张光亚^[9]、邹才能^[10]等研究认为, 我国火成岩面积达215.7万km², 东部主要分布在渤海湾、松辽盆地的中生界、新生界的大陆裂谷盆地, 西部主要发育在准噶尔、三塘湖盆地。渤海湾盆地黄骅坳陷北部南堡凹陷广泛发育着古近系沙河街组火山岩, 包括酸性(流纹质)火山岩和基性(玄武质)火山岩^[11]; 下扬子带、苏鲁带、山海关带及碾子山带分布着花岗岩带, 东部中新生代盆地的晚侏罗—早白垩世和古近纪多见火成岩; 地质学家把东北看成是一个超大的花岗岩和火山岩省, 被超过10万km²的火山岩所覆盖, 新生代火山岩主要分布地松辽盆地及其周边, 由约590余个火山体组成^[3], 储集层主要发育在营城组和火石岭组^[6]; 三塘湖盆地的二叠系火成岩以火山岩为主, 侵入岩次之, 盆地自北西向南东向延伸, 基底主要由石炭系、二叠系火成岩组成, 沉积地层以中、新生界为主, 沉积厚度3 000 m以上; 准噶尔盆地火成岩主要分布在古生界石炭系—二叠系, 安山岩、玄武岩、凝灰岩、火山角砾岩为主; 浙闽粤东部火山岩零星分布于余姚—大埔断裂以东超过9万km²的范围内。

自1957年首次在准噶尔盆地西北缘发现火山岩油气藏以来^[10], 已在渤海湾、准噶尔、松辽、二连、三塘湖、苏北等11个含油气盆地发现火山岩油气藏(见表 1), 经历了偶然发现(1957—1990年)、局部勘探(1990—2002年)、全面勘探(2002年后)3个发展阶段。目前主要的勘探领域有准噶尔盆地石炭系—二叠系、松辽盆地侏罗系—白垩系、三塘湖盆地石炭系—二叠系、渤海湾盆地侏罗系—古近系、塔里木盆地二叠系、吐哈盆地石炭系—二叠系和四川盆地二叠系等^[6]。

表 1  我国陆上火山岩勘探历程

Table 1.  Exploration history of subaerial igneous rocks in China

2.1.1辽河油区自1965年首次在辽河断陷盆地火成岩油气藏发现辽2井, 虽然在70年代初期发现辽河油田第1口具有工业油流的火成岩油藏油井热24井, 但没有对火成岩油藏进行系统研究和规模勘探^[12], 直至1997年欧26井在沙三段粗面岩中获日产150 t的高产工业性油气流, 才真正拉开了火成岩油气藏勘探的序幕, 并逐步在东部、西部、大民屯等6个新生代形成的裂谷坳陷中发现了火成岩油气藏, 已探明石油地质储量超过5 400万t, 建成了黄沙坨、欧利坨子等2个千万吨级油田。

2.1.2大庆油区松辽盆地是由火山岩和沉积岩共成、具有完整“火”、“水”沉积充填序列的“二元地层建造”盆地。2005来, 在盆地泉二段以下受控陷断裂控制的近2.9万km²的35个断陷内, 以断陷期和坳陷期形成的火成岩为储集层的油气藏勘探取得了突破性进展^[13-14]; 上世纪80年代以来进行深层砂砾岩勘探偶有发现, 但未取得让人振奋的消息, 研究人员受昌德东下白垩统火山岩二氧化碳小气田发现的启示, 2002年以来, 在盆地深部白垩系火山岩中发现了徐深气田和长深气田, 其中徐深1井白垩系营城组火山岩获得日产54万m³的高产气流^[15]。截至2011年^[16], 徐深气田已完钻160余口探井, 上交探明天然气储量2 457.45亿m³; 长深气田已探明天然气地质储量在740亿m³。

