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页岩气革命带来油气地质学和勘探学的重大创新_张抗

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页岩 革命 带来 油气 地质学 勘探 重大 创新
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2012 年第 6 期 · 石油科技论坛页岩气革命带来油气地质学和勘探学的重大创新摘   要 : 页岩气革命标志着非常规油气已经成为可与常规油气并列的勘探方向, 同时也意味着传统的油气地质和勘探理论将要并已经有重大创新性突破。 对于非常常规油气而言, 不但 “生、 储、 盖、 运、 聚 (圈)、 保” 的 “六字箴言” 失去了认识油气赋存的指导意义, 圈闭的确定和优选也不再是勘探的必经程序 ; 勘探思路有革命性的开拓创新 ; 对低品位却呈面积性分布的非常规油气, 更加关注 “甜点” 的寻找, 勘探开发高度一体化 ; 观念变了, 思路变了, 方法变了。 针对非常规油气勘探开发理论和方法上的特点, 需要我们在实践中关注并上升为理论性认识 ; 在推动我国非常规油气发展中要有适应于我国情况的技术创新和配套完善的技术。关键词 : 页岩油气 非常规油气 油气地质学 油气勘探 勘探程序中国石化石油勘探开发研究院作者简介 : 张抗, 1940年生, 教授高级工程师, 中国石化石油勘探开发研究院咨询委员会副主任, 中国能源研究会常务理事, 主要从事油气发展战略研究。 岩气与页岩油的大发展令世界震惊如果说 21 世纪头几年页岩气的发展已引起美国油气界越来越大的兴趣, 那么 2008 年后页岩气、 页岩油产量的快速上升则使美国上下振奋, 并引起全球油气界、 经济界的巨大关注。 人们越来越深刻地感受到它们对能源发展认识上的巨大冲击!感受到它们对经济乃至社会发展的重大贡献!于是页岩气革命一词便迅速流传开来。人们都知道, 美国的能源消费、 油气进口长期居世界前茅, 本国的油气产量持续下降。 但是在 21 世纪短短几年时间里, 由于页岩气的快速发展使产量由降转升, 2011 年超过俄罗斯, 成为第一大产气国。 估计2015 年可实现液化天然气出口并在其后可成为天然气的净出口国 [1]。 因页岩气大量生产而使气价猛降以后,生产者把更多的投资转向与页岩气共生、 伴生的页岩油。 于是, 奇迹又发生了!它使美国石油产量由持续近 30 年的降势转为上升, 美国 2008 — 2011 年石油产量年增率达 而同期世界均值仅为 美国成为石油产量增长最猛的国家。 与之相应, 美国石油对外依存度持续降低, 由 2005 年的 到 2012 年上半年的 美国油气产量的上升促进了其经济的回升 [2]。 由于油、 气二者的勘探开发关系甚为密切,人们更多地把它们合称为页岩油气。页岩气的发展肇始于同属非常规的致密油气, 人们将其开发中采用的以水平井和压裂为主体的技术系列引入岩性同样致密的暗色页岩中, 并逐渐适应页岩的诸多特点后就促成了页岩气、 页岩油的大发展, 而页岩油气的技术进步和对资源赋存认识的提升又反过来推动着非常规油气, 特别是煤层气的发展 [3]。与此同时, 非常规的油砂 (沥青砂岩)、 重 (稠)油的经济开发也取得重大进展, 特别是纵贯加拿大和美国西部的油砂带和横贯委内瑞拉的奥利诺科重油带都形成大—超大型油田群的规模。 作为非常规气的潜力巨大的天然气水合物也被列入积极探索的目标。张 抗 : 页岩气革命带来油气地质学和勘探学的重大创新37石油科技论坛 · 2012 年第 6 期专家论坛从目前的研究情况来看, 每一种非常油气的规模都远大于常规油气, 全部非常规油气的蕴藏至少比常规油气大一个数量级。 就近期的勘探开发来说, 非常规油气已达到与常规油气同等重要的地位 ; 而就未来的供应看, 前者却似乎更为重要。 从人们对地下资源认识的发展过程看, 页岩油气的成功使人们对非常规油气的认识更加深化和系统化, 促使其完成了向理性认识的飞跃, 促成了传统石油地质学基本理论的突破和创新。