油气地质理论及油气资源探析

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《地球科学与环境学报》2016年第5期

摘要：

在油气勘探实践中，传统油气地质理论为石油工业的发展做出了重大贡献，但随着油气勘探向非常规油气资源转变，传统油气地质理论与认识遇到了诸多问题与挑战，已不能有效指导非常规油气勘探。从非常规油气成藏条件来看，“源”不只是生成油气的岩石，而且是勘探的储集层和目的层；致密岩层也可以成为有效储层；非常规油气的封闭机制与常规油气不同；连续和准连续成藏不需传统圈闭条件；滞留和短距离运移均可成藏；保存条件的评价方法也与常规油气不同。从油气成藏机制而言，非浮力也可成藏，且是以大面积、连片富集成藏为主；从赋存状态而言，油气除呈游离态赋存外，还可以呈吸附态、溶解态等方式赋存；从富集分布模式而言，油气除在圈闭和高点富集成藏外，盆地的洼陷、斜坡均可富集成藏并达到满凹含油。世界上非常规油气资源是常规油气资源的4倍以上，展示出巨大的勘探前景。

关键词：

非常规油气；油气地质理论；成藏条件；聚集机制；赋存状态；分布模式；油气资源

0引言

人类认识和利用油气的历史由来已久，早在1835年中国四川盆地就钻成了世界上第一口超千米的深井，但是国外石油界都把德雷克于1859年8月27日钻成的一口油井看作世界石油工业的开端［1－2］。20世纪以来，石油工业飞快发展，1900年起，西方石油公司纷纷成立地质研究机构，开始用油气地质理论来指导找油。在寻找油气的过程中，石油地质学家围绕油气勘探开发阶段［3－11］，在油气的勘探实践中相继提出了背斜学说［12］、圈闭理论［2］、干酪根热降解生烃理论［13］和含油气系统理论［14］等石油地质理论，这些理论与学说极大地促进了石油工业的发展。与此同时，中国石油地质学家根据中国特殊的地质特征，提出了陆相生油理论［15］、源控论［16］、陆相盆地复式油气聚集带理论［17］、富油气凹陷满凹含油理论［18］和岩性地层油气藏理论［11，19－21］等具有中国特色的石油地质理论，为石油地质学的发展做出了巨大贡献。随着地质理论的发展和科技进步，石油工业发展将会经历常规油气、常规与非常规油气、非常规油气三大阶段［22－25］。21世纪以来，美国页岩气迅猛发展，特别是2008年后页岩油产量也快速上升，引起了全球油气界的巨大关注［26－30］。页岩气的发展源于同属非常规的致密油气，人们将开发中采用的以水平井和压裂为主体的技术系列引入到岩性更加致密的暗色页岩中，逐步完善后就促成了页岩油气的巨大发展，而页岩油气的技术进步和对传统油气地质理论的重新认识又反过来推动着非常规油气特别是煤层气的勘探开发。与此同时，非常规油砂、重油的经济开发也取得重大进展，特别是纵贯加拿大和美国西部的油砂带和横贯委内瑞拉的奥利诺科重油带都形成大—超大型油田群［31］。作为非常规气潜力巨大的天然气水合物也被列入积极探索的目标［32］。就近期的勘探开发来说，非常规油气已达到与常规油气同等重要的地位；而就未来的供应来看，前者却似乎更为重要。页岩油气的成功开发使人们对非常规油气的认识更加深化和系统化，促使其完成了向理性认识的飞跃，促成了传统油气地质理论的突破和创新。本文首先从传统油气地质理论的六大地质要素“生、储、盖、圈、运、保”出发，探讨了油气成藏条件理论观念如何从常规向非常规转变，然后对比了常规与非常规油气的成藏机理与模式，最后对非常规油气的资源潜力进行了分析，并提出了几点对今后油气勘探的启示。

