孫龍德，劉合，何文淵，李國欣，張水昌，朱如凱，金旭，孟思煒，江航,

（1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶 163002；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100724）

0 引言

大慶古龍頁巖油是典型的陸相頁巖油，松遼盆地古龍凹陷邊緣到中心均見油流；互層型、夾層型到純頁巖型均獲高產(chǎn)；下白堊統(tǒng)青二段下部到青一段整體含油，頁巖油資源潛力巨大[1-3]。

與國內(nèi)外海相或咸化湖盆沉積為主的頁巖相比，古龍頁巖在巖石組構(gòu)、物性、含油性以及頁巖油流動性方面都有很大不同，北美成熟的地質(zhì)理論和工程技術(shù)難以直接應(yīng)用，面臨著單井投資成本較高、初期產(chǎn)量較低、EUR（單井最終可采儲量）低于經(jīng)濟(jì)動用門限、規(guī)模效益開發(fā)配套主體技術(shù)還尚未形成等系列挑戰(zhàn)[4-10]，實現(xiàn)古龍頁巖油開發(fā)理論與科技創(chuàng)新已成為當(dāng)前最為迫切和緊要的任務(wù)。為此，本文初步梳理了古龍頁巖有機(jī)質(zhì)來源和成烴機(jī)理、儲集空間結(jié)構(gòu)和類型、礦物學(xué)演化特征、力學(xué)性質(zhì)與增產(chǎn)改造機(jī)制、頁巖油產(chǎn)狀和相態(tài)、頁巖油油品性質(zhì)評價與提高采收率6大科學(xué)問題，同時針對古龍頁巖油地質(zhì)甜點優(yōu)選、工程優(yōu)化設(shè)計、開發(fā)技術(shù)政策優(yōu)化及提高采收率 3項關(guān)鍵技術(shù)，提出了未來的攻關(guān)方向。

1 古龍頁巖油的戰(zhàn)略意義與勘探開發(fā)歷程

松遼盆地是目前世界上已發(fā)現(xiàn)油氣資源最為豐富的陸相砂巖型含油氣盆地之一，為中國石油工業(yè)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，地位舉足輕重[3,11-12]。經(jīng)過半個多世紀(jì)的勘探開發(fā)，大慶油田已累計提交探明儲量63.7×108t，探明率達(dá) 62.3%。近年來新增石油探明儲量品位明顯降低，1990—2019年，新增探明儲量 31×108t，其中低滲—特低滲儲量26×108t，占比83.8%；同時主力油田穩(wěn)產(chǎn)難度增大，如薩中開發(fā)區(qū)平均含水率已達(dá)96%，其生產(chǎn)運行成本逐年增加，綜合遞減率不斷升高。加強(qiáng)松遼盆地油氣勘探、延緩產(chǎn)量遞減，對中國原油產(chǎn)量穩(wěn)定和能源安全具有重要戰(zhàn)略意義[11,13-15]。

松遼盆地北部下白堊統(tǒng)青山口組為最大湖泛期沉積，發(fā)育了廣泛分布的富有機(jī)質(zhì)暗色泥頁巖，成熟度相對較高，齊家—古龍凹陷達(dá)到1.20%～1.67%（見圖1）。受沉積條件控制，發(fā)育互層型、夾層型、純頁巖型3種不同類型頁巖油（見圖2），其中純頁巖型頁巖油又可細(xì)分為頁理型和紋層型（見圖3）[3,6,12,16-19]?；有晚搸r油為砂巖、頁巖互層中賦存的原油，頁巖占比60%～80%，砂巖單層厚2～4 m，資源量1.56×108t；夾層型頁巖油為厚層頁巖夾薄層粉砂巖中賦存的原油，頁巖占比80%～95%，砂巖夾層單層厚0.2～1.5 m，資源量8.71×108t；純頁巖型頁巖油為厚層頁巖中賦存的原油，頁巖占比超過95%，發(fā)育長英質(zhì)、白云質(zhì)（介殼灰?guī)r）紋層，紋層厚度多小于0.01 m，源儲一體，可進(jìn)一步細(xì)分為青一段下部頁理型頁巖油與青一段上部、青二段紋層型頁巖油（見圖4）。頁理型頁巖油指青一段下部頁理發(fā)育的頁巖中賦存的原油，紋層型頁巖油指青一段上部及青二段粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)（白云質(zhì)）紋層發(fā)育的頁巖中賦存的原油，資源量89.31×108t[20]。目前，松遼盆地互層型頁巖油已部分實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，夾層型、紋層型、頁理型頁巖油資源潛力巨大，一旦取得突破將成為松遼盆地未來油氣儲量、產(chǎn)量實現(xiàn)大規(guī)模增長的重要資源，有力保障大慶油田石油工業(yè)持續(xù)發(fā)展、支撐百年油田建設(shè)。

圖1 松遼盆地北部青山口組頁巖油勘探成果圖

圖2 松遼盆地北部過敖34井—金281井青山口組頁巖儲集層類型分布模式圖（GR—自然伽馬；RLLD—深側(cè)向電阻率）

圖3 古頁3HC井單井純頁巖段剖面圖

圖4 古頁1井頁理型、紋層型頁巖油儲集層巖心及薄片照片

大慶油田頁巖油探索歷時已久，已有近40年歷史，經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)探索、研究認(rèn)識和試驗突破3個階段[14,21]。1981年，針對古龍凹陷泥巖裂縫油藏，采用常規(guī)原油勘探理念與開發(fā)技術(shù)，鉆探了首口發(fā)現(xiàn)井（英12井），在青一段、青二段獲得日產(chǎn)油3.8 t、日產(chǎn)氣441 m3的工業(yè)油流；1983—1991年，進(jìn)一步建立了英12井泥巖儲集層試驗區(qū)，先后鉆探了5口井，其中英18、哈16井獲得工業(yè)油流；1998年開展了頁巖油水平井開發(fā)的初步探索，古平1井篩管完井、獲得日產(chǎn)1.5 t的低產(chǎn)油流。

