陆相页岩烃源岩层系内部滞留烃数量与品质的控制因素除生烃母质类型、丰度、热成熟度与页岩储层储集空间外,烃源岩保存条件作为关键影响因素,在现阶段关注较少;针对该科学问题,以实例解剖为出发点,探讨保存条件在页岩油可动烃富集中的作用。研究表明,良好的保存条件主要有3方面的关键作用:①确保足够多的轻烃(C1—C13)、中组分烃(C14—C25)和小分子芳香烃(含1~2个苯环)留在地层中以增加页岩油流动性和流动量;②确保地层具有较高的能量场(异常高压),以推动页岩油最大量流出;③确保滞留烃保持多组分烃(轻烃、中质烃、重烃和含杂原子化合物)混相流动条件,使重烃(∑C25+)和重质组分(非烃和沥青质)有最佳流动度和最大流动量。经实例解剖证实,凡经济可采性较好的陆相页岩油除有机质类型、丰度与热成熟度及储集空间等有利条件外,页岩层系保存条件好,是页岩油经济成藏的关键因素,应纳入页岩油富集区/段评价标准,成为有利勘探靶体选择的必要条件。
通过梳理中国页岩气地质理论研究进展与勘探实践,分析和总结不同类型页岩气地质特征、富集规律与资源潜力,取得以下认识:①中国的海相、海陆过渡相、陆相页岩在地质年代上由老到新分布,构造改造和生烃演化过程复杂度逐渐降低。②沉积环境控制源储配置类型,是“成烃控储”的基础,海相和陆相源储配置类型以源储一体型为主,偶见源储分离型,海陆过渡相以源储一体型和源储共生型为主。③刚性矿物抗压保孔和地层超压控制源储一体型页岩气的富集,良好的源储耦合与保存条件控制源储共生型和源储分离型页岩气的富集。④海相依然是中国页岩气增储上产主阵地,过渡相和陆相有望成为重要接替领域。建议按照3个层次开展页岩气勘探部署,加速展开中上扬子地区海相志留系、寒武系和二叠系勘探;重点突破中上扬子地区海相超深层和华北地区奥陶系等海相新层系、石炭系—二叠系海陆过渡相以及四川、鄂尔多斯、松辽等盆地中生界陆相页岩气领域;探索准备华南和西北等新区页岩气领域,为中国页岩气持续发展提供技术与资源储备。
煤系是含油气盆地重要的烃源岩和储集岩,国内外许多大型天然气田、煤层气田就由煤系烃源岩供气或在煤岩内储集成藏。受页岩油气探索实践的启发,按照“将煤岩作为储层整体勘探”的思路,在保存条件较好的深部煤岩内实现了煤岩气勘探开发突破,开辟了煤岩储层内非常规天然气发展的新领域。基于勘探开发实践资料,开展了煤岩气成藏机理的系统研究,揭示了“三场”控制成藏机理,明确了煤岩气与煤层气成藏作用的主要差异。分析了鄂尔多斯盆地东缘石炭纪—二叠纪海陆过渡相煤系全油气系统和准噶尔盆地侏罗纪陆相煤系全油气系统的特征,指出了进一步构建煤系全油气系统理论的重点研究方向。研究表明:煤岩与泥页岩相比存在强生烃、强吸附能力、双重介质,具备部分或较弱的油气自封闭作用等特征;煤岩气与页岩气、致密气等非常规天然气相比具有更复杂成藏作用等特殊性,成藏需要一定的煤岩组合形成封闭和岩性、构造圈闭,又具有常规裂缝气藏的特征。与以碎屑岩层系为典型建立的全油气系统基本理论和模式相比,煤系在煤岩储层和源储耦合上,具有明显的特点和差异。煤系全油气系统以煤系中煤岩(及暗色泥页岩)为烃源岩和储层,以及与其相邻的致密层为储层或盖层或输导层构成多种类型的煤系油气成藏组合,在源储耦合作用下,在保存条件较好的煤岩储层形成煤岩气,在致密层形成致密油气或在远源形成常规油气,在受后期地质作用破坏的煤岩储层形成煤层气,是一种新类型全油气系统。