2 传统油气地质学的 “六字箴言” 遇到空前挑战传统油气地质学的理论可简单概括为著名的 “六字箴言” : 生、 储、 盖、 运、 聚 (圈)、 保。依据这一 “箴言”, 首先认为, 有经济价值的油气主体来源于地质上富含有机质的生烃岩, 它主要指暗色细碎屑岩, 即目前人们概称的 “页岩”。 其次, 生成的油气微滴与地层水一起从烃源岩中排出, 运移至油气可以被富集赋存的储层内。 之所以能被封存而不致散失则需要上方或周围有良好的遮盖保护层。 于是分散的油气得以聚集而成单位面积内油气含量相当高的可供开采的油气藏。 第三, 形成的油气聚集要保障在其后的地质历史中不受到破坏, 不因各种地质因素使其丧失了保存条件, 被改造、 破坏、 散失或变质, 这就是 “保” 字。按此认识就形成了以下结论 :第一, 生烃岩 (即页岩) 内残存的油气因分散且在正常情况下无法流出, 不能形成有经济价值的油气藏, 不是找油气的目标 (目的层) ;第二, 如果地层因致密使孔隙少而小, 气 (特别是油) 则被迫分散难聚集也难采出, 不能形成有效储层, 最常见的这类地层是致密砂岩, 它也不适宜作为勘探开发对象 ;第三, 如果油气藏后期被破坏, 天然气则被逸散,石油的轻质组分散失形成流动性差的重油 (稠油), 甚至以半固态的沥青为主形成沥青砂。直到 20 世纪 70 — 80 年代, 这 3 类油气在当时的“常规” 技术下很难被采出或勉强采出亦无经济效益,于是称其为非常规油气。总而言之, 按传统石油地质学的要求是寻找地下富集而易采的油气聚集。 富集就是要将分散在相当大面积上的油气聚集在相当小的圈闭内而不再逸散。 这种局限性的圈闭对于体积巨大的含油气盆地来说可看成一个小 “点”。但是, 页岩油气的发展打破了传统的生、 储、 盖层的概念, 向传统的 “六字箴言” 提出了挑战。 暗色页岩既是烃源岩又是储层, 其本身也是盖层。 现在, 人们就是要把部分运移后仍保留在细碎屑岩系中的油气开釆出来 —— 这就是页岩气、 页岩油。 长期以来, 人们仅仅注目于排烃、 运聚, 而对于没有排出 “残留” 在页岩系内的油气量不大在意, 一般认为量似乎不大。但深入研究后发现, 页岩的超细微颗粒反而使其有巨大的颗粒总表面积, 因而有超大的吸附能力。 从宏观上看页岩具非渗透性, 但从微观上看, 却有着大量纳米级的孔洞和裂隙, 其中的流体 (油气和水) 在正常情况下没有运移流动的可能, 因而构成其另一种保存机理。 两种机理的叠加可使页岩内保存大量油气。 这种油气因没有富集而以低丰度分散在面状分布的几乎整个页岩层系内, 巨大的体积可使之有巨大的油气赋存总量。 在传统石油地质理论中认为烃源岩层系, 特别是单层厚度过大, 不利于排烃, 即认为其没有充分的排烃、 运移条件, 甚至把它归入 “无效烃源岩” 之内。 而从页岩油气看来, 这却是难得的有利条件。 单层厚度越大, 不仅保留的油气量大而且越容易进行水平井钻井和压裂施工, 往往是首选的探索对象。 显然,在页岩油气赋存上生、 储、 盖合为一体, 圈闭不再是必需的条件, 运、 聚的地位消失了, “六字箴言” 被从根本上动摇了, 油气赋存的观念改变了。传统油气地质学使人们把探索目标锁定在高丰度且可汇流入钻井井筒内的油气赋存上, 因而不但不把页岩作为找油气的对象, 而且把其他渗透性差、 孔隙度低 (油气地质上称物性差) 而影响油气顺利汇入井筒的岩石也置之 “度” 外, 打入另册。 从开采角度定义了严格的物性下限, 低于此下限的即归为致密、 超致密储层, 甚至包括部分粗碎屑岩 (砂岩、 砂砾岩)。这样一来, 能列为有效储层的岩石就相当少了。 非常规油气使人们打破了这种 “画地为牢” 的储层概念。 不但在开发中按物性划分可采与否的下限不断下降, 而382012 年第 6 期 · 石油科技论坛张 抗 : 页岩气革命带来油气地质学和勘探学的重大创新且使人们对岩层孔渗性的研究由肉眼、 偏光显微镜的级别进入电子显微镜的纳米级别。 于是, 找油气的领域更为宽广了。