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  中国石油勘探  2023, Vol. 28 Issue (5): 1-14  DOI:10.3969/j.issn.1672-7703.2023.05.001
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引用本文 

付金华, 王龙, 陈修, 刘江艳, 惠潇, 程党性. 鄂尔多斯盆地长7页岩油勘探开发新进展及前景展望[J]. 中国石油勘探, 2023, 28(5): 1-14. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7703.2023.05.001.
Fu Jinhua, Wang Long, Chen Xiu, Liu Jiangyan, Hui Xiao, Cheng Dangxing. Progress and prospects of shale oil exploration and development in the seventh member of Yanchang Formation in Ordos Basin[J]. China Petroleum Exploration, 2023, 28(5): 1-14. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7703.2023.05.001.

基金项目

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(2016ZX05050);中国石油天然气集团有限公司前瞻性基础性研究重大科技项目“鄂尔多斯盆地页岩油勘探开发理论与关键技术研究”(2021DJ1806)

第一作者简介

付金华(1963-),男,湖北黄冈人,博士,2004年毕业于西北大学,教授级高级工程师,现从事油气勘探开发研究和管理工作。地址:陕西省西安市未央区未央路151号,邮政编码:710018。E-mail: fjh_cq@petrochina.com.cn

通信作者简介

王龙(1990-),男,甘肃会宁人,博士,2019年毕业于中国地质大学(北京),高级工程师,现从事沉积学和油气勘探开发研究工作。地址:陕西省西安市未央区未央路151号,邮政编码:710018。E-mail: wanglong1127@163.com

文章历史

收稿日期:2023-06-27
修改日期:2023-09-08
鄂尔多斯盆地长7页岩油勘探开发新进展及前景展望
付金华1, 王龙1,2, 陈修1,2, 刘江艳1,2, 惠潇1,2, 程党性1,2     
1. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室;
2. 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院
摘要: 页岩油是国内外普遍关注的重大勘探领域,是重要的石油接替资源。经过长期的矿场实践,鄂尔多斯盆地长7页岩油勘探开发和研究认识取得了重大突破和长足进展:(1)夹层型页岩油在前期勘探突破、探明我国首个整装10亿吨级的庆城大油田基础上,进一步实现了规模效益开发,建成了百万吨国家级页岩油开发示范区。(2)纹层型页岩油勘探首次将细粒沉积复合体分为砂质纹层、凝灰质纹层、高TOC泥质纹层、中低TOC泥质纹层4种纹层类型,通过评价其发育规模、储集性能、含油性、可动性和原油性质等,明确砂质纹层与中低TOC泥质纹层组合是纹层型页岩油最优甜点段;针对甜点段,应用MN交会法等测井评价新方法实现了复杂岩性的精细解释,通过定向射孔和穿层立体压裂技术实现了水平段井筒周围三维甜点立体沟通,形成了纹层型页岩油甜点的有效识别、预测和改造技术,风险勘探获重大突破,首次提交预测储量2.05×108t。(3)页理型页岩油可分为两类,中高成熟度页岩可采用水平井攻关,较高的TOC(4%~14%)和高S1含量是控制甜点目标的关键参数;中低成熟度有机质页岩是开展原位转化攻关的最有利对象。鄂尔多斯盆地长7陆相页岩油领域的战略性突破,在中国石油勘探开发历史上具有里程碑意义,但仍面临不小挑战。夹层型页岩油已实现规模效益开发,整体形势较好,但在甜点预测、储层提产提效和提高采收率等方面需要进一步攻关;与夹层型页岩油相比,纹层型页岩油具有完全不同的沉积背景、岩性组合、储集空间和工程品质,面临的难题更多,效益动用的难度更大,要以储量品质和可动用性为重点,持续深化成藏富集规律研究,强化配套技术体系攻关;页理型页岩油目前勘探和认识程度均比较低,需要稳步推进基础理论研究和先导性攻关试验。
关键词: 鄂尔多斯盆地    页岩油    延长组    长7段    勘探开发    新进展    
Progress and prospects of shale oil exploration and development in the seventh member of Yanchang Formation in Ordos Basin
Fu Jinhua1 , Wang Long1,2 , Chen Xiu1,2 , Liu Jiangyan1,2 , Hui Xiao1,2 , Cheng Dangxing1,2     
1. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil and Gas Fields;
2. Research Institute of Exploration & Development, PetroChina Changqing Oilfield Company
Abstract: As an important replacement resource, shale oil is a major exploration field widely concerned at home and abroad. The long-term exploration and development practice enabled to make significant breakthrough and progress in the exploration, development and research of shale oil in the seventh member of Yanchang Formation (Chang 7 member) in Ordos Basin: (1) On the basis of exploration breakthrough in the interlayered type shale oil and discovery of the first integral one-billion-ton level Qingcheng Oilfield, the large-scale and benefit development has been achieved, and a million-ton level national shale oil development demonstration zone has been constructed. (2) In the exploration of the laminated type shale oil, four types of laminated type have been classified of the fine-grained sedimentary complex for the first time, i.e., sandy lamina, tuffaceous lamina, high TOC argillaceous lamina, and medium-low TOC argillaceous lamina. The combination of sandy lamina and medium-low TOC argillaceous lamina is the optimal "sweet spot" interval of the laminated shale oil by evaluating their development scale, reservoir performance, oil-bearing property, movability, and crude oil properties. For the sweet spot interval, new logging evaluation methods such as M-N cross plot are used to finely interpret the complex lithology, and the directional perforation and cross-layer stereoscopic fracturing technology enable to achieve the spatial communication of sweet spots around the wellbore in horizontal section, forming technologies for the effective identification, prediction of sweet spots and reconstruction of the laminated type shale oil, and achieving a major breakthrough in risk exploration, with the primarily submitted predicted shale oil reserves of 2.05×108 t. (3) The laminar type shale oil is subdivided into two categories. The medium-high maturity organic shale can be developed by horizontal well, and relatively high TOC (4%-14%) and high S1 content are key indicators for screening favorable sweet spots. While the medium-low maturity organic shale is the most favorable target for in-situ transformation research. The strategic breakthrough has been made in the exploration of continental shale oil in Chang 7 member in Ordos Basin, which is a milestone in China's petroleum exploration and development history, but it still faces great challenges. For example, the large-scale and benefit development has been achieved of the interlayered type shale oil, but further research should be conducted on the prediction of sweet spots, production increase and efficiency improvement, and enhanced oil recovery. The laminated type shale oil is facing more challenges and greater difficulty in benefit utilization due to the completely different sedimentary settings, lithologic combination, reservoir space, and engineering quality from the interlayered type shale oil. Therefore, by focusing on the reserve quality and oil movability, hydrocarbon accumulation law should continuously be studied and the research on supporting technology should be strengthened. While for the laminar type shale oil with relative low level of exploration and understanding, the theoretical research and pilot test should steadily be promoted.
Key words: Ordos Basin    shale oil    Yanchang Formation    seventh member of Yanchang Formation    exploration and development    progress    
0 引言

