中國陸相頁巖油開發(fā)評價技術(shù)與實踐

李陽，趙清民,2，呂琦，薛兆杰，曹小朋，劉祖鵬

（1.中國石油化工股份有限公司，北京 100728；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015）

0 引言

美國頁巖油氣革命改變了世界能源格局，實現(xiàn)了“能源獨立”，美國2020年原油產(chǎn)量5.7×108t，其中頁巖油產(chǎn)量3.5×108t，占比約61%[1-2]。美國頁巖油氣革命突破了傳統(tǒng)圈閉勘探開發(fā)觀念，推動了石油地質(zhì)學和開發(fā)理論技術(shù)的發(fā)展，大大拓展了油氣資源的勘探開發(fā)領(lǐng)域。

隨著油氣地質(zhì)理論的突破創(chuàng)新和工程技術(shù)的進步，中國陸相頁巖油勘探開發(fā)取得了重大突破[3-4]，鄂爾多斯盆地三疊系延長組[5-6]、準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組[7]與瑪湖凹陷二疊系風城組[8]、松遼盆地白堊系青山口組一段[9]、渤海灣盆地黃驊坳陷滄東凹陷古近系孔店組二段[10]、濟陽坳陷古近系沙四上亞段及沙三下亞段[11]、江漢盆地潛江凹陷古近系潛江組三段[12]等地層中均獲得了工業(yè)油流，并先后建立了長慶隴東頁巖油示范基地和新疆吉木薩爾頁巖油示范區(qū)。2021年大慶古龍陸相頁巖油國家級示范區(qū)和勝利濟陽陸相斷陷湖盆頁巖油國家級示范區(qū)相繼通過論證。截至 2021年底，中國頁巖油累計建成產(chǎn)能 500×104t以上，年產(chǎn)油量約160×104t，中國頁巖油勘探開發(fā)進入快速發(fā)展階段。

中國陸相頁巖油開發(fā)成本一般在 50美元/bbl（1 bbl=0.159 m3）以上，單井平均日產(chǎn)一般在20 t以下。與北美海相頁巖油相比，中國陸相頁巖油規(guī)模商業(yè)開發(fā)面臨巨大挑戰(zhàn)：①儲集層巖相復雜多樣、相變頻繁、非均質(zhì)性強，陸相頁巖油富集規(guī)律認識難，有利“甜點區(qū)”預測難；②黏土含量高，不同盆地礦物成分差異大，壓裂改造及工藝參數(shù)優(yōu)化難度大；③采用水平井開發(fā)產(chǎn)量遞減快，有效的開發(fā)配套技術(shù)及合理的開發(fā)工作制度還需要進一步研究探索。本文總結(jié)分析中國陸相頁巖油與北美海相頁巖油的地質(zhì)、開發(fā)特征差異，梳理中國陸相頁巖油開發(fā)評價方法與技術(shù)進展，指出中國陸相頁巖油開發(fā)存在的問題及發(fā)展方向。

1 中美頁巖油地質(zhì)和開發(fā)特征

中國大多數(shù)含油氣盆地廣泛發(fā)育陸相富含有機質(zhì)頁巖，這些有機質(zhì)頁巖既是烴源巖又是儲集巖。中國陸相頁巖油與北美海相頁巖油地質(zhì)和開發(fā)特征差異大[13-18]（見表1），主要表現(xiàn)為6個方面。

表1 中美頁巖油地質(zhì)和開發(fā)特征對比

①沉積環(huán)境。中國陸相頁巖主要形成于半深水—深水湖相沉積環(huán)境[3]，發(fā)育淡水和半咸—咸水兩類烴源巖[18]。湖相沉積受氣候影響顯著，頁巖層系分布面積整體較小、巖相類型多樣、不同巖相大致圍繞盆地幾何中心呈環(huán)帶狀分布。北美海相頁巖沉積環(huán)境較為簡單，主要形成于缺氧、低能的海相沉積環(huán)境，海洋水體規(guī)模大、受氣候影響小，形成的頁巖層系分布面積大、穩(wěn)定性好，巖相類型相對單一。

②構(gòu)造特征。中國陸相頁巖構(gòu)造環(huán)境整體穩(wěn)定性較差，受造山活動和斷裂活動影響，沉積盆地類型多、數(shù)量多，分割性和后期活動性強。北美海相頁巖主要發(fā)育于前陸盆地和克拉通盆地，構(gòu)造活動相對穩(wěn)定，有利于優(yōu)質(zhì)烴源巖大面積穩(wěn)定發(fā)育和分布。

③有機地球化學特征。中國陸相頁巖有機質(zhì)類型以Ⅰ、Ⅱ型為主，熱演化程度中等偏低，Ro值為0.5%～1.4%，有機質(zhì)含量差異大，TOC值為0.2%～38.0%[18-19]。北美典型頁巖層系有機質(zhì)類型以Ⅱ型為主，熱演化程度中等偏高，Ro值為0.4%～2.0%，TOC值整體較高，主體為1.5%～20.0%[20-21]。

