中国“夹层型”页岩油勘探开发现状及前景

付茜 刘启东 刘世丽 张健伟 段宏亮 徐焕友

中国石化江苏油田分公司

0 引言

邹才能院士等［1］认为，已生成仍滞留于富有机质泥页岩(既是生油岩，又是储集岩)及夹层中的石油，与常规油气和致密油差异明显。页岩油层存在广义、狭义之分［2］。广义页岩油层由基质页岩、裂缝型页岩、夹层型页岩、临层(包括碳酸盐夹层、细砂-粉砂岩夹层等)地层构成完整的一套页岩系统［3］；狭义页岩油仅包含基质页岩、裂缝型页岩2种。Huang等［4］按照页岩层与致密砂岩层、致密碳酸盐岩层的源储空间位置，将广义页岩油分为：上生下储型、下生上储型、“三明治I型”、“三明治II型”、生储互层型、生储共生型等6种。武晓玲等［5］认为狭义页岩油藏分为：深凹区纯泥页岩型、盐间型、泥页岩夹脆性层型等3种。刘文卿等［6］按储层特征与赋存条件将页岩油分为：裂缝不发育型页岩油、微孔微缝型页岩油、夹层型页岩油、微裂缝富集型页岩油等4类。

中国具有海相、海陆交互相、陆相页岩和泥岩等3类富有机质烃源岩［7-8］。海相页岩分布于扬子地区古生界、华北地区元古界—古生界、塔里木盆地寒武系—奥陶系、苏北盆地以及扬子地台的寒武系和志留系等；海陆交互相分布于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、苏北盆地新生代第三世的阜宁组地层等［7,9］。胡文瑞院士［10］认为中国的页岩油资源十分丰富，页岩油资源量476亿t。2013年10月30日，中国石油与壳牌页岩油联合开发中心提出“常规人，非常规思想”的理念，在中美两地展开“颠覆性创新”的页岩油勘探开发研究［11］；2015年1月30日国家能源页岩油研发中心落户中国石化［12］；中国石油集团公司2018年12月12日召开“中国陆相页岩油理论技术进展与战略研讨会”，宣布“开启中国人自己的页岩油革命！”。焦方正强调，全力打造页岩油理论技术、示范工程、标准规范三大体系，推动页岩油尽快取得革命性突破，实现商业规模开发［13］。

1 夹层型页岩油的特征

不同学者和机构对页岩油的定义和内涵存在争议，与致密油在使用上存在混淆，页岩油的定义尚未统一［14］。邹才能院士认为［1］，以储存于富有机质、纳米级孔径为主的页岩地层中的石油称作页岩油，基本未经历运移过程；张金川等认为［15］，页岩油藏为曾经有过生油历史或现今处于生油状态的泥页岩地层(包括泥页岩地层中可能夹有的致密砂岩、碳酸盐岩、甚至火山岩等薄层)。公认“自生自储”是页岩油藏的典型特征，油气成藏未经历运移或运移距离极短，与致密油气藏存在本质区别［16］。

按页岩地层中所含烃类相态、成因机理等特点，页岩油分为黏稠型(页岩中的有机质在较低成熟阶段生成中—重质油，在其层系中相对富集，可采性差)和凝析型(页岩中的有机质达到中—高成熟阶段，形成轻质油或凝析油，富集在页岩层系中，可采性好)2类。凝析型页岩油在勘探开发过程中，具有良好的经济效益。页岩油在其聚集条件、分布特点和规律等方面与致密油存在较大差异。

在GB/T 0254—2014中，将累积夹层厚度小于层组总厚度的20%的页岩地层产出的页岩气定义为夹层页岩气［17］；对于夹层型页岩油没有相应的国家标准，目前，仍依据中国石化Q/SH 0505—2013中规定的，用累积夹层厚度及单个夹层厚度来界定夹层型页岩油［18］，即在累积夹层厚度小于层组厚度20%的基础上，将大段泥页岩中厚度小于2 m且产出原油的夹层定义为页岩油夹层。

2 中国夹层型页岩油分布情况

在中国沉积盆地的震旦系—新近系分布着多套含油气泥页岩层系，其中，热演化程度R0为2.0%～4.0%、富有机质泥页岩埋藏较深的海相厚层泥页岩是页岩气(裂解气)的有利勘探区，煤型气产自有机质类型较差的海陆交互相与湖沼相中薄层富有机质泥页岩，湖相中厚层富有机质泥页岩具备页岩油成藏的地质条件，大部分处于生油窗内，勘探前景较好，有油气同出的潜力，主要分布在准噶尔盆地二叠系、三塘湖盆地二叠系、鄂尔多斯盆地三叠系、四川盆地侏罗系、松辽盆地白垩系、渤海湾盆地古近系、苏北盆地古近系、江汉盆地古近系。南襄盆地古近系。夹层型页岩油也主要分布在这些沉积盆地中。

