“人工油氣藏”理論、技術(shù)及實(shí)踐

鄒才能，丁云宏，盧擁軍，劉先貴，陳建軍，王欣，楊正明，才博，楊智，何春明，王臻，駱雨田

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007）

“人工油氣藏”理論、技術(shù)及實(shí)踐

鄒才能1,2，丁云宏2，盧擁軍2，劉先貴2，陳建軍2，王欣2，楊正明2，才博2，楊智1，何春明2，王臻2，駱雨田2

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007）

低滲透、致密油氣及頁(yè)巖油氣在全球能源格局中占據(jù)愈發(fā)重要的地位，面臨動(dòng)用難度大、產(chǎn)量遞減快、采收率低、開(kāi)采成本高等亟需解決難題。為此提出“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)新概念、新理念及技術(shù)方法新體系。提出以“甜點(diǎn)區(qū)”為基本單元，對(duì)滲透性差的油氣區(qū)采取壓裂、注入與采出一體化方式，形成一個(gè)“人工油氣藏”，以提高采收率并進(jìn)行規(guī)模經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)。通過(guò)井群開(kāi)發(fā)、壓裂造縫和針對(duì)性流體介質(zhì)注入，改變地下流體滲流環(huán)境和補(bǔ)充地層能量，在“甜點(diǎn)區(qū)”單元內(nèi)形成“人造高滲透區(qū)”與“重構(gòu)滲流場(chǎng)”，建立了“人工油氣藏”地質(zhì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、管理和決策綜合信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低滲透、致密油氣與頁(yè)巖油氣大規(guī)模、有效益、可持續(xù)開(kāi)發(fā)。創(chuàng)建了基于大數(shù)據(jù)的三維地震地質(zhì)“甜點(diǎn)區(qū)”評(píng)價(jià)技術(shù)、井群大平臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)、體積改造人工智能造縫技術(shù)、滲吸置換與能量補(bǔ)充開(kāi)采技術(shù)、基于云計(jì)算的“人工油氣藏”智能管理技術(shù)，構(gòu)建智慧油氣田。在國(guó)內(nèi)5大致密油氣、頁(yè)巖氣區(qū)開(kāi)展235井次先導(dǎo)性試驗(yàn)，致密油壓采效果比以往常規(guī)技術(shù)提高2倍，頁(yè)巖氣實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)發(fā)，展示出良好應(yīng)用前景。圖4表2參37

致密油氣；頁(yè)巖油氣；人工油氣藏；井群式開(kāi)發(fā)；體積改造；滲吸置換；提高采收率；智能開(kāi)發(fā)；大數(shù)據(jù)；云計(jì)算；智慧油氣田

引用：鄒才能,丁云宏,盧擁軍,等.“人工油氣藏”理論、技術(shù)及實(shí)踐[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2017,44(1):144-154.

ZOU Caineng,DING Yunhong,LU Yongjun,et al.Concept,technology and practice of “man-made reservoirs”development[J].Petroleum Exploration and Development,2017,44(1):144-154.

0 引言

低滲透、致密油氣及頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)面臨三大難題：一是大面積低豐度，產(chǎn)量遞減速度快，一般3年內(nèi)產(chǎn)量遞減達(dá)85%；二是能量補(bǔ)充難，采收率低，自然能量采收率僅1%～8%；三是開(kāi)采成本高，高投入和低油價(jià)遏制了規(guī)模開(kāi)發(fā)效益。中國(guó)乃至世界石油工業(yè)都面臨資源劣質(zhì)化與低油價(jià)運(yùn)行雙重壓力。目前，致密油氣、頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)工業(yè)化剛剛起步；部分已開(kāi)發(fā)常規(guī)低滲透老油田綜合含水高達(dá)80%、可采儲(chǔ)量采出程度達(dá)到75%；相當(dāng)部分剩余儲(chǔ)量通過(guò)傳統(tǒng)二次采油、三次采油等技術(shù)難以有效動(dòng)用開(kāi)發(fā)。因此，研發(fā)低滲透、致密油氣及頁(yè)巖油氣的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)理論及核心技術(shù)，對(duì)未來(lái)油氣工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有意義。

筆者在2013年《非常規(guī)油氣概念、特征、潛力及技術(shù)——兼論非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》一文中，側(cè)重論述了非常規(guī)油氣的地質(zhì)內(nèi)涵、資源潛力、方法技術(shù)、學(xué)科體系等方面的問(wèn)題。近3年多來(lái)筆者在系統(tǒng)調(diào)研全球常規(guī)、非常規(guī)油氣理論技術(shù)與勘探開(kāi)發(fā)最新進(jìn)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合致密油（頁(yè)巖油）國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）等項(xiàng)目最新研究成果，2014年提出“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)的概念與核心技術(shù)，組織中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院等多學(xué)科團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與工業(yè)化現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，推動(dòng)“人工油氣藏”創(chuàng)新工程取得顯著效果。本文系統(tǒng)思考和闡述了“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)的理論內(nèi)涵、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用實(shí)踐，側(cè)重論述了非常規(guī)、低品位油氣資源有效產(chǎn)出、經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)等方面的問(wèn)題，力求為推動(dòng)非常規(guī)、低品位油氣資源有效益、可持續(xù)開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 提出背景

低滲透與非常規(guī)油氣資源在全球能源格局中占據(jù)愈發(fā)重要的地位。全球油氣資源總量約5×1012t，其中低滲—致密石油達(dá)4 495×108t，占全球石油總量的48%[1]；低滲—致密天然氣3 922×1012m3，占天然氣總量的89%。預(yù)計(jì)到2035年產(chǎn)量將分別占原油和天然氣的10%和22%以上[2]。低滲—致密油氣已成為當(dāng)前全球及未來(lái)能源發(fā)展的新領(lǐng)域，是重要油氣接替資源[2]。2015年，全球石油產(chǎn)量43.6×108t（其中非常規(guī)石油占11%），全球天然氣產(chǎn)量3.47×1012m3（其中非常規(guī)天然氣占23%），非常規(guī)油氣的比例仍在逐步增加[3-6]。在中國(guó)，低滲剩余儲(chǔ)量、難動(dòng)用儲(chǔ)量以及非常規(guī)油氣儲(chǔ)量，已逐漸成為油氣勘探開(kāi)發(fā)的主體，中國(guó)近5年低滲—致密油氣儲(chǔ)量已占探明油氣儲(chǔ)量的70%～80%[7-9]。

全球正在形成西半球的美國(guó)、東半球的中國(guó)兩大主要非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)區(qū)。美國(guó)經(jīng)過(guò)30年的探索準(zhǔn)備，突破常規(guī)油氣地質(zhì)開(kāi)發(fā)理論技術(shù)，非常規(guī)油氣成功實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)油氣的“第一次革命”。美國(guó)頁(yè)巖油氣、致密油氣等獲得“革命性發(fā)展”，油氣對(duì)外依存度大幅下降，持續(xù)推動(dòng)美國(guó)“能源獨(dú)立”戰(zhàn)略實(shí)施。2015年致密氣產(chǎn)量1 317×108m3，頁(yè)巖氣產(chǎn)量4 217×108m3，煤層氣產(chǎn)量395×108m3，致密油產(chǎn)量2.1×108t，美國(guó)天然氣基本實(shí)現(xiàn)自給，石油對(duì)外依存度已降至33%[10-16]。形成3項(xiàng)革命性創(chuàng)新成果：①以納米油氣連續(xù)聚集為核心的地質(zhì)理論革命；②以長(zhǎng)水平井體積壓裂為核心的工程技術(shù)革命；③以多井平臺(tái)式“工廠化”開(kāi)采的生產(chǎn)革命。頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)“黑色頁(yè)巖革命”是石油工業(yè)“黑天鵝事件”，導(dǎo)致2014年全球油價(jià)暴跌并仍低位運(yùn)行，出乎意料而又深刻地改變油氣工業(yè)，深刻影響世界油氣供給態(tài)勢(shì)、能源格局和大國(guó)博弈戰(zhàn)略。在低油價(jià)大態(tài)勢(shì)下，美國(guó)非常規(guī)油氣正在通過(guò)以“降成本、求生存”為重點(diǎn)的3個(gè)技術(shù)與管理創(chuàng)新，進(jìn)行自我“第二次革命”，一是提高單井產(chǎn)量和采收率，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新降成本；二是打井不壓井和只釋放“甜點(diǎn)區(qū)”中的高產(chǎn)井，實(shí)現(xiàn)方法創(chuàng)新降成本；三是規(guī)模裁人與全面市場(chǎng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)管理創(chuàng)新降成本。美國(guó)非常規(guī)油氣“兩次革命”對(duì)世界石油工業(yè)科技、油氣供給版圖、新能源發(fā)展等將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

