中國“夾層型”頁巖油勘探開發(fā)現(xiàn)狀及前景

付茜 劉啟東 劉世麗 張健偉 段宏亮 徐煥友

中國石化江蘇油田分公司

0 引言

鄒才能院士等［1］認為，已生成仍滯留于富有機質泥頁巖(既是生油巖，又是儲集巖)及夾層中的石油，與常規(guī)油氣和致密油差異明顯。頁巖油層存在廣義、狹義之分［2］。廣義頁巖油層由基質頁巖、裂縫型頁巖、夾層型頁巖、臨層(包括碳酸鹽夾層、細砂-粉砂巖夾層等)地層構成完整的一套頁巖系統(tǒng)［3］；狹義頁巖油僅包含基質頁巖、裂縫型頁巖2種。Huang等［4］按照頁巖層與致密砂巖層、致密碳酸鹽巖層的源儲空間位置，將廣義頁巖油分為：上生下儲型、下生上儲型、“三明治I型”、“三明治II型”、生儲互層型、生儲共生型等6種。武曉玲等［5］認為狹義頁巖油藏分為：深凹區(qū)純泥頁巖型、鹽間型、泥頁巖夾脆性層型等3種。劉文卿等［6］按儲層特征與賦存條件將頁巖油分為：裂縫不發(fā)育型頁巖油、微孔微縫型頁巖油、夾層型頁巖油、微裂縫富集型頁巖油等4類。

中國具有海相、海陸交互相、陸相頁巖和泥巖等3類富有機質烴源巖［7-8］。海相頁巖分布于揚子地區(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、蘇北盆地以及揚子地臺的寒武系和志留系等；海陸交互相分布于鄂爾多斯盆地石炭系本溪組、下二疊統(tǒng)山西組—太原組、準噶爾盆地石炭—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、蘇北盆地新生代第三世的阜寧組地層等［7,9］。胡文瑞院士［10］認為中國的頁巖油資源十分豐富，頁巖油資源量476億t。2013年10月30日，中國石油與殼牌頁巖油聯(lián)合開發(fā)中心提出“常規(guī)人，非常規(guī)思想”的理念，在中美兩地展開“顛覆性創(chuàng)新”的頁巖油勘探開發(fā)研究［11］；2015年1月30日國家能源頁巖油研發(fā)中心落戶中國石化［12］；中國石油集團公司2018年12月12日召開“中國陸相頁巖油理論技術進展與戰(zhàn)略研討會”，宣布“開啟中國人自己的頁巖油革命！”。焦方正強調，全力打造頁巖油理論技術、示范工程、標準規(guī)范三大體系，推動頁巖油盡快取得革命性突破，實現(xiàn)商業(yè)規(guī)模開發(fā)［13］。

1 夾層型頁巖油的特征

不同學者和機構對頁巖油的定義和內涵存在爭議，與致密油在使用上存在混淆，頁巖油的定義尚未統(tǒng)一［14］。鄒才能院士認為［1］，以儲存于富有機質、納米級孔徑為主的頁巖地層中的石油稱作頁巖油，基本未經(jīng)歷運移過程；張金川等認為［15］，頁巖油藏為曾經(jīng)有過生油歷史或現(xiàn)今處于生油狀態(tài)的泥頁巖地層(包括泥頁巖地層中可能夾有的致密砂巖、碳酸鹽巖、甚至火山巖等薄層)。公認“自生自儲”是頁巖油藏的典型特征，油氣成藏未經(jīng)歷運移或運移距離極短，與致密油氣藏存在本質區(qū)別［16］。

按頁巖地層中所含烴類相態(tài)、成因機理等特點，頁巖油分為黏稠型(頁巖中的有機質在較低成熟階段生成中—重質油，在其層系中相對富集，可采性差)和凝析型(頁巖中的有機質達到中—高成熟階段，形成輕質油或凝析油，富集在頁巖層系中，可采性好)2類。凝析型頁巖油在勘探開發(fā)過程中，具有良好的經(jīng)濟效益。頁巖油在其聚集條件、分布特點和規(guī)律等方面與致密油存在較大差異。

