中國(guó)在盆地外頁(yè)巖氣、煤層氣勘探開發(fā)的探索與創(chuàng)新實(shí)踐

郭彤樓

中國(guó)南方古生界油氣勘探經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷程，國(guó)家層面組織了多輪科技攻關(guān)，但在四川盆地之外的古生代地層，一直沒有取得突破，實(shí)現(xiàn)盆地外油氣勘探的突破，是幾代中國(guó)石油地質(zhì)人的夢(mèng)想。無論是北美地區(qū)，還是我國(guó)頁(yè)巖氣、煤層氣勘探開發(fā)取得成功的區(qū)塊，主要位于構(gòu)造穩(wěn)定的盆地內(nèi)。而我國(guó)南方地區(qū)，經(jīng)歷多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造，勘探目的層系支離破碎，連續(xù)分布面積小，保存條件差，但蘊(yùn)藏資源量較大。2009年以來，中國(guó)石化華東石油局轉(zhuǎn)變思路，從盆地外常規(guī)天然氣勘探轉(zhuǎn)向?qū)ふ页喉?yè)巖氣、煤層氣，在重慶彭水、武隆地區(qū)取得常壓頁(yè)巖氣勘探突破，在貴州織金地區(qū)實(shí)現(xiàn)煤層氣勘探開發(fā)突破。

一、從基礎(chǔ)做起，建立非常規(guī)天然氣實(shí)驗(yàn)室

2009年，中國(guó)石化華東石油局開始致力于非常規(guī)油氣實(shí)驗(yàn)分析，建立非常規(guī)油氣資源實(shí)驗(yàn)中心，重點(diǎn)建設(shè)和發(fā)展頁(yè)巖氣、煤層氣特色實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，引進(jìn)一批針對(duì)非常規(guī)油氣勘探開發(fā)需要的科研儀器設(shè)備，專門培訓(xùn)高素質(zhì)專業(yè)人才隊(duì)伍。經(jīng)過幾年的努力，形成了四大非常規(guī)實(shí)驗(yàn)技術(shù)系列（巖心處理技術(shù)系列、頁(yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)技術(shù)系列、頁(yè)巖氣開發(fā)實(shí)驗(yàn)技術(shù)系列、煤層氣實(shí)驗(yàn)技術(shù)系列）和六項(xiàng)核心技術(shù)（頁(yè)巖巖心前處理技術(shù)、頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)、頁(yè)巖GRI物性評(píng)價(jià)技術(shù)、頁(yè)巖含氣性評(píng)價(jià)技術(shù)、頁(yè)巖氣開發(fā)實(shí)驗(yàn)技術(shù)、長(zhǎng)巖心CO2驅(qū)油物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)）。

頁(yè)巖氣、煤層氣實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2012年通過CNAS認(rèn)可，先后同國(guó)際、國(guó)內(nèi)30多家企業(yè)、高校合作，業(yè)務(wù)遍及四川盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地、黔南、渝東南、湘鄂西、下?lián)P子區(qū)等眾多地域，引領(lǐng)國(guó)內(nèi)非常規(guī)天然氣實(shí)驗(yàn)室技術(shù)發(fā)展，支撐國(guó)內(nèi)非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)。

1.煤層氣實(shí)驗(yàn)室測(cè)試特色技術(shù)系列

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)，通過引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，因地制宜地建立了含氣性分析、煤質(zhì)分析、煤巖分析、巖石力學(xué)、水質(zhì)分析等5大類、26項(xiàng)指標(biāo)的煤層氣實(shí)驗(yàn)技術(shù)系列。

2.探索頁(yè)巖氣實(shí)驗(yàn)室測(cè)試特色技術(shù)系列

自主設(shè)計(jì)、創(chuàng)建國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的巖心前處理技術(shù)以及巖石礦物、有機(jī)地化、儲(chǔ)層物性、巖石力學(xué)、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、含氣性、儲(chǔ)層敏感性等8大類、54項(xiàng)指標(biāo)的頁(yè)巖氣實(shí)驗(yàn)技術(shù)系列。

頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)：包括氬離子拋光—掃描電鏡測(cè)試技術(shù)，優(yōu)化參數(shù)形成兩種氬離子拋光技術(shù)，利用圖像分析系統(tǒng)定量化表征孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，開展有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)研究；原子力顯微鏡（AFM）測(cè)試技術(shù)，揭示有機(jī)孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)及孔隙連通性，為深入研究有機(jī)質(zhì)孔隙提供新的手段；比表面—孔徑分布測(cè)試技術(shù)，開展低溫氣體吸附測(cè)試，研究孔隙類型、比表面積、孔容及孔徑分布，對(duì)于有效孔徑分布、辨識(shí)更精準(zhǔn)。

頁(yè)巖GRI物性評(píng)價(jià)技術(shù)：包括氦氣法總孔隙度、脈沖滲透率、基質(zhì)滲透率、流體飽和度。2011年國(guó)內(nèi)首家引進(jìn)并建立GRI法頁(yè)巖物性分析技術(shù)。在改進(jìn)測(cè)試環(huán)境條件下，不但大大提高工效，與Core Lab、Weatherford對(duì)標(biāo)滲透率、孔隙度，測(cè)試結(jié)果一致。

含氣性評(píng)價(jià)技術(shù) ：包括現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試技術(shù)，自主研發(fā)無壓阻微壓損型“頁(yè)巖解吸氣連續(xù)組分自動(dòng)測(cè)試儀”，獲得5項(xiàng)專利；等溫吸附測(cè)試技術(shù)，縮短試驗(yàn)周期，降低誤差，測(cè)試結(jié)果可信。

二、常壓頁(yè)巖氣取得突破，正在建設(shè)常壓頁(yè)巖氣開發(fā)試驗(yàn)區(qū)

在學(xué)習(xí)北美頁(yè)巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，尤其注重開展南方盆外地區(qū)與北美地區(qū)地質(zhì)條件的差異性研究。通過地層、構(gòu)造、沉積相和含油氣性的研究，從層系上確定志留系龍馬溪組為首要勘探目的層，其質(zhì)量、分布、埋深作為選區(qū)的首要條件；在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)南方復(fù)雜構(gòu)造的特點(diǎn)，把構(gòu)造穩(wěn)定、保存條件，作為勘探靶區(qū)的關(guān)鍵因素；根據(jù)上述條件，開展系列地質(zhì)編圖和綜合研究，借鑒北美地區(qū)頁(yè)巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立了適合南方盆地外復(fù)雜地質(zhì)條件的選區(qū)評(píng)價(jià)體系，確定彭水、武隆地區(qū)為主要勘探區(qū)塊。

彭水是2010年國(guó)土部授予中石化的一個(gè)頁(yè)巖氣專屬區(qū)塊。彭水、武隆地區(qū)位于四川盆地外的隔槽式褶皺區(qū)，包括桑柘坪、武隆、道真、灣地、大石壩等向斜。優(yōu)選彭水地區(qū)桑柘坪向斜作為首要勘探目標(biāo)，實(shí)施鉆探彭頁(yè)1井。彭頁(yè)1井直井在志留系龍馬溪組地層中鉆遇到優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣，遂實(shí)施彭頁(yè)HF-1井水平井鉆探，于2012年3月3日完鉆，完鉆斜深3446m，垂深2525.65m，水平段長(zhǎng)1020m，分12段壓裂，2012年7月獲得日產(chǎn)2.5萬方的工業(yè)氣流，是中國(guó)石化第一口海相頁(yè)巖氣發(fā)現(xiàn)井，也是中國(guó)在盆地之外第一口頁(yè)巖氣突破井，實(shí)現(xiàn)了南方海相頁(yè)巖氣的戰(zhàn)略突破。“彭水地區(qū)海相頁(yè)巖氣找礦實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略性突破”獲中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)2012年度十大地質(zhì)科技進(jìn)展。

