油燃而声 第36期 | 常规与非常规油气藏、裂缝型油气藏
张烈辉 | 《油气简史》
（第二版 富媒体)
油燃而声 第36期
一、常规与非常规油气藏
如前所述，世界油气资源（油气藏）种类繁多，分布广泛。为此，科学家们形象地用“金字塔”来表述其分布特征。在金字塔上部，是油气品质好、渗透性好、孔隙度高、连通性好、常规技术容易开采的油气藏，称为“常规油气藏”（或常规油气资源），如砂岩油气藏、碳酸盐岩油气藏等；越往金字塔下部，是油气品质差、流动性差、孔隙度低、无自然产能，现有技术采不出流体（油、气、水）、难以开采或开采效益差的油气藏，称为“非常规油气藏”（或非常规油气资源）。非常规油气主要包含致密油（页岩油）、致密砂岩气（致密碳酸盐岩气）、页岩气、煤层气、油页岩、油砂油、重油及天然气水合物等资源。
▲油气资源分布金字塔
顶部品质好，底部品质差
常规油气藏和非常规油气藏本质的差别在于油气是否明显受圈闭控制、单井是否有自然经济产量。通俗地讲，常规油气资源存在于“茧”（圈闭）中（例如，构造油气藏、地层油气藏、岩性油气藏），油气静静地“封存”在“茧”里边（见第 1 章），常规技术就能够采掘出“茧” 里边易于流动的油气。非常规油气资源大面积连续分布，边界不明显，不需要“茧”（分布在盆地中心、斜坡等“负向”构造单元），必须进行“人工改造”（例如，通过压裂技术改变岩石渗透率或通过地下原位“加热”改变流体的黏度）才能采掘出难以流动的油气。
▲非常规油气藏分布示意图（胡文瑞，2018）
种类繁多的油气藏是一个大“家庭”，每个“家庭”各有特点。就其运动特性而言，常规与非常规油气运动差异很大，而且，即便是同属常规或同属非常规油气藏，其运动规律也各不相同，地下没有完全相同的两个油气藏，可谓家家有本“运动经”。一般来说，常规油气藏以线性（达西）渗流为主，同时存在非线性、管流流动情况；非常规油气藏以非线性（达西）渗流为主，也存在线性流动情况，对于致密油气、页岩油气、煤层气而言，还具有滑脱流动、解吸、扩散流动等流动机理。
正是不同油气资源的流体运动规律决定了油气采掘的不同方式。常规油气藏的采掘方式有一次采油（例如，衰竭方式）、二次采油（例如，注水驱油、注气驱油）、三次采油（例如，化学驱）等；非常规油气藏主要开采技术包括更多更密集的钻井技术、水平井规模压裂技术、多井平台式“工厂 化”生产模式、“自动化生产、 数字化办公、智能化管理”的数字化油气田模式、全过程低成本系统工程化管理模式等。
▲油气聚集类型示意图（邹才能，2013）
就生产特征而言，非常规油气藏一般表现为：（1）第 1 年产量递减快，递减率超过50%，页岩气、页岩油达到 60%~70%，长期低产、稳产；（2）采收率低，以一次开采为主， 需要大量钻井实施井间接替来保持产量稳定或增长；（3）开采寿命一般很长，例如，页岩气田开采寿命一般可达 30~50 年，甚至更长（美国的沃思堡盆地 Barnett 页岩气田开采寿命达 80~100 年）。
▲非常规油气藏产量特征示意图
由于地下油气资源种类繁多，各有特点，本章接下来将重点介绍几类储层、流体、流动特性等非常特别的油气藏中油气的流动与开采，这些油气藏无论是储量或是产量在石油工业中都占有重要的比 重，或者说具有巨大的开发潜力和价值。
知识小讲堂
二、裂缝型油气藏——裂缝与孔隙
扮演重要角色
裂缝——油气藏中的高速公路
地质学家们千方百计地想找到这样的油气藏，它们是沉睡地下的宝藏，储量十分惊人。最典型的是在波斯湾盆地扎格罗斯山前带，目前已发现 50 多个油气田，其中 20 多个是裂缝型油气藏，而储量在 10×108 t 以上的特大油气田就有 6 个。一般而言，碳酸盐岩很容易产生裂缝，因此大部分的碳酸盐岩油气藏为裂缝型油气藏（也称为裂缝型碳酸盐岩油气藏或碳酸盐岩裂缝型油气藏）——虽然碳酸盐岩在沉积岩中的比例仅约为 30%，但碳酸盐岩油气藏占据了大约 50%。裂缝型碳酸盐岩是世界上最重要的油气藏储层类型之一。我国四川盆地、新疆塔里木盆地碳酸盐岩油气藏较为普遍，如新疆塔河油田、四川磨溪龙王庙气田、安岳气田等。
