鄒才能 趙 群 王紅巖 熊 偉 董大忠 于榮澤

1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 2.國(guó)家能源頁(yè)巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心

0 引言

近10年來，頁(yè)巖氣作為世界天然氣產(chǎn)量增長(zhǎng)的主體，深刻改變了全球能源供給格局。2021年全球頁(yè)巖氣產(chǎn)量逾8 000×108m3，占全球天然氣總產(chǎn)量的20%。較之于2011年，全球頁(yè)巖氣年產(chǎn)量增長(zhǎng)了5 500×108m3，占全球天然氣總產(chǎn)量增量的85%。美國(guó)作為全球頁(yè)巖氣開發(fā)的引領(lǐng)者和主導(dǎo)者，2021年頁(yè)巖氣產(chǎn)量突破7 638×108m3[1]。在美國(guó)頁(yè)巖氣成功開發(fā)的示范引領(lǐng)下，中國(guó)、阿根廷、加拿大等國(guó)家也相繼實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣工業(yè)化開發(fā)，2021年頁(yè)巖氣產(chǎn)量分別為 228×108m3、130×108m3和 60×108m3。

頁(yè)巖是由粒徑小于0.062 5 mm的碎屑顆粒、黏土和有機(jī)質(zhì)等組成的，具有頁(yè)理狀或薄片狀層理，容易碎裂的細(xì)粒沉積巖[2]。在常規(guī)油氣理論中，通常將頁(yè)巖作為烴源巖和/或圈閉的良好蓋層來進(jìn)行研究。早在1981年，Mitchell帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先將美國(guó)福特沃斯盆地Barnett頁(yè)巖作為天然氣儲(chǔ)層開展測(cè)試，經(jīng)過17年持續(xù)攻關(guān)及反復(fù)試驗(yàn)，于1998年采用大型滑溜水壓裂技術(shù)，試驗(yàn)井前120天平均日產(chǎn)量達(dá)到4.2×104m3，實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣開發(fā)突破，標(biāo)志著美國(guó)“頁(yè)巖氣革命”的開始[3-5]。頁(yè)巖氣是指從富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖中開采出來的天然氣[2]。頁(yè)巖含氣系統(tǒng)屬于典型的非常規(guī)天然氣系統(tǒng)，為連續(xù)型天然氣聚集。2010年前后，水平井多段壓裂技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，推動(dòng)了北美頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展；近10年間，隨著密切割、地下光纖監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)人工智能等技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)頁(yè)巖油氣革命進(jìn)入了高潮。在頁(yè)巖油氣革命的推動(dòng)下，美國(guó)在2019年實(shí)現(xiàn)了“能源獨(dú)立”[6]，使得曾經(jīng)的全球最大油氣進(jìn)口國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)閮舫隹趪?guó)，2021年美國(guó)天然氣凈出口量超過1 085×108m3[1,7]，深刻地改變了全球能源供給格局。

國(guó)內(nèi)學(xué)者從2003年開始關(guān)注美國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)情況[8-9]，2007年中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院與美國(guó)新田石油公司在四川盆地聯(lián)合開展了“威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣聯(lián)合研究”[3]，逐步實(shí)現(xiàn)中國(guó)頁(yè)巖氣的啟蒙[10-14]。2010 年，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)石油）鉆探了第一口頁(yè)巖氣直井——威 201井，正式開啟了中國(guó)頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)序幕[3]。通過近10余年的勘探開發(fā)攻關(guān)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖氣資源的有效開發(fā)，2021年中國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量為228×108m3，成為除美國(guó)之外最大的頁(yè)巖氣生產(chǎn)國(guó)。目前全球已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)開發(fā)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層共16套，均為海相沉積，我國(guó)四川盆地及其周緣的五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖沉積后，受多期構(gòu)造改造的影響，頁(yè)巖總體處于過成熟階段，保存條件相對(duì)較差，資源條件具有一定的獨(dú)特性[15-16]。

我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)理論與技術(shù)經(jīng)過多年實(shí)踐已經(jīng)趨于成熟，國(guó)內(nèi)學(xué)者先后提出了海相頁(yè)巖氣超壓成藏[17]、常規(guī)—非常規(guī)油氣“有序聚集”[18]、頁(yè)巖氣富集的“甜點(diǎn)區(qū)”和“甜點(diǎn)”兩種分布模式[19-20]、地質(zhì)—工程一體化和“人工油氣藏”開發(fā)理念等[21]。筆者親歷了中國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程，通過本文系統(tǒng)梳理了不同學(xué)者的研究成果，總結(jié)了中國(guó)海相頁(yè)巖氣勘探開發(fā)理論和技術(shù)，以期持續(xù)推進(jìn)我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)邁向新的高度。

1 中國(guó)海相頁(yè)巖氣基本特征

1.1 海相深水陸棚沉積，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖大面積連續(xù)分布

1.1.1 深水陸棚是優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層大面積沉積的優(yōu)越環(huán)境

