為頁巖油氣把脈問診開藥方
——記頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室

石勘院支撐團隊與涪陵頁巖氣分公司技術中心員工合影。胡小虎 攝

隨著我國國民經濟的迅猛發展，油氣對外依存度日益攀升，發現和獲得更多的油氣資源已成為國家重大戰略需求。2015年11月，頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室在北京成立，由中國石化石油勘探開發研究院和石油工程技術研究院共同建設。

實驗室緊盯頁巖油氣勘探開發關鍵技術，開展頁巖油氣富集、流動和頁巖縫網形成機理為核心的基礎理論研究，和以一體化勘探開發工程技術為主要內容的創新性研究。在中國南方海相頁巖氣實現規模經濟開發，深層海相頁巖氣、構造復雜區常壓海相頁巖氣和海陸過渡相—陸相頁巖氣開發，低油價下陸相頁巖油勘探開發等方面取得了豐碩的研究成果，獲國家科技進步一等獎2項、技術發明二等獎3項。

建在井場的“前線實驗室”

頁巖油是藏在泥頁巖孔隙和微裂縫里的石油資源，難以動用，長期未受關注。2010年前后，美國經過30余年漫長探索，海相頁巖油領域取得突破，帶來全球能源革命。

美國頁巖油氣的成功勘探開發引發了全球范圍的油氣科技革命。實驗室主任、中國科學院院士金之鈞說：“頁巖油氣勘探開發，從常規尋找圈閉，向非常規尋找大面積連續性頁巖儲集層轉變，顛覆了傳統圈閉油氣成藏理論?！?/p>

我國陸相頁巖油雖然資源潛力巨大，但卻不像美國海相頁巖油“天生麗質”，洋理論難以應用。因為陸相頁巖油主要由湖泊沉積，沉積物橫向變化很大，更加黏稠不易流動，頁巖質地也較為松軟，難以壓裂。實驗室副主任、集團公司高級專家黎茂穩說：“以上特征給研究人員帶來三個問題：一是哪兒油多，二是哪兒的油更容易流動，三是哪兒的地層更容易壓裂開。”

最重要的實驗分析對象是巖芯，但頁巖油巖芯如何采樣、保存、分析以前沒有一套成熟的標準，一切都得從頭研究。由于頁巖油巖芯里的輕烴物質和氣體極其容易散失，團隊把實驗室搬到了井場邊，建立一整套采樣規范，自主研發實驗儀器，把“熱騰騰”的巖芯變成新鮮的可靠數據。

團隊自主研發的冷凍密閉熱解裝置能夠在巖芯剛鉆出時就用零下200多攝氏度的液氮進行冷凍保存，即使在巖芯粉碎處理時產生高溫也能有效保存孔隙里的輕烴氣體。自主研發的磁流體巖石體積測定儀，實現測定過程的自動化，體積由原來五六個人才能抬得動的大家伙變成了“手提箱”，在國內多個探區得到生產應用。由于需要在鉆出第一時間取芯，駐扎井場、凌晨取芯成了團隊成員的家常便飯。

團隊還加強頁巖油賦存、流動與富集機理研究，形成了頁巖油資源分類定量評價方法系列和甜點地質地球物理預測軟件平臺，建立了選區評價指標體系，明確下一步頁巖油勘探重點和技術路線圖?！瓣懴囗搸r油賦存機理與資源分類評價方法”獲得2019年度中國石化基礎前瞻性研究成果一等獎。

打開頁巖氣高效開發“密碼鎖”

2012年11月，隨著焦頁1HF井氣流噴涌，我國頁巖氣勘探開發進程快馬加鞭。但此時，頁巖氣藏精細描述與開發技術研究在國內幾乎空白，必須蹚出一條新路。

以前，國內外測井解釋中只是計算總孔隙度，方法簡單但結果不夠精確。團隊經過反復實驗攻關，創新性提出頁巖氣儲層發育有機質孔隙、脆性礦物孔隙、黏土礦物孔隙和微裂縫之“四孔隙地質模型”，以此為理論基礎研發了測井“四孔隙組分”解釋模型，采取不同模型較準確解釋游離氣、吸附氣含量。同時，研發出一系列地震資料特殊處理和解釋技術，能夠開展“地質—工程雙甜點”評價，分尺度開展斷裂和裂縫解釋，特別是開展水平裂縫預測。在頁巖氣藏精細描述的基礎上，建立了一套地質建模技術，對頁巖氣藏像做CT一樣進行精細描述和三維表征。

