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中国非常规油气勘探开发与理论技术进展(一)

中国非常规油气勘探开发与理论技术进展(一)

进入21世纪,以美国非常规油气、加拿大油砂、委内瑞拉重油为代表,全球非常规油气勘探开发取得了一系列突破性进展,已成为全球油气生产的重要组成部分。借鉴国外经验,大力发展中国非常规油气成为必然的战略选择和必由之路。中国进入了常规与非常规油气并重的勘探开发新时代,地质开发理论进入了非常规油气创新的“黄金期”。随着研究与勘探开发实践的快速推进,非常规油气将逐步成为中国油气生产的重要组成部分,为国民经济的发展提供重要保障。

板块两大旋回演化控制了全球原型盆地的形成与分布,全球油气分布具有10条规律:①常规—非常规油气有序聚集;②特提斯域控制生物礁大油气回群带状分布;③前陆冲断带控制构造油气田群分布;④克拉通内隆起控制特大型油气田展布;⑤台地边缘控制生物礁滩大油气田群带状分布;⑥被动大陆边缘控制海洋特大型油气回形成与分布;⑦前陆前渊斜坡控制大规模重油沥青赋存;⑧盆地沉积斜坡控制致密油气与煤层气聚集;⑨盆地深水富有机质沉积控制页岩油气滞留;⑩低温高压海底沉积控制水合物展布。

全球常规与非常规油气资源比例约2:8,常规油气己采出1/4,常规油气高位稳定生产、海洋油气持续增长、非常规油气快速发展。2013年全球石油产量40.5×108t(其中非常规石油占6%),全球天然气产量3.4×1012m3(其中非常规天然气占17%)。全球正形成西半球的美国和东半球的中国两大非常规油气突破区。美国借鉴页岩气理论技术与发展经验,实现致密油快速发展,非常规油气推动美国“能源独立”战略梦实施,2014年,美国天然气产量7279×108m3,石油产量5.78×108t,其中致密气1400×108m3,煤层气450×108m3,页岩气3637×108m3,致密油2.09×108t,2014年天然气基本可以自给,石油对外依存度己降至39.1%。中国正在稳步推进非常规油气发展,2014年,中国生产天然气1329×108m3,生产石油2.1×108t,其中致密气360×108m3,煤层气36×108m3,页岩气13×108m3,致密油获得工业突破,非常规油气在油气总产量中的比较很低,2014年天然气对外依存度32.2%,石油对外依存度59.5%,非常规油气上升空间广阔。

石油工业界和学术界高度关注非常规油气的发展,针对非常规油气的技术研发、学术研讨等活动异常活跃。2011年AAPG年会主题即为“地球科学界的下一次大飞跃”,认同非常规资源成为油气工业发展的战略驱动。2015年AAPG年会主题“探寻石油地质学顶峰”,非常规油气资源再度成为大会焦点。近年来,非常规油气在中国石油界也广受重视,2011年第四届石油地质年会主题为“常规和非常规油气资源—中国石油工业持续发展的基础”,2013年第五届石油地质年会主题“创新与发展—油气勘探理论技术挑战与实践”,2015年第六届石油地质年会主题“更深、更广、更复杂—油气勘探新领域与新技术”,非常规油气均是重点研讨内容。近年来,中国油气勘探与地质理论呈现4方面的新亮点:①细粒沉积储层与非常规油气资源;②高过成熟烃源与古老碳酸盐岩油气田;③低温高压场与超深层油气系统;④重力流沉积与海洋深水大油气田。

中国乃至世界未来能源发展,需重点把握三大新格局。①石油与天然气新格局。石油仍是发展的基石,天然气很具成长性。国际能源形势和油气勘探开发实情显示,天然气必将完成对石油的“第一次革命”,21世纪将是天然气的时代,大发展战略机遇期已经来临。②常规与非常规新格局。当前常规油气仍是勘探主体,非常规正循序渐进实现有效开发。长远看,页岩气、页岩油、水合物等非常规资源潜力巨大,一旦技术突破,必将形成对常规油气的“第二次革命”,尤其是“页岩油革命”,可能比页岩气革命来得更具颠覆性。③化石与新能源新格局。传统化石能源不可再生,新能源必将完成对传统能源的“终极革命”。或许未及化石资源枯竭,“新能源革命”已经提前到来。地热、太阳能、风能、氢能,以及当下全球热议的储能,展现出广阔的发展前景,引起全球关注,很多国际能源公司已经采取实质行动。

