赵文智院士:陆相页岩油革命——主攻方向路径清晰 前景值得期待

2020/10/18 信息来源:



赵文智,中国工程院院士。石油地质与油气勘探专家。从事中国陆上主要含油气盆地油气成藏理论技术研究与勘探实践。研究提出的富油气凹陷“满凹含油”论、有机质“接力成气”、岩性油气藏大面积成藏和中低丰度天然气大型化成藏理论以及叠合含油气盆地“多勘探黄金带”等新认识,推动在多个前人尚少涉足勘探的新领域实现突破,发现多个大型油气田。

获国家科技进步一等奖1项,国家科技进步二等奖3项,省部级科技进步(创新)一等奖8项,部级油气重大发现奖1项。获李四光地质科学奖、中国石油“杰出科技工作者奖”、孙越崎能源大奖、何梁何利科技创新奖。出版专著8部、发表论文230余篇。  


9月11日,习近平总书记在科学家座谈会上的讲话中,明确提到“石油对外依存度达到70%以上,油气勘探开发、新能源技术发展不足”。在中美对抗大背景下,国家油气供应安全形势愈发严峻。当前,确保国内原油年产2亿吨的安全底线,已成为我国油气行业竭尽全力力保的生命线。

美国依靠页岩油气革命的成功大幅度提高了国内油气生产自给能力,并于2019年成为油气净出口国,从而深刻改变了全球能源供应格局与地缘政治形势。我国页岩油气资源丰富,其中海相页岩气已顺利实现工业开发,2019年产量达到154亿方,为我国加大天然气在一次能源供应中的比重做出重要贡献。我国陆相页岩油资源也十分丰富,能否对确保原油2.0亿吨稳产,甚至在2.0亿吨基础上实现规模上产发挥有力支撑作用?为此,就我国陆相页岩油发展前景与未来地位等话题,笔者专访了中国工程院赵文智院士。



笔者:美国页岩油气革命成功的主要原因有哪些?我国是否可以照搬美国页岩油气革命的模式?

赵文智:美国页岩油气革命的成功原因有四点:一是基础研究超前走的早,美国政府在页岩油气革命发生以前的20多年里一直投入支持从事页岩油气基础研究,这为后来页岩油气资源开发在“甜点”选区标准制定与先进适应性技术突破方面奠定了重要基础;二是关键技术选得准,技术创新实用而有效,寻找到水平井加水力压裂这一解决页岩油气开发的最佳技术组合;三是甲乙方通力合作,对开发成本控制好;四是中小企业家面对资源新领域勇于闯天下的胆识和行动。


从技术层面看,美国推动页岩油气革命的关键技术有两个,一是长井段水平井钻井技术的突破,大大增加了钻孔在富页岩油气层段穿行的距离,就等于增加了油气层厚度;二是多段水力压裂技术的突破,可以大规模打碎页岩地层,为油气从页岩地层流入井孔创造了条件,不仅增加了单井产量,而且可以扩大单井累计采出油气量的规模,这些对改善页岩油气资源经济性发挥了重要作用。从政策层面看,美国政府对页岩油气生产给予了大力支持,从而吸引了众多油气生产商进入此领域,产量得以快速提升。


中美两国的页岩油类型不同,资源品质也有很大差异,发展模式也有不同,比如美国页岩油气革命首先是由中小企业开启了成功之路,而中国则主要依靠大型油气企业的参与和引领。但发展路径应该大同小异,就是对这样一个全新的资源领域,前期研究一定要有国家的政策扶持和资金投入支持。此外,要有在超前基础研究支撑下的技术创新甚至革命。在此基础上,还要有业界的高瞻远瞩,即面对这一新资源要给予积极的探索,努力寻找把资源变为现实产量的可行途径。


