1、第 37 卷 第 4 期 2015 年 7 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING shale oil; exploration and development; review; status; challenge; prospect 页岩油是以页岩为主的页岩层系中所含的原地 滞留油气资源 ， 圈闭界限不明显 ， 无法形成自然工业 产能 。包括泥页岩孔隙和裂缝中的石油 ， 也包括泥 页岩层系中的致密碳酸岩或碎屑岩邻层和夹层中的 石油资源 。直井缝网压裂 、 水平井体积压裂 、 二氧化 碳驱 、 空气驱 、 氮气驱 、 纳米二氧化锌驱等形成 “ 人 造渗透率” 是有效开发页岩油方式
2、 1 。 随着技术水平及开发能力的提高 ， 页岩油成为 最有可能替代石油天然气的能源已是各国的共识 。 早在 2011 年 4 月中国工程院 14 名院士建议国家重 视非常规油气资源勘探开发 ， 增强国家能源保障能 力 2 ；2012 年 1 月 3 日中国石油化工集团宣布以 22 亿美元价格收购德文公司在美国内布拉斯加奈 厄布拉勒 、 密西西比 、 尤蒂卡俄亥俄 、 尤蒂卡密歇根 和塔斯卡卢萨 5 个页岩油气资产权益的三分之一 ， 呼唤廉价石油时代回归 3 ；2013 年 10 月 30 日 ，中 国石油与壳牌页岩油联合开发中心在中国石油勘探 开发研究院揭牌 4 ， 联合研发项目团队将以 “
3、 常规 人 ， 非常规思想 ” 为指导 ， 分别在中国和美国两地开 展 “ 颠覆性创新 ” 联合研发 ；2015 年 1 月 30 日 ，作 为国家能源局批复建设的重要创新平台之一 ， 由贾 承造 、 朱日祥 、 马永生等 9 位院士和 14 位油气领域 学者组成的国家能源页岩油研发中心正式成立并落 户中国石化 5 ；2 个关于页岩油形成 、 富集机理与 作者简介：付茜， 中国地质大学（ 北京 ） 地质工程专业在读硕士研究生。电话：13126725980。E-mail：。59 付 茜：中国页岩油勘探开发现状、 挑战及前景 富集 、 分布规律的国家 973 计划已获国家科技部批 准 6 。 页岩
4、油与页岩气一样储集页岩中 ， 但分布地区 不同 ；虽然页岩油的密度 、 黏度比页岩气高 ， 但基本 上可用相同技术开采 。随着技术不断革新 ， 页岩油 的探矿 、 开发成本很可能进一步降低 。世界各国不 约而同地加快了页岩油气开发的步伐 ， 中国 、 美国 、 日本等国家均把页岩油的开发作为国家重要的能源 战略 ， 加大勘探开采力度 ， 出台最优惠政策 ， 世界页 岩油开始步入大开发时代 。中国在 “ 甜点 ” 评价区 的页岩基质地层发现有石油滞留的纳米级孔隙 7 ， 表明了具有页岩油的资源潜力 ， 开发技术的突破将 成为未来页岩油发展的支撑。 1 中国页岩油分布情况 海相 、 海陆交互相以及
5、陆相页岩和泥岩是含油 气盆地中的优质泥质烃源岩 ， 即中国 3 类富有机质 页岩 8 。其中 ， 海相页岩多为硅质页岩 、 黑色页岩 、 钙质页岩和砂质页岩 ， 风化后呈薄片状 ， 页理发育 ， 分布在扬子地区古生界 、 华北地区元古界古生界 、 塔里木盆地寒武系奥陶系等 ；海陆交互相多为砂 质页岩和炭质页岩 ， 分布在鄂尔多斯盆地石炭系本 溪组 、 下二叠统山西组太原组 、 准噶尔盆地石炭 二叠系 、 塔里木盆地石炭二叠系 、 华北地区石炭 二叠系 、 中国南方地区二叠系龙潭组等 ；陆相页岩 页理发育 ， 分布在松辽盆地白垩系 、 渤海湾盆地古近 系、 鄂尔多斯盆地三叠系、 四川盆地三叠系
