文|王志剛

中石化股份公司高級副總裁

美國是頁巖氣大規(guī)模商業(yè)性開采最成功的國家,，從2006年開始，頁巖氣產(chǎn)量呈“爆發(fā)式”增長,，在短時間內(nèi)實現(xiàn)了美國的天然氣基本自給,。中國擁有豐富的頁巖氣資源，據(jù)2012年國土資源部評價,，全國頁巖氣可采資源潛力為25×1012m3,。

中國石化高度重視非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)，2009年開始進行頁巖氣勘探,，先后經(jīng)歷了選區(qū)評價,、鉆探評價和產(chǎn)能評價3個階段，通過勘探實踐和理論創(chuàng)新,，在頁巖氣富集理論新認識的指導下,，在較短時間內(nèi)實現(xiàn)了頁巖氣勘探由南方海相向四川盆地、再由四川盆地向川東南聚焦的“兩大轉(zhuǎn)移”,，2012年在涪陵焦石壩構造部署鉆探焦頁1井,，發(fā)現(xiàn)了中國首個大型頁巖氣田——焦石壩龍馬溪組頁巖氣田。

截止到2014年6月,，共有產(chǎn)氣井28口,，日產(chǎn)氣322×104m3，產(chǎn)能達到11×108m3/a,，初步建成我國第一個大型頁巖氣田,，已經(jīng)啟動了一期50×108m3產(chǎn)能建設,。

涪陵大型頁巖氣田的勘探突破與成功開發(fā)，是理論創(chuàng)新,、技術創(chuàng)新,、管理創(chuàng)新共同作用、相互融合的結(jié)果,。

1 在地質(zhì)理論新認識指導下,，建立評價方法優(yōu)選目標，實現(xiàn)勘探重大突破

1.1 中國海相頁巖氣地質(zhì)條件的特殊性

在多旋回的構造與沉積過程中,，中國發(fā)育了海相,、陸相和過渡相三種類型的多套富有機質(zhì)泥頁巖。與北美頁巖氣主要形成于上古生界及侏羅系海相頁巖不同,，我國發(fā)育的海相頁巖縱向上主要分布于下古生界寒武系和志留系,，平面上主要分布于揚子地區(qū)及塔里木盆地。具有時代老,、盆地內(nèi)部埋深大,、熱演化程度高的特點。

以南方海相下寒武統(tǒng)黑色頁巖為例,，大部分地區(qū)的鏡質(zhì)體反射率(Ro）大于3%,，處于過成熟晚期階段，局部地區(qū)的Ro超過4%,。下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖熱演化程度相對較低,，但也普遍進入了過成熟階段，Ro一般大于2.5%,。

通過頁巖地層發(fā)育狀況,、演化程度和埋藏深度等綜合分析，認為南方地區(qū)海相層系是頁巖氣勘探的重要領域,。

由于我國下古生界海相頁巖時代老,，進人大量生氣的時間早，頁巖氣大規(guī)模生成之后經(jīng)歷了長時間,、多期次的構造運動,，褶皺、斷裂及隆升剝蝕作用頻繁,，致使地表、地貌和地質(zhì)條件復雜,，保存條件差異性大,。盆地內(nèi)部保存條件較好，但埋深大,；盆地周緣埋深相對較淺,，但構造復雜,，同一個構造可能在深部具有較好的保存條件，而在淺部常由于上覆蓋層的缺失或斷裂的發(fā)育導致保存條件變差甚至失效,，因此,，保存條件是中國海相頁巖氣富集的關鍵因素。

1.2 提出了海相頁巖氣“三元富集”理論新認識,，評價有利地區(qū)

我國海相頁巖氣的特殊性與美國頁巖氣的差異性不能說明我們的頁巖氣沒有成藏與富集條件,，而是需要具體情況具體分析，形成適合中國海相頁巖氣地質(zhì)特點的理論認識和勘探思路,。通過頁巖氣形成條件研究,、富集主控因素分析及勘探實踐，提出了南方海相頁巖氣富集高產(chǎn)的“三元富集”理論,。

一是深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖是頁巖氣富集的基礎,，深水陸棚優(yōu)質(zhì)頁巖具有高有機碳含量、高硅質(zhì)含量特征,，有機質(zhì)是烴類生成的物質(zhì)基礎,，也是有機孔發(fā)育的物質(zhì)基礎，而硅質(zhì)含量是評價頁巖可壓性的基礎地質(zhì)參數(shù),；

