董大忠 施振生 管全中 蔣 珊 張夢琪 張晨晨王書彥 孫莎莎 于榮澤 劉德勛 彭 平 王世謙
1.中國石油勘探開發研究院 2.國家能源頁巖氣研發(實驗)中心 3.中國石油天然氣集團有限公司非常規油氣重點實驗室4.中國石油大學(北京) 5.北京大學地球與空間學院 6.中國石化石油勘探開發研究院7.中國石油西南油氣田公司勘探事業部 8.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院
四川盆地是中國大型含油氣盆地之一,天然氣資源豐富,在震旦系—白堊系中發現陡山沱組、龍王廟組、黃龍組、飛仙關組等20余套產氣層系及侏羅系自流井組、沙溪廟組等2套產油層系。同時,古生界龍潭組、五峰組—龍馬溪組、笻竹寺組、陡山沱組等多套層系賦存豐富的頁巖氣。2006年以來,中國通過借鑒、創新頁巖氣地質理論、攻關勘探開發技術,自2010年在四川盆地蜀南地區上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組發現工業頁巖氣流后,2011—2012年陸續在長寧構造寧N201H1井、陽高寺構造陽201H2井、焦石壩構造JY1HF井獲得日產量介于15×104~43×104m3的高產頁巖氣流,實現了四川盆地頁巖氣勘探開發的重大突破,發現了蜀南—川東大型頁巖氣富集區;2012年起,國家先后設立了長寧—威遠、昭通、涪陵等國家級頁巖氣示范區,拉開了中國頁巖氣大規模發展的序幕[1-9]。截至2017年底,四川盆地累計探明五峰組—龍馬溪組頁巖氣地質儲量9 210×108m3,建成了逾100×108m3頁巖氣年產能力,實現了頁巖氣年產量90.25×108m3,初步明確了五峰組—龍馬溪組頁巖氣形成富集規律,基本掌握了頁巖氣勘探開發關鍵技術。本文旨在以四川盆地五峰組—龍馬溪組為重點,總結其頁巖氣勘探開發階段與進展,明確頁巖氣富集成藏有利條件,梳理勘探開發主要挑戰,探討未來發展前景,以期對今后四川盆地五峰組—龍馬溪組,乃至整個中國南方地區的頁巖氣勘探開發提供指導和參考。
四川盆地既是中國發現天然氣最早的盆地,也是發現頁巖氣最早的盆地。截至目前,四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探開發歷程可劃分為區域評價與選區、示范區建設與產能評價、規模化開采與技術優化3個階段,以下分述之。
1)區域評價與選區(2006—2012年)。四川盆地蜀南地區早期天然氣鉆探在威5、陽63及隆32等一批井中下寒武統筇竹寺組、五峰組—龍馬溪組頁巖地層中獲得頁巖氣流[1-8]。2005年中國引入北美頁巖氣概念,以四川盆地蜀南地區古生界為重點,開展了南方古生界海相頁巖氣形成地質條件研究、勘探開發前景評價與有利區優選等工作[1-10]。在廣泛開展老井復查、野外地質調查、鉆探取心、二維地震老資料重新處理解釋、實驗測試分析等一系列工作后,明確了四川盆地下古生界海相頁巖是中國頁巖氣勘探開發最為現實的領域。采用資源豐度類比法,預測了四川盆地下古生界海相頁巖氣資源前景。借鑒北美頁巖氣有利區評選指標,結合四川盆地頁巖地層地質特征,建立了中國海相頁巖氣有利區評選指標,評價優選了威遠構造、富順—永川(陽高寺構造—隆昌構造)、昭通—長寧(長寧構造)、焦石壩構造等一批頁巖氣有利區,明確了五峰組—龍馬溪組下段是頁巖氣勘探開發最為有利的層段[1-8]。通過鉆探威201、陽201、寧201、YS108、焦頁1等一批評價井,落實了五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖層段、頁巖含氣特征及資源潛力,初步圈定了蜀南—川東五峰組—龍馬溪組大型頁巖含氣區,發現了威遠、長寧—昭通和涪陵焦石壩等3個頁巖氣田,確定了五峰組—龍馬溪組為頁巖氣主力含氣層段,為四川盆地頁巖氣規模開發奠定了良好的地質和資源基礎。