2.1.3新疆油区1957年首次在准噶尔盆地西北缘石炭系—二叠系发现我国沉积盆地中的火山岩油气藏^[17]。其中, 2006年初, 克-百逆冲带和石西地区探明的火山岩油藏地质储量达2.2亿t, 陆东-五彩湾凹陷石炭系探明的火山岩气藏地质储量超过1000亿m³。2006年在三塘湖盆地石炭系火山岩卡拉岗组钻探的马17井获得高产油流后, 又在哈尔加乌组火山岩取得了突破。

2.1.4胜利油区渤海湾东部中生代—新生代盆地火成岩是重要的勘探目标^[18]。胜利油区济阳坳陷的惠民、东营、沾化、车镇、桩东、埕北及孤北凹陷等凹陷相继发现了火成岩油气藏, 其中罗151断块为火成岩和变质岩复合油气藏, 油藏平均有效厚度30 m, 平均单井日产油30 t。

2.1.5苏北油区苏北盆地是伴随太平洋板块北北西向的俯冲消减作用形成的陆内裂谷盆地, 发育着大量火成岩生油层; 从上白垩统的泰州组至上第三系盐城群发育有多套火成岩, 岩流单元厚度1~12.6 m, 孔隙度6.2%~12.8%。江苏油田“十二五”期间对火成岩发育地区重点开展了地震资料采集、处理及解释技术攻关研究, 提高断块圈闭识别及描述精度^[19]。

2.2.1油气勘探技术我国经过50多年的勘探实践, 逐步形成了火成岩地震勘探、岩性识别、岩相分析、储层岩性测井识别、裂缝预测等技术, 并在大港枣园35断块玄武岩、辽河坳陷粗面岩、克拉玛依玄武岩、二连阿北安山岩等火成岩油气藏得到成功勘探认识, 在一定程度上填补了国内外火成岩油气藏勘探和研究领域的空白。

(1) 地震勘探。火成岩波阻抗与沉积岩存在差异, 在常规地震剖面上出现的反射特征较为特殊, 火成岩构造部位和岩相:地震振幅和频率不同, 其地震反射特征差别很大^[20]。地震勘探主要是应用叠前、叠后流体检测技术组合反映火成岩纵向时间剖面的展布特征, 解释岩性和岩相; 穿层强反射为侵入岩, 连续低频强反射为喷发岩; 与反射界面平行连续强反射为溢流相, 穹隆状、丘状强反射为爆发相。火成岩储层地震预测技术主要有:①观察火山口、河道、断层空间异常体展布的地震水平切片对比分析技术, 但不能用于对多期形成含沉积岩夹层的薄互层火成岩储层预测; ②三瞬(瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率)地震属性分析技术; ③火成岩储层有利相带预测的吸收衰减技术; ④表征火成岩构造裂缝发育程度、分布状况的地震曲率分析技术, 曲率值越高, 富含油气的机率越大; ⑤识别火成岩的速度谱分析技术; ⑥波阻抗和多参数反演技术。

(2) 岩性识别和岩相分析。火成岩油气藏勘探的首要问题是解决火成岩岩性识别, 但常用的交会图法、成像测井识别法等碎屑岩岩相识别方法不能满足火成岩岩性和岩相的识别^[21]。除用地震资料解释火成岩岩性和岩相外, 测井识别也是重要的手段之一, 根据未蚀变火成岩测井中钍、铀、钾、自然伽马、密度、岩石致密性、里特曼指数、声速等的响应特征来识别岩石矿物、孔隙结构及发育、岩石蚀变、油气分布等; 岩相分析综合利用钻井取心、测井和地震资料判断火山喷发位置、喷发期次, 从而划分岩相带。目前, 用来解决火成岩岩性识别有聚类分析、神经网络和支持向量机等方法, 使用基于K-means聚类算法建立的RBF神经网络法对辽河盆地东部凹陷玄武岩、粗面岩等6种火成岩岩性进行识别, 识别准确率平均可达70%以上, 个别井次识别效果可达90%。近年来, 通过“岩心刻度测井”表达不同类型火成岩常规测井曲线特征, 建立了火成岩岩性测井识别图版, 划分出测井可识别的岩性, 可以识别包括粗面岩、安山岩、闪长岩、玄武岩、辉绿岩、中性凝灰岩、基性凝灰岩、中性角砾岩、基性角砾岩等9类火成岩岩性。