④儲集層特征。受沉積環(huán)境、成巖作用和構(gòu)造改造影響，中國陸相頁巖儲集層橫向非均質(zhì)性強，孔隙度為0.2%～19.0%[3]；儲集空間具有孔縫并存的特征，微納米無機質(zhì)孔發(fā)育，有機質(zhì)孔發(fā)育程度低，對儲集空間的貢獻較小，空氣滲透率小于等于0.1×10-3μm2[14]；儲集層壓力系數(shù)變化范圍大，為0.6～1.8。北美頁巖油儲集層分布相對穩(wěn)定，物性相對較好，孔隙度為5%～12%，孔隙連通性較好，有機質(zhì)孔發(fā)育且對儲集空間具有一定貢獻，壓力系數(shù)為1.3～1.8[20-21]。

⑤流體特征。中國陸相盆地形成時間整體較晚，熱演化程度偏低，頁巖油以重質(zhì)組分為主，黏度高、氣油比低，原油密度為0.76～0.93 g/cm3，不同地區(qū)氣油比有所差異，一般小于100 m3/m3，古龍頁巖油氣油比較高，超過100 m3/m3。北美頁巖油油質(zhì)較輕，多為凝析油、輕質(zhì)油，黏度低，原油密度為0.77～0.83 g/cm3，氣油比高，一般為50～300 m3/m3[13]。

⑥產(chǎn)能特征。中國陸相頁巖油“甜點”區(qū)分布點多、面積小，新疆吉木薩爾、大港滄東、大慶古龍等地區(qū)頁巖油單井初期產(chǎn)量多在30 t/d以下。北美頁巖油總體分布面積大，單井初期產(chǎn)量為10～300 t/d，穩(wěn)定產(chǎn)量大約為20～80 t/d。

總體來看，中國陸相頁巖油橫向分布變化大、相變頻繁、非均質(zhì)性較強、熱演化程度低、孔隙結(jié)構(gòu)和類型復雜，原油密度大、黏度高、含蠟量高，流動能力較差，單井日產(chǎn)與單井累計采出量低，為了實現(xiàn)效益開發(fā)，需要加強開發(fā)評價方法與技術(shù)攻關(guān)。

2 陸相頁巖油開發(fā)評價方法與技術(shù)

經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)和實踐，已初步形成適合中國陸相頁巖油地質(zhì)開發(fā)特征的頁巖油開發(fā)評價方法與技術(shù)，主要包括巖相評價、儲集性表征、可動性評價、可壓性評價、產(chǎn)能評價及地質(zhì)建模-數(shù)值模擬一體化“甜點”分析技術(shù)。

2.1 巖相評價技術(shù)

巖相是指一定沉積環(huán)境中形成的巖石或巖石組合。中國陸相盆地沉積環(huán)境差異大，巖相組合類型多。巖相直接影響頁巖油的儲集性、賦存狀態(tài)、含油性和可壓性，巖相的多樣性和差異性導致陸相頁巖油“甜點”類型的多樣性[22]，因此，在開發(fā)評價中巖相評價至關(guān)重要。

中國陸相頁巖油儲集層在不同盆地中主要表現(xiàn)為夾層型、混積型和純頁巖型巖相組合。夾層型為泥頁巖巖相夾薄層細砂巖、粉砂巖或碳酸鹽巖巖相組合[23-24]，單層厚度較薄，物性條件相對較好，典型代表為鄂爾多斯盆地延長組 7段?；旆e型巖性組成為長英質(zhì)礦物、黏土礦物和碳酸鹽礦物混合或疊置，脆性礦物含量高，是在機械搬運、生物成因-化學沉淀、火山噴發(fā)、熱液上涌等地質(zhì)因素共同作用下形成，典型代表為準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組[25-26]。純頁巖型為深水細粒沉積，發(fā)育泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖夾薄層粉砂巖、介殼灰?guī)r，以長英質(zhì)泥頁巖巖相為主，粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)（白云質(zhì)）紋層和頁理縫發(fā)育，典型代表為松遼盆地古龍凹陷青一段和青二段[27-28]。

