中国石化页岩油勘探实践与展望

孙焕泉 蔡勋育 周德华 高 波 赵培荣

（ 1中国石化油田勘探开发事业部；2中国石化石油勘探开发研究院 ）

0 引言

近年来，随着水平井分段压裂技术的进步，美国页岩油气产量迅速发展，已成为美国油气产量的重要组成部分，2018年美国页岩气产量达到6138×108m3，页岩油产量达到23.49×108bbl，分别占到了美国天然气和原油总产量的64.4%和64.7%[1-3]。美国页岩革命不仅带动了美国经济的发展，同时也对世界能源格局产生了深远的影响[4]。中国陆相盆地发育多套富有机质页岩，蕴藏着丰富的页岩油资源，在以往常规油气勘探中，在中东部陆相含油盆地泥质页岩段见到了丰富的页岩油气显示，多口井获得高产页岩油气流。近年来，通过技术攻关，中国石油已经在准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系、渤海湾盆地黄骅坳陷沧东凹陷古近系孔店组、鄂尔多斯盆地上三叠统延长组多口井获得工业油流[4-11]。2010年以来，中国石化在老井复查复试的基础上，实施了7口页岩油专探井，均见到页岩油流，部分井测试日产量达到20～25t，在呈现出较大页岩油勘探潜力的同时，发现普遍存在“压不开、撑不住、返排低、稳产难”的现象。中国石化紧密围绕页岩油勘探开发存在的问题，进行了针对性技术攻关，取得了积极进展及初步认识，对下一步页岩油的勘探开发将起到借鉴作用。

1 页岩油勘探开发历程

2010年以来，中国石化页岩油的勘探经历了早期选区评价及专探井试验、新一轮基础研究与先导试验两个发展阶段。

1.1 早期选区评价及专探井试验阶段（2010—2013年）

2010年，中国石化在积极跟踪北美页岩油气勘探开发进展的同时，针对常规探井页岩层段开展了页岩油的老井复查复试工作。结果显示，东部探区页岩层段油气显示丰富，93口井获工业油流（图1）。济阳坳陷共有322口井见到页岩油气显示，35口井获得工业油气流，累计产油超过万吨的井有5口。其中，沾化凹陷新义深9井在沙三下亚段3355.11～3435.29m试油日产油38.5t，累计产油11346t;东营凹陷河54井在沙三下亚段2962～2964.4m井段进行中途测试，日产油91.3t，日产气2740m3，累计产油27896t，展示了济阳坳陷页岩油良好的勘探前景。

图1 中国石化东部油区老井复查页岩油显示井统计图Fig.1 Statistical old wells with shale oil show in eastern Sinopec plays

在老井复查复试的基础上，通过选区评价，优选了东部探区南襄盆地泌阳凹陷古近系核桃园组、济阳坳陷古近系沙河街组、南方探区四川盆地元坝地区中侏罗统千佛崖组为重点，进行页岩油专探井钻探。在泌阳凹陷，2010年常规探井AS1井在古近系核桃园组核三段页岩见良好显示，直井压裂试获最高日产油4.68m3，揭示核三段为勘探突破目的层，随后部署实施2口水平井进行分段压裂求产。其中，BYHF-1井垂深为2450m，对1044m水平段实施15级分段压裂，最高日产油20.5t;BY2HF井垂深为2816m，对1402m水平段实施22级分段压裂，最高日产油25t（表1）。在济阳坳陷，优选沾化凹陷和东营凹陷沙四上—沙三下亚段，部署L69井等4口井进行系统取心，累计长度达到1010.26m，为济阳坳陷页岩油气的系统研究奠定了基础。在对页岩油形成条件进行研究的基础上，部署实施了BYP1井、BYP2井、BYP1-2井、LY1HF井4口页岩油专探井，用于评价不同类型页岩的储集性能、含油气性、可压裂性及产能，4口井均获得了低产页岩油流，但由于页岩热演化程度较低，页岩油密度大、可流动性差，工程工艺技术的适应性较差，未取得预期效果。在四川盆地针对侏罗系千佛崖组二段部署实施了YYHF-1井，对1051m水平段分10段压裂，每段2簇射孔，试油获页岩油14t/d、气0.72×104m3/d，累计产油2943t、产气 305.32×104m3。

表1 中国石化页岩油专探井基本参数表Table 1 Basic parameters of Sinopec shale oil exploration wells

