傳統油氣地質理論的突破與創新及非常規油氣資源潛力

苗錢友　朱筱敏　姜振學　李卓　陳磊　張昆　原園

摘 要：在油氣勘探實踐中，傳統油氣地質理論為石油工業的發展做出了重大貢獻，但隨著油氣勘探向非常規油氣資源轉變，傳統油氣地質理論與認識遇到了諸多問題與挑戰，已不能有效指導非常規油氣勘探。從非常規油氣成藏條件來看，“源”不只是生成油氣的巖石，而且是勘探的儲集層和目的層；致密巖層也可以成為有效儲層；非常規油氣的封閉機制與常規油氣不同；連續和準連續成藏不需傳統圈閉條件；滯留和短距離運移均可成藏；保存條件的評價方法也與常規油氣不同。從油氣成藏機制而言，非浮力也可成藏，且是以大面積、連片富集成藏為主；從賦存狀態而言，油氣除呈游離態賦存外，還可以呈吸附態、溶解態等方式賦存；從富集分布模式而言，油氣除在圈閉和高點富集成藏外，盆地的洼陷、斜坡均可富集成藏并達到滿凹含油。世界上非常規油氣資源是常規油氣資源的4倍以上，展示出巨大的勘探前景。

關鍵詞：非常規油氣；油氣地質理論；成藏條件；聚集機制；賦存狀態；分布模式；油氣資源

中圖分類號：P618.130.2；TE132.2 文獻標志碼：A

Abstract： For the practice of petroleum exploration， the traditional petroleum geological theory has made great contributions to the development of petroleum industry. But， with the development of petroleum exploration into unconventional petroleum， the traditional petroleum geological theory and insight have come across with many problems and challenges， which can not direct unconventional hydrocarbon exploration effectively. In the perspective of condition of unconventional hydrocarbon accumulation， “source” is not only the rock generating hydrocarbon， but also reservoir and target； tight rock can be effective reservoir； enclosed mechanism of unconventional hydrocarbon is different from the conventional hydrocarbon； continuous and quasi-continuous hydrocarbon accumulation is not controlled by traditional trap condition； detention and short distance migration can form hydrocarbon reservoir； the evaluation methods of storage conditions are not exactly the same as conventional hydrocarbon. In the perspective of hydrocarbon accumulation mechanism， hydrocarbon reservoir can be formed under the mechanism of non-buoyancy in continuous large area； in the perspective of state hydrocarbon occurrence， besides free state， hydrocarbon can be accumulated in the states of adsorption and dissolution； in the perspective of distribution model of hydrocarbon enrichment， except for trap and high point， hydrocarbon can be accumulated in basin sub-sag and slope， sag-wide oil-bearing. The unconventional hydrocarbon resource around the world is more than 4 times of conventional hydrocarbon resource， indicating tremendous exploration prospect.

Key words： unconventional petroleum； petroleum geological theory； accumulation condition； accumulation mechanism； occurrence state； distribution pattern； hydrocarbon resource

0 引 言

人類認識和利用油氣的歷史由來已久，早在1835年中國四川盆地就鉆成了世界上第一口超千米的深井，但是國外石油界都把德雷克（Edwin Laurentin Drake）于1859年8月27日鉆成的一口油井看作世界石油工業的開端[1-2]。20世紀以來，石油工業飛快發展，1900年起，西方石油公司紛紛成立地質研究機構，開始用油氣地質理論來指導找油。在尋找油氣的過程中，石油地質學家圍繞油氣勘探開發階段[3-11]，在油氣的勘探實踐中相繼提出了背斜學說[12]、圈閉理論[2]、干酪根熱降解生烴理論[13]和含油氣系統理論[14]等石油地質理論，這些理論與學說極大地促進了石油工業的發展。與此同時，中國石油地質學家根據中國特殊的地質特征，提出了陸相生油理論[15]、源控論[16]、陸相盆地復式油氣聚集帶理論[17]、富油氣凹陷滿凹含油理論[18]和巖性地層油氣藏理論[11，19-21]等具有中國特色的石油地質理論，為石油地質學的發展做出了巨大貢獻。

