Theoretical Progress and Key Technologies of Onshore Ultra-Deep Oil/Gas Exploration

Oil/gas exploration around the world has extended into deep and ultra-deep strata because it is increasingly difficult to find new large-scale oil/gas reservoirs in shallow–middle buried strata. In recent years, China has made remarkable achievements in oil/gas exploration in ultra-deep areas including carbonate and clastic reservoirs. Some (ultra) large-scale oil and gas fields have been discovered. The oil/gas accumulation mechanisms and key technologies of oil/gas reservoir exploration and development are summarized in this study in order to share China’s experiences. Ultra-deep oil/gas originates from numerous sources of hydrocarbons and multiphase charging. Liquid hydrocarbons can form in ultradeep layers due to low geothermal gradients or overpressures, and the natural gas composition in ultra-deep areas is complicated by the reactions between deep hydrocarbons, water, and rock or by the addition of mantle- or crust-sourced gases. These oils/gases are mainly stored in the original highenergy reef/shoal complexes or in sand body sediments. They usually have high original porosity. Secondary pores are often developed by dissolution, dolomitization, and fracturing in the late stage. The early pores have been preserved by retentive diageneses such as the early charging of hydrocarbons. Oil/gas accumulation in ultra-deep areas generally has the characteristics of near-source accumulation and sustained preservation. The effective exploration and development of ultra-deep oil/gas reservoirs depend on the support of key technologies. Use of the latest technologies such as seismic signal acquisition and processing, low porosity and permeability zone prediction, and gas–water identification has enabled the discovery of ultra-deep oil/gas resources. In addition, advanced technologies for drilling, completion, and oil/gas testing have ensured the effective development of these fields.

塔里木盆地海相原油热裂解的阶段性特征及其意义

塔里木盆地台盆区深层油气勘探不断取得突破,原油热稳定性及其裂解特征已成为制约塔里木盆地深层下一步油气勘探与评价的瓶颈之一。本研究选择塔河地区未遭受明显次生改造原油,采用黄金管封闭体系热压模拟实验,在恒压、程序升温条件下,系统分析不同热演化阶段原油热裂解产物与残余物的分子组成。结果表明,随着热演化程度的增加,伴随着原油热裂解程度增加引起的化合物裂解、环化、芳构化作用,气体和液态烃产率呈现显著的阶段性变化,并显示不同的分子地球化学特征,据此分为3个阶段:①初始裂解期(Easy Ro<1.2%),与原始油样比较,残留产物全烃色谱特征未发生显著变化;②主裂解期(1.2%<Easy Ro<3.8%),又以Easy Ro=2.0%为界分为快速裂解阶段和缓慢裂解阶段,残留产物中正构烷烃含量逐渐降低,同时伴随低环数芳烃化合物含量的逐渐增加,而稠环芳烃含量的逐渐增加则与低环数芳烃含量逐渐减少相对应;③裂解末期(3.8%<Easy Ro<4.5%),以高含量稠环芳烃的富集为标志,其中残留物全烃色谱上以四环芳烃占绝对优势。研究结果对有效描述原油的热演化过程、明确原油不同热裂解阶段油气产物的组成和产率特征以及深层原油热稳定性评价具有重要指导意义。

深层超深层油气藏高应力下数字岩心构建方法

深层超深层油气藏由于埋藏深,其地应力达200 MPa,会显著改变储层岩石孔隙的微观结构。数字岩心是孔隙尺度数值模拟的重要载体,但是现有数字岩心重构方法是基于常温常压下岩心的扫描图像重构,不能反映高应力下的孔隙结构。为此,提出了一种基于离散元法考虑高应力影响的数字岩心重构方法。首先,采用分水岭算法分割CT图像,利用球面谐波分析方法建立轮廓数据库,并在PFC^(3D)中建立Clump(团簇)模板库;然后,根据孔隙度和粒径分布使用模板库中的Clump建立离散元模型,并用两点相关和线性路径相关函数曲线评价模型的准确性;随后,标定颗粒间微观力学参数,并加载应力模拟得到不同应力下的数字岩心;最后,分析了不同应力下数字岩心的孔隙几何拓扑结构,计算孔隙度和渗透率。以Bentheim砂岩为例,构建了其不同应力下的数字岩心,研究结果表明,应力增大,导致孔隙和喉道半径缩小、喉道伸长、连通性变差、孔隙度和渗透率减小。研究结果为深层超深层油气藏孔隙尺度模拟提供了技术途径。

