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加大頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)力度，推動(dòng)中國(guó)頁(yè)巖革命，對(duì)立足國(guó)內(nèi)保障國(guó)家能源安全意義重大。不同于北美穩(wěn)定的海相頁(yè)巖，中國(guó)主要是陸相頁(yè)巖，在湖泊環(huán)境沉積形成，儲(chǔ)集性、含油性、流動(dòng)性、可壓性都變化較大。什么樣的頁(yè)巖才優(yōu)質(zhì)？在7月8日中國(guó)石化舉辦的科技創(chuàng)新未來(lái)發(fā)展論壇上，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)石油大學(xué)（華東）校長(zhǎng)郝芳，中國(guó)工程院院士、中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院院長(zhǎng)郭旭升，分別進(jìn)行詳細(xì)剖析，并提出諸多新觀點(diǎn)、新認(rèn)識(shí)。

本版文字由 本報(bào)記者程 強(qiáng) 通訊員 翟常博 整理

勝利油田牛頁(yè)一區(qū)試驗(yàn)井組電驅(qū)壓裂現(xiàn)場(chǎng)。 李 佳 攝

近年來(lái)名聲大噪的頁(yè)巖油，就是賦存于頁(yè)巖及其夾層中的原油。頁(yè)巖，主要由黏土沉積形成，具有薄頁(yè)狀或薄片層狀的節(jié)理。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)石油大學(xué)（華東）校長(zhǎng)郝芳說(shuō)，全球石油和天然氣絕大部分是由富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖形成的。

目前，全球21個(gè)國(guó)家75個(gè)盆地發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖油，據(jù)統(tǒng)計(jì)可采資源量在700億~800億噸。美國(guó)的頁(yè)巖油資源量占全球的18.7%，我國(guó)占7.7%。理論技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)美國(guó)頁(yè)巖油產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，2022年產(chǎn)量達(dá)到3.99億噸，實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立。我國(guó)頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)尚處于起步階段，全國(guó)探明頁(yè)巖油儲(chǔ)量超13億噸，2022年頁(yè)巖油產(chǎn)量突破300萬(wàn)噸。

不同于北美穩(wěn)定的海相頁(yè)巖，中國(guó)主要是陸相頁(yè)巖，在湖泊環(huán)境沉積形成，儲(chǔ)集性、含油性、流動(dòng)性、可壓性都變化較大。

那么，什么樣的頁(yè)巖才優(yōu)質(zhì)？

1  既要富含油，又要易壓裂

郝芳說(shuō)，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖，就是富含脆性礦物的紋層狀富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，具有好的物性、含油性及可壓性。

富含有機(jī)質(zhì)，才能生成油；富含脆性礦物，才易于壓裂。

而紋層，就像頁(yè)巖的年輪。據(jù)郝芳團(tuán)隊(duì)的研究，1米頁(yè)巖需要0.91萬(wàn)~1.39萬(wàn)年沉積形成，1米頁(yè)巖中有1.21萬(wàn)條紋層偶，1條紋層偶平均厚度在82微米，需要0.75~1.15年沉積形成。

郭旭升則詳細(xì)剖析了中國(guó)陸相優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并提出諸多新觀點(diǎn)、新認(rèn)識(shí)。

郭旭升說(shuō)，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要發(fā)育在半深湖-深湖相區(qū)，因?yàn)榘肷詈蜕詈鄥^(qū)是一個(gè)缺氧的環(huán)境，古生產(chǎn)力比較高，泥頁(yè)巖面積廣、厚度大、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型好、有機(jī)碳含量較高。

根據(jù)頁(yè)巖的礦物組成、沉積構(gòu)造、顆粒粒級(jí)、有機(jī)碳含量，我國(guó)陸相頁(yè)巖相分為八大類(lèi)。受物源和古地貌控制，頁(yè)巖巖相組合在平面上呈環(huán)帶狀分布。其中，碳酸鹽紋層狀頁(yè)巖主要分布在盆地中心和緩坡，長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖主要分布在盆緣。

一般來(lái)說(shuō)脆性礦物含量高，就有利于壓裂。但據(jù)統(tǒng)計(jì)，不同地區(qū)頁(yè)巖中的石英和長(zhǎng)石等脆性礦物的含量占比差不多，但壓裂效果差異非常大，有的頁(yè)巖壓裂后很容易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，有的則不行。為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題？

