為頁巖油氣把脈問診開藥方

原題：為頁巖油氣把脈問診開藥方

——記頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

本刊記者? 程力沛? 通訊員? 王海濤? 任麗麗? 劉佳宜

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，油氣對外依存度日益攀升，發(fā)現(xiàn)和獲得更多的油氣資源已成為國家重大戰(zhàn)略需求。2015年11月，頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在北京成立，由中國石化石油勘探開發(fā)研究院和石油工程技術(shù)研究院共同建設(shè)。

實(shí)驗(yàn)室緊盯頁巖油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，開展頁巖油氣富集、流動和頁巖縫網(wǎng)形成機(jī)理為核心的基礎(chǔ)理論研究，和以一體化勘探開發(fā)工程技術(shù)為主要內(nèi)容的創(chuàng)新性研究。在中國南方海相頁巖氣實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)開發(fā)，深層海相頁巖氣、構(gòu)造復(fù)雜區(qū)常壓海相頁巖氣和海陸過渡相—陸相頁巖氣開發(fā)，低油價(jià)下陸相頁巖油勘探開發(fā)等方面取得了豐碩的研究成果，獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

建在井場的“前線實(shí)驗(yàn)室”

頁巖油是藏在泥頁巖孔隙和微裂縫里的石油資源，難以動用，長期未受關(guān)注。2010年前后，美國經(jīng)過30余年漫長探索，海相頁巖油領(lǐng)域取得突破，帶來全球能源革命。

美國頁巖油氣的成功勘探開發(fā)引發(fā)了全球范圍的油氣科技革命。實(shí)驗(yàn)室主任、中國科學(xué)院院士金之鈞說：“頁巖油氣勘探開發(fā)，從常規(guī)尋找圈閉，向非常規(guī)尋找大面積連續(xù)性頁巖儲集層轉(zhuǎn)變，顛覆了傳統(tǒng)圈閉油氣成藏理論。”

我國陸相頁巖油雖然資源潛力巨大，但卻不像美國海相頁巖油“天生麗質(zhì)”，洋理論難以應(yīng)用。因?yàn)殛懴囗搸r油主要由湖泊沉積，沉積物橫向變化很大，更加黏稠不易流動，頁巖質(zhì)地也較為松軟，難以壓裂。實(shí)驗(yàn)室副主任、集團(tuán)公司高級專家黎茂穩(wěn)說：“以上特征給研究人員帶來三個(gè)問題：一是哪兒油多，二是哪兒的油更容易流動，三是哪兒的地層更容易壓裂開?！?/span>

最重要的實(shí)驗(yàn)分析對象是巖芯，但頁巖油巖芯如何采樣、保存、分析以前沒有一套成熟的標(biāo)準(zhǔn)，一切都得從頭研究。由于頁巖油巖芯里的輕烴物質(zhì)和氣體極其容易散失，團(tuán)隊(duì)把實(shí)驗(yàn)室搬到了井場邊，建立一整套采樣規(guī)范，自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器，把“熱騰騰”的巖芯變成新鮮的可靠數(shù)據(jù)。

團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的冷凍密閉熱解裝置能夠在巖芯剛鉆出時(shí)就用零下200多攝氏度的液氮進(jìn)行冷凍保存，即使在巖芯粉碎處理時(shí)產(chǎn)生高溫也能有效保存孔隙里的輕烴氣體。自主研發(fā)的磁流體巖石體積測定儀，實(shí)現(xiàn)測定過程的自動化，體積由原來五六個(gè)人才能抬得動的大家伙變成了“手提箱”，在國內(nèi)多個(gè)探區(qū)得到生產(chǎn)應(yīng)用。由于需要在鉆出第一時(shí)間取芯，駐扎井場、凌晨取芯成了團(tuán)隊(duì)成員的家常便飯。

團(tuán)隊(duì)還加強(qiáng)頁巖油賦存、流動與富集機(jī)理研究，形成了頁巖油資源分類定量評價(jià)方法系列和甜點(diǎn)地質(zhì)地球物理預(yù)測軟件平臺，建立了選區(qū)評價(jià)指標(biāo)體系，明確下一步頁巖油勘探重點(diǎn)和技術(shù)路線圖?！瓣懴囗搸r油賦存機(jī)理與資源分類評價(jià)方法”獲得2019年度中國石化基礎(chǔ)前瞻性研究成果一等獎(jiǎng)。

打開頁巖氣高效開發(fā)“密碼鎖”

2012年11月，隨著焦頁1HF井氣流噴涌，我國頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)程快馬加鞭。但此時(shí)，頁巖氣藏精細(xì)描述與開發(fā)技術(shù)研究在國內(nèi)幾乎空白，必須鷡出一條新路。

以前，國內(nèi)外測井解釋中只是計(jì)算總孔隙度，方法簡單但結(jié)果不夠精確。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)攻關(guān)，創(chuàng)新性提出頁巖氣儲層發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙、脆性礦物孔隙、黏土礦物孔隙和微裂縫之“四孔隙地質(zhì)模型”，以此為理論基礎(chǔ)研發(fā)了測井“四孔隙組分”解釋模型，采取不同模型較準(zhǔn)確解釋游離氣、吸附氣含量。同時(shí)，研發(fā)出一系列地震資料特殊處理和解釋技術(shù)，能夠開展“地質(zhì)—工程雙甜點(diǎn)”評價(jià)，分尺度開展斷裂和裂縫解釋，特別是開展水平裂縫預(yù)測。在頁巖氣藏精細(xì)描述的基礎(chǔ)上，建立了一套地質(zhì)建模技術(shù)，對頁巖氣藏像做CT一樣進(jìn)行精細(xì)描述和三維表征。

