.6 图图 8：2017 年美国成为天然气净出口国（亿方）年美国成为天然气净出口国（亿方）.7 图图 9：美国页岩气革命：美国页岩气革命进展进展.8 图图 10：第一口页岩气井：第一口页岩气井Fredonia,NY.8 图图 11：世界上第一个页岩气田：世界上第一个页岩气田Big Sandy.8 图图 12：20 世纪世纪 70 年代美国天然气产储量双双下滑年代美国天然气产储量双双下滑.9 图图
16、 13：技术探索阶段（：技术探索阶段（1975-2001 年）政策支持年）政策支持.12 图图 14：水平：水平井增产原理井增产原理.12 图图 15：Barnett 产区产区 2002 年水平井快速增多年水平井快速增多.13 图图 16：Barnett 产区水平井产量渗透率提升迅速产区水平井产量渗透率提升迅速.13 图图 17：水平井分段压裂技术：水平井分段压裂技术.14 图图 18：环保政策集中支持页岩气开发：环保政策集中支持页岩气开发.15 图图 19：美国天然气定价逐渐走向市：美国天然气定价逐渐走向市场化场化.16 图图 20：EQT energy 页岩气开发经济性变动页岩气开发经济性
17、变动.16 图图 21：Devon 页岩气开发经济性变动页岩气开发经济性变动.16 图图 22：2007-2017 年美国页岩气产量迅速增长年美国页岩气产量迅速增长.17 图图 23：2007 年水平井数量迅速增长年水平井数量迅速增长.18 图图 24：2008 年水平井页岩气产量正式超过直井年水平井页岩气产量正式超过直井.18 图图 25：水平井平均长度不断增长：水平井平均长度不断增长.19 图图 26：单井平均压裂段数不断增加：单井平均压裂段数不断增加.19 图图 27：垂直井尺深成本变化：垂直井尺深成本变化.19 图图 28：水平井尺深成本变化：水平井尺深成本变化.19 图图 29：页岩
18、油保本价格区间：页岩油保本价格区间.20 图图 30：国际油价与美国天然气价格存在较强相关性：国际油价与美国天然气价格存在较强相关性.20 图图 31：Barnett 产区于产区于 2007-2008 年迎来水平井钻井高峰年迎来水平井钻井高峰.21 图图 32：气价与页岩气经济性变动（以气价与页岩气经济性变动（以 Devon 公司为例）公司为例）.21 图图 33：马塞勒斯（：马塞勒斯（Marcellus）如今已成为美国最大页岩气生产区块）如今已成为美国最大页岩气生产区块.22 图图 34：2014-2016 年，国际原油价格迅速下跌年，国际原油价格迅速下跌.23 图图 35：活跃钻机数量变动
19、：活跃钻机数量变动.23 图图 36：钻井数量变动：钻井数量变动.23 图图 37：各主要产区页岩气产量变动：各主要产区页岩气产量变动.25 图图 38：美国本土：美国本土 48 州页岩油气资源分布州页岩油气资源分布.26 图图 39：独立油气公司提供勘探：独立油气公司提供勘探钻井等专业服务，降低了开采成本钻井等专业服务，降低了开采成本.27 图图 40：美国具备完善的输油管道：美国具备完善的输油管道.28 图图 41：美国天然气管道高度集中：美国天然气管道高度集中.28 4/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正文之后的免责声明部分分 行业深度报告 1
20、.页岩油气页岩油气资源丰富，资源丰富，美国借力美国借力页岩革命实现能源自主页岩革命实现能源自主 1.1.页岩油气页岩油气能源结构中能源结构中的重要的重要拼图拼图 页岩油气是指从页岩中开采出来的石油和天然气，包含页岩油和页岩气。页岩油气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。图图 1：页岩油气矿藏构造页岩油气矿藏构造 数据来源：中国数字科技馆，东吴证券研究所 全球页岩油气储量十分可观，储量集中在中美俄三国。全球页岩油气储量十分可观，储量集中在中美俄三国。根据美国能源信息署（EIA）2013 年的统计，全球天然气探明可采储量为 647 万亿立方米，其中页