中国的陆相页岩油包括三大部分,其中埋藏深度小于300米的称为油页岩油,这是可以通过地面干馏的方式开采的一类资源。对其资源潜力与未来开发利用地位,目前还有争议,一是含油丰度下限的取值将决定油页岩油资源总量的大小,显然,下限取值偏低,如油页岩含油率下限取3%-5%,则资源量巨大;反之,如果把含油率下限标准提高到8%-10%,则资源量就比较小。此外,油页岩层的集中性与分散性,也对资源的可利用性与规模有重大影响,如果页岩层很薄,且多层分散,即便含油率高也很难经济开发。唯有单层厚度大、分布有一定规模且含油率高的油页岩才可能投入经济开发利用。从这一点来说,油页岩油的资源总量就比较有限。


页岩油是指埋藏深度大于300米的页岩层系多类有机物的统称,包括石油烃、沥青和尚未转化的有机质。按照有机质热成熟度的高低,又分为中低成熟度页岩油和中高成熟度页岩油两大类。


中低成熟度页岩油是指有机质物在地下温度和压力不够高的环境中,只有一小部分易转化有机物发生了向石油烃的转化,大部分有机物因温度不够高并没有发生转化,而且因为温度不高,已转化的石油烃分子比较大,轻烃组分比较少。所以,一是石油烃的数量不够多,二是油质比较稠,流动性比较差。不能利用现有成熟的工程技术进行开采,而需要地下人工加热的办法对不同类型有机物进行“降质改造”,即把未转化的固体有机物变成石油和天然气,把重质组分转化为轻质烃类(如汽油、煤油和柴油等)。据初步评价,我国中低成熟度页岩油采收率较高(可超过50%),所以资源总量巨大,一旦技术成熟,将带来我国石油工业的一场革命,我们称之为陆相页岩油革命,可以与美国的海相页岩油革命相媲美。


中高成熟页岩油是指地下温度、压力比较高,埋藏时间比较长,已经使大部分有机质发生了向石油烃的转化,同时也伴随产生了相当多的天然气,但这些石油和天然气并没有从页岩中排出来,而是滞留在页岩中,只要滞留烃数量足够大,就可以利用水平井加体积压裂技术把油气采出来。


中高成熟度页岩油能不能实现经济开采,需要具备三个条件:一是单井日产油量要达到经济标准;二是单井累计采出的油量也要有经济性,就是采出的油气经销售以后的收入要大于该井钻完井所投入的总费用;三是有经济性的页岩油分布范围要达到一定规模,以支撑建设最小的经济产量并稳产8-10年以上。


满足上述条件的中高成熟度页岩油称为页岩油“甜点”区。应该说页岩油“甜点”区的范围并不广泛,加之中高成熟度页岩油的采收率普遍低于10%(多数在6%-8%),所以尽管我国中高成熟度页岩油的地质资源量比较大,但经济可采总量却比较有限。从目前已有的试采资料看,中高成熟度页岩油对支撑我国原油年产2.0亿吨有很好的现实性,但贡献的产量份额不够大,难担当上产主力。



笔者:中国陆相页岩油革命的内涵是什么?

赵文智:与美国不同,我国陆相页岩油革命的实现需要中高成熟度页岩油与中低成熟度页岩油的接续发展,其中中高成熟度页岩油现实性好,可以依靠成熟的水平井和体积压裂技术实现有效开发利用,但规模有限。中低成熟度页岩油资源潜力巨大,但现有技术的稳定性和适应性还有待先导试验验证,目前还有不确定性。一旦技术取得突破,将带来原油产量的大规模增长,对保国家油气供应安全将发挥重大作用。因此,实现陆相页岩油革命的主体是中低成熟度页岩油。总体看,我国陆相页岩油革命一旦发生,将具有四方面内涵:


一是资源类型的革命—从“人工油藏”迈向“人造油藏”。


中高成熟度页岩油的开发思路与美国无异,即依靠改变地下流体渗流环境和补充地层能量,在“甜点”内形成高渗透流动通道,即人工改造油藏。


中低成熟度页岩油开发的关键是采用人工加热改质的方法,就是在地下把页岩加热到350℃-450℃,使页岩中滞留的多类有机物发生降质改造,形成轻质油和天然气并采至地表,是真正意义上的“人造油藏”。一旦经先导试验证实技术的可行性和经济性,我国原油产量将在现有产量基础上大规模增长,对改善我国油气供应安全形势发挥关键作用。