二是適中的熱演化程度有利于海相頁巖有機質(zhì)孔的形成,，為頁巖氣的富集提供了有利的儲集空間，有機質(zhì)熱演化控制了有機孔的形成與演化,，在主要的生烴階段,，有機孔生成率與有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率呈明顯的正相關關系，但熱演化程度過高,，會引起有機質(zhì)孔隙度的降低,；

三是保存條件是海相頁巖氣富集高產(chǎn)的關鍵，頁巖氣產(chǎn)量與壓力系數(shù)正相關性明顯,，超壓或超高壓是頁巖氣井高產(chǎn),、高效的重要特征，而高壓和超高壓意味著良好的保存祭件,。

四川盆地內(nèi)部總體保存條件好,，壓力系數(shù)高，如涪陵焦石壩志留系氣田的壓力系數(shù)為1.55,，頁巖氣單井日產(chǎn)量普遍達到10×104m3以上,。四川盆地外部總體保存條件較盆地內(nèi)部變差，如位于焦石壩氣田東南120km的彭水地區(qū),，其壓力系數(shù)在0.9左右,，頁巖氣產(chǎn)量較低，最高日產(chǎn)氣3×104m3左右。

基于“三元富集”理論的提出,，我們認識到并非有頁巖就有頁巖氣,，也不是有頁巖氣就能富集高產(chǎn)，而是要從生烴,、儲集,、保存等多個要素進行綜合分析，從而調(diào)整了勘探思路,，南方海相頁巖氣勘探向四川盆地及其近緣聚焦,，確定川東南地區(qū)下志留統(tǒng)是首選的頁巖氣勘探突破領域。

1.3 建立目標評價方法,，優(yōu)選有利目標,，實現(xiàn)焦石壩頁巖氣勘探的重大突破

針對中國海相頁巖氣地質(zhì)條件的特殊性，以區(qū)塊和富含有機質(zhì)的泥頁巖層系為評價單元,，建立了基于頁巖氣地質(zhì)條件和工程技術條件的雙因素評價模型和評價方法,，開展了四川盆地及其周緣頁巖氣的選區(qū)評價。

在選區(qū)評價的基礎上,，充分利用研究區(qū)的地質(zhì),、鉆井、錄井,、測井解釋,、地震解釋及相關分析測試資料，從頁巖的分布及地球化學特征,、儲集性能,、頁巖氣的保存條件和頁巖氣資源量分級評價等方面，進行頁巖層段的含氣性評價．從頁巖的可壓裂性,、埋藏深度,、地表條件和水源條件等方面進行優(yōu)質(zhì)頁巖段的工程技術條件評價，結(jié)合經(jīng)濟評價,，優(yōu)選有利目標,。

區(qū)域研究認為涪陵區(qū)塊龍馬溪組位于深水陸棚沉積相帶，預測優(yōu)質(zhì)頁巖厚度30-50m,，熱演化程度適中,，評價為I類勘探有利地區(qū)。位于該區(qū)塊南部的焦石壩構造為一個寬緩的斷背斜（下圖）,，構造相對穩(wěn)定,，保存條件較好，高點埋深在2500m左右,，具有較好的頁巖氣地質(zhì)條件和工程技術條件,，綜合評價頁巖氣成藏富集條件優(yōu)越，確定為頁巖氣的重點突破目標,。

2012年2月部署實施了焦頁1井,，該井在五峰組一龍馬溪組底部揭示38m優(yōu)質(zhì)頁巖（下圖），含氣量高達5.19m3/t,，完鉆井深3653.99m,，水平段長1007.9m，在水平段中志留系龍馬溪組頁巖見良好顯示,，全烴最高達30.95%．2012年11月,，對水平段分15段進行大型水力加砂壓裂，獲最高日產(chǎn)氣20.3×104m3,，實現(xiàn)了集團公司頁巖氣勘探重大戰(zhàn)略突破,。

焦石壩五峰組-龍馬溪組主要產(chǎn)氣段巖性為黑色、灰黑色硅質(zhì),、炭質(zhì)富有機質(zhì)頁巖,，局部夾含粉砂質(zhì)頁巖。

含氣頁巖橫向分布穩(wěn)定（下圖）,，達83.5-102m,；

其中，有機碳含量(TOC）大于2%的優(yōu)質(zhì)頁巖厚38-44m,，頁巖有機質(zhì)類型以I型為主,，Ro平均為2.65%左右，處于過成熟階段,，以生成干氣為主,；