综上所述，前期研究及专探井实施表明，中国石化探区具有较好的陆相页岩油形成富集条件、较大的资源潜力和良好的勘探开发前景，但陆相页岩油勘探主要面临3个方面的挑战：一是陆相页岩非均质性强，岩性组合复杂多样，页岩油甜点预测难度大;二是陆相页岩热演化程度普遍较低，原油可流动性差，单井产量低;三是陆相页岩普遍处于中成岩阶段，成岩作用弱、塑性强，部分陆相页岩黏土矿物含量较高，可压裂性差，普遍存在“压不开、撑不住、返排低、稳产难”的现象。如BYP2井仅第1段、第5段完成加砂，第2～4段因塑性较强，可压裂性较差，未完成加砂;BYP1井压裂后日产油最高达到8.22t，但在两个月左右迅速下降到1t水平，累计产油仅116t。

1.2 新一轮基础研究与先导试验阶段(2014年至今)

2014年和2017年，在国家科技部的支持下，中国石化牵头先后启动了“973计划”项目“中国东部古近系陆相页岩油富集机理与分布规律”、国家科技重大专项“中国典型盆地陆相页岩油勘探开发选区与目标评价”，结合中国石化科技部和油田部项目，重点围绕陆相页岩油甜点预测、可流动性和可压裂性进行技术攻关，揭示了陆相页岩油赋存、流动和富集机制，形成了页岩油储层表征、含油性评价、甜点预测和资源评价等技术，建立了基于地质工程一体化的页岩油选区评价方法，并针对不同油区、不同地层特点，积极探索“多尺度复杂缝网压裂”“小规模高导流通道压裂”和“二氧化碳干法压裂”等直井压裂工艺，取得了较好的增产效果。

2 勘探实践认识

2.1 明确咸化湖盆纹层状页岩相是最有利岩相

针对陆相泥页岩非均质性强的特点及岩石学分类命名不统一的现状，按照岩石学分类命名的基本原则，提出了基于“沉积构造—岩石组分—有机质丰度”的泥页岩岩相划分方法[12]，其中，沉积构造反映了岩石沉积水体动力条件及沉积速率快慢，岩石组分反映了陆源碎屑物质输入沉积作用及生物化学沉积作用共同作用的结果，有机质丰度反映了气候条件、水体的营养度及成烃生物的发育状况。按照沉积构造将泥页岩岩相划分为纹层状、层状和块状;根据泥页岩主要矿物组分，采用泥质—粉砂—碳酸盐三端元图，可将岩石定名为泥岩、石灰岩、灰质泥岩、泥质灰岩、砂质灰岩、砂质泥岩、砂岩等;根据有机质丰度可划分为富有机质（TOC≥2%）、含有机质（2%＞TOC≥0.5%）、贫有机质（TOC＜0.5%）3类。通过对渤海湾盆地济阳坳陷沙三下亚段和沙四上亚段咸化湖型页岩、江汉盆地潜江凹陷潜三段和潜四段盐湖型页岩、泌阳凹陷核三段咸化湖型页岩的精细研究[13-14]，共识别出11种主要的细粒沉积岩相类型（图2）。

图2 东部陆相盆地主要细粒沉积岩相类型Fig.2 Types of fine-grained sedimentary lithofacies in eastern continental basins

通过对济阳坳陷沙三下亚段和沙四上亚段页岩微观孔隙结构的精细表征及相关分析发现，与层状岩相和块状岩相相比，纹层状岩相无机矿物孔的孔径较大，孔喉配位数较高，而孔喉分选系数低，表明纹层状岩相具有更好的储集性能，层状岩相次之，块状岩相较差[15]，纹层状岩相为最有利的岩相类型。此外，对济阳坳陷复查的获页岩油流老井的统计分析表明，裂缝型及夹层型页岩层系具有较高的页岩油日产量，结合模拟实验分析，认为砂岩、石灰岩夹层在地层条件下具有比泥页岩更高的渗透率，有利于页岩油的富集与产出，表明夹层型是重要的页岩油类型，应给予重视。

2.2 明确较高成熟度页岩油是近期攻关的主要目标

中国陆相页岩油与北美典型页岩油特征的对比表明，中国陆相页岩油普遍成熟度较低、密度和含蜡量较高，可流动性相对较差（表1、表2）。针对陆相页岩油密度高、可流动性差的特点，开展了陆相页岩油可流动性研究。

表2 中美重点地区页岩油主要特征参数对比Table 2 Primary characteristic parameters of shale oil in key areas of China and the United States