中國(guó)的非常規(guī)油氣經(jīng)過(guò)10年的攻關(guān)創(chuàng)新[17-24]，致密油氣及頁(yè)巖氣等獲得“戰(zhàn)略性突破”。2015年致密氣產(chǎn)量360×108m3，發(fā)現(xiàn)了鄂爾多斯蘇里格、四川須家河組2個(gè)萬(wàn)億立方米級(jí)致密大氣區(qū)。頁(yè)巖氣發(fā)現(xiàn)了涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)3個(gè)千億立方米級(jí)海相頁(yè)巖氣大氣田，已提交探明地質(zhì)儲(chǔ)量5 441×108m3。2015年頁(yè)巖氣產(chǎn)量45×108m3。落實(shí)了鄂爾多斯新安邊、松遼扶余、準(zhǔn)噶爾吉木薩爾3個(gè)億噸級(jí)致密油大油區(qū)，2015年致密油產(chǎn)量150×104t。煤層氣規(guī)模開(kāi)發(fā)初見(jiàn)成效，形成沁水、鄂爾多斯2個(gè)生產(chǎn)基地，2015年煤層氣產(chǎn)量44× 108m3，中國(guó)非常規(guī)油氣基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化發(fā)展。

中國(guó)的低滲透與非常規(guī)油氣實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益開(kāi)采仍面臨地質(zhì)、開(kāi)發(fā)等多方面挑戰(zhàn)。由于主要是多旋回疊合盆地，非常規(guī)油氣聚集的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)、沉積環(huán)境、烴源巖分布、儲(chǔ)集層非均質(zhì)性、油氣水關(guān)系、地層能量等方面都具有特殊性。致密油氣面臨儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)、“甜點(diǎn)體”難刻畫(huà)、水平井井眼軌跡難控制、油氣層測(cè)井難識(shí)別、致密儲(chǔ)集層改造難度大等不利因素，需要?jiǎng)?chuàng)新具有中國(guó)特色的陸相非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)理論技術(shù)。頁(yè)巖氣面臨地表?xiàng)l件復(fù)雜、埋藏深度大、管網(wǎng)設(shè)施不完善、3 500 m以深工程技術(shù)不具備、寒武系頁(yè)巖熱演化程度高、形成條件復(fù)雜、陸相—海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣未突破等挑戰(zhàn)。煤層氣面臨氣水分布復(fù)雜、富集規(guī)律不清、800 m以深開(kāi)采技術(shù)不具備、儲(chǔ)集層改造難度大等問(wèn)題。頁(yè)巖油面臨泥頁(yè)巖非均質(zhì)性強(qiáng)、黏土礦物含量高、有機(jī)質(zhì)成熟度較低、原油流動(dòng)性較差、水平井壓裂技術(shù)不適用等難題。

全球油氣勘探開(kāi)發(fā)大趨勢(shì)是高精度勘探、規(guī)?；_(kāi)發(fā)、智能化與協(xié)同化發(fā)展。地震從二維地震，向大面積高分辨率三維大數(shù)據(jù)跨越。勘探從常規(guī)圈閉成藏，向非常規(guī)連續(xù)型“甜點(diǎn)區(qū)”延伸。開(kāi)發(fā)從天然能量自然生產(chǎn)，向人工能量壓裂驅(qū)替開(kāi)采。工程從直井單井平臺(tái)向水平井多井大平臺(tái)“工廠化”生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。采油從多次提高采收率向一次性極限提高采收率發(fā)展。運(yùn)行管理從多工種協(xié)調(diào)，向大數(shù)據(jù)云計(jì)算智能化協(xié)同發(fā)展；經(jīng)費(fèi)投入從單點(diǎn)與單環(huán)節(jié)考慮向全系統(tǒng)與多學(xué)科降低成本轉(zhuǎn)化。這些變化趨勢(shì)為非常規(guī)油氣等資源規(guī)模效益開(kāi)發(fā)提供新的技術(shù)路線。

高油價(jià)背景下，基于油氣普遍在微納米級(jí)孔喉系統(tǒng)大面積連續(xù)型聚集理論，利用水平井體積壓裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了部分非常規(guī)油氣的動(dòng)用。目前中低油價(jià)形勢(shì)下，沿襲之前批量鉆井、壓裂、開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，遞減快、收益慢，難以實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)。以巴肯致密油為例，開(kāi)發(fā)3年后，水平井單井年產(chǎn)量?jī)H為初期產(chǎn)量的15%，預(yù)計(jì)采收率3.6%～8.4%。因此，亟需探索形成低成本、高效益、一體化開(kāi)發(fā)理論和技術(shù)，推動(dòng)低品位與非常規(guī)油氣持續(xù)發(fā)展。

2“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)理論內(nèi)涵

2.1 “人工油氣藏”概念

低滲透與非常規(guī)油氣有3個(gè)關(guān)鍵標(biāo)志，一是油氣大面積、低豐度連續(xù)分布，資源豐度低；二是滲流能力差，無(wú)自然穩(wěn)定商業(yè)產(chǎn)量；三是儲(chǔ)集層能量容易衰竭，能量補(bǔ)充較難。非常規(guī)的致密油氣、頁(yè)巖油氣并沒(méi)有常規(guī)油氣藏的統(tǒng)一油、氣、水邊界和溫度壓力系統(tǒng)，這給開(kāi)發(fā)帶來(lái)更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為破解經(jīng)濟(jì)開(kāi)采困局，提出“人工油氣藏”概念和開(kāi)發(fā)理念。即通過(guò)優(yōu)選“甜點(diǎn)區(qū)”和壓裂形成“人造高滲透區(qū)”，人工形成高豐度油氣藏來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。而常規(guī)油氣是“自然”開(kāi)發(fā)。

“人工油氣藏”概念是：以油氣“甜點(diǎn)區(qū)”為單元，在其范圍內(nèi)通過(guò)科學(xué)合理井群部署，用壓裂、注入與采出一體化方式，形成“人造高滲區(qū)，重構(gòu)滲流場(chǎng)”，改變巖石的潤(rùn)濕性、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)及其油氣的流動(dòng)性，構(gòu)建地下油氣產(chǎn)出機(jī)制，大幅改變地下流體滲流環(huán)境和補(bǔ)充地層能量，人工干預(yù)實(shí)現(xiàn)地下油氣規(guī)模有效開(kāi)發(fā)。簡(jiǎn)稱油氣“人工”開(kāi)發(fā)。