二是开采技术的革命—从“水平井+体积压裂”迈向“地下原位转化”。


中高成熟度页岩油的开发可以照搬页岩气开发的成功技术和经验,即通过水平井钻井提高井筒与含页岩油地层的接触面积,通过水力压裂技术形成复杂人工缝网,提高地层内页岩油向井筒的流动能力和规模,最大限度提高单井产量。


中低成熟度页岩油的开发则需要地下原位转化技术,这是和现有的水平井和多段压裂技术完全不同的一类全新技术,包括了小井距磁定位钻井、井下加热工具、均匀升温控制系统等。目前,直井原位转化技术已基本成熟,并在国外已有成功先例,深度大于2000米的水平井地下原位转化尚无先例,但相关工具都是成熟的,就待先导试验予以证实。这套技术一旦成功,将带来页岩油地下原位转化的技术革命。


三是开发方式的革命—从地上“井工厂”迈向地下“油炼厂”。


当前,中高成熟度页岩油的开发普遍采用“井工厂”的方式,即利用一个作业平台完成多口水平井的钻完井,达到降本增效的目标。


中低成熟度页岩油的开发除利用“井工厂”技术完成钻完井外,还需要在地下建立“油炼厂”,通过人工升温对页岩中的多类有机物进行降质改造,也就是把固体有机物变成液态石油烃,把重质石油烃变成轻质石油烃和天然气。这一过程可以同时增加地层中的能量并改善页岩的渗透流动能力。整个地下对油气的“炼制”和采出过程无需水力压裂,可以节省大量的水资源,并把地下有机质改质过程中产生的焦沥青、二氧化碳和部分硫化氢等污染物留在地下,从而实现油气的绿色开采,这对于我国生态基础薄弱的中西部地区油气生产而言是走向与环境和谐发展的重要方向。


四是资源地位的革命—从“保2亿吨原油稳产”迈向“大规模上产”。


我国中成熟度页岩油的开发已经起步,2019年发现庆城大油田并快速建成年产页岩油百万吨的国家开发示范基地,“十四五”将是我国陆相页岩油快速发展期。对于缓解我国日益严峻的油气供给形势和保持我国原油2.0亿吨稳产有重要意义。但中高成熟度页岩油产量规模不会太大,在我国原油2.0亿吨产量中占比不会超过10%,甚至可能低于5%。


中低成熟度页岩油地下原位转化技术有望在“十四五”期间完成先导试验并向工业化生产迈出关键一步。同时关键装备的国产化也在积极推进中,一旦先导试验成功,中低成熟度页岩油产量将在“十五五”期间大规模增长,那时我国原油对外依存度将大幅降低,值得期待。



笔者:当前制约我国页岩油产业发展的瓶颈问题有哪些?如何破解?

赵文智:我国中高成熟度页岩油的开发已经取得较好突破和进展,但在开采成本、单井累计采出量、关键技术装备国产化等方面与美国相比仍有较大差距。例如美国依靠技术进步,桶油成本由2014年的大于80美元降至2019年的40美元。而我国地质条件更复杂,加上国有企业技术服务的市场化程度不够高,造成我国陆相页岩油的桶油成本远高于美国。另外,我国水平井钻完井部分关键技术和装备还依赖进口,这容易受到复杂外部环境的影响,打乱我国页岩油正常生产节奏。


中低成熟度页岩油方面,当前颠覆性的水平磁定位钻井技术、长寿命电加热工具等还处在攻关阶段,技术的稳定性还有待进一步提高。此外相关基础研究还相对薄弱,目前还缺少国家级的科技支撑和相关实验平台建设。


建议国家要在“十四五”把支撑陆相页岩油革命发生的关键技术攻关和先导试验选区纳入国家重大专项设计支持方向,要用不太长时间的攻关准备,支撑和推动陆相页岩油革命在我国尽早实现。