2.1.1 巖相劃分方法

目前，國內(nèi)外尚未形成統(tǒng)一的頁巖巖相分類方法[29-30]。近年來，隨著頁巖巖相研究進程的推動，資料更加豐富，考慮要素更加全面，頁巖巖相的分類方法也逐漸趨于一致。勝利油田形成了一套基于巖石組分、沉積構(gòu)造、巖石結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)等關(guān)鍵巖相參數(shù)的“三端元四要素”陸相頁巖巖相類型劃分方法[31-33]：依據(jù)X-射線全巖衍射礦物組分分析對石英、長石、黏土和碳酸鹽礦物進行定量分類，以砂巖類、泥巖類和碳酸鹽巖類為三端元，以含量25%，50%，75%為界，對頁巖巖相進行劃分；通過精細巖心和薄片觀察將沉積構(gòu)造紋層厚度小于1 mm劃分為紋層狀，紋層厚度大于等于1 mm劃分為層狀，紋層不發(fā)育劃分為塊狀；針對濟陽坳陷頁巖灰質(zhì)組分含量高、不同層位頁巖結(jié)晶程度差異大的特點，依據(jù)巖石結(jié)構(gòu)特征劃分出粗晶、細晶和隱晶；最后，將有機質(zhì)豐度大于等于2%劃分為富有機質(zhì)，有機質(zhì)豐度小于1%劃分為貧有機質(zhì)，有機質(zhì)豐度介于二者之間的劃分為含有機質(zhì)。依據(jù)上述劃分方案，在濟陽坳陷沙四上亞段—沙三下亞段頁巖共劃分出16種主要巖相類型，常見的有6種（見圖1）：富有機質(zhì)亮晶紋層狀灰質(zhì)頁巖、富有機質(zhì)隱晶紋層狀灰質(zhì)頁巖、富有機質(zhì)隱晶紋層狀灰質(zhì)泥頁巖、富有機質(zhì)隱晶層狀灰質(zhì)泥頁巖、含有機質(zhì)隱晶層狀灰質(zhì)泥頁巖、含有機質(zhì)隱晶塊狀灰質(zhì)泥巖。

圖1 濟陽坳陷常見頁巖巖相類型鏡下特征

2.1.2 巖相識別技術(shù)

識別巖相最直接的方法是巖心觀察和實驗分析[34]。通常采用巖石薄片觀察、偏光顯微鏡觀察、場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡結(jié)合背散射電子衍射成像和X-射線能譜分析系統(tǒng)、微區(qū)礦物定量分析（QEMSCAN）等方法進行巖相識別。依據(jù)頁巖巖心實驗分析數(shù)據(jù)，建立巖相劃分方案，明確不同巖相礦物成分、含量和巖性特征，建立巖相標志。將實驗分析數(shù)據(jù)與測井曲線進行相關(guān)性分析，標定和刻度測井資料，優(yōu)選敏感曲線，總結(jié)不同巖相的測井響應(yīng)特征，建立巖相精細劃分剖面，從而準確識別地層巖相[35-36]。充分結(jié)合高精度地震資料和已有井的巖石物理響應(yīng)特征，測井、地震、地質(zhì)、油藏多專業(yè)緊密結(jié)合，在精細構(gòu)造解釋的基礎(chǔ)上，對目標層位沉積時的古地貌進行恢復，結(jié)合實驗室建立的巖心巖相剖面，開展頁巖沉積相帶的劃分，建立沉積相控約束的反演模型，通過多屬性融合和敏感曲線重構(gòu)的巖性反演，實現(xiàn)頁巖油有利巖相的預測，為精確尋找優(yōu)勢頁巖油甜點目標靶區(qū)提供有利支持。

2.2 儲集性表征技術(shù)

頁巖儲集空間以微納米孔隙為主，發(fā)育多尺度多類型的微裂縫。頁巖儲集空間表征方法多種多樣，主要有直接觀察法、定量表征法和測井法，通過多尺度定性觀察和定量評價，對頁巖儲集空間類型、大小、形態(tài)、分布及連通性等特征進行評價，為研究頁巖油賦存特征及可動性等開發(fā)評價工作奠定基礎(chǔ)。

直接觀察法主要有薄片、顯微熒光、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡（FE-SEM）、小角度中子散射（SANS）、微納米三維CT等圖像分析技術(shù)。SEM、FE-SEM和CT法識別孔徑下限為2 nm，結(jié)合數(shù)學形態(tài)學和數(shù)字圖像處理學方法，可定量計算面孔率、喉道半徑、配位數(shù)等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。定量表征法主要有高壓壓汞法、氮氣吸附法、核磁共振法等，可定量表征頁巖孔隙比表面積、孔體積、孔徑分布及孔喉連通性。不同定量表征方法在應(yīng)用于頁巖孔隙結(jié)構(gòu)表征時存在一定的局限性（見表2），常采用多種分析技術(shù)聯(lián)合表征孔徑/孔喉分布、總孔隙度/有效孔隙度，以獲得對多尺度孔-縫結(jié)構(gòu)的完整認識。測井資料全面、分辨率高，是頁巖儲集層評價的主要方法之一，核磁共振測井在頁巖孔隙度計算中應(yīng)用效果較好，結(jié)合密度測井、中子測井和聲波測井曲線多元回歸計算的孔隙度精度較高。成像測井通過高分辨率二維圖像直接識別裂縫信息，并可對天然裂縫組系、方位、傾角、密度、開度、規(guī)模、孔隙度和滲透率等定量參數(shù)以及裂縫成因類型、力學性質(zhì)、充填性和有效性等定性參數(shù)進行表征。

