徐興友 劉衛(wèi)彬 陳 珊 白 靜 李耀華

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心

0 引言

松遼盆地是我國(guó)最重要油氣產(chǎn)區(qū)，面積26×104km2，擁有中國(guó)石油大慶油田、吉林油田、遼河油田和中石化東北局等四家大型國(guó)有企業(yè)，均是中國(guó)東北老工業(yè)基地重要的能源保障單位[1]。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的連續(xù)開采，松遼盆地各大油田的常規(guī)油氣勘探開發(fā)進(jìn)入高成本、高難度階段，截至2021年，松遼盆地常規(guī)油氣探明率高達(dá)70%，資源接替不足、品質(zhì)劣質(zhì)化，老區(qū)含水率高，造成產(chǎn)量持續(xù)下滑，后備接續(xù)資源短缺，松遼盆地油氣勘探開發(fā)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。以松遼盆地為代表的我國(guó)主要成熟探區(qū)均亟需開辟非常規(guī)油氣、深層油氣等資源接替新領(lǐng)域[3]。

當(dāng)前“碳中和”背景下，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型方向及封碳、固碳技術(shù)，成為當(dāng)下能源行業(yè)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[4-5]，中國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家以及碳排放大國(guó)，要在未來40年內(nèi)完成從碳排放達(dá)峰到碳中和的轉(zhuǎn)型，需要降低煤炭消耗，建立起以新能源和可再生能源為主體的可持續(xù)能源體系，因此，需要進(jìn)一步加大頁巖油、頁巖氣等清潔低碳能源勘探開發(fā)力度，同時(shí)，需要探索綠色、清潔、高效的頁巖油氣勘查開發(fā)技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)在碳中和進(jìn)程中達(dá)到事半功倍的效果。

本次研究以松遼盆地上白堊統(tǒng)青山口組頁巖油和下白堊統(tǒng)沙河組頁巖氣為調(diào)查對(duì)象，在松遼盆地南部長(zhǎng)嶺凹陷和梨樹斷陷分別部署實(shí)施了吉頁油1HF井、吉梨頁油1井2口頁巖油氣參數(shù)井，經(jīng)壓裂測(cè)試，均獲得高產(chǎn)工業(yè)頁巖油氣流，研究形成的地質(zhì)新認(rèn)識(shí)及綠色壓裂工藝對(duì)改善東北地區(qū)能源供給結(jié)構(gòu)、降低煤炭資源消費(fèi)、提高頁巖油氣勘查開發(fā)力度、實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)封存等均具有引領(lǐng)和借鑒意義。

1 地質(zhì)概況

松遼盆地位于中國(guó)東北部，是我國(guó)特大型疊合含油氣盆地之一。平面上可劃分為中央坳陷區(qū)、北部?jī)A沒區(qū)、西部斜坡區(qū)、東北隆起區(qū)、東南隆起區(qū)和西南隆起區(qū)等6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元?？v向上呈明顯的斷坳疊置型沉積，斷陷期沉積上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)火石嶺組（J3h）、沙河子組（K1sh）、營(yíng)城組（K1yc）、登婁庫組（K1d）和泉頭組（K1q），凹陷層沉積上白堊統(tǒng)青山口組（K2qn）、姚家組（K2y）、嫩江組（K2n），四方臺(tái)組（K2s）和明水組（K2m）[6]。其中青山口組是坳陷層系主力烴源巖層，沙河子組是斷陷層主力烴源巖層，該兩套層系是松遼盆地最主要的潛在頁巖油氣目標(biāo)層系[7-9]。

綜合考慮頁巖油氣富集程度、優(yōu)質(zhì)頁巖分布規(guī)模、頁巖埋深、成熟度、勘查難度等地質(zhì)、工程因素，優(yōu)選松遼盆地南部長(zhǎng)嶺凹陷部署吉頁油1HF井，探索青山口組頁巖油資源潛力，優(yōu)選松遼盆地東南隆起區(qū)梨樹斷陷部署吉梨頁油1井，探索沙河子組頁巖氣資源潛力（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置及地層綜合柱狀圖

