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(rèn)為，已生成仍滯留于富有機(jī)質(zhì)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(zhì)頁巖、裂縫型頁巖、夾層型頁巖、臨層(包括碳酸鹽夾層、細(xì)砂-粉砂巖夾層等)地層構(gòu)成完整的一套頁巖系統(tǒng)［3］；狹義頁巖油僅包含基質(zhì)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(rèn)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(jī)質(zhì)烴源巖［7-8］。海相頁巖分布于揚(yáng)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(yáng)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(zhǔn)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(zhǔn)噶爾盆地—吐哈盆地侏羅系、塔里木盆地三疊系—侏羅系、柴達(dá)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(rèn)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(tuán)公司2018年12月12日召開“中國陸相頁巖油理論技術(shù)進(jìn)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(qiáng)調(diào)，全力打造頁巖油理論技術(shù)、示范工程、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范三大體系，推動頁巖油盡快取得革命性突破，實(shí)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(xué)者和機(jī)構(gòu)對頁巖油的定義和內(nèi)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(rèn)為［1］，以儲存于富有機(jī)質(zhì)、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(yùn)移過程；張金川等認(rèn)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(rèn)“自生自儲”是頁巖油藏的典型特征，油氣成藏未經(jīng)歷運(yùn)移或運(yùn)移距離極短，與致密油氣藏存在本質(zhì)區(qū)別［16］。

按頁巖地層中所含烴類相態(tài)、成因機(jī)理等特點(diǎn)，頁巖油分為黏稠型(頁巖中的有機(jī)質(zhì)在較低成熟階段生成中—重質(zhì)油，在其層系中相對富集，可采性差)和凝析型(頁巖中的有機(jī)質(zhì)達(dá)到中—高成熟階段，形成輕質(zhì)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(jì)效益。頁巖油在其聚集條件、分布特點(diǎn)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(chǎn)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(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)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(chǔ)上，將大段泥頁巖中厚度小于2 m且產(chǎn)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(jī)質(zhì)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(chǎn)自有機(jī)質(zhì)類型較差的海陸交互相與湖沼相中薄層富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，湖相中厚層富有機(jī)質(zhì)泥頁巖具備頁巖油成藏的地質(zhì)條件，大部分處于生油窗內(nèi)，勘探前景較好，有油氣同出的潛力，主要分布在準(zhǔn)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(jié)合中國頁巖油資源特點(diǎn)及勘探開發(fā)現(xiàn)狀，根據(jù)頁巖油基本地質(zhì)特點(diǎn)和地化特征，優(yōu)選出頁巖油勘探的遠(yuǎn)景區(qū)、有利區(qū)和目標(biāo)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(jì)60年代，在常規(guī)油氣鉆探過程中，濟(jì)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(jì)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(chǎn)，日產(chǎn)油91.4 t，日產(chǎn)氣2 740 m3，濟(jì)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(jì)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(xiàng)陸相頁巖油勘探開發(fā)理論和技術(shù)研究，取得了諸多階段性成果和現(xiàn)場勘探實(shí)踐范例［7］，為深化頁巖油勘探開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表1 中國頁巖油選區(qū)參考標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(shù)”［24］和“寬頻、寬方位、高密度地震采集、處理和解釋一體化技術(shù)”［25］；形成了三開完井的設(shè)計(jì)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(shù)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(dá)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(fù)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(chǎn)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(jì)70年代在渤南洼陷沙一段夾層型頁巖中鉆遇高產(chǎn)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(gòu)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(chǎn)油62 t，日產(chǎn)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(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)含量為 2.86%～10.48%，平均 5.02%，生烴潛量為17.58～85.39 mg/g；日產(chǎn)油 35 t，日產(chǎn)氣 0.168 m3。

朱德順等學(xué)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(chǎn)量與夾層孔隙度的存在高度正相關(guān)關(guān)系；夾層型頁巖油產(chǎn)量隨著壓力系數(shù)的增大而增大，兩者具有較好的正相關(guān)。