6、- 侏罗系、 准噶尔盆地 - 吐哈盆地侏罗系 、 塔里木盆地三叠系 - 侏罗系、 柴达木盆地第三系等。 胡文瑞院士指出 9 ， 中国的页岩油资源潜力巨 大；2013 年 EIA 预测中国有 320 亿 桶（1 桶 =0.14 t ） 的页岩油资源 10 。 中国石油页岩油资源主要集中在吉林 、 大庆和 西北 3 个地区 。中国石化页岩油资源 11 主要分布 于东部断陷盆地古近系 、 东北地区白垩系和鄂尔多 斯盆地三叠系等陆相层系 ， 可供勘探的矿权区块有 41 个， 面积为 11.7610 4km 2 。 陆相含油气湖相页岩广泛发育页岩油 、 致密砂 岩油与致密页岩油 。松辽 、 鄂尔多斯 、
7、 四川等中新代 坳陷盆地 12 及渤海湾新代断陷沉积了厚层湖相富 有机质页岩 、 砂岩与泥岩 13 。例如 ：松辽盆地嫩江 组和青山组 2 套页岩十分发育 ， 嫩江组稳定分布 ， 中 央坳陷区厚度超过 250 m；青山组一段在中央坳陷 区几乎全部为黑色页岩 ， 厚度为 6080 m， -型 干酪根 ， 镜质体反射率 R 0 = 0.9% 1.8%；再如鄂尔 多斯盆地主要为深湖相沉积的延长组 7 段 ， 分布着 平均厚度 2040 m、 面积超过 410 4km 2 的富有机 质页岩 ， 有机碳含量平均高达 14%， -型干酪根 ， R 0 = 0.6% 1.2%。 2 我国页岩油勘探开发现状
8、中国石油和中国石化在重视国内油气勘探开 发 ， 力保国内油气产量稳定并尽可能争取突破的同 时 ， 以页岩油气为突破口 ， 向非常规油气资源进军 ， 践行差异化发展战略 ， 构成了油气勘探在新的历史 时期的资源路线图 。2011 年以来 ， 针对陆相页岩油 勘探开发面临的科学问题与技术难点 ， 相继开展了 23 项科技攻关研究 ， 已在页岩油赋存机理与选区评 价 、 地质地球物理与目标预测 、 优快钻井 、 储层改造 工艺 、 开发设计优化等 5 个方面取得阶段性成果 ， 为 进一步深入开展页岩油勘探开发奠定了良好基础。 2.1 中国石油页岩油开发现状 辽河油田的曙古 165 井在古近系泥页岩段
9、获 得了日产 24 m 3 的工业油流 10， 14。在随后的研究 中发现 ， 辽河西部凹陷砂三中亚段泥页岩中含油率 0.44% 0.88%， 远大于含油率为 0.18% 页岩油产油 下限 15 。 在松辽盆地 K 2 qn 1 钻探的哈 14 井、 古平 1 井、 英 12井 、哈 18 井等 16 ， 泥页岩连续厚度 630 m，有 机质丰度 2%， 0.5% R 0 1.2%， 可采资源量为 10.5610 8t。2012 年 4 月中国石油集团与美国赫世公司 （ Hess ） 签署新疆三塘湖盆地马朗区块合作协议， 包括 如何划分勘探工作 、 勘探的时间和目标等 ；在三塘 湖盆地已钻探
10、35 口井 ， 其中一半探井发现有石油 ； 加速我国页岩油勘探开发工作 ；研究发现 17 ，马 朗 地区页岩油富集的基本条件：R 0 为 0.5% 0.9%，源 岩有机质丰度以型和型为主 ；三塘湖项目合作 的主要目的是引进国外在非常规油气勘探开发方面 的先进技术 、 生产方式和管理模式 ， 快速高效开发三 塘湖盆地页岩油， 并积累技术和经验。 2.2 中国石化页岩油开发现状 傅成玉在谈及页岩油气发展路线图时指出 17 ， 页岩油气有可能成为中国石化非常规油气勘探开发 的桥头堡 。2015 年在国家能源页岩油研发中心启动 会上 ， 傅成玉表示 ， 加快页岩油研发工作 ， 是国家在 能源领域所做的