基于琼东南盆地油气勘探实践与油气地质研究新进展,综合地震、测井、钻井、岩心、井壁取心及地球化学等新资料,以陵水36-1气田为例,对超深水超浅层天然气田的气源、储-盖条件、圈闭类型、运聚特征、富集机理与成藏模式开展系统研究。研究表明:①琼东南盆地超深水超浅层天然气成因类型包括热成因气和生物气,以热成因气为主;②储层主要为第四系深水海底扇砂岩;③盖层类型有深海泥岩、块体流泥岩及含水合物地层;④圈闭类型以岩性圈闭为主,也发育构造-岩性圈闭;⑤运移通道包括断层、气烟囱、裂隙带等垂向输导通道及大型砂体、不整合面等侧向输导层,构成单一或者复合输导格架。提出超深水超浅层天然气“深浅双源供烃、气烟囱-海底扇复合输导、深海泥岩-块体流泥岩-含水合物地层三元封盖、晚期动态成藏、脊线规模富集”的天然气成藏新模式。研究取得的新认识对下步深水超浅层及相关领域或地区的油气勘探具有借鉴和启示意义。
基于四川盆地寒武系筇竹寺组页岩岩心、测井、地震和生产等资料,采用矿物扫描、有机与无机地球化学分析、突破压力及三轴力学测试等方法,开展筇竹寺组储层基本地质特征研究,分析筇竹寺组页岩气富集高产条件、页岩气形成机理和富集模式。研究表明:①深水富有机质和浅水低有机质两类粉砂质页岩都具有很好的含气性;②页岩脆性矿物组成具有长石、石英含量相当的特征;③页岩孔隙以无机质孔为主,有机质孔含量低,孔隙发育受长英质矿物与总有机碳含量(TOC)共同控制;④页岩有机质类型为Ⅰ型,成烃生物为藻类和疑源类,成熟度高,生烃潜力高;⑤深水相、浅水相页岩气分别具有原地和混合成气的特点。⑥筇竹寺组页岩气富集基本规律是“TOC控藏、无机质孔控富”,富集模式为以ZY2井为代表的富有机质页岩“三高一超”(高TOC、高长英质矿物含量、高无机质孔、地层超压)原地富集模式和以JS103井为代表的低有机质页岩“两高一中一低”(高长英质、高地层压力、中无机质孔、低TOC)原地+输导层富集模式,是有别于志留系龙马溪组的新类型页岩气。研究成果丰富了深层—超深层页岩气形成机理,部署的多口探井实现页岩气勘探重大突破。
基于塔里木盆地库车坳陷超深层陆相碎屑岩近几年取得的重要勘探进展,开展新一轮油气地质综合研究。形成4点地质认识:①建立多滑脱层复合、多期构造叠加、多层构造变形的“3多”构造模型,多期构造圈闭纵向叠置,下伏超深层发现系列构造圈闭;②三叠系—侏罗系发育3类有机相5套规模优质烃源岩,与3套区域储盖层构成超深层良好生储盖组合;③源岩、储层、盖层、断层等4因素控制大油气田的形成,根据其空间配置关系建立了库车坳陷超深层碎屑岩立体成藏新模式;④库车坳陷超深层碎屑岩下步重点油气勘探领域包括常规和非常规油气两类,常规油气领域包括克拉苏深层多层系立体油气聚集带、北部构造带侏罗系阿合组致密砂岩气、中秋—迪那构造带多目的层岩性油气藏、南斜坡岩性地层+潜山复合型油气藏等有利区;非常规油气领域包括侏罗系克孜勒努尔组、阳霞组和三叠系塔里奇克组深层煤岩气和中下侏罗统、上三叠统深层陆相页岩气。上述认识对于丰富超深层碎屑岩油气勘探理论,指导下步油气勘探部署,具有重要的借鉴意义。