隨著地質理論的發展和科技進步，石油工業發展將會經歷常規油氣、常規與非常規油氣、非常規油氣三大階段[22-25]。21世紀以來，美國頁巖氣迅猛發展，特別是2008年后頁巖油產量也快速上升，引起了全球油氣界的巨大關注[26-30]。頁巖氣的發展源于同屬非常規的致密油氣，人們將開發中采用的以水平井和壓裂為主體的技術系列引入到巖性更加致密的暗色頁巖中，逐步完善后就促成了頁巖油氣的巨大發展，而頁巖油氣的技術進步和對傳統油氣地質理論的重新認識又反過來推動著非常規油氣特別是煤層氣的勘探開發。與此同時，非常規油砂、重油的經濟開發也取得重大進展，特別是縱貫加拿大和美國西部的油砂帶和橫貫委內瑞拉的奧利諾科重油帶都形成大—超大型油田群[31]。作為非常規氣潛力巨大的天然氣水合物也被列入積極探索的目標[32]。

就近期的勘探開發來說，非常規油氣已達到與常規油氣同等重要的地位；而就未來的供應來看，前者卻似乎更為重要。頁巖油氣的成功開發使人們對非常規油氣的認識更加深化和系統化，促使其完成了向理性認識的飛躍，促成了傳統油氣地質理論的突破和創新。

本文首先從傳統油氣地質理論的六大地質要素“生、儲、蓋、圈、運、?！背霭l，探討了油氣成藏條件理論觀念如何從常規向非常規轉變，然后對比了常規與非常規油氣的成藏機理與模式，最后對非常規油氣的資源潛力進行了分析，并提出了幾點對今后油氣勘探的啟示。

1 油氣成藏理論觀念的轉變

傳統油氣地質理論認為油氣藏的形成和分布是烴源巖、儲集層、蓋層、圈閉、運移和保存條件綜合作用的結果，這6個地質要素可以概括為“生、儲、蓋、圈、運、?！盵2]。常規“油氣藏”定義是在“單一圈閉中”，“單一”主要是指受單一地質要素所控制，在單一的儲集層中具有統一的壓力系統及統一的油、氣、水邊界。油氣在烴源巖中生成后，經過運移進入圈閉形成油氣藏，而且地質歷史中形成的油氣藏只有在一定條件下才能保存下來。

根據傳統油氣地質理論，烴源巖內無法排出的殘余油氣不能形成有經濟價值的油氣藏；如果地層致密，不能形成有效儲層，也不適宜作為勘探開發對象；如果油氣藏后期被破壞，天然氣首先逸散，石油的輕質組分散失而形成流動性差的重油（稠油），甚至形成瀝青砂。直到20世紀七八十年代，這3類油氣在當時的“常規”技術下也很難被經濟利用。然而近些年來，以頁巖氣革命為代表的非常規油氣正在顛覆傳統油氣地質理論的認識。非常規油氣主要是指其形成條件、聚集機制、油氣賦存狀態和分布規律不同于常規油氣，使用傳統技術無法獲得自然工業產量，需用新技術改善儲集層滲透率或流體黏度等才能經濟開采的連續或準連續型聚集的油氣資源，包括致密油、致密氣、頁巖油、頁巖氣、煤層氣、可燃冰、油砂和油頁巖等[9]。非常規油氣藏與常規油氣藏的地質特征有諸多不同（表1）。

