中國陸相頁巖油勘探開發現狀及展望

能源阿陽

2022年8月8日 10:29

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來源 |《現代化工》2022年第3期

作者 | 張仁貴，劉迪仁，彭成，劉宇峰

摘要：中國陸相盆地地質條件復雜，地面條件十分苛刻，加之國內常規鉆井、壓裂工藝周期長、開發成本高、核心技術未突破等原因，導致我國的頁巖油發展較為滯后。如何加快頁巖油商業發展，全力打造頁巖油這一新的戰略增長點，是保障國家能源安全和經濟平穩發展的重中之重。介紹了頁巖油儲量及分布、形成機理及資源類型，詳細論述了國內外頁巖油勘探與開發現狀，著重總結了勘探與開發頁巖油的關鍵技術，并指出其當前在潛力認識、技術裝備及經濟成本方面的挑戰，同時提出相應對策，最后對其發展前景進行了展望。

隨著全球常規能源的消耗逐漸加大，人們對開發清潔高效非常規能源的呼聲日益強烈。頁巖油作為一種新型能源登上了歷史舞臺，其具有分布穩定、厚度大及分布范圍廣等特點，已成為世界各國爭相研究的熱點。迄今為止，美國的頁巖油革命成效顯著，加拿大、澳大利亞等國相繼對頁巖油成功進行了商業性開發，未來其有望成為重要的能源銜接紐帶。中國原油對外依存度高，且資源相對有限，因此高效開發以頁巖油為主的非常規天然氣是我國緩解能源緊缺局勢、改善能源結構最有效的方式之一。

我國頁巖油儲量十分豐富，據不完全統計，其總可采儲量為5.0×109 t位居世界前列。近年來，經過多年的勘探開發實踐，頁巖油先導試驗在塔里木、渤海灣及松遼等示范區取得了重大突破。但由于受相關技術條件的限制，在頁巖油開采方式及開發技術等方面尚未取得關鍵性突破，與美國等發達國家開發手段具有明顯的差距。加快國內頁巖油規模工業化開發，實現革命性戰略接替是中國陸相頁巖油革命之夢。

1 頁巖油概況

1.1 儲量及分布

世界頁巖油的潛在資源量十分可觀，總量可達1.1×1013～1.3×1013 t，主要分布在美國、俄羅斯、中國及澳大利亞等國家。根據美國能源信息局統計，美國、俄羅斯和中國三國頁巖油儲量占全世界頁巖油儲量的47.8%。中國頁巖油資源量十分可觀，總地質儲量高達4.764×1010 t，經濟技術可采總量高達1.597×1010 t。分布區域覆蓋20個省和自治區，其中準格爾、鄂爾多斯及松遼等3個主要富集區占總儲量的74.24%，中國主要盆地頁巖油儲量分布如表1所示。

表1 我國主要盆地頁巖油資源量分布

盆地	層位	儲集空間類型	分布面積/10⁵km²	資源量/10⁵t
鄂爾多斯	三疊系	基質孔、微裂縫	0.8～1.0	2.5～3.5
準格爾	二疊系	基質孔、微裂縫	0.6～0.8	2.0～2.5
四川	侏羅系	基質孔、微裂縫	0.7～0.9	1.5～2.0
渤海灣	沙河街組	基質孔、微裂縫	0.9～1.1	2.0～2.5
松遼	白堊系	基質孔、微裂縫	0.8～0.9	2.0～2.5
柴達木	第三系	基質孔、微裂縫	0.2～0.3	0.5～0.8
江漢	第三系	基質孔、微裂縫	0.02～0.03	0.1～0.2
蘇北	第三系	微裂縫	0.02～0.03	0.1～0.2

