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摘 要： 摘要：非常規(guī)油氣的成功開發(fā)大幅增加了全球油氣資源、推動了全球油氣產(chǎn)量增長，同時對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論形成了重大突破。常規(guī)油氣成藏機(jī)理是以圈閉富集保存油氣及浮力成藏為核心的，非常規(guī)油氣則是以連續(xù)性聚集和非浮力成藏為特征。研究揭示，非常規(guī)
摘要：非常規(guī)油氣的成功開發(fā)大幅增加了全球油氣資源、推動了全球油氣產(chǎn)量增長，同時對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論形成了重大突破。常規(guī)油氣成藏機(jī)理是以圈閉富集保存油氣及浮力成藏為核心的，非常規(guī)油氣則是以連續(xù)性聚集和非浮力成藏為特征。研究揭示，非常規(guī)油氣成藏機(jī)理的核心是油氣自封閉作用，其動力是分子間作用力。依據(jù)分子間作用力表現(xiàn)和相應(yīng)自封閉作用，可將非常規(guī)油氣成藏機(jī)制分為3類：①以大分子黏滯力和縮合力為主的稠油和瀝青;②以毛管壓力和分子吸附力為主的致密油氣、頁巖油氣和煤層氣;③以分子間籠合作用為主的天然氣水合物。論文詳細(xì)論述了5種類型非常規(guī)油氣成藏自封閉作用特征、邊界條件及地質(zhì)實(shí)例，和分子間作用力的基本原理與數(shù)學(xué)表征。該項(xiàng)研究將深化對非常規(guī)油氣成藏機(jī)理的理解，提升中國對非常規(guī)油氣資源的預(yù)測評價能力，并有助于提高對非常規(guī)油氣開發(fā)生產(chǎn)機(jī)理和潛在生產(chǎn)能力的認(rèn)識。圖12表1參95
關(guān)鍵詞：非常規(guī)油氣;油氣成藏機(jī)理;自封閉作用;分子間作用力;油氣自封閉成藏模式;油氣勘探開發(fā)
0引言
石油天然氣是全球最重要的一次性化石能源，人類社會的生存和發(fā)展高度依賴石油工業(yè)對油氣能源的供應(yīng)。石油工業(yè)的生存發(fā)展是由資源、市場、技術(shù)和社會政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境4個要素決定的，其中油氣資源是基礎(chǔ)，而技術(shù)進(jìn)步是最活躍、最關(guān)鍵的因素，石油工業(yè)的發(fā)展與石油科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)。
近年來，石油工業(yè)上游資源領(lǐng)域和理論技術(shù)研究發(fā)生了重大變化，非常規(guī)、海洋深水、深層/超深層油氣勘探開發(fā)獲得重大突破和快速發(fā)展，引領(lǐng)石油工業(yè)上游業(yè)務(wù)進(jìn)入新領(lǐng)域，驅(qū)動上游地質(zhì)理論和技術(shù)裝備取得長足進(jìn)步。特別是由于非常規(guī)油氣成功開發(fā)，全球油氣資源大幅增加，非常規(guī)油氣開采的水平井和體積壓裂等技術(shù)裝備研發(fā)進(jìn)展迅速，產(chǎn)量快速增長;同時，非常規(guī)油氣開發(fā)所揭示的大量新資料對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論產(chǎn)生了重大突破，正在推動石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論產(chǎn)生革命性進(jìn)步。
1非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的重大進(jìn)展和理論意義
1.1非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的重大進(jìn)展
