美國頁巖革命深刻改變了世界能源格局。我國陸相頁巖與美國海相頁巖相比，先天稟賦不足，理論認識和技術創(chuàng)新難度更大。對此，我國石油地質和石油工程科研工作者不懈努力，在多個盆地取得了陸相頁巖油革命突破性進展。
近日，第二屆中國陸相頁巖油勘探開發(fā)關鍵技術與管理研討會在京舉行，會議由中國石油學會石油工程專業(yè)委員會和多資源協(xié)同陸相頁巖油綠色開采全國重點實驗室聯(lián)合主辦，兩院院士、業(yè)界專家、企業(yè)代表、高校學者深入交流探討我國陸相頁巖油在基礎地質理論、勘探開發(fā)技術創(chuàng)新等領域取得的突破性進展。
中國工程院院士，中國石化總工程師、首席科學家孫煥泉說，以渤海灣盆地濟陽坳陷、蘇北盆地等為代表的中國陸相斷陷盆地頁巖油資源量207億噸，具有構造復雜、巖相多樣、成熟度低的典型特點，給頁巖油開發(fā)帶來巨大挑戰(zhàn)。
構造復雜導致斷層發(fā)育。陸相斷陷盆地經歷多期次強構造運動，形成復雜斷裂系統(tǒng)。如濟陽坳陷的博興洼陷，斷層發(fā)育區(qū)面積超3/4、斷塊間距在500~900米；蘇北盆地不同級別斷層將阜二段切割、錯斷形成若干長條形復雜斷塊，斷塊平均長8000米、寬1000米。
巖相多樣導致非均質性強。陸相斷陷盆地頁巖油受古鹽度、古水深、古物源等因素影響，盆地不同部位頁巖有機質含量、層理結構、礦物組合等存在差異，具有巖相類型多樣、非均質性強的特點。濟陽坳陷就發(fā)育富碳酸鹽礦物類、混合礦物類、富黏土礦物類和富長英礦物類4類16種巖相，蘇北盆地也發(fā)育3類6種巖相。
成熟度低導致原油流動性差。陸相斷陷盆地頁巖油以新生代地層為主，埋藏時間短、成熟度相對較低。濟陽、蘇北的頁巖油Ro（鏡質體反射率，反映有機質的成熟度）整體在0.5%~1.4%，Ro小于0.9%的儲量占90%，導致原油性質差。
對此，陸相斷陷盆地頁巖油開發(fā)堅持“耦合‘甜點’描述是基礎、縫網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化是關鍵、工程提速提效是保障”，實現(xiàn)頁巖油儲量動用率、采收率、收益率最大化。
儲層精細描述是基礎。研發(fā)的頁巖儲層精細描述與建模技術，實現(xiàn)了地質與工程“甜點”的精細描述和全要素一體化建模，為頁巖油立體開發(fā)提供支撐。陸相頁巖厚度大，普遍在200~500米，局部厚達千米，層間非均質性強，需要在縱向上細分開發(fā)，關鍵是以“甜點”控制為目標，優(yōu)化布井方式、合理井距、層距，構建立體開發(fā)井網(wǎng)。
井網(wǎng)井型的優(yōu)選是實現(xiàn)儲量有效控制的保障。在構造穩(wěn)定區(qū)通過多層樓水平井立體開發(fā)，可以實現(xiàn)儲量有效動用。民豐洼陷部署7層樓水平井立體井網(wǎng)，井組儲量控制程度達到80%以上，預測單井EUR（評估的最終可采儲量）平均5.3萬噸。蘇北盆地斷裂復雜區(qū)斷層復雜、斷塊小，水平井布井受限，在斷層間部署直斜井，實現(xiàn)斷塊內資源有效動用。
開發(fā)層系的有效劃分是立體井網(wǎng)部署的基礎。結合有利巖相組合及非均質性研究，蘇北盆地高郵凹陷劃分5套開發(fā)層系，不同層系厚度35~55米；根據(jù)不同洼陷“甜點”發(fā)育狀況，濟陽坳陷博興、牛莊、民豐洼陷按照45~60米厚度劃分了3、5、7套開發(fā)層系。
合理的井距是立體井網(wǎng)部署的關鍵。立體開發(fā)井距、井網(wǎng)要最大程度減少井間和層間的負向干擾，達到“通而不竄”，實現(xiàn)儲量動用最大化。室內研究和礦場實踐表明：井距略大于兩倍半縫長能有效防止井間干擾，同時保證井組單井EUR最大。目前認識的350~400 米井距基本合理。