基于铸体薄片、低温氮气吸附、高压压汞、核磁共振T2谱、接触角和油水两相界面张力等实验结果,揭示准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组全粒序储层孔喉结构与原油可动性关系。研究表明:①随玛湖凹陷风城组储层粒级变小,较大喉道所连通孔隙体积和较大孔隙体积均呈减小趋势,喉道半径和孔隙半径分布范围和峰值范围均有序向小尺寸偏移;风城组非常规储层喉道半径、孔隙度和渗透率上限值分别约为0.7 μm,8%,0.1×10-3 μm2;②风城组储层赋存滞留油、可动油的孔隙分布范围和峰值范围均随储层粒级变小而有序向小尺寸偏移;粒级较大储层样品赋存滞留油量、可动油量随驱动压力增大分别呈现更加明显的降低和升高趋势;③风城组各粒级储层中原油驱动压力随喉道半径增大而呈现快速下降、缓慢下降和趋于稳定3个阶段;原油驱动压力和各粒级储层原油驱动压力差异均随温度升高而降低,随喉道半径增大而降低。根据以上实验分析,推断地质条件下玛湖凹陷风城组深部页岩油具有较大的动用潜力。
基于露头、岩心、测井、录井、三维地震、地球化学实验和生产测试等资料,利用生产动态分析、流体包裹体测温及碳氧同位素测试等多种方法,系统探讨塔里木盆地的构造和流体作用对超深层断控碳酸盐岩缝洞型储层规模、储层质量及其有效性与连通性的控制机理。研究表明:①走滑断层规模、构造部位与岩石力学层共同控制了缝洞储层的发育规模。断层规模越大,储层规模越大;叠接挤压段的储层规模大于叠接拉分段,纯走滑段的储层规模相对较小;走滑断层的交汇部位、转折部位与端部的储层规模较大;垂向上储层发育的差异性受岩石力学层控制,脆性指数高的岩石力学层更有利于缝洞储层的发育。②多期走滑断层活动及流体改造共同控制了缝洞储层的有效性演化及其非均质性。加里东晚期—海西早期的大气淡水活动期为缝洞储层主要形成期;海西晚期热液活动进一步加剧了有效储集空间分布的非均质性。③走滑断层构造部位和现今地应力控制了缝洞储层连通性。叠接拉分段缝洞储层连通性好于纯走滑段,叠接挤压段较差;与现今地应力方向近平行的走滑断层控制的缝洞储层连通性好。优质缝洞型储层平面上主要分布于走滑断层的叠接拉分段两侧断层交汇区域,叠接挤压段中部区域、纯走滑段交叉部位、转折部位和端部的羽状断层区;剖面上集中于高脆性指数的岩石力学层段。
针对部分油气藏钻采过程中的固态烷烃相关混合物受热相变、超压砂体瞬间泄压触发砂体液化流动和孔隙充填物降压气化引发骨架垮塌3个典型的相变岩石力学现象,系统分析了目前在理论认识、实验方法、数学表征方面的研究进展,同时探讨了3个相变岩石力学现象对应的工程应用场景,揭示了其力学规律及工程应用效果,在此基础上,讨论了油气藏相变岩石力学目前所面临的挑战、潜在的发展趋势与亟待探索的方法。研究表明:不同的油气藏相变岩石力学现象需要采用相应的、特殊的实验及数学方法开展研究,确定其独特的多场耦合力学响应机制,以有效指导资源开采控制、致灾程度评价、地层稳定分析等。为满足该学科的发展需要,未来需挖掘更多油气资源开采中的相变岩石力学问题,开发特定的新型实验设备,借助人工智能与数字孪生技术,实现岩石相态变化力学过程的实时仿真与动态可视化。
