中國在盆地外頁巖氣、煤層氣勘探開發的探索與創新實踐

郭彤樓 中國石化華東石油局

中國在盆地外頁巖氣、煤層氣勘探開發的探索與創新實踐

郭彤樓 中國石化華東石油局

在西藏考察雅魯藏布江縫合帶蛇綠巖

中國南方古生界油氣勘探經歷了漫長的歷程，國家層面組織了多輪科技攻關，但在四川盆地之外的古生代地層，一直沒有取得突破，實現盆地外油氣勘探的突破，是幾代中國石油地質人的夢想。無論是北美地區，還是我國頁巖氣、煤層氣勘探開發取得成功的區塊，主要位于構造穩定的盆地內。而我國南方地區，經歷多期次構造運動改造，勘探目的層系支離破碎，連續分布面積小，保存條件差，但蘊藏資源量較大。2009年以來，中國石化華東石油局轉變思路，從盆地外常規天然氣勘探轉向尋找常壓頁巖氣、煤層氣，在重慶彭水、武隆地區取得常壓頁巖氣勘探突破，在貴州織金地區實現煤層氣勘探開發突破。

一、從基礎做起，建立非常規天然氣實驗室

2009年,中國石化華東石油局開始致力于非常規油氣實驗分析，建立非常規油氣資源實驗中心，重點建設和發展頁巖氣、煤層氣特色實驗室技術，引進一批針對非常規油氣勘探開發需要的科研儀器設備，專門培訓高素質專業人才隊伍。經過幾年的努力，形成了四大非常規實驗技術系列（巖心處理技術系列、頁巖氣地質評價實驗技術系列、頁巖氣開發實驗技術系列、煤層氣實驗技術系列）和六項核心技術（頁巖巖心前處理技術、頁巖微觀孔隙結構表征技術、頁巖GRI物性評價技術、頁巖含氣性評價技術、頁巖氣開發實驗技術、長巖心CO2驅油物理模擬實驗技術）。

頁巖氣、煤層氣實驗項目2012年通過CNAS認可，先后同國際、國內30多家企業、高校合作，業務遍及四川盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地、黔南、渝東南、湘鄂西、下揚子區等眾多地域，引領國內非常規天然氣實驗室技術發展，支撐國內非常規天然氣勘探開發。

1.煤層氣實驗室測試特色技術系列

結合區域地質特點，通過引進消化吸收再創新，因地制宜地建立了含氣性分析、煤質分析、煤巖分析、巖石力學、水質分析等5大類、26項指標的煤層氣實驗技術系列。

2.探索頁巖氣實驗室測試特色技術系列

自主設計、創建國內領先的巖心前處理技術以及巖石礦物、有機地化、儲層物性、巖石力學、微觀孔隙結構、含氣性、儲層敏感性等8大類、54項指標的頁巖氣實驗技術系列。

頁巖微觀孔隙結構表征技術：包括氬離子拋光—掃描電鏡測試技術，優化參數形成兩種氬離子拋光技術，利用圖像分析系統定量化表征孔隙結構參數，開展有機孔隙結構研究；原子力顯微鏡（AFM）測試技術，揭示有機孔隙內部結構及孔隙連通性，為深入研究有機質孔隙提供新的手段；比表面—孔徑分布測試技術，開展低溫氣體吸附測試，研究孔隙類型、比表面積、孔容及孔徑分布，對于有效孔徑分布、辨識更精準。

頁巖氣鉆探與壓裂試氣現場

頁巖GRI物性評價技術：包括氦氣法總孔隙度、脈沖滲透率、基質滲透率、流體飽和度。2011年國內首家引進并建立GRI法頁巖物性分析技術。在改進測試環境條件下，不但大大提高工效，與Core Lab、Weatherford對標滲透率、孔隙度，測試結果一致。

含氣性評價技術 ：包括現場含氣量測試技術，自主研發無壓阻微壓損型“頁巖解吸氣連續組分自動測試儀”，獲得5項專利；等溫吸附測試技術，縮短試驗周期，降低誤差，測試結果可信。

二、常壓頁巖氣取得突破，正在建設常壓頁巖氣開發試驗區

在學習北美頁巖氣勘探開發經驗的基礎上，尤其注重開展南方盆外地區與北美地區地質條件的差異性研究。通過地層、構造、沉積相和含油氣性的研究，從層系上確定志留系龍馬溪組為首要勘探目的層，其質量、分布、埋深作為選區的首要條件；在此基礎上，再根據南方復雜構造的特點，把構造穩定、保存條件，作為勘探靶區的關鍵因素；根據上述條件，開展系列地質編圖和綜合研究，借鑒北美地區頁巖氣選區評價標準，建立了適合南方盆地外復雜地質條件的選區評價體系，確定彭水、武隆地區為主要勘探區塊。

