付金華 牛小兵 淡衛(wèi)東 馮勝斌 梁曉偉 辛紅剛 尤 源
( 1中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司;2低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室;3中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探開發(fā)研究院 )
近年來(lái),隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,油氣需求量大幅增加,石油和天然氣對(duì)外依存度不斷上升,2018年石油和天然氣對(duì)外依存度分別達(dá)到69.8%和45.3%[1]。盡快尋找新的油氣資源類型,實(shí)現(xiàn)理論和技術(shù)突破,形成對(duì)國(guó)內(nèi)油氣產(chǎn)量的貢獻(xiàn),成為行業(yè)內(nèi)的共識(shí)。已知的新資源類型中,頁(yè)巖油是最現(xiàn)實(shí)的勘探開發(fā)對(duì)象。得益于油氣地質(zhì)理論[2-6]與水平井體積壓裂工藝技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步[7-11],頁(yè)巖油以其巨大的資源量成為非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的重要目標(biāo),且已在全球能源戰(zhàn)略中占據(jù)重要地位[12-13]。因此推動(dòng)中國(guó)頁(yè)巖油突破,對(duì)于跟緊行業(yè)前沿技術(shù)步伐,并確保國(guó)家能源安全具有重大戰(zhàn)略意義[14-15]。
鄂爾多斯盆地非常規(guī)油氣資源豐富,其中中生界三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段烴源巖層系內(nèi)發(fā)育頁(yè)巖油資源[16-17],保守評(píng)估其資源量可達(dá)百億噸以上[18]。對(duì)其中液態(tài)游離烴,按目前水平井體積壓裂開發(fā)技術(shù)2%~8%的采收率估算[19-20],產(chǎn)出的石油資源量將非??捎^。此外,對(duì)于長(zhǎng)7段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖中未成熟的烴類資源,如果采用國(guó)際前沿的原位加熱改質(zhì)技術(shù)[21],也將采出巨大的石油資源。因此,鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油的有效勘探與開發(fā),對(duì)保障國(guó)家能源安全和油田的持續(xù)發(fā)展均具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義[22-24]。
本文以近年來(lái)鄂爾多斯盆地中生界頁(yè)巖油地質(zhì)理論、技術(shù)攻關(guān)及勘探開發(fā)的成果與實(shí)踐為基礎(chǔ),對(duì)鄂爾多斯盆地中生界三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段頁(yè)巖油的定義、類型、地質(zhì)特征進(jìn)行探討和總結(jié),通過(guò)統(tǒng)一頁(yè)巖油定義、明確頁(yè)巖油類型、細(xì)化頁(yè)巖油特征,為今后盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油勘探開發(fā)指明技術(shù)方向。同時(shí),長(zhǎng)7段頁(yè)巖油勘探開發(fā)所取得的成果與進(jìn)展,不僅使長(zhǎng)慶油田公司堅(jiān)定了長(zhǎng)7段頁(yè)巖油的勘探開發(fā)信心,也對(duì)中國(guó)陸相頁(yè)巖油規(guī)??碧介_發(fā)起到重要的引領(lǐng)和推動(dòng)作用。對(duì)長(zhǎng)7段頁(yè)巖油勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展的系統(tǒng)總結(jié),也將為國(guó)內(nèi)頁(yè)巖油勘探開發(fā)提供借鑒。
鄂爾多斯盆地是一個(gè)整體沉降、坳陷遷移、構(gòu)造簡(jiǎn)單的大型多旋回克拉通疊合盆地,橫跨陜、甘、寧、蒙及晉五省,構(gòu)造區(qū)劃分為西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、伊盟隆起和渭北隆起6個(gè)單元(圖1),盆地內(nèi)大部分油氣主要分布于伊陜斜坡構(gòu)造單元上[16-17,19]。晚三疊世延長(zhǎng)期主要發(fā)育一套內(nèi)陸坳陷湖盆碎屑巖沉積,自上而下可分為10期(長(zhǎng)1—長(zhǎng)10),其中長(zhǎng)7期為最大湖泛期,湖盆半深湖—深湖范圍達(dá)6.5×104km2,發(fā)育一套富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖及三角洲—重力流的細(xì)粒砂巖沉積。根據(jù)巖性組合及沉積旋回,長(zhǎng)7段自下而上可分為長(zhǎng)73、長(zhǎng)72和長(zhǎng)713個(gè)小層。其中長(zhǎng)73小層為湖盆發(fā)育的鼎盛期,湖盆面積最大,主要沉積一套富有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)巖,夾薄層砂巖。由長(zhǎng)73期至長(zhǎng)71期,盆地整體抬升,湖盆面積逐漸減小。在三角洲及重力流沉積作用下,長(zhǎng)72小層和長(zhǎng)71小層主要沉積了多套大面積分布的細(xì)粒砂巖,同時(shí)局部地區(qū)也發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖。廣覆式烴源巖與大面積細(xì)粒砂巖緊密接觸或互層共生,富集了豐富的頁(yè)巖油資源[18-19,23-24],主要發(fā)育于盆地伊陜斜坡中南部的定邊以北、正寧以南、環(huán)縣以東和延安以西地區(qū),是盆地非常規(guī)石油勘探的主要對(duì)象。
圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃圖Fig.1 Tectonic zoning map of Ordos Basin
頁(yè)巖油、致密油概念最早來(lái)自國(guó)外,但資料顯示,在國(guó)外此兩者的概念也不是界定很清晰[25-28]。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于頁(yè)巖油的定義還存在爭(zhēng)議。有的觀點(diǎn)認(rèn)為致密油僅指與烴源巖緊鄰或共生的致密砂巖中近源聚集的石油,而頁(yè)巖油僅指泥頁(yè)巖中產(chǎn)出的石油[2,19,25]。但也有觀點(diǎn)認(rèn)為,頁(yè)巖油泛指蘊(yùn)藏在富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系(包含頁(yè)巖層系中的致密碳酸鹽巖和碎屑巖夾層)中的石油資源[1-2,19,23],具備三要素,即:①富集于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系內(nèi);②儲(chǔ)層為頁(yè)巖層系內(nèi)的致密碎屑巖、碳酸鹽巖和泥頁(yè)巖;③常規(guī)開發(fā)技術(shù)難以開采,需通過(guò)人工改造儲(chǔ)層滲流性的方式進(jìn)行開采[25-28]。對(duì)于鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段,前期以致密砂巖為儲(chǔ)層的致密油勘探開發(fā)取得重大突破,近期又在泥頁(yè)巖段試油攻關(guān)取得突破,狹義的致密油與頁(yè)巖油同時(shí)擺在了勘探開發(fā)工作者面前,概念的爭(zhēng)議給油田科研攻關(guān)及生產(chǎn)組織造成了一定困惑,因此迫切需要統(tǒng)一概念,有效指導(dǎo)生產(chǎn)。長(zhǎng)慶油田公司目前對(duì)長(zhǎng)7段這套烴源巖層系內(nèi)的石油資源主要采用水平井大規(guī)模體積壓裂方式進(jìn)行勘探開發(fā)[29-30],在大規(guī)模壓裂條件下[31-37],其中的致密砂層和泥頁(yè)巖均得到了改造并均有貢獻(xiàn),尤其是在對(duì)薄層的致密砂巖進(jìn)行水平井體積壓裂時(shí),其上下的含油富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖也被改造并貢獻(xiàn)產(chǎn)能,含油致密砂巖和泥頁(yè)巖對(duì)產(chǎn)能的貢獻(xiàn)在很多情況下無(wú)法區(qū)分開,實(shí)際上也不能割裂開區(qū)別對(duì)待。因此,為了對(duì)長(zhǎng)7段這套烴源巖層系內(nèi)的石油資源進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、整體系統(tǒng)研究與攻關(guān),結(jié)合盆地長(zhǎng)7段地質(zhì)特征與勘探開發(fā)實(shí)踐,長(zhǎng)慶油田公司采用廣義頁(yè)巖油定義。即:鄂爾多斯盆地中生界頁(yè)巖油是指三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段烴源巖發(fā)育層系內(nèi)致密砂巖和泥頁(yè)巖中未經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)移而形成的石油聚集。
在統(tǒng)一的頁(yè)巖油定義下,為了便于分類型開展精細(xì)的地質(zhì)研究與針對(duì)性技術(shù)攻關(guān),按照巖性組合、砂地比、連續(xù)砂體厚度等因素,將鄂爾多斯盆地中生界長(zhǎng)7段頁(yè)巖油劃分為3種類型,依次為:Ⅰ類——多期疊置砂巖發(fā)育型;Ⅱ類——頁(yè)巖夾薄層砂巖型;Ⅲ類——純頁(yè)巖型(表1)。
表1 鄂爾多斯盆地中生界三疊系長(zhǎng)7段頁(yè)巖油類型劃分表(巖性柱為長(zhǎng)7段局部)Table 1 The classification of shale oil types in Mesozoic Triassic Chang 7 Member in the Ordos Basin(the lithologic columns are part of Chang 7 Member)
Ⅰ類頁(yè)巖油為多期疊置砂巖發(fā)育型,砂地比大于15%,單砂體厚度3~5m。發(fā)育一套或多套由多期砂體疊置形成的較厚連續(xù)砂層,但是大量取心和露頭資料表明,多套厚層砂巖之間被泥巖夾層分開,最大單層砂巖厚度小于5m。雖然部分井縱向上在局部層段多期砂層發(fā)育(主要為長(zhǎng)71、長(zhǎng)72小層),砂地比較高,但長(zhǎng)7段總體砂地比小于30%。砂巖發(fā)育層段之外,發(fā)育厚度較大的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖,砂巖發(fā)育層段總體上夾于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖之中(表1、圖2a)。該類頁(yè)巖油主要發(fā)育于長(zhǎng)71、長(zhǎng)72小層,儲(chǔ)層以三角洲前緣水下分流河道或砂質(zhì)碎屑流致密細(xì)砂巖為主,孔隙度為6%~12%,滲透率為0.03~0.3mD。Ⅰ類頁(yè)巖油在盆地內(nèi)開展水平井體積壓裂攻關(guān)試驗(yàn)已取得重要突破,并且建成了國(guó)家級(jí)規(guī)模開發(fā)示范區(qū),已實(shí)現(xiàn)規(guī)模勘探開發(fā)。
