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美国致密油开发现状及启示85395550

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美国 致密 开发 现状 启示 85395550
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美 国致密油开发现状及启示林森虎 ,邹才能 ,袁选俊 ,杨 智(中国石油勘探开发研究院 )摘 要 :美国页岩气勘探开发目前已进入快速发展阶段 ,同时也带动了页岩地层内致密油的开发 。 文中所指的致密油 ,是指以吸附或游离状态赋存于渗透率极低的暗色页岩 、泥质粉砂岩和砂岩夹层系统中的自生自储 、连续分布的石油聚集 。 目前 ,美国致密油的开发集中在 岩区带内 。 其中 密油资源量为 230×108t,可采资源量为 08t,待发现资源量为 08t 油及相近数量的伴生气 ,2000 年至今累计产油约 2 800×104t;密油赋存于区带北部 ,年产油约 20×104t;发现石油平均资源量为 1 400×104t,待发现致密油资源量为 480×104t,其北区主要产油 、南区主要产气 ,目前拥有 8 000 余口生产井 ,截至 2009 年底 ,“致密油带 ”累计产油量达 770×104t。 我国广泛发育富有机质页岩 ,致密油的勘探潜力较大 。关键词 :页岩 ;致密油开发 ;示 ;美国中图分类号 :献标识码 :油气开采一直以砂岩 、碳酸盐岩及火山岩等为主要目标 ,虽在钻遇富有机质页岩层段时发现丰富的油气显示或工业油气流 ,但因传统地质观念而未将页岩考虑为油气储层 。随着北美地区页岩气的成功开发和地质理论研究的发展 ,人们逐渐认识到暗色页岩发育丰富的纳米 —微米级孔隙 ,可以大量成烃 、储烃 ,形成自生自储型油气聚集 。 通过优选核心区 、实验分析 、测井评价 、水平井钻探 、同步多级水力压裂 、体积压裂等先进技术的应用 ,成功实现了页岩中的油气采收 。目前 ,页岩已成为全球油气勘探开发的新目标 。页岩气和致密油的开采给世界油气勘探开发带来了重大变革 ,正逐渐影响着世界能源供需的格局 。本文主要介绍美国致密油的基本特征和开发现状 ,以期为我国致密油的勘探和开发提供参考 。1 致密油地质特征致密油是指以吸附或游离状态赋存于富有机质且渗透率极低的暗色页岩 、泥质粉砂岩和砂岩夹层系统中的自生自储 、连续分布的石油聚集 。 页岩生成的油气除部分排出并运移至砂岩或碳酸盐岩等渗透性岩石中形成常规油气藏外 ,大量 (高达总生烃量的 50% 以上 )在 “原地 ”滞留 ,以游离烃和吸附烃的形式赋存于纳米级孔隙或微裂缝中 ,形成可供商业开采的致密油 (气 )。页岩储层发育 2 种尺度的孔隙 :微孔 (孔隙直径 ≥m)和纳米孔 (孔隙直径 40 000 层厚度一般为 5~15 m,孔隙度为10%~15%,渗透率 <1 质轻 。页岩由 3 个不规则但界限分明的层段组成 :上段为黑色页岩 ,富含有机质 ,最大厚度为8 m;中段为灰褐色极细 —细粒砾岩 、白云质砂岩及粉砂岩 ,贫有机质 ,最大厚度为 26 m;下段为黑色页岩 ,最大厚度为 15 m。 其中上段和下段含有大量 Ⅱ型干酪根 ,以生油为主[3]。 虽然 厚度较小 ,但其有机碳含量非常高 ,其中上段和下段的 和 4]。 原始石油地质储量 (估计值为 (280~570)×108t①,除此之图 1 岩有机质颗粒内的纳米孔 (据文献 [1])1 a) 气泡状孔喉连通的椭圆形纳米孔 (白色箭头 ),喉道直径 <20 次电子图像 ;(b)离散有机质颗粒中的纳米孔 ,呈矩形 ,发育在线性排列的回旋状结构中 ,2 次电子图像① C. of 999:282 p. (a) (b)绿河 ,巴克斯特奈厄布拉勒莫里 ,08108 曼科斯27×10808~71)×108凯尼海恩斯维尔 /波西尔74×10808孔纳萨迦查塔努加德文(49~70)×1080800页岩气致密油262011 年2011 年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年层的第二口致密油井直到 1976 年才下钻 ,之后该地区被称为 1987 年以前 ,密油区带都以直井为主 ,钻遇天然裂缝系统时 ,表现为初期产量高 、之后迅速递减 、总体产率低的特征 。 