俄羅斯頁巖油地質特征及勘探開發(fā)進展

梁新平,金之鈞,Alexander Shpilman,殷進垠,劉全有,Boris Uspensky

[1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 2.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249;3.漢特-曼西斯克州國有地下資源合理利用分析研究中心， 俄羅斯 秋明 625026;4.喀山聯(lián)邦大學 地質與石油技術研究院 ，俄羅斯 喀山420008]

美國頁巖油氣勘探開發(fā)的成功極大地推動了世界范圍內對頁巖油氣資源的探索。全球范圍內除美國之外,俄羅斯、中國、加拿大和阿根廷等也有巨大的頁巖油氣資源潛力。近年來俄羅斯開始密切關注非常規(guī)石油的前景,雖然勘探開發(fā)區(qū)塊不多,但在東歐地臺和西西伯利亞地臺早已有針對非常規(guī)頁巖油層段布置的參數(shù)井,如位于韃靼斯坦共和國、烏得穆爾特共和國、烏里楊地區(qū)和漢特-曼西斯克地區(qū)等[1-5]。據(jù)EIA資料,俄羅斯頁巖油技術可采資源量約1.07×1010t,居世界首位;頁巖氣技術可采資源量約6.90 ×1012m3,居世界第九位[6]。俄羅斯自然資源與環(huán)境部Сергoй Донский表示,巴熱諾夫組石油地質資源量為1.74×1011t,地質儲量約(1～6)×1010t,其中已開發(fā)的92個油藏技術可采儲量為5.00×108t,目前對該地層的儲量計算方法各科研機構尚未達成一致,石油產(chǎn)量不足1.00×106t/a,尚未商業(yè)有效開發(fā)。俄羅斯石油地質科學院(VNIGRI)對東歐地臺多瑪尼克頁巖油進行了評估,認為在季曼-伯朝拉含油氣省該地層原地資源量為1.14×1011t石油和3.40×1013m3天然氣,其中包括可采資源量8.30×109t原油和4.80×109m3天然氣,該資源量在伏爾加-烏拉爾盆地更多,技術可采量分別為1.78×1010t石油和8.30×1012m3天然氣。

俄羅斯對難開采石油的定義包括了頁巖油、油頁巖、致密砂巖油、瀝青和稠油，一般指從低滲透儲層的巖石中開采出的石油，烴源巖中的頁巖油在俄羅斯屬于難開采石油的一種。2013年俄羅斯政府有關部門出臺了稅收減免政策，鼓勵開采頁巖油，2018年獲得1.2×105桶/天的頁巖油產(chǎn)量，俄羅斯政府希望在2025年前將難開采石油在全國石油總產(chǎn)量中的比例從目前的1%提高到10%甚至更多,其中首先開發(fā)西西伯利亞的巴熱諾夫組頁巖和東歐地臺的多瑪尼克層系頁巖[7]。 這些頁巖均為與北美地質條件相似的海相沉積,其勘探開發(fā)還處于起步階段,未來仍面臨技術、成本和環(huán)境等方面的挑戰(zhàn)。?？松梨诠?、荷蘭皇家殼牌集團、英國石油公司和挪威國家石油公司都曾與俄羅斯國家石油公司簽署過共同開發(fā)頁巖資源的協(xié)議,但在2014年之后受國際形勢影響，目前只有挪威國家石油公司共同參與開發(fā)北極和非常規(guī)項目。俄羅斯本國也有多家科研機構參與頁巖的地質-地球化學及鉆井-開發(fā)工藝研究,包括莫斯科大學、俄羅斯石油天然氣大學、俄羅斯能源地質開發(fā)研究院、油氣地質研究院和地質勘探研究院等,目前已明確了勘探開發(fā)目的層系和主要研究區(qū),部分地區(qū)測試也取得了大量進展。因此，本文將簡單介紹俄羅斯重點盆地的頁巖油地質特征,結合其近年最新的勘探開發(fā)進展,探討其前景,為中國石油公司未來進入俄羅斯非常規(guī)領域提供勘探開發(fā)和投資建議。