表2 儲集空間定量表征技術(shù)對比表

2.3 可動性評價技術(shù)

頁巖油的賦存狀態(tài)復雜，通常以游離態(tài)、吸附態(tài)和互溶態(tài)形式共存。頁巖油可動性受儲集層物性（孔隙大小、潤濕性）、游離油含量、流體性質(zhì)、巖性等因素控制[37-38]。頁巖油可動性評價包括核磁共振、數(shù)字巖心和分子動力學模擬等方法。

核磁共振技術(shù)根據(jù)離心前后的核磁共振橫向弛豫時間譜來求取可動油飽和度和動用孔隙半徑，離心力為原始地層壓力和頁巖油開發(fā)結(jié)束時地層壓力之差[14]。核磁共振技術(shù)結(jié)合彈性開發(fā)、滲吸采油、注CO2吞吐等物理模擬實驗，可分析不同開采模式下頁巖油的動用程度及不同尺度孔隙原油動用率。

數(shù)字巖心技術(shù)是獲得巖心孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)、研究孔隙尺度流體流動規(guī)律的重要手段[39]。利用聚焦離子束掃描電鏡或CT掃描等表征手段，重構(gòu)頁巖巖心真實三維孔隙結(jié)構(gòu)，提取建立孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，開展流動模擬研究。頁巖微納米孔隙滲流規(guī)律極為復雜，N-S方程、格子玻爾茲曼方程是常用的表征方式。考慮潤濕性、滑移等因素，建立頁巖油流動數(shù)學表征模型，通過有限元計算揭示孔隙尺度頁巖油單相、多相流動動態(tài)規(guī)律。目前，頁巖油數(shù)字巖心流動模擬分析技術(shù)的數(shù)學表征模型和計算速度仍有待優(yōu)化提高。

分子動力學模擬評價頁巖油可動性處于起步階段，礦物的結(jié)構(gòu)模型和大規(guī)模的求解方法尚不成熟[40]。頁巖儲集層自身的復雜性加大了分子模擬的難度，有機質(zhì)內(nèi)氮/硫/氫等元素以及其他官能團的影響、多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的復雜性、流固相互作用以及流體相態(tài)的變化等都需要進行考慮。由于原油組分復雜，分子動力學模擬需要對分子模型進行精簡，精簡后的分子模型與實際情況有所差異；同時，礦物模型的選取也制約了分子尺度模擬的準確性[41-42]。為提高分子動力學模擬的準確性，需構(gòu)建納米尺度限域傳質(zhì)理論體系，明確分子的物理化學屬性，建立更準確的理論賦存模型。

2.4 可壓性評價技術(shù)

目前應(yīng)用較多的頁巖可壓性評價方法是基于脆性礦物含量或巖石力學參數(shù)計算脆性指數(shù)，但這兩種計算方法是針對北美Barnett海相頁巖的巖石礦物和力學參數(shù)建立的[43]，由于不同區(qū)域頁巖可壓裂性影響因素差異較大，所以難以有效評價陸相頁巖可壓性。

文獻[44]綜合考慮儲集層巖石特性和施工參數(shù)，從裂縫破裂、延伸、充填的角度出發(fā)，建立了陸相頁巖可壓性評價新方法。該方法選取 3類評價參數(shù)：①脆性指數(shù)，基于壓裂施工的破裂壓力、施工排量等參數(shù)計算得到，不僅反映地層破裂的難易程度，也反映地層溫度、壓力等因素的影響；②地應(yīng)力特征參數(shù)，包括最小水平主應(yīng)力梯度、儲集層破裂壓力梯度、兩向水平應(yīng)力差異系數(shù)，可在一定程度上反映地層裂縫擴展情況及形成復雜縫的概率；③施工參數(shù)，包括綜合砂液比、滑溜水相對密度、中砂以上占比，其中中砂以上占比為 0.212～0.425 mm和 0.3～0.6 mm（40/70目和30/50目）支撐劑占總支撐劑用量的比例，采用支撐劑量與泵入地層所有壓裂液量的比值反映壓裂施工改造難易程度，比值越高，地層可壓性越好。對上述評價參數(shù)歸一化處理，利用變異系數(shù)法求出參數(shù)權(quán)重，計算頁巖綜合可壓性指數(shù)。

2.5 產(chǎn)能評價

常用的產(chǎn)能評價方法主要包括經(jīng)驗法、現(xiàn)代產(chǎn)量遞減法、解析法和數(shù)值模擬法[45]。經(jīng)驗法和現(xiàn)代產(chǎn)量遞減法的計算結(jié)果受生產(chǎn)井流動狀態(tài)的影響導致產(chǎn)量遞減規(guī)律認識不清，降低了產(chǎn)能評價的精度；解析法和數(shù)值模擬法對物性參數(shù)需求量較大，現(xiàn)場可操作性較差。為提高頁巖油產(chǎn)能預測精度，中國石化勝利油田頁巖油研究團隊探索建立了基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析和油藏工程方法的產(chǎn)能評價方法。