Ⅱ類頁(yè)巖油為頁(yè)巖夾薄層砂巖型,砂地比為5%~15%。整體以富有機(jī)質(zhì)暗色泥巖和黑色頁(yè)巖為主,夾多套2~3m薄層細(xì)砂巖(表1及圖2b、c)。該類頁(yè)巖油主要分布于以泥頁(yè)巖沉積為主的長(zhǎng)73小層,整體以優(yōu)質(zhì)烴源巖為主,夾薄層細(xì)砂巖。薄層砂巖孔隙度為5%~10%,滲透率為0.03~0.2mD,是油田頁(yè)巖油水平井風(fēng)險(xiǎn)勘探的主要目標(biāo)。
Ⅲ類頁(yè)巖油為純頁(yè)巖型,砂地比小于5%。以富有機(jī)質(zhì)暗色泥巖和黑色頁(yè)巖為主,夾極薄層的細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖,砂巖夾層層數(shù)少,單砂體厚度一般小于2m(表1、圖2d)。富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙度小于2%,滲透率為0.0001~0.01mD,Ro為0.6%~1.1%,是盆地內(nèi)頁(yè)巖油原位改質(zhì)開發(fā)的主要目標(biāo)。
采用廣義頁(yè)巖油定義但又對(duì)其類型進(jìn)行細(xì)分[16,25],既有利于長(zhǎng)7段頁(yè)巖油系統(tǒng)攻關(guān)研究與統(tǒng)籌規(guī)劃管理,也有利于針對(duì)不同類型的地質(zhì)特征開展不同策略的技術(shù)攻關(guān)并制定針對(duì)性勘探開發(fā)技術(shù)對(duì)策。
圖2 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段3類頁(yè)巖油露頭特征Fig.2 Outcrop characteristics of 3 types of shale oil in Chang 7 Member, Ordos Basin(a)Ⅰ類頁(yè)巖油,發(fā)育淺灰色中厚層塊狀細(xì)砂巖,砂質(zhì)碎屑流沉積,長(zhǎng)71小層,瑤曲剖面;(b)、(c)Ⅱ類頁(yè)巖油,黑色頁(yè)巖中夾薄層細(xì)砂巖,長(zhǎng)72小層,銅川剖面;(d)Ⅲ類頁(yè)巖油,黑色頁(yè)巖,長(zhǎng)72小層,銅川剖面
大量的鉆井取心資料表明,鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油儲(chǔ)層巖石類型主要為砂巖和泥頁(yè)巖兩大類。其中砂巖以致密細(xì)砂巖為主,粉砂巖次之。巖心及含油性分析表明長(zhǎng)7段泥頁(yè)巖也含油[16,24],并且礦場(chǎng)實(shí)踐表明泥頁(yè)巖也可產(chǎn)出石油,也是頁(yè)巖油重要的儲(chǔ)層類型。根據(jù)巖性差異和有機(jī)質(zhì)類型與含量不同,泥頁(yè)巖又可分為暗色泥巖和黑色頁(yè)巖兩類。Ⅰ類頁(yè)巖油儲(chǔ)層主要為中厚層細(xì)砂巖,巖石中石英+長(zhǎng)石含量一般為55%~78%(圖3a)[36-38]。Ⅱ類頁(yè)巖油儲(chǔ)層主要為泥頁(yè)巖中夾的薄層細(xì)砂巖、粉砂巖,粉砂巖中石英+長(zhǎng)石含量一般在50%以上(圖3a)。Ⅲ類頁(yè)巖油儲(chǔ)層主要為富有機(jī)質(zhì)暗色泥巖和黑色頁(yè)巖,巖石中石英+長(zhǎng)石含量可達(dá)30%以上(圖3b)[16,24]。長(zhǎng)7段頁(yè)巖油砂泥巖儲(chǔ)層較高的石英及長(zhǎng)石等脆性礦物含量,為頁(yè)巖油儲(chǔ)層體積壓裂改造提供了有利條件。
圖3 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段不同巖性巖石礦物含量直方圖Fig.3 The histogram of rock mineral content with different lithology rocks in Chang 7 Member, Ordos Basin
受沉積環(huán)境控制,鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段不同巖性的頁(yè)巖油儲(chǔ)層在平面上分帶分布規(guī)律明顯。細(xì)砂巖主要發(fā)育于東北部三角洲前緣分流河道及湖盆中部重力流沉積中[39-41](圖4)。粉砂巖主要發(fā)育于東北部三角洲前緣前端及湖盆中部的半深湖—深湖(圖5)。暗色泥巖和黑色頁(yè)巖主要分布于湖盆中部的半深湖、深湖環(huán)境,長(zhǎng)73—長(zhǎng)71期,暗色泥巖、黑色頁(yè)巖分布范圍逐漸減小[24]。受物源供應(yīng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、盆地演化等因素影響[42-43],長(zhǎng)7段具大面積富砂、廣覆式分布富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的特征,為發(fā)育大面積頁(yè)巖油提供了有利的儲(chǔ)集條件。
圖4 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)71小層細(xì)砂巖厚度分布圖Fig.4 The thickness profiles of fine sandstone in Chang 71 sub-member, Ordos Basin
圖5 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)71小層粉砂巖厚度分布圖Fig.5 The thickness profiles of siltstone in Chang 71 sub-member, Ordos Basin
