从煤炭到页岩气：技术创新是内驱力

　　未来，石化行业的竞争，归根结底是创新技术和知识产权的竞争。传统能源并非傻大黑粗、一成不变。技术创新不但开采出更多能源，让传统能源得以续命，更让石化能源的效率更高、污染更低。

　　在山西省大同市云冈区高山镇小窑头村，一排排太阳能电池板沿着山梁排列整齐地“站立”，抬头“仰望”着湛蓝的天空。多年前，这里曾是采煤沉陷区，水土流失严重、地质灾害频发；居民生活条件恶劣，有房不能住，有地不能种。

　　40年的光阴，大同“煤都”之名远扬，自新中国成立以来，累计为国家贡献优质动力煤30多亿吨。然而，采煤业的过度发展，让大同因煤而兴的同时，也形成了超过1600平方公里的采煤沉陷区，急剧恶化的环境不再宜居。

　　当“一煤独大”成为能源产业高质量发展的掣肘，依托技术创新实现煤炭的清洁高效开发利用，与新能源的发现和应用，成为了大同产业转型的必由之路。

　　从“煤都黑”到“大同蓝”，大同所走过的路，是中国能源产业近年来创新型发展、绿色发展思路的缩影。传统能源并非傻大黑粗、一成不变。技术创新不但开采出更多能源，让传统能源得以续命，更让石化能源的效率更高、污染更低。

　　40年前，大同的大部分矿井里，漆黑闷热、煤尘弥漫，矿工们艰难地挥动着铁锹，一锹一锹地铲煤。40年后，科学技术的创新驱动，使得情况有了大不同。

　　在大同煤矿集团有限责任公司（简称“同煤集团”）忙碌的工作现场，采煤工们如今都大多离开了井下工作面，操作人员只需在皮带辅运巷50米外的“智能化工作面监控中心”处，摁下总控台启动按钮，远端的采煤机便会自动前行，割煤、推溜、移架、传输一气呵成。

　　近年来，煤炭行业的创新型技术成果在神州大地上迭出，这对于提高煤炭开采效率和资源利用率具有重要意义。

　　山西大同采煤沉陷区国家先进技术光伏示范基地项目：大同京能10万千瓦光伏项目一角。（图片来源/新华社）

　　在塔山煤矿，同煤集团建设了1500万吨智能化综采工作面，先后与多家企业、高校联合研发了“特厚煤层大采高综放开采关键技术”，解决了特厚煤层开采的世界性难题，获得了2014年度国家科技进步一等奖，并推广应用小（无）煤柱开采技术，提高矿井回采率15%至20%。

　　2011年，冀中能源峰峰集团与峰峰集团天择公司、浙江大学三方联合研发的综采数字化无人工作面控制系统、视频摄像仪防尘装置等三项薄煤综采技术获得国家专利证书。同年，峰峰集团天择公司研制的LMG1150型露天采煤机、DJX1320 煤矿电力设备等四个产品被授予中国首台套重大技术装备示范项目。至今，企业已拥有核心技术100多项、关键技术400多项，核心竞争力明显增强。

　　2018年，山东能源新矿集团内蒙能源裕兴煤矿的《一种煤矿采空区全势能膏体充填系统和方法》，获得国家知识产权局授权发明专利。该矿此项发明，主要涉及煤矸石和粉煤灰作为充填材料充填到“三下”采空区，是实现资源高回收率和绿色开采的有效方法。

　　科技创新和科技进步，而今已成为实现煤炭行业科学发展、跨越发展、转型发展的决定性力量。在科技创新的驱动下，煤炭行业在40年波澜壮阔的发展进程中，推动并实现了“采煤方法”“煤矿安全管理”“煤炭消费利用方式”三大科技。而在这一过程中，知识产权由始至终扮演着重要的角色，发挥着关键的作用。

　　早在新世纪之初，中国煤炭科工集团研制成功的国产大采高综采成套技术与装备，便达到年产600万吨至1000万吨生产能力，攻克了我国煤炭行业厚煤层综采技术发展中采煤方法比较落后、装备性能差的技术瓶颈，形成了大采高综采采煤方法与围岩控制理论与技术，相关技术成果先后荣获国家科技进步奖3项，煤炭工业特等奖和一等奖7项，具有里程碑意义。

