何 驍 陳更生 吳建發(fā) 劉 勇 伍 帥 張 鑒 張小濤

1.中國(guó)石油西南油氣田公司 2.中國(guó)石油西南油氣田公司頁(yè)巖氣研究院 3.四川頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司

0 引言

伴隨中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，油氣資源需求日益劇增，據(jù)國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布數(shù)據(jù)表明，2021年我國(guó)原油對(duì)外依存度為72%，天然氣對(duì)外依存度為44.9%，能源安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。此外，在“清潔化、低碳化”能源迅速發(fā)展的背景下，“碳達(dá)峰、碳中和”等發(fā)展目標(biāo)也對(duì)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整提出了內(nèi)在需求[2]。因此，國(guó)家近年來(lái)明確提出了“大力發(fā)展天然氣，重點(diǎn)突破頁(yè)巖氣，提高國(guó)內(nèi)油氣保障能力”的發(fā)展戰(zhàn)略要求。四川盆地奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組海相頁(yè)巖品質(zhì)優(yōu)，分布連續(xù)穩(wěn)定，是目前我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的主要領(lǐng)域，其中埋深3 500～4 500 m的深層可工作有利區(qū)面積達(dá)1.2×104km2，地質(zhì)資源量達(dá)6.6×1012m3[3-4]，資源潛力巨大，是“氣大慶”和“雙碳”目標(biāo)建設(shè)的重點(diǎn)領(lǐng)域，但受埋藏深度深、溫度和壓力高、應(yīng)力與應(yīng)力差大等復(fù)雜地質(zhì)工程條件影響，開(kāi)發(fā)難度遠(yuǎn)超北美地區(qū)[5-6]。在殼牌公司和英國(guó)石油公司（BP）相繼退出四川盆地南部地區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)川南地區(qū)）深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的背景下，中國(guó)石油堅(jiān)持自主創(chuàng)新，持續(xù)深化深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)理論，在川南地區(qū)形成了以“五好”為核心的深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，建立了深層頁(yè)巖氣高產(chǎn)井培育模式，取得了深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重大新進(jìn)展。

1 勘探開(kāi)發(fā)概況

四川盆地縱向上主要發(fā)育6套烴源巖層系，其中奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組海相頁(yè)巖分布穩(wěn)定、品質(zhì)優(yōu)是最有利的勘探開(kāi)發(fā)層系。川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣是繼建成四川長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)后，第二個(gè)“萬(wàn)億儲(chǔ)量、百億產(chǎn)量”頁(yè)巖氣田的建設(shè)目標(biāo)區(qū)，同時(shí)也是下一步持續(xù)上產(chǎn)的最重要戰(zhàn)略接替領(lǐng)域[7]。

川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)歷經(jīng)了聯(lián)合評(píng)價(jià)（2009—2012年）、合作開(kāi)發(fā)（2013—2015年）和自主評(píng)價(jià)（2016—2019年）三個(gè)階段[8]。在早期先后嘗試與殼牌、BP簽訂“聯(lián)合評(píng)價(jià)協(xié)議”“分成合同”，探索通過(guò)引進(jìn)北美新一代勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣突破，但受埋藏深、溫度和壓力高、應(yīng)力與應(yīng)力差大等復(fù)雜地質(zhì)工程條件影響，均以失敗告終。

2016年在各大國(guó)際公司先后退出川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的背景下，中國(guó)石油與地方政府合資成立四川頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，堅(jiān)定不移地選擇了自主評(píng)價(jià)、自主創(chuàng)新、自主開(kāi)發(fā)的發(fā)展之路，在“三控”富集高產(chǎn)理論的指導(dǎo)下，明確了最有利的勘探開(kāi)發(fā)區(qū)帶，部署了一批評(píng)價(jià)井，獲得了國(guó)內(nèi)首口測(cè)試產(chǎn)量超百萬(wàn)立方米氣井——瀘203井，編制了陽(yáng)101、黃202、足203等井區(qū)試采方案，陽(yáng)101H1-2井、陽(yáng)101H2-8井、黃202井等氣井相繼獲得高產(chǎn)，深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)取得了“由點(diǎn)及面”的戰(zhàn)略突破，全面進(jìn)入了產(chǎn)能建設(shè)的新階段。目前按照“整體評(píng)價(jià)深層資源潛力和氣井產(chǎn)能，集中評(píng)價(jià)提交探明儲(chǔ)量，拓展評(píng)價(jià)落實(shí)Ⅰ類(lèi)有利區(qū)邊界”的原則，整體部署三維地震5 000 km2，評(píng)價(jià)井97口，埋深3 500～4 000 m的建產(chǎn)區(qū)已實(shí)現(xiàn)三維地震全覆蓋，基本控制了地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，明確了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的展布特征；結(jié)合“整體部署、分步實(shí)施、接替穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)化調(diào)整”的開(kāi)發(fā)方案編制思路，啟動(dòng)了“十四五”深層11個(gè)開(kāi)發(fā)方案編制工作，總規(guī)模150×108m3/a；為最大化動(dòng)用地下地面資源，落實(shí)了“十四五”深層頁(yè)巖氣上產(chǎn)區(qū)塊平臺(tái)260個(gè)、開(kāi)發(fā)井1 871口。截至2021年底累計(jì)開(kāi)鉆井223口，完鉆井181口，投產(chǎn)井98口，日產(chǎn)氣量突破500×104m3，大會(huì)戰(zhàn)組織模式已經(jīng)建立，產(chǎn)能建設(shè)取得初步成效，具備了“十四五”建成140×108m3/a的資源、技術(shù)等各項(xiàng)基礎(chǔ)條件（圖1）。