有些砂岩油气藏裂缝也比较发育，裂缝是油气的主要流动通道，这种油气藏称之为裂缝型砂岩油气藏或砂岩裂缝型油气藏。例如，我国的火烧山油田就属于裂缝型砂岩油藏。同样地，也有火山岩油气藏裂缝很发育的，裂缝是油气的主要流动通道，这种油气藏称之为裂缝型火山岩油气藏或火山岩裂缝型油气藏。例如新疆克拉美丽裂缝型火山岩气藏、车排子油田裂缝型火山岩油藏等。
裂缝——孔隙双重介质流动模型
由于有了“高速公路”，裂缝型油气藏中流体的运动变得“非比寻常”，既充满了神奇的魅力，也比其他类型油气藏复杂得多，科学家们几乎穷尽了各种手段，也未能完全弄清楚其中的奥妙。为什么“高速公路”的存在使油气藏中流体的运动变得更加扑朔迷离呢？事实上，对于真实的地下油气藏而言，油、气、水等流体的储存空间不仅包含了裂缝，通常还有大量的孔隙（孔道）。孔隙和裂缝都可以储存油、气、水，油、气、水也可以在孔隙、裂缝中流动。为了更准确地描述裂缝型油气藏中流体的运动规律，科学家们提出了“双重介质模型”，这类油气藏也称之为“双重介质油气藏”。所谓“双重”，就是指裂缝和孔隙介质在空间上是相互重叠或相互叠置的。显然，双重介质油气藏中流体的运动与单一的裂缝介质油气藏中的流体运动不同。简单来讲，“双重”介质有两个流动通道，一个是裂缝，不同规模和大小的裂缝好比不同车道的“高速公路”；一个是孔道，不同孔道大小好比“县道”“乡 道”“村道”，甚至是羊肠小道。因此，流体在双重介质油气藏中的运动可以看成两个渗流场：一个是流体在裂缝中流动构成的“渗流场”，此“场”中流体的流动一般服从线性渗流规律（若存在大裂缝时，会出现高速非线性流动）；另一个是流体在孔隙中流动构成的 “渗流场”，此“场”中流体的流动通常服从线性渗流规律（若储层岩石致密，会出现低速非线性流动）。一方面，这两个场中流体各自独立运动，具有各自的压力、运动速度、饱和度、孔隙度、渗透率等，具有各自的渗流规律；另一方面，两个场之间不是完全独立和互不相干的，流体在裂缝和孔隙之间可以“窜”来“窜”去——这就是所谓的“窜流”，正因如此，该模型也称为“双孔双渗模型”（“双重渗流模型”）。
与双孔双渗模型对应的还有“双孔单渗模型”。因为对于某些储层而言，虽具有“双重”特点，但孔隙介质的渗透率很低很低，远远小于裂缝的渗透率，这种情况下，孔隙中的流体运动几乎可以忽略，仅需考虑孔隙与裂缝之间的流体交换或“窜流”，这种“双重”介质渗流物理模型即称为“双孔单渗模型”，其中“单渗”表示只考虑裂缝间的渗流。显然，“双孔单渗” 是“双孔双渗”的特殊情形，二者反映出的流体运动规律差别明显：“双孔双渗” 表示油气藏中裂缝、孔隙中都有流体运动，流体都可以直接运动到井筒，而且孔隙中的流体还可以“窜” 到裂缝中，再到井筒，再到地面；“双孔单渗”表示油气藏只有裂缝内有流体运动，孔隙中流体不流动，但可以“窜”到裂缝中，通过裂缝流入井筒，然后到地面。
因此，无论是什么类型的裂缝型油气藏，其流体的流动主要表现为线性流动，也可能出现高速非线性、低速非线性等情况。目前，“双重介质模型”在裂缝型油气藏中被广泛接受和使用， 并在国际流行的商用模拟软件中普遍采用。一般情况下，当孔隙介质的渗透率不到裂缝介质渗透率的 1% 时，可以直接将“双孔双渗模型”简化为“双孔单渗模型”，大多数的碳酸盐岩即属于这种情况。需要指出，由于裂缝型油气藏的复杂性，双重介质模型在实际的运用中遇到了挑战。
我国的碳酸盐岩油气藏非常复杂， 例如，四川盆地碳酸盐岩有水气藏，储层储集空间类型繁多，有孔隙、孔洞、溶洞、裂缝，非均质性很强，流动规律复杂，根据主要储集空间及主要的流动特点，划分出了裂缝—孔隙型、裂缝—洞穴型、裂缝—洞孔型、裂缝—孔洞 型及孔隙型五种主要类型碳酸盐岩。