合理的生產制度可實現(xiàn)單井EUR最大化。頁巖儲層壓后縫網(wǎng)具有極強的應力敏感特征，控壓生產能夠有效提高單井EUR。建立以初期快排降水、穩(wěn)定期合理控壓為核心的全周期生產調控模式，可長周期保持裂縫有效導流能力，有序釋放儲層能量。通過控制油嘴精細壓力可提高彈性產率，單井EUR在4萬~6萬噸，預期提高16%以上。
陸相斷陷盆地頁巖油地層溫度均超過150攝氏度，最高超過200攝氏度，儀器易高溫失效；斷層裂縫發(fā)育導致壓力系統(tǒng)復雜，安全密度窗口窄。對此，濟陽頁巖油鉆井技術歷經“技術探索、創(chuàng)新攻關、集成提升”三次迭代，形成以“三開結構＋合成基鉆井液＋精細控壓鉆井＋抗高溫旋導＋地面降溫”為主的優(yōu)快鉆井技術體系，實現(xiàn)了從“打得成”到“打得快”再到“打得好”。多個區(qū)塊鉆井周期縮短至30天以內，民豐洼陷首次實現(xiàn)“1+1+1”模式（三個開次各一趟鉆），鉆井周期最短24.46天（垂深3885米、水平段長2013米）。
陸相斷陷盆地頁巖油壓裂面臨三大難題：儲層埋藏深，破裂壓力高；兩向應力差大，裂縫擴展不均勻；天然裂縫發(fā)育，局部應力集中，易套變套損。通過強化頁巖油壓裂技術攻關，形成從組合縫網(wǎng)、密切割壓裂到極限限流密切割壓裂的技術迭代，SRV（改造體積）不斷提升、單井EUR持續(xù)提高，實現(xiàn)從“壓得開”到“壓得好”再到“壓得優(yōu)”。目前，壓裂簇間距由10~15米降為4~7米，同等規(guī)模SRV提高15%以上；牛頁一區(qū)百段套變段數(shù)由8段降至0.8段，基本解決套變問題。
陸相斷陷盆地頁巖油生產具有“早、快、高、穩(wěn)”的特征：見油早，1~10天即見油；含水下降快，呈L形下降，一兩個月后含水穩(wěn)定；峰值產量高，峰值單井日產油36~263噸，預測單井EUR在3萬~6萬噸；產量穩(wěn)，穩(wěn)定后含水遞減率在20%以下。
中國石化以儲量動用、產能、經濟效益最大化為目標，立足國家級示范區(qū)建設，加大不同類型頁巖油評價試驗力度，實現(xiàn)了從3層樓到5層樓再到7層樓的立體開發(fā)。樊頁平1井組3層樓先導試驗取得突破，牛頁一區(qū)5層樓大平臺開發(fā)試驗取得重要進展，民豐洼陷坡梁洼7層樓整體評價正在實施。
來自勝利油田的專家介紹，濟陽坳陷古近紀早期氣候由半干旱向濕潤轉變，發(fā)育了咸湖、半咸湖沉積環(huán)境下的多套富有機質頁巖，主要層位為沙三下、沙四上純上，是我國陸相頁巖油的典型代表。
濟陽頁巖油發(fā)育緩坡斷裂帶復雜斷塊型、洼陷穩(wěn)定帶基質型、陡坡深陷帶巨厚型三種類型頁巖油，具有演化程度低、埋藏深、厚度大、高溫高壓，構造復雜、巖相復雜、流體性質復雜的特征，要實現(xiàn)規(guī)模效益開發(fā)，面臨三大關鍵問題：頁巖以微納米孔隙為主，孔隙度非常低，油儲集在哪里？頁巖滲透率極低，怎么提高有效滲流能力，流動路徑是什么？地層原始壓力高，壓裂又進一步增壓，能量如何高效利用？
勝利油田基于萬米巖芯、15萬塊次分析化驗，深入開展孔隙結構、賦存特征、滲流機理等基礎研究，形成了濟陽頁巖油“儲-縫-壓”三元儲滲理論認識：雙儲，即孔隙-天然縫組合，控制儲集空間富集規(guī)律；雙縫，即支撐縫與水力縫匹配，控制流動空間高滲路徑；雙壓，即增壓保壓協(xié)同，控制能量空間高效利用。