本文在全面回顾近十年国内外非常规油气勘探开发进展的基础上,重点以作者研究团队成果为基础,从非常规细粒沉积学、非常规储层地质学、非常规油气地质学、非常规油气开发地质学等4个方面对中国非常规油气研究进展进行了归纳总结,总体有10项重要进展:①揭示黑色页岩系统细粒沉积形成机理,建立不同岩石沉积模式,创新细粒沉积学理论;②提出非常规油气烃源岩标准,模拟源内外地球化学指标变化规律,创新非常规油气地球化学理论;③揭示微一纳米孔演化规律,创新微纳米孔喉表征方法,创新非常规油气储层地质学理论;④建立油气聚集微纳米孔喉结构模式,模拟油气分子级充注机理,揭示“连续型”油气聚集规律;⑤揭示非常规油气富集层段主控因素,提出非常规有构造“甜点”、连续“甜点区”勘探目标;⑥提出非常规油气“6特性”评价参数,开发地球物理预测方法,评选非常规油气核心区;⑦提出“人工油气藏”开发模式,建立非常规“L”型产量模型,创新非常规油气开发地质学理论;⑧开发非常规油气资源评价方法软件系统,明确不同类型非常规资源潜力,提出不同类型非常规发展策略;⑨揭示常规—非常规油气“有序聚集”规律,提出“平台式”工厂化生产模式,实现常规—非常规油气协同有效开发;⑩提出非常规油气国家标准,建立国家能源致密油气研发中心,培养非常规专业人才,推动非常规油气工业发展。最后阐述了非常规油气的重要启示、意义及战略定位。

1全球非常规油气勘探进展

非常规油气是指用传统技术无法获得自然工业产量、需用新技术改善储层渗透率或流体黏度等才能经济开采、连续或准连续型聚集的油气资源。非常规油气有两个关键标志和两个关键参数,两个关键标志为:①油气大面积连续分布,圈闭界限不明显;②无自然工业稳定产量,达西渗流不明显。两个关键参数为:①孔隙度小于10%;②孔喉直径小于1μm或渗透率小于1×10-3μm2。非常规油气主要特征表现为源储共生,在盆地中心、斜坡大面积分布,圈闭界限与水动力效应不明显,储量丰度低,主要采用水平井规模压裂技术、平台式“工厂化”生产、纳米技术提高采收率等方式开采。主要类型有致密油和气、页岩油和气、煤层气、重油沥青、天然气水合物等。

1.1全球非常规油气勘探进展

近年来,全球非常规油气勘探开发取得一系列重大突破。致密气、煤层气、重油、沥青砂等已成为全球非常规石油天然气勘探开发的重点领域,页岩气成为全球非常规天然气勘探开发的热点领域,致密油成为全球非常规石油勘探开发的亮点领域。全球非常规油气产量快速增长,在全球能源供应中的地位日益凸显。2008年全球非常规石油资源规模达4495×108t,与常规石油资源基本相当;全球非常规天然气资源规模达3921×1012m3,是常规天然气资源的8倍,非常规天然气产量快速上升,已占到天然气产量的18%。

近10年成为美国页岩气、致密油“革命性发展的黄金十年”,页岩气由南部地区的巴内特,到海恩斯维尔,再到东部地区的马塞勒斯,持续获得重大发展,成为非常规油气发展热点,2014年页岩气产量高达3637×108m3,约占美国天然气总产量的50.0%;致密油由北部地区的巴肯,到南部地区的鹰滩,再到东部地区的尤蒂卡,连续获得重大突破,成为非常规油气发展亮点,2014年致密油产量已达2.09×108t,约占美国石油总产量的36.2%(图1)。

中国非常规油气勘探开发与理论技术进展(一)

图1.北美地区常规与非常规油气资源主要类型评价分布图

页岩气、致密油等非常规油气快速发展,使得美国油气对外依存度大幅下降,2014年天然气基本可以自给,石油对外依存度已降至39.1%,持续推动美国“能源独立”战略实施,美国未来很可能主要依靠美洲实现宽泛意义上的“能源独立”。

致密砂岩气

1927年发现于美国的圣胡安盆地,1976年在加拿大阿尔伯达盆地西部深助陷区北部发现了大型的埃尔姆沃斯致密砂岩气田,是最早进行工业化开采的非常规天然气资源。上世纪60年代末至70年代初,致密天然气已被国外认为是天然气的第二个主要领域。目前,全球已发现或推测有70个盆地发育致密砂岩气,资源量约为209.6×1012m3,主要分布在北美、拉丁美洲和亚太地区。美国是致密砂岩气开发最早、最成熟的地区,已在23个盆地发现900多个致密砂岩气田,探明可采储量5×1012m3,2014年致密砂岩气产量约为1400×108m3,占美国天然气总产量的19.2%;预计2040年致密砂岩气产量将保持在2380×108m3,占届时美国天然气总产量的22%。