21、岩气为 206 万亿立方米，占全球天然气可采储量的占全球天然气可采储量的 32%。而全球页岩油储量达到了 3450 亿桶，占全球石占全球石油储量的油储量的 20%。图图 2：页岩气储量占世界总可采储量页岩气储量占世界总可采储量 32%图图 3：页岩油储量占世界总开采储量页岩油储量占世界总开采储量 20%数据来源：EIA，东吴证券研究所 数据来源：EIA，东吴证券研究所 5/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正文之后的免责声明部分分 行业深度报告 美国美国率先率先完成页岩油气革命，页岩油气产量占比过半，完成页岩油气革命，页岩油气产量占比过半，2017 年
22、成为天然气净出口年成为天然气净出口国国。美国在经历多年的技术摸索后，成功完成了页岩气革命。2017 年美国页岩气占天然气年产量的 72%，页岩油占石油年产量的比重也超过了 50%。凭借页岩气的持续高产，根据 EIA 数据，2017 年美国天然气产量超过消费量实现能源自主，也正式实现了由天然气输入国向净出口国的转变，这也是美国自 1957 年以来首次成为天然气净出口国。图图 4：2017 年美国实现天然气自给，并成为净出口国年美国实现天然气自给，并成为净出口国 数据来源：EIA，东吴证券研究所 1.2.钻完井为核心流程，水平井和水力压裂为核心技术钻完井为核心流程，水平井和水力压裂为核心技术 页岩
23、气的开采流程可以分为勘探阶段开发阶段采气阶段，其中开发阶段的钻井和完井是页岩油气成功开发的核心。钻井和完井是页岩油气成功开发的核心。而水平井钻井水平井钻井和压裂压裂是目前使用的核心技术。6/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正文之后的免责声明部分分 行业深度报告 图图 5：页岩油气的开发流程页岩油气的开发流程 数据来源：页岩气勘探开发基本特征与程序，东吴证券研究所 水平井水平井是指井眼竖着打到一定的深度以后，再向水平或者接近水平的倾斜方向继续延伸一定长度的定向井。竖直与水平方向打井的井斜角要达到 90 左右，水平段在页岩层里水平方向延伸的长度一般要大于
24、页岩厚度的 6 倍。水力压裂技术水力压裂技术是水平井的关键配套技术之一，利用储层的天然或诱导裂缝系统，使用含有各种添加剂的压裂液在高压下注入地层，使储层裂缝网络扩大，并依靠支撑剂支撑裂缝，从而改善储层裂缝网络系统，达到增产目的。图图 6：水平井技术水平井技术图示图示 图图 7：水力压裂水力压裂图示图示 数据来源：页岩气开采的“武功秘籍”水平井及分段压裂技术，东吴证券研究所 数据来源：页岩气如日方升的新兴能源，东吴证券研究所 2.四大阶段复盘四大阶段复盘美国页岩气革命美国页岩气革命 页岩气勘探开发始于美国，经过多年摸索，美国目前已通过页岩气革命实现了天然页岩气勘探开发始于美国，经过多年摸索，美国
25、目前已通过页岩气革命实现了天然气全面自给自足，并成为天然气净出口国。气全面自给自足，并成为天然气净出口国。2002 年美国页岩气占天然气总产量的 2%，7/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正文之后的免责声明部分分 行业深度报告 而至 2017 年这一数字已近 70%。依靠页岩气的开发利用，2007-2017 年美国天然气产量复合增速达 3.5%（对比 1997-2007 年复合增速 0.2%）；2017 年美国天然气出口量首次超过进口量，成为天然气净出口国天然气净出口国。图图 8：2017 年年美国成为天然气净出口国美国成为天然气净出口国（亿方）（亿
26、方）数据来源：EIA，东吴证券研究所 美国页岩气革命的进程可根据技术进展分为四大阶段，分别是美国页岩气革命的进程可根据技术进展分为四大阶段，分别是：页岩气发现阶段页岩气发现阶段技术探索阶段技术探索阶段技术突破阶段技术突破阶段先进技术大规模应用（产量先进技术大规模应用（产量高增高增）阶段。第一）阶段。第一阶段（阶段（1821 年年-1975 年）年）是页岩气的发现阶段，此阶段受限于技术和地质认识的欠缺，人们并未对页岩气进行大规模的开发利用；第二阶段（第二阶段（1976 年年-2001 年）年）是技术探索阶段，由于能源危机的出现，美国政府大力推进非常规天然气的开采与研究，此阶段页岩气开采实现了小规