圖1 川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣投產(chǎn)井與日產(chǎn)氣量圖

2 勘探開(kāi)發(fā)新進(jìn)展與成效

深層與中深層頁(yè)巖氣地質(zhì)背景、工程參數(shù)相比差異明顯，天然裂縫及地應(yīng)力更加復(fù)雜，勘探開(kāi)發(fā)難度更大（表1）。中國(guó)石油在系統(tǒng)總結(jié)中深層四川長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)取得經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以“提產(chǎn)量、提效率、降成本、控風(fēng)險(xiǎn)”為核心，通過(guò)“引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新”，在地質(zhì)認(rèn)識(shí)、主體技術(shù)、高產(chǎn)井培育及管理模式方面取得了突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了“從低產(chǎn)到高產(chǎn)、從零星到規(guī)模、從無(wú)效到有效”三個(gè)跨越，初步形成了一條引領(lǐng)我國(guó)深層頁(yè)巖氣高質(zhì)量發(fā)展的途徑。

表1 川南地區(qū)深層與中深層五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣地質(zhì)工程條件對(duì)比表

2.1 地質(zhì)認(rèn)識(shí)深化

在頁(yè)巖氣“三控”富集高產(chǎn)理論基礎(chǔ)上[9]，優(yōu)選川南地區(qū)深層有利勘探面積6 700 km2，通過(guò)近年來(lái)持續(xù)深化評(píng)價(jià)，進(jìn)一步明確了“高U/Th”“高成熟度”“高壓”是深層頁(yè)巖氣最有利富集區(qū)帶的最本質(zhì)特征。

1）深水強(qiáng)還原陸棚環(huán)境（高U/Th）控制了“富碳高硅低黏”頁(yè)巖段的沉積，為最有利的沉積相帶，“深水深層”高度重合[10]。龍馬溪期川南地區(qū)處于“三隆夾一凹”的局限靜水沉積環(huán)境，深水強(qiáng)還原環(huán)境（U/Th＞1.25）有機(jī)質(zhì)豐富且遠(yuǎn)離物源，主要巖相為硅質(zhì)頁(yè)巖，發(fā)育“總有機(jī)碳含量（TOC）＞3%、黏土含量＜30%、石英含量＞40%”的“富碳低黏高硅”優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖，U/Th＞1.25，且連續(xù)厚度大于4 m區(qū)域?yàn)樯钏畯?qiáng)還原環(huán)境區(qū)，與深層高度重合（圖2、3）。

圖2 川南地區(qū)頁(yè)巖沉積環(huán)境與儲(chǔ)層參數(shù)關(guān)系圖

圖3 川南地區(qū)頁(yè)巖沉積環(huán)境與I類(lèi)儲(chǔ)層連續(xù)厚度疊合圖

2）較高的Ro（2.5%～3.5%）表征頁(yè)巖歷經(jīng)兩期生烴成孔，深層發(fā)育優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層[11]。頁(yè)巖孔隙發(fā)育于成熟溶蝕生烴（Ro介于0.7%～1.3%）和高—過(guò)成熟二次裂解（Ro介于2.5%～3.5%）兩個(gè)階段，川南地區(qū)深層龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層Ro總體在3.0%～3.5%，處于最有利的孔隙演化階段（圖4），面孔率、Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層連續(xù)厚度總體優(yōu)于中深層。

圖4 四川盆地龍馬溪組“頁(yè)巖雙孔演化模型”圖

3）深層普遍超壓，保存條件優(yōu)越[12]。持續(xù)良好的封閉條件有利于“留烴、超壓、?？住保强刂瞥刹氐闹匾笜?biāo)，川南地區(qū)深層實(shí)鉆井顯示壓力系數(shù)介于1.86～2.25[13]（圖5）。

圖5 川南地區(qū)龍馬溪組底界埋深與壓力系數(shù)、孔隙度關(guān)系圖

2.2 主體技術(shù)形成

在地質(zhì)認(rèn)識(shí)不斷深化的基礎(chǔ)上，聚焦深層頁(yè)巖氣選區(qū)、部署、鉆井、壓裂、生產(chǎn)效益開(kāi)發(fā)“五大”關(guān)鍵環(huán)節(jié)中的瓶頸問(wèn)題，通過(guò)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、自主攻關(guān)，形成了以“選好區(qū)” “定好井” “鉆好井” “壓好井” “管好井”為核心的深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，有效支撐了川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣的規(guī)模建產(chǎn)。