1.1 油氣成藏條件理論觀念的轉變

1.1.1 烴源巖與泥頁巖儲層

在傳統油氣地質理論中，泥頁巖只被當作烴源巖或蓋層，從泥頁巖中生成的油氣伴隨成巖作用的致密化而與水一起被排出，遇到合適的圈閉條件發生聚集形成常規油氣藏。但近些年來，北美的石油企業將暗色泥頁巖作為儲集層進行勘探開發，取得了巨大成功[33-37]。從地質角度分析，這是由于泥頁巖生成的油氣一部分運移至圈閉聚集形成常規油氣藏，但大部分沒有排出而是滯留下來形成頁巖油氣藏。從圖1的實例可以看出，濟陽坳陷古近系不同層位泥頁巖的生烴量遠大于排烴量，生成的油氣大部分滯留于源巖中。傳統油氣地質理論認為，若烴源巖單層厚度過大，不利于地層中部的油氣順利排出，是一種“無效烴源巖”；但頁巖油氣理論認為，這卻是難得的有利條件，單層厚度越大，不僅保留的油氣量大，而且越容易進行水平井和壓裂施工，往往是首選的勘探對象[38-41]。中國近年來也開始進行頁巖油氣的勘探開發，并取得一系列重大突破，2012年中國石化發現涪陵焦石壩頁巖氣田，產氣層段為上奧陶統—下志留統的五峰組—龍馬溪組，優質頁巖厚度大，總有機碳（TOC）高，鏡質體反射率（Ro）適中，含氣量與單井產量高。

1.1.2 高孔滲儲集層與低孔滲儲集層

在傳統油氣地質理論中，儲集層一般都是保留較多孔隙且連通性較好的地層，油氣勘探首先關注孔隙度、滲透率等物性條件好且油氣充滿程度高的好儲層。在好儲層油氣勘探開發程度越來越高的情況下，為了滿足日趨增長的消費需求量，油氣工業便不斷向孔滲性能較差的儲集層進軍，從低孔滲儲集層延伸至致密儲集層[42-45]。常規油氣的孔喉直徑下限為1 000 nm，以達西滲流為主；而對于致密油氣，孔喉直徑下限為50 nm，以擴散-滑脫流、低速非達西流為主；頁巖油氣的孔喉直徑下限可以達到5 nm，以解析和擴散為主[7]。鄂爾多斯盆地中部大面積展布的延長組長7段致密砂巖儲集體與油頁巖、暗色泥巖互鄰共生，在異常高壓的持續作用下，石油就近持續充注形成大型致密油藏[46-48]。

塔里木盆地庫車坳陷侏羅系和白堊系致密氣儲層的含氣層孔隙度基本上分布在2%～12%[49]，天然氣排入到儲層中不受浮力作用，氣體排驅儲層空間中的水而富集成藏，孔隙度更高的地層由于氣體受浮力作用向更高部位運移反而不含氣，只有運移到圈閉中的天然氣才能富集成藏（圖2）。這是由于“連續型”致密砂巖氣藏的形成是天然氣持續不斷的供給和散失達到動態平衡的過程，氣藏邊界本質上是由成藏時期致密儲層臨界孔喉半徑所決定的[50]。當儲層孔喉半徑大于臨界孔喉半徑時，氣體散失，不能聚集成藏。

1.1.3 上覆蓋層與儲層自封閉

在傳統油氣地質理論中，烴源巖中生成的油氣運移到儲集層中，如果上方沒有蓋層的遮擋，將會逐漸散失殆盡。而在非常規油氣地質理論中，由于儲集層物性本身比較致密，致密儲集層本身就具有一定的自封閉能力，如厚度較大的頁巖一般是靠近頁巖頂面和底面的、距離滲透性地層較近的部分生成油氣易于排出，而對于頁巖中部的烴類由于距離滲透性地層較遠一般殘留較多。常規油氣理論一般只對儲層上覆的直接蓋層或區域性蓋層進行研究，而對于頁巖氣來說，需要研究頁巖層系頂、底板的封閉能力。

