松遼盆地南部陸相頁巖油氣勘查突破及意義

徐興友 劉衛(wèi)彬 陳 珊 白 靜 李耀華

中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心

0 引言

松遼盆地是我國最重要油氣產(chǎn)區(qū)，面積26×104km2，擁有中國石油大慶油田、吉林油田、遼河油田和中石化東北局等四家大型國有企業(yè)，均是中國東北老工業(yè)基地重要的能源保障單位[1]。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的連續(xù)開采，松遼盆地各大油田的常規(guī)油氣勘探開發(fā)進(jìn)入高成本、高難度階段，截至2021年，松遼盆地常規(guī)油氣探明率高達(dá)70%，資源接替不足、品質(zhì)劣質(zhì)化，老區(qū)含水率高，造成產(chǎn)量持續(xù)下滑，后備接續(xù)資源短缺，松遼盆地油氣勘探開發(fā)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。以松遼盆地為代表的我國主要成熟探區(qū)均亟需開辟非常規(guī)油氣、深層油氣等資源接替新領(lǐng)域[3]。

當(dāng)前“碳中和”背景下，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型方向及封碳、固碳技術(shù)，成為當(dāng)下能源行業(yè)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[4-5]，中國作為世界上最大的發(fā)展中國家以及碳排放大國，要在未來40年內(nèi)完成從碳排放達(dá)峰到碳中和的轉(zhuǎn)型，需要降低煤炭消耗，建立起以新能源和可再生能源為主體的可持續(xù)能源體系，因此，需要進(jìn)一步加大頁巖油、頁巖氣等清潔低碳能源勘探開發(fā)力度，同時(shí)，需要探索綠色、清潔、高效的頁巖油氣勘查開發(fā)技術(shù)，促進(jìn)我國在碳中和進(jìn)程中達(dá)到事半功倍的效果。

本次研究以松遼盆地上白堊統(tǒng)青山口組頁巖油和下白堊統(tǒng)沙河組頁巖氣為調(diào)查對象，在松遼盆地南部長嶺凹陷和梨樹斷陷分別部署實(shí)施了吉頁油1HF井、吉梨頁油1井2口頁巖油氣參數(shù)井，經(jīng)壓裂測試，均獲得高產(chǎn)工業(yè)頁巖油氣流，研究形成的地質(zhì)新認(rèn)識及綠色壓裂工藝對改善東北地區(qū)能源供給結(jié)構(gòu)、降低煤炭資源消費(fèi)、提高頁巖油氣勘查開發(fā)力度、實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)封存等均具有引領(lǐng)和借鑒意義。

1 地質(zhì)概況

松遼盆地位于中國東北部，是我國特大型疊合含油氣盆地之一。平面上可劃分為中央坳陷區(qū)、北部傾沒區(qū)、西部斜坡區(qū)、東北隆起區(qū)、東南隆起區(qū)和西南隆起區(qū)等6個(gè)一級構(gòu)造單元。縱向上呈明顯的斷坳疊置型沉積，斷陷期沉積上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)火石嶺組（J3h）、沙河子組（K1sh）、營城組（K1yc）、登婁庫組（K1d）和泉頭組（K1q），凹陷層沉積上白堊統(tǒng)青山口組（K2qn）、姚家組（K2y）、嫩江組（K2n），四方臺組（K2s）和明水組（K2m）[6]。其中青山口組是坳陷層系主力烴源巖層，沙河子組是斷陷層主力烴源巖層，該兩套層系是松遼盆地最主要的潛在頁巖油氣目標(biāo)層系[7-9]。

綜合考慮頁巖油氣富集程度、優(yōu)質(zhì)頁巖分布規(guī)模、頁巖埋深、成熟度、勘查難度等地質(zhì)、工程因素，優(yōu)選松遼盆地南部長嶺凹陷部署吉頁油1HF井，探索青山口組頁巖油資源潛力，優(yōu)選松遼盆地東南隆起區(qū)梨樹斷陷部署吉梨頁油1井，探索沙河子組頁巖氣資源潛力（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置及地層綜合柱狀圖

2 青山口組陸相頁巖油調(diào)查突破

長嶺凹陷青一段富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度大，分布在40～120 m之間，頁巖油富集有利面積大，約為1 500 km2[10-12]，頁巖中油氣顯示豐富，頁巖油資源潛力大，但頁巖油發(fā)育的地質(zhì)條件復(fù)雜，攻關(guān)難度大。針對頁巖油勘探開發(fā)難點(diǎn)展開攻關(guān)，采用多因素疊合法（圖2），在長嶺凹陷優(yōu)選了乾安、大安—余字井兩個(gè)有利區(qū)，并在乾安有利區(qū)部署了吉頁油1HF井，成功鉆遇青一段優(yōu)質(zhì)頁巖，累計(jì)厚度達(dá)80 m，并獲得豐富的油氣顯示（圖3）。