1.2 形成機理及資源類型

頁巖油的形成與烴源巖的生烴轉化密不可分，不同階段頁巖油生成量與組分差異顯著，主要分為4個階段：①低成熟階段，微生物作用較強，產生少量的生物甲烷氣，飽和烴以碳數較高的重質烷烴為主，生成油與稠油性質相近。②成熟階段，大量干酪根及重質組分在熱催化作用下降解，生油量達到高峰，隨后生成的油逐漸發生裂解，長鏈烷烴向短鏈烷烴轉化，生油量逐漸降低，該階段形成油密度和粘度較低，流動性較好。③高成熟階段，干酪根和生成的原油熱解生氣，隨著輕烴組分的增加，汽油比顯著增大。④過成熟度階段，干酪根中側鏈甲基斷裂縮合成更大質量分子的焦瀝青，與此同時，濕氣逐步開始裂解，CH4含量逐漸上升。其中有利于頁巖油形成的成熟度區間為液態烴大量生成的生油窗階段。液態烴類石油以游離態、吸附態和溶解態3種方式賦存于儲層中。前者一般賦存于儲層孔隙中，其飽和烴組分含量較高，在一定的工藝措施下能夠被開采出來，也被稱為可動頁巖油。后兩者物化性質與干酪根或固態瀝青密切相關，非烴組分含量較高，極難開采。

根據裂縫發育程度，頁巖油可分為3種類型:①裂縫型，主要表現為儲層物性較好，裂縫發育程度高，開發難度低。②混層型，由富含有機質的泥頁巖與貧有機質的碳酸鹽巖夾層構成。③基質型，此類型頁巖油儲層以厚層泥頁巖為主，儲層物性差，裂縫基本不發育。按地質儲量和可采性進行劃分，裂縫型頁巖油儲量較小但可開采程度最高，基質型頁巖油資源量最大，但可開采程度最低。

1.3 國內外頁巖油勘探與開發現狀

美國的頁巖油勘探開發歷史可追溯至20世紀初期，早在1910年，在San Joaquin Basin盆地的中新統Monterey 組地層中首次發現了裂縫型頁巖油藏，至今該油氣區已有近100年的產油史。隨后，由于缺乏一定的技術和工藝支撐，美國頁巖油開發進入了一個相當長的籌備期，直至1980年，隨著鉆井壓裂工藝的不斷完善，頁巖油的開發才逐步形成規模產能。之后相繼在中西部及南部地區的不同頁巖層系中開發了頁巖油，其頁巖油革命逐步進入規模商業化發展階段。

2010年后，在8年時間內美國的頁巖油產量遞增了十幾倍，部分地區年增產高達5×107 t，創造了史無前例的增長。在2014年原油暴跌的國際環境下，美國頁巖油發展呈現出前所未有的魄力，不僅助其順利度過了油價低潮，還依舊能保持產量的增長。預測至2025年，美國有望結束近70多年的原油進口歷史，躋身原油出口國行列。美國頁巖油的爆發式增大得益于多重方面關鍵技術的創新，包括地質理論和開采技術的突破、開發成本的降低及商業模式的革新等。除美國外，俄羅斯、加拿大及澳大利亞等國頁巖油開發也呈現出良好的發展趨勢，未來頁巖油在世界范圍內的勘探開發情況將十分樂觀。

與美國海相頁巖地層相比，我國陸相頁巖儲層呈現出非均質性強、地質條件苛刻、與實際可開發程度較低等問題，不能完全參考和照搬國外頁巖油的開采經驗。我國陸相頁巖油資源集中富集在準格爾、鄂爾多斯及渤海灣等區域，近年來國內中石油、中石化等企業陸續開展了多項頁巖油勘探開發工作，相繼在新疆、長慶及大慶等油田進行了頁巖油儲層評價、地質甜點預測等相關探究。

2011年，新疆油田在多個區塊進行了頁巖油試采，均獲得了工業油流，拉開了我國頁巖油勘探開發的序幕。楊智等采用地質甜點預測技術評價了鄂爾多斯盆地長7段的頁巖油儲量，指出分布在長73亞段的Ⅲ類頁巖油是水平井開發首要目的層。柳波等在可采系數為10% 的情況下，利用體積類比法計算得出松遼盆地頁巖油可采儲量可達1.056×109 t。截至2018底，已在渤海灣滄東凹陷的800多口探井中的泥頁巖發育段中探測出油氣顯示，其中有15口井成功獲得工業油流。中國陸相頁巖油主要勘探進展見表2。目前我國已在多個盆地區塊獲取了工業油流，預計2025年將迎來頁巖油開發高速發展期。