2 青山口組陸相頁巖油調(diào)查突破

長(zhǎng)嶺凹陷青一段富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度大，分布在40～120 m之間，頁巖油富集有利面積大，約為1 500 km2[10-12]，頁巖中油氣顯示豐富，頁巖油資源潛力大，但頁巖油發(fā)育的地質(zhì)條件復(fù)雜，攻關(guān)難度大。針對(duì)頁巖油勘探開發(fā)難點(diǎn)展開攻關(guān)，采用多因素疊合法（圖2），在長(zhǎng)嶺凹陷優(yōu)選了乾安、大安—余字井兩個(gè)有利區(qū)，并在乾安有利區(qū)部署了吉頁油1HF井，成功鉆遇青一段優(yōu)質(zhì)頁巖，累計(jì)厚度達(dá)80 m，并獲得豐富的油氣顯示（圖3）。

圖2 長(zhǎng)嶺凹陷青一段頁巖多參數(shù)疊合圖

圖3 吉頁油1HF井導(dǎo)眼段青一段頁巖綜合評(píng)價(jià)圖

為查明青一段頁巖油富集機(jī)理，優(yōu)選儲(chǔ)層改造甜點(diǎn)段，綜合運(yùn)用巖心觀察、薄片鑒定、地質(zhì)錄井、元素測(cè)井、X—衍射分析、有機(jī)—無機(jī)地球化學(xué)分析、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析等方法，對(duì)青一段頁巖的礦物組成、有機(jī)—無機(jī)地球化學(xué)特征、形成古環(huán)境、有利巖相類型及有效儲(chǔ)層特征進(jìn)行了研究。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：松遼盆地在青山口組沉積時(shí)期廣泛發(fā)育一套暗色優(yōu)質(zhì)頁巖，其中青山口組一段為最大湖泛面時(shí)期，是最為有利的頁巖油勘查層系。根據(jù)高精度層序地層學(xué)地層學(xué)研究認(rèn)為，青山口組一段頁巖存在明顯的巖性—地球化學(xué)界面，形成兩套各具特點(diǎn)的頁巖油體系。

上部層組頁巖水平層理發(fā)育，黏土礦物平均含量64%，自生黃鐵礦含量高，TOC含量為3%～5%，有機(jī)質(zhì)以內(nèi)源層狀藻為主，根據(jù)干酪根顯微組分鑒定，有機(jī)質(zhì)類型以腐泥型為主（表1），主微量元素參數(shù)指示形成古環(huán)境為深水潮濕強(qiáng)還原環(huán)境，巖相類型為高TOC層理型黏土質(zhì)頁巖，該段頁巖滯留烴含量高，S1平均值為5 mg/g，可動(dòng)性中等，主要發(fā)育大量層理縫和微裂縫，平均孔隙度為6.2%，熒光顯示，頁巖油有效儲(chǔ)集空間主要為層理縫和微裂縫；下部層組頁巖砂質(zhì)紋層發(fā)育，黏土礦物平均含量為38%，TOC含量為2%～3.5%，有機(jī)質(zhì)以內(nèi)源層狀藻為主，有機(jī)質(zhì)類型以偏腐泥混合型為主，形成古環(huán)境為半深水潮濕還原環(huán)境，巖相類型為中TOC紋層型長(zhǎng)英質(zhì)頁巖，該段頁巖總含油量較高，S1平均值為3 mg/g，可動(dòng)性中等，主要發(fā)育碎屑礦物粒間大孔隙和碳酸鹽溶蝕孔，平均孔隙度為4.5%，熒光沿砂質(zhì)紋層呈條帶狀分布，有效儲(chǔ)集空間主要為砂質(zhì)紋層中的粒間孔隙。綜合分析認(rèn)為高TOC深水層理型、中TOC半深水紋層型兩種頁巖類型是頁巖油富集的有利巖相（圖3）。

