海相深層油氣富集機理與關(guān)鍵工程技術(shù)基礎(chǔ)研究進展

馬永生，黎茂穩(wěn)，蔡勛育，徐旭輝，胡東風(fēng)，曲壽利，李根生，何登發(fā)，肖賢明，曾義金，饒 瑩，馬曉瀟

(1.馬永生科學(xué)家工作室，北京 100083；2.中國石油化工股份有限公司，北京 100728；3.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；4.中國石化 石油物探技術(shù)研究院，南京 211103；5.中國石化 勘探分公司，成都 610000；6.中國石油大學(xué)(北京)，北京 100100；7.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100084；8.中國石化 石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

在國家自然科學(xué)基金委員會和中國石油化工股份有限公司的大力支持下，以中國石化石油勘探開發(fā)研究院為依托單位、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、多學(xué)科交叉融合的聯(lián)合研究團隊，針對海相深層油氣富集機理與關(guān)鍵工程技術(shù)面臨的基礎(chǔ)科學(xué)問題，于2020年1月啟動了國家自然科學(xué)基金企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目(編號U19B6003)。本文將對該項目在前期工作的基礎(chǔ)上取得的初步研究進展和應(yīng)用情況做簡要介紹，期望對國內(nèi)外從事海相深層油氣勘探開發(fā)的同行有一定的借鑒意義。

1 海相深層油氣勘探開發(fā)面臨的問題

塔里木、四川和鄂爾多斯等三大克拉通盆地海相深層油氣是實現(xiàn)中國能源接替的現(xiàn)實領(lǐng)域[1-13]。該領(lǐng)域在國際上受到普遍關(guān)注，但需要持續(xù)攻關(guān)解決諸多基礎(chǔ)地質(zhì)科學(xué)和工程技術(shù)問題[14-15]：

一是在海相深層油氣富集與開采機理方面，需要針對中國三大克拉通盆地構(gòu)造演化的差異性、古老成烴有機質(zhì)生源和白云巖—膏鹽巖沉積的特殊性以及多旋回盆地油氣成藏的多期性，從盆地、油氣藏和納微米等多個尺度，加強海相深層碳酸鹽巖和海相深層頁巖氣形成機理與分布規(guī)律的研究；

二是在深層復(fù)雜介質(zhì)波場理論與多類型目標(biāo)判識方法方面，針對深層目標(biāo)發(fā)現(xiàn)與評價對鉆前預(yù)測的需求，以提高地球物理技術(shù)的精度為目標(biāo)，深化深層高溫高壓儲層的巖石物理性質(zhì)規(guī)律和變化特征認識，揭示深層多類型復(fù)雜儲層測井識別的機理，以期有效解決深層地震資料低信噪比和低分辨率、成像不準(zhǔn)確、地震資料不保幅、以及復(fù)雜油藏環(huán)境引起的綜合評價問題；

三是在高溫高壓巖體—井筒變形機理及安全高效鉆完井控制方法方面，需要針對深層高溫、高壓、高應(yīng)力、強非均質(zhì)性的特點，通過機理研究和技術(shù)攻關(guān)，解決鉆完井工程和控制技術(shù)面臨的鉆井速度慢、井筒完整性失效高、壓裂效率低等突出問題。

2 初步研究進展

2.1 克拉通盆地建造—改造與控油氣作用

研究項目在盆地尺度上加強了多期疊加改造盆地充填過程及構(gòu)造—沉積分異作用、多期構(gòu)造活動及其對多類型變形樣式形成的控制機理研究。

通過對三大克拉通盆地前期野外和巖心觀測結(jié)果梳理，開展了古生界地層對比、井—震標(biāo)定和層位追蹤，識別出主要的古生界地層層序界面。通過整合近期采集的重磁電、深反射地震和深井等油氣勘探資料，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，分析了三大克拉通盆地及周緣山前帶的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造演化[16-17]。將盆地與周緣造山帶分析相結(jié)合，通過沉積充填過程、古環(huán)境、古地理、古氣候系統(tǒng)的對比分析，重建了三大克拉通盆地元古代、寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)、志留紀(jì)的構(gòu)造—古地理環(huán)境，復(fù)原了不同地質(zhì)時期的盆地原型，探討了原型盆地的演化過程。開展了塔里木克拉通奧陶系地層格架和沉積體系的詳細研究，揭示了主要層序發(fā)育期區(qū)域構(gòu)造作用、古地貌形態(tài)、海平面變化、物源體系等對沉積體系發(fā)育分布和古地理的控制作用。重新定位了三大克拉通中—新元古代超大陸聚、散背景下原型盆地古位置，在匯編中—新元古代三大克拉通原型盆地分布圖件的基礎(chǔ)上，分析了控制三大克拉通生成物質(zhì)基礎(chǔ)的共性及差異性。

分別針對四川和塔里木盆地震旦—寒武系黑色頁巖層系開展了野外露頭剖面和鉆井巖心觀測、高精度磁化率和元素地球化學(xué)分析[18-19]。通過典型剖面天文周期旋回分析，明確了四川盆地上震旦統(tǒng)陡山沱組和下寒武統(tǒng)筇竹寺組的沉積持續(xù)時間和沉積速率變化特征。在沉積非均質(zhì)性和高頻地層層序劃分的基礎(chǔ)上，探討了塔里木盆地震旦紀(jì)—寒武紀(jì)轉(zhuǎn)折期古海洋的碳、硫循環(huán)系統(tǒng)與成因機制，揭示了“周期性缺氧+熱液+洋流”共同作用對寒武系玉爾吐斯組烴源巖空間展布和南北雙陸棚沉積模式的控制作用。在塔里木盆地新元古界兩套潛在烴源巖層系巖相特征及發(fā)育情況分析的基礎(chǔ)上，初步明確南華系貝義西組細粒沉積巖主要形成于潮坪環(huán)境，而震旦系扎摩克提組為一套上覆于蓋帽白云巖之上的深水斜坡相沉積。