通过室内实验和测试分析,系统阐述超临界水环境下稠油改质降黏的宏观及微观特征,并分析反应温度、反应时间、油水比3种反应参数对产物及降黏效果的影响。研究表明:经超临界水处理后,稠油流动状态显著改善,平均降黏率达99.4%。反应温度过高,将导致胶质和沥青质含量增加,焦炭产量显著提升,最佳温度为380~420 ℃;反应时间过长,稀油产量持续增加,但胶质与沥青质含量也有所提升,最佳反应时间约为150 min;减小油水比有助于改善反应体系内的扩散环境,降低胶质与沥青质含量,但稠油处理成本增加,油水比为1∶2时可兼顾改质降黏效果与经济性。3种反应参数与油样黏度的相关性由高到低排序为温度、时间、油水比;稠油四组分含量中,黏度受沥青质含量影响最大,芳香烃次之,受胶质和饱和烃含量影响较小。
综合考虑流体分子与孔壁间的相互作用、临界性质变化、毛细管力和吸附相的影响,利用修正后的PR(Peng-Robinson)状态方程和气相-液相-吸附相三相相平衡计算方法,分析CO2-页岩油体系在纳米孔隙内的相行为。研究发现:受到纳米孔隙限域效应影响,随着孔径的减小页岩孔隙内流体临界温度和临界压力下降,CO2对体系临界温度的降低起抑制作用、对体系临界压力的降低起促进作用;同时随着CO2物质的量分数的增大,体系临界点左移,相包络线面积减小。大庆古龙A区块页岩储层具有明显的限域效应,当孔径为10 nm时,储层流体逐渐转变为具有凝析气藏流体特征的流体;10 nm孔隙中液相的CO2含量比100 nm孔隙中液相的CO2含量增加了20.0%,而气相中CO2含量减少了10.8%,表明限域效应增强了纳米孔隙中CO2的传质,有利于CO2的埋存和微观驱油。
选取鄂尔多斯盆地石炭系本溪组典型8#深层煤岩开展静态吸附和动态损害实验,评价压裂液稠化剂羟丙基胍胶和聚丙烯酰胺在深层煤岩表面的吸附量和吸附引起的渗透率损害;采用原子力显微镜定量表征稠化剂的吸附形貌,分析稠化剂吸附的主要控制因素,同时采用Zeta电位、傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱等技术揭示稠化剂的吸附机理。研究表明:实验条件下,深层煤岩对羟丙基胍胶、聚丙烯酰胺的吸附量分别为3.86 mg/g和3.29 mg/g,吸附后煤岩渗透率分别下降35.24%~37.01%和14.31%~21.93%;压裂液稠化剂吸附层厚度与稠化剂质量分数正相关,与温度负相关,pH值降低将减小羟丙基胍胶吸附层厚度、使聚丙烯酰胺吸附层厚度分布频率更集中;官能团缩聚、分子间作用力是深层煤岩吸附压裂液稠化剂的化学和物理作用力。通过优化稠化剂质量分数、对稠化剂分子进行化学改性、对聚合物进行氧化生热降解、添加解吸附剂等方法可降低煤岩微纳米级孔隙、裂缝的损害风险。
针对低渗透老油田老井侧向深部剩余油气资源动用难度大的问题,形成了柔性侧钻水平井挖潜技术,并开展了现场试验。该技术首先采用柔性侧钻钻具在老井筒中实现低成本侧钻,然后采用水力喷射工艺诱导多条裂缝起裂,最后下入油管柱对侧钻井眼实施笼统多簇暂堵压裂,从而实现井间剩余储量的高效挖潜。该技术包含柔性侧钻水平井钻井和侧钻水平井压裂2项技术,前者主要涉及柔性钻杆结构和材料优化、钻进工艺、密闭取心工具3个方面,后者主要涉及压裂方案优化、压裂工具及实施工艺优化2个方面。该技术在长庆安塞油田开展了多轮现场试验,发现通过改变井型、缩小油水井排距,可以较好地建立压力驱替系统,实现压力的有效传导,从而达到低产低效井提液增产的目的,同时验证了该技术可为低渗透油藏剩余储量精准挖潜、储层精细动用提供有力支撑。
