[钻井技术:514]中国页岩油勘探开发现状、挑战及前景

钻井工程2019-01-10 04:10:35

[来源:石 油 钻 采 工 艺]作者:付 茜(中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083)


摘要:

页岩油是以页岩为主的页岩层系中所含的原地滞留油气资源, 圈闭界限不明显, 无法形成自然工业产能。随着水平井和分段压裂技术水平及开发能力的提高, 页岩油成为最有可能成为替代石油天然气的能源已是各国的共识。中国陆相页岩页理发育, 含有丰富的页岩油资源, 但对页岩油研究起步晚。以页岩油发展规划为思路, 介绍了中国页岩油勘探开发、 技术与装备现状, 分析了发展页岩油面临的挑战。


正文:

页岩油是以页岩为主的页岩层系中所含的原地滞留油气资源, 圈闭界限不明显, 无法形成自然工业产能。包括泥页岩孔隙和裂缝中的石油, 也包括泥页岩层系中的致密碳酸岩或碎屑岩邻层和夹层中的石油资源。直井缝网压裂、 水平井体积压裂、 二氧化碳驱、 空气驱、 氮气驱、 纳米二氧化锌驱等形成“人造渗透率” 是有效开发页岩油方式 [1] 。


随着技术水平及开发能力的提高, 页岩油成为最有可能替代石油天然气的能源已是各国的共识。早在 2011 年 4 月中国工程院 14 名院士建议国家重视非常规油气资源勘探开发, 增强国家能源保障能力 [2] ;2012 年 1 月 3 日中国石油化工集团宣布以22 亿美元价格收购德文公司在美国内布拉斯加奈厄布拉勒、 密西西比、 尤蒂卡俄亥俄、 尤蒂卡密歇根和塔斯卡卢萨 5 个页岩油气资产权益的三分之一,呼唤廉价石油时代回归 [3] ;2013 年 10 月 30 日, 中国石油与壳牌页岩油联合开发中心在中国石油勘探开发研究院揭牌 [4] , 联合研发项目团队将以“常规人, 非常规思想” 为指导, 分别在中国和美国两地开展“颠覆性创新” 联合研发;2015 年 1 月 30 日, 作为国家能源局批复建设的重要创新平台之一, 由贾承造、 朱日祥、 马永生等 9 位院士和 14 位油气领域学者组成的国家能源页岩油研发中心正式成立并落户中国石化 [5] ;2 个关于页岩油形成、 富集机理与

富集、 分布规律的国家 973 计划已获国家科技部批准 [6] 。


页岩油与页岩气一样储集页岩中, 但分布地区不同;虽然页岩油的密度、 黏度比页岩气高, 但基本上可用相同技术开采。随着技术不断革新, 页岩油的探矿、 开发成本很可能进一步降低。世界各国不约而同地加快了页岩油气开发的步伐, 中国、 美国、日本等国家均把页岩油的开发作为国家重要的能源战略, 加大勘探开采力度, 出台最优惠政策, 世界页岩油开始步入大开发时代。中国在“甜点” 评价区的页岩基质地层发现有石油滞留的纳米级孔隙 [7] ,表明了具有页岩油的资源潜力, 开发技术的突破将成为未来页岩油发展的支撑。


1 中国页岩油分布情况

海相、 海陆交互相以及陆相页岩和泥岩是含油气盆地中的优质泥质烃源岩, 即中国 3 类富有机质页岩 [8] 。其中, 海相页岩多为硅质页岩、 黑色页岩、钙质页岩和砂质页岩, 风化后呈薄片状, 页理发育,分布在扬子地区古生界、 华北地区元古界—古生界、塔里木盆地寒武系—奥陶系等;海陆交互相多为砂质页岩和炭质页岩, 分布在鄂尔多斯盆地石炭系本溪组、 下二叠统山西组—太原组、 准噶尔盆地石炭—二叠系、 塔里木盆地石炭—二叠系、 华北地区石炭—二叠系、 中国南方地区二叠系龙潭组等;陆相页岩页理发育, 分布在松辽盆地白垩系、 渤海湾盆地古近系、 鄂尔多斯盆地三叠系、 四川盆地三叠系 - 侏罗系、准噶尔盆地 - 吐哈盆地侏罗系、 塔里木盆地三叠系 -侏罗系、 柴达木盆地第三系等。


