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金之钧院士:大庆页岩油重大突破对我国能源供给有何影响

发布时间:2021-09-08 13:50:00    来源:    作者:
    

8月25日,大庆油田宣布,大庆油田古龙凹陷青山口组页岩油勘探取得重大突破,新增石油预测地质储量12.68亿吨,这标志着我国页岩油勘探开发取得了重大战略突破。

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在大庆油田古龙页岩油勘探现场,大庆油田1205钻井队员工在井口作业。新华社发
 
美国前国务卿基辛格曾说过,“如果你控制了石油,你就控制了所有国家”。此次大庆页岩油的发现对我国能源供给来说,无疑是大的利好。大庆油田部署钻探的古页油平1、英页1H、古页2HC等重点探井获日产油30方以上高产,而且试采稳定,展现了大庆古龙页岩油具备较好的稳产能力。这是从陆相页岩“生”油到陆相页岩“产”油的里程碑式跨越,实现了从经典石油地质学运移成藏到富有机质页岩原位成藏的跨越。
 
要转变页岩中不容易产出石油的传统观念
 
1.何为页岩油
 
很多人会问:什么是页岩油?
页岩油是指蕴藏在富含有机质页岩和页理与纹层发育的碳酸盐岩,具有超低孔隙度和渗透率的烃源岩层系中的石油资源,包括泥页岩孔隙和裂缝中的石油,也包括泥页岩层系中的致密碳酸盐岩或碎屑岩夹层中的石油资源,其开发需要使用与页岩气类似的水平井和水力压裂技术。此概念是基于2019年第二届页岩油勘探开发国际会议多位专家达成的共识。也就是说,页岩油就是页岩层系中所含的石油资源。
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大庆油田古页油平1试验区钻井现场。新华社发
 
尽管目前中国不同专家学者对页岩层系中致密碳酸盐岩或碎屑岩夹层单层厚度及占比定义有差异,但随着勘探开发资料的丰富及认识上的发展,这些差异可以逐步统一。总之,要转变页岩中不容易产出石油的传统观念,这是共识。应把关注点转移,首先页岩层系中的砂岩或者碳酸盐岩夹层仍是重要的层段,但只是重要甜点段(高产段)之一;其次,页岩本身,特别是具有页理结构的页岩也是重要的甜点层段,可形成大规模的石油聚集。
 
如果突破了陆相页岩油勘探开发关键技术,就能够有效动用近百亿吨的资源量,至少保障国家2亿吨石油年产量延长稳产期40年
 
2.我国陆相页岩油开采价值多大
 
中国页岩油资源丰富,主要分布在陆相(古湖泊、古河流沉积环境)页岩中。根据中国石化石勘院的评价,中国陆上主要盆地页岩油可动油资源量为186亿吨。页岩油资源量相对集中在渤海湾、松辽、鄂尔多斯、准噶尔等几个大型含油气盆地中;纵向来看,页岩油主要分布在古近系、白垩系、三叠系、二叠系等四套层系中。
 
中国针对页岩油的专项勘探研究始于2010年。自2014年以来,启动了陆相页岩油地质评价及开采关键技术攻关,页岩油勘探开发取得较大进展,形成了一系列新认识、新理念。在准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组完钻18口开发试验井,其中16口井获油,3口井累产已突破万吨,单井最高日产达到104吨,估算地质资源量11.12亿吨;鄂尔多斯上三叠统延长组7段烃源岩层系估算地质资源量30亿吨,2019年长庆油田宣布发现10亿吨级庆城页岩油田;在渤海湾盆地济阳坳陷37口井的泥页岩发育段获工业油气流,估算页岩油地质资源量39亿吨,单井最高产量达到170吨;在渤海湾盆地沧东凹陷孔二段15口页岩油井获工业油流,估算页岩油地质资源量8.24亿吨;在松辽盆地北部古龙凹陷8口页岩油井获工业油流,单井最高产量达到30吨以上,估算页岩油地质资源量35亿吨;在松辽盆地南部明确了新北、大安、乾安为主攻区带,估算页岩油地质资源量15亿吨;在江汉盆地潜江凹陷王场北断块初步建成陆相页岩油先导试验区,洼陷区正开展系统取心和水平井压裂试验。2020年我国页岩油产量超过172万吨。
 
