开发致密油， 我们准备好了吗？

王大锐 赵 霞

开发致密油， 我们准备好了吗？

王大锐 赵 霞

编者按：近年来，致密油已成为继页岩气之后全球非常规油气勘探开发的新热点，被称为非常规油气革命的“生力军”。2015年5月，一个激动人心的消息从中国石油传来：长庆油田日前在陕北姬塬发现我国第一个亿吨级大型致密油田——新安边油田，提交致密油探明地质储量1亿吨。这个消息再次将致密油搅动成了中国能源勘探开发的热点。那么，致密油到底是怎么一回事，我国致密油的大规模开发还要等多久？有哪些技术问题需要解决？本刊将制作两期专题带您一同走近致密油。

“致密油”（tight oil）最早的定义出现在20世纪40年代的美国石油地质家学会会刊（AAPG Bulletin）上，随着人们认识的深入，这个概念一直在不断地在修改、完善着。目前，致密油已经成为一个专门术语，代表一种非常规油气资源。2011年9月，美国国家石油委员会（NPC）在其发布的北美地区油气资源评价中将致密油表述为：“一般来说，致密油蕴藏在那些埋藏很深、不易开采的沉积岩层中，这些岩层具有极低的渗透率”；加拿大非常规资源协会(CSUR)对致密油定义更广，明确把在已发现常规油田周边的含油区因为储层致密而未纳入常规油田产区的区域归属于致密油范畴，称之为“halo play”（边缘区带），在这些边缘区带，石油通过应用水平井、水压裂等新技术得以开采。

认识致密油

人们对致密油的认识是随着北美地区页岩气的成功开发和地质理论研究的发展而展开并深入的——暗色页岩及其共生的致密储层发育丰富的微米—纳米级孔隙，可以大量成烃、运烃和储烃，形成自生自储型油气富集，致密油就是其中之一。

2000日以来，美国相继在威利斯顿盆地泥盆系的Bakken组、德克萨斯州南部的Eagle Ford组、德克萨斯州北部的Fort worth盆地获得致密油勘探开发的重大突破，2010年美国致密油产量突破3.0×107t，使美国持续24年的石油产量下降的趋势首次得以扭转，到2014年底，美国境内致密油生产井超过2000口，平均单井产油12t/ d。预计2020年全美致密油的产量将达到1.5×108t，使美国原油总产量增加1/3，大大减小了对外依存度，很大程度上改变了世界能源格局。

在致密油地质理论的研究中，致密油的形成与富集机理备受人们关注，尤其是大面积分布的微孔隙系统（微米—纳米级孔隙系统）中流体渗流规律、运移和富集机理，是致密油地质理论研究的核心。进一步研究表明，在微孔隙系统中，相对于孔隙度和渗透率，孔喉尺寸大小和分布（即孔喉网络体系）是决定储集层储集能力和渗流能力更直接更有效的参数，而且，不同类型的孔喉系统对应不同的流体流动规律，它控制着致密油的形成、运移和富集，因此，加快致密油微米—纳米多尺度孔喉网络体系、流体非线性流动聚集机理研究，是目前致密油研究的重中之重，具有重大理论与现实意义，亟待加强。

作为一类极为重要且潜力巨大的非常规油气资源，我国致密油地质理论研究还处于准备或起步阶段，极大地制约了我国致密油勘探开发进程。目前，石油地质学和全球油气勘探目标具有从毫米—微米孔的圈闭油气领域逐渐向纳米孔喉的源储共生连续型油气富集新领域发展的趋势。当物质到纳米尺度以后，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能“纳米效应”。纳米油气是指用纳米技术研究和开采富集在纳米级孔喉储集系统中的油气，包括页岩油和气、致密油和气等，一般储集层以纳米孔喉为主，局部发育微米毫米级孔隙。致密砂质岩油存在介于400～900nm的纳米级孔隙中。纳米油气的主要特征是：（1）源储共生，致密储集层与油气连续分布；（2）源内滞留或短距离运移；（3）以扩散作用、分子作用、异常高压（排烃压力）等为主，非浮力富集；（4）一般单井无自然工业产量，需研发纳米系列技术。纳米级孔隙的发现丰富了孔隙类型，使储层孔隙结构特征研究精度大大提高，为解决非常规储层孔隙特征、连续型油气富集机理提供了重要研究思路与方法，对推动致密油、致密气、页岩油、页岩气、纳米油气的工业开采具有重要科学意义。

