为页岩油气把脉问诊开药方——记页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室

石勘院支撑团队与涪陵页岩气分公司技术中心员工合影。胡小虎 摄

随着我国国民经济的迅猛发展，油气对外依存度日益攀升，发现和获得更多的油气资源已成为国家重大战略需求。2015年11月，页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室在北京成立，由中国石化石油勘探开发研究院和石油工程技术研究院共同建设。

实验室紧盯页岩油气勘探开发关键技术，开展页岩油气富集、流动和页岩缝网形成机理为核心的基础理论研究，和以一体化勘探开发工程技术为主要内容的创新性研究。在中国南方海相页岩气实现规模经济开发，深层海相页岩气、构造复杂区常压海相页岩气和海陆过渡相—陆相页岩气开发，低油价下陆相页岩油勘探开发等方面取得了丰硕的研究成果，获国家科技进步一等奖2项、技术发明二等奖3项。

建在井场的“前线实验室”

页岩油是藏在泥页岩孔隙和微裂缝里的石油资源，难以动用，长期未受关注。2010年前后，美国经过30余年漫长探索，海相页岩油领域取得突破，带来全球能源革命。

美国页岩油气的成功勘探开发引发了全球范围的油气科技革命。实验室主任、中国科学院院士金之钧说：“页岩油气勘探开发，从常规寻找圈闭，向非常规寻找大面积连续性页岩储集层转变，颠覆了传统圈闭油气成藏理论。”

我国陆相页岩油虽然资源潜力巨大，但却不像美国海相页岩油“天生丽质”，洋理论难以应用。因为陆相页岩油主要由湖泊沉积，沉积物横向变化很大，更加黏稠不易流动，页岩质地也较为松软，难以压裂。实验室副主任、集团公司高级专家黎茂稳说：“以上特征给研究人员带来三个问题：一是哪儿油多，二是哪儿的油更容易流动，三是哪儿的地层更容易压裂开。”

最重要的实验分析对象是岩芯，但页岩油岩芯如何采样、保存、分析以前没有一套成熟的标准，一切都得从头研究。由于页岩油岩芯里的轻烃物质和气体极其容易散失，团队把实验室搬到了井场边，建立一整套采样规范，自主研发实验仪器，把“热腾腾”的岩芯变成新鲜的可靠数据。

团队自主研发的冷冻密闭热解装置能够在岩芯刚钻出时就用零下200多摄氏度的液氮进行冷冻保存，即使在岩芯粉碎处理时产生高温也能有效保存孔隙里的轻烃气体。自主研发的磁流体岩石体积测定仪，实现测定过程的自动化，体积由原来五六个人才能抬得动的大家伙变成了“手提箱”，在国内多个探区得到生产应用。由于需要在钻出第一时间取芯，驻扎井场、凌晨取芯成了团队成员的家常便饭。

团队还加强页岩油赋存、流动与富集机理研究，形成了页岩油资源分类定量评价方法系列和甜点地质地球物理预测软件平台，建立了选区评价指标体系，明确下一步页岩油勘探重点和技术路线图。“陆相页岩油赋存机理与资源分类评价方法”获得2019年度中国石化基础前瞻性研究成果一等奖。

打开页岩气高效开发“密码锁”

2012年11月，随着焦页1HF井气流喷涌，我国页岩气勘探开发进程快马加鞭。但此时，页岩气藏精细描述与开发技术研究在国内几乎空白，必须蹚出一条新路。

以前，国内外测井解释中只是计算总孔隙度，方法简单但结果不够精确。团队经过反复实验攻关，创新性提出页岩气储层发育有机质孔隙、脆性矿物孔隙、黏土矿物孔隙和微裂缝之“四孔隙地质模型”，以此为理论基础研发了测井“四孔隙组分”解释模型，采取不同模型较准确解释游离气、吸附气含量。同时，研发出一系列地震资料特殊处理和解释技术，能够开展“地质—工程双甜点”评价，分尺度开展断裂和裂缝解释，特别是开展水平裂缝预测。在页岩气藏精细描述的基础上，建立了一套地质建模技术，对页岩气藏像做CT一样进行精细描述和三维表征。

页岩气开发中一个很重要的问题是如何准确预测气井的产能和预测气井产量变化趋势，这是论证页岩气藏开发方案的基础，也是页岩气田科学、效益开发的关键。实验室组织开展了页岩气开发气藏流动机理研究，最终建立了一套反映页岩气多段压裂水平井复杂渗流特征的不稳定试井分析、产能评价与预测、生产动态分析、开发技术政策、数值模拟等技术方法，自主研发了一款以页岩气等非常规油气藏开发模拟为主要特色兼顾常规油气藏的数值模拟软件（COMPASS），并应用于现场，为涪陵、威荣、永川等页岩气田开发方案编制、产能建设和生产管理提供有力技术支撑。

仪器设备是实验的基础。实验室先后自主研发实验设备8套，同时引进开发纳米CT、聚焦离子束等高精尖设备，集成建立了一套高精度页岩气地质—开发—工程实验技术。其中，页岩储层微纳米级矿物组分、孔隙结构及物性分析仪器设备是观测“神器”，能够清晰检测显示常规显微镜等无法看到的极细颗粒是何矿物、小到几纳米的孔隙分布及连通特征；页岩现场含气量测定仪拥有批量处理、自动化高的特点，有效避免岩芯搁置太久导致的气体散失。全直径页岩气吸附解吸及衰竭开发物理模拟装置能够在70兆帕、150摄氏度的高温高压下，对岩芯样品保持原始结构并模拟真实地层温度压力下页岩气体流动过程。

石勘院团队在涪陵页岩气田现场开展页岩气岩芯观察描述，支撑涪陵二期页岩气产建工程。冯动军 摄

人工“高速通道”疏通“地下路网”

与常规的天然气资源相比，我国南方海相页岩气层埋藏更深、层位更老、改造更强，地表也更复杂，开发技术属于世界级难题。近年来，实验室通过不懈努力，研发形成了具有自主知识产权、全技术链的水平井钻完井及分段压裂技术。

“从微观上看，页岩气藏相当于一个黑暗的密室，有很多死胡同，且通道狭窄，封锁在其中的气体很难找到出路。”研究人员这样告诉记者，“水力压裂无疑是最直接有效的开采方式，通过创造人工‘高速通道’，形成地下错综有序的‘路网’，为页岩气生产流动提供长期稳定的高速通道。”

面对页岩气地质条件的巨大变化，实验室以形成多尺度复杂缝网为核心，以最大化提高有效改造体积为目标，采取物模+数模、室内+现场的总体思路，开展了大幅提升页岩多尺度水力裂缝有效改造体积技术的攻关研究，在页岩甜点识别与定量描述、多簇裂缝均衡控制、“井工厂”参数优化、单井多尺度裂缝优化、低成本压裂材料、压裂实时快速评估等方面创新研究与应用，全面支撑了中国石化页岩气高效开发。2016年以来，相关研究成果在涪陵区块指导压裂设计及施工179口井3744段，工艺成功率高达100%，累计新增天然气37.63亿立方米，降本增效成效显著；在威荣、永川、丁山—东溪、南川等深层及复杂构造区块开展了多口井现场应用，工艺成功率达100%。

尤其在近两年，实验室形成了以“多簇密切割限流射孔+多级暂堵+高强加砂”为主体的新一代页岩气高效压裂技术，在深层、常压、中深层及加密调整井压裂工程方面取得了多项先进指标，创造了页岩气水平井压裂一系列高新指标，实现了垂深超4200米深层页岩气井压后测试日产31万立方米的产量纪录。