1 典型盆地頁巖油地質特征

俄羅斯主要的頁巖油地層分布于西西伯利亞的巴熱諾夫(Bazhenov)組和東歐地臺的多瑪尼克(Domanik)層系。巴熱諾夫組是俄羅斯最有潛力的頁巖油地層,形成于上侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)最大規(guī)模的海侵時期,厚度為10～50 m,覆蓋了西西伯利亞約3.6×106km2的面積,是盆地主要的烴源巖;東歐地臺季曼-伯朝拉盆地和伏爾加-烏拉爾盆地的多瑪尼克層系也是盆地的主要烴源巖,主要形成于上泥盆中弗拉階的海侵時期,厚度不等,在全伏爾加-烏拉爾盆地內均有分布,在季曼-伯朝拉盆地主要分布于東部地區(qū)。兩套烴源巖陸上分布面積均大于1.0×106km2(圖1),頁巖油區(qū)可采資源總量大,具備大規(guī)模開發(fā)利用的基礎設施和外部環(huán)境,是未來開發(fā)利用的重要潛力區(qū)。其他的頁巖油資源賦存于東西伯利亞盆地的寒武系庫阿納姆組(Kuanam)、北高加索地區(qū)的古近系哈杜姆組(Khadum),加里寧格勒地區(qū)的志留系蘭多維利組(Landovery)和貝加爾湖周緣上白堊統(tǒng)火山硅質巖等地區(qū)。致密油資源有西西伯利亞地區(qū)的侏羅系秋明組(Tyumen)和下白堊系阿奇莫夫組(Achimov)等層系[1,6,8,9]。東西伯利亞深層和貝加爾湖周緣等地區(qū)頁巖資源潛力豐富,但目前整體研究程度很低，短時期內不會大規(guī)?？碧介_發(fā)；西西伯利亞頁巖油地層與致密油地層相鄰，面積大、分布廣、資源潛力大，有望實現(xiàn)商業(yè)性開采，是未來首要開發(fā)區(qū)[7]。 (圖1；表1)

1.1 巴熱諾夫組地質特征

西西伯利亞盆地是一個巨大的中-新生代沉積的沉積中心,基底由復雜的褶皺和變質巖組成,在二疊紀最終形成。巴熱諾夫組是西西伯利亞盆地的主要生油巖地層,全盆地大面積廣泛分布,為侏羅系和白堊系的含油氣地層分界,是全盆地的地質標志層,在地震和測井上均有明確異常顯示,可為全盆地和局部地區(qū)的地層劃分、地質構造和盆地建模提供統(tǒng)一的基礎[10-12]。

巴熱諾夫組頁巖通常由黑色、硅質頁巖組成,粉砂質含量低,有機質含量高。水平層理中很容易看到各種細粒度的層狀成分(硅質、碳質和黃鐵礦)[13]。XRD衍射實驗表明,大部分的樣品均以石英為主要礦物,其次為鈉長石、似云母礦物(伊蒙混層)和黃鐵礦,通常都是次要礦物。其他粘土礦物(高嶺石和綠泥石)偶見,通常含量不多,而碳酸鹽礦物(方解石和白云石)也偶爾可見[13]。巖相上巴熱諾夫組主要為低粘土質硅巖、泥質-鈣質硅巖、硅質頁巖、灰質-硅質頁巖、灰泥及碳酸鹽巖6類 (圖2)。

巖樣化學分析表明:泥質硅質巖和硅質巖中有機質含量分別為13.60%，2.70%,氧化鋁為8.00%，17.60%,硫化物為5.16%，2.40%。在高P2O5含量的巖石中,這些數(shù)值分別為17.10%，9.17%和7.26%; P2O5在泥質硅質巖和硅質巖中的平均含量很相近,為0.25%和0.20%。異常成分的河道巖石以極低TOC平均含量(粉砂質泥巖0.6%,泥質粉砂巖0.24%)為特征,但很多數(shù)量的巖石是低于這一數(shù)值的。粉砂質泥巖中的硫化物平均含量為0.60%,泥質粉砂巖中為0～1.09%,Al2O3為10.38%和18.70%。白云巖中包含了超過70%的碳酸鹽礦物,其他成分很少。相比于硅質巖,碳酸鹽中TOC，Al2O3和硫化物的含量(2.90%，2.78%，2.70%)與泥質硅質巖中的更相似。

圖1 俄羅斯主要頁巖油地層分布區(qū)Fig.1 The distribution of major shale oil strata in Russia

地層盆地面積/(104 km2)巖性埋深(頂部)/m 厚度/mTOC/%Ro/%巴熱諾夫組(J3)西西伯利亞132.2泥頁巖2 500～3 30020～702.0～17.00.50～1.50多瑪尼克相(D3-C1)伏爾加-烏拉爾89.3泥質碳酸鹽巖500～5 000100～8000.5～24.00.60～3.00多瑪尼克相(D3-C1)季曼-伯朝拉19.0泥質碳酸鹽巖1 800～4 5000～902.0～20.00.70～1.37庫阿娜姆組(1)東西伯利亞56.5泥頁巖0～50030～701.6～26.00.50～2.00哈杜姆組(E3)北高加索19.6泥巖1 500～1 80030～2000.5～4.00.60～1.10

圖2 西西伯利亞巴熱諾夫組頁巖主要巖性照片F(xiàn)ig.2 Typical lithologic photos of the Bazhenov shale in Western Siberiaa,b.紋層狀泥質硅質巖,深灰色、含碳,松散的泥質巖,密集、堅韌、有孔,具有水平的丘狀剪切,黃鐵礦燧石豐富；c,d.具紋層狀結構,含綠泥石-水云母的泥質巖與煤互層；e.泥質碳質硅質巖，深灰-褐色，似瀝青質，見貝殼狀裂縫；f，g.見方解石，黃鐵礦化的綠泥石-水云母膠結，薄片狀及層狀結構；h，i.硅質放射蟲巖，具燧石及圓丘狀斷裂；j，k.見瀝青質放射蟲；l.日光照片；m.熒光照片,硅質碳質放 射蟲巖，碳質、致密、堅韌、塊狀,具有硬質和丘狀裂縫；n，o.見碳酸鹽化的瀝青質放射蟲。c,f,g,n為單偏光，d,j,k,o為正交光

