發布時間：2021-05-17所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：非常規油氣的成功開發大幅增加了全球油氣資源、推動了全球油氣產量增長，同時對經典石油天然氣地質學理論形成了重大突破。常規油氣成藏機理是以圈閉富集保存油氣及浮力成藏為核心的，非常規油氣則是以連續性聚集和非浮力成藏為特征。研究揭示，非常規
摘要：非常規油氣的成功開發大幅增加了全球油氣資源、推動了全球油氣產量增長，同時對經典石油天然氣地質學理論形成了重大突破。常規油氣成藏機理是以圈閉富集保存油氣及浮力成藏為核心的，非常規油氣則是以連續性聚集和非浮力成藏為特征。研究揭示，非常規油氣成藏機理的核心是油氣自封閉作用，其動力是分子間作用力。依據分子間作用力表現和相應自封閉作用，可將非常規油氣成藏機制分為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。論文詳細論述了5種類型非常規油氣成藏自封閉作用特征、邊界條件及地質實例，和分子間作用力的基本原理與數學表征。該項研究將深化對非常規油氣成藏機理的理解，提升中國對非常規油氣資源的預測評價能力，并有助于提高對非常規油氣開發生產機理和潛在生產能力的認識。圖12表1參95
關鍵詞：非常規油氣;油氣成藏機理;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
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展高度依賴石油工業對油氣能源的供應。石油工業的生存發展是由資源、市場、技術和社會政治經濟環境4個要素決定的，其中油氣資源是基礎，而技術進步是最活躍、最關鍵的因素，石油工業的發展與石油科學技術的進步密切相關。
近年來，石油工業上游資源領域和理論技術研究發生了重大變化，非常規、海洋深水、深層/超深層油氣勘探開發獲得重大突破和快速發展，引領石油工業上游業務進入新領域，驅動上游地質理論和技術裝備取得長足進步。特別是由于非常規油氣成功開發，全球油氣資源大幅增加，非常規油氣開采的水平井和體積壓裂等技術裝備研發進展迅速，產量快速增長;同時，非常規油氣開發所揭示的大量新資料對經典石油天然氣地質學理論產生了重大突破，正在推動石油天然氣地質學理論產生革命性進步。
1非常規油氣勘探開發的重大進展和理論意義
1.1非常規油氣勘探開發的重大進展
根據石油工程師學會(SPE)、美國石油地質學家協會(AAPG)、石油評價工程師學會(SPEE)和世界石油理事會(WPC)等國際石油組織機構2007年正式發布的非常規油氣的定義：指大面積連續性分布，傳統技術無法獲取自然工業產能，需用新技術改善儲集層滲透率或流動性才能經濟開采的連續性油氣資源，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，非常規油氣在全球油氣產量中的作用和地位不斷加強;繼油砂、致密氣和煤層氣等資源有效規模開發之后，近年來美國“非常規油氣革命”實現了頁巖油氣和致密油氣產量的高速增長，推動非常規油氣發展進入了全新階段[2-6]。
勘探開發實踐和新的全球油氣資源評價證實，全球非常規油氣資源豐富。據國際能源署(IEA)評價，全球石油可采資源量為9560´108t，其中非常規石油4210´108t;全球天然氣可采資源量783.8´1012m3，其中非常規天然氣195´1012m3[7]。據IEA預測，2040年全球非常規氣產量將增至2.5´1012m3，占天然氣總產量約42%;其中頁巖氣1.7´1012m3、致密氣0.46´1012m3[7]，同時全球非常規油產量將增至10´108t以上，占原油總產量約20%;其中致密油與頁巖油產量5.1´108t，油砂油產量3.4´108t[7]。豐富的資源和不斷進步的技術將支撐油氣工業的長期穩定生產，為人類做出巨大貢獻。
非常規油氣勘探開發的快速發展揭示了大量的石油地質新資料和新信息，也推動了大量針對非常規油氣地質的科學研究活動，這些新發現反映出非常規油氣在石油天然氣特征、富集規律、油氣成藏模式與機理及開發機理方面不同于常規油氣藏，對經典石油天然氣地質學理論形成重大突破，產生了非常規油氣地質學研究的新領域，推動了石油天然氣地質理論進入新的發展階段。
1.2經典石油天然氣地質學理論與常規油氣浮力成藏機理
石油天然氣地質學(GeologyofPetroleum)是研究地殼中油氣成因、成藏的原理和油氣分布規律的應用基礎學科，是油氣勘探開發的理論基礎[8-13]。經典的石油天然氣地質學理論的核心內容可以概括為4個方面，其中最重要的是油氣系統理論與圈閉學說。
