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含油气盆地深层—超深层油气勘探开发的科学技术问题.pdf
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1、2023 年 10 月第 47 卷 第 5 期 中国石油大学学报(自然科学版)Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)Oct.2023Vol.47 No.5收稿日期:2023-09-06基金项目:国家自然科学基金联合基金项目(U22B6002)第一作者及通信作者:贾承造(1948-),男,中国科学院院士,博士,博士生导师,研究方向为构造地质学、石油地质学和油气勘探。E-mail:jiacz 。文章编号:1673-5005(2023)05-0001-12 doi:10.3969/j.issn.1673
2、-5005.2023.05.001含油气盆地深层超深层油气勘探开发的科学技术问题贾 承 造(中国石油天然气集团有限公司,北京 100007)摘要:中国已在深层超深层油气勘探取得巨大进展,成为陆上深层超深层油气勘探生产大国。目前中国油气勘探已全面进入“深层、深水、非常规”的历史阶段,深层超深层油气资源具有巨大潜力,是中国今后石油工业发展的重要领域。需要深刻认识含油气盆地深层超深层油气勘探开发的科学技术问题。本文中回顾了中国深层超深层勘探成果,从地质科学与工程技术两个方面提出研究方向。地质科学问题:深层超深层储层特征与形成机制;深层超深层勘探目标的地质类型;深层超深层油气成藏机制与油气藏类型;深层
3、超深层构造变形与地质力学、岩石力学机制;超深层流体特征与流-固作用机制;超深层油气资源的特点与评价方法。工程技术问题:万米钻机的大规模工业化推广;612 km 深度物探装备研发;高温高压测井技术研发;深层超深层压裂技术装备研发。关键词:深层超深层;地质科学问题;工程技术问题中图分类号:TE 1 文献标志码:A引用格式:贾承造.含油气盆地深层超深层油气勘探开发的科学技术问题J.中国石油大学学报(自然科学版),2023,47(5):1-12.JIA Chengzao.Key scientific and technological problems of petroleum exploration
4、 and development in deep and ultra-deep formationJ.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2023,47(5):1-12.Key scientific and technological problems of petroleum exploration and development in deep and ultra-deep formationJIA Chengzao(China National Petroleum Corporation
5、,Beijing 100007,China)Abstract:The rapid development of deep and ultra-deep hydrocarbon exploration has positioned China as a major player in onshore deep to ultra-deep petroleum exploration and production.Currently,Chinas oil and gas exploration has entered a historical stage characterized by“deep
6、formations,deep water,and unconventional”.Deep and ultra-deep oil and gas reser-voirs hold immense potential and are of critical importance for the future development of Chinas petroleum industry.To ad-dress the challenges and opportunities presented by these resources,it is essential to have a comp
7、rehensive understanding of the scientific and technological issues related to deep to ultra-deep oil and gas exploration and development.This work re-views the successful endeavors of deep to ultra-deep exploration in China and proposes research directions that encompass both geological science and
8、engineering technology.Geological science directions:Deep to ultra-deep reservoir characteris-tics;Geological types of exploration targets;Formation mechanism and types of oil and gas reservoirs;structural deformation and geo-mechanics,rock mechanics mechanism;Characteristics of ultra-deep fluid and