页岩气

全球页岩气资源量约为456×1012m3,超过了致密气和煤层气资源量之和。目前,北美是全球唯一实现页岩气工业化开发的地区,其中美国已在20多个盆地进行页岩气勘探开发,2014年产量达3637×108m3,占美国天然气总产量的50.0%;未来页岩气产量仍将保持快速增长,有机构预测2040年页岩气产量将达到5610×108m3,占届时美国天然气总产量的53%。

煤层气

世界75个主要含煤国家中,已有35个开展了煤层气的研发。全球煤层气资源量约为256.1×1012m3,主要分布在前苏联、北美和亚太地区的煤炭资源大国。目前,全球煤层气主要生产国是美国、加拿大和澳大利亚,2013年煤层气产量超过600×108m3,其中美国煤层气产量约为450×108m3、加拿大80×108m3左右、澳大利亚50×108m3左右。据EIA预测,美国煤层气产量将保持基本稳定,预计2040年煤层气产量约为483×108m3,占届时美国天然气总产量的5%。

致密油

已成为继页岩气之后全球非常规油气勘探开发的新热点,被石油工业界誉为“黑金”。美国借鉴页岩气开发技术与发展经验,成功实现了致密油勘探开发突破,已发现Williston、GulfCoast和FortWorth等近20个致密油盆地,Bakken、EagleFord、Barnett、Woodford、Marcellus-Utica等多套产层,使美国持续24年的石油产量下降趋势自2008年开始止跌回升。2014年美国致密油产量己达2.09×108t,占美国石油总产量的36.2%,预计2020年将达到2.4×108t左右。2013年,美国能源信息署预测美国致密油技术可采资源量为79.3×108t,揭示了致密油勘探开发的良好前景。除美国外,加拿大、阿根廷、厄瓜多尔、英国和俄罗斯等国家都发现了致密油。

重油

可采资源量大约为1079×108t,主要分布于南美和中东地区,分别占全球重油资源量的76.3%和11.0%。委内瑞拉奥利诺科(Orinoco)重油带是全球最大的重油聚集区,重油分布面积达18220km2,位于委内瑞拉陆上面积最大的沉积盆地—东委内瑞拉盆地的南部,是世界著名的重油生产区。据BP石油公司2014年统计,奥利诺科重油剩余探明可采储量达354×108t,目前奥利诺科重油产量还不高,2011年产量不到6800×104t,占委内瑞拉石油总产量的比例不足40%。

天然沥青(或称油砂)

可采资源量大约为1066.7×108t,81.6%分布于北美地区。加拿大的阿尔伯达省是全球油砂最富集的地区。据BP石油公司统计,截至2013年底,加拿大油砂油剩余探明可采储量达273×108t,占其剩余石油探明总储量的97%。目前,加拿大是世界上唯一进行大规模、商业化生产油砂油的国家,2013年油砂油产量大约为1.13×108t。若油砂油能够完全开发生产,加拿大有望成为仅次于沙特阿拉伯、俄罗斯和委内瑞拉的全球第四大石油生产国。

油页岩

开发利用历史十分悠久,早在19世纪后期就已开始油页岩油的生产,上世纪70~90年代还曾有过大规模开发利用,1980年高峰产量曾达到4500×104t左右。目前,油页岩油生产国主要有爱沙尼亚、巴西、中国、澳大利亚等,但产量己降至2000×104t以下。全球已发现600余处油页岩矿,油页岩油可采资源量约为1501×108t;其中,美国油页岩油1005×108t,约占世界的67%,但美国始终未进行油页岩油的工业生产。进入21世纪,随着国际油价的不断攀升和石油供需平衡状况日趋脆弱,美国国会于2005年通过了发展非常规能源的法案,鼓励企业进行油页岩干馆炼油的研究与开发。根据美国能掠部于2007年9月公布的研究报告,2020年美国油页岩油产量将达到0.5×108t,2030年达到1.2×108t。

天然气水合物

目前还处于资源调查和试验性开采阶段,尚未实现工业化开发。世界范围内,约27%的陆地和90%的海洋中都存在天然气水合物。目前世界各地已发现120多处天然气水合物,许多发达国家制定专门研发计划开展水合物资源勘查评价与试验性开采,按照当前发展趋势,预计2015年前后有望实现冻土区天然气水合物的商业性开发,2030年前后,有望实现海域水合物商业性开采。2013年,日本在Daini-AtsumiKnoll,采用降压排采、气水同出生产方式,实现了天然气水合物的重大突破,获得日产2×104m3天然气。不少专家认为,随着水合物开发技术的逐渐成熟,海域水合物开发的进程有可能大大提前。

