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美国致密油开发现状及启示

2011-01-13林森虎邹才能袁选俊

岩性油气藏 2011年4期
关键词:资源量盆地水平井

林森虎,邹才能,袁选俊,杨 智

(中国石油勘探开发研究院)

美国致密油开发现状及启示

林森虎,邹才能,袁选俊,杨 智

(中国石油勘探开发研究院)

美国页岩气勘探开发目前已进入快速发展阶段,同时也带动了页岩地层内致密油的开发。文中所指的致密油,是指以吸附或游离状态赋存于渗透率极低的暗色页岩、泥质粉砂岩和砂岩夹层系统中的自生自储、连续分布的石油聚集。目前,美国致密油的开发集中在Bakken,Eagle Ford和Barnett页岩区带内。其中Bakken致密油资源量为230×108t,可采资源量为5.9×108t,待发现资源量为3.7×108t油及相近数量的伴生气,2000年至今累计产油约 2800×104t;Eagle Ford致密油赋存于区带北部,年产油约 20×104t;Barnett待发现石油平均资源量为 1400×104t,待发现致密油资源量为 480×104t,其北区主要产油、南区主要产气,目前拥有8000余口生产井,截至2009年底,“致密油带”累计产油量达770×104t。我国广泛发育富有机质页岩,致密油的勘探潜力较大。

页岩;致密油开发;Bakken;Eagle Ford;Barnett;启示;美国

长期以来,油气开采一直以砂岩、碳酸盐岩及火山岩等为主要目标,虽在钻遇富有机质页岩层段时发现丰富的油气显示或工业油气流,但因传统地质观念而未将页岩考虑为油气储层。

随着北美地区页岩气的成功开发和地质理论研究的发展,人们逐渐认识到暗色页岩发育丰富的纳米—微米级孔隙,可以大量成烃、储烃,形成自生自储型油气聚集。通过优选核心区、实验分析、测井评价、水平井钻探、同步多级水力压裂、体积压裂等先进技术的应用,成功实现了页岩中的油气采收。

目前,页岩已成为全球油气勘探开发的新目标。页岩气和致密油的开采给世界油气勘探开发带来了重大变革,正逐渐影响着世界能源供需的格局。本文主要介绍美国致密油的基本特征和开发现状,以期为我国致密油的勘探和开发提供参考。

1 致密油地质特征

致密油是指以吸附或游离状态赋存于富有机质且渗透率极低的暗色页岩、泥质粉砂岩和砂岩夹层系统中的自生自储、连续分布的石油聚集。页岩生成的油气除部分排出并运移至砂岩或碳酸盐岩等渗透性岩石中形成常规油气藏外,大量(高达总生烃量的50%以上)在“原地”滞留,以游离烃和吸附烃的形式赋存于纳米级孔隙或微裂缝中,形成可供商业开采的致密油(气)。

页岩储层发育2种尺度的孔隙:微孔(孔隙直径≥0.75 μm)和纳米孔(孔隙直径<0.75 μm),其中绝大部分为有机质颗粒内的纳米孔。页岩普遍具有较低的孔隙度和超低的渗透率,即孔隙度<4%,未压裂页岩的基质渗透率<1×10-6mD,只有在断裂或裂缝发育区的孔隙度能提高到10%,且渗透率提高到2×10-6mD。 据 Barnett页岩孔隙研究结果(图 1)[1],该页岩的孔隙大小是常规砂岩的1/400,大约为40个甲烷分子直径大小(甲烷分子直径为0.38 nm),其孔隙度为 4%~10%,渗透率为(50~1000)×10-6mD。近期的岩石学研究表明,页岩中干酪根内部发育大量连通的孔隙,可以有效储油[1-5],例如Marcellus页岩的孔隙度为2%~16%,Eagle Ford页岩的孔隙度为8%~18%。

