常规-非常规油气“有序聚集”理论认识及实践意义.pdf

1 4 2 0 1 4年 2月 石油勘探与开发 PETROLEUM EXPLORAT1 0N AND DEVELOPM ENT Vl0 1 ． 41 No． 1 文章 编号 1 0 0 0 - 0 7 4 7 2 0 1 4 0 1 0 0 1 4 - 1 4 DO I 1 0 ． 1 1 6 9 8 ／ P E D． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 2 常规． 非常规油气 “ 有序聚集“理论认识及实践 意义 邹才能，杨智，张国生，侯连华，朱如凯，陶士振，袁选俊，董大忠， 王玉满，郭秋麟，王岚，毕海滨，李登华，武娜 中国石油勘探开发研究院 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 目 2 0 1 4 C B 2 3 9 0 0 0 ；国家油气重大专项 “ 岩性地层油气藏成藏规律、关键技术及 目标评价” 2 0 1 1 Z X0 5 0 0 1 摘要在分析全球常规． 非常规油气发展态势、梳理中国近 1 0年油气地质理论与技术创新成果基础上，系统阐述 了 常规． 非常规油气 “ 有序聚集”内涵，指出常规油气供烃方向有非常规油气共生、非常规油气外围空间可能有常规油 气伴生，强调 常规油气与非常规油气协同发展，找油思想从 “ 源外找油”深入到 “ 进源找油” 。非常规油气甜点着 眼 于烃源性、岩性、物性、 脆性、 含油气性与应力各 向异性 “ 六特性”匹配评价，以页岩气为例，中国有利页岩气 T O C 大于 2 ％，纹层状硅质钙质或钙质硅质页岩，孔隙度 3 ％～8 ％，脆性矿物含量 5 0 ％8 0 ％，含气量 2 3 ～4 ． 1 m 0 ／ t ，压 力系数 1 ． 0 ～2 ． 3 ，天然裂缝发育；北美有利页岩气 T O C大于 4 ％，硅质 页岩 、钙质页岩或泥灰岩，孔隙度 4 ％～9 ％， 脆性矿物含量 4 0 ％7 0 ％，含气量 2 8 ～9 ． 9 m ／ t ， 压力系数 1 ． 3 O ～1 - 8 5 ， 天然裂缝发育。重点论述 了 “ 甜点区”评价、 平台式 “ 工厂化”生产模式等方法与技术提出非常规油气 富集 “ 甜点区”8 项评价标准，其中 3 项关键指标是 T O C 大于 2 ％ 其 中页岩油 大于 2 m g ／ g 、孔 隙度较高 致密油气大于 1 0 ％，页岩油气大于 3 ％和微裂缝发育；阐述 了多井平 台式 “ 工厂化”生产内涵及其实施需要具备 “ 批量布井、标准设计、流水作业、重复利用”4 要素；通过地 下含油气地层各方向水平井体积压裂，形成大型人工缝网系统 “ 人造油气藏” 。图 6 表 7参 6 7 关键词非常规油气；有序聚集；协同发展； “ 甜点区”评价 ；平 台式 “ 工厂化”生产； “ 人造油气藏”；致密油； 页岩 油 ；页岩 气；致 密气 ； “ 进 源找油” 中图分类号T El 2 2 ． 2 文献标识码A Co n v e n t i o n a l a n d u n c O n V e n t i O n a l pe t r o l e u m “ o r d e r l y a c c u mu l a t i o n ’ ’ Co n c e p t a n d p r a c t i c a l s i g n i fic a n c e Z o u C a i n e n g ， Y a n g Z h i ， Z h a n g G u o s h e n g ， Ho u L i a n h u a ， Z h u R u k a i ， T a o S h i z h e n ， Y u a n Xu a n j u n ， Do n g Da z h o n g ， Wa n g Y u ma n ， G u o Q i u l i n ， Wa n g L a n ， Bi Ha i b i n ， L i D e n g h u a ， Wu Na P e t r o C h i n a R e s e a r c h I n s t i t u t e o f P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n＆De v e l o p m e n t ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n t h e l a t e s t g l o ba l c o n ve n t i o n a l u n c o nv e n t i o n a l pe tr o l e u m d e ve l o p me n t s i t u a t i o n a n d t he c o nc l u s i o n o f p e t r ol e um g e o l og y t he o r y a n d t e c hn o l o g y i n no va t i o n i n r e c e n t 1 0 y e a r s ，the c onn o t a t i o n o f c o n v e n t i o na l a nd u nc o n v e n t i o na l pe t r o l e um“ o r d e r l y a c c um u l a t i o n” i s f o r mul a t e d．Th i s c o nc e pt i nd i c a t e s tha t ，u n c o n ve nt i o n a l pe trol e u m o c c u r s i n t h e h y d r oc a r b o n s u p pl y di r e c t i o n o f c o n v e n t i o na l pe tro l e u m，a nd c o n ve nt i o n a l p e t r o l e um ma y a p pe a r i n t h e o u t e r s p a c e of u n c o n ve nt i on a l pe tro l e um．Pr op e r e v a l ua t i o n me t h o d s a n d e n gi n e e r i n g t e c h no l ogy are i mp o r t an t t o p us h the c on v e n t i o na l - un c o n v e n t i o na l pe tro l e um c o - de ve l o p me n t ，an d t h e p e tro l e um fin di n g tho ug h t f r o m o u t e r - s o ur c e i n t o i n ne r s o urc e ．Un c o n ve n t i o n a l pe tro l e um e va l ua t i o n f o c u s e s o n s o u r c e r o c ks c h ara c t e r i s t i c s ， l i thol o g y， p h ys i c a l pr o p e r t y， br i t t l e n e s s ， 0 i l g a s po s s i b i l i t y an d s t r e s s a n i s o t r o p y． Ta k i ng s h a l e g a s f or e xa mp l e s ， i n Ch i na ， t h e s e s i x p r o p e rt i e s are T OC 2 ％， l a mi n a t e d s i l i c i o u s c a l c are o u s s h a l e o r c a l c a r e o u s s i l i c i o u s s h a l e ， p o r o s i ty 3 ％- 8 ％， b ri t t l e mine r a l s c o n t e n t 5 0 ％一8 0 ％， g a s c o n t e n t 2 ． 3 4 ． 1 m ／ t ， p r e s s u r e c o e ffi c i e n t 1 ． 0 2 ． 