國內(nèi)非常規(guī)油氣勘探開發(fā)技術(shù)研究現(xiàn)狀及難點(diǎn)分析

龔小衛(wèi)，李 瑋，喬中山，朱 巖，王新勝

(1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中海石油天津分公司，天津 300452； 3. 大慶油田創(chuàng)業(yè)集團(tuán) 華誼實(shí)業(yè)公司思創(chuàng)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶 163311； 4. 大慶油田有限責(zé)任公司 第五采油廠，黑龍江 大慶 163311)

國內(nèi)非常規(guī)油氣勘探開發(fā)技術(shù)研究現(xiàn)狀及難點(diǎn)分析

龔小衛(wèi)1，李 瑋1，喬中山2，朱 巖3，王新勝4

(1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中海石油天津分公司，天津 300452； 3. 大慶油田創(chuàng)業(yè)集團(tuán) 華誼實(shí)業(yè)公司思創(chuàng)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶 163311； 4. 大慶油田有限責(zé)任公司 第五采油廠，黑龍江 大慶 163311)

隨著常規(guī)油氣的不斷消耗，全球油氣資源的勘探開發(fā)將不斷轉(zhuǎn)向非常規(guī)油氣。我國非常規(guī)油氣具有低孔低滲低壓，地質(zhì)條件復(fù)雜，多發(fā)育節(jié)理、裂縫，工程地質(zhì)力學(xué)具有典型的非線性和各向異性等特征。通過調(diào)研國內(nèi)外文獻(xiàn)，從非常規(guī)油氣的概念、成因及特點(diǎn)等方面闡述了非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的難點(diǎn)，并對非常規(guī)油氣研究的發(fā)展趨勢做出了展望。

非常規(guī)油氣；勘探開發(fā)；低孔低滲；各向異性

0 前 言

隨著常規(guī)油氣的不斷開發(fā)，非常規(guī)油氣的發(fā)現(xiàn)給整個(gè)世界帶來了福音，同時(shí)也給整個(gè)石油行業(yè)提出了更高的開發(fā)技術(shù)要求。國家的發(fā)展離不開能源，油氣資源的勘探開發(fā)與國家能源安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對油氣資源的需求也日益劇增，而目前常規(guī)油氣資源的勘探己基本見底。所以，非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)己成為解決當(dāng)前供需矛盾的一個(gè)重要途徑。中國非常規(guī)油氣資源豐富，開發(fā)潛力很大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，非常規(guī)天然氣資源量約為(188～196)×1012m3，可采資源量為45×1012m3以上，致密油可采資源量達(dá)15×108t[1]，因此加快對非常規(guī)油氣的開發(fā)利用對彌補(bǔ)能源缺口、確保國家能源安全具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

1 非常規(guī)油氣的概念

目前，對于非常規(guī)油氣資源尚無明確定義，人們采用約定俗成的叫法，將其分為非常規(guī)石油資源和非常規(guī)天然氣資源兩大類。前者主要指重(稠)油、超重油、深層石油等，后者主要指低滲透氣層氣、煤層氣、天然氣水合物、深層天然氣及無機(jī)成因油氣。此外，油頁巖通過相應(yīng)的化學(xué)工藝處理后產(chǎn)出的可燃?xì)夂褪停矊儆诜浅Ｒ?guī)油氣資源。

國內(nèi)學(xué)者鄒才能，張國生[2]等于2013年提出非常規(guī)油氣是指用傳統(tǒng)技術(shù)無法獲得自然工業(yè)產(chǎn)量、需用新技術(shù)改善儲集層滲透率或流體黏度等才能經(jīng)濟(jì)開采、連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)型聚集的油氣資源。其中孔隙度(<10%)和孔喉(<1 um2)或滲透率(<1×10-3um2)是非常規(guī)油氣的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，而“油氣大面積連續(xù)分布，圈閉界限不明顯”和“無自然工業(yè)穩(wěn)定產(chǎn)量，達(dá)西滲流不明顯”是非常規(guī)油氣的兩個(gè)關(guān)鍵標(biāo)志。主要類型有天然氣水合物、煤層氣、致密油和氣、重油瀝青、頁巖油和氣等(見圖1[2])。

圖1 常規(guī)—非常規(guī)資源黏度與自然產(chǎn)能鑒別

2 非常規(guī)油氣的成因及特點(diǎn)

非常規(guī)油氣主要分為天然氣水合物、煤層氣、頁巖氣、生物氣、致密氣、致密油、重油/瀝青砂、頁巖油和油頁巖，而不同類型的非常規(guī)油氣的成因存在明顯的差別。