页岩储集层包括富有机质的暗色页岩及以薄夹层状存在的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、砂岩地层。含油气盆地中,页岩储层组合形式多样,不同类型的页岩储层组合有明显不同的地质及地球化学特征。具有较好脆性与天然微裂缝发育的暗色页岩(区)是致密油有利的开发目标。致密油的开采方式与页岩气基本相同,均采用垂直井和水平井,但以水平井为主。致密油开发一般无自然产能或低产,单井生产周期长,多级水力压裂、重复压裂等储层改造技术是目前提升致密油单井产量的关键技术。

图1 Barnett页岩有机质颗粒内的纳米孔(据文献[1])Fig.1 Intraparticle organic nanopores within Barnett shale

2 美国致密油开发现状

目前,美国是致密油资源开发最多的地区之一,俄罗斯、加拿大、中国等也有成功开发的范例。致密油的典型代表是北美威林斯顿盆地的Bakken地层,2006年USGS(美国地质调查局)预测其石油地质储量达590×108t,仅美国北达科他州和蒙大拿州的 Bakken致密油聚集就拥有技术可采储量(4.2~6.1)×108t。由于致密油资源潜力超出预期,开采技术也取得突破并得到规模应用,因此美国致密油工业得到迅速发展,具有良好的经济前景(图2)[2]。 笔者选取美国最具代表性的3个致密油聚集区带——Bakken,Eagle Ford和 Barnett,并分别对其基本特征和开发现状进行介绍。

2.1 Bakken页岩区带

图2 美国致密油盆地分布与部分盆地资源量统计(据文献[2])Fig.2 Tight oil basins of United States with estimated oil and gas reserves

上泥盆系—下密西西比系的Bakken组页岩是威林斯顿盆地内的一套重要烃源岩,同时也是一个非常规油气储层。Bakken页岩地层跨美国与加拿大两国,其中美国境内的覆盖范围包含了蒙大拿州局部和达科他州北部(图 3)[5],有利分布面积>40000 km2,油层厚度一般为 5~15 m,孔隙度为10%~15%,渗透率<1 mD,油质轻。

Bakken组页岩由3个不规则但界限分明的层段组成:上段为黑色页岩,富含有机质,最大厚度为8 m;中段为灰褐色极细—细粒砾岩、白云质砂岩及粉砂岩,贫有机质,最大厚度为26 m;下段为黑色页岩,最大厚度为15 m。其中上段和下段含有大量Ⅱ型干酪根,以生油为主[3]。虽然 Bakken组厚度较小,但其有机碳含量非常高,其中上段和下段的TOC分别为12.1%和11.5%[4]。Bakken组原始石油地质储量(OOIP)的估计值为(280~570)×108t①Price L C.Origin and characteristics of the basin-centered continuous-reservoir unconventional oil-resource base of Bakken Source System,Williston Basin.Unpublished manuscript,1999:282 p.Available from:http://www.undeerc.org/price/.,除此之外,目前已发现的其它组的OOIP总量还不足850×108t,其中采收量<280×108t[6],可见 Bakken 致密油的潜力巨大。

图3 威林斯顿盆地Bakken组页岩分布(据文献[5])Fig.3 The location of Bakken shale,Williston basin

早期估算的Bakken组致密油的资源量为(14~570)×108t[7-11]。 USGS(2008 年)评估指出,Bakken 组致密油区带的总资源量为230×108t,可采资源量为6×108t,其中油的技术可采资源量为 5.2×108t、伴生或溶解气为 51.8×109m3、石油液化气为 2100×104t。另据USGS(2008年)发布的最新数据,美国境内的Bakken组页岩拥有的待发现资源量为3.7×108t油及相近数量的伴生气。

威林斯顿盆地Bakken组页岩的勘探和开发始于20世纪50年代,经历了多轮勘探开发(表1)[12]。早期主要是对Bakken组顶部的裂缝型致密油气藏进行勘探,最早是1953年在北Dakota发现的Antelope油田,共下钻63口直井,目的层位是Bakken组和上Three Forks组;该阶段初期产油68.7 t/d、产气21.8 m3/d,之后产量迅速递减,经过压裂增产措施后,总产量为29 t/d。到目前为止,Antelope油田已生产油270×104t和天然气 9×108m3,单井平均累计产油 4.3×104t、天然气 1400×104m3。

表1 美国威林斯顿盆地Bakken组页岩勘探历程(据文献[12])Table 1 Exploration history of Bakken shale in Williston Basin,the U.S.