页岩油是赋存于富有机质页岩层系中的石油聚集,储层致密、微米—纳米级孔喉系统发育,原生源储、滞留成藏,是经人工压裂才形成的“人工油气藏”[1]。国外(尤其是北美)勘探实践表明,全球源内非常规石油资源量远大于源外常规石油资源量,随着地质认识的提高和勘探开发技术的飞速发展,页岩油产量快速增长,正在重塑世界原油格局[1-2]

鄂尔多斯盆地长7页岩油资源丰富,是长庆油田持续发展的重要战略接替领域。近年来,通过地质理论创新和关键技术攻关[3],以块状细砂岩为主要产层的夹层型页岩油勘探开发取得重大进展,探明了我国首个整装10亿吨级的庆城大油田,建成了百万吨国家级开发示范区,页岩油年产量达221×104t。2022年,以薄砂泥互层为主的纹层型页岩油水平井(LY1H井试油获116.8t/d高产油流)风险勘探取得重大突破,2023年纹层型页岩油首口直井获百吨油流(B76井试油获107.53t/d高产),勘探再获突破,展现出巨大的发展潜力。截至目前,鄂尔多斯盆地长7页岩油预测储量7.66×108t,探明储量12.55×108t,增储上产空间巨大,对我国源内非常规油气勘探开发具有重要的战略意义和引领示范作用。

针对鄂尔多斯盆地长7页岩油的沉积环境、富集机理及勘探潜力,前人做了大量研究并取得丰硕成果[4-12]。但相关研究主要集中在长7段大型坳陷湖盆的成因、“面广水深”的沉积格局,以及深水区广泛发育的砂质沉积构成的页岩油甜点即长71+2夹层型页岩油等方面,针对长7段不同类型页岩油勘探开发整体性的梳理和思考较少。本文系统梳理和总结了长7段不同类型页岩油的勘探开发现状、研究新进展和面临的瓶颈问题,尤其是近两年来,通过对纹层型页岩油复杂岩性的精细解释、甜点区的精准识别、水平段的精细压裂改造等,实现了在烃源岩段获得工业油流甚至高产油流,这为传统石油成藏理论认识的突破提供了具体的地质实例,并为鄂尔多斯盆地及国内外其他盆地页岩油高效可持续发展提供了借鉴和启示。