彭水是2010年國土部授予中石化的一個頁巖氣專屬區塊。彭水、武隆地區位于四川盆地外的隔槽式褶皺區，包括桑柘坪、武隆、道真、灣地、大石壩等向斜。優選彭水地區桑柘坪向斜作為首要勘探目標，實施鉆探彭頁1井。彭頁1井直井在志留系龍馬溪組地層中鉆遇到優質頁巖氣，遂實施彭頁HF-1井水平井鉆探，于2012年3月3日完鉆，完鉆斜深3446m，垂深2525.65m，水平段長1020m，分12段壓裂，2012年7月獲得日產2.5萬方的工業氣流，是中國石化第一口海相頁巖氣發現井，也是中國在盆地之外第一口頁巖氣突破井，實現了南方海相頁巖氣的戰略突破。“彭水地區海相頁巖氣找礦實現戰略性突破”獲中國地質學會2012年度十大地質科技進展。

2016年承擔國家科技重大專項“彭水地區常壓頁巖氣勘探開發示范工程”，目標是通過對常壓頁巖氣的理論創新和技術攻關，以彭水地區五峰—龍馬溪組為主要研究層系，開展頁巖氣藏富集主控因素研究，形成常壓頁巖氣綜合評價技術體系，指出勘探開發的靶區；以實現常壓頁巖氣效益開發為目標，開展滲流機理、產能評價及數值模擬研究，形成常壓頁巖氣藏技術經濟開發政策；通過工程工藝技術創新與集成，形成常壓頁巖氣高效鉆完井、壓裂、采氣及集輸工藝配套技術；控制頁巖氣1000億方以上的儲量規模，建成2億方產能規模的常壓頁巖氣開發試驗區；建立鉆后治理、環境保護和水土資源綜合利用的常壓頁巖氣勘探開發示范工程，形成常壓頁巖氣勘探開發的“彭水模式”。

三、南方復雜構造區煤層氣勘探開發取得突破

2009年以來，中石化華東石油局對盆外織金—郎岱—安順區塊展開煤層氣資源選區評價研究，中國南方滇東—黔西及川南—黔北地區煤層分布廣、層數多、累計厚度大，并且煤層含氣量高、煤層氣資源大。研究發現貴州織金地區發育“龍潭型”煤層且煤層含氣性高，遂確定織金地區為重點攻關區，并投入勘探實物工作量。通過不斷自主研發和引進，探索盆外煤層氣勘探的一系列評價方法和適用技術，煤層氣地球物理勘探、鉆探、完井、壓裂技術以及實驗室測試特色技術得到很大的提高，并取得煤層氣勘探開發的突破。

1.不斷完善盆外復雜構造區煤層氣選區選層評價標準

盆外地區煤層氣勘探中注重構造變形特點及其控制的煤體結構因素，以寬緩次級向斜構造為目標，結合單煤層厚度、高含氣量等參數，以煤組為單位，尋找低含水、弱變形、多可采煤層、高地層壓力、高解吸壓力的突破目標。中國南方煤層氣地層具有高變質、高含氣的優勢，同時還有構造復雜、構造煤發育，煤層薄，橫向變化大的不利因素。在次級向斜的翼部，構造相對穩定，地層連續性好，展布平緩，傾角一般＜20°，是煤層氣勘探的有利區。相反，對于緊閉型的向斜或次向斜，地層強烈擠壓變形，傾角≥45°，不利于煤層氣的富集。織金地區構造變形較弱，發育穩定、寬緩含煤向斜，煤體結構保存較好，以碎裂煤為主，煤層多，厚度大，含氣量高,列為首個攻關區。

2.率先發現織金區塊，實現盆外復雜構造區煤層氣勘探重大突破

織金地區巖腳向斜可進一步分為珠藏、三塘、比德、水公河、阿弓等5個次級向斜構造，龍潭組潮坪—三角洲發育，縱向上含3個煤組，具有煤層多（12～30層）、分布穩定、累厚大（大于10m）的特點，是煤層氣勘探的有利目標區。

2009年，華東石油局在織金區塊鉆探織1、2、3煤層氣參數井，織2井最大產氣量2803m3/d，織3井產氣量突破1173m3/d，揭示織金區塊有利的煤層氣地質條件和良好的勘探潛力。為了擴大煤層氣勘探成果，2011年甩開勘探，實施織4、5、6、7探井，其中織4、5井產量分別達到2400m3/d和2830m3/d，進一步拓展織金煤層氣勘探有利區。