3)規模化開采與技術優化(2016年至今)。通過示范區建設,中國石油、中國石化紛紛啟動頁巖氣規模化開發,并本著降本增效的原則,不斷優化開發技術,尤其是關鍵開發技術。自2014年以來,四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣產量規模不斷增加,呈快速增長態勢,基本實現了蜀南地區和川東涪陵地區頁巖氣規模有效開發。截至2017年底,中國石油在蜀南地區確立了120×108m3/a頁巖氣產量規模開發方案,中國石化在川東涪陵地區確立了100×108m3/a頁巖氣產量規模開發方案。2017年四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣產量達到90.25×108m3,中國成為繼美國、加拿大之后,全球第三個實現頁巖氣規模開發的國家。
蜀南地區有利頁巖面積約為3.0×104km2、頁巖氣資源量約為8.84×1012m3,是中國最早開展頁巖氣勘探開發的地區,包括威遠、長寧、富順—永川和昭通等4個區塊,主力氣層為五峰組—龍馬溪組頁巖(圖1),儲層埋深介于1 500~4 500 m、厚度介于30~60 m,有機碳含量(TOC)介于2.5%~8.5%,有機質熱演化成熟度(Ro)介于2.5%~3.8%,孔隙度介于3.4%~8.5%,地層壓力系數介于0.92~2.03。截至2017年底,累計投產頁巖氣井208口,建成頁巖氣產能30×108m3/a,探明頁巖氣地質儲量3 200×108m3,2017年生產頁巖氣30.21×108m3。頁巖氣開發井垂深平均為1 500~4 000 m,水平段長度平均為1 488~1 578 m,鉆井周期為33~70 d,分13~22段體積壓裂,單井初期產氣量為10×104m3/d,單井最終可采儲量為0.84×108~1.38×108m3。
涪陵地區有利頁巖面積為0.78×104km2,頁巖氣資源量約為2.1×1012m3,是目前中國發現的最大的頁巖氣田。涪陵頁巖氣田位于四川盆地川東高陡褶皺帶萬縣復向斜包鸞—焦石壩背斜帶中的焦石壩構造。主力氣層為五峰組—龍馬溪組頁巖,儲層埋深介于2 000~4 000 m、厚度介于40~90 m,TOC介于2.1%~8.2%,Ro平均為2.65%,孔隙度介于1.2%~8.1%,地層壓力系數平均為1.55。截至2017年底,累計投產頁巖氣井305口,建成頁巖氣產能100×108m3/a,探明頁巖氣地質儲量6 008×108m3,2017年生產頁巖氣60.04×108m3。頁巖氣開發井垂深平均為2 000~3 000 m,水平段長度平均為1 500~2 000 m,鉆井周期介于30~65 d,分15~20段體積壓裂,單井初期產氣量為18×104m3/d,單井最終可采儲量介于1.25×108~3.25×108m3。
針對四川盆地五峰組—龍馬溪組的地質特點,在頁巖氣勘探開發過程中,不斷實現技術進步,創新形成了適合于四川盆地多期構造演化及復雜山地海相頁巖氣勘探開發關鍵技術體系,包括適合3 500 m以淺頁巖氣勘探開發“綜合地質評價、開發政策優化、水平井優快鉆井、水平井體積壓裂、水平井組工廠化作業、高效清潔開發”六大主體技術和“地質工程一體化建模、地質工程一體化設計、地質工程一體化管理”的高產井培育方法[4-8],頁巖氣勘探開發主體技術及配套工藝基本成熟并可復制。綜合地質評價技術主要包括資源評價技術、優質儲層識別與評價技術、“甜點”預測與評價技術等。