根據(jù)石油工程師學(xué)會(SPE)、美國石油地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(AAPG)、石油評價工程師學(xué)會(SPEE)和世界石油理事會(WPC)等國際石油組織機(jī)構(gòu)2007年正式發(fā)布的非常規(guī)油氣的定義：指大面積連續(xù)性分布，傳統(tǒng)技術(shù)無法獲取自然工業(yè)產(chǎn)能，需用新技術(shù)改善儲集層滲透率或流動性才能經(jīng)濟(jì)開采的連續(xù)性油氣資源，包括重油和油砂、致密油氣與頁巖油氣以及煤層氣、天然氣水合物及油頁巖等[1]。近十年來，非常規(guī)油氣在全球油氣產(chǎn)量中的作用和地位不斷加強(qiáng);繼油砂、致密氣和煤層氣等資源有效規(guī)模開發(fā)之后，近年來美國“非常規(guī)油氣革命”實(shí)現(xiàn)了頁巖油氣和致密油氣產(chǎn)量的高速增長，推動非常規(guī)油氣發(fā)展進(jìn)入了全新階段[2-6]。
勘探開發(fā)實(shí)踐和新的全球油氣資源評價證實(shí)，全球非常規(guī)油氣資源豐富。據(jù)國際能源署(IEA)評價，全球石油可采資源量為9560´108t，其中非常規(guī)石油4210´108t;全球天然氣可采資源量783.8´1012m3，其中非常規(guī)天然氣195´1012m3[7]。據(jù)IEA預(yù)測，2040年全球非常規(guī)氣產(chǎn)量將增至2.5´1012m3，占天然氣總產(chǎn)量約42%;其中頁巖氣1.7´1012m3、致密氣0.46´1012m3[7]，同時全球非常規(guī)油產(chǎn)量將增至10´108t以上，占原油總產(chǎn)量約20%;其中致密油與頁巖油產(chǎn)量5.1´108t，油砂油產(chǎn)量3.4´108t[7]。豐富的資源和不斷進(jìn)步的技術(shù)將支撐油氣工業(yè)的長期穩(wěn)定生產(chǎn)，為人類做出巨大貢獻(xiàn)。
非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的快速發(fā)展揭示了大量的石油地質(zhì)新資料和新信息，也推動了大量針對非常規(guī)油氣地質(zhì)的科學(xué)研究活動，這些新發(fā)現(xiàn)反映出非常規(guī)油氣在石油天然氣特征、富集規(guī)律、油氣成藏模式與機(jī)理及開發(fā)機(jī)理方面不同于常規(guī)油氣藏，對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論形成重大突破，產(chǎn)生了非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)研究的新領(lǐng)域，推動了石油天然氣地質(zhì)理論進(jìn)入新的發(fā)展階段。
1.2經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論與常規(guī)油氣浮力成藏機(jī)理
石油天然氣地質(zhì)學(xué)(GeologyofPetroleum)是研究地殼中油氣成因、成藏的原理和油氣分布規(guī)律的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，是油氣勘探開發(fā)的理論基礎(chǔ)[8-13]。經(jīng)典的石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的核心內(nèi)容可以概括為4個方面，其中最重要的是油氣系統(tǒng)理論與圈閉學(xué)說。
①盆地沉降沉積增溫增壓、有機(jī)質(zhì)干酪根生烴與油氣系統(tǒng)理論。沉積盆地沉積增溫增壓是油氣生成與成藏的地球動力學(xué)背景，有機(jī)質(zhì)干酪根生烴是油氣的主要來源，含油氣系統(tǒng)包括油氣生成、運(yùn)移、成藏、調(diào)整、改造與破壞的全動態(tài)過程與流體的溫壓環(huán)境及相互作用。
②巖石骨架、有效孔隙與可動流體構(gòu)成的油氣儲集層理論。油氣儲集層由巖石骨架、有效孔隙及充注的可動流體構(gòu)成。油氣儲集層物性由孔隙度和滲透率描述。滲透率受孔隙結(jié)構(gòu)、流體相態(tài)和表面親和性影響。地層壓力指可動流體壓力，是油氣藏最重要的地質(zhì)特征與產(chǎn)能指標(biāo)，地應(yīng)力場主要由巖石骨架承受。