(3) 储层井震结合预测技术。周动力等^[22]认为火成岩储层的储集空间可分为原生和次生2个大类, 19个小类, 火成岩油气藏的形成主要受到烃源岩的位置、保存条件、构造及岩浆活动4方面的共同影响; 但火成岩储层储集性能差, 岩石骨架参数值较高, 测井曲线往往反映的是岩石骨架特征。地震资料是火成岩储层预测的基础, 首先对地震资料进行Q补偿、谱白化处理后, 应用地震相分析方法, 判断火成岩楔状、板状、乱岗状、蚯蚓状等反射代表的形成机制; 其次利用沿层提取地震属性、地震波形特征、Jason和Sarata反演技术对火成岩储层的顶、底界进行蚂蚁追踪, 从而确定储层厚度。

(4) 裂缝预测技术。目前, 国内外对火成岩裂缝的预测仍处于探索和尝试阶段。国内一些学者^[21-22]在实践中总结出了方差体技术、沿层倾角地震参数法、电阻率差比法、地震单属性分析法等4种裂缝预测技术, 其中前2种方法可宏观预测裂缝, 后2种方法可半定量地预测裂缝。

(5) 测井录井技术。“十二五”期间, 中国石化自主研发了针对火成岩的复杂储层测井、录井评价装备^[6], 包括:抗高温小直径井下测井仪、电成像仪和脉冲中子能谱仪、系列综合录井仪和开发井录井仪, 并搭建了井场信息综合平台, 为火成岩油气藏的发现提供了技术支撑。

2.2.2钻完井技术火成岩具有岩性复杂多变、岩石坚硬且脆性大、岩石可钻性级值高(6~10级)的特点, 钻头选型困难, 钻井时易发生井漏和掉块等钻井难题。随着火成岩油气勘探的深入, 逐步形成和完善了火成岩钻井技术。

(1) 空气钻井技术。空气钻井技术在全球常规油气勘探中已广泛应用。徐深21、滴北1井采用空气钻井, 机械钻速与常规钻井相比提高4~6倍, 有的井段机械钻速超过了10 m/h^[23]。空气压缩机、增压设备和旋转头为地面供气设备, 工艺上先用常规牙轮钻头试钻, 再用空气锤钻井。常规牙轮钻头试钻的钻具组合:牙轮钻头+单流阀+钻铤+随钻震击器+钻铤+斜坡钻杆; 空气锤钻井的钻具组合:空气锤头+空气锤+单流阀+钻铤+随钻震击器+钻铤+斜坡钻杆组合。

(2) 欠平衡钻井技术。钻遇火成岩顶界面发生严重井漏是导致钻探火成岩裂缝性油气藏达不到预期目的而提前完钻的主要原因, 欠平衡钻井可有效克服这一难题。国内学者^[24-25]采用“PDC钻头+钻铤+斜坡钻杆+箭形单向阀+投入式止回阀+斜坡钻杆+方钻杆下旋塞+六方钻杆+方钻杆上旋塞”的钻具组合, 配套密度1.00~1.03 g/cm³的泡沫钻井液、充氮气钻井液, 有效解决了商741块沙三段火成岩裂缝性油气藏的开发问题。

(3) 控压钻井技术。控压钻井技术^[26-27]通过对地层压力剖面的预测, 综合控制井口回压、钻井液密度和流变性、水力摩阻、环空液位和井眼几何形态, 在地层孔隙压力和破裂压力之间形成“窄压力窗口”的井筒压力剖面, 进行平衡或近平衡钻井, 避免井涌、井漏、卡钻等事故的发生。目前已在准噶尔盆地石炭系火成岩油藏成功应用。