9、 fluid solid interaction;Characteristics and evaluation methods of ultra-deep oil and gas resources.Engineering issues:The large-scale drilling rig capable of reac-hing depths of 10 000 meters or more;Research and development of geophysical exploration equipment capable of operating at depths rangin
10、g from 6 to 12 km;High-temperature and pressure logging technology development;Research and develop-ment of deep to ultra-deep fracturing technology and equipment.Keywords:deep and ultra-deep formation;geoscience problem;engineering problem 随着全球油气勘探理论、技术与装备的进步,全球深层超深层油气勘探开发呈现出加快发展的态势,2000 年以来全球在深层超深
11、层发现油气藏数量显著增长1。中国深层超深层油气勘探取得巨大进展,已经是陆上深层超深层油气勘探生产大国2。中国油气勘探已全面进入“深层、深水、非常规”的历史阶段。深层超深层的油气资源具有巨大潜力,是中国石油工业上游今后发展的一个重要和主要领域。深刻认识含油气盆地深层超深层油气地质的规律和地质特点,解决深层超深层勘探开发的科学技术问题,是今后勘探开发的重要方向。美国地质调查局(USGS)将深度超过 4 572 m的天然气定义为深层天然气资源(deep gas re-sources),将深度超过 7 620 m 的天然气定义为超深层天然气资源(ultra-deep gas resources)3。中
12、国油气勘探实践中,由于地势上存在“西高东低”的三级阶梯状分布特征,东部盆地与西部盆地的地温梯度存在巨大差异。因此中国学者们将东西部含油气盆地的“深层”“超深层”概念进行区别定义:认为在东部平原及沿海地区,“深层”对应深度为 3 500 4 500 m,“超深层”为大于 4 500 m;在西部地区,“深层”对应深度为 4 5006 000 m,“超深层”为大于 6 000 m4-5。深层超深层油气勘探发展迅速,深层超深层油气资源是近十年全球探明储量的增长主体6-7,勘探过程中不断突破有效资源深度下限。20082018 年,全球在 4 000 m 以深地层新增油气探明储量 234 亿 t 油当量,
13、超过同期全球新增油气储量的 60%,油气钻探最大深度达到 12 869 m8。中国深层超深层油气资源潜力巨大,但探明程度低,是未来油气勘探开发的重要现实领域9。根据 2015 年全国油气资源评价结果,中国深层超深层油气资源达 763 亿 t 油当量,占到全国油气资源总量的 35%,但目前探明程度不到 15%,依然存在巨大的勘探潜力。深层超深层已经是中国现在和未来的一个主要勘探领域。深层超深层油气藏具有其特殊的地质背景,地质条件十分复杂。具有埋深大10、温度高11、相态复杂12,存在异常压力13等特征,有着其独特的成岩、成储、成藏机制。中国面临着深层超深层油气勘探开发的种种问题。深刻认识含油气盆
14、地深层超深层油气勘探开发的科学技术问题对中国的油气资源勘探开发具有重要意义。因此笔者回顾中国部分深层超深层勘探成果,解剖 4 个深层超深层勘探的实例,提出含油气盆地深层超深层地质科学问题与工程技术问题与研究方向。1 中国深层超深层勘探成果1.1 塔里木盆地富满顺北奥陶系盆地类型为克拉通盆地深层碳酸盐岩层系,深度可达8 0009 000 m,储层主要为断层裂缝体系和碳酸盐岩孔洞储层,属于超压、裂缝性油气藏,以轻质油、凝析油气为主。塔里木盆地寒武系奥陶系海相碳酸盐岩分布面积超过 40 万 km2,厚度超过 3 000 m,油气资源十分丰富14-15。塔里木盆地深层碳酸盐岩油气勘探历经“潜山构造礁滩
15、相控层间岩溶断控缝洞体”4 个阶段16-17。自 1988 年轮南 1 井首次在塔北隆起发现奥陶系碳酸盐岩油气藏以来,相继发现富满、顺北等亿吨级大型油气田18。2014 年,跃满 3 井获得高产工业油气流,拉开富满地区大规模勘探开发的序幕,随后在富满油田范围内连续多年的勘探实践持续获得新发现19。20152016 年,针对顺北 1 号断裂带部署的 6 口钻井全部获得高产工业油气流,宣告顺北大型油气田的发现20。目前塔里木盆地在富满顺北 6 0008 200 m 奥陶系已经取得重大勘探成果(表 1)。建立走滑断裂“控储、控藏、控富集”成藏模式,批量井获日产千吨高产。富满区块已探明储量 1.5 亿
16、 t、控制储量 1.66 亿 t、预测储量 2.15 亿 t;顺北区块探明储量 3.2 亿 t,落实储量 10 亿 t 资源阵地,2021 年产油 280 万 t。已形成两个 10 亿 t 规模储量原油场面。表 1 塔中-塔北地区奥陶系勘探部分井产量统计Table 1 Production statistics of some Ordovician exploration wells in Tazhong-Tabei area井名层位日产油/m3日产气/104m3满深 1 井奥陶系62437满深 2 井奥陶系1458.1满深 3 井奥陶系1 61052满深 4 井奥陶系85144英西 1 井奥
17、陶系1500.252中国石油大学学报(自然科学版)2023 年 10 月1.2 塔里木盆地库车大北克拉苏构造带盆地类型为前陆冲断带陆相深坳陷,深度可达6 0008 000 m,储层为裂缝改造的致密砂岩储层,属于超压裂缝性致密砂岩气藏,以湿气为主。作为中国“西气东输”的重要气源地,克拉苏构造带位于塔里木盆地库车坳陷北部,其盐下主力储层为下白垩统巴什基奇克组,是一套埋深介于 6 0008 000 m,以细砂岩、中砂岩为主的三角洲沉积建造21。储层平均孔隙度介于 2%8%,其渗透率为(0.0010.1)10-3 m2,地层压力高达 150 MPa,地层温度高达 190 22。克拉苏构造带高产井裂缝普