2011年進(jìn)入研究認(rèn)識階段，應(yīng)用致密油勘探理念與開發(fā)技術(shù)，頁巖油開發(fā)拓展至互層型與夾層型頁巖油領(lǐng)域，開發(fā)對象為頁巖層系中的薄砂層。其中互層型頁巖油齊平2井日產(chǎn)油達(dá)31.9 t，4個開發(fā)實驗區(qū)累計產(chǎn)油92.95×104t，已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)模開發(fā)；夾層型頁巖油齊平1井獲日產(chǎn)10.2 t工業(yè)油流，齊平1-1井日產(chǎn)油14.3 t。

2018年進(jìn)入試驗突破階段，大慶油田持續(xù)加大頁巖油探索力度，探索頁巖油勘探理念與開發(fā)技術(shù)，優(yōu)選部署了古頁1、英X57和朝21等18口直井，日產(chǎn)油1.36～6.72 t，證實青二段下部到青一段整體含油，地層厚度100～140 m。其中古龍凹陷青一段下部為輕質(zhì)油帶，地層厚度50～60 m，橫向分布穩(wěn)定，面積2 326 km2。針對青一段頁巖優(yōu)勢甜點層部署實施了松頁油1HF、松頁油2HF、古頁油平1和英頁1H等4口水平井（見圖1）。其中古頁油平1井位于松遼盆地中央坳陷區(qū)古龍凹陷深部位，以青一段下部頁理型頁巖為甜點靶層，獲得日產(chǎn)油30.5 t、日產(chǎn)氣13 032 m3的高產(chǎn)工業(yè)油氣流。古頁油平 1井高產(chǎn)標(biāo)志著純頁巖型頁巖油獲得重要突破，展現(xiàn)了陸相頁巖油廣闊的資源前景，具有重大戰(zhàn)略轉(zhuǎn)折意義。

2 大慶古龍頁巖油的特殊性

古龍頁巖油主體是純頁巖型頁巖油，不同于國內(nèi)外其他類頁巖油，尚無大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的成功案例，其資源稟賦條件和儲集層特征都具有特殊性，顛覆了傳統(tǒng)頁巖油勘探開發(fā)的理念和認(rèn)識，具體包括4個方面。

2.1 古龍頁巖油特殊的地球化學(xué)特征和油品性質(zhì)

古龍頁巖有機(jī)質(zhì)類型好，青一段、青二段沉積時期浮游藻類勃發(fā)，有機(jī)質(zhì)以層狀藻類體為主，沉積環(huán)境以厭氧—缺氧為主，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型，氫指數(shù)高，一般為 600～800 mg/g，生油潛力大。有機(jī)碳含量（TOC）較高，半深湖—深湖相區(qū)內(nèi)青一段TOC值為1.8%～4.5%，青二段TOC值為1.4%～2.2%。青一段下部頁巖游離烴含量最高，一般大于8 mg/g，其次為青一段上部及青二段頁巖，一般大于6 mg/g。

傳統(tǒng)認(rèn)識中，相對北美海相頁巖油，中國陸相頁巖油熱演化程度整體偏低，原油密度高、黏度高、氣油比低，流動性差[22-24]。齊家—古龍地區(qū)地層壓力系數(shù)一般為 1.20，最高可達(dá) 1.58。青一段壓力系數(shù)大于1.20的高壓區(qū)面積4 550 km2，青二段高壓區(qū)面積2 617 km2。而古頁1井、古頁油平1井和英頁1H井的試油資料表明，古龍地區(qū)地面原油密度總體小于 0.84 g/cm3，地層原油黏度普遍小于0.8 mPa·s，膠質(zhì)含量8.0%～18.6%，瀝青質(zhì)含量0～0.4%，平均飽和烴含量為 84.2%，芳烴含量為 9.7%；氣油比隨著成熟度的增高逐漸變大，位于凹陷深部的古頁油平 1井的生產(chǎn)氣油比達(dá) 400 m3/m3以上。青二段下部到青一段的石油超越效應(yīng)明顯，可動油指數(shù)（OSI，是游離烴含量與總有機(jī)碳含量的比值）達(dá)100～400 mg/g（見圖5），超過北美已成功大規(guī)模開發(fā)的鷹灘頁巖油（OSI值為100～200 mg/g）[25]，表明古龍頁巖油可動潛力大。上述特征認(rèn)識表明，古龍頁巖油不僅優(yōu)于中國已發(fā)現(xiàn)的其他頁巖油資源品質(zhì)，也優(yōu)于北美已報道的主要頁巖油資源品質(zhì)，改變了對陸相頁巖油普遍呈現(xiàn)高密度、高黏度、低氣油比特征的傳統(tǒng)認(rèn)識。