由于 岩亲油 ,所以不能注水开采 ,酸化处理也不可行 ,这是因为注入的流体可能与黄铁矿发生反应形成氢氧化铁沉淀[6]。 1987年 ,由 司承担的 33 (田 )是上 页岩的第一口水平井 ,该井完井后产量为油 36 t/d 和气 8 461 m3/d,之后 2年的产量非常稳定 ,由此成功打开了上 页岩的水平钻井局面 。 20 世纪 90 年代 ,进入该区带的经营商超过了 20 家 ,生产成本也显著下降 ,但是由于上 致密油产量的不确定性 ,成本很快升高 。 带内 ,高产井通常弥补了低产井 ,因此总体生产成本较低[12]。1987—2001 年 ,水平钻井在 密油区带得到了广泛应用 ,使得上 内致密油的采收获得成功[12]。 2000 年以后 ,随着水平井分段压裂技术的大规模工业化应用 ,藏的勘探开发获得了突破性进展 ,水压裂等新技术的使用更加提高了致密油井的成功率和采收率[13]。 2007 年 ,密油产量为 110×104t。 2008 年 ,该组致密油的产量激增至 990×104t。 2009 年 ,该组的水平井初期致密油产量为 98.9 t/d,年产量约为1 230×104t。 2000—2010 年 ,密油的水平井完井数超过 2 000 口 ,致密油月平均产量为 85×104t,累计产量达 2 800×104t[14]。 2010 年 4 月 ,由美表 1 美国威林斯顿盆地 页岩勘探历程 (据文献 [12]) . 威林斯顿盆地 页岩分布 (据文献 [5])3 美国致密油开发现状及启示外 ,目前已发现的其它组的 量还不足 850×108t,其中采收量 <280×108t[6],可见 密油的潜力巨大 。早期估算的 致密油的资源量为 (14~570)×108t[7 008 年 )评估指出 ,致密油区带的总资源量为 230×108t,可采资源量为6×108t,其中油的技术可采资源量为 08t、伴生或溶解气为 09油液化气为 2 100×104t。另据 008 年 )发布的最新数据 ,美国境内的页岩拥有的待发现资源量为 08t 油及相近数量的伴生气 。威林斯顿盆地 页岩的勘探和开发始于 20 世纪 50 年代 ,经历了多轮勘探开发 (表 1)[12]。早期主要是对 顶部的裂缝型致密油气藏进行勘探 ,最早是 1953 年在北 现的 田 ,共下钻 63 口直井 ,目的层位是 和上 ;该阶段初期产油 68.7 t/d、产气21.8 m3/d,之后产量迅速递减 ,经过压裂增产措施后 ,总产量为 29 t/d。 到目前为止 ,田已生产油 270×104t 和天然气 9×108井平均累计产油 04t、天然气 1 400×104间 主要事件1953 年 发现 田 ;建立了 和上 的产量1961 年壳牌公司钻探 41 ,是一口在 区寻找沉积边界靶区的发现井 ;建立了上 纪 70 年代后期 在 区对上 页岩钻探了多口直井1987 年 上 页岩第一口水平井下钻 ,位于 区1996 年 中 的 完井 ;沉睡巨人理论进一步发展2000 年 中 第一口水平井下钻 ;发现 田2006 年 发现 田萨斯喀彻温省上巴肯段下巴肯段中巴肯段加拿大美国北达科他州南达科他州威林斯顿盆地蒙大拿州怀俄明州超压区尼森背斜50地边界 油田 州界线27岩 性 油 气 藏 第 23 卷 第 4 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期图 4 岩区带的致密油气分布及产率(据文献 [17])4 探公司在该区带完钻的一口油井 ,初期产油达 572 t/d,产气达 04m3/d。 由此可见 ,密油显示出了良好的发展前景 。在石油需求量高速增长的刺激下 ,随着勘探开发技术的不断进步 ,岩内新发现的油气资源量也在逐年增加 。 2000 年发现的 田面积约 1 165 测最终采收量大于 2 800×104t,初始产量为 28~270 t/d,上 页岩的产油贡献在 20% 左右 。 2001 年 ,蒙大拿州 产出大量的致密油[6]。 目前 ,北达科他州 密油开发井约 4 000 口 ,04t,单井最高日产 95~150 t 油当量 (其中油占 90%、气占 10%),是北美继页岩气之后又一战略性突破 。2. 2 岩区带上白垩统的 岩位于德克萨斯南部 ,是美国最新的一个油气工业区带 。 