18、遍发育,其渗透率可达 2010-3 m2,裂缝对储层的渗透率起到主要贡献23。流体测试结果表明,其产出流体甲烷含量高(体积分数平均可达 85%),非烃类气体含量低(体积分数平均约为 3%),不含硫化氢,具有密度低、黏度低的特征,属于典型的凝析气藏24。目前塔里木盆地库车前陆冲断带深层盐下大北克拉苏构造带新发现 18 个大中型油气藏,发展前陆冲断带深层天然气聚集理论与勘探技术,并于库车8 000 m 超深层发现 2 个万亿 m3规模大气田,探明天然气地质储量 4 436 亿 m3、凝析油 730 万 t。克深8 井区中 10 口井单井日产均超百万立方米。其中克深 9 井完钻井深 7 550 m,
19、单井测试日产 110104 m3(图 1)。图 1 拉苏构造带克深 9 井、克深 202 井和克深 203 井典型气藏剖面(据文献25)Fig.1 Typical gas reservoir profile through well Keshen 9,well Keshen 202 and well Kela 203 in the Kelasu structural belt(After citation25)1.3 四川盆地安岳特大型气田盆地类型为克拉通盆地古老碳酸盐岩,储层主要为碳酸盐岩孔-洞储层,属于超压、高孔、高渗常规气藏,并以干气为主。四川盆地作为中国现代天然气工业的摇篮,也是世界上
20、最早开发利用天然气的地区25。2020年,四川盆地常规天然气年产量超过 300 万 m3,其中深层碳酸盐岩气藏天然气总产量超过 250 万 m3,占到四川盆地常规天然气总产量的 80%以上26。2011 年以来,位于四川盆地中部的安岳气田在寒武系龙王庙组与震旦系灯影组相继获得重大勘探突破,成为中国目前已发现的最大的整装碳酸盐岩气藏27-28。安岳气田主要层系为震旦系灯影组与寒武系龙王庙组,埋深超过 4 600 m(图 2),属于古老的深层碳酸盐岩气藏29-30。目前四川盆地安岳特大气田累计探明地质储量1.47 万亿 m3,形成古老碳酸盐岩天然气勘探开发技术,已建成 170 亿 m3产能。1.4
21、 渤海湾盆地渤中 19-6 凝析气田盆地类型为中新生代裂谷盆地,储层深度达4 5005 500 m,属于太古界基岩潜山裂缝性储层,是富含油的裂缝性超压凝析气藏。作为中国东部典型的裂谷盆地,渤海湾盆地断裂发育导致前新生界基底的差异性沉降,同时发育多个古潜山构造。中国海洋石油集团有限公司从20 世纪 70 年代开始一直坚持对潜山进行探索,但在早期没有大的突破,仅发现一些中小型油气田。2005 年以来转变勘探思路,认识到构造破碎和风化淋滤可能是太古界潜山优质储层的主控因素,勘探目标转向断裂活动区域。2015 年,人们针对深层超深层潜山开展探索,认为深层的太古界变质岩在多期次构造作用下具有形成优质裂缝
22、型储层的优势条件31。2019 年,渤海天然气勘探获得巨大突破,渤中3第 47 卷 第 5 期 贾承造:含油气盆地深层超深层油气勘探开发的科学技术问题凹陷 B19-6 气田测试获得优质高产油气流,渤海湾盆地发现首个整装千亿立方米凝析气田,一举打开渤海湾盆地深层天然气勘探的新领域(图 3)。目前渤中 19-6 新增天然气探明地质储量 1 570.93 亿m3、凝析油探明地质储量 1.42 亿 t。其主要储层类型为基岩潜山裂缝性储层。渤中 19-6 凝析气田经历“先油后气、浅成深埋、局部调整改造”的油气富集过程32,在地层压力、温度升高时,地层内早期充注的原油在晚期充注的天然气中的溶解度升高,并在
23、地层温度压力条件达到露点及以上后形成如今富油的凝析气藏33。图 2 安岳气田地层剖面Fig.2 Stratigraphic profile of Anyue gas field图 3 渤中凹陷渤中 19-6 凝析气藏剖面(据文献32)Fig.3 Horizontal profile showing distribution of BZ19-6 gas codensate field(After citation32)塔里木盆地富满顺北奥陶系、塔里木盆地库车大北克拉苏构造带、四川盆地安岳特大气田以及渤海湾盆地渤中 19-6 大气田的成功发现标志着中国深层超深层油气勘探已取得较大成果。中国深层超深
24、层油气类型主要为裂缝性油气藏以及高孔、高渗常规气藏,流体特征主要为轻质油、凝析油、湿气、干气;普遍表现为超压(表2)。2 含油气盆地深层超深层地质科学问题2.1 深层超深层储层特征与形成机制勘探实践表明,深层超深层存在优质储层,成储是深层超深层勘探的关键问题,储层的形成与保持机制也是学界关注的热点问题34。深层超深层可分为两大类:第一类为碳酸盐岩孔洞型储4中国石油大学学报(自然科学版)2023 年 10 月层,是主要的优质储层;第二类为裂缝性储层,同样也是优质的储层。在裂缝性储层中,裂缝不仅是油气渗流的通道,同时也是油气赋存的主要储集空间。如裂缝在富满大北地区是主要的储集空间35,而库车深层的
25、裂缝则大幅度改善储层渗透率36。表 2 中国主要深层超深层勘探成果地质特征Table 2 Geological characteristics of major deep-and ultra-deep exploration results in China勘探成果盆地类型深度/m储层特征油气藏类型流体特征压力特征塔里木盆地富满顺北奥陶系克拉通盆地深层碳酸盐岩层系8 0009 000断层裂缝体系裂缝性油气藏轻质 油、凝析油气超压塔里木盆地库车大北克拉苏构造带前陆冲断带深坳陷6 0008 200裂缝改造致密砂岩裂缝型致密砂岩气藏湿气超压四川盆地安岳特大气田克拉通盆地古老碳酸盐岩层系4 6005
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