頁巖油氣革命與頁巖油氣、致密油氣基礎(chǔ)地質(zhì)理論問題

賈承造，姜林，趙文

1 中國石油天然氣集團(tuán)有限公司，北京 100007

2 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

0 引言

21 世紀(jì)初，美國開始結(jié)合水平井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)從頁巖儲層中獲取油氣，這使得美國本土的石油天然氣產(chǎn)量快速增加[1]。由于頁巖革命的成功，2019年，美國打破了75年來對進(jìn)口石油的依賴，再次成為石油凈出口國[2]。

我國頁巖油氣資源豐富。頁巖油資源量283 億t，在鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾、松遼等盆地皆獲得了重大突破。近年來頁巖油新增探明儲量13.4 億t，2021年頁巖油產(chǎn)量240 萬t，剩余資源量270 億t。頁巖氣資源量105.7 萬億m3，已在四川盆地獲得重大突破，建成長寧-威遠(yuǎn)、涪陵、昭通3 個(gè)國家級示范區(qū)，累計(jì)探明儲量2.74 萬億m3，2021年頁巖氣產(chǎn)量230 億m3，剩余資源量103 萬億m3[3]。

近些年來，我國石油工業(yè)堅(jiān)定不移推動“油氣增儲上產(chǎn)七年行動計(jì)劃”，油氣增儲上產(chǎn)取得階段成效。2022年我國原油產(chǎn)量2.05 億t，時(shí)隔6年原油產(chǎn)量重回2 億t，天然氣產(chǎn)量2201.1 億m3。但與此同時(shí)，2022年我國進(jìn)口天然氣1512 億m3，天然氣對外依存度為40.7%，進(jìn)口原油5.08 億t，原油對外依存度高達(dá)71.2%[4]。能源安全仍然面臨嚴(yán)峻的形勢與挑戰(zhàn)。我國頁巖油氣發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，是未來油氣增儲上產(chǎn)的重要接替資源。

本文將回顧美國頁巖革命的歷程，總結(jié)美國頁巖革命的優(yōu)勢，探討頁巖油氣、致密油氣的特點(diǎn)，分析我國頁巖油氣、致密油氣的發(fā)展現(xiàn)狀，提出我國頁巖油氣、致密油氣基礎(chǔ)地質(zhì)理論問題。

1 我國頁巖油氣革命正在進(jìn)行中

1.1 頁巖革命的定義

“頁巖革命”也叫“頁巖油氣革命”，頁巖油氣的概念來自于美國，包括廣義和狹義兩種定義。廣義的“頁巖革命”包括了頁巖油氣、致密油氣、煤層氣等非常規(guī)油氣(圖1)，狹義的頁巖油氣僅包括目前人們關(guān)注的頁巖油和頁巖氣。

圖1 頁巖油氣、致密油氣、煤層氣、常規(guī)油氣分布示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[5])Fig. 1 Distribution diagram of shale oil and gas, tight oil and gas, coalbed methane and conventional oil and gas (according to reference [5])

廣義的頁巖油氣的定義包括了非常規(guī)油氣的主體。非常規(guī)油氣的出現(xiàn)成為了全球石油工業(yè)的重大事件。非常規(guī)油氣與常規(guī)油氣在成藏機(jī)理、分布規(guī)律、儲層特征與流動機(jī)制、開發(fā)機(jī)理與技術(shù)等方面存在本質(zhì)上的區(qū)別。盡管二者都屬于同一個(gè)全油氣系統(tǒng)中干酪根生烴的碳?xì)浠衔铮谶^去石油工業(yè)發(fā)展的100 多年的時(shí)間里，人們?nèi)狈Ψ浅Ｒ?guī)資源的關(guān)注。

非常規(guī)油氣的成功開發(fā)對石油工業(yè)產(chǎn)生了巨大影響。一是油氣資源大幅增加，非常規(guī)油氣的資源量已經(jīng)超過了常規(guī)油氣的資源量。二是非常規(guī)油氣揭示了含油氣盆地石油地質(zhì)的新規(guī)律，這使得石油地質(zhì)科學(xué)出現(xiàn)了新領(lǐng)域。三是發(fā)展了非常規(guī)資源開發(fā)需要的技術(shù)，為石油工業(yè)的下一步發(fā)展指明了新方向。

1.2 美國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)頁巖油氣革命

頁巖油氣的出現(xiàn)讓世界石油工業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)向。美國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了頁巖油氣革命，中國正在進(jìn)行頁巖油氣革命，俄羅斯、沙特等國家未來在常規(guī)油氣大量開采后也會走向非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)。

頁巖油氣作為新的資源類型，人們對它從未知到已知，從部分了解到科學(xué)掌握的過程需要全新的理論和技術(shù)。同時(shí)，頁巖革命是一個(gè)過程，頁巖革命成功的標(biāo)志是油氣產(chǎn)量的大幅增加。