英买2缝洞型油藏注水及注气提高采收率研究

针对英买2缝洞型油藏大量剩余油未被采出问题,基于典型储层结构组合特征制备了可视化物理模型,开展了注水和注气等不同开发方式的提高采收率物理模拟实验研究。通过对比不同阶段的含水率和采收率,定量分析了不同开发方式对英买2缝洞型油藏剩余油的动用效果;利用制备的裂缝孔洞模型和断溶体模型,研究底水驱后注水、注气和气水交替开发方式的可行性,并明确了进一步提高英买2缝洞型油藏采收率的合理注采方式——低注高采注水驱油方式、高注低采注气驱油方式以及气水交替注入方式,其中,气水交替可较大幅提高原油采收率。研究结果可为英买2缝洞型油藏进一步提高采收率提供支撑。

塔里木盆地库车坳陷博孜区块超深层致密砂岩储层裂缝特征及其对油气产能的影响

天然裂缝是深层致密砂岩储层重要的油气运移通道和储集空间,对库车坳陷博孜区块油气产能具有重要意义。利用岩心、薄片、成像测井以及实际生产资料,在明确塔里木盆地库车坳陷博孜区块超深层致密砂岩储层天然裂缝发育特征的基础上,厘定了天然裂缝对油气产能的影响。研究结果表明:库车坳陷博孜区块超深层储层构造裂缝发育,其中主要发育未充填-半充填的高角度剪切缝,局部发育半充填-全充填张性缝,受多期构造运动影响,区内主要发育N-S向和NW-SE向天然裂缝,部分呈近EW向;裂缝是研究区重要的储集空间和渗流通道,通过成像测井资料和试油资料构建了裂缝发育系数和裂缝有效系数用以定量表征裂缝对油气产能的影响,并建立了这两项表征参数和油气产能的定量评价图版,通过验证说明裂缝发育系数和裂缝有效系数可以较好地评价研究区裂缝的有效性,实现了通过裂缝参数对裂缝性储层品质的分类预测。研究成果不仅为研究区油气高效勘探开发提供了地质依据,同时提供了一个致密砂岩储层裂缝对油气产能影响的实例。

中国石化“深地工程”油气测试关键技术及展望

针对“深地工程”构造和储层介质复杂、埋藏深、地层压力高和温度高等复杂工况,中国石化围绕深层超深层油气测试、超高温高压井下工具、地面测试、窄安全窗口油气井测试工程设计和完井测试液等技术进行攻关研究,完成100余口8000 m以深油气井的测试施工,初步形成了“深地工程”油气测试关键技术及配套装备,有力支撑了塔里木盆地、四川盆地和准噶尔盆地等深层超深层油气资源的勘探开发。梳理总结了中国石化“深地工程”油气测试关键技术,分析了中国石化“深地工程”向9000 m乃至10000 m以深迈进情况下油气测试技术面临的主要挑战,展望了特深层高温高压油气测试工程设计、特深层高温高压油气测试完井工艺、地面自动化测试和高性能油气测试工具等技术在未来的发展。该技术总结与展望对构建更加成熟、专业、安全、高效的油气测试技术体系,助力深层超深储层油气勘探开发取得更大突破有一定借鉴意义。

超深水基岩潜山储层分布式光纤温度试井方法

超深水永乐X区潜山气藏具有储层非均质强、纵向岩性组合多样的特征,传统生产测井技术在落实储层产出特征时存在局限性。采用分布式光纤测温技术测试获得了YL1井产能测试生产层段的温度数据,结合渗流力学和流体力学理论,建立了气藏渗流和井筒管流温度—压力场双耦合模型,计算了气井产出剖面变化引起的温度响应特征。采用Levenberg Marquart(LM)反演算法实现了YL1气井产出剖面定量解释分析。研究结果表明,气井多层测试时高渗层对应井筒温度下降斜率大,温度变化速度快,温降大,通过温度剖面可以作为判断高渗地层、裂缝或非产层产出贡献;利用建立的分布式光纤温度产出剖面解释方法,定量评价获得了砂砾质风化带、风化裂缝带和内幕裂缝带产出贡献,解释结果与录井气测率具有正相关性,且与地质认识吻合,证明了解释理论的可靠性。研究结果对分布式光纤温度监测多层气藏产出剖面技术的推广具有重要理论及应用价值。