3.2.2 濟(jì)陽坳陷古近系陸相夾層型頁巖油

濟(jì)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(fù)合盆地，總面積約為2.6×104km2，受多期構(gòu)造運(yùn)動的影響，形成東營、沾化、車鎮(zhèn)及惠民4個(gè)凹陷，在這4個(gè)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(zhì)灰?guī)r20.0%，夾砂巖和碳酸鹽巖11.4%，層狀泥質(zhì)灰?guī)r(灰質(zhì)泥巖)2.9%，層狀泥質(zhì)灰?guī)r2.9%，層狀灰質(zhì)泥巖2.9%。

目前，有800多口探井在濟(jì)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(chǎn)初期產(chǎn)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(chǎn)，日產(chǎn)油91.4 t，日產(chǎn)氣2 740 m3，累計(jì)產(chǎn)油量2.8×104t，是濟(jì)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(chǎn)油氣流，累積產(chǎn)量都在萬噸以上。

從投產(chǎn)的夾層頁巖油產(chǎn)量情況看，夾層頁巖油氣產(chǎn)層埋深255～4 500 m，以產(chǎn)油為主或油氣共存，僅渤深5井4 500 m的鏡質(zhì)體反射率達(dá)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(chǎn)氣3 533 m3［39］，因此，濟(jì)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(jià)頁巖油開發(fā)潛力，2017年中國石油大港油田在官東重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)Ek21SQ⑨紋層狀長英質(zhì)頁巖、紋層狀混合質(zhì)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(shí)施的預(yù)探評價(jià)井，設(shè)計(jì)井深5 524 m，實(shí)鉆井深5 465 m，造斜點(diǎn)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(chǎn)井段4 056～5 278 m，設(shè)計(jì)壓裂段長為941.3 m，共16段/54簇點(diǎn)，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(chǎn)，?6 mm油嘴生產(chǎn)，日產(chǎn)液25.9 t，日產(chǎn)油9.07 t。

官東1702H井［43］：繼官東1701H井后，大港油田實(shí)施的第2口頁巖油領(lǐng)域重點(diǎn)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(shè)計(jì)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(chǎn)，生產(chǎn)井段3 952～5 229 m，?6 mm油嘴生產(chǎn)，日產(chǎn)液 27.8 t，日產(chǎn)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(shù)，建立了蘇北盆地“自生自儲”側(cè)向運(yùn)移和“下生上儲”縱向調(diào)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(rèn)為［16］，蘇北盆地古近系泥頁巖累計(jì)厚度可達(dá)200 m以上，平均有機(jī)碳含量在2%左右，有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)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(gòu)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(chǎn)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(qiáng)烈井噴，日噴油量達(dá)千噸［46］。

4 中國夾層型頁巖油開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

實(shí)現(xiàn)頁巖油工業(yè)開采仍有技術(shù)“瓶頸”亟待攻關(guān)。

(1)基礎(chǔ)理論［7,13］：頁巖油賦存機(jī)理與微觀孔隙結(jié)構(gòu)、頁巖油滯留成藏機(jī)理、構(gòu)造保存條件、有效儲集體、流動機(jī)理、勘探評價(jià)體系、資源評價(jià)方法、儲量和產(chǎn)能評價(jià)方法。

(2)勘探開發(fā)技術(shù)［24］：夾層型泥頁巖非均質(zhì)性強(qiáng)，黏土礦物含量高，地質(zhì)導(dǎo)向建模、隨鉆測井、鉆井施工難度大；大位移井的隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向與精細(xì)控制技術(shù)；有機(jī)質(zhì)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(chǎn)量，但產(chǎn)量遞減快，難以取得規(guī)模性商業(yè)發(fā)現(xiàn)。

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

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(guān)注的非常規(guī)油氣勘探開發(fā)“甜點(diǎn)”之一，楊智等［47］揭示了“進(jìn)源找油”的源巖油氣內(nèi)涵，為夾層型頁巖油氣勘探開發(fā)指明了方向。國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為［48］，夾層型頁巖油富集主控因素為儲集物性、排烴強(qiáng)度和異常壓力，開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)是薄層分布預(yù)測和壓裂改造工藝，夾層型頁巖油是當(dāng)前技術(shù)條件下比較現(xiàn)實(shí)的勘探目標(biāo)，也將隨著上述瓶頸技術(shù)的不斷攻克而成為我國未來油氣儲量與產(chǎn)量新的增長點(diǎn)［19-21,33,49-50］。