3 ， n a t u r a l fr a c t u r e s ； i n n o rt h Ame ri c a ， t h e s e s i x p r o p e rti e s are T OC 4 ％， s i l i c i o u s s h a l e o r c a l c are o u s s h a l e o r ma r l ， p o r o s i ty 4 ％一 9 ％， b ri tt l e mi n e r a l s c o n t e n t 4 0 ％- 7 0 ％， g a s c o n t e n t 2 ． 8 - 9 ． 9 m ／ t ， pr e s s u r e c o e ffi c i e n t 1 ． 3 0 1 ． 8 5， na t u r a l fra c t u r e s ． “ S we e t s po t are a ”a s s e s s me n t ， “ f a c t o r y - l i k e ”o pe r a t i o n pa tte r n a nd ot h e r c o r e me t ho ds and t e c hn o l o g i e s are d i s c u s s e d ． An d 8 k e y e l e me n t s o f un c o n v e n t i o n a l“ s we e t s p o t are a ”are p r o p o s e d ， 3 o f the m are T OC 2 ％ for s h a l e o i l S 1 2 mg ／ g ， h i g h e r p o r o s i ty for t i g h t o i l g a s 1 0 ％， s h a l e o i l g a s 3 ％ ， and mi c r o fr a c t u r e s ． Mu l t i p l e we l l s “ f a c t o ry- l i k e ” o p e r a t i o n p a tt e r n i s e l a b o r a t e d ，an d i t s i mp l e me n t a t i o n n e e d s 4 e l e me n t s ，i ． e ． b a t c h we l l s p a c i n g ，s tan d a r d d e s i g n ，fl o w p r o c e s s ，an d r e u t i l i z a t i o n ． T h r o u g h h o r i z o n t a l we l l v o l ume fra c t u r e s i n d i r e c t i o n s ． “ man ma d e r e s e r v o i r s ”wi th l arg e - s c a l e fra c t u r e s y s t e ms c a n b e f o r me d un d e r g r o u nd． Ke y wo r d s u n c o n v e n t i o n a l p e tro l e um ； “ o r d e r l y a c c um u l a t i o n ’ ’ c o - d e v e l o p me n t ； “ s we e t s p o t are a ’ ’ a s s e s s me n t ； “ f a c t o ry- l i k e ’ ’ o p e r a t i o n p a tte m ； “ man ma d e r e s e r vo i r ’ ； t i g h t o i l ；s h a l e o i l ； s h a l e ga s ； t i g h t g a s ； pe t r o l e um e x p l o r a t i o n i n t o s o urc e r oc ks 2 0 1 4年 2月 邹才能 等常规． 非常规油气 “ 有序聚集”理论认识及实践意义 0引言 世界一次能源正迈人石油 、天然气 、煤炭 、新能 源 “ 四分天下”的时代 ，未来 3 0年油气仍将保持能源 消费主体的地位[ 1 们 。据美 国能源信息署 E I A2 0 1 3 年预测 ，2 0 4 0年全球一次能源消费结构中，石油将 占 2 8 ％、天然气 占 2 3 ％、煤炭占 2 7 ％、核能及可再生能 源占 2 2 ％[ 】 。