1油气成藏理论观念的转变

传统油气地质理论认为油气藏的形成和分布是烃源岩、储集层、盖层、圈闭、运移和保存条件综合作用的结果，这6个地质要素可以概括为“生、储、盖、圈、运、保”［2］。常规“油气藏”定义是在“单一圈闭中”，“单一”主要是指受单一地质要素所控制，在单一的储集层中具有统一的压力系统及统一的油、气、水边界。油气在烃源岩中生成后，经过运移进入圈闭形成油气藏，而且地质历史中形成的油气藏只有在一定条件下才能保存下来。根据传统油气地质理论，烃源岩内无法排出的残余油气不能形成有经济价值的油气藏；如果地层致密，不能形成有效储层，也不适宜作为勘探开发对象；如果油气藏后期被破坏，天然气首先逸散，石油的轻质组分散失而形成流动性差的重油（稠油），甚至形成沥青砂。直到20世纪七八十年代，这3类油气在当时的“常规”技术下也很难被经济利用。然而近些年来，以页岩气革命为代表的非常规油气正在颠覆传统油气地质理论的认识。非常规油气主要是指其形成条件、聚集机制、油气赋存状态和分布规律不同于常规油气，使用传统技术无法获得自然工业产量，需用新技术改善储集层渗透率或流体黏度等才能经济开采的连续或准连续型聚集的油气资源，包括致密油、致密气、页岩油、页岩气、煤层气、可燃冰、油砂和油页岩等［9］。非常规油气藏与常规油气藏的地质特征有诸多不同（表1）。

1．1油气成藏条件理论观念的转变

1．1．1烃源岩与泥页岩储层

在传统油气地质理论中，泥页岩只被当作烃源岩或盖层，从泥页岩中生成的油气伴随成岩作用的致密化而与水一起被排出，遇到合适的圈闭条件发生聚集形成常规油气藏。但近些年来，北美的石油企业将暗色泥页岩作为储集层进行勘探开发，取得了巨大成功［33－37］。从地质角度分析，这是由于泥页岩生成的油气一部分运移至圈闭聚集形成常规油气藏，但大部分没有排出而是滞留下来形成页岩油气藏。从图1的实例可以看出，济阳坳陷古近系不同层位泥页岩的生烃量远大于排烃量，生成的油气大部分滞留于源岩中。传统油气地质理论认为，若烃源岩单层厚度过大，不利于地层中部的油气顺利排出，是一种“无效烃源岩”；但页岩油气理论认为，这却是难得的有利条件，单层厚度越大，不仅保留的油气量大，而且越容易进行水平井和压裂施工，往往是首选的勘探对象［38－41］。中国近年来也开始进行页岩油气的勘探开发，并取得一系列重大突破，2012年中国石化发现涪陵焦石坝页岩气田，产气层段为上奥陶统—下志留统的五峰组—龙马溪组，优质页岩厚度大，总有机碳（TOC）高，镜质体反射率（Ro）适中，含气量与单井产量高。

1．1．2高孔渗储集层与低孔渗储集层

在传统油气地质理论中，储集层一般都是保留较多孔隙且连通性较好的地层，油气勘探首先关注孔隙度、渗透率等物性条件好且油气充满程度高的好储层。在好储层油气勘探开发程度越来越高的情况下，为了满足日趋增长的消费需求量，油气工业便不断向孔渗性能较差的储集层进军，从低孔渗储集层延伸至致密储集层［42－45］。常规油气的孔喉直径下限为1000nm，以达西渗流为主；而对于致密油气，孔喉直径下限为50nm，以扩散－滑脱流、低速非达西流为主；页岩油气的孔喉直径下限可以达到5nm，以解析和扩散为主［7］。鄂尔多斯盆地中部大面积展布的延长组长7段致密砂岩储集体与油页岩、暗色泥岩互邻共生，在异常高压的持续作用下，石油就近持续充注形成大型致密油藏［46－48］。塔里木盆地库车坳陷侏罗系和白垩系致密气储层的含气层孔隙度基本上分布在2％～12％［49］，天然气排入到储层中不受浮力作用，气体排驱储层空间中的水而富集成藏，孔隙度更高的地层由于气体受浮力作用向更高部位运移反而不含气，只有运移到圈闭中的天然气才能富集成藏（图2）。这是由于“连续型”致密砂岩气藏的形成是天然气持续不断的供给和散失达到动态平衡的过程，气藏边界本质上是由成藏时期致密储层临界孔喉半径所决定的［50］。当储层孔喉半径大于临界孔喉半径时，气体散失，不能聚集成藏。