奧陶紀(jì)與志留紀(jì)之交，揚(yáng)子地區(qū)沉積了五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)筆石頁(yè)巖[22-23]，受構(gòu)造及古地理環(huán)境變化等因素的控制和影響，儲(chǔ)層參數(shù)在局部地區(qū)呈現(xiàn)出最優(yōu)的條件。川南地區(qū)受深水重力流沉積的控制，自南向北，龍馬溪組底部總有機(jī)碳含量（TOC）超過3%的頁(yè)巖厚度從長(zhǎng)寧地區(qū)的15～20 m減薄至威遠(yuǎn)地區(qū)的5～12 m。

1.1.2 腐泥型與混合型富氫有機(jī)質(zhì)為頁(yè)巖氣形成提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)

海相深水沉積環(huán)境下形成了以腐泥型（Ⅰ型）和混合型（Ⅱ型）為主的有機(jī)質(zhì)，其成熟后先生油，隨熱演化程度增高，原油再裂解成氣，原油裂解后的瀝青中殘留大量納米級(jí)孔隙[24]。采用聚焦離子束電鏡技術(shù)，識(shí)別出揚(yáng)子地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖中的納米級(jí)孔隙主要發(fā)育在瀝青中，并且孔隙形態(tài)具有明顯的氣泡特征[24]（圖1、2）。

圖1 龍馬溪組海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層微米—納米級(jí)孔隙特征放大照片[2]

圖 2 龍馬溪組海相頁(yè)巖儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙類型放大照片[2]

1.1.3 奧陶紀(jì)末期全球生物大滅絕事件形成了頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集段

Fe組分及Mo元素等分析數(shù)據(jù)顯示，在赫南特期存在著兩次大規(guī)模硫化缺氧事件。在上述兩次硫化事件之間，全球氣候變冷形成冰期，在硫化和冰期事件的雙重作用下，全球生物大滅絕[25-26]，重大生物事件為富有機(jī)質(zhì)的沉積提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.2 有機(jī)質(zhì)高熱成熟生氣后就地儲(chǔ)集，后期構(gòu)造改造影響頁(yè)巖含氣性

1.2.1 高熱成熟度促使川南海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖充分生氣

富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖作為烴源巖在達(dá)到高成熟過程中生成大量天然氣，滯留在致密頁(yè)巖內(nèi)的天然氣形成源內(nèi)聚集。四川盆地及其周緣海相頁(yè)巖成熟度普遍較高，處于高—過成熟、原油裂解成氣、干酪根裂解生干氣為主的階段，有利的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層鏡質(zhì)體反射率（Ro） 一般介于 2.0%～3.5%[19-20]。當(dāng)TOC＞3.5%，有機(jī)質(zhì)出現(xiàn)碳化的概率加大，儲(chǔ)層物性變差，通常表現(xiàn)為低電阻率[27-28]。

1.2.2 高含氣量是頁(yè)巖氣有效開發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)

含氣量是衡量頁(yè)巖氣藏是否具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值及評(píng)估頁(yè)巖氣資源潛力的關(guān)鍵指標(biāo)[15,18]。頁(yè)巖氣主要以游離氣和吸附氣的形式存在，其中以游離氣為主，占比介于70%～80%。四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁(yè)巖含氣量介于0.9～3.5 m3/t，尚未實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣有效開發(fā)。長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)和瀘州等區(qū)塊龍馬溪組底部“甜點(diǎn)段”頁(yè)巖含氣量介于5～10 m3/t，是水平井開發(fā)的主要目的層。

1.2.3 構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)保存條件好的頁(yè)巖儲(chǔ)層常形成超壓

受多期構(gòu)造改造的影響，中國(guó)南方海相頁(yè)巖含氣性存在著較大的差異，總體上四川盆地及其周緣的構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣保存條件較好，頁(yè)巖儲(chǔ)層普遍超壓（壓力系數(shù)介于1.3～2.4）[17,29-30]。在構(gòu)造改造比較強(qiáng)烈的地區(qū)，頁(yè)巖儲(chǔ)層保存條件遭到破壞，儲(chǔ)層通常表現(xiàn)為常壓或欠壓，含氣量偏低。

1.3 儲(chǔ)集空間以納米級(jí)孔隙為主，儲(chǔ)層超致密低滲透，不改造無自然產(chǎn)能

1.3.1 豐富的有機(jī)質(zhì)納米孔是頁(yè)巖氣的主要儲(chǔ)集空間

中國(guó)南方海相五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖微米—納米級(jí)孔隙發(fā)育（圖1、2），包括粒間孔、粒內(nèi)孔和有機(jī)質(zhì)孔3種類型。其中高—過成熟海相頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)納米級(jí)孔隙發(fā)育，呈圓形、橢圓形、網(wǎng)狀、線狀等，孔徑介于5～750 nm、平均值為100～200 nm（圖3），占比超過60%[31-32]。研究發(fā)現(xiàn)，四川盆地南部（以下簡(jiǎn)稱川南）五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖TOC＞3%儲(chǔ)層的孔隙度介于3%～8%（表1）。