無機孔-縫組成“雙儲”空間，其中，紋層狀頁巖微裂縫發(fā)育，提高了納米級孔隙的連通性，連通孔隙占比在60%~80%，較層狀頁巖高30%~40%。“雙儲”具有全孔徑含油、大孔富油、小孔含水的賦存特征，濟陽頁巖油賦存在多種微觀孔-縫中，主要有游離態(tài)、吸附態(tài)兩種狀態(tài)，游離態(tài)主要賦存在孔徑較大的微觀孔隙和微裂縫中，吸附態(tài)則呈油膜狀包裹在礦物表面。濟陽頁巖主要發(fā)育“網(wǎng)狀孔-縫、王字孔-縫、單向孔-縫”多種“雙儲”組合模式，其中“三孔四縫”模式的混積頁巖最利于富集。
支撐縫和水力縫組成“雙縫”系統(tǒng)，控制三區(qū)滲流模式：支撐縫導流能力強，控制有效泄油半徑，形成易流區(qū)；開啟的天然裂縫控制極限泄油半徑，形成緩流區(qū)；縫網(wǎng)之外形成滯流區(qū)。易流區(qū)供液，產量貢獻率占70%以上；緩流區(qū)蓄能，能量占比40%左右。易流區(qū)、緩流區(qū)共同作用促進了油井的高產穩(wěn)產。因此，大液大砂強化儲層改造，增加易流區(qū)和緩流區(qū)面積，可有效提高產能；對直斜井進行大規(guī)模強化改造，由壓長縫變壓縫網(wǎng)，可取得近似水平井的效果。
保壓是增壓的前提，高壓增能可減敏促吸，保壓增壓“雙壓”協(xié)同可提高產量。頁巖儲層保壓性主要受砂體、斷層和天然裂縫影響。高壓可增加彈性驅動和滲吸置換作用。在彈性釋放階段，生產壓差過小，能量會過多擴散到滯流區(qū)，利用率降低；生產壓差過大，壓敏導致裂縫導流能力下降，易流區(qū)范圍減小。生產壓差放大后，地層壓力明顯降低，能量損失不可逆；采用精細控壓方式能有效減緩壓降速度，高效利用能量，提高EUR。
勝利油田以三元儲滲理論為指導，圍繞立體空間最大程度控制儲量、改造儲層、提高產能，形成以“甜點”地質綜合評價技術、立體井網(wǎng)優(yōu)化設計技術、能場耦合優(yōu)化調控技術、立體井組Tank實施優(yōu)化技術等為核心的開發(fā)優(yōu)化關鍵技術體系，展現(xiàn)了良好前景。
大慶油田首席專家崔寶文介紹，松遼盆地大慶古龍頁巖油是典型的純頁巖型頁巖油，也是世界上最具挑戰(zhàn)、開發(fā)難度最大的頁巖油：黏土礦物含量超過35%，國外一般小于10%、國內一般小于15%，導致資源確定難；孔隙普遍小于30納米，孔喉一般在4~7納米，導致油氣流動難。電鏡掃描每米頁理在1萬條以上，導致人工裂縫縱向受限；脆性低，巖石軟，硬度小，導致壓裂改造難。
對此，大慶古龍頁巖油開發(fā)取得四項突破性理論認識。
一是揭示高黏土加氫生烴新機制，擴大了生油窗口，增加了輕烴產率。模擬實驗表明，黏土礦物對有機質轉化具有抑制作用，可增加產物數(shù)量；黏土層間水具有加氫作用，可增加輕烴產率。新的生烴模式，揭示生成油氣總量增加1倍，油層深度向下拓展300米，Ro從1.3%拓展到1.6%。
二是發(fā)現(xiàn)有機黏土復合體參與的成孔機制，揭示孔縫受有機質含量和成熟階段控制。除無機孔縫外，新發(fā)現(xiàn)有機黏土復合體生烴收縮，形成很多縫狀、海綿狀、網(wǎng)狀有機孔縫，是重要儲集空間。
三是揭示古龍頁巖油自封閉力學成藏機制，證明是連續(xù)體式油藏。傳統(tǒng)觀點認為，夾層型、混積型頁巖油均有微運移，一般最小含油喉道半徑大于20納米。新研究發(fā)現(xiàn)，古龍頁巖全孔徑含油，含油空間不受孔隙大小限制，每個含油孔隙是一個獨立儲油單元。