美國成功地實(shí)現(xiàn)了頁巖革命。美國在很長時(shí)間內(nèi)是全球油氣產(chǎn)量最高的國家，其歷史最高為1970年，產(chǎn)油4.8 億t，產(chǎn)氣6200 億方。但隨著美國常規(guī)油氣勘探開發(fā)的進(jìn)行，其常規(guī)油氣資源逐漸枯竭。2008年，美國油氣產(chǎn)量降至歷史最低，石油產(chǎn)量降至2.48 億t，天然氣產(chǎn)量降至4840 億方，降至世界第三產(chǎn)油國、第二產(chǎn)氣國。

2008年美國開啟了頁巖油氣革命的進(jìn)程。2015年美國天然氣產(chǎn)量7403 億方，重回全球第一，2021年產(chǎn)量已達(dá)9342 億方。2017年美國原油產(chǎn)量達(dá)到7.1 億t，當(dāng)年俄羅斯原油產(chǎn)量為5.36 億t，沙特原油產(chǎn)量為5.15 億t，美國原油產(chǎn)量重回世界第一。頁巖革命在美國實(shí)實(shí)在在獲得了成功。美國油氣產(chǎn)量大幅增加，原油產(chǎn)量增長了2 倍，天然氣產(chǎn)量增長了1 倍(圖2)。

圖2 美國歷年石油天然氣產(chǎn)量Fig. 2 Oil and gas production in the United States over the years

美國頁巖油氣發(fā)展歷程可分為3 個(gè)階段：

(1)1990年以前，北美地區(qū)針對致密油氣開展了不同程度的探索，但這種探索未引起重視[6]。

(2)1990—2008年，人們開始有計(jì)劃地積極開展頁巖油氣開發(fā)試驗(yàn)。典型事件是1997年美國頁巖氣之父喬治·費(fèi)迪亞斯·米切爾(George Phydias Mitchell)的水力壓裂技術(shù)成型，此時(shí)頁巖油氣開發(fā)技術(shù)已基本形成[7]。

(3)2008年至今，頁巖油氣開發(fā)技術(shù)日趨成熟，資本開始大量進(jìn)入，大規(guī)模的工業(yè)化頁巖油氣勘探開發(fā)拉開序幕[8]。

由于美國頁巖革命的成功，美國原油產(chǎn)量從2.48 億t增長到7.11 億t，增長了4 億t；天然氣產(chǎn)量從4840 億方增長到9342 億方，增長了4500 億方。美國石油天然氣的增量主要來自頁巖油氣，其頁巖革命的成功具有自身的優(yōu)勢條件：

(1) 資源稟賦好

基礎(chǔ)石油地質(zhì)條件決定了常規(guī)油氣資源，同時(shí)也決定了頁巖油氣資源。美國一直以來都是石油地質(zhì)條件最好，常規(guī)油氣資源最豐富的國家之一。美國石油工業(yè)發(fā)展早，常規(guī)油氣資源開發(fā)較為充分。在其常規(guī)油氣資源逐漸枯竭后，轉(zhuǎn)向到非常規(guī)油氣資源的開發(fā)。美國同樣也是非常規(guī)油氣石油地質(zhì)條件好、資源量最大的國家，這支撐了美國頁巖油氣產(chǎn)量的快速增長。

(2) 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新能力強(qiáng)

美國鉆井和壓裂技術(shù)發(fā)展早，先發(fā)優(yōu)勢明顯。隨著美國石油工業(yè)的發(fā)展，貝克休斯等石油公司積累了大量鉆井經(jīng)驗(yàn)，這些寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)推動了美國水平井技術(shù)的突破[8]。壓裂技術(shù)也首先由美國哈里伯頓石油固井公司投入商業(yè)運(yùn)營。這些石油企業(yè)創(chuàng)新能力強(qiáng)，技術(shù)先進(jìn)，發(fā)展迅速。

(3) 投資能力巨大

近30年，美國政府先后投入了60 多億美元進(jìn)行非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)活動，包括撥款、貸款和擔(dān)保、培訓(xùn)資助、科研資助和勘探的直接投入。美國目前每口井的鉆井壓裂成本在600～800 萬美金。2009—2013年，美國每年新增鉆井1 萬口左右，每年鉆井壓裂投資高達(dá)600～800 億美元。美國的頁巖油氣勘探開發(fā)具有十分充足的財(cái)力支持。

(4) 工程施工能力強(qiáng)大

美國石油工業(yè)工程能力強(qiáng)大。從2008年至今每年完鉆、壓裂水平井超過1 萬口，且技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、效率高，表現(xiàn)出很高的勞動生產(chǎn)率。中國石油天然氣集團(tuán)公司2022年共完鉆2460 口水平井，工程能力具有明顯差距。

總而言之，美國頁巖革命的成功取決于多方面的因素。既有自身頁巖油氣資源儲量大，地質(zhì)環(huán)境好的因素；也有資本市場完善，反應(yīng)迅速靈活的原因；更有工程能力強(qiáng)，政策激勵等因素。