2.2.1 精細(xì)氣藏描述“選好區(qū)”

針對(duì)深層頁(yè)巖氣構(gòu)造及斷裂復(fù)雜、地應(yīng)力差異大的問(wèn)題，耦合相干、曲率、螞蟻體等疊前地震預(yù)測(cè)方法，形成了多尺度斷裂地球物理綜合預(yù)測(cè)技術(shù)，斷層識(shí)別分辨率提升至5～10 m、單井裂縫預(yù)測(cè)符合率超過(guò)65%，實(shí)現(xiàn)了不同尺度斷層和天然裂縫的分級(jí)刻畫(huà)；綜合構(gòu)造樣式、斷裂、天然裂縫、微幅構(gòu)造、地應(yīng)力大小及方向等地質(zhì)特征，創(chuàng)新建立深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)單元分級(jí)分類(lèi)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，劃分出17個(gè)開(kāi)發(fā)單元，實(shí)現(xiàn)了建產(chǎn)有利區(qū)的精細(xì)劃分（圖6）。

圖6 川南地區(qū)瀘州區(qū)塊及鄰區(qū)天然裂縫與開(kāi)發(fā)單元疊合圖

2.2.2 優(yōu)化部署設(shè)計(jì)“定好井”

針對(duì)深層頁(yè)巖氣地質(zhì)工程條件復(fù)雜，相應(yīng)開(kāi)發(fā)技術(shù)政策需進(jìn)一步細(xì)化的問(wèn)題，創(chuàng)新地質(zhì)工程一體化建模技術(shù)，打造“透明”頁(yè)巖氣藏，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造特征、儲(chǔ)層屬性、天然裂縫和地應(yīng)力場(chǎng)的三維空間定量化、可視化表征；引進(jìn)北美新一代人工智能數(shù)值模擬技術(shù)，開(kāi)展不同開(kāi)發(fā)單元靶體位置、井距、軌跡方位、水平段長(zhǎng)等技術(shù)政策差異化設(shè)計(jì)，形成了三維空間井網(wǎng)整體優(yōu)化部署模式（圖7），為單井EUR與平臺(tái)采收率的最大化奠定了基礎(chǔ)。

圖7 川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣某Ⅰ區(qū)三維地質(zhì)模型與井網(wǎng)整體優(yōu)化部署圖

2.2.3 優(yōu)化鉆井工藝“鉆好井”

針對(duì)深層水平井高溫條件下導(dǎo)向工具易失效，高地層壓力下提速難的問(wèn)題，通過(guò)鉆井液降溫、降密度、優(yōu)化性能，改良工具服役環(huán)境，水平段趟鉆數(shù)明顯減少，單趟鉆進(jìn)尺最高達(dá)2 535 m，優(yōu)選高效PDC鉆頭、采用“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+大扭矩螺桿”，平均機(jī)械鉆速由4.4 m/h提高到6.4 m/h，最高達(dá)24.95 m/h。形成了以“井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化+高效PDC鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向+優(yōu)質(zhì)鉆井液+井筒降溫”為核心的深層頁(yè)巖氣鉆井提速模板2.0（圖8），提速提效取得顯著進(jìn)步，深層平均鉆井周期由170 d縮短至98 d，Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層鉆遇率保持90%以上，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)快鉆井。

圖8 川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣鉆井提速模板圖

2.2.4 優(yōu)化壓裂工藝“壓好井”

在中深層頁(yè)巖氣復(fù)雜縫網(wǎng)壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，考慮深層頁(yè)巖高應(yīng)力、高應(yīng)力差和天然裂縫發(fā)育特征，對(duì)不同壓裂段段長(zhǎng)、簇間距、加砂強(qiáng)度等參數(shù)下復(fù)雜縫網(wǎng)起裂擴(kuò)展、支撐劑運(yùn)移鋪置進(jìn)行優(yōu)化，形成了“大排量+段內(nèi)多簇+高強(qiáng)度加砂+暫堵轉(zhuǎn)向+變黏滑溜水”體積壓裂2.0技術(shù)，創(chuàng)新了“控破裂、增體積、促?gòu)?fù)雜、強(qiáng)導(dǎo)流”的深層頁(yè)巖氣壓裂模式，施工參數(shù)得到進(jìn)一步強(qiáng)化，加砂強(qiáng)度、施工排量大幅提升（圖9），平均簇間距縮短了63%，每百米水平段SRV為 475.67×104m3，較初期提升了71.67%，有效保證了儲(chǔ)層改造效果。

圖9 川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣壓裂井歷年參數(shù)圖

2.2.5 優(yōu)化生產(chǎn)管理“管好井”