在GB/T 0254—2014中，將累積夾層厚度小于層組總厚度的20%的頁巖地層產出的頁巖氣定義為夾層頁巖氣［17］；對于夾層型頁巖油沒有相應的國家標準，目前，仍依據(jù)中國石化Q/SH 0505—2013中規(guī)定的，用累積夾層厚度及單個夾層厚度來界定夾層型頁巖油［18］，即在累積夾層厚度小于層組厚度20%的基礎上，將大段泥頁巖中厚度小于2 m且產出原油的夾層定義為頁巖油夾層。

2 中國夾層型頁巖油分布情況

在中國沉積盆地的震旦系—新近系分布著多套含油氣泥頁巖層系，其中，熱演化程度R0為2.0%～4.0%、富有機質泥頁巖埋藏較深的海相厚層泥頁巖是頁巖氣(裂解氣)的有利勘探區(qū)，煤型氣產自有機質類型較差的海陸交互相與湖沼相中薄層富有機質泥頁巖，湖相中厚層富有機質泥頁巖具備頁巖油成藏的地質條件，大部分處于生油窗內，勘探前景較好，有油氣同出的潛力，主要分布在準噶爾盆地二疊系、三塘湖盆地二疊系、鄂爾多斯盆地三疊系、四川盆地侏羅系、松遼盆地白堊系、渤海灣盆地古近系、蘇北盆地古近系、江漢盆地古近系。南襄盆地古近系。夾層型頁巖油也主要分布在這些沉積盆地中。

張金川結合中國頁巖油資源特點及勘探開發(fā)現(xiàn)狀，根據(jù)頁巖油基本地質特點和地化特征，優(yōu)選出頁巖油勘探的遠景區(qū)、有利區(qū)和目標區(qū)(見表1)［15］。

3 中國夾層型頁巖油勘探開發(fā)現(xiàn)狀

20世紀60年代，在常規(guī)油氣鉆探過程中，濟陽坳陷偶然發(fā)現(xiàn)了頁巖油，被稱為泥巖裂縫油氣藏［19-20］；在濟陽坳陷勘探階段，頁巖段頻繁出現(xiàn)氣測異常和油氣顯示；1973年鉆探河54井，在Es3下亞段2 928～2 964頁巖段中途測試，?5 mm油嘴求產，日產油91.4 t，日產氣2 740 m3，濟陽坳陷第1口頁巖工業(yè)油流井由此誕生［21］。陸續(xù)在泌陽凹陷、古龍凹陷、東濮凹陷、遼河坳陷、濟陽坳陷及滄東凹陷等陸相泥頁巖層系中發(fā)現(xiàn)工業(yè)油流［22-23］。2011年以來中國石油和中國石化相繼開展多項陸相頁巖油勘探開發(fā)理論和技術研究，取得了諸多階段性成果和現(xiàn)場勘探實踐范例［7］，為深化頁巖油勘探開發(fā)奠定了堅實的基礎。

表1 中國頁巖油選區(qū)參考標準Table 1 Reference standard for the selection of shale oil region in China

3.1 夾層型頁巖油勘探開發(fā)技術現(xiàn)狀

發(fā)展形成了“健全波場、全過程保幅”的高精度三維地震技術”［24］和“寬頻、寬方位、高密度地震采集、處理和解釋一體化技術”［25］；形成了三開完井的設計模式［7］，以及PDC鉆頭優(yōu)化、“井工廠”鉆井、“PDC鉆頭+螺桿”鉆井、深井固井、油基鉆井液+PDC水平段一趟鉆鉆井技術等系列［26-29］，滿足頁巖油開發(fā)要求，如近期完鉆的渤海灣盆地滄東凹陷官東1701H和官東1702H兩口水平井，水平段頁巖油層鉆遇率達96%［23］；發(fā)展了一些新的水力壓裂理論及工藝［30-32］，包括：水平井分段壓裂、分支井壓裂、“井工廠”壓裂、高速通道壓裂、寬帶壓裂、水平井重復壓裂、水力波動注入壓裂、縫網(wǎng)壓裂。官東1701H、1702H兩口頁巖油井成功完成水平井段大規(guī)模多段多簇體積壓裂施工。

3.2 夾層型頁巖油生產現(xiàn)狀

3.2.1 渤南洼陷沙一段夾層型頁巖油

渤南洼陷沙一段夾層巖性主要包括砂巖、灰?guī)r和白云巖，20世紀70年代在渤南洼陷沙一段夾層型頁巖中鉆遇高產頁巖油氣井，典型井：義18井和義 21井［33］。