1 长7页岩油概况 1.1 基本地质特征

鄂尔多斯盆地位于华北地台西部,晚三叠世印支运动使扬子板块和华北板块发生挤压碰撞,形成一个典型的内陆坳陷多旋回克拉通盆地[4-5]。三叠系延长组发育一套内陆河流—三角洲—湖泊相碎屑岩系,地层厚度超过1000m[8]。延长组长7段沉积期为湖盆的最大湖泛期,半深湖—深湖面积为6.5×104 km2,水深60~120m,发育一套大面积分布的泥页岩和粉—细砂岩沉积,为页岩油发育提供了物质基础(图 1a[9]

图 1 鄂尔多斯盆地长7段沉积相图及地层柱状图 Fig. 1 Sedimentary facies map and stratigraphic column of the seventh member of Yanchang Formation in Ordos Basin

长7段厚度约为110m,自下而上可划分为长73、长72、长71 3个亚段(图 1b)。其中长73亚段以黑色泥页岩为主,尤以底部最为发育,被称为“张家滩页岩”,是区域对比的标志层,上部夹薄层粉—细砂岩;长72、长71亚段则主要发育三角洲前缘水下分流河道、重力流砂体和湖相泥页岩[8, 10-11]。整体而言,鄂尔多斯盆地长7段富有质泥页岩与粉—细砂岩互层叠置,石油赋存于烃源岩层系内,为典型的陆相页岩油(图 1)。

1.2 长7页岩油分类

国内外学者将赋存于泥页岩及其上下邻近或其内部夹持相对细粒、具有一定厚度、物性相对较好的砂岩、碳酸盐岩互层或夹层中,有工业开发价值的石油富集段称为“甜点”[13-18]。但由于每个盆地的地质条件差异大,目前国内外对页岩油分类尚未形成统一的标准,根据国内外学者的划分方案,结合鄂尔多斯盆地地质条件和沉积特征,本文将长7页岩油划分为两大类四小类(表 1[8, 10, 19-20]

表 1 鄂尔多斯盆地长7页岩油类型划分表(据文献[10, 19]修改) Table 1 Classification of shale oil reservoirs in the seventh member of Yanchang Formation in Ordos Basin (Modified after references [10, 19])

夹层型页岩油以富有机质泥页岩夹多期块状细砂岩为特征,单砂体厚度一般小于10m(陇东地区重力流型砂体厚度一般为1~2m,陕北地区三角洲前缘型砂体厚度为2~10m),以长71、长72亚段为主,长73亚段局部发育(图 2a);纹层型页岩油为毫米—厘米级具有纹层结构的粉—细砂岩和泥页岩复合体,单砂体厚度为0.01~0.6m,以长73亚段为主(图 2b);页理型页岩油以发育页理结构、富含有机质的页岩为主,砂体基本不发育,主要在长73亚段底部(图 2c)。

图 2 鄂尔多斯盆地长7段3类页岩油岩性特征 Fig. 2 Lithologic characteristics of three types of shale oil in the seventh member of Yanchang Formation in Ordos Basin
2 长7页岩油勘探开发新进展

中国石油长庆油田公司围绕夹层型页岩油扩大成果、纹层型页岩油勘探发现和页理型页岩油技术试验的部署思路,积极开展综合研究和技术攻关,主要取得了以下新进展。

2.1 夹层型页岩油增储上产成果持续扩大

长期以来,鄂尔多斯盆地延长组长7段主要作为烃源岩进行研究,零星钻遇的油层被认为无开采价值,未引起足够的重视。受美国页岩革命的影响,特别是2011年以来,通过对中—上三叠统延长组沉积期沉积环境的恢复研究,构建了坳陷湖盆细粒沉积发育模式,创新提出“盆地周缘隆升、宽缓湖盆底形、广阔的可容纳空间”有利于在大型坳陷湖盆发育大面积细粒砂质和泥质混合沉积的重要认识,明晰了湖盆深水区烃源岩和储集体互层共生关系[5-10]

以发育在半深湖—深湖泥页岩中的重力流砂体为勘探对象,6年时间内先后开辟了X233、Z183、N89等3个先导试验区(图 3),试油区完钻的25口水平井平均试油日产量均超百吨,经过长期试采评价,稳产形势较好,投产初期平均日产油超10t,目前日产油近5t,平均单井累计产油超过2×104t,坚定了推进页岩油规模勘探开发的信心。2018年以来,按照“直井控藏、水平井提产”的思路,通过整体部署,分步实施,加快推进开发示范基地建设,实现了页岩油勘探的重大突破。2019年,在湖盆中部发现了储量规模超10×108t的中国最大的页岩油田——庆城油田(图 3),实现了陆相页岩油领域的战略性突破。

