中國頁巖油勘探開發(fā)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及前景

付　茜（中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京　100083）

中國頁巖油勘探開發(fā)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及前景

付茜
（中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083）

頁巖油是以頁巖為主的頁巖層系中所含的原地滯留油氣資源，圈閉界限不明顯，無法形成自然工業(yè)產(chǎn)能。隨著水平井和分段壓裂技術(shù)水平及開發(fā)能力的提高，頁巖油成為最有可能成為替代石油天然氣的能源已是各國的共識。中國陸相頁巖頁理發(fā)育，含有豐富的頁巖油資源，但對頁巖油研究起步晚。以頁巖油發(fā)展規(guī)劃為思路，介紹了中國頁巖油勘探開發(fā)、技術(shù)與裝備現(xiàn)狀，分析了發(fā)展頁巖油面臨的挑戰(zhàn)。

中國；頁巖油；勘探開發(fā)；綜述；現(xiàn)狀；挑戰(zhàn)；前景

頁巖油是以頁巖為主的頁巖層系中所含的原地滯留油氣資源，圈閉界限不明顯，無法形成自然工業(yè)產(chǎn)能。包括泥頁巖孔隙和裂縫中的石油，也包括泥頁巖層系中的致密碳酸巖或碎屑巖鄰層和夾層中的石油資源。直井縫網(wǎng)壓裂、水平井體積壓裂、二氧化碳驅(qū)、空氣驅(qū)、氮氣驅(qū)、納米二氧化鋅驅(qū)等形成“人造滲透率”是有效開發(fā)頁巖油方式［1］。

隨著技術(shù)水平及開發(fā)能力的提高，頁巖油成為最有可能替代石油天然氣的能源已是各國的共識。早在2011年4月中國工程院14名院士建議國家重視非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)，增強國家能源保障能力［2］；2012年1月3日中國石油化工集團宣布以22億美元價格收購德文公司在美國內(nèi)布拉斯加奈厄布拉勒、密西西比、尤蒂卡俄亥俄、尤蒂卡密歇根和塔斯卡盧薩5個頁巖油氣資產(chǎn)權(quán)益的三分之一，呼喚廉價石油時代回歸［3］；2013年10月30日，中國石油與殼牌頁巖油聯(lián)合開發(fā)中心在中國石油勘探開發(fā)研究院揭牌［4］，聯(lián)合研發(fā)項目團隊將以“常規(guī)人，非常規(guī)思想”為指導(dǎo)，分別在中國和美國兩地開展“顛覆性創(chuàng)新”聯(lián)合研發(fā)；2015年1月30日，作為國家能源局批復(fù)建設(shè)的重要創(chuàng)新平臺之一，由賈承造、朱日祥、馬永生等9位院士和14位油氣領(lǐng)域?qū)W者組成的國家能源頁巖油研發(fā)中心正式成立并落戶中國石化［5］；2個關(guān)于頁巖油形成、富集機理與富集、分布規(guī)律的國家973計劃已獲國家科技部批準(zhǔn)［6］。

頁巖油與頁巖氣一樣儲集頁巖中，但分布地區(qū)不同；雖然頁巖油的密度、黏度比頁巖氣高，但基本上可用相同技術(shù)開采。隨著技術(shù)不斷革新，頁巖油的探礦、開發(fā)成本很可能進一步降低。世界各國不約而同地加快了頁巖油氣開發(fā)的步伐，中國、美國、日本等國家均把頁巖油的開發(fā)作為國家重要的能源戰(zhàn)略，加大勘探開采力度，出臺最優(yōu)惠政策，世界頁巖油開始步入大開發(fā)時代。中國在“甜點”評價區(qū)的頁巖基質(zhì)地層發(fā)現(xiàn)有石油滯留的納米級孔隙［7］，表明了具有頁巖油的資源潛力，開發(fā)技術(shù)的突破將成為未來頁巖油發(fā)展的支撐。