針對(duì)悶井過(guò)程中壓裂液與儲(chǔ)層相互作用機(jī)理復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程中人工裂縫導(dǎo)流能力傷害評(píng)估方法尚不完善，悶井時(shí)間、返排和生產(chǎn)制度優(yōu)化難的問(wèn)題。緊密結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，以“悶井、控壓、防砂、穩(wěn)定”為原則，明確了不同返排階段與油嘴制度下井口壓力的合理下降速度，建立了深層頁(yè)巖氣井“悶井—返排”模式和精細(xì)控壓技術(shù)（表2），控壓井壓降速度減少了74%，單位壓降產(chǎn)氣量提升了1.6倍，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)了2.2倍，EUR提升了14%。

表2 川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣井“悶井—返排”技術(shù)要求表

2.3 高產(chǎn)井模式升級(jí)

針對(duì)深層頁(yè)巖氣更加復(fù)雜的地質(zhì)工程條件，持續(xù)完善地質(zhì)、天然裂縫及地應(yīng)力建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“地質(zhì)+工程”全要素的三維“定量化、可視化”表征；采用“一體化設(shè)計(jì)、一體化實(shí)施、一體化迭代”的思路和流程，支撐了鉆井軌跡的精確控制，保證了Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層鉆遇率保持在95%以上，同時(shí)支撐了壓裂設(shè)計(jì)、實(shí)施及優(yōu)化調(diào)整，確保儲(chǔ)層充分改造；結(jié)合返排—生產(chǎn)過(guò)程中壓力遞減動(dòng)態(tài)開(kāi)展精細(xì)控壓，有效降低人工裂縫應(yīng)力敏感閉合傷害，形成了以“高產(chǎn)量、高EUR、高采收率”為目標(biāo)的深層頁(yè)巖氣地質(zhì)工程一體化高產(chǎn)井培育方法。通過(guò)先導(dǎo)試驗(yàn)和試采，不斷完善培育方法，進(jìn)一步建立了涵蓋地質(zhì)、工程、管理三要素的深層高產(chǎn)井培育模式特征表（表3），近期實(shí)施的7口深層頁(yè)巖氣井日均壓降均低于0.2 MPa，控壓穩(wěn)定日產(chǎn)氣量（9～18）×104m3，平均單井EUR1.65×108m3，較先導(dǎo)試驗(yàn)階段提高37.5%（圖10），實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)井的批量復(fù)制。

表3 川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣高產(chǎn)井培育模式特征表

圖10 川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣控壓生產(chǎn)前后EUR對(duì)比柱狀圖

2.4 管理創(chuàng)新再上新臺(tái)階

面對(duì)疫情與低油價(jià)的嚴(yán)峻考驗(yàn)，堅(jiān)持向管理創(chuàng)新要效益的理念，圍繞效益開(kāi)發(fā)目標(biāo)，在管理模式與機(jī)制體制上不斷升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了提質(zhì)增效的“硬支撐”。

管理模式上，根據(jù)深層頁(yè)巖氣面對(duì)的新形勢(shì)新任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)“管理一流、技術(shù)一流、效益一流”為目標(biāo)，創(chuàng)建了“新會(huì)戰(zhàn)”模式。按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、市場(chǎng)體系與生產(chǎn)運(yùn)行“三統(tǒng)一”，信息、資源、經(jīng)驗(yàn)“全共享”的工作方針，明確具體運(yùn)行機(jī)制、工作內(nèi)容、責(zé)任單位，發(fā)布《頁(yè)巖氣效益建產(chǎn)“二十三條”》，通過(guò)工作方案指導(dǎo)各參建單位有效落實(shí)和執(zhí)行，進(jìn)一步發(fā)揮中石油整體合力優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步發(fā)揮川渝頁(yè)巖氣前指統(tǒng)籌指揮作用，進(jìn)一步推動(dòng)川渝頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)組織高效運(yùn)行、技術(shù)共同進(jìn)步、資源全面共享、質(zhì)量效益持續(xù)提升。

機(jī)制體制上，充分發(fā)揮“引智借腦”的作用，以體制機(jī)制的優(yōu)化促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。依托集團(tuán)公司共建的西南物探研究院、四川盆地研究中心與工程院西南項(xiàng)目部3家研究機(jī)構(gòu)，集中中石油內(nèi)部?jī)?yōu)勢(shì)力量，共同攻克制約頁(yè)巖氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的理論、技術(shù)和生產(chǎn)難題。自成立院士（專(zhuān)家）工作站、四川盆地（高校）研究中心，集中國(guó)內(nèi)最頂尖的技術(shù)實(shí)力，重點(diǎn)攻克“卡脖子”技術(shù)，共同提升國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)水平。

3 勘探開(kāi)發(fā)面臨挑戰(zhàn)