张金川结合中国页岩油资源特点及勘探开发现状，根据页岩油基本地质特点和地化特征，优选出页岩油勘探的远景区、有利区和目标区(见表1)［15］。

3 中国夹层型页岩油勘探开发现状

20世纪60年代，在常规油气钻探过程中，济阳坳陷偶然发现了页岩油，被称为泥岩裂缝油气藏［19-20］；在济阳坳陷勘探阶段，页岩段频繁出现气测异常和油气显示；1973年钻探河54井，在Es3下亚段2 928～2 964页岩段中途测试，Ø5 mm油嘴求产，日产油91.4 t，日产气2 740 m3，济阳坳陷第1口页岩工业油流井由此诞生［21］。陆续在泌阳凹陷、古龙凹陷、东濮凹陷、辽河坳陷、济阳坳陷及沧东凹陷等陆相泥页岩层系中发现工业油流［22-23］。2011年以来中国石油和中国石化相继开展多项陆相页岩油勘探开发理论和技术研究，取得了诸多阶段性成果和现场勘探实践范例［7］，为深化页岩油勘探开发奠定了坚实的基础。

表1 中国页岩油选区参考标准Table 1 Reference standard for the selection of shale oil region in China

3.1 夹层型页岩油勘探开发技术现状

发展形成了“健全波场、全过程保幅”的高精度三维地震技术”［24］和“宽频、宽方位、高密度地震采集、处理和解释一体化技术”［25］；形成了三开完井的设计模式［7］，以及PDC钻头优化、“井工厂”钻井、“PDC钻头+螺杆”钻井、深井固井、油基钻井液+PDC水平段一趟钻钻井技术等系列［26-29］，满足页岩油开发要求，如近期完钻的渤海湾盆地沧东凹陷官东1701H和官东1702H两口水平井，水平段页岩油层钻遇率达96%［23］；发展了一些新的水力压裂理论及工艺［30-32］，包括：水平井分段压裂、分支井压裂、“井工厂”压裂、高速通道压裂、宽带压裂、水平井重复压裂、水力波动注入压裂、缝网压裂。官东1701H、1702H两口页岩油井成功完成水平井段大规模多段多簇体积压裂施工。

3.2 夹层型页岩油生产现状

3.2.1 渤南洼陷沙一段夹层型页岩油

渤南洼陷沙一段夹层岩性主要包括砂岩、灰岩和白云岩，20世纪70年代在渤南洼陷沙一段夹层型页岩中钻遇高产页岩油气井，典型井：义18井和义 21井［33］。

义 18井［34-35］：1971年钻探的义 18井沙一段，油藏中深2 780 m；为滨浅湖－半深湖相沉积，主要沉积厚层油页岩、油泥岩、夹薄层白云岩，储集空间主要包括构造裂缝和页理缝；电测孔隙度10.34%，电测渗透率 3.7×10-3μm2，50 ℃ 地面原油黏度28 mPa ·s ，密度0.8875 g/cm3；压裂后用Ø4 mm油嘴测试，日产油62 t，日产气2 860 m3。

义 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，采集烃源岩样品40件，热解分析结果表明，有机质含量为 2.86%～10.48%，平均 5.02%，生烃潜量为17.58～85.39 mg/g；日产油 35 t，日产气 0.168 m3。

朱德顺等学者［33］研究了渤南洼陷沙一段夹层型页岩油的赋存状态、生排烃条件、夹层厚度、夹层物性、地层压力和原油物性；得到了单井夹层型页岩油产量与夹层孔隙度的存在高度正相关关系；夹层型页岩油产量随着压力系数的增大而增大，两者具有较好的正相关。

3.2.2 济阳坳陷古近系陆相夹层型页岩油

济阳坳陷是在华北地台基底上发育的中、新生代断陷－坳陷复合盆地，总面积约为2.6×104km2，受多期构造运动的影响，形成东营、沾化、车镇及惠民4个凹陷，在这4个凹陷的众多次级洼陷中，纵向上的沙四上亚段、沙三下亚段和沙一段发育着新生界古近系陆相页岩［37］。其中，夹砂层28.6%，夹碳酸盐岩28.6%，纹层状泥质灰岩20.0%，夹砂岩和碳酸盐岩11.4%，层状泥质灰岩(灰质泥岩)2.9%，层状泥质灰岩2.9%，层状灰质泥岩2.9%。

目前，有800多口探井在济阳坳陷页岩发育段见到油气显示，见到页岩油气流70多口井，其中有35口井获得工业油气流［38］；纵向上以沙三下亚段、沙四上亚段为主，平面上沙四上亚段页岩油气主要分布于东营凹陷，沙三下亚段页岩油气以沾化、东营凹陷最多；探井投产初期产能 12～72 t/d［37］，其中：河54井在沙三下亚段2 928～2 964 m页岩段中途测试，Ø5 mm油嘴求产，日产油91.4 t，日产气2 740 m3，累计产油量2.8×104t，是济阳坳陷打出的第1口页岩油井［21］；在罗42井、新义深9井、永54井、新郭3井、利深101井等井相继在页岩井井井段也发现高产油气流，累积产量都在万吨以上。