图 3 鄂尔多斯盆地长7夹层型页岩油勘探成果图 Fig. 3 Exploration results of the interlayered type shale oil in the seventh member of Yanchang Formation in Ordos Basin

自2019年发现庆城油田以来,以提升储量品质和可动用性为重点,持续深化成藏富集规律研究,强化配套技术体系攻关,2022年延长组长71、长72夹层型页岩油在庆城油田南部新增探明储量1.1×108t,含油面积为406km2图 3)。目前,延长组长7段成为长庆油田最为重要的石油勘探开发接替层系,已在甘肃陇东建成了百万吨页岩油生产基地,页岩油产量逐渐递增,2022年产量已达221×104t(图 4),为页岩油年产300×104t目标进一步夯实了资源基础。

图 4 鄂尔多斯盆地长7夹层型页岩油历年产量图 Fig. 4 Annual production of the interlayered type shale oil in the seventh member of Yanchang Formation in Ordos Basin

夹层型页岩油作为目前鄂尔多斯盆地页岩油勘探开发的主要对象,储层主要为烃源岩段的砂岩夹层。通过进一步深化砂体展布规律研究,认为在长73最大湖泛期之后,湖盆逐渐萎缩,经历多期震荡湖退,长71+2亚段三角洲前缘和重力流厚砂体纵向多期叠置,岩性以细砂岩为主,发育数量较多的粒间孔和溶蚀孔。砂体横向连续性好,距离湖盆中部优质烃源岩较近,生排烃期超压形成的大量微裂缝和高渗砂体为烃类运移提供了优势运移通道,垂向和侧向短距离运聚成藏,形成了广布式的甜点目标区[19, 21]图 3)。在此认识基础上,夹层型页岩油含油富集区进一步向陕北地区拓展,近两年来部署实施的J188H1、L31H1、G62H2、G62H3等系列水平井均获高产,陕北新区带落实含油面积1200km2,储量规模为(3~5)×108t。

2.2 纹层型页岩油风险勘探获得重大突破

纹层型页岩油主要分布在半深湖—深湖区,以粉砂岩、泥岩、页岩、凝灰岩多岩性细粒沉积薄互层为主要特征,各类岩性单层厚度薄,形成了源储共生、近源充注、在湖盆斜坡末端及深湖中心大面积分布的高含油饱和度页岩油甜点区(图 5[10, 19]。2011年以来,13口井长73亚段直井体积压裂获工业油流,突破了出油关。为实现提产增效,2019年在湖盆中部部署CY1、CY2两口风险探井,开展“水平井+体积压裂”试验,试油均获百吨高产(图 5),长7页岩油新类型勘探首获突破,有力助推了纹层型页岩油的勘探进展,为认识页岩油新类型提供了地质依据。2022年通过深化甜点主控因素研究,加大三维地震断裂预测和压裂工艺技术攻关,部署实施的LY1H井长73亚段获日产油116.80t高产油流(图 5),试采438天,累计产油8328t,目前日产油仍超过10t,展现出良好的稳产能力,在LY1H井首次提交预测石油地质储量2.05×108t,实现了长73纹层型页岩油勘探重大突破,有望解放资源量20×108t。

图 5 鄂尔多斯盆地长73纹层型页岩油勘探成果图 Fig. 5 Exploration results of the laminated type shale oil in the third sub-member of the seventh member of Yanchang Formation in Ordos Basin

2023年趁势而上,以扩大陇东、发现新区为目的,持续强化纹层型页岩油地质理论认识与配套提产提效技术攻关,明确砂质纹层与中低TOC泥质纹层组合长英质含量高,可动油含量高,物性、可压裂性好,是最优甜点段;通过测井评价新方法实现了纹层段复杂岩性的精细解释,创新形成纹层型页岩油甜点有效识别及预测技术;通过定向射孔、穿层立体压裂技术,实现水平段井筒周围三维甜点立体沟通。上半年完试探评井27口,获工业油流井24口,其中高产井7口,页岩油勘探再获新突破。其中B76直井甜点单层厚度小(1.1~4.4m),纵向改造难度大,利用前置CO2增加裂缝复杂性、混相降黏、提高增能效率,单层加砂量超百立方米,获日产107.53t高产油流,目前试采日产10t以上,直井增产效果明显(图 5)。

