盛 湘，陳 祥，章新文，賈艷雨，羅 曦

(1.中國石油化工管理干部學院，北京 100012；2.中國石化 河南油田分公司，河南 南陽 473132)

中國陸相頁巖油開發(fā)前景與挑戰(zhàn)

盛 湘1，陳 祥2，章新文2，賈艷雨2，羅 曦2

(1.中國石油化工管理干部學院，北京 100012；2.中國石化 河南油田分公司，河南 南陽 473132)

隨著中國頁巖氣勘探開發(fā)進程的推進，頁巖油的勘探開發(fā)受到越來越多的關注。通過對國內外頁巖油勘探開發(fā)現(xiàn)狀追蹤調研，并結合近年來泌陽凹陷陸相頁巖油勘探實踐，從頁巖油的含義與基本特征入手，對中國陸相頁巖油的形成條件、資源規(guī)模、勘探開發(fā)關鍵技術及面臨的問題進行了深入分析。研究表明中國陸相斷陷湖盆頁巖油形成條件有利，資源豐富；中國目前現(xiàn)已初步形成了適合于陸相頁巖地層的地質綜合評價技術、水平井鉆完井及多級分段壓裂技術，并在泌陽凹陷、濟陽坳陷等地區(qū)應用取得了頁巖油勘探重要進展；目前制約中國陸相頁巖油開發(fā)進程的主要問題集中反映在陸相頁巖油滲流機理、甜點區(qū)評價等基礎地質認識，旋轉導向系統(tǒng)、微震裂縫監(jiān)測技術等核心工程技術自主化，以及如何實現(xiàn)效益開發(fā)等3個方面，它們將是今后陸相頁巖油開發(fā)進程中的攻關重點。

形成條件；開發(fā)關鍵技術；陸相頁巖油；中國

目前頁巖油已經成為了北美地區(qū)石油工業(yè)快速發(fā)展的主要資源之一，頁巖油產量呈快速增長趨勢，已占到原油總產量的50%左右，因此頁巖油的勘探開發(fā)引起了國內外的廣泛關注。中國地區(qū)在三疊系、侏羅系、白堊系、第三系中廣泛發(fā)育陸相富含有機質頁巖，具有較好的頁巖油形成條件，資源潛力較大，并在泌陽凹陷、濟陽坳陷、三塘湖盆地等地區(qū)陸相頁巖油勘探中取得了重要進展，因此頁巖油的勘探開發(fā)引起了中國油氣公司的高度重視。中國陸相頁巖油受形成地質背景的影響，在形成機理、形成條件、成藏特征、勘探開發(fā)關鍵技術等方面與北美地區(qū)頁巖油存在較大差異。如何加快中國陸相頁巖油資源評價、形成條件、富集機理以及關鍵的勘探開發(fā)技術研究，是目前急需解決的問題。

1 頁巖油的含義與基本特征

頁巖油是從富含有機質頁巖地層系統(tǒng)(大套暗色頁巖、高碳頁巖、粉砂質頁巖及砂巖薄夾層)中開采出的原油，它是以孔隙、裂縫等為主要儲集空間，無運移或運移距離極短的特低孔、特低滲、連續(xù)型油藏[1-2]。頁巖油具有源儲一體、儲層致密、脆性礦物含量高、異常高壓、熱演化程度較高、油質輕、產量遞減先快后慢、生產周期長等特征[3-4]。國內頁巖油主要受沉積環(huán)境的影響，與北美地區(qū)開采的頁巖油存在一定差異，表現(xiàn)出陸相沉積的特征。北美開采的頁巖油儲層主要形成于海相盆地的陸棚及半深?！詈－h(huán)境，大面積連續(xù)分布，有機碳含量高(多數(shù)大于4%，一般介于3%～13%)，脆性礦物含量較高(大多在50%以上，脆性礦物中硅質、鈣質含量高，大多大于30%)，熱演化程度較高(Ro一般為1.1%～2.1%)，原油密度0.76～0.82 g/cm3，埋深一般小于3 000 m，地層壓力系數(shù)一般大于1.1。國內陸相頁巖油主要形成于陸相斷陷湖盆前三角洲及半深湖—深湖相，有機碳含量普遍小于北美海相地層(一般2%左右)，脆性礦物含量較高(一般介于50%～70%，但其中硅質含量低，長石及鈣質含量高)，熱演化程度較低(Ro為0.5%～1.1%)，原油密度大都在0.86 g/cm3以上，埋深2 200～3 500 m，地層壓力通常為正常壓力(個別地區(qū)存在異常高壓)，儲層儲集空間主要發(fā)育有頁巖裂縫、基質孔隙及有機孔隙等類型。

