致密油地質(zhì)特征及開發(fā)特性研究

焦 姣，楊金華，田洪亮

(中國石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100724)

近年來，發(fā)生在美國的非常規(guī)油氣革命轟動(dòng)全球，頁巖氣成為非常規(guī)天然氣發(fā)展的熱點(diǎn)方向，致密油成為非常規(guī)石油發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，它們?yōu)槊绹鴮?shí)現(xiàn)真正的能源獨(dú)立奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也因此成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)［1］，美國頁巖氣、致密油成功的勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)及理論等成為其他國家借鑒的典范。本文僅選取致密油予以論述。

1 致密油含義

美國能源部及加拿大非常規(guī)資源協(xié)會(huì)(CSUR)認(rèn)為致密油是覆壓滲透率在0.1mD以下的砂巖、石灰?guī)r等地層內(nèi)的輕質(zhì)原油 (圖1)。目前，從美國和加拿大的實(shí)踐看，致密油泛指賦存于致密巖層 (如致密砂巖、碳酸鹽巖和頁巖等)中的輕質(zhì)原油，由于儲(chǔ)層滲透率極低，需要借助水平井大型分段壓裂等先進(jìn)技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采。

根據(jù)美國國家石油委員會(huì)和加拿大國家能源委員會(huì)的最新資料，目前致密油大致分為四大類:

一是位于巨厚生油巖層內(nèi)部的近源粉砂巖、碳酸鹽巖儲(chǔ)集層內(nèi)的致密油層;

二是直接位于生油巖層內(nèi)，即所謂的“自生自儲(chǔ)型”致密油層;

三是石油排出生油巖層后，直接聚集在與生油巖直接接觸的上覆或下伏致密巖層，或運(yùn)移一定距離后形成的致密油層;

四是位于常規(guī)油藏邊部或內(nèi)部、屬于有效儲(chǔ)層下限之外的致密油層。

圖1 致密油定義圖(CSUR)Fig.1 Definition of tight oil

2 油藏特征

致密油的形成不同于常規(guī)油氣，需要3個(gè)基本條件:①大面積分布的致密儲(chǔ)層;②廣覆式分布的腐泥型、較高成熟度的優(yōu)質(zhì)生油巖;③連續(xù)分布的致密儲(chǔ)層與生油巖緊密接觸的共生層系。它是生油巖生成的油氣除部分排出并運(yùn)移至常規(guī)砂巖或碳酸鹽巖等滲透性巖石中形成常規(guī)油氣藏外，大量 (高達(dá)總生烴量的50% 以上)在“原地”滯留、或經(jīng)過短距離運(yùn)移、一次運(yùn)移等，以游離烴和吸附烴的形式賦存于致密巖層的納米級孔隙或微裂縫中，形成可供商業(yè)開采原油［3］。生油條件一般要達(dá)到有機(jī)碳含量TOC大于1%，鏡質(zhì)組反射率Ro為0.6%～1.3%。納米級孔喉連通系統(tǒng)是致密油聚集的根本，超微觀儲(chǔ)集空間體系中強(qiáng)大的毛細(xì)管壓力限制了浮力在油氣聚集中的作用，使油氣在源儲(chǔ)壓差的作用下就近發(fā)生層狀、短距離運(yùn)移，最終實(shí)現(xiàn)油氣的聚集［4］。

致密油一般分布于凹陷或斜坡部位，構(gòu)造相對簡單的地方，油藏埋藏深度大致在1000～3500m之間。其儲(chǔ)層孔隙度小于10%、覆壓滲透率不大于0.1mD。儲(chǔ)層根據(jù)孔隙度與滲透率的分類可以分為3種類型:Ⅰ類儲(chǔ)層的孔隙度為7%～10%，覆壓滲透率小于0.1mD;Ⅱ類儲(chǔ)層的孔隙度為4%～7%，覆壓滲透率小于0.1mD;Ⅲ類儲(chǔ)層的孔隙度小于4%，覆壓滲透率小于0.1mD。

儲(chǔ)集空間包括有機(jī)孔、無機(jī)孔和裂縫，其中有機(jī)孔以干酪根納米孔為主，無機(jī)孔以溶蝕孔和殘余原生孔為主。致密油藏一般具有異常高壓，地層壓力系數(shù)大于1.2。只有中國的鄂爾多斯盆地致密油藏具有異常低壓［5］(表1)。