1.3 頁巖油氣、致密油氣的特點(diǎn)

頁巖油氣、致密油氣與常規(guī)油氣相比其成藏模式、開發(fā)方式均有所不同。具其自身的特點(diǎn)：

(1) 連續(xù)性大面積分布，油氣自封閉成藏

頁巖油氣與致密油氣相比于常規(guī)油氣更容易成藏，容易保存，成藏門檻低，資源量大。但頁巖油氣、致密油氣儲層更為致密，滲透率普遍小于1 mD，微-納米級孔喉系統(tǒng)十分發(fā)育，孔喉普遍小于1～2 μm，在滲流過程中難以形成達(dá)西流動。開發(fā)過程只能采用大規(guī)模水平井壓裂技術(shù)，形成“人工油氣藏”。

(2) 開發(fā)生產(chǎn)工程量巨大

常規(guī)油氣可以形成優(yōu)質(zhì)資源，開發(fā)過程中可以實(shí)現(xiàn)“少井高產(chǎn)”的場面。如克拉2 大氣田，探明地質(zhì)儲量2800 億方，開發(fā)過程中僅用12 口井便可達(dá)到年產(chǎn)120 億方天然氣的產(chǎn)能，平均單井日產(chǎn)300 萬方。四川盆地安岳氣田燈影組、龍王廟組等碳酸鹽巖常規(guī)氣藏，單井日產(chǎn)也能達(dá)到30 萬方以上。

頁巖油氣井、致密油氣井單井產(chǎn)量偏低，難以高產(chǎn)。大規(guī)模產(chǎn)能的形成需要依靠更多的生產(chǎn)井?dāng)?shù)和大規(guī)模工程量來實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)能與工程量基本成正比。如頁巖氣生產(chǎn)井壓裂后平均配產(chǎn)僅能達(dá)到(6～10)萬方氣/天，且產(chǎn)量遞減快，穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)需要加大鉆井工程量、大規(guī)模壓裂和重復(fù)壓裂。

(3) 油氣田生產(chǎn)具有“分布式”特點(diǎn)，可靈活應(yīng)對建產(chǎn)和減產(chǎn)時(shí)的調(diào)整

大型頁巖油氣、致密油氣田雖然有巨大的儲量和產(chǎn)量，但卻是由成百上千孤立的“人造油氣藏”構(gòu)成的，相互間幾乎隔離，并沒有統(tǒng)一的油氣水界面和壓力系統(tǒng)。因此，其建設(shè)與生產(chǎn)具有分布式特點(diǎn)。這使得頁巖油氣致密油氣在分批分期建產(chǎn)增產(chǎn)及建產(chǎn)關(guān)井時(shí)具有極大的便利性和靈活性。這種優(yōu)勢在建設(shè)提產(chǎn)速度和應(yīng)對低油價(jià)關(guān)井減產(chǎn)時(shí)，相對巨型深水常規(guī)油氣田尤其明顯。

(4) 采收率低

常規(guī)氣田，如克拉2 氣田預(yù)測現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件最終采收率采收率可達(dá)70%以上，但是鄂爾多斯盆地蘇里格致密氣藏預(yù)計(jì)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件最終采收率僅能達(dá)30%以上，而對于頁巖氣藏來說，如四川盆地長寧氣田預(yù)計(jì)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件采收率僅能達(dá)到20%。頁巖油采收率僅能達(dá)到10%～20%頁巖油氣成本高，投資回報(bào)率低(表1)。

表1 中國主要?dú)獠夭墒章?據(jù)參考文獻(xiàn)[11])Table 1 Recovery rate of major gas reservoirs in China(according to references [11])

(5) 人類對非常規(guī)油氣的認(rèn)知程度低

頁巖油氣對我國石油工作者們來說是一個(gè)全新的領(lǐng)域，目前的儲層地質(zhì)模型，流動模型均未能很好地描述頁巖油氣藏。頁巖油氣、致密油氣開發(fā)過程中的甜點(diǎn)控制因素不清，目前的地質(zhì)認(rèn)識和成功經(jīng)驗(yàn)主要是工程實(shí)踐的結(jié)果，遠(yuǎn)達(dá)不到對常規(guī)油氣的科技認(rèn)知程度，理論技術(shù)的創(chuàng)新難度大。

美國依靠先進(jìn)低成本技術(shù)和規(guī)模效益，基本實(shí)現(xiàn)了效益開發(fā)，但仍未能從根本上完全解決這些問題，針對頁巖油氣、致密油氣的勘探開發(fā)理論技術(shù)仍在不斷研究改進(jìn)中。盡管我國已取得很大成果，相比之下仍具有差距。

1.4 我國頁巖油氣發(fā)展現(xiàn)狀

中國油氣資源緊張，人口多，需求量大，地緣政治復(fù)雜，常規(guī)油氣開發(fā)已經(jīng)發(fā)展到較高勘探程度階段，非常規(guī)油氣資源意義重大，是未來油氣產(chǎn)量重要的增長點(diǎn)。本文討論的頁巖油氣概念包括了頁巖油氣、致密油氣、煤層氣5 類資源。