1．1．3上覆盖层与储层自封闭

在传统油气地质理论中，烃源岩中生成的油气运移到储集层中，如果上方没有盖层的遮挡，将会逐渐散失殆尽。而在非常规油气地质理论中，由于储集层物性本身比较致密，致密储集层本身就具有一定的自封闭能力，如厚度较大的页岩一般是靠近页岩顶面和底面的、距离渗透性地层较近的部分生成油气易于排出，而对于页岩中部的烃类由于距离渗透性地层较远一般残留较多。常规油气理论一般只对储层上覆的直接盖层或区域性盖层进行研究，而对于页岩气来说，需要研究页岩层系顶、底板的封闭能力。烃源岩生成油气后，其动力不能突破页岩孔喉毛细管力而残留于页岩储层中，受到源储压差动力的作用进入致密储层中的油气也基本不受浮力作用而残留在致密储层中。若在上覆地层中存在更致密的盖层，则对油气保存更为有利。例如，塔里木盆地库车坳陷迪西1气藏位于致密储层构造斜坡部位，具有下气上水的特征，靠储层自身毛细管力对天然气进行了封堵（图3）。

1．1．4圈闭油气成藏与连续或准连续油气聚集

传统油气地质理论认为，油气都是在圈闭中聚集成藏，受构造（构造圈闭）、不整合（地层圈闭）、岩性（岩性圈闭）等控制，界线明显，没有圈闭则无法形成有效的油气藏。与常规油气藏不同，非常规油气无明显圈闭界线，呈连续或准连续聚集［1］。对于常规油气而言，浮力是最主要的运聚动力［51］，而对于非常规油气，浮力在油气运聚中的作用受到局限，以扩散作用等非达西渗流为主［52－53］。源内油气主要是滞留聚集，源外油气运聚动力为源储压差，受生烃增压、欠压实和构造应力等影响，运聚阻力为毛细管力，两者耦合控制油气边界或范围，多表现为油、气、水层共存，呈连续相，分布较复杂，无明显油气水界线，含油气饱和度差异较大。对连续型页岩油气、煤层气等烃源岩内油气聚集特征的研究表明，这类油气聚集基本上不受圈闭控制，但构造圈闭的存在往往会对这类油气藏的局部富集具有一定乃至重要的控制作用，这时构造圈闭实际上起了“甜点”的作用。另外，对有些连续型油气聚集（如煤层气藏）而言，水动力条件也会对油气富集产生重要的控制作用，但其可能并不完全充当圈闭（即水动力圈闭）的作用，而类似于“甜点”性质。与连续型聚集不同，作为准连续型聚集的致密油气受到圈闭的一定控制，只不过控制其油气聚集的圈闭不是背斜圈闭，而主要是岩性等非背斜圈闭［54］。

1．1．5油气长距离运移与原地滞留或短距离运移

在传统油气地质理论中，油气一般会经过较长距离的运移到达圈闭中聚集成藏，浮力为油气运移的主要动力，普遍存在优势油气运移通道。而非常规油气运移距离一般较短，为原地滞留、初次运移或短距离二次运移，尤其是煤层气、页岩油气，具有“生－储－盖”三位一体的特征，基本上生烃后就地存储，一般不发生显著运移，也缺乏优势运移通道；致密砂岩油气为近源成藏，大面积弥漫式充注，初次运移直接成藏或短距离二次运移成藏，渗滤扩散作用是油气运移的主要方式，导致油气水分异差［7］，如四川盆地三叠系须家河组及鄂尔多斯盆地上古生界大面积含气，呈气水共存的特征。生产实践证实，致密油气中流体渗流以非达西渗流为主，存在启动压力，需附加驱替力才可使流体开始流动，形成油气生产能力。

