攻克超深层海相油气勘探难题

    2011年9月16日，通过国土资源部油气储量评审办公室专家组审查，中国石化在四川盆地7000米深处的海相地层中发现的元坝气田，获得第一期天然气探明地质储量1592.53亿立方米。元坝气田成为迄今为止国内发现的埋藏最深的海相大气田。这也是中国石化继在6000米左右的深部海相地层发现塔河油田和普光气田后，取得的又一项令人鼓舞的成就。

    评审专家们认为：元坝气田是国内油气勘探的重大发现，是思路创新、理论创新和技术创新的重大成果。中国工程院院士马永生说：“天然气是21世纪的清洁能源，元坝气田的发现对改善国家的能源结构、发展低碳经济、绿色经济具有重要意义。”

    预计2013年年末，元坝气田所在的四川苍溪县境内将建成一座年产17亿立方米净化气生产能力的净化厂；2015年年末，这座净化厂的净化气生产能力将达到34亿立方米。

    向超深层海相要油气

    回顾元坝地区50余年的勘探历程，它曾是一块被啃剩的“硬骨头”。

    元坝地处四川盆地东北部，大巴山和米苍山的南边。“无构造背景，成藏条件复杂。”在一份份上世纪的元坝地区油气勘探资料上，记载着这样的评语。

    新中国成立以来，不知有多少石油地质专家和勘探队伍到过元坝地区。他们满腔热血而来，摇头扼腕而走，把憧憬和希望埋葬在了这块土地上。力透纸背的字迹让人似乎听到了一声声沉重的叹息，叹息声中满是不甘。天然气勘探工作就这样被搁置下来。然而，希望的生机无法被遏制。通过转变发展方式，加大科技投入，中国石化无论是地质认识，还是勘探技术均取得了长足的进步。2000年，中国石化油气勘探工作者怀揣着满满的自信，肩负着前辈的梦想与执著，踏上了这片葱郁的土地，在这个被遗忘的地区开始了艰难探寻。5年的寻觅和探索，石化人如痴如醉，越挫越勇。

    2005年，地震勘探表明这一地区存在长兴—飞仙关组礁滩相储层地震异常体。中国石化集团公司高度重视，股份公司高级副总裁王志刚、集团公司副总经理曹耀峰亲自担任勘探领导小组组长督导勘探，满怀憧憬的石化人追踪落实这一礁滩储层地震异常体的属性及分布范围，实施了1275.72千米的二维地震和244平方千米的三维地震。 

    2006年4月6日，王志刚亲自为第一口探井打桩。5月26日元坝1井开钻。2007年11月19日，曹耀峰亲临现场组织试气，元坝1井试获日产天然气50.3万立方米，实现了元坝地区天然气勘探重大突破。时隔5个月，元坝2井也发现了工业气流，初步证实元坝地区气藏的存在。看到中国石化集团公司专门发来的贺电，勘探人员万分激动。

    勘探南方分公司总经理郭旭升说：“元坝自此变成了一片希望的土地。”随后的6年间，果然惊喜不断。

    元坝气田发现的台缘礁滩相长兴组海相大型气藏，已完钻测试的17口井中，有16口井获得工业气流，其中7口井9层获得日产天然气超百万立方米。海相储层获得探明、控制加预测三级储量5624亿立方米，其中长兴组首次提交探明储量1592.53亿立方米。中浅层发现大气藏，8口井获得工业气流，控制加预测储量2662.18亿立方米，前景良好。侏罗系湖相页岩气勘探取得重大突破，5口探井获得页岩气工业产量，为“十二五”非常规大发展奠定了良好的基础。

    思路创新

    2011年9月16日上午，元坝224井钻探现场。一块看似不起眼的岩石传到笔者手中。这是一块取自7000米深处的白云岩岩心，密布在岩心上的孔隙和立体网状通道正是天然气资源的优质居所。

    就是这样一块块的岩石，构筑起了中国石化元坝大气仓。郭旭升举起一块岩石开心地说：“这么好的储层，哪能不高产？”

    元坝构造位于四川盆地北部深凹陷，四周高中间低，像个大锅底，无明显构造背景，按照“水流低处、气升高处”的常规和传统构造油气勘探思路，被认定是勘探潜力小、难度大的地区。