表1 致密油基本特征參數(shù)表Table 1 Basic properties parameters of tight oil

3 致密油地質(zhì)理論技術(shù)攻關(guān)進(jìn)展

3.1 連續(xù)型油氣研究進(jìn)展［4］

“連續(xù)型”油氣藏是美國地質(zhì)調(diào)查局在1995年美國油氣資源評價(jià)中引入的概念，是浮力對油氣運(yùn)聚不起主要作用的大面積含油氣區(qū)域，一般具有區(qū)域規(guī)模，類型包括致密砂巖油氣、煤層氣、頁巖油氣、淺層生物氣等。油氣藏屬無明確或固定圈閉界限，儲(chǔ)層常為低—特低孔滲，缺乏明顯的油氣水邊界，大面積分布，普遍含油氣，異常壓力 (超壓或欠壓)。源內(nèi)成藏或與烴源巖距離較近，油氣資源量巨大，井位普遍產(chǎn)油氣但采收率低。

近期國內(nèi)外在連續(xù)型油氣聚集理論與技術(shù)研究、實(shí)踐方面取得了重要進(jìn)展和多項(xiàng)創(chuàng)新成果。創(chuàng)新發(fā)展了連續(xù)型油氣聚集理論，指出了連續(xù)型油氣藏有兩個(gè)關(guān)鍵標(biāo)志:①連續(xù)分布，大規(guī)模致密儲(chǔ)層普遍含油氣，無明顯圈閉與油氣水界限;②非浮力成藏，持續(xù)充注，油氣聚集受水動(dòng)力效應(yīng)影響不明顯。明確了連續(xù)型油氣藏與傳統(tǒng)意義的單個(gè)常規(guī)圈閉油氣藏在形成機(jī)理、分布特征和評價(jià)技術(shù)上有本質(zhì)區(qū)別，它們主要受儲(chǔ)層的孔喉直徑、孔隙度、滲透率及烴源巖的殘余有機(jī)質(zhì)含量、熱演化程度、源儲(chǔ)壓差等因素的控制。揭示了連續(xù)型油氣藏在油氣運(yùn)移方式、聚集作用、分布規(guī)律等方面的基本地質(zhì)特征;研發(fā)集成了3項(xiàng)核心技術(shù):①研發(fā)了“排擠式”和“置換式”兩種連續(xù)型油氣資源空間分布數(shù)值模擬預(yù)測軟件系統(tǒng)，為非常規(guī)油氣資源評價(jià)儲(chǔ)備了技術(shù);②研制了地震疊前儲(chǔ)層預(yù)測、流體識別、飽和度預(yù)測等特色技術(shù)，有效提高了含油氣飽和度的預(yù)測精度;③集成創(chuàng)新了大型壓裂技術(shù)，顯著提高了非常規(guī)致密儲(chǔ)層的產(chǎn)量，大力推動(dòng)了致密砂巖油氣、頁巖氣的戰(zhàn)略性突破。

連續(xù)型油氣聚集理論與技術(shù)的應(yīng)用取得了良好效果，推動(dòng)了油氣勘探從常規(guī)向非常規(guī)的發(fā)展，開辟了致密砂巖氣、致密油、頁巖氣三大非常規(guī)連續(xù)型油氣勘探的戰(zhàn)略新領(lǐng)域;其具有前瞻性和很好的推廣應(yīng)用前景，是非常規(guī)油氣勘探的關(guān)鍵理論技術(shù)。

3.2 致密油儲(chǔ)層中納米孔喉系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)

致密油是一種非常規(guī)石油資源，由于其儲(chǔ)集空間的超低孔、超低滲特征及特殊的成藏條件，人們一度認(rèn)為其資源量極低，其開發(fā)一直被視為世界級難題。20世紀(jì)90年代初，一些國外的同步輻射實(shí)驗(yàn)室開始從事分辨率小于1μm的納米級結(jié)構(gòu)研究，微觀結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)帶來了材料、生物等研究領(lǐng)域的突破。石油地質(zhì)界從中獲得了經(jīng)驗(yàn)，2006年美國學(xué)者David、Yun Wenbin等將基于實(shí)驗(yàn)室光源的納米CT引入石油地質(zhì)研究領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了1μm以下的儲(chǔ)層微觀孔喉三維模擬。不過，這并沒有引起人們的足夠重視。一年之后，美國學(xué)者Reed和Loucks等獲取了全球首張巴奈特地區(qū)含氣頁巖有機(jī)質(zhì)納米孔喉圖像，引起石油界的興趣［6，7］。