大量的巖心物性分析表明,鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段致密砂巖儲(chǔ)層孔隙度一般為6%~12%,滲透率一般小于0.3mD;泥頁(yè)巖更為致密,孔隙度一般小于2%,滲透率小于0.01mD。巖石礦物定量掃描(QEMSCAN)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡等多方法研究表明[37,44-45],殘余粒間孔、溶蝕孔、伊利石晶間孔是長(zhǎng)7段頁(yè)巖油儲(chǔ)層主要的孔隙類型。長(zhǎng)7段細(xì)砂巖儲(chǔ)層以微米孔隙為主,孔隙半徑主要集中在2~8μm,對(duì)儲(chǔ)集空間貢獻(xiàn)最大[18,37]。長(zhǎng)7段泥頁(yè)巖儲(chǔ)層以納米孔隙為主,暗色泥巖孔隙半徑主要為60~220nm,喉道半徑為20~160nm;黑色頁(yè)巖孔隙半徑主要為20~100nm,喉道半徑為40~100nm[24]。頁(yè)巖油儲(chǔ)層喉道半徑一般為20~120nm,連通性較好(孔隙配位數(shù)每孔1~3個(gè)),納米級(jí)喉道連通微米級(jí)孔隙形成簇狀復(fù)雜孔喉單元,有效提升了儲(chǔ)集性能。核磁共振測(cè)試表明,長(zhǎng)7段致密砂巖儲(chǔ)層可動(dòng)流體飽和度為20%~60%,平均為48%,具有較高的可動(dòng)性流體飽和度[44,46-47],為Ⅰ類、Ⅱ類頁(yè)巖油規(guī)模有效開發(fā)提供了有利條件。
由于晚三疊世印支運(yùn)動(dòng)形成了鄂爾多斯面廣水深(水深60~120m,半深湖—深湖面積達(dá)6.5×104km2)的大型坳陷湖盆的沉積格局[19,48-49],為烴源巖發(fā)育提供了有利的沉積條件。同時(shí),長(zhǎng)7期頻繁火山噴發(fā)為生物勃發(fā)提供了豐富的P、Fe等營(yíng)養(yǎng)元素[19,42],湖盆內(nèi)深部活躍的熱液作用具“施肥”效應(yīng)觸發(fā)生物勃發(fā)[19],湖盆水體富營(yíng)養(yǎng)化觸發(fā)高生物生產(chǎn)力[19,42,50],沉積期后的缺氧環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的保存,低陸源碎屑補(bǔ)償速度促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的相對(duì)富集[19,42]。上述因素綜合作用形成盆地長(zhǎng)7段發(fā)育廣覆式優(yōu)質(zhì)富有機(jī)質(zhì)烴源巖。
根據(jù)沉積構(gòu)造、巖石組構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量特征,盆地長(zhǎng)7段富含有機(jī)質(zhì)烴源巖可劃分為黑色頁(yè)巖和暗色泥巖兩類[19]。烴源巖有機(jī)質(zhì)母源以湖生藻類為主,生油母質(zhì)條件好。其中黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型,暗色泥巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ1型和Ⅱ2型。黑色頁(yè)巖平均TOC為13.81%,暗色泥巖平均TOC為3.75%,兩類烴源巖均為陸相優(yōu)質(zhì)烴源巖[19,51-52]。長(zhǎng)7段烴源巖Ro分布于0.9%~1.1%,平均Tmax達(dá)到447℃,已達(dá)生油成熟階段,處于生油高峰期。殘留瀝青“A”法計(jì)算烴源巖排烴效率高,其中黑色頁(yè)巖排烴率平均為76%,烴源巖發(fā)生了強(qiáng)烈的排烴作用,利于長(zhǎng)7段頁(yè)巖油規(guī)模成藏。
兩類烴源巖大面積分布,其中黑色頁(yè)巖面積達(dá)4.3×104km2,平均厚度達(dá)16m,最厚達(dá)60m;暗色泥巖面積達(dá)6.2×104km2,平均厚度達(dá)17m,最厚達(dá)124m。廣覆式烴源巖為頁(yè)巖油規(guī)模成藏提供了良好的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)。
鄂爾多斯盆地中生界長(zhǎng)7段發(fā)育多套富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖,與致密砂巖緊鄰接觸或互層共生,源儲(chǔ)配置好,油氣近源充注,利于頁(yè)巖油規(guī)模成藏。長(zhǎng)7段優(yōu)質(zhì)烴源巖生烴強(qiáng)度大,黑色頁(yè)巖平均生烴強(qiáng)度為 235.4×104t/km2, 生 烴 量 為 1012.2×108t; 暗色泥巖平均生烴強(qiáng)度為34.8×104t/km2,生烴量為216.4×108t,合計(jì)生烴量為1228.6×108t。而生烴模擬實(shí)驗(yàn)及成藏古壓力分析表明,排烴前封閉條件下其生烴增壓可達(dá)到38.5MPa,成藏期儲(chǔ)層古壓力為18~26MPa,烴源巖、致密砂巖過(guò)剩壓力差一般為8~16MPa[19]。因此,在近源持續(xù)高壓條件下,儲(chǔ)層中含油飽和度呈先快、后慢式增長(zhǎng),經(jīng)歷快速成藏和持續(xù)充注富集兩個(gè)階段,致密砂巖儲(chǔ)層最終含油飽和度高達(dá)70%以上[36,40],含油性好。長(zhǎng)7段泥頁(yè)巖含油性測(cè)試表明,泥頁(yè)巖自身可動(dòng)烴平均含量達(dá)4.74mg/g,具有一定含油性。
鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段廣覆式優(yōu)質(zhì)烴源巖與大面積砂巖儲(chǔ)層形成良好源儲(chǔ)配置,盆地內(nèi)長(zhǎng)7段頁(yè)巖油大面積分布,資源潛量巨大[16,24,53-54]。利用體積法、類比法和EUR法綜合對(duì)長(zhǎng)7段Ⅰ類頁(yè)巖油資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)[55],地質(zhì)資源量達(dá)到40×108t。同時(shí),開展巖石熱解法、石油醚抽提法、二氯甲烷萃取法等方法的暗色泥巖平均可動(dòng)烴評(píng)價(jià),以大于20m泥巖厚度計(jì)算,考慮泥巖中薄層砂巖中的可動(dòng)烴,初步評(píng)價(jià)Ⅱ類、Ⅲ類頁(yè)巖油遠(yuǎn)景資源量達(dá)(40~60)×108t(不含原位改質(zhì)資源量)。
鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油密度為0.80~0.86 g/cm3,國(guó)外威利斯頓盆地和二疊盆地致密油密度為0.82g/cm3[22-23],國(guó)內(nèi)準(zhǔn)噶爾盆地二疊系致密油密度為0.88~0.92g/cm3,松遼盆地白堊系致密油密度為0.78~0.87g/cm3[22-23],四川盆地侏羅系致密油密度為0.76~0.87g/cm3[22-23],與國(guó)內(nèi)外致密油密度相比差異不大,總體原油密度較小。鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油平均原油黏度為1.55mPa·s,高于北美二疊盆地致密油黏度(0.15~0.53mPa·s)[22-23]。國(guó)內(nèi)準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷百口泉組致密油黏度為0.4~4.1mPa·s,松遼盆地白堊系致密油黏度為4.0~8.0mPa·s[23],相比而言,鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油原油黏度明顯較小??傮w來(lái)看,長(zhǎng)7段頁(yè)巖油油質(zhì)輕,流動(dòng)性好,有利于開發(fā)。
大量研究與礦場(chǎng)實(shí)踐表明,含氣量是影響頁(yè)巖油開采效果的重要因素[19,55]。對(duì)鄂爾多斯盆地重點(diǎn)密閉取心井長(zhǎng)7段不同類型巖心進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)密閉保存,測(cè)試其含氣量(表2),結(jié)果表明粉砂巖和頁(yè)巖均有一定含氣量,這有利于頁(yè)巖油的開發(fā)。氣油比對(duì)長(zhǎng)7段頁(yè)巖油生產(chǎn)特征影響至關(guān)重要,隴東地區(qū)長(zhǎng)7段Ⅰ類頁(yè)巖油典型開發(fā)區(qū)塊X233井區(qū)平均氣油比大于90m3/t,而陜北地區(qū)長(zhǎng)7段Ⅰ類頁(yè)巖油典型區(qū)塊AN83井區(qū)平均氣油比在70m3/t左右,前者開發(fā)效果要明顯好于后者,氣油比就是生產(chǎn)差異的重要原因之一。大量測(cè)試表明,長(zhǎng)7段頁(yè)巖油原始?xì)庥捅确植荚?0~120m3/t,與國(guó)內(nèi)外對(duì)比氣油比相對(duì)較高[20],有利于開發(fā)。
埋深是影響頁(yè)巖油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的重要因素[16-20]。鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油埋深分布于700~2900m,其中隴東合水—正寧地區(qū)分布穩(wěn)定、厚度較大的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖分布區(qū)埋深為700~1900m,與國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖油、致密油相比埋深較淺。較淺的埋深條件,有利于勘探開發(fā)成本的降低。
表2 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖、粉砂巖巖心含氣量測(cè)試表Table 2 The gas content test results of shale and siltstone of Chang 7 Member, Ordos Basin
近年來(lái),長(zhǎng)慶油田公司不斷加大長(zhǎng)7段頁(yè)巖油地質(zhì)、測(cè)井、地震、工程、開發(fā)等多學(xué)科一體化技術(shù)攻關(guān),頁(yè)巖油勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)不斷取得重要進(jìn)展,為長(zhǎng)7段頁(yè)巖油規(guī)模有效開發(fā)提供了重要技術(shù)保障。
二維地震利用S變換時(shí)頻分析技術(shù),解決了長(zhǎng)7段致密砂巖儲(chǔ)層受烴源巖強(qiáng)反射影響地震響應(yīng)弱而難識(shí)別的難題,提高了致密砂巖儲(chǔ)層識(shí)別能力,可識(shí)別8m以上致密砂巖儲(chǔ)層。將高亮體含油性預(yù)測(cè)技術(shù)推廣應(yīng)用到疊前,依據(jù)砂巖儲(chǔ)層含油后在近道高亮體異常明顯,而遠(yuǎn)道無(wú)異?;虍惓P〉奶攸c(diǎn),實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖油致密砂巖含油儲(chǔ)層預(yù)測(cè)。
黃土塬三維可控震源采集處理解釋技術(shù)取得重大創(chuàng)新,采集方面,首創(chuàng)黃土塬井炮和可控震源“混采”三維勘探技術(shù),覆蓋次數(shù)達(dá)320次(遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的200次指標(biāo)),獲得了黃土塬區(qū)113km2最高品質(zhì)的地震資料;處理方面,形成高保真處理與高精度成像技術(shù),疊加成果剖面主頻達(dá)35Hz,頻寬為6~70Hz,與已知井合成記錄吻合度為87%;解釋方面,利用廣義S變換頻時(shí)頻分析、多屬性融合等技術(shù),提高構(gòu)造、單砂體預(yù)測(cè)精度,有效指導(dǎo)水平井調(diào)整軌跡1口,加長(zhǎng)2口、縮短2口、暫緩3口。圖6為隴東地區(qū)盤客三維地震過(guò)NH6-2水平井廣義S變換30Hz單頻剖面圖,NH6-2井設(shè)計(jì)水平段長(zhǎng)度為1500m,地震預(yù)測(cè)結(jié)果表明900m后儲(chǔ)層變差,建議水平段長(zhǎng)度縮短至900m,實(shí)際完鉆水平段長(zhǎng)908m,有效儲(chǔ)層鉆遇率為83.4%。三維地震技術(shù)創(chuàng)新為頁(yè)巖油有效勘探開發(fā)提供了技術(shù)利器。