针对我国致密油特殊形成条件，通过对四川盆地中北部侏罗系油藏特征研究，我国学者提出致密油概念和特征——致密油是一种特殊类型的大面积非常规油聚集，没有明显圈闭界限；没有明显边、底水及油水界面，浮力与重力分异不明显，缺少大规模二次运移，源内或近源聚集；储层具有特低孔渗、双重介质特征，连续分布在斜坡及凹陷区，不受局部构造控制而受岩性控制。并认为致密油是致密储层油的简称，是指覆压基质渗透率小于或等于0.1mD的砂质岩、灰岩等储集油层、石油经过短距离运移而富集的非常规油气资源。2013年，考虑到鄂尔多斯盆地石油勘探开发实际, 我国学者又将储集层地面空气渗透率小于0.3mD，赋存于油页岩及其互层共生的致密砂岩储层中,石油未经过大规模长距离运移的油藏称为致密油,包括致密砂岩油和页岩油两大类。

经过近几年深入研究，我国石油地质学者从机理上进一步将致密油特征归结为：（1）大面积源储共生，圈闭界限不明显；（2）微孔隙流体流动，非浮力富集，水动力效应不明显；（3）油水分布复杂，异常压力，裂缝高产；（4）非达西渗流为主；（5）短距离运移为主；（6）纳米级孔喉连通体系为主，并认为纳米级孔喉连通系统是致密油运移富集机理的根本。

近几年来，非常规连续型油气富集理论的发展和致密储层中纳米孔隙系统及其中赋存石油的重大发现，都为非常规致密砂、灰岩油气的开发提供了科学依据。它突破了常规圈闭和常规储层高部位富集和找油的理论，为今后非常规油气资源的勘探和开发奠定了十分重要的理论基础。这些研究不仅规范和加深了对致密油特征的认识，而且也逐渐明确了微米—纳米孔喉网络系统在致密油运聚富集中的至关重要的作用。

致密油开发面临的挑战

世界公认，致密油在美国的勘探开发取得了重大突破，主要取决于其勘探开发技术的创新，而美国人在致密油成藏研究方面的报道很少。现已证实，致密油储层中，纳米级孔隙占据总体孔隙主体，决定了其低孔-超低渗的物性及特殊的流体运聚成藏机理。但遗憾的是，目前这种极为重要和特殊的流体运聚成藏机理尚未得到有效的揭示，极大制约了致密油勘探开发进程，是目前亟待解决的重大理论与现实问题。致密油成藏机理涉及的重要问题较多，首要解决的一个关键问题就是储层致密与油气成藏的关系，即储层先成藏后致密、先致密后成藏还是边成藏边致密，目前尚未公认观点。

近年来，尽管我国一些学者研究了致密储层超微观孔隙空间中流体运移的动力、流动方式、运移途径、流动状态等流动规律，取得了一些重要成果，比如认识到致密储层与常规油气储层不同。致密油储层储集空间以低孔特低渗透系统的纳米级孔隙结构为主，毛细管压力大，浮力不起主要作用，流体运移主要靠源储压力差（烃源岩中由于热力生烃增压作用、欠压实、黏土脱水等产生的异常高压与储层中的毛细管力之差）提供动力，且流体在致密储层中流动不符合达西定律。也就是说，在致密油储层的纳米级微观孔隙系统中，流体运移动力、流动方式、运移途径、运移相态、富集场所与常规储层的毫米级或微米级储层空间完全不同。

在以纳米孔隙为主的孔喉网络体系中流体的微观流动机理、渗流规律仍不清楚，这使得对应于纳米级孔喉储集空间中油气的流动机制、赋存状态及最终可动用程度，成为致密油勘探生产最为关注的重大科学问题：（1）在什么样的动力作用下，烃源岩中生成的石油为什么能够在致密储层超微观的微米—纳米孔喉系统大面积地短距离运移，并在其中大范围地富集起来，形成连续型富集的致密油藏？其运移的动力、相态、方式、路途是什么？即石油流体在致密储层微米——纳米多尺度孔喉系统中流动、富集的机理是什么？符合什么样的流体渗流规律？（2）在致密储层微米—纳米多尺度孔喉系统中是否存在阻止流体继续流动的下限条件？如果有，那么控制致密储层微米—纳米孔喉网络体系中流体耦合流动下限的主要地质因素是什么？致密油储层中流体流动的物性下限是多少？

由于致密油复杂的孔喉网络结构和“神奇”的超微观纳米效应，使得致密油研究具有很强的探索性和挑战性，比如：

（1）超微观空间：致密油赋存于微米—纳米的超微观孔隙空间中，使得常规的技术与手段难以有效进行致密油赋存状态、孔隙结构、孔喉网络体系等关键现象的观察和分析，必须采用高精尖的先进纳米技术；