2 陸相頁巖油形成條件與資源規(guī)模

中國發(fā)育大面積連續(xù)分布的陸相頁巖，多數(shù)頁巖具有單層厚度大、有機碳含量高、熱演化程度適中、脆性礦物含量高、含油性好等特點，具備頁巖油形成的有利條件，且其資源量較大，具備良好的勘探開發(fā)前景。

2.1 陸相頁巖油形成條件

評價頁巖油的形成條件不同于常規(guī)油藏，一般不需要對圈閉條件、輸導條件進行評價。通常根據(jù)頁巖儲層展布特征、生烴條件、儲集條件、保存條件、脆性礦物含量、裂縫發(fā)育程度、含油性等方面，來評價陸相頁巖油的形成條件(圖1)。以南襄盆地泌陽凹陷為例，泌陽凹陷中部深凹區(qū)發(fā)育深湖—半深湖相的富含有機質頁巖，單層平均厚度60 m以上，面積近400 km2；有機碳含量大于2%，有機質類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，熱演化程度Ro在0.6%～1.1%之間；脆性礦物含量大于65%；頁巖儲層基質孔隙度4%～6%，滲透率0.003 5×10-3μm2；水平縫、層理縫及高角度縫發(fā)育；頁巖層段油氣顯示豐富，氣測全烴最高達100%，鉆井過程中見到良好的槽面顯示，鉆井取心巖心出筒時表面及裂縫含油飽滿，呈浸出現(xiàn)象；埋藏深度一般位于2 400～3 000 m；斷層不發(fā)育，保存條件好。綜合評價認為泌陽凹陷頁巖

圖1 中國陸相頁巖油形成條件評價關鍵參數(shù)

具有單層厚度大、橫向連續(xù)分布、生烴條件好、脆性礦物含量高、儲集物性較好、裂縫發(fā)育、含油氣性明顯、保存條件有利等特征，具備陸相頁巖油形成的有利條件。泌頁HF1與泌頁2HF兩口水平井在頁巖層中鉆遇良好油氣顯示，且分段壓裂試獲高產油流，進一步證實了泌陽凹陷具有優(yōu)越的頁巖油形成條件[5-7]。

2.2 陸相頁巖油資源規(guī)模與開發(fā)前景

我國大多數(shù)含油氣盆地均廣泛發(fā)育有陸相的富含有機質頁巖，主要分布于準噶爾、鄂爾多斯、松遼、渤海灣、三塘湖、吐哈、南襄、江漢、蘇北等多個盆地陸相地層中，為頁巖油形成提供了物質基礎。初步估計我國陸相頁巖油資源量約1 500×108t，可采資源量約(30～60)×108t[8]。借鑒北美頁巖油氣勘探開發(fā)成功的經驗，自2009年以來，中國石化、中國石油等大公司啟動了頁巖油氣資源評價及選區(qū)研究工作，取得了重要進展。中國石化勝利油田、河南油田、中原油田、江漢油田、江蘇油田等多個單位，相繼部署實施了一批頁巖油水平井，中國石油遼河油田、吐哈油田等單位也相繼部署實施了一批頁巖油探井，均取得了較好效果。其中中國石化2011年在河南油田泌陽凹陷部署的第一口陸相頁巖油水平井——泌頁HF1井，水平段長1 044 m，經過15級分段壓裂，獲最高日產油23.6 m3、日產氣1 000 m3的工業(yè)油氣流，使得泌陽凹陷率先取得中國陸相頁巖油勘探的重要突破；2012年部署在泌陽凹陷的第二口陸相頁巖油水平井——泌頁2HF井，水平段長度1 408 m，經21級分段壓裂，獲最高日產油28.6 m3工業(yè)油流，進一步拓展了陸相頁巖油的勘探成果。通過近幾年的頁巖油勘探實踐，證實了中國陸相頁巖油具有良好的勘探開發(fā)前景[9-10]。