泥質硅質巖中SiO2含量(51.80%)與硅質巖中SiO2含量(54.80%)相近,但在這些巖石中的SiO2含量與不同的礦物有關。根據(jù)巖石礦物組成的化學分析顯示，泥質硅質巖中石英、粘土礦物和長石的含量分別是37.06%，20.66%和6.50%,硅質巖中分別為24.76%，50.90%和12.21%。泥質硅質巖、硅質巖、碳酸鹽巖和異類巖中黃鐵礦的平均含量分別為9.50%，4.48%，5.09%和0.98%。泥質硅質巖和硅質巖最本質的不同在于前者有更高的有機質、石英(主要是自生)、黃鐵礦含量和較低的粘土礦物、長石含量[13]。

另外,在巴熱諾夫組巖心觀察過程中經(jīng)?？梢娞妓猁}巖夾層,某些巖心觀察中見火山灰夾層,同時切面上可見鈣質、方解石裂縫,以及甲殼動物、浮游生物等化石,發(fā)育放射蟲(圖3),可與全球其它地區(qū)放射蟲類比[14-15],微觀鏡下可見黃鐵礦顆粒與粘土礦物孔隙共存(圖4)。

圖3 西西伯利亞巴熱諾夫組頁巖巖石斷面及古生物特征Fig.3 Rock section and paleontologic features of the Bazenov shale in Western Siberiaa.方解石裂縫，斷面發(fā)育黃鐵礦；b.裂縫發(fā)育碳酸鹽巖；c.雙殼類殘骸斷面；d,h.剪石類；e.甲殼動物殘骸；f.單一浮游生物；g.鈣質裂縫；i.介形殼

圖4 西西伯利亞巴熱諾夫組典型頁巖掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of typical Bazenov shales in Western Siberiaa.斷裂;b.充滿粘土礦物和黃鐵礦的孔隙;c.黃鐵礦

巴熱諾夫組頁巖分布較廣但深度卻分布不均,其干酪根成熟度和巖石分類有很大的不同。西西伯利亞盆地巴熱諾夫組中最中央、最陡的部分目前正處于生油窗期,盆地中部和南部厚度主要在25～50 m,鏡質體反射率(Ro)為0.5%～0.8%[16-20]。從盆地南部向東北逐漸增厚,最厚達400 m以上,盆地東北部該層埋深也較大,從2 200 m增加到4 500 m,Ro范圍在0.5～1.3%,主要為0.7%～1.1%,盆地北部地區(qū)局部Ro可達1.3%,進入生氣階段。同時其邊緣地區(qū)及演化較低的地區(qū),只是接近生油窗。在伏爾加-早貝利阿斯期西西伯利亞海的深水區(qū)有機質含量大都超過15%～20%[21-22]。

巴熱諾夫組頁巖總有機碳含量在2%～11%,平均為4%。前人研究[3,12,18]西西伯利亞盆地有機質類型主要為Ⅰ-Ⅱ型,氫指數(shù)(HI)為400～700 mg/g,隨成熟度增加下降到150～300 mg/g。該套頁巖層中S1/TOC比值主要為40～100 mg/g,顯示高含油量,層內碳酸鹽巖和砂巖薄夾層S1/TOC比值更高,主要為200～400 mg/g,已達到非常好的產(chǎn)層標準。產(chǎn)烴指數(shù)(PI)和熱解峰值溫度(Tmax)分別為0.1～0.5 ℃和425～455 ℃,產(chǎn)烴率較高,且該套頁巖主要處于低熟-成熟生油階段。

縱向上巴熱諾夫組整體可劃分為上、中、下3段,均富含油,上段以富有機碳的灰質硅質巖、硅質頁巖為主,平均孔隙度為7.5%,含油飽和度在80%左右。中段以泥質硅質巖,平均孔隙度為5.5%,含油飽和度在60%～70%。下段以硅質頁巖和灰質硅質巖互層為主,裂縫較為發(fā)育,平均孔隙度為7%,含油飽和度在50%～60%。

