石油圈
进入21世纪，以美国非常规油气、加拿大油砂、委内瑞拉重油为代表，全球非常规油气勘探开发取得了一系列突破性进展，已成为全球油气生产的重要组成部分。借鉴国外经验，大力发展中国非常规油气成为必然的战略选择和必由之路。中国进入了常规与非常规油气并重的勘探开发新时代，地质开发理论进入了非常规油气创新的“黄金期”。随着研究与勘探开发实践的快速推进，非常规油气将逐步成为中国油气生产的重要组成部分，为国民经济的发展提供重要保障。
2中国非常规油气研究进展
非常规油气在是否受圈闭控制、是否连续分布、单井是否有自然工业产量等3方面，与常规油气有本质区别。非常规油气研究的灵魂是储层，目标是回答储集有多少油气；而常规油气研究的灵魂是成藏，目标是回答圈闭是否有油气。近十几年来，针对非常规油气不同于常规油气的地质特征和形成分布规律，我国地质工作者开展了大量的研究工作，在非常规油气地质理论研究取得重要进展。本文从学科角度，重点介绍细粒沉积学、非常规储层地质学、非常规油气地质学、非常规油气勘探开发技术的研究进展。
2.1主要非常规油气类型基本地质特征
2.1.1页岩气
页岩气是以游离态、吸附态为主，赋存于富有机质页岩层段中的天然气，主体上为自生自储的、大面积连续型天然气聚集。在地层条件下，页岩基质渗透率一般小于等于0.001×10-3μm2，单井一般无自然产能，需要通过一定技术措施才能获得工业气流。页岩层段以富有机质页岩为主，可含极少量粉砂岩、碳酸盐岩等的薄夹层。
页岩气具有独特的地质特征和开发特点。①源储一体，形成早，持续聚集。页岩在有机质演化整个过程中持续接受天然气的聚集，在页岩储层自身饱和后再向外溢散或运移。因此，页岩气是“原位、滞留聚集”，为典型的源储一体、形成早、持续充注、连续聚集的天然气。②无明显圈闭界限，富集仍需要良好封闭。页岩气的形成、聚集都在页岩中，源储一体，含气范围与有效气源岩相当，没有明显圈闭界限，无统→气水界线，不存在传统意义上的圈闭。页岩储层致密，大面积连续含气，较易保存。③储层致密，以纳米级孔隙为主。页岩储层孔隙以微孔（孔隙直径注0.75μm）和纳米孔（孔隙直径＜0.75μm）两种尺度的孔隙为主，平均孔隙直径为100nm。④以游离态与吸附态两种主要方式赋存。页岩气组成以甲皖为主，乙饶、丙烧含量较少，赋存方式以吸附态、游离气两种方式为主。⑤页岩气大面积连续分布，资源规模大。页岩气分布范围为进入有效生气窗的烃源岩与良好保存条件所固定区域，往往大面积连续分布于盆地塌陷或构造背景斜坡区。⑥需大型压裂开采，形成“人造渗透率”产出机理。页岩气开采需要大规模储层压裂改造，形成“人造”裂缝系统，提高渗透率。页岩气的产出以非达西流为主，存在解吸、扩散、渗流等相态与流动机制的转化。⑦采收率变化较大，一般10%~25%。⑧页岩气单井初产高，低产生产周期长。
2.1.2致密气
致密砂岩气是指覆压基质揍透率≤0.1×10-3μm2的砂岩气层，单井一般无自然产能，或自然产能低于工业气流下限，但在一定经济条件和技术措施下，可以获得工业天然气产量。通常情况下，这些措施包括压裂、水平井、多分支井等。