（2）难以预测的纳米效应：在纳米级孔隙系统和孔喉网络体系下，流体的流动与聚集会产生特殊的纳米效应，使得致密油运移聚集特征和机制充满神秘性和不确定性，油气在微米—纳米级多尺度孔喉系统中的生成、吸附、解析、扩散、聚集与采出等重大理论问题研究难度巨大；

（3）复杂的控制因素：有复杂的宏观地质因素如构造、沉积、成岩及其演化，又有复杂的微观因素如孔隙结构、孔喉网络、微观渗流特征、流体运移动力与阻力、复杂的多相共存关系等等，使得研究的结果充满不确定性和风险性。

在纳米级（孔喉直径小于1μm）孔喉中流体与周围介质之间存在巨大的黏滞力和分子作用力，一般条件下，流体不能自由流动，形成“滞留”，即使改变温压条件也仅能以分子或分子团的状态进行扩散，如粉细砂质岩、页岩、黏土等非常规致密层的孔喉即属该种类型，需用纳米技术开采。常规油气藏储集体发育毫米级或微米级孔喉介质，毛细管阻力较小，符合达西渗流规律。油气从烃源岩排出后，经浮力驱动发生二次运移，通过一系列输导体系，在相对独立的常规圈闭（在相对低势区）富集成藏，具有明确的圈闭度量要素，浮力作用下油气“渗流”或“管流”成藏是常规油气的根本特征。而在纳米级微观孔隙系统中，流体的驱动力、流动方式、运移途径、富集场所与毫米级或微米级储层空间完全不同。

贾承造院士等研究发现，中国致密油主要发育纳米级微观孔喉网络体系，兼具生、储、盖等多项功能，其形成机制明显不同于传统油气圈闭成藏。相对于孔隙度和渗透率，孔喉尺寸大小和分布是决定储集层储集能力和渗流能力更直接的参数，油气水在纳米孔喉中渗流能力差，相态分异难，超微观储集空间体系中强大的毛管压力限制了浮力在油气富集中的作用，油气被滞留吸附，主要依靠超压驱动，油气在源储压差的作用下就近发生层状运移，运移距离短但排烃效率高。运移动力以烃源岩排烃压力为主，受生烃增压、欠压实和构造应力等控制，富集阻力主要为毛细管压力，二者耦合控制含油气边界，致密油运移以渗流扩散作用为主，借助源储共生的地质条件，油气发生短距离运移。这样，就决定了致密油大面积连续型或准连续型富集的根本特征。

致密油连续型纳米孔喉油气的提出，突破了常规储层物性下限与传统圈闭找油的理念，要寻找大面积展布的非常规储集体，关键在于弄清大规模纳米孔喉储层的致密背景与油气生成、排聚（强调全过程、连续性）过程的时空匹配。

可以说，大面积分布的微米—纳米级孔隙结构和孔喉网络系统是致密油储层最基本特征，孔隙结构决定致密油的储集性能，而孔喉连通体系决定其低孔-超低渗的物性和特殊的流体运聚、富集机理，流体流动的物性下限决定了致密油运移的最大距离和聚集最大边界；因此，研究致密油孔喉体系及其流体流动机理、流动下限具有特别重要的意义，而恒速压汞、纳米-CT及高分辨率场发射扫描电子显微镜技术等则是精细刻画和系统表征致密油储层微米—纳米级多尺度微观孔喉结构和孔喉系统及其流体非线性流动特征、流动下限最有效技术方法。

由于对致密油的研究刚刚开始，致密油储层微米—纳米孔隙结构、孔喉体系及其流体流动机制的研究尚处于起步阶段，对致密储层中的流体运移、富集机制的认识多为主观推断，极大制约致密油理论发展与勘探开发进程，迫切需要加大研究力度。

我们准备好了吗？

美国致密油勘探开发的成功给我国致密勘探开发带来启发和希望。

由于致密油的研究起步较晚，致密油的概念近两年才在国内得到广泛的接受和采用。勘探实践证实，致密油资源在中国广泛分布：包括鄂尔多斯盆地三叠系延长组、准噶尔盆地三叠系芦草沟组、四川盆地中一下侏罗系、松辽盆地白垩系青山口组一泉头组，都发现丰富的致密油资源。江汉、酒泉、三塘湖、泌阳等盆地或坳陷也证实存在致密油资源，据我国石油专家贾承造院士等人的预测，中国主要盆地的致密油分布面积达20×104km2，地质资源总量为106.7×108～111.5×108t，可采资源量为13×108～14×108t，勘探开发潜力巨大，是最具有潜力的能源接替领域之一，主要分布在鄂尔多斯、准噶尔、松辽、渤海湾和四川等盆地中，是未来勘探开发的重点。