1.2 多瑪尼克地層地質特征

“多瑪尼基蒂”(Доманикиты)一詞源于多瑪尼克地層,1843年由克伊澤爾林(Кейзерлинг А)第一次提出。后來,1939年俄羅斯科學院院士斯特拉霍夫(Страхов Н М)引入“多瑪尼克相” (Доманиковые фации)一詞,將與上泥盆中弗拉階多瑪尼基蒂層段相似的沉積均稱為多瑪尼克相[16]。當時的多瑪尼基蒂地層巖性上主要為黑色和暗褐色瀝青質和硅質碳酸鹽巖疊層,并含有少量的粘土(5.9%～13.6%),瀝青質有機物含量較高,約為18.7%,硅化程度也較高,約為37.23%。后來在烏拉爾山、伏爾加-烏拉爾地區(qū)和布里別特凹陷中上泥盆系中弗拉階均識別出類似的地層,從巖相上看,其成分多樣化明顯,但主要巖性均為碳酸鹽巖,存在大量的粘土物質,游離的二氧化硅和有機物質,結構上薄層、頁巖層明顯,且多有黃鐵礦作用,層理中有大量的錐殼綱類 (Coniconchia) 古生物遺跡殘留,例如竹節(jié)石(Tentaculites)和光殼節(jié)石(Styliona)。這是最初多瑪尼克段具體的相帶含義,后期“多瑪尼克相”和“多瑪尼克沉積”等詞在地質概念上均是由該意義演化而來,近年來為將多瑪尼克段(多瑪尼基蒂段)與多瑪尼克相區(qū)別,將多瑪尼基蒂段修改為謝米盧基段(Semiluksk)[23]。

多瑪尼克相包含了烏拉爾前緣、季曼-伯朝拉盆地和伏爾加-烏拉爾盆地欠補償?shù)耐莸睾哇晗輩^(qū)內與多瑪尼克段相似的沉積,地層上一般覆蓋了從上泥盆中弗拉階的薩爾噶耶夫段(Carg)到下石炭的杜內階(圖5)。該套地層形成于欠補償?shù)纳钏璧刂?盆地底部為水動力條件安靜的還原環(huán)境,底水受到硫化氫污染,在此條件下底水生物群 (介形亞綱,無鉸殼腕足動物) 以及浮游生物群(主動浮游生物和在水層中“浮游”的有機物)大量繁殖,例如棱角石目、竹節(jié)石、牙形蟲、魚綱、真蕨和放射蟲類等。烏拉爾前緣地區(qū)中泥盆艾菲爾階Aphon亞階Cheroyarsk和艾姆階Vyazovsk段沉積物的礦物成分、沉積條件等與在烏赫塔地區(qū)的多瑪尼克組在巖相上也具有一定的相似性,因此一定條件下可以互稱[23-25]。

上泥盆中弗拉階謝米盧基段(Semiluksk)巖性上表現(xiàn)為深灰色、黑色、成泥巖狀、細粒石灰石、含大量瀝青、硅質含量高、油侵明顯,黑色硅化石灰?guī)r巖石裂縫的縫隙尺寸為6 mm×8 mm和3 mm×4 mm,裂縫接觸面上有充填灰褐色的有機質,裂縫中被黑色粘土和次生方解石的石灰石小顆粒所填充;部分層段灰黑色硅巖含白云石透鏡體,裂縫寬度達1 mm,邊緣填充石英顆粒,內部為方解石;另外含黑色高硅質、高瀝青質灰泥巖和泥灰?guī)r夾層,層理明顯。

多期的構造運動在上泥盆-下石炭系沉積時期多瑪尼克地層形成時期起到了主要作用,導致了整個俄羅斯東南板塊的下沉,形成了深水欠補償?shù)亩喱斈峥伺璧?。在門德姆 (Mendeimsk) 時期發(fā)生了大規(guī)模的海退，一直持續(xù)到杜內階，因此在伏爾加-烏拉爾盆地形成了卡瑪-基耐爾凹陷系統(tǒng)，多瑪尼克沉積主要沿其主軸帶分布,巖性表現(xiàn)為泥灰?guī)r和石灰?guī)r的交替,靠近坳陷內側邊緣的碳酸鹽巖也含少量瀝青。到早石炭紀博布里科期甚至更晚的時期卡瑪-基耐爾凹陷系統(tǒng)從伏爾加-烏拉爾盆地的北部向東南部延伸,并在這個方向上逐漸擴大。

多瑪尼克相形成時期整體可分為3個主要的古地理帶:含淤泥洼地的相對深水陸棚，淺海大陸架帶和海岸帶。深水陸棚區(qū)與洼地主軸區(qū)相連,此時的多瑪尼克盆地沉積深度在100～300 m。淺水大陸架帶與洼地的側緣相連,而海岸帶則在背斜隆起部位 (圖6)。

謝米盧基時期多瑪尼克頁巖油沉積層厚度范圍從5 m到60～90 m,門德姆-杜內階的單層沉積具有與謝米盧基時期類似的厚度以及沉積亞相類型,同一時期盆地斜坡的地層厚度有著顯著增加,厚度為300～400 m,部分隆起區(qū)可達600 m,在相鄰的隆起拱頂處它們的厚度再次降低至100 m左右。