    上世纪60年代到90年代，石油勘探工作者在元坝地区进行了实验性的二维地震工作，以陆相浅层油气为目标打了4口探井，虽有油气显示，但均未获得工业气流。

    “认知的深入和科技的提升，让中国石化的勘探者们有信心有能力挑战前人无法攻克的探区。”郭旭升说。带着希望，南方勘探的科研团队在元坝地区一带开始了详细的地面地质调查。

    他们风餐露宿，在一个又一个地质剖面上不厌其烦地进行踏勘、测量、观察及采样工作。沥青、油苗、古生物化石和针孔状白云岩储层等一个个发现让他们信心倍增。通过对地质露头的深入分析和对老地质资料仔细研究，他们初步认定元坝地区烃源岩和保存条件优越，发育优质储层，是有利勘探区，并进行了矿权登记。

    2003年7月，以“构造—岩性圈闭”为勘探对象的普光地区天然气勘探取得重大突破，给南方勘探工作者以极大鼓舞。为了寻找新的勘探目标，元坝地区首次实施了8条高精度二维地震测线。新的地震剖面资料给科研人员提供了新的更丰富的信息，他们惊喜地发现，元坝地区7000米深处的地层具有台地边缘礁滩相带的特征，初步圈出了生物礁滩体的分布范围。

    海相油气勘探理论认为，台地边缘礁滩相带是存储油气的优质仓库，找到了它们就可以说找到了海相油气的孕育和藏身之所。这些初步的发现，给南方勘探人以极大的鼓舞。

    南方勘探科研人员通过加强科研攻关，进一步深化了对四川盆地及周缘地区的油气地质认识，通过结合地震资料对龙门山至米苍山露头区的研究，发现从龙门山经元坝地区到米仓山一带发育二三叠系台地边缘礁滩相。他们在前人研究的基础上，综合分析与探讨后提出了新的认识：元坝地区礁滩储层埋藏深，虽然没有构造背景，但具备形成岩性圈闭的有利条件。

    郭旭升说，四川盆地的海相地层在过去的几亿年，经历了多次构造运动，具有多旋回叠加、后期强烈改造的特点，油气的保存条件和油气藏定形定位十分复杂。唯有转变传统思路，科学发展，才能找到以前根本不可能发现的油气资源。

    事实证明，在油气富集、勘探难度越来越大的四川盆地找油气，关键在于创新。“十五”期间，他们突破传统，创新思路，从构造油气勘探思路，转向构造—岩性复合圈闭勘探思路，发现了普光大气田。无构造背景的元坝地区的勘探研究启示他们，只有进一步创新思路，才能有出路。他们再一次实现创新，提出了针对元坝地区的岩性圈闭勘探思路。大胆假设、小心求证。

    通过更加精细的1275.72千米高精度二维地震资料采集、处理和解释，研究人员基本查清了元坝地区沉积构造特征和台缘礁滩相带展布，合理解释3个大型礁滩岩性圈闭目标。

    2006年元坝1井和元坝2井相继开钻。2007年，元坝1井不负众望，在7300多米深处的海相地层钻获高产工业气流，取得了天然气勘探重大突破。随后，元坝2井钻遇工业气流。

    在集团公司的大力支持下，2007年至2009年，勘探南方分公司在元坝地区完成了2200平方千米高精度三维地震，给元坝地区做了一次深度的“CT”检查。科研人员通过对高精度三维地震资料进行处理解释，因地制宜提出“相控三步法”技术，对元坝地区7000米深处的每一个礁滩体做了精细描述和刻画，在海相主力储层长兴组发现了19个岩性圈闭，在海相飞仙关组和吴家坪组发现3个大型岩性圈闭。这些新的发现为部署第三和第四轮海相探井提供了科学依据。

    在全新的思路、科学理论的支撑下，南方勘探的地质专家们仿佛有了一双“千里眼”。目前，第三、四轮探井工作已完钻测试15口井，全部获得工业气流，成功率100%，其中7口井9层获得日产天然气超百万立方米，打出了国内天然气勘探罕见的高产气井群。

    理论创新

    按照油气勘探行业标准，地下埋深超过4000米属于深层，超过5000米属于超深层。元坝气田海相二叠系上统长兴组气藏埋深6240～6950米，平均井深7048米。按照地下深度每增加100米温度升高2℃的一般规律，7000米深处的温度大约160℃。在超深层、高温和高压条件下，元坝地区的海相地层有没有可能形成和保存油气？这是元坝勘探初期横亘在勘探科研人员面前的地质理论高峰。

