美国致密油开发现状及启示

林森虎，邹才能，袁选俊，杨智

（中国石油勘探开发研究院）

摘要：美国页岩气勘探开发目前已进入快速发展阶段，同时也带动了页岩地层内致密油的开发。文中所

指的致密油，是指以吸附或游离状态赋存于渗透率极低的暗色页岩、泥质粉砂岩和砂岩夹层系统中的自

生自储、连续分布的石油聚集。目前，美国致密油的开发集中在Bakken，EagleFord和Barnett页岩区带

内。其中Bakken致密油资源量为230×108t，可采资源量为5.9×108t，待发现资源量为3.7×108t油及相近

数量的伴生气，2000年至今累计产油约2800×104t；EagleFord致密油赋存于区带北部，年产油约20×

104t；Barnett待发现石油平均资源量为1400×104t，待发现致密油资源量为480×104t，其北区主要产油、

南区主要产气，目前拥有8000余口生产井，截至2009年底，“致密油带”累计产油量达770×104t。我国

广泛发育富有机质页岩，致密油的勘探潜力较大。

关键词：页岩；致密油开发；Bakken；EagleFord；Barnett；启示；美国

中图分类号：TE132.2文献标识码：A

长期以来，油气开采一直以砂岩、碳酸盐岩及

火山岩等为主要目标，虽在钻遇富有机质页岩层段

时发现丰富的油气显示或工业油气流，但因传统地

质观念而未将页岩考虑为油气储层。

随着北美地区页岩气的成功开发和地质理论

研究的发展，人们逐渐认识到暗色页岩发育丰富的

纳米—微米级孔隙，可以大量成烃、储烃，形成自生

自储型油气聚集。通过优选核心区、实验分析、测井

评价、水平井钻探、同步多级水力压裂、体积压裂等

先进技术的应用，成功实现了页岩中的油气采收。

目前，页岩已成为全球油气勘探开发的新目标。

页岩气和致密油的开采给世界油气勘探开发带来

了重大变革，正逐渐影响着世界能源供需的格局。

本文主要介绍美国致密油的基本特征和开发现状，

以期为我国致密油的勘探和开发提供参考。

1致密油地质特征

致密油是指以吸附或游离状态赋存于富有机

质且渗透率极低的暗色页岩、泥质粉砂岩和砂岩夹

层系统中的自生自储、连续分布的石油聚集。页岩生成的油气除部分排出并运移至砂岩或碳酸盐岩

等渗透性岩石中形成常规油气藏外，大量（高达总

生烃量的50%以上）在“原地”滞留，以游离烃和吸

附烃的形式赋存于纳米级孔隙或微裂缝中，形成可

供商业开采的致密油（气）。

页岩储层发育2种尺度的孔隙：微孔（孔隙直

径≥0.75μm）和纳米孔（孔隙直径<0.75μm），其中

绝大部分为有机质颗粒内的纳米孔。页岩普遍具有

较低的孔隙度和超低的渗透率，即孔隙度<4%，未压

裂页岩的基质渗透率<1×10-6mD，只有在断裂或裂

缝发育区的孔隙度能提高到10%，且渗透率提高到

2×10-6mD。据Barnett页岩孔隙研究结果（图1）［1］，

该页岩的孔隙大小是常规砂岩的1/400，大约为40

个甲烷分子直径大小（甲烷分子直径为0.38nm），其

孔隙度为4%～10%，渗透率为（50～1000）×10-6mD。

近期的岩石学研究表明，页岩中干酪根内部发育大

量连通的孔隙，可以有效储油［1-5］，例如Marcellus页

岩的孔隙度为2%～16%，EagleFord页岩的孔隙度

为8%～18%。

页岩储集层包括富有机质的暗色页岩及以薄第23卷第4期2011年8月岩性油气藏LITHOLOGICRESERVOIRSVol.23No.4Aug.2011

文章编号：1673-8926（2011）04-0025-06

收稿日期：2011-04-28；修回日期：2011-06-09基金项目：国家科技重大专项项目（编号：2011ZX05001）资助。第一作者简介：林森虎，1986年生，男，中国石油勘探开发研究院在读硕士研究生，主要从事沉积储层方面的研究。地址：（100083）北京市海淀区学院路20号中国石油勘探开发研究院地质所。E-mail：Senhu.Lin@gmail.com岩性油气藏第23卷第4期