1　中國頁巖油分布情況

海相、海陸交互相以及陸相頁巖和泥巖是含油氣盆地中的優(yōu)質(zhì)泥質(zhì)烴源巖，即中國3類富有機質(zhì)頁巖［8］。其中，海相頁巖多為硅質(zhì)頁巖、黑色頁巖、鈣質(zhì)頁巖和砂質(zhì)頁巖，風(fēng)化后呈薄片狀，頁理發(fā)育，分布在揚子地區(qū)古生界、華北地區(qū)元古界—古生界、塔里木盆地寒武系—奧陶系等；海陸交互相多為砂質(zhì)頁巖和炭質(zhì)頁巖，分布在鄂爾多斯盆地石炭系本溪組、下二疊統(tǒng)山西組—太原組、準(zhǔn)噶爾盆地石炭—二疊系、塔里木盆地石炭—二疊系、華北地區(qū)石炭—二疊系、中國南方地區(qū)二疊系龍?zhí)督M等；陸相頁巖頁理發(fā)育，分布在松遼盆地白堊系、渤海灣盆地古近系、鄂爾多斯盆地三疊系、四川盆地三疊系-侏羅系、準(zhǔn)噶爾盆地-吐哈盆地侏羅系、塔里木盆地三疊系-侏羅系、柴達木盆地第三系等。

胡文瑞院士指出［9］，中國的頁巖油資源潛力巨大；2013年EIA預(yù)測中國有320億桶（1桶=0.14 t）的頁巖油資源［10］。

中國石油頁巖油資源主要集中在吉林、大慶和西北3個地區(qū)。中國石化頁巖油資源［11］主要分布于東部斷陷盆地古近系、東北地區(qū)白堊系和鄂爾多斯盆地三疊系等陸相層系，可供勘探的礦權(quán)區(qū)塊有41個，面積為11.76×104km2。

陸相含油氣湖相頁巖廣泛發(fā)育頁巖油、致密砂巖油與致密頁巖油。松遼、鄂爾多斯、四川等中新代坳陷盆地［12］及渤海灣新代斷陷沉積了厚層湖相富有機質(zhì)頁巖、砂巖與泥巖［13］。例如：松遼盆地嫩江組和青山組2套頁巖十分發(fā)育，嫩江組穩(wěn)定分布，中央坳陷區(qū)厚度超過250 m；青山組一段在中央坳陷區(qū)幾乎全部為黑色頁巖，厚度為60～80 m，Ⅰ-Ⅱ型干酪根，鏡質(zhì)體反射率R0= 0.9% ～1.8%；再如鄂爾多斯盆地主要為深湖相沉積的延長組7段，分布著平均厚度20～40 m、面積超過4×104km2的富有機質(zhì)頁巖，有機碳含量平均高達14%，Ⅰ-Ⅱ型干酪根，R0= 0.6% ～ 1.2%。

2　我國頁巖油勘探開發(fā)現(xiàn)狀

中國石油和中國石化在重視國內(nèi)油氣勘探開發(fā)，力保國內(nèi)油氣產(chǎn)量穩(wěn)定并盡可能爭取突破的同時，以頁巖油氣為突破口，向非常規(guī)油氣資源進軍，踐行差異化發(fā)展戰(zhàn)略，構(gòu)成了油氣勘探在新的歷史時期的資源路線圖。2011年以來，針對陸相頁巖油勘探開發(fā)面臨的科學(xué)問題與技術(shù)難點，相繼開展了23項科技攻關(guān)研究，已在頁巖油賦存機理與選區(qū)評價、地質(zhì)地球物理與目標(biāo)預(yù)測、優(yōu)快鉆井、儲層改造工藝、開發(fā)設(shè)計優(yōu)化等5個方面取得階段性成果，為進一步深入開展頁巖油勘探開發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。

2.1 中國石油頁巖油開發(fā)現(xiàn)狀

遼河油田的曙古165井在古近系泥頁巖段獲得了日產(chǎn)24 m3的工業(yè)油流［10，14］。在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，遼河西部凹陷砂三中亞段泥頁巖中含油率0.44% ～ 0.88%，遠大于含油率為0.18%頁巖油產(chǎn)油下限［15］。在松遼盆地K2qn1鉆探的哈14井、古平1井、英12井、哈18井等［16］，泥頁巖連續(xù)厚度6～30 m，有機質(zhì)豐度＞2%，0.5%＜R0＜1.2%，可采資源量為10.56×108t。