表1 中國(guó)海相頁(yè)巖氣田五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)集空間構(gòu)成表[2]

圖3 典型致密儲(chǔ)層孔喉分布特征統(tǒng)計(jì)圖[2]

1.3.2 超致密、特低滲透的頁(yè)巖儲(chǔ)層不改造一般無自然產(chǎn)能

以納米級(jí)孔隙為主的頁(yè)巖儲(chǔ)層極其致密，滲透率總體低于0.01 mD。四川盆地及其周緣的五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖滲透率一般小于0.001 mD。按照致密砂巖儲(chǔ)層滲透率為0.1 mD的標(biāo)準(zhǔn)，頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率比致密砂巖還要低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，頁(yè)巖油氣等流體在儲(chǔ)層中的運(yùn)移能力有限，油氣井不經(jīng)過壓裂改造一般難以形成有效產(chǎn)能。

1.4 層理和天然裂縫發(fā)育程度影響頁(yè)巖氣井產(chǎn)能

1.4.1 條帶狀粉砂型水平層理發(fā)育的頁(yè)巖儲(chǔ)層品質(zhì)最好

中國(guó)南方海相五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主要發(fā)育水平、韻律、塊狀、遞變、交錯(cuò)等5種類型的層理。其中，龍馬溪組下部的I類儲(chǔ)層以水平層理為主，根據(jù)紋層結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步細(xì)分為條帶狀粉砂型、遞變型、砂泥遞變型和砂泥互層型4種層理類型（圖4）[33-34]，其中條帶狀粉砂型水平層理泥紋層儲(chǔ)層品質(zhì)為最佳，水平層理順層理方向滲透率可達(dá)184.285 mD、而垂直層理方向滲透率僅0.655 mD[33-34]，是頁(yè)巖氣水平井的最優(yōu)靶體段。

圖4 川南五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖層理類型及縱向分布統(tǒng)計(jì)圖[34]

1.4.2 天然裂縫發(fā)育提升了頁(yè)巖儲(chǔ)層的連通能力

頁(yè)巖儲(chǔ)層中的裂縫主要包括構(gòu)造縫、成巖縫，也是重要的儲(chǔ)集空間、有效的運(yùn)移通道、高效的滲流通道，能較大幅度地提高頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量[2,35]。在裂縫發(fā)育區(qū)，裂縫孔隙度可達(dá)到3%，大幅度提升了頁(yè)巖儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力，在水平井開發(fā)過程中易獲高產(chǎn)。如瀘州深層的瀘203井，頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，在同等儲(chǔ)層參數(shù)條件下，氣井測(cè)試獲得138×104m3/d的高產(chǎn)氣量，截至2021年底該井3年累計(jì)產(chǎn)氣1.02×108m3，預(yù)計(jì)單井最終可采儲(chǔ)量（EUR）超過2.0×108m3。

1.5 頁(yè)巖巖石力學(xué)性質(zhì)影響水平井實(shí)施的工程效果

1.5.1 海相高硅質(zhì)頁(yè)巖具有更高的抗壓強(qiáng)度和彈性模量

致密砂巖的抗壓強(qiáng)度一般介于26～108 MPa，而高硅質(zhì)頁(yè)巖在垂直層理方向的抗壓強(qiáng)度介于117～200 MPa，在順層理方向的抗壓強(qiáng)度介于68～69 MPa；致密砂巖的楊氏模量介于0.36×104～2.90×104MPa，而高硅質(zhì)頁(yè)巖的楊氏模量介于3×104～6×104MPa；頁(yè)巖與致密砂巖的泊松比無明顯差異，總體上介于0.14～0.26[2,36-37]。較之于致密砂巖，頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂需要更高的泵送壓力以形成裂縫。巖石的脆性指數(shù)可以通過抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比等參數(shù)來表征，脆性指數(shù)與壓裂過程中形成縫網(wǎng)的復(fù)雜程度呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

1.5.2 石英和碳酸鹽巖等脆性礦物含量高的層段是易于改造層段

脆性礦物含量的占比與脆性指數(shù)存在著正相關(guān)關(guān)系，脆性礦物含量越高壓裂過程中越容易產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的石英與長(zhǎng)石類礦物總含量平均達(dá)82.8%，其中石英含量在 60%以上、平均為78.2%；長(zhǎng)石類礦物含量最高達(dá)10%。而黏土礦物含量變化大，變化范圍介于1%～20%，部分超過30%[2，36-38]。在縱向上，龍馬溪組底部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖（厚度介于5～15 m）石英等脆性礦物含量高（超過70%），脆性好、易壓裂，向上脆性礦物含量降低，黏土礦物含量升高。