深層頁(yè)巖氣資源潛力大、品質(zhì)優(yōu)，快速上產(chǎn)勢(shì)在必行，近年來(lái)的攻關(guān)探索，雖然取得了一些進(jìn)展成效，初步形成了效益開(kāi)發(fā)模式，但面對(duì)極為復(fù)雜的勘探開(kāi)發(fā)對(duì)象，在基礎(chǔ)理論、主體技術(shù)和管理模式“三大方面”仍需進(jìn)一步完善。

3.1 基礎(chǔ)理論需發(fā)展

3.1.1 頁(yè)巖氣差異富集理論

深層頁(yè)巖歷經(jīng)多期構(gòu)造演化，構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，Ⅱ、Ⅲ級(jí)斷裂更加發(fā)育，熱演化程度較高，造成深層頁(yè)巖氣富集差異化明顯[10]。埋深、斷裂破碎帶、熱演化成熟度等對(duì)含氣性均有控制作用，但對(duì)引起含氣性差異的機(jī)理及影響含氣性的主控因素尚不明確，對(duì)含氣性影響缺乏定量評(píng)價(jià)。

3.1.2 裂縫起裂與擴(kuò)展機(jī)理

裂縫均勻起裂和擴(kuò)展是保障全井段充分改造的首要條件[14-16]。受深層區(qū)塊儲(chǔ)層非均質(zhì)性、地應(yīng)力條件和斷裂體系發(fā)育的影響，多孔裂縫不均勻起裂、多簇裂縫不均勻擴(kuò)展程度大幅提升[17]，難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)，導(dǎo)致段內(nèi)多簇壓裂應(yīng)用效果不理想。同時(shí)，縫網(wǎng)形成的主縫、支縫的支撐劑鋪置規(guī)律更為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)多級(jí)裂縫有效、連續(xù)支撐的難度大，難以維持長(zhǎng)期有效的裂縫導(dǎo)流能力[18]，氣井產(chǎn)能遞減更快。

3.1.3 氣液兩相賦存流動(dòng)機(jī)理

深層頁(yè)巖儲(chǔ)層高溫、高壓，納米孔隙發(fā)育，“微孔+介孔+天然裂縫+人工裂縫”構(gòu)成深層頁(yè)巖氣液流動(dòng)的多尺度孔隙空間。深層高溫高壓條件下不同幾何形態(tài)、不同尺度孔隙中氣液兩相的賦存機(jī)制和流動(dòng)機(jī)理尚不明確；多尺度孔隙空間中復(fù)雜的非線性氣水兩相流動(dòng)規(guī)律及其動(dòng)態(tài)分布特征仍不清楚，描述線性滲流規(guī)律的達(dá)西定律不再適用，亟需建立氣水兩相非線性流動(dòng)的有效表征方法[19]。

3.2 主體技術(shù)需完善

3.2.1 深層頁(yè)巖儲(chǔ)層地球物理技術(shù)

天然裂縫及地應(yīng)力準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中亟需地球物理解決的關(guān)鍵問(wèn)題[20-21]。深層頁(yè)巖儲(chǔ)層埋藏深，經(jīng)歷了多期構(gòu)造演化，地腹巖層變形劇烈，地應(yīng)力場(chǎng)與裂縫演化關(guān)系復(fù)雜，加之川南地區(qū)山地地表起伏大，深層地震信號(hào)弱，地震資料信噪比低，分辨率不高，靜校正、各向異性問(wèn)題突出，地震資料的采集與處理存在很大難度，導(dǎo)致深層頁(yè)巖裂縫預(yù)測(cè)及地應(yīng)力場(chǎng)精細(xì)刻畫(huà)面臨極大挑戰(zhàn)。

3.2.2 深層鉆井提速提效配套技術(shù)

與中深層相比，深層高溫（＞140 ℃）、高壓（＞90 MPa）、水平應(yīng)力差大（＞15 MPa）的地質(zhì)特征為鉆井工程帶來(lái)更大的難度，主要表現(xiàn)在：縱向壓力系統(tǒng)多、地層裂縫發(fā)育，漏溢風(fēng)險(xiǎn)大；上部地層可鉆性差、目的層鉆井液密度高，提速難度大；構(gòu)造更復(fù)雜，小斷層及微幅構(gòu)造發(fā)育，龍馬溪組井底循環(huán)溫度高，常溫旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具抗高溫性能差，導(dǎo)致井眼軌跡精準(zhǔn)控制難度大，失效頻繁[22]。

3.2.3 深層頁(yè)巖氣壓裂工藝技術(shù)