2012年4月中國石油集團與美國赫世公司（Hess）簽署新疆三塘湖盆地馬朗區(qū)塊合作協(xié)議，包括如何劃分勘探工作、勘探的時間和目標(biāo)等；在三塘湖盆地已鉆探35口井，其中一半探井發(fā)現(xiàn)有石油；加速我國頁巖油勘探開發(fā)工作；研究發(fā)現(xiàn)［17］，馬朗地區(qū)頁巖油富集的基本條件：R0為0.5% ～ 0.9%，源巖有機質(zhì)豐度以Ⅰ型和Ⅱ型為主；三塘湖項目合作的主要目的是引進國外在非常規(guī)油氣勘探開發(fā)方面的先進技術(shù)、生產(chǎn)方式和管理模式，快速高效開發(fā)三塘湖盆地頁巖油，并積累技術(shù)和經(jīng)驗。

2.2中國石化頁巖油開發(fā)現(xiàn)狀

傅成玉在談及頁巖油氣發(fā)展路線圖時指出［17］，頁巖油氣有可能成為中國石化非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的橋頭堡。2015年在國家能源頁巖油研發(fā)中心啟動會上，傅成玉表示，加快頁巖油研發(fā)工作，是國家在能源領(lǐng)域所做的重大部署。實現(xiàn)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，核心是靠技術(shù)創(chuàng)新和驅(qū)動。在頁巖油研發(fā)領(lǐng)域圍繞降低成本和提高采收率加強技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)有效益的技術(shù)突破。

自2010年開始，中國石化開展了東部斷陷盆地頁巖油氣老井復(fù)查復(fù)試和評價工作，并在多個凹陷古近系泥頁巖段發(fā)現(xiàn)了豐富的油氣顯示，結(jié)合不同地區(qū)泥頁巖基礎(chǔ)地質(zhì)條件和工程的可實施性，將東部陸相盆地泥頁巖勘探集中在河南泌陽凹陷和山東濟陽坳陷［11］。

2.2.1泌陽凹陷安深1井在泌陽凹陷深凹區(qū)多口老井復(fù)查發(fā)現(xiàn)頁巖均見連續(xù)氣測顯示。2010年部署了安深1井。該井既是一口風(fēng)險探井，又是一口兼探頁巖油氣的預(yù)探井，2010年8月28日完鉆，完鉆井深3 510 m，9月18日完井，在古近系核桃園組二段—核三上段共發(fā)現(xiàn)頁巖89層670 m，巖性主要為灰色、深灰色頁巖，多套泥頁巖見明顯氣測異常［18］。2011年1月23日對安深1井頁巖井段進行大型壓裂施工，設(shè)計總液量為1 400.8 m3，其中滑溜水450 m3，交聯(lián)液950.8 m3，總砂量195.2 t，100目粉陶15.8 t，30/50目陶粒179.4 t。施工歷時171 min，施工排量達10 m3/min，實際入井液量為1 361.9 m3，加砂總量為200.74 t，3月7日獲得最高日產(chǎn)油4.68 m3。為建立中石化陸相頁巖油氣勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗區(qū)及會戰(zhàn)區(qū)奠定了基礎(chǔ)。

2.2.2泌陽凹陷泌頁HF1井該井于2011年4月23日開鉆，2011年11月16日完鉆，完鉆井深3 722 m，側(cè)鉆點1 903 m，水平段長1 044 m。平均井徑擴大率3%，儲層鉆遇率100 %，井眼軌跡光滑，達到了工程設(shè)計要求［19］。12月8日完井，完井井深3 722 m；采用鉆橋塞完井方案（包括：鉆塞施工泵壓的確定、鉆塞施工鉆壓的確定、鉆塞施工時液體的選擇、鉆橋塞工具組合）及鉆塞施工的詳細步驟［11］。通過選擇帶壓施工裝置，配套鉆橋塞工具，設(shè)定施工參數(shù)，歷時4 d，僅用1只鉆頭就完成了在1 042 m水平段鉆橋塞14個，沖砂鉆進達170.93 m，開創(chuàng)了非常規(guī)鉆橋塞的新記錄。