2.3 页理型页岩油前期攻关试验稳步推进

鄂尔多斯盆地长7段不同区块泥页岩成熟度具有明显差异,整体成熟度中等,Ro分布在0.7%以上,局部成熟度较低,Ro分布在0.6%以下。成熟度差异对页岩内部烃类性质及赋存状态具有重要影响,据此进一步细分了中高成熟度页岩油及中低成熟度页岩油两类,并分别开展前期攻关试验。

针对中高成熟度页岩油,国内外主要采取水平井+水力压裂方式进行开发,以古龙页岩油为例,目前已实现了勘探重大突破并取得了一定的开发成效[22]。在充分调研国内外陆相页理型页岩油地质特征和水平井实施经验的基础上,优选较高TOC(4%~14%)、高S1含量和高核磁孔隙度的黑色页岩段,在鄂尔多斯盆地北部、中部和南部分别部署开展攻关试验,分区带探索页理型页岩油有效动用关键核心技术,目前L1H井已完钻(水平段长2035m)。

中低成熟度有机质页岩是开展原位转化攻关的主要目标。基于原位转化技术条件,系统开展了长7页岩油赋存特征、含油量、孔隙度和热性质变化特征等研究。一是通过原位转化模拟,初步明确了长73页岩油含油量为7.18~11.5mg/g,滞留油量约为18mg/g,生油潜量大于100mg/g。二是通过高温高压成岩物理模拟实验,揭示了随着温度升高,页岩孔喉体积显著增大,以L38井长7段样品为例,原样实测孔隙度为2.5%(未洗油,计算基质孔隙度4.8%),模拟实验加热后孔隙度升高为15.5%,增加了6倍,同时页岩原位转化过程中产生的大量孔隙、裂缝,大大提高渗流能力,页岩原位转化生成油能有效产出。基于以上认识,在鄂尔多斯盆地南部优选了Z75试验区,先导试验攻关正在稳步推进中。

3 纹层型页岩油主要地质认识和技术新进展

在夹层型页岩油突破的基础上,近年来重点围绕纹层型页岩油新类型,开展了综合地质研究和关键技术攻关,主要在沉积机理、富集机理和压裂改造技术提产等方面取得了新的认识和重要进展。

3.1 湖盆中部长73亚段发育具纹层结构的细粒沉积复合体

在盆山耦合的作用下,长73亚段沉积期湖盆快速扩张,水体加深,陆源碎屑供给较少,为典型的欠补偿沉积,湖盆中部主要发育一套细粒沉积。通过野外剖面、岩心、薄片等分析,认为细粒沉积主要发育砂质纹层、凝灰质纹层、中低TOC泥质纹层、高TOC泥质纹层4种纹层类型(图 6)。其中,砂质纹层主要呈灰色—灰白色,粒度整体较细,以泥质粉砂岩、粉砂岩、极细砂岩为主,厚度薄,为0.05~0.64m,见波状层理、粒序层理(图 6ab);凝灰质纹层以灰白色—黄褐色凝灰岩、泥质凝灰岩为主,多与泥页岩呈薄互层产出,镜下可见火山作用形成的玻屑或晶屑(图 6de);中低TOC泥质纹层以深灰色—黑色粉砂质泥岩或泥岩为主,发育块状、水平层理,有机质含量较低;高TOC泥质纹层以深灰色—黑色页岩为主,页理发育,有机质含量较高,多夹毫米级凝灰岩(图 6c)。

图 6 鄂尔多斯盆地长7页岩油4种纹层类型图 Fig. 6 Four types of laminae of the laminated type shale oil in the seventh member of Yanchang Formation in Ordos Basin (a)衣食村剖面长73亚段不同类型纹层发育特征;(b)CY1井,2029.9m, 岩心中高TOC泥质纹层、凝灰质纹层、砂质纹层组合特征;(c)Zheng75井,1398.2m, 岩心中砂质纹层与高TOC泥质纹层组合特征,长73亚段;(d)CY1井,2028.7m,砂质纹层及高TOC泥质纹层微观特征;(e)Cai30井,1964.88m,高TOC泥质纹层与凝灰质纹层微观特征

不同的纹层结构受天文周期、气候变化、地质事件综合控制。天文旋回分析揭示超长偏心率周期控制湖平面变化与有机质差异富集,是多类型纹层频繁叠置的沉积序列组合形成的基础[23]。同时,长73亚段沉积期主要为温带—亚热带湿润气候,并处于晚三叠世卡尼期早期,梅雨事件频发,为洪水期异重流发育提供了有利条件,多期异重流事件导致深水区广泛发育泥质粉砂岩—粉砂岩为主的砂质纹层组合。以火山活动为代表的地质事件有利于深湖区发育多种岩性组合,同时携带深部营养物质,促进藻类勃发,有利于富有机质泥页岩纹层形成。