“人工油氣藏”改造過(guò)程中關(guān)鍵是在“甜點(diǎn)區(qū)”單元內(nèi)形成“人造高滲透區(qū)”和“重構(gòu)滲流場(chǎng)”。“人造高滲透區(qū)”是指通過(guò)壓裂改造將極弱—弱滲流能力的油氣儲(chǔ)集體改造為縫網(wǎng)體系，提高油氣流動(dòng)能力?！爸貥?gòu)滲流場(chǎng)”是“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)的理論核心。通過(guò)地下滲流場(chǎng)的變化來(lái)導(dǎo)致地下應(yīng)力場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)和溫度場(chǎng)發(fā)生變化。圖1為“人工油氣藏”滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)-化學(xué)場(chǎng)-溫度場(chǎng)“四場(chǎng)”作用示意圖。從圖中可以看出：在造縫過(guò)程中，地下滲流場(chǎng)發(fā)生變化，裂縫內(nèi)流體壓力的變化改變了裂縫寬度和長(zhǎng)度，而這種改變也產(chǎn)生了應(yīng)力場(chǎng)的變化，而遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力和裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的變化也對(duì)縫寬和縫內(nèi)流體壓力形成約束。在壓裂過(guò)程中酸-巖反應(yīng)形成熱源，影響“人工油氣藏”溫度場(chǎng)的變化，而溫度的變化也影響化學(xué)反應(yīng)速率及與礦物反應(yīng)進(jìn)程的化學(xué)穩(wěn)定性。隨壓裂液進(jìn)入地層的熱源與儲(chǔ)集層溫度有差異，溫度變化引起熱應(yīng)力以及與溫度有關(guān)的巖石力學(xué)性質(zhì)變化。壓裂液在裂縫和基質(zhì)中的滲流帶動(dòng)熱量的遷移，形成對(duì)流換熱，影響溫度場(chǎng)的變化。溫度場(chǎng)的變化影響流體性質(zhì)，如流體密度、黏度隨溫度而變化。通過(guò)“四場(chǎng)”變化關(guān)系建立大井群式縫網(wǎng)控藏流動(dòng)系統(tǒng)是“人工造藏”的重要途徑。在“甜點(diǎn)區(qū)”單元特定面積體積范圍內(nèi)，通過(guò)井群式的“四場(chǎng)”聯(lián)合變化，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域范圍內(nèi)的裂縫控藏。在單井影響范圍內(nèi)，通過(guò)“人造高滲透區(qū)”的體積改造實(shí)現(xiàn)井控區(qū)域內(nèi)的“人工造藏”；在單縫范圍內(nèi)，通過(guò)滲吸置換、流體改質(zhì)等措施實(shí)現(xiàn)提高采收率目的。

常規(guī)圈閉油氣藏具有明確的面積體積開(kāi)采范圍邊界和較高滲流能力，流體流動(dòng)遵循達(dá)西定律，具有統(tǒng)一油氣水界面，已有系統(tǒng)配套的高效經(jīng)濟(jì)開(kāi)采技術(shù)體系。而非常規(guī)的致密油氣、頁(yè)巖氣等雖然大面積、低豐度、沒(méi)有統(tǒng)一的油氣水邊界和溫度壓力系統(tǒng)，但通過(guò)建造“人工油氣藏”后，完全可以建立起類似于一套常規(guī)圈閉油氣藏的開(kāi)發(fā)技術(shù)方法體系，從而達(dá)到高效和有商業(yè)意義的儲(chǔ)量開(kāi)發(fā)，獲得更多工業(yè)性油氣產(chǎn)量。

圖1 “人工油氣藏”滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)-化學(xué)場(chǎng)-溫度場(chǎng)“四場(chǎng)”作用示意圖

2.2 “人工油氣藏”開(kāi)發(fā)理念

“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)理念：是以低滲透及非常規(guī)致密油氣及頁(yè)巖油氣為對(duì)象，基于地震資料為核心的大數(shù)據(jù)地質(zhì)甜點(diǎn)評(píng)價(jià)分析、井群為核心的“工廠化”大平臺(tái)開(kāi)采方式、云計(jì)算為核心的智能管理系統(tǒng)，將地下整個(gè)“甜點(diǎn)區(qū)”系統(tǒng)改為一個(gè)“人造油氣藏”，利用造縫、蓄能、驅(qū)替、改質(zhì)等技術(shù)措施，人工建立并形成較大儲(chǔ)量規(guī)模區(qū)，以“甜點(diǎn)區(qū)”單元進(jìn)行統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)采油設(shè)計(jì)部署，提高整個(gè)“甜點(diǎn)區(qū)”產(chǎn)量，同時(shí)大幅提高油氣采收率?！叭斯び蜌獠亍遍_(kāi)發(fā)模式見(jiàn)圖2。

2.3 “人工油氣藏”與常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)區(qū)別

“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)從低滲透及非常規(guī)油氣分布特點(diǎn)出發(fā)，利用地震大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、數(shù)字化等對(duì)其精細(xì)化評(píng)價(jià)，采用“勘探-開(kāi)發(fā)-工程一體化”的理念，基于井群式開(kāi)發(fā)模式，運(yùn)用水平井體積壓裂+滲吸置換、原位改質(zhì)、多輪次蓄能等工程和技術(shù)手段，通過(guò)“人工”改造并合理利用滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、溫度場(chǎng)“四場(chǎng)”變化，建立一體化的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)油氣藏流動(dòng)體系，形成“人造高滲透區(qū)”系統(tǒng)，使地下基質(zhì)微納米孔喉大面積相互連通，構(gòu)成“人工化”的油氣產(chǎn)出通道，進(jìn)行人工智能化管理，最終實(shí)現(xiàn)低效儲(chǔ)量的高效動(dòng)用、無(wú)效儲(chǔ)量的有效動(dòng)用。

常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)是在單個(gè)圈閉中，依靠?jī)?chǔ)集層自身較高滲透率、天然能量和較易補(bǔ)充能量的技術(shù)實(shí)現(xiàn)油氣“天然”開(kāi)發(fā)，主要采取“控藏”開(kāi)發(fā)。“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)是針對(duì)利用自身滲透率無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益開(kāi)發(fā)的非常規(guī)油氣而提出，以往采用的單井單點(diǎn)的壓裂改造方式對(duì)非常規(guī)致密油氣、頁(yè)巖油氣等難以形成規(guī)模效益，同時(shí)無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)能量補(bǔ)充，開(kāi)發(fā)效益和采收率很低。采取“人工造藏”，可以形成大面積、高效益、高采收率、規(guī)模化的開(kāi)發(fā)方式，為非常規(guī)致密油氣、頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)提供了更加先進(jìn)的理念、科學(xué)高效的開(kāi)發(fā)方式，形成一條與目前非常規(guī)油氣藏單井衰竭式開(kāi)發(fā)技術(shù)完全不同的路線。

3“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)核心技術(shù)

經(jīng)過(guò)攻關(guān)與實(shí)踐，“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)已形成5項(xiàng)核心技術(shù)系列。主要包括基于大數(shù)據(jù)的三維地震地質(zhì)“甜點(diǎn)區(qū)”評(píng)價(jià)技術(shù)、井群大平臺(tái)“人工造藏”技術(shù)、體積改造人工智能造縫技術(shù)、置換驅(qū)油與能量補(bǔ)充開(kāi)采技術(shù)、基于云計(jì)算的“人工油氣藏”智能管理技術(shù)等，構(gòu)建智慧油氣田。

3.1 基于大數(shù)據(jù)的三維地震地質(zhì)“甜點(diǎn)區(qū)”評(píng)價(jià)技術(shù)

在大面積三維地震資料解釋基礎(chǔ)上，通過(guò)地質(zhì)評(píng)價(jià)為識(shí)別地下油氣空間分布、井群部署、整體開(kāi)發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。中國(guó)陸上松遼、渤海灣、四川、鄂爾多斯等許多盆地已采用高精度三維地震采集，基本實(shí)現(xiàn)千平方千米乃至萬(wàn)平方千米級(jí)連片三維地震采集與資料處理，具有“人工油氣藏”三維大數(shù)據(jù)地質(zhì)的良好資料基礎(chǔ)。