儲集空間以有機質(zhì)孔隙為主（下圖），孔徑為2-300nm,，即以納米級孔隙為主,，孔隙度3.4%-6.98%。

滲透率具有水平滲透率高,，垂直滲透率低的特點,，平均水平滲透率為0.25×10-3μm2，垂直滲透率為0.0032×10-3μm2,。頁巖脆性礦物含量高,，石英含量大于40%，具有較好的可壓性,。頁巖氣組分以甲烷占絕對優(yōu)勢,，平均含量達到98%以上，不含硫化氫和一氧化碳,。壓力系數(shù)達1.55,，保存條件優(yōu)越。綜合氣藏的生烴條件、儲集條件,、保存條件和構造,、沉積特征，焦石壩志留系氣藏是典型的海相頁巖氣藏,。

2 集成創(chuàng)新與技術研發(fā)并重,，突破有效開發(fā)頁巖氣的工程技術

借鑒北美頁巖氣的開發(fā)經(jīng)驗，同時考慮焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖層與北美頁巖層的差異,，通過精心組織,、大膽嘗試，按照“對外引進與白主研發(fā)相結(jié)合”的思路,，集中優(yōu)勢力量開展科技攻關,。在對外技術引進方面，按照“積極引進”,、“以我為主”原則加大了科研對外合作,。在自主研發(fā)方面，針對急切解決的瓶頸技術,，建立頁巖氣長水平井段優(yōu)快鉆井,、頁巖氣儲層水平井分段改造和頁巖氣開發(fā)等重點實驗室，開展攻關以及重大裝備研發(fā),，基本形成有效開發(fā)頁巖氣的工程技術,。

2.1 形成適用性的中淺層海相頁巖氣鉆井工程技術

針對焦石壩頁巖氣井鉆遇地層的特點，開展鉆井工程技術攻關,，形成了空氣鉆,、泡沫鉆、清水鉆,、PDC+螺桿復合鉆等水平井優(yōu)快鉆井技術系列,，20口井的平均機械鉆速比常規(guī)井大大提高，單井平均機械鉆速為4.2m/h,；鉆井周期也大大縮短,，最短鉆井周期為60天，平均鉆井周期為80天,。實現(xiàn)了1500-2000m長水平井段鉆井,，焦石壩頁巖氣開發(fā)最長水平段達到2130m。

1）優(yōu)化井身結(jié)構設計,，應對上部復雜的地質(zhì)情況,。在較淺層遇到溶洞的情況下，適當增加導管下深,，用鉆井液（或清水）搶鉆,，鉆過溶洞后下人導管,。如果預測溶洞較深，則增加一層導管,，第二層導管采用空氣鉆,，確認鉆過溶洞后下入第二層導管。針對水平井段漏失,，強化井漏的預防與處理措施,，提高易漏地層的堵漏效率，優(yōu)化鉆井參數(shù),，提高鉆井速度。

2）采用油基鉆井液,，確定合理的鉆井液安全密度,，保證井壁穩(wěn)定。焦石壩頁巖氣富集的地層主要為硬脆性的頁巖,，層理,、微裂隙較發(fā)育，易水化分散,，在頁巖氣鉆井過程中易發(fā)生剝蝕,、掉塊等嚴重的井壁失穩(wěn)問題。通過確定頁巖地層長水平段坍塌,、漏失等段的地層壓力,，形成適應不同泥頁巖地層的坍塌、漏失,、破裂的壓力分析方法,，確定合理的鉆井液安全密度窗口。水平段采用油基鉆井液,，不僅可保持井壁穩(wěn)定,，而且對頁巖氣層的損害小，能最大限度地保護油氣層,。

3）采用地質(zhì)導向技術,，確保水平段軌跡穿行于五峰組-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖氣層。焦石壩頁巖氣富集的地層主要為龍馬溪組的下部,，通過將旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術與地質(zhì)導向鉆井技術的結(jié)合,，及時掌握井眼的井斜、方位及造斜率,，確保實鉆井眼軌跡在優(yōu)質(zhì)頁巖氣層,，提高了開發(fā)效果。

2.2 形成長井段分段壓裂的海相頁巖儲層改造技術

通過焦石壩開發(fā)試驗井組的實踐與研究,，建立了水平井長度,、段數(shù)和壓裂簇數(shù)的優(yōu)化設計方法,，形成了3500m以淺水平井分段壓裂配套技術。

1）形成多段,、多簇,、大液量、大規(guī)模的縫網(wǎng)壓裂技術,。根據(jù)焦石壩龍馬溪組頁巖氣層的脆性礦物,、粘土礦物、地應力場以及巖石力學的綜合分析,，壓裂過程中以形成主裂縫為主,，天然裂縫發(fā)育的條件下形成復雜的體積裂縫。所以確定以“復雜網(wǎng)縫+支撐主縫”為主的壓裂模式,，以形成有效支撐的縫網(wǎng)體系,。