“靶體位置+軌跡方位+巷道間距+水平段長度+EUR預測”為核心的開發政策優化技術,不僅節省了大量土地,還為“工廠化”作業創造了條件。水平井優快鉆井技術實現了水平段長度從1 000 m提高到2 500 m,埋深從2 500 m增至4 300 m,鉆井周期從175 d縮短至最短30 d。分段體積壓裂技術顯著提高了單井產量和施工效率,關鍵工具、壓裂液的國產化大幅度降低了成本。水平井組“工廠化”作業技術包括“雙鉆機作業、批量化鉆進、標準化運作”的“工廠化”鉆井技術、“整體化部署、分布式壓裂、拉鏈式作業”的“工廠化”壓裂技術,實現了鉆井、壓裂“工廠化”布置、批量化實施、流水線作業。高效清潔開采技術,包括鉆井液不落地、水基鉆屑無害化處理、油基鉆屑常溫萃取處理、壓裂液用水循環利用等[9-10]。

圖1 宮深1—宮2—宜201—寧211—寧203井儲層連井對比圖
隨著勘探開發工作的不斷深入,五峰組—龍馬溪組頁巖氣地質研究認識也不斷得到深化。2010年通過對威201井巖心進行分析,發現五峰組—龍馬溪組頁巖發育豐富的大小介于5~700 nm有機質納米孔隙,建立了斜坡區連續型“甜點區”和構造型“甜點區”兩種頁巖氣富集模式[2,7-8],總結出“二元富集”規律等認識[11-14]。
厚度大、品質好的高有機質含量頁巖是海相頁巖氣聚集和富集的物質基礎[15-17]。深水陸棚相為生物原始產率高、欠補償缺氧環境,是形成厚層、大規模展布的富有機質黑色頁巖的有利相帶。四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣主力產層形成于深水陸棚相沉積環境。在全球性海侵背景下,四川盆地是上揚子地臺內克拉通盆地,晚奧陶世揚子海域由早中奧陶世的開闊陸表海環境轉變為受水下隆起控制的局限海域,在東南部華夏板塊匯聚作用影響下,揚子地臺南緣黔中、武陵、雪峰等古隆起發生抬升,與西南緣康滇古陸相連,形成滇黔桂古陸,北部被動大陸邊緣向華北板塊俯沖,秦嶺洋開始收縮匯聚;在高度擠壓狀態下,揚子地臺形成了“三隆圍一坳”的沉積格局,大部分中上揚子海域被古隆起圍限,成為低能、缺氧半深水—深水陸棚沉積環境,藻類、放射蟲、海綿、筆石等生物繁盛的局限海盆(圖2)。在此背景之下,四川盆地發育了富含有機質和生物硅質鈣質、分布廣泛、厚度穩定的五峰組—龍馬溪組黑色頁巖,其中深水陸棚相區頁巖厚度大、分布穩定,TOC>2.0%的頁巖連續段厚度介于20~100 m,成為頁巖氣形成和賦存的重要物質基礎。深水陸棚相富有機質黑色頁巖既是頁巖氣的氣源巖,又是頁巖氣賦存的儲集層。富有機質黑色頁巖埋藏演化過程中所生成的頁巖氣,在有機質孔隙、層理/紋理(頁理)、微裂縫等儲集空間內富集形成頁巖氣藏。
四川盆地及鄰區自震旦紀以來經歷了加里東等多期構造疊加改造,導致地層發生強烈褶皺形變、抬升剝蝕,保存條件復雜。下古生界海相頁巖地層時代老,歷史埋藏深度大,有機質熱演化程度高,處于高—過成熟階段。構造穩定和保存條件是南方海相頁巖氣聚集與富集的重要因素。四川盆地內構造穩定區大型復背(向)斜寬緩區斷層不發育,地層保存條件較好,有利于頁巖氣形成與富集[13-14,18];盆地周緣區斷層發育,保存條件不佳,頁巖氣聚集與富集條件變差。勘探證實,長寧地區為構造穩定區,五峰組—龍馬溪組頁巖氣層普遍超壓,壓力系數介于1.3~2.0,頁巖氣井單井產量高。相鄰的昭通區塊構造改造強、保存條件差,低產井或失利井較多[13-15]。