圖2 長嶺凹陷青一段頁巖多參數(shù)疊合圖

圖3 吉頁油1HF井導(dǎo)眼段青一段頁巖綜合評價(jià)圖

為查明青一段頁巖油富集機(jī)理，優(yōu)選儲層改造甜點(diǎn)段，綜合運(yùn)用巖心觀察、薄片鑒定、地質(zhì)錄井、元素測井、X—衍射分析、有機(jī)—無機(jī)地球化學(xué)分析、場發(fā)射掃描電鏡分析等方法，對青一段頁巖的礦物組成、有機(jī)—無機(jī)地球化學(xué)特征、形成古環(huán)境、有利巖相類型及有效儲層特征進(jìn)行了研究。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：松遼盆地在青山口組沉積時(shí)期廣泛發(fā)育一套暗色優(yōu)質(zhì)頁巖，其中青山口組一段為最大湖泛面時(shí)期，是最為有利的頁巖油勘查層系。根據(jù)高精度層序地層學(xué)地層學(xué)研究認(rèn)為，青山口組一段頁巖存在明顯的巖性—地球化學(xué)界面，形成兩套各具特點(diǎn)的頁巖油體系。

上部層組頁巖水平層理發(fā)育，黏土礦物平均含量64%，自生黃鐵礦含量高，TOC含量為3%～5%，有機(jī)質(zhì)以內(nèi)源層狀藻為主，根據(jù)干酪根顯微組分鑒定，有機(jī)質(zhì)類型以腐泥型為主（表1），主微量元素參數(shù)指示形成古環(huán)境為深水潮濕強(qiáng)還原環(huán)境，巖相類型為高TOC層理型黏土質(zhì)頁巖，該段頁巖滯留烴含量高，S1平均值為5 mg/g，可動性中等，主要發(fā)育大量層理縫和微裂縫，平均孔隙度為6.2%，熒光顯示，頁巖油有效儲集空間主要為層理縫和微裂縫；下部層組頁巖砂質(zhì)紋層發(fā)育，黏土礦物平均含量為38%，TOC含量為2%～3.5%，有機(jī)質(zhì)以內(nèi)源層狀藻為主，有機(jī)質(zhì)類型以偏腐泥混合型為主，形成古環(huán)境為半深水潮濕還原環(huán)境，巖相類型為中TOC紋層型長英質(zhì)頁巖，該段頁巖總含油量較高，S1平均值為3 mg/g，可動性中等，主要發(fā)育碎屑礦物粒間大孔隙和碳酸鹽溶蝕孔，平均孔隙度為4.5%，熒光沿砂質(zhì)紋層呈條帶狀分布，有效儲集空間主要為砂質(zhì)紋層中的粒間孔隙。綜合分析認(rèn)為高TOC深水層理型、中TOC半深水紋層型兩種頁巖類型是頁巖油富集的有利巖相（圖3）。

表1 吉頁油1HF井青一段頁巖干酪根顯微組分表

為兼顧探索兩套頁巖層系，設(shè)計(jì)了兼顧兩套目標(biāo)層系的階梯式水平井軌跡，并根據(jù)可鉆性、可壓性兩項(xiàng)關(guān)鍵工程參數(shù)，確定了941.94 m的薄砂條帶作為鉆探目標(biāo)靶體（深度 2 482～ 2 483 m），以克服純頁巖地層易垮塌、易水敏、難壓開等工程難題[13-15]。后期采用長水平段密切割+分層組差異化設(shè)計(jì)理念，分21段82簇壓裂，平均段長68 m，平均簇間距15.8 m，并首次在頁巖油實(shí)施超臨界CO2+高黏液造縫復(fù)合儲層改造工藝，實(shí)現(xiàn)高黏土含量強(qiáng)非均質(zhì)性頁巖地層大型體積壓裂，微地震解釋單段平均橫向波及范圍300～500 m，上下波及范圍約150 m，水平井體積改造充分。壓后返排試油，吉頁油1HF井于自噴階段獲得最高36 m3/d，水力泵排液階段獲得16.4 m3/d的高產(chǎn)工業(yè)油流，取得了松遼盆地南部陸相頁巖油調(diào)查的戰(zhàn)略突破。