图2美国致密油盆地分布与部分盆地资源量统计（据文献［2］）Fig.2TightoilbasinsofUnitedStateswithestimatedoilandgasreserves夹层状存在的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、砂

岩地层。含油气盆地中，页岩储层组合形式多样，不

同类型的页岩储层组合有明显不同的地质及地球

化学特征。具有较好脆性与天然微裂缝发育的暗色

页岩（区）是致密油有利的开发目标。致密油的开采

方式与页岩气基本相同，均采用垂直井和水平井，但

以水平井为主。致密油开发一般无自然产能或低

产，单井生产周期长，多级水力压裂、重复压裂等储

层改造技术是目前提升致密油单井产量的关键技术。

2美国致密油开发现状

目前，美国是致密油资源开发最多的地区之一，

俄罗斯、加拿大、中国等也有成功开发的范例。致密

油的典型代表是北美威林斯顿盆地的Bakken地

层，2006年USGS（美国地质调查局）预测其石油地

质储量达590×108t，仅美国北达科他州和蒙大拿州

的Bakken致密油聚集就拥有技术可采储量（4.2～

6.1）×108t。由于致密油资源潜力超出预期，开采技

术也取得突破并得到规模应用，因此美国致密油工

业得到迅速发展，具有良好的经济前景（图2）［2］。笔

者选取美国最具代表性的3个致密油聚集区带———

Bakken，EagleFord和Barnett，并分别对其基本特征

和开发现状进行介绍。

2.1Bakken页岩区带

上泥盆系—下密西西比系的Bakken组页岩是

威林斯顿盆地内的一套重要烃源岩，同时也是一个

非常规油气储层。Bakken页岩地层跨美国与加拿大两国，其中美国境内的覆盖范围包含了蒙大拿

州局部和达科他州北部（图3）［5］，有利分布面积>

40000km2，油层厚度一般为5～15m，孔隙度为

10%～15%，渗透率<1mD，油质轻。

Bakken组页岩由3个不规则但界限分明的层

段组成：上段为黑色页岩，富含有机质，最大厚度为

8m；中段为灰褐色极细—细粒砾岩、白云质砂岩及

粉砂岩，贫有机质，最大厚度为26m；下段为黑色页

岩，最大厚度为15m。其中上段和下段含有大量Ⅱ

型干酪根，以生油为主［3］。虽然Bakken组厚度较

小，但其有机碳含量非常高，其中上段和下段的TOC

分别为12.1%和11.5%［4］。Bakken组原始石油地质

储量（OOIP）的估计值为（280～570）×108t①，除此之图1Barnett页岩有机质颗粒内的纳米孔（据文献［1］）Fig.1IntraparticleorganicnanoporeswithinBarnett

shale（a）气泡状孔喉连通的椭圆形纳米孔（白色箭头），喉道直径<20nm，2次电子图像；（b）离散有机质颗粒中的纳米孔，呈矩形，发育在线性排列的回旋状结构中，2次电子图像

①PriceLC.Originandcharacteristicsofthebasin-centeredcontinuous-reservoirunconventionaloil-resourcebaseofBakkenSourceSystem，WillistonBasin.Unpublishedmanuscript，1999：282p.Availablefrom：http://www.undeerc.org/price/.200nm1μm（a）（b）

绿河，巴克斯特奈厄布拉勒莫里，希利亚德甘蒙巴肯3.7×108t伊克斯洛新奥尔巴尼5.43×108t安蒂姆（9.9～21.5）×108t

凯恩克里克

蒙特里麦克卢尔路易斯&曼科斯27×108t帕罗杜洛巴奈特&伍德福德伍德福德3.1×108t皮尔索尔巴奈特（7～71）×108t伍德福德/凯尼海恩斯维尔/波西尔74×108t塔斯卡卢萨费耶特维尔11×108t费洛伊德&孔纳萨迦查塔努加德文（49～70）×108t马塞勒斯102×108t600km0300页岩气致密油262011年