義 18井［34-35］：1971年鉆探的義 18井沙一段，油藏中深2 780 m；為濱淺湖－半深湖相沉積，主要沉積厚層油頁巖、油泥巖、夾薄層白云巖，儲集空間主要包括構造裂縫和頁理縫；電測孔隙度10.34%，電測滲透率 3.7×10-3μm2，50 ℃ 地面原油黏度28 mPa ·s ，密度0.8875 g/cm3；壓裂后用?4 mm油嘴測試，日產油62 t，日產氣2 860 m3。

義 21井［36］：沙一段，埋深 2 359.0～2 773.0 m，厚度414.0 m，取心井段2 681.8～2771.3 m，共89.5 m，采集烴源巖樣品40件，熱解分析結果表明，有機質含量為 2.86%～10.48%，平均 5.02%，生烴潛量為17.58～85.39 mg/g；日產油 35 t，日產氣 0.168 m3。

朱德順等學者［33］研究了渤南洼陷沙一段夾層型頁巖油的賦存狀態(tài)、生排烴條件、夾層厚度、夾層物性、地層壓力和原油物性；得到了單井夾層型頁巖油產量與夾層孔隙度的存在高度正相關關系；夾層型頁巖油產量隨著壓力系數(shù)的增大而增大，兩者具有較好的正相關。

3.2.2 濟陽坳陷古近系陸相夾層型頁巖油

濟陽坳陷是在華北地臺基底上發(fā)育的中、新生代斷陷－坳陷復合盆地，總面積約為2.6×104km2，受多期構造運動的影響，形成東營、沾化、車鎮(zhèn)及惠民4個凹陷，在這4個凹陷的眾多次級洼陷中，縱向上的沙四上亞段、沙三下亞段和沙一段發(fā)育著新生界古近系陸相頁巖［37］。其中，夾砂層28.6%，夾碳酸鹽巖28.6%，紋層狀泥質灰?guī)r20.0%，夾砂巖和碳酸鹽巖11.4%，層狀泥質灰?guī)r(灰質泥巖)2.9%，層狀泥質灰?guī)r2.9%，層狀灰質泥巖2.9%。

目前，有800多口探井在濟陽坳陷頁巖發(fā)育段見到油氣顯示，見到頁巖油氣流70多口井，其中有35口井獲得工業(yè)油氣流［38］；縱向上以沙三下亞段、沙四上亞段為主，平面上沙四上亞段頁巖油氣主要分布于東營凹陷，沙三下亞段頁巖油氣以沾化、東營凹陷最多；探井投產初期產能 12～72 t/d［37］，其中：河54井在沙三下亞段2 928～2 964 m頁巖段中途測試，?5 mm油嘴求產，日產油91.4 t，日產氣2 740 m3，累計產油量2.8×104t，是濟陽坳陷打出的第1口頁巖油井［21］；在羅42井、新義深9井、永54井、新郭3井、利深101井等井相繼在頁巖井井井段也發(fā)現(xiàn)高產油氣流，累積產量都在萬噸以上。

從投產的夾層頁巖油產量情況看，夾層頁巖油氣產層埋深255～4 500 m，以產油為主或油氣共存，僅渤深5井4 500 m的鏡質體反射率達到了1.3%以上，在沾化凹陷渤南洼陷沙四上亞段4 491.89～4 587.33 m的頁巖發(fā)育段日產氣3 533 m3［39］，因此，濟陽坳陷頁巖油是主要勘探對象。

3.2.3 滄東凹陷孔二段夾層型頁巖油

為了解滄東凹陷孔二段的頁巖巖性變化，評價頁巖油開發(fā)潛力，2017年中國石油大港油田在官東重點目標區(qū)Ek21SQ⑨紋層狀長英質頁巖、紋層狀混合質頁巖及塊狀灰云巖相對發(fā)育的層段(夾層型)布署了2口水平井—官東1701H、官東1702H［40-41］。

官東1701H井［42］：大港油田2017年實施的預探評價井，設計井深5 524 m，實鉆井深5 465 m，造斜點3 100 m，水平位移2 046 m，水平段長1 474 m(其中孔二段水平段1 456 m)，最大井斜90.87°；解釋油層1 412.4 m，油層有效厚度60.4 m，層數(shù)76，生產井段4 056～5 278 m，設計壓裂段長為941.3 m，共16段/54簇點，總液量為 34 288 m3，總砂量為1 388 m3，返排率為28.4%；2018年7月10日投產，?6 mm油嘴生產，日產液25.9 t，日產油9.07 t。

