第1章页岩油勘探进展与研究现状
页岩油是指赋存于富有机质页岩层系中的石油。富有机质页岩层系烃源岩内粉砂岩、细砂岩、碳酸盐岩单层厚度不大于5m，累积厚度占页岩层系总厚度的比例小于30%。页岩油无自然产能或低于工业石油产量下限，须采用特殊工艺技术措施才能获得工业石油产量[《页岩油地质评价方法》(GB/T38718—2020)]。依据泥页岩热演化成熟度，将页岩油划分为低熟和中高熟页岩油。北美页岩油的成功勘探开发，引发了国内外石油地质学者及勘探专家的广泛关注，使页岩油成为全球非常规油气资源勘探开发的热点。
1.1勘探进展
从大区上来看，页岩油盆地在全球范围内主要分布在北美和欧亚大陆。根据美国能源信息署(EIA)和美国先进资源国际公司(ARI)数据，截至2017年底，全球页岩油地质资源总量为9368.35亿t，技术可采资源量为618.47亿t，其中超过20%分布在北美地区，其次是俄罗斯，其页岩油技术可采资源量为101.77亿t；我国排行第三(技术可采资源量为43.93亿t)，阿根廷位居第四(技术可采资源量为36.83亿t)。从时间上来看，早志留世、晚泥盆世、晚石炭世—早二叠世、晚侏罗世、白垩纪、渐新世—中新世6个时期，页岩在全球范围内广泛沉积，6套富有机质页岩层系形成的油气资源占全球总资源的90%(邹才能等，2015)。从构造背景看，主要沉积在拉张作用下形成的被动大陆边缘盆地和裂谷盆地内(邹才能等，2023)。目前，富有机质页岩层系油气勘探开发的热点地区在美国和中国，美国已实现规模化商业开发，中国正处于工业化起步阶段。
1.1.1国外页岩油地质特征及勘探开发进展
1)北美页岩油
美国是世界上*个实现页岩油商业化开发的国家，2019年美国页岩油产量占石油总产量的63%，使页岩油成为其常规油气资源的重要接替类型之一。页岩油的成功开发，使世界石油市场格局发生了巨大变化。全美的页岩油资源分布呈现东多西少、主要赋存区占主导、其他区域零星分布的特点，其页岩油资源主要分布于威利斯顿盆地巴肯(Bakken)区带，墨西哥湾盆地伊格尔福特(EagleFord)区带，二叠盆地博恩斯普林(BoneSpring)、沃尔夫坎普(Wolfcamp)和斯普拉贝里(Spraberry)区带等，总技术可采储量高达2.62×1010t，是近年来美国页岩油勘探开发的热点地区。
美国页岩油的发展历程包括三个阶段：探索发现、认识与技术突破和快速增长期，时间节点分别是2000年和2007年左右。2000年以前是美国页岩油的探索发现阶段，该阶段始于20世纪50年代威利斯顿盆地Bakken区带，以寻找泥岩裂缝油藏为目标，页岩油年产量不到10万t，1953年在Bakken组上段发现了美国**个页岩油藏安蒂洛普(Antelope)油田。至20世纪90年代，随着水力压裂和水平井技术的不断成熟，美国页岩油勘探开发增加，但受油价和产量预测影响并没有形成规模产能，此阶段为美国页岩油认识与技术突破阶段。2007年以后，随着水平井和水力压裂技术成功应用，页岩油产量得以迅速提高，2007年年产量*次突破100万t，揭开了美国页岩油开发的新篇章。随着页岩油钻探活动在多地展开，美国页岩油产量进入快速增长期。2011年，美国页岩油年产量*次突破5000万t，2012年达到1亿t，2014年达到2亿t，2018年突破3亿t。2020年初，美国结束70多年的石油净进口历史，成为石油净出口国(EIA，2020)。