郭旭升指出，頁(yè)理結(jié)構(gòu)的合理性很關(guān)鍵。如果石英脆性顆粒是呈懸浮狀賦存于有機(jī)質(zhì)與黏土復(fù)合體中，則不能形成剛性巖石骨架結(jié)構(gòu)。部分頁(yè)巖，有機(jī)質(zhì)和脆性礦物含量都很高，但因?yàn)轫?yè)理結(jié)構(gòu)不合理，壓裂效果不佳。相比之下，濟(jì)陽(yáng)坳陷的紋層狀富碳酸鹽混積頁(yè)巖則能形成剛性骨架結(jié)構(gòu)，因此取得突破。

2  湖是咸水好還是淡水好？

中國(guó)陸相頁(yè)巖油主要是湖泊相。遠(yuǎn)古時(shí)代的湖泊有咸水湖泊，也有淡水湖泊，哪種更有潛力？

在咸水湖盆，主要發(fā)育富碳酸鹽-蒸發(fā)巖類(lèi)細(xì)粒沉積，以富硫有機(jī)相為主，古生產(chǎn)力低，有機(jī)質(zhì)保存條件優(yōu)越。而在淡水湖盆，主要發(fā)育長(zhǎng)英質(zhì)-黏土質(zhì)頁(yè)巖，以貧硫有機(jī)相為主，古生產(chǎn)力高，微生物改造作用強(qiáng)。

郭旭升說(shuō)，硫的加入能夠降低頁(yè)巖生烴活化能，所以咸水湖盆的生烴量比較高。

鏡質(zhì)體反射率Ro，是最重要的有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)，可以反映有機(jī)質(zhì)熱演化的程度。在濟(jì)陽(yáng)坳陷咸水湖盆，Ro在0.7%左右就可以大量生烴了，而在一些盆地的淡水湖盆，Ro要在0.95%才能生烴。

有機(jī)質(zhì)熱演化程度增加，烴類(lèi)產(chǎn)物氣油比就增大，流體性質(zhì)就越好。渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷古近系Ro在0.7%~1.0%，產(chǎn)出的就是高密度的黑油；四川盆地復(fù)興地區(qū)侏羅系Ro在1.2%~1.7%，產(chǎn)出的就是低密度的凝析油。

我國(guó)陸相頁(yè)巖主要有三種組合類(lèi)型。第一種是互層/夾層型，以鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段、四川盆地侏羅系為主，特點(diǎn)是源儲(chǔ)共存、頁(yè)巖層系整體含油，薄層砂巖或灰?guī)r夾層近源捕獲石油形成“甜點(diǎn)”，往往分布在淡水湖盆里。

第二種是混積頁(yè)巖紋層型，典型代表就是勝利油田沙三-沙四段，特點(diǎn)是源儲(chǔ)共存或源儲(chǔ)一體，頁(yè)巖層系整體含油，宏觀上看是自生自?xún)?chǔ)，但細(xì)分之后里面有不同的紋理結(jié)構(gòu)，富有機(jī)質(zhì)泥質(zhì)紋層是生油層，富碳酸鹽紋層是儲(chǔ)層，二者結(jié)合形成微觀源-儲(chǔ)組合。這種類(lèi)型主要分布在咸化湖盆。

第三種黑色頁(yè)巖基質(zhì)型，典型代表就是松遼盆地湖盆中部青山口組青一段，是標(biāo)準(zhǔn)的源儲(chǔ)一體類(lèi)型，紋層狀頁(yè)巖整體含油，砂質(zhì)、鈣質(zhì)頁(yè)巖是有利儲(chǔ)層，石油原地滯留形成“甜點(diǎn)”，具有高總有機(jī)碳含量、高演化程度、地層超壓等特點(diǎn)，更多分布在淡水湖盆。

3  孔是無(wú)機(jī)好還是有機(jī)好？

頁(yè)巖的儲(chǔ)集空間包括孔隙和微裂縫，其中孔隙從成因上可分為有機(jī)孔和無(wú)機(jī)孔。郭旭升團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出，無(wú)機(jī)孔是頁(yè)巖油最有利的儲(chǔ)集空間類(lèi)型。

有機(jī)孔，包括原生孔隙和次生孔隙。如古生物殼壁就是原生孔隙。這些古生物沉積的有機(jī)質(zhì)在地層中經(jīng)歷了復(fù)雜的生物化學(xué)及化學(xué)變化，會(huì)形成干酪根，就生成了干酪根次生孔隙。干酪根經(jīng)熱演化會(huì)生成油，油在高溫下會(huì)裂解為氣，并殘余瀝青，就生成了瀝青次生孔隙。

因此，熱演化成熟度是有機(jī)孔形成演化的基本條件。但很多頁(yè)巖并沒(méi)有大量的有機(jī)孔，因?yàn)檫@些孔隙沒(méi)有得到保護(hù)。可以為有機(jī)孔發(fā)育和保持提供保護(hù)的，是能夠抵抗強(qiáng)大壓力的剛性礦物或內(nèi)部流體有超高壓力。