�、倥璧爻两党练e增溫增壓、有機質干酪根生烴與油氣系統理論。沉積盆地沉積增溫增壓是油氣生成與成藏的地球動力學背景，有機質干酪根生烴是油氣的主要來源，含油氣系統包括油氣生成、運移、成藏、調整、改造與破壞的全動態過程與流體的溫壓環境及相互作用。
②巖石骨架、有效孔隙與可動流體構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。滲透率受孔隙結構、流體相態和表面親和性影響。地層壓力指可動流體壓力，是油氣藏最重要的地質特征與產能指標，地應力場主要由巖石骨架承受。
③含油氣盆地、區帶、圈閉3層次構造與油氣藏分布理論。油氣與含油氣系統均賦存于含油氣沉積盆地中。區帶(Play或成藏組合)指儲集層特征相似、空間相關的一批圈閉和油氣藏，揭示油氣藏空間分布的基本規律。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，具有統一的儲集體、統一的壓力系統與統一的油氣水邊界。
�、軆瘜觾炔磕芰颗c物質守恒、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守恒原理。由人工干預形成油氣儲集層不同部位流體壓差，從而產生和控制流體流動是油氣開發的基本原理。儲集層滲透率、流體性質、人工干預效果是影響開發效益的主要因素。
1885年I.C.White在《Science》雜志上發表“TheGeologyofNaturalGas”一文，第一次系統地闡述了背斜油氣藏理論，并成功地應用于勘探井位部署[14]。1934年McCollough正式提出了“圈閉學說”，認為圈閉需具備3個條件，即儲集層、蓋層和遮擋條件，具有統一的油、氣、水界面，儲量嚴格按圈閉面積、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，將圈閉劃分為構造、地層和復合圈閉[10]。圈閉學說指出儲集層、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油氣聚集的理論內核。
圈閉為什么能保存油氣?常規油氣藏形成與保存的機理是什么?由于含油氣圈閉內部流體依照密度大小呈現氣油水層的分異規律，以及蓋層和遮擋都是油氣運移上傾方向的封堵條件，表明浮力是油氣運移和成藏的基本動力。人類對于油氣在地下致密巖層內是如何富集起來的問題進行了長期的探索，直到1885年提出浮力成藏理論。經典石油地質理論認為深部烴源巖產生的多組分多相態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(一次運移)，進入常規儲集層系統后，再在浮力主導下由盆地深部向淺部運移、自盆地中心向盆地邊緣運移，最后聚集在中淺層各類圈閉之中(二次運移)，當規模超過某一臨界條件后構成具有商業意義的油氣資源。
浮力成藏機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而不再依靠迷信和經驗，走上了快速發展的科學道路;浮力成藏理論和圈閉學說揭示出浮力主導油氣成藏受“生、儲、蓋、運、圈、保”等6大要素的控制，并相繼提出了源控油氣理論、含油氣系統理論等，它們構成了油氣地質學的理論基礎，成功指導了近百年來全球常規油氣的勘探和開發。目前，全球已經發現的各類常規油氣儲量為9016×108t，約占當前全球探明油氣總儲量的95%以上[15]。
1.3非常規油氣對經典石油天然氣地質學理論的重大突破
自上世紀80年代以來，人類逐漸在盆地中心等曾經認為不可能形成油氣藏的勘探禁區發現了與常規油氣藏地質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油氣在北美獲得成功開發，產量快速增長，非常規油氣成為石油工業未來的主要接替資源之一，受到石油地質界的極大重視。眾多學者和機構聚焦于非常規油氣地質研究，取得了重大進展。USGS的Schmoker[16]和Gautier等[17]提出了“連續性油氣聚集”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、頁巖氣等非常規天然氣資源。Law等[18]提出了非常規油氣系統概念;Loucks和Reed[19]利用場發射掃描電鏡實驗觀測分析，表征了Barnett頁巖儲集層的有機質微觀孔喉特征。2007年SPE、SPEE、AAPG、WPC在《油氣資源管理系統》中定義了非常規油氣資源相關概念[1]。一批中國學者引入和吸收國外非常規油氣地質研究成果，取得了一系列居于國際學科前沿的重要研究成果。
勘探實踐與地質研究已經總結了非常規油氣藏的基本地質特征：非常規油氣連續性聚集，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-納米級孔喉系統發育，需水平井和壓裂技術改造才能產出，是一種“人工油氣藏”;多種相態共存(固、液、氣相及游離態、吸附態等);“近源”或“源內”都能成藏，源儲一體、油氣受層系控制、分布穩定、資源規模大;具有完全不同于常規油氣的運聚機制和分布模式(見圖1)。