表1 吉頁油1HF井青一段頁巖干酪根顯微組分表

為兼顧探索兩套頁巖層系，設(shè)計(jì)了兼顧兩套目標(biāo)層系的階梯式水平井軌跡，并根據(jù)可鉆性、可壓性兩項(xiàng)關(guān)鍵工程參數(shù)，確定了941.94 m的薄砂條帶作為鉆探目標(biāo)靶體（深度 2 482～ 2 483 m），以克服純頁巖地層易垮塌、易水敏、難壓開等工程難題[13-15]。后期采用長(zhǎng)水平段密切割+分層組差異化設(shè)計(jì)理念，分21段82簇壓裂，平均段長(zhǎng)68 m，平均簇間距15.8 m，并首次在頁巖油實(shí)施超臨界CO2+高黏液造縫復(fù)合儲(chǔ)層改造工藝，實(shí)現(xiàn)高黏土含量強(qiáng)非均質(zhì)性頁巖地層大型體積壓裂，微地震解釋單段平均橫向波及范圍300～500 m，上下波及范圍約150 m，水平井體積改造充分。壓后返排試油，吉頁油1HF井于自噴階段獲得最高36 m3/d，水力泵排液階段獲得16.4 m3/d的高產(chǎn)工業(yè)油流，取得了松遼盆地南部陸相頁巖油調(diào)查的戰(zhàn)略突破。

3 沙河子組陸相頁巖氣調(diào)查突破

梨樹斷陷沙河子組暗色頁巖厚度200～300 m，分布連續(xù)廣泛，埋深2 500～4 000 m，熱演化程度適中，Ro分布在1.3%～1.5%之間，具備陸相頁巖氣生成和富集的基礎(chǔ)地質(zhì)條件，頁巖氣資源潛力大。但是，由于陸相頁巖氣相比于南方海相頁巖氣的地質(zhì)和工程條件更為復(fù)雜，攻關(guān)難度更大，截至本次勘查工作前，在松遼盆地尚未取得陸相頁巖氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)工業(yè)突破。

綜合分析沙二段頁巖的厚度、成熟度、有機(jī)質(zhì)豐度、含氣性等諸多因素，在梨樹斷陷優(yōu)選出秦家屯—八屋、蘇家屯兩個(gè)有利區(qū)，統(tǒng)籌考慮資源體量、埋深、保存條件等，在秦家屯—八屋有利區(qū)的斜坡帶位置部署了吉梨頁油1井（圖4），成功鉆遇51 m厚富含氣混積頁巖（圖5），頁巖含氣性好，巖心入水氣泡連續(xù)逸出，現(xiàn)場(chǎng)解析總含氣量可達(dá)1.52 m3/t，測(cè)井解釋總含氣量可達(dá)2.68 m3/t。