有機(jī)孔作為頁(yè)巖油的“老家”，按理說(shuō)應(yīng)該是“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層。但這個(gè)“孔”和人們?nèi)庋劭梢?jiàn)的孔是兩回事——它是納米級(jí)別的。

四川盆地海相頁(yè)巖有機(jī)孔的孔徑大部分10納米左右，大慶古龍頁(yè)巖有機(jī)孔的孔徑也普遍小于30納米。而科研人員通過(guò)大量核磁共振發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔徑大于30納米時(shí)，游離油才可以流動(dòng)。因此，有機(jī)孔的流動(dòng)性很差，需要上改造手段。相比之下，無(wú)機(jī)孔孔徑成百上千納米，是微米級(jí)別，有很好的流動(dòng)性。

事實(shí)也印證了無(wú)機(jī)孔更有利于儲(chǔ)集。

在熒光下觀察紋層狀頁(yè)巖發(fā)現(xiàn)，暗色黏土質(zhì)紋層中游離烴比例低，亮色碳酸鹽巖紋層中游離烴比例高，表明油主要儲(chǔ)存在無(wú)機(jī)孔隙中。

在電子顯微鏡下觀察濟(jì)陽(yáng)坳陷紋層狀頁(yè)巖發(fā)現(xiàn)，在泥頁(yè)巖成巖過(guò)程中，碳酸鹽成分重新結(jié)晶，形成了方解石晶體和白云石晶體，形成大量的晶間孔，后來(lái)泥質(zhì)層形成的油進(jìn)入這些碳酸鹽紋層的儲(chǔ)集空間就形成富集。

在晶體形成的過(guò)程中還會(huì)形成一些層理縫、構(gòu)造縫、成巖縫，是非常好的滲流通道和儲(chǔ)集空間。

蘇北盆地的阜二段頁(yè)巖，有效儲(chǔ)集空間類(lèi)型就很多樣，既有高角度縫、層理縫，也有基質(zhì)孔，孔以碳酸鹽巖晶間孔、粉砂巖紋層中長(zhǎng)英質(zhì)粒間孔、黏土礦物粒間孔等無(wú)機(jī)孔為主，局部也有有機(jī)孔。

科研人員又對(duì)北美的頁(yè)巖油氣進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)北美頁(yè)巖油主產(chǎn)層也以無(wú)機(jī)孔為主，儲(chǔ)層多為碳酸鹽巖紋層或夾層，更加印證無(wú)機(jī)孔更有利于儲(chǔ)集。

4  頁(yè)巖成百上千米厚，哪里才“甜”？

一套頁(yè)巖通常厚達(dá)幾百米、上千米，這就帶來(lái)另一個(gè)重要問(wèn)題——哪里是“甜點(diǎn)”層？

郭旭升說(shuō)，既然頁(yè)巖油在生成后，會(huì)從頁(yè)巖中運(yùn)移出去進(jìn)入常規(guī)儲(chǔ)層，那么頁(yè)巖層系中的孔隙應(yīng)該“近水樓臺(tái)先得月”，頁(yè)巖油先把頁(yè)巖層系中的孔隙充滿(mǎn)再運(yùn)移出去，因此，找“甜點(diǎn)”應(yīng)該重視孔隙的作用。

油田通常用自然伽馬測(cè)井來(lái)檢測(cè)泥巖含量。在勝利油田頁(yè)巖油突破井樊頁(yè)平1井，科研人員發(fā)現(xiàn)，高伽馬值的井段，產(chǎn)量并不一定高，低伽馬值的井段，也就是碳酸鹽巖紋層比較多的頁(yè)巖井段，產(chǎn)量比較高。

勝利油田的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，頁(yè)巖層系的孔隙度與頁(yè)巖油產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。

郭旭升說(shuō)，這就帶來(lái)一個(gè)重要啟示：過(guò)去打頁(yè)巖油水平井，都要用伽馬指標(biāo)實(shí)時(shí)追蹤頁(yè)巖，用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)實(shí)時(shí)控制井下鉆進(jìn)方向，如果采用“孔隙甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)方法，就可以按幾何軌跡來(lái)設(shè)計(jì)井身軌跡，只要用常規(guī)導(dǎo)向技術(shù)鉆井即可，不用再頻繁調(diào)整井身軌跡，這就徹底解放了頁(yè)巖油鉆井工程，可以大幅降低工程成本。