胡文瑞院士指出 [9] , 中国的页岩油资源潜力巨大;2013 年 EIA 预测中国有 320 亿桶(1 桶 =0.14 t)的页岩油资源 [10] 。中国石油页岩油资源主要集中在吉林、 大庆和西北 3 个地区。中国石化页岩油资源 [11] 主要分布于东部断陷盆地古近系、 东北地区白垩系和鄂尔多斯盆地三叠系等陆相层系, 可供勘探的矿权区块有41 个, 面积为 11.76×104 km2


陆相含油气湖相页岩广泛发育页岩油、 致密砂岩油与致密页岩油。松辽、 鄂尔多斯、 四川等中新代坳陷盆地 [12] 及渤海湾新代断陷沉积了厚层湖相富有机质页岩、 砂岩与泥岩 [13] 。例如:松辽盆地嫩江组和青山组 2 套页岩十分发育, 嫩江组稳定分布, 中央坳陷区厚度超过 250 m;青山组一段在中央坳陷区几乎全部为黑色页岩, 厚度为 60~80 m, Ⅰ-Ⅱ型干酪根, 镜质体反射率 R 0  = 0.9% ~1.8%;再如鄂尔多斯盆地主要为深湖相沉积的延长组 7 段, 分布着平均厚度 20~40 m、 面积超过 4×10 4 km 2 的富有机质页岩, 有机碳含量平均高达 14%, Ⅰ-Ⅱ型干酪根,R 0  = 0.6% ~ 1.2%。


2 我国页岩油勘探开发现状

中国石油和中国石化在重视国内油气勘探开发, 力保国内油气产量稳定并尽可能争取突破的同时, 以页岩油气为突破口, 向非常规油气资源进军,践行差异化发展战略, 构成了油气勘探在新的历史时期的资源路线图。2011 年以来, 针对陆相页岩油勘探开发面临的科学问题与技术难点, 相继开展了23 项科技攻关研究, 已在页岩油赋存机理与选区评价、 地质地球物理与目标预测、 优快钻井、 储层改造工艺、 开发设计优化等 5 个方面取得阶段性成果, 为进一步深入开展页岩油勘探开发奠定了良好基础。


2.1 中国石油页岩油开发现状

辽河油田的曙古 165 井在古近系泥页岩段获得了日产 24 m 3 的工业油流 [10, 14] 。在随后的研究中发现, 辽河西部凹陷砂三中亚段泥页岩中含油率0.44% ~ 0.88%, 远大于含油率为 0.18% 页岩油产油下限[15]。 在松辽盆地K 2 qn 1 钻探的哈14井、 古平1井、英 12 井、 哈 18 井等 [16] , 泥页岩连续厚度 6~30 m, 有机质丰度> 2%, 0.5% < R 0 < 1.2%, 可采资源量为10.56×10 8 t。


2012 年 4 月中国石油集团与美国赫世公司(Hess) 签署新疆三塘湖盆地马朗区块合作协议, 包括如何划分勘探工作、 勘探的时间和目标等;在三塘湖盆地已钻探 35 口井, 其中一半探井发现有石油;加速我国页岩油勘探开发工作;研究发现 [17] , 马朗地区页岩油富集的基本条件:R 0 为 0.5% ~ 0.9%, 源岩有机质丰度以Ⅰ型和Ⅱ型为主;三塘湖项目合作的主要目的是引进国外在非常规油气勘探开发方面的先进技术、 生产方式和管理模式, 快速高效开发三塘湖盆地页岩油, 并积累技术和经验。