三大克拉通盆地中新元古代—早古生代經(jīng)歷了被動陸緣伸展期的“臺地—斜坡—盆地”和克拉通匯聚期的“隆—拗”等2個分異階段，而沉積分異作用受控于克拉通內(nèi)裂陷、克拉通邊緣裂陷、克拉通內(nèi)緩坡與克拉通內(nèi)坳陷等四類構(gòu)造背景，在宏觀尺度上初步明確了三大盆地構(gòu)造—沉積分異主要類型[20-23]。通過對四川盆地震旦紀(jì)克拉通內(nèi)裂陷構(gòu)造演化過程及其對優(yōu)質(zhì)儲集體發(fā)育的控制作用分析，明確綿陽—長寧古裂陷槽為南華紀(jì)以來繼承性發(fā)育的陸內(nèi)裂陷，經(jīng)歷了幕式拉張和階段性侵蝕2個發(fā)育階段，提出了震旦系優(yōu)質(zhì)儲層“一高三早”成因模式，即受構(gòu)造分異的控制，優(yōu)質(zhì)儲層沿裂陷槽邊緣呈帶狀分布，其發(fā)育與保持受高能相帶、早期溶蝕、早期白云巖化和早期油氣充注的控制。同時，通過塔里木盆地基底結(jié)構(gòu)和新元古代盆地充填過程分析，明確了盆地的克拉通斷塊基底特征，揭示了基底深大斷裂對新元古代裂谷和中淺層磁性異常體分布的重要控制作用，并在此基礎(chǔ)上劃分了大陸裂解背景下新元古代盆地的3個演化階段(南華紀(jì)裂谷、早震旦世裂—拗轉(zhuǎn)換和晚震旦世拗陷)，其中晚震旦世拗陷階段是臺盆區(qū)儲集體的主要發(fā)育期。

克拉通盆地內(nèi)部穩(wěn)定構(gòu)造帶走滑斷裂體系是三大克拉通盆地海相深層近期油氣勘探突破的重要領(lǐng)域。通過對塔里木盆地順北及鄰區(qū)走滑斷裂體系的解剖，初步揭示了順北及鄰區(qū)走滑斷裂體系展布、構(gòu)造活動期次的差異性及其對油氣富集的控制作用[24]。通過400余組斷裂剖面解析和2 000 km2地震資料解釋，發(fā)現(xiàn)順北走滑斷裂體系呈“帶狀”發(fā)育，而順南和塔北走滑斷裂體系呈“網(wǎng)狀”分布。托普39斷裂體系經(jīng)歷了加里東中期—海西早期、印支期和喜馬拉雅期3個活動階段，而順北1號和順北5號斷裂帶的活動期分別在加里東中期Ⅲ幕、加里東晚期和海西中晚期。這些斷裂帶的對比研究結(jié)果表明，主活動期與油氣成藏期匹配的主干斷裂帶是油氣富集的有利部位。同時，上覆雁列正斷層活動越強，對應(yīng)的深部平移走滑段和疊接拉分段對儲層改造程度越高，油氣在相應(yīng)部位就越富集。在主干斷裂研究方面，針對順北5號斷裂南段提出的“中部主走滑斷面+兩側(cè)地塹斷面”復(fù)合構(gòu)造樣式得到了實鉆證實，并且在中部主走滑斷面獲得高產(chǎn)油氣突破；明確了順北4號斷裂具有“縱向分層、平面分段、垂向多期”空間結(jié)構(gòu)與發(fā)育演化特征；建立了順北11號斷裂碳酸鹽巖目的層“北部壓隆段、南部拉分段”地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

克拉通盆地邊緣逆沖斷裂帶是海相深層油氣勘探突破的另一個重要領(lǐng)域。在構(gòu)造擠壓作用下，盆緣造山楔往往沿多層次軟弱層向盆內(nèi)發(fā)生階梯式滑脫[25-26]。在復(fù)合山前沖斷帶變形機制研究的基礎(chǔ)上，建立了“以主滑脫層深度為主、兼顧變形樣式”的沖斷結(jié)構(gòu)分帶分類模式，并提出了厚皮帶、過渡帶(過渡Ⅰ帶、過渡Ⅱ帶)和薄皮帶的劃分依據(jù)。龍門山前過渡帶構(gòu)造應(yīng)力分布模式研究表明，龍門山前1號斷裂帶是油氣運移的主要通道，而斷裂帶根部下盤古生界與斷裂前緣末端之間的應(yīng)力差是油氣運移的主要動力。此外，項目團隊還針對米倉山前構(gòu)造帶開展了構(gòu)造解析工作，初步建立了“早期多層滑脫變形、晚期基底隆升沖斷掀斜改造”兩期變形模式，揭示了米倉山前和龍門山前變形結(jié)構(gòu)特征的差異性。

2.2 海相深層油氣富集與開采機理研究

海相深層油氣是中淺層烴源演化和深部地質(zhì)過程綜合作用的產(chǎn)物。由于深部地層經(jīng)歷了多期構(gòu)造演化和烴類生排運聚過程，深部烴源判識和有效性評價面臨著一系列挑戰(zhàn)。初步模擬實驗和物質(zhì)平衡計算結(jié)果表明[27]，熱裂解對干酪根碳同位素分餾作用的影響有限，海相干酪根生成天然氣的成熟度(Ro)上限大致為3.0%。熱演化進程中烴類的聚集是一個不斷向零自由能趨勢發(fā)展的過程，受動力學(xué)控制，終極產(chǎn)物包括甲烷和石墨碳(焦瀝青)。不同類型和不同熱演化程度生烴母質(zhì)(Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型干酪根)物質(zhì)平衡理論計算結(jié)果顯示，干酪根碳同位素分餾主要發(fā)生在熱降解生排烴階段(δ13C干酪根變化幅度小于1‰)，而原油裂解成氣，同位素分餾可達到1.4‰。這一認識得到了美國鷹灘頁巖自然演化系列觀測結(jié)果的證實，從未成熟到過成熟階段(Ro從0.4%～2.75%)的富有機質(zhì)頁巖干酪根碳同位素增加幅度不超過2‰，且對應(yīng)的飽和烴和芳烴的δ13C值分別比干酪根輕1.5‰和2.5‰。選擇不同熱演化程度的典型烴源巖和原油開展熱演化模擬實驗，發(fā)現(xiàn)盡管在不同階段形成的天然氣碳同位素有明顯分餾現(xiàn)象，實驗得到的干酪根同位素值從中低成熟到高過成熟階段并沒有明顯的分餾效應(yīng)。因此，高過成熟烴源巖穩(wěn)定碳同位素和相對組成可以提供頁巖層系形成的古環(huán)境信息。中國南方震旦—寒武紀(jì)過渡期有機碳和無機碳同位素負異常，反映了古海洋碳循環(huán)的突變；碳酸鹽臺地到大陸斜坡—盆地相干酪根δ13C值變低，與熱液硅質(zhì)巖相關(guān)的黑色頁巖有機質(zhì)往往具有極低的δ13C值。塔里木盆地臺盆區(qū)原油碳氫同位素和分子標(biāo)志物多種分布模式，揭示了復(fù)雜的烴類生源和成藏改造效應(yīng)[28-29]。

