发布时间：2021-05-17所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：非常规油气的成功开发大幅增加了全球油气资源、推动了全球油气产量增长，同时对经典石油天然气地质学理论形成了重大突破。常规油气成藏机理是以圈闭富集保存油气及浮力成藏为核心的，非常规油气则是以连续性聚集和非浮力成藏为特征。研究揭示，非常规
摘要：非常规油气的成功开发大幅增加了全球油气资源、推动了全球油气产量增长，同时对经典石油天然气地质学理论形成了重大突破。常规油气成藏机理是以圈闭富集保存油气及浮力成藏为核心的，非常规油气则是以连续性聚集和非浮力成藏为特征。研究揭示，非常规油气成藏机理的核心是油气自封闭作用，其动力是分子间作用力。依据分子间作用力表现和相应自封闭作用，可将非常规油气成藏机制分为3类：①以大分子黏滞力和缩合力为主的稠油和沥青;②以毛管压力和分子吸附力为主的致密油气、页岩油气和煤层气;③以分子间笼合作用为主的天然气水合物。论文详细论述了5种类型非常规油气成藏自封闭作用特征、边界条件及地质实例，和分子间作用力的基本原理与数学表征。该项研究将深化对非常规油气成藏机理的理解，提升中国对非常规油气资源的预测评价能力，并有助于提高对非常规油气开发生产机理和潜在生产能力的认识。图12表1参95
关键词：非常规油气;油气成藏机理;自封闭作用;分子间作用力;油气自封闭成藏模式;油气勘探开发
0引言
石油天然气是全球最重要的一次性化石能源，人类社会的生存和发展高度依赖石油工业对油气能源的供应。石油工业的生存发展是由资源、市场、技术和社会政治经济环境4个要素决定的，其中油气资源是基础，而技术进步是最活跃、最关键的因素，石油工业的发展与石油科学技术的进步密切相关。
近年来，石油工业上游资源领域和理论技术研究发生了重大变化，非常规、海洋深水、深层/超深层油气勘探开发获得重大突破和快速发展，引领石油工业上游业务进入新领域，驱动上游地质理论和技术装备取得长足进步。特别是由于非常规油气成功开发，全球油气资源大幅增加，非常规油气开采的水平井和体积压裂等技术装备研发进展迅速，产量快速增长;同时，非常规油气开发所揭示的大量新资料对经典石油天然气地质学理论产生了重大突破，正在推动石油天然气地质学理论产生革命性进步。
1非常规油气勘探开发的重大进展和理论意义
1.1非常规油气勘探开发的重大进展
根据石油工程师学会(SPE)、美国石油地质学家协会(AAPG)、石油评价工程师学会(SPEE)和世界石油理事会(WPC)等国际石油组织机构2007年正式发布的非常规油气的定义：指大面积连续性分布，传统技术无法获取自然工业产能，需用新技术改善储集层渗透率或流动性才能经济开采的连续性油气资源，包括重油和油砂、致密油气与页岩油气以及煤层气、天然气水合物及油页岩等[1]。近十年来，非常规油气在全球油气产量中的作用和地位不断加强;继油砂、致密气和煤层气等资源有效规模开发之后，近年来美国“非常规油气革命”实现了页岩油气和致密油气产量的高速增长，推动非常规油气发展进入了全新阶段[2-6]。
勘探开发实践和新的全球油气资源评价证实，全球非常规油气资源丰富。据国际能源署(IEA)评价，全球石油可采资源量为9560´108t，其中非常规石油4210´108t;全球天然气可采资源量783.8´1012m3，其中非常规天然气195´1012m3[7]。据IEA预测，2040年全球非常规气产量将增至2.5´1012m3，占天然气总产量约42%;其中页岩气1.7´1012m3、致密气0.46´1012m3[7]，同时全球非常规油产量将增至10´108t以上，占原油总产量约20%;其中致密油与页岩油产量5.1´108t，油砂油产量3.4´108t[7]。丰富的资源和不断进步的技术将支撑油气工业的长期稳定生产，为人类做出巨大贡献。
非常规油气勘探开发的快速发展揭示了大量的石油地质新资料和新信息，也推动了大量针对非常规油气地质的科学研究活动，这些新发现反映出非常规油气在石油天然气特征、富集规律、油气成藏模式与机理及开发机理方面不同于常规油气藏，对经典石油天然气地质学理论形成重大突破，产生了非常规油气地质学研究的新领域，推动了石油天然气地质理论进入新的发展阶段。
1.2经典石油天然气地质学理论与常规油气浮力成藏机理
石油天然气地质学(GeologyofPetroleum)是研究地壳中油气成因、成藏的原理和油气分布规律的应用基础学科，是油气勘探开发的理论基础[8-13]。经典的石油天然气地质学理论的核心内容可以概括为4个方面，其中最重要的是油气系统理论与圈闭学说。