三維地震地質(zhì)大數(shù)據(jù)“甜點(diǎn)區(qū)”評(píng)價(jià)技術(shù)，充分利用大數(shù)據(jù)信息技術(shù)[25-30]和巖性、物性、烴源巖、含油性、脆性、地應(yīng)力、各向異性等地質(zhì)、測(cè)井參數(shù)標(biāo)定，制作多參數(shù)巖石物理圖版進(jìn)行儲(chǔ)集層地震預(yù)測(cè)，建立反映地下實(shí)際情況的地質(zhì)模型來(lái)有效識(shí)別巖性、預(yù)測(cè)厚度、裂縫和脆性。對(duì)低品位、非常規(guī)油氣儲(chǔ)集層進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，最終綜合預(yù)測(cè)“甜點(diǎn)區(qū)”。運(yùn)用三維可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，將油氣藏地質(zhì)體表面和內(nèi)部詳細(xì)信息直觀、形象展示，幫助研究人員快速、全面掌握油氣區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確、高效解析地下地質(zhì)現(xiàn)象和規(guī)律，構(gòu)建每個(gè)時(shí)空實(shí)體局部的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型。全面掌握低滲透及非常規(guī)油氣區(qū)地質(zhì)信息，提高復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)成功率。

三維地震地質(zhì)大數(shù)據(jù)“甜點(diǎn)區(qū)”評(píng)價(jià)技術(shù)，核心是在系統(tǒng)三維地震資料分析研究及地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，優(yōu)選相對(duì)高孔滲儲(chǔ)集層區(qū)、高含油氣區(qū)及有利工程的脆性高地區(qū)等作為“甜點(diǎn)區(qū)”。在平面上刻畫(huà)出開(kāi)發(fā)井群的面積范圍，在縱向上刻畫(huà)出工程施工改造的有利井段。

3.2 基于大平臺(tái)井群“人工造藏”開(kāi)發(fā)技術(shù)

該技術(shù)是將致密油氣、頁(yè)巖油氣分布區(qū)域劃分為若干“甜點(diǎn)區(qū)”單元，每個(gè)“甜點(diǎn)區(qū)”單元系統(tǒng)作為一個(gè)造藏區(qū)，用一個(gè)大平臺(tái)采用水平井、大斜度井等多井型，對(duì)不同層系、不同類型油氣區(qū)進(jìn)行開(kāi)發(fā)井群設(shè)計(jì)，整體部署若干個(gè)井群，在整個(gè)造藏區(qū)科學(xué)系統(tǒng)地實(shí)施鉆井、壓裂和補(bǔ)充能量差異化設(shè)計(jì)與“工廠化”施工。在特定的面積、體積范圍內(nèi)將地下大面積、連通性不太好的含油氣區(qū)進(jìn)行人工改造，形成一系列連片的相對(duì)高滲透區(qū)，從而形成一個(gè)人工改造的“類油氣藏”。進(jìn)而用類似于常規(guī)油氣藏的方法對(duì)非常規(guī)油氣藏進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)井群的智能化管理，大幅度降低了開(kāi)發(fā)工程費(fèi)用，同時(shí)大幅提高油氣采收率。

“甜點(diǎn)區(qū)”單元的分級(jí)劃分就是在“有利區(qū)”范圍內(nèi)再進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，選出地質(zhì)條件更好、工程施工條件最優(yōu)的作業(yè)單元。“甜點(diǎn)區(qū)”單元確定主要依據(jù)儲(chǔ)集層參數(shù)綜合評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)結(jié)果表明：脆性特征參數(shù)、混合潤(rùn)濕指數(shù)和地層壓力系數(shù)越大，儲(chǔ)集層開(kāi)發(fā)效果越好，反之越差。在考慮“人工油氣藏”研究對(duì)象的特征后，增加了脆性特征參數(shù)、混合潤(rùn)濕指數(shù)和地層壓力系數(shù)3個(gè)參數(shù)，提出“人工油氣藏”儲(chǔ)集層“8參數(shù)”評(píng)價(jià)方法。研究表明：主流喉道半徑、可動(dòng)流體含量、地層壓力系數(shù)、脆性特征參數(shù)和混合潤(rùn)濕指數(shù)與開(kāi)發(fā)效果正相關(guān)，擬啟動(dòng)壓力梯度、黏土礦物含量和原油黏度與開(kāi)發(fā)效果負(fù)相關(guān)，對(duì)8個(gè)儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，得到其儲(chǔ)集層綜合評(píng)價(jià)系數(shù)Fcei為：

式中 B——脆性指數(shù)，%；Fcei——儲(chǔ)集層綜合評(píng)價(jià)系數(shù)，無(wú)因次；I——混合潤(rùn)濕指數(shù)，無(wú)因次；M——黏土礦物含量，%；P——地層壓力系數(shù)，無(wú)因次；R——平均喉道半徑，μm；S——可動(dòng)流體含量，%；λ——擬啟動(dòng)壓力梯度，MPa/m；μ——原油黏度，mPa·s。下標(biāo)：std——對(duì)應(yīng)參數(shù)的標(biāo)定值。

儲(chǔ)集層綜合評(píng)價(jià)系數(shù)越高，越有利于進(jìn)行“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)。因此，按照儲(chǔ)集層綜合評(píng)價(jià)系數(shù)，劃分“甜點(diǎn)區(qū)”單元，進(jìn)而確定井群部署方式。

井群“人工造藏”開(kāi)發(fā)技術(shù)與常規(guī)井組開(kāi)發(fā)技術(shù)不同：①“人工造藏”開(kāi)發(fā)技術(shù)利用部署合理井群來(lái)“造藏”才能開(kāi)發(fā)，而常規(guī)井組開(kāi)發(fā)技術(shù)是通過(guò)合理井組部署來(lái)開(kāi)發(fā)油藏；②“人工造藏”開(kāi)發(fā)需綜合考慮注入地下壓裂液的能量、驅(qū)替和滲吸等作用來(lái)設(shè)計(jì)井群，后期調(diào)整難度大，需在井群內(nèi)井網(wǎng)一次成型，充分發(fā)揮各井的協(xié)同作用，避免后期不斷改進(jìn)加密，以提高開(kāi)發(fā)的整體性，而常規(guī)井組開(kāi)發(fā)技術(shù)僅依據(jù)能量驅(qū)替作用而設(shè)計(jì)井組，后期調(diào)整余地大，生產(chǎn)過(guò)程中可以根據(jù)需要不斷調(diào)整井網(wǎng)來(lái)提高其開(kāi)發(fā)效果；③“人工造藏”開(kāi)發(fā)面積、體積更大，對(duì)全油藏的整體改造避免了目前非常規(guī)油氣區(qū)開(kāi)發(fā)采用壓裂井各井獨(dú)立、人工改造體積較小而且非常規(guī)油氣連通性不好的缺點(diǎn)；④“人工造藏”開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了從單井、井組到井群的跨越，可在全“甜點(diǎn)區(qū)”范圍內(nèi)科學(xué)、系統(tǒng)實(shí)施鉆井、壓裂和補(bǔ)充能量差異化設(shè)計(jì)，“工廠化”鉆井、壓裂和補(bǔ)充能量，實(shí)現(xiàn)井群的智能化管理，提升優(yōu)化了決策科學(xué)性，大幅度降低了開(kāi)發(fā)工程費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益開(kāi)發(fā)。

3.3 體積改造人工智能造縫技術(shù)

該技術(shù)是從油氣區(qū)整體化出發(fā)，利用大型巖石裂縫擴(kuò)展物理模擬和數(shù)值模擬等手段，在揭示人工裂縫擴(kuò)展機(jī)理及主控因素基礎(chǔ)上，進(jìn)行低滲透及非常規(guī)油氣區(qū)儲(chǔ)集層裂縫體系預(yù)測(cè)、將精細(xì)控縫工藝和智能材料結(jié)合，進(jìn)行體積改造造縫，最終完成人工智能造縫改造。

3.3.1 裂縫體系預(yù)測(cè)技術(shù)