體積壓裂2.0技術(shù)在中深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中取得較好的應(yīng)用效果，但面對(duì)深層頁(yè)巖儲(chǔ)層更為復(fù)雜的巖石力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力、斷裂特征，還面臨著諸多挑戰(zhàn)。可壓性評(píng)價(jià)方面，傳統(tǒng)的模型主要根據(jù)巖石力學(xué)性質(zhì)與脆性礦物組成進(jìn)行評(píng)價(jià)，針對(duì)深層頁(yè)巖需考慮高溫高壓條件下巖石力學(xué)特征和不同構(gòu)造部位地應(yīng)力變化的影響，需建立一套適應(yīng)深層頁(yè)巖可壓性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。深層頁(yè)巖儲(chǔ)層埋藏更深，高溫高壓條件下巖石塑性增加，地應(yīng)力更大，凈壓力提升難巖石起裂及裂縫延伸更難，且深層頁(yè)巖微裂縫分布非均質(zhì)性更強(qiáng)，地應(yīng)力方向變化大，裂縫擴(kuò)展方向很難控制，導(dǎo)致難以形成理想的復(fù)雜縫網(wǎng)。同時(shí)由于經(jīng)歷多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，裂縫和斷裂發(fā)育，壓裂作業(yè)過(guò)程中套管變形和壓竄頻發(fā)，嚴(yán)重影響改造效果和作業(yè)效率。

3.2.4 深層頁(yè)巖氣立體開(kāi)發(fā)技術(shù)

深層頁(yè)巖氣縱向上發(fā)育多套優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，具備立體開(kāi)發(fā)的資源潛力，但其相關(guān)技術(shù)尚未成熟，仍需從儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和技術(shù)政策優(yōu)化兩大方面開(kāi)展深入研究[23]。頁(yè)巖儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)是縱向開(kāi)發(fā)層系劃分、靶體優(yōu)選的基礎(chǔ)，目前評(píng)價(jià)方法側(cè)重于屬性參數(shù)、宏觀、微觀特征，針對(duì)介觀尺度的紋層/層理的研究還較少，需要對(duì)儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)開(kāi)展系統(tǒng)化研究，深層頁(yè)巖儲(chǔ)層縱向上參數(shù)差異大。精細(xì)分類(lèi)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步完善。此外，深層區(qū)塊立體開(kāi)發(fā)縱向?qū)酉祫澐帧⑵矫嬗欣麉^(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)均未定型，新區(qū)一次立體井網(wǎng)部署開(kāi)發(fā)技術(shù)政策、老區(qū)后期加密井調(diào)整時(shí)機(jī)以及與之相適應(yīng)的立體開(kāi)發(fā)模式尚未明確，還需開(kāi)展大量工作深入研究。

3.2.5 基于人工智能的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

川南地區(qū)頁(yè)巖氣經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，積累了海量數(shù)據(jù)，其整體價(jià)值不言而喻，如何打破“數(shù)據(jù)孤島”，充分利用既有數(shù)據(jù)資源，進(jìn)而促進(jìn)一體化數(shù)據(jù)融合是真正實(shí)現(xiàn)地質(zhì)工程一體化作業(yè)模式的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。同時(shí)，數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，格式五花八門(mén)、良莠不齊及活力不足等問(wèn)題，也成為數(shù)據(jù)挖掘的挑戰(zhàn)[24]。

3.3 管理模式需創(chuàng)新

深層頁(yè)巖氣相比于中深層開(kāi)發(fā)對(duì)象更加復(fù)雜，開(kāi)發(fā)難度更大，深層頁(yè)巖氣井由于埋深大、儲(chǔ)層條件更復(fù)雜，建井成本達(dá)到中深層氣井的1.5～2倍，投資成本大幅增加，實(shí)現(xiàn)“降本增效”將是深層效益開(kāi)發(fā)的核心[25]，也對(duì)管理模式的創(chuàng)新提出了更高要求。同時(shí)，地方政府“留稅、留利、留GDP”訴求強(qiáng)烈，地企協(xié)調(diào)難度大，嚴(yán)重影響勘探開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，亟需建立相應(yīng)有效機(jī)制。

4 勘探開(kāi)發(fā)攻關(guān)方向

深層資源量豐富、潛力巨大，是未來(lái)川南地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)，面對(duì)上述諸多挑戰(zhàn)，需要堅(jiān)持目標(biāo)導(dǎo)向和問(wèn)題導(dǎo)向，開(kāi)展基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)研究和管理模式創(chuàng)新，建立深層頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)理論體系，形成深層頁(yè)巖氣有效規(guī)模開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 深化基礎(chǔ)理論研究

4.1.1 頁(yè)巖氣差異富集理論

通過(guò)五峰組—龍馬溪組關(guān)鍵構(gòu)造期古埋深特征研究，揭示五峰組—龍馬溪組關(guān)鍵構(gòu)造期熱演化史特征，開(kāi)展熱模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)高—過(guò)成熟度頁(yè)巖進(jìn)行含氣性綜合評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)，并加強(qiáng)斷裂控藏機(jī)理研究，弄清斷層類(lèi)型、活動(dòng)期次對(duì)頁(yè)巖保存條件的影響，明確了深層頁(yè)巖氣富集特征。