對于天然氣水合物，狄永軍[3]等于2003年在天然氣水合物成因探討中指出，生物是導(dǎo)致天然氣水合物生成的主要成因，分別為微生物成因(甲烷的R值C1/(C2+C3)大于1 000，б13C值為-90‰～-55‰)、熱解成因(甲烷的R值小于100，其б13C值為>-55‰)和混合成因(介于以上兩者之間)；對于煤成氣，其成因主要為熱成因和生物成因兩類。Law B E[4]等指出二氧化碳的還原作用、有機(jī)酸(一般為乙酸)的發(fā)酵作用和煤化作用是煤成氣生成的主要原因；對于頁巖氣，其成因主要為熱成因和生物成因兩類。熱成因和生物成因與頁巖氣的成熟度有關(guān)，隨著成熟度的增加，熱成因生成的氣所占的比例越來越大，而在低的成熟度下，生物成因生成的氣所占的比例較大。對于生物氣，其生成的原因與所處的古氣候、沉積環(huán)境和時(shí)間、有機(jī)質(zhì)的類別和豐富度、地質(zhì)作用等諸多因素相互作用有關(guān)[5]。對于致密氣，大范圍層狀烴源巖、持續(xù)生烴與大面積致密砂巖儲集體連片分布是其生成的主要條件。對于致密油，賈承造[6]等在中國致密油評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、主要類型、基本特征及資源前景中指出，陸相盆地中存在處于生油階段(R0：0.9%～1.3%)多套富有機(jī)質(zhì)烴源巖(TOC>1%)的多個(gè)生油凹陷是致密油生成的主要條件。對于頁巖油，沉積在深水環(huán)境中的厚層富有機(jī)質(zhì)泥頁巖為其良好的源巖(TOC>2%)，張金川[7]等在頁巖油分類與評價(jià)中指出異常高的壓力(壓力系數(shù)0.99～1.80)、物性條件較好的基質(zhì)和短距離運(yùn)移或原地聚集等是形成頁巖油的主要條件。對于重油/瀝青砂，其形成一般為原油經(jīng)歷運(yùn)移階段的稠變和聚集階段的稠變，劉亞明[8]在重油研究現(xiàn)狀及展望中指出稠變機(jī)制為生物降解作用、水洗作用、氧化作用和蒸發(fā)分餾作用。對于油頁巖，其成因可分為有機(jī)質(zhì)成因和環(huán)境成因，其中有機(jī)質(zhì)成因分為腐泥型(l)和腐殖型(ll)，環(huán)境成因可分為拗陷湖成油頁巖、斷陷湖成油頁巖和斷陷湖泊一沼澤油頁巖3種類型[9]。

非常規(guī)油氣具有以下特點(diǎn)：油氣大面積連續(xù)分布，圈閉界限不明顯；無自然工業(yè)穩(wěn)定產(chǎn)量，達(dá)西滲流不明顯；儲層致密，物性較差；巖性多樣性，油水關(guān)系復(fù)雜，孔隙微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

3 非常規(guī)油氣勘探開發(fā)技術(shù)研究現(xiàn)狀

非常規(guī)油氣主要分為天然氣水合物、煤層氣、頁巖氣、生物氣、致密氣、致密油、重油/瀝青砂、頁巖油和油頁巖，而不同類型的非常規(guī)油氣開發(fā)方式也不一樣。