深埋過程中多類型碳酸鹽巖儲集體形成發(fā)育與斷裂—流體耦合改造作用機理研究取得重要進展[30-32]。順北北部斷裂帶檢測出低溫—中低溫富CO2流體與富H2S流體存在的證據(jù)，黃鐵礦硫同位素組成顯示出微生物硫酸鹽還原作用(BSR)與高溫?zé)峄瘜W(xué)硫酸鹽還原作用(TSR)兩種類型，它們的成因可能與巖溶流體深循環(huán)和中基性火山活動相關(guān)。在順北南部斷裂帶發(fā)現(xiàn)多種類型深部來源的溶蝕性富硅富氟熱液流體，導(dǎo)致在古城18、順北53x與順南4等井區(qū)所處的斷裂帶發(fā)育規(guī)模性熱液成因儲層。開放體系、封閉體系和封閉—半開放—封閉體系碳酸鹽巖溶蝕—沉淀熱力學(xué)計算結(jié)果表明，近地表開放體系是早期孔隙形成的重要環(huán)境，而封閉體系提供了孔隙后期有效保存的重要條件。微生物巖是海相深層重要烴類儲集類型之一，近年來受到了廣泛關(guān)注。項目組圍繞四川盆地?zé)粲敖M微生物巖開展了初步工作，將燈影組劃分為4個三級層序(SQ1—SQ4)和12個四級層序(sq1—sq12)，并通過實際樣品解剖結(jié)果和模擬實驗結(jié)果對比，提出了其中存在原始微生物介導(dǎo)的納米級原生白云石球粒的證據(jù)。

針對深層油氣賦存相態(tài)和轉(zhuǎn)化機理研究，在詳細的文獻調(diào)研基礎(chǔ)上，初步建立了制備原油熔融毛細管樣品的實驗方法，為下一步開展原油可視化溫壓演化研究打下了基礎(chǔ)。同時，系統(tǒng)梳理了塔里木盆地鉆井系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測溫、試油溫度、巖石熱導(dǎo)率和生熱率數(shù)據(jù)。研究表明，塔里木庫車北緣和塔東南溫度最高，塔西南和阿瓦提地區(qū)最低，順托果勒地區(qū)總體上由順北至順南逐漸升高。順托果勒地區(qū)油氣藏流體相態(tài)復(fù)雜多變，原油在具有大體相似的地球化學(xué)特征背景上，不同斷裂帶原油在氣油比和分子組成上存在著細微差異，指示原始烴源巖沉積有機相、烴源灶和次生改造歷史的差異性[33-35]。在四川盆地，初步梳理了重點研究區(qū)現(xiàn)今和古地溫分布基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)川西南和川中地區(qū)地溫梯度較高，而川西和川東北地區(qū)地溫梯度較低，為后續(xù)油氣賦存相態(tài)和轉(zhuǎn)化機理研究奠定了基礎(chǔ)。

深層碳酸鹽巖油氣成藏動力機制與碎屑巖體系存在顯著差異。潛在發(fā)育區(qū)預(yù)測方法是油氣成藏研究的難點之一。順北地區(qū)發(fā)現(xiàn)的油氣以輕質(zhì)油—揮發(fā)油為主，油氣藏均未飽和，平面上呈現(xiàn)出“北重南輕”、輕質(zhì)油氣藏—揮發(fā)油氣藏依次分布的特征，走滑斷裂幾何學(xué)分段性控制了儲集體的獨立性與油藏的分割性。針對川中地區(qū)寒武系龍王廟組斷層—儲層復(fù)合輸導(dǎo)體系，分別定量確定了斷層垂向輸導(dǎo)體系和儲層橫向輸導(dǎo)體系的輸導(dǎo)效率，并在此基礎(chǔ)上完成了斷層—儲層復(fù)合輸導(dǎo)體系輸導(dǎo)效率的定量評價工作。初步確定四川盆地海相地層孔隙型儲集體浮力成藏下限對應(yīng)的孔隙度為5%、滲透率為1×10-3μm2、鏡質(zhì)體反射率Ro為1.3%。針對裂縫型碳酸鹽巖儲層相應(yīng)的研究工作尚處于早期探索階段。現(xiàn)有證據(jù)表明，四川盆地二疊系長興組—三疊系飛仙關(guān)組天然氣存在原油裂解氣和烴源巖裂解氣兩種成因類型，主要來源為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M/吳家坪組烴源巖。現(xiàn)今工作的重點是建立有效烴源發(fā)育模式、有機相展布及其與天然氣成藏系統(tǒng)非均質(zhì)性的成因聯(lián)系[36-38]。