2.2 中国石化页岩油开发现状

傅成玉在谈及页岩油气发展路线图时指出 [17] ,页岩油气有可能成为中国石化非常规油气勘探开发的桥头堡。2015 年在国家能源页岩油研发中心启动会上, 傅成玉表示, 加快页岩油研发工作, 是国家在能源领域所做的重大部署。实现发展方式的转变,核心是靠技术创新和驱动。在页岩油研发领域围绕降低成本和提高采收率加强技术攻关, 实现有效益的技术突破。


自 2010 年开始, 中国石化开展了东部断陷盆地页岩油气老井复查复试和评价工作, 并在多个凹陷古近系泥页岩段发现了丰富的油气显示, 结合不同地区泥页岩基础地质条件和工程的可实施性, 将东部陆相盆地泥页岩勘探集中在河南泌阳凹陷和山东济阳坳陷 [11] 。


2.2.1 泌阳凹陷安深 1 井 在泌阳凹陷深凹区多口老井复查发现页岩均见连续气测显示。2010 年部署了安深 1 井。该井既是一口风险探井, 又是一口兼探页岩油气的预探井, 2010 年 8 月 28 日完钻, 完钻井深 3 510 m, 9 月 18 日完井, 在古近系核桃园组二段—核三上段共发现页岩 89 层 670 m, 岩性主要为灰色、深灰色页岩, 多套泥页岩见明显气测异常 [18] 。2011年 1 月 23 日对安深 1 井页岩井段进行大型压裂施工, 设计总液量为 1 400.8 m 3 , 其中滑溜水 450 m 3 ,交联液 950.8 m 3 , 总砂量 195.2 t, 100 目粉陶 15.8 t,30/50 目陶粒 179.4 t。施工历时 171 min, 施工排量达 10 m 3 /min, 实际入井液量为 1 361.9 m 3 , 加砂总量为 200.74 t, 3 月 7 日获得最高日产油 4.68 m 3 。为建立中石化陆相页岩油气勘探开发先导试验区及会战区奠定了基础。


2.2.2 泌阳凹陷泌页 HF1 井 该井于 2011 年 4 月23 日开钻, 2011 年 11 月 16 日完钻, 完钻井深 3 722m, 侧钻点 1 903 m, 水平段长 1 044 m。平均井径扩大率 3%, 储层钻遇率 100 %, 井眼轨迹光滑, 达到了工程设计要求[19]。 12月8日完井, 完井井深3 722 m;采用钻桥塞完井方案(包括:钻塞施工泵压的确定、钻塞施工钻压的确定、 钻塞施工时液体的选择、 钻桥塞工具组合) 及钻塞施工的详细步骤 [11] 。通过选择带压施工装置, 配套钻桥塞工具, 设定施工参数, 历时 4 d, 仅用 1 只钻头就完成了在 1 042 m 水平段钻桥塞 14 个, 冲砂钻进达 170.93 m, 开创了非常规钻桥塞的新记录。


2011 年 12 月 27 日 —2012 年 1 月 8 日, 历 时13 d 完成了 15 级压裂, 施工压力 46.5 ~ 65.7 MPa。2012 年 1 月 9 日开始放喷排液, 1 月 19 日—22 日用 Ø8 mm 油嘴放喷, 日产油 23.6m3、 天然气 900m3页岩油密度 0.863 9 g/cm3, 黏度 13.6 mPa · s(70 ℃) 。至 2012 年 6 月 5 日累计排出压裂液 8 596 m 3 , 返排率 38.8%, 累计产油 589 m 3 , 天然气 12 963m3。试采近 2 个月, 泌页 HF1 井页岩油日产量稳定在 10 ~15m3 , 进一步证实泌阳凹陷陆相页岩油具有良好的勘探开发前景。由于地质条件复杂、 工艺要求高、 施工难度大, 压裂施工多项参数创中国石化集团乃至全国纪录, 压裂段位在国内陆相页岩油水平井同类压裂施工中为最高, 为油田非常规勘探开发提供了强有力的技术支撑 [20] 。此次大型分段压裂喜获工业油流, 是河南油田非常规勘探领域取得的又一新突破。