2011年12月27日—2012年1月8日，歷時13 d完成了15級壓裂，施工壓力46.5 ～ 65.7 MPa。2012年1月9日開始放噴排液， 1月19日—22日用?8 mm油嘴放噴，日產(chǎn)油23.6 m3、天然氣900 m3。頁巖油密度0.863 9 g/cm3，黏度13.6 mPa·s（70 ℃）。至2012年6月5日累計排出壓裂液8 596 m3，返排率38.8%，累計產(chǎn)油589 m3，天然氣12 963 m3。試采近2個月，泌頁HF1井頁巖油日產(chǎn)量穩(wěn)定在10 ～ 15 m3，進一步證實泌陽凹陷陸相頁巖油具有良好的勘探開發(fā)前景。由于地質(zhì)條件復(fù)雜、工藝要求高、施工難度大，壓裂施工多項參數(shù)創(chuàng)中國石化集團乃至全國紀(jì)錄，壓裂段位在國內(nèi)陸相頁巖油水平井同類壓裂施工中為最高，為油田非常規(guī)勘探開發(fā)提供了強有力的技術(shù)支撐［20］。此次大型分段壓裂喜獲工業(yè)油流，是河南油田非常規(guī)勘探領(lǐng)域取得的又一新突破。

2.2.3濟陽坳陷濟陽坳陷320余口探井在泥頁巖中見油氣顯示，其中30余口井獲工業(yè)油氣流，表明具備頁巖油氣勘探能力。1973年在東營中央隆起帶鉆探河54井，沙三下亞三段2 928～2 964.4 m泥頁巖段中途測試，?5 mm油嘴放噴，日產(chǎn)油91.4 t。

2011年對羅69井進行了221 m泥頁巖系統(tǒng)密閉取心，12 000余次的化驗分析，開展了烴源巖和儲集性能評價以及地球物理預(yù)測方面頁巖油氣的基礎(chǔ)地質(zhì)研究工作。在引進國外頁巖氣研究理論、技術(shù)方法的同時，結(jié)合陸相頁巖的實際，提出了有利目標(biāo)區(qū)。在此研究基礎(chǔ)上部署了渤頁平1井。

渤頁平1井是勝利油田首口頁巖油探井，于2011年12月12日順利完鉆，完鉆層位沙三下，完鉆井深4 335 m，水平井段559 m。技術(shù)人員分析該井第1段壓后效果不理想的原因，從地質(zhì)、鉆井、工藝等方面進行了論證，最終決定采用光套管、大排量、高砂比實施縫網(wǎng)壓裂的新方法進行渤頁平1井第2段大型壓裂施工。累計加入液量1 218 m3，累計加砂量100 t，最高砂比50%，平均砂比20.6%。，累計放噴出液76 m3，渤頁平1井壓裂的成功，創(chuàng)造了勝利油田壓裂施工排量最大、水平井單級加砂規(guī)模最大2個新記錄。

2.3中國開發(fā)頁巖油技術(shù)與裝備現(xiàn)狀

（1）優(yōu)快鉆井技術(shù)系列。形成了三開完井的設(shè)計模式，以及空氣鉆、泡沫鉆、清水鉆、PDC螺桿復(fù)合鉆、國產(chǎn)油基鉆井液+PDC水平段一趟鉆的鉆井技術(shù)系列，滿足頁巖油開發(fā)的要求。2013年平均鉆完井工期95 d，最短73 d。

（2）水平井分段壓裂工藝配套技術(shù)。采用大液量、高排量、低砂比，組合加砂、混合壓裂模式，實現(xiàn)長水平段可鉆式橋塞多級體積壓裂。

（3）探索實施了井工廠化作業(yè)模式。按照井工廠化作業(yè)模式，形成1個平臺3～4口井的鉆前、鉆井、完井、壓裂等標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，試驗了鉆井、壓裂、生產(chǎn)的交叉化作業(yè)模式。