全球油气资源潜力巨大 ，常规与非常规 油气资源总量约 5 1 0 t ， 二者 比例约为 2 8 ，目前常 规油气资源采出程度仅为 2 5 ％，非常规油气资源采出 程度还微不足道 ， 石油工业生命还可延长 1 5 0 a以上【 。 北美 “ 非常规油气革命 ”引发的石油工业科技革命 ， 正推动世界油气工业从常规油气向非常规油气跨越 ， 非常规油气的地位与作用将越显重要 ，预计世界非常 规油气产量 占总产量 的比例将 由目前的 1 0 ％升至 2 0 3 0 年 的 2 0 ％以上 【 ， ’ l ” 。 笔者在系统调研全球常规与非常规油气勘探开发 进展 、理论技术创新的基础上 ，立足中国石油工业较 长时期 内发展大趋势 ，结合 国内油气勘探开发试验最 新成果与经验启示 ，系统阐述了常规． 非常规油气 “ 有 序聚集”内涵 ，总结 出常规油气和非常规油气的评价 方法 、评价步骤 、关键技术和开采模式 ，基于实例解 剖研究了非常规油气 “ 六特性”核心评价要素 ，重点 论述了常规． 非常规油气 “ 甜点区”评价标准与方法 、 平 台式 “ 工厂化”生产模式 ，倡导非水压裂的 “ 页岩 油革命” ，提出了常规． 非常规油气协同发展新思路。 1研究背景 目前全球 已进入常规油气稳定上产、非常规油气 快速发展阶段 ，正在形成 2大陆上常规油气规模生产 区、4大深水常规油气重要发现区、2大非常规油气战 略突破区的格局。全球油气勘探呈现出 “ 发现热点在 深水 、发展亮点在非常规、突破难点在深层 、争夺焦 点在北极”4大趋势 ，4大勘探领域也将成为未来油气 科技创新发展的 4大制高点 。 据 I HS统计 ， 2 0 0 0 --2 0 1 2 年，全球共新增探明油气储量 1 1 0 0 x 1 0 t 以上，其 中 来 自陆地深层油气储量约 占 1 6 ％，主要分布在 中东 、 中亚一俄罗斯地区 ，目前 ，中国最深 的油气发现均在 塔里木盆地 ，最深油井金跃 1 0 2井 ，井深 7 3 5 0 m，日 产油 6 5 m ，最深气井克深 9井 ，井深逾 7 4 4 5 m，日 产气 4 6 x 1 0 m ；来 自海洋深水油气储量约占 2 8 ％，主 要分布在 巴西 、澳大利亚、西非 、墨西哥湾 4大深水 区；北极地区新发现油气 田 8 1 个 ，主要分布在挪威巴 伦支海 ，格陵兰岛西部巴芬湾首次获得油气发现【 】 。 目前 ，全球基本形成 中东 、中亚一俄罗斯两大常 规油气生产区格局。 全球约 2 ／ 3常规油气剩余可采储量 与待发现可采资源量分布在 中东 、中亚一俄罗斯地区， 其 中石油 占全球 总量 的 6 3 ％，天然气 占全球 总量 的 6 7 ％。 中东 、 中亚一俄罗斯两大常规油气生产区油气产 量比例持续上升 ， 石油产量比例已由 2 0 0 0年的 4 3 ％增 长到 2 0 1 2年的 5 0 ％，天然气产量 比例已由 2 0 0 0年的 3 4 ％增长到 2 0 1 2年的 4 3 ％[ 6 , 1 2 1 。 全球也正在形成西半球 的美 国、东半球 的中国两 大非常规油气战略突破 区。非常规油气勘探开发在致 密气、煤层气 、页岩气 、致密油等领域相继获得重大 突破 ，非常规油气产量 占总产量 的比例快速升至 1 0 ％ 以上[ 6 ,8 , 1 1 】 。以 “ 页岩气革命 ”为代表的理论技术创新 ， 正推动世界石油工业新的科技革命 。高分辨率三维地 震 、水平井体积压裂已成为油气勘探开发两大核心技 术 ，多井平台式 “ 工厂化 ”生产成为油气低成本开采 的管理新模式。 近 1 0年成为美国页岩气 、致密油 “ 革命性发展的 黄金十年” ，页岩气由南部地区的巴内特，到海恩斯维 尔，再到东部地区的马塞勒斯 ，连续获得重大突破 ， 成为非常规油气发展热点，2 0 1 2年页岩气产量 2 7 1 0 1 0 m ， 约占美 国天然气总产量的 4 0 ％； 致密油由北部 地区的巴肯 ，到南部地 区的鹰滩 ，再到西部地区的蒙 特利和东部地区的尤蒂卡 ，连续获得重大突破 ，成为 非常规油气发展亮点 ，2 0 1 2年致密油产量 0 ． 9 7 x 1 0 t ， 约 占美国石油总产量 的 2 2 ％[ 1 1 - 1 3 ] 。