五峰組—龍馬溪組發育“構造型”和“連續型”兩種頁巖氣富集模式(圖3)[7-8]。“連續型”富集為蜀南地區五峰組—龍馬溪組頁巖氣主要的富集模式,屬盆地內大型凹陷斜坡或構造斜坡區,含氣頁巖大面積、穩定、連續分布。“構造型”富集是川東構造頁巖氣田主要的富集模式,構造內部穩定、裂縫發育、含氣豐度高;不同構造背景下,頁理縫、構造縫、節理縫等天然裂縫性儲集空間,在構造褶皺區構成網狀裂縫體系,不僅為頁巖氣富集提供了充足的空間,而且在儲層改造過程中還能降低起裂壓力,易于形成縫網,增大改造總體積[19-21]。
四川盆地五峰組—龍馬溪組黑色頁巖沉積后,經歷了加里東晚期的華夏板塊碰撞擠壓造山構造運動、燕山期以來的江南—雪峰持續陸內造山運動、喜馬拉雅期印度板狀向北沖擠運動的三重作用,無論是頁巖地層還是頁巖氣藏在盆地邊部都遭受了強烈改造,即使沒有經歷大規模改造,但只要地層有了傾斜作用,其頁巖氣富集與賦存條件就成為關乎頁巖氣能否富集成藏的關鍵因素。這主要體現在斷層、目的層距離剝蝕區遠近、埋深和頂底板條件等4個方面。斷層越少、規模越小、距離斷層越遠,氣藏保存越好。目的層距離剝蝕區越遠,氣藏保存條件越好;埋深越大,(原則上)氣藏含氣性越好,含氣飽和度越大;頂底板越致密,氣藏封閉條件越好。
學校計算機實驗教學中心的功能主要承擔全校計算機公共課實踐教學、部分院(系)專業課的計算機應用軟件課程教學、學校各類無紙化考試與培訓、學生課下業余自主學習、師生網絡文獻查詢等應用需求。因此,學校計算機實驗教學中心建設要一切從學校辦學實際和特色發展出發,由學校統一規劃、合理布局。根據學校在校生人數、各分校區人數、學科專業特點,以學生為本位,建設一個“規模化,功能化、網絡化、高效化、安全化、規范化、節約化”的計算機實驗教學中心,有利于地方高校提高教學質量,全面培養學生計算機實踐能力。

圖2 上揚子地區龍馬溪組一段巖相古地理圖

圖3 四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣富集模式圖[7]
五峰組—龍馬溪組一段高TOC值頁巖頁理(紋理)與微裂縫發育。其中裂縫可分為順層縫和非順層縫,順層縫多為層面滑移縫、頁理縫和雁列縫。非順層縫主要為剪切縫和拉張縫。縱向上,龍馬溪組底部微裂縫密度最高,往上逐漸降低。龍馬溪組微裂縫密度與TOC、硅質含量呈正相關關系,五峰組則與TOC、硅質含量相關性不明顯。較清晰紋層微裂縫密度為最高,清晰紋層次之,塊狀紋層和欠清晰紋層微裂縫密度最低。微裂縫密度受控于生物成因硅質和有機碳含量,其含量越高微裂縫密度越大。成巖收縮是形成頁理縫的主動力,區域構造拉張是垂直裂縫、滑移縫和雁列縫形成的主動力。“甜點段”內,生烴增壓和強成巖收縮是微裂縫大量發育的主要原因,區域性抬升是又一項重要補充[11-14,19-21]。
地層超壓是頁巖含氣性好、單井產量高的重要條件。超壓表明頁巖地層具有良好的保存條件,單井產量與壓力系數呈明顯的正相關關系(圖4),地層壓力(系數)越高,含氣性越好,產量越高。勘探實踐表明,五峰組—龍馬溪組海相頁巖氣產層壓力系數與埋深呈正比關系,埋深越大,壓力系數越高,單井初始產量越高[6-9]。四川盆地五峰組—龍馬溪組海相頁巖氣產層中部埋深介于2 000~3 800 m,壓力系數介于1.2~2.0。當地層壓力系數超過1.5時,含氣量大于4.0 m3/t,單井初始產量大于10×104m3/d;地層壓力系數為1.0時,含氣量介于2.0~3.0 m3/t,單井初始產量小于5×104m3/d。

圖4 四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣產層中部埋深與壓力系數的關系圖
目前,制約四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣發展的瓶頸和挑戰主要包括以下6個方面。