在納米級孔隙中流體與周圍介質(zhì)之間存在巨大的黏滯力和分子作用力，一般條件下，流體不能自由流動(dòng)，從而形成“滯留”，即使改變溫壓條件也僅能以分子或分子團(tuán)的狀態(tài)進(jìn)行擴(kuò)散，如粉細(xì)砂巖、頁巖、黏土等非常規(guī)致密層的孔隙即屬該種類型。

納米級孔喉是致密儲(chǔ)層連通性儲(chǔ)集空間的主體。納米級孔喉系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)，改變了微米級孔喉是油氣儲(chǔ)層唯一微觀孔喉的傳統(tǒng)認(rèn)識，為認(rèn)識常規(guī)油氣局部富集、非常規(guī)油氣連續(xù)聚集的地質(zhì)特征、“研究連續(xù)型油氣聚集機(jī)理”、增加資源潛力具有重要的科學(xué)意義［8，9］。

3.3 致密油資源評價(jià)技術(shù)

致密油藏雖然是新興的研究領(lǐng)域，但其資源量可觀，石油公司、學(xué)者等對其資源量評價(jià)方法非常關(guān)注。但是，非常規(guī)油氣在分布特征、源儲(chǔ)距離、主控因素、驅(qū)動(dòng)力、油氣品質(zhì)上和常規(guī)油氣有著顯著的差別 (表2)，不能簡單借用常規(guī)油氣資源評價(jià)方法:①由于分布的差異，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)法 (油藏規(guī)模序列法，油藏發(fā)現(xiàn)過程法等)不適用;②由于驅(qū)動(dòng)力差異，成因法 (數(shù)值模擬法等)不適用;③由于主控因素差異，類比法 (面積豐度類比法等)要改進(jìn)后才能應(yīng)用。

表2 非常規(guī)與常規(guī)油氣資源的區(qū)別表Table 2 The difference between the unconventional and conventional oil＆gas resources

為全面掌握致密油資源的儲(chǔ)量及品質(zhì)，各國學(xué)者不斷進(jìn)行深入研究，創(chuàng)新、改進(jìn)致密油資源的評價(jià)方法。目前，國外主要采用的評價(jià)方法有類比法 (FORSPAN法、資源密度網(wǎng)格法等)、統(tǒng)計(jì)法 (單井儲(chǔ)量估算法、發(fā)現(xiàn)過程法、體積法等)、隨機(jī)模擬法 (資源空間分布預(yù)測法等)、成因法 (熱解模擬法等);國內(nèi)主要評價(jià)方法有資源豐度類比法、EUR(最終可采儲(chǔ)量)類比法、體積法、盆地模擬法等。表3展示了致密油常用資源量評價(jià)方法的屬性，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)評價(jià)區(qū)域的資料掌握情況靈活使用。

表3 主要非常規(guī)油氣資源評價(jià)方法及優(yōu)缺點(diǎn)比較表Table 3 Comparison of main unconventional oil＆gas resources evaluation methods and their advantages＆disadvantages

4 開發(fā)特性分析

當(dāng)前，美國擁有致密油資源量79×108t，僅次于俄羅斯的103×108t，位于世界第二位。近年來，依托于美國成功的致密氣開發(fā)技術(shù)，致密油的規(guī)?；_發(fā)也取得成功，致密油產(chǎn)量約占美國原油總產(chǎn)量的20%，為美國能源的獨(dú)立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前，美國致密油80%的產(chǎn)量來自于Bakken和Eagle Ford。致密油單井產(chǎn)量下降速度很快，開采前兩年的遞減率基本在80%～90%之間，Bakken開采5年后的日產(chǎn)量僅為33bbl，而7年后接近低產(chǎn)井狀態(tài)，僅為10bbl/d。Eagle Ford的致密油井可能在4年內(nèi)就達(dá)到低產(chǎn)井狀態(tài)。為了維持產(chǎn)量穩(wěn)定，產(chǎn)量中的40%必須每年被其他方式替代。據(jù)EIA估計(jì)，在Bakken可用的鉆井位置一共有11725個(gè)，是目前作業(yè)井?dāng)?shù)的3倍。當(dāng)前美國鉆井速度很快，新增井的產(chǎn)量可以有效維持產(chǎn)量穩(wěn)定或增加。但是值得注意的是，在開發(fā)的初始階段，鉆井的位置都是在高產(chǎn)的“甜點(diǎn)”區(qū)，依靠大量鉆井可以有效維持產(chǎn)量的穩(wěn)定。但是當(dāng)開發(fā)進(jìn)入晚期時(shí)，先進(jìn)的技術(shù)能否彌補(bǔ)天然條件的劣勢還是個(gè)未知數(shù)，在低油氣豐度的地區(qū)，即使鉆了大量的新井可能也無法維持產(chǎn)量的穩(wěn)定，最終致密油的產(chǎn)量可能會(huì)因?yàn)殂@井位置的數(shù)量和資源品位的下降而受到限制。