圖5 古龍陸相頁巖油超越效應(yīng)數(shù)據(jù)圖

2.2 古龍頁巖特殊的儲集空間特征

松遼盆地古龍頁巖具有不同于國內(nèi)外其他盆地頁巖的顯著特征，該儲集系統(tǒng)具備有機(jī)、無機(jī)雙重成因，主要由基質(zhì)孔隙-頁理縫組成。與常規(guī)儲集層不同的是，青山口組頁巖孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔縫、溶孔、黏土礦物晶間孔為主（見圖6），占總面孔率的80%以上。其中，巖心精描顯示有機(jī)成因和無機(jī)成因的水平頁理縫極為發(fā)育（1 000～3 000條/m）（見圖6），總面孔率占比達(dá) 22%～79%。受水平頁理控制的納米級孔縫體系大大改善了儲集層物性，覆壓條件下水平滲透率達(dá)（0.011～1.620）×10-3μm2，平均 0.580×10-3μm2，垂直滲透率小于0.000 1×10-3μm2，形成了水平方向上的高孔滲帶。由于先存水平層理發(fā)育，順層排列的有機(jī)質(zhì)和其他碎屑礦物的尖端效應(yīng)促使裂縫橫向擴(kuò)展，形成大量層理縫，可使頁巖儲集空間體積擴(kuò)容 1.0～1.2倍，折合約增加孔隙度2%～3%[26]。

圖6 古龍頁巖場發(fā)射掃描電鏡圖像

2.3 古龍頁巖特殊的可壓性評價標(biāo)準(zhǔn)

古龍頁巖油改變了以黏土含量判別頁巖儲集層可壓性的標(biāo)準(zhǔn)。古龍頁巖主要為黏土質(zhì)長英頁巖，黏土礦物平均含量達(dá) 35.6%。依照傳統(tǒng)儲集層改造理論，高黏土礦物含量是影響壓裂效果的關(guān)鍵因素。然而，研究發(fā)現(xiàn)古龍頁巖整體處于中成巖晚期，黏土礦物演化程度高，蒙脫石大量轉(zhuǎn)化為伊利石，在轉(zhuǎn)化過程中析出硅質(zhì)，使得頁巖剛性成分增加，脆性增大（見圖7）[27]。頁巖中伊利石經(jīng)成巖壓實作用定向排列，使巖石沿層面易剝裂。壓裂過程中巖樣沿主應(yīng)力方向開啟垂直裂縫，同時開啟多條沿頁理面的水平裂縫、形成“豐”字形復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫（見圖8），顯著改善了儲集層可壓性。

圖7 黏土礦物成巖演化析出石英

圖8 古龍頁巖“豐”字形破裂形態(tài)

2.4 古龍頁巖油特殊的工程甜點特征

古龍頁巖油的突破改變了在頁巖層系中選取致密夾層作為工程甜點的傳統(tǒng)做法。北美海相致密油、頁巖油開發(fā)往往是在頁巖層系中選取致密夾層作為開發(fā)目的層，借助長水平井體積壓裂模式進(jìn)行商業(yè)開發(fā)[8,28-31]。中國已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模開發(fā)的吉木薩爾凹陷蘆草溝組、鄂爾多斯盆地長 71+2段頁巖油同樣是借鑒了北美的經(jīng)驗[32-33]。然而，齊家—古龍地區(qū)頁巖油頁理型、紋層型頁巖厚度占比達(dá) 95%以上，盡管夾有白云巖、介殼灰?guī)r和粉砂巖紋層，但厚度很薄，一般單層厚度僅0.05～0.15 m。同時由于頁理縫顯著改善了頁巖物性，總孔隙度平均達(dá) 9.8%，有效孔隙度平均 6.2%，良好的儲集性與連通性使其可作為優(yōu)質(zhì)工程甜點層。

得益于非常規(guī)油氣工程理念和技術(shù)創(chuàng)新，頁巖油勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)體系的建立將有助于古龍頁巖油的規(guī)?；I(yè)突破[24,34-36]。但古龍頁巖油的勘探開發(fā)尚處于起步階段，其獨特性使得北美頁巖油的勘探開發(fā)技術(shù)路線無法直接照搬使用（見表1）：獨特的資源稟賦特征和儲集層評價關(guān)鍵參數(shù)還需進(jìn)一步落實，主體開發(fā)參數(shù)尚未明確；鉆完井及改造配套技術(shù)體系仍待完善；開發(fā)遞減規(guī)律尚不清楚；井網(wǎng)井距及生產(chǎn)制度有待優(yōu)化；提高采收率技術(shù)也尚未開展研究；早期投產(chǎn)井普遍存在單井投資成本較高、初期產(chǎn)量較低、EUR低于經(jīng)濟(jì)動用門限的問題。因此，仍需在實踐中不斷創(chuàng)新理論、發(fā)展技術(shù)，支撐快速高效發(fā)展。

表1 國內(nèi)外頁巖油主要特征參數(shù)對比表

3 古龍頁巖油科學(xué)問題剖析

古龍頁巖油作為全新的資源類型，國內(nèi)外尚無可直接復(fù)制套用的現(xiàn)成地質(zhì)理論和開發(fā)技術(shù)。盡管其勘探開發(fā)實踐取得了重要突破，但仍面臨著基礎(chǔ)研究滯后、工程技術(shù)不配套、施工成本偏高、效益關(guān)尚未突破等系列難題。針對古龍頁巖油的資源特征與勘探開發(fā)現(xiàn)狀，梳理出以下6個方面的關(guān)鍵科學(xué)問題。