圖6 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)盤客三維地震過(guò)NH6-2水平井廣義S變換30Hz單頻剖面圖Fig.6 3-D Panke seismic cross-NH6-2 horizontal well generalized S-Transform 30Hz single frequency profile in Longdong area, Ordos Basin
圍繞頁(yè)巖油識(shí)別評(píng)價(jià)和鉆完井工程應(yīng)用需求,在常規(guī)儲(chǔ)層“四性”評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上,建立了儲(chǔ)層、烴源巖、工程力學(xué)3類品質(zhì)12項(xiàng)參數(shù)的定量解釋模型,為頁(yè)巖油地質(zhì)甜點(diǎn)和工程甜點(diǎn)的預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。
儲(chǔ)層品質(zhì)定量評(píng)價(jià):以孔隙結(jié)構(gòu)和砂體結(jié)構(gòu)為核心,建立頁(yè)巖油儲(chǔ)層微觀、宏觀非均質(zhì)性定量表征參數(shù)。通過(guò)核磁共振T2譜計(jì)算毛細(xì)管壓力曲線,定量評(píng)價(jià)可動(dòng)流體飽和度和喉道中值半徑。
烴源巖品質(zhì)定量評(píng)價(jià):按照源儲(chǔ)配置精細(xì)解釋思路,建立了烴源巖品質(zhì)量化及分類評(píng)價(jià)參數(shù),以電阻率與孔隙度曲線重疊ΔlgR法和測(cè)井參數(shù)多元統(tǒng)計(jì)回歸法評(píng)價(jià)TOC,為尋找優(yōu)質(zhì)烴源巖提供了依據(jù)。
工程力學(xué)品質(zhì)定量評(píng)價(jià):基于陣列聲波測(cè)井與三軸應(yīng)力試驗(yàn),形成了巖石脆性指數(shù)與基于各向異性模型的地應(yīng)力計(jì)算方法,為壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化提供技術(shù)支持。
針對(duì)長(zhǎng)水平井鉆井摩阻高、扭矩高、鉆井速度低等難題,攻關(guān)形成了以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、強(qiáng)化鉆井參數(shù)、優(yōu)化鉆井液體系、配套關(guān)鍵提速設(shè)備為核心的快速鉆井技術(shù),采用強(qiáng)抑制防塌堵漏鉆井液技術(shù)和儲(chǔ)層保護(hù)完井液技術(shù),解決了漏失、坍塌問(wèn)題,有效保護(hù)儲(chǔ)層,長(zhǎng)水平井鉆井周期大幅縮短,平均鉆井周期由2016年的31.6天縮短至20天以內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)水平井“多井聯(lián)合開發(fā)”作業(yè)、減少黃土塬地貌的井場(chǎng)建設(shè)數(shù)量,通過(guò)三維剖面優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)鉆軌跡控制等技術(shù)攻關(guān),創(chuàng)新形成了三維水平井鉆井技術(shù),支撐叢式水平井開發(fā),建成中國(guó)陸上最大水平井平臺(tái)(HH6平臺(tái)),單平臺(tái)立體實(shí)施水平井12口,大幅提高了鉆完井效率及油層動(dòng)用率。
體積壓裂主體工藝升級(jí)換代:在自主研發(fā)的水力噴砂分段體積壓裂技術(shù)和速鉆橋塞分段多簇壓裂技術(shù)基礎(chǔ)上,2017年以來(lái)規(guī)模試驗(yàn)可溶橋塞壓裂技術(shù),累計(jì)應(yīng)用60口井1200余段。與速鉆橋塞相比,通過(guò)減免鉆塞環(huán)節(jié),單井試油周期縮短15天,作業(yè)成本降低150萬(wàn)元。
關(guān)鍵工具材料實(shí)現(xiàn)自主研發(fā):攻關(guān)形成兩大工程技術(shù)利器和多項(xiàng)自主創(chuàng)新產(chǎn)品,與國(guó)外同類產(chǎn)品相比費(fèi)用下降50%~60%,保障先進(jìn)工藝技術(shù)規(guī)模應(yīng)用;緊跟工藝技術(shù)變革,以“低黏度、低傷害、低摩阻、可回收、低成本”為出發(fā)點(diǎn),由植物膠體系逐步演化為多功能壓裂液系列。
長(zhǎng)水平井細(xì)切割壓裂見(jiàn)到明顯增產(chǎn)效果:為了進(jìn)一步提高水平井單井產(chǎn)量和儲(chǔ)量動(dòng)用程度,體積壓裂設(shè)計(jì)思路由增大裂縫接觸面積向細(xì)分切割精準(zhǔn)改造發(fā)展,工藝技術(shù)由引進(jìn)試驗(yàn)向自主創(chuàng)新轉(zhuǎn)變,整體改造效果穩(wěn)步提升。水平段長(zhǎng)度大幅增加,由1200~1500m增加到1500~3000m;布井間距不斷縮小,由600~1000m縮小到200~400m;裂縫布放更加精準(zhǔn),由均勻分段多簇轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷鶆蚣?xì)分切割;縫控程度大幅提升,由50%~70%提高到90%~95%;改造工藝更加高效,由速鉆橋塞轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇軜蛉?球座;體積壓裂改造段數(shù)增大,由8~12段提高到20~25段;水平井單井產(chǎn)量不斷攀升,由9.6t/d提高到17.3t/d。
鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段Ⅰ類頁(yè)巖油規(guī)模開發(fā)自2011年起在隴東地區(qū)X233、ZH230、ZH183和陜北地區(qū)AN83、W464等區(qū)塊先后開展了定向井注水、長(zhǎng)五點(diǎn)井網(wǎng)注水、七點(diǎn)井網(wǎng)注水和準(zhǔn)自然能量開發(fā)試驗(yàn),目前形成了以水平井體積壓裂后準(zhǔn)自然能量的方式進(jìn)行開發(fā),并且經(jīng)過(guò)探索針對(duì)不同的油層縱向疊置結(jié)構(gòu)形成了有效的優(yōu)化布井技術(shù),超前探索了頁(yè)巖油開發(fā)提高采收率技術(shù)。