11、重大部署 。实现发展方式的转变 ， 核心是靠技术创新和驱动 。在页岩油研发领域围绕 降低成本和提高采收率加强技术攻关 ， 实现有效益 的技术突破。 自 2010 年开始 ， 中国石化开展了东部断陷盆地石油钻采工艺 2015 年7 月 （第 37 卷 ）第 4 期 60 页岩油气老井复查复试和评价工作 ， 并在多个凹陷 古近系泥页岩段发现了丰富的油气显示 ， 结合不同 地区泥页岩基础地质条件和工程的可实施性 ， 将东 部陆相盆地泥页岩勘探集中在河南泌阳凹陷和山东 济阳坳陷 11 。 2.2.1 泌阳凹陷安深 1 井 在泌阳凹陷深凹区多口 老井复查发现页岩均见连续气测显示 。2010 年部署 了安
12、深 1 井 。该井既是一口风险探井 ， 又是一口兼探 页岩油气的预探井 ， 2010 年 8 月 28 日完钻 ， 完钻井 深 3 510 m， 9 月 18 日完井， 在古近系核桃园组二段 核三上段共发现页岩 89 层 670 m， 岩性主要为灰色 、 深灰色页岩 ， 多套泥页岩见明显气测异常 18 。2011 年 1 月 23 日对安深 1 井页岩井段进行大型压裂施 工 ， 设计总液量为 1 400.8 m 3 ， 其中滑溜水 450 m 3 ， 交联液 950.8 m 3 ， 总砂量 195.2 t， 100 目粉陶 15.8 t， 30/50 目陶粒 179.4 t。施工历时 171
13、min， 施工排量 达 10 m 3 /min， 实际入井液量为 1 361.9 m 3 ， 加砂总量 为 200.74 t， 3 月 7 日获得最高日产油 4.68 m 3 。为建 立中石化陆相页岩油气勘探开发先导试验区及会战 区奠定了基础。 2.2.2 泌阳凹陷泌页 HF1 井 该井于 2011 年 4 月 23 日开钻 ， 2011 年 11 月 16 日完钻 ， 完钻井深 3 722 m， 侧钻点 1 903 m， 水平段长 1 044 m。平均井径扩 大率 3%， 储层钻遇率 100 %， 井眼轨迹光滑 ， 达到了 工程设计要求 19 。 12 月 8 日完井， 完井井深 3 722
14、 m； 采用钻桥塞完井方案 （ 包括：钻塞施工泵压的确定、 钻塞施工钻压的确定 、 钻塞施工时液体的选择 、 钻桥 塞工具组合 ） 及钻塞施工的详细步骤 11 。通过选择 带压施工装置 ， 配套钻桥塞工具 ， 设定施工参数 ， 历 时 4 d，仅 用 1 只钻头就完成了在 1 042 m 水平段钻 桥塞 14 个 ， 冲砂钻进达 170.93 m， 开创了非常规钻 桥塞的新记录。 2011 年 12 月 27 日 2012 年 1 月 8 日 ，历 时 13 d 完成了 15 级压裂 ， 施工压力 46.5 65.7 MPa。 2012 年 1 月 9 日开始放喷排液 ， 1 月 19 日22
15、 日 用 8 mm 油嘴放喷， 日产油 23.6 m 3 、 天然气 900 m 3 。 页岩油密度 0.863 9 g/cm 3 ，黏 度 13.6 mPa s （ 70 ）。 至 2012 年 6 月 5 日累计排出压裂液 8 596 m 3 ，返 排 率 38.8%， 累计产油 589 m 3 ， 天然气 12 963 m 3 。试 采近 2 个月 ， 泌页 HF1 井页岩油日产量稳定在 10 15 m 3 ， 进一步证实泌阳凹陷陆相页岩油具有良好的 勘探开发前景 。由于地质条件复杂 、 工艺要求高 、 施 工难度大 ， 压裂施工多项参数创中国石化集团乃至 全国纪录 ， 压裂段位在国内陆
16、相页岩油水平井同类 压裂施工中为最高 ， 为油田非常规勘探开发提供了 强有力的技术支撑 20 。此次大型分段压裂喜获工 业油流 ， 是河南油田非常规勘探领域取得的又一新 突破。 2.2.3 济阳坳陷 济阳坳陷 320 余口探井在泥页岩 中见油气显示 ， 其中 30 余口井获工业油气流 ， 表明 具备页岩油气勘探能力 。1973 年在东营中央隆起带 钻探河 54 井 ， 沙三下亚三段 2 9282 964.4 m 泥页 岩段中途测试， 5 mm 油嘴放喷， 日产油 91.4 t。 2011 年对罗 69 井进行了 221 m 泥页岩系统密 闭取心 ， 12 000 余次的化验分析 ， 开展了烃源