頁巖氣開發中一個很重要的問題是如何準確預測氣井的產能和預測氣井產量變化趨勢，這是論證頁巖氣藏開發方案的基礎，也是頁巖氣田科學、效益開發的關鍵。實驗室組織開展了頁巖氣開發氣藏流動機理研究，最終建立了一套反映頁巖氣多段壓裂水平井復雜滲流特征的不穩定試井分析、產能評價與預測、生產動態分析、開發技術政策、數值模擬等技術方法，自主研發了一款以頁巖氣等非常規油氣藏開發模擬為主要特色兼顧常規油氣藏的數值模擬軟件（COMPASS），并應用于現場，為涪陵、威榮、永川等頁巖氣田開發方案編制、產能建設和生產管理提供有力技術支撐。

儀器設備是實驗的基礎。實驗室先后自主研發實驗設備8套，同時引進開發納米CT、聚焦離子束等高精尖設備，集成建立了一套高精度頁巖氣地質—開發—工程實驗技術。其中，頁巖儲層微納米級礦物組分、孔隙結構及物性分析儀器設備是觀測“神器”，能夠清晰檢測顯示常規顯微鏡等無法看到的極細顆粒是何礦物、小到幾納米的孔隙分布及連通特征；頁巖現場含氣量測定儀擁有批量處理、自動化高的特點，有效避免巖芯擱置太久導致的氣體散失。全直徑頁巖氣吸附解吸及衰竭開發物理模擬裝置能夠在70兆帕、150攝氏度的高溫高壓下，對巖芯樣品保持原始結構并模擬真實地層溫度壓力下頁巖氣體流動過程。

石勘院團隊在涪陵頁巖氣田現場開展頁巖氣巖芯觀察描述，支撐涪陵二期頁巖氣產建工程。馮動軍 攝

人工“高速通道”疏通“地下路網”

與常規的天然氣資源相比，我國南方海相頁巖氣層埋藏更深、層位更老、改造更強，地表也更復雜，開發技術屬于世界級難題。近年來，實驗室通過不懈努力，研發形成了具有自主知識產權、全技術鏈的水平井鉆完井及分段壓裂技術。

“從微觀上看，頁巖氣藏相當于一個黑暗的密室，有很多死胡同，且通道狹窄，封鎖在其中的氣體很難找到出路?！毖芯咳藛T這樣告訴記者，“水力壓裂無疑是最直接有效的開采方式，通過創造人工‘高速通道’，形成地下錯綜有序的‘路網’，為頁巖氣生產流動提供長期穩定的高速通道。”

面對頁巖氣地質條件的巨大變化，實驗室以形成多尺度復雜縫網為核心，以最大化提高有效改造體積為目標，采取物模+數模、室內+現場的總體思路，開展了大幅提升頁巖多尺度水力裂縫有效改造體積技術的攻關研究，在頁巖甜點識別與定量描述、多簇裂縫均衡控制、“井工廠”參數優化、單井多尺度裂縫優化、低成本壓裂材料、壓裂實時快速評估等方面創新研究與應用，全面支撐了中國石化頁巖氣高效開發。2016年以來，相關研究成果在涪陵區塊指導壓裂設計及施工179口井3744段，工藝成功率高達100%，累計新增天然氣37.63億立方米，降本增效成效顯著；在威榮、永川、丁山—東溪、南川等深層及復雜構造區塊開展了多口井現場應用，工藝成功率達100%。

尤其在近兩年，實驗室形成了以“多簇密切割限流射孔+多級暫堵+高強加砂”為主體的新一代頁巖氣高效壓裂技術，在深層、常壓、中深層及加密調整井壓裂工程方面取得了多項先進指標，創造了頁巖氣水平井壓裂一系列高新指標，實現了垂深超4200米深層頁巖氣井壓后測試日產31萬立方米的產量紀錄。