3.5.1 優(yōu)化布井技術(shù)
針對(duì)單厚層砂巖發(fā)育和多厚層砂巖發(fā)育兩種Ⅰ類頁(yè)巖油,形成兩種大井叢立體式布井模式。針對(duì)單厚層砂巖發(fā)育的Ⅰ類頁(yè)巖油,單層采用3~4口井組水平井開發(fā),水平段長(zhǎng)度優(yōu)化為1500m左右,井距為400m左右,布縫模式采用密集切割。而針對(duì)多厚層砂巖發(fā)育的Ⅰ類頁(yè)巖油,采用6口以上的雙層立體井組水平井開發(fā),水平段長(zhǎng)度優(yōu)化為1000~1500m,單層井距為400m,平面投影井距為200m,采用交錯(cuò)布縫。其中隴東HH6平臺(tái)長(zhǎng)7段立體開發(fā)實(shí)施水平井12口,長(zhǎng)71小層實(shí)施6口,長(zhǎng)72小層實(shí)施6口,有效節(jié)約用地,提高作業(yè)效率,降低了成本,提高油層有效動(dòng)用率,實(shí)施效果良好。針對(duì)不同縱向油層展布特征,采用針對(duì)性優(yōu)化布井技術(shù),最大化提高了長(zhǎng)7段頁(yè)巖油有效動(dòng)用程度。
3.5.2 提高采收率技術(shù)
積極開展長(zhǎng)7段Ⅰ類頁(yè)巖油提高采收率技術(shù)攻關(guān),進(jìn)行了注水吞吐和二氧化碳能量補(bǔ)充技術(shù)礦場(chǎng)試驗(yàn)。自2014年起,在AN83等區(qū)開展了籠統(tǒng)注水吞吐、分段注水吞吐兩種方式50多井組的試驗(yàn),吞吐有效井組達(dá)到70%左右,井組增油610t,采出程度提高0.14%~1.21%,遞減率較吞吐前下降39%。2017年在AN83區(qū)長(zhǎng)7段開展注CO2吞吐試驗(yàn),取得了一定的效果。在AN237-25井組,注入CO2氣362t,燜井時(shí)間為30天,9口井見(jiàn)效,對(duì)中高含水井降含水效果尤為突出,見(jiàn)效井綜合含水降低18%。注水吞吐和CO2吞吐試驗(yàn)的開展,為長(zhǎng)7段頁(yè)巖油開發(fā)超前探索儲(chǔ)備了有效能量補(bǔ)充技術(shù)。
針對(duì)黃土塬地貌井場(chǎng)受限、地表干旱缺水、作業(yè)周期長(zhǎng)等挑戰(zhàn),探索形成了以“大井叢水平井立體實(shí)施、平臺(tái)連續(xù)供水、高效施工裝備配套、鉆試投分區(qū)同步作業(yè)”為特色的黃土塬地貌工廠化作業(yè)新模式,大幅提高了作業(yè)效率,同時(shí)節(jié)約用地、用水,降低了成本。
總之,通過(guò)加大地震、測(cè)井、鉆井、壓裂及工廠化作業(yè)等先進(jìn)技術(shù)規(guī)模應(yīng)用,長(zhǎng)慶油田頁(yè)巖油水平井在大平臺(tái)立體式布井、長(zhǎng)水平段快速鉆井、細(xì)分切割多段壓裂等方面技術(shù)指標(biāo)不斷創(chuàng)優(yōu),水平井單井產(chǎn)量由9.6t/d提高到17.3t/d,提高80%;水平井平均鉆井周期由31.6天縮短至19.5天,縮短33%;水平井平均試油壓裂周期由45天縮短至30天,縮短33%;多項(xiàng)工程技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先,形成國(guó)內(nèi)陸上最大的12口水平井平臺(tái),國(guó)內(nèi)油田3035m的最長(zhǎng)水平段,國(guó)內(nèi)油田最短9.88天的水平井鉆井周期,國(guó)內(nèi)油田43段211簇的最多壓裂段數(shù)和國(guó)內(nèi)油井單井1.2×104t的最大加砂強(qiáng)度。
地質(zhì)理論認(rèn)識(shí)的不斷深化和關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破與進(jìn)步,推動(dòng)鄂爾多斯盆地中生界長(zhǎng)7段頁(yè)巖油勘探開發(fā)取得顯著成效[56]。
不斷深化頁(yè)巖油成藏機(jī)理及賦存規(guī)律研究,強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),加大勘探力度,發(fā)現(xiàn)了14個(gè)Ⅰ類頁(yè)巖油含油有利區(qū),落實(shí)了整裝規(guī)模儲(chǔ)量。2011年以來(lái),借鑒國(guó)外頁(yè)巖油水平井體積壓裂開發(fā)理念,堅(jiān)持勘探開發(fā)一體化,針對(duì)Ⅰ類頁(yè)巖油積極開展地質(zhì)、地球物理、測(cè)井、工程等多學(xué)科一體化攻關(guān)試驗(yàn),取得重大突破。先后建成X233、ZH183和N89三個(gè)頁(yè)巖油水平井攻關(guān)試驗(yàn)區(qū)(圖7),24口水平井試油平均日產(chǎn)超百噸。試驗(yàn)區(qū)24口水平井初期平均單井日產(chǎn)油12.15t,目前平均6.52t;19口井單井累計(jì)產(chǎn)油突破1×104t,6口井累計(jì)產(chǎn)油超2×104t,單井累計(jì)產(chǎn)量最高達(dá)到4.1×104t(YP7井),試驗(yàn)區(qū)累計(jì)產(chǎn)油41.4×104t(表3),呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)產(chǎn)潛力。
圖7 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油勘探成果圖Fig. 7 Exploration outcome map of Chang 7 Member shale oil, Ordos Basin