①盆地沉降沉积增温增压、有机质干酪根生烃与油气系统理论。沉积盆地沉积增温增压是油气生成与成藏的地球动力学背景，有机质干酪根生烃是油气的主要来源，含油气系统包括油气生成、运移、成藏、调整、改造与破坏的全动态过程与流体的温压环境及相互作用。
②岩石骨架、有效孔隙与可动流体构成的油气储集层理论。油气储集层由岩石骨架、有效孔隙及充注的可动流体构成。油气储集层物性由孔隙度和渗透率描述。渗透率受孔隙结构、流体相态和表面亲和性影响。地层压力指可动流体压力，是油气藏最重要的地质特征与产能指标，地应力场主要由岩石骨架承受。
③含油气盆地、区带、圈闭3层次构造与油气藏分布理论。油气与含油气系统均赋存于含油气沉积盆地中。区带(Play或成藏组合)指储集层特征相似、空间相关的一批圈闭和油气藏，揭示油气藏空间分布的基本规律。圈闭是具有储集层和封堵条件的油气聚集场所，油气藏是油气分布的基本单元，具有统一的储集体、统一的压力系统与统一的油气水边界。
④储集层内部能量与物质守恒、储集层改造与油气开采理论。油气藏流体体积与能量变化遵循能量与物质守恒原理。由人工干预形成油气储集层不同部位流体压差，从而产生和控制流体流动是油气开发的基本原理。储集层渗透率、流体性质、人工干预效果是影响开发效益的主要因素。
1885年I.C.White在《Science》杂志上发表“TheGeologyofNaturalGas”一文，第一次系统地阐述了背斜油气藏理论，并成功地应用于勘探井位部署[14]。1934年McCollough正式提出了“圈闭学说”，认为圈闭需具备3个条件，即储集层、盖层和遮挡条件，具有统一的油、气、水界面，储量严格按圈闭面积、闭合度、孔隙度等计算[9]。1956年A.I.Levorsen在其所著的《GeologyofPetroleum》中建立了较为完善的圈闭分类体系，将圈闭划分为构造、地层和复合圈闭[10]。圈闭学说指出储集层、盖层和遮挡条件是油气藏形成的必要条件，背斜是最简单特例，油气在圈闭中成藏是常规油气聚集的理论内核。
圈闭为什么能保存油气?常规油气藏形成与保存的机理是什么?由于含油气圈闭内部流体依照密度大小呈现气油水层的分异规律，以及盖层和遮挡都是油气运移上倾方向的封堵条件，表明浮力是油气运移和成藏的基本动力。人类对于油气在地下致密岩层内是如何富集起来的问题进行了长期的探索，直到1885年提出浮力成藏理论。经典石油地质理论认为深部烃源岩产生的多组分多相态含烃混合流体在生烃压力和毛管压力差等作用下被排出源岩(一次运移)，进入常规储集层系统后，再在浮力主导下由盆地深部向浅部运移、自盆地中心向盆地边缘运移，最后聚集在中浅层各类圈闭之中(二次运移)，当规模超过某一临界条件后构成具有商业意义的油气资源。
浮力成藏机制和圈闭控藏模式的提出使油气勘探有了明确方向和目标而不再依靠迷信和经验，走上了快速发展的科学道路;浮力成藏理论和圈闭学说揭示出浮力主导油气成藏受“生、储、盖、运、圈、保”等6大要素的控制，并相继提出了源控油气理论、含油气系统理论等，它们构成了油气地质学的理论基础，成功指导了近百年来全球常规油气的勘探和开发。目前，全球已经发现的各类常规油气储量为9016×108t，约占当前全球探明油气总储量的95%以上[15]。
1.3非常规油气对经典石油天然气地质学理论的重大突破
自上世纪80年代以来，人类逐渐在盆地中心等曾经认为不可能形成油气藏的勘探禁区发现了与常规油气藏地质特征和分布特征完全不同的油气藏。近年来，随着页岩油气和油砂等非常规油气在北美获得成功开发，产量快速增长，非常规油气成为石油工业未来的主要接替资源之一，受到石油地质界的极大重视。众多学者和机构聚焦于非常规油气地质研究，取得了重大进展。USGS的Schmoker[16]和Gautier等[17]提出了“连续性油气聚集”概念(Continuoushydrocarbonreservoirs)，系指具有较大空间展布范围且缺乏明显油气/水下倾接触界面的油气藏。并评价了致密砂岩气、页岩气等非常规天然气资源。Law等[18]提出了非常规油气系统概念;Loucks和Reed[19]利用场发射扫描电镜实验观测分析，表征了Barnett页岩储集层的有机质微观孔喉特征。2007年SPE、SPEE、AAPG、WPC在《油气资源管理系统》中定义了非常规油气资源相关概念[1]。一批中国学者引入和吸收国外非常规油气地质研究成果，取得了一系列居于国际学科前沿的重要研究成果。
勘探实践与地质研究已经总结了非常规油气藏的基本地质特征：非常规油气连续性聚集，大面积分布，没有明显的油气水圈闭边界;储集层致密(孔隙度4%～12%，渗透率小于1×10-3μm2)，微-纳米级孔喉系统发育，需水平井和压裂技术改造才能产出，是一种“人工油气藏”;多种相态共存(固、液、气相及游离态、吸附态等);“近源”或“源内”都能成藏，源储一体、油气受层系控制、分布稳定、资源规模大;具有完全不同于常规油气的运聚机制和分布模式(见图1)。