超深层油气地震勘探技术进展

超深层油气逐渐成为中国乃至全球探明储量、产量的重要增长极(点),超深层油气地震勘探技术的研究与应用意义重大。为此,以塔里木超深层油气藏为研究对象,首先分析超深层油气藏的地震、地质条件及地震勘探面临的难题;然后总结了超深层油气三代地震勘探技术的形成、发展历程及应用成果、效果;最后对该技术发展思路进行了展望。研究认为:以宽线+三维观测、高速层激发、叠前时间偏移为核心的第一代超深层油气地震勘探技术解决了超深层地震资料的信噪比低的难题;以三维、宽方位、较高密度观测、叠前深度偏移为核心的第二代超深层油气地震勘探技术初步解决了超深层地震成像归位不准的难题;以高密度宽方位三维观测、增能降噪地震激发、深层地震保真扩频、真地表TTI深度偏移成像、分级断裂刻画与组合、OVT域相控反演及雕刻等为核心的第三代超深层油气地震勘探技术基本解决了超深层地震高精度成像难题,有效支撑了富满超深层十亿吨大油田和博孜—大北超深层万亿方大气田的发现和探明;增能降噪、保真拓频、聚焦归位和解耦映射是未来超深层油气地震勘探技术的重点发展方向。

超深大位移井井壁稳定及储层保护技术与应用

随着中国海上油气田大位移井钻井作业越来越多,超深大位移井钻井作业面临井壁稳定和储层保护双重挑战。东海油气田超深大位移井垂深更深,存在大段泥岩、储层低孔渗、多压力系统并存、工况复杂等情况,因此井壁稳定和储层保护的难度大。以该区域超深大位移井T6-1井为例开展油基钻井液用封堵固壁剂研选,开展了钻井作业参数分析及储层保护效果评价,通过研究形成了井壁稳定、当量钻井液循环密度(ECD)控制及低渗储层保护为一体的超深大位移井钻井技术。东海6口大位移井作业实践表明,平均钻井周期仅34.5天,钻井周期短、作业顺利,降低了现场作业风险,提升了该区块的油气田开发综合经济效益。上述研究成果对东海其他超深大位移井的作业实施具有良好参考借鉴及指导意义。

VisiTrak地质导向技术在水平井着陆中的应用效果分析与探讨

针对底水油藏与低阻油层难动用问题,渤海油田首次将VisiTrak远探测技术在水平井中应用,该技术有效提升了工具的探测范围,实现提前预知储层变深或变浅,从容做出判断,降低了着陆失败带来的风险。研究区A井中的应用结果表明,超深探边在泥岩中提前7 m探测到储层顶界面,在储层变浅的情况下,轨迹精准着陆于储层界面以下0.7 m,大幅增加了水平段实施空间且保证了避水高度。VisiTrak远探测技术探测深度大,对储层界面预测准确,在构造不确定区域实施效果明显。

塔里木盆地海相油气成藏研究进展

近年来塔里木盆地超深层海相油气勘探取得了丰硕成果,顺北奥陶系、塔中寒武系、塔河深层等油气新发现,为塔里木盆地海相油气成藏研究提供了丰富的基础资料。塔里木盆地海相油气主要分布于台盆区,油气藏类型多样,原油物性变化大,显示出成藏的复杂性。通过对大量的实际样品分析和模拟实验及大量的地质、地球化学综合分析,结合构造演化、层序地层学、沉积相与沉积环境等研究成果,在烃源岩分布及其演化、油气地球化学特征、海相油气藏分布特征等方面取得了显著进展。一是明确了塔里木台盆区海相油气主要来源于强还原环境下形成的下寒武统-中下奥陶统烃源岩,特别是台盆区下寒武统玉尔吐斯组,并明确了超深层海相油藏后生改造主要有TSR、热裂解2种类型,提出了相应的判识指标;二是在建立玉尔吐斯组缓坡型优质烃源岩沉积发育模式的基础上,通过井震标定、正演模拟和区域测线地震相解释、三维区属性分析与地震反演,预测了玉尔吐斯组烃源岩的展布,并明确其演化特征:燕山期以来长期低地温背景下的"高压生烃演化抑制模式"延缓了顺托果勒低隆寒武系烃源岩热演化,顺托果勒地区仍具晚期高成熟液态烃形成条件;三是通过台盆区油气成藏特征对比,明确了奥陶系油气分布特征,进一步明确在台盆区寻找以下寒武统玉尔吐斯组原地烃源岩与燕山期以来晚期活动走滑断裂相匹配的、以晚期供烃为主的轻质油藏-天然气藏,是塔里木台盆区超深层碳酸盐岩领域油气勘探的重要方向。