2016年承擔(dān)國(guó)家科技重大專項(xiàng) “彭水地區(qū)常壓頁(yè)巖氣勘探開發(fā)示范工程”，目標(biāo)是通過對(duì)常壓頁(yè)巖氣的理論創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)，以彭水地區(qū)五峰—龍馬溪組為主要研究層系，開展頁(yè)巖氣藏富集主控因素研究，形成常壓頁(yè)巖氣綜合評(píng)價(jià)技術(shù)體系，指出勘探開發(fā)的靶區(qū)；以實(shí)現(xiàn)常壓頁(yè)巖氣效益開發(fā)為目標(biāo)，開展?jié)B流機(jī)理、產(chǎn)能評(píng)價(jià)及數(shù)值模擬研究，形成常壓頁(yè)巖氣藏技術(shù)經(jīng)濟(jì)開發(fā)政策；通過工程工藝技術(shù)創(chuàng)新與集成，形成常壓頁(yè)巖氣高效鉆完井、壓裂、采氣及集輸工藝配套技術(shù)；控制頁(yè)巖氣1000億方以上的儲(chǔ)量規(guī)模，建成2億方產(chǎn)能規(guī)模的常壓頁(yè)巖氣開發(fā)試驗(yàn)區(qū)；建立鉆后治理、環(huán)境保護(hù)和水土資源綜合利用的常壓頁(yè)巖氣勘探開發(fā)示范工程，形成常壓頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的“彭水模式”。

三、南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)煤層氣勘探開發(fā)取得突破

2009年以來，中石化華東石油局對(duì)盆外織金—郎岱—安順區(qū)塊展開煤層氣資源選區(qū)評(píng)價(jià)研究，中國(guó)南方滇東—黔西及川南—黔北地區(qū)煤層分布廣、層數(shù)多、累計(jì)厚度大，并且煤層含氣量高、煤層氣資源大。研究發(fā)現(xiàn)貴州織金地區(qū)發(fā)育“龍?zhí)缎汀泵簩忧颐簩雍瑲庑愿撸齑_定織金地區(qū)為重點(diǎn)攻關(guān)區(qū)，并投入勘探實(shí)物工作量。通過不斷自主研發(fā)和引進(jìn)，探索盆外煤層氣勘探的一系列評(píng)價(jià)方法和適用技術(shù)，煤層氣地球物理勘探、鉆探、完井、壓裂技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試特色技術(shù)得到很大的提高，并取得煤層氣勘探開發(fā)的突破。

1.不斷完善盆外復(fù)雜構(gòu)造區(qū)煤層氣選區(qū)選層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

盆外地區(qū)煤層氣勘探中注重構(gòu)造變形特點(diǎn)及其控制的煤體結(jié)構(gòu)因素，以寬緩次級(jí)向斜構(gòu)造為目標(biāo)，結(jié)合單煤層厚度、高含氣量等參數(shù)，以煤組為單位，尋找低含水、弱變形、多可采煤層、高地層壓力、高解吸壓力的突破目標(biāo)。中國(guó)南方煤層氣地層具有高變質(zhì)、高含氣的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還有構(gòu)造復(fù)雜、構(gòu)造煤發(fā)育，煤層薄，橫向變化大的不利因素。在次級(jí)向斜的翼部，構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，地層連續(xù)性好，展布平緩，傾角一般<20°，是煤層氣勘探的有利區(qū)。相反，對(duì)于緊閉型的向斜或次向斜，地層強(qiáng)烈擠壓變形，傾角≥45°，不利于煤層氣的富集。織金地區(qū)構(gòu)造變形較弱，發(fā)育穩(wěn)定、寬緩含煤向斜，煤體結(jié)構(gòu)保存較好，以碎裂煤為主，煤層多，厚度大，含氣量高，列為首個(gè)攻關(guān)區(qū)。

2.率先發(fā)現(xiàn)織金區(qū)塊，實(shí)現(xiàn)盆外復(fù)雜構(gòu)造區(qū)煤層氣勘探重大突破

織金地區(qū)巖腳向斜可進(jìn)一步分為珠藏、三塘、比德、水公河、阿弓等5個(gè)次級(jí)向斜構(gòu)造，龍?zhí)督M潮坪—三角洲發(fā)育，縱向上含3個(gè)煤組，具有煤層多（12?30層）、分布穩(wěn)定、累厚大（大于10m）的特點(diǎn)，是煤層氣勘探的有利目標(biāo)區(qū)。

2009年，華東石油局在織金區(qū)塊鉆探織1、2、3煤層氣參數(shù)井，織2井最大產(chǎn)氣量2803m3/d，織3井產(chǎn)氣量突破1173m3/d，揭示織金區(qū)塊有利的煤層氣地質(zhì)條件和良好的勘探潛力。為了擴(kuò)大煤層氣勘探成果，2011年甩開勘探，實(shí)施織4、5、6、7探井，其中織4、5井產(chǎn)量分別達(dá)到2400m3/d和2830m3/d，進(jìn)一步拓展織金煤層氣勘探有利區(qū)。