伏爾加-烏拉爾盆地上泥盆-下石炭系可看作一個新的構造沉積旋回,發(fā)育4個中期旋回和多個短期旋回(圖5)。構造和古地貌決定了多瑪尼克相形成時期的構造及沉積相帶的發(fā)育,決定了卡瑪-基耐爾欠補償凹陷系統(tǒng)(圖6，圖7)的形成及其兩側礁脈的發(fā)育。

卡瑪-基耐爾凹陷系統(tǒng)的外緣和側緣陸架發(fā)育大規(guī)模的礁體和生物礁,與凹陷區(qū)內的構造相帶毗鄰。位于欠補償凹陷側緣區(qū)域的礁體發(fā)育規(guī)模最大、范圍最廣,覆蓋了整個凹陷系統(tǒng)的側緣。晚泥盆紀礁群是在海退時期形成的,此時年輕的裂谷地層一直向盆地內相對深水區(qū)轉移,多瑪尼克巖相的分布面積急劇減少,主要被限制在卡瑪-基耐爾凹陷系統(tǒng)內部,由此形成了凹陷區(qū)、斜坡以及臺地上沉積巖相的差異。在洼地區(qū)的南部和東南部沉積深度增大,深海沉積物的比例隨之增加,巖石壓實導致它們的儲集性降低,因此在此條件下裂縫改善了儲集性能。

圖7 伏爾加-烏拉爾盆地卡瑪-基耐爾凹陷系統(tǒng)杜內階的分布特征Fig.7 The structure of the Kama-Kinel depression system in Tournaisian,Volga-Urals basinsA. Muhanovo-Erohovsk;B. Ust-Cheremshansk;C. Lower Kama;D. Mozhginsk;E. Sarapulsk;F. Fokinsk;G. Shalymskogo and Kalinin;H. Aktanysh-Chishminsk;I. Inzer-Usolsk;J. Chelvinskogo Dobriansk;K. Kizelovsk

據(jù)俄羅斯化石能源地質與開發(fā)研究院資料,多瑪尼克地層有機碳含量為0.5%～24%,以Ⅰ-Ⅱ型有機質為主,伏爾加-烏拉爾盆地中北部成熟度介于 0.5%～1.5%,南部靠近濱里海地區(qū)以生氣為主;脆性礦物含量高,儲集空間主要溶洞、晶間孔、有機質孔,且局部發(fā)育大量的裂縫; 剖面上有機物的含量和瀝青成分的變化范圍很大,從謝米盧基層的26%到扎沃爾時期(Zavolzhsk)的2%～3%。瀝青中三氯甲烷含量為0.1%～2%。謝米盧基層瀝青化程度為5%～10%,晚法門階為25%～30%;自下而上剖面上從底部到頂部有機質、氯仿瀝青A的含量逐漸減少,生烴潛力的逐漸降低。

目前東歐地臺的各大油田都位于開發(fā)后期,因此該區(qū)域廣泛分布的多瑪尼克油頁巖巖相含瀝青的硅質、泥質沉積物將會是未來勘探增儲的重點目的層。結合鉆井、巖心等地質及地球物理資料綜合研究分析認為,最有前景的地區(qū)是卡瑪-基耐爾凹陷系統(tǒng)中的Muhanovo-Erohovsk 凹陷(圖7),該區(qū)有機質含量高且成熟度適中,多瑪尼克頁巖總厚度大且裂縫非常發(fā)育。

2 其他地區(qū)頁巖油資源特征

2.1 東西伯利亞深層頁巖

東西伯利亞頁巖油潛力區(qū)為古老西伯利亞地臺的上元古界和古生界。庫阿娜姆地層屬于中-下寒武統(tǒng)的瀝青質頁巖沉積,有非常薄的灰?guī)r夾層,面積約7.0×104km2(圖8),在Olenek地區(qū)露頭出露厚度50～70 m,有毫米-厘米級薄夾層;在Tajmyr湖的東部Turuzovskoy亞階有5段,總厚度約160 m,為泥頁巖與硅質巖互層,自下而上為70 m頁巖、20 m海綿巖、15 m頁巖、25 m海綿巖和20 m頁巖,有機質含量在0.73%～1.95%;在Minusinskom凹陷Bystryanskaya亞階也存在約26 m的頁巖層[3]。該區(qū)貝加爾湖-帕托姆斯基地區(qū)低谷里菲系也有一套很好的烴源巖,厚度約50 m,有機質含量平均為4%,下文德系含氣頁巖厚度約40m。根據(jù)兩口已鉆參數(shù)井(Chaykinsk 279和Chaykinsk 376)預估Kochergat組可采頁巖油資源量為(3.0～7.5)×109t,可采頁巖氣資源量5.0×1012m3。東西伯利亞可采頁巖油資源量俄羅斯學者預估高達3.0×1010t,為西西伯利亞的2倍之多,該地臺的頁巖資源未來也有望成為俄羅斯主要產(chǎn)油氣區(qū)[1-3]。