1.4.1 致密氣與頁巖氣

我國目前是世界第四大產(chǎn)氣國，年產(chǎn)天然氣2200 億方左右，是我國油氣產(chǎn)量歷史上排名最高的時(shí)期。我國非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)已經(jīng)了取得較好的進(jìn)展，近些年天然氣產(chǎn)量的增長主要依靠非常規(guī)天然氣資源。2021年我國年產(chǎn)天然氣2200 億方，其中非常規(guī)天然氣占比40%，包括致密氣537 億方，頁巖氣230 億方，煤層氣45 億方，共812 億方。長期規(guī)劃2030年全國產(chǎn)氣3000 億方，預(yù)測非常規(guī)氣達(dá)到1500 億，占比50%，其中包括頁巖氣600 億方、致密氣700 億方、煤層氣200 億方。

我國致密氣產(chǎn)量規(guī)模大，增長穩(wěn)定[9]，致密氣產(chǎn)量從2006年起快速上升(圖3)，2020年致密氣產(chǎn)量達(dá)470 億 m3。蘇里格致密氣田已成為全國最大的氣田。通過持續(xù)擴(kuò)大目前已有建產(chǎn)區(qū)域和提高采收率技術(shù)的推廣應(yīng)用，預(yù)計(jì)我國致密氣可在500 億方左右穩(wěn)產(chǎn)[10]。

圖3 至2035年中國非常規(guī)氣產(chǎn)量預(yù)測(據(jù)參考文獻(xiàn)[12])Fig. 3 Forecast of China’s unconventional gas production to 2035 (according to reference [12])

經(jīng)過10 余年的勘探開發(fā)攻關(guān)，中國南方海相上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣開發(fā)取得重大突破，2021年產(chǎn)量達(dá)到228 億方[11]。預(yù)計(jì)2035年可持續(xù)上產(chǎn)至550 億方，其產(chǎn)地主要分布在四川盆地瀘州、渝西等海相深層和鄂東海陸過渡相區(qū)塊[12]。我國頁巖氣勘探開發(fā)目前主要面臨著擴(kuò)大規(guī)模，加快產(chǎn)能建設(shè)的挑戰(zhàn)：

(1)如何尋找第二個(gè)大規(guī)模海相龍馬溪型頁巖氣區(qū)，從而達(dá)到持續(xù)上產(chǎn)的目的。

(2)尋找新的資源類型，開拓新的領(lǐng)域。包括陸相海陸過渡相頁巖氣、濕氣、凝析氣等。美國頁巖氣主要為濕氣，凝析油氣，輕質(zhì)油氣，而我國的頁巖氣藏則基本為干氣。塔里木盆地深層—超深層碳酸鹽巖存在凝析油氣資源，準(zhǔn)噶爾盆地深層可能存在濕氣、凝析油氣、輕質(zhì)油氣資源，有待進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)頁巖氣資源。

(3)如果我國實(shí)現(xiàn)天然氣年產(chǎn)3000 億方并穩(wěn)產(chǎn)，必須建設(shè)2 個(gè)千億方大氣區(qū)，要推進(jìn)建設(shè)四川和鄂爾多斯千億方大氣區(qū)。

總體而言，我國頁巖氣、致密氣的勘探開發(fā)技術(shù)與地質(zhì)理論水平，生產(chǎn)指標(biāo)包括采收率基本上與美國相當(dāng)，目前主要面臨規(guī)模不足的問題。

1.4.2 致密油

致密油是頁巖革命的重要組成。中國致密油起步晚、發(fā)展快，我國2022年致密油產(chǎn)量1400 萬t，主要包括鄂爾多斯盆地長6 段、長8 段和準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖致密礫巖油藏。我國石油工業(yè)界有關(guān)頁巖油/致密油的定義不統(tǒng)一，油氣田開發(fā)界將鄂爾多斯盆地長6 段、長8 段油藏定義為特低滲透油藏，但實(shí)際上長6 段、長8 段是典型的致密油藏。2008年起，長6 段、長8段開始開發(fā)，2014年原油產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到800 萬t，目前年產(chǎn)達(dá)到860 萬t。

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖礫巖致密油藏自2017年開始開發(fā)，2022年原油產(chǎn)量300 萬t，預(yù)計(jì)2025年原油產(chǎn)量可達(dá)500 萬t。準(zhǔn)噶爾盆地致密油資源量巨大，除百口泉組礫巖致密油外，還包括巖性復(fù)雜的風(fēng)城組儲層中的頁巖油以及火山巖、礫巖等致密油。三疊系至二疊系的烏爾禾組同樣具有很大潛力。