未来页岩油产量可能成为衡量中美等国石油安全的重要风向标。我国拥有世界第三的页岩油资源,多套湖相泥页岩层系具有分布范围广、时代较新、有机质丰度高、厚度大、埋藏浅、成熟度低、以生油为主的特点,资源潜力巨大。但我国陆相页岩油具有不同于美国海相页岩油的显著特点,无法复制美国技术实现大规模开发。我国能否像“陆相生油理论”一样,掀起一场“陆相页岩油”革命,关乎百万石油人可持续发展问题,关乎国家石油安全,也关乎能否在世界“页岩革命”中抢得先机,从全球获取页岩油资源。
 
我国石油对外依存度已经超过了70%。目前来看,页岩油是最现实的具有规模上产能力的接替资源,如果突破了陆相页岩油勘探开发关键技术,就能够有效动用百亿吨的资源量,至少保障国家2亿吨石油年产量延长稳产期40年。页岩油是中国页岩油战略突破的重点领域,加强陆相页岩油气勘探开发是保障国家能源供应安全的重要途径。但低油价下,我国页岩油技术研发和投资都受到了制约。
 
展现了陆相页岩油广阔的资源前景,对我国其他地区页岩油勘探提供技术支撑
 
3.大庆油田陆相页岩油的突破有什么意义
 
大庆油田是在我国老一辈地质学家创立的陆相生油理论指导下发现的,是迄今为止世界上最大的陆相油田,是中国最大的石油生产基地。自1959年开发建设以来,大庆油田累计生产原油超过24亿吨,为建立中国现代石油工业体系作出了重大贡献。持续数十年高产稳产后,大庆油田把目光瞄向了非常规油气资源的勘探开发。早在20世纪80年代,大庆油田就曾经探索在生油层中采油。2018年以来,大庆油田再次出发,目前已有40多口井出油,其中一口产油6000多吨。
 
陆相富有机质页岩黏土矿物含量高、含蜡量高,基质渗透率低、流动性差,可压性变化大,因此规模有效勘探开发面临重大挑战。当前中国陆相页岩油勘探中单井产量普遍较低,且高产、低产井分布极不均匀,页岩油富集主控因素不清,甜点评价标准不一,预测评价难度大,制约了中国陆相页岩油的勘探部署和规模化开采。
 
我国页岩油主要为陆相页岩油,按照储集特征划分为夹层型、混积型和页岩型。古龙页岩油是第三类,这也是开发难度最大的一类。古页油平1井高产标志着中国陆相盆地纯页岩型页岩油再次获得重要突破,展现了陆相页岩油广阔的资源前景,这对于丰富非常规油气地质理论,指导全国其他地区陆相盆地页岩油勘探开发具有良好的参考和借鉴作用。
 
古龙页岩油获得了新的理念和认识,主要表现在以下几个方面:一是古龙页岩油页岩油热演化程度整体高于先前打的其他井的热演化程度,只有较高的演化程度,才能使得原油密度和黏度较低,气油比流动性好,产量高;二是古龙页岩黏土矿物含量较高,平均含量达35.6%,但古龙页岩整体处于中成岩晚期,黏土矿物演化程度高,蒙脱石大量转化为伊利石,使得页岩刚性成分增加,脆性增大。页岩中伊利石经成岩压实作用定向排列,使岩石沿层面易剥裂,增加了可压性。这改变了以黏土含量判别页岩储集层可压性的标准;三是齐家—古龙地区页岩油页理型、纹层型页岩厚度占比达95%以上,页理缝显著改善了页岩物性,良好的储集性与连通性使页岩本身可作为优质工程甜点层。这改变了在页岩层系中选取致密夹层作为工程甜点的传统做法。
 
这些关键性的理论和技术的突破为我国其他地区页岩油勘探提供坚实的理论基础和技术支撑。但各盆地页岩层系发育特征、储集空间、油气相态及物性、页岩油富集规律、页岩力学性质等均有明显的差异,应当探索适合各自页岩油特点的勘探开发一体化技术体系,提高单井产能并规模上产。
 
在美国,页岩油已成为原油产量增长主体,预测2035年可能三倍于常规石油产量
 
4.我国陆相页岩油与美国海相页岩油有何不同
 
2019年美国页岩油产量为3.85×108t,占其原油总产量的65.2%。页岩油已经成为原油产量增长的主体。预测2035年,可能三倍于常规石油产量。
 
美国海相页岩油(古海洋环境下沉积形成的页岩)成功勘探与经济效益开发首先得益于基础地质认识的不断提高,理论上突破了传统的圈闭找油模式,极大地扩展了找油区域,实现了全盆地勘探开发的革命。美国页岩油主要产自威利斯顿盆地上泥盆统—下石炭统巴肯区带、墨西哥湾白垩系伊格尔福特区带、二叠盆地二叠系伯恩斯普林和沃夫坎等区带、阿帕拉契亚盆地奥陶系尤提卡区带等。目前二叠盆地页岩油的产量上亿吨,2019年刚刚兴起的阿纳达科盆地,早期开发的富有机质层系页岩油单井直井产量并不高,后期勘探在盆地深凹处4500m深获得了高产。
 