利用环形水槽初步模拟了洪水期异重流搬运细粒泥沙过程,受密度差影响,泥沙进入安静水体后可沿底部进行远距离搬运。在搬运初期,下部较厚且粒度较粗,上部较薄且粒度偏细;随着继续搬运,滑水作用促使粒度较细的流体头部抬升并向前快速搬运,多个“新头部”的产生促使粉砂岩、泥质粉砂岩等更细粒沉积物搬运至更远的地方。细粒沉积物切片反映出多期砂质纹层与泥质纹层组合序列,随着搬运距离的增大,纹层数量逐渐减少,单个纹层的厚度逐渐减小(图 7)。

图 7 不同搬运距离下纹层数量及厚度变化统计图 Fig. 7 Variations in the number and thickness of laminae with different transportation distances

不同纹层类型在垂向上有序叠加,可以形成不同的岩性组合,其中长73亚段页岩主要发育砂质纹层与中低TOC泥质纹层、凝灰质纹层和高TOC泥质纹层、高TOC和中低TOC泥质纹层3类纹层组合(图 8)。砂质纹层与中低TOC泥质纹层组合以极细砂岩、粉砂岩、泥页岩为主,单层厚度为1~60cm,平均累计厚度为15.3m;凝灰质纹层和高TOC泥质纹层组合以凝灰岩为主,单层厚度为0.1~5cm,平均累计厚度为0.6m;高TOC和中低TOC泥质纹层组合以富有机质页岩为主,单层厚度为0.5~10cm。

图 8 Ning228井不同纹层组合荧光特征图 Fig. 8 Fluorescence characteristics of different lamina combinations in Well Ning228

这3类纹层组合的发育规模、储集性能、含油性、可动性、原油性质等存在较大差别。从储集性能看,砂质纹层与中低TOC泥质纹层组合长英质含量高,可压裂性好,孔隙半径为2~8μm,喉道半径为20~120nm,平均孔隙度为6.11%,渗透率为0.07mD。从含油性看,砂质纹层荧光特征明显,以轻质油为主,主要赋存于粒间孔、溶蚀孔;凝灰质纹层和高TOC泥质纹层油质相对较重,主要分布在微裂缝、溶蚀孔和层理缝(图 8)。从流体可动性看,砂质纹层、凝灰质纹层为两段式,主要为游离态;高TOC泥质纹层为阶梯式,游离态、吸附态均有分布;3类纹层组合抽提油总量为18~20mg/g,其中砂质纹层与中低TOC泥质纹层组合游离态占比为86.5%,可动性好。从原油性质看,砂质纹层与中低TOC泥质纹层组合以饱和烃为主,轻质组分占比约为73%,原油性质好;凝灰质纹层和高TOC泥质纹层组合以饱和烃、非烃为主,轻质组分占比约为63%;高TOC和低TOC泥质纹层组合以非烃、饱和烃、芳香烃为主,轻质组分占比约为55%,原油性质相对较差(图 9)。综合纹层组合发育规模、储集性能、含油性、可动性、原油性质等分析,认为砂质纹层与中低TOC泥质纹层组合是页岩油富集目标。

图 9 不同纹层组合原油性质分布图 Fig. 9 Distribution of crude oil properties of different lamina combinations
3.2 创新形成了纹层型甜点页岩油的有效识别及预测技术

针对不同纹层类型和纹层组合,创新了地球物理评价方法,实现了甜点的有效识别和预测。其中,通过测井评价新方法实现了复杂岩性的精细解释,研发了基于结构特征的电成像图像增强技术及MN交会法泥质含量计算新模型(图 10),精细解释了高自然伽马背景下多种岩性,符合率达到90%以上。通过电成像图像增强处理技术,图像清晰度和薄层的精细刻画能力得到大幅提高,有效提高了成像资料的清晰度和对薄层的分辨能力,为岩相精细识别建立基础。在岩心刻度与地质结合的基础上,通过构建静态图像结构特征及分布形态参数进行岩相分类判识,建立不同岩相识别标准,研发基于CIFLog软件平台的岩相处理解释模块,实现岩相自动处理划分,解决了页岩油高伽马储层岩性岩相精准识别的技术难题。

图 10 鄂尔多斯盆地长7页岩油MN交会法泥质含量计算模型图 Fig. 10 Calculation plate of clay content by MN cross plot method in the seventh member of Yanchang Formation in Ordos Basin 校正后的MN值消除了干酪根的影响,提高了岩性剖面计算精度