通過開發(fā)試驗證實，水平段長度及壓裂段數(shù)對單井產(chǎn)能呈現(xiàn)明顯正相關性,。按照投入與產(chǎn)出收益比最大化原則,，優(yōu)化形成焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖氣水平井分段方案，水平井長度1500m,，分18-22段壓裂,。

綜合地質(zhì)和工程因素，優(yōu)化射孔簇數(shù),、簇間距和段間距,。采用高排量注入提高凈壓力，促進層理縫剪切,、滑移,，實現(xiàn)裂縫網(wǎng)絡化，提升改造體積,；采用減阻水+線性膠的混合壓裂液體系促進裂縫系統(tǒng)復雜化,；采用低密度支撐劑組合和段塞式加砂提高裂縫導流能力。

形成3500m以淺水平井簇射孔,、可鉆式橋塞分段,、電纜泵送橋塞、連續(xù)油管鉆塞等配套水平井分段壓裂技術系列,，實現(xiàn)了最高26段壓裂,，最大壓裂液量4.66×104m3，最大加砂量2108m3,；實現(xiàn)了壓裂液國產(chǎn)化,，降低了壓裂施工成本；形成了地質(zhì)分類,，工藝分段,，組合加砂,，混合壓裂，控近擴遠,，高導主縫,，平衡頂替，快速控采的縫網(wǎng)壓裂設計思路方法與工藝流程,，形成了頁巖氣復雜裂縫壓裂工藝技術,。

2）重大裝備與關鍵完井工具研發(fā)取得突破性進展。成功研制出具有自主知識產(chǎn)權的3000型壓裂車（下圖）,，代表了世界壓裂裝備技術的最高水平,，目前已有4臺投入焦石壩現(xiàn)場應用；自主研發(fā)的裸眼封隔器,、橋塞等井下壓裂工具,，實現(xiàn)了T業(yè)化批量生產(chǎn)，打破了國外專業(yè)化公司在該領域的技木壟斷,，使同類設備在國內(nèi)價格降低了50%以上，有效降低了頁巖氣開發(fā)的成本,。

3 創(chuàng)新組織管理模式,，實現(xiàn)頁巖氣的快速、經(jīng)濟,、高效開發(fā)

3.1 勘探開發(fā)一體化是實現(xiàn)頁巖氣田高效,、快速開發(fā)的基礎

焦石壩頁巖氣勘探獲得重大突破后，按照勘探開發(fā)一體化工作思路,，勘探上甩開部署三口評價井,，揭示龍馬溪組底部深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖分布廣泛而穩(wěn)定和良好的含氣性，實現(xiàn)了對焦石壩構造主體頁巖氣分布的整體控制,，落實了頁巖氣規(guī)模開發(fā)的資源基礎,。在鉆井和壓裂施工過程中，為了提高工作效率和降低成本,，探索井工廠作業(yè)模式,，目前已實現(xiàn)了同一井臺兩口井同時施工、同一井臺一口井鉆井,、一口井壓裂等作業(yè)模式,，尤其是研發(fā)了滑軌式鉆井，實現(xiàn)了對同一井臺,、四口鉆井-水平井-壓裂的拉鏈式作業(yè),。

開發(fā)上，建立開發(fā)先導試驗區(qū),，通過不同水平段長度和壓裂段數(shù)開發(fā)試驗,，采用定產(chǎn),、大壓差兩種生產(chǎn)制度，評價最佳的鉆井水平段長度,、方位,、壓裂工藝技術、壓裂段數(shù),、壓裂規(guī)模,、單井產(chǎn)能等焦石壩頁巖氣規(guī)模有效開發(fā)的基本條件，為大規(guī)模頁巖氣開發(fā)積累經(jīng)驗,，為形成相對成熟的配套工程工藝技術系列奠定基礎,。

焦石壩頁巖氣在開發(fā)試驗區(qū)取得成功后，迅速在全區(qū)進一步開展氣藏規(guī)模及產(chǎn)能評價,，實施產(chǎn)能建設,，大大加快了頁巖氣勘探開發(fā)進度。在勘探開發(fā)的每個關鍵技術環(huán)節(jié),，均采用“學習曲線法”提高速度和效率,，以前需要幾年才能完成的工作，通過勘探開發(fā)一體化,，可能用不到一年的時間就可完成,。目前焦石壩氣田頁巖氣資源和儲量規(guī)模落實，開發(fā)實驗效果良好,，已確定了一期50×108m3產(chǎn)能建設方案并已有序?qū)嵤?，為實現(xiàn)焦石壩頁巖氣田的高效、快速開發(fā)奠定了堅實的基礎,。