显然, 传统油气地质学的基础理论被撼动了。 以页岩气革命为代表的非常规油气的发展将推动石油地质理论与勘探开发技术革命性的创新。3 页岩油气勘探与传统油气勘探程序上的差异油气勘探学就是地下油气赋存的搜索学, 是向地下未知领域的探索, 因而其本身就是一个不断深化认识的过程。 随着以各种手段方法获得的地表、 地下的信息量的增多, 随着人们综合各种信息研究程度的加深, 对地下情况的认识越来越接近实际, 直到发现和探明了油气的赋存。 这种不断增加勘探工作量、 不断从实践中加深认识的过程需要理论的指导, 这就是勘探思路, 就是对地下情况 “模式” 的预判。 在勘探的过程中可对先前的认识证实或证伪, 但更多的是修正和补充这个思路或预判。 在约一个半世纪的近现代油气工业发展过程中, 人们就是在不断进步的传统油气地质学指导下去勘探。 与之相应的勘探思路就是面 (体) 中求点, 从含油气盆地评价的大面积出发确定利于油气藏形成的区带, 进而寻找可供油气富集的圈闭, 在圈闭上打探井判断有无具经济价值的油气藏, 发现后集中力量进行评价勘探获得探明储量, 进而编制开发方案进行产能建设而投入开采 [4]。 对这个完整的勘探程序有一个通俗的概括 : 物探画圈、 地质定点、 钻井打眼。 所谓画圈就是确定圈闭的位置、 深度、 形状和大小, 这个工作由地质家部署的以地震手段为主的地球物理勘探来逐步完成。 由于勘探中花钱最多的是钻井, 人们总希望把圈闭落实并对其储层好坏及是否含油气性作出判断再打探井。 但很遗憾, 人们总是难以很快、 很准确地掌握地下情况, 因而一般来说, 预探中探井成功率达 30%就算是理想的 “好运气” 了。 客观地说,由于地质的复杂性, 能够按照 “六字箴言” 的严格条件而富集成藏的概率不是很大, 在其必然性中有若干偶然性。 从主现的认识过程说, “面 (体) 中求点”如同大海寻宝, 要经过艰苦的摸索, 必然性中确有许多偶然性因素。 因而上述勘探—认识过程可能出现曲折反复, 庞大系统的勘探工程也需按不断更新的认识而分年度进行, 因而完成勘探程序往往需要一个不能很短的时间 (几年、 十几年、 甚至数十年)的反复工作, 需花费相当大的投资才能发现并探明油气藏。 现在可以这样说, 经过数十年、 上百年的勘探 , 地表、 地下条件容易找的目标大多已被发现, 常规油气的勘探难度越来越大了。 然而非常规油气勘探可以摆脱 “圈闭” 这一条件的束缚, 它所寻找的是大面积赋存的低品位资源。 在新油气区仍要从勘探第一步的盆地区域评价做起, 做许多基础地质工作,进行以地震为主的地球物探普查。 在此基础上优选区、 带, 选定预探井。 但在许多老油田 (区), 经过多年工作人们对非常规油气赋存的可能层位及其性状已有许多基础性认识。 如对页岩油气、 煤层气来说已大体知道其地层存在的空间位置, 甚至对其含油气性也可能有定性的大致了解。 因此, 区域评价工作的难度有所减小, 可较快进入在优选区带上打探井以取得油气页岩层含气性等参数。 在其勘探过程中打探井发现油气并不很难, 关键在于能否找到“甜点”。“甜点” 一词在常规油气勘探开发中多指容易发现且产量相对高的地区。 显然, 探井首先打在 “甜点”上其成功率可大为提高, 油气田可早日被发现 ; 首先在油气田的 “甜点” 上开发则容易以低成本、 高产而打开局面, 早日见到经济效益进而可使条件较差的部分降低开发的门槛。“甜点” 对于非常规油气更为重要。 这是由于非常规油气多为低品位难釆者, 其含油气性稍好些或稍坏些对经济效益影响较大, 特别是初期钻井数量少、 工艺措施对局部情况是否适应还需摸索, 因而成本高、见效慢。 从 “甜点” 入手则可使勘探开发者信心 (俗话说 “一上手就尝到甜头”) 和进展动力倍增 ; 认识不到 “甜点” 所在, 一开始就碰上硬骨头, 情况则相反。总之, 常规油气的勘探阶段强调发现, 要优选圈闭并在其上打出发现井, 而非常规油气勘探阶段更强调依托所取得的多项参数进行地震与钻井测井结合的储层精细解释和含油气性预测以寻找 “甜点”。 