1.6 水平井開發(fā)初期產(chǎn)量高、遞減快，中后期低產(chǎn)但生產(chǎn)周期長(zhǎng)

中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣水平井生產(chǎn)特征與北美地區(qū)總體相似，生產(chǎn)曲線呈現(xiàn)“L”形態(tài)（圖5）[39]，但不同區(qū)塊之間卻存在著一定的差異性。2020年，瀘州和渝西區(qū)塊深層頁(yè)巖氣投產(chǎn)井（瀘州24口、渝西3口）首年日產(chǎn)氣量為7.8×104m3，平均第二年產(chǎn)量遞減率為49.0%，井均EUR為1.13×108m3。2014—2020年長(zhǎng)寧和威遠(yuǎn)中深層頁(yè)巖氣投產(chǎn)井平均第二年產(chǎn)量遞減率分別為44.7%、53.7%、55.7%、47.2%、52.0%、53.3%、59.4%，單井EUR介于0.7×108～ 1.4×108m3。2020年，中深層頁(yè)巖氣井（長(zhǎng)寧50口、威遠(yuǎn)66口），井均EUR為0.91×108m3。2020年太陽(yáng)淺層頁(yè)巖氣投產(chǎn)井（16口），首年日產(chǎn)氣量為3.3×104m3，平均第二年產(chǎn)量遞減率為34.0%，井均EUR為0.40×108m3。同等條件下，頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深越大，儲(chǔ)層壓力越高、含氣量越高、單井初期產(chǎn)量越高、產(chǎn)量遞減越快。

圖5 川南地區(qū)不同區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井生產(chǎn)曲線圖

2 頁(yè)巖氣勘探開發(fā)主體理論與技術(shù)

2.1 頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”“甜點(diǎn)段”理論

2.1.1 沉積和構(gòu)造共同作用形成海相頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”

海相頁(yè)巖儲(chǔ)層以深水陸棚沉積相為主，具有大面積連續(xù)分布的特征，沉積面積一般介于5×104～10×104km2。受古地理環(huán)境、后期熱演化等因素的影響，頁(yè)巖儲(chǔ)層參數(shù)具有一定的變化性，在局部地區(qū)表現(xiàn)為TOC、熱演化成熟度、含氣量、含氣飽和度和脆性礦物含量等參數(shù)值最優(yōu)。北美地區(qū)構(gòu)造背景總體穩(wěn)定，頁(yè)巖氣開發(fā)最有利的“甜點(diǎn)區(qū)”主要受控于熱演化成熟度，以美國(guó)Barnett頁(yè)巖氣區(qū)為例，Ro＞1.2%的頁(yè)巖儲(chǔ)層范圍即為頁(yè)巖氣開發(fā)的“甜點(diǎn)區(qū)”。不同于北美地區(qū)，我國(guó)五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖沉積后經(jīng)歷過多期構(gòu)造改造，雖然在沉積過程中形成了大面積連續(xù)分布的頁(yè)巖，但含氣性卻產(chǎn)生了重大的差異。

揚(yáng)子地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖大面積連續(xù)分布，但受多期構(gòu)造改造的影響，在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)頁(yè)巖氣井產(chǎn)量偏低，尚不能進(jìn)行有效開發(fā)。王紅巖等[17]提出在四川盆地構(gòu)造穩(wěn)定和相對(duì)穩(wěn)定區(qū)頁(yè)巖氣保存條件好，儲(chǔ)層“超壓”，明確了超壓是頁(yè)巖氣井高產(chǎn)的主要地質(zhì)因素。郭旭升等[40]針對(duì)涪陵頁(yè)巖氣田，提出海相頁(yè)巖氣富集除受深水沉積條件控制以外，還需要具有效保存的構(gòu)造條件，進(jìn)而提出了“二元富集”規(guī)律。筆者[18]認(rèn)為，在含油氣系統(tǒng)中，常規(guī)—非常規(guī)油氣形成“有序聚集”，中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣在構(gòu)造較為穩(wěn)定區(qū)形成大面積連續(xù)分布的“甜點(diǎn)區(qū)”，在構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜區(qū)的局部形成“甜點(diǎn)區(qū)”。其中，川南和涪陵兩大頁(yè)巖氣田是典型的“甜點(diǎn)區(qū)”。（圖 6）。

圖6 四川盆地頁(yè)巖氣“構(gòu)造型甜點(diǎn)”與“連續(xù)型甜點(diǎn)區(qū)”富集成藏模式圖[19]

2.1.2 地質(zhì)和工程兩類氣井產(chǎn)能影響因素決定頁(yè)巖氣開發(fā)需找到“甜點(diǎn)段”