3.1 青山口組頁巖有機(jī)質(zhì)來源、生排烴機(jī)理和影響頁巖油豐度的關(guān)鍵因素

目前的研究表明：①青山口組頁巖中已發(fā)現(xiàn)有湖相藻類、海相藻類、原核細(xì)菌和高等植物的實體和分子化石證據(jù)[37-40]，說明古龍頁巖沉積有機(jī)質(zhì)母源復(fù)雜；②由于不同類型生物勃發(fā)的古氣候和古水體環(huán)境存在顯著差異，所形成干酪根的生烴能力和產(chǎn)物組成也明顯不同[41]，影響古龍頁巖油的形成和富集；③基于松科1井的研究揭示，青一段沉積期可能發(fā)生海侵事件[39,42]，且地球天文軌道力深刻影響著古湖泊的氣候變化和沉積過程[43]，可能是古龍頁巖有機(jī)質(zhì)富集具旋回性的主要控制因素；④該區(qū)地層超壓、氣油比和Ro值呈現(xiàn)較好的對應(yīng)關(guān)系，生成的油氣密度輕于干酪根、造成源內(nèi)體積膨脹并產(chǎn)生超壓，是油氣排驅(qū)的主要動力。然而目前仍存在一些問題：①對古龍頁巖有機(jī)質(zhì)的母質(zhì)來源仍未開展定量評價，青一段沉積期的海侵是否到達(dá)古龍凹陷仍存爭議，有機(jī)質(zhì)紋層與長英質(zhì)碎屑或碳酸鹽巖多尺度頻繁互層的主控因素仍然不清，直接影響了對古龍優(yōu)質(zhì)頁巖油形成機(jī)理和資源潛力的準(zhǔn)確認(rèn)識；②地層超壓成因與生排烴機(jī)理仍需進(jìn)一步深入研究。

3.2 古龍頁巖有效儲集空間類型和結(jié)構(gòu)特征及其對孔隙度和滲透率的貢獻(xiàn)

目前已初步明確紋層型、頁理型、夾層型 3類頁巖的儲集性能差異，探討了頁理縫發(fā)育特征及對儲集性能的影響。但古龍頁巖孔隙類型不同于常規(guī)儲集層，與有機(jī)質(zhì)、黏土礦物及溶蝕作用相關(guān)的孔縫發(fā)育，孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔縫、溶孔、黏土礦物晶間孔為主，占總面孔率的 80%以上，同時受頁理控制的納米級孔縫體系進(jìn)一步改善了儲集層物性（見圖9）。

圖9 古龍頁巖（敖34井，青一段，紋層狀頁巖，2 231.2 m）孔隙-裂縫-基質(zhì)礦物微米CT三維模型

針對古龍頁巖孔隙類型的特殊性，目前尚存在下列問題：①未開展不同尺度孔隙結(jié)構(gòu)融合表征方面的研究；②地層條件下頁理縫的有效性、裂縫與孔隙的貢獻(xiàn)比例也尚未明確；③因3類頁巖儲集性能的差異性，收縮縫、成巖縫、有機(jī)質(zhì)孔、頁理面等是否為有效儲集空間等缺乏有效表征方法；④儲量評估預(yù)測仍缺乏依據(jù)。

3.3 古龍頁巖礦物成因和演化規(guī)律及其對儲集層有效性、敏感性與可壓性的控制作用

通過前期研究：①初步明確了古龍頁巖為黏土質(zhì)長英頁巖，黏土礦物平均含量35.6%，碳酸鹽含量較低；②初步搞清了黏土礦物成巖演化序列，即整體處于中成巖晚期，黏土礦物演化程度高，埋深超過1 650 m后，蒙脫石大量轉(zhuǎn)化為伊利石，黏土礦物趨向穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化過程中析出石英，脆性增大；③初步提出了黏土礦物與頁理形成的關(guān)系，即伊利石經(jīng)成巖壓實作用定向排列，使巖石具易裂性頁理，沿層面易剝裂成薄層。但當(dāng)前研究仍存在不足：①尚未區(qū)分黏土礦物的來源，缺乏對沉積型與成巖型黏土礦物的類型、比例及產(chǎn)狀的認(rèn)識；②不同黏土礦物對頁巖儲集性能、敏感性與可壓性的影響認(rèn)識仍需深化；③蒙脫石消失線在古龍地區(qū)的平面分布仍不明確。