表2 中國陸相頁巖油主要勘探進展簡表

盆地	地區	層系	勘探進展
準格爾	吉木薩爾凹陷	蘆草溝組	井控儲量為 1.112×10⁹t，已產油2.292×10⁵t
準格爾	瑪湖凹陷	風城組	4500m 以淺資源量為4.2×10⁸t，鉆獲5 口工業油流井
鄂爾多斯	隴東地區	延長組長7段	鉆獲13 口工業油流井
松遼	南部地區	青山口組	資源量達1.5×10⁹t，鉆獲多口工業油流井
渤海灣	東濮坳陷	古近系	鉆獲7 口工業油流井
	濟陽坳陷	沙三段、沙四段	資源量達4.0×10⁹t，鉆獲37 口工業油流井
	滄東凹陷	孔二段	資源量超過8×10⁸t，鉆獲15 口工業油流井

2 勘探與開發頁巖油關鍵技術

2.1 甜點識別與定量評價技術

頁巖油甜點早期勘探開發關注的重要參數，是地質、工程甜點的綜合體現，如何快速直觀精確地識別頁巖油甜點是實現后期頁巖油規模開發的物質基礎。我國陸相頁巖油地層非均質性強、儲層物性差且含油性較差，常規的測井技術勢必不能滿足其開發需求。經過多年的探索和研究，形成了基于常規測井曲線的頁巖油甜點識別與定量評價技術，以求準確認識復雜儲層，降低測井作業成本。基于常規測井曲線的多信息融合測井甜點識別與評價方法如圖1所示，其主要識別評價流程為：①精確分析測井曲線敏感性；②轉化為標準化曲線并賦值；③確定RGB空間特征值；④顯示RGB顏色值并為其設定顯示寬度；⑤獲取測井信息融合可視化結果。此方法已成功應用于我國多個富含頁巖油層系儲層評價中，測井解釋結果與生產動態特征高度匹配，可精準確定潛在的頁巖油勘探目標。

中國陸相頁巖油勘探開發現狀及展望的圖1

圖1 基于常規測井曲線的多信息融合測井

甜點識別與評價方法

2.2 長水平段水平井高效鉆井技術

頁巖儲層具有低滲低孔等特征，只有通過水平井精確鉆遇其甜點并合理實施壓裂改造才能獲得穩定產能。我國陸相斷陷盆地構造復雜，縱向上確定的頁巖油甜點橫向差異較大，針對頁巖油藏鉆井存在諸多難點：其一頁巖水平井水平段較長，需嚴格控制造斜段的斜率；其二儲層磨阻大，鉆進過程中壓力傳遞弱；其三由于缺乏可靠的地質資料，加之經驗不足，無法精確捕捉目標層；其四我國陸相頁巖油藏儲層中礦物易膨脹，常規鉆井液體系并不適用。

針對以上難點，國內外學者提出了一套包含多項有效鉆井舉措的長水平段水平井高效鉆井工藝，該技術囊括叢式“井工廠”立體開發、超大規格電驅動鉆機、長水平段水平井井眼軌跡控制、鉆井參數實時優化等多項子技術，該系統在鉆井過程中可實時調整和優化井眼軌跡，確保頁巖油甜點被精準鉆遇。

2.3 水平井+密切割體積壓裂技術

頁巖油水平井投產前需進行體積壓裂，常規水平井體積壓裂波及面積小，裂縫間距大，很難實現連續穩產。為進一步挖掘頁巖油井的潛能，引入了水平井+密切割體積壓裂技術。該技術不僅能夠起到擴大裂縫波及范圍，縮短頁巖儲層滲流距離的作用，同時可以實現補充地層壓力，提升采出程度，增大單井產能的目的，一舉雙效。慶城油田自將密切割體積壓裂技術與長7油層組頁巖油現場先導試驗相結合以來，水平井壓裂實現了從“大排量打碎儲集體”到“密切割剁碎儲集體”的思路轉變，配合其自主研發的低成本EM30滑溜水壓裂液，實現了對該區塊頁巖油儲層的有效改造。