　　2005年5月，兖矿集团与德国鲁尔工业集团DBT公司签订“两柱式综采放顶煤液压支架”专利技术转让协议，获得技术转让费1600万美元，改写了由国外单一向我国输入先进采煤技术的历史。

　　长期以来，作为电力、冶金、建材工业的燃料，煤炭的过度开采不仅消耗了宝贵的不可再生资源，也造成了大量污染。多年来，我国煤炭工业一直致力于推进将煤炭由燃料向燃料与原料并重转变，从而推进现代煤化工产业发展。

　　神华宁煤集团年产400万吨煤炭间接液化示范项目，承担着国家37项重大技术、装备及材料的国产化任务，打破了国外对煤制油化工核心技术的长期垄断。

　　“十二五”以来，我国在煤液化、煤气化、煤制烯烃、煤制乙二醇等一大批具有自主知识产权的现代煤化工关键技术和装备取得了突破。

　　2016年12月，全球单体规模最大的煤制油工程神华宁夏煤业集团煤制油示范项目建成投产，这是目前世界上单套投资规模最大、装置最大、拥有中国自主知识产权的煤炭间接液化示范项目。而为加快推动能源消费，进一步提高煤炭清洁高效利用水平，燃煤电厂超低排放技术与具有我国自主知识产权的高效煤粉型锅炉技术得到普遍推广，“一种旋流干煤粉气化炉”项目还获得了中国专利金奖。

　　与此同时，科技创新还使得煤矿安全装备水平大幅提升，大幅度降低了事故数量；并提升了煤矿安全质量标准化和安全生产标准化水平，使煤矿安全生产工作实现标准化、规范化以及安全与质量的高度统一。

　　自改革开放以来，我国煤炭产业实现了从传统粗放到现代清洁高效，从人工和半机械化到自动化、智能化的科技，为我国经济长期高速发展提供了必要能源支撑的同时，也探索了实现能源安全与可持续发展之路。

　　1821年，美国商人Hartz在纽约Fredonia镇钻探美国路上第一口油气井，首次获得了页岩气。这是世界上利用页岩气能源的发端。

　　页岩气，顾名思义，是蕴藏于页岩层可供开采的天然气资源，与深盆气、煤层气一样都属于“持续式”聚集的非常规天然气。百度百科这样为其定义：页岩气是指富含有机质、成熟的暗色泥页岩或高碳泥页岩中由于有机质吸附作用或岩石中存在着裂缝和基质孔隙，使之储集和保存了一定具商业价值的生物成因、热解成因及二者混合成因的天然气。

　　较常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，其成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，主要用于居民燃气、城市供热、发电、汽车燃料和化工生产等，用途广泛，工业经济价值较高。

　　上世纪90年代末，在页岩气被发现一百余年之后，一场始于美国的页岩气冲击了传统煤炭能源产业。十年之内，美国的页岩气干气产量从2000年的0.39万亿立方英尺提高到2012年的850万亿立方英尺，在美国天然气产量中的比例由2%上升至37%，这不仅使得美国改善了能源供需结构，于2009年超越俄罗斯成为全球最大的天然气生产国，甚至已经开始改变美国乃至世界的能源市场格局。

　　美国早在19世纪就已经开始在页岩带上钻井寻找天然气的努力，其第一口页岩气生产井钻发掘于1821年，位于纽约州附近的弗雷德尼亚镇(Fredonia)附近的泥盆系页岩。但直到170多年后，随着水力压裂技术的应用，页岩气的产量才开始显著地增加。

　　页岩气在美国爆发并非偶然。其中的关键性因素，是油气开采技术出现两大创新——水力压裂法和水平钻井技术。然而美国的页岩气不是一夜之间爆发的，它经历了漫长的过程：自1821年开始页岩气的开发伊始，足足过了150余年美国政府才开始积极推进页岩气产业，又经过30年的技术沉淀和经验积累，直到世纪之交之时各方面条件逐渐成熟方开始大规模商业开发，成为世界上唯一实现页岩气大规模商业性开采的国家。

　　从人类发展历史来看，几乎每一次能源结构的变革，都能引发新一轮的经济繁荣。19世纪末，煤炭代替木材成为基础燃料，催生了工业的兴起。一般认为，蒸汽机、煤、铁和钢是促成工业技术加速发展的四项主要因素。进入20世纪，低油价和燃油发动机的普及，将全球经济带出大萧条的深渊，造就了上世纪50年代至70年代欧美国家长达20年的经济黄金发展期。