2.5.1 基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的產(chǎn)能評價

勝利油田頁巖油研究團隊綜合考慮頁巖油的生產(chǎn)開發(fā)特點和不確定因素，建立了基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的產(chǎn)能評價方法。該方法基于微壓裂測試監(jiān)測的壓力歷史數(shù)據(jù)，開展壓前試井分析，獲取地層壓力、地層應(yīng)力和滲透率等儲集層參數(shù)，評估頁巖儲集層的滲流能力?；谖镔|(zhì)平衡時間與歸一化產(chǎn)量的特征圖版，對頁巖油水平井生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的早期線性流、裂縫徑向流、晚期線性流和擬穩(wěn)態(tài)流等流動階段進行診斷與識別，根據(jù)流態(tài)選擇合適產(chǎn)能遞減模型。結(jié)合Blasingame和流動物質(zhì)平衡等產(chǎn)量不穩(wěn)定試井分析方法（RTA）獲取裂縫半長、可采儲量和地質(zhì)儲量等參數(shù)，預測頁巖油井生產(chǎn)動態(tài)。利用該方法預測勝利油田濟陽坳陷FYP1頁巖油井可采儲量為4.0×104t，對比Arps遞減模型、Duong模型、SEPD模型的預測結(jié)果（見圖 2），該方法單井可采儲量預測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

圖2 產(chǎn)能評價方法預測結(jié)果對比

為提高該產(chǎn)能評價方法的準確性和可靠性，在實際應(yīng)用過程中，需考慮頁巖油井的生產(chǎn)特征與分析方法的適用性，通過對比評價選擇合適的分析方法。

2.5.2 基于油藏工程方法的產(chǎn)能評價

考慮頁巖基質(zhì)和裂縫復雜滲流規(guī)律，勝利油田頁巖油研究團隊建立了頁巖油壓裂水平井產(chǎn)能評價方法。首先明確頁巖基質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)分布規(guī)律，考慮有機質(zhì)孔和無機質(zhì)孔流體的流動特征，建立頁巖油基質(zhì)非線性流動數(shù)學模型；基于雙重介質(zhì)理論，構(gòu)建頁巖基質(zhì)與天然裂縫間竄流系數(shù)的定量表征方法，以分形理論定量刻畫改造區(qū)縫網(wǎng)復雜程度，建立基質(zhì)-裂縫跨尺度滲流方程；基于分區(qū)模型，將壓裂改造后的頁巖儲集層劃分為改造區(qū)、未改造區(qū)和主裂縫區(qū)，利用各區(qū)邊界的壓力條件耦合分區(qū)滲流方程，形成頁巖油水平井產(chǎn)能模型。利用拉普拉斯變換消除時間變量的影響，結(jié)合數(shù)值反演獲得產(chǎn)能模型的數(shù)值解，實現(xiàn)頁巖油井生產(chǎn)動態(tài)預測。

根據(jù)建立的產(chǎn)能模型，進一步分析地質(zhì)參數(shù)、裂縫參數(shù)和基質(zhì)參數(shù)等因素對產(chǎn)量的影響，通過擬合頁巖油井的歷史生產(chǎn)特征，反演基質(zhì)滲透率、裂縫半長、泄油半徑和單井控制儲量等參數(shù)，評估水平井的產(chǎn)能與壓裂改造效果，確定頁巖油合理開發(fā)技術(shù)政策、壓裂設(shè)計方案和生產(chǎn)制度，提高頁巖油單井產(chǎn)量和采收率。

2.6 地質(zhì)建模-數(shù)值模擬一體化“甜點”分析

開發(fā)評價的目的是確定有利開發(fā)對象，即“甜點區(qū)”，為提高“甜點區(qū)”預測精度，開展地質(zhì)建模-數(shù)值模擬一體化甜點分析?；趨^(qū)域三維地震和水平井測錄井等數(shù)據(jù)，利用多參數(shù)交會分析、離散隨機模擬等方法，構(gòu)建精細三維地質(zhì)模型和地質(zhì)力學模型；結(jié)合壓裂復雜縫網(wǎng)模型，應(yīng)用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分技術(shù)和多尺度流動耦合差分求解技術(shù)，開展產(chǎn)能模擬；實時更新油藏動態(tài)監(jiān)測和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，循環(huán)迭代優(yōu)化地質(zhì)模型、裂縫模型和油藏模型，大幅度提高模型質(zhì)量和精度，指導頁巖“甜點區(qū)”優(yōu)選。