27、模的经济性，产量不断上升；第三阶段（第三阶段（2002 年年-2006 年）年）为技术突破阶段，此阶段水平井和多段压裂等关键技术开始应用，实现了页岩气开采的大规模经济性产量继续稳步提升。第四阶段（第四阶段（2007 年以后）年以后）为产量高增阶段，新技术的在全国的推广应用叠加2007-2008 年油价的进一步上攻带动气价达到历史峰值，同时带动了页岩气产量激增；2011 年前后，随着马塞勒斯区块页岩气产量的迅速释放，为美国页岩气生产又一次注入了新的动力；2014 年-2016 年，由于油价波动等因素，页岩油气产量进入短暂的波动调整期，页岩油的开采量出现减少，页岩气开采增速也有所放缓。但由于至此页
28、岩气开采成本的大幅下降已提供了较强经济性保障，产量规模仍保持增长。2017 年，美国页岩气/天然气总产量达 5260/7727 亿方，再创历史高位。010002000300040005000600002004006008001000120014001973197619791982198519881991199419972000200320062009201220152018美国天然气进口美国天然气进口 美国天然气出口美国天然气出口 页岩气产量页岩气产量-右轴右轴 8/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正文之后的免责声明部分分 行业深度报告 图图 9：美
29、国页岩气革命进展美国页岩气革命进展 数据来源：EIA，东吴证券研究所 2.1.页岩气的发现阶段：页岩气的发现阶段：1821 年年-1975 年，未实现大规模开采年，未实现大规模开采 页岩气开发早期，由于地质认识和开采技术不足，仅限于传统裂缝性页岩气的开发，页岩气开发早期，由于地质认识和开采技术不足，仅限于传统裂缝性页岩气的开发，大规模深井开采并未出现。大规模深井开采并未出现。1821 年，William A.Hart 在美国纽约州弗里多尼亚钻了第一口产自页岩的商业天然气井(27 英尺深）。1914 年，在阿巴拉契亚盆地泥盆系 Ohio 页岩中，发现了世界第一个页岩气田Big Sandy。182
30、1-1975 年期间,美国的页岩气完成了从发现到工业化生产的发展过程。但受地质认识和技术手段的限制，但受地质认识和技术手段的限制，人们对这类资源并没有重视，没有认识到它的很大潜力，该阶段仅限于传统的裂缝性页岩气的开发仅限于传统的裂缝性页岩气的开发，页岩气深井开发并不普遍，产量也较少。图图 10：第一口页岩气井第一口页岩气井Fredonia,NY 图图 11：世界上第一个页岩气田世界上第一个页岩气田Big Sandy 数据来源：中石化石油工程技术研究院，东吴证券研 数据来源：中石化石油工程技术研究院，东吴证券研 9/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正文
31、之后的免责声明部分分 行业深度报告 究所 究所 2.2.技术探索阶段：技术探索阶段：1976 年年-2001 年，页岩气经济性不高年，页岩气经济性不高 2.2.1.石油危机叠加天然气短缺，非常规天然气勘探需求日益强烈石油危机叠加天然气短缺，非常规天然气勘探需求日益强烈 70 年代石油危机敲响美国能源安全警钟，同时天然气价格管制带来天然气供不应年代石油危机敲响美国能源安全警钟，同时天然气价格管制带来天然气供不应求，能源短缺促进了非常规天然气的勘探需求。求，能源短缺促进了非常规天然气的勘探需求。上世纪 70 年代，美国开始推进非常规天然气（页岩气、致密气和煤层气）的勘探与开发，这一决策与当时的经济
32、社会环境密切相关。一方面，1973 年 10 月，第四次中东战争开启。OPEC 为了打击以色列及支持以色列的国家，宣布石油禁运，造成油价上涨，原油价格从 1973 年的不到 3 美元上涨到超过 13 美元。第一次石油危机加剧了美国国内的滞胀状况，给严重依赖石油进口的美国敲响了能源安全的警钟。另一方面另一方面，1970s 美国天然气价格管制政策引发的天然气短缺美国天然气价格管制政策引发的天然气短缺也增强了勘探非常规天然气的需求。1978 年前，美国政府实施天然气价格上限管制，州际天然气价格上限设定在市场化均衡水平以下，过低的气价导致需求猛增。而生厂商由于利润微薄，勘探和开采动力下降，天然气市场供