　　而美国主导这场“页岩气”，也志在对今后30年到50年的国际与经济格局产生深远影响。人类进入工业以后，随着全球主要工业国家工业生产的大发展，世界对石油和天然气资源需求越来越大。摆脱对中东地区的石油和天然气的依赖，是美国大力发展页岩气能源的初衷。

　　上世纪70年代，以美国为首的西方国家一度因为中东石油禁运而陷入经济衰退之中。其中美国的损失最为惨重，“石油冲击”之下美国布雷顿森林体系直接崩溃。痛定思痛，美国开始走上了能源独立的道路。

　　开拓页岩气能源市场最明显的影响，就是美国能源利用结构的改变，其经济效益非常明显。“页岩气”促进了以气代煤发电，煤炭需求转而下降。而廉价的天然气资源，使得能源价格下降，这将带动以钢铁为代表的能源密集型工业的快速复兴。据业内人士分析，到2020年，美国政府来自非传统油气行业的税收和专利使用费收入可能超过1110亿美元。

　　美国50个州中有48个州富含页岩气资源，主要分布在东部、中南部、墨西哥湾沿岸及落基山脉地区，共有20多个页岩气区块，集中分布在Barnett、Haynesville、Fayetteville、Marcellus、Woodford以及Eagle Ford等页岩区。

　　根据美国能源情报总署（EIA）的统计，2017年全美的页岩气产量约为4620亿立方米，较2016年的4316亿立方米增长7%，且开采量占全美天然气开采总量一半以上。其中，产量最大的马赛鲁斯盆地，其2017年的产量为1775亿立方米，超过中国2017年全部的天然气产量（1490亿立方米）。

　　而美国出现页岩气之后不久，其页岩油产业也用上了相关技术，从而实现了产量翻倍。页岩气以及未来页岩油的开采，使得美国能源独立的梦想实现有了现实基础。美国石油业的对外依存度，由1970年的11%一路上升到2005年的64.2%，但是随后便逐年下降，2011年下降到了45%，为16年来的最低水平。

　　据国际能源署（IEA）于2019年底公布的数据显示，全球前五大原油生产国分别为 ：美国、沙特阿拉伯、俄罗斯、加拿大和中国，美国排名第一位。凭借着页岩油，美国已成为全球最大的产油国，平均1787万桶/日，占全球产量的18%。而2019年下半年，美国还正式实现了70年来首次能源净出口。美国能源部 (Department of energy)称，随着原油产量和出口创下新高，美国将在未来两年朝着能源独立迈出重大步伐。

　　页岩气在非常规天然气中异军突起，为全球能源市场注入了新的力量，成为全球油气资源勘探开发的新蓝海。

　　2017年9月14日，国土资源部宣布，我国页岩气生产进入世界前三强——2016年我国页岩气产量达到78.82亿立方米—成为与美国、加拿大鼎足而立的页岩气生产大国。据了解，我国页岩气资源储量位居世界前列，目前年产能已超过100亿立方米、累计产气超过100亿立方米。

　　虽然起步较晚，但中国在页岩气开发方面成果显著。2016年9月14日，国家能源局印发《页岩气发展规划（2016-2020年）》，《规划》中提到，在政策支持到位和市场开拓顺利情况下，2020年将力争实现页岩气产量300亿立方米，2030年实现页岩气产量800至1000亿立方米。这将是一个颇为可观的数量。

　　而在此规划印发的前一年，有相关数据显示：2015年天然气占我国一次能源消费比重5.9%，与世界24%的平均水平差距仍然较大。随着我国不断强化大气污染治理，大力推行清洁低碳发展战略和积极推进新型城镇化建设，天然气包括页岩气，作为清洁型能源，必将在调整和优化能源结构中发挥更大作用。

　　国务院办公厅《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》明确提出，到2020年天然气占我国一次能源消费比重将达到10%以上，大力开发页岩气符合我国能源发展大趋势。