3 陸相頁巖油開發(fā)關鍵技術

陸相頁巖油作為非常規(guī)油氣類型的一種資源，其勘探開發(fā)具備自己的特點。為保障陸相頁巖油勘探開發(fā)的有序進行，目前國內初步形成了適合陸相頁巖油儲層特點的地質綜合評價、水平井鉆完井及多級分段壓裂技術。

3.1 地質綜合評價技術

陸相頁巖油富集高產“甜點區(qū)”的地質綜合評價是其能否有效勘探開發(fā)的重要前提。在近幾年的頁巖油地質研究和勘探實踐中，初步形成了一套陸相頁巖油的地質綜合評價技術系列。主要包括地質多參數(shù)綜合評價、巖石學分析、測井儲層評價、錄井儲層評價、地震儲層預測、資源評價、有利目標優(yōu)選評價、水平井優(yōu)化設計等8項關鍵技術(圖2)。(1)地質多參數(shù)綜合評價技術主要利用頁巖厚度、巖相、有機碳含量、熱演化程度、脆性礦物含量、儲集物性、裂縫發(fā)育程度及埋藏深度等8項主要地質參數(shù)開展形成條件研究[9]。(2)巖石學分析技術主要利用X衍射、巖石薄片、定量礦物掃描、高分辨率掃描電鏡、核磁實驗、等溫吸附實驗及巖石力學實驗等方法，開展頁巖儲層的巖石礦物組分、儲集空間類型、儲集物性、含油氣性及巖石力學參數(shù)等方面的研究，為頁巖油賦存機理及頁巖儲層特征研究提供支撐。(3)錄井儲層評價技術主要是采用元素錄井、核磁錄井等新技術，結合地化、氣測等常規(guī)錄井方法，開展頁巖儲層的儲集物性及含油氣性評價，為甜點層的評價及分段選簇設計提供重要依據(jù)。(4)測井儲層評價技術主要采用元素俘獲測井(ECS)、微電阻率掃描成像測井(FMI)、核磁測井、偶極子聲波及自然伽馬能譜等測井新技術，結合常規(guī)測井方法，開展頁巖油氣層的儲層劃分與評價工作，建立儲層的評價標準和解釋圖版，評價有利層段，為頁巖油的甜點層評價、水平井著陸點選取以及水平段分段選簇設計優(yōu)化提供支撐。(5)地震儲層預測技術主要利用高精度三維地震資料屬性分析技術、裂縫預測技術及儲層反演技術，開展富含有機質頁巖儲層的展布特征、裂縫發(fā)育特征、巖石物理特征及甜點區(qū)平面預測等研究工作，為有利目標區(qū)的優(yōu)選和水平井的井位部署提供依據(jù)。(6)資源評價技術主要開展資源量計算參數(shù)及可采系數(shù)的選取研究，利用體積法、類比法來計算頁巖油資源量和可采資源量。(7)有利目標優(yōu)選評價技術主要以油藏質量、完井質量2大類評價因素為主，結合經濟技術條件，進行頁巖油有利目標預測與評價，為頁巖油水平井部署提供依據(jù)。(8)水平井優(yōu)化設計技術根據(jù)富含干酪根區(qū)、較高孔滲區(qū)、脆性礦物富集區(qū)及裂縫發(fā)育區(qū)等綜合評價，開展水平井井位部署優(yōu)化、水平井軌跡方向優(yōu)化及水平段最佳著陸點選擇等方面的研究，為水平井的地質及工程設計提供支持。