3.探索南方地表、地下雙復(fù)雜地區(qū)地震成像技術(shù)

中國(guó)南方碳酸鹽巖大面積覆蓋的復(fù)雜山地領(lǐng)域，地震地質(zhì)條件十分復(fù)雜，經(jīng)過幾十年的不斷攻關(guān)，依然未取得實(shí)質(zhì)性突破，這也是制約盆地外油氣勘探的主要瓶頸。為獲取滿足淺層龍?zhí)督M煤層氣勘探需要的高分辨率、高信噪比和高精度地震資料，華東石油局堅(jiān)持開展精細(xì)的采集-處理攻關(guān)試驗(yàn)，積極探索適合盆外淺層煤層氣勘探的地震采集-處理技術(shù)方法。

2010年，針對(duì)龍?zhí)督M煤層氣實(shí)施GZ2010NW561線，進(jìn)行二次方法論證攻關(guān)試驗(yàn)，開展系統(tǒng)的野外采集方法論證，同時(shí)還進(jìn)行常規(guī)檢波器與第一代數(shù)字檢波接收效果對(duì)比試驗(yàn)，確定合適的觀測(cè)系統(tǒng)和采集方法。資料處理中采用層析靜校正，加強(qiáng)速度分析和剩余靜校正迭代處理，試驗(yàn)DMO（傾角時(shí)差校正）處理等參數(shù)，獲得二疊系龍?zhí)督M底界及其以上地層的連續(xù)有效反射，初步形成適合中國(guó)南方煤層氣勘探的地震采集-處理技術(shù)。隨后實(shí)施二維地震257km/9條。

2013年，在上一輪攻關(guān)的基礎(chǔ)上，施工采用數(shù)字檢波器、單點(diǎn)小道距、高覆蓋、高密度、高分辨采集等關(guān)鍵方法，在織金區(qū)塊加密二維地震測(cè)線77km/3條。資料處理中加強(qiáng)靜校正、速度分析、加權(quán)道組合等方法測(cè)試和研究。地震資料信噪比、連續(xù)性和保真度較高；淺、中、深層反射波組齊全；資料處理與地質(zhì)解釋緊密結(jié)合，龍?zhí)督M煤層連續(xù)性、展布特征和斷層發(fā)育情況更準(zhǔn)確，能夠更好滿足煤層氣勘探需要。

同時(shí)，利用煤層氣國(guó)家重大專項(xiàng)，在龍?zhí)督M埋藏淺的織金地區(qū)開展三維地震試驗(yàn)。結(jié)果表明，三維地震資料的成像效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于二維地震資料，并且精細(xì)落實(shí)煤層構(gòu)造形態(tài)以后，三維地震資料還有利于煤層含氣性的預(yù)測(cè)。

4.完善優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)煤層氣測(cè)井選層技術(shù)，支撐勘探開發(fā)

利用測(cè)井資料，建立優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)煤層氣判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤層氣富集高產(chǎn)段。

織金區(qū)塊內(nèi)煤層測(cè)井響應(yīng)的三孔隙曲線特征最為明顯，高聲波時(shí)差、低密度、高中子特征與氣測(cè)及巖屑錄井等參數(shù)對(duì)應(yīng)性最強(qiáng)。煤體結(jié)構(gòu)較為完整、含氣量較高的碎裂煤煤層測(cè)井響應(yīng)以電阻R≥50Ω·m，聲波時(shí)差Δt≥400μs/m為標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此，對(duì)織5井等進(jìn)行選層，高電阻、高聲波測(cè)井響應(yīng)煤層產(chǎn)氣最高達(dá)2830m3/d。

中國(guó)的非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)，經(jīng)過近10年的實(shí)踐，在理論、技術(shù)和產(chǎn)量、儲(chǔ)量等方面，都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。但總體還存在規(guī)模小、技術(shù)適應(yīng)性不夠等難題，有待進(jìn)一步攻關(guān)，特別是在盆地外，面對(duì)復(fù)雜的地下、地面條件，還存在諸多挑戰(zhàn)。而這些地區(qū)，資源潛力大，在中國(guó)更具代表性，我們作了一些積極的探索，取得了局部突破，但還需立足長(zhǎng)期、系統(tǒng)地科技創(chuàng)新，才能真正實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣、煤層氣在我國(guó)的大發(fā)展。