威利斯顿盆地Bakken区带是美国第二大页岩油产区，纵向上可分为上、中、下三段，呈典型的“三明治”结构。其中，中段碳酸盐岩层是主力产层，厚度近50m，孔隙度为8%～12%；上段和下段为暗黑色泥岩，Ⅰ型有机质，有机质成熟度Ro为0.60%～0.90%，大部分地区至今仍处于生油高峰期，发育超压。墨西哥湾盆地EagleFord区带页岩油主要产自上白垩统EagleFord组富有机质海相页岩，分上、下两段，下段富有机质钙质泥岩，是主要的勘探目的层，Ro为0.45%～1.40%，高于Bakken页岩。EagleFord区带页岩油气分布平面分带性明显，从西北到东南形成黑油、湿气/凝析油和干气三个类型的烃类成熟度窗口(Donovan et al.，2016)，气油比逐渐变高。EagleFord区带含有大量的碳酸盐，脆性较强，有利于水力压裂。目前EagleFord区带的页岩油产量主要来自Ro为1.10%～1.30%的、与湿气伴生的轻质油和凝析油(黎茂稳等，2019)。二叠盆地是近几年美国页岩油产量增长*快的地区，其页岩油产量占美国页岩油总产量的53%，主要产自Spraberry、Wolfcamp和BoneSpring区带，是美国页岩油勘探开发的热点。其中，Wolfcamp区带潜力*大，为二叠盆地页岩油的主力来源。二叠盆地多套烃源岩目前均处于生油阶段，既有通过侧向运移和垂向运移形成常规油藏的良好条件，又有向紧邻致密储层形成致密油的物质基础，具备丰厚的页岩油资源潜力(周庆凡等，2019；李倩文等，2021)。
2)俄罗斯页岩油
与北美页岩油勘探开发进度相比，俄罗斯页岩油勘探开发起步较晚，在2012年底俄罗斯能源部拟定了加入全球页岩革命的发展计划，2013年政府有关部门出台了税收减免政策，鼓励开采页岩油，但2014年之后受国际因素影响页岩油勘探开发被延迟。目前各机构对俄罗斯未来页岩油的产能预测不同，俄罗斯联邦自然资源和生态部预估到2030年可年产8.4×107t页岩油，碧辟(bp)预测到2035年可年产4.0×107t页岩油(王京和刘琨，2017)。
俄罗斯的页岩油资源分布广泛，赋存于西西伯利亚地台的巴热诺夫组、东欧地台的多马尼克(Domanik)地层、东西伯利亚深层页岩、北高加索哈杜姆页岩地层及贝加尔周源、俄罗斯东北部及远东地区等。其中，西西伯利亚地台的巴热诺夫组和东欧地台的多马尼克地层是主力页岩油开发对象，其为与北美地质条件相似的海相沉积，页岩油区可采资源总量大，具备大规模开发利用的基础设施和外部环境，是未来开发利用的重要潜力区(梁新平等，2019)。巴热诺夫组主要岩性为硅质泥页岩，分布于上侏罗统—下白垩统，平均厚度为30m，总有机碳(TOC)含量平均为7%，有机质类型以Ⅰ－Ⅱ型为主，成熟度Ro介于0.5%～1.1%；多马尼克页岩油层系为硅质/含硅的泥质石灰岩，厚度介于100～600m，TOC含量介于0.5%～24%，有机质类型以Ⅰ－Ⅱ型为主，在伏尔加—乌拉尔盆地中北部成熟度Ro介于0.5%～1.5%，而在南部靠近滨里海地区以生气为主。2016年对巴热诺夫组146口垂直井进行测试，在活跃天数范围内日产油流量10.8t；对36口水平井进行测试，在活跃天数范围内平均日产油流量7.5t。俄罗斯天然气工业股份有限公司2018年成立巴热诺夫技术中心，目前已将水力压裂时间减少了50%，单位生产成本减少了40%。在俄罗斯开发页岩油资源享受矿产开采零税率，不少油田地质资料充分、相互之间距离不远且基础设施完善，有关机构对其未来实现页岩油商业化开采持乐观态度(梁新平等，2019)。
1.1.2国内页岩油勘探进展
1970年以来，我国不少盆地在钻探过程中偶然发现裂缝型页岩油藏，但并没有给予足够重视。受北美页岩油成功勘探的启示，2011年以来我国加大了对页岩油的勘探开发力度。我国陆相页岩油资源丰富，主要分布在松辽、渤海湾、准噶尔、鄂尔多斯等陆相盆地，分布面积约28万km2；纵向上页岩油主要分布在古近系、白垩系、侏罗系、三叠系和二叠系五套层系中(图1-1)，初步估算中国页岩油技术可采资源量为30亿～60亿t。
图1-1中国典型页岩油盆地富有机质页岩地层分布(王倩茹等，2020)
1)松辽盆地古龙凹陷