海相深層碳酸鹽巖油氣開采機理研究，聚焦在四川盆地以普光和元壩為代表的酸性氣藏和塔里木盆地以順北為代表的斷縫型碳酸鹽巖油藏。針對酸性氣藏開發(fā)，液態(tài)硫和固體硫的析出是目前普光和元壩等氣藏開發(fā)中面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)。項目開展過程中，測定了元壩氣藏硫溶解度圖，明確了元壩氣田液態(tài)硫析出條件為150 ℃和24.8 MPa。測定了毛壩502井單質(zhì)硫析出曲線，繪制了氣體相圖，并確定大灣地區(qū)地層固硫析出條件為100 ℃和19.2 MPa。完成了水—液態(tài)硫和水—固態(tài)硫等兩相流動規(guī)律實驗設(shè)計方案。采用溶質(zhì)溶解法獲得的實驗結(jié)果表明，隨著含硫飽和度的增加，巖心的分選系數(shù)和平均半徑減少。H2O—CO2體相擴散實驗結(jié)果表明，CO2在地層水中的溶解度隨壓力升高而呈非線性增加，壓力越高增幅越小，而CO2溶解度隨礦化度升高呈非線性減小。利用壓力—濃度監(jiān)測雙系統(tǒng)搭建了CO2—CH4擴散系數(shù)測試實驗裝置，體相條件下CO2在地層水中的擴散系數(shù)呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。

針對塔里木盆地順北深層海相碳酸鹽巖油藏流動機理與開發(fā)方法研究[39]，推導(dǎo)了油—氣—水三相平衡Rachford-Rice方程，提出了求解油—氣—水三相平衡方程的復(fù)合求解算法。該算法穩(wěn)定性好、適用性廣，既可用于油—氣—水三相平衡求解，又可用于多相平衡及具有相同方程形式的非線性方程組的求解。通過模擬實驗，揭示了海相深層碳酸鹽巖油藏單相和兩相流流動規(guī)律，探索了溫壓變化對油水兩相相對滲透率的微觀制約機制?；凇半x散溶洞裂縫+多重介質(zhì)+EDFM”的復(fù)合介質(zhì)模型，建立了復(fù)合介質(zhì)流體流動—溫度—應(yīng)力多場耦合的數(shù)學(xué)模型，形成了流體流動—溫度—應(yīng)力耦合的FEM-FVM混合數(shù)值離散方法。探索了深層碳酸鹽巖油藏人工智能開發(fā)方法，實現(xiàn)了對串珠儲集體的三維表征。以縫洞油藏數(shù)模軟件KarstSim為核心，在KIModels平臺中首次實現(xiàn)了地球物理模型、地質(zhì)模型、油藏動態(tài)模型的全流程構(gòu)建和加載，初步形成了縫洞儲集體“三模合一”方法。

2.3 海相深層頁巖氣富集與開采機理研究

初步查明了富有機質(zhì)頁巖的排油效率及其影響因素，揭示了高—過成熟海相頁巖中原生水賦存機理[40-42]。低成熟湖相頁巖樣品的黃金管熱模擬實驗結(jié)果表明，頁巖的排油效率主要受控于有機質(zhì)類型和熱成熟度，有機質(zhì)類型越好(I型有機質(zhì))、成熟度越高，其生排滯油量越多，排油效率越高。而且，頁巖滯留油量與生油量呈現(xiàn)很好的線性正相關(guān)關(guān)系。高—過成熟龍馬溪組頁巖的孔隙度、原生水量、原地氣量和氣體組分分析結(jié)果顯示，高—過成熟頁巖中原生水主要賦存于黏土礦物孔隙中，原生水的存在大幅度降低了頁巖的吸附性能。在此基礎(chǔ)上，探討了有機質(zhì)豐度對頁巖孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)和原地含氣量的制約作用。

建立了深層頁巖孔隙結(jié)構(gòu)全孔徑多尺度定量表征方法[43-45]。優(yōu)選QSDFT法模型作為處理氣體吸附數(shù)據(jù)的首選模型，建立了CO2、N2吸附和高壓壓汞法聯(lián)合表征深層頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的全孔徑表征方法；相對于常規(guī)蓋層微孔聯(lián)合分析技術(shù)，表征出的微孔隙比原測定值高出數(shù)倍。應(yīng)用該方法確定的深層頁巖微孔在總孔隙中的占比超過三分之一。搭建了頁巖孔隙分析的核磁共振分析平臺，建立了深層頁巖孔/縫一體化綜合分析技術(shù)。根據(jù)獲取的深層頁巖T2截止值、表面弛豫率參數(shù)及孔隙流體束縛特征，識別出頁巖孔隙中的自由流體孔隙、束縛流體孔隙和不可動流體孔隙特征，建立了深層頁巖孔/縫一體化綜合分析技術(shù)，準(zhǔn)確獲取深層頁巖孔隙度和孔隙與微裂縫占比，有效地評估了微裂縫的儲集貢獻，在所分析的樣品中微裂縫在總孔隙體積的占比達到15%左右。開發(fā)了場發(fā)射掃描電鏡大面積圖像拼接分析技術(shù)(MAPS)，發(fā)現(xiàn)在分析視域達到50 μm×50 μm時，微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果才具有較好的代表性。

通過對現(xiàn)今埋深在6 000 m左右的五峰組—龍馬溪組巖心分析，發(fā)現(xiàn)了高孔和有機孔發(fā)育的超深層深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖。普順1井優(yōu)質(zhì)頁巖厚度達44 m，平均TOC和孔隙度分別為 3.66%和5.22%；蜂窩狀有機質(zhì)孔發(fā)育，孔徑范圍在2～80 nm之間，孔隙結(jié)構(gòu)與4 500 m以淺的黑色頁巖相似，具有較好的頁巖氣生成和儲集能力。通過與北美海相頁巖氣對比分析，明確了深層發(fā)育“高孔”優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育與保持機理，即深水陸棚相頁巖生物成因硅質(zhì)是深層頁巖孔隙發(fā)育的基礎(chǔ)，原生蛋白石隨地溫增高轉(zhuǎn)化成高硬度石英，伴生大量粒間孔，石英及粒間孔抗壓實作用強，為油氣生成、有機孔的發(fā)育和保持提供了空間和保護；儲層高流體壓力可以減緩作用在頁巖儲層的有效應(yīng)力，有利于深層頁巖孔隙深埋和后期抬升過程中孔隙的保持；“石英抗壓保孔”和“儲層流體超壓”的聯(lián)合作用，有利于深層發(fā)育“高孔”優(yōu)質(zhì)儲層。在此基礎(chǔ)上，初步建立了深層優(yōu)質(zhì)頁巖儲層發(fā)育模式[46-48]。

