大慶古龍頁巖油重大科學(xué)問題與研究路徑探析

孫龍德，劉合，何文淵，李國欣，張水昌，朱如凱，金旭，孟思煒，江航,

（1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶 163002；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100724）

0 引言

大慶古龍頁巖油是典型的陸相頁巖油，松遼盆地古龍凹陷邊緣到中心均見油流；互層型、夾層型到純頁巖型均獲高產(chǎn)；下白堊統(tǒng)青二段下部到青一段整體含油，頁巖油資源潛力巨大[1-3]。

與國內(nèi)外海相或咸化湖盆沉積為主的頁巖相比，古龍頁巖在巖石組構(gòu)、物性、含油性以及頁巖油流動(dòng)性方面都有很大不同，北美成熟的地質(zhì)理論和工程技術(shù)難以直接應(yīng)用，面臨著單井投資成本較高、初期產(chǎn)量較低、EUR（單井最終可采儲(chǔ)量）低于經(jīng)濟(jì)動(dòng)用門限、規(guī)模效益開發(fā)配套主體技術(shù)還尚未形成等系列挑戰(zhàn)[4-10]，實(shí)現(xiàn)古龍頁巖油開發(fā)理論與科技創(chuàng)新已成為當(dāng)前最為迫切和緊要的任務(wù)。為此，本文初步梳理了古龍頁巖有機(jī)質(zhì)來源和成烴機(jī)理、儲(chǔ)集空間結(jié)構(gòu)和類型、礦物學(xué)演化特征、力學(xué)性質(zhì)與增產(chǎn)改造機(jī)制、頁巖油產(chǎn)狀和相態(tài)、頁巖油油品性質(zhì)評(píng)價(jià)與提高采收率6大科學(xué)問題，同時(shí)針對(duì)古龍頁巖油地質(zhì)甜點(diǎn)優(yōu)選、工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、開發(fā)技術(shù)政策優(yōu)化及提高采收率 3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，提出了未來的攻關(guān)方向。

1 古龍頁巖油的戰(zhàn)略意義與勘探開發(fā)歷程

松遼盆地是目前世界上已發(fā)現(xiàn)油氣資源最為豐富的陸相砂巖型含油氣盆地之一，為中國石油工業(yè)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，地位舉足輕重[3,11-12]。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的勘探開發(fā)，大慶油田已累計(jì)提交探明儲(chǔ)量63.7×108t，探明率達(dá) 62.3%。近年來新增石油探明儲(chǔ)量品位明顯降低，1990—2019年，新增探明儲(chǔ)量 31×108t，其中低滲—特低滲儲(chǔ)量26×108t，占比83.8%；同時(shí)主力油田穩(wěn)產(chǎn)難度增大，如薩中開發(fā)區(qū)平均含水率已達(dá)96%，其生產(chǎn)運(yùn)行成本逐年增加，綜合遞減率不斷升高。加強(qiáng)松遼盆地油氣勘探、延緩產(chǎn)量遞減，對(duì)中國原油產(chǎn)量穩(wěn)定和能源安全具有重要戰(zhàn)略意義[11,13-15]。

松遼盆地北部下白堊統(tǒng)青山口組為最大湖泛期沉積，發(fā)育了廣泛分布的富有機(jī)質(zhì)暗色泥頁巖，成熟度相對(duì)較高，齊家—古龍凹陷達(dá)到1.20%～1.67%（見圖1）。受沉積條件控制，發(fā)育互層型、夾層型、純頁巖型3種不同類型頁巖油（見圖2），其中純頁巖型頁巖油又可細(xì)分為頁理型和紋層型（見圖3）[3,6,12,16-19]?；有晚搸r油為砂巖、頁巖互層中賦存的原油，頁巖占比60%～80%，砂巖單層厚2～4 m，資源量1.56×108t；夾層型頁巖油為厚層頁巖夾薄層粉砂巖中賦存的原油，頁巖占比80%～95%，砂巖夾層單層厚0.2～1.5 m，資源量8.71×108t；純頁巖型頁巖油為厚層頁巖中賦存的原油，頁巖占比超過95%，發(fā)育長英質(zhì)、白云質(zhì)（介殼灰?guī)r）紋層，紋層厚度多小于0.01 m，源儲(chǔ)一體，可進(jìn)一步細(xì)分為青一段下部頁理型頁巖油與青一段上部、青二段紋層型頁巖油（見圖4）。頁理型頁巖油指青一段下部頁理發(fā)育的頁巖中賦存的原油，紋層型頁巖油指青一段上部及青二段粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)（白云質(zhì)）紋層發(fā)育的頁巖中賦存的原油，資源量89.31×108t[20]。目前，松遼盆地互層型頁巖油已部分實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，夾層型、紋層型、頁理型頁巖油資源潛力巨大，一旦取得突破將成為松遼盆地未來油氣儲(chǔ)量、產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)大規(guī)模增長的重要資源，有力保障大慶油田石油工業(yè)持續(xù)發(fā)展、支撐百年油田建設(shè)。

圖1 松遼盆地北部青山口組頁巖油勘探成果圖

圖2 松遼盆地北部過敖34井—金281井青山口組頁巖儲(chǔ)集層類型分布模式圖（GR—自然伽馬；RLLD—深側(cè)向電阻率）

圖3 古頁3HC井單井純頁巖段剖面圖

圖4 古頁1井頁理型、紋層型頁巖油儲(chǔ)集層巖心及薄片照片

大慶油田頁巖油探索歷時(shí)已久，已有近40年歷史，經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)探索、研究認(rèn)識(shí)和試驗(yàn)突破3個(gè)階段[14,21]。1981年，針對(duì)古龍凹陷泥巖裂縫油藏，采用常規(guī)原油勘探理念與開發(fā)技術(shù)，鉆探了首口發(fā)現(xiàn)井（英12井），在青一段、青二段獲得日產(chǎn)油3.8 t、日產(chǎn)氣441 m3的工業(yè)油流；1983—1991年，進(jìn)一步建立了英12井泥巖儲(chǔ)集層試驗(yàn)區(qū)，先后鉆探了5口井，其中英18、哈16井獲得工業(yè)油流；1998年開展了頁巖油水平井開發(fā)的初步探索，古平1井篩管完井、獲得日產(chǎn)1.5 t的低產(chǎn)油流。