關(guān)鍵地質(zhì)事件對(duì)中國(guó)南方海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖沉積的控制作用，使得頁(yè)巖氣儲(chǔ)層在縱向上存在著最優(yōu)質(zhì)的層段，頁(yè)巖氣開發(fā)就需要找到最有利的“甜點(diǎn)段”[41]。海相頁(yè)巖沉積厚度大，在川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度介于80～120 m，頁(yè)巖氣開發(fā)需要充足的資源基礎(chǔ)，而“甜點(diǎn)段”則需要具有高含氣性。頁(yè)巖儲(chǔ)層超致密低滲透，不經(jīng)過體積壓裂氣井一般無自然產(chǎn)能。這就決定了頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)既要找到頁(yè)巖氣富集段，又要找到最容易實(shí)現(xiàn)體積壓裂的脆性段。頁(yè)巖氣水平井開發(fā)的最優(yōu)靶體需要同時(shí)考慮地質(zhì)和工程兩個(gè)方面的因素，同時(shí)滿足上述兩個(gè)條件的層段即為頁(yè)巖氣開發(fā)的“甜點(diǎn)段”。馬新華等[41]基于川南頁(yè)巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐，提出沉積成巖控儲(chǔ)、保存條件控藏和Ⅰ類儲(chǔ)層連續(xù)厚度控產(chǎn)的頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)的“三控理論”，明確了高脆性富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖（威遠(yuǎn)區(qū)塊TOC＞4%、脆性礦物含量超過70%）是優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層，U/Th比通常大于1.25，其中龍馬溪組底部厚度介于3～5 m的層段是最優(yōu)的水平井“黃金靶體”[42]，即頁(yè)巖氣開發(fā)的“甜點(diǎn)段”。

2.2 頁(yè)巖氣有效開發(fā)“人工氣藏”理論

2.2.1 構(gòu)建“人工氣藏”實(shí)現(xiàn)超致密低滲透儲(chǔ)層頁(yè)巖氣的有效開發(fā)

頁(yè)巖氣有效開發(fā)“人工氣藏”理論就是以“甜點(diǎn)區(qū)”為單元，在其范圍內(nèi)通過科學(xué)合理地部署井群，用壓裂、注入與采出一體化的方式，形成“人造高滲區(qū)，重構(gòu)滲流場(chǎng)”，大幅度改變地下流體滲流環(huán)境和補(bǔ)充地層能量，借助于人工干預(yù)實(shí)現(xiàn)地下頁(yè)巖氣規(guī)模有效開發(fā)[21]（圖7）?！叭嗽旄邼B透區(qū)”是指通過壓裂改造將極弱—弱滲流能力的儲(chǔ)集體改造為縫網(wǎng)體系，以提高流體的流動(dòng)能力?！爸貥?gòu)滲流場(chǎng)”是“人工氣藏”開發(fā)的理論核心。在單井影響范圍內(nèi)，通過“人造高滲透區(qū)”的體積改造，實(shí)現(xiàn)井控區(qū)域內(nèi)的“人工造藏”[21]；在單縫范圍內(nèi)，通過滲吸置換等措施可達(dá)到提高頁(yè)巖氣采收率的目的。

圖7 非常規(guī)天然氣“人造氣藏”開發(fā)模式圖[21]

2.2.2 頁(yè)巖氣“人工氣藏”開發(fā)特點(diǎn)

1）建立頁(yè)巖氣“人工氣藏”需要大批量鉆井，在體積改造波及范圍內(nèi)形成氣藏。頁(yè)巖儲(chǔ)層不經(jīng)過改造一般無自然產(chǎn)能，氣井人工改造的程度和波及范圍決定了EUR、采收率等參數(shù)。人工改造范圍之外的儲(chǔ)層通常不能實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的采出，只有鉆井到達(dá)并經(jīng)過改造的儲(chǔ)層才能形成產(chǎn)量，一口井可以形成一個(gè)氣藏[41]，一個(gè)平臺(tái)可以形成一個(gè)氣藏，甜點(diǎn)區(qū)完成建產(chǎn)后也可以形成一個(gè)氣藏。受單井人工改造范圍的限制，要實(shí)現(xiàn)氣田規(guī)模開發(fā)需要大批量的鉆井，以實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。

2）頁(yè)巖氣“人工氣藏”單井具有“L”形的生產(chǎn)特點(diǎn)，由此決定了需要通過批量鉆新井以保持氣田穩(wěn)產(chǎn)。受頁(yè)巖儲(chǔ)層超致密低滲透的控制，“人工氣藏”建立過程中形成的裂縫體系，構(gòu)建了頁(yè)巖基質(zhì)到井筒之間的高速導(dǎo)流通道，中后期大壓差生產(chǎn)有可能會(huì)使得近井筒裂縫閉合。人工改造無法改變頁(yè)巖儲(chǔ)層基質(zhì)孔滲性質(zhì)，導(dǎo)致氣井生產(chǎn)的中后期供氣能力不足，與近井筒裂縫閉合雙重不利因素疊加，氣井生產(chǎn)的中后期產(chǎn)量明顯降低，產(chǎn)氣速率曲線呈現(xiàn)“L”形的特點(diǎn)。因此，頁(yè)巖氣井單井初期產(chǎn)量高、產(chǎn)量遞減快、低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)周期長(zhǎng)，維持氣田穩(wěn)定生產(chǎn)需要不斷補(bǔ)充新井。