③含油氣盆地、區(qū)帶、圈閉3層次構(gòu)造與油氣藏分布理論。油氣與含油氣系統(tǒng)均賦存于含油氣沉積盆地中。區(qū)帶(Play或成藏組合)指儲集層特征相似、空間相關(guān)的一批圈閉和油氣藏，揭示油氣藏空間分布的基本規(guī)律。圈閉是具有儲集層和封堵條件的油氣聚集場所，油氣藏是油氣分布的基本單元，具有統(tǒng)一的儲集體、統(tǒng)一的壓力系統(tǒng)與統(tǒng)一的油氣水邊界。
④儲集層內(nèi)部能量與物質(zhì)守恒、儲集層改造與油氣開采理論。油氣藏流體體積與能量變化遵循能量與物質(zhì)守恒原理。由人工干預(yù)形成油氣儲集層不同部位流體壓差，從而產(chǎn)生和控制流體流動是油氣開發(fā)的基本原理。儲集層滲透率、流體性質(zhì)、人工干預(yù)效果是影響開發(fā)效益的主要因素。
1885年I.C.White在《Science》雜志上發(fā)表“TheGeologyofNaturalGas”一文，第一次系統(tǒng)地闡述了背斜油氣藏理論，并成功地應(yīng)用于勘探井位部署[14]。1934年McCollough正式提出了“圈閉學(xué)說”，認(rèn)為圈閉需具備3個條件，即儲集層、蓋層和遮擋條件，具有統(tǒng)一的油、氣、水界面，儲量嚴(yán)格按圈閉面積、閉合度、孔隙度等計算[9]。1956年A.I.Levorsen在其所著的《GeologyofPetroleum》中建立了較為完善的圈閉分類體系，將圈閉劃分為構(gòu)造、地層和復(fù)合圈閉[10]。圈閉學(xué)說指出儲集層、蓋層和遮擋條件是油氣藏形成的必要條件，背斜是最簡單特例，油氣在圈閉中成藏是常規(guī)油氣聚集的理論內(nèi)核。
圈閉為什么能保存油氣?常規(guī)油氣藏形成與保存的機(jī)理是什么?由于含油氣圈閉內(nèi)部流體依照密度大小呈現(xiàn)氣油水層的分異規(guī)律，以及蓋層和遮擋都是油氣運(yùn)移上傾方向的封堵條件，表明浮力是油氣運(yùn)移和成藏的基本動力。人類對于油氣在地下致密巖層內(nèi)是如何富集起來的問題進(jìn)行了長期的探索，直到1885年提出浮力成藏理論。經(jīng)典石油地質(zhì)理論認(rèn)為深部烴源巖產(chǎn)生的多組分多相態(tài)含烴混合流體在生烴壓力和毛管壓力差等作用下被排出源巖(一次運(yùn)移)，進(jìn)入常規(guī)儲集層系統(tǒng)后，再在浮力主導(dǎo)下由盆地深部向淺部運(yùn)移、自盆地中心向盆地邊緣運(yùn)移，最后聚集在中淺層各類圈閉之中(二次運(yùn)移)，當(dāng)規(guī)模超過某一臨界條件后構(gòu)成具有商業(yè)意義的油氣資源。
浮力成藏機(jī)制和圈閉控藏模式的提出使油氣勘探有了明確方向和目標(biāo)而不再依靠迷信和經(jīng)驗(yàn)，走上了快速發(fā)展的科學(xué)道路;浮力成藏理論和圈閉學(xué)說揭示出浮力主導(dǎo)油氣成藏受“生、儲、蓋、運(yùn)、圈、保”等6大要素的控制，并相繼提出了源控油氣理論、含油氣系統(tǒng)理論等，它們構(gòu)成了油氣地質(zhì)學(xué)的理論基礎(chǔ)，成功指導(dǎo)了近百年來全球常規(guī)油氣的勘探和開發(fā)。目前，全球已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的各類常規(guī)油氣儲量為9016×108t，約占當(dāng)前全球探明油氣總儲量的95%以上[15]。
1.3非常規(guī)油氣對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的重大突破