針對(duì)Ⅱ、Ⅲ類頁(yè)巖油,積極開展直井體積壓裂改造試驗(yàn),突破了出油關(guān),完試油井29口,獲工業(yè)油流井13口(圖7),揭示了鄂爾多斯盆地中生界長(zhǎng)7段Ⅱ、Ⅲ類頁(yè)巖油良好的勘探潛力。2019年已優(yōu)選CH80井區(qū)長(zhǎng)73小層Ⅱ類頁(yè)巖油部署3口水平井開展攻關(guān)試驗(yàn),目前已完鉆2口,水平段長(zhǎng)度為1600m左右,鉆遇細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥頁(yè)巖、凝灰?guī)r等多種巖性,初步解釋砂層鉆遇率分別為36%和60%,下步將開展巖性及含油性精細(xì)解釋,制定精細(xì)的壓裂試油方案開展試油,探索Ⅱ類頁(yè)巖油勘探開發(fā)潛力。
近年來(lái),針對(duì)泥頁(yè)巖型頁(yè)巖油,形成了原位加熱改質(zhì)的開采技術(shù),在美國(guó)、加拿大均已開展多次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[57-58],國(guó)內(nèi)松遼盆地青山口組頁(yè)巖也開展了原位加熱改質(zhì)的探索和先導(dǎo)試驗(yàn)[57-58]。長(zhǎng)慶油田目前超前優(yōu)選ZH75井區(qū)Ⅲ類頁(yè)巖油,擬超前開展原位加熱改質(zhì)攻關(guān)試驗(yàn)。
表3 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段Ⅰ類頁(yè)巖油水平井試驗(yàn)區(qū)24口水平井生產(chǎn)數(shù)據(jù)表Table 3 Production data of 24 horizontal wells in pilot area of type I shale oil in Chang 7 Member, Ordos Basin
在水平井攻關(guān)試驗(yàn)取得突破的基礎(chǔ)上,先后在陜北AN83井區(qū)和隴東X233井區(qū)快速推進(jìn)頁(yè)巖油水平井規(guī)模開發(fā)(圖7)。在隴東地區(qū)建成了X233國(guó)家頁(yè)巖油規(guī)模開發(fā)示范基地,2018年部署產(chǎn)能50×104t,完鉆水平井89口,投產(chǎn)水平井41口,目前日產(chǎn)油17.3t。截至2018年底,在AN83、ZH183、X233等Ⅰ類頁(yè)巖油開發(fā)試驗(yàn)區(qū)建產(chǎn)能200×104t(其中隴東地區(qū)建產(chǎn)能91×104t),完鉆水平井603口,投產(chǎn)516口,前3個(gè)月平均單井日產(chǎn)油9.3t。目前頁(yè)巖油日產(chǎn)油水平近1900t,2018年原油產(chǎn)量為59.5×104t,2019年計(jì)劃建產(chǎn)100×104t,長(zhǎng)7段Ⅰ類頁(yè)巖油展現(xiàn)出了良好的開發(fā)潛力,已經(jīng)成為長(zhǎng)慶油田石油“二次上產(chǎn)”的重要力量。
根據(jù)巖性組合、砂地比、連續(xù)砂體厚度等因素,將鄂爾多斯盆地中生界長(zhǎng)7段烴源巖發(fā)育層系內(nèi)致密砂巖和泥頁(yè)巖中未經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)移而形成的石油聚集統(tǒng)稱為頁(yè)巖油,并將其細(xì)分為3種類型。鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油定義的明確及類型的細(xì)分,為盆地內(nèi)頁(yè)巖油勘探開發(fā)明確了攻關(guān)方向及地質(zhì)對(duì)象。
鄂爾多斯盆地中生界長(zhǎng)7段頁(yè)巖油具有大面積規(guī)模成藏的重要特征,雖然砂泥巖儲(chǔ)層總體致密,但由于油藏含油飽和度較高、油質(zhì)輕、氣油比較高及埋藏較淺等,長(zhǎng)7段頁(yè)巖油具備規(guī)??碧介_發(fā)有利條件,是長(zhǎng)慶油田公司石油持續(xù)上產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要接替領(lǐng)域。
近年來(lái),通過(guò)系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān),長(zhǎng)慶油田公司在鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油地質(zhì)理論認(rèn)識(shí)、地震預(yù)測(cè)、測(cè)井評(píng)價(jià)、水平井鉆完井、體積壓裂及工廠化作業(yè)等方面取得了系列進(jìn)展,推動(dòng)鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段Ⅰ類頁(yè)巖油實(shí)現(xiàn)了規(guī)模有效勘探與開發(fā)。同時(shí)針對(duì)Ⅱ、Ⅲ類頁(yè)巖油積極開展探索攻關(guān),直井勘探突破出油關(guān),展現(xiàn)出巨大的勘探潛力。隨著理論認(rèn)識(shí)的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步,鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油已成為長(zhǎng)慶油田公司“二次加快發(fā)展”石油上產(chǎn)的的重要接替領(lǐng)域,初步規(guī)劃至2025年長(zhǎng)7段頁(yè)巖油年產(chǎn)量將達(dá)300×104t。鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油地質(zhì)理論研究、技術(shù)攻關(guān)與勘探開發(fā)重要成果的取得,進(jìn)一步堅(jiān)定了長(zhǎng)慶油田頁(yè)巖油勘探開發(fā)信心,同時(shí)對(duì)中國(guó)陸相頁(yè)巖油規(guī)模勘探開發(fā)起到了重要的引領(lǐng)和推動(dòng)作用。