圖4 梨樹斷陷沙二段頁巖多參數(shù)疊合圖

圖5 吉梨頁油1井沙二段頁巖綜合評(píng)價(jià)圖

對(duì)吉梨頁油1井沙二段頁巖進(jìn)行系統(tǒng)分析測(cè)試，通過綜合研究表明，沙河子組二段下亞段沉積時(shí)期，黑色頁巖的分布范圍最廣、沉積厚度最大，該套頁巖具有典型的富鈣質(zhì)、富硅質(zhì)（陸源）、富凝灰質(zhì)的混積頁巖特征，其中硅質(zhì)含量在35%～50%之間，鈣質(zhì)礦物含量在15%～35%之間。根據(jù)古環(huán)境研究認(rèn)為，松遼盆地早白堊世斷陷發(fā)育期伴隨多次火山活動(dòng)，火山灰噴出過程中攜帶大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這些物質(zhì)進(jìn)入沉積水體，會(huì)造成水體藻類勃發(fā)，為優(yōu)質(zhì)頁巖的形成提供了豐富的原生有機(jī)質(zhì)[16]。同時(shí)，火山噴發(fā)出的大量SO2和H2S等含硫氣體，為硫酸鹽還原作用提供了條件，增強(qiáng)了水體的還原性，有利于有機(jī)質(zhì)的保存。同時(shí)，火山噴發(fā)期炎熱的氣候，加上封閉湖盆的沉積環(huán)境，很容易形成咸化湖盆，沙河子組頁巖的鈣質(zhì)含量高即歸因于次，咸水環(huán)境具有促進(jìn)有機(jī)質(zhì)生烴的作用，碳酸鹽—有機(jī)質(zhì)共生體在堿性地層水環(huán)境下，碳酸根易誘導(dǎo)原始有機(jī)基團(tuán)的去碳效應(yīng)，同時(shí)發(fā)生明顯羥基化作用，進(jìn)而促進(jìn)含氮有機(jī)物和苯基的生成和轉(zhuǎn)化，生成大量烴類[17]。沙二下亞段頁巖的地球化學(xué)指標(biāo)也表明，沙二段下亞段混積頁巖段有機(jī)質(zhì)豐度高，TOC含量在0.5%～6%之間，平均值為2.5%，熱解S1最高值可達(dá)2.4 mg/g，平均值為0.89 mg/g。有機(jī)質(zhì)類型好，經(jīng)綜合判別，主要為偏腐泥混合型，還有少量腐泥型（表2）。有機(jī)質(zhì)熱演化程度適當(dāng)，有機(jī)質(zhì)熱演化程度（Ro）處于1.2%～1.5%之間，平均值為1.3%，屬于高成熟演化階段。綜上，梨樹斷陷下白堊統(tǒng)沙河子組二段早期為火山—沉積盆地發(fā)育期，形成了一套兼具較好生烴能力、儲(chǔ)集能力和可改造性的混積頁巖，同時(shí)沙二上亞段沉積了一套厚層非滲透性塊狀泥巖層系，作為上覆頂板蓋層，起到很好的頁巖氣保存作用，自上而下有序沉積組合構(gòu)成了頁巖氣自生自儲(chǔ)成藏富集體系（圖5）。

表2 吉梨頁油1井沙二段泥頁巖干酪根顯微組分表

同樣，為克服該套頁巖縱向非均質(zhì)性強(qiáng)、層理發(fā)育、常壓地層等壓裂測(cè)試難點(diǎn)，首次在直井壓裂中使用水平井密切割體積改造思路，同時(shí)采用超臨界CO2+N2拌注增能體積壓裂工藝完成直井5段20簇壓裂。根據(jù)本井沙二段頁巖成熟度及鄰井生產(chǎn)結(jié)果，推斷試氣過程中，隨著地層壓力的降低可能會(huì)出現(xiàn)反凝析現(xiàn)象，影響單井高產(chǎn)，因此，壓后采用控壓返排工藝放噴求產(chǎn)，獲得?15 mm油嘴自噴日產(chǎn)氣7.6×104m3的高產(chǎn)頁巖氣流，僅有少量凝析油析出（至試氣結(jié)束，凝析油總量不足5 m3），首次實(shí)現(xiàn)了松遼盆地南部陸相頁巖氣調(diào)查的戰(zhàn)略性突破。