此外，頁(yè)巖油保存條件也很重要。在勝利油田牛莊洼陷，鄰近的砂巖儲(chǔ)層經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采，地層早都欠壓，需要注水補(bǔ)充能量，而頁(yè)巖層系中的壓力系數(shù)最高可達(dá)1.9，說(shuō)明陸相頁(yè)巖層系強(qiáng)非均質(zhì)性和泥巖涂抹作用形成良好的自封閉性，即使有大規(guī)模斷層切割，也沒(méi)有破壞陸相頁(yè)巖層系的自封閉性，因此才有濟(jì)陽(yáng)頁(yè)巖油的高產(chǎn)。

綜上所述，郭旭升認(rèn)為，頁(yè)巖油“甜點(diǎn)”具有三要素：

一是良好的源-儲(chǔ)耦合關(guān)系。有機(jī)碳含量要高，無(wú)機(jī)孔要發(fā)育，脆性好。

二是Ro進(jìn)入生油窗即可。

三是要有良好的保存條件，地層超壓。

過(guò)去評(píng)價(jià)頁(yè)巖油，Ro要大于0.9%，頁(yè)巖油才可以流動(dòng)，而我國(guó)東部大部分頁(yè)巖Ro偏低，評(píng)價(jià)資源量較低?，F(xiàn)在認(rèn)為頁(yè)巖壓力系數(shù)高，可以增強(qiáng)頁(yè)巖油流動(dòng)性，這和注水開(kāi)發(fā)補(bǔ)能同樣道理。因此，Ro進(jìn)入生油窗即可，地層超壓就可以保證頁(yè)巖油流動(dòng)性。這個(gè)新認(rèn)識(shí)，解放了一大批Ro偏低的頁(yè)巖油資源，可以大幅增加頁(yè)巖油資源量。

5 中國(guó)陸相頁(yè)巖油潛力巨大

目前，我國(guó)陸相頁(yè)巖油在鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組、準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組、松遼盆地青山口組、濟(jì)陽(yáng)坳陷沙河街組、黃驊坳陷孔店組、四川盆地侏羅系、蘇北盆地古近系等領(lǐng)域取得了多點(diǎn)突破，全國(guó)探明頁(yè)巖油儲(chǔ)量超13億噸，2022年頁(yè)巖油產(chǎn)量突破300萬(wàn)噸。

其中，勝利油田對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷不同類(lèi)型的頁(yè)巖油進(jìn)行分層系、分類(lèi)型勘探，8口專(zhuān)探井測(cè)試日產(chǎn)油超百?lài)崳?口井累產(chǎn)油超萬(wàn)噸，豐頁(yè)1-1井最高日產(chǎn)頁(yè)巖油263噸。

勝利油田在高、中、低成熟度富碳酸鹽類(lèi)頁(yè)巖油均取得產(chǎn)能突破。其中，牛頁(yè)2HF井挑戰(zhàn)了Ro僅0.6%的極限，成功突破工業(yè)油流關(guān)。

勝利油田選擇在樊頁(yè)平1井區(qū)開(kāi)展3層樓8口井的立體開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，均獲得商業(yè)產(chǎn)能。

據(jù)原國(guó)土資源部2016年預(yù)測(cè)，全國(guó)頁(yè)巖油資源量超過(guò)400億噸，技術(shù)可采資源量超過(guò)37億噸，是美國(guó)的42%，而美國(guó)2022年頁(yè)巖油產(chǎn)量已達(dá)3.99億噸，占原油總產(chǎn)量的2/3，實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立。

“有這么好的基礎(chǔ)，我國(guó)頁(yè)巖油肯定大有作為！”郭旭升信心滿(mǎn)滿(mǎn)。

為此，郭旭升建議，一要加大勘探力度，落實(shí)資源潛力，開(kāi)展資源分級(jí)精細(xì)評(píng)價(jià)，根據(jù)油價(jià)選擇開(kāi)發(fā)策略。

二要加快迭代創(chuàng)新步伐，設(shè)立國(guó)家重大攻關(guān)項(xiàng)目，圍繞陸相頁(yè)巖油富集理論、開(kāi)發(fā)機(jī)理、工程技術(shù)和重大裝備等關(guān)鍵問(wèn)題持續(xù)開(kāi)展攻關(guān)。

三要攻關(guān)CCUS等大幅提高采收率技術(shù)。北美鷹灘油區(qū)開(kāi)展注天然氣吞吐試驗(yàn)，補(bǔ)充地層能量，維持地層壓力，7個(gè)試驗(yàn)區(qū)200余口生產(chǎn)2~5年的井，采出程度提高了30%~50%。二疊紀(jì)盆地大規(guī)模應(yīng)用二氧化碳驅(qū)油技術(shù)，年注入二氧化碳2200萬(wàn)噸，預(yù)測(cè)采收率從12%提高到19%。

四要?jiǎng)?chuàng)新建立油公司與服務(wù)公司一體化工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)雙贏。