4.1.2 裂縫起裂與擴(kuò)展機(jī)理

針對(duì)裂縫起裂與擴(kuò)展機(jī)理面臨的挑戰(zhàn)，需要開(kāi)展以下三方面攻關(guān)：①多孔裂縫競(jìng)爭(zhēng)起裂機(jī)理研究，優(yōu)化射孔參數(shù)和暫堵轉(zhuǎn)向方案保障各簇孔眼均勻開(kāi)啟和有效改造；②多簇裂縫擴(kuò)展機(jī)理研究，優(yōu)化簇?cái)?shù)、簇間距、液量、砂量和排量全耦合模型以確保各簇裂縫有效擴(kuò)展；③復(fù)雜裂縫支撐劑運(yùn)移機(jī)理研究，明確不同尺寸裂縫支撐規(guī)律，明確不同類(lèi)型支撐劑對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響，優(yōu)化支撐劑類(lèi)型、用量、比例。

4.1.3 氣液兩相賦存流動(dòng)機(jī)理

對(duì)于深層頁(yè)巖氣液兩相賦存、流動(dòng)機(jī)理研究，需物模數(shù)模多手段結(jié)合、宏觀微觀多尺度結(jié)合，從不同角度對(duì)其機(jī)理進(jìn)行深入認(rèn)識(shí)。在明確真實(shí)地層條件下氣液兩相賦存機(jī)制和流動(dòng)規(guī)律基礎(chǔ)上，建立能準(zhǔn)確描述不同條件下的氣體吸附、解吸特征和非線性流動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)機(jī)理的準(zhǔn)確表征提高氣藏動(dòng)態(tài)分析及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果精度。

4.2 持續(xù)完善主體技術(shù)

4.2.1 深層頁(yè)巖儲(chǔ)層地球物理技術(shù)

針對(duì)深層頁(yè)巖氣地面、地層條件的不同，需持續(xù)優(yōu)化山地地震資料采集方案及處理流程，為精細(xì)解釋奠定資料基礎(chǔ)。裂縫解釋方面，通過(guò)井震結(jié)合大力提升小、微尺度天然裂縫預(yù)測(cè)精度，加強(qiáng)天然裂縫穩(wěn)定性分析。地應(yīng)力預(yù)測(cè)方面，基于多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景下的地應(yīng)力場(chǎng)地球物理響應(yīng)特征，構(gòu)建地應(yīng)力測(cè)井精細(xì)評(píng)價(jià)模型，配套地應(yīng)力地震預(yù)測(cè)技術(shù)，綜合實(shí)現(xiàn)三維地應(yīng)力場(chǎng)精細(xì)描述。

4.2.2 深層頁(yè)巖鉆井提速提效配套技術(shù)

針對(duì)上述難題，在目前深層優(yōu)快鉆井提速技術(shù)的基礎(chǔ)上，大力攻關(guān)事故復(fù)雜防治技術(shù)、地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向技術(shù)、系統(tǒng)優(yōu)化提速技術(shù)，建立深層優(yōu)快鉆井技術(shù)體系，進(jìn)一步降低事故復(fù)雜，提高優(yōu)質(zhì)靶體鉆遇率，縮短鉆井周期，為深層頁(yè)巖氣優(yōu)快鉆井提供技術(shù)保障。

4.2.3 深層頁(yè)巖氣壓裂工藝技術(shù)

需開(kāi)展深層頁(yè)巖可壓性綜合評(píng)價(jià)，制定精細(xì)的壓裂設(shè)計(jì)策略；形成適應(yīng)不同儲(chǔ)層特征的壓裂方案，通過(guò)地質(zhì)工程一體化迭代，壓裂施工過(guò)程中實(shí)時(shí)優(yōu)化壓裂方案，確保壓裂改造效果；攻關(guān)套變及壓竄防控技術(shù)，減少套管變形和壓竄發(fā)生幾率，降低施工復(fù)雜對(duì)開(kāi)發(fā)效果的影響，并豐富完善壓裂后評(píng)估手段，持續(xù)優(yōu)化開(kāi)發(fā)技術(shù)政策和壓裂工藝。

4.2.4 深層頁(yè)巖氣立體開(kāi)發(fā)技術(shù)

儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方面，需持續(xù)完善天然裂縫、紋層、地應(yīng)力的精細(xì)刻畫(huà)，為開(kāi)發(fā)層系劃分、立體開(kāi)發(fā)有利區(qū)優(yōu)選奠定基礎(chǔ)；技術(shù)政策方面，需針對(duì)不同開(kāi)發(fā)單元地質(zhì)工程特征，開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立適應(yīng)不同地質(zhì)工程條件的立體開(kāi)發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)量動(dòng)用程度與采收率的最大化。