烴源巖生成油氣后，其動力不能突破頁巖孔喉毛細管力而殘留于頁巖儲層中，受到源儲壓差動力的作用進入致密儲層中的油氣也基本不受浮力作用而殘留在致密儲層中。若在上覆地層中存在更致密的蓋層，則對油氣保存更為有利。例如，塔里木盆地庫車坳陷迪西1氣藏位于致密儲層構造斜坡部位，具有下氣上水的特征，靠儲層自身毛細管力對天然氣進行了封堵（圖3）。

1.1.4 圈閉油氣成藏與連續或準連續油氣聚集

傳統油氣地質理論認為，油氣都是在圈閉中聚集成藏，受構造（構造圈閉）、不整合（地層圈閉）、巖性（巖性圈閉）等控制，界線明顯，沒有圈閉則無法形成有效的油氣藏。與常規油氣藏不同，非常規油氣無明顯圈閉界線，呈連續或準連續聚集[1]。對于常規油氣而言，浮力是最主要的運聚動力[51]，而對于非常規油氣，浮力在油氣運聚中的作用受到局限，以擴散作用等非達西滲流為主[52-53]。源內油氣主要是滯留聚集，源外油氣運聚動力為源儲壓差，受生烴增壓、欠壓實和構造應力等影響，運聚阻力為毛細管力，兩者耦合控制油氣邊界或范圍，多表現為油、氣、水層共存，呈連續相，分布較復雜，無明顯油氣水界線，含油氣飽和度差異較大。

對連續型頁巖油氣、煤層氣等烴源巖內油氣聚集特征的研究表明，這類油氣聚集基本上不受圈閉控制，但構造圈閉的存在往往會對這類油氣藏的局部富集具有一定乃至重要的控制作用，這時構造圈閉實際上起了“甜點”的作用。另外，對有些連續型油氣聚集（如煤層氣藏）而言，水動力條件也會對油氣富集產生重要的控制作用，但其可能并不完全充當圈閉（即水動力圈閉）的作用，而類似于“甜點”性質。與連續型聚集不同，作為準連續型聚集的致密油氣受到圈閉的一定控制，只不過控制其油氣聚集的圈閉不是背斜圈閉，而主要是巖性等非背斜圈閉[54]。

1.1.5 油氣長距離運移與原地滯留或短距離運移

在傳統油氣地質理論中，油氣一般會經過較長距離的運移到達圈閉中聚集成藏，浮力為油氣運移的主要動力，普遍存在優勢油氣運移通道。而非常規油氣運移距離一般較短，為原地滯留、初次運移或短距離二次運移，尤其是煤層氣、頁巖油氣，具有“生-儲-蓋”三位一體的特征，基本上生烴后就地存儲，一般不發生顯著運移，也缺乏優勢運移通道；致密砂巖油氣為近源成藏，大面積彌漫式充注，初次運移直接成藏或短距離二次運移成藏，滲濾擴散作用是油氣運移的主要方式，導致油氣水分異差[7]，如四川盆地三疊系須家河組及鄂爾多斯盆地上古生界大面積含氣，呈氣水共存的特征。生產實踐證實，致密油氣中流體滲流以非達西滲流為主，存在啟動壓力，需附加驅替力才可使流體開始流動，形成油氣生產能力。

1.1.6 油氣保存

常規油氣和非常規油氣都需要有較好的保存條件，如常規油氣需要有良好的區域性蓋層、相對穩定的大地構造環境和相對穩定的水動力條件，頁巖氣的保存條件需要從構造條件、頁巖頂板和底板及自封閉能力和水動力條件等進行評價。但在較好的保存條件下，不同氣藏所對應的地層壓力不同，如常規氣藏一般表現為常壓，致密氣藏既有異常高壓也有異常低壓，頁巖氣藏一般表現為異常高壓。

在傳統油氣地質理論中，原來的油氣藏被破壞后，一部分油氣運移至新的圈閉，再次聚集形成新的油氣藏，即次生油氣藏，還有一部分油氣運移至地表，在地表形成各種各樣的油氣顯示，在某些情況下可以形成非常規油氣藏。如在南里海盆地中，斷裂作用先于烴源巖成熟或者與烴源巖成熟同時發生，油氣主要沿著斷裂帶運移至地表淺層，遭受氧化、生物降解等作用形成油砂（圖4）[55]。