3.探索南方地表、地下雙復雜地區地震成像技術

中國南方碳酸鹽巖大面積覆蓋的復雜山地領域，地震地質條件十分復雜，經過幾十年的不斷攻關，依然未取得實質性突破，這也是制約盆地外油氣勘探的主要瓶頸。為獲取滿足淺層龍潭組煤層氣勘探需要的高分辨率、高信噪比和高精度地震資料，華東石油局堅持開展精細的采集-處理攻關試驗，積極探索適合盆外淺層煤層氣勘探的地震采集-處理技術方法。

2010年，針對龍潭組煤層氣實施GZ2010NW561線，進行二次方法論證攻關試驗，開展系統的野外采集方法論證，同時還進行常規檢波器與第一代數字檢波接收效果對比試驗，確定合適的觀測系統和采集方法。資料處理中采用層析靜校正，加強速度分析和剩余靜校正迭代處理，試驗DMO（傾角時差校正）處理等參數，獲得二疊系龍潭組底界及其以上地層的連續有效反射，初步形成適合中國南方煤層氣勘探的地震采集-處理技術。隨后實施二維地震257km/9條。

2013年，在上一輪攻關的基礎上，施工采用數字檢波器、單點小道距、高覆蓋、高密度、高分辨采集等關鍵方法，在織金區塊加密二維地震測線77km/3條。資料處理中加強靜校正、速度分析、加權道組合等方法測試和研究。地震資料信噪比、連續性和保真度較高；淺、中、深層反射波組齊全；資料處理與地質解釋緊密結合，龍潭組煤層連續性、展布特征和斷層發育情況更準確，能夠更好滿足煤層氣勘探需要。

同時，利用煤層氣國家重大專項，在龍潭組埋藏淺的織金地區開展三維地震試驗。結果表明，三維地震資料的成像效果遠遠好于二維地震資料，并且精細落實煤層構造形態以后，三維地震資料還有利于煤層含氣性的預測。

4.完善優質高產煤層氣測井選層技術，支撐勘探開發

利用測井資料，建立優質高產煤層氣判識標準，準確預測煤層氣富集高產段。

織金區塊內煤層測井響應的三孔隙曲線特征最為明顯，高聲波時差、低密度、高中子特征與氣測及巖屑錄井等參數對應性最強。煤體結構較為完整、含氣量較高的碎裂煤煤層測井響應以電阻R≥50Ω·m，聲波時差Δt≥400μs/m為標準。據此，對織5井等進行選層，高電阻、高聲波測井響應煤層產氣最高達2830m3/d。

中國的非常規天然氣勘探開發，經過近10年的實踐，在理論、技術和產量、儲量等方面，都取得了長足進步。但總體還存在規模小、技術適應性不夠等難題，有待進一步攻關，特別是在盆地外，面對復雜的地下、地面條件，還存在諸多挑戰。而這些地區，資源潛力大，在中國更具代表性，我們作了一些積極的探索，取得了局部突破，但還需立足長期、系統地科技創新，才能真正實現頁巖氣、煤層氣在我國的大發展。

郭彤樓，現任中國石化華東石油局黨委書記、副局長，教授級高工，是國務院政府特殊津貼專家，李四光地質科學獎獲得者。30多年來一直從事中國南方復雜構造區天然氣研究與勘探，先后負責、組織和參加了20余項國家級、部級“七五”至“十二五”科技攻關項目，組織了百余項重點科技攻關項目。如作為技術首席先后承擔“十一五”“十二五”國家重大專項“南方海相碳酸鹽巖大中型油氣田形成規律及勘探評價”、國土資源部“上揚子及滇黔桂區頁巖氣資源調查評價與選區”、中石化“川東北地區大型氣田勘探目標及關鍵技術研究”等。具有較高的學術技術水平和豐富的實踐經驗，在復雜構造區油氣保存條件、構造演化與油氣成藏研究等方面取得多項研究成果，獲得一系列的重要發現。獲國家科技進步獎一等獎2項，省部級科技進步獎特等獎1項、一等獎4項、二等獎4項。出版專著5部，發表學術論文50余篇。組織或參與組織了普光、元壩、涪陵、河壩、興隆場等重大發現的勘探部署，2003～2014年連續12年中石化集團公司油氣勘探重大發現獎的主要貢獻者、組織者之一，是中國最大的海相碳酸鹽巖整裝大氣田—普光氣田的主要發現者之一，是中國第一個大型頁巖氣田—涪陵頁巖氣田、中國最深最大生物礁大氣田—元壩氣田的主要組織者和發現者之一；10年間發現大中型氣田6個，探明天然氣地質儲量10482億立方米。