2.6.1 三維地質(zhì)建模

國內(nèi)外頁巖油三維地質(zhì)建模實踐相對較少，多沿用常規(guī)油藏的建模思路，采用序貫高斯模擬和序貫指示模擬等隨機建模的方法，建立巖相、孔隙度、滲透率和飽和度等關(guān)鍵參數(shù)模型，考慮頁巖巖相組合和分布規(guī)律較少，適用性不強。針對高頻灰泥互層的頁巖縱向分布特征，頁巖油建模主要聚焦于復雜巖相和多尺度裂縫的三維地質(zhì)表征[46-48]。

在復雜巖相建模方面，中國石化勝利油田研究人員對縱向灰泥間互的不同巖相特征進行聚類分析、優(yōu)化組合，形成以巖相組合模式為基礎(chǔ)的巖相組合體，考慮不同巖相組合體的頁巖厚度、物性、含油性、礦物組分含量、縱向組合形式的差異性、致密灰?guī)r和純泥巖等隔夾層的分布狀況，以巖相組合體為基本單元進行頁巖的基質(zhì)建模；以巖相的分布規(guī)律為指導，采用多點地質(zhì)統(tǒng)計建模技術(shù)解決復雜相變的接觸關(guān)系，隨機性模擬和確定性建模相結(jié)合，建立陸相頁巖復雜巖相模型，實現(xiàn)陸相頁巖巖相的三維定量刻畫，展示不同巖相組合體的空間結(jié)構(gòu)。不同巖相組合體的地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)具有差異化的分布域值，故以頁巖巖相模型為約束，以實鉆井巖心分析或測井評價的礦物成分、有機碳含量、游離油含量、孔隙度、滲透率和脆性指數(shù)等參數(shù)為基點，以高精度開發(fā)地震的疊前和疊后屬性反演參數(shù)為井間的宏觀控制條件，采用相控、屬性反演多因素約束的隨機建模方法，建立頁巖物性參數(shù)屬性模型。

多尺度裂縫建模主要聚焦于層理縫和構(gòu)造縫。在天然構(gòu)造縫建模方面，目前常采用離散裂縫網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)（DFN），采用多技術(shù)融合刻畫裂縫展布，應(yīng)用統(tǒng)計學或流體流動學等離散化方法將大尺度和中小尺度的裂縫粗化整合到統(tǒng)一的網(wǎng)格中，建立離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型。在層理縫建模方面，以成像測井、巖心和薄片觀察為手段，定量描述不同巖相組合體中層理縫發(fā)育的密度、寬度和開啟度，統(tǒng)計分析不同巖相組合體中層理與層理縫的相關(guān)性程度，確定不同巖相組合體中層理縫的分布空間，等效轉(zhuǎn)化為層理縫的強度，采用序貫高斯模擬建立層理縫模型。

2.6.2 數(shù)值模擬

體積壓裂數(shù)值模擬模型主要包括平面對稱雙翼縫網(wǎng)模型（Bi-wing & Symmetric Planar Model）、正交線網(wǎng)模型（Orthogonal Wire-mesh Model）和非常規(guī)裂縫模型（UFM）。其中，平面對稱雙翼縫網(wǎng)模型能模擬簡單的多級壓裂水平井；正交線網(wǎng)模型模擬的縫網(wǎng)幾何形態(tài)較為理想，使用時具有較大的局限性；非常規(guī)裂縫模型能夠準確模擬裂縫的分布和形態(tài)，是裂縫模擬和建模中應(yīng)用最為廣泛的模型。頁巖多尺度孔縫結(jié)構(gòu)特征復雜[49]，基質(zhì)、天然裂縫和人工裂縫 3個系統(tǒng)耦合疊加，滲流場和應(yīng)力場等多物理場的區(qū)域分布特征及相互作用機制描述困難?？紤]頁巖儲集層縫網(wǎng)形成機理和滲流場、應(yīng)力場等多尺度多場耦合機制，勝利油田頁巖油研究團隊形成了頁巖油體積壓裂水平井縫網(wǎng)擴展模擬及流固全耦合數(shù)值模擬方法。

根據(jù)力學理論和起裂-擴展準則，建立頁巖儲集層體積壓裂裂縫擴展理論模型，結(jié)合地應(yīng)力場的分布規(guī)律和微地震監(jiān)測結(jié)果，定量描述和表征體積壓裂縫網(wǎng)形態(tài)和模式，模擬體積壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成過程，形成頁巖儲集層水平井體積壓裂裂縫擴展模型；考慮頁巖儲集層多尺度孔縫結(jié)構(gòu)和儲集層變形特征，耦合嵌入離散裂縫模型和雙重介質(zhì)模型，建立頁巖油基質(zhì)—天然裂縫—分支縫—主縫多級縫網(wǎng)流動模型，結(jié)合有效應(yīng)力及改造區(qū)流動模型，建立滲流場-應(yīng)力場動態(tài)流固交叉耦合滲流數(shù)學模型，通過應(yīng)力場-滲流場全耦合有限元數(shù)值求解，建立高效準確的頁巖油多尺度數(shù)值模擬方法。