1.2中国非常规油气勘探进展

中国沉积盆地的形成及发展历经了古生代海相与中新生代陆相两个时期,非常规油气形成的地质条件十分优越。致密油、致密气、页岩油、页岩气、煤层气、油页岩、重油沥青及天然气水合物等非常规油气资源非常丰富。初步评价中国非常规油气可采资源量约为(890~1260)×108t油气当量,是常规油气的3倍左右。其中,非常规石油可采资源量约为(223~263)×108t与常规石油资源量大致相当;非常规天然气可采资源量约为(84~125)×1012m3,是常规天然气资源量的5倍左右,发展潜力很大。

近10年成为中国致密气、致密油“开创性发展的探索十年”。致密气已成为天然气增储上产的重要领域,近10年平均新增探明致密气地质储量2760×108m3,约占同期探明天然气总储量的45%;2014年致密气产量已达360×108m3左右,约占全国天然气总产量的27%;发现了目前全国最大的苏里格致密气区,2014年探明和基本探明地质储量达4.2×1012m3,2014年致密气产量235×108 m3。致密泊在鄂尔多斯、准噶尔、松辽等盆地发现5~10×108t级储量规模区,在渤海湾、四川等盆地也获重要发现。煤层气初步建成沁水盆地南部、鄂尔多斯盆地东缘两个地面生产基地,2014年地面煤层气开采量达36×108m3。页岩气在四川盆地南部和东部志留系龙马溪组海相页岩已初步实现工业突破,2014年产量己达13×108m3。致密油、致密气已成为中国非常规油气发展重点,海相页岩气、煤层气等将实规模化生产(图2,表1)。

中国非常规油气勘探开发与理论技术进展(一)

图2.中国陆上主要非常规油气有利区分布图

中国非常规油气勘探开发与理论技术进展(一)

表1.中国非常规油气资源量与探明储量情况(截至2013年底)

致密气

早在20世纪60年代,在中国四川盆地川西地区就已有发现,但因技术不成熟,长期没有大发展。近年来,随着大型压裂改造技术进步和规模化应用,致密砂岩气勘探开发才取得重大进展,发现了以鄂尔多斯盆地苏里格、四川须家河组为代表致密砂岩大气区,截至2014年底,苏里格己探明、基本探明储量超4×1012m3,2014年致密气产量为235×108m3,在松辽、吐哈、塔里木、渤海湾等盆地发现了一批高产的致密砂岩气井,表明中国致密砂岩气分布广泛,资源相当丰富。据最新估算,中国致密砂岩气可采资源量约(9~13)×l012m3。截至2013年底,中国致密砂岩气累计探明地质储量为4.0×1012m3,大约占全国天然气总探明储量的41%;2014年致密气产量大约为360×1012m3,占全国天然气总产量的27%左右。预计2020年以前,中国致密砂岩气新增探明储量和年产量仍将保持快速增长,占全国天然气储量、产量比例有望进一步上升。

煤层气

经过近20年的发展,初步形成了适合不同类型煤层气的勘探开发配套技术,在山西沁水、辽宁铁法等地成功实现了工业化开采,在鄂尔多斯盆地东缘、吐哈、准噶尔等盆地正在进行开发先导试验。据全国新一轮资源评价,中国埋深1500m以浅的煤层气可采资掠量10.9×1012m3。截止2013年底,中国已累计探明煤层气可采储量2849×108m3。2014年地面煤层气产量已达36×108m3。随着煤层气开采技术不断进步与完善,煤层气将进入快速发展期。

页岩气

在中国的研究与勘探开发刚刚起步,资源潜力和有利目标区尚有待深化落实,包括背斜型“甜点”和连续型“甜点”两类页岩气目标。近年来,页岩气已得到国家和企业的高度重视,已在资源评价和核心区优选、水平井压裂等技术创新、工业化试验区建设等攻关取得重大进展。2010年,四川盆地威201井在志留系龙马摸组发现日产大于1×104m3页岩气;并在四川富顺-永JIf、威远-长宁、重庆焦石坝、云南昭通等地区开展页岩气开采试验。截至2013年底,已完钻各类页岩气井130余口,约60口井获气流,2013年页岩气产量已达2×108m3,2014年产量13×108m3,页岩气开发利用己顺利实现工业起步。初步估算,中国页岩气技术可采资商、量大约为(10~25)×1012m3。预计未来5~10年,将是中国页岩气技术攻关与先导试验的关键期,需要制定“加快‘核心区’评选、加强‘试验区’建设、加强‘生产区’规划”三步走路线图,2020年前后实现页岩气工业化规模发展。但中国页岩气开发利用面临保存、埋藏较深、地表山地复杂、水资源与环境压力大等一系列特殊性,大规模经济有效开发难度较大。中国页岩气规模化发展,需要突破理论关、技术关、戚本关、环境关“四道关”。