圖2 陸相頁巖油地質綜合評價技術

3.2 水平井鉆完井技術

水平井鉆完井技術是陸相頁巖油有效勘探開發(fā)的關鍵。頁巖地層水平井鉆完井技術主要包括水平井的鉆井液技術、鉆井工藝配套技術和固完井工藝技術3個方面[11-12]。(1)在鉆井液技術方面，針對陸相地層特點，河南油田自主開發(fā)研究了抑制防塌能力強的油基鉆井液體系[13]，基本滿足了1 000 m以上長水平段頁巖地層的鉆井需要；(2)在水平段快速鉆井工藝技術方面，利用旋轉導向鉆井+高抗研磨性PDC鉆頭+三維地質導向技術(圖3)，應用于泌陽凹陷泌頁HF1井，三開鉆進僅用了6天時間一趟鉆完成了1 121 m的鉆井進尺，實現(xiàn)了長水平段水平井的快速鉆井；(3)在固完井工藝技術方面，中國石化自主研發(fā)了彈韌性水泥漿體系及驅油前置液技術，應用于河南油田2口頁巖油水平井，取得了良好的效果，從而確保了頁巖地層長水平段固井質量，為后續(xù)的多級分段壓裂提供了良好的井筒條件。

3.3 多級分段壓裂技術

多級分段壓裂技術同樣影響著陸相頁巖油的有效勘探開發(fā)，是頁巖油水平井高產的關鍵。陸相頁巖油水平井多級分段壓裂技術主要包括儲層可壓性分析評價、分段選簇設計優(yōu)化技術、壓裂液體系、體積壓裂設計優(yōu)化技術、泵送易鉆橋塞+多級射孔聯(lián)作技術、大型壓裂地面施工技術、微地震裂縫監(jiān)測技術等方面。以泌陽凹陷泌頁HF1井為例，通過開展儲層可壓性分析及分段選簇優(yōu)化設計，采用體積縫+平面縫壓裂理念優(yōu)化設計，共設計15段32簇；優(yōu)選了降阻性能好的滑溜水+線性膠的壓裂液體系；采用泵送易鉆橋塞+多簇射孔聯(lián)作技術，成功實施了15級分段壓裂，注入地層總液量22 138 m3，總砂量524 m3，創(chuàng)造了2011年中國陸相頁巖油水平井壓裂規(guī)模紀錄；在壓裂施工過程中，采用微地震裂縫監(jiān)測技術，實時監(jiān)測裂縫延伸的方位和形態(tài)，證實了該區(qū)頁巖地層可以形成有效的網(wǎng)狀縫體系[14](圖3)。該項配套技術成功運用于泌陽凹陷陸相頁巖油的勘探開發(fā)，并為取得頁巖油勘探開發(fā)重大突破提供了重要的技術支撐。

圖3 南襄盆地泌頁HF1井分段壓裂微地震監(jiān)測成果

4 面臨的問題與挑戰(zhàn)

目前國內陸相頁巖油勘探開發(fā)步伐有所放緩，主要在地質基礎研究、工程技術研究以及開發(fā)經濟性等方面遇到了許多難題與挑戰(zhàn)。

(1)在地質基礎研究方面，陸相頁巖油的賦存機理、成藏機理、富集機理、滲流機理及驅動機理等基礎問題還不明確，陸相頁巖油的可采資源量評價方法及甜點區(qū)的評價技術還有待進一步的完善，國內陸相頁巖油與北美地區(qū)頁巖油在油藏特征、儲層特征、溫壓場特征及流體特征等方面存在較大差異性，目前還沒有掌握中國陸相頁巖油藏的開發(fā)技術和開采規(guī)律。

(2)在工程技術方面，國內幾大油公司雖然已掌握擁有了頁巖油氣的水平井鉆完井與多級分段壓裂配套技術，易鉆橋塞、滑溜水體系及3000型的大型壓裂設備已經自主開發(fā)成功，但是高效PDC鉆頭、旋轉導向系統(tǒng)、微震裂縫監(jiān)測技術等方面的核心技術尚未完全掌握，有待于進一步攻關。尤其是針對國內地質條件比較復雜的頁巖地層，水平井的提速提效鉆井技術以及低成本高效率的多級分段壓裂技術一直制約著頁巖油氣的勘探開發(fā)快速發(fā)展。