頁巖是指粒徑小于62.5 μm的顆粒含量大于50% 的細粒沉積物或沉積巖[22-23],其分布約占地殼表面沉積巖的2/3。目前,細粒沉積學在細粒沉積組成和分類,剝蝕、搬運和沉積機理,搬運營力,顆粒組成特征,紋層特征與成因機理方面取得了一系列重要進展[24],并初步建立了水體分層、海侵、門檻、洋流上涌等沉積模式[22]。對于四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖,目前的研究局限于細粒沉積元素地球化學特征、巖石相類型和沉積相等[7-8,17,22]。因此,深入開展五峰組—龍馬溪組黑色頁巖形成地球化學背景、顆粒組成、粒徑判別、物質來源、沉積水動力和沉積過程、沉積微相識別和細分、微古地貌、有機質富集主控因素等分析,明確富有機質頁巖沉積相和沉積模式,為預測富有機質頁巖分布及有利沉積相帶提供基礎依據,已成為必然趨勢[23]。
頁巖成巖過程影響儲層生烴、儲集性能和保存性質,而評價體系決定頁巖氣資源量計算和有利區帶目標選擇的可靠性。目前,國際上對頁巖成巖作用類型、成巖條件等有了初步認識[25],尤其是頁巖儲層實驗技術和方法、孔隙類型和孔隙結構研究成果豐碩。近年來,五峰組—龍馬溪組頁巖儲層研究進展飛速,尤其是頁巖儲層特征[24,26-28]、孔隙類型和結構認識不斷深化[29-30],并建立了包含TOC、含氣性、物性、力學性質、地層壓力和有效厚度等6項參數的評價方法[2,22]。但對于成巖作用類型、成巖階段劃分研究,目前仍處于嘗試階段,并且不同地區儲層特征差異明顯,因而需要針對每個區塊具體地質情況,優選關鍵評價指標,在實驗觀察的基礎上,緊密結合頁巖氣開發實踐,開展不同地區儲層特征對比和規律總結,從而更好地指導頁巖氣開發。
近年來,針對涪陵焦石壩、長寧—威遠和昭通等五峰組—龍馬溪組頁巖氣田,勘探家們[6-9]先后提出了“階段運移、背斜匯聚、斷—滑控縫、箱狀成藏”模式[9,11-14,19-21]、復雜構造區海相頁巖氣“二元富集”規律[11-14]或“三元富集”模式等[5],并初步建立了高演化、超高壓海相頁巖氣成藏富集地質理論[7-9]。這些研究成果從宏觀上認識到了頁巖氣滯留富集過程中“優質頁巖”的物質基礎及“有利的保存、構造條件”的關鍵作用。然而,由于不同地區的形成環境存在著差異,因而目前對于頁巖有機質的物質來源及組成、不同類型有機質生烴潛力、頁巖氣賦存形式、封存機制及其與含氣性的關系等方面的認識還處于初步階段[16],從而影響了對頁巖氣資源及頁巖氣“甜點”的正確評價。
國外目前針對頁巖礦物組分、地球化學參數、物性參數、含氣性、可壓裂性等方面的評價,已經形成了較為系統的技術方法[31]。我國對四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖目前也形成了系統的礦物組分、地球化學參數、物性、含氣性、可壓裂性及裂縫預測等評價技術[32-33],使頁巖氣評價由定性進入到半定量階段。但因頁巖氣層地球物理響應差異小,因而在氣層識別,有效儲集層劃分、參數識別、展布預測等方面仍然存在著較大的挑戰[23]。
截至2017年底,四川盆地的頁巖氣年產量已經超過90×108m3,這些產量主要來自于厚度不足于5 m的“甜點段”。四川盆地五峰組—龍馬溪組“甜點段”之外TOC>2%的層段在蜀南地區厚度超過30 m、在涪陵地區厚度超過70 m,其資源量目前基本沒有動用。另外,資源評價還存在著以下4個方面的風險:①有利區落實程度低、評價精度不高;②經濟資源埋藏深度不明確,目前僅實現了2 000~3 500 m深度范圍資源工業產量的突破,更淺、更深資源的經濟性尚不清楚;③四川盆地以外的構造改造區頁巖氣資源前景不明確;④中國南方大面積低壓、常壓區的頁巖氣資源經濟性尚不確定[8-9]。