致密砂岩气主要具有以下地质特征：①烃源岩多样，有进人正常热演化程度的含煤岩系和湖相、海相炬源岩，主要为煤系气源岩。②油气分布不受构造带控制，斜坡带、坳陷区均可以成为有利区，分布范围广，局部富集。如苏里格、榆林、大牛地等气田，均分布在陕北斜坡，构造平缓（坡度1°~3°，断层不发育。③储集层多为低孔渗 特低孔渗-致密砂岩储层，非均质性强，含水饱和度较高，储层大规模分布。孔隙类型以孔隙型、孔隙-裂缝型为主。如鄂尔多斯盆地苏里格气田，砂岩孔隙度主要集中在5%12%之间，渗透率为（0.1~0.82）×10-3μm2，但储集层物性明显受岩性影响，粗砂岩的孔隙度大于10%，渗透率大于0.82×10-3μm2，而细粒砂岩孔隙度一般小于5%，渗透率小于0.03×10-3μm2。④以自生自储为主，源储紧密接触。如四川盆地上三叠统须家河组致密砂岩气，须二、须四、须六段储层与下伏须一、须三、须五段烃源层直接接触，下伏生成的天然气可通过垂向运移向上注入到须二、须四或须六段储层中。⑤油气运移以一次运移或短距离二次运移为主，油气聚集主要靠扩散方式，浮力作用受限；油气渗流以非达西流为主；也可依靠连通下部烃源层的断裂及其裂缝，作为烃类垂向运移的主要途径。⑥油气具有多期充注聚集特点。如川中—川南过渡带须家河组油气存在三次运聚期。第一期为燕山早中期的晚保罗世，对应须家河组烃源岩生油气初期阶段；第二期为燕山中晚期的白垩纪-早第三纪，须家河组各段烃源岩进入生油气高峰期，总体上以天然气注入为主；第三期为喜山运动以来的晚第三纪至今，已经形成的天然气由于构造活动的影响，重新调整。⑦流体分异差，无统一流体界面与压力系统，饱和度差异大，油、气、水易共存。⑧资源丰度较低，平面上能形成油气区，但一般无自然产量或产量极低，需采用适宜的技术措施才能形成工业产量，稳产时间较长。
2.1.3煤层气
煤层气是一种生成并储存于煤层中，以甲烧为主要成分、以吸附状态为主的烃类气体。在煤矿开采中俗称为“瓦斯”。
煤层气主要具有以下地质特征：①煤层气组分以甲烧为主，井口排采气甲烷含量可以达到98%以上。②煤储层具有双重孔隙结构，甲烷主要吸附在具有较大比表面积的煤层微孔表面，含气量受到煤成熟度、成分、温度、压力、保存条件等因素的影响。③煤层气解吸后渗流主要通过割理和裂隙进行，由于煤层的可压缩性，受地应力影响，煤层渗透率随埋探增加快速下降。④目前，煤层气开发主要限于1500m以浅，资源评价一般限于2000m以浅。⑤煤层气主要是煤化作用过程晚期的生气产物，由于埋藏较浅或者受到晚期抬升作用的影响，次生生物气的混入较普遍。⑥受赋存状态控制，盆地内煤层气具有向斜分布特征；受煤层发育地质时代和沉积环境控制，煤层气主要分布于石炭纪以来的沉积地层，主要包括石炭系—二叠系、三叠系—保罗系、白垂系古近系；受煤层区域分布和埋深控制，目前发现的煤层气主要分布于美国的圣胡安、粉河和黑勇士盆地，加拿大的西加拿大前陆盆地，澳大利亚的悉尼、鲍恩和苏拉特盆地，中国的沁水和鄂尔多斯盆地等。
2.1.4 致密油
致密泊是储集在覆压基质渗透率小于或等于0.1×10-3μm2（空气渗透率小于1×10-3μm2的致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集层中的石油；单井一般无自然产能或自然产能低于工业油流下限，但在一定经济条件和技术措施下可获得工业石油产量。通常情况下，这些措施包括酸化压裂、多级压裂、水平井、多分枝井等。致密油多表现为以下特征：①源储共生，圈闭界限不明显，优质生油岩区致密油大面积分布。②主要发育致密湖相碳酸盐岩、致密砂岩两类储层。储层物性质差，基质渗透率低，一般空气渗透率≤1mD，孔隙度≤12%；有利沉积相带控制储层发育，由于沉积物成熟度低，颗粒细，分选差，胶结物含量高，后生成岩作用强烈，使储层变得十分致密。③持续充注，非浮力聚集，油气以短距离运移为主；油层压力系数高、油质轻；生油岩成熟区（0.6%≤R0≤1.3%）气油比高，易高产。