覆于 岩 ,下伏于 垩 ,沉积在一个非常平缓的斜坡上[15];宽度为 80 度约为 640 积超过 51 800 根据位置的不同 , 200~ 4 500 m,地层厚度为 30~90 m。 底栖生物化石或生物潜穴的缺乏 ,表明当时盆地含氧不足 ,这也是保存有机质和生烃的必要条件 。 的 1%~7%,由于有机质丰度随深度的变浅而减小 ,所以下 的有机质含量更多 ,能生成更多的烃 。该组岩石的组分分别为石英 20%、碳酸盐岩67%、总泥质含量 总有机质含量 虽称之为页岩 ,实际上更多的是碳酸盐岩 );总孔隙度为 有气体充填的孔隙度为 压力梯度为 (1~00 m[16]。分布范围广 ,包含若干不同的亚带(图 4)[17]。 在 架边缘(灰色条带顶部 )及 架边缘 (灰色条带底部 )之间已发现 “甜点 ”。 东南部的埋深较大 (3 000~3 900 m),导致了大量干气的生成及采出 ,该组在西北部的 地内的埋深较浅(1 500~2 550 m)。 虽然该盆地为 供了良好的沉积环境 ,但由于其位置过于靠陆 ,即位于 生的一个隆起之上 ,只是在最浅处生成凝析油和易挥发的轻质油 ,故该地区的烃成熟度不如 自 岩的油气种类较多 ,包括干气 、致密天然气和油 。 烃类的相变方向自北向南 ,油赋存于区带北部 。 该组页岩的天然气地质储量为(108前的产油量为 560 t/d[16]。未来还需要更多的生产数据和勘探工作来进一步确定 储量 ,使之逐渐成为一个多产的非常规油气区带 。2. 3 岩区带岩位于德克萨斯州中北部的 地 ,面积超过 12 950 度为 1 800~2 700 m,厚度为 60~240 m,渗透率为 (70~500)×10隙度为 2%~10%,有机碳含量为 露头区的有机碳含量最高 ,可达 14%(沿起 )[17]。 为一套黑色硅质页岩 ,石英含量为 45%、伊利石含量为 20%~40%、方解石和白云石含量为 8%、长石含量为 7%、黄铁矿含量为5%、菱铁矿含量为 3%,无自由水[18];18];有机质干酪根类型以 Ⅱ 型 为 主 。带产多种烃类 ,包括 40° 油 、凝缩油 、湿气和干气 ,其北区主要产油 、南区主要产气 。地 ,从 20 世纪初至今 ,累计产油约 08t,产气约 1 982×1089]。 地层的沉积中心具有最高的 然裂缝型的页岩可作为油气勘探目标 。 虽然埋藏深度是 岩热成熟的主控因素 ,但是致密油气的生成与产出主要受高热流与断裂系统的控制[20],盆地北部和西部的该页产率油 45 t/04m3/33 t/04m3/3 t/04m3/71 t/04m3/0 t/04m3/1 t/4 t/04m3/5类相带界线 郡县界线油气产区 井名282011 年2011 年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年年岩目前处于生油窗内 ,以产油为主[21]。 第一年的水平井致密油产量最高达 1 140 t。 近年开发的 “致密油带 ”主要位于 (图 5)[22]。岩的勘探和钻井技术发展迅速 ,2005年完井 3 500 口直井和 1 000 口水平井[23];2006 年完井 6 203 口 ;2007 年完钻水平井 2 219 口 ,占当年致密油气开发井完钻井数的 94%,完钻直井 149 口 ,占 6%。 目前 ,岩区带拥有 8 000 余口生产井 。统计表明 ,岩区带核心气区内 ,80% 水平井和直井的平均单井累计致密油产量为 1 020 t;“致密油带 ”内 ,50% 水平井和直井的第一年单井致密油产量分别为 1 140 t 和 570 t[24],80% 水平井和直井的单井累计致密油产量分别为 3 570 t 和 2 140 t(表 2)[25]。 截至 2009 年底 ,岩生产井的累计致密油产量达 770×104t。据 004 年 )评估结果 ,地岩内 ,待发现的石油平均资源量为 1 400×104t,待发现的液化石油气平均资源量为 1 500×104t。 生代含油气系统拥有 116×108占待发现天然气资源量的 88%;含 920×104t 常规石油 ,占待发现石油资源量的 65%;待发现的致密油资源量为 480×104t②。除上述致密油区带外 ,在落基山脉周边的 岩 、岩和 岩也发现了致密油 。 其中在美国粉河盆地 致密油层完钻的一口井 ,初期产油 150 t/d、气 04m3/d, 067×104t、气为 64×108析油 177×104t。