3.4 古龍頁巖巖石力學(xué)特征與裂縫擴(kuò)展規(guī)律

目前已開展了垂直、平行層理方向巖心巖石力學(xué)對比研究，結(jié)果顯示：①平行頁理巖心樣品斷裂韌性、抗拉強(qiáng)度比垂直頁理巖心樣品分別降低 38.6%和71.7%，巖石力學(xué)各向異性顯著；②古龍頁巖黏土礦物發(fā)育且以伊利石為主、頁理紋層發(fā)育，其可壓性受復(fù)雜礦物組構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、頁理紋層分布等共同控制；③基于全直徑巖心物理模擬，明確了水力壓裂裂縫擴(kuò)展的動態(tài)平衡過程（垂向應(yīng)力控制下縱向擴(kuò)展、頁理紋層控制下水平擴(kuò)展），人工裂縫呈現(xiàn)“豐”字形復(fù)雜形態(tài)；④低黏流體利于開啟層理，高黏流體利于裂縫縱向延伸，形成了前置 CO2、凍膠與滑溜水交替注入的體積壓裂主體技術(shù)，增大壓裂改造體積與裂縫復(fù)雜程度。但目前仍存在殊多問題需要攻關(guān)：①常規(guī)巖石力學(xué)測試過程中，巖心取出后伴隨應(yīng)力釋放，力學(xué)特性失真，原位環(huán)境下頁理紋層力學(xué)特性與頁巖力學(xué)各向異性認(rèn)識尚不明確；②采用礦物法（包括脆性礦物含碳酸鹽和不含碳酸鹽兩種模式）、彈性參數(shù)法、應(yīng)力應(yīng)變曲線法等計算的頁巖脆性指數(shù)相關(guān)性極差，現(xiàn)有可壓性評價方法難以綜合考慮各項控制因素（見圖10）；③壓裂物模實驗在應(yīng)力環(huán)境、試件尺寸、巖石力學(xué)特性上與真實壓裂工況差異較大，現(xiàn)有壓裂數(shù)值模型則難以考慮頁巖本身多尺度非均質(zhì)性的影響，極大地限制了模型的應(yīng)用范圍和預(yù)測能力；④壓裂監(jiān)測結(jié)果顯示當(dāng)前壓裂工藝下裂縫主要沿水平方向擴(kuò)展，裂縫縱向延伸受限、縫高普遍小于10 m，改造體積受限，縱向需要布置多套水平井才能實現(xiàn)甜點段整體控制。

圖10 不同可壓性評價方法分析結(jié)果

3.5 古龍頁巖油油品、相態(tài)變化規(guī)律與吸附-解吸轉(zhuǎn)化主控因素

現(xiàn)有測試數(shù)據(jù)顯示，古龍頁巖油具有密度低（小于0.84 g/cm3）、黏度低（小于0.8 mPa·s）、輕烴比例高（飽和烴平均含量84.2%）、氣油比與成熟度正相關(guān)等特點。古龍頁巖油含油性總體較好，青一段實測含油飽和度26.1%～73.2%，平均44.8%；核磁共振分析可動油飽和度37.3%～50.6%，現(xiàn)場一維核磁含油飽和度40.3%～80.2%，平均58.0%。環(huán)境掃描電鏡微觀觀察表明，原油表現(xiàn)為游離態(tài)與吸附態(tài)兩種賦存形式，賦存于基質(zhì)孔隙與頁理縫兩個區(qū)域，含油飽和度及游離態(tài)比例均較高（見圖11）。然而，當(dāng)前相態(tài)研究無法確定前置 CO2注入及取樣過程中劇烈溫壓變化的影響，油藏條件下納米尺度多孔介質(zhì)下的相態(tài)特征、頁巖油產(chǎn)區(qū)相態(tài)橫向分布尚不明確；同時頁巖油賦存形式與狀態(tài)研究目前仍以靜態(tài)定性研究為主，游離與吸附烴比例定量評價與動態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律研究亟待加強(qiáng)。

圖11 原油賦存狀態(tài)電鏡分析

3.6 古龍頁巖油液固-液氣作用機(jī)理與提高采收率機(jī)制

近期工作：①通過修正經(jīng)典的開爾文方程，初步建立了納米限域毛細(xì)凝聚的新理論，闡述了固液界面力學(xué)作用在納米/亞微米尺度的毛細(xì)凝聚中的重要作用，對該極限尺度的最新實驗結(jié)果及其力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了合理解釋[44-45]；②研究了固液界面毛細(xì)管力的微觀起源，揭示了液滴接觸線處受力平衡的作用機(jī)理，并從力學(xué)角度給出了固液界面潤濕領(lǐng)域楊氏方程的合理解釋，為巖油界面潤濕性、巖石表面油滴/油膜的剝離等界面潤濕現(xiàn)象提供了新的認(rèn)知[46]；③基于多相滲流研究，探索了氣體空間分布及其隨時間的變化關(guān)系，明確了脫氣對生產(chǎn)過程的影響，即當(dāng)脫出氣形成連續(xù)氣體通路時，氣出油留，壓力補(bǔ)充效率低；當(dāng)脫出氣形成氣泡群時，氣留油出，壓力補(bǔ)充效率高；④初步明確了前置CO2提高采收率作用機(jī)制，即通過CO2對有機(jī)質(zhì)的抽提，以及對鉀長石、鈉長石、方解石等礦物的溶蝕作用，生成的新生有機(jī)質(zhì)孔隙與溶蝕無機(jī)質(zhì)孔隙有效改善儲集層物性；但伴隨的高嶺石微粒遷移和菱鐵礦沉淀也會對滲流通道造成損害[47]（見圖12），孔滲測試結(jié)果顯示燜井7 d后頁巖孔隙度由5.37%提高到 7.81%，但橫向滲透率由 0.019×10-3μm2降低至0.002×10-3μm2。但整體來看：①目前古龍頁巖油滲流基礎(chǔ)理論研究相對較少，且未涉及相變、產(chǎn)狀轉(zhuǎn)化、固-液作用等對于滲流的影響；②前置CO2對古龍頁巖油人工裂縫形態(tài)、孔滲參數(shù)、增能助排作用的影響機(jī)制與技術(shù)適應(yīng)性尚不明確，CO2用量優(yōu)化缺乏依據(jù)。