    2003年以来，南方油气勘探科技工作者以国家重大科技专项、中国石化“十条龙”科研项目为带动，在原有地质认识的基础上，利用地质露头、物探和钻井资料开展了扎实而卓有成效的基础研究。共完成国家科研项目22项，中国石化科研项目86项，自设科研项目205项，其中27项荣获国家及部级奖励。《海相深层碳酸盐岩天然气成藏机理、勘探技术与普光气田的发现》获得国家科技进步一等奖，7项成果获部级科技进步一等奖。这些项目的实施对南方海相深层油气勘探发展起到了重要的理论指导和技术支撑作用。

    郭旭升说：“丰富的烃源岩是形成大型油气田的物质基础，元坝地区有没有丰富的物质基础，是我们理论研究需要解决的首要问题。”

    他们通过对大量岩心、薄片系统观察，发现元坝地区长兴组储层中普遍见固体沥青，同时，根据实际气藏分析资料综合对比及热模拟实验数据，判断元坝地区长兴组天然气总体上呈原油裂解气组成特点，同时部分气样表现为烃源岩裂解气特征。元坝长兴组储层沥青及天然气碳同位素分析表明，烃源主要来自上、下二叠统及志留系烃源岩。

    通过开展源岩多期生烃历史的恢复、原油裂解及其烃源贡献、储层沥青演化阶段及其生气潜力计算，他们最终评价认为，元坝地区具有丰富的烃源岩，其烃源具有多种来源，既源于干酪根的多期生烃作用，也源于已聚集原油的裂解及不同演化阶段，以及不同赋存状态的沥青的热裂解。这就像一个大的湖泊，其水源既有地面的大河、小溪、地下的暗流、自然的降雨等多种源头。

    气藏“多源供烃”理论认识，突破了干酪根降解生烃的已有理论框架，不仅证明元坝地区超深层碳酸盐岩具有丰富的烃源和巨大勘探潜力，而且对其他烃源岩过成熟地区的油气勘探具有重要指导意义。

    第二个要解决的地质理论问题是元坝地区的油气存储在什么样的空间里面？郭旭升和他的科研团队认为，元坝地区构造上位于四川盆地川北凹陷与川中低缓构造带接合部，海相礁滩勘探目标构造平缓，构造圈闭不发育，能不能找到大气田，关键看能不能认识和识别有利的岩性圈闭目标。他们从野外露头、老井及区域二维地震资料入手，建立了元坝地区海相层序地层格架，明确了晚二叠世长兴期——飞仙关期沉积格局，认为元坝地区处于台地边缘礁滩相发育有利区，发育长兴组——飞仙关组台缘礁滩相储层，成藏条件有利。元坝地区储层尤其是孔隙型储层的发育是油气富集成藏的关键控藏因素，气藏成藏总体表现为“岩性控藏”特征。

    勘探南方分公司总地质师郭彤楼说，元坝地区、四川盆地乃至中国大陆在数亿年前是一片汪洋，后来经过板块漂移和强烈的地壳运动，经过沧海桑田的变化才有了今天的地貌。他们利用最新的地质理论和研究方法，将元坝地区古海洋时期不同时间段沉积的地层一层层描述它们的特征，发现在长兴—飞仙关期这个时间段沉积的地层既能生成油气，也能储存油气，并且这种储存功能由于储层岩性改变而得到加强。

    科研攻关和勘探实践紧密结合孕育而成的“多源供烃、岩性控藏”的理论认识，为元坝大气田的发现指明了勘探方向。在此基础上，勘探南方分公司的科研人员利用高精度地震勘探技术和“相控三步法储层预测技术”查明了元坝地区长兴组海相油气的展布。

    郭旭升说：“元坝地区长兴组气藏就像是伸开的5个手指头，每个指头的粗细都不一样，每个指节的长度、宽度、厚度也都不一样，钻头打在‘指头’上就是高产，打在‘指头’边缘就可能低产，而打在‘指头’之间就很有可能落空。”

    技术创新

    高温高压加上异常复杂的地层结构、从未涉及的埋藏深度，这就是元坝，一座天然气勘探界的巍峨险峰，一道困扰了几代石油人的世界难题。

    “7000多米的井深，井下温度达到160℃，哪怕一个手指甲盖大小的地方，也要顶着700公斤的压力，勘探难度可想而知。”郭旭升以一个形象的比方试图让笔者理解勘探施工的难度。