四是揭示多相態(tài)多尺度納米空間油藏開發(fā)機理，明確頁理縫是主要的輸運通道。傳統(tǒng)觀點認為，常規(guī)油藏及其他頁巖油以微米級孔喉為主，烴類體系在地下以氣相或液相分異存在。新研究認為，隨成熟度增加，由黑油向油氣兩相過渡，油氣兩相區(qū)150納米以下孔徑存在限域效應；基質孔、頁理縫啟動壓力梯度不同，頁理縫滲流貢獻在80%以上。因此，保證頁理縫壓力穩(wěn)定、保持滲流通道能力，是穩(wěn)產的關鍵。
基于新的認識，明確現(xiàn)階段單井壓裂規(guī)模為7.5萬立方米壓裂液，與之匹配的適宜井距是500米、層系縱向間距20米以上，先導試驗采用立體交錯“W”形井網(wǎng)開發(fā)，技術可行；明確Q9油層最優(yōu)靶層；形成多類型天然裂縫改造針對性措施；明確古龍壓裂主體工藝參數(shù)為50%滑溜水、85%中大粒徑支撐、段內少簇、25孔坡度極限限流射孔；明確控壓生產工作制度，成功實現(xiàn)效益開發(fā)，產量從2021的1.51萬噸增至2023年的17.12萬噸，2024年計劃產油39萬噸。
夾層型頁巖油：率先實現(xiàn)規(guī)模效益升發(fā)
長慶油田副總經理牛小兵介紹，在陸相淡水湖盆頁巖油成藏理論指導下，長慶油田通過一體化攻關，探明了我國首個10億噸頁巖油整裝大油田，建成了國內首個百萬噸級頁巖油開發(fā)示范區(qū)，2023年產量270萬噸，實現(xiàn)了夾層型頁巖油規(guī)模效益開發(fā)。“十三五”資源評價鄂爾多斯盆地夾層型頁巖油資源量為40.5億噸，已提交三級儲量18.15億噸，其中探明儲量12.56億噸。
此外，紋層型頁巖油取得了戰(zhàn)略性突破，嶺頁1H井試獲日產油116.8噸，累計產油超萬噸，2022年提交預測儲量2.05億噸，預計資源潛力20億噸。泥紋型頁巖油攻關試驗穩(wěn)步推進，優(yōu)選中低熟頁巖油開展“水平井+電加熱”原位轉化先導試驗，優(yōu)選中高熟頁巖油開展“水平井+體積壓裂”試驗攻關。
地質認識方面，多因素控制長7期形成具有紋層結構的沉積復合體，每米沉積紋層在1500~2000條；頁巖層系成巖作用強，不同紋層微納米級孔喉發(fā)育，長英質紋層孔隙半徑1~5微米，黏土紋層孔隙半徑20~120納米，頁巖層系孔隙度在2%~10%，整體具有儲集性，且脆性礦物含量高，頁巖層系可壓性好；有機質紋層與長英質紋層間存在烴類滯留-微運聚，為滯留+微運移復合成藏，頁巖層系整體含油性好。
技術創(chuàng)新方面，全面應用三維地震、精細測井、地質建模、空間地質品質評價技術，形成地質建模→壓裂設計→現(xiàn)場實施與方案調整→壓后評估深度融合一體化工作流程，推進體積壓裂2.0迭代升級，三維“甜點”判識及精準壓裂水平不斷提升。
還在低壓低氣油比區(qū)塊開展二氧化碳增能體積壓裂試驗，15口井井均注入二氧化碳3320立方米，比井初期日產油提高2.6噸，半年累計產油提高280噸。
技術優(yōu)化方面，立體式布井模式提高了儲量動用程度。按照效益優(yōu)先、多油層一次井網(wǎng)充分動用、單井控制儲量最大化等原則，針對單油層、多油層疊置、注水疊合區(qū)、儲量受限及靶前區(qū)儲量，創(chuàng)建了4種布井模式，儲量動用程度從50%大幅提高至85%。在儲量受限區(qū)合H9、合H60平臺，開展扇形井網(wǎng)開發(fā)試驗，采用“變井距+變角度”分區(qū)精準改造，證實在平臺受限背景下具備開發(fā)潛力。
隨著地質理論創(chuàng)新、工程技術進步，長慶頁巖油仍具有較大增儲空間，資源量有望突破100億噸，其中夾層型可新增9.5億噸，紋層型、泥紋型可新增59億噸。
油氣
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