3 沙河子組陸相頁巖氣調(diào)查突破

梨樹斷陷沙河子組暗色頁巖厚度200～300 m，分布連續(xù)廣泛，埋深2 500～4 000 m，熱演化程度適中，Ro分布在1.3%～1.5%之間，具備陸相頁巖氣生成和富集的基礎(chǔ)地質(zhì)條件，頁巖氣資源潛力大。但是，由于陸相頁巖氣相比于南方海相頁巖氣的地質(zhì)和工程條件更為復(fù)雜，攻關(guān)難度更大，截至本次勘查工作前，在松遼盆地尚未取得陸相頁巖氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)工業(yè)突破。

綜合分析沙二段頁巖的厚度、成熟度、有機(jī)質(zhì)豐度、含氣性等諸多因素，在梨樹斷陷優(yōu)選出秦家屯—八屋、蘇家屯兩個(gè)有利區(qū)，統(tǒng)籌考慮資源體量、埋深、保存條件等，在秦家屯—八屋有利區(qū)的斜坡帶位置部署了吉梨頁油1井（圖4），成功鉆遇51 m厚富含氣混積頁巖（圖5），頁巖含氣性好，巖心入水氣泡連續(xù)逸出，現(xiàn)場解析總含氣量可達(dá)1.52 m3/t，測井解釋總含氣量可達(dá)2.68 m3/t。

圖4 梨樹斷陷沙二段頁巖多參數(shù)疊合圖

圖5 吉梨頁油1井沙二段頁巖綜合評價(jià)圖

對吉梨頁油1井沙二段頁巖進(jìn)行系統(tǒng)分析測試，通過綜合研究表明，沙河子組二段下亞段沉積時(shí)期，黑色頁巖的分布范圍最廣、沉積厚度最大，該套頁巖具有典型的富鈣質(zhì)、富硅質(zhì)（陸源）、富凝灰質(zhì)的混積頁巖特征，其中硅質(zhì)含量在35%～50%之間，鈣質(zhì)礦物含量在15%～35%之間。根據(jù)古環(huán)境研究認(rèn)為，松遼盆地早白堊世斷陷發(fā)育期伴隨多次火山活動，火山灰噴出過程中攜帶大量營養(yǎng)物質(zhì)，這些物質(zhì)進(jìn)入沉積水體，會造成水體藻類勃發(fā)，為優(yōu)質(zhì)頁巖的形成提供了豐富的原生有機(jī)質(zhì)[16]。同時(shí)，火山噴發(fā)出的大量SO2和H2S等含硫氣體，為硫酸鹽還原作用提供了條件，增強(qiáng)了水體的還原性，有利于有機(jī)質(zhì)的保存。同時(shí)，火山噴發(fā)期炎熱的氣候，加上封閉湖盆的沉積環(huán)境，很容易形成咸化湖盆，沙河子組頁巖的鈣質(zhì)含量高即歸因于次，咸水環(huán)境具有促進(jìn)有機(jī)質(zhì)生烴的作用，碳酸鹽—有機(jī)質(zhì)共生體在堿性地層水環(huán)境下，碳酸根易誘導(dǎo)原始有機(jī)基團(tuán)的去碳效應(yīng)，同時(shí)發(fā)生明顯羥基化作用，進(jìn)而促進(jìn)含氮有機(jī)物和苯基的生成和轉(zhuǎn)化，生成大量烴類[17]。沙二下亞段頁巖的地球化學(xué)指標(biāo)也表明，沙二段下亞段混積頁巖段有機(jī)質(zhì)豐度高，TOC含量在0.5%～6%之間，平均值為2.5%，熱解S1最高值可達(dá)2.4 mg/g，平均值為0.89 mg/g。有機(jī)質(zhì)類型好，經(jīng)綜合判別，主要為偏腐泥混合型，還有少量腐泥型（表2）。有機(jī)質(zhì)熱演化程度適當(dāng)，有機(jī)質(zhì)熱演化程度（Ro）處于1.2%～1.5%之間，平均值為1.3%，屬于高成熟演化階段。綜上，梨樹斷陷下白堊統(tǒng)沙河子組二段早期為火山—沉積盆地發(fā)育期，形成了一套兼具較好生烴能力、儲集能力和可改造性的混積頁巖，同時(shí)沙二上亞段沉積了一套厚層非滲透性塊狀泥巖層系，作為上覆頂板蓋層，起到很好的頁巖氣保存作用，自上而下有序沉積組合構(gòu)成了頁巖氣自生自儲成藏富集體系（圖5）。