1．1．6油气保存

常规油气和非常规油气都需要有较好的保存条件，如常规油气需要有良好的区域性盖层、相对稳定的大地构造环境和相对稳定的水动力条件，页岩气的保存条件需要从构造条件、页岩顶板和底板及自封闭能力和水动力条件等进行评价。但在较好的保存条件下，不同气藏所对应的地层压力不同，如常规气藏一般表现为常压，致密气藏既有异常高压也有异常低压，页岩气藏一般表现为异常高压。在传统油气地质理论中，原来的油气藏被破坏后，一部分油气运移至新的圈闭，再次聚集形成新的油气藏，即次生油气藏，还有一部分油气运移至地表，在地表形成各种各样的油气显示，在某些情况下可以形成非常规油气藏。如在南里海盆地中，断裂作用先于烃源岩成熟或者与烃源岩成熟同时发生，油气主要沿着断裂带运移至地表浅层，遭受氧化、生物降解等作用形成油砂（图4）［55］。

1．2常规与非常规油气成藏机理和模式对比

1．2．1浮力成藏与非浮力成藏模式

传统油气地质理论认为，油气二次运移的主要动力为连续油气柱在地层水中产生的浮力和地层水流动产生的水动力。在这几种力（或以一种力为主）的作用下，油气在储层内发生运移、聚集。对于常规储层，浮力和水动力足以驱使油气发生运移。但在以纳米级孔喉占储集空间主体的致密储层中，由于孔喉尺寸过小，其产生的毛细管阻力大，仅靠这两种动力无法使油气突破细小的喉道进行运移［51］。陶士振等通过对四川盆地中北部蓬莱10井侏罗系自流井组大安寨段烃源岩进行热模拟试验，认为排烃后源岩剩余异常高压为2．8MPa，可突破孔喉半径26nm，增压瞬时最高值可达38MPa，可突破孔喉半径117nm，揭示了生烃增压取代浮力成为致密油的主要运聚动力（图5）［56］。Jiang等依据成藏期烃源岩排气期与储层致密演化关系及充注到储层的天然气是否受到浮力作用，将砂岩气藏划分为常规气藏、致密常规气藏、复合型致密气藏和致密深盆气藏4种类型（图6）［57］。

1．2．2单一赋存相态与多种赋存相态

在传统油气地质理论中，油气主要是以单一的游离态形式赋存；而非常规油气是以游离态、吸附态和溶解态等多种相态共存。页岩气的赋存状态主要有吸附气、游离气和溶解气［58－60］，生成的页岩气首先满足有机质和岩石颗粒表面吸附的需要，当吸附气量与溶解气量达到饱和时，富余的天然气才以游离态进行运移和聚集［33，61－62］；页岩油在源岩中的赋存形态主要有两种，即干酪根表面的吸附态及基质孔隙、纹层与水平层面间、微裂缝中的游离态［63］；致密油主要存在两种赋存形态———油膜与油珠，油膜主要赋存于粒间孔和微裂缝，油珠主要赋存于粒内孔［64］。

1．2．3高点富集与满盆含油气

在传统油气地质理论中，油气严格受圈闭控制，包括单体型和集群型。单体型主要为构造油气藏，油气聚集于构造高点，平面上呈孤立的单体式分布；集群型主要为岩性油气藏和地层油气藏，油气聚集于较难识别的岩性圈闭和地层圈闭中，平面上呈较大范围的集群式分布。非常规油气分布在盆地中心、向斜或斜坡区，大范围“连续”分布，局部富集，突破了传统二级构造带控制油气分布的概念，有效勘探范围可扩展至全盆地。油气具有大面积分布、丰度不均一的特征［7］，易形成大油气区。如致密砂岩气是典型的非常规油气聚集，空间上连续分布，砂岩地层普遍含气，但含气饱和度不均，缺乏明显气水界面与边底水，油气聚集边界不明确。