深層頁巖氣多相態(tài)多機制流動機理研究取得初步進展[49]。綜合利用室內(nèi)甲烷吸附解吸特性實驗和分子動力學(xué)模擬聯(lián)測，獲得了深層頁巖在100 MPa和150 ℃全溫度壓力域內(nèi)的吸附解吸特性曲線和預(yù)測模型，分別明確了干酪根、石英和伊利石等對甲烷分子吸附、解吸的作用機制以及控制游離和吸附氣相對比例的規(guī)律。根據(jù)四川盆地典型深層頁巖氣藏的溫壓條件，建立了高溫高壓條件下干酪根納米孔隙中甲烷分子流動模型；根據(jù)牛頓定律和化學(xué)勢理論，構(gòu)建了有機質(zhì)納米孔中驅(qū)動壓差數(shù)學(xué)表征模型。提出了流—覆壓梯次協(xié)同恢復(fù)測定深層頁巖原位應(yīng)力敏感實驗方法，研發(fā)了耐壓180 MPa和耐溫200 ℃的超高壓實驗系統(tǒng)，形成的實驗系統(tǒng)比傳統(tǒng)方法更能真實地反映原始受力狀態(tài)和衰竭開采過程。川南深層頁巖原位應(yīng)力敏感測試結(jié)果表明，殘余滲透率在地層壓力接近廢棄壓力(10 MPa)時，僅為初始滲透率的10%～20%。創(chuàng)建了頁巖數(shù)字巖心網(wǎng)絡(luò)模型，改進格子玻爾茲曼方法，建立了刻畫頁巖氣流動的微尺度流動LBM模型。針對深層頁巖微納米尺度孔隙中的多相流動，建立了孔隙結(jié)構(gòu)分形模型，探究了孔隙結(jié)構(gòu)與流體微觀運移速率的關(guān)系。

針對深層頁巖氣開發(fā)動態(tài)評價與數(shù)值模擬方法研究，建立了深層頁巖氣流—固—熱多場耦合數(shù)學(xué)模型，初步形成了兩種深層頁巖壓裂水平井動態(tài)產(chǎn)能預(yù)測方法。開展高溫高壓巖石三軸應(yīng)力實驗，確定了深層頁巖儲層巖石力學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)深層頁巖的楊氏模量和泊松比高于中淺層，由此建立了深層頁巖儲層巖石力學(xué)本構(gòu)方程。考慮頁巖氣藏的吸附與解吸、克努森擴散效應(yīng)和熱效應(yīng)，初步建立了深層頁巖氣藏氣水兩相的滲流場—應(yīng)力場—溫度場耦合數(shù)學(xué)模型，并進行求解?？紤]壓裂縫網(wǎng)不同支撐程度，建立了頁巖氣變裂縫導(dǎo)流能力壓裂水平井產(chǎn)能預(yù)測方法，編制了產(chǎn)能評價模塊，實現(xiàn)了“近井支撐裂縫”和“遠井未支撐裂縫”的定量區(qū)分。分析了不同縫網(wǎng)參數(shù)對產(chǎn)能的影響，定量評價了永川區(qū)塊5口井的壓后縫網(wǎng)參數(shù)，水平井壓后裂縫半縫長30～80 m，其中支撐裂縫半長20～40 m，占裂縫長度比例50%～66%。支撐裂縫半長反映了有效改造范圍的大小，對氣井產(chǎn)能具有重要的影響。在這些工作的基礎(chǔ)上，預(yù)測永川區(qū)塊氣井30年單井可采儲量為(0.6～1.1)×108m3。建立了頁巖氣壓裂水平井氣—水兩相滲流模型，采用物質(zhì)平衡方法和逐次迭代替換法，對模型進行線性化處理和迭代求解，初步形成了深層頁巖氣、水兩相動態(tài)產(chǎn)能預(yù)測方法。實例計算分析了氣、水兩相滲流對壓裂水平井產(chǎn)能的影響，認識到產(chǎn)能模型如果不考慮氣、水兩相滲流，就無法擬合早期流動階段，反演得到的裂縫長度就會偏小，改造區(qū)物性偏差，預(yù)測的產(chǎn)能偏差較大。

2.4 海相深層復(fù)雜構(gòu)造成像與儲層預(yù)測方法研究

深層復(fù)雜構(gòu)造與儲層地震波場傳播機理研究取得重要進展[50-52]。通過7個不同特征的沙漠近地表2D模型構(gòu)建和對比分析，發(fā)現(xiàn)順北地區(qū)沙漠近地表的多次波及其散射噪音是該區(qū)地震資料信噪比低的主要原因，由此開發(fā)了張量屬性和螞蟻體屬性相結(jié)合的斷縫體刻畫建模技術(shù)。通過兩點與多點地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的結(jié)合，開發(fā)了基于多點模式相關(guān)性的儲層建模方法，充分發(fā)揮了兩點地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)在連續(xù)型參數(shù)建模和多點地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)在模擬復(fù)雜地質(zhì)體方面的優(yōu)勢。自主開發(fā)的快速地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法，在后驗概率分布函數(shù)的計算過程中，避免了大型矩陣求逆或無數(shù)次的地震正演迭代過程，從而大大減少了隨機反演的計算量。形成了格子玻爾茲曼波場模擬方法(LBM)，推導(dǎo)了單、多松弛時間的穩(wěn)定性條件?；诖罅坎煌沙趨?shù)組合波場模擬結(jié)果，借助統(tǒng)計分析方法，獲得了多松弛時間LBM中松弛參數(shù)估算的穩(wěn)定性條件。