(3)在開發(fā)經濟性評價方面，以提高頁巖油氣的勘探開發(fā)效益為中心，以北美頁巖油氣“井工廠”的開采模式為理念，如何實行標準化設計、工廠化作業(yè)、高效化生產、集約化管理、項目化運作的管理模式是我們面臨的管理層面的理念與思路的挑戰(zhàn)。在水平井的鉆井方面，面臨著頁巖地層造斜段防塌技術難度大、鉆井核心技術欠缺、施工周期長、鉆井成本高等難題；在水平井的多級分段壓裂技術方面，面臨著壓裂液體系復雜、頁巖儲層壓裂工藝要求高、施工難度大、作業(yè)效率不高以及壓裂液重復利用技術等難題。國內第一批頁巖油氣水平井單井總投資高達7 000～9 000萬元，第二批頁巖油氣水平井單井總投資高達5 000～6 000萬元，過高的經濟成本嚴重影響了國內頁巖油氣的勘探開發(fā)進程。

5 結論與認識

(1)中國陸相頁巖油的形成條件與北美地區(qū)海相頁巖相比，在沉積規(guī)模、有機碳含量、熱演化程度、地層壓力、埋藏深度、礦物組成及流體特征等方面存在差異。

(2)中國陸相頁巖油資源規(guī)模巨大，勘探開發(fā)前景廣闊。中國的多個陸相湖盆具有頁巖油形成的有利條件，初步估計我國陸相頁巖油資源量約1 500×108t ，可采資源量約(30～60)×108t，勘探開發(fā)前景廣闊。

(3)目前國內初步形成了適合陸相頁巖油的地質綜合評價技術、水平井鉆完井及多級分段壓裂技術，保障了陸相頁巖油勘探開發(fā)的有序進行。地質綜合評價技術主要包括地質多參數(shù)綜合評價、巖石學分析、測井儲層評價、錄井儲層評價、地震儲層預測、資源評價、有利目標優(yōu)選評價、水平井優(yōu)化設計等八項關鍵技術；水平井鉆完井技術主要包括水平井的鉆井液技術、鉆井工藝配套技術和固完井工藝技術；多級分段壓裂技術主要包括儲層可壓性分析評價、分段選簇設計優(yōu)化技術、壓裂液體系、體積壓裂設計優(yōu)化技術、泵送易鉆橋塞+多級射孔聯(lián)作技術、大型壓裂地面施工技術、微地震裂縫監(jiān)測技術等方面。

(4)陸相頁巖油勘探開發(fā)目前主要在地質基礎研究(賦存機理、成藏機理、滲流機理、驅動機理等)、工程技術研究(關鍵技術國產化)以及開發(fā)經濟性(降低成本)等方面存在許多難題與挑戰(zhàn)，是下一步科研攻關的重點。

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(編輯 徐文明)

Prospects and challenges of continental shale oil development in China

Sheng Xiang1, Chen Xiang2, Zhang Xinwen2, Jia Yanyu2, Luo Xi2

(1.SINOPECManagementInstitute,Beijing100012,China; 2.SINOPECHenanOilfield,Nanyang,Henan473132,China)

With the development of shale gas exploration in China, shale oil has attracted more and more attention. This investigation of shale oil exploration at home and abroad has reviewed the shale oil definition and characteristics, forming conditions, resource scale, key technology, problems and challenges with the shale oil exploration practice in the Biyang Sag. The results show that continental faulted basins in China have favorable shale oil conditions and rich resources. Technologies such as comprehensive geological evaluation, horizontal well drilling and completion, and multi-stage segmental fracturing have already been applied in China and important progress has been made in the Biyang Sag and the Jiyang Depression by using these technologies. There are three main problems in shale oil exploration and development. The first one concerns flow mechanism and reservoir evaluation. The second one is the independent research and development of some key engineering technologies such as a rotary steering system and micro-seismic fracture monitoring. The third one is the realization of economical exploration. All the problems above are the main research subjects in the future.

forming conditions; key technology of development; continental shale oil; China

1001-6112(2015)03-0267-05

10.11781/sysydz201503267

2014-12-23；

2015-04-01。

盛湘(1977—)，女，碩士，高級工程師，從事石油地質綜合研究及培訓教學工作。E-mail: shengx.glgy@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司科技部項目(P11081、P13106)資助。

TE132.1

A