1.4.3 頁巖油

頁巖油在國內(nèi)受關(guān)注度最高，遠(yuǎn)高于致密油、致密氣和頁巖氣。這主要是因?yàn)橄啾忍烊粴赓Y源，我國石油資源更加緊張。我國2008年原油產(chǎn)量1.8 億t，2015年產(chǎn)量達(dá)到歷史最高2.15 億t，2016年產(chǎn)量下降至1.89 億t。2018年習(xí)總書記提出加大油氣勘探開發(fā)力度，國家能源局制定七年行動計(jì)劃，2022年產(chǎn)量達(dá)2.04 億t，重回2 億t。這個(gè)過程充分表明我國目前原油產(chǎn)量壓力大，資源緊張，增產(chǎn)難度大的現(xiàn)狀。

我國石油工業(yè)界對頁巖油的開發(fā)寄予了極大期望，開展了大量的勘探試采和地質(zhì)工程技術(shù)攻關(guān)。盡管2022年我國頁巖油產(chǎn)量近300 萬t，但外界仍感到我國頁巖油勘探開發(fā)發(fā)展緩慢，對我國頁巖油發(fā)展進(jìn)程存在一定誤解，這主要是因?yàn)椋?/p>

(1)頁巖油是一種全新的油氣資源，人們對其地質(zhì)特征、開發(fā)規(guī)律認(rèn)識薄弱，成功開發(fā)頁巖油對我國石油工業(yè)是一個(gè)革命性的挑戰(zhàn)。

(2)與常規(guī)油氣勘探開發(fā)相比，頁巖油開發(fā)需要大批全新的技術(shù)裝備。必須依靠旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向設(shè)備、水平井鉆井技術(shù)、壓裂技術(shù)等，需要通過持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)才能形成成熟技術(shù)。

(3)目前尚未掌握頁巖油開發(fā)規(guī)律。頁巖油的開發(fā)過程不僅初期要實(shí)現(xiàn)“出油”，更需要給后續(xù)的開發(fā)預(yù)留技術(shù)空間，必須持續(xù)攻關(guān)提高采收率技術(shù)，以達(dá)到高效開發(fā)的目的。

(4)由于頁巖油單井產(chǎn)量低、開發(fā)工程量巨大，成本高，而投資回報(bào)率低，需要持續(xù)優(yōu)化開發(fā)技術(shù)，降低成本。

縱觀石油工業(yè)的發(fā)展歷程，新型油氣資源的成功開發(fā)普遍要經(jīng)歷3 個(gè)階段：首先在第一階段要預(yù)探發(fā)現(xiàn)新資源；然后在第二階段開展技術(shù)攻關(guān)和試采，形成成熟的系列開發(fā)技術(shù)；最后在第三階段才能大規(guī)模投資，最終實(shí)現(xiàn)規(guī)模建產(chǎn)。

我國頁巖油勘探開發(fā)目前處在第二階段，仍在技術(shù)攻關(guān)和試采。頁巖油下一步大幅上產(chǎn)需要基本滿足7 個(gè)條件：

(1) 資源清楚。有充足的優(yōu)質(zhì)資源。

(2) 技術(shù)成熟。水平井鉆井與體積壓裂技術(shù)成熟。

(3) 成本可控。達(dá)到預(yù)期資本回報(bào)率。

(4) 給未來的提高采收率留下空間。頁巖油一次采收率非常低，需要持續(xù)發(fā)展提高采收率技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)。

(5) 符合環(huán)境要求。實(shí)現(xiàn)綠色開發(fā)。

(6) 充分的資本投資。

(7) 強(qiáng)大的工程施工能力。

我國頁巖革命正在進(jìn)行中，對比以上7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我們目前資源逐步清楚，技術(shù)接近成熟，但是成本仍然偏高，提高采收率技術(shù)尚在實(shí)驗(yàn)階段，仍存在相當(dāng)差距，需要持續(xù)攻關(guān)，完善地質(zhì)理論和工程技術(shù)。特別是投資不足，工程能力仍然薄弱的問題，制約了下一步的規(guī)模開發(fā)。

頁巖油開發(fā)已經(jīng)在鄂爾多斯長7 段、松遼盆地青一段，渤海灣盆地勝利油田和準(zhǔn)噶爾盆地二疊系取得重大進(jìn)展，隨著三大石油公司的強(qiáng)力推進(jìn)和國家的大力支持，我國必將在陸相頁巖油開發(fā)中取得成功，陸相頁巖油將成為我國今后石油長期穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的主力資源。

我們預(yù)測，我國2030年如果保持原油2 億t穩(wěn)產(chǎn)，需要頁巖油產(chǎn)量達(dá)到1700 萬t，致密油產(chǎn)量達(dá)到1300 萬t，如果進(jìn)一步增產(chǎn)到2.2 億t，則需要頁巖油產(chǎn)量達(dá)到3000 萬t，致密油產(chǎn)量達(dá)到2000 萬t。