3）影響頁(yè)巖氣“人工氣藏”開發(fā)效果的因素眾多，需要全生命周期不斷優(yōu)化，不斷提升開發(fā)效果。頁(yè)巖氣井開發(fā)受多種因素制約，“人工氣藏”的開發(fā)認(rèn)識(shí)具有長(zhǎng)期性，需要在實(shí)踐中建立“學(xué)習(xí)曲線”。在構(gòu)建“人工氣藏”的過程中，需要找到既具有一定的含氣性又易于被改造的最佳“甜點(diǎn)段”；針對(duì)地應(yīng)力、斷層裂縫和微幅構(gòu)造等情況，需要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐全過程的優(yōu)化，確定最佳鉆完井參數(shù)和體積壓裂參數(shù)；在排采過程中，需要結(jié)合儲(chǔ)層的壓力敏感性，優(yōu)化生產(chǎn)制度，以達(dá)到最佳的產(chǎn)氣效果；在氣體生產(chǎn)過程中需要整體優(yōu)化工作量部署及施工作業(yè)模式，以達(dá)到最佳效益水平。

2.3 地質(zhì)—工程一體化評(píng)價(jià)技術(shù)

不同于常規(guī)天然氣發(fā)現(xiàn)氣藏后少井長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)開發(fā)模式，頁(yè)巖氣開發(fā)需要建立“人工氣藏”，通過批量鉆井才能實(shí)現(xiàn)規(guī)模開發(fā)。頁(yè)巖氣有效開發(fā)既要找到富集區(qū)，又要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行充分改造，即頁(yè)巖氣井的生產(chǎn)效果受控于地質(zhì)和工程等多種因素。地質(zhì)—工程一體化評(píng)價(jià)技術(shù)就是從地質(zhì)和工程的全生命周期多參數(shù)整體評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層特征，以高產(chǎn)量、高EUR、高效益等為目標(biāo)，最大限度地了解頁(yè)巖儲(chǔ)層的特征，構(gòu)建頁(yè)巖儲(chǔ)層“透明地質(zhì)體”[42-46]。

通過精準(zhǔn)構(gòu)建構(gòu)造地質(zhì)模型、儲(chǔ)層屬性模型、地質(zhì)力學(xué)模型、復(fù)雜裂縫模型和壓裂縫網(wǎng)模型等，并在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷優(yōu)化完善，最終構(gòu)建出最佳的頁(yè)巖氣開發(fā)“人工氣藏”，以實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣田的高效開發(fā)。在具體評(píng)價(jià)過程中，通常采用3D地震、測(cè)井、分析測(cè)試等多種手段精準(zhǔn)刻畫儲(chǔ)層，找到頁(yè)巖氣最富集、能量最高區(qū)段（儲(chǔ)層壓力最高、頁(yè)巖含氣量最高）、最容易被改造的甜點(diǎn)區(qū)/段（高脆性），并精準(zhǔn)構(gòu)建頁(yè)巖氣開發(fā)“甜點(diǎn)區(qū)”和“甜點(diǎn)段”多屬性模型，并以此作為工程作業(yè)和排采優(yōu)化的基礎(chǔ)[42-46]。

2.4 水平井多段壓裂技術(shù)

2010年前后，水平井多段壓裂技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)。2011年中國(guó)石油西南油氣田公司（以下簡(jiǎn)稱西南油氣田）首次采用水平井多段壓裂技術(shù)進(jìn)行頁(yè)巖氣試采。水平井多段壓裂技術(shù)是當(dāng)前建立頁(yè)巖氣有效開發(fā)“人工氣藏”最有效的技術(shù)手段，主要包括水平井和多段體積壓裂兩個(gè)部分。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)靶體段厚度較薄，因而需要借助于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，在地下精準(zhǔn)識(shí)別靶體變化并根據(jù)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，才能確保水平井精準(zhǔn)鉆入靶體段[47-48]。針對(duì)不同區(qū)域的地層特征，為了提升水平井鉆井效率，在鉆井過程中采用有針對(duì)性的定制化鉆頭，可以大幅度提高鉆井效率，并且實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)水平段一趟鉆鉆井。多段壓裂將水平井分成多段實(shí)施水力壓裂，每一段在實(shí)施過程中都要進(jìn)行多簇射孔并壓裂，以形成復(fù)雜壓裂縫網(wǎng)。目前主流的水平井多段壓裂技術(shù)包括水力噴射多段壓裂技術(shù)、裸眼封隔器多段壓裂技術(shù)和快鉆橋塞多段壓裂技術(shù)等3種類型。