3 美国致密油开发的启示借鉴北美页岩气勘探开发经验以及通过广泛的国际交流与合作 ,目前我国正在南方多个地区开展页岩气工业化勘探开发试验区建设 ,致密油的勘探开发和相关研究仍处于准备阶段 。我国广泛发育富有机质页岩 ,如扬子地区 、华北地台和塔里木盆地在古生代发育大面积海相黑色页岩 ,但其热演化程度较高 ,需寻找保存条件有利的地区 ;松辽 、鄂尔多斯 、四川 、渤海湾等中新生代盆地发育湖相富有机质页岩 、泥岩 ,其热演化程度较低 ,分布广 ,厚度大 ,有机碳含量高 ,致密油勘探潜力大 。20 世纪 60 年代以来 ,我国在松辽 、渤海湾 、柴达木 、吐哈 、酒西 、江汉 、南襄 、苏北及四川盆地中均发现了致密油 。 松辽盆地最早在大安构造大 4 井青山口组泥岩内获油产量 t/d,南部新北油田泥岩裂缝型油藏 10 余年累计产油超过 3×104t;渤海湾盆地济阳坳陷内已有 320 多口井见泥质岩油气显示 ,30 多口井试油获油气流 ,单井最高产量 110 t/d;酒泉盆地花海凹陷内多口井在下白垩统页 (泥 )岩段获低产油流或良好油气显示 ;酒泉盆地青西凹陷泥岩油层 3 级储量超过 1×108t。 值得注意的是 ,我国陆相页岩分布具有非均质性强的特点 ,所以需加强核心区优选与经济评价 ,以进行针对性勘探 ;此外 ,我国地表条件复杂 ,山地 、丘陵等地区的页岩埋深较大 ,需降低成本 、经济开发 。钻井类型百分比 /%单井累计致密油产量 /围 1 区 围 2 区 0 1 020 0 210 280 3 570直井20 0 0 0 0 71050 70 0 0 57 71080 1 020 14 140 114 2 140表 2 岩区带的致密油产量统计 (据文献 [25]) by 岩区带井分布①与产区划分 (据文献 [22])5 X,008.②il of 美国致密油开发现状及启示致密油带外围 2 西区外围 1 区核心页岩气区外围 2 南区克雷杰克蒙塔古达拉斯库克智慧彩镇登顿科林巴斯克洛克沃考夫曼帕克胡德塔兰特萨默维尔伊拉斯埃里斯希尔科曼奇斯蒂芬斯伊斯特兰0区界线 郡县界线29岩 性 油 气 藏 第 23 卷 第 4 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期开发页岩油对石油地质学基础理论创新与工业技术革新具有重大价值 ,且对缓解中国油气资源紧缺状况 、改变能源结构 、保障国家能源安全具有重要战略意义 。参考文献 :[1] G, M, C,et of of ]. 009,79(12):8482] ,, C,et of in ]. & 009.[3] L. 984 J]. 984,68(7):593.[4] W, C. ]. 983,67(12):2 16574.[5] ,,. of to in ]. 008.[6] C]. 009:009.[7] G. of ]. 974,58(7):1 25362.[8] A. of ]974,58(7):1 24352.[9] F. of ]∥978.[10] C,,. in of ]∥, F, C,of 984.[11] L. of ]∥,, C,of 984.[12] A,. of ]. 009,93(9):1 12753.[13] ,,. in ]. t. O,007.[14] ,,. of an on A ]. 010.[15] , C, C. ]. 010.[16] B, D, G. C]. 010.[17] ,, M. of in [C]∥. 000.[18] M, M, J. in t. ]. SA,004.[19] M. ]. 003.[20] A. of ]. 003,42(6):421] J. of ]. 007,91(4):44522] R,, B. A ]990,74(12):1 77794.[23] M. of in ]. 007,91(4):55124] . of of ]. & 010.[25] , B. in C]. 010.(下转第 64 页 )30岩 性 油 气 藏 第 23 卷 第 4 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第 期岩 性 油 气 藏 第 卷 第
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