从投产的夹层页岩油产量情况看，夹层页岩油气产层埋深255～4 500 m，以产油为主或油气共存，仅渤深5井4 500 m的镜质体反射率达到了1.3%以上，在沾化凹陷渤南洼陷沙四上亚段4 491.89～4 587.33 m的页岩发育段日产气3 533 m3［39］，因此，济阳坳陷页岩油是主要勘探对象。

3.2.3 沧东凹陷孔二段夹层型页岩油

为了解沧东凹陷孔二段的页岩岩性变化，评价页岩油开发潜力，2017年中国石油大港油田在官东重点目标区Ek21SQ⑨纹层状长英质页岩、纹层状混合质页岩及块状灰云岩相对发育的层段(夹层型)布署了2口水平井—官东1701H、官东1702H［40-41］。

官东1701H井［42］：大港油田2017年实施的预探评价井，设计井深5 524 m，实钻井深5 465 m，造斜点3 100 m，水平位移2 046 m，水平段长1 474 m(其中孔二段水平段1 456 m)，最大井斜90.87°；解释油层1 412.4 m，油层有效厚度60.4 m，层数76，生产井段4 056～5 278 m，设计压裂段长为941.3 m，共16段/54簇点，总液量为 34 288 m3，总砂量为1 388 m3，返排率为28.4%；2018年7月10日投产，Ø6 mm油嘴生产，日产液25.9 t，日产油9.07 t。

官东1702H井［43］：继官东1701H井后，大港油田实施的第2口页岩油领域重点水平探井，2018年3月4日完钻，入窗后共见显示1 342 m/27层，钻遇率100%，水平段长为 1 342.7 m，解释油层1 284.6 m。2018年5月14日多段多簇体积压裂，设计压裂段长为1 283.4 m，共21段/66簇，总液量为41 099 m3，总砂量为1 343 m3；2018年7月20日投产，生产井段3 952～5 229 m，Ø6 mm油嘴生产，日产液 27.8 t，日产油 17.65 t。

3.2.4 苏北盆地金湖凹陷夹层型页岩油

马永生院士指出［24］，苏北盆地在“十二五”期间，依靠高精度三维地震技术，建立了苏北盆地“自生自储”侧向运移和“下生上储”纵向调整2类生物降解气成藏模式［44］和夹层型页岩油成藏模式。杨伟伟博士认为［16］，苏北盆地古近系泥页岩累计厚度可达200 m以上，平均有机碳含量在2%左右，有机质类型为Ⅰ型和Ⅱ型，成熟度不高，主体处于生油阶段，凹陷中心部位处于湿气—凝析油阶段；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)，有机质含量0.5%～4.7%，热演化程度0.5%～1.3/%。

苏北盆地的天96块E1f2下部(即E1f23)油层为受断层控制的层状构造油藏。上部E1f2页1油层则是“自生自储”的“夹层”型页岩油藏，其含油范围受断层及砂岩夹层物性控制。在天X96井阜二段2 643.1～2 646.0 m 和 2 812.5～2 818.6 m，日试产油分别为 5.21 t和 2.72 t［45］。

3.2.5 潜江凹陷潜江组盐间页岩油

江汉盆地潜江凹陷潜江组潜34油组盐间页岩油储层，储层孔隙度平均为11.4%～18.9%，渗透率平均为 (2.635～4.827)×10-2μm2，平面上“满凹皆油浸显示”，油气勘探过程中有128口井见油气显示，其中自喷井32口，井涌、井溢井19口，槽面见油花气泡井60口，井口出沥青井11口，有3口井发生强烈井喷，日喷油量达千吨［46］。

4 中国夹层型页岩油开发面临的挑战

实现页岩油工业开采仍有技术“瓶颈”亟待攻关。

(1)基础理论［7,13］：页岩油赋存机理与微观孔隙结构、页岩油滞留成藏机理、构造保存条件、有效储集体、流动机理、勘探评价体系、资源评价方法、储量和产能评价方法。

(2)勘探开发技术［24］：夹层型泥页岩非均质性强，黏土矿物含量高，地质导向建模、随钻测井、钻井施工难度大；大位移井的随钻地质导向与精细控制技术；有机质成熟度较低，原油密度高、黏度大，地层原油处理和井筒举升难度大；水平井分段压裂开采，油井初期有较高产量，但产量递减快，难以取得规模性商业发现。

(3)工程技术［23］：页岩油“地球物理甜点”综合预测技术；低成本水平井分段多簇压裂技术；无水压裂等新型压裂技术；原油原位降黏技术。

5 中国夹层型页岩油勘探开发前景

页岩油已成为全球关注的非常规油气勘探开发“甜点”之一，杨智等［47］揭示了“进源找油”的源岩油气内涵，为夹层型页岩油气勘探开发指明了方向。国内外学者认为［48］，夹层型页岩油富集主控因素为储集物性、排烃强度和异常压力，开发关键技术是薄层分布预测和压裂改造工艺，夹层型页岩油是当前技术条件下比较现实的勘探目标，也将随着上述瓶颈技术的不断攻克而成为我国未来油气储量与产量新的增长点［19-21,33,49-50］。