官東1702H井［43］：繼官東1701H井后，大港油田實施的第2口頁巖油領域重點水平探井，2018年3月4日完鉆，入窗后共見顯示1 342 m/27層，鉆遇率100%，水平段長為 1 342.7 m，解釋油層1 284.6 m。2018年5月14日多段多簇體積壓裂，設計壓裂段長為1 283.4 m，共21段/66簇，總液量為41 099 m3，總砂量為1 343 m3；2018年7月20日投產，生產井段3 952～5 229 m，?6 mm油嘴生產，日產液 27.8 t，日產油 17.65 t。

3.2.4 蘇北盆地金湖凹陷夾層型頁巖油

馬永生院士指出［24］，蘇北盆地在“十二五”期間，依靠高精度三維地震技術，建立了蘇北盆地“自生自儲”側向運移和“下生上儲”縱向調整2類生物降解氣成藏模式［44］和夾層型頁巖油成藏模式。楊偉偉博士認為［16］，蘇北盆地古近系泥頁巖累計厚度可達200 m以上，平均有機碳含量在2%左右，有機質類型為Ⅰ型和Ⅱ型，成熟度不高，主體處于生油階段，凹陷中心部位處于濕氣—凝析油階段；主要集中在阜二段、阜四段，埋深1 000～4 000 m(阜四段 1 000～3 000 m，阜二段 1 500～4 000 m)，厚度 50～500 m(阜四段 50～500 m，阜二段 50～350 m)，有機質含量0.5%～4.7%，熱演化程度0.5%～1.3/%。

蘇北盆地的天96塊E1f2下部(即E1f23)油層為受斷層控制的層狀構造油藏。上部E1f2頁1油層則是“自生自儲”的“夾層”型頁巖油藏，其含油范圍受斷層及砂巖夾層物性控制。在天X96井阜二段2 643.1～2 646.0 m 和 2 812.5～2 818.6 m，日試產油分別為 5.21 t和 2.72 t［45］。

3.2.5 潛江凹陷潛江組鹽間頁巖油

江漢盆地潛江凹陷潛江組潛34油組鹽間頁巖油儲層，儲層孔隙度平均為11.4%～18.9%，滲透率平均為 (2.635～4.827)×10-2μm2，平面上“滿凹皆油浸顯示”，油氣勘探過程中有128口井見油氣顯示，其中自噴井32口，井涌、井溢井19口，槽面見油花氣泡井60口，井口出瀝青井11口，有3口井發(fā)生強烈井噴，日噴油量達千噸［46］。

4 中國夾層型頁巖油開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

實現(xiàn)頁巖油工業(yè)開采仍有技術“瓶頸”亟待攻關。

(1)基礎理論［7,13］：頁巖油賦存機理與微觀孔隙結構、頁巖油滯留成藏機理、構造保存條件、有效儲集體、流動機理、勘探評價體系、資源評價方法、儲量和產能評價方法。

(2)勘探開發(fā)技術［24］：夾層型泥頁巖非均質性強，黏土礦物含量高，地質導向建模、隨鉆測井、鉆井施工難度大；大位移井的隨鉆地質導向與精細控制技術；有機質成熟度較低，原油密度高、黏度大，地層原油處理和井筒舉升難度大；水平井分段壓裂開采，油井初期有較高產量，但產量遞減快，難以取得規(guī)模性商業(yè)發(fā)現(xiàn)。

(3)工程技術［23］：頁巖油“地球物理甜點”綜合預測技術；低成本水平井分段多簇壓裂技術；無水壓裂等新型壓裂技術；原油原位降黏技術。

5 中國夾層型頁巖油勘探開發(fā)前景

頁巖油已成為全球關注的非常規(guī)油氣勘探開發(fā)“甜點”之一，楊智等［47］揭示了“進源找油”的源巖油氣內涵，為夾層型頁巖油氣勘探開發(fā)指明了方向。國內外學者認為［48］，夾層型頁巖油富集主控因素為儲集物性、排烴強度和異常壓力，開發(fā)關鍵技術是薄層分布預測和壓裂改造工藝，夾層型頁巖油是當前技術條件下比較現(xiàn)實的勘探目標，也將隨著上述瓶頸技術的不斷攻克而成為我國未來油氣儲量與產量新的增長點［19-21,33,49-50］。