对济阳坳陷古近系泥页岩成岩作用的研究表明，富有机质、富含碳酸盐的纹层状岩相在Ro＞0.5%时，开始生成部分碳酸盐溶蚀孔，在中成岩B期（Ro＞0.7%）以后，普遍发育次生孔隙（有机质—黏土—碳酸盐混合体内演化孔隙和溶蚀孔隙）为主的高孔发育带，增孔效应比较明显。含油饱和度指数（OSI）（S1×100/TOC）是一项评价可动油的重要指标，Jarvie对北美主要页岩区带页岩油的研究表明，当OSI大于经验值（100mg/g）时，页岩层系存在潜在的可动油[16]。从中国中东部部分泥页岩与北美含油泥页岩TOC与S1关系图来看，部分中高演化阶段的页岩层系S1/TOC大于100mg/g，揭示存在大量的游离油[15，17]。从济阳坳陷原油物理性质随深度的变化来看，随着埋藏深度的增大，原油物理性质明显变好，尤其是目的层埋深大于3500m（相应的Ro为0.7%）后，原油的密度和黏度有显著改善（图3）。由于中国东部陆相盆地主体上以后期持续性沉降为主，凹陷深洼地区热演化程度相对较高，页岩油勘探应向中高成熟度的生烃洼陷及斜坡转移，因此纹层（夹层）发育段、中高成熟度地区和异常高压带为有利勘探方向。

图3 东营凹陷古近系原油物理性质与深度关系散点图Fig.3 Scatter plot of physical properties and depth of Paleogene crude oil in Dongying sag

2.3 初步形成页岩油甜点地球物理预测方法

根据陆相页岩油富集高产的4项主控因素（有利岩相、适应的热演化程度、充足的游离组分、良好的可压裂性）[15]，在地质研究的基础上，通过岩石物理和井震响应特征研究，建立了泥页岩主要岩相的岩石物理参数特征和测井响应特征模板（图4），总结了不同岩相的测井响应特征，揭示纹层状灰质泥岩、纹层状泥质灰岩等优势岩相表现为中强波谷反射、中弱波峰反射特征。根据页岩油富集高产因素的地震预测可行性，重点探索攻关了岩相、裂缝和脆性等3项预测技术，初步实现了页岩油甜点要素的预测。在岩相预测方面，建立了基于沉积参数的岩相地震预测技术，通过综合地震数据与钻井资料的信息，分类优选对沉积参数敏感的地震属性，进而应用沉积参数的组合表征岩相。在裂缝预测方面，建立了几何属性融合的叠后裂缝预测技术，根据缓倾角裂缝反映较好的几何学叠后属性之间的差异性，利用两种不同属性的并集与交集之比和表征裂缝密度，实现了裂缝密度的定量化表征。在页岩脆性预测方面，建立了基于叠前弹性参数的脆性表征技术，并结合岩石物理参数、力学及弹性参数建立了单井脆性计算模型，利用叠前反演弹性参数，实现了在井震约束下进行脆性预测。

图4 济阳坳陷沙河街组泥页岩主要岩相的测井响应、地球物理参数和地震反射特征图版Fig.4 Logging response， geophysical parameters and seismic reflection characteristics of the Shahejie Formation shale in Jiyang depression

2.4 初步形成了陆相页岩油工程工艺技术

针对陆相页岩塑性强、可压裂性较差的特点，开展陆相页岩可压裂性评价攻关、水平井钻完井及压裂改造技术攻关，主要取得如下两个方面的成果。

2.4.1 初步形成陆相页岩水平井优快钻井技术体系

通过攻关，初步形成了水平井轨道优化、随钻监测及旋转导向控制技术、不同地质条件油层套管优化技术、弹韧性水泥浆固井技术，研发了陆相页岩钻井液体系。在潜江凹陷BYY1HF井实施过程中，采用油基钻井液体系及旋转导向钻具组合，实现了1162m水平段一趟钻快速完钻，且井眼轨迹100%在4m优质储层（油层垂厚9.8m）内穿行;水平段钻进周期达到7.9天，水平段机械钻速达到147.85m/d。

2.4.2 初步形成陆相页岩油压裂改造技术思路与方法

一是针对陆相泥页岩石英含量偏低、碳酸盐矿物含量高、成岩演化低的特点，将室内实验与数模分析相结合，综合脆性指数、应力各向异性系数及天然裂缝发育情况，建立泥页岩可压裂性评价方案（表3），指导压裂工艺的选择。

表3 济阳坳陷页岩可压裂性评价指标Table 3 Evaluation index of the shale fracturability in Jiyang depression