非常规油气突破了经典石油天然气地质学中的许多认识局限，包括传统的含油气系统理论受到巨大冲击，主要体现在5个方面：连续性油气聚集理论，层状储集体可储存油气，大面积连续分布，甜点富集，打破了传统圈闭成藏和区带富集的概念;致密储集层中发现纳米级孔喉系统，突破了传统的储集物性下限，发现了致密砂岩和页岩等非常规油气储集层新类型;非常规油气源储一体，不需要盖层封堵，突破了传统生储盖组合的概念;非常规油气聚集不受浮力作用主导，而在非浮力作用的影响下聚集成藏[20-21]，突破了含油气系统理论生运聚成藏的模式[5,12,22];非常规油气分布主要受原型盆地生油岩层系控制，多数在盆地斜坡和中心，突破了盆地高部位富集油气的传统经验[5,12,20-21]。其中石油天然气地质学理论的核心——油气成藏理论，即油气的生成、运移、富集和保存机理，受到了重大挑战。目前理论发展的前沿主要是形成新的非常规油气成藏机理和含油气系统理论。
非常规油气理论研究对石油天然气地质学创新和世界石油工业发展具有重大战略影响，特别是对经典石油天然气地质学理论形成重大突破，有重大的科学意义。但是我们清醒地看到，目前非常规油气地质的研究成果主要集中在油气藏描述、富集和高产规律总结、区域沉积构造背景等方面，而对非常规油气成藏理论亟待进一步深入。
笔者对非常规油气的成藏模式与机理进行了系统调查与研究，对形成新的含油气系统理论进行了探索。研究技术路线是基于调研全球已发现常规和非常规油气藏特征差异研究非常规油气成藏机制与分布模式，首先分析北美已发现的常规和非常规油气藏形成条件和地质特征差异;再剖析中国代表性含油气盆地常规和非常规油气藏形成过程特征差异，对非常规油气藏进行分类，阐述不同类别非常规油气藏形成的动力特征、产状特征和成因机制;最后明确每一类非常规油气资源的形成条件、主控因素和边界门限，并基于实例剖析结果建立分布模式。重点从3个方面展开研究。
①研究油气组分特征对油气运移动力的影响，分析不同密度条件下油气运移动力和阻力差异，确定成藏的边界门限，重点研究固体沥青和稠油成藏动力机制与分布规律，阐明它们与常规油气藏之间的关联性和差异性。
②研究储集层介质条件对油气运移动力的影响，分析不同孔渗和不同岩性介质条件下油气运移动力和阻力差异，确定成藏的边界门限，重点研究致密油气藏、页岩油气藏和煤层气藏形成的动力机制和分布规律，阐明它们与常规油气藏之间的关联性和差异性。
③研究温压和氧化还原环境等条件对油气运移动力的影响，分析不同温压条件下油气运移动力和阻力差异，确定成藏的边界门限，重点研究天然气水合物成藏动力机制与分布规律，阐明它们与常规油气藏之间的关联性和差异性。
从上述3个方面展开常规和非常规油气藏形成条件研究，分析它们成藏动力机制的差异性并总结基本模式，进而探索其形成的基本机理，形成新的概念和理论。经分析，笔者认为非常规油气成藏理论的前沿主要有两大问题，即非常规油气成藏机理和新的全油气系统理论。
①非常规油气成藏机理：常规油气藏与非常规油气藏性质与赋存特征存在很大差异，研究得出的普遍认识是成藏机理不同，常规油气是浮力作用成藏，非常规油气是非浮力作用成藏，那么什么是非浮力作用?其物理化学力的本质是什么?其微观动力机制是什么?非常规油气种类很多，成藏地质条件与油气相态差异极大，它们成藏是否有共同的机理，这种机理是什么?
许多学者已经从不同的角度研究了非常规油气成藏机理，并提出了不同的成藏模式，包括：储集层相对渗透率变化的成因模式[28]、成岩作用变化的成因模式[29]、毛管压力封堵成因模式[30]、断层对油气侧向封闭成因模式[31]、深层异常高压流体形成非常规油气藏模式[32]、不同阶段非常规油气藏成因模式[33]。值得注意的是，非常规油气成藏理论研究的显著进展是Pang等[34]提出了浮力成藏下限概念并在勘探实践中得到检验，这一概念清晰地阐述了常规油气藏与致密连续型油气藏之间的差别与联系，常规油气藏形成于浮力成藏下限之上的高孔渗介质内，具有“四高”和“源藏分离”等特征;非常规致密油气藏形成分布在浮力成藏下限之下的低孔低渗介质内，具有“四低”和“源藏紧临”等特征(见图2)，浮力成藏下限概念的提出和控藏模式的建立是非常规油气成藏模式研究的重要进展。宋岩等发现和总结了中国中西部致密油“启动压力启动、压差推进、阶梯状大面积充注与裂缝优势通道快速运移并存、优势缝-孔耦合空间富集”成藏与富集机理[35]。——论文作者：贾承造1,2，庞雄奇2,3，宋岩2,4
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