④按成因分为原生致密油和次生致密油。原生致密油主要是受沉积作用的影响，一般沉积物粒度细，泥质含量高，分选差，以原生孔为主，储层大多埋深较浅，未经历强烈的成岩作用改造，岩石脆性低，裂缝不发育，孔隙度较高，而渗透率较低，多数为中高孔低渗型。次生致密油主要是各种成岩作用改造的结果，这类储层原是常规储层，但由于压实作用、胶结作用等，大大降低了孔隙度和渗透率，原生孔隙残留较少，形成致密层。⑤孔喉半径小，纳米级孔喉系统发育，主体直径40～900nm；毛细管压力高，原始含水饱和度较高，一般含水饱和度30%~40%，个别高达60%，原油比重多数小于0.85，地层粘度多数小于3MPa·s。孔隙结构复杂，喉道小，泥质含量高，水敏、酸敏、速敏严重，导致开采过程中易受伤害，损失产量可达30%~50%。⑥油层砂泥交互，非均质性严重，由于沉积环境不稳定，砂层的厚薄变化大，层间渗透率变化大，有的砂岩泥质含量高，地层水电阻率低，给油水层划分带来很大困难。⑦天然裂缝相对发育，岩性坚硬致密，存在不同程度的天然裂缝系统，一般受区域性地应力的控制，具有一定的方向性，对油田开发的效果影响较大，裂缝是油气渗透的通道，也是注水窜流的条件，且人工裂缝多与天然裂缝方向一致。⑧油层受岩性控制，水动力联系差，边底水驱动不明显，自然能量补给差，产量递减快、生产周期长，稳产靠井间接替，多数靠弹性和溶解气驱采油，油层产能递减快，一次采收率低，只能达到8%~12%，采用注水保持能量后，二次采收率可提高到25%～30%。
2.1.5页岩油
页岩泊是指已生成的、现今仍滞留于泥页岩微一纳米级储集空间中的石油。富有机质泥页岩既是石油的生油岩，又是石油的储集岩。
页岩油基本地质特征。①游、储一体，滞留聚集。页岩油也是典型的惊储一体、滞留聚集、连续分布的石油聚集。富有机质页岩既是生油岩，也是储集岩。与页岩气不同，页岩油主要形成在有机质演化的液态炬生成阶段。在富有机质泥页岩持续生油阶段，石油在泥页岩储层中滞留聚集，只有在泥页岩储层自身饱和后才向外溢散或运移。因此，处在液态烃生成阶段的富有机质泥页岩均可能聚集页岩油。②较高成熟度富有机质页岩，含油性较好。富有机质泥页岩主要发育在半深湖-深湖相沉积环境，常分布于最大湖泛面附近的高位体系域下部和湖侵体系域。富含有机质是泥页岩富含油气的基础，当有机质开始大量生油后，才会富集有规模的页岩泊。高产富集页岩抽一般TOC大于2%，有利页岩油成熟度R0介于0.7%~2.0%，形成轻质油和凝析油，有利于开采。③发育纳米级孔、裂缝系统，利于页岩油聚集。页岩油储层中广泛发育的纳米级孔喉系统，一般50~300nm是最主要的储集空间，局部发育微米级孔隙。④储层脆性指数较高，宜于压裂改造。页岩中高岭石、蒙脱石、水云母等茹土矿物含量越低，石英、长石、方解石等脆性矿物含量越高，岩石脆性越强，在外力作用下越易形成天然裂缝和诱导裂缝，利于页岩油开采。⑤地层压力高、油质轻，易于流动和开采。页岩油富集区位于已大规模生油的成熟富有机质页岩地层中，一般地层能量较高，压力系数可达1.2~2.0。⑥大面积连续分布，资源潜力大。页岩油分布不受构造控制，无明显圈闭界限，含油范围受生油窗富有机质页岩分布控制，大面积连续分布于盆地坳陷或斜坡区。页岩生成的石油较多地滞留于页岩中，一般占总生油量的20%~50%，资源潜力大。
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