針對深層復(fù)雜目標(biāo)建模與成像方法研究，開展了基于波場傳播過程的多次波正演技術(shù)研發(fā)，形成了多次波識別的有效方法[53]。發(fā)展了基于波場延拓的層間多次波模擬與消除技術(shù)。面向海相深層復(fù)雜地質(zhì)體，形成了淺—中—深全層系地震速度建模體系。研發(fā)了高斯束層析近地表速度建模技術(shù)，針對小尺度火成巖，實現(xiàn)對異常體的精細刻畫；針對超深層斷裂速度精細建模引入斷裂屬性特征，實施定量地質(zhì)信息導(dǎo)引下的高斯束層析；針對沙漠地表強吸收衰減，通過品質(zhì)因子Q建模技術(shù)反演得到高質(zhì)量的Q值模型，結(jié)合粘聲介質(zhì)Q-RTM技術(shù)實現(xiàn)精確成像。開展了各向異性速度/參數(shù)建模方法和各向異性逆時偏移成像方法等研究，基本建立各向異性介質(zhì)的速度和參數(shù)建模和疊前偏移成像處理的技術(shù)流程，具備了實際數(shù)據(jù)處理能力。研發(fā)了支持大規(guī)模計算以滿足生產(chǎn)需求的全波形反演技術(shù)及處理流程，并開展了針對順北地區(qū)深層構(gòu)造的全波形反演應(yīng)用測試。

在深層多類型儲層與流體識別機理研究方面，完成了碳酸鹽巖臺緣和臺內(nèi)礁灘相沉積模式的地質(zhì)調(diào)查，完成了典型樣品的基礎(chǔ)孔滲、超聲與低頻變壓彈性參數(shù)和電參數(shù)實驗測量?；诔暡▽嶒灁?shù)據(jù)，明確了孔滲、密度分布、孔隙類型和孔隙結(jié)構(gòu)特征以及孔隙度滲透率相關(guān)性，速度隨有效壓力變化的非線性特征。依據(jù)巖樣微觀結(jié)構(gòu)特征和速度隨有效壓力的非線性變化，將孔隙體系轉(zhuǎn)化為不同形狀的硬孔隙(縱橫比α>0.01)與軟孔隙(縱橫比α<0.01)的組合(雙孔隙結(jié)構(gòu))；并在此基礎(chǔ)上，利用巖石速度—壓力實驗觀測結(jié)果，求取介質(zhì)中兩類孔隙縱橫比及其相對含量分布特征。在微觀尺度上，研究了復(fù)雜孔隙分布特征對巖石噴射流作用的影響機理。通過巖石物理彈性參數(shù)對裂縫、非均質(zhì)體及含流體性質(zhì)的敏感性研究，構(gòu)建了介觀尺度裂縫與流體斑塊影響的巖石物理理論模型，并應(yīng)用于巖石裂縫中含不同流體時彈性參數(shù)的頻散和衰減特性預(yù)測，以及流體/裂縫參數(shù)對VTI介質(zhì)各向異性彈性參數(shù)頻變規(guī)律預(yù)測[54-56]。

在深層多類型儲層預(yù)測與識別技術(shù)研究方面，開發(fā)了基于波動方程的寬帶阻抗反演方法，提高了阻抗反演分辨率。開發(fā)的廣義子波提取方法，對巖溶串珠邊界和頁巖薄層的分辨率提升顯著，在裂縫和各向異性較強區(qū)域與裂縫密度曲線的吻合度較高。針對不同斷裂寬度、垂向斷距的斷裂帶，開展了地質(zhì)模型構(gòu)建和正演模擬分析；針對不同尺度的斷裂，開展了屬性分析和斷裂增強技術(shù)測試；對不同方式構(gòu)建的低頻模型進行了反演測試和迭代反演初步研究。通過基于動態(tài)字典的地震數(shù)據(jù)提高分辨率方法研究，形成了原子最優(yōu)中心時間、最優(yōu)頻率快速搜索、最優(yōu)振幅與相位反演等技術(shù)，在重構(gòu)信號時增加了高頻原子的比例，提高了地震數(shù)據(jù)分辨率。建立了方位寬帶阻抗與各向異性流體因子的關(guān)系，融合了測井、地震、地質(zhì)和巖石物理信息；開展了分方位的阻抗反演敏感性分析，基于全局的共軛梯度算法獲得流體因子確定性解，驗證了方位各向異性流體因子反演的可行性。研發(fā)了基于KNN的儲層分類標(biāo)簽擴展技術(shù)和異常樣本標(biāo)簽自動清洗技術(shù)，為滿足深度網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練標(biāo)簽需求奠定了基礎(chǔ)[57-62]。

為了建立深層頁巖氣甜點識別與壓裂監(jiān)測方法，開展了深層頁巖實驗巖石物理測試分析[63-64]。模擬了實際地層條件下測定不同頁巖樣品的儲層物性參數(shù)、巖石力學(xué)參數(shù)和動靜態(tài)彈性參數(shù)，明確參數(shù)間關(guān)系。開展了深層頁巖理論巖石物理模型構(gòu)建及分析，建立了基于地質(zhì)條件約束的頁巖各向異性巖石物理自適應(yīng)模型，構(gòu)建了針對深層頁巖的單井破裂和坍塌壓力的預(yù)測模型，實現(xiàn)了單井巖石力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)的構(gòu)建。開展了深層頁巖脆性指數(shù)直接預(yù)測技術(shù)研究及應(yīng)用，綜合考慮巖石礦物組分和彈性參數(shù)，合理地描述了巖石的脆性隨礦物、孔隙度、微觀結(jié)構(gòu)等的變化特征，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)脆性頁巖的良好表征。開展稀疏臺站微地震采集和處理技術(shù)研究，建立了稀疏臺站布設(shè)準(zhǔn)則?；谙∈枵军c采集端有效信號的觸發(fā)機制，開發(fā)了無線通信模塊，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)至云服務(wù)器的4G有效傳輸，形成了針對稀疏臺站微地震數(shù)據(jù)的P、S波聯(lián)合事件識別和定位方法。開展了震源機制反演技術(shù)研究，在稀疏的三維觀測情況下，推導(dǎo)了矩張量震源應(yīng)力加載方程，提出了震源機制反演方法，實現(xiàn)了壓裂破裂震源矩張量及人工裂縫走向、傾向和滑動角的反演。