　　然而虽然我国蕴藏着丰富的页岩气资源——根据2015年国土资源部资源评价最新结果，全国页岩气技术可采资源量为21.8万亿立方米——资源潜力与美国相仿，但情况不同的是，我国的页岩气开采难度更大。《页岩气发展规划（2016-2020年）》中，也同样指出了我国页岩气发展面临的挑战：建产投资规模大、深层开发技术尚未掌握、勘探开发竞争不足、市场开拓难度较大等。

　　页岩气勘探开发属于技术、资金密集型行业。泰坦通源董事长王静波曾谈到中国页岩气开发面临的问题：“一方面是成本高；另一方面，由于中国页岩气富集区地质条件复杂，从而导致开采技术难题。”与美国相比，我国页岩气勘探开发在资源评价和水平井、压裂增产开发技术等方面，尚未形成勘探开发的核心技术体系，离规模化开发还有很长一段路要走。

　　事实上，我国页岩气产业发展还处于起步阶段，并且预计2025年前都将处于技术储备和示范开发阶段。

　　2018年10月11日，中国石油威远页岩气田新建的外输管道完成焊接作业。该页岩气田外输管道全长6960米，设计日输送气能力1050万立方米。

　　此前，我国已加大页岩气科技攻关支持力度，设立了国家能源页岩气研发（实验）中心，在“大型油气田及煤层气开发”国家科技重大专项中设立“页岩气勘探开发关键技术”研究项目，在“973”计划中设立“南方古生界页岩气赋存富集机理和资源潜力评价”和“南方海相页岩气高效开发的基础研究”等项目。

　　中国石化、中国石油等相关企业也加强各层次联合攻关，在山地小型井工厂、优快钻完井、压裂改造等方面进行技术创新，并研制了3000型压裂车等一批具有自主知识产权的装备。通过“十二五”攻关，目前我国已经基本掌握3500米以浅海相页岩气勘探开发主体技术，有效支撑了我国页岩气产业健康快速发展。

　　至“十四五”及“十五五”期间，我国对于页岩气科技攻关的目标为：攻克页岩气储层评价、水平井钻完井、增产改造、气藏工程等勘探开发瓶颈技术，加速现有工程技术的升级换代。

　　而另一个不容忽视的问题也正在为业内学者与专家们所探讨：中国由煤炭到页岩气的能源结构转变，能否实现温室气体减排？

　　“用页岩气替代燃煤可减少终端燃烧过程的二氧化碳排放，但是页岩气上游开采中存在着具有较大不确定性的甲烷泄露问题。因此，由煤炭到页岩气的能源结构转变并不一定能够带来预期的气候减缓效应。”有专家如此分析道。

　　研究表明，在民用、火电及工业源的应用中，中国页岩气的甲烷泄露必须控制在6.0%、7.7%和4.2%之内，才能够实现净温室气体减排，这对页岩气行业的甲烷泄露控制提出了更高的要求。

　　根据2015年国土资源部资源评价最新结果，我国全国页岩气技术可采资源量为21.8万亿立方米。

　　“煤炭是中国经济快速发展的重要支撑，煤炭在中国的主体能源地位在相当长时期内不会动摇。”中国工程院原副院长谢克昌特别指出，作为中国的基础能源，煤炭产业肯定要，但不是“革煤炭的命”。“煤炭的核心在于整体推进煤炭在全行业、全产业链的清洁利用，换句话说就是要安全、绿色、高效开采，控制开发量，提高科学产能比例。”谢克昌说道。

　　从煤炭到页岩气，石化能源正在描绘着可持续发展的绿色蓝图。未来，石化行业的竞争，归根结底是创新技术和知识产权的竞争。以技术创新成果为主导，其相关发明技术专利蕴含着巨大的经济和市场价值。掌握这些核心技术的专利，不仅优化企业知识产权战略布局，增强企业技术核心竞争力，更为企业在行业竞争中获得新的优势。

　　4月5日新华社消息，我国首个页岩气田——涪陵页岩气田，全面实现复工达产。当前日产销气量分别为1871万立方米、1796万立方米，与去年同期相比均增长7.87%。今年以来，产销气量分别达15.9亿立方米、15.26亿立方米。

　　涪陵页岩气田是我国首个实现商业开发的大型页岩气田，是国家干线川气东送管道三大气源之一，也是中国石化“气化长江经济带”行动的重要资源基础，现已累计产气293.75亿立方米、累计销售281.97亿立方米。