2011年進(jìn)入研究認(rèn)識(shí)階段，應(yīng)用致密油勘探理念與開發(fā)技術(shù)，頁巖油開發(fā)拓展至互層型與夾層型頁巖油領(lǐng)域，開發(fā)對(duì)象為頁巖層系中的薄砂層。其中互層型頁巖油齊平2井日產(chǎn)油達(dá)31.9 t，4個(gè)開發(fā)實(shí)驗(yàn)區(qū)累計(jì)產(chǎn)油92.95×104t，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模開發(fā)；夾層型頁巖油齊平1井獲日產(chǎn)10.2 t工業(yè)油流，齊平1-1井日產(chǎn)油14.3 t。

2018年進(jìn)入試驗(yàn)突破階段，大慶油田持續(xù)加大頁巖油探索力度，探索頁巖油勘探理念與開發(fā)技術(shù)，優(yōu)選部署了古頁1、英X57和朝21等18口直井，日產(chǎn)油1.36～6.72 t，證實(shí)青二段下部到青一段整體含油，地層厚度100～140 m。其中古龍凹陷青一段下部為輕質(zhì)油帶，地層厚度50～60 m，橫向分布穩(wěn)定，面積2 326 km2。針對(duì)青一段頁巖優(yōu)勢甜點(diǎn)層部署實(shí)施了松頁油1HF、松頁油2HF、古頁油平1和英頁1H等4口水平井（見圖1）。其中古頁油平1井位于松遼盆地中央坳陷區(qū)古龍凹陷深部位，以青一段下部頁理型頁巖為甜點(diǎn)靶層，獲得日產(chǎn)油30.5 t、日產(chǎn)氣13 032 m3的高產(chǎn)工業(yè)油氣流。古頁油平 1井高產(chǎn)標(biāo)志著純頁巖型頁巖油獲得重要突破，展現(xiàn)了陸相頁巖油廣闊的資源前景，具有重大戰(zhàn)略轉(zhuǎn)折意義。

2 大慶古龍頁巖油的特殊性

古龍頁巖油主體是純頁巖型頁巖油，不同于國內(nèi)外其他類頁巖油，尚無大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的成功案例，其資源稟賦條件和儲(chǔ)集層特征都具有特殊性，顛覆了傳統(tǒng)頁巖油勘探開發(fā)的理念和認(rèn)識(shí)，具體包括4個(gè)方面。

2.1 古龍頁巖油特殊的地球化學(xué)特征和油品性質(zhì)

古龍頁巖有機(jī)質(zhì)類型好，青一段、青二段沉積時(shí)期浮游藻類勃發(fā)，有機(jī)質(zhì)以層狀藻類體為主，沉積環(huán)境以厭氧—缺氧為主，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型，氫指數(shù)高，一般為 600～800 mg/g，生油潛力大。有機(jī)碳含量（TOC）較高，半深湖—深湖相區(qū)內(nèi)青一段TOC值為1.8%～4.5%，青二段TOC值為1.4%～2.2%。青一段下部頁巖游離烴含量最高，一般大于8 mg/g，其次為青一段上部及青二段頁巖，一般大于6 mg/g。

傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中，相對(duì)北美海相頁巖油，中國陸相頁巖油熱演化程度整體偏低，原油密度高、黏度高、氣油比低，流動(dòng)性差[22-24]。齊家—古龍地區(qū)地層壓力系數(shù)一般為 1.20，最高可達(dá) 1.58。青一段壓力系數(shù)大于1.20的高壓區(qū)面積4 550 km2，青二段高壓區(qū)面積2 617 km2。而古頁1井、古頁油平1井和英頁1H井的試油資料表明，古龍地區(qū)地面原油密度總體小于 0.84 g/cm3，地層原油黏度普遍小于0.8 mPa·s，膠質(zhì)含量8.0%～18.6%，瀝青質(zhì)含量0～0.4%，平均飽和烴含量為 84.2%，芳烴含量為 9.7%；氣油比隨著成熟度的增高逐漸變大，位于凹陷深部的古頁油平 1井的生產(chǎn)氣油比達(dá) 400 m3/m3以上。青二段下部到青一段的石油超越效應(yīng)明顯，可動(dòng)油指數(shù)（OSI，是游離烴含量與總有機(jī)碳含量的比值）達(dá)100～400 mg/g（見圖5），超過北美已成功大規(guī)模開發(fā)的鷹灘頁巖油（OSI值為100～200 mg/g）[25]，表明古龍頁巖油可動(dòng)潛力大。上述特征認(rèn)識(shí)表明，古龍頁巖油不僅優(yōu)于中國已發(fā)現(xiàn)的其他頁巖油資源品質(zhì)，也優(yōu)于北美已報(bào)道的主要頁巖油資源品質(zhì)，改變了對(duì)陸相頁巖油普遍呈現(xiàn)高密度、高黏度、低氣油比特征的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