表2 吉梨頁油1井沙二段泥頁巖干酪根顯微組分表

同樣，為克服該套頁巖縱向非均質(zhì)性強(qiáng)、層理發(fā)育、常壓地層等壓裂測試難點(diǎn)，首次在直井壓裂中使用水平井密切割體積改造思路，同時(shí)采用超臨界CO2+N2拌注增能體積壓裂工藝完成直井5段20簇壓裂。根據(jù)本井沙二段頁巖成熟度及鄰井生產(chǎn)結(jié)果，推斷試氣過程中，隨著地層壓力的降低可能會出現(xiàn)反凝析現(xiàn)象，影響單井高產(chǎn)，因此，壓后采用控壓返排工藝放噴求產(chǎn)，獲得?15 mm油嘴自噴日產(chǎn)氣7.6×104m3的高產(chǎn)頁巖氣流，僅有少量凝析油析出（至試氣結(jié)束，凝析油總量不足5 m3），首次實(shí)現(xiàn)了松遼盆地南部陸相頁巖氣調(diào)查的戰(zhàn)略性突破。

對凹陷層青一段頁巖油和斷陷層沙二段頁巖氣的富集規(guī)律進(jìn)行了對比和研究，凹陷層青一段頁巖油主要分布在具有一定成熟度的富有機(jī)質(zhì)頁巖中，頁巖Ro在0.7%～1.0%之間，該套頁巖分布面積大，整個(gè)中央凹陷區(qū)均有分布，除長嶺凹陷外，松遼北部齊家、古龍、三肇等大型凹陷也廣泛發(fā)育，資源潛力巨大，初步估算地質(zhì)資源量可達(dá)75×108t，可動油主要分布在層理縫和紋層溶蝕孔中，深湖相層理型和紋層型頁巖是松遼盆地凹陷層頁巖油勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域；斷陷層沙二段頁巖氣主要分布在高成熟的富有機(jī)質(zhì)頁巖中，Ro以大于1.3%為主，在松遼盆地56個(gè)中小型斷陷中均有分布，如梨樹、德惠、王府、三肇、長嶺等，總體地質(zhì)資源量可達(dá)6×108m3，雖體量不如凹陷層頁巖油，但其開采難度小，且為低碳清潔能源，值得大規(guī)?？碧?，沙二段頁巖氣的富集主要與火山活動、水體咸化和較好的保存條件有關(guān)，松遼東部斷陷群寬緩斜坡帶可作為重點(diǎn)勘探領(lǐng)域。

4 碳中和意義

松遼盆地頁巖油氣調(diào)查突破不僅在保障國家能源安全方面具有重要意義，在促進(jìn)“碳中和”方面同樣具有借鑒和引領(lǐng)意義，主要包括兩點(diǎn)：

1）帶動陸相頁巖油氣尤其是頁巖氣的勘探開發(fā)，有助于發(fā)展低碳能源體系，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)布局。我國CO2排放量一直居全球前列，主要原因是煤炭在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比過高，為57%，是主要CO2排放源，相較煤炭，石油和天然氣是較為優(yōu)質(zhì)高效、綠色清潔的低碳能源，尤其是天然氣，降碳作用更為突出，是我國低碳轉(zhuǎn)型期的重要基礎(chǔ)能源[18-21]。我國天然氣處于勘探早期階段，資源豐富而探明率低，僅為8.6%，具備更快發(fā)展天然氣的資源優(yōu)勢。目前，南方海相頁巖氣的勘探開發(fā)相對比較成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)動用，已在四川盆地建成了昭通、長寧—威遠(yuǎn)以及涪陵焦石壩等多個(gè)海相頁巖氣示范區(qū)[22-24]。海陸交互相頁巖氣在鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地石炭二疊系也均有發(fā)現(xiàn)。然而陸相頁巖氣領(lǐng)域勘探卻剛剛起步。本次調(diào)查證實(shí)松遼盆地陸相頁巖氣具備效益開發(fā)的巨大潛能，有望形成東北地區(qū)新的清潔能源接替陣地，對保障國內(nèi)天然氣供給力度，優(yōu)化調(diào)整能源結(jié)構(gòu)布局，助力早日實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”的戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。