超深油气储集层改造技术进展与发展方向

通过对超深层油气储集层改造技术发展历史的系统总结,阐述了国内外超深层油气储集层改造技术的新进展。超深层缝网改造机理研究更加深入,改造液材料性能指标进一步提升,超深直井精细分层、超深大斜度井/水平井分段多簇改造技术日趋成熟。结合国内超深油气储集层的勘探开发趋势,论述了超深油气储集层改造的生产需求及技术难点,包括:①地质工程一体化技术研究及应用难度大;②入井改造材料要求高;③进一步提高超深巨厚储集层纵向剖面动用程度难度大;④对入井工具及地面配套高压设备要求高;⑤超深、高温、高压井实现高效改造难度大;⑥储集层改造直接监测及准确后评估难度大。结合国内超深油气储集层的复杂地质特点,提出了7个方面的技术发展方向:①系统构建基础研究方法与评价实验新技术;②加强地质认识,完善地质工程一体化工作运行机制;③研发针对性更强的超深层高效改造材料;④攻关超深巨厚储集层精细分层改造工艺技术;⑤探索超深层水平井缝控改造技术;⑥研发适用于超深油气储集层改造的水力裂缝直接监测技术;⑦研制耐高温、高压的井下改造工具及耐高压配套井口设备。

塔里木盆地超深层油气藏试油与储层改造技术进展及发展方向

近年来,中国石油塔里木油田公司(以下简称塔里木油田)在塔里木盆地超深层油气勘探陆续取得重大突破。这与其超深层试油与储层改造技术的进步是密不可分的,随着超深井的逐渐增多,试油与储层改造技术仍需要持续升级、完善。为此,通过总结塔里木油田试油与储层改造技术的发展历程,系统梳理了其在超深层油气藏试油与储层改造方面取得的主要技术进展,并结合新的勘探开发形势与要求,指出了塔里木盆地超深层油气藏试油与储层改造技术今后一个时期的发展方向。研究结果表明:①塔里木油田已形成了一系列专项技术——超深高温高压气井安全快速测试技术,超深层、高含硫、缝洞型碳酸盐岩气藏完井试油一体化技术,超深层缝洞型碳酸盐岩储层深度改造技术,以及超深层、高温高压裂缝性致密砂岩气藏储层缝网改造技术,支撑了该盆地超深层油气藏的陆续勘探突破和持续高效开发;②随着油气勘探开发深度领域迈向9000 m,储层地质条件更加复杂,完井试油与储层改造技术面临着新的技术难题;③今后将围绕“可靠、安全、高效”的目标进行试油完井工具和工艺的持续升级和改进,需要不断完善储层改造地质工程一体化设计、改造工作液和材料以及耐高温高压工具和装备,以支撑精细化缝网体积改造;④新形势下,为了满足井完整性的要求,需要完善相关配套技术,同时建立套管磨损评价与地面管汇剩余寿命检测方法,以保障试油和储层改造工艺的顺利实施。结论认为,该研究成果可以为国内外超深层油气藏的安全高效建井与提产提供借鉴。