2非常规油气资源潜力及启示

2．1非常规油气资源潜力

2．1．1全球

虽然目前全球剩余常规油气资源还比较丰富［9，65－66］，但随着勘探开发技术进步和成本降低以及地区油气供需不平衡矛盾的加剧，非常规油气资源的勘探开发价值凸显。据美国地质调查局（USGS）、国际能源署（IEA）等有关机构的研究结果，全球油气资源总量约为50600×108t油当量，重油、天然沥青、致密油、油页岩油和页岩油等非常规石油资源量约为6200×108t，与常规石油资源量（4878×108t）相差不多，全球致密气、煤层气、页岩气和天然气水合物等非常规天然气资源量近3922×1012m3，大约是常规天然气资源量（471×1012m3）的8．3倍［9，67－70］（图7）。

2．1．2中国

与常规油气资源相比，中国非常规油气资源更为丰富（图7）。中国油气资源总量约为1520×108t油当量。非常规石油资源量约为240×108t，与常规石油资源量（200×108t）大致相当。非常规天然气资源量约为100×1012m3，是常规天然气资源量（20×1012m3）的5倍，发展潜力很大［71－74］。中国非常规油气勘探开发已在多个盆地取得重大突破。2014年，鄂尔多斯盆地苏里格气田致密气年产量为235×108m3；川中须家河组致密气年产量为30×108m3；鄂尔多斯盆地长7段致密油年产量为83×104t；鄂尔多斯盆地沁水地区煤层气年产量为36×108m3；四川盆地海相页岩气年产量为13×108m3。

2．2启示

随着全球非常规油气勘探开发的迅猛发展，传统油气地质理论中的观念也逐渐发生了改变。从以前认为的由于单层厚度过大而不利于排烃的烃源岩层，转变为页岩油气勘探中较好的目的层，而且非常规油气生、储、盖合为一体，突破了圈闭的限制。传统油气地质理论不但不把泥页岩作为勘探目的层系，而且把其他孔隙度低、渗透性差的致密岩层也置之度外，不予考虑。这样能作为有效储层的岩层就相当少了。非常规油气地质理论使人们打破了这种“画地为牢”的储层概念，打破围绕烃源岩找圈闭的局限，突破传统上寻找经过二次运移、圈闭油气聚集的“源外找油”方法，使找油气的领域更为宽广，找油气资源的潜力更大。页岩气革命使原来未放在找油气目标内的页岩层系成为油气勘探的目的层系、生产层系，在21世纪中期将成为重要的开采对象。这一重大创新和突破在油气开发中产生了深远的影响，并引起不断扩大的连锁反应，开始改变全球和主要油气生产国、消费国的能源构成，引导着新世纪能源发展的方向。

3结语

（1）油气地质理论从常规油气发展到非常规油气，成藏条件的观念也在发生变化。传统油气地质理论认为只能作为烃源岩和盖层的泥页岩，在非常规油气地质理论中当作储集层；由于孔渗过低而在以前认为是无效储层的致密砂岩和致密碳酸盐岩现在也可作为勘探目的层；非常规油气盖层的评价方法与常规油气不同；由于可以是大面积连续成藏，非常规油气的聚集无圈闭限制，但会受到构造样式的影响；非常规油气以原地滞留、初次运移和短距离二次运移为主，与常规油气可以进行长距离二次运移不同；常规油气与非常规油气都需要较好的保存条件，在某些情况下被破坏的常规油气藏也可形成非常规油气藏。

（2）油气成藏机制方面，非常规油气的运聚主要受生烃增压、毛细管力和扩散作用力的影响；赋存状态方面，与常规油气一般只有游离态不同，非常规油气有游离态、吸附态和溶解态等方式；常规油气一般富集于构造高点，而非常规油气大面积连续成藏。

（3）无论是全球范围内还是在中国，非常规油气资源潜力都远大于常规油气，北美非常规油气革命正推动世界石油行业从常规油气向非常规油气转移。要敢于突破传统的思维模式，不断重新认识寻找油气资源的新理论和新方法，这必将为中国未来油气勘探的持续发展提供重要的指导与借鉴。

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作者:苗钱友 朱筱敏 姜振学 李卓 陈磊 张昆 原园 单位:中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室 中国石油大学（北京）地球科学学院 中国石油大学（北京）非常规天然气研究院