2.2 北高加索哈杜姆頁巖地層

對高加索盆地東部和中部的哈杜姆地層的研究始于1924年,該段頁巖油資源豐富,研究初期在Benoisk地區(qū)Sta649井(深度3 206 m)獲得過持續(xù)3周600 t/d的流量。哈杜姆地層屬于古近系漸新統(tǒng)呂泊爾階,巖性上以瀝青質灰質泥巖、頁巖為主,有灰泥夾層,深度范圍1 000～4 000 m,中部地區(qū)2 000～3 000 m,整體厚度30～200 m;有機質含量0.26%～8.35%,以Ⅱ-Ⅲ型干酪根為主;俄羅斯學者認為潛力區(qū)位于Louisiana區(qū)的Hinesville區(qū)塊,有機質含量平均4.46%,TOC一般大于3%,生烴潛力S1+S2位于6.96～13.92 mg/g,目前針對這一頁巖層系俄羅斯也在積極探索中[3]。

2.3 貝加爾周源、俄羅斯東北部及遠東地區(qū)

Verkhoyansk-Kolyma地區(qū)、貝加爾周源山脊、薩哈林州、堪察加半島西部、楚科奇和其他一些地區(qū)頁巖油均有發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下其地質特征相似。例如在楚科奇地區(qū),在盆地科里亞克高地和洼地Hatyrskoy的邊界上白堊統(tǒng)火山硅質巖沉積厚度達2 600 m,其上沉積了一套優(yōu)質的富有機質黑色頁巖。該區(qū)Nelkan-Sette-Daban頁巖盆地被認為是未來最有可能開發(fā)的地區(qū),該區(qū)位于位于西伯利亞地臺和Okhotsky 海之間,是前緣Gazimur額爾古納河微大陸和鄰近Aginsk-Borschovochnoy古生界接縫區(qū)相互作用的結果(西比利亞地臺與中國地臺),目前估計在數(shù)百億噸油當量,但整體該區(qū)研究程度低。該區(qū)下石炭統(tǒng)頁巖分布面積雖然只有大約4 000 km2,但其厚度大,約為3 000 m,據(jù)初步估計其下石炭統(tǒng)頁巖可采資源量為3.0×109t[3,26,27]。

圖8 東西伯利亞盆地庫阿娜姆組頁巖分布(據(jù)Bazhenova T.K.,2014)Fig.8 The distribution of the Kuanam shale in the Eastern Siberian Basin (according to Bazhenova T.K.,2014)a.庫阿娜姆組頁巖分布區(qū)；b.庫阿娜姆組頁巖在東西伯利亞地臺的地理位置

目前在俄羅斯針對頁巖地層沒有官方認可的方法,標準計算方法例如確定孔隙度、裂縫、含油面積和有效厚度等并非完全合理,因此也不完全適用,但有一點是毋庸置疑的,俄羅斯頁巖油資源潛力巨大,有待開發(fā)。

3 典型盆地頁巖勘探開發(fā)進展

由于美國頁巖的成功勘探開發(fā)加之俄羅斯本國勘探開發(fā)技術的改進,在2012年底俄羅斯能源部就擬定了加入全球頁巖革命的發(fā)展計劃。雖然2014年之后受國際因素影響頁巖油勘探開發(fā)被延遲,但仍有西方石油公司在俄羅斯進行研發(fā)和試驗。

巴熱諾夫-1井位于西西伯利亞Frolovskaya坳陷Lyaminsky油氣區(qū)，設計井深3 200 m。該井鉆探目的是鉆穿厚度50～70 m的巴熱諾夫組，研究其地質構造并評估包括巴熱諾夫-阿巴拉組沉積蓋層,同時進行Lyaminskogo區(qū)西南部巴熱諾夫組有利區(qū)評價，鉆井及所有前期工作計劃在2019年12月20日前完成。

挪威國家石油公司Equinor ASA (Stoil)在薩馬拉地區(qū)擁有12個常規(guī)以及非常規(guī)區(qū)塊的作業(yè)權,在俄業(yè)務不受制裁影響,同時參與共同開發(fā)北極項目。該公司進入俄羅斯市場多年,在地質建模及預測、有利區(qū)優(yōu)選、鉆井及壓裂等工藝方面擁有豐富的經(jīng)驗,截至2019年底計劃布置3口多瑪尼克地層水平井,但目前獲得的成果對外仍嚴格保密，故本文將重點介紹巴熱諾夫組頁巖的勘探開發(fā)現(xiàn)狀及最新進展。

3.1 巴熱諾夫組頁巖油產(chǎn)量及預測

目前各研究機構對俄羅斯未來頁巖油的產(chǎn)能預測不同,俄羅斯國家石油公司預估到2020年可年產(chǎn)1.5×107t,俄羅斯自然資源部預估到2030年可年產(chǎn)8.4×107t,BP預測到2035年可達年產(chǎn)4.0×107t[6],俄羅斯科學院A.E.Kontorovich院士評估,到2040年從巴熱諾夫組頁巖中產(chǎn)出的原油可達1.4×108t/a。歷史上從巴熱諾夫-阿巴拉組中采出的頁巖油呈逐年升高的趨勢,產(chǎn)量在2014年達到頂峰7.5×104t,之后雖然有所下降,但仍明顯高于歷史平均水平(圖9)。