3 四川盆地及其周緣海相頁(yè)巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐及前景展望

3.1 頁(yè)巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐

歷經(jīng)10余年勘探開發(fā)攻關(guān)，中國(guó)埋深3 500 m以淺海相頁(yè)巖氣有效開發(fā)技術(shù)漸趨成熟，埋深3 500 m以深頁(yè)巖氣開發(fā)取得了突破性進(jìn)展。與2012年相比，2021年全國(guó)天然氣產(chǎn)量增量為825×108m3，其中頁(yè)巖氣產(chǎn)量占全國(guó)天然氣產(chǎn)量增量的27%。2008年中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院開展了四川盆地海相頁(yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)，在川南地區(qū)優(yōu)選了長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、昭通和富順—永川頁(yè)巖氣有利區(qū)，鉆探了長(zhǎng)芯1井，精準(zhǔn)鎖定了五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣主力層系。2011年西南油氣田實(shí)施了寧201-H1水平井，獲測(cè)試產(chǎn)量15×104m3/d，明確了川南頁(yè)巖氣的開發(fā)價(jià)值。2012年中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)石化）在涪陵地區(qū)以五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖為目的層，鉆探了焦頁(yè)1HF水平井，獲測(cè)試產(chǎn)氣量20.3×104m3/d，標(biāo)志著涪陵頁(yè)巖氣田的發(fā)現(xiàn)。2015年，全國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)到46×108m3，實(shí)現(xiàn)了北美之外頁(yè)巖氣資源的規(guī)模有效開發(fā)。2016年全國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量突破100×108m3，達(dá)到116×108m3，2020年產(chǎn)量跨越200×108m3，2021年產(chǎn)量達(dá)到228×108m3，呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

3.1.1 較之于北美，中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣具有特殊性，不能完全照搬前者的勘探開發(fā)理論與技術(shù)

整個(gè)北美地區(qū)構(gòu)造較為穩(wěn)定，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層構(gòu)造簡(jiǎn)單，大面積連續(xù)分布，并且地表平坦適合大批量鉆井；中國(guó)南方海相地區(qū)受多期構(gòu)造改造影響，儲(chǔ)層微幅構(gòu)造和斷層裂縫發(fā)育，局部頁(yè)巖含氣性較差，含氣性不連續(xù)，甜點(diǎn)區(qū)規(guī)模相對(duì)較小，并且地表以高山和丘陵為主，鉆井平臺(tái)選址難度大（表2）[2-3,11,13]。北美Marcellus和Haynesville等頁(yè)巖成熟度適中（Ro介于0.8%～2.0%），多數(shù)頁(yè)巖氣井既產(chǎn)氣又產(chǎn)油；中國(guó)海相頁(yè)巖總體處于高過成熟階段（Ro介于2.5%～4.0%），以產(chǎn)干氣為主，甲烷含量超過95%。北美頁(yè)巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)段”厚度大（30～150 m），“甜點(diǎn)區(qū)”儲(chǔ)層大面積連續(xù)分布（上萬(wàn)平方千米）；中國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)段”厚度相對(duì)?。?～15 m），甜點(diǎn)區(qū)分布面積相對(duì)較小且規(guī)模差異大（上百到上萬(wàn)平方千米）（表2）[17-19]。北美頁(yè)巖儲(chǔ)層地應(yīng)力簡(jiǎn)單，水平主應(yīng)力差不明顯（小于5 MPa），壓裂改造易于形成體積縫網(wǎng)；中國(guó)海相頁(yè)巖儲(chǔ)層應(yīng)力相對(duì)復(fù)雜，局部地區(qū)水平主應(yīng)力差介于10～20 MPa，體積改造難度較大（表2）[2-3,6,15]。

表2 國(guó)內(nèi)外主要頁(yè)巖儲(chǔ)層相關(guān)參數(shù)對(duì)比表

3.1.2 勘探實(shí)踐推動(dòng)地質(zhì)理論認(rèn)識(shí)進(jìn)步，明確川南超壓區(qū)是頁(yè)巖氣開發(fā)的“甜點(diǎn)區(qū)”

中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣開發(fā)初期，在北美頁(yè)巖氣大面積連續(xù)成藏認(rèn)識(shí)的指導(dǎo)下，認(rèn)為中上揚(yáng)子地區(qū)廣泛發(fā)育的五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層分布穩(wěn)定，在區(qū)域上是良好的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層?！笆濉背跗?，大量國(guó)內(nèi)企業(yè)通過競(jìng)爭(zhēng)在中上揚(yáng)子地區(qū)獲得了頁(yè)巖氣勘探礦權(quán)，神華集團(tuán)、華電集團(tuán)等企業(yè)在酉陽(yáng)、鳳岡、來鳳等地區(qū)鉆探了多口頁(yè)巖氣井，總體評(píng)價(jià)上述地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層品質(zhì)較差，不具備效益開發(fā)前景。中國(guó)石油通過長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)和昭通等區(qū)塊的勘探開發(fā)評(píng)價(jià)，逐步認(rèn)識(shí)到斷層發(fā)育區(qū)和靠近露頭區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層以常壓為主，氣井測(cè)試效果不佳。隨著勘探評(píng)價(jià)向深部穩(wěn)定的斜坡區(qū)斜區(qū)推進(jìn)，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層普遍超壓，逐步認(rèn)識(shí)到川南超壓區(qū)是頁(yè)巖氣開發(fā)的“甜點(diǎn)區(qū)”。