（4）實現(xiàn)頁巖油勘探開發(fā)大型壓裂成套裝備的關(guān)鍵技術(shù)突破。經(jīng)過5年艱苦攻關(guān)，2013年3月，中國石化研制成功首臺3000型壓裂車，突破了大型壓裂成套裝備的壓裂泵車、混砂車、壓裂管匯車研發(fā)技術(shù)及壓裂儀器車數(shù)字化控制技術(shù)，構(gòu)建了壓裂作業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析平臺，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)自動控制，能適應(yīng)中國特殊道路狀況，滿足油氣井的高壓、大功率施工作業(yè)要求，有效代替了性價比不高、配件受制約的進口產(chǎn)品，為油氣田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)以及非常規(guī)油氣資源的開發(fā)利用提供了有力武器［21］。研發(fā)的裸眼封隔器、橋塞等井下壓裂工具實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。

3　中國頁巖油開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

“原位滯留聚集或原位成藏”的頁巖油儲層具有微-納米級孔喉、粒度小、非均質(zhì)性強的特點。現(xiàn)有的理論與技術(shù)已無法有效支撐頁巖油進一步擴大勘探成果。制約中國頁巖油工業(yè)化發(fā)展的技術(shù)瓶頸主要包括以下方面。

3.1沉積環(huán)境與分布模式

國內(nèi)外的學(xué)者普遍認為［7，22-23］，頁巖是指巖石粒級小于62.5 μm的顆粒含量大于50%的“細粒沉積巖”，并初步建立了水體分層、海侵、門檻、洋流上涌等沉積模式［24-25］，但國內(nèi)的學(xué)者側(cè)重于巖石礦物學(xué)的研究上。因此，建立“細粒沉積學(xué)”研究細粒沉積物的物化性質(zhì)、沉積作用、沉積過程，為明確細粒致密儲集層、富有機質(zhì)頁巖分布預(yù)測、有利沉積相帶和富集區(qū)優(yōu)選提供基礎(chǔ)依據(jù)，已成為必然趨勢。

3.2頁巖油儲層微觀成分和結(jié)構(gòu)的評價與表征

如何評價細粒頁巖儲集層基本特征、儲集層的性能？如何精細表征微-納米級孔喉？解決這些問題需要國內(nèi)地質(zhì)學(xué)家要將以實驗觀察描述為主的研究思路，轉(zhuǎn)變到開展儲集層建模方法、參數(shù)分布特征等研究上來，才能為準(zhǔn)確評價頁巖油儲集層提供重要的理論論據(jù)。

3.3頁巖油層地球物理測井遇到挑戰(zhàn)

趙政璋等［26］提出的“七性關(guān)系”頁巖油測井評價方法，使頁巖油測井評價進入定性到半定量階段，但因頁巖油層地球物理響應(yīng)差異小，造成油層識別、有效儲集層的劃分、參數(shù)的識別、展布預(yù)測等遇到了測井評價的挑戰(zhàn)。

3.4頁巖油富集規(guī)律和資源潛力

常規(guī)油氣的成藏理論與評價方法，面對頁巖油藏已無能為力，致使頁巖油的滯留聚集量及賦存狀態(tài)不清。需要建立不同類型的頁巖油藏地質(zhì)預(yù)測評價方法，開展大尺度頁巖油分布物理與數(shù)值模擬，揭示地層條件下頁巖油的分布與富集規(guī)律等；評價優(yōu)選頁巖油富集區(qū)與重點勘探區(qū)；同時，重視技術(shù)可采資源量與儲量的計算［27］。

3.5頁巖油的可流動性

具有致密、低孔、低滲特征的頁巖油，常用的熱解參數(shù)、氯仿瀝青“A”不能獨立作為評價頁巖油含油率的參數(shù)［10］。開發(fā)過程中不僅要評價層系中殘余油的含量，而且更要評價多少具有可流動性，但國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究仍處于探索階段。