Bakken地层的第二口致密油井直到1976年才下钻,之后该地区被称为Bakken Fairway。1987年以前,Bakken致密油区带都以直井为主,钻遇天然裂缝系统时,表现为初期产量高、之后迅速递减、总体产率低的特征。由于Bakken页岩亲油,所以不能注水开采,酸化处理也不可行,这是因为注入的流体可能与黄铁矿发生反应形成氢氧化铁沉淀[6]。1987年,由Meridian公司承担的 33-11MOI井(Elkhorn Ranch油田)是上Bakken段页岩的第一口水平井,该井完井后产量为油36 t/d和气8461 m3/d,之后2年的产量非常稳定,由此成功打开了上Bakken段页岩的水平钻井局面。20世纪90年代,进入该区带的经营商超过了20家,生产成本也显著下降,但是由于上Bakken段致密油产量的不确定性,成本很快升高。Fairway区带内,高产井通常弥补了低产井,因此总体生产成本较低[12]。

1987—2001年,水平钻井在Bakken致密油区带得到了广泛应用,使得上Bakken段内致密油的采收获得成功[12]。2000年以后,随着水平井分段压裂技术的大规模工业化应用,Bakken油藏的勘探开发获得了突破性进展,水压裂等新技术的使用更加提高了致密油井的成功率和采收率[13]。2007年,Bakken致密油产量为110×104t。2008年,该组致密油的产量激增至990×104t。2009年,该组的水平井初期致密油产量为26.4~398.9 t/d,年产量约为1230×104t。 2000—2010 年,Bakken 致密油的水平井完井数超过2000口,致密油月平均产量为85×104t,累计产量达 2800×104t[14]。 2010 年 4 月,由美国Brigham勘探公司在该区带完钻的一口油井,初期产油达572 t/d,产气达13.6×104m3/d。由此可见,Bakken致密油显示出了良好的发展前景。

在石油需求量高速增长的刺激下,随着勘探开发技术的不断进步,Bakken页岩内新发现的油气资源量也在逐年增加。2000年发现的Elm Coulee油田面积约1165 km2,预测最终采收量大于2800×104t,初始产量为28~270 t/d,上Bakken段页岩的产油贡献在20%左右。2001年,蒙大拿州Richlan郡的Bakken组产出大量的致密油[6]。目前,北达科他州Bakken致密油开发井约4000口,日产油1.85×104t,单井最高日产 95~150 t油当量(其中油占90%、气占10%),是北美继页岩气之后又一战略性突破。

2.2 Eagle Ford页岩区带

上白垩统的Eagle Ford页岩位于德克萨斯南部,是美国最新的一个油气工业区带。Eagle Ford上覆于Buda灰岩,下伏于Austin白垩,沉积在一个非常平缓的斜坡上[15];宽度为80 km,长度约为640 km,面积超过51800 km2。根据位置的不同,Eagle Ford地层的顶深为1200~4500 m,地层厚度为30~90 m。底栖生物化石或生物潜穴的缺乏,表明当时盆地含氧不足,这也是保存有机质和生烃的必要条件。Eagle Ford组的TOC为1%~7%,由于有机质丰度随深度的变浅而减小,所以下Eagle Ford组的有机质含量更多,能生成更多的烃。

该组岩石的组分分别为石英20%、碳酸盐岩67%、总泥质含量7.5%、总有机质含量2.0%~6.5%(虽称之为页岩,实际上更多的是碳酸盐岩);总孔隙度为3.4%~14.6%,有气体充填的孔隙度为2.1%~11.9%;压力梯度为(1~1.5)MPa/100 m[16]。