松辽盆地白垩系青山口组一段(简称青一段)为厌氧还原条件下的深湖—半深湖沉积，在底部发生过海侵作用，在青山口组二段、三段(简称青二段、青三段)沉积时期湖盆急剧减小，分布范围变小。青山口组暗色泥页岩厚度为100～550m，平均TOC含量高于2%，有机质类型主要是Ⅰ型和Ⅱ1型，成熟度Ro在0.5%～1.6%，处于低熟—成熟阶段(柳波等，2014a；何文渊等，2023)，是大庆油田和吉林油田*重要的烃源岩和页岩油富集层段。特别地，古龙凹陷页岩具有特殊的地球化学和油品性质(丰度高、成熟度跨越范围大、高气油比)、储集空间体系(有机孔、无机孔双重孔隙系统)及可压性标准(中成岩晚期黏土脆性增强)等特征，已成为松辽盆地页岩油勘探开发的*要对象(孙龙德，2020)。
大庆油田页岩油探索已有近40年的历史，经历了发现探索、研究认识和试验突破三个阶段(王广*等，2020)。1981年，针对古龙凹陷泥岩裂缝型油藏，采用常规原油勘探理念与开发技术，钻探了*口发现井(Y12井)，在青一段、青二段获得日产油3.8t、日产气441m3的工业油气流。1997年钻探了该区的**口页岩油水平井——GP1井(未压裂)，日产油1.51t，产油效果不理想。自2011年开始大庆页岩油进入研究认识阶段，应用致密油勘探理念与开发技术，瞄准互层型与夹层型页岩油，开发对象为页岩层系中的薄砂层。而后在2018年，大庆油田持续加大页岩油探索力度，探索页岩油勘探理念与开发技术，进入试验突破阶段。优化部署了GY1、YX57和C21等18口直井，日产油1.36～6.72t，其中古龙凹陷青一段下部为轻质油带，地层厚度50～60m，横向分布稳定，面积2326km2。此外，针对青一段页岩优势甜点层部署实施了SYY1HF、SYY2HF、GYYP1和YY1H四口水平井(杨建国等，2020)。其中GYYP1井位于松辽盆地中央拗陷区古龙凹陷深部位，以青一段下部页理型页岩为甜点靶层，获得日产油13.5t、日产气6100m3的高产工业油气流。GYYP1井高产标志着纯页岩型页岩油获得重要突破，展现了陆相页岩油广阔的资源前景(孙龙德等，2021)。
2)渤海湾盆地济阳拗陷
济阳拗陷为中国东部新生代典型富油陆相断陷盆地，页岩油在东营、沾化、车镇、惠民等凹陷均有分布，层位上以古近系沙河街组沙四上亚段、沙三下亚段及沙一段3套页岩层系发育(图1-2)。济阳拗陷页岩油为半深湖—深湖相富有机质、富碳酸盐页岩中富集的中—低与中—高热演化成熟度并存原油，页岩分布广、层系厚、层理发育、高碳酸盐含量为其显著特点(碳酸盐含量平均超50%)。富有机质页岩以中、低热演化成熟度为主，无机孔隙发育，以产油为主，原油密度较高。页岩层系地层压力高，压力系数一般为1.2～2.0，自然能量充足，日产量高。在近10年的攻关研究和勘探实践过程中，济阳拗陷在东营、沾化等凹陷取得了多个层系、多种类型页岩油的突破，展示了济阳拗陷页岩油良好的勘探前景(孙焕泉，2017；宋明水等，2020；刘惠民，2022)。
济阳拗陷页岩油勘探经历了从认识—实践到再认识—再实践不断探索的过程，其勘探有近50年的历史，可分为勘探偶遇、主动探索、创新突破三个阶段(图1-3)。前已述及，在20世纪70年代，济阳拗陷页岩油勘探以偶然发现为主，当时称之为裂缝型油藏(董冬等，1993)，受当时地质认识局限性，以及常规直井勘探技术、预测方法不适应性的影响，泥页岩裂缝型油藏预测难度大，页岩油勘探并未有实质性进展，尚未建立完善的评价方法体系，加之常规油气发现层出不穷，页岩油钻探计划遂被搁浅。而后受北美海相页岩油气成功勘探开发的启示，从2006年开始加快了济阳拗陷页岩油的专题研究与勘探步伐，在老井复查的320余口探井的泥页岩中见油气显示，各凹陷、多层系均见工业性油气流，以此基本明确了济阳拗陷页岩油较大的勘探潜力与方向。2012年左右，中国石油化工集团有限公司(简称中国石化)先后部署L69、FY1、NY1、LY1四口系统取心井，累计取心1010m，并开展上万块(次)样品系统测试分析，为推进济阳拗陷页岩油基础地质研
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