自上世紀(jì)80年代以來，人類逐漸在盆地中心等曾經(jīng)認(rèn)為不可能形成油氣藏的勘探禁區(qū)發(fā)現(xiàn)了與常規(guī)油氣藏地質(zhì)特征和分布特征完全不同的油氣藏。近年來，隨著頁巖油氣和油砂等非常規(guī)油氣在北美獲得成功開發(fā)，產(chǎn)量快速增長，非常規(guī)油氣成為石油工業(yè)未來的主要接替資源之一，受到石油地質(zhì)界的極大重視。眾多學(xué)者和機(jī)構(gòu)聚焦于非常規(guī)油氣地質(zhì)研究，取得了重大進(jìn)展。USGS的Schmoker[16]和Gautier等[17]提出了“連續(xù)性油氣聚集”概念(Continuoushydrocarbonreservoirs)，系指具有較大空間展布范圍且缺乏明顯油氣/水下傾接觸界面的油氣藏。并評價了致密砂巖氣、頁巖氣等非常規(guī)天然氣資源。Law等[18]提出了非常規(guī)油氣系統(tǒng)概念;Loucks和Reed[19]利用場發(fā)射掃描電鏡實(shí)驗(yàn)觀測分析，表征了Barnett頁巖儲集層的有機(jī)質(zhì)微觀孔喉特征。2007年SPE、SPEE、AAPG、WPC在《油氣資源管理系統(tǒng)》中定義了非常規(guī)油氣資源相關(guān)概念[1]。一批中國學(xué)者引入和吸收國外非常規(guī)油氣地質(zhì)研究成果，取得了一系列居于國際學(xué)科前沿的重要研究成果。
勘探實(shí)踐與地質(zhì)研究已經(jīng)總結(jié)了非常規(guī)油氣藏的基本地質(zhì)特征：非常規(guī)油氣連續(xù)性聚集，大面積分布，沒有明顯的油氣水圈閉邊界;儲集層致密(孔隙度4%～12%，滲透率小于1×10-3μm2)，微-納米級孔喉系統(tǒng)發(fā)育，需水平井和壓裂技術(shù)改造才能產(chǎn)出，是一種“人工油氣藏”;多種相態(tài)共存(固、液、氣相及游離態(tài)、吸附態(tài)等);“近源”或“源內(nèi)”都能成藏，源儲一體、油氣受層系控制、分布穩(wěn)定、資源規(guī)模大;具有完全不同于常規(guī)油氣的運(yùn)聚機(jī)制和分布模式(見圖1)。
非常規(guī)油氣突破了經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)中的許多認(rèn)識局限，包括傳統(tǒng)的含油氣系統(tǒng)理論受到巨大沖擊，主要體現(xiàn)在5個方面：連續(xù)性油氣聚集理論，層狀儲集體可儲存油氣，大面積連續(xù)分布，甜點(diǎn)富集，打破了傳統(tǒng)圈閉成藏和區(qū)帶富集的概念;致密儲集層中發(fā)現(xiàn)納米級孔喉系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)的儲集物性下限，發(fā)現(xiàn)了致密砂巖和頁巖等非常規(guī)油氣儲集層新類型;非常規(guī)油氣源儲一體，不需要蓋層封堵，突破了傳統(tǒng)生儲蓋組合的概念;非常規(guī)油氣聚集不受浮力作用主導(dǎo)，而在非浮力作用的影響下聚集成藏[20-21]，突破了含油氣系統(tǒng)理論生運(yùn)聚成藏的模式[5,12,22];非常規(guī)油氣分布主要受原型盆地生油巖層系控制，多數(shù)在盆地斜坡和中心，突破了盆地高部位富集油氣的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)[5,12,20-21]。其中石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的核心——油氣成藏理論，即油氣的生成、運(yùn)移、富集和保存機(jī)理，受到了重大挑戰(zhàn)。目前理論發(fā)展的前沿主要是形成新的非常規(guī)油氣成藏機(jī)理和含油氣系統(tǒng)理論。
非常規(guī)油氣理論研究對石油天然氣地質(zhì)學(xué)創(chuàng)新和世界石油工業(yè)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略影響，特別是對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論形成重大突破，有重大的科學(xué)意義。但是我們清醒地看到，目前非常規(guī)油氣地質(zhì)的研究成果主要集中在油氣藏描述、富集和高產(chǎn)規(guī)律總結(jié)、區(qū)域沉積構(gòu)造背景等方面，而對非常規(guī)油氣成藏理論亟待進(jìn)一步深入。