通过创新全直径密闭岩心实验测量方法,解决了页岩地层遇水膨胀,无法洗油洗盐的技术瓶颈,突破了高有机质地层孔隙度和饱和度无法精准测量难题。并通过分析页岩油不同岩相特征的物性分布规律,发现通过体积密度和脉冲衰减渗透率测试等致密岩石分析方法获得的有效孔隙度与中子孔隙度和密度孔隙度差值有较好的指数拟合关系,创新建立了孔隙度计算方法。分析确定纹层型页岩油泥页岩段平均含油饱和度为66.80%,纹层段平均含油饱和度为56.37%,砂岩段平均含油饱和度为66.55%,测井新技术有力支撑了新类型页岩油的预测储量申报。

地震技术实现了纹层型页岩油甜点预测。鄂尔多斯盆地黄土塬地区经过长期剥蚀、切割,形成了复杂多变的沟、塬、梁、茆、坡等地形,黄土塬具有对地震信号的强吸收衰减、地表地形高差大及障碍物复杂等特点,是公认的地震勘探难区。针对黄土层对地震波速的影响,采用不同速度建场。针对浅层采用强反射(井钻遇)—基准面生成等效速度场,避免黄土塬地层速度复杂的问题;针对中深层,以地层沉积模式为指导,精细建场,有效模拟变速层展布规律;针对纹层段与围岩属性差异小的特征,研发了基于相控多井建模的相变推演新技术,精细刻画了纹层储集体展布形态。最终,通过3300余口老井精细解释,刻画了纹层型页岩油甜点分布,预测有利范围5000km2图 11),改变了鄂尔多斯盆地中部长73亚段不发育有利储集体的传统认识,拓展了页岩油勘探新类型。

图 11 陇东三维区长7纹层储集体甜点分布图 Fig. 11 Distribution of sweet spot reservoirs of the laminated type shale oil in the seventh member of Yanchang Formation in 3D seismic area in Longdong area
3.3 优化形成了多纹层页岩的立体改造及排采技术

纹层型页岩油在储层物性、孔喉结构、岩石力学等方面与夹层型页岩油存在较大差异,为此开展了以“纵向穿层、差异布缝、有效支撑、驱油防垢”为核心的立体改造技术探索。首先,针对储集体纵向多岩性交互叠合、层理发育特征,开展水力压裂物模实验和现场测试,明确了裂缝纵向穿层的工艺参数界限,形成了“高黏液造缝高+低黏液造缝长”的设计模式,裂缝与储层接触面积提高1.5~2倍,建立了纵向穿层压裂参数设计模式。结合三维地震资料,剖析水平段轨迹和空间储集体相对关系,针对“隐蔽性甜点”,通过定向射孔、穿层立体压裂技术,实现水平段井筒周围三维甜点立体沟通(图 12),同时配套示踪剂,挖掘并评价其增产潜力。

图 12 长7纹层型页岩油三维甜点精细压裂方案设计思路 Fig. 12 Design concept of fracturing scheme for sweet spots of the laminated type shale oil in the seventh member of Yanchang Formation

其次,优化了裂缝系统有效支撑方式,形成了多段少簇细分切割体积压裂工艺,研发了纳米变黏多功能压裂液。针对纵向夹层应力高、缝宽窄,支撑剂充填难度大的问题,采用70/140目小粒径石英砂,可进1mm以下微缝,配套升级高承压管材(55MPa→70MPa),保障大排量携砂,实现缝网有效支撑,支撑缝长提高15%,导流能力提高20%。针对纹层型页岩油水平两向应力差大、脆性指数低,难以形成复杂裂缝,通过水平段差异化布缝、可溶球座体积压裂,裂缝密度由5.4条/100m增加为6.2条/100m、加砂强度由2.1t/m增加到3.5t/m,缝控改造体积提高35%。针对纹层型页岩油孔喉降至纳米级、黏土矿物含量高、生产井筒易结垢,研发了具有“渗吸、防膨、防垢”的多功能压裂液,渗吸驱油效率由10%提升到37%,LY1H井应用该体系,返排率仅1.1%即见油。

最后,创建了科学精细的排采管理制度。以延长自喷生产、保障长期稳产、实现EUR最大化为目的,按照“焖、控、采”生产模式,形成个性化排采方案,优化合理焖井时间(目前以30天左右为宜)、4~12mm油嘴逐级控制井口压力2~4MPa放喷、分阶段采用宽幅电泵和采油机排采,预测单井EUR为2.8×104t。