利用大型巖石裂縫擴(kuò)展物理模擬和數(shù)值模擬等手段，并結(jié)合壓裂礦場(chǎng)實(shí)踐，構(gòu)建考慮天然裂縫發(fā)育程度、巖石脆性、兩向水平應(yīng)力差和壓裂液流度的不同巖性儲(chǔ)集層（頁(yè)巖、致密砂巖、致密碳酸鹽巖和煤巖等）壓裂改造圖版，如圖3所示。從圖中可以看出：滑溜水壓裂液流度越低、水平主應(yīng)力差越小、天然裂縫越發(fā)育，巖石脆性越高，人工造縫的裂縫形態(tài)越復(fù)雜，越容易形成縫網(wǎng)。使用該圖一是可以在不同儲(chǔ)集層條件下，使用不同壓裂液流度來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的裂縫形態(tài)；二是將天然裂縫發(fā)育程度、巖石脆性、兩向水平應(yīng)力差等3參數(shù)相結(jié)合，確定在不同儲(chǔ)集層條件下，形成不同裂縫形態(tài)所需要的條件。圖3中分為4個(gè)壓裂改造區(qū)域，分別為常規(guī)分段、細(xì)分切割、分支縫和縫網(wǎng)區(qū)域。在需要復(fù)雜裂縫，但受工程技術(shù)水平限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需裂縫形態(tài)的區(qū)域，是科技進(jìn)步需要進(jìn)一步努力和解決的問(wèn)題，即技術(shù)進(jìn)步的空間。改造圖版在鄂爾多斯、松遼、渤海灣、四川等盆地應(yīng)用，指導(dǎo)了每年千余口井的壓裂改造。提出四川龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)集層天然裂縫發(fā)育、脆性地層壓裂的裂縫形態(tài)應(yīng)以縫網(wǎng)系統(tǒng)為主，在設(shè)計(jì)和實(shí)施時(shí)主要考慮提高縫網(wǎng)中裂縫的復(fù)雜化程度；松遼盆地扶余油層天然裂縫不發(fā)育，壓裂裂縫形態(tài)主要以雙翼對(duì)稱裂縫形態(tài)為主，壓裂設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮細(xì)分切割改造技術(shù)。

圖3 不同巖性類型“四參數(shù)”人工壓裂改造圖版

3.3.2 體積改造造縫技術(shù)

該技術(shù)由單井人工智能造縫、鉆井-完井-改造一體化造縫和井群“工廠化”壓裂3部分組成。

單井人工智能造縫技術(shù)，是將人工裂縫精細(xì)改造[31]與智能材料結(jié)合實(shí)現(xiàn)人工智能造縫。目前形成兩種人工裂縫精細(xì)改造技術(shù)：一種是以“快鉆橋塞組合分簇射孔”為主的細(xì)分切割改造方式，主要針對(duì)不利于形成復(fù)雜裂縫的致密油儲(chǔ)集層，通過(guò)分段多簇壓裂，實(shí)現(xiàn)細(xì)分切割儲(chǔ)集層改造；第二種是復(fù)雜裂縫壓裂改造方式，主要針對(duì)天然裂縫發(fā)育的脆性儲(chǔ)集層，采用大排量、暫堵轉(zhuǎn)向等方式，通過(guò)水平井裂縫間距優(yōu)化形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)，在不同特征儲(chǔ)集層的縫端、縫內(nèi)、縫口加入多種儲(chǔ)集層改造智能材料體系，改變儲(chǔ)集層巖石潤(rùn)濕性，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)位置的人工裂縫轉(zhuǎn)向。

傳統(tǒng)單純從工程角度出發(fā)的壓裂設(shè)計(jì)已無(wú)法滿足低滲透及非常規(guī)油氣地質(zhì)、油藏與工程一體化的需求，必須進(jìn)行鉆井-完井-改造一體化造縫，要求設(shè)計(jì)人工裂縫與油氣藏有機(jī)匹配。目前采用“逆向設(shè)計(jì)、正向?qū)嵤蹦Ｊ酵瓿?。逆向設(shè)計(jì)是從體積改造技術(shù)逆向追溯選擇改造工具、完井方式、鉆井方式和井型設(shè)計(jì)的路徑進(jìn)行選擇，正向?qū)嵤閺木驮O(shè)計(jì)、鉆井方式、完井方式、改造工具到壓裂施工的路徑進(jìn)行。它改變了以往油氣井依靠自然能量、鉆井在前、改造在后的工程實(shí)施工作流程，實(shí)現(xiàn)了人工化改造為主的新思路，有利于選擇地下最優(yōu)儲(chǔ)集層裂縫改造技術(shù)，通過(guò)最佳鉆完井方案和采用大平臺(tái)井組鉆井最后精準(zhǔn)控制地下“人工油氣藏”人工裂縫系統(tǒng)。

井群“工廠化”壓裂技術(shù)，主要考慮井間作用，實(shí)施整體區(qū)塊的差異化井群壓裂改造。目前現(xiàn)場(chǎng)有兩種井組工廠化壓裂技術(shù)。一是多井同步壓裂，充分利用井間應(yīng)力干擾和應(yīng)力改向，促使水力裂縫擴(kuò)展過(guò)程中相互作用，增加水力裂縫改造體積，獲得連通多井井群式的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。二是拉鏈?zhǔn)綁毫眩饕菍煽谄叫?、距離較近的水平井井口連接，共用一套壓裂車組進(jìn)行24 h不間斷的交替分段壓裂，在對(duì)一口井壓裂的同時(shí)，對(duì)另一口井實(shí)施分段、射孔作業(yè)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)任意段數(shù)的壓裂，段與段之間的等候時(shí)間在2～3 h，作業(yè)效率提高3倍以上。新疆吉木薩爾凹陷致密油單井壓裂水平段長(zhǎng)1 300 m，單井總砂量1 300 m3，總液量16 000 m3，采用1平臺(tái)4口水平井平均20段壓裂作業(yè)，施工效率提高3倍，單井有效壓裂體積達(dá)3 000×104m3，通過(guò)井組式壓裂儲(chǔ)集層改造的范圍大幅度增加。

3.3.3 裂縫體系有效性評(píng)價(jià)技術(shù)

裂縫體系有效性評(píng)價(jià)關(guān)系到“人工油氣藏”是否科學(xué)建成并影響后續(xù)開(kāi)發(fā)，是“人工油氣藏”滲吸置換與能量補(bǔ)充開(kāi)采技術(shù)的基礎(chǔ)。目前主要綜合利用微地震監(jiān)測(cè)、微形變和示蹤劑等技術(shù)，分析壓裂裂縫體系的復(fù)雜程度，確定地下真實(shí)壓裂裂縫體系。微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)分析由壓裂誘發(fā)的巖石破裂或錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的微地震信號(hào)。通過(guò)微地震資料評(píng)價(jià)來(lái)監(jiān)測(cè)巖石破裂，從而確定水力裂縫空間發(fā)育情況。該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)裂縫長(zhǎng)度、高度和方位，并常用來(lái)評(píng)估儲(chǔ)集層改造體積。微形變技術(shù)是利用水力裂縫張開(kāi)引起的儲(chǔ)集層變形，通過(guò)部署在地面和井下的高靈敏度設(shè)備監(jiān)測(cè)水力裂縫誘發(fā)的變形場(chǎng)梯度，經(jīng)過(guò)反演獲得裂縫參數(shù)。示蹤劑技術(shù)是通過(guò)壓裂時(shí)注入示蹤劑，對(duì)比注入前后裂縫高度或進(jìn)液段長(zhǎng)度的測(cè)量結(jié)果，來(lái)確定裂縫參數(shù)，主要獲得井筒周圍裂縫高度、寬度、方位和傾角。在此基礎(chǔ)上，利用人工裂縫反演和數(shù)值模擬等技術(shù)，建立能夠反映地下實(shí)際情況的壓裂裂縫體系模型。根據(jù)該模型，可以評(píng)價(jià)體積改造的有效性、預(yù)測(cè)油氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)和補(bǔ)充能量開(kāi)發(fā)方式。