北美頁巖氣開采以中淺層為主,我國通過引進、吸收、消化、再創新初步形成了3 500 m以淺的中淺層頁巖氣技術系列。但四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣資源主體埋深超過3 500 m[8-9]。針對3 500 m以深頁巖儲層的評價方法、儲層精細識別與預測、資源量計算及選區評價、水平井鉆完井、分段壓裂改造、經濟有效開發等,目前都還處于探索初期[11-14]。
四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣資源豐富、地質條件優越。綜合評價結果表明[7-9,34]:四川盆地五峰組—龍馬溪組海相頁巖氣有利區位于蜀南和川東(圖5),包括涪陵、長寧—威遠、富順—永川、昭通等頁巖氣產區。有利區富有機質頁巖有效厚度介于30~100 m, TOC介于3.0%~5.0%,含氣量平均為4~8 m3/t,埋深介于2 000~4 000 m。有利區具有明顯的經濟與工程優勢,地表相對平坦,水資源豐富,地面設施和油氣管網有基礎,具備大規模頁巖氣勘探開發的基本條件,是中國頁巖氣規模開發最有利區與商業性頁巖氣開發主產區[11-14,34]。四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖埋深小于4 500 m有利區面積約為3.5×104~4.0×104km2,頁巖氣可采資源量為4.5×1012m3,為2020—2030年實現更快更大發展奠定了基礎,成為今后相當長一段時間內中國頁巖氣勘探開發的重點層系。
1)把握和利用好國家優惠政策的窗口期,加快四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探開發,把頁巖氣打造成為新的經濟增長點。國家頁巖氣補貼政策2018年以前每立方米補助0.3元,2019年以后每方立方米補助0.2元。因此,未來3年是利用國家政策的窗口期,進一步降本增效,將會具有較好的經濟效益。
2)抓好頁巖氣工程技術、降低成本的重大理論和技術攻關,進一步推動頁巖氣資源規模有效開發。四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣埋深3 500 m以淺資源已經建成年產超過100×108m3產能規模,加上埋深3 500~4 000 m資源還可建成更大的產能規模。通過總結前期開發建設成果,在持續優化頁巖氣開發配套工程技術的同時,加強優質資源和經濟可采儲量評價,深化開采規律認識,搞好降低成本革命,優化開采模式,進一步提高頁巖氣開采效果和效益。
3)創新管理體制,進一步發揮整體優勢。頁巖氣開發難度大、管理技術要求高,需要更充分發揮整體優勢。目前四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣開發采取了國際合作、國內合作、風險作業和自營開發等多種組織形式,形成了“統一規劃部署、統一組織機構、統一技術政策、統一外部協調、統一生產調度、統一后勤支持”和“資源共享、技術共享、信息共享”的“六統一、三共享”管理模式。進一步創新管理體制,強化協調組織,實現物資、裝備、技術、管理經驗等的資源共享。

圖5 四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣甜點區分布圖[34]
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