(4) 复合钻井和自动垂直钻井技术。“十二五”中国石化针对塔里木盆地火山岩钻井速度慢的问题, 配套形成了“PDC钻头+螺杆”钻井技术、深井固井技术、深井钻井液技术, 并研发了高效堵漏材料及防漏堵漏技术。与“十一五”末相比, 平均钻井周期缩短15.2%, 机械钻速提高18.9%。但单只钻头进尺少、机械和行程钻速低、起下钻趟数多的问题仍未得到有效解决。赵洪山等人^[28]提出了“PK6245MJD型PDC钻头+扭转冲击工具+双向减震器+钻铤+加重钻杆+钻杆”的扭转冲击工具组合, 解决了钻头卡滑问题, 提高了火成岩地层的机械和行程钻速, 并在准噶尔盆地西部隆起哈山山前构造带外来推覆体哈山3构造的钻井实践中得到证实。

(5) 完井技术。火成岩油气藏完井广泛采用裸眼或筛管完井。

2.2.3开发技术大庆、辽河、胜利、大港、新疆等油田分布着大量火成岩油气藏, 随着火成岩油藏的相继发现和投入开发, 形成了较为成熟的开发技术。

(1) 火成岩气藏开采技术。根据不同的火成岩气藏类型和开发阶段^[29], 形成了自喷阶段的井下节流和井口节流工艺, 机械排采阶段的液氮气举、井下节流气嘴、双封隔器掏空气举、井下射流泵、机抽排液, 泡沫排液、组合管柱等举升工艺并配套完善了高效旋流分离、多功能轻烃回收、凝析油闪蒸稳定等地面处理工艺。

(2) 火成岩裂缝性稠油油藏开采技术。裂缝性双重介质稠油油藏, 裂缝中的原油储量少、易开采, 基质中原油储量多、难开采, 衰竭式、注水、蒸汽吞吐、电加热降黏、酸化或地层降黏等技术是较为成熟的开采方法^[30], 在滨674块、枣35块火成岩稠油油藏成功应用。

(3) 火成岩油气藏储层改造技术。火成岩储层具有裂缝和孔隙双重介质的特征, 平面和纵向上岩性变化大, 非均质性强, 压裂改造具有“高储层温度、高流体滤失、高施工压力、高砂堵几率”的特点。国内在压裂改造方面形成了平衡测试压裂裂缝诊断、耐高温压裂液延迟交联、综合降滤失提高造缝效率和水力钻孔辅助压裂工艺等技术^[31]。

(1) 国内外从事火成岩油气藏研究的学者强调火成岩岩相对成藏的影响, 但没有明确什么样的岩相能成藏、什么样的岩相不能成藏、不能成藏的原因是什么。

(2) 国内外学者强调岩性对火成岩成藏的重要作用, 但从世界勘探状况来看, 所有的火成岩岩石类型均能成藏, 那么, 为什么学者都认为火成岩岩性是油气藏成藏的关键因素?宏观上、理论上的哪些方面还需要完善?

(1) 火成岩发育区地震资料品质问题。火成岩的屏蔽效应致使下伏地层反射界面不清楚, 造成无法正确认识中深层火成岩构造特征, 也不能正确进行勘探潜力评价。

(2) 火成岩层位归属问题严重影响火成岩层序地层研究, 从而影响火成岩精细岩相分析、小层对比、油层关系等, 也影响火成岩构造演化史分析。

(3) 表、浅层火成岩发育区地震资料处理和解释问题。叠层分布的表、浅火成岩, 地震资料多次波能量强, 目的层受干扰严重, 地震反射能量弱或空白, 给地震解释造成许多假象和陷阱; 有效储层测井评价技术尚未成熟。