3.4 滲吸置換與能量補(bǔ)充開(kāi)采技術(shù)

滲吸置換和能量補(bǔ)充開(kāi)采技術(shù)是大幅度提高“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)效果的關(guān)鍵。

3.4.1 滲吸置換開(kāi)采技術(shù)

儲(chǔ)集層潤(rùn)濕性的評(píng)價(jià)是滲吸置換開(kāi)采技術(shù)的基礎(chǔ)。低滲及非常規(guī)油氣藏儲(chǔ)集層特點(diǎn)是儲(chǔ)集層礦物成分的復(fù)雜性及其分布的隨機(jī)性。這就決定了巖石孔隙表面的潤(rùn)濕性是不均勻的。據(jù)此提出了混合潤(rùn)濕概念，并利用核磁共振技術(shù)建立了低滲及非常規(guī)油氣藏混合潤(rùn)濕性測(cè)試方法。研究認(rèn)為：低滲透及非常規(guī)油氣儲(chǔ)集層多為混合潤(rùn)濕性，即在儲(chǔ)集層中有一部分為親水儲(chǔ)集層，另一部分為親油儲(chǔ)集層。如果親水部分大于親油部分，則儲(chǔ)集層總體呈現(xiàn)為親水性；如果親油部分大于親水部分，則儲(chǔ)集層總體呈現(xiàn)為親油性。研究表明中國(guó)典型致密油區(qū)總體潤(rùn)濕性多為弱親水或弱親油。根據(jù)儲(chǔ)集層的混合潤(rùn)濕性特點(diǎn)，用注入表面活性劑或納米材料來(lái)改變儲(chǔ)集層的潤(rùn)濕性，將親油界面轉(zhuǎn)變成親水界面來(lái)大幅度提高“人工油氣藏”置換驅(qū)油速度和效率。研發(fā)的新型壓裂液體系通過(guò)疏水締合作用吸附于原油表面使巖心變?yōu)樗疂駹顟B(tài)；與原油形成離子對(duì)將原油增溶到表面活性劑膠束內(nèi)，使原油剝離巖面降低油水界面張力，使得更多的原油成為可動(dòng)油，從而提高原油的采收率。該體系在滲吸實(shí)驗(yàn)時(shí)，巖心滲吸效率達(dá)到67.3%，比常規(guī)滲吸效率高出10個(gè)百分點(diǎn)。

滲吸置換技術(shù)貫穿于“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)全生命周期，在壓裂液蓄能開(kāi)發(fā)和補(bǔ)充能量開(kāi)發(fā)過(guò)程中起著重要作用。致密油壓裂液滲吸置換的采油過(guò)程如圖4所示。

圖4 壓裂液滲吸置換采油4個(gè)連續(xù)過(guò)程

壓裂液滲吸置換技術(shù)包括壓裂液注入、燜井、返排3個(gè)階段和4個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。在注入和燜井階段中滲吸置換和驅(qū)替起主導(dǎo)作用，主要包含滲吸置換和縫間、段間驅(qū)替兩個(gè)過(guò)程。在滲吸置換過(guò)程中（見(jiàn)圖4a），由于致密油儲(chǔ)集層具有微納米級(jí)喉道，孔喉半徑小，引起的毛細(xì)管力大，在體積壓裂注入大量壓裂液形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)的同時(shí)，通過(guò)注入壓裂液體系改變巖石的潤(rùn)濕性，使巖石由親油逐漸轉(zhuǎn)變成親水，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)。通過(guò)毛細(xì)管力引起滲吸效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)油與壓裂液的滲吸置換作用，即將基質(zhì)巖塊內(nèi)的油置換到人工裂縫系統(tǒng)，而把壓裂液置換到基質(zhì)系統(tǒng)。在縫間、段間驅(qū)替過(guò)程中（見(jiàn)圖4b），由于儲(chǔ)集層非均質(zhì)特點(diǎn)，壓裂液向裂縫和基質(zhì)推進(jìn)時(shí)，在不同壓裂段間的流動(dòng)存在流動(dòng)壓差和非均勻驅(qū)替，從而導(dǎo)致不同人工裂縫間和改造段間的相互驅(qū)替，將基質(zhì)和裂縫中的油驅(qū)替出來(lái)，實(shí)現(xiàn)人工裂縫間的驅(qū)替作用。在返排階段，主要包含基質(zhì)和裂縫系統(tǒng)泄油2個(gè)過(guò)程（見(jiàn)圖4c和圖4d）。返排時(shí)，井筒和井口附近的人工裂縫系統(tǒng)壓力下降較快處于相對(duì)低壓區(qū)，而基質(zhì)和遠(yuǎn)離井口端的微裂縫系統(tǒng)壓力下降慢處于相對(duì)高壓區(qū)，這些壓差導(dǎo)致了原油從基質(zhì)向微細(xì)分支裂縫、微細(xì)分支裂縫向人工壓裂縫、人工壓裂縫向井筒的滲流，將原油采出。通過(guò)大排量、大液量的滲吸置換，壓裂液不但補(bǔ)充了地層能量，而且還提高了采出程度。

實(shí)驗(yàn)研究表明：對(duì)于不同滲透率級(jí)別的儲(chǔ)集層，隨著滲透率的降低，驅(qū)替采出程度降低，而滲吸采出程度明顯增加（見(jiàn)表1）。通過(guò)礦場(chǎng)實(shí)踐，研究確定儲(chǔ)集層潤(rùn)濕性、人工裂縫開(kāi)啟的接觸面積、礦化度、黏度、表面活性劑、pH值是6項(xiàng)影響壓裂液滲吸置換的主控因素。巖石越親水，滲吸效果越好，由強(qiáng)水濕、中等水濕、弱水濕到油濕，滲吸效果逐漸變差。同等條件下人工裂縫開(kāi)啟的接觸面積越大，滲吸效果越好；通過(guò)改變壓裂液的礦化度、黏度、表面活性劑及pH值，可以提高滲吸作用效果。

表1 不同滲透性儲(chǔ)集層滲吸及驅(qū)替采出程度對(duì)比

結(jié)合中國(guó)典型致密油田巖心的滲透率、孔隙度、裂縫發(fā)育情況和儲(chǔ)集層巖石潤(rùn)濕性特征，與物理模擬實(shí)驗(yàn)成果及壓裂實(shí)踐相結(jié)合，給出了中國(guó)典型致密油儲(chǔ)集層滲吸置換技術(shù)決策模式（見(jiàn)表2）。該模式在準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖等區(qū)塊應(yīng)用49口井，增產(chǎn)改造效果顯著，壓后效果比常規(guī)技術(shù)提高2倍，為數(shù)十億噸低滲透及致密油儲(chǔ)量有效開(kāi)發(fā)提供技術(shù)保障。

表2 中國(guó)典型致密油儲(chǔ)集層滲吸置換改造技術(shù)體系

3.4.2 能量補(bǔ)充技術(shù)