二是形成了针对性压裂改造思路，直井攻关试验取得较好效果。在济阳坳陷，针对页岩层系进行了“酸蚀+体积+通道”的“多尺度复杂缝网压裂”和“小规模高导流通道压裂”试验，分别在F159井和Y176井试验取得良好效果;其中，F159井在2018年12月完成两段压裂，测试峰值日产油44m3、日产气1.2×104m3，目前日产油4.67m3，累计产油1272.46m3。在潜江凹陷，针对盐间层系塑性强、支撑剂嵌入严重等问题，采用“连续加砂+高砂比”的组合砂塞工艺，提高波及体积及近井裂缝稳定性，强化裂缝导流能力，W99井采用“砂塞式复合压裂”后，压裂初期日产油25m3，有效提高了单井产能和稳产期;考虑页岩油层系上、下盐岩对压裂及后期排采的影响，采用二氧化碳压裂提高波及体积，建立支撑裂缝，避免水基材料对盐层的破坏，W57斜-16井通过CO2干法加砂压裂，放喷初期日产油15.16m3，较好解决了盐结晶问题。

3 前景展望

如前所述，页岩油为赋存于富有机质页岩层系中的原油，为未经历二次运移的滞留液态烃，因此，从理论上讲目前处于成熟至高成熟阶段的泥质烃源岩中均有页岩油存在。中国东部和中西部陆相盆地在长期的构造沉积演化过程中，发育了多套富有机质页岩层系，不仅是中国陆相原油的主力烃源岩，同时也应蕴藏着丰富的页岩油资源。根据中国石化2012年资源评价结果，中国石化探区页岩油地质资源量达85×108t，主要分布于东部中—新生代断陷盆地，其中，Ro＞0.9% 较高成熟度页岩油约占47%，Ro=0.7%～0.9%中等成熟度页岩油约占33%，Ro=0.5%～0.7%低成熟度页岩油约占20%。“十三五”到“十四五”期间，中国石化将强化中高成熟度页岩油攻关，力争实现规模性商业开发;同时，将积极探索低成熟度页岩油，创新发展原位转化颠覆性技术[18]，力争取得低成熟度页岩油的革命性突破。通过前期页岩油选区评价，初步优选济阳坳陷古近系沙河街组咸化湖夹层型中等成熟度页岩油、潜江凹陷古近系潜江组盐湖盐间型中高成熟度页岩油、四川盆地元坝和涪陵地区侏罗系淡水湖凝析型页岩油为近期攻关的重点领域，目前已部署探井进行不同类型页岩油开发潜力和适应性工程工艺技术的探索，其中潜江凹陷针对潜34-10韵律层和潜4段下部部署实施的BYY1HF井和BYY2井已经完钻，BYY1HF井计划分21段进行压裂，现已对1～5段采用CO2干法复合压裂，日产油4.5～4.8m3，累计产油121.7m3;BYY2井已完成压裂设计方案。

为了促进页岩油的快速发展，围绕制约当前页岩油勘探开发的关键性科学问题——页岩油富集机理与有效开发技术，中国石化将持续开展陆相页岩油赋存机理及富集高产主控因素、陆相页岩油甜点预测、陆相页岩油流动机理及有效动用条件、陆相页岩油水平井优快钻完井、陆相页岩油储层高效压裂改造、低成熟度陆相页岩原位转化等基础研究和技术攻关，形成适合于不同类型陆相页岩油特点的勘探开发理论认识和地质工程一体化技术系列。同时，也建议国家相关部门出台类似于页岩气补贴扶持政策，促进页岩油的突破与健康发展，使其尽快成为油气资源接替的新阵地。

4 结语

中国石化页岩油勘探经历了页岩油早期选区评价及专探井试验和新一轮基础研究与先导试验两个阶段，通过科技攻关和勘探实践，明确咸化湖盆纹层状页岩相是最有利岩相、较高成熟度页岩油是近期攻关的主要目标，纹层（夹层）发育段、中高成熟度地区和异常高压带为中国东部陆相页岩油勘探的有利方向。建立了基于沉积参数的岩相地震预测技术、基于几何属性融合的叠后裂缝预测技术、基于叠前弹性参数的脆性表征技术，初步形成了陆相页岩油甜点地球物理预测方法。初步形成了陆相页岩油水平井优快钻井技术系列和陆相页岩油压裂改造技术方法。认识到有利岩相发育是基础、适宜演化程度是条件、良好可压裂性能是关键、地质工程一体化是实现陆相页岩油商业开发的保障。

中国石化探区具有较大的页岩油地质资源潜力，“十三五”至“十四五”期间，将加强中高成熟度页岩油基础研究与技术攻关，加快勘探部署，力争实现规模性商业开发。建议国家相关部门出台类似于页岩气补贴扶持政策，促进页岩油的突破与健康发展，使其尽快成为油气资源接替的新阵地。