4.2.5 基于人工智能的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

目前亟需攻關(guān)深層頁(yè)巖氣神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類(lèi)分析、多目標(biāo)優(yōu)化等大數(shù)據(jù)分析方法，建立基于人工智能和數(shù)據(jù)挖掘的產(chǎn)量預(yù)測(cè)、敏感性和經(jīng)濟(jì)性分析模型，指導(dǎo)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中流程優(yōu)化、產(chǎn)量提高與成本管控，真正實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)時(shí)代，深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)由“數(shù)據(jù)化、數(shù)字化”到“智慧化、智能化”的迭代升級(jí)。同時(shí)，融合了地質(zhì)、工程及生產(chǎn)信息的數(shù)據(jù)體是頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的基礎(chǔ)，應(yīng)打破“數(shù)據(jù)孤島”，深入數(shù)據(jù)挖潛，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用，促進(jìn)地質(zhì)工程一體化數(shù)據(jù)融合[26]。

4.3 堅(jiān)持創(chuàng)新管理模式

面對(duì)管理模式與機(jī)制體制上的挑戰(zhàn)，應(yīng)探索風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、利益共享合作模式，通過(guò)打造油公司和工程技術(shù)服務(wù)企業(yè)利益共同體，實(shí)現(xiàn)整體效益最大化；加大內(nèi)部市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和外部市場(chǎng)開(kāi)發(fā)力度，完善產(chǎn)能建設(shè)的激勵(lì)約束機(jī)制，推行“日費(fèi)制”“投資與單井EUR掛鉤考核”等模式，以提高作業(yè)效率、降低成本。積極出臺(tái)企地共建共享體制機(jī)制，主動(dòng)回應(yīng)資源地訴求，爭(zhēng)取地方政府更大支持，推進(jìn)資源開(kāi)發(fā)利益共享，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

5 結(jié)論與建議

1）通過(guò)近年來(lái)的不懈努力，川南地區(qū)深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展顯著：提交了首個(gè)深層萬(wàn)億立方米儲(chǔ)量，優(yōu)選了首個(gè)深層百億立方米上產(chǎn)區(qū)塊；初步形成“本土化”的深層開(kāi)發(fā)主體技術(shù)系列；持續(xù)完善高產(chǎn)井培育模式，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果穩(wěn)步提升；創(chuàng)新深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)管理模式，提質(zhì)增效初見(jiàn)成效。

2）深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層條件、力學(xué)性質(zhì)和溫壓特征較中深層更加復(fù)雜，在勘探開(kāi)發(fā)上仍然面臨以下挑戰(zhàn)：①如何深化深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)相關(guān)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，發(fā)展適應(yīng)深層頁(yè)巖氣的相關(guān)基礎(chǔ)理論；②如何進(jìn)一步完善相關(guān)主體工程工藝技術(shù)，升級(jí)關(guān)鍵工具設(shè)備；③如何進(jìn)一步進(jìn)行管理模式和體制機(jī)制創(chuàng)新，提升管控效率助推深層頁(yè)巖氣效益開(kāi)發(fā)。

3）實(shí)現(xiàn)深層頁(yè)巖氣大規(guī)模高效益開(kāi)發(fā)必須堅(jiān)持：①多學(xué)科專(zhuān)業(yè)相結(jié)合、物模數(shù)模多手段相結(jié)合、宏觀微觀多尺度相結(jié)合開(kāi)展深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)理論研究，深化認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層地質(zhì)特征、流體賦存機(jī)制與流動(dòng)規(guī)律；②進(jìn)一步完善深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)主體技術(shù)，升級(jí)換代相應(yīng)配套設(shè)備和工具，形成適應(yīng)深層的先進(jìn)配套鉆完井、壓裂工程技術(shù)與裝備體系；③深入貫徹推行地質(zhì)工程一體化理念，不斷完善和健全機(jī)制體制，提升管控效率，降低成本、提速提效。

4）圍繞制約深層頁(yè)巖氣規(guī)模有效開(kāi)發(fā)的主要難題，堅(jiān)持目標(biāo)導(dǎo)向和問(wèn)題導(dǎo)向，開(kāi)展基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，建立深層頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)理論體系，形成深層頁(yè)巖氣規(guī)模有效開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。積極開(kāi)展深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)重大現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在實(shí)踐中發(fā)展基礎(chǔ)理論，深化地質(zhì)認(rèn)識(shí)，優(yōu)化主體工藝技術(shù)，形成一套可復(fù)制的深層海相頁(yè)巖氣高產(chǎn)井模式。

5）深層頁(yè)巖氣地質(zhì)工程條件復(fù)雜，鉆井周期長(zhǎng)，壓裂參數(shù)高，難以快速建立學(xué)習(xí)曲線、達(dá)到方案設(shè)計(jì)指標(biāo)，井工程投資成本控降難度大，效益開(kāi)發(fā)面臨挑戰(zhàn)。因此，亟需出臺(tái)深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)補(bǔ)貼政策，支撐技術(shù)更新?lián)Q代與管理模式完善，實(shí)現(xiàn)深層頁(yè)巖氣資源規(guī)模效益開(kāi)發(fā)。