據(jù)俄羅斯秋明施比利曼研究院資料,2016年在西西伯利亞巴熱諾夫-阿巴拉組中有146口垂直井在產(chǎn),按照活躍天數(shù)算,平均日產(chǎn)油流10.8 t，其中平均日產(chǎn)油量0～10 t的井數(shù)為89口，10～20 t的井數(shù)為35口，20～30 t井數(shù)9口，30～40t的井數(shù)10口，40～50 t的井數(shù)2口。布置部分水平井并進行分段壓裂,有39口井初期日產(chǎn)量10～40 t,但后期壓裂之后產(chǎn)量遞減速度快且產(chǎn)量遞減大,一般在第3之后便不能夠生產(chǎn),獲得較高流量的9口水平井產(chǎn)量在第5年之后有的也幾乎將為零,這可能與其沒有突破壓裂技術有關。截至2016年,正在產(chǎn)出的水平井有36口,分別位于9個不同的油田,水平井段長度約1 500 m,在活躍天數(shù)內日產(chǎn)油1.0～22.2 t不等，有19口井日產(chǎn)油高于4 t，平均日產(chǎn)油7.5 t (圖10)。采用氣體加熱注入法提高采收率:即將氣體和空氣混合注入地層,通過原位生成的方法來提高采收率。

圖9 各大油公司在巴熱諾夫-阿巴拉組地層中的產(chǎn)油歷史Fig.9 History of oil production from Bazhenov-Abalak formations by major oil companies

圖10 漢特-曼西斯克地區(qū)巴熱諾夫-阿巴拉組地層水平井年產(chǎn)量Fig.10 Average annual production from horizontal wells in Bazhenov-Abalak deposits,Khanty-Mansiysk regiona. 9口高流量井；b. 39口中低流量井

3.2 巴熱諾夫組頁巖油試驗區(qū)最新進展

俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司的子公司Bazhen技術中心于2018年7月注冊,9月1日開始工作。Bazhen非常規(guī)油氣藏開發(fā)技術中心在漢特-曼西斯克地區(qū)擁有9個許可區(qū)域,分別是Krasnoleninsky油田的Palyanovsk地區(qū),Nyagan組的5個區(qū)和Salym油田的3個區(qū)。根據(jù)保守估計,區(qū)塊內可采資源量為7.6×108t，當時計劃在Krasnoleninsky油田的Palyanovsk 地區(qū)鉆探50口井,并進行水力壓裂。2018年共鉆探10口井,在Palyanovsk 油田完成了2口水平井(另外兩座鉆井平臺正在投入使用)鉆探并投入使用。目前已經(jīng)取得了以下工作成果:①利用本國技術鉆探10口高科技井,均獲工業(yè)油流;②進行70級水力壓裂,達到15級/1 000 m的密度;③鉆井時間從47 d減少到35 d;④水力壓裂階段的持續(xù)時間從48 h減少到24 h,最佳可達8 h。2019年計劃將壓裂階段的數(shù)量將增加到30個,水平段的長度將增加到1 500 m。

2018年,在漢特-曼西斯克地區(qū)的Krasnoleninsky油田的Palyanovsk區(qū)塊測試了許多用于開發(fā)巴熱諾夫組頁巖油的新技術,均為俄羅斯自主研發(fā),其中包括:①首次采用基于烴的溶液清洗井筒,對溫度和壓降的依賴性降低,降低了額外操作的成本。高溫高壓井(HTPD)通常被歸類為危險井和復雜井。通常,出口溫度變得非常高并且需要使用鉆井液冷卻器等。為了盡量減少高溫對鉆井液性質的負面影響,應進行額外的操作:將化學活性固相的含量保持在較低水平,用熱穩(wěn)定添加劑處理洗滌液,將pH值保持在確保添加劑有效性的水平等。②處理水平井時:成功測試了旋轉固井的方法,確定套管在其固井過程中的旋轉和蠕變,允許用水泥漿增加環(huán)形空間的填充程度。③確保水泥井的密封性:首次使用彈性水泥;④多級水力壓裂,高速注入大量流體;⑤抽空塞法(使用復合電纜塞分離壓裂和穿孔階段)和許多其他獨特的解決方案。

同時2018年Bazhen中心開始工業(yè)使用由俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司與莫斯科物理科技學院(MIPT)共同自主研發(fā)的軟件包GROWTH MFR,預測儲層裂縫并提前預防可能的風險。該軟件莫斯科物理科技學院2016年開始研發(fā),使用水力壓裂模擬器,計算出最佳裂縫系統(tǒng),并對2018年鉆探的10口井中的每口井都進行了建模。