Eagle Ford组分布范围广,包含若干不同的亚带(图 4)[17]。 在 La Salle Country 和 Edwards陆架边缘(灰色条带顶部)及Sligo陆架边缘(灰色条带底部)之间已发现“甜点”。Eagle Ford在东南部的埋深较大(3000~3900 m),导致了大量干气的生成及采出,该组在西北部的Maverick盆地内的埋深较浅(1500~2550 m)。虽然该盆地为Eagle Ford提供了良好的沉积环境,但由于其位置过于靠陆,即位于Chittim Arch产生的一个隆起之上,只是在最浅处生成凝析油和易挥发的轻质油,故该地区的烃成熟度不如La Salle Country。

图4 Eagle Ford页岩区带的致密油气分布及产率(据文献[17])Fig.4 Eagle Ford shale hydrocarbon variability and productivity

产自Eagle Ford页岩的油气种类较多,包括干气、致密天然气和油。烃类的相变方向自北向南,油赋存于区带北部。该组页岩的天然气地质储量为(11.3~63.1)×108m3,目前的产油量为 560 t/d[16]。

未来还需要更多的生产数据和勘探工作来进一步确定Eagle Ford的储量,使之逐渐成为一个多产的非常规油气区带。

2.3 Barnett页岩区带

Barnett页岩位于德克萨斯州中北部的Fort Worth盆地,面积超过 12950 km2,深度为 1800~2700 m,厚度为 60~240 m,渗透率为(70~500)×10-6mD,孔隙度为2%~10%,有机碳含量为4.0%~8.0%。露头区的有机碳含量最高,可达14%(沿Llano 隆起)[17]。 Barnett组为一套黑色硅质页岩,石英含量为45%、伊利石含量为20%~40%、方解石和白云石含量为8%、长石含量为7%、黄铁矿含量为5%、菱铁矿含量为3%,无自由水[18];镜质体反射率为0.6%~1.6%[18];有机质干酪根类型以Ⅱ型为主。Barnett区带产多种烃类,包括40°API的油、凝缩油、湿气和干气,其北区主要产油、南区主要产气。

Fort Worth盆地,从20世纪初至今,累计产油约 2.85×108t,产气约 1982×108m3[19]。 地层的沉积中心具有最高的TOC,天然裂缝型的页岩可作为油气勘探目标。虽然埋藏深度是Barnett页岩热成熟的主控因素,但是致密油气的生成与产出主要受高热流与断裂系统的控制[20],盆地北部和西部的该页岩目前处于生油窗内,以产油为主[21]。Barnett组第一年的水平井致密油产量最高达1140 t。近年开发的“致密油带”主要位于Montague,Clay和Cooke郡(图 5)[22]。

图5 Barnett页岩区带井分布① HPDI.Production Data.Austin,TX,HPDI Production Data Application,2008.与产区划分(据文献[22])Fig.5 Barnett shale well locations and producing areas outlines

Barnett页岩的勘探和钻井技术发展迅速,2005年完井 3500口直井和 1000口水平井[23];2006年完井6203口;2007年完钻水平井2219口,占当年致密油气开发井完钻井数的94%,完钻直井149口,占6%。目前,Barnett页岩区带拥有8000余口生产井。

统计表明,Barnett页岩区带核心气区内,80%水平井和直井的平均单井累计致密油产量为1020 t;“致密油带”内,50%水平井和直井的第一年单井致密油产量分别为 1140 t和 570 t[24],80% 水平井和直井的单井累计致密油产量分别为3570 t和2140 t(表 2)[25]。 截至 2009 年底,Barnett页岩生产井的累计致密油产量达770×104t。

据 USGS(2004 年)评估结果,Fort Worth 盆地Barnett页岩内,待发现的石油平均资源量为1400×104t,待发现的液化石油气平均资源量为1500×104t。Barnett古生代含油气系统拥有116×108m3常规天然气,占待发现天然气资源量的88%;含920×104t常规石油,占待发现石油资源量的65%;待发现的致密油资源量为480×104t②USGS.Assessment of Undiscovered Oil and Gas Resources of the Bend Arch-Fort Worth Basin Province of North-Central Texas and Southwestern Oklahoma,2003.。