中国深层和超深层碳酸盐岩油气藏形成分布的基本特征与动力机制及发展方向

随着油气资源对外依赖度加大,中国的油气勘探已经拓展到深层和超深层领域,并相继在中西部盆地发现了塔河、普光、安岳、靖边、顺北等一批大型油气田,展示出广阔的勘探前景。中国已探明的深层和超深层碳酸盐岩油气藏特征与全球的有很大差异,经典的油气地质理论指导这类油气田勘探遇到了前所未有的重大挑战,需要完善和发展。通过调研和比较全球已探明的碳酸盐岩和砂岩油气藏地质特征,发现它们的油气来源条件、油气藏形成条件、成藏动力、演化过程特征等类同;同时,发现碳酸盐岩和砂岩油气藏的矿物组成、孔隙度和渗透率随埋深变化特征、孔渗结构特征、储层物性下限、油气藏类型等有着很大不同。中国深层和超深层碳酸盐岩油气藏与全球的相比较具有五方面差异:地层年代更老、埋藏深度更大、白云岩储层比率更大、天然气资源比率更高、储层孔渗关系更乱。中国已经发现的深层碳酸盐岩油气藏成因类型可以归为五种:沉积型高孔高渗油气藏、压实成岩型低孔低渗油气藏、结晶成岩型低孔低渗油气藏、流体改造型高孔低渗油气藏、应力改造型低孔高渗油气藏;它们形成的动力学机制分别与地层沉积和浮力主导的油气运移作用、地层压实和非浮力主导的油气运移作用、成岩结晶和非浮力主导的油气运移作用、流体改造介质和浮力主导的油气运移作用、应力改造和浮力主导的油气运移作用等密切相关。中国深层和超深层碳酸盐岩油气藏勘探发展的有利领域和油气藏类型主要有三个:一是低热流盆地浮力成藏下限之上自由动力场形成的高孔高渗常规油气藏;二是构造变动频繁的叠合盆地内外应力和内部流体活动改造而形成的缝洞复合型油气藏;三是构造稳定盆地内局限动力场形成的广泛致密连续型非常规油气藏。改造类非常规致密碳酸盐岩油气藏是中国含油气盆地深层和超深层油气资源的主要类型:它们叠加了早期形成的常规油气藏特征,又具有自身广泛连续分布的非常规特征,还经受了后期构造变动的改造;复杂的分布特征,致密的介质条件和高温高压环境使得这类油气资源勘探开发难度大、成本高。

海相油气田超深井完井固井技术

目前世界上的油气资源主要来自海相盆地,而国内海相的勘探开发程度还很低。近年来,塔里木盆地、四川盆地等海相相继发现了大型油气田,加速了海相油藏的勘探开发。海相勘探开发是一个世界性技术难题。针对埋藏深、超深井、长裸眼、压力高、多套压力层系、井身结构复杂、含有害气体等特点,详细地介绍了海相油藏勘探开发的技术难点,并开展了海相超深井完井固井工艺、工具、水泥浆体系及其配套技术研究,通过在现场有针对性的应用,取得了较好的效果,为国内海相油气田的完井固井工艺提供了一定的技术支持。

基于井温的超深断溶体油藏油井动用深度计算

超深断溶体油藏纵向连通性好,油井生产时井底下方油气易沿断裂高导流通道向井底流动。为明确油井油藏动用深度,以Z油田W9井为例,对比分析超深断溶体油藏流温、静温特征,并基于温度特征建立不同温度-深度关系下油井动用深度计算方法。研究表明:同一深度下流温大于静温,与油嘴直径无关;当深度一定时,油嘴直径越大,流温越高;随深度增大,流温与静温差整体呈降低趋势,靠近井底处流温梯度较低;超深断溶体油藏温度特征受热损失、油井动用深度和传热方式影响;W9井在目前4.5 mm油嘴生产条件下动用深度约为52~62 m。该研究可为超深断溶体油藏油柱高度判断、储量计算、合理生产制度的制订提供依据。

塔里木盆地超深层走滑断裂断控大油气田的勘探发现与技术创新

塔里木盆地下古生界碳酸盐岩经历了潜山构造—礁滩相控—层间岩溶—断控缝洞体的勘探历程,近10年来在断控油气藏领域取得了勘探理论认识和技术创新。(1)创新形成超深层海相碳酸盐岩断裂控储成藏地质理论,建立坳陷区走滑断裂破碎带连片规模成储、分段差异富油的油藏模式,丰富和发展了碳酸盐岩油气成藏类型和富集规律认识,实现了坳陷区超深层走滑断裂断控油气藏勘探的重大突破;(2)创新形成了以高密度三维地震采集处理技术、小位移弱走滑断裂识别技术、走滑断裂带缝洞体储层识别技术等为核心的超深层走滑断控目标评价技术体系,形成了走滑断裂破碎带钻完井配套适用技术。通过地质认识的不断进步与关键技术的不断创新,碳酸盐岩油气藏勘探进入7500m以深的坳陷禁区,落实了约2×10^(4)km^(2)的超深层断控油气藏勘探领域,发现了地质储量规模达10亿吨级的超深层断控特大型油气田--富满油田。