3.6頁巖油工業(yè)化開采的技術(shù)瓶頸

中國頁巖油氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)如水平井分段壓裂主要引進國外的技術(shù)、工具、材料及配套設(shè)備。雖然近年來在某些方面已取得突破，但還處于現(xiàn)場試驗階段，尚未形成有效、成熟的關(guān)鍵技術(shù)，制約了頁巖油氣的快速發(fā)展。例如：最優(yōu)的壓裂程序是什么？最優(yōu)的井筒結(jié)構(gòu)是什么？最優(yōu)的完井級數(shù)是什么？一級完井最佳長度是多少？每級應(yīng)有幾簇射孔炮眼？相鄰兩簇射孔段之間間距多少最佳？最佳的壓裂液是什么？每級注入多少支撐劑最佳？每級注入多少液量最佳？

在開發(fā)模式上借鑒國外成熟的技術(shù)，如頁巖原位加熱改質(zhì)技術(shù)、納米二氧化鋅驅(qū)油技術(shù)、氮氣驅(qū)油技術(shù)等。頁巖油的低成本工業(yè)化開采，對石油工業(yè)將產(chǎn)生里程碑式的影響。

4　中國頁巖油開發(fā)前景

近幾年中國學(xué)者創(chuàng)新發(fā)展了連續(xù)油氣聚集的概念，明晰了連續(xù)油氣聚集（頁巖油氣）在儲集層特征、源儲配置、聚集特征、滲流機理、分布特征等與傳統(tǒng)意義常規(guī)圈閉存在明顯的差別［28-32］。連續(xù)油氣聚集主要是滯留在烴源巖內(nèi)，或經(jīng)一次運移或近源短距離二次運移，在盆地中心、斜坡等大面積非常規(guī)儲集層中準(zhǔn)連續(xù)或連續(xù)分布的油氣聚集，無明顯圈閉與蓋層界限，流體分異差，無統(tǒng)一油氣水界面和壓力系統(tǒng)，含油氣飽和度差異大，單井無自然工業(yè)產(chǎn)能。

中國石化在頁巖油方面，近期將重點開展沾化、東營、泌陽等凹陷的勘探評價和開發(fā)試驗。到2015年力爭實現(xiàn)頁巖油勘探及開發(fā)試驗的突破，形成2～3個規(guī)模建產(chǎn)陣地，有望形成40×104t頁巖油產(chǎn)能陣地。到2020年在濟陽坳陷、南襄盆地等地區(qū)實現(xiàn)整體規(guī)模。

中國石油學(xué)會經(jīng)濟委員會委員、中國能源研究會常務(wù)理事施國泉認為，“后石油時代，頁巖油是很現(xiàn)實的替代能源”。并建議中國重視頁巖油開發(fā)，加大扶持力度。 “過去由于技術(shù)不行，生產(chǎn)過程污染環(huán)境，這一行業(yè)發(fā)展受到限制，但現(xiàn)在技術(shù)上已經(jīng)有了很大的改進，特別是國外有的技術(shù)已經(jīng)非常先進，基本不存在污染，這為頁巖油的大規(guī)模生產(chǎn)提供了必要的技術(shù)保障。

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〔編輯付麗霞〕

The status, challenge and prospect of shale oil exploration and development in China

FU Qian
（College of Geosciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China）

Shale oil is in situ trapped oil/gas resource in shale series which mainly composed of shale, but its trap boundary is not distinct and cannot form its own natural industrial productivity. With the improvement in horizontal well and staged fracturing technologies and development capabilities, it has become the consensus among the counties in the world that shale oil will most likely be the energy source, which will replace oil and natural gas. The continental shale in China has developed lamellation, containing rich shale oil resource, but China’s research on shale oil started late. In line with the concept of shale oil development planning, presents the status of China’s shale oil exploration and development, technologies and equipment and analyzes the challenges in shale oil development.

China; shale oil; exploration and development; review; status; challenge; prospect

TE32

A

1000 – 7393（ 2015 ） 04 – 0058 – 05

10.13639/j.odpt.2015.04.016

付茜，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地質(zhì)工程專業(yè)在讀碩士研究生。電話：13126725980。E-mail：1084202520@qq.com。

2015-03-10）

引用格式：付茜. 中國頁巖油勘探開發(fā)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及前景［J］.石油鉆采工藝，2015，37（3）：58-62.