2 頁巖油氣、致密油氣基礎(chǔ)地質(zhì)理論問題

2.1 全油氣系統(tǒng)常規(guī)油氣-致密油氣-頁巖油氣序列成藏規(guī)律

全油氣系統(tǒng)內(nèi)發(fā)育3 種不同的動力場：自由動力場、局限動力場與束縛動力場。成藏過程中，動力場的差異控制著不同類型油氣藏形成的動力學(xué)過程。自由動力場主要存在于高孔隙度、高滲透率的地層中，浮力控制著油氣運(yùn)聚過程，主要形成常規(guī)油氣藏；局限動力場主要出現(xiàn)在低孔隙度、低滲透率的地層中，此時(shí)生烴膨脹力與毛細(xì)管壓力主導(dǎo)著油氣運(yùn)聚過程，主要形成致密/頁巖油氣藏；束縛動力場主要存在于更為致密的儲層中，此時(shí)擴(kuò)散作用主導(dǎo)著油氣運(yùn)聚過程，主要形成頁巖氣(圖4)。

圖4 全油氣系統(tǒng)中發(fā)育的三種動力場Fig. 4 Three dynamic fields developed in a whole oil and gas system

在動力場的控制下，常規(guī)油氣-致密油氣-頁巖油氣序列成藏。準(zhǔn)噶爾盆地二疊系由淺至深，依次發(fā)育常規(guī)油藏-致密油藏-頁巖油藏(圖5)。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地二疊系全油氣系統(tǒng)“頁巖油-致密油-常規(guī)油”序列分布模式Fig. 5 Distribution pattern of “shale oil-tight oil-conventional oil” in the whole Permian oil and gas system in Junggar Basin

以瑪湖地區(qū)為例，常規(guī)油氣藏主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地西北緣階梯式斷裂帶沿線的高孔、高滲的淺層儲層中，分布于百口泉組、克拉瑪依組和侏羅系八道灣組，平均孔隙度約為17.5%，滲透率約為205.3 mD。油氣主要來自于風(fēng)城組頁巖烴源巖，具有圈閉成藏的基本特征，受浮力驅(qū)動控制。

致密油分布于百口泉組與上烏爾禾組，非浮力運(yùn)移成藏。儲層普遍為致密礫巖儲層，呈現(xiàn)出連續(xù)性分布的特征，平面上沒有明顯的油水邊界。滲透率為0.01～1 mD，單井產(chǎn)量低。瑪湖凹陷斜坡帶壓裂水平井日產(chǎn)僅為20～30 t/d，氣油比100～200。一類井EUR 45 000 t左右，二類井EUR 30 000 t左右。

頁巖油分布于風(fēng)城組，非浮力滯留烴成藏。MY1井在風(fēng)城組4579～4852 m頁巖段試油，2.5 mm油嘴最高日產(chǎn)油30.5 t，累產(chǎn)油1948.5 t，原油密度為0.84～0.90 g/cm3，50 ℃下黏度為8.86～52.73 mPa·s，油質(zhì)較輕[13]。

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖地區(qū)油氣序列完整，油氣向上充注運(yùn)移。由風(fēng)城組生油巖向上依次充注形成致密油—常規(guī)油，風(fēng)城組滯留烴形成頁巖油。

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖地區(qū)油藏自烴源巖向上序列分布了頁巖油、致密油、常規(guī)油，而鄂爾多斯盆地延長組則與此不同(圖6)。長7 段為一套優(yōu)質(zhì)的湖湘烴源巖，厚度50～110 m，分布面積達(dá)8.5×104km2，有機(jī)質(zhì)豐度TOC=2%-18%，Ro=0.9%～1.2%，主要發(fā)育I型、II型干酪根。在長7 段發(fā)育頁巖油(資源量31.2 億t)。油氣自長7 段生成后，分布向上、向下排出，在長4+5-長6 段與長8 段形成連續(xù)分布的致密油藏。長4+5-長6 段滲透率0.5～0.6 mD，致密油資源量53 億t，長8 段滲透率0.57 mD，致密油資源量31.2 億t。油氣繼續(xù)向上下兩個(gè)方向運(yùn)移，最終在長1-侏羅系與長9 段形成常規(guī)油氣(表2)

表2 鄂爾多斯盆地三疊系延長組序列分布Table 2 Sequence distribution of Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin

圖6 鄂爾多斯盆地三疊系延長組成藏模式Fig. 6 Reservoir model of Triassic extension in Ordos Basin

2.2 頁巖油氣、致密油氣儲層地質(zhì)模型與流動模型

與常規(guī)油氣相比，頁巖油氣、致密油氣儲層孔喉分布從納米尺度到微米尺度均有分布，具有多尺度的特點(diǎn)。頁巖油氣、致密油氣的儲層地質(zhì)模型、流動模型與常規(guī)油氣相比具有明顯差異。

2.2.1 地質(zhì)模型

頁巖油氣、致密油氣普遍具有廣泛式分布的特點(diǎn)。宏觀上表現(xiàn)出一種均質(zhì)性，具有大面積連續(xù)分布成藏、層序控制、巖性及物性穩(wěn)定少變的特征(圖7a)。