圖5 古龍陸相頁巖油超越效應(yīng)數(shù)據(jù)圖

2.2 古龍頁巖特殊的儲(chǔ)集空間特征

松遼盆地古龍頁巖具有不同于國內(nèi)外其他盆地頁巖的顯著特征，該儲(chǔ)集系統(tǒng)具備有機(jī)、無機(jī)雙重成因，主要由基質(zhì)孔隙-頁理縫組成。與常規(guī)儲(chǔ)集層不同的是，青山口組頁巖孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔縫、溶孔、黏土礦物晶間孔為主（見圖6），占總面孔率的80%以上。其中，巖心精描顯示有機(jī)成因和無機(jī)成因的水平頁理縫極為發(fā)育（1 000～3 000條/m）（見圖6），總面孔率占比達(dá) 22%～79%。受水平頁理控制的納米級(jí)孔縫體系大大改善了儲(chǔ)集層物性，覆壓條件下水平滲透率達(dá)（0.011～1.620）×10-3μm2，平均 0.580×10-3μm2，垂直滲透率小于0.000 1×10-3μm2，形成了水平方向上的高孔滲帶。由于先存水平層理發(fā)育，順層排列的有機(jī)質(zhì)和其他碎屑礦物的尖端效應(yīng)促使裂縫橫向擴(kuò)展，形成大量層理縫，可使頁巖儲(chǔ)集空間體積擴(kuò)容 1.0～1.2倍，折合約增加孔隙度2%～3%[26]。

圖6 古龍頁巖場發(fā)射掃描電鏡圖像

2.3 古龍頁巖特殊的可壓性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

古龍頁巖油改變了以黏土含量判別頁巖儲(chǔ)集層可壓性的標(biāo)準(zhǔn)。古龍頁巖主要為黏土質(zhì)長英頁巖，黏土礦物平均含量達(dá) 35.6%。依照傳統(tǒng)儲(chǔ)集層改造理論，高黏土礦物含量是影響壓裂效果的關(guān)鍵因素。然而，研究發(fā)現(xiàn)古龍頁巖整體處于中成巖晚期，黏土礦物演化程度高，蒙脫石大量轉(zhuǎn)化為伊利石，在轉(zhuǎn)化過程中析出硅質(zhì)，使得頁巖剛性成分增加，脆性增大（見圖7）[27]。頁巖中伊利石經(jīng)成巖壓實(shí)作用定向排列，使巖石沿層面易剝裂。壓裂過程中巖樣沿主應(yīng)力方向開啟垂直裂縫，同時(shí)開啟多條沿頁理面的水平裂縫、形成“豐”字形復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫（見圖8），顯著改善了儲(chǔ)集層可壓性。

圖7 黏土礦物成巖演化析出石英

圖8 古龍頁巖“豐”字形破裂形態(tài)

2.4 古龍頁巖油特殊的工程甜點(diǎn)特征

古龍頁巖油的突破改變了在頁巖層系中選取致密夾層作為工程甜點(diǎn)的傳統(tǒng)做法。北美海相致密油、頁巖油開發(fā)往往是在頁巖層系中選取致密夾層作為開發(fā)目的層，借助長水平井體積壓裂模式進(jìn)行商業(yè)開發(fā)[8,28-31]。中國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模開發(fā)的吉木薩爾凹陷蘆草溝組、鄂爾多斯盆地長 71+2段頁巖油同樣是借鑒了北美的經(jīng)驗(yàn)[32-33]。然而，齊家—古龍地區(qū)頁巖油頁理型、紋層型頁巖厚度占比達(dá) 95%以上，盡管夾有白云巖、介殼灰?guī)r和粉砂巖紋層，但厚度很薄，一般單層厚度僅0.05～0.15 m。同時(shí)由于頁理縫顯著改善了頁巖物性，總孔隙度平均達(dá) 9.8%，有效孔隙度平均 6.2%，良好的儲(chǔ)集性與連通性使其可作為優(yōu)質(zhì)工程甜點(diǎn)層。

得益于非常規(guī)油氣工程理念和技術(shù)創(chuàng)新，頁巖油勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)體系的建立將有助于古龍頁巖油的規(guī)模化工業(yè)突破[24,34-36]。但古龍頁巖油的勘探開發(fā)尚處于起步階段，其獨(dú)特性使得北美頁巖油的勘探開發(fā)技術(shù)路線無法直接照搬使用（見表1）：獨(dú)特的資源稟賦特征和儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)關(guān)鍵參數(shù)還需進(jìn)一步落實(shí)，主體開發(fā)參數(shù)尚未明確；鉆完井及改造配套技術(shù)體系仍待完善；開發(fā)遞減規(guī)律尚不清楚；井網(wǎng)井距及生產(chǎn)制度有待優(yōu)化；提高采收率技術(shù)也尚未開展研究；早期投產(chǎn)井普遍存在單井投資成本較高、初期產(chǎn)量較低、EUR低于經(jīng)濟(jì)動(dòng)用門限的問題。因此，仍需在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新理論、發(fā)展技術(shù)，支撐快速高效發(fā)展。

表1 國內(nèi)外頁巖油主要特征參數(shù)對(duì)比表

3 古龍頁巖油科學(xué)問題剖析

古龍頁巖油作為全新的資源類型，國內(nèi)外尚無可直接復(fù)制套用的現(xiàn)成地質(zhì)理論和開發(fā)技術(shù)。盡管其勘探開發(fā)實(shí)踐取得了重要突破，但仍面臨著基礎(chǔ)研究滯后、工程技術(shù)不配套、施工成本偏高、效益關(guān)尚未突破等系列難題。針對(duì)古龍頁巖油的資源特征與勘探開發(fā)現(xiàn)狀，梳理出以下6個(gè)方面的關(guān)鍵科學(xué)問題。