對于天然氣水合物，國內(nèi)勘探開發(fā)起步較晚，主要勘探技術(shù)為地震勘探技術(shù)、海洋可控電磁勘探技術(shù)、地球化學(xué)勘探技術(shù)、測井及巖心分析技術(shù)及巖石物理模型等其它勘探技術(shù)。隨著天然氣水合物勘探技術(shù)日趨完善，地震勘探法和地球物理測井法聯(lián)用將有可能成為今后一段時(shí)期全球范圍內(nèi)天然氣水合物資源勘探和評價(jià)的關(guān)鍵，同時(shí)保壓取芯系統(tǒng)的研制進(jìn)一步為系統(tǒng)全面地研究天然氣水合物提供了有效而實(shí)用的手段。對于煤層氣，其勘探開發(fā)技術(shù)主要有鉆完井技術(shù)、壓裂增產(chǎn)技術(shù)、排采技術(shù)和數(shù)值模擬等技術(shù)，其中鉆完井技術(shù)，已從直井發(fā)展到垂直井、水平井、叢式井，繼續(xù)發(fā)展到多分支水平井、遠(yuǎn)端對接井、徑向井、傾斜井以及多類型組合井；對于頁巖氣，由于其儲層具有典型低孔低滲的物性特征，氣流的阻力比傳統(tǒng)天然氣大得多，需要采取某種增產(chǎn)措施和特殊的鉆井與完井方法進(jìn)行開發(fā)，否則難以開采。當(dāng)前，對于頁巖氣的開采主要采取壓裂技術(shù)、水平井鉆井技術(shù)和特殊完井方式，其中壓裂技術(shù)主要包括CO2加砂壓裂技術(shù)、氮?dú)馀菽瓑毫选⒛z壓裂、清水壓裂、水力噴射壓裂、水力壓裂、分段壓裂、重復(fù)壓裂、同步壓裂技術(shù)、壓裂液技術(shù)、壓裂效果的數(shù)值和計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測等；完井方式主要采取橋塞完井、水力噴射射孔完井和機(jī)械式組合完井。對于生物氣，與國外相比，國內(nèi)的勘探開發(fā)程度較低，未來勘探開發(fā)的重點(diǎn)主要為尋找大中型生物氣田，建立和完善適合我國非常規(guī)生物氣藏的勘探技術(shù)與方法。對于致密氣，其勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要為鉆井方式、布井方式、壓裂技術(shù)和水平井分段壓裂技術(shù)。鉆井方式主要包括水平井、定向井、多分支井、小井眼技術(shù)、連續(xù)油管鉆井、套管鉆井、控壓鉆井、欠平衡鉆井、復(fù)合鉆井和FDP快速鉆井工藝等。對于致密油，地震預(yù)測、測井評價(jià)、水平井鉆探和體積壓裂是致密油進(jìn)行勘探和提高產(chǎn)量的關(guān)鍵配套技術(shù)[10]。對于重油/瀝青砂，國內(nèi)對這方面的研究不太多，當(dāng)前重油勘探的重點(diǎn)主要是層位勘探、區(qū)帶范圍和盆地范圍的確定[8]；瀝青砂的開采主要集中于露天開采(分為熱堿水溶液洗脫法、熱堿水溶液結(jié)合表面活性劑洗脫法、有機(jī)溶劑抽提法和焦化法)和就地開采方法(包括熱采工藝、化學(xué)工藝和冷采工藝)[11]。對于頁巖油，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，中國開發(fā)頁巖油技術(shù)與裝備取得了以下成果[12]：形成了三開完井的設(shè)計(jì)模式，及空氣鉆、泡沫鉆、清水鉆+PDC螺桿復(fù)合鉆、國產(chǎn)油基鉆井液+PDC水平段一趟鉆的鉆井技術(shù)系列；水平井分段壓裂工藝配套技術(shù)；探索實(shí)施了工廠化作業(yè)模式以及實(shí)現(xiàn)了頁巖油勘探開發(fā)大型壓裂成套裝備的關(guān)鍵技術(shù)突破。對于油頁巖，其勘探開發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，除了要掌握其地質(zhì)特征、成礦規(guī)律及資源量外，可靠的識別技術(shù)與評價(jià)方法，壓裂與原位開采、低溫干餾等工藝，綜合利用和環(huán)境保護(hù)等配套措施，也十分重要，其開采方式主要由地面處理、地下處理(包括殼牌公司的地下轉(zhuǎn)換處理技術(shù)、埃克森一美孚公司的電壓裂處理技術(shù)、美國頁巖油公司CCR技術(shù)、斯倫貝謝公司的臨界流體射頻技術(shù))、地震監(jiān)測和混合型處理[13]。

綜上所述，可發(fā)現(xiàn)非產(chǎn)規(guī)油氣勘探開發(fā)工藝較復(fù)雜、成本較高，但面對我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、油氣供不應(yīng)求這一不爭的事實(shí)，作為學(xué)者，應(yīng)該最大化地去研究在保證非常規(guī)油氣順利勘探開采的基礎(chǔ)上，如何降低成本，以達(dá)到預(yù)期的開采目標(biāo)，而作為決策者，更應(yīng)當(dāng)給予非常規(guī)油氣這一重要的替代能源高度關(guān)注。

4 非常規(guī)油氣勘探開發(fā)難點(diǎn)

由于非常規(guī)油氣藏的儲藏地質(zhì)極其復(fù)雜、滲透性低、孔隙度低、開發(fā)難度較大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的油氣開發(fā)方式已不適用于非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)，為應(yīng)對開發(fā)非常規(guī)油氣遇到的問題，需要對傳統(tǒng)的勘探開發(fā)方式不斷進(jìn)行創(chuàng)新和突破，對裝備和技術(shù)進(jìn)行升級。

4.1 勘探難點(diǎn)