圖7 頁巖油氣儲層多尺度地質(zhì)模型Fig. 7 Multi-scale geological model of shale oil and gas reservoir

介觀上，在總體致密的基礎(chǔ)上，不均勻分布裂縫(縫網(wǎng))與孔隙，裂縫包括微裂縫(構(gòu)造、成巖、生烴成因)、層理縫、頁理縫以及人工壓裂縫(圖7b)。

而微觀上則分布著不同尺度的孔隙與微裂縫，孔隙包括孤立微納米孔隙(有機(jī)或無機(jī))、微型孔-縫連通區(qū)(微孔縫系統(tǒng))(圖7c)。

頁巖油氣、致密油氣儲層具有宏觀上相對均質(zhì)而微觀上則表現(xiàn)出較強(qiáng)非均質(zhì)性的特征。從納米尺度的有機(jī)質(zhì)孔隙，到微米尺度的微裂縫，到更大尺度的人工裂縫。相比于常規(guī)油氣儲層，頁巖油氣、致密油氣儲層具有多尺度的特征，這導(dǎo)致了油氣流動模型上的差異。

2.2.2 流動模型

常規(guī)油氣儲層孔喉尺度較大，油氣在其中的滲流規(guī)律符合達(dá)西流動規(guī)律，但非常規(guī)油氣在流動方式上與常規(guī)油氣十分不同。由于非常規(guī)油氣儲層具有多尺度的特征，油氣在儲層中的流動可同時(shí)存在達(dá)西流動、局限達(dá)西流動、滑脫流動與擴(kuò)散四種流動模式(圖8)。

圖8 頁巖油氣、致密油氣與常規(guī)油氣流體運(yùn)動特征(據(jù)參考文獻(xiàn)[14]修改)Fig. 8 Fluid movement characteristics of shale oil and gas, tight oil and gas and conventional oil and gas (according to reference [14])

在較大的孔喉或微裂縫中，油氣表現(xiàn)為達(dá)西流動，此時(shí)的流動機(jī)理與常規(guī)油氣相同；當(dāng)孔喉尺度縮小后，油氣表現(xiàn)為局限達(dá)西流動，對于致密油氣與頁巖油氣來說，其開發(fā)過程中主要體現(xiàn)為局限達(dá)西流動。在非均質(zhì)縫網(wǎng)的控制下，表現(xiàn)出不穩(wěn)定驅(qū)替壓差與相態(tài)變化的特點(diǎn)，體現(xiàn)出多種流動方式、多相態(tài)混合的非典型滲流的特征。當(dāng)孔喉進(jìn)一步縮小后，孔喉中的油相難以流動，由于限域效應(yīng)，氣相則表現(xiàn)出擴(kuò)散滑脫流動或擴(kuò)散流動的特點(diǎn)。

從納米到微米，從微裂縫到人工裂縫，從達(dá)西流動到擴(kuò)散作用，非常規(guī)油氣藏跨越了多個(gè)尺度，具有十分復(fù)雜的滲流機(jī)制與規(guī)律。

2.3 頁巖油氣、致密油氣的基本特征與開發(fā)生產(chǎn)機(jī)理

由于儲層更為致密，相比于常規(guī)油氣藏，頁巖油氣藏、致密油氣藏具有其獨(dú)特的油氣地質(zhì)特征與開發(fā)生產(chǎn)機(jī)理。

2.3.1 油氣藏基本特征

(1)有限體積的裂縫-微孔隙致密儲層

致密油氣、頁巖油氣儲層致密，儲集空間十分有限，主體發(fā)育納米級孔喉系統(tǒng)，局部發(fā)育微米-毫米級孔隙。其中頁巖氣儲層孔徑為5～200 nm，致密砂巖氣儲層孔徑為40～700 nm，致密灰?guī)r油儲層孔徑為40～500 nm，致密砂巖油儲層孔徑為50～900 nm(圖9)。

圖9 全球典型非常規(guī)油氣儲層納米孔喉分布(據(jù)文獻(xiàn)[15])Fig. 9 Distribution of nanopore throat in typical unconventional oil and gas reservoirs around the world (according to reference [15])

(2)流體組成與相態(tài)復(fù)雜

頁巖油氣藏、致密油氣藏地下流體組成復(fù)雜。包括氣態(tài)的干氣、濕氣、凝析氣、人工注入氣體，以及液態(tài)的輕質(zhì)油、黑油、少量地層水、壓裂液等。復(fù)雜的流體組成給開發(fā)帶來了困難。

同時(shí)，流體相態(tài)對頁巖油、致密油開發(fā)效果有重大影響。北美已經(jīng)成功開發(fā)了高氣油比、以輕質(zhì)油凝析油為主的頁巖油資源(圖10，從左向右依次為Bakken頁巖油、Texas頁巖油、以及普通的脫氣原油)。我國也已經(jīng)突破高氣油比的輕質(zhì)頁巖油資源，目前正在探索低氣油比的黑油頁巖油開發(fā)。