后期所有水平井鉆井技術、熱化學效應設備、水力壓裂技術、水力壓裂設備、產(chǎn)品收集和制備設備,地球物理儀器和軟件系統(tǒng)等都將被廣泛用于Bazhenov地層的進一步開發(fā),為降低Bazhenov地層的勘探開發(fā)成本和創(chuàng)造效益做準備。根據(jù)Bazhen中心總經(jīng)理Bazhen K.Strizhnev的說法,經(jīng)驗的積累、新方法和新材料的引入,完全足夠提高生產(chǎn)效率,目前巴熱諾夫組頁巖中開采的單位成本已從每噸3.0×105盧布減少到1.8×105盧布(rub),計劃2025年的年產(chǎn)量將達到1.0×107t/a,總市場量達到3.0×1011rub/a。

3.3 小結

雖然俄羅斯頁巖油開發(fā)整體仍處于初期階段,開采尚未達到商業(yè)規(guī)模,筆者仍認為,即使受當前油價影響,在俄羅斯開發(fā)頁巖油資源也具有自身優(yōu)勢,未來俄羅斯頁巖油有望實現(xiàn)商業(yè)開采。首先俄羅斯政府高度重視這兩套地層的開發(fā);其次西西伯利亞盆地和伏爾加-烏拉爾盆地已有多年勘探開發(fā)歷史,這兩個地區(qū)擁有比較完備的基礎設施,盆地內各油田彼此相距不遠且道路狀況良好,無需內部管道建設,有足夠的能源供給(如電、暖氣等),地質鉆井、遙測等資料充分,因此初期石油開采成本低;另外目前巴熱諾夫技術中心在地質建模、裂縫預測、水平井開采、水力壓裂等方面也取得了良好的效果;而且為刺激巴熱諾夫組地層和其他頁巖區(qū)塊的勘探,俄政府出臺了稅收減免政策,這些地層享受礦產(chǎn)開采零稅率,擁有頁巖油開采經(jīng)驗的外國公司有機會進入俄羅斯市場。

4 結論

1) 俄羅斯主要的頁巖油資源賦存于西西伯利亞盆地巴熱諾夫組和伏爾加-烏拉爾盆地多瑪尼克地層,其次為季曼-伯朝拉盆地的多瑪尼克地層,東西伯利亞盆地的庫阿納姆(Kuanam)、北高加索地區(qū)的哈杜姆層(Khadum),以及西西伯利亞地區(qū)的侏羅系秋明(Tyumen)、下白堊系阿奇莫夫(Achimov)等層系。西西伯利亞地臺和東歐地臺伏爾加-烏拉爾盆地的頁巖油區(qū)地質條件優(yōu)越,埋藏不深,且有機質含量高,可采資源總量大,具備大規(guī)模開發(fā)利用的基礎設施和外部環(huán)境,是未來開發(fā)利用的重要潛力區(qū)。

2) 巴熱諾夫組是西西伯利亞盆地上侏羅統(tǒng)一套非常優(yōu)質的烴源巖,主要埋深2 000～3 000 m,全盆地大面積廣泛分布,地球物理特征明顯,平均厚度約30 m,巖性上以泥質、鈣質、硅質頁巖或者硅質放射巖為主,夾薄層火山灰、碳酸鹽巖和放射蟲化石;TOC平均為7%,有機質含量一般大于4%,以Ⅰ-Ⅱ型有機質為主,成熟度介于 0.5%～1.1%;儲層物性好,含油飽和度高,埋深適中,地層超壓明顯,石英等脆性礦物含量非常高,裂縫發(fā)育,儲集空間主要為溶洞、晶間孔和有機質孔、多瑪尼克頁巖油層系為一套泥盆系中弗拉階-石炭系下杜內階硅質/含硅的泥質石灰?guī)r,主要埋深1 500～3 500 m,整體厚度在 100～600 m,TOC在0.5～24%,以Ⅰ-Ⅱ型有機質為主,伏爾加-烏拉爾盆地中北部成熟度介于 0.5%～1.5%,南部靠近濱里海地區(qū)以生氣為主;脆性礦物含量高,儲集空間主要為溶蝕孔和微裂縫。

3) 在俄羅斯開發(fā)頁巖油資源具有自身優(yōu)勢,首先是地層享受礦產(chǎn)開采零稅率,因此在滿足地質資料充分、各油田彼此相距不遠且基礎設施完善的條件下,加之俄羅斯本國政府高度重視頁巖油層系的開發(fā),未來俄羅斯頁巖油有望實現(xiàn)商業(yè)開采。

致謝:感謝俄羅斯秋明國有地下資源合理利用分析研究中心、全俄油氣地質研究院和喀山大學地質與石油技術學院提供數(shù)據(jù)資料,感謝中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院周慶凡教授對本文校正和完善提出的寶貴意見,感謝審稿專家對本文的審核并提出的建設性意見。