3 中國陸相頁巖油開發(fā)存在的問題

陸相頁巖油是中國未來油氣開發(fā)的重要戰(zhàn)略接替資源。中國頁巖油資源豐富，據(jù)估算，全國頁巖油技術(shù)可采資源量約150×108t[18]，是保障國家石油供給安全、支撐原油2×108t穩(wěn)產(chǎn)的重要領(lǐng)域。但與北美海相頁巖油相比，中國陸相頁巖油巖相類型多、非均質(zhì)性強、構(gòu)造環(huán)境和地質(zhì)特征復雜、產(chǎn)能低，高效勘探和有效開發(fā)仍存在諸多挑戰(zhàn)和難題。

①基礎(chǔ)理論研究薄弱。中國陸相頁巖油類型多，不同類型含油氣盆地頁巖油的成因機制、富集機理、賦存方式與分布規(guī)律不同，陸相頁巖油差異化成藏及富集理論有待發(fā)展和完善。陸相頁巖油儲集空間復雜，應(yīng)力場、壓力場、溫度場等多物理場耦合作用下的多尺度多孔介質(zhì)滲流規(guī)律仍需深化研究。

②勘探開發(fā)技術(shù)體系不完善。陸相頁巖油與海相頁巖油地質(zhì)開發(fā)特征差異明顯，不能簡單照搬北美海相頁巖油的勘探開發(fā)技術(shù)，需要探索、建立適合陸相頁巖油的“甜點區(qū)”評價優(yōu)選標準、壓裂改造技術(shù)、開發(fā)方式及開發(fā)策略。陸相頁巖儲集層特征、流體特征等與常規(guī)油藏差異大，常規(guī)油藏的實驗分析技術(shù)難以完全適用，要創(chuàng)新陸相頁巖實驗技術(shù)方法，以提高分析測試數(shù)據(jù)的精確度。系統(tǒng)的“甜點區(qū)”識別和預測技術(shù)尚未建立，“甜點”預測精度、鉆遇率還有待提高，要探索建立多學科、多方法、多角度綜合“甜點”預測技術(shù)。陸相頁巖油水平井分段壓裂后產(chǎn)量遞減快，一次采收率只有5%～10%，面臨補充能量和提高采收率的難題。

③工程技術(shù)與國外差距大。中國已初步形成了陸相頁巖油長水平井鉆井和多段密切割壓裂改造技術(shù)體系，但技術(shù)水平與北美先進技術(shù)差距較大。在水平井鉆井方面，存在頁巖地層造斜技術(shù)要求高、井眼軌跡控制難度大、施工周期長等難點。在壓裂改造方面，不同類型陸相頁巖油黏土礦物含量和可壓性變化大，普遍存在“壓不開、撐不住、返排低、穩(wěn)產(chǎn)難”的現(xiàn)象，應(yīng)建立差異化壓裂優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。

④開發(fā)成本高。依靠技術(shù)進步，北美頁巖油盈虧平衡成本已降至40美元/bbl左右，中國陸相頁巖油埋藏深、物性差、產(chǎn)能低，頁巖油開發(fā)成本遠高于北美，制約了中國陸相頁巖油的規(guī)模開發(fā)。陸相頁巖油開發(fā)是一項復雜的系統(tǒng)工程，不僅要研發(fā)低成本開發(fā)技術(shù)，還要探索通過管理創(chuàng)新和模式創(chuàng)新，最大限度實現(xiàn)降本增效，推動陸相頁巖油實現(xiàn)規(guī)模商業(yè)開發(fā)。

4 陸相頁巖油開發(fā)發(fā)展方向

面對陸相頁巖油開發(fā)存在的問題和開發(fā)需求，為實現(xiàn)降本增效目標，需通過地質(zhì)工程一體化、大數(shù)據(jù)和人工智能應(yīng)用，進一步提高開發(fā)評價的精準性，攻關(guān)頁巖油提高采收率技術(shù)，提高開發(fā)效果和效益。

4.1 地質(zhì)工程一體化

中國陸相頁巖油類型多，地質(zhì)特征及開發(fā)規(guī)律復雜，對頁巖油的開發(fā)評價難以通過單一方法實現(xiàn)，需要針對不同類型頁巖油，開展地質(zhì)工程一體化技術(shù)綜合研究[50]。對于夾層型頁巖油，儲集層物性相對較好，要重點攻關(guān)“甜點”預測技術(shù)，建立涵蓋高產(chǎn)全要素“地質(zhì)+工程”屬性的精細三維模型，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)儲集層定量描述。對于純頁巖型頁巖油，儲集條件相對較差，儲集層塑性強，工程改造難度大，重點攻關(guān)差異化鉆井與壓裂改造優(yōu)化技術(shù)?；旆e型頁巖油脆性礦物含量高，需要加強有利巖相和裂縫地球物理預測技術(shù)研究，重點攻關(guān)縫網(wǎng)體積壓裂技術(shù)。