圖12 古龍頁巖CO2作用前后微觀形貌變化

4 攻關(guān)方向

基于對古龍陸相頁巖油獨特性的認(rèn)識以及科學(xué)問題的剖析，梳理出頁巖油地質(zhì)甜點優(yōu)選、工程甜點優(yōu)選與開發(fā)方案優(yōu)選等3個亟需開展攻關(guān)的研究方向。

4.1 頁巖油地質(zhì)甜點優(yōu)選

古龍頁巖油成因機(jī)理和分布規(guī)律復(fù)雜，需深化油氣生成與排驅(qū)、儲集與運聚等機(jī)理研究，指導(dǎo)頁巖油地質(zhì)甜點優(yōu)選。

4.1.1 等時地質(zhì)格架與高分辨率年代標(biāo)尺

應(yīng)充分發(fā)揮火山灰鋯石高精度 U-Pb同位素年齡和天文年代學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢，在松科 1井前期研究成果基礎(chǔ)上，以凹陷不同位置巖心的火山灰成分、層位和年齡等數(shù)據(jù)作為等時地質(zhì)事件“錨點”，同時結(jié)合旋回地層學(xué)分析，建立凹陷內(nèi)青山口組10萬年分辨率的高精度等時年代格架，明確凹陷內(nèi)青山口組各層序、層段的沉積時限、地質(zhì)事件和沉積特征，為青山口組油層的“三段式”和“九段式”（Q1—Q9）劃分提供高精度年代標(biāo)尺，指導(dǎo)儲集層劃分和甜點識別。

4.1.2 海侵/湖泛地質(zhì)事件與有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制

需針對海侵/湖泛可能出現(xiàn)的層位進(jìn)行高分辨率取樣和多指標(biāo)綜合分析，通過微體化石（如海相有孔蟲）、特殊礦物（如海綠石）、特殊生物標(biāo)志化合物（如 24-正丙基膽甾烷、24-異丙基膽甾烷）等判定海侵與否；通過黃鐵礦硫同位素判定古湖泊化變層深度和硫酸鹽供給源，通過B同位素判定水體咸度，通過Mo同位素判定水體缺氧程度和盆地開放程度，通過主微量元素、鐵組分等判定水體氧化還原環(huán)境，結(jié)合基礎(chǔ)有機(jī)地球化學(xué)特征，綜合判識凹陷內(nèi)青山口組海侵的時限、期次、強(qiáng)度和影響范圍，建立海侵/湖泛作用下的有機(jī)質(zhì)富集、水體環(huán)境變化和烴源巖發(fā)育模式。

4.1.3 頁巖紋層的周期參數(shù)和主控因素

需利用紋層特征的多維度、多尺度定量描述手段，對所取巖心段開展高分辨率的磁化率、灰度、礦物、元素的原位成像掃描，同時通過頻譜分析和沉積速率約束，識別旋回周期和氣候影響因素，進(jìn)一步明確不同尺度的氣候旋回周期（如 17.3×104年和 4×104年的地球自轉(zhuǎn)軸斜率周期、2×104年的地球公轉(zhuǎn)軌道歲差周期、10～50年的太陽黑子活動周期、2～7年的大氣環(huán)流厄爾尼諾周期等）對碎屑物供給、有機(jī)質(zhì)富集、紋層形成的控制作用，針對性提出富有機(jī)質(zhì)層、有效儲集層、頁巖油甜點層形成的周期參數(shù)和主控因素。

4.1.4 頁巖儲集空間與儲量評估預(yù)測

應(yīng)實施有效保證壓力不散失、頁理面不破壞、天然氣不逸散的密閉保壓技術(shù)取心方案，著力創(chuàng)新滿足有機(jī)質(zhì)孔—無機(jī)質(zhì)孔多尺度表征需求的技術(shù)方法，明確紋層型、頁理型、夾層型 3類頁巖儲集空間特征與有效性；開展近地層條件下頁理縫產(chǎn)狀、分布與孔縫連通性三維表征，明確頁理縫的有效性及主要影響因素，定量評價其對儲集空間的貢獻(xiàn)。以此為基礎(chǔ)，針對 3類頁巖分別建立地質(zhì)模型，結(jié)合“鐵柱子”井綜合分析、測井采集、實驗化驗分析等技術(shù)手段，分別基于容積法與體積法對古龍頁巖儲量進(jìn)行評估預(yù)測。

4.1.5 地層超壓規(guī)律與頁巖油運聚機(jī)理

需確定油氣大量生成和排驅(qū)的時限，明確大慶長垣常規(guī)油與古龍頁巖油形成的時序關(guān)系；建立可靠的殘留烴測試和恢復(fù)技術(shù)，準(zhǔn)確厘定巖石中烴類含量及成分，確定烴源巖排烴效率，并深入研究殘留烴二次裂解機(jī)制，研究其對殘留烴含量及組成、地層超壓形成的影響。要基于構(gòu)造應(yīng)力場、溫壓場、流體場等分析手段，建立多類型油氣形成一體化評價模式，明確多類型油氣空間分布規(guī)律；綜合頁巖生排烴演化過程、頁巖油組成特征、儲集層孔隙特征和相態(tài)演化規(guī)律，建立甜點評價指標(biāo)體系，預(yù)測古龍頁巖油地質(zhì)甜點段和甜點區(qū)。

4.2 頁巖油工程甜點優(yōu)選

青山口組黏土礦物轉(zhuǎn)化及紋層結(jié)構(gòu)控制因素復(fù)雜，可壓性與造縫機(jī)制未形成系統(tǒng)認(rèn)識，亟需深化研究，以支撐工程甜點選擇及工程設(shè)計優(yōu)化。