2）創(chuàng)新形成超臨界CO2高效開發(fā)頁巖油氣與碳地質(zhì)封存聯(lián)用技術(shù)，具有“增產(chǎn)+去碳”雙作用。陸相頁巖氣是未來天然氣增儲上產(chǎn)的重要領(lǐng)域，然而，頁巖氣儲層孔隙度滲透率極低，無法直接開采。針對于頁巖氣高效開發(fā)目前水力壓裂技術(shù)運(yùn)用的最為廣泛，但大型水力壓裂技術(shù)耗水量大，對儲層傷害大，容易誘發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題，同時(shí)成本高，降低了頁巖氣的經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值，減少了其經(jīng)濟(jì)技術(shù)可采儲量。并且常規(guī)的水力壓裂對于我國資源量巨大的陸相頁巖氣儲層改造效果并不理想，因?yàn)殛懴囗搸r非均質(zhì)性強(qiáng)、黏土礦物含量高等難點(diǎn)，水力壓裂存在壓不開、壓不遠(yuǎn)等問題[25-26]，制約了我國頁巖氣的有效開發(fā)。

針對陸相頁巖儲層改造形成了超臨界CO2復(fù)合壓裂工藝（圖6），并成功實(shí)施應(yīng)用，效果顯著。本項(xiàng)技術(shù)證實(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①以其超強(qiáng)的穿透性、流動性降低了頁巖儲層破裂壓力，降幅可達(dá)75%；②有效提高了人工縫網(wǎng)波及范圍，縱向拓展高度可達(dá)70 m，橫向拓展可達(dá)200 m，改造體積是常規(guī)水力壓裂的2倍[27-28]；③CO2進(jìn)入地層后形成碳酸，促進(jìn)了頁巖中白云石、方解石等碳酸鹽礦物的有序溶蝕，增加了儲集空間[27]；④利用CO2吸附能力比CH4強(qiáng)的特點(diǎn)，CO2可有效置換CH4，提高頁巖氣單井產(chǎn)量近20%[29]；⑤由于CO2進(jìn)入地層后，一部分參與了化學(xué)反應(yīng)，一部分吸附滯留在頁巖儲層中，平均單段注入液態(tài)CO2為200 m3，放噴過程中通過現(xiàn)場氣相色譜和CO2檢測儀監(jiān)測，井口無CO2氣體排出，實(shí)現(xiàn)了CO2地質(zhì)捕獲、封存，減少溫室氣體排放。

為了驗(yàn)證本工藝的CO2封存能力，將壓后返排試氣階段不同時(shí)間井口返排氣的氣體成分與鉆井現(xiàn)場解析階段巖心解析氣的成分做了對比，表明隨著返排時(shí)間的進(jìn)行，井口返排氣中CO2的含量逐漸減少，到20天后基本與地層中原始?xì)怏w的CO2含量持平，表明壓裂時(shí)注入井中的CO2，大部分被地層封固，只有少部分在放噴前期隨天然氣排出，碳封存效果較好。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頁巖儲層中CO2地質(zhì)封存與頁巖氣高效開采的一體化，不僅可以高效率驅(qū)替頁巖氣，還可代替水介質(zhì)進(jìn)行壓裂增產(chǎn)作業(yè)，同時(shí)巧妙地將CO2封存，為同時(shí)解決能源危機(jī)和應(yīng)對全球氣候變化提出了新的可能性方案。

5 結(jié)論

1）松遼盆地南部長嶺凹陷青一段廣泛發(fā)育陸相半深湖—深湖相頁巖，具有高TOC深水層理型、中TOC半深水紋層型兩種有利的頁巖油富集層系，是現(xiàn)實(shí)的頁巖油資源勘查層系，采用長水平井鉆探、超臨界CO2復(fù)合壓裂工藝等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)陸相頁巖油的效益動用。

2）松遼盆地東南隆起區(qū)梨樹斷陷沙河子組二段下亞段發(fā)育一套富鈣質(zhì)、富硅質(zhì)、富凝灰質(zhì)的混積頁巖，形成于火山活動和咸化湖盆的雙重作用，加之有序的層序組合，該套頁巖兼具較好的生烴、儲集、保存和壓裂條件，采用超臨界CO2+N2拌注增能體積壓裂工藝可以實(shí)現(xiàn)陸相常壓頁巖氣層高效開發(fā)。

3）松遼盆地頁巖油氣調(diào)查突破具有保障國家能源安全和助力“碳中和”雙重意義，能夠帶動陸相頁巖油氣尤其是頁巖氣的勘探開發(fā)，有助于發(fā)展低碳能源體系，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)布局。同時(shí)，創(chuàng)新形成超臨界CO2高效開發(fā)頁巖油氣與碳地質(zhì)封存聯(lián)用技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)“增產(chǎn)+去碳”雙重目標(biāo)。