从这个角度上看, 非常规油气 (特别是页岩油气) 勘探初期选定39石油科技论坛 · 2012 年第 6 期专家论坛探井时对研究程度的要求提高, 即要求开展类似于常规油气勘探较高级阶段进行的储层预测和评价。4 非常规油气要求勘探开发高度一体化非常规油气的低品位使其经济可采性对地质情况的横向变化、 地层的非均质性相当敏感, 因而试图像常规油气勘探那样在已知圈闭上以钻少量评价井 (数口、 多至十余口) 来完成储量探明任务是很困难的。 这就需要以较密的评价井去控制一定面积的含油气性变化。 进一步说, 非常规油气多数单井产量递减较快 (特别是投产初期) 且递减曲线类型在平面上可有较大变化, 这就要求进行较长时间的试采, 以对采收率这类至关重要的参数有较可靠的选定、 求取可采储量并对经济效益有较合理的估算。 显而易见, 在开发阶段必须充分利用这些已花费巨大投资所钻的探井及相关设施, 勘探开发必须一体化进行。 其实, 随常规油气勘探、 开发难度的逐渐增大也提出了这样的问题, 勘探与开发两大阶段已经出现了密切衔接的要求, 只不过对非常规油气来说, 这种将两阶段密切联系的高度一体化却是必须贯彻的正常要求, 以至于以申报探明储量为标志的勘探结束时间的确定就往往带有某种人为性了。 在页岩油气和致密油气的生产过程中, 群井开发中单井产量曲线的变化需要更长时间的观察, 许多开釆井还要进行反复的压裂和相关的井下作业, 这就增加了对开发地质研究和储量复核的要求。上述特点提醒我们, 对非常规油气的储量管理也须做新的探索, 如以怎样的标准去划分和认定探明和预测储量, 怎样界定试采阶段的起点、 终点 (这涉及监管和税收), 具备什么样的储量级别才能取得相应的区块开釆权等。 勘探开发高度一体化反过来会对勘探者和经营管理者提出更高的要求, 甚至要求相应基础设施的规模、 级别和实施时间必须更符合实际。 时机过早, 遇到勘探失利会增加损失 ; 过晚, 会延误工作重复施工甚至造成更大的失误。显然, 非常规油气的勘探工作在一定程度上继承了常规油气长期勘探过程中所积累的经验, 亦强调遵循一定的勘探程序, 但无论是程序本身, 还是具体的勘探步骤和方法都需要创新。 对此, 我们要在实践中不断总结提高。5 非常规油气勘探过程中的某些误区在认识非常规油气勘探开发特点时应注意避免两种倾向 : 一种是忽视其有别于常规油气的特点, 这对熟悉常规油气的经营管理者和勘探者来说特别要警惕, 他们往往以 “老经验” 指导新领域的探索 ; 另一种倾向是认为非常规油气既然针对面积性分布的油气, 不需要经历认识逐渐加深的勘探程序, 不需逐步进行区块、 工区和探井井位的优选。 在后一种思路指导下, 勘探中不是 “摸着石头过河”、 分期部署并逐渐加大工作量、 逐步丰富和修正已有的认识, 而是片面强调 “钻头上出认识、 出油气”, 盲目加大工作量, 想一气呵成。 欲速而不达, 这两种倾向都容易使工作走弯路。目前的初步工作也有两个工作误区。一是仍然停留在常规油气勘探中的传统认识上,未集中力量探索非常规油气的特殊性。 如, 在目前大力开展的页岩油气评价上把许多工作量放在对页岩本身的研究上, 取样时仍是老一套的有机地化和常规物性指标, 这些意义不大甚至无用 ; 未能注意认识其特殊性的参数样品采集和实验, 如页岩 (真实的) 含油气量的数据。 这需要在井下 (浅井至深井) 以特殊工具取样、 现场和实验室测试。 样品花钱虽较多但却能起到关键性的 “定乾坤” 的作用。 上述偏向显然是受 “页岩好页岩气就好” 的初期很流行的片面认识的影响。二是对非常规油气 “工厂化” 作业的误解。 所谓“工厂化” 是对非常规油气开发密集钻井和钻井类似的工艺流程的形容。 一个钻井好像一个车间, 由于距离近可以享受集中物资和动力供应, 集中处理生产中的 “三废”, 甚至可建相当 “正规” 的交通、 生活和管理设施等。 这有利于提高效率、 降低成本, 但这只能在开发阶段实现。 勘探阶段的工作程序决定其要经历工作重点区的逐步优选过程, 有曲折和反复, 过早集中力量而达到上述程度是不现实的, 往往会导致经济损失。 