3.1 青山口組頁巖有機(jī)質(zhì)來源、生排烴機(jī)理和影響頁巖油豐度的關(guān)鍵因素

目前的研究表明：①青山口組頁巖中已發(fā)現(xiàn)有湖相藻類、海相藻類、原核細(xì)菌和高等植物的實(shí)體和分子化石證據(jù)[37-40]，說明古龍頁巖沉積有機(jī)質(zhì)母源復(fù)雜；②由于不同類型生物勃發(fā)的古氣候和古水體環(huán)境存在顯著差異，所形成干酪根的生烴能力和產(chǎn)物組成也明顯不同[41]，影響古龍頁巖油的形成和富集；③基于松科1井的研究揭示，青一段沉積期可能發(fā)生海侵事件[39,42]，且地球天文軌道力深刻影響著古湖泊的氣候變化和沉積過程[43]，可能是古龍頁巖有機(jī)質(zhì)富集具旋回性的主要控制因素；④該區(qū)地層超壓、氣油比和Ro值呈現(xiàn)較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，生成的油氣密度輕于干酪根、造成源內(nèi)體積膨脹并產(chǎn)生超壓，是油氣排驅(qū)的主要?jiǎng)恿ΑＨ欢壳叭源嬖谝恍﹩栴}：①對(duì)古龍頁巖有機(jī)質(zhì)的母質(zhì)來源仍未開展定量評(píng)價(jià)，青一段沉積期的海侵是否到達(dá)古龍凹陷仍存爭議，有機(jī)質(zhì)紋層與長英質(zhì)碎屑或碳酸鹽巖多尺度頻繁互層的主控因素仍然不清，直接影響了對(duì)古龍優(yōu)質(zhì)頁巖油形成機(jī)理和資源潛力的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)；②地層超壓成因與生排烴機(jī)理仍需進(jìn)一步深入研究。

3.2 古龍頁巖有效儲(chǔ)集空間類型和結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)孔隙度和滲透率的貢獻(xiàn)

目前已初步明確紋層型、頁理型、夾層型 3類頁巖的儲(chǔ)集性能差異，探討了頁理縫發(fā)育特征及對(duì)儲(chǔ)集性能的影響。但古龍頁巖孔隙類型不同于常規(guī)儲(chǔ)集層，與有機(jī)質(zhì)、黏土礦物及溶蝕作用相關(guān)的孔縫發(fā)育，孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔縫、溶孔、黏土礦物晶間孔為主，占總面孔率的 80%以上，同時(shí)受頁理控制的納米級(jí)孔縫體系進(jìn)一步改善了儲(chǔ)集層物性（見圖9）。

圖9 古龍頁巖（敖34井，青一段，紋層狀頁巖，2 231.2 m）孔隙-裂縫-基質(zhì)礦物微米CT三維模型

針對(duì)古龍頁巖孔隙類型的特殊性，目前尚存在下列問題：①未開展不同尺度孔隙結(jié)構(gòu)融合表征方面的研究；②地層條件下頁理縫的有效性、裂縫與孔隙的貢獻(xiàn)比例也尚未明確；③因3類頁巖儲(chǔ)集性能的差異性，收縮縫、成巖縫、有機(jī)質(zhì)孔、頁理面等是否為有效儲(chǔ)集空間等缺乏有效表征方法；④儲(chǔ)量評(píng)估預(yù)測仍缺乏依據(jù)。

3.3 古龍頁巖礦物成因和演化規(guī)律及其對(duì)儲(chǔ)集層有效性、敏感性與可壓性的控制作用

通過前期研究：①初步明確了古龍頁巖為黏土質(zhì)長英頁巖，黏土礦物平均含量35.6%，碳酸鹽含量較低；②初步搞清了黏土礦物成巖演化序列，即整體處于中成巖晚期，黏土礦物演化程度高，埋深超過1 650 m后，蒙脫石大量轉(zhuǎn)化為伊利石，黏土礦物趨向穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化過程中析出石英，脆性增大；③初步提出了黏土礦物與頁理形成的關(guān)系，即伊利石經(jīng)成巖壓實(shí)作用定向排列，使巖石具易裂性頁理，沿層面易剝裂成薄層。但當(dāng)前研究仍存在不足：①尚未區(qū)分黏土礦物的來源，缺乏對(duì)沉積型與成巖型黏土礦物的類型、比例及產(chǎn)狀的認(rèn)識(shí)；②不同黏土礦物對(duì)頁巖儲(chǔ)集性能、敏感性與可壓性的影響認(rèn)識(shí)仍需深化；③蒙脫石消失線在古龍地區(qū)的平面分布仍不明確。

3.4 古龍頁巖巖石力學(xué)特征與裂縫擴(kuò)展規(guī)律

目前已開展了垂直、平行層理方向巖心巖石力學(xué)對(duì)比研究，結(jié)果顯示：①平行頁理巖心樣品斷裂韌性、抗拉強(qiáng)度比垂直頁理巖心樣品分別降低 38.6%和71.7%，巖石力學(xué)各向異性顯著；②古龍頁巖黏土礦物發(fā)育且以伊利石為主、頁理紋層發(fā)育，其可壓性受復(fù)雜礦物組構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、頁理紋層分布等共同控制；③基于全直徑巖心物理模擬，明確了水力壓裂裂縫擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)平衡過程（垂向應(yīng)力控制下縱向擴(kuò)展、頁理紋層控制下水平擴(kuò)展），人工裂縫呈現(xiàn)“豐”字形復(fù)雜形態(tài)；④低黏流體利于開啟層理，高黏流體利于裂縫縱向延伸，形成了前置 CO2、凍膠與滑溜水交替注入的體積壓裂主體技術(shù)，增大壓裂改造體積與裂縫復(fù)雜程度。但目前仍存在殊多問題需要攻關(guān)：①常規(guī)巖石力學(xué)測試過程中，巖心取出后伴隨應(yīng)力釋放，力學(xué)特性失真，原位環(huán)境下頁理紋層力學(xué)特性與頁巖力學(xué)各向異性認(rèn)識(shí)尚不明確；②采用礦物法（包括脆性礦物含碳酸鹽和不含碳酸鹽兩種模式）、彈性參數(shù)法、應(yīng)力應(yīng)變曲線法等計(jì)算的頁巖脆性指數(shù)相關(guān)性極差，現(xiàn)有可壓性評(píng)價(jià)方法難以綜合考慮各項(xiàng)控制因素（見圖10）；③壓裂物模實(shí)驗(yàn)在應(yīng)力環(huán)境、試件尺寸、巖石力學(xué)特性上與真實(shí)壓裂工況差異較大，現(xiàn)有壓裂數(shù)值模型則難以考慮頁巖本身多尺度非均質(zhì)性的影響，極大地限制了模型的應(yīng)用范圍和預(yù)測能力；④壓裂監(jiān)測結(jié)果顯示當(dāng)前壓裂工藝下裂縫主要沿水平方向擴(kuò)展，裂縫縱向延伸受限、縫高普遍小于10 m，改造體積受限，縱向需要布置多套水平井才能實(shí)現(xiàn)甜點(diǎn)段整體控制。