非常規油氣突破了經典石油天然氣地質學中的許多認識局限，包括傳統的含油氣系統理論受到巨大沖擊，主要體現在5個方面：連續性油氣聚集理論，層狀儲集體可儲存油氣，大面積連續分布，甜點富集，打破了傳統圈閉成藏和區帶富集的概念;致密儲集層中發現納米級孔喉系統，突破了傳統的儲集物性下限，發現了致密砂巖和頁巖等非常規油氣儲集層新類型;非常規油氣源儲一體，不需要蓋層封堵，突破了傳統生儲蓋組合的概念;非常規油氣聚集不受浮力作用主導，而在非浮力作用的影響下聚集成藏[20-21]，突破了含油氣系統理論生運聚成藏的模式[5,12,22];非常規油氣分布主要受原型盆地生油巖層系控制，多數在盆地斜坡和中心，突破了盆地高部位富集油氣的傳統經驗[5,12,20-21]。其中石油天然氣地質學理論的核心——油氣成藏理論，即油氣的生成、運移、富集和保存機理，受到了重大挑戰。目前理論發展的前沿主要是形成新的非常規油氣成藏機理和含油氣系統理論。
非常規油氣理論研究對石油天然氣地質學創新和世界石油工業發展具有重大戰略影響，特別是對經典石油天然氣地質學理論形成重大突破，有重大的科學意義。但是我們清醒地看到，目前非常規油氣地質的研究成果主要集中在油氣藏描述、富集和高產規律總結、區域沉積構造背景等方面，而對非常規油氣成藏理論亟待進一步深入。
筆者對非常規油氣的成藏模式與機理進行了系統調查與研究，對形成新的含油氣系統理論進行了探索。研究技術路線是基于調研全球已發現常規和非常規油氣藏特征差異研究非常規油氣成藏機制與分布模式，首先分析北美已發現的常規和非常規油氣藏形成條件和地質特征差異;再剖析中國代表性含油氣盆地常規和非常規油氣藏形成過程特征差異，對非常規油氣藏進行分類，闡述不同類別非常規油氣藏形成的動力特征、產狀特征和成因機制;最后明確每一類非常規油氣資源的形成條件、主控因素和邊界門限，并基于實例剖析結果建立分布模式。重點從3個方面展開研究。
�、傺芯坑蜌饨M分特征對油氣運移動力的影響，分析不同密度條件下油氣運移動力和阻力差異，確定成藏的邊界門限，重點研究固體瀝青和稠油成藏動力機制與分布規律，闡明它們與常規油氣藏之間的關聯性和差異性。
�、谘芯績瘜咏橘|條件對油氣運移動力的影響，分析不同孔滲和不同巖性介質條件下油氣運移動力和阻力差異，確定成藏的邊界門限，重點研究致密油氣藏、頁巖油氣藏和煤層氣藏形成的動力機制和分布規律，闡明它們與常規油氣藏之間的關聯性和差異性。
�、垩芯繙貕汉脱趸�原環境等條件對油氣運移動力的影響，分析不同溫壓條件下油氣運移動力和阻力差異，確定成藏的邊界門限，重點研究天然氣水合物成藏動力機制與分布規律，闡明它們與常規油氣藏之間的關聯性和差異性。
從上述3個方面展開常規和非常規油氣藏形成條件研究，分析它們成藏動力機制的差異性并總結基本模式，進而探索其形成的基本機理，形成新的概念和理論。經分析，筆者認為非常規油氣成藏理論的前沿主要有兩大問題，即非常規油氣成藏機理和新的全油氣系統理論。
�、俜浅Ｒ幱蜌獬刹貦C理：常規油氣藏與非常規油氣藏性質與賦存特征存在很大差異，研究得出的普遍認識是成藏機理不同，常規油氣是浮力作用成藏，非常規油氣是非浮力作用成藏，那么什么是非浮力作用?其物理化學力的本質是什么?其微觀動力機制是什么?非常規油氣種類很多，成藏地質條件與油氣相態差異極大，它們成藏是否有共同的機理，這種機理是什么?
許多學者已經從不同的角度研究了非常規油氣成藏機理，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]、斷層對油氣側向封閉成因模式[31]、深層異常高壓流體形成非常規油氣藏模式[32]、不同階段非常規油氣藏成因模式[33]。值得注意的是，非常規油氣成藏理論研究的顯著進展是Pang等[34]提出了浮力成藏下限概念并在勘探實踐中得到檢驗，這一概念清晰地闡述了常規油氣藏與致密連續型油氣藏之間的差別與聯系，常規油氣藏形成于浮力成藏下限之上的高孔滲介質內，具有“四高”和“源藏分離”等特征;非常規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內，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油氣成藏模式研究的重要進展。宋巖等發現和總結了中國中西部致密油“啟動壓力啟動、壓差推進、階梯狀大面積充注與裂縫優勢通道快速運移并存、優勢縫-孔耦合空間富集”成藏與富集機理[35]。——論文作者：賈承造1,2，龐雄奇2,3，宋巖2,4
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