2.4 微地震井中監測技術

微地震井中監測技術是近幾年興起的多學科交叉融合技術，與其他監測方法相比，其具有監測信息多、精度高及實時性強等優點。如圖2所示，在對頁巖儲層進行壓裂施工時，在壓裂井相鄰的監測井，下方耐高溫高壓的高敏感度檢波器，收集巖石破裂時發出的微地震信號，經數據分析得出破裂帶的空間位置。該技術最大優點是噪音的干擾相對于地面監測要小，采用縱橫波時差法對微地震信號進行精準定位，可實現對壓裂產生裂縫的精細刻畫，實現對頁巖儲層改造效果進行評價，同時亦可實時調控儲層改造方案，優化井軌跡布設，為合理設計頁巖油水平井井間距提供參考信息。

中國陸相頁巖油勘探開發現狀及展望的圖2

圖2 頁巖油儲層改造中微地震井中

監測技術示意圖

2.5 物探–地質–工程一體化技術

中國頁巖油開發在物探選址、開采方式及技術設備研發等方面尚未取得真正突破，如果沒有系統全面的一體化指導方法，頁巖油開發就會呈現出產量遞減過快或單井產能較低等問題。將物探、測井、鉆井等工藝相結合，基于生產動態數據，對頁巖油藏進行綜合評價與工程設計。該體系的主要特點是：①前期地質勘探與中期油藏研究同時兼顧，進行整體化工程設計，大幅度縮短建井周期，降低開發成本，加快發展進度；②“前”設計與“后”評估相輔相成，結合生成數據與指標，不斷完善新井設計，優化開發方案；③同時兼顧典型井剖析與區塊整體探究，以從點到面為思路優化總體部署。

3 挑戰與對策

3.1 面臨的挑戰

中國陸相頁巖油整體上熱演化程度不高，加之其含蠟量偏高，儲層厚度偏小，在地層能量、井均日產及預測最終可采氣量等方面存在明顯不足。

（1）理論認識領域，我國陸相頁巖油研究起步較晚，對其儲層結構、賦存機理及富集規律等的認識尚不清晰，前期資源勘探選址難度大。

（2）技術領域，由于受構造條件、儲層物性等因素的影響，我國尚未形成一種切合國內國情的頁巖油開采技術，許多關鍵的開發技術仍需突破，高端精密設備的研發嚴重滯后。

（3）經濟領域，頁巖油開發面臨投資大、見效慢的風險，隨著國內諸多頁巖油區壓裂、鉆井等大型施工作業的展開，如何降低投資成本是未來實現頁巖油商業開發的重中之重。

3.2 相應對策

不斷革新的開發理念是關鍵，合理參考國外頁巖油勘探開發的關鍵理論和技術，綜合考慮我國頁巖油的勘探開發基本國情，加強對頁巖油藏儲層地質、結構及物性方面的研究，為實現其規模化開發墊定基礎。

逐步提升的各項勘探開發技術是核心，充分借鑒頁巖氣開采的成功經驗，加強頁巖油藏甜點識別、鉆完井、微地震監測等技術攻關，積極開展先導試驗，建立比較完備且適合國情的開采工藝技術。

開放的市場機制和優惠政策是保障，現階段我國雖已突破頁巖油出油關，但技術成本較高，尚未實現商業生產。建議從國家層面上，出臺一系列優惠政策，為油氣田企業勘探開發頁巖油提供資金支持和政策補貼。

4 展望

我國對于頁巖油開發關鍵技術的探索起步較晚，研究程度較低，一些頁巖油富集區仍處于加深地質認識和技術適用階段，受相關理論和技術等方面因素的制約，中國頁巖油的發展仍有很長的一段路要走。建議在合理參考美國頁巖油勘探開發的關鍵理論和技術，充分借鑒頁巖氣、致密氣開采成功經驗的基礎上，采取與高校、科研院所及油氣田企業聯合攻關頁巖油研究和開發力度，同時加大現場先導試驗攻關力度，開展技術和降本增效攻關，從物探-工程-開發-經濟-廢棄地復墾等多方面考慮，探索形成一套成熟系統的陸相頁巖油提速、提產、提效技術體系，為中國頁巖油革命的成功鋪平道路。

文章來源：現代化工

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