1.2 常規與非常規油氣成藏機理和模式對比

1.2.1 浮力成藏與非浮力成藏模式

傳統油氣地質理論認為，油氣二次運移的主要動力為連續油氣柱在地層水中產生的浮力和地層水流動產生的水動力。在這幾種力（或以一種力為主）的作用下，油氣在儲層內發生運移、聚集。對于常規儲層，浮力和水動力足以驅使油氣發生運移。但在以納米級孔喉占儲集空間主體的致密儲層中，由于孔喉尺寸過小，其產生的毛細管阻力大，僅靠這兩種動力無法使油氣突破細小的喉道進行運移[51]。陶士振等通過對四川盆地中北部蓬萊10井侏羅系自流井組大安寨段烴源巖進行熱模擬試驗，認為排烴后源巖剩余異常高壓為2.8 MPa，可突破孔喉半徑26 nm，增壓瞬時最高值可達38 MPa，可突破孔喉半徑117 nm，揭示了生烴增壓取代浮力成為致密油的主要運聚動力（圖5）[56]。Jiang等依據成藏期烴源巖排氣期與儲層致密演化關系及充注到儲層的天然氣是否受到浮力作用，將砂巖氣藏劃分為常規氣藏、致密常規氣藏、復合型致密氣藏和致密深盆氣藏4種類型（圖6）[57]。

1.2.2 單一賦存相態與多種賦存相態

在傳統油氣地質理論中，油氣主要是以單一的游離態形式賦存；而非常規油氣是以游離態、吸附態和溶解態等多種相態共存。頁巖氣的賦存狀態主要有吸附氣、游離氣和溶解氣[58-60]，生成的頁巖氣首先滿足有機質和巖石顆粒表面吸附的需要，當吸附氣量與溶解氣量達到飽和時，富余的天然氣才以游離態進行運移和聚集[33，61-62]；頁巖油在源巖中的賦存形態主要有兩種，即干酪根表面的吸附態及基質孔隙、紋層與水平層面間、微裂縫中的游離態[63]；致密油主要存在兩種賦存形態——油膜與油珠，油膜主要賦存于粒間孔和微裂縫，油珠主要賦存于粒內孔[64]。

1.2.3 高點富集與滿盆含油氣

在傳統油氣地質理論中，油氣嚴格受圈閉控制，包括單體型和集群型。單體型主要為構造油氣藏，油氣聚集于構造高點，平面上呈孤立的單體式分布；集群型主要為巖性油氣藏和地層油氣藏，油氣聚集于較難識別的巖性圈閉和地層圈閉中，平面上呈較大范圍的集群式分布。非常規油氣分布在盆地中心、向斜或斜坡區，大范圍“連續”分布，局部富集，突破了傳統二級構造帶控制油氣分布的概念，有效勘探范圍可擴展至全盆地。油氣具有大面積分布、豐度不均一的特征[7]，易形成大油氣區。如致密砂巖氣是典型的非常規油氣聚集，空間上連續分布，砂巖地層普遍含氣，但含氣飽和度不均，缺乏明顯氣水界面與邊底水，油氣聚集邊界不明確。

2 非常規油氣資源潛力及啟示

2.1 非常規油氣資源潛力

2.1.1 全 球

雖然目前全球剩余常規油氣資源還比較豐富[9，65-66]，但隨著勘探開發技術進步和成本降低以及地區油氣供需不平衡矛盾的加劇，非常規油氣資源的勘探開發價值凸顯。據美國地質調查局（USGS）、國際能源署（IEA）等有關機構的研究結果，全球油氣資源總量約為50 600×108 t油當量，重油、天然瀝青、致密油、油頁巖油和頁巖油等非常規石油資源量約為6 200×108 t，與常規石油資源量（4 878×108 t）相差不多，全球致密氣、煤層氣、頁巖氣和天然氣水合物等非常規天然氣資源量近3 922×1012 m3，大約是常規天然氣資源量（471×1012 m3）的8.3倍[9，67-70]（圖7）。