表2 Barnett页岩区带的致密油产量统计(据文献[25])Table 2 Barnett tight oil production by well type

除上述致密油区带外,在落基山脉周边的Niobrara页岩、Mowry页岩和Heath页岩也发现了致密油。其中在美国粉河盆地Niobrara组致密油层完钻的一口井,初期产油 150 t/d、气 5.2×104m3/d,USGS预测该组致密油的技术可采资源量为3067×104t、气为 64×108m3、凝析油 177×104t。

3 美国致密油开发的启示

借鉴北美页岩气勘探开发经验以及通过广泛的国际交流与合作,目前我国正在南方多个地区开展页岩气工业化勘探开发试验区建设,致密油的勘探开发和相关研究仍处于准备阶段。

我国广泛发育富有机质页岩,如扬子地区、华北地台和塔里木盆地在古生代发育大面积海相黑色页岩,但其热演化程度较高,需寻找保存条件有利的地区;松辽、鄂尔多斯、四川、渤海湾等中新生代盆地发育湖相富有机质页岩、泥岩,其热演化程度较低,分布广,厚度大,有机碳含量高,致密油勘探潜力大。

20世纪60年代以来,我国在松辽、渤海湾、柴达木、吐哈、酒西、江汉、南襄、苏北及四川盆地中均发现了致密油。松辽盆地最早在大安构造大4井青山口组泥岩内获油产量2.66 t/d,南部新北油田泥岩裂缝型油藏10余年累计产油超过3×104t;渤海湾盆地济阳坳陷内已有320多口井见泥质岩油气显示,30多口井试油获油气流,单井最高产量110 t/d;酒泉盆地花海凹陷内多口井在下白垩统页(泥)岩段获低产油流或良好油气显示;酒泉盆地青西凹陷泥岩油层3级储量超过1×108t。值得注意的是,我国陆相页岩分布具有非均质性强的特点,所以需加强核心区优选与经济评价,以进行针对性勘探;此外,我国地表条件复杂,山地、丘陵等地区的页岩埋深较大,需降低成本、经济开发。

开发页岩油对石油地质学基础理论创新与工业技术革新具有重大价值,且对缓解中国油气资源紧缺状况、改变能源结构、保障国家能源安全具有重要战略意义。

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Status quo of tight oil exploitation in the United States and its implication

LIN Sen-hu,ZOU Cai-neng,YUAN Xuan-jun,YANG Zhi
(Research Institute of Petroleum Exploration&Development, PetroChina, Beijing 100083, China)

The exploration and development of shale gas in the U.S.is progressing fast,which also leads to the development of tight oil.Tight oil is the oil accumulating within the shale system,including black shale with very low permeability,argillaceous siltstone and interbeded sandstone.Tight oil can be free oil or absorbed oil.It is a continuous reservoir ofself-generation and self-storage.The development oftight oil in the U.S.mainlyperformed in Bakken,Eagle Ford,and the Barnett shale zone.Bakken shale has oil resource of 230×108t and recoverable resource of 5.9×108t.Bakken shale located within the U.S.has oil of 3.7×108t and similar amount of associated gas.Its cumulative oil production since 2000 is about 2.8×107t.Eagle Ford shale produces oil in the northern part,annual oil production of about 2×105t.Barnett shale has average undiscovered oil resource of1.4×107t,ofwhich undiscovered tight oil resource is 4.8×106t.At present,Barnett shale has more than 8000 producing wells,mainly produces oil in the northern part,gas in southern part.Up to the end of 2009,the cumulative oil production of“tight oil zone” has reached 7.7×106t.China is a countryrich in black shale.It is expected that the exploration oftight oil will get breakthrough soon.

shale; tight oil development; Bakken; Eagle Ford; Barnett; implication; the U.S.

TE132.2

A

2011-04-28;

2011-06-09

国家科技重大专项项目(编号:2011ZX05001)资助。

林森虎,1986年生,男,中国石油勘探开发研究院在读硕士研究生,主要从事沉积储层方面的研究。地址:(100083)北京市海淀区学院路20号中国石油勘探开发研究院地质所。E-mail:Senhu.Lin@gmail.com

1673-8926(2011)04-0025-06

涂晓燕)

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