致密油

在中国主要含油气盆地广泛分布,主要发育与湖相生油岩共生或接触、大面积分布的致密砂岩油或致密碳酸盐岩油。目前,在鄂尔多斯盆地三叠系长7段、准噶尔盆地二叠系芦草沟组、四川盆地中下保罗统、松辽盆地青山口-泉头组等,都发育丰富的致密油资源,勘探也已获得了一些重要发现,具有形成规模储量和有效开发的条件。初步预测中国致密油技术可采资源量大约为(20~25)×108t。截至2013年底,在鄂尔多斯、松江、四川、准噶尔、渤海湾和柴达木等盆地,探明技术可采储量规模近3.7×108t,目前,鄂尔多斯盆地长7、松辽盆地扶杨油层已实现规模开发,中国石油长庆油田分公司己建成我国第一个亿吨级致密油田—新安边油田,2014年提交探明地质储量1×108t,长庆油田已具有100万吨的产能规模。我国几大石油公司正在按照致密袖的勘探开发思路,开展关键技术攻关,进行试验区建设,已初见成效。随着关键技术的突破和工作力度的加大,致密油开发利用速度将进一步加快。

页岩油

主要赋存于湖相页岩中,广泛分布于鄂尔多斯盆地延长组、准噶尔盆地二叠系、四川盆地保罗系、渤海湾盆地沙河街组、松辽盆地白噩系、柴达木盆地第三系、酒西盆地白噩系、三塘湖盆地二叠系等层系。近年来,针对辽河西部凹陷沙三段页岩、泌阳凹陷核三段页岩等开展的钻探和试验,在裂缝中见到了良好地效果。初步估算中国页岩油技术可采资源量可能(30~60)×108t,具有广阔的勘探前景。

油页岩

在中国分布范围广泛,资源比较丰富。据全国新一轮资源评价,全国47个盆地共有油页岩油地质资源量476×108t,可采资源量约120×108t其中94%的资源分布在松辽、鄂尔多斯、伦坡拉、准噶尔、羌塘、茂名、柴达木等7个盆地中。但中国油页岩资源品位总体偏差,含油率大于5%的油页岩,油页岩油可采资师、量81×108t左右,占全国油页岩油资源总量的71%;而含油率大于10%的油页岩,油页岩油可采资源量35×108t左右,仅占全国油页岩油资源总量的29%。

重油

中国重油地质资摞量198×108t,技术可采资源量约19×108t,其中渤海湾盆地重油地质资源量可达40×108t,准噶尔盆地西北缘重油地质资源量达10×108t经过近60年的勘探,已在15个盆地发现了近百个重油区,探明重油地质储量67.4×108t、可采储量11×108t,2013年重油年产量超过了1000×104t,已成为全国石油产量的重要组成部分。

油砂矿

地质资源量约为60×108t,可采资源量23×108t,其中88%的资源分布在准噶尔、塔里木、羌塘、柴达木、松辽、四川、鄂尔多斯等7个盆地中。中国油砂矿的品位总体更差,含油率大于6%的油砂,油砂油可采资源量约11×108t,占全国油砂油资源总量的48%;而含油率大于10%的油砂,油砂油可采资源量只有0.4×108t,仅占全国油砂油资源总量的2%。

天然气水合物

尚处于前期研究和资源调查阶段。与国外天然气水合物发展历程相比,中国天然气水合物资源调查研究工作起步较晚,但进展较快。1999年开始,我国启动中国天然气水合物资源调查专项,先后在南海北部陆坡西沙海槽、神狐、东沙、琼东南海域以及青藏高原多年冻土区,分层次开展了天然气水合物资源调查,并于2007年在南海北部神狐海域、2008年在青藏高原多年冻土区相继钻探获得了水合物实物样品,2013年在南海北部陆坡控制水合物面积55km2、天然气储量(1000~1500)×108t,标志中国己基本跨越了水合物发现阶段,进入水合物勘探评价阶段。目前调查研究结果表明,中国天然气水合物技术可采资游、量大致在(50~70)×1012m3

版权声明|来源:《地质学报》,作者:邹才能等,版权归原作者所有。
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