4.2.1 礦物學(xué)演化與特征

應(yīng)綜合利用XRD（X射線衍射）、QEMSCAN（掃描電鏡礦物定量評價）、原位拉曼等分析手段，研究黏土礦物的類型及含量，明確黏土礦物成因，定量評價自生黏土礦物與沉積黏土礦物的含量；開展不同深度、不同部位典型頁巖黏土礦物類型與含量研究，明確黏土礦物成巖演化序列，厘定蒙脫石與伊蒙混層消失線，為頁巖儲集層有效性、敏感性與可壓性評價提供參考依據(jù)。

4.2.2 原位環(huán)境頁巖力學(xué)特征與損傷破壞機(jī)理

應(yīng)著力研發(fā)適用于古龍頁巖的原位地層環(huán)境恢復(fù)重構(gòu)實驗技術(shù)，分析原位環(huán)境下頁巖力學(xué)性質(zhì)的差異性特征，明確頁巖各向異性變形強(qiáng)度特征參數(shù)與常規(guī)力學(xué)性能測試參數(shù)的區(qū)別，剖析原位環(huán)境和頁理對頁巖各向異性力學(xué)特征的影響機(jī)制，構(gòu)建可考慮礦物組構(gòu)與頁理弱面影響的古龍頁巖各向異性漸進(jìn)破壞模型，為井壁穩(wěn)定性分析、地應(yīng)力反演和壓裂數(shù)值模型的構(gòu)建提供實驗和理論支撐。

4.2.3 可壓裂性精細(xì)評價

需基于多尺度精細(xì)表征與納米壓痕實驗方法，獲取紋層、有機(jī)質(zhì)、各類礦物的空間分布及微觀力學(xué)參數(shù)，通過點（考慮單點礦物、孔隙、裂隙）到面（考慮礦物組構(gòu)、非均質(zhì)性）再到體（考慮頁理紋層）的多尺度表征，建立適用于古龍頁巖的可壓裂性精細(xì)評價方法。

4.2.4 裂縫擴(kuò)展機(jī)制與工藝優(yōu)化

在微細(xì)觀尺度上，應(yīng)著力開發(fā)頁巖裂縫動態(tài)生長原位表征實驗方法，實現(xiàn)微米CT原位壓裂、同步掃描，模擬富紋層頁巖裂縫動態(tài)生長全過程，明確微觀尺度頁理紋層、礦物組構(gòu)、有機(jī)質(zhì)空間分布等對裂縫生長的控制作用，并與基于數(shù)字巖心的壓裂數(shù)值模型相互印證；在宏觀尺度上，應(yīng)探索建立古龍頁理型、紋層型頁巖壓裂仿真模型，分析真實地層應(yīng)力環(huán)境與工況條件下水力壓裂造縫過程與裂縫形態(tài)，明確主控地質(zhì)工程因素，探索有效提高改造縱向動用程度的新型壓裂工藝，為工程設(shè)計提供理論支撐。

4.3 頁巖油開發(fā)方案優(yōu)選

地層條件下流體相態(tài)特征及分布、賦存狀態(tài)、可流動性、液固-液氣作用機(jī)理復(fù)雜，亟待深化研究，指導(dǎo)開發(fā)方案優(yōu)選及提高采收率技術(shù)選擇。

4.3.1 頁巖油微觀力學(xué)作用與可動性評價

應(yīng)構(gòu)建納米級孔隙模型并開展納米力學(xué)分析，重點研究描述固液界面潤濕性的楊氏方程和描述毛細(xì)凝聚現(xiàn)象的開爾文方程等經(jīng)典理論在古龍頁巖復(fù)雜環(huán)境、納米尺度下的適用性問題，深入分析微觀界面力學(xué)機(jī)理，為納米級孔隙內(nèi)油氣相態(tài)和賦存狀態(tài)的實驗技術(shù)和表征方法提供理論支持；基于精細(xì)表征、分子模擬與納米力學(xué)測試技術(shù)，定量區(qū)分游離油與吸附油，明確頁巖油的賦存狀態(tài)與分布規(guī)律，探索礦物、固態(tài)有機(jī)質(zhì)與原油間的相互作用類型與機(jī)制，明確固/液微觀界面相互作用對原油吸附-游離態(tài)轉(zhuǎn)化的影響；以此為基礎(chǔ)，開展界面效應(yīng)對頁巖油不同組分在納米通道中輸運的影響研究，構(gòu)建納米尺度限域傳質(zhì)的理論體系，并進(jìn)行分子尺度和微納尺度物質(zhì)輸運的尺度關(guān)聯(lián)，為建立頁巖油的可動性評價方法提供分子模擬細(xì)節(jié)和微納米尺度新理論基礎(chǔ)。

4.3.2 CO2作用機(jī)理與適應(yīng)性評價

應(yīng)開展古龍頁巖CO2壓裂-燜井實驗研究，探索古龍頁巖 CO2復(fù)合壓裂的造縫機(jī)制，明確作用前后礦物與物性變化特征，探索頁理紋層對提高采收率效果的影響，并通過宏觀物模與微觀可視化模擬明確 CO2在基質(zhì)-裂縫網(wǎng)絡(luò)中的有效作用范圍。需要探索頁巖油開發(fā)過程中，不同孔隙結(jié)構(gòu)、流體特性及動態(tài)壓力條件下，非平衡態(tài)氣-液相變規(guī)律及其對油氣滲流的影響，闡明壓力變化對于體系相變和原油流動的影響，指導(dǎo)CO2用量與生產(chǎn)制度優(yōu)化。此外，前置注入的 CO2對古龍頁巖油相態(tài)的影響也應(yīng)予以關(guān)注。