    不畏艰险的中国石化南方勘探人，在正确的勘探理论指导下，通过技术创新，攻克了一道道技术难关，在元坝勘探过程中初步探索和建立了完整的勘探技术系列。

    2006年以来，勘探南方分公司针对高温、高压、高产、高含硫、超深层、隐蔽岩性气藏勘探这一世界级难题，充分调动中国石化内外科研力量，走产学研相结合的路子，累积完成11项国家专项、24项中国石化股份公司重点科技项目和100多项自设科研项目，发展和完善多项关键技术，大幅度提升了超深层、高含硫、复杂礁滩储层的勘探技术能力，有力地支撑了元坝气田勘探发现。

    针对元坝地区长兴组储层埋藏深、隐蔽性强、地震反射波能量弱、分辨率低的特点，通过加强复杂山地地震资料采集、处理、解释一体化技术攻关，形成了复杂山地宽方位、高覆盖三维地震采集技术和基于目标的超深层高保真地震资料处理技术。这些技术的应用大大提高了超深层储层预测精度，实钻成果与预测厚度误差小于7%、孔隙度误差小于10%，探井钻遇储层成功率100%。组合形成的《川东北地区大型气田勘探目标及关键技术》，2010年获得中国石化科技进步一等奖，成为南方海相超深层碳酸盐岩岩性气藏勘探的核心技术。

    设计深、地层硬、压力高、周期长、危险大，元坝区块将国内钻探的难度提升到了新的高度。为了确保元坝地区钻探工作高效推进，中国石化集团公司统一协调，将一流的高精尖的技术队伍，一流的勘探人才齐聚元坝，通力合作，共同研究和实施勘探方案。

    通过化繁为简，分而治之，钻探专家针对不同地层的地质特性，采取有针对性的勘探技术手段，汇总成了一个多层次复合型的钻探方案。

    上部地层，可钻性差，采用空气钻井技术，大幅提高钻井速度；中间的须家河组地层，岩石坚硬，引进美国的“涡轮加孕镶金刚石钻头”钻井新技术，钻井速度提高了3倍；海相地层，具有易漏、易喷的特点，采用“深井优快综合配套技术”，不仅确保了井下安全，更缩短了钻井周期。

    他山之石可以攻玉，将不同的技术手段综合应用于复杂地质条件下的钻井，成了元坝气田勘探中最为闪光的特点。在勘探现场，勘探南方分公司总工程师李真祥指着山山岭岭间一座座高高耸立的井架说：“这里就是我们充分运用诸多勘探技术、以先进技术取胜的战场。在这里，先进的技术和设备犹如一把利剑，在一次次的磨砺中，变得愈加锋利。”

    面对元坝这样世界级的勘探难题，勘探南方分公司不仅研发和推广应用了非常规井身结构、高能电子点火系统等具有自主知识产权的先进技术，还通过引进、消化、吸收和改进，广泛应用了深井气体钻井、超深井录井技术、测井技术、测试技术、密闭取心技术、防漏堵漏技术等10余项达到国际领先水平的勘探技术。正是在高精尖技术的支撑下，元坝气田的勘探发现工作才得以顺利推进。

    在元坝气田，不仅将既有技术得到了淬炼和提升，更通过不断地理论创新和技术创新，取得了一个个重大突破和重大发现。针对技术难题，“十一五”期间，勘探南方分公司组织了《南方复杂深井钻井关键技术研究》、《高含硫钻井技术研究》、《特种井眼钻井技术研究》等一系列技术攻关研究和成果的现场应用，形成了30项关键技术，12项核心技术，解决了元坝钻井面临的技术难题，实现了复杂条件下超深井安全、优质、快速、低耗钻井的目标，强有力地支撑起了元坝气田的勘探开发。

    此外，在钻井及完井技术、气井测试工艺上，勘探南方分公司经过多年连续攻关，已达到国际领先水平。其中《高含硫气井钻井关键技术研究与应用》荣获2008年度中国石化科技进步一等奖。《非常规井身结构优化及其配套技术》荣获2010年度中国石化首次新技术实施奖。《川东北高温高压高含硫井试气工艺配套技术》获得2010年度中国石化科技进步一等奖。

    在先进技术的支撑下，元坝地区钻井周期缩短了160多天，钻井垂深达到7400多米，杜绝了井喷失控和硫化氢泄漏等重特大安全环保事故，形成了专门针对超深、多压力系统地层的核心技术与关键技术。测井成功率100%，储层酸压改造成功率100%，并创造了多项测试作业世界纪录，取得了7口井9层试获日产天然气超百万立方米的良好效果。