2.2.3 济阳坳陷 济阳坳陷 320 余口探井在泥页岩中见油气显示, 其中 30 余口井获工业油气流, 表明具备页岩油气勘探能力。1973 年在东营中央隆起带钻探河 54 井, 沙三下亚三段 2 928~2 964.4 m 泥页岩段中途测试, Ø5 mm 油嘴放喷, 日产油 91.4 t。


2011 年对罗 69 井进行了 221 m 泥页岩系统密闭取心, 12 000 余次的化验分析, 开展了烃源岩和储集性能评价以及地球物理预测方面页岩油气的基础地质研究工作。在引进国外页岩气研究理论、 技术方法的同时, 结合陆相页岩的实际, 提出了有利目标区。在此研究基础上部署了渤页平 1 井。


渤页平 1 井是胜利油田首口页岩油探井, 于2011 年 12 月 12 日顺利完钻, 完钻层位沙三下, 完钻井深 4 335 m, 水平井段 559 m。技术人员分析该井第 1 段压后效果不理想的原因, 从地质、 钻井、 工艺等方面进行了论证, 最终决定采用光套管、 大排量、高砂比实施缝网压裂的新方法进行渤页平 1 井第 2段大型压裂施工。累计加入液量 1 218 m 3 , 累计加砂量 100 t, 最高砂比 50%, 平均砂比 20.6%。 , 累计放喷出液 76 m 3 , 渤页平 1 井压裂的成功, 创造了胜利油田压裂施工排量最大、 水平井单级加砂规模最大 2个新记录。


2.3 中国开发页岩油技术与装备现状

(1)优快钻井技术系列。形成了三开完井的设计模式, 以及空气钻、 泡沫钻、 清水钻、 PDC 螺杆复合钻、 国产油基钻井液 +PDC 水平段一趟钻的钻井技术系列, 满足页岩油开发的要求。2013 年平均钻完井工期 95 d, 最短 73 d。


(2) 水平井分段压裂工艺配套技术。 采用大液量、高排量、 低砂比, 组合加砂、 混合压裂模式, 实现长水平段可钻式桥塞多级体积压裂。


(3) 探索实施了井工厂化作业模式。按照井工厂化作业模式, 形成 1 个平台 3~4 口井的钻前、 钻井、完井、 压裂等标准化设计, 试验了钻井、 压裂、 生产的交叉化作业模式。


(4) 实现页岩油勘探开发大型压裂成套装备的关键技术突破。经过 5 年艰苦攻关, 2013 年 3 月, 中国石化研制成功首台 3000 型压裂车, 突破了大型压裂成套装备的压裂泵车、 混砂车、 压裂管汇车研发技术及压裂仪器车数字化控制技术, 构建了压裂作业现场数据分析平台, 实现了网络自动控制, 能适应中国特殊道路状况, 满足油气井的高压、 大功率施工作业要求, 有效代替了性价比不高、 配件受制约的进口产品, 为油气田稳产增产以及非常规油气资源的开发利用提供了有力武器 [21] 。研发的裸眼封隔器、 桥塞等井下压裂工具实现工业化批量生产。


3 中国页岩油开发面临的挑战

“原位滞留聚集或原位成藏” 的页岩油储层具有微 - 纳米级孔喉、 粒度小、 非均质性强的特点。现有的理论与技术已无法有效支撑页岩油进一步扩大勘探成果。制约中国页岩油工业化发展的技术瓶颈主要包括以下方面。


3.1 沉积环境与分布模式

国内外的学者普遍认为 [7, 22-23] , 页岩是指岩石粒级小于 62.5 μm 的颗粒含量大于 50% 的“细粒沉积岩” , 并初步建立了水体分层、 海侵、 门槛、 洋流上涌等沉积模式 [24-25] , 但国内的学者侧重于岩石矿物学的研究上。因此, 建立“细粒沉积学” 研究细粒沉积物的物化性质、 沉积作用、 沉积过程, 为明确细粒致密储集层、 富有机质页岩分布预测、 有利沉积相带和富集区优选提供基础依据, 已成为必然趋势。