(4) 火成岩体的轮廓应用目前地球物理技术可以较好地识别, 但是火成岩体内部储层变化规律描述、储层物性预测、裂缝及孔隙发育区预测、含油气富集区预测等关键技术还没有完全突破。

(5) 火成岩储层岩石抗压、抗拉强度大, 储层孔、洞、缝的发育程度和连通程度差别大, 储层改造存在施工压力高、流体滤失量大、砂堵概率高等难题。

(6) 火成岩体储层地震、非震综合地球物理识别技术、裂缝识别、有效储层测井评价、快速钻井、储层改造等关键技术有待攻关。

(7) 钻探火成岩水平井和大位移钻井时, 随钻测井资料的真实性受传感器与钻头之间距离、数据传输效率、探测深度、仪器耐温耐压及抗钻井噪声能力等因素影响^[32]; 同时, 数据传输单芯铠装电缆故障导致录取的地层资料不能及时传输, 不能反映储层的真实情况。

目前, 世界各国火成岩油气藏采收率15%~20%, 如何将常规油气藏提高采收率的方法应用到火成岩油气藏的开发中, 是今后亟待解决的问题。

我国沉积盆地充填物中, 火成岩对沉积物总量的贡献率达25%^[1], 沉积盆地中火成岩易接受从沉积岩中运移过来的油气。我国的藏南和长白山分布着大量的新生代火成岩, 松辽盆地西北部、东南沿海广泛分布中生代火成岩, 新疆北部和四川盆地分布着古生代火成岩, 总面积达215.7万km^2[33], 勘探开发前景十分广阔。

2015年底我国石油对外依存度达到60.6%^[34], 远远超过了“红线”。为减少石油工业“黑天鹅事件”带来的全球油价暴跌的影响, 加大火成岩油气藏的勘探开发力度, 对我国改善能源结构, 保障国家能源安全将起着至关重要的作用。习近平同志在全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上的讲话时谈到^[35], “多复变函数论、陆相成油理论……等工程技术成果, 为我国成为一个有世界影响的大国奠定了重要基础”。这也为今后加快火成岩油气藏的勘探开发提供了动力。

(1) 三维频率波数域滤波技术与侵入岩地震相断层识别方法在苏北盆地火成岩地震资料处理的成功应用^[36], 为提高了火成岩发育区地震资料处理和解释的精度提供了技术借鉴。

(2) 火成岩沉积层序研究正在解决构造-岩浆活动期幕划分、陆相层序地层边界划分、时空分布规律和火成岩与伴生油气藏的时空等问题。

(3) 量子通讯超距感应和纳米发电机^[37]的应用, 将为提高火成岩水平井和大位移井随钻测井资料的精度提供了可能。

(4) 常规油气藏开采的稠油冷采、油井“三防”治理、分层采油^[38]、井下节流、减载深抽、油层卡采、抽油机井柔性控制等技术^[39]已完善配套, 已有部分火成岩油气藏成功应用的范例^[30], 为火成岩油气藏提高采收率提供了可借鉴的技术支持。

(5) 正在悄然发展的油藏纳米机器人^[40]能够了解井间基质、裂缝和流体性质, 以及与油气生产相关变化; 测量油藏的储层参数、液体参数、流体和地层界面的空间分布等有助于对火成岩油气藏的认识, 提高开发效果。

(6) 可以“引进、消化、改造”俄罗斯、美国、古巴、印尼及东欧等国家和地区相对成熟的火成岩地质理论、地震、钻井和测井技术; 借鉴国内外常规油气藏提高采收率技术。

(1) 火成岩为孔隙和裂缝双重介质储层, 虽然我国勘探开发历史已超过50年, 取得了一些较为成熟的勘探开发成果, 但火成岩油气藏形成机制、地震、非地震、岩性识别、钻井等勘探开发理论和技术仍亟待完善和丰富。

(2) 国内外火成岩先进的勘探开发经验、前沿交叉学科、国家能源需求等将推动火成岩油气藏勘探开发的发展。