4 面临的挑战及攻关方向

鄂尔多斯盆地长7页岩油勘探开发取得了重大突破和长足进展,但仍然存在许多科学与技术问题亟待攻关解决,找准问题和方向,坚持不懈的基础研究和持续的科技进步是页岩油革命成功的关键。

4.1 夹层型页岩油

经过多年探索,夹层型页岩油已实现规模效益开发,整体形势较好,但在砂岩甜点预测、储层提产提效和提高采收率等方面仍面临挑战。一是鄂尔多斯盆地长7段不同沉积体系、不同区带岩性组合、储层品质及差异富集机理、区带优质甜点评价有待进一步攻关;二是陆相页岩层系沉积相变快、储层非均质性强,薄储层刻画精度不够,提升优质储层钻遇率难,储量动用难度大;三是对断裂系统及人工裂缝形态认识不深,裂缝耦合渗流机理不明确,对储层改造和后期开发带来了较大挑战;四是页岩油水平井体积压裂准自然能量开发渗流机理尚未明确,不同开发阶段油水相互作用的动力学特征和影响因素不清楚,中后期补充能量难,降递减难度大,有效补充能量方式仍需探索;五是长7页岩油和上覆长6段及下伏长8段都是主力含油层系,长6段和长8段多以注水开发为主,与长7页岩油叠合区面积大,整体开发效果差,针对叠合区水窜问题,需进一步强化断裂系统精细识别、预测裂缝分布,探索叠合区有效勘探开发方式。

4.2 纹层型页岩油

与夹层型页岩油相比,纹层型页岩油具有完全不同的沉积背景、岩性组合、储集空间和工程品质,面临的难题更多,效益动用的难度更大,且无法借鉴夹层型页岩油已有的勘探开发经验。为实现鄂尔多斯盆地延长组长73纹层型页岩油新类型的高效勘探开发,要以储量品质和可动用性为重点,持续深化成藏富集规律研究,强化配套技术体系攻关:一是多种细粒岩性复合发育的沉积机理和形成机制不明确,需要明确不同纹层组合类型的沉积机制与岩相分布;二是不同岩性烃类赋存状态、成烃—成储—成藏等耦合作用不清楚,需要明确不同纹层组合页岩的生—排烃过程;三是不同类型岩相储集性能和有效储层成因不清楚,需要明确甜点主控因素;四是高精度岩石物理和测井精细识别技术有待建立,储量关键参数有待评价;五是纹层型页岩的岩性非均质性强、脆性弱,需要攻关形成压裂方案及增能驱油新技术。

4.3 页理型页岩油

页理型页岩油目前勘探和认识程度都比较低,需要稳步推进基础理论研究和先导性攻关试验。其中中高成熟度页岩分布区是目前风险勘探的重要目标,中低成熟度页岩分布区是原位转化攻关试验的主要目标,有望落实百亿吨以上资源潜力。目前尤其要针对富烃页岩成因机制、油藏赋存状态与成藏富集规律、资源评价方法及勘探潜力开展深入研究;另外针对页岩裂缝扩展机理不清等难题,需要明确原位环境下页理纹层力学特性与页岩力学各向异性,重点探索压裂提产、驱油补能一体化提产新途径,形成配套勘探技术系列。

5 结语

(1)鄂尔多斯盆地长7段广泛发育富有机质泥页岩夹薄层砂岩,长7页岩油赋存于烃源岩内,自生自储、源内成藏,是我国陆相盆地典型的页岩油,叠合分布面积为2.35×104km2,其中长庆探区面积为1.75×104km2,是实现我国陆相页岩油革命的战略接替资源。

(2)夹层型页岩油是鄂尔多斯盆地近期长时间内增储上产的现实目标,也是目前该盆地页岩油勘探开发的主要对象,近年来通过加强庆城油田外围勘探,陇东地区长71+2夹层型页岩油储量规模不断扩大,同时积极拓展陕北地区三角洲前缘夹层型页岩油新领域,开拓新的含油富集区,目前已提交三级储量18.15×108t,需要通过关键技术持续攻关实现资源向储量、储量向产量的快速转化。

(3)2022年以来,随着LY1H、MY1H水平井及B76直井相继在长73亚段获得高产油流,纹层型页岩油新类型勘探获得战略性突破,成为继夹层型页岩油之后的又一重要接替领域。要以储量品质和可动用性为重点,持续深化成藏富集规律研究,强化配套技术体系攻关,落实规模储量和实现效益动用。

(4)页理型页岩油目前勘探和认识程度都比较低,但资源潜力极其巨大,一旦突破将成为陆相页岩油革命主体,需要稳步推进基础理论研究和先导性攻关试验。

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