页岩气 、致密油等 非常规油气 的快速发展使得美国油气对外依存度大幅 下降， 2 0 1 2年美 国天然气对外依存度已降至 6 ％、 石油 对外依存度降至 4 0 ％I 6 ] 。 近 1 0年成为中国致密气、致密油 “ 开创性发展的 探索十年 ” 。致密气 已成为天然气增储上产 的重要领 域，近 1 0年平均新增探明致密气地质储量 3 1 1 0 x 1 0 m ，约 占同期探明天然气总储量的 5 2 ％；2 0 1 2年致密 气产量 3 0 0 x 1 0 m 左右 ，约 占全 国天然气总产量 的 2 8 ％；发现 了目前全国最大的苏里格致密气区，2 0 1 2 年 探 明和基 本探 明地 质储 量 3 ． 5 1 0 m ，年产 量 1 6 9 x 1 0 m [ 】 。致密油在鄂尔多斯、准噶尔等盆地发 现多个 5 ～1 0X 1 0 t 级储量规模 区，在松辽、渤海 湾 、四川等盆地也获重要突破。煤层气初步建成沁水 盆地南部 、鄂尔多斯盆地东缘两个地面生产基地 ，页 岩气在 四川盆地南部海相页岩中多 口井获工业气流 ， 工业化试验 区建设也取得重大进展[ 1 4 - 1 6 ] 。当前 ，致密 石油勘探与开发 油气勘探 V b 1 ． 4 1 NO ． 1 2 ． 2 ． 1常规油气 “ 六要素”评价 常规油气着力研究“ 圈闭是否成藏” ，核心评价 “ 生、 储 、 盖、 圈、 运 、 保” 6 要素及其匹配关系[ 1 - 2 , 4 2 - 5 5 ] ， 大庆长垣油田和克拉 2气 田是典型实例 见表 2 。 表 2 松辽盆地大庆长垣油田和塔里木盆地克拉 2气田主要地质要素 2 ． 2 ． 2非常规油气 “ 六特性”评价 非常规油气着力研究 “ 储集层是否含油气” ，核心 评价 “ 烃源性 、岩性 、物性、脆性 、含油气性与应力 各向异性”六特性及其匹配关系l l 3 ] 见表 3 、表 4 。 烃源性评价 ，旨在寻找高有机质含量区；岩性评价 ， 旨在寻找有效储集层发育区 ；物性评价 ，旨在筛选孑 L 渗性 含裂缝 相对较好的甜点 ；脆性评价 ，旨在优 选利于规模压裂的高脆性储集层 ；含油气性评价 ，旨 在优选含油性好的储集层 ；应力各 向异性评价 ，旨在 沿地应力最小方 向钻水平井 ，利于储集层改造。 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组 “ 六特性”评 价优越 ，是准噶尔盆地致密油突破方 向烃源岩条件 好 ，T O C平均值为 5 ％～6 ％，R 。 值为 0 ． 5 ％～1 ． 0 ％，1 1 型干酪根 ， 烃源岩厚度大于2 0 0 m范围面积达 8 0 0k m ； 云质粉细砂岩等优质储集层发育 ；储集层物性较好 ， 基质孔发育 ， 孔隙度 6 ％～2 0 ％， 渗透率整体小于 1 1 0 n r ，微细孔喉为主 ，连通性好 ；含油性较好 ，含油 饱和度一般大于 7 0 ％，原油密度 0 ． 8 8 ～0 ． 9 2 g ／ c m ，基 本不含水 ；储集层脆性较好 ，脆性矿物含量高 ，脆性 指数大于 5 0 ％，弹性模量大于 1 ． 0 1 0 MP a ， 泊松比小 于 0 ． 3 5 ；水平地应力差值较小 ，一般小于 6 MP a ，利 于体积 压裂 。 鄂尔多斯盆地中生界长 ， 致密油和上古生界致密 气 “ 六特性”甜点区，也是勘探开发突破区 见表 5 。 四川南部威远 、长宁和富顺一永川 区块志留系龙 马溪组 “ 六特性”评价优越 ，是页岩气优先勘探开发 的有利区 见表 3 富有机质页岩发育 ，T OC值大于 2 ％，自然伽马值大于 1 3 0 AP I ；纹层状硅质钙质页岩 和纹层状钙质硅质页岩等有利储集层发育 ；页岩储集 层物性较好 ， 总孔隙度 3 ％～8 ％， 含气孔隙度 2 ％～5 ％， 基质渗透率 1 0 ～l 0 。 1 0 I ．t m ；含气性较好 ，平 均总含气量 2 _ 3 ～4 ． 1 m ／ t ；高脆性储集层发育 ， 脆性指 数大于 4 0 ， 弹性模量一般大于 1 ． 3 1 0 MP a ， 泊松 比小 于 0 ． 2 9 ；水平地应力差值较小 ，一般小于 2 0 MP a ，易 形成复杂缝 网，有利于提高单井产量 。 需要指出 ，细粒沉积学基础研究在非常规油气地 质评价中非常重要。细粒沉积岩是指粒径小于 0 ． 1 mm 的颗粒含量大于 5 0 ％的沉积岩 ，主要 由黏土和粉砂等 陆源碎屑颗粒组成 ， 也包含少量的盆地内生的碳酸盐 、 生物硅质、磷酸盐等颗粒 ，占全球沉积岩的 7 5 ％以上 。 “ 细粒沉积学”就是通过对细粒沉积岩组成与结构特 征的解剖 ，揭示 富有机质页岩 、致密储集层形成主控 因素与分布模式 ，进而为非常规油气勘探提供指导的 学科 见图 4 。在此基础上 ，需要创建 “ 非常规储集 层地质学” ，即重点研究非常规储集层微一纳米级孔喉 系统形成机制 、分布特征 、体积规模与评价方法 ，为 致密油气与页岩油气等提供理论支撑。 2 ． 3常规一 非常规油气 “ 有序聚集”实例 四川盆地发育震旦系一中三叠统的海相地层与上三 叠统一始新统的陆相地层，发现 2 1 套含油气层系，有 3 类常规与 3 类非常规油气 “ 有序聚集” 。3 类常规气为震 旦系灯影组碳酸盐岩缝洞型气藏、寒武系龙王庙组和石 炭系孔隙型白云岩气藏、二叠系一三叠系碳酸盐岩礁滩 型气藏 ， 3类非常规油气为志留系龙马溪组与寒武系筇竹 寺组页岩气、上三叠统须家河组致密气 、 侏罗系致密油。 四川盆地发育的震旦系一志留系组合，常规． 非常规天然 气空间 “ 有序聚集、 共生分布” 见图 5 ， 二者可分别形 成万亿方级储量规模，震旦系一寒武系常规气受 “ 古裂 陷槽、古老烃源、古岩溶储集层 、古原油裂解、古隆起 富集”等控制，志留系、寒武系等非常规页岩气主要受 深水陆棚富有机质、高硅钙质等页岩相控制。 3评价方法与技术 3 ． 1评价方法及关键技术 3 ． 1 ． 1评价方法及 步骤 常规． 非常规油气 “ 有序聚集”建立了统一 的油气 有序共生体系 ，但常规油气 、非常规油气的评价方法 与步骤存在较大差别 ，应考虑实际情况分别对待。 2 0 1 4年 2月 羞 ＼ a 蠹 茬 匿 謇 副 凶 副 舞 嗵 娟 磐 避 舞 凶 导 2器 量 墨 妞 0 一 一 0 0 0、0 0 f 0 蒜 蠡 邹才能 等常规一 非常规油气 “ 有序聚集”理论认识及实践意义 兰 堇2 誊 2 ． ．2 一 9 蓍 赛 占 0 0 量2奏 1； 卜蒜 霞 长 壕 暑 萤 呈 暑 妞 墨 曼 莹 喜 目 0 0 萤2 孺 凶 雾 涩 坦 坦 日 三 暑 量 呈 骞 妞 0 0 0 量 z 萤 蒜 凶 蠡 冥 楹 坦 0 寸 0、0 0I n 岳 圃 ，。。 d 一 妞 0 0、0 孺 赦 0 枉 赛 导 卜 寸 0、0 昌 墨 墨 晷 萤 日 三 嫩 量2 量 誉 9 暑 五 墨 0 0、0 薰 墨 0。 。 0，0 0 0 0 0 要 目 工 _一 - 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5 7 见表 6 。目前 中国已初步建立了 3个层次的非常规油气资源评价方法体系 。①快速评 价 资料少 、地质认识程度低 的地区，采用容积法和 体积法 ，该方法可用于 7种非常规资源的快速评价。 ②重点评价 资料相对较多 、地质认识程度较高的地 区，采用 E UR E s t i ma t e d Ul t i ma t e R a t e ，单井预测最 终累计产量 类比法、资源丰度类 比法和小面元法 ， 可用于致密油 、致密气和页岩气的重点评价 。③刻度 区精细评价 资料较多 、地质认识程度较高的地区 ， 采用资源空间分布预测法和数值模拟法 ，可用于致密 油、致密气和页岩气的重点评价。其中，容积法 、体 积法、E U R类 比法和资源丰度类 比法只能评价资源规 模 ，不能预测资源分布；小面元法 、资源空间分布预 测法和数值模拟法可预测 “ 甜点区” 。 表 6 常规与非常规油气资源的地质特征和评价方法差异 资源 油气运聚数值模拟法 连续型油气聚集数值模拟类 比法 类 比参 数类比法 类 比参数统计法 油气藏发现 统计法 小面元法 、 评价采用浮力驱动模型， 法 采用超压驱动模型 ， 包括生、储 、盖、圈、包括生 、储 、保过程模型 、规模序列 资源空间连续分布 方法 如达西流模型等 如干酪根生气增压模 型等 保 5 类地质参数 3类地质参数 法 、 广义帕内托模 型等 预测法等 非常规油气在储集层特征 、生产动态特性 、评估 单元划分等方面均具有特殊性 ，不能沿用或简单套用 常规油气储量评价规范和流程 ，借鉴美国非常规油气 储量评价经验 ，亟需形成适用于中国不同类型非常规 油气的储量评价标准和方法。 3 ． 2 ． 2非常规油气 “ 甜点 区”评价方法 非常规油气 “ 甜点区” ，是指在