圖10 不同可壓性評(píng)價(jià)方法分析結(jié)果

3.5 古龍頁巖油油品、相態(tài)變化規(guī)律與吸附-解吸轉(zhuǎn)化主控因素

現(xiàn)有測試數(shù)據(jù)顯示，古龍頁巖油具有密度低（小于0.84 g/cm3）、黏度低（小于0.8 mPa·s）、輕烴比例高（飽和烴平均含量84.2%）、氣油比與成熟度正相關(guān)等特點(diǎn)。古龍頁巖油含油性總體較好，青一段實(shí)測含油飽和度26.1%～73.2%，平均44.8%；核磁共振分析可動(dòng)油飽和度37.3%～50.6%，現(xiàn)場一維核磁含油飽和度40.3%～80.2%，平均58.0%。環(huán)境掃描電鏡微觀觀察表明，原油表現(xiàn)為游離態(tài)與吸附態(tài)兩種賦存形式，賦存于基質(zhì)孔隙與頁理縫兩個(gè)區(qū)域，含油飽和度及游離態(tài)比例均較高（見圖11）。然而，當(dāng)前相態(tài)研究無法確定前置 CO2注入及取樣過程中劇烈溫壓變化的影響，油藏條件下納米尺度多孔介質(zhì)下的相態(tài)特征、頁巖油產(chǎn)區(qū)相態(tài)橫向分布尚不明確；同時(shí)頁巖油賦存形式與狀態(tài)研究目前仍以靜態(tài)定性研究為主，游離與吸附烴比例定量評(píng)價(jià)與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律研究亟待加強(qiáng)。

圖11 原油賦存狀態(tài)電鏡分析

3.6 古龍頁巖油液固-液氣作用機(jī)理與提高采收率機(jī)制

近期工作：①通過修正經(jīng)典的開爾文方程，初步建立了納米限域毛細(xì)凝聚的新理論，闡述了固液界面力學(xué)作用在納米/亞微米尺度的毛細(xì)凝聚中的重要作用，對(duì)該極限尺度的最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了合理解釋[44-45]；②研究了固液界面毛細(xì)管力的微觀起源，揭示了液滴接觸線處受力平衡的作用機(jī)理，并從力學(xué)角度給出了固液界面潤濕領(lǐng)域楊氏方程的合理解釋，為巖油界面潤濕性、巖石表面油滴/油膜的剝離等界面潤濕現(xiàn)象提供了新的認(rèn)知[46]；③基于多相滲流研究，探索了氣體空間分布及其隨時(shí)間的變化關(guān)系，明確了脫氣對(duì)生產(chǎn)過程的影響，即當(dāng)脫出氣形成連續(xù)氣體通路時(shí)，氣出油留，壓力補(bǔ)充效率低；當(dāng)脫出氣形成氣泡群時(shí)，氣留油出，壓力補(bǔ)充效率高；④初步明確了前置CO2提高采收率作用機(jī)制，即通過CO2對(duì)有機(jī)質(zhì)的抽提，以及對(duì)鉀長石、鈉長石、方解石等礦物的溶蝕作用，生成的新生有機(jī)質(zhì)孔隙與溶蝕無機(jī)質(zhì)孔隙有效改善儲(chǔ)集層物性；但伴隨的高嶺石微粒遷移和菱鐵礦沉淀也會(huì)對(duì)滲流通道造成損害[47]（見圖12），孔滲測試結(jié)果顯示燜井7 d后頁巖孔隙度由5.37%提高到 7.81%，但橫向滲透率由 0.019×10-3μm2降低至0.002×10-3μm2。但整體來看：①目前古龍頁巖油滲流基礎(chǔ)理論研究相對(duì)較少，且未涉及相變、產(chǎn)狀轉(zhuǎn)化、固-液作用等對(duì)于滲流的影響；②前置CO2對(duì)古龍頁巖油人工裂縫形態(tài)、孔滲參數(shù)、增能助排作用的影響機(jī)制與技術(shù)適應(yīng)性尚不明確，CO2用量優(yōu)化缺乏依據(jù)。

圖12 古龍頁巖CO2作用前后微觀形貌變化

4 攻關(guān)方向

基于對(duì)古龍陸相頁巖油獨(dú)特性的認(rèn)識(shí)以及科學(xué)問題的剖析，梳理出頁巖油地質(zhì)甜點(diǎn)優(yōu)選、工程甜點(diǎn)優(yōu)選與開發(fā)方案優(yōu)選等3個(gè)亟需開展攻關(guān)的研究方向。