頁巖氣開發(fā)中一個(gè)很重要的問題是如何準(zhǔn)確預(yù)測氣井的產(chǎn)能和預(yù)測氣井產(chǎn)量變化趨勢，這是論證頁巖氣藏開發(fā)方案的基礎(chǔ)，也是頁巖氣田科學(xué)、效益開發(fā)的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)室組織開展了頁巖氣開發(fā)氣藏流動機(jī)理研究，最終建立了一套反映頁巖氣多段壓裂水平井復(fù)雜滲流特征的不穩(wěn)定試井分析、產(chǎn)能評價(jià)與預(yù)測、生產(chǎn)動態(tài)分析、開發(fā)技術(shù)政策、數(shù)值模擬等技術(shù)方法，自主研發(fā)了一款以頁巖氣等非常規(guī)油氣藏開發(fā)模擬為主要特色兼顧常規(guī)油氣藏的數(shù)值模擬軟件（COMPASS），并應(yīng)用于現(xiàn)場，為涪陵、威榮、永川等頁巖氣田開發(fā)方案編制、產(chǎn)能建設(shè)和生產(chǎn)管理提供有力技術(shù)支撐。

儀器設(shè)備是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)室先后自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備8套，同時(shí)引進(jìn)開發(fā)納米CT、聚焦離子束等高精尖設(shè)備，集成建立了一套高精度頁巖氣地質(zhì)—開發(fā)—工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)。其中，頁巖儲層微納米級礦物組分、孔隙結(jié)構(gòu)及物性分析儀器設(shè)備是觀測“神器”，能夠清晰檢測顯示常規(guī)顯微鏡等無法看到的極細(xì)顆粒是何礦物、小到幾納米的孔隙分布及連通特征；頁巖現(xiàn)場含氣量測定儀擁有批量處理、自動化高的特點(diǎn)，有效避免巖芯擱置太久導(dǎo)致的氣體散失。全直徑頁巖氣吸附解吸及衰竭開發(fā)物理模擬裝置能夠在70兆帕、150攝氏度的高溫高壓下，對巖芯樣品保持原始結(jié)構(gòu)并模擬真實(shí)地層溫度壓力下頁巖氣體流動過程。

人工“高速通道”疏通“地下路網(wǎng)”

與常規(guī)的天然氣資源相比，我國南方海相頁巖氣層埋藏更深、層位更老、改造更強(qiáng)，地表也更復(fù)雜，開發(fā)技術(shù)屬于世界級難題。近年來，實(shí)驗(yàn)室通過不懈努力，研發(fā)形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)、全技術(shù)鏈的水平井鉆完井及分段壓裂技術(shù)。

“從微觀上看，頁巖氣藏相當(dāng)于一個(gè)黑暗的密室，有很多死胡同，且通道狹窄，封鎖在其中的氣體很難找到出路。”研究人員這樣告訴記者，“水力壓裂無疑是最直接有效的開采方式，通過創(chuàng)造人工‘高速通道’，形成地下錯(cuò)綜有序的‘路網(wǎng)’， 為頁巖氣生產(chǎn)流動提供長期穩(wěn)定的高速通道。” 面對頁巖氣地質(zhì)條件的巨大變化，實(shí)驗(yàn)室以形成多尺度復(fù)雜縫網(wǎng)為核心，以最大化提高有效改造體積為目標(biāo)，采取物模+數(shù)模、室內(nèi)+現(xiàn)場的總體思路，開展了大幅提升頁巖多尺度水力裂縫有效改造體積技術(shù)的攻關(guān)研究，在頁巖甜點(diǎn)識別與定量描述、多簇裂縫均衡控制、“井工廠”參數(shù)優(yōu)化、單井多尺度裂縫優(yōu)化、低成本壓裂材料、壓裂實(shí)時(shí)快速評估等方面創(chuàng)新研究與應(yīng)用，全面支撐了中國石化頁巖氣高效開發(fā)。2016年以來，相關(guān)研究成果在涪陵區(qū)塊指導(dǎo)壓裂設(shè)計(jì)及施工179口井3744段，工藝成功率高達(dá)100%，累計(jì)新增天然氣37.63億立方米，降本增效成效顯著；在威榮、永川、丁山—東溪、南川等深層及復(fù)雜構(gòu)造區(qū)塊開展了多口井現(xiàn)場應(yīng)用，工藝成功率達(dá)100%。

尤其在近兩年，實(shí)驗(yàn)室形成了以“多簇密切割限流射孔+多級暫堵+高強(qiáng)加砂”為主體的新一代頁巖氣高效壓裂技術(shù)，在深層、常壓、中深層及加密調(diào)整井壓裂工程方面取得了多項(xiàng)先進(jìn)指標(biāo)，創(chuàng)造了頁巖氣水平井壓裂一系列高新指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了垂深超4200米深層頁巖氣井壓后測試日產(chǎn)31萬立方米的產(chǎn)量紀(jì)錄。