33、应严重短缺。短缺首先出现在天然气储量上短缺首先出现在天然气储量上，天然气已探明储量在 1967 年达到顶峰后开始迅速下降。同时期，已探明储量与产量之比从 1969 年的 13:1 下降到 1979 年的 9.8:1。之后天然气产量也开始逐年下滑之后天然气产量也开始逐年下滑。图图 12：20 世纪世纪 70 年代美国天然气产储量双双下滑年代美国天然气产储量双双下滑 数据来源：EIA，东吴证券研究所 2.2.2.国家计划与私企创新并行，探索页岩气技术创新国家计划与私企创新并行，探索页岩气技术创新 美国的页岩气技术创新是由国家联合各私营企业共同推动的，具体表现为国家部门美国的页岩气技术创新是由国家联
34、合各私营企业共同推动的，具体表现为国家部门设立专项研究计划，依托国家科研院所资源，联合企业进行技术探索。设立专项研究计划，依托国家科研院所资源，联合企业进行技术探索。1976 年，美国能源部（DOE）联合油公司、科研机构、高校等单位开展了非常规天然气（页岩气、致密气和煤层气）评价和开采方法研究。10/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正文之后的免责声明部分分 行业深度报告 其中针对页岩气，1976 实施了东部页岩气工程（实施了东部页岩气工程（EGSP），），EGSP 在美国东部的阿巴拉契山脉盆地、密歇根盆地和伊利诺伊盆地展开，一直延伸到了 90 年代。
35、这项工程主要目的有 3 个：（1）开展精确的页岩气资源评价；（）开展精确的页岩气资源评价；（2)建立勘探选区原则；建立勘探选区原则；(3)开发和完开发和完善的成善的成本有效的页岩气开采技术。本有效的页岩气开采技术。通过三十多年的研究工作，建立了一个向美国公众开放的庞大数据库，其中包含了页岩气储藏、形成机理等若干技术资料，甚至还将一些关键地质数据，如东北部泥盆纪页岩的上百张详细地质构造图公之于众。东部工程填补了美国油气行业在页岩气领域的空白，而在此基础上所掌握的地质资料也成了美国油气公司从辽阔的地下深处获取页岩气的成败关键因素之一。1980 年，美国天然气研究所（年，美国天然气研究所（GRI）实
36、施了包括钻井取样、实验分析、压裂增产技术开发等 30 多个项目的“东部含气页岩研究计划”。该计划促进了美国页岩气的技术研究，使得页岩气勘探开发、理论研究迅速扩展到美国其他地区。1990s，美国天然气技，美国天然气技术协会（术协会（GTI）组织大批科研力量，对水平钻井、水力压裂技术、取芯实验技术等页岩气开发的关键技术进行深入研究，逐步构建了以岩芯实验为基数、以储层改造为重点的勘探开发体系。国家联合私企的技术创新成果显著，主要是大规模水利压裂技术的应用、水力压裂介质的改进，以及微地震裂缝检测技术、三维地震勘探技术的研发。其中其中 George Mitchell 创办的创办的 Mitchell 公司
37、在水力压裂领域做出了杰出贡献。公司在水力压裂领域做出了杰出贡献。1982 年 Mitchell 获得美国天然气管道公司比现货高出 1.25 美元的长期供气合同，开始研究 Barnett 页岩气开发，寻求改进压裂介质以减少压裂成本。1994 年，Mitchell 公司完全消除氮气的使用和压裂前的酸处理，代之以低成本的沙进行压裂，这一技术使得当年压裂成本降低了 10%。1998 年年水力压裂试验取得突破，用水力压裂试验取得突破，用低成本的低成本的水基压裂液水基压裂液成功成功取代传统凝胶压裂，对取代传统凝胶压裂，对 Barnett 区区块的老页岩气井重新实施增产，最大增产幅度达块的老页岩气井重新实施
38、增产，最大增产幅度达 2 倍以上。倍以上。此时 Barnett 区域的单井成本约为 75-95 万美元，压裂成本则占主要部分（约为 35-45 万美元，以当时美元计价）。可见压裂技术的进步很大程度减少了页岩气的开发成本，使得更多区域的页岩气开发成为可能。表表 1：技术探索期（：技术探索期（1975-2001 年）技术进展年）技术进展 技术名称技术名称 技术简介技术简介 优势说明优势说明 大规模水力压裂技术 将压裂液以高压泵入页岩，打开小的缝隙以允许石油和天然气更流畅的流到钻井口 大大增加了页岩气产量，使得商业化开发成为可能 水力压裂介质的改进 1979-1985：二氧化碳泡沫压裂加氮气辅助的方