4.1 頁巖油地質(zhì)甜點(diǎn)優(yōu)選

古龍頁巖油成因機(jī)理和分布規(guī)律復(fù)雜，需深化油氣生成與排驅(qū)、儲(chǔ)集與運(yùn)聚等機(jī)理研究，指導(dǎo)頁巖油地質(zhì)甜點(diǎn)優(yōu)選。

4.1.1 等時(shí)地質(zhì)格架與高分辨率年代標(biāo)尺

應(yīng)充分發(fā)揮火山灰鋯石高精度 U-Pb同位素年齡和天文年代學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢，在松科 1井前期研究成果基礎(chǔ)上，以凹陷不同位置巖心的火山灰成分、層位和年齡等數(shù)據(jù)作為等時(shí)地質(zhì)事件“錨點(diǎn)”，同時(shí)結(jié)合旋回地層學(xué)分析，建立凹陷內(nèi)青山口組10萬年分辨率的高精度等時(shí)年代格架，明確凹陷內(nèi)青山口組各層序、層段的沉積時(shí)限、地質(zhì)事件和沉積特征，為青山口組油層的“三段式”和“九段式”（Q1—Q9）劃分提供高精度年代標(biāo)尺，指導(dǎo)儲(chǔ)集層劃分和甜點(diǎn)識(shí)別。

4.1.2 海侵/湖泛地質(zhì)事件與有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制

需針對(duì)海侵/湖泛可能出現(xiàn)的層位進(jìn)行高分辨率取樣和多指標(biāo)綜合分析，通過微體化石（如海相有孔蟲）、特殊礦物（如海綠石）、特殊生物標(biāo)志化合物（如 24-正丙基膽甾烷、24-異丙基膽甾烷）等判定海侵與否；通過黃鐵礦硫同位素判定古湖泊化變層深度和硫酸鹽供給源，通過B同位素判定水體咸度，通過Mo同位素判定水體缺氧程度和盆地開放程度，通過主微量元素、鐵組分等判定水體氧化還原環(huán)境，結(jié)合基礎(chǔ)有機(jī)地球化學(xué)特征，綜合判識(shí)凹陷內(nèi)青山口組海侵的時(shí)限、期次、強(qiáng)度和影響范圍，建立海侵/湖泛作用下的有機(jī)質(zhì)富集、水體環(huán)境變化和烴源巖發(fā)育模式。

4.1.3 頁巖紋層的周期參數(shù)和主控因素

需利用紋層特征的多維度、多尺度定量描述手段，對(duì)所取巖心段開展高分辨率的磁化率、灰度、礦物、元素的原位成像掃描，同時(shí)通過頻譜分析和沉積速率約束，識(shí)別旋回周期和氣候影響因素，進(jìn)一步明確不同尺度的氣候旋回周期（如 17.3×104年和 4×104年的地球自轉(zhuǎn)軸斜率周期、2×104年的地球公轉(zhuǎn)軌道歲差周期、10～50年的太陽黑子活動(dòng)周期、2～7年的大氣環(huán)流厄爾尼諾周期等）對(duì)碎屑物供給、有機(jī)質(zhì)富集、紋層形成的控制作用，針對(duì)性提出富有機(jī)質(zhì)層、有效儲(chǔ)集層、頁巖油甜點(diǎn)層形成的周期參數(shù)和主控因素。

4.1.4 頁巖儲(chǔ)集空間與儲(chǔ)量評(píng)估預(yù)測

應(yīng)實(shí)施有效保證壓力不散失、頁理面不破壞、天然氣不逸散的密閉保壓技術(shù)取心方案，著力創(chuàng)新滿足有機(jī)質(zhì)孔—無機(jī)質(zhì)孔多尺度表征需求的技術(shù)方法，明確紋層型、頁理型、夾層型 3類頁巖儲(chǔ)集空間特征與有效性；開展近地層條件下頁理縫產(chǎn)狀、分布與孔縫連通性三維表征，明確頁理縫的有效性及主要影響因素，定量評(píng)價(jià)其對(duì)儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)。以此為基礎(chǔ)，針對(duì) 3類頁巖分別建立地質(zhì)模型，結(jié)合“鐵柱子”井綜合分析、測井采集、實(shí)驗(yàn)化驗(yàn)分析等技術(shù)手段，分別基于容積法與體積法對(duì)古龍頁巖儲(chǔ)量進(jìn)行評(píng)估預(yù)測。

4.1.5 地層超壓規(guī)律與頁巖油運(yùn)聚機(jī)理

需確定油氣大量生成和排驅(qū)的時(shí)限，明確大慶長垣常規(guī)油與古龍頁巖油形成的時(shí)序關(guān)系；建立可靠的殘留烴測試和恢復(fù)技術(shù)，準(zhǔn)確厘定巖石中烴類含量及成分，確定烴源巖排烴效率，并深入研究殘留烴二次裂解機(jī)制，研究其對(duì)殘留烴含量及組成、地層超壓形成的影響。要基于構(gòu)造應(yīng)力場、溫壓場、流體場等分析手段，建立多類型油氣形成一體化評(píng)價(jià)模式，明確多類型油氣空間分布規(guī)律；綜合頁巖生排烴演化過程、頁巖油組成特征、儲(chǔ)集層孔隙特征和相態(tài)演化規(guī)律，建立甜點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，預(yù)測古龍頁巖油地質(zhì)甜點(diǎn)段和甜點(diǎn)區(qū)。

4.2 頁巖油工程甜點(diǎn)優(yōu)選

青山口組黏土礦物轉(zhuǎn)化及紋層結(jié)構(gòu)控制因素復(fù)雜，可壓性與造縫機(jī)制未形成系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，亟需深化研究，以支撐工程甜點(diǎn)選擇及工程設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4.2.1 礦物學(xué)演化與特征