5 結(jié) 論

據(jù)EIA發(fā)布，我國擁有致密油資源量約44×108t，位于世界第3位，具有較大的開發(fā)潛力，是石油工業(yè)下一個(gè)突破點(diǎn)。因此，必須加強(qiáng)致密油理論技術(shù)創(chuàng)新和開發(fā)特性的研究，推動(dòng)我國石油工業(yè)快速發(fā)展。

在理論技術(shù)方面，借鑒國外致密油氣資源的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合中國的現(xiàn)狀，應(yīng)加快分布區(qū)的研究，以中國陸上中淺層重點(diǎn)盆地已知成熟頁巖層系為重點(diǎn)，積極開展不同類型致密油的解剖與分析測試等基礎(chǔ)研究工作，解決運(yùn)聚機(jī)理、賦存狀態(tài)與滲流機(jī)制等基礎(chǔ)科學(xué)問題，明確資源潛力與分布;加強(qiáng)核心區(qū)評選。以老井復(fù)查為基礎(chǔ)，積極新鉆一批地質(zhì)調(diào)查參數(shù)井，開展系統(tǒng)測試分析化驗(yàn)，取全、取準(zhǔn)評價(jià)所需的關(guān)鍵參數(shù)，確定合理評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，選取合適的評價(jià)方法，科學(xué)評價(jià)中國陸相致密油技術(shù)可采資源量和有利分布區(qū)［10］。

在開發(fā)特性研究方面，通過美國致密油的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)了解到，生產(chǎn)狀態(tài)曲線和生產(chǎn)高峰取決于鉆井?dāng)?shù)量和質(zhì)量，最終將受到油田面積鉆井規(guī)劃總量的限制。我國陸相致密儲(chǔ)層具有分布面積大、非均質(zhì)性強(qiáng)、油氣豐度相對較低的特點(diǎn)，所以需加強(qiáng)核心區(qū)優(yōu)選與經(jīng)濟(jì)評價(jià)，進(jìn)行針對性勘探，落實(shí)“甜點(diǎn)”區(qū)，掌握致密油井生產(chǎn)狀態(tài)曲線，合理安排鉆井位置和數(shù)量。

［1］Market Watch:Special Oil Market Analysis and Outlook——Shale Special，JBC Energy，2012 －10.

［2］Technically Recoverable Shale Oil and Shale Gas Resources:An Assessment of 137 Shale Formations in 41 Countries Outside the United States，EIA，2013－06－10.

［3］林森虎，鄒才能，袁選俊，等.美國致密油開發(fā)現(xiàn)狀及啟示［J］.巖性油氣藏，2011，23(4):25－30.

［4］鄒才能.非常規(guī)油氣地質(zhì) ［M］.2版.北京:地質(zhì)出版社，2013:118－120.

［5］賈承造，鄒才能，李建中，等.中國致密油評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、主要類型、基本特征及資源前景［J］.石油學(xué)報(bào)，2012，33(3):343－350.

［6］“常規(guī)人”鄒才能的“非常規(guī)”突破——非常規(guī)油氣納米孔重大發(fā)現(xiàn)煥發(fā)石油工業(yè)春天，科學(xué)網(wǎng)，2012.

［7］Nelson P H．Pore—throat sizes in sandstones，tight sandstones，and shales ［J］.AAPG Bulletin，2009，93(3):329－340．

［8］鄒才能，朱如凱，白斌，等．中國油氣儲(chǔ)層中納米孔首次發(fā)現(xiàn)及其科學(xué)價(jià)值 ［J］.巖石學(xué)報(bào)，20l1，27(6):1857－l864．

［9］尤源，牛小兵，辛紅剛，等.國外致密油儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究及其對鄂爾多斯盆地的啟示 ［J］.石油科技論壇，2013，32(1):12－18.

［10］鄒才能，楊智，崔景偉，等.頁巖油形成機(jī)制、地質(zhì)特征及發(fā)展對策 ［J］.石油勘探與開發(fā)，2013，40(1):1－13.