“人工油氣藏”經(jīng)過(guò)壓裂液補(bǔ)充能量、注水吞吐或注氣吞吐、持續(xù)補(bǔ)充能量采油3個(gè)階段，可大幅提高“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)效果。第1階段為體積壓裂改造后，壓裂液補(bǔ)充能量階段。在對(duì)鄂爾多斯盆地致密油體積壓裂過(guò)程中，大量壓裂液的注入增加了近井地層壓力。西峰油田西233區(qū)塊YP1井地層壓力增加了2.4 MPa，改善了近井地帶的滲流環(huán)境。第2階段為注水吞吐或注氣吞吐采油階段。當(dāng)壓裂液不能較好補(bǔ)充地層能量時(shí)，需要外界進(jìn)行能量補(bǔ)充。致密油儲(chǔ)集層由于微納米級(jí)孔喉發(fā)育，用傳統(tǒng)注采井網(wǎng)難以建立有效驅(qū)替壓力體系，因而提出了“人工油氣藏”注水吞吐或注氣吞吐來(lái)進(jìn)行能量補(bǔ)充的開(kāi)發(fā)方式。高壓大模型物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：注水吞吐或注氣吞吐可以有效提高致密油的開(kāi)發(fā)效果，注氣（CO2）吞吐的采收率為21.5%，比彈性驅(qū)采收率高12.5個(gè)百分點(diǎn)。第3階段為持續(xù)補(bǔ)充能量采油階段。當(dāng)注入流體吞吐采油經(jīng)過(guò)多輪次后，吞吐效果變差，而此時(shí)儲(chǔ)集層經(jīng)過(guò)多輪次吞吐后，儲(chǔ)集層滲流阻力降低，通過(guò)補(bǔ)打加密井，建立有效驅(qū)動(dòng)的注采井網(wǎng)體系，進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)充能量采油。目前鄂爾多斯盆地典型致密油區(qū)應(yīng)用壓裂液補(bǔ)充能量和注水吞吐補(bǔ)充能量技術(shù)，取得較好應(yīng)用效果。

3.5 基于云計(jì)算的“人工油氣藏”智能管理技術(shù)

基于云計(jì)算[32-36]的“人工油氣藏”智能管理技術(shù)方法，統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理大量油田計(jì)算資源和外部信息資源，形成集勘探-開(kāi)發(fā)-工程-生產(chǎn)為一體的油田信息智能系統(tǒng)，為油氣藏開(kāi)發(fā)提供管理手段和科學(xué)決策依據(jù)。該技術(shù)充分利用“人工油氣藏”的信息化資源，高效分析油氣田內(nèi)外部數(shù)據(jù)，引入專家診斷，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油氣田生產(chǎn)狀態(tài)，優(yōu)化生產(chǎn)開(kāi)發(fā)方案，實(shí)現(xiàn)資源的高效配置，大幅度降低企業(yè)成本?？筛鶕?jù)油田目前基礎(chǔ)設(shè)施及系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建“人工油氣藏”的混合云，即基礎(chǔ)設(shè)施云、功能服務(wù)云和業(yè)務(wù)應(yīng)用云，實(shí)現(xiàn)油氣田智慧開(kāi)發(fā)。

基礎(chǔ)設(shè)施云以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合油田內(nèi)部生產(chǎn)數(shù)據(jù)和外部油價(jià)數(shù)據(jù)，使用大量信息采集設(shè)備和傳輸設(shè)備，集中油田各處的分散資源，有機(jī)結(jié)合油田產(chǎn)量控制與油價(jià)波動(dòng)，高效調(diào)動(dòng)生產(chǎn)資料?；A(chǔ)設(shè)施云負(fù)責(zé)采集傳輸兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：一部分為內(nèi)部因素?cái)?shù)據(jù)，以油田儲(chǔ)集層物性參數(shù)和生產(chǎn)參數(shù)為主，關(guān)系油氣藏開(kāi)發(fā)的難易程度；另一部分為外部因素?cái)?shù)據(jù)，以原油價(jià)格和開(kāi)采成本為主，關(guān)系油氣藏開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。

功能服務(wù)云提供油氣藏有效經(jīng)營(yíng)管理服務(wù)，通過(guò)儲(chǔ)集層分類評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)形成開(kāi)發(fā)方案庫(kù)，建立海量數(shù)據(jù)與開(kāi)發(fā)方式的聯(lián)系，數(shù)字化油氣田儲(chǔ)集層特征和生產(chǎn)過(guò)程。利用油氣井生產(chǎn)參數(shù)反饋開(kāi)發(fā)方案效果，比對(duì)方案庫(kù)方案，傳遞最優(yōu)方案給業(yè)務(wù)應(yīng)用云，輔助決策生產(chǎn)。

業(yè)務(wù)應(yīng)用云直接面向油田生產(chǎn)者，利用通信終端設(shè)備訪問(wèn)智能開(kāi)發(fā)管理系統(tǒng)。用戶只需登錄油田局域網(wǎng)即可獲取云平臺(tái)的資源，包括油田數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)狀況監(jiān)控、開(kāi)發(fā)方案制定等，實(shí)現(xiàn)各地各級(jí)專家對(duì)系統(tǒng)的管理與升級(jí)，結(jié)合評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整開(kāi)發(fā)方案。

4 工業(yè)試驗(yàn)成效及展望

預(yù)測(cè)21世紀(jì)石油工業(yè)可能將經(jīng)歷3次工業(yè)革命：2010年前后的頁(yè)巖氣革命、2030年前后的頁(yè)巖油革命、2050年前后的天然氣水合物革命。3次革命可能將是“人工油氣藏”理論技術(shù)實(shí)踐的典范。如圖2所示，頁(yè)巖氣已依托水平井體積壓裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)式“工廠化”井群開(kāi)發(fā)；頁(yè)巖油可能將依托“地下電加熱輕質(zhì)化”等技術(shù)，使黏稠液態(tài)烴輕質(zhì)化、殘余干酪根再轉(zhuǎn)化，形成更多的新生液態(tài)烴，同時(shí)伴生形成新的地下縫網(wǎng)系統(tǒng)、超壓環(huán)境，大幅提高石油采收率，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)開(kāi)采，相當(dāng)于“地下煉油廠”；天然氣水合物將通過(guò)升溫降壓形成“人工氣藏”，也可能實(shí)現(xiàn)規(guī)模安全開(kāi)采。

“人工油氣藏”技術(shù)是一項(xiàng)勘探-開(kāi)發(fā)-工程-生產(chǎn)-信息一體化集成技術(shù)系統(tǒng)，探索了大規(guī)模注液、能量補(bǔ)充和滲吸置換壓裂的工業(yè)化試驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)致密油、頁(yè)巖氣等5大區(qū)塊開(kāi)展235井次先導(dǎo)性試驗(yàn)，致密油的開(kāi)采效果比以往常規(guī)技術(shù)提高了2倍，頁(yè)巖氣實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)發(fā)，展示出良好應(yīng)用前景，有望成為未來(lái)低滲、特低滲及非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)革命性理念和技術(shù)。

例如，在準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖億噸級(jí)儲(chǔ)量油田，儲(chǔ)集層以砂礫巖為主，埋深3 750～3 900 m，厚度3.4～23.0 m，平均孔隙度9.8%，壓力系數(shù)1.6～1.8，儲(chǔ)集層低孔、低滲特征明顯，壓前無(wú)自然產(chǎn)能，均需壓裂改造提高單井產(chǎn)量。前期采用直井注水井網(wǎng)的開(kāi)發(fā)模式，但壓裂后單井產(chǎn)量只有5 m3/d，壓力衰竭快，有效期短（180 d），注水壓力高、效果差，直井注水開(kāi)發(fā)模式經(jīng)濟(jì)效益有限。2015年以來(lái)，探索應(yīng)用“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)新理念，采用“地質(zhì)甜點(diǎn)、工程甜點(diǎn)”一體化，逆向設(shè)計(jì)技術(shù)布井、一個(gè)平臺(tái)布置4口水平井，優(yōu)化水平井井間距300 m，進(jìn)行大規(guī)?？焖僮⑷耄瑢?shí)現(xiàn)井間能量補(bǔ)充，水平井長(zhǎng)度增加到2 000 m，改造段數(shù)由以往5～10段增加到10～20段，大規(guī)模、細(xì)切割、能量補(bǔ)充壓裂后，注入液量比以往高1倍，壓力降低速度減小33%，同期返排率降低20%，實(shí)現(xiàn)了液體對(duì)地層能量的有效補(bǔ)充，累計(jì)產(chǎn)量提高10%～20%，水平井日產(chǎn)原油最高達(dá)到104 t，是以往同類井的2～3倍。滲吸置換驅(qū)油壓裂技術(shù)在同等地質(zhì)條件下、同等規(guī)模下，隨著驅(qū)油劑與地層微細(xì)喉道中油的置換，壓力比鄰井更趨于平穩(wěn)，同時(shí)累計(jì)產(chǎn)量有所增加，說(shuō)明采用驅(qū)油壓裂利于地層能量和產(chǎn)量的提高，為探索新模式提供依據(jù)。目前正開(kāi)展水平井井間驅(qū)替、井間能量補(bǔ)充、多場(chǎng)變化研究，積極探索采用水平井井群式開(kāi)發(fā)模式，采出程度可達(dá)15%，高于同類儲(chǔ)集層5%～8%，將為“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)新理念提供重要的示范意義。