针对现有分层采油工艺技术存在的不适应检泵作业、有效工作寿命短、通讯可靠性差等问题,提出了电磁耦合智能分层采油技术,研制了核心工具及配套工具,并开展了现场试验。采用生产和配产管柱分离的丢手管柱结构,当两管柱在井下对接后,利用电磁耦合原理实现管柱间电能与信号的近距离无线传输,为井下多个智能配产器供电,并实现双向通讯。研制了适应井下复杂工况的电磁耦合传能与通讯装置、智能配产器、地面控制器等核心工具,以及大通径丢手锚定器、油井过电缆封隔器等配套工具,实现了技术定型。在大庆油田完成10口井现场试验,两管柱井下对接快捷、可靠,电磁耦合传能与通讯装置工作稳定,实现了井下分层流量、压力、温度的实时监测和分层产液量调控,提高了储层认识程度,取得了增油、降含水的生产实效。
为明确玛湖致密砾岩储层水力压裂后缝网发育特征,借鉴北美水力压裂试验场的成功经验,在玛131井区三叠系百口泉组二段(T1b2)和三段(T1b3)建立水力压裂现场实验室,共实施12口水平井和1口大斜度取心井,根据取心井MaJ02岩心裂缝CT扫描、成像测井以及岩心直接观测结果,结合示踪剂监测资料,研究水力压裂缝产状、连通情况、扩展规律和主控因素。研究表明:①水力压裂形成张性和剪切两种性质的裂缝,张性缝近似平行于最大水平主应力方向,自井筒射孔簇最远可延伸50 m;剪切缝分布于张性缝之间,大部分受缝间诱导应力场影响呈走滑剪切模式,部分呈共轭成对出现,整体上压裂缝呈先张后剪、张剪相间、剪切为主的特征。②示踪剂监测结果表明,生产早期井间普遍存在连通,随着生产的进行,缝内静压力逐渐降低,井间连通性下降。③岩性和压裂参数影响水力裂缝密度,泥岩夹层水力裂缝密度低于砾岩,并限制裂缝的扩展;更大的改造规模、更小的簇间距可提高裂缝密度,是提高单井产量的重要方向。
四川盆地普光地区的川宣地1井和川宣2井在三叠系嘉陵江组四段+五段和雷口坡组一段钻遇高浓度钾锂卤水和可溶厚层石盐型杂卤石钾盐矿,实现了四川盆地海相深部锂钾勘探重大突破。通过践行“气钾锂兼探”的勘探理念,基于大量油气钻井、测井、地震和地球化学资料,对富钾锂卤水和石盐型杂卤石的地质特征、富集条件和成矿演化模式开展研究。研究表明:①四川盆地东北部嘉陵江组四段+五段—雷口坡组一段发育膏云坪、盐湖和蒸发坪沉积体系,发育相对较好的卤水储集体,是固液两相钾锂资源沉积的有利层段,形成了普光、通南巴和元坝3个规模成盐聚钾中心;②石盐型杂卤石厚度大、分布广,且具有可溶性特征,储层卤水钾锂离子含量高,钾锂资源形成固液叠置的“三层楼”结构(下层为嘉陵江组四段+五段下部薄层卤水储层,中层为石盐型杂卤石钾盐矿层,上层为雷口坡组一段富钾锂卤水储层);③钾锂资源具有三元富集成矿规律特征,即杂卤石和绿豆岩纵向叠置是钾锂资源“双源补给、近源释放”的成矿物质基础,原生海水和石膏脱水是深部卤水的主要来源,而多期次构造作用是石盐型杂卤石和锂钾卤水富集的关键;④成矿过程经历了成盐聚钾锂期、水岩反应初期、改造聚集期和富集定型期4个阶段,嘉陵江组四段+五段石盐型杂卤石层为钾盐溶采的主要目标,雷口坡组一段卤水层则是钾锂综合勘探开发的重点。