應(yīng)綜合利用XRD（X射線衍射）、QEMSCAN（掃描電鏡礦物定量評(píng)價(jià)）、原位拉曼等分析手段，研究黏土礦物的類型及含量，明確黏土礦物成因，定量評(píng)價(jià)自生黏土礦物與沉積黏土礦物的含量；開展不同深度、不同部位典型頁巖黏土礦物類型與含量研究，明確黏土礦物成巖演化序列，厘定蒙脫石與伊蒙混層消失線，為頁巖儲(chǔ)集層有效性、敏感性與可壓性評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

4.2.2 原位環(huán)境頁巖力學(xué)特征與損傷破壞機(jī)理

應(yīng)著力研發(fā)適用于古龍頁巖的原位地層環(huán)境恢復(fù)重構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，分析原位環(huán)境下頁巖力學(xué)性質(zhì)的差異性特征，明確頁巖各向異性變形強(qiáng)度特征參數(shù)與常規(guī)力學(xué)性能測試參數(shù)的區(qū)別，剖析原位環(huán)境和頁理對(duì)頁巖各向異性力學(xué)特征的影響機(jī)制，構(gòu)建可考慮礦物組構(gòu)與頁理弱面影響的古龍頁巖各向異性漸進(jìn)破壞模型，為井壁穩(wěn)定性分析、地應(yīng)力反演和壓裂數(shù)值模型的構(gòu)建提供實(shí)驗(yàn)和理論支撐。

4.2.3 可壓裂性精細(xì)評(píng)價(jià)

需基于多尺度精細(xì)表征與納米壓痕實(shí)驗(yàn)方法，獲取紋層、有機(jī)質(zhì)、各類礦物的空間分布及微觀力學(xué)參數(shù)，通過點(diǎn)（考慮單點(diǎn)礦物、孔隙、裂隙）到面（考慮礦物組構(gòu)、非均質(zhì)性）再到體（考慮頁理紋層）的多尺度表征，建立適用于古龍頁巖的可壓裂性精細(xì)評(píng)價(jià)方法。

4.2.4 裂縫擴(kuò)展機(jī)制與工藝優(yōu)化

在微細(xì)觀尺度上，應(yīng)著力開發(fā)頁巖裂縫動(dòng)態(tài)生長原位表征實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)微米CT原位壓裂、同步掃描，模擬富紋層頁巖裂縫動(dòng)態(tài)生長全過程，明確微觀尺度頁理紋層、礦物組構(gòu)、有機(jī)質(zhì)空間分布等對(duì)裂縫生長的控制作用，并與基于數(shù)字巖心的壓裂數(shù)值模型相互印證；在宏觀尺度上，應(yīng)探索建立古龍頁理型、紋層型頁巖壓裂仿真模型，分析真實(shí)地層應(yīng)力環(huán)境與工況條件下水力壓裂造縫過程與裂縫形態(tài)，明確主控地質(zhì)工程因素，探索有效提高改造縱向動(dòng)用程度的新型壓裂工藝，為工程設(shè)計(jì)提供理論支撐。

4.3 頁巖油開發(fā)方案優(yōu)選

地層條件下流體相態(tài)特征及分布、賦存狀態(tài)、可流動(dòng)性、液固-液氣作用機(jī)理復(fù)雜，亟待深化研究，指導(dǎo)開發(fā)方案優(yōu)選及提高采收率技術(shù)選擇。

4.3.1 頁巖油微觀力學(xué)作用與可動(dòng)性評(píng)價(jià)

應(yīng)構(gòu)建納米級(jí)孔隙模型并開展納米力學(xué)分析，重點(diǎn)研究描述固液界面潤濕性的楊氏方程和描述毛細(xì)凝聚現(xiàn)象的開爾文方程等經(jīng)典理論在古龍頁巖復(fù)雜環(huán)境、納米尺度下的適用性問題，深入分析微觀界面力學(xué)機(jī)理，為納米級(jí)孔隙內(nèi)油氣相態(tài)和賦存狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和表征方法提供理論支持；基于精細(xì)表征、分子模擬與納米力學(xué)測試技術(shù)，定量區(qū)分游離油與吸附油，明確頁巖油的賦存狀態(tài)與分布規(guī)律，探索礦物、固態(tài)有機(jī)質(zhì)與原油間的相互作用類型與機(jī)制，明確固/液微觀界面相互作用對(duì)原油吸附-游離態(tài)轉(zhuǎn)化的影響；以此為基礎(chǔ)，開展界面效應(yīng)對(duì)頁巖油不同組分在納米通道中輸運(yùn)的影響研究，構(gòu)建納米尺度限域傳質(zhì)的理論體系，并進(jìn)行分子尺度和微納尺度物質(zhì)輸運(yùn)的尺度關(guān)聯(lián)，為建立頁巖油的可動(dòng)性評(píng)價(jià)方法提供分子模擬細(xì)節(jié)和微納米尺度新理論基礎(chǔ)。

4.3.2 CO2作用機(jī)理與適應(yīng)性評(píng)價(jià)

應(yīng)開展古龍頁巖CO2壓裂-燜井實(shí)驗(yàn)研究，探索古龍頁巖 CO2復(fù)合壓裂的造縫機(jī)制，明確作用前后礦物與物性變化特征，探索頁理紋層對(duì)提高采收率效果的影響，并通過宏觀物模與微觀可視化模擬明確 CO2在基質(zhì)-裂縫網(wǎng)絡(luò)中的有效作用范圍。需要探索頁巖油開發(fā)過程中，不同孔隙結(jié)構(gòu)、流體特性及動(dòng)態(tài)壓力條件下，非平衡態(tài)氣-液相變規(guī)律及其對(duì)油氣滲流的影響，闡明壓力變化對(duì)于體系相變和原油流動(dòng)的影響，指導(dǎo)CO2用量與生產(chǎn)制度優(yōu)化。此外，前置注入的 CO2對(duì)古龍頁巖油相態(tài)的影響也應(yīng)予以關(guān)注。