3.1.3 在“甜點(diǎn)區(qū)”內(nèi)找到儲(chǔ)層“甜點(diǎn)段”作為水平井靶體，采用水平井多段壓裂技術(shù)充分構(gòu)建“人工氣藏”，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣有效開發(fā)

在頁(yè)巖氣開發(fā)早期，為了確保井筒完整性，水平井鉆井選擇龍馬溪組底部厚度介于10～20 m的TOC值和脆性指數(shù)都相對(duì)較低的頁(yè)巖為靶體，1 200～1 500 m水平段長(zhǎng)、10～15段壓裂，EUR總體介于0.5×108～0.7×108m3，頁(yè)巖氣開發(fā)效果低于預(yù)期。隨著頁(yè)巖氣開發(fā)的持續(xù)推進(jìn)，明確了四川盆地及其周緣龍馬溪組底部厚度介于3～5 m高脆性富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖是最優(yōu)的水平井“黃金靶體”[41-42]，地質(zhì)—工程一體化評(píng)價(jià)、水平井多段壓裂等關(guān)鍵工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了第一代向第二代的技術(shù)發(fā)展跨越，水平井的水平段長(zhǎng)提升至1 800 m以上，通過多簇密切割體積壓裂，EUR達(dá)到 1.0×108～ 1.2×108m3[42]。

3.2 前景展望

海相頁(yè)巖氣開發(fā)持續(xù)推進(jìn)，將有力地推動(dòng)四川盆地“天然氣大慶”的建設(shè)[6]。川南頁(yè)巖氣資源分布面積約4.5×104km2，主體連片分布，有利于整體開發(fā)。經(jīng)勘探評(píng)價(jià)，落實(shí)近期可工作面積2.0×104km2，預(yù)計(jì)可探明頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量10×1012m3[6]。受四川盆地海相深層頁(yè)巖儲(chǔ)層高溫、高應(yīng)力、高應(yīng)力差和局部?jī)?chǔ)層低電阻等因素的影響，埋深超過4 500 m的頁(yè)巖氣開發(fā)前景尚不明朗，初步預(yù)判2025年中國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量將達(dá)到300×108m3，2035年將達(dá)到400×108m3。但隨著頁(yè)巖氣勘探開發(fā)理論認(rèn)識(shí)的不斷進(jìn)步，頁(yè)巖氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)結(jié)果可能會(huì)有較大的變化。

4 結(jié)論

1）中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣具有6項(xiàng)基本特征：①海相深水陸棚沉積，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖大面積連續(xù)分布；②有機(jī)質(zhì)高成熟生氣后就地儲(chǔ)集，后期構(gòu)造改造影響頁(yè)巖含氣性；③儲(chǔ)集空間以納米級(jí)孔隙為主，超致密、特低滲透，不改造無自然產(chǎn)能；④層理和天然裂縫發(fā)育程度影響頁(yè)巖氣井產(chǎn)能；⑤頁(yè)巖巖石力學(xué)性質(zhì)決定水平井實(shí)施工程效果；⑥水平井開發(fā)初期產(chǎn)量高、產(chǎn)量遞減快，中后期低產(chǎn)但生產(chǎn)周期長(zhǎng)。

2）針對(duì)中國(guó)海相頁(yè)巖氣特征，建立了頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”“甜點(diǎn)段”理論和頁(yè)巖氣有效開發(fā)“人工氣藏”理論。沉積和構(gòu)造共同作用形成海相頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)區(qū)”，地質(zhì)和工程兩大類因素決定頁(yè)巖氣開發(fā)需找到“甜點(diǎn)段”，有效開發(fā)需建立“人工氣藏”。地質(zhì)—工程一體化評(píng)價(jià)精準(zhǔn)構(gòu)建頁(yè)巖儲(chǔ)層“透明地質(zhì)體”，水平井多段壓裂技術(shù)是當(dāng)前建立頁(yè)巖氣有效開發(fā)“人工氣藏”最有效的技術(shù)手段。

3）勘探實(shí)踐推動(dòng)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)主體理論與技術(shù)進(jìn)步，中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣開發(fā)水平井EUR由初期的0.5×108m3提升至現(xiàn)在的1.0×108～1.2×108m3。在四川盆地及其周緣已經(jīng)落實(shí)頁(yè)巖氣近期可工作有利區(qū)面積為2.0×104km2，預(yù)計(jì)可探明頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)10×1012m3。初步預(yù)判，2025年中國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量將達(dá)到300×108m3，2035年將達(dá)到400×108m3。