(3)油藏驅(qū)動方式多樣

頁巖油氣藏、致密油氣藏需要壓裂后才能形成工業(yè)油氣流。開發(fā)過程中頁巖油藏、致密油藏驅(qū)動方式多樣，壓裂過程中，壓裂液的滲吸作用同樣可以起到驅(qū)油的作用。還包括超壓地層彈性驅(qū)動、高地應(yīng)力巖石骨架彈性驅(qū)動、氣體(包括溶解氣)彈性膨脹驅(qū)動、重力驅(qū)動、人工抽吸動力驅(qū)動等。

頁巖氣、致密氣則普遍表現(xiàn)為大面積連續(xù)分布的特征，沒有明顯的邊底水，與常規(guī)油氣藏相比，缺少邊底水彈性驅(qū)動。

2.3.2 開發(fā)生產(chǎn)機(jī)理與提高采收率方向

頁巖油氣藏、致密油氣藏基本地質(zhì)特征與常規(guī)油氣藏的差異也導(dǎo)致了其開發(fā)機(jī)理與未來提高采收率方向的不同。

(1)開發(fā)生產(chǎn)機(jī)理

與常規(guī)油氣成機(jī)理不同，頁巖油氣、致密油氣的保存的核心在于其自身的自封閉作用，而頁巖油氣、致密油氣的開發(fā)則是這種自封閉作用的破除。頁巖油氣、致密油氣的開發(fā)的實(shí)質(zhì)是通過人工壓裂產(chǎn)生的裂縫增大了儲層滲透率、改變了毛細(xì)管作用、增大了滲流波及體積與解吸比表面積。

(2)甜點(diǎn)評價(jià)技術(shù)

頁巖油氣藏、致密油氣普遍具有廣泛式、連續(xù)式分布的特征。如美國頁巖油資源存在黑油、凝析油、干氣等資源，在開發(fā)過程中有選擇性地開采輕質(zhì)油、凝析油等易于流動的資源。頁巖油氣藏、致密油氣開發(fā)的難點(diǎn)在于如何優(yōu)選高氣油比區(qū)與凝析油氣區(qū)，優(yōu)選天然裂縫發(fā)育區(qū)。需要進(jìn)一步發(fā)展甜點(diǎn)評價(jià)技術(shù)。

(3)壓裂技術(shù)

壓裂技術(shù)的突破直接推動了頁巖革命的進(jìn)程。與北美相比，我國壓裂規(guī)模較小，成本較高。亟需發(fā)展體積壓裂、整體開發(fā)、重復(fù)壓裂技術(shù)以提高儲量動用程度，擴(kuò)大供油氣區(qū)面積與波及體積。同時(shí)，發(fā)展新型壓裂材料，改變表面毛細(xì)管力作用，強(qiáng)化滲吸作用。

頁巖油氣、致密油氣地質(zhì)理論和開發(fā)包涵著重大復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問題，是未來石油工業(yè)理論創(chuàng)新的重大領(lǐng)域。我國頁巖革命仍面臨嚴(yán)峻的形勢，頁巖油氣一定是我國長期油氣資源中最重要的資源接替。

3 結(jié)論

(1)頁巖革命成功的標(biāo)志是非常規(guī)油氣產(chǎn)量的大幅增長，美國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了頁巖革命，中國頁巖革命尚在進(jìn)行中。我國頁巖革命仍面臨嚴(yán)峻的形勢，但頁巖油氣一定是我國長期油氣資源中最重要的接替資源。

(2)與常規(guī)油氣相比，頁巖油氣、致密油氣的成藏模式、開發(fā)方式均有所不同。其具有連續(xù)性大面積分布，油氣自封閉成藏，開發(fā)生產(chǎn)工程量巨大，油氣田生產(chǎn)的“分布式”特點(diǎn)可靈活應(yīng)對建產(chǎn)減產(chǎn)，以及采收率低的特點(diǎn)。

(3)我國頁巖油氣下一步大幅上產(chǎn)需要滿足7 個(gè)條件：①資源清楚；②水平井、壓裂技術(shù)成熟；③成本可控，達(dá)到預(yù)期資本回報(bào)率；④工程空間大，給未來的提高采收率留下空間；⑤符合環(huán)境的要求，均衡占地成本和環(huán)境保護(hù)要求；⑥充分的資本投資；⑦強(qiáng)大的工程施工能力。

(4)油氣系統(tǒng)具有常規(guī)油氣-致密油氣-頁巖油氣序列成藏的規(guī)律。需要進(jìn)一步開展全油氣系統(tǒng)理論研究，深化頁巖油氣、致密油氣的多尺度地質(zhì)模型、流動模型、開發(fā)生產(chǎn)機(jī)理研究，大力發(fā)展甜點(diǎn)評價(jià)技術(shù)與壓裂技術(shù)。