39、式进行压裂 比传统的水力压裂减少用水75%-95%，在缺水区域打井成为可能 1985-1996：埋藏较深的页岩主要采用以凝胶压裂为主的压裂技术；埋藏浅的主要采用氮气泡沫压裂技术 产量提升 11/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正文之后的免责声明部分分 行业深度报告 1997-2000：以清水加砂为主要压裂技术 与凝胶压裂技术相比，可节约50%-60%的成本 微地震裂缝检测技术 通过采集压裂引起的微小地震波，分析确定裂缝参数信息，描述裂缝破裂过程，评价压裂效果 最优化页岩气井压裂程度，使产量最大化 三维地震 主要应用在页岩气、石油等地下勘探，为选区提供
40、依据 使地下目标的图像更加清晰、位置预测更加可靠，2000s 早期开始在 Barnett 广泛运用 数据来源：页岩气钻采技术等，东吴证券研究所 虽然压裂技术取得进步，但此阶段由于水平井等核心技术并未成熟运用，故页岩气虽然压裂技术取得进步，但此阶段由于水平井等核心技术并未成熟运用，故页岩气开采经济性不高。开采经济性不高。此时美国开采页岩油气的钻井方式仍以直井为主，直井约占钻井总数的 75%，水平井仅占 5%（其余 20%为倾斜程度不高的定向井），因此页岩油气的产量较低。截至 2000 年，页岩油产量仅为 30 万桶/日，页岩气产量仅为 0.28 亿立方米/日。以以Mitchell 公司公司为例，
41、为例，1981-1986 年，该公司在 Barnett 产区的 20 口页岩气生产井均处于亏损状态，并未实现商业化；1987 年-1997 年，随着压裂成本的下移，此区域的经济回报才逐渐提升，这也促使 Mitchell 能源加快了开采进程。此阶段，该公司在 Barnett 的两块甜区共打了 304 口井，还在另外四块不确定性强的区域打了 25 口井。然而，即使即使甜区的生产井甜区的生产井也未达到公司的收益率标准，而不也未达到公司的收益率标准，而不确定确定性强的区域的井更未实现商业化。性强的区域的井更未实现商业化。2.2.3.政策支持：税收优惠与补贴维持页岩油气产量增长政策支持：税收优惠与补贴维
42、持页岩油气产量增长 为了扶持页岩油气的开采，从为了扶持页岩油气的开采，从 20 世纪世纪 70 年代开始，美国政府实施了一系列鼓励能年代开始，美国政府实施了一系列鼓励能源储备、替代能源发展、替代燃料技术商业化等方面的税收激励或补贴政策。开采页岩源储备、替代能源发展、替代燃料技术商业化等方面的税收激励或补贴政策。开采页岩气等非常规天然气都直接受到财政补贴气等非常规天然气都直接受到财政补贴，且补贴数额较大。，且补贴数额较大。最初，每立方米天然气补贴1.81 美分。随后根据经济形势变化和通货膨胀情况不断调整补贴标准，最高补贴曾达到最高补贴曾达到了了 4.95 美分美分/立方米，而同期的天然气井口价在
43、立方米，而同期的天然气井口价在 7-9 美分美分/立方米立方米。税收减免补贴都采取先征后补的形式，且补贴数额超过企业实际缴纳税额。高额的补贴激发了小公司投资页岩气勘探开发的热情，大幅促进了页岩气的发展。据美国康菲国际石油有限公司据美国康菲国际石油有限公司（Conocophillips）的估计，）的估计，上世纪上世纪 80 年代年代-90 年代年代非常规天然气开发的非常规天然气开发的 30%的利润来的利润来自政策优惠。自政策优惠。在补贴政策的支持下，页岩气年产量从 1979 年到 1999 年净增了 7 倍。12/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正文之
44、后的免责声明部分分 行业深度报告 图图 13：技术探索阶段（：技术探索阶段（1975-2001 年）政策支持年）政策支持 数据来源：美国非常规天然气开发的政策效益及启示等，东吴证券研究所 2.3.技术突破阶段：技术突破阶段：2002 年年-2006 年，核心技术应用带来大规模经济性年，核心技术应用带来大规模经济性 2.3.1.水平井技术开始应用，增产降成本效应显著水平井技术开始应用，增产降成本效应显著 水平井技术的应用解决了页岩气日产量低，生产周期短等缺点，增产降成本效应明水平井技术的应用解决了页岩气日产量低，生产周期短等缺点，增产降成本效应明显，大幅提高了页岩气开发的经济性。显，大幅提高了页