四川盆地震旦系灯影组深层碳酸盐岩储层沥青赋存形态及其油气藏示踪作用

四川盆地上震旦统灯影组钻井及其周缘露头剖面均可以见到丰富的沥青。作为古油藏裂解形成的产物,碳酸盐岩储层中沥青的赋存形态和分布特征等有助于揭示(古)油气藏保存、运移等关键信息。为了给四川盆地和我国西部盆地的深层—超深层油气勘探提供参考依据,基于灯影组四段岩心薄片观察、扫描电镜—能谱元素分析、流体包裹体有机地球化学分析等方法,系统研究了四川盆地高石1井等深层—超深层碳酸盐岩储层沥青赋存形态特征,揭示了其与油气成藏关键性事件的耦合性。研究结果表明,灯影组四段深层—超深层储层固体沥青具有两类赋存形态特征,第一类为储层沥青呈环边状附着于孔隙洞壁上或呈黏连枝状赋存于孔隙中间(如川深1井、高石1井),该类沥青有较明显的原地热解形成的收缩缝和残余孔隙,结合流体包裹体与埋藏热史等,能够有效示踪古油藏热裂解为碳质沥青后,古气藏保存至今;第二类为储层沥青呈颗粒状、条带状散乱的分布于孔隙内新生矿物晶体晶内、晶间(如马深1井、五探1井),并且沥青碎裂边界明显,它们揭示古油藏热裂解为碳质沥青后,古气藏泄压、气逸散,新生流体矿物进入储层堵塞孔隙的过程。结论认为,深层—超深层碳酸盐岩储层沥青赋存形态和分布特征能够有效示踪古油藏和气藏的成藏调整过程。

四川超级气盆地

当沉积盆地累计产量超过50×10^(8)bbl油当量(6.82×10^(8)t油或7931.66×10^(8)m^(3)气)和剩余可采资源量超过50×10^(8)bbl油当量即称之为超级盆地。四川盆地至2019年底油气总产量为6569×10^(8)m^(3),气油比为80︰1,总剩余可采资源量达136404×10^(8)m^(3),属二级超级盆地;由于产出以气为主,故为超级气盆地。四川盆地之所以成为超级气盆地,因其具有4个优势:①气源岩优势,有9组主要气源岩,为全国各盆地之首;②资源量优势,总剩余天然气可采资源量为136404×10^(8)m^(3),全国各盆地中为第1;③大气田优势,有大气田27个,在全国各盆地位列首位;④总产量优势,至2019年底天然气累计总产量6487.8×10^(8)m^(3),是全国各盆地之冠。四川盆地在天然气勘探上有4个方向性的重大突破:①页岩气方向性的重大突破,在中国首先发现开发奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩气;②致密砂岩气方向性的重大突破,中坝气田三叠系须家河组二段气藏是全国首个高采出度致密砂岩气藏;③碳酸盐岩超大气田方向性重大突破;④超深层气藏方向性重大突破。这些方向性重大突破引领和推动相关领域全国盆地取得重要进展。此外,按累计油气产量和剩余可采资源量、盆地大地构造属性和累计产量中油和气占比3类标准,对超级盆地进行了分类。

巨厚冲积层薄基岩综放开采覆岩移动规律

巨厚冲积层薄基岩条件下,综放开采工作面经常出现异常来压,给顶板控制提出了较大的挑战。通过数值计算的方法,分析了600m厚冲积层、不同基岩厚度条件下的顶板变形破坏特征,得出基岩厚度小于120m时,覆岩可能出现全厚切落现象;揭示出巨厚冲积层在运动变形过程中具有整体性且难以形成稳定的强承载结构;现场实测出了工作面异常来压规律,证明了巨厚冲积层和薄基岩结构间的关系。该研究成果为类似条件下的综放面安全高效开采提供了借鉴。