2.5 高溫高壓油氣安全高效鉆完井工程基礎(chǔ)理論與方法研究

以認識深部儲層物性和壓力體系為研究目標(biāo)，分析了川東北等地區(qū)的海相碳酸鹽巖地層地質(zhì)、開發(fā)等資料，發(fā)現(xiàn)其層系的超壓分布與儲層巖性和儲層類型密切相關(guān)，孔隙型儲層(主要巖性為白云巖)基本不發(fā)育超壓，而裂縫型儲層(主要巖性為灰?guī)r)則會發(fā)育超壓和強超壓。研制了一套碳酸鹽巖聲力學(xué)響應(yīng)測試系統(tǒng)，并根據(jù)川東北等地區(qū)的鹽巖特征，制備了一批人工巖樣，開展碳酸鹽巖地層聲力學(xué)響應(yīng)特征物理模擬實驗，分析了孔隙度、圍壓、孔隙壓力、孔隙介質(zhì)等參數(shù)對巖樣聲力學(xué)響應(yīng)特性的影響規(guī)律[65-66]。基于非常規(guī)儲層的傳統(tǒng)孔隙壓力預(yù)測模型，針對傳統(tǒng)方法對于混合生烴作用的異常高壓頁巖油氣儲層預(yù)測精度低這一問題，對有機質(zhì)處于高—過成熟階段的頁巖儲層，建立了新的物理意義明確的高—過熟Ⅰ型干酪根生烴增壓模型。

以高溫高壓條件下高效破巖為研究目標(biāo)，以傳統(tǒng)振動模型為基礎(chǔ)，建立了添加Abel阻尼器的新型鉆進振蕩模型，研究了沖擊鉆進中鉆頭與巖石之間的動態(tài)相互作用，發(fā)現(xiàn)高溫地層比常規(guī)地層更適用于沖擊鉆井，矩形沖擊載荷的鉆進效果最佳。通過物理實驗和數(shù)值模擬結(jié)合，探索了軸向沖擊和軸扭耦合沖擊作用下硬巖的破碎機理，分別模擬計算了沖擊輸入端的軸向和扭力沖擊應(yīng)力波，分析了沖擊參數(shù)對沖擊能量傳遞效率的影響規(guī)律[67]。通過對比國內(nèi)外扭力沖擊工具、旋沖螺桿鉆具技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用情況，利用螺桿鉆具馬達試驗機與整機試驗臺架，制定了扭沖工具和旋沖工具工作性能參數(shù)室內(nèi)試驗測試方案。建立了單齒常規(guī)切削、扭轉(zhuǎn)沖擊切削和復(fù)合沖擊切削等三種方式的三維數(shù)值計算模型，對比研究了三種切削破巖方式下巖屑形成、破巖比功和破巖效果等問題。

以深層—超深井井壁穩(wěn)定性為研究目標(biāo)，對丁山地區(qū)龍馬溪組深淺層頁巖巖心開展XRD、SEM和孔滲等測試，初步明確了海相深層頁巖的基礎(chǔ)理化性能及非連續(xù)結(jié)構(gòu)特征。表征了海相深層頁巖的微裂隙萌生擴展和礦物溶蝕等兩種水巖損傷模式，揭示了深層頁巖水巖作用損傷的各向異性特征和井壁圍巖劣化的微觀機制。提出了應(yīng)力多物理場動態(tài)響應(yīng)模式，構(gòu)建了地應(yīng)力及井周應(yīng)力動態(tài)響應(yīng)模型，初步分析了地應(yīng)力的時空演化規(guī)律及井周應(yīng)力動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。通過統(tǒng)計分析，明確了順北地區(qū)志留系和奧陶系縫洞地層漏失特征。通過模擬分析，揭示了鉆井液環(huán)境與地層環(huán)境條件差異性，明確了地層驅(qū)動因素[68-69]。根據(jù)形態(tài)模擬、特征信號監(jiān)測和熱力學(xué)計算，構(gòu)建了環(huán)境響應(yīng)型封堵固壁材料結(jié)構(gòu)模型。

以井筒完整性為研究目標(biāo)，測試了常溫和高溫下油井水泥石單軸和三軸力學(xué)性能，揭示了水泥石力學(xué)變形特性和強度破壞模式，測試了循環(huán)荷載下水泥石應(yīng)力應(yīng)變特征，建立了水泥石本構(gòu)模型和損傷變量表征方法[70]。建立了多因素耦合下套管受力模型，分析了套管載荷變化規(guī)律。綜合考慮頁巖各向異性、溫度劇變和巖性界面對套管變形的影響，建立了各向異性頁巖儲層巖性界面處熱—流—固耦合作用下的套管—水泥環(huán)—頁巖地層數(shù)值模型。開展了高溫高壓下單一酸性氣體及其組合對油井水泥石的腐蝕實驗，分析了腐蝕后的產(chǎn)物、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和滲透率變化規(guī)律，初步形成了酸性氣體對水泥石的腐蝕規(guī)律。明確了滿足動載條件下的水泥環(huán)密封完整性智能水泥漿性能，初步研選和開發(fā)了配制該型智能水泥漿體系的關(guān)鍵材料。

以儲層改造為研究目標(biāo)，調(diào)研了國內(nèi)外壓裂縫網(wǎng)體形成的宏觀和微觀機理相關(guān)研究進展，開展了深層頁巖溫度應(yīng)力條件下擬三軸巖石力學(xué)實驗，初步揭示了深層頁巖溫度—應(yīng)力作用下巖石非線性變形的力學(xué)機制。通過模擬四川盆地龍馬溪組層狀頁巖儲層水力裂縫起裂擴展，明確了高應(yīng)力條件下深層頁巖裂縫擴展規(guī)律，并根據(jù)擴展形態(tài)將深層頁巖水力裂縫在垂向上劃分為四種典型類型[71]?；谙鄨龇ń⒘怂釅毫芽p擴展模型，開展了酸壓裂縫與隨機孔洞溝通機制的模擬實驗，揭示了縫洞型碳酸鹽巖的酸壓裂縫起裂與擴展規(guī)律[72]。在不同應(yīng)力加載條件下頁巖裂縫導(dǎo)流能力變化規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，明確了高導(dǎo)流鋪砂模式[73-74]。