3.2 页岩油储层微观成分和结构的评价与表征

如何评价细粒页岩储集层基本特征、 储集层的性能?如何精细表征微 - 纳米级孔喉?解决这些问题需要国内地质学家要将以实验观察描述为主的研究思路, 转变到开展储集层建模方法、 参数分布特征等研究上来, 才能为准确评价页岩油储集层提供重要的理论论据。


3.3 页岩油层地球物理测井遇到挑战

赵政璋等 [26] 提出的“七性关系” 页岩油测井评价方法, 使页岩油测井评价进入定性到半定量阶段,但因页岩油层地球物理响应差异小, 造成油层识别、有效储集层的划分、 参数的识别、 展布预测等遇到了测井评价的挑战。


3.4 页岩油富集规律和资源潜力

常规油气的成藏理论与评价方法, 面对页岩油藏已无能为力, 致使页岩油的滞留聚集量及赋存状态不清。需要建立不同类型的页岩油藏地质预测评价方法, 开展大尺度页岩油分布物理与数值模拟, 揭示地层条件下页岩油的分布与富集规律等;评价优选页岩油富集区与重点勘探区;同时, 重视技术可采资源量与储量的计算 [27] 。


3.5 页岩油的可流动性

具有致密、 低孔、 低渗特征的页岩油, 常用的热解参数、 氯仿沥青“A” 不能独立作为评价页岩油含油率的参数 [10] 。开发过程中不仅要评价层系中残余油的含量, 而且更要评价多少具有可流动性, 但国内外学者的相关研究仍处于探索阶段。


3.6 页岩油工业化开采的技术瓶颈

中国页岩油气开发的关键技术如水平井分段压裂主要引进国外的技术、 工具、 材料及配套设备。虽然近年来在某些方面已取得突破, 但还处于现场试验阶段, 尚未形成有效、 成熟的关键技术, 制约了页岩油气的快速发展。例如:最优的压裂程序是什么?最优的井筒结构是什么?最优的完井级数是什么?一级完井最佳长度是多少?每级应有几簇射孔炮眼?相邻两簇射孔段之间间距多少最佳?最佳的压裂液是什么?每级注入多少支撑剂最佳?每级注入多少液量最佳?


在开发模式上借鉴国外成熟的技术, 如页岩原位加热改质技术、 纳米二氧化锌驱油技术、 氮气驱油技术等。页岩油的低成本工业化开采, 对石油工业将产生里程碑式的影响。


4 中国页岩油开发前景

近几年中国学者创新发展了连续油气聚集的概念, 明晰了连续油气聚集(页岩油气) 在储集层特征、源储配置、 聚集特征、 渗流机理、 分布特征等与传统意义常规圈闭存在明显的差别 [28-32] 。连续油气聚集主要是滞留在烃源岩内, 或经一次运移或近源短距离二次运移, 在盆地中心、 斜坡等大面积非常规储集层中准连续或连续分布的油气聚集, 无明显圈闭与盖层界限, 流体分异差, 无统一油气水界面和压力系统, 含油气饱和度差异大, 单井无自然工业产能。中国石化在页岩油方面, 近期将重点开展沾化、东营、 泌阳等凹陷的勘探评价和开发试验。到 2015年力争实现页岩油勘探及开发试验的突破, 形成 2~3个规模建产阵地, 有望形成 40×10 4 t 页岩油产能阵地。到 2020 年在济阳坳陷、 南襄盆地等地区实现整体规模。


中国石油学会经济委员会委员、 中国能源研究会常务理事施国泉认为, “后石油时代, 页岩油是很现实的替代能源” 。并建议中国重视页岩油开发, 加大扶持力度。 “过去由于技术不行, 生产过程污染环境, 这一行业发展受到限制, 但现在技术上已经有了很大的改进, 特别是国外有的技术已经非常先进, 基本不存在污染, 这为页岩油的大规模生产提供了必要的技术保障。



〔编辑 付丽霞〕


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