换言之, 非常规油气的勘探阶段大多数钻井队和工程作业队还是要分散于条件简陋的僻野或山沟里, 时常 “搬家”, 难以 “工厂化”。6 发展非常规油气勘探开发的关键因素作为新区新领域的开拓, 笔者曾将其成功条件概402012 年第 6 期 · 石油科技论坛括成一个公式, 即新思路、 新技术、 投资和时间 4 个因素的叠加或结合, 缺一不可 [5]。 上述非常规油气地质理论和勘探的创新就是新思路 ; 时间, 指的是勘探程序, 它的完成需要一个不能很短的周期, 其中往往有曲折和反复 ; 作为需要调动多方面力量的勘探施工和综合研究需要大量资金支持。 在市场经济体制下它主要靠企业主动融资, 这就要打破垄断所造成的冷清局面, 动员数量众多、 多种所有制和经营方式的企业参与。 本文对这些方面不逐一进行讨论, 这里仅涉及与创新有关的技术因素。在经济发展中科技是最根本最活跃的因素 [6]。 传统石油地质理论及相应的勘探思路、 勘探程序是与第一次、 第二次工业革命的创新思维相应的, 与当时的技术水平相应的。 反过来, 这些理性认识也促进了油气勘探技术水平的不断提高和工艺的配套完善, 为新的生产和生活方式提供了动力。 21 世纪的科技和经济发展将迎来第三次工业革命, 与之相应的科技水平飞跃式的提高为油气能源的创新发展奠定了基础, 提供了支撑 [7]。 显然, 油气地质学和油气勘探学的创新发展, 非常规油气的大发展都要从新时代科技水平提高中汲取动力、 找到方向。 而非常规油气技术的创新也正是新一轮科技革命的一个组成部分和表现之一。 从全球来说, 没有以水平井和压裂为主体的技术体系就没有这一新领域的出现。 对我国来说, 如果不能抓住技术水平提高这一关键和这些新技术从设备到施工的整个链条, 不能找到适合中国不同地区不同地质条件相适应的工艺方法, 也就无从实现常规、 非常规资源并重, 立足国内外两种资源的发展之路。 从这个角度张 抗 : 页岩气革命带来油气地质学和勘探学的重大创新41[5]邱中建 ,龚再生 第三卷 东部油气区 )[M]石油工业出版社、 地质出版社 ,1999:637.[6]周立宏 ,李三忠 ,刘建忠 M]中国科学技术出版社 ,2003:397]夏国辉 ,束沛镒 J]1995,10(4):998]付承义 ,陈运泰 ,祁贵仲 M]科学出版社 ,1985:1059]白春华 ,徐文耀 ,康国发 J]2008,23(4):104510] 徐文耀 ,区家明 ,杜爱民 ]2011,26(2):398收稿日期 : 2012上接第 13 页)上可以说, 在实现页岩油气、 非常规油气这些新领域的开拓过程中, 4 项必备的因素, 目前最重要的是新技术因素、 新技术体系及其配套完善和推广应用。【参考文献】[1]朱凯 J]2012,20(6):12]罗承先 J]2011,16(12):223]张抗 中国非常规油气发展之路探析 [J]2012,20(3):94]常子恒 M]石油工业出版社 ,2001:35]张抗 ,周总瑛 ,周庆凡 M]地质出版社、 石油工业出版社、 中国石化出版社 ,2002:6756]傅诚德 ]石油工业出版社 ,1999:17]张丹 ,张威 中国准备好了吗 [J]2012,(9):70收稿日期 : 2012012 年第 6 期 · 石油科技论坛 71. 2. of is an to on a of in be in So as 2 -- on of it is to il of in it a in As no as to of as in a be on of at a so as in be to of so as to in It is to a of s to s s il In to it as in in 1st s is ea s il to be ea It is in 5 20 020. s of at in in on a 002. is a of be Of 007, and
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