以裝置方法構(gòu)建為研究目標(biāo)，開展了隨鉆遠探測與常規(guī)方位探測的適用性研究，并基于1D解析數(shù)值算法和3D有限元數(shù)值仿真平臺，對隨鉆遠探測電磁波測井儀器進行了理論研究與仿真計算。圍繞耐溫200 ℃樣機構(gòu)建這一核心目標(biāo)，完成了超高溫軌跡測量儀系統(tǒng)整體方案設(shè)計，開展了耐溫不低于200 ℃的電子元器件優(yōu)選，確定了封裝、焊接等超高溫電路設(shè)計工藝，設(shè)計了部分超高溫隨鉆測量關(guān)鍵模塊，并構(gòu)建了試制方法。開發(fā)了壓裂裝備數(shù)據(jù)管理平臺，初步構(gòu)建了電動壓裂裝備運行故障數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了壓裂全流程自動化控制系統(tǒng)，形成了三維虛擬標(biāo)準(zhǔn)化井場設(shè)計軟件。建立了凈壓力計算分析模型，在此基礎(chǔ)上提出了壓裂施工實時凈壓力計算方法，完成了凈壓力計算分析模型校正，并在威遠工區(qū)開展了井筒凈壓力監(jiān)測先導(dǎo)性試驗。

3 應(yīng)用推廣情況

近年來，我國海相深層油氣勘探開發(fā)取得了一系列重要進展?？碧介_發(fā)實踐中遇到的認識問題和技術(shù)瓶頸為本領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究提出了新的挑戰(zhàn)。海相深層聯(lián)合基金項目組貼近中國西部和南方油氣生產(chǎn)需求，開展深層次的基礎(chǔ)研究和針對性的技術(shù)攻關(guān)，力求把油氣勘探開發(fā)的研究成果寫在祖國的大地上，并在以下四個方面見到了初步成效。

3.1 塔里木盆地走滑斷裂多帶多類型目標(biāo)研究

系統(tǒng)總結(jié)前期研究成果，提出了加快整體控制順北的思路，加大塔里木盆地走滑斷裂多帶多類型目標(biāo)研究，部署了9口探井。實施后，在順北71X、52A和隆1井獲得高產(chǎn)，實現(xiàn)了主干二級、分支斷裂、以及斷裂帶間穹窿新類型突破；順北41井突破落實了4號斷裂帶含油氣長度60 km；順北57X井證實了5號帶南段整體富油氣，向南拓展有利帶53.2 km，實現(xiàn)了5號帶整體控制；新增三級儲量超過2×108t油當(dāng)量，新建產(chǎn)能105×104t。

3.2 四川盆地川東高陡構(gòu)造帶油氣成藏條件研究

項目實施過程中，進一步聚焦川東及鄂西渝東地區(qū)海相下組合保存條件、優(yōu)質(zhì)儲層、源儲匹配和目標(biāo)評價研究。在前期針對寒武系含膏鹽層系蓋層研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出川東高陡構(gòu)造帶存在寒武系洗象池群高能顆粒灘有利相帶，發(fā)育鹽間優(yōu)質(zhì)白云巖儲層，并具有志留系側(cè)向?qū)庸N的有利成藏條件。部署了風(fēng)險探井平橋1井，在洗象池群測試獲日產(chǎn)天然氣25.1×104t，取得了川東海相戰(zhàn)略性突破，初步評價有利圈閉資源量5 000×108t。

3.3 四川盆地盆緣復(fù)雜構(gòu)造區(qū)油氣保存條件研究

進一步加強盆緣復(fù)雜構(gòu)造區(qū)以保存條件為核心的選區(qū)評價和目標(biāo)研究，在南川東勝構(gòu)造帶部署實施焦頁10、勝頁2井獲得高產(chǎn)氣流，實現(xiàn)了常壓頁巖氣突破。隨后整體部署實施13口評價井，獲得(10～20)×104t的商業(yè)產(chǎn)量，并按照儲量探明、井組評價、產(chǎn)能建設(shè)相結(jié)合的思路，開展地質(zhì)工程攻關(guān)，單井成本控制在4 500萬元內(nèi)。2020年提交探明儲量1 918×108t，啟動了5×108t產(chǎn)能建設(shè)。

3.4 海相深層油氣勘探開發(fā)工程技術(shù)研究

在前期工作積累的基礎(chǔ)上，集成“井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化+個性化提速工具+井筒強化技術(shù)+安全控制技術(shù)”序列，中國石化初步具備了8 000 m超深井鉆探能力；利用地震資料精準(zhǔn)預(yù)測順北41X井漏失層段和厚含灰泥層段，降低工程風(fēng)險，鉆井提速28%；探索了多種高效壓裂技術(shù)，推廣“全電壓裂+趾端滑套”壓裂工藝，頁巖氣單井日產(chǎn)同比提高10%，焦頁10(擴)平臺最高壓裂效率8段/天。

致謝：本文綜述的研究工作由國家自然科學(xué)基金集成項目(U19B6003)依托和合作單位馬永生科學(xué)家工作室、中國石化石油勘探開發(fā)研究院、中國石油大學(xué)(北京)、中國地質(zhì)大學(xué)(北京)、成都理工大學(xué)、北京大學(xué)、中國石化勘探分公司、中國石化石油工程技術(shù)研究院、中國石化物探技術(shù)研究院、中國石化休斯頓研究中心、中國石化工程公司等聯(lián)合研究團隊共同完成，路保平、何治亮、龐雄奇、邱楠生、黃中偉、金衍、曾大乾、丁士東、王峻喬、康志江、樊太亮、王衛(wèi)紅、趙培榮、寧正福、李雙建、申寶劍、周輝、朱成宏、馬中高、鄧尚、張殿偉、方成名、朱東亞、劉若冰、曹輝蘭、亢武臣及團隊承擔(dān)了部分研究工作。文中采用了項目單位和多位其他相關(guān)研究人員的寶貴資料，在此一并表示誠摯的謝意！