美国页岩革命的成功是资源、市场、科技、体制和基础设施等多个因素合力作用的结果,其中丰富油气资源是页岩油气产业发展基础,科技进步是页岩油气成功开发的关键,完善市场条件和有利体制和政策支持为页岩革命成功提供了保障。美国页岩革命的成功不仅使美国能源真正走向独立,也引领了全球范围内的页岩油勘探开发热潮。然而,美国页岩油的快速发展也是2014年以来油价断崖式降低的主要因素,低油价抑制了其他地区的页岩油发展。
 
页岩油的地质特征可概述为“四性”:储集性、含油性、可动性和可压性。储集性主要体现在沉积环境和成岩作用的不同;含油性主要与有机质含量和成熟度相关;黏土矿物含量、有机质成熟度、微粒结构都对可压性有重要影响;中国陆相页岩油以中低成熟度为主,含蜡量高,同等条件下流动性较海相差。
 
黏土矿物含量是海相与陆相页岩可压性的关键。美国页岩油勘探实践表明,黏土矿物含量是控制工程甜点的最核心因素,实现商业产量的页岩油区带黏土含量普遍低于30%,加拿大页岩油区带也具有类似的特征。陆相页岩的黏土矿物含量相对较高,但各盆地有较大差异。在一些盆地中,含有蒙脱石和高岭石,具有强水敏性,遇水膨胀,容易堵塞纳米孔喉,这是导致中国陆相页岩油单井产量低的重要影响因素。
 
中国陆相页岩油与北美海相页岩油地质条件差异,决定我们无法直接复制美国的相关理论和勘探开发技术。中国富有机质页岩以陆相湖泊沉积为主,盆地形成时间晚,热演化程度偏低,陆相页岩油具有油质重、黏度高、流动能力差、黏土矿物含量高、脆性较低等特点。
 
尽管我国页岩油勘探开发取得了较大进展,但仍处于起步阶段,面临着诸多挑战,主要包括一是资源有效动用问题。业界对我国页岩油资源潜力大已有一定共识,2010年以来,通过借鉴北美经验,开展了页岩油开发探索,在准噶尔、鄂尔多斯、渤海湾、松辽、江汉等多个盆地突破了出油关,但除了长庆油田、准噶尔盆地新疆油田、大港油田外,尚未实现大规模经济有效开发。二是有效动用技术问题。我国中低成熟度页岩油资源占比60%~70%。由于成熟度低,有机质还没有完全转化为页岩油,原油黏度大、含蜡量高、汽油比低,流动性差。高成熟度页岩油层系可以借鉴美国水平井多分段压裂技术进行开发,但需要研发针对中国陆相储层黏土含量高、水敏性强、塑性强,常压和低压储层多,驱动能力不足等特点,研发适应性开发方式和技术系列。三是配套政策支持问题。我国还未制定鼓励开发页岩油资源的政策体系,并且缺乏相应财税优惠政策及国家补贴政策。四是设备及队伍问题。从企业到研究院所和高校普遍缺乏针对页岩油理论研究与技术研发的实验条件与高层次人才队伍。
 
2019年美国页岩油产量为3.85×108t,占其原油总产量的65.2%。页岩油已经成为原油产量增长的主体。预测2035年,可能三倍于常规石油产量。
 
美国海相页岩油(古海洋环境下沉积形成的页岩)成功勘探与经济效益开发首先得益于基础地质认识的不断提高,理论上突破了传统的圈闭找油模式,极大地扩展了找油区域,实现了全盆地勘探开发的革命。美国页岩油主要产自威利斯顿盆地上泥盆统—下石炭统巴肯区带、墨西哥湾白垩系伊格尔福特区带、二叠盆地二叠系伯恩斯普林和沃夫坎等区带、阿帕拉契亚盆地奥陶系尤提卡区带等。目前二叠盆地页岩油的产量上亿吨,2019年刚刚兴起的阿纳达科盆地,早期开发的富有机质层系页岩油单井直井产量并不高,后期勘探在盆地深凹处4500m深获得了高产。
 