非常規(guī)油氣開發(fā)的最終目的是實(shí)現(xiàn)油氣價(jià)值的最大化，降低開發(fā)成本是非常規(guī)油氣經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的關(guān)鍵。鄒才能[14]等在論非常規(guī)油氣與常規(guī)油氣的區(qū)別和聯(lián)系中，指出非常規(guī)油氣的勘探難點(diǎn)在于找到“甜點(diǎn)區(qū)”，關(guān)鍵是尋找大面積層狀儲集體，核心工作是突破“甜點(diǎn)區(qū)”，確定甜點(diǎn)區(qū)的富有機(jī)質(zhì)烴源巖、有利儲集體、高含油氣飽和度、易于流動的流體、異常超壓、發(fā)育裂縫、適中的埋藏深度等主要控制因素，確立連續(xù)型油氣區(qū)邊界與空間展布。總的來說，非常規(guī)油氣勘探的難點(diǎn)在于“甜點(diǎn)區(qū)”的確定與評價(jià)與勘探裝備。

4.2 開發(fā)難點(diǎn)

由于非常規(guī)油氣儲集體物性差，如致密油、致密氣、頁巖油、頁巖氣和煤層氣儲層主體孔隙度小于10%，地下滲透率小于0.1 mD，一般無自然工業(yè)產(chǎn)能，需要采取某種增產(chǎn)措施和特殊的鉆井技術(shù)，而傳統(tǒng)的開發(fā)方式是單井和直井開發(fā)，非常規(guī)油氣的發(fā)現(xiàn)，顛覆了這種傳統(tǒng)油氣的開發(fā)方式，將由單井向平臺式多井“工廠化”模式轉(zhuǎn)變，比如同步壓裂，拉鏈?zhǔn)綁毫训燃夹g(shù)，由直井向水平井體積壓裂轉(zhuǎn)變，這期間將遇到不少技術(shù)難題(比如不斷提高非常規(guī)油氣的采收率，不斷探索低成本開采工藝與開采方式)，給整個(gè)石油行業(yè)帶來了不少的挑戰(zhàn)。

5 結(jié) 論

1) 我國擁有著豐富的非產(chǎn)規(guī)油氣資源，開發(fā)好這類油氣將對整個(gè)石油行業(yè)的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。

2) 非常規(guī)油氣是指用傳統(tǒng)技術(shù)無法獲得自然工業(yè)產(chǎn)量、需用新技術(shù)改善儲層滲透率或流體黏度等才能經(jīng)濟(jì)開采、連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)型聚集的油氣資源。

3) 傳統(tǒng)油氣的勘探開發(fā)方式不在適用于非常規(guī)油氣的開發(fā)，需針對非常規(guī)油氣的儲層特點(diǎn)、成因，開發(fā)新技術(shù)，以應(yīng)對未來在非常規(guī)油氣開發(fā)中遇到的難點(diǎn)。非常規(guī)油氣若想達(dá)到規(guī)模化的生產(chǎn)，還需研究新技術(shù)新方法作為支撐。

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A Research Status and Difficulties of Unconventional Oil and Gas Exploration Technology in China

GONG Xiaowei1，LI Wei1，QIAO Zhongshan2，ZHU Yan3，WANG Xinsheng4

(1.InstituteofPetroleumEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing,Heilongjiang163318,China; 2.CNOOCTianjinBranch,Tianjin300452,China; 3.DaqingOilfieldVentureGroupHuaYiIndustrialCompanySichuangServiceBranch,Daqing,Heilongjiang163311,China; 4.TheFifthOilProductionPlant,DaqingOilfieldCompanyLimited,Daqing,Heilongjiang163311,China)

With continuous consumption of conventional oil and gas, the global exploration and development of oil and gas resources will shift to unconventional oil and gas. Unconventional oil and gas in our country is still in its low porosity, low permeability and low pressure, including complex geological conditions, many development joints, fractures and engineering geological mechanics. This article tries to elaborate the current study on situation and the difficulty of exploration, including the development of unconventional oil and gas from such aspects as the concept, the genesis and the feature etc. At last, the author outlines the future study trend of unconventional oil and gas.

Unconventional oil and gas; Exploration and development; Low porosity low permeability low pressure; Anisotropy

2017-04-07

“十三五”國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2016ZX05020-002)

龔小衛(wèi)(1989-)，男，江蘇沭陽人，在讀碩士研究生，研究方向：水力壓裂，手機(jī)：15776542393，E-mail：1163157977@qq.com;通訊作者：李瑋(1979-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：高效鉆井破巖、水力壓裂、鉆井優(yōu)化等方面的理論與技術(shù)研究.

P618.13

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.031