3.2 精細高效的組織管理是實現(xiàn)頁巖氣可持續(xù)開發(fā)的關鍵

中國石化集團公司提出要按照高水平,、高速度、高質(zhì)量,、高效益的“四高”要求建設涪陵焦石壩頁巖氣田,。首先，加強組織機構建設,，成立了頁巖氣公司,，專門負責現(xiàn)場施工隊伍組織與管理、生產(chǎn)運行管理及企地關系協(xié)調(diào)等,，確保高效運行管理,。其次，強化制度建設,，圍繞“勘探開發(fā),、生產(chǎn)組織、現(xiàn)場管理,、投資成本,、安全環(huán)?！钡确矫妫到y(tǒng)制定或完善符合頁巖氣田建設的管理制度,，實現(xiàn)了涪陵T區(qū)各項工作有章可循,、有據(jù)可依、規(guī)范運轉(zhuǎn),。

同時,，加強標準化建設，全力推進“標準化設計,、標準化采購,、標準化施工、信息化管理”的四化建設,，全力打造國家級頁巖氣示范工程,。另外，作為中國第一個商業(yè)開發(fā)的大型頁巖氣田,，焦石壩氣田的建設也在探索一條符合頁業(yè)氣行業(yè)發(fā)展的機制,，積極向國家提出產(chǎn)業(yè)發(fā)展和政策建議，注重頁巖氣在民眾中的宣傳,，加強與地方合作,、共謀發(fā)展，吸引包括民營企業(yè)在內(nèi)的各方有技術優(yōu)勢企業(yè)參與到涪陵焦石壩頁巖氣田的開發(fā)中,。

4 啟示

1）與以美國為代表的北美地區(qū)相比，中國頁巖氣具有差異性,、特殊性和復雜性,，但這些都不能作為否定中國頁巖氣資源潛力和勘探開發(fā)前景的依據(jù)。要堅定信心,、創(chuàng)新思路,，樹立每一種頁巖都具有特殊性的理念，具體情況具體分析,，要加強研究探索,、勇于勘探實踐，逐步建立中國海相,、海陸交互相,、陸相等領域的頁巖氣地質(zhì)理論和勘探評價技術，爭取中國頁巖氣勘探開發(fā)的全面突破,。

2）礁石壩頁巖氣藏主力產(chǎn)層位于上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組碳質(zhì)頁巖,、硅質(zhì)頁巖中，頁巖氣產(chǎn)層是最優(yōu)質(zhì)的烴源層,，是真正意義上的頁巖氣,，說明海相頁巖氣具備經(jīng)濟規(guī)模有效開發(fā)資源條件,。頁巖氣富集受控于烴源條件、儲集條件和保存條件的優(yōu)劣及相互的配置,，在常規(guī)油氣發(fā)現(xiàn)較多的大盆地中尋找較厚的,、品質(zhì)優(yōu)的海相頁巖是主要的勘探方向。

3）長水平井,、多段壓裂技術是目前開發(fā)頁巖氣的主體技術,，快速掌握技術是決定頁巖氣田開發(fā)成效的關鍵之一。通過借鑒,、集成和研發(fā),，形成了適用性的中淺層海相頁巖氣鉆井工程技術和長井段分段壓裂的海相頁巖儲層改造技術。盆地深層蘊藏著豐富的頁巖氣資源,，但目前來看,，3500m以深的地區(qū)對水平井分段壓裂的技術要求很高，一旦突破技術瓶頸將解放一大批頁巖氣資源,。

4）與常規(guī)油氣相比,，頁巖氣是開發(fā)技術難度大、經(jīng)濟效益較差的資源,，降本增效是頁巖氣勘探開發(fā)過程中的主旋律,，需要在勘探開發(fā)一體化的工作思路指導下，統(tǒng)籌考慮勘探,、開發(fā),、生產(chǎn)、市場等各個環(huán)節(jié),，通過精細管理與科學組織,，實現(xiàn)頁巖氣的快速、高效開發(fā),，并在勘探開發(fā)實踐過程中通過不斷學習使管理方法不斷得到優(yōu)化和完善,。同時，頁巖氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要國家,、地方政府,、產(chǎn)業(yè)部門的支持配合乃至全社會的關心理解。（原載《石油與天然氣地質(zhì)》）