筆者對非常規(guī)油氣的成藏模式與機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查與研究，對形成新的含油氣系統(tǒng)理論進(jìn)行了探索。研究技術(shù)路線是基于調(diào)研全球已發(fā)現(xiàn)常規(guī)和非常規(guī)油氣藏特征差異研究非常規(guī)油氣成藏機(jī)制與分布模式，首先分析北美已發(fā)現(xiàn)的常規(guī)和非常規(guī)油氣藏形成條件和地質(zhì)特征差異;再剖析中國代表性含油氣盆地常規(guī)和非常規(guī)油氣藏形成過程特征差異，對非常規(guī)油氣藏進(jìn)行分類，闡述不同類別非常規(guī)油氣藏形成的動力特征、產(chǎn)狀特征和成因機(jī)制;最后明確每一類非常規(guī)油氣資源的形成條件、主控因素和邊界門限，并基于實(shí)例剖析結(jié)果建立分布模式。重點(diǎn)從3個方面展開研究。
①研究油氣組分特征對油氣運(yùn)移動力的影響，分析不同密度條件下油氣運(yùn)移動力和阻力差異，確定成藏的邊界門限，重點(diǎn)研究固體瀝青和稠油成藏動力機(jī)制與分布規(guī)律，闡明它們與常規(guī)油氣藏之間的關(guān)聯(lián)性和差異性。
②研究儲集層介質(zhì)條件對油氣運(yùn)移動力的影響，分析不同孔滲和不同巖性介質(zhì)條件下油氣運(yùn)移動力和阻力差異，確定成藏的邊界門限，重點(diǎn)研究致密油氣藏、頁巖油氣藏和煤層氣藏形成的動力機(jī)制和分布規(guī)律，闡明它們與常規(guī)油氣藏之間的關(guān)聯(lián)性和差異性。
③研究溫壓和氧化還原環(huán)境等條件對油氣運(yùn)移動力的影響，分析不同溫壓條件下油氣運(yùn)移動力和阻力差異，確定成藏的邊界門限，重點(diǎn)研究天然氣水合物成藏動力機(jī)制與分布規(guī)律，闡明它們與常規(guī)油氣藏之間的關(guān)聯(lián)性和差異性。
從上述3個方面展開常規(guī)和非常規(guī)油氣藏形成條件研究，分析它們成藏動力機(jī)制的差異性并總結(jié)基本模式，進(jìn)而探索其形成的基本機(jī)理，形成新的概念和理論。經(jīng)分析，筆者認(rèn)為非常規(guī)油氣成藏理論的前沿主要有兩大問題，即非常規(guī)油氣成藏機(jī)理和新的全油氣系統(tǒng)理論。
①非常規(guī)油氣成藏機(jī)理：常規(guī)油氣藏與非常規(guī)油氣藏性質(zhì)與賦存特征存在很大差異，研究得出的普遍認(rèn)識是成藏機(jī)理不同，常規(guī)油氣是浮力作用成藏，非常規(guī)油氣是非浮力作用成藏，那么什么是非浮力作用?其物理化學(xué)力的本質(zhì)是什么?其微觀動力機(jī)制是什么?非常規(guī)油氣種類很多，成藏地質(zhì)條件與油氣相態(tài)差異極大，它們成藏是否有共同的機(jī)理，這種機(jī)理是什么?
許多學(xué)者已經(jīng)從不同的角度研究了非常規(guī)油氣成藏機(jī)理，并提出了不同的成藏模式，包括：儲集層相對滲透率變化的成因模式[28]、成巖作用變化的成因模式[29]、毛管壓力封堵成因模式[30]、斷層對油氣側(cè)向封閉成因模式[31]、深層異常高壓流體形成非常規(guī)油氣藏模式[32]、不同階段非常規(guī)油氣藏成因模式[33]。值得注意的是，非常規(guī)油氣成藏理論研究的顯著進(jìn)展是Pang等[34]提出了浮力成藏下限概念并在勘探實(shí)踐中得到檢驗(yàn)，這一概念清晰地闡述了常規(guī)油氣藏與致密連續(xù)型油氣藏之間的差別與聯(lián)系，常規(guī)油氣藏形成于浮力成藏下限之上的高孔滲介質(zhì)內(nèi)，具有“四高”和“源藏分離”等特征;非常規(guī)致密油氣藏形成分布在浮力成藏下限之下的低孔低滲介質(zhì)內(nèi)，具有“四低”和“源藏緊臨”等特征(見圖2)，浮力成藏下限概念的提出和控藏模式的建立是非常規(guī)油氣成藏模式研究的重要進(jìn)展。宋巖等發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了中國中西部致密油“啟動壓力啟動、壓差推進(jìn)、階梯狀大面積充注與裂縫優(yōu)勢通道快速運(yùn)移并存、優(yōu)勢縫-孔耦合空間富集”成藏與富集機(jī)理[35]。——論文作者：賈承造1,2，龐雄奇2,3，宋巖2,4
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