针对致密油运聚成藏的非常规机理，应该采用先进的纳米科技理念来指导研究思路。实际地质观察包括野外地质考察和室内岩芯观察描述两种工作。两者均是最直接、最方便观察和研究致密油源储共生关系的有利场所，通过岩芯描述和实地观察致密油源储地质剖面，并进行取样分析，可以获得不同类型致密油源储共生组合类型的第一手资料，为致密油源储共生组合划分与研究、致密油储层微观孔隙结构的分析、孔喉网络系统的总结提供依据。

微米—纳米级多尺度孔喉连通系统是致密油大面积短距离运移、富集的根本特征和原因。将纳米科技的理念引入致密油的研究是致密油理论发展与实践必然趋势。微米-纳米级孔喉连通网络决定了非浮力作用下油气原位滞留和短距离扩散运聚的机理，利用纳米技术、加强油气在纳米孔喉系统中的生成、吸附、解析、扩散和富集能力等油气系统的研究具有重要意义。纳米级孔隙系统的发现，改变了微米级孔隙是油气储层唯一微观孔隙的传统认识，为认识常规油气局部富集，非常规油气连续富集的地质特征、研究连续型油气富集机理、增加资源潜力具有重要的科学意义。运用纳米理念进行致密油运聚成藏研究，应该是今后致密油研究的发展方向。

分析测试手段的应用主要是针对致密油特殊的源储共生关系及普遍发育的微米—纳米孔喉系统，采用恒速压汞以及先进的纳米-CT三维无损扫描成像、高分辨率场发射扫描电子显微镜等尖端技术来系统刻画和研究致密油储层孔隙结构、孔喉网络系统、致密油赋存状态、模拟流体流动、运移动力、相态、路径，寻找致密油储层微米—纳米孔喉网络体系中流体耦合流动规律，揭示流体运移、富集机理。其中压汞毛管压力曲线法可定性、定量的研究储层孔隙结构、评价储层的储集性能，可获得微米—纳米孔喉系统的各类参数，包括反映孔喉大小的最大孔喉半径、孔喉半径中值等，反映孔喉分选性的分选系数、孔喉歪度和孔喉丰度等，反映孔喉连通性的渗透能力的排驱压力、压力中值和驱油效率等。纳米-CT三维无损扫描成像技术可获得致密油储层的微米—纳米级孔隙结构、孔喉网络、致密油赋存状态、颗粒表面结构、构造及物性参数等，为致密油储层流体流动机理奠定基础。

将实际地质观察描述与分析测试相结合，可以将宏观地质现象研究与微观地质特征精细刻画有机结合起来，有助于更好地总结致密油源储共生关系、精细刻画储层孔隙结构与孔喉网络特征以及流体在微米—纳米孔隙结构与孔喉网络体系中的耦合流动规律等。

典型实例剖析指以已证实的致密油藏为对象，开展不同类型源储组合的致密油运移、聚集与富集条件、过程研究，从宏观上总结其成藏与富集模式，为下一步进行致密油储层微观孔隙结构、微米—纳米孔喉网络输导体系及其流体耦合流动、富集机理模拟实验提供良好的实验模型。

微米—纳米孔喉网络体系中流体流动的机理十分复杂，不仅要从理论上进行研究，模拟实验也是重要的研究手段，目的是揭示在实验条件下致密油不同源储组合类型储层的微米—纳米孔喉系统中流体运移、富集的路径、方式、相态和流动规律等，为机理性解释提供实验依据。

典型实例剖析与致密油运聚模拟实验相结合，前者为后者提供实验地质模型，后者为前者进一步揭示机理提供依据，进而相互补充、验证和完善致密油运聚成藏机理认识。

科学家们预测，到2030年前后，石油工业将进入纳米科技时代，形成的关键技术包括：（1）纳米油气透视观测镜、基于纳米－CT重构三维储层模型、三维地震透视等；（2）纳米油气驱替剂，最大限度提高油气采收率；（3）纳米油气开采机器人，应用于油气勘探开发关键过程。纳米、信息等新技术将成为石油工业的核心和常规技术之一，油气智能化时代也将随之到来。针对致密油成藏研究中科学问题和面临的挑战，运用先进的纳米科技理念和尖端的纳米技术（如高分辨率场发射扫描电子显微镜技术和纳米-CT三维无损扫描成像技术），选取典型致密油藏（如鄂尔多斯盆地、四川盆地、准噶尔盆地、松辽盆地等盆地的致密油藏），采取野外地质观察与典型实例剖析相结合，致密油运聚模拟实验与分析测试相结合的思路，在超微观空间展开系统、动态、定量、机理性的基础性创新研究。

我国的致密油资源丰富，用一句“时髦”的话来说：开发致密油，我们时刻准备着！