2.1.2 中 國

與常規油氣資源相比，中國非常規油氣資源更為豐富（圖7）。中國油氣資源總量約為1 520×108 t油當量。非常規石油資源量約為240×108 t，與常規石油資源量（200×108 t）大致相當。非常規天然氣資源量約為100×1012 m3，是常規天然氣資源量（20×1012 m3）的5倍，發展潛力很大[71-74]。

中國非常規油氣勘探開發已在多個盆地取得重大突破。2014年，鄂爾多斯盆地蘇里格氣田致密氣年產量為235×108 m3；川中須家河組致密氣年產量為30×108 m3；鄂爾多斯盆地長7段致密油年產量為83×104 t；鄂爾多斯盆地沁水地區煤層氣年產量為36×108 m3；四川盆地海相頁巖氣年產量為13×108 m3。

2.2 啟 示

隨著全球非常規油氣勘探開發的迅猛發展，傳統油氣地質理論中的觀念也逐漸發生了改變。從以前認為的由于單層厚度過大而不利于排烴的烴源巖層，轉變為頁巖油氣勘探中較好的目的層，而且非常規油氣生、儲、蓋合為一體，突破了圈閉的限制。

傳統油氣地質理論不但不把泥頁巖作為勘探目的層系，而且把其他孔隙度低、滲透性差的致密巖層也置之度外，不予考慮。這樣能作為有效儲層的巖層就相當少了。非常規油氣地質理論使人們打破了這種“畫地為牢”的儲層概念，打破圍繞烴源巖找圈閉的局限，突破傳統上尋找經過二次運移、圈閉油氣聚集的“源外找油”方法，使找油氣的領域更為寬廣，找油氣資源的潛力更大。

頁巖氣革命使原來未放在找油氣目標內的頁巖層系成為油氣勘探的目的層系、生產層系，在21世紀中期將成為重要的開采對象。這一重大創新和突破在油氣開發中產生了深遠的影響，并引起不斷擴大的連鎖反應，開始改變全球和主要油氣生產國、消費國的能源構成，引導著新世紀能源發展的方向。

3 結 語

（1）油氣地質理論從常規油氣發展到非常規油氣，成藏條件的觀念也在發生變化。傳統油氣地質理論認為只能作為烴源巖和蓋層的泥頁巖，在非常規油氣地質理論中當作儲集層；由于孔滲過低而在以前認為是無效儲層的致密砂巖和致密碳酸鹽巖現在也可作為勘探目的層；非常規油氣蓋層的評價方法與常規油氣不同；由于可以是大面積連續成藏，非常規油氣的聚集無圈閉限制，但會受到構造樣式的影響；非常規油氣以原地滯留、初次運移和短距離二次運移為主，與常規油氣可以進行長距離二次運移不同；常規油氣與非常規油氣都需要較好的保存條件，在某些情況下被破壞的常規油氣藏也可形成非常規油氣藏。

（2）油氣成藏機制方面，非常規油氣的運聚主要受生烴增壓、毛細管力和擴散作用力的影響；賦存狀態方面，與常規油氣一般只有游離態不同，非常規油氣有游離態、吸附態和溶解態等方式；常規油氣一般富集于構造高點，而非常規油氣大面積連續成藏。

（3）無論是全球范圍內還是在中國，非常規油氣資源潛力都遠大于常規油氣，北美非常規油氣革命正推動世界石油行業從常規油氣向非常規油氣轉移。要敢于突破傳統的思維模式，不斷重新認識尋找油氣資源的新理論和新方法，這必將為中國未來油氣勘探的持續發展提供重要的指導與借鑒。

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