在四川盆地海相頁(yè)巖氣工業(yè)化試驗(yàn)中，已具備3 500 m以淺頁(yè)巖氣體積壓裂核心技術(shù)，形成“選準(zhǔn)甜點(diǎn)區(qū)、打進(jìn)甜點(diǎn)段、壓開(kāi)甜點(diǎn)層”技術(shù)系列，初步建立“人工造藏”理論技術(shù)支撐的井位部署-鉆井-完井-壓裂-開(kāi)采的頁(yè)巖氣一體化開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。截至目前，在四川盆地五峰組—龍馬溪組探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量5 441×108m3，鉆水平井450口，投產(chǎn)井384口，單井日產(chǎn)（12～33）×104m3/d，建成產(chǎn)能107×108m3，年產(chǎn)量達(dá)近80× 108m3，累計(jì)生產(chǎn)120×108m3。預(yù)測(cè)單井最終采出量為（0.8～1.6）×108m3。其中，中國(guó)石油頁(yè)巖氣共完成107口水平井的部署、完井、改造和生產(chǎn)。水平段長(zhǎng)度769～1 800 m，分壓段間距62～92 m，簇間距20～30 m，施工排量7.0～15.2 m3/min，平均單段液量1 891 m3，平均單段砂量93.4 t，平均砂液比3.1%，單井最大液量51 607 m3，單井最大加砂量2 792 t，形成了一個(gè)平臺(tái)多口井的壓裂改造方式，增產(chǎn)改造效果顯著，壓后平均測(cè)試產(chǎn)量15.69×104m3/d，實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣的商業(yè)化開(kāi)發(fā)。

全球常規(guī)與非常規(guī)油氣資源比例大約為2∶8，未來(lái)非常規(guī)油氣將逐漸成為“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)的主體[37]。中國(guó)非常規(guī)油氣資源豐富，中國(guó)非常規(guī)石油地質(zhì)資源初步評(píng)價(jià)為（223～263）×108t，天然氣地質(zhì)資源量（890～1 260）×1012m3。中國(guó)非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)進(jìn)展迅速。目前致密油氣水平井規(guī)模壓裂、頁(yè)巖氣3 500 m以淺大平臺(tái)“工廠化”開(kāi)采、800 m以淺煤層氣多井型開(kāi)發(fā)、致密油氣水平井工業(yè)試驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟。中國(guó)致密油氣及頁(yè)巖氣、煤層氣等基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化發(fā)展，非常規(guī)天然氣的產(chǎn)量已占整個(gè)天然氣30%以上，成為中國(guó)油氣勘探開(kāi)發(fā)重要接替領(lǐng)域。同時(shí)，常規(guī)資源的剩余領(lǐng)域也同樣面臨資源品質(zhì)變差、品位變低，油氣動(dòng)用難度加大等難題，也需要轉(zhuǎn)變開(kāi)發(fā)理念和技術(shù)。因此“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)理論與技術(shù)，可能將為常規(guī)剩余低與特低滲透油氣、非常規(guī)油氣等資源開(kāi)辟一條全新的開(kāi)發(fā)技術(shù)路線。

5 結(jié)論

提出“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)概念和新理念，是以低滲透及非常規(guī)油氣為對(duì)象，以滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、溫度場(chǎng)“四場(chǎng)”作用為機(jī)制，利用井群、體積壓裂和注入流體等人工措施，實(shí)現(xiàn)規(guī)模開(kāi)發(fā)，大幅度提高低滲透及非常規(guī)油氣的采收率。

提出“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)理論內(nèi)涵、創(chuàng)建5套“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)技術(shù)體系，擬構(gòu)建未來(lái)智慧油氣田。

在國(guó)內(nèi)5大致密油、頁(yè)巖氣區(qū)開(kāi)展235井次先導(dǎo)性試驗(yàn)，致密油壓后開(kāi)采效果比以往常規(guī)技術(shù)提高2倍，頁(yè)巖氣規(guī)模應(yīng)用實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)發(fā)，“人工油氣藏”開(kāi)發(fā)展示出良好應(yīng)用前景。

理論技術(shù)創(chuàng)新是一項(xiàng)系統(tǒng)工程和長(zhǎng)期過(guò)程?！叭斯び蜌獠亍崩砟?、理論和技術(shù)研究的時(shí)間較短，需要持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展，如有不妥之處，希望讀者批評(píng)指正。

致謝：“人工油氣藏”理論技術(shù)創(chuàng)新工程是中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院團(tuán)隊(duì)集體創(chuàng)新的重要成果之一，在攻關(guān)研究中還有劉學(xué)偉、熊生春、何英、李海波、張亞蒲、崔偉香等參與了工作，在此一并表示感謝。

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（編輯 許懷先 胡葦瑋）

Concept,technology and practice of “man-made reservoirs” development

ZOU Caineng1,2,DING Yunhong2,LU Yongjun2,LIU Xiangui2,CHEN Jianjun2,WANG Xin2,YANG Zhengming2,CAI Bo2,YANG Zhi1,HE Chunming2,WANG Zhen2,LUO Yutian2
(1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development,Beijing 100083,China; 2.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development - Langfang Branch,Langfang 065007,China)

Oil and gas resources in low permeability and unconventional reservoirs are playing more and more important role in global energy supply,and are confronted with pressing problems in hard development,quick production decline,low recovery efficiency and high exploitation cost.Therefore,new development concept “man-made reservoirs” and a complete set of techniques and methods are proposed.With “sweet spots” as units,an integrated way of fracturing,injection and recovery is presented for the low permeability oil and gas resources to reconstruct the underground seepage field and petroleum output system and finally to realize enhancement of the recovery efficiency.Well-group development,fracturing and targeted fluid injection are applied to change the underground seepage field,supplement the formation energy,and form “man-made high permeability area” and “reconstructed seepage field”.By integration of information technology including big data,cloud computing,artificial intelligence etc.,an integrated information management platform of “man-made reservoirs” including geology,development,production,management and decision has been set up,and large-scale,effective and sustainable development of this kind of resources are realized.Five series techniques are developed including 3D seismic geological evaluation for sweet spot area,well-group platform development,intellectual volume fracture,imbibition displacement and energy complement development,and intellectual management development based on cloud computing for “man-made reservoir”.In China,five blocks of shale gas and tight oil have been tested 235 times,and the effect of tight oil fracturing and output was 2 times better than that before,has achieved business development and showed bright perspectives.

tight oil and gas; shale oil and gas; man-made reservoir; well cluster development; volume stimulation; imbibition displacement; enhanced recovery; intellectual development; big data; cloud computing; smart field

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2014CB239000）

TE3

：A

1000-0747(2017)01-0144-11

10.11698/PED.2017.01.18

鄒才能（1963-），男，重慶江北人，中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院教授級(jí)高級(jí)工程師、博士生導(dǎo)師，李四光地質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)獲得者，主要從事非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)、巖性地層油氣藏、天然氣等地質(zhì)理論技術(shù)研究及勘探生產(chǎn)實(shí)踐等工作。地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路20號(hào)，中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院院辦，郵政編碼：100083。E-mail：zcn@petrochina.com.cn

2016-09-26

2016-11-30