17、岩和储 集性能评价以及地球物理预测方面页岩油气的基础 地质研究工作 。在引进国外页岩气研究理论 、 技术 方法的同时 ， 结合陆相页岩的实际 ， 提出了有利目标 区。在此研究基础上部署了渤页平 1 井。 渤页平 1 井是胜利油田首口页岩油探井 ， 于 2011 年 12 月 12 日顺利完钻 ， 完钻层位沙三下 ， 完钻 井深 4 335 m， 水平井段 559 m。技术人员分析该井 第 1 段压后效果不理想的原因 ， 从地质 、 钻井 、 工艺 等方面进行了论证 ， 最终决定采用光套管 、 大排量 、 高砂比实施缝网压裂的新方法进行渤页平 1 井第 2 段大型压裂施工 。累计加入液量 1 2
18、18 m 3 ， 累计加 砂量 100 t， 最高砂比 50%， 平均砂比 20.6%。，累 计 放 喷出液 76 m 3 ， 渤页平 1 井压裂的成功 ， 创造了胜利 油田压裂施工排量最大 、 水平井单级加砂规模最大 2 个新记录。 2.3 中国开发页岩油技术与装备现状 （ 1 ） 优快钻井技术系列 。形成了三开完井的设 计模式 ， 以及空气钻 、 泡沫钻 、 清水钻 、 PDC 螺杆复合 钻 、 国产油基钻井液 +PDC 水平段一趟钻的钻井技 术系列 ， 满足页岩油开发的要求 。2013 年平均钻完 井工期 95 d，最 短 73 d。 （ 2 ） 水平井分段压裂工艺配套技术。 采用大液量
19、、 高排量 、 低砂比 ， 组合加砂 、 混合压裂模式 ， 实现长水 平段可钻式桥塞多级体积压裂。 （ 3 ） 探索实施了井工厂化作业模式。按照井工厂 化作业模式 ， 形成 1 个平台 34 口井的钻前 、 钻井 、 完井 、 压裂等标准化设计 ， 试验了钻井 、 压裂 、 生产的 交叉化作业模式。 （ 4 ） 实现页岩油勘探开发大型压裂成套装备的关 键技术突破 。经过 5 年艰苦攻关 ， 2013 年 3 月 ，中 国 石化研制成功首台 3000 型压裂车 ， 突破了大型压裂 成套装备的压裂泵车 、 混砂车 、 压裂管汇车研发技术 及压裂仪器车数字化控制技术 ， 构建了压裂作业现 场数据分析
20、平台 ， 实现了网络自动控制 ， 能适应中国 特殊道路状况 ， 满足油气井的高压 、 大功率施工作业61 付 茜：中国页岩油勘探开发现状、 挑战及前景 要求 ， 有效代替了性价比不高 、 配件受制约的进口产 品 ， 为油气田稳产增产以及非常规油气资源的开发 利用提供了有力武器 21 。研发的裸眼封隔器 、 桥塞 等井下压裂工具实现工业化批量生产。 3 中国页岩油开发面临的挑战“ 原位滞留聚集或原位成藏 ” 的页岩油储层具 有微 - 纳米级孔喉 、 粒度小 、 非均质性强的特点 。现 有的理论与技术已无法有效支撑页岩油进一步扩大 勘探成果 。制约中国页岩油工业化发展的技术瓶颈 主要包括以下方面。
21、 3.1 沉积环境与分布模式 国内外的学者普遍认为 7， 22-23 ， 页岩是指岩石 粒级小于 62.5 m 的颗粒含量大于 50% 的“细 粒 沉 积岩 ” ， 并初步建立了水体分层 、 海侵 、 门槛 、 洋流上 涌等沉积模式 24-25 ， 但国内的学者侧重于岩石矿物 学的研究上 。因此 ， 建立 “ 细粒沉积学 ” 研究细粒沉 积物的物化性质 、 沉积作用 、 沉积过程 ， 为明确细粒 致密储集层 、 富有机质页岩分布预测 、 有利沉积相带 和富集区优选提供基础依据， 已成为必然趋势。 3.2 页岩油储层微观成分和结构的评价与表征 如何评价细粒页岩储集层基本特征 、 储集层的 性能