4.3.3 井網(wǎng)井距優(yōu)化與產(chǎn)量遞減規(guī)律

古龍頁巖具有頁理縫發(fā)育、壓裂縱向穿層能力差、垂向-平面滲流能力差異大等特征，油、氣、水多相流體在不同尺度孔縫中滲流規(guī)律復(fù)雜，井網(wǎng)井距設(shè)計缺乏可借鑒的成熟經(jīng)驗與做法，傳統(tǒng)的產(chǎn)能評價及EUR預(yù)測方法適應(yīng)性較差。一是應(yīng)建立定量表征甜點非均質(zhì)性的試驗區(qū)地質(zhì)模型與考慮復(fù)雜滲流機(jī)理的跨尺度流動模型，結(jié)合地質(zhì)工程一體化方法，確定試驗區(qū)合理井網(wǎng)井距，優(yōu)化確定合理的生產(chǎn)制度；二是應(yīng)針對古龍頁巖油復(fù)雜相變、特殊賦存規(guī)律及多相多組分滲流特征，完善頁巖油生產(chǎn)遞減模型，綜合考慮井網(wǎng)井距影響，進(jìn)一步完善遞減分析方法，提升EUR預(yù)測的可靠性；三是應(yīng)考慮古龍頁巖油的復(fù)雜滲流機(jī)理，建立特色試井模型和解釋方法，定量評價地層壓力、裂縫有效縫長、滲流能力等參數(shù)，預(yù)測未來生產(chǎn)動態(tài)及EUR。

5 結(jié)語

50多年來，大慶油田依靠《矛盾論》、《實踐論》“兩論”起家，形成了具有大慶特色的油田勘探開發(fā)理論和技術(shù)體系，一直用矛盾論分析油田的開發(fā)形勢和對采油工程技術(shù)的需求，找出制約油田高效開發(fā)的主要矛盾，解決關(guān)鍵科學(xué)問題；同時在實踐中不斷發(fā)展和完善，在不同的開發(fā)階段，形成了相應(yīng)的支撐油田穩(wěn)產(chǎn)的特色技術(shù)，為油田開發(fā)工程提供了有力的技術(shù)保障。

現(xiàn)如今，古龍頁巖油具有優(yōu)越的地質(zhì)條件和巨量的資源基礎(chǔ)，勘探開發(fā)前景廣闊，是大慶油田重要的接替領(lǐng)域。通過近些年的研究和攻關(guān)，初步取得關(guān)鍵性的認(rèn)識和重要成果。但應(yīng)該清醒認(rèn)識到，古龍頁巖油是一種全新的資源類型，在儲集性、含油性、流動性和可壓性方面均具有鮮明的特征，世界范圍尚無規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)先例。面對全新的領(lǐng)域，更要堅持按照“實踐、認(rèn)識、再實踐、再認(rèn)識”的認(rèn)識發(fā)展規(guī)律，以及“對立統(tǒng)一規(guī)律”揭示事物運動發(fā)展的原理，從發(fā)現(xiàn)并解決科學(xué)問題入手，不斷通過技術(shù)創(chuàng)新來解決工程難題。首先，在復(fù)雜的陸相頁巖油勘探開發(fā)過程中，逐漸有許多矛盾被陸續(xù)發(fā)掘，其中的主要矛盾是科學(xué)問題。只有總結(jié)規(guī)律，找到對矛盾和難題更好的解釋方法，才能顯著影響技術(shù)與工程問題的解決和發(fā)展；其次，技術(shù)問題是對科學(xué)問題認(rèn)知的不斷迭代，是根據(jù)生產(chǎn)實踐或科學(xué)原理而發(fā)展成的各種工藝方法和技能，只有不斷發(fā)展或開發(fā)出新的方法、手段、措施或途徑才能有效支撐工程實施；最后，工程問題就是生產(chǎn)過程中所遇到的復(fù)雜難題，需要“實踐、認(rèn)識、再實踐、再認(rèn)識”的這種形式，腳踏實地滿足油田開發(fā)需要，在不斷的實踐中，發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整思路，最終解決問題。如果一開始就著眼于解決重大工程問題，連基礎(chǔ)科學(xué)問題都沒解決好，便無法長期有效支撐古龍頁巖油規(guī)?；б骈_發(fā)。

古龍頁巖油的成功必須突出理論、技術(shù)與管理創(chuàng)新的引導(dǎo)推動作用，因此，誠邀全球英才為古龍頁巖油的規(guī)模效益開發(fā)貢獻(xiàn)智慧與力量，為大慶油田的發(fā)展提出一些前瞻性、戰(zhàn)略性、全局性的意見和建議，不斷增強(qiáng)核心競爭力和可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展能力，為大慶油田的可持續(xù)發(fā)展再做新貢獻(xiàn)。

致謝：本文在研究和撰寫過程中得到了大慶油田勘探開發(fā)研究院、中國石油勘探開發(fā)研究院“古龍頁巖油重大地質(zhì)基礎(chǔ)與工程實踐協(xié)同研究”項目組等相關(guān)專家和科研人員的指導(dǎo)和幫助，在此一并致謝！