45、岩气开发的经济性。据测算，水平井产量可达传统直井的据测算，水平井产量可达传统直井的 3-4 倍，而倍，而成本为其成本为其 1.5-2.5 倍。倍。因而水平井的大规模应用成为页岩气革命成功的标志之一。因而水平井的大规模应用成为页岩气革命成功的标志之一。与直井相比，水平井具有很大的优势。从下图示意可知，水平井遇裂缝的机会比直井多几十倍，且开采延伸范围大，在外围开采区的效果更好延伸范围大，在外围开采区的效果更好。另外，水平井的供油井段比直井长水平井的供油井段比直井长10 倍以上倍以上，所以产量高，同时因供油面积大而缓解了底水的上升速度使页岩气的开发具有经济性。图图 14：水平井增产原理：水平井增产原
46、理 数据来源：中石化石油工程技术研究院，东吴证券研究所 13/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正文之后的免责声明部分分 行业深度报告 水平井试验成功，促使页岩气开采经济性实质性提升。水平井试验成功，促使页岩气开采经济性实质性提升。2002 年，美国 Devon 能源公司以 35 亿美元价格收购 Mitchell 公司及其水力压裂专利，接棒页岩气开发进程。同年，其在 Barnett 区块试验水平井的成功促使业界大力推广该技术，此后 Barnett 区块页岩气水平井数迅速增加。到 2006 年上半年为止，Barnett 页岩最成功的水平井产量为 2831
47、万立方米/日，而垂直井最大产量仅为 991 万立方米/日。水平井试验成功使得美国页岩水平井试验成功使得美国页岩气开采再度提速，气开采再度提速，仍以 Barnett 页岩产区为例，2003 年开始，水平井完井数迅速增加，2003 年-2007 年 Barnett 页岩水平井数量累计完钻 4960 口，占该产区生产井总数的 50%以上。2007 年，Barnett 页岩气年产量达 315 亿立方米，其中水平井总产量为直井总产量的 3 倍多。Barnett 页岩气开发成功具有里程碑意义，成为了这场页岩气革命成功的页岩气开发成功具有里程碑意义，成为了这场页岩气革命成功的标志。标志。图图 15：Barn
48、ett 产区产区 2002 年水平井快速增多年水平井快速增多 图图 16：Barnett 产区产区水平井产量渗透率提升迅速水平井产量渗透率提升迅速 数据来源：EIA，东吴证券研究所 数据来源：EIA，东吴证券研究所 2.3.2.分段压裂等多种压裂技术引进，进一步提高页岩气开采效益分段压裂等多种压裂技术引进，进一步提高页岩气开采效益 除了钻井技术，页岩气的最终采收率也依赖于有效的压裂措施，压裂技术和开采工除了钻井技术，页岩气的最终采收率也依赖于有效的压裂措施，压裂技术和开采工艺直接影响着页岩气井的经济效益。艺直接影响着页岩气井的经济效益。2002 年后，多种水力压裂技术被运用于页岩油气年后，多种
49、水力压裂技术被运用于页岩油气的开采，的开采，很大很大的降低了页岩气开采成本，提升了开采效益。的降低了页岩气开采成本，提升了开采效益。2004 年，清水压裂技术引入页岩气的生产。清水压裂技术则可以达到显著的成本年，清水压裂技术引入页岩气的生产。清水压裂技术则可以达到显著的成本节约效果。节约效果。与凝胶压裂相比，相同规模作业下该技术可以使成本下降使成本下降 40%-60%（王素兵，2005）。同时，水平井分段压裂技术水平井分段压裂技术也投入使用。分段压裂技术是水平井的关键配套技术之一，运用分段压裂可在较短时间内一次性完成对多个储层的压裂，并最大限度地减少对储层的伤害，达到多层合采，从而达到提高单井
50、产量、最大限度达到提高地质多层合采，从而达到提高单井产量、最大限度达到提高地质储量可动用程度储量可动用程度的目的。2005 年，水力喷射压裂技术年，水力喷射压裂技术在 Barnett 页岩中进行试验，经过测试，使用该法压裂后，页岩气的产量显著增加，而且后期效果更显著。2006 年，同步压裂技术年，同步压裂技术在 Barnett 页岩中实施，该技术可延长高产时期。通过对同一平台上相隔 10 米，水平井段相隔 305 米，大致平行的 2 口井 9 个层位进行同步压裂，14/31 东吴证券研究所东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部请务必阅读正文之后的免责声明部分分 行业深度报告 2 口井成