4.3.3 井網(wǎng)井距優(yōu)化與產(chǎn)量遞減規(guī)律

古龍頁巖具有頁理縫發(fā)育、壓裂縱向穿層能力差、垂向-平面滲流能力差異大等特征，油、氣、水多相流體在不同尺度孔縫中滲流規(guī)律復(fù)雜，井網(wǎng)井距設(shè)計(jì)缺乏可借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)與做法，傳統(tǒng)的產(chǎn)能評(píng)價(jià)及EUR預(yù)測方法適應(yīng)性較差。一是應(yīng)建立定量表征甜點(diǎn)非均質(zhì)性的試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)模型與考慮復(fù)雜滲流機(jī)理的跨尺度流動(dòng)模型，結(jié)合地質(zhì)工程一體化方法，確定試驗(yàn)區(qū)合理井網(wǎng)井距，優(yōu)化確定合理的生產(chǎn)制度；二是應(yīng)針對(duì)古龍頁巖油復(fù)雜相變、特殊賦存規(guī)律及多相多組分滲流特征，完善頁巖油生產(chǎn)遞減模型，綜合考慮井網(wǎng)井距影響，進(jìn)一步完善遞減分析方法，提升EUR預(yù)測的可靠性；三是應(yīng)考慮古龍頁巖油的復(fù)雜滲流機(jī)理，建立特色試井模型和解釋方法，定量評(píng)價(jià)地層壓力、裂縫有效縫長、滲流能力等參數(shù)，預(yù)測未來生產(chǎn)動(dòng)態(tài)及EUR。

5 結(jié)語

50多年來，大慶油田依靠《矛盾論》、《實(shí)踐論》“兩論”起家，形成了具有大慶特色的油田勘探開發(fā)理論和技術(shù)體系，一直用矛盾論分析油田的開發(fā)形勢和對(duì)采油工程技術(shù)的需求，找出制約油田高效開發(fā)的主要矛盾，解決關(guān)鍵科學(xué)問題；同時(shí)在實(shí)踐中不斷發(fā)展和完善，在不同的開發(fā)階段，形成了相應(yīng)的支撐油田穩(wěn)產(chǎn)的特色技術(shù)，為油田開發(fā)工程提供了有力的技術(shù)保障。

現(xiàn)如今，古龍頁巖油具有優(yōu)越的地質(zhì)條件和巨量的資源基礎(chǔ)，勘探開發(fā)前景廣闊，是大慶油田重要的接替領(lǐng)域。通過近些年的研究和攻關(guān)，初步取得關(guān)鍵性的認(rèn)識(shí)和重要成果。但應(yīng)該清醒認(rèn)識(shí)到，古龍頁巖油是一種全新的資源類型，在儲(chǔ)集性、含油性、流動(dòng)性和可壓性方面均具有鮮明的特征，世界范圍尚無規(guī)模化商業(yè)開發(fā)先例。面對(duì)全新的領(lǐng)域，更要堅(jiān)持按照“實(shí)踐、認(rèn)識(shí)、再實(shí)踐、再認(rèn)識(shí)”的認(rèn)識(shí)發(fā)展規(guī)律，以及“對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律”揭示事物運(yùn)動(dòng)發(fā)展的原理，從發(fā)現(xiàn)并解決科學(xué)問題入手，不斷通過技術(shù)創(chuàng)新來解決工程難題。首先，在復(fù)雜的陸相頁巖油勘探開發(fā)過程中，逐漸有許多矛盾被陸續(xù)發(fā)掘，其中的主要矛盾是科學(xué)問題。只有總結(jié)規(guī)律，找到對(duì)矛盾和難題更好的解釋方法，才能顯著影響技術(shù)與工程問題的解決和發(fā)展；其次，技術(shù)問題是對(duì)科學(xué)問題認(rèn)知的不斷迭代，是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐或科學(xué)原理而發(fā)展成的各種工藝方法和技能，只有不斷發(fā)展或開發(fā)出新的方法、手段、措施或途徑才能有效支撐工程實(shí)施；最后，工程問題就是生產(chǎn)過程中所遇到的復(fù)雜難題，需要“實(shí)踐、認(rèn)識(shí)、再實(shí)踐、再認(rèn)識(shí)”的這種形式，腳踏實(shí)地滿足油田開發(fā)需要，在不斷的實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整思路，最終解決問題。如果一開始就著眼于解決重大工程問題，連基礎(chǔ)科學(xué)問題都沒解決好，便無法長期有效支撐古龍頁巖油規(guī)?；б骈_發(fā)。

古龍頁巖油的成功必須突出理論、技術(shù)與管理創(chuàng)新的引導(dǎo)推動(dòng)作用，因此，誠邀全球英才為古龍頁巖油的規(guī)模效益開發(fā)貢獻(xiàn)智慧與力量，為大慶油田的發(fā)展提出一些前瞻性、戰(zhàn)略性、全局性的意見和建議，不斷增強(qiáng)核心競爭力和可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展能力，為大慶油田的可持續(xù)發(fā)展再做新貢獻(xiàn)。

致謝：本文在研究和撰寫過程中得到了大慶油田勘探開發(fā)研究院、中國石油勘探開發(fā)研究院“古龍頁巖油重大地質(zhì)基礎(chǔ)與工程實(shí)踐協(xié)同研究”項(xiàng)目組等相關(guān)專家和科研人員的指導(dǎo)和幫助，在此一并致謝！