根据四川盆地碳酸盐岩气藏储层的储渗特征及出水特征，人们对应划分出裂逢—孔隙型边水气藏、裂缝—孔洞型底水气藏、缝洞发育型共存水气藏及孔隙型气水过渡带气藏。不同类型气藏储量规模差异大，既有千亿立方米级的特大型气藏，也有十亿立方米级的小型气藏。例如，四川龙王庙气田储量规模达 4000 多亿立方米，而四川盆地 70% 的单一缝洞储集体气藏的储量规模都很小，都在 3×108 m3 左右。
再如，我国新疆塔河油田碳酸盐岩缝洞型油藏，储集空间以孔、洞、缝为主，形成孔、洞、缝穿层组合的储集空间。大型洞穴是主要的储集空间，裂缝是主要的连通通道，非均质性极强。不同类型的储集空间以不同的组合方式形成了溶洞型、裂缝—孔洞型和裂缝型三种主要类型的碳酸盐岩。塔河油田不同类型缝洞体油藏储量规模差异大，储量规模大于 500×104 t 的有 8 个，储量占 50.79%，最大的储量规模达到了 8567×104 t，储量规模小于 10×104 t 的有 55 个，储量占 1.4%。
不同类型的油气藏，流动规律差异，出水规律差异大，产量差异大。为此，科学家们基于研究和实践，一方面对双重介质流动模型进行改进，另一方面在此基础上发展了三重介质（孔、洞、缝）甚至四重介质（孔、洞、微裂缝、大裂缝）流动模型来描述这些复杂油气藏中流体的流动特征，特别是有些裂缝型油气藏（如塔河油田）中的大尺度的大缝、大洞中的流动呈现管道流动，不再是渗流。裂缝型油气藏流体流动非常复杂，不同类型的裂缝型油气藏差异很大，到目前为止，还没有发现有一个很好的模型来表征这些复杂的流动，目前已有的模型都是在一定假设条件下的近似，与实际情况有时差异很大。流体在孔隙、裂缝、溶洞中的赋存状态十分复杂，流体在不同尺度的缝、洞中的流动状态差异大，有层流、紊流、管流等，有达西流动，有非达西流动，不同的裂缝型油气藏有不同的流动规律，同一裂缝型油气藏中不同的孔—缝—洞组合体流动规律也千差万别，因此，不同裂缝型油气藏有不同的工作制度和开发方式，开发效果差异也很大。同一种开发模式难以在不同类型油气藏中通用，需要建立针对性的开发主体技术。
还需要指出，油气藏中裂缝的存在是一把“双刃剑”。大多数情况下，裂缝是“正能量”的，对油气采掘非常有利；但在某些情况下，比如，裂缝型油藏进行注水、注气开发，如果注入井与生产井的位置与油气藏中裂缝的走向关系布置不合理，都可能造成裂缝是“负能量”的，以及裂缝中的水“窜”、气“窜”等对油 气藏开发都不利。例如，四川盆地裂缝型碳酸盐岩气藏的裂缝水窜是形成气藏水侵非常活跃的主要原因，裂缝水窜导致气井出水较早，易造成气井水淹和气藏水淹，因此在部署井时要考虑井的位置、井的产量等。四川盆地威远震旦系气藏地质储量 400×108 m3 ，仅采出了 17% 左右气藏就全面水淹了，被迫关闭。
总体而言，裂缝型油气藏是不同类型油气藏（裂缝型砂岩油气藏、裂缝型碳酸盐岩油气藏、裂缝型火山岩油气藏）的一个总称。因此，裂缝型油气藏的开发技术应该针对不同类型的油气藏而言。前面我们介绍过，油藏、气藏的开发方式有很大不同，油藏有衰竭、注水、注气、化学驱油方式等，气藏主要是衰竭方式。不同类型的裂缝性油藏、气藏在此基础上，有各自针对性的开发技术。例如，针对四川盆地海相碳酸盐岩气藏小尺度缝洞发育、有水、深及超深的特点，形成了多类型、复杂、有水气田的技术体系，实现了四川盆地（特）大型气藏的高效开发和治水优化开发。针对新疆塔里木盆地塔河油田缝洞发育、缝洞尺度变化大、储集空间类型多样且复杂、油水关系复杂等特点，形成了塔河油田碳酸盐岩缝洞型油藏开发技术体系。
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图文来源 | 《油气简史》
绘图 | 侯雪梅
编辑 | 缪游佳
责编 | 王雨婷 张奉圩
审核 | 刘仲铭