22、？如何精细表征微 - 纳米级孔喉 ？解决这些问 题需要国内地质学家要将以实验观察描述为主的研 究思路 ， 转变到开展储集层建模方法 、 参数分布特征 等研究上来 ， 才能为准确评价页岩油储集层提供重 要的理论论据。 3.3 页岩油层地球物理测井遇到挑战 赵政璋等 26 提出的“七性关系” 页岩油测井评 价方法 ， 使页岩油测井评价进入定性到半定量阶段 ， 但因页岩油层地球物理响应差异小 ， 造成油层识别 、 有效储集层的划分 、 参数的识别 、 展布预测等遇到了 测井评价的挑战。 3.4 页岩油富集规律和资源潜力 常规油气的成藏理论与评价方法 ， 面对页岩油 藏已无能为力 ， 致使页岩油的滞留
23、聚集量及赋存状 态不清 。需要建立不同类型的页岩油藏地质预测评 价方法 ， 开展大尺度页岩油分布物理与数值模拟 ， 揭 示地层条件下页岩油的分布与富集规律等 ；评价优 选页岩油富集区与重点勘探区 ；同时 ， 重视技术可 采资源量与储量的计算 27 。 3.5 页岩油的可流动性 具有致密 、 低孔 、 低渗特征的页岩油 ， 常用的热 解参数 、 氯仿沥青 “A” 不能独立作为评价页岩油含 油率的参数 10 。开发过程中不仅要评价层系中残 余油的含量 ， 而且更要评价多少具有可流动性 ， 但国 内外学者的相关研究仍处于探索阶段。 3.6 页岩油工业化开采的技术瓶颈 中国页岩油气开发的关键技术如水平
24、井分段压 裂主要引进国外的技术 、 工具 、 材料及配套设备 。虽 然近年来在某些方面已取得突破 ， 但还处于现场试 验阶段 ， 尚未形成有效 、 成熟的关键技术 ， 制约了页 岩油气的快速发展 。例如 ：最优的压裂程序是什 么 ？最优的井筒结构是什么 ？最优的完井级数是什 么 ？一级完井最佳长度是多少 ？每级应有几簇射孔 炮眼 ？相邻两簇射孔段之间间距多少最佳 ？最佳的 压裂液是什么 ？每级注入多少支撑剂最佳 ？每级注 入多少液量最佳？ 在开发模式上借鉴国外成熟的技术 ， 如页岩原 位加热改质技术 、 纳米二氧化锌驱油技术 、 氮气驱油 技术等 。页岩油的低成本工业化开采 ， 对石油工业 将
25、产生里程碑式的影响。 4 中国页岩油开发前景 近几年中国学者创新发展了连续油气聚集的概 念， 明晰了连续油气聚集（ 页岩油气 ） 在储集层特征、 源储配置 、 聚集特征 、 渗流机理 、 分布特征等与传统 意义常规圈闭存在明显的差别 28-32 。连续油气聚集 主要是滞留在烃源岩内 ， 或经一次运移或近源短距 离二次运移 ， 在盆地中心 、 斜坡等大面积非常规储集 层中准连续或连续分布的油气聚集 ， 无明显圈闭与 盖层界限 ， 流体分异差 ， 无统一油气水界面和压力系 统， 含油气饱和度差异大， 单井无自然工业产能。 中国石化在页岩油方面 ， 近期将重点开展沾化 、 东营 、 泌阳等凹陷的勘探
26、评价和开发试验 。到 2015 年力争实现页岩油勘探及开发试验的突破， 形成 23 个规模建产阵地 ， 有望形成 4010 4t 页岩油产能阵 地。 到 2020 年在济阳坳陷 、 南襄盆地等地区实现整 体规模。 中国石油学会经济委员会委员 、 中国能源研究 会常务理事施国泉认为 ， “ 后石油时代 ， 页岩油是很 现实的替代能源 ” 。并建议中国重视页岩油开发 ， 加 大扶持力度。 “过去由于技术不行， 生产过程污染环 境 ， 这一行业发展受到限制 ， 但现在技术上已经有了 很大的改进 ， 特别是国外有的技术已经非常先进 ， 基 本不存在污染 ， 这为页岩油的大规模生产提供了必 要的技术保障
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