同時，要加強地質(zhì)工程一體化數(shù)據(jù)庫和平臺建設(shè)，要構(gòu)建地質(zhì)工程一體化知識圖譜，建立頁巖油開發(fā)評價知識庫，建立認識頁巖油和開發(fā)頁巖油的知識與數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，并基于頁巖油開發(fā)特點開展統(tǒng)計學習及數(shù)據(jù)確定性分析；要加強數(shù)據(jù)的挖掘和應(yīng)用，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，建立相應(yīng)的數(shù)學模型。

4.2 大數(shù)據(jù)和人工智能應(yīng)用

陸相頁巖油勘探開發(fā)地震數(shù)據(jù)、井資料及開發(fā)動態(tài)數(shù)據(jù)相對較少，不確定性大，要加強大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在開發(fā)評價中的應(yīng)用[51]，大幅度、高效率提高“甜點”預測精度。

要發(fā)展基于大數(shù)據(jù)和深度學習的智能化分析評價與優(yōu)化技術(shù)。在頁巖巖相識別方面，利用巖心CT掃描圖像數(shù)據(jù)作為機器學習的訓練數(shù)據(jù)集，訓練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），提高巖相預測準確度[52]。在測試解釋方面，針對處理解釋的多解性、不確定性，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)建立儲集層物性參數(shù)和巖石力學參數(shù)的智能化解釋模型，提高測井解釋的準確性和工作效率。在物探領(lǐng)域，探索基于深度學習的地震波形分類、地震相識別、地震數(shù)據(jù)重建與插值等方面的研究，提高地震數(shù)據(jù)處理效率和解釋精度。在壓裂改造方面，探索提高壓裂效果和效率的方法，建立應(yīng)用大數(shù)據(jù)的人工智能系統(tǒng)，最大限度利用井震和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)鉆完井參數(shù)優(yōu)化決策。在開發(fā)領(lǐng)域，亟需開發(fā)精準的產(chǎn)能預測等方面的計算模型和決策系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)分析手段挖掘頁巖油水平井產(chǎn)能與工程、地質(zhì)和生產(chǎn)因素之間的相關(guān)關(guān)系，建立壓裂水平井的產(chǎn)能智能預測模型，優(yōu)化頁巖油水平井井網(wǎng)部署和開發(fā)技術(shù)政策參數(shù)。

4.3 提高頁巖油采收率技術(shù)

攻關(guān)不同類型陸相頁巖油提高采收率技術(shù)，提高頁巖油開發(fā)效益。CO2具有擴孔、增能、降黏、置換等作用，CO2壓裂增能技術(shù)可有效改善儲集層改造和開發(fā)效果[53-55]。但超臨界 CO2致裂機理、CO2壓裂強化開采機理、儲集層多尺度多相耦合滲流理論等基礎(chǔ)科學問題尚未得到解答，同時超臨界 CO2壓裂適應(yīng)性評價技術(shù)、壓裂工藝優(yōu)化和跟蹤調(diào)控、超臨界 CO2壓裂配套裝備等關(guān)鍵技術(shù)也需要進一步研究和優(yōu)化。開展頁巖油注天然氣、注 CO2提高采收率先導性試驗研究，重點攻關(guān)注天然氣、注CO2驅(qū)替/吞吐開發(fā)的可行性及頁巖油動用機理，優(yōu)選合理的轉(zhuǎn)注時機、燜井時間、周期輪次等技術(shù)政策，形成陸相頁巖油差異化注天然氣、注CO2驅(qū)替/吞吐提高采收率技術(shù)。

5 結(jié)語

中國陸相頁巖油儲量規(guī)模大，但與北美海相頁巖油相比，在地質(zhì)條件、資源品質(zhì)和開發(fā)特征等方面均存在較大差異。立足中國陸相頁巖油地質(zhì)開發(fā)特征，中國已初步形成了有利巖相識別、儲集性表征、可動性和可壓性評價、產(chǎn)能評價及地質(zhì)建模-數(shù)值模擬一體化“甜點”分析等開發(fā)評價技術(shù)，推動了中國陸相頁巖油規(guī)模效益開發(fā)。

中國陸相頁巖油規(guī)模化高效開發(fā)仍面臨基礎(chǔ)理論研究薄弱、勘探開發(fā)技術(shù)體系不完善、工程技術(shù)與國外差距大、開發(fā)成本高等系列重大難題，需要加強地質(zhì)工程一體化及大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)應(yīng)用，提高技術(shù)預測精度和效率，降低技術(shù)成本；需攻關(guān)提高采收率技術(shù)，提高頁巖油開發(fā)效益，推動陸相“頁巖油革命”。