Bakken地层的第二口致密油井直到1976年才

下钻，之后该地区被称为BakkenFairway。1987年

以前，Bakken致密油区带都以直井为主，钻遇天然裂

缝系统时，表现为初期产量高、之后迅速递减、总体

产率低的特征。由于Bakken页岩亲油，所以不能注

水开采，酸化处理也不可行，这是因为注入的流体

可能与黄铁矿发生反应形成氢氧化铁沉淀［6］。1987

年，由Meridian公司承担的33-11MOI井（Elkhorn

Ranch油田）是上Bakken段页岩的第一口水平井，

该井完井后产量为油36t/d和气8461m3/d，之后2

年的产量非常稳定，由此成功打开了上Bakken段

页岩的水平钻井局面。20世纪90年代，进入该区

带的经营商超过了20家，生产成本也显著下降，但

是由于上Bakken段致密油产量的不确定性，成本很快升高。Fairway区带内，高产井通常弥补了低产

井，因此总体生产成本较低［12］。

1987—2001年，水平钻井在Bakken致密油区

带得到了广泛应用，使得上Bakken段内致密油的采

收获得成功［12］。2000年以后，随着水平井分段压裂

技术的大规模工业化应用，Bakken油藏的勘探开

发获得了突破性进展，水压裂等新技术的使用更

加提高了致密油井的成功率和采收率［13］。2007年，

Bakken致密油产量为110×104t。2008年，该组致

密油的产量激增至990×104t。2009年，该组的水平

井初期致密油产量为26.4～398.9t/d，年产量约为

1230×104t。2000—2010年，Bakken致密油的水平

井完井数超过2000口，致密油月平均产量为85×

104t，累计产量达2800×104t［14］。2010年4月，由美表1美国威林斯顿盆地Bakken组页岩勘探历程（据文献［12］）Table1ExplorationhistoryofBakkenshaleinWillistonBasin,theU.S.图3威林斯顿盆地Bakken组页岩分布（据文献［5］）Fig.3ThelocationofBakkenshale,Willistonbasin林森虎等：美国致密油开发现状及启示

外，目前已发现的其它组的OOIP总量还不足850×

108t，其中采收量<280×108t［6］，可见Bakken致密油

的潜力巨大。早期估算的Bakken组致密油的资源量为（14～

570）×108t［7-11］。USGS（2008年）评估指出，Bakken组

致密油区带的总资源量为230×108t，可采资源量为

6×108t，其中油的技术可采资源量为5.2×108t、伴生

或溶解气为51.8×109m3、石油液化气为2100×104t。

另据USGS（2008年）发布的最新数据，美国境内的

Bakken组页岩拥有的待发现资源量为3.7×108t油

及相近数量的伴生气。

威林斯顿盆地Bakken组页岩的勘探和开发始

于20世纪50年代，经历了多轮勘探开发（表1）［12］。

早期主要是对Bakken组顶部的裂缝型致密油气藏

进行勘探，最早是1953年在北Dakota发现的Ante-

lope油田，共下钻63口直井，目的层位是Bakken组

和上ThreeForks组；该阶段初期产油68.7t/d、产气

21.8m3/d，之后产量迅速递减，经过压裂增产措施

后，总产量为29t/d。到目前为止，Antelope油田已

生产油270×104t和天然气9×108m3，单井平均累计

产油4.3×104t、天然气1400×104m3。

时间主要事件1953年发现Antelope油田；建立了Bakken组和上ThreeForks组的产量

1961年壳牌公司钻探41X-5-1ElknornRanch井，是一口在BillingsNose地区寻找沉积边界靶区的发现井；建立了上Bakken段页岩的产量20世纪70年代后期在BillingsNose地区对上Bakken段页岩钻探了多口直井1987年上Bakken段页岩第一口水平井下钻，位于BillingsNose地区1996年中Bakken段的Albin井完井；沉睡巨人理论进一步发展2000年中Bakken段第一口水平井下钻；发现ElmCoulee油田2006年发现Parshall油田萨斯喀彻温省

上巴肯段

下巴肯段中巴肯段加拿大美国

北达科他州

南达科他州威林斯顿盆地蒙大拿州怀俄明州超压区尼森背斜

ElmCoulee

0150km75

超压区国境线盆地边界油田州界线27