對(duì)凹陷層青一段頁巖油和斷陷層沙二段頁巖氣的富集規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比和研究，凹陷層青一段頁巖油主要分布在具有一定成熟度的富有機(jī)質(zhì)頁巖中，頁巖Ro在0.7%～1.0%之間，該套頁巖分布面積大，整個(gè)中央凹陷區(qū)均有分布，除長(zhǎng)嶺凹陷外，松遼北部齊家、古龍、三肇等大型凹陷也廣泛發(fā)育，資源潛力巨大，初步估算地質(zhì)資源量可達(dá)75×108t，可動(dòng)油主要分布在層理縫和紋層溶蝕孔中，深湖相層理型和紋層型頁巖是松遼盆地凹陷層頁巖油勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域；斷陷層沙二段頁巖氣主要分布在高成熟的富有機(jī)質(zhì)頁巖中，Ro以大于1.3%為主，在松遼盆地56個(gè)中小型斷陷中均有分布，如梨樹、德惠、王府、三肇、長(zhǎng)嶺等，總體地質(zhì)資源量可達(dá)6×108m3，雖體量不如凹陷層頁巖油，但其開采難度小，且為低碳清潔能源，值得大規(guī)?？碧剑扯雾搸r氣的富集主要與火山活動(dòng)、水體咸化和較好的保存條件有關(guān)，松遼東部斷陷群寬緩斜坡帶可作為重點(diǎn)勘探領(lǐng)域。

4 碳中和意義

松遼盆地頁巖油氣調(diào)查突破不僅在保障國(guó)家能源安全方面具有重要意義，在促進(jìn)“碳中和”方面同樣具有借鑒和引領(lǐng)意義，主要包括兩點(diǎn)：

1）帶動(dòng)陸相頁巖油氣尤其是頁巖氣的勘探開發(fā)，有助于發(fā)展低碳能源體系，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)布局。我國(guó)CO2排放量一直居全球前列，主要原因是煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比過高，為57%，是主要CO2排放源，相較煤炭，石油和天然氣是較為優(yōu)質(zhì)高效、綠色清潔的低碳能源，尤其是天然氣，降碳作用更為突出，是我國(guó)低碳轉(zhuǎn)型期的重要基礎(chǔ)能源[18-21]。我國(guó)天然氣處于勘探早期階段，資源豐富而探明率低，僅為8.6%，具備更快發(fā)展天然氣的資源優(yōu)勢(shì)。目前，南方海相頁巖氣的勘探開發(fā)相對(duì)比較成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)動(dòng)用，已在四川盆地建成了昭通、長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)以及涪陵焦石壩等多個(gè)海相頁巖氣示范區(qū)[22-24]。海陸交互相頁巖氣在鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地石炭二疊系也均有發(fā)現(xiàn)。然而陸相頁巖氣領(lǐng)域勘探卻剛剛起步。本次調(diào)查證實(shí)松遼盆地陸相頁巖氣具備效益開發(fā)的巨大潛能，有望形成東北地區(qū)新的清潔能源接替陣地，對(duì)保障國(guó)內(nèi)天然氣供給力度，優(yōu)化調(diào)整能源結(jié)構(gòu)布局，助力早日實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”的戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。

2）創(chuàng)新形成超臨界CO2高效開發(fā)頁巖油氣與碳地質(zhì)封存聯(lián)用技術(shù)，具有“增產(chǎn)+去碳”雙作用。陸相頁巖氣是未來天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要領(lǐng)域，然而，頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度滲透率極低，無法直接開采。針對(duì)于頁巖氣高效開發(fā)目前水力壓裂技術(shù)運(yùn)用的最為廣泛，但大型水力壓裂技術(shù)耗水量大，對(duì)儲(chǔ)層傷害大，容易誘發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題，同時(shí)成本高，降低了頁巖氣的經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值，減少了其經(jīng)濟(jì)技術(shù)可采儲(chǔ)量。并且常規(guī)的水力壓裂對(duì)于我國(guó)資源量巨大的陸相頁巖氣儲(chǔ)層改造效果并不理想，因?yàn)殛懴囗搸r非均質(zhì)性強(qiáng)、黏土礦物含量高等難點(diǎn)，水力壓裂存在壓不開、壓不遠(yuǎn)等問題[25-26]，制約了我國(guó)頁巖氣的有效開發(fā)。