美国页岩革命的成功是资源、市场、科技、体制和基础设施等多个因素合力作用的结果,其中丰富油气资源是页岩油气产业发展基础,科技进步是页岩油气成功开发的关键,完善市场条件和有利体制和政策支持为页岩革命成功提供了保障。美国页岩革命的成功不仅使美国能源真正走向独立,也引领了全球范围内的页岩油勘探开发热潮。然而,美国页岩油的快速发展也是2014年以来油价断崖式降低的主要因素,低油价抑制了其他地区的页岩油发展。
 
页岩油的地质特征可概述为“四性”:储集性、含油性、可动性和可压性。储集性主要体现在沉积环境和成岩作用的不同;含油性主要与有机质含量和成熟度相关;黏土矿物含量、有机质成熟度、微粒结构都对可压性有重要影响;中国陆相页岩油以中低成熟度为主,含蜡量高,同等条件下流动性较海相差。
 
黏土矿物含量是海相与陆相页岩可压性的关键。美国页岩油勘探实践表明,黏土矿物含量是控制工程甜点的最核心因素,实现商业产量的页岩油区带黏土含量普遍低于30%,加拿大页岩油区带也具有类似的特征。陆相页岩的黏土矿物含量相对较高,但各盆地有较大差异。在一些盆地中,含有蒙脱石和高岭石,具有强水敏性,遇水膨胀,容易堵塞纳米孔喉,这是导致中国陆相页岩油单井产量低的重要影响因素。
 
中国陆相页岩油与北美海相页岩油地质条件差异,决定我们无法直接复制美国的相关理论和勘探开发技术。中国富有机质页岩以陆相湖泊沉积为主,盆地形成时间晚,热演化程度偏低,陆相页岩油具有油质重、黏度高、流动能力差、黏土矿物含量高、脆性较低等特点。
 
尽管我国页岩油勘探开发取得了较大进展,但仍处于起步阶段,面临着诸多挑战,主要包括一是资源有效动用问题。业界对我国页岩油资源潜力大已有一定共识,2010年以来,通过借鉴北美经验,开展了页岩油开发探索,在准噶尔、鄂尔多斯、渤海湾、松辽、江汉等多个盆地突破了出油关,但除了长庆油田、准噶尔盆地新疆油田、大港油田外,尚未实现大规模经济有效开发。二是有效动用技术问题。我国中低成熟度页岩油资源占比60%~70%。由于成熟度低,有机质还没有完全转化为页岩油,原油黏度大、含蜡量高、汽油比低,流动性差。高成熟度页岩油层系可以借鉴美国水平井多分段压裂技术进行开发,但需要研发针对中国陆相储层黏土含量高、水敏性强、塑性强,常压和低压储层多,驱动能力不足等特点,研发适应性开发方式和技术系列。三是配套政策支持问题。我国还未制定鼓励开发页岩油资源的政策体系,并且缺乏相应财税优惠政策及国家补贴政策。四是设备及队伍问题。从企业到研究院所和高校普遍缺乏针对页岩油理论研究与技术研发的实验条件与高层次人才队伍。
 
中低熟页岩油资源一旦取得理论技术新突破,有望带来我国油气产量与安全形势的巨大变化
 
5.未来展望
 
中国页岩油勘探主要面向陆相盆地,中高成熟度页岩油是我们突破的重点领域,中低熟页岩油资源一旦取得理论技术新突破,产量在稳产两亿吨的基础上,向3亿吨挺进,有望带来我国油气产量与安全形势的巨大变化。
 
未来中国页岩油的基础理论研究深化理论认识,加强技术攻关,提高单井产量和采收率,降低成本是关键。建议聚焦陆相细粒沉积物理化学生物作用过程与陆相富有机质页岩形成机理、成岩-成烃-成储动态演化与烃类赋存富集机理、不同成熟度陆相页岩致裂与页岩油多相多尺度流动机理3个关键科学问题,以静态描述为基础,以动态演化为主线,宏观与微观结合,阐明不同成熟度页岩油储集性、含油性、可压性与可动性的主控因素,建立陆相页岩油富集模式,构建页岩油选区评价方法体系,探索陆相页岩油的有效开发方式。加强实验技术方法的探索和创新,重点突破区设立先导试验区,探索适合各自页岩油特点的勘探开发一体化技术体系,提高单井产能并规模上产;面上发现区,加快优质甜点区分布评价,力争实现突破;地质评价有利区,实施风险勘探,准备接替资源,寻求新的发现。
 
中国中低成熟度页岩油资源潜力巨大,是未来资源接替的重要领域。研发低成本开发技术是关键,建议国家与企业加大研发力度,做好技术储备。