針對(duì)陸相頁巖儲(chǔ)層改造形成了超臨界CO2復(fù)合壓裂工藝（圖6），并成功實(shí)施應(yīng)用，效果顯著。本項(xiàng)技術(shù)證實(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①以其超強(qiáng)的穿透性、流動(dòng)性降低了頁巖儲(chǔ)層破裂壓力，降幅可達(dá)75%；②有效提高了人工縫網(wǎng)波及范圍，縱向拓展高度可達(dá)70 m，橫向拓展可達(dá)200 m，改造體積是常規(guī)水力壓裂的2倍[27-28]；③CO2進(jìn)入地層后形成碳酸，促進(jìn)了頁巖中白云石、方解石等碳酸鹽礦物的有序溶蝕，增加了儲(chǔ)集空間[27]；④利用CO2吸附能力比CH4強(qiáng)的特點(diǎn)，CO2可有效置換CH4，提高頁巖氣單井產(chǎn)量近20%[29]；⑤由于CO2進(jìn)入地層后，一部分參與了化學(xué)反應(yīng)，一部分吸附滯留在頁巖儲(chǔ)層中，平均單段注入液態(tài)CO2為200 m3，放噴過程中通過現(xiàn)場(chǎng)氣相色譜和CO2檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)，井口無CO2氣體排出，實(shí)現(xiàn)了CO2地質(zhì)捕獲、封存，減少溫室氣體排放。

為了驗(yàn)證本工藝的CO2封存能力，將壓后返排試氣階段不同時(shí)間井口返排氣的氣體成分與鉆井現(xiàn)場(chǎng)解析階段巖心解析氣的成分做了對(duì)比，表明隨著返排時(shí)間的進(jìn)行，井口返排氣中CO2的含量逐漸減少，到20天后基本與地層中原始?xì)怏w的CO2含量持平，表明壓裂時(shí)注入井中的CO2，大部分被地層封固，只有少部分在放噴前期隨天然氣排出，碳封存效果較好。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頁巖儲(chǔ)層中CO2地質(zhì)封存與頁巖氣高效開采的一體化，不僅可以高效率驅(qū)替頁巖氣，還可代替水介質(zhì)進(jìn)行壓裂增產(chǎn)作業(yè)，同時(shí)巧妙地將CO2封存，為同時(shí)解決能源危機(jī)和應(yīng)對(duì)全球氣候變化提出了新的可能性方案。

5 結(jié)論

1）松遼盆地南部長(zhǎng)嶺凹陷青一段廣泛發(fā)育陸相半深湖—深湖相頁巖，具有高TOC深水層理型、中TOC半深水紋層型兩種有利的頁巖油富集層系，是現(xiàn)實(shí)的頁巖油資源勘查層系，采用長(zhǎng)水平井鉆探、超臨界CO2復(fù)合壓裂工藝等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)陸相頁巖油的效益動(dòng)用。

2）松遼盆地東南隆起區(qū)梨樹斷陷沙河子組二段下亞段發(fā)育一套富鈣質(zhì)、富硅質(zhì)、富凝灰質(zhì)的混積頁巖，形成于火山活動(dòng)和咸化湖盆的雙重作用，加之有序的層序組合，該套頁巖兼具較好的生烴、儲(chǔ)集、保存和壓裂條件，采用超臨界CO2+N2拌注增能體積壓裂工藝可以實(shí)現(xiàn)陸相常壓頁巖氣層高效開發(fā)。

3）松遼盆地頁巖油氣調(diào)查突破具有保障國(guó)家能源安全和助力“碳中和”雙重意義，能夠帶動(dòng)陸相頁巖油氣尤其是頁巖氣的勘探開發(fā)，有助于發(fā)展低碳能源體系，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)布局。同時(shí)，創(chuàng)新形成超臨界CO2高效開發(fā)頁巖油氣與碳地質(zhì)封存聯(lián)用技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)“增產(chǎn)+去碳”雙重目標(biāo)。