中国非常规油气勘探开发与理论技术进展（三）-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。

2.2细粒沉积学研究进展

细粒沉积学是研究细粒沉积岩的物质成分、结构构造、分类和成因，以及沉积过程与分布模式的学科。细粒沉积学以细粒沉积物岩石学特征、成因机理、分布模式为主要研究内容，以细粒沉积物储层分析方法（场发射扫描电镜、纳米CT、QEMSCAN、XRD）、细粒沉积物沉积环境物理模拟技术、细粒沉积物沉积气候恢复技术为主要研究方法，旨在明确细粒沉积岩岩石学特征，揭示分布规律与主控因素，建立成因模式，指导岩相—沉积相—有机相工业编图，推动致密油、页岩油发展。

2.2.1陆相湖盆大型浅水三角洲成因机理与分布

浅水三角洲的概念最早由Fisk提出，Donaldon等在研究石炭纪陆表海时发现水深是一个重要控制因素，并进一步总结了浅水三角洲的特征。国内外根据已有的三角洲类型与模式分析，划分为一种较新的类型浅水三角洲，在地形平缓、整体沉降缓慢的塌陷盆地或稳定克拉通盆地背景下河流注入浅水湖盆时易形成此类三角洲。浅水三角洲沉积总体发育于较浅水湖泊中，沉积特征不同于一般三角洲，以河流作用为主，三角洲平原及前缘水下分流河道比较发育，前缘亚相中河口坝及远砂坝不发育，有别于正常的河流三角洲沉积及具陡坡带的经典湖泊三角洲沉积。

浅水三角洲在我国现代湖盆内极为发育，特别是潮温气候环境下的浅水三角洲沉积特征更是明显。潮湿背景下，敞流型湖盆是浅水三角洲河道发育的主要因素（四川盆地须家河组），明显区别于闭流型湖盆；干旱背景下，河水主要以地表蒸发、植被淌耗等泄水（松辽盆地登委库组）。对都阳湖-赣江浅水三角洲现代沉积考察，通过解析浅水三角洲基本特征、洪水期和枯水期浅水三角洲发育特征与微相构成和浅水三角洲探地雷达响应，发现敞流浅水湖盆中心发育牵引流河道砂体，三角洲砂体分布面积占湖盆面积60%以上；26组水槽物理模拟实验表明，敞流浅水三角洲分流河道面积占60%以上，河口坝可达40%，储集体发育。

2.2.2 陆相湖盆砂质碎屑流成因机理与分布

砂质碎屑流由Hampton引入，Shanmugam等美国学者在365m的露头观察与4650m岩心分析的基础上完善砂质碎屑流概念。他认为浊流沉积在深水沉积物中所占比例较小，绝大部分为砂质碎屑流与底流改造沉积物。砂质碎屑流代表在粘性与非粘性碎屑流之间的连续作用过程，从流变学的特征看属于宾汉塑性流体，具有分散压力、基质强度和浮力等多种支撑机制。流体浓度较高，泥质含量低到中等，颗粒沉积时表现为整体固结。沉积盆地中，浊流可以延伸盆地平原，砂质碎屑流往往在盆地斜坡部位沉积下来。

陆相盆地深水重力流砂体的各项研究可参照海洋深水扇研究成果，但仍需考虑陆相湖盆沉积特色。按斜坡类型、水位高低、流量大小等进行22组水槽实验，表明砂质碎屑流分布在坡折带的下斜坡；通过对鄂尔多斯盆地湖盆中心长6等典型地区解剖，发现发育大套深水砂岩，侧向具一定连续性，垂向累积厚度较大，砂质碎屑流的朵体发育于三角洲缘的坡折带下，纵向延伸不远但横向叠置连片，是湖盆斜坡与中心部位最有利的目标区，指导了沉积相编图与勘探部署。

陆相深水砂质碎屑流理论的总结，是对现行经典浊流理论的部分否定与补充。在许多深水盆地中，运用浊流的鲍马序列、扇模式等不能够完全解释所有的深水重力流，更多深水砂体是砂质碎屑流的产物。新的沉积模式可以使我们对陆相湖盆斜坡和深水区有不一样的视角，提出新的目标区，对勘探部署有一定的指导作用，预测砂质碎屑流在我国松辽、渤海湾、四川等陆相湖盆中是广泛分布与存在的。

2.2.3细粒沉积研究进展

随着致密油气、页岩油气勘探开发的不断推进，细粒沉积学已成为国内外学者研究的前沿。与砂砾岩等粗粒沉积岩相比，泥页岩等细粒沉积岩研究程度总体较低，目前还缺乏系统性与完整性。本文结合近期四川龙马摸组页岩等研究、鄂尔多斯延长组页岩，简要论述海陆相细粒沉积研究进展。

中国海相富有机质页岩发育在前古生代、早古生代和中生代，分布于华北、南方、塔里木和青藏4个地区。古生代是中国海相富有机质页岩发育的最主要时期，形成了多套海相富有机质页岩，其中以寒武纪和志留纪页岩最为典型，本文以四川盆地为例阐述（表2）。

表2.蜀南地区与焦石坝刻度区主要地质参数对比表

早寒武世和早志留世两个时期，全球海平面快速上升，四川盆地整体为克拉通背景上的半深水-深水陆棚，与北美主要产气页岩具有相似的沉积环境。筇竹寺组岩性以黑色页岩及深灰色含砂质页岩为主，下部为深灰二黑色炭质页岩及深灰色、灰色粉砂质页岩和粉砂岩，向上颜色逐渐变浅，为灰、灰绿色含钙质细砂岩、粉砂岩，富有机质页岩（TOC>2%）集中段主要为结竹寺组底部的黑色页岩段。纬竹寺组页岩厚度受继承性发育的“德阳—安岳”古裂陷槽控制，厚度一般为300~450m，黑色页岩厚度可达140~160m（图3），富有机质页岩（TOC>2%）厚度一般为20~80m，其中高石梯地区最厚可达100m。志留纪页岩以早志留世龙马模组页岩发育最好，分布于整个扬子地台区。

图3.四川盆地下寒武统筇竹寺组黑色页岩等厚图

根据岩性组合、沉积构造、古生物、矿物成分、测井相应以及有机地球化学特征，将龙马摸组页岩划分为深水陆棚、半深水陆棚、浅水陆棚3种亚相（图4）。

图4.四川盆地下志留统龙马溪组沉积相模式

龙马溪组沉积早期，海水流动不畅，为弱还原—还原环境，沉积了一套黑色富有机质页岩，笔石富集。该套沉积在整个上扬子地区发育稳定，在川南—黔北—川东为水体较深的海湾沉积环境，其中川南—黔北地区为含钙质深水陆棚区（钙质一般10% 25%)，川东—川东北地区主体为泥质深水陆棚（钙质＜5%）。龙马提组下部富有机质页岩即受控于深水陆棚沉积体系。龙马溪组下部由深灰—黑色硅质页岩、炭质页岩、钙质页岩、笔石页岩夹生物碎屑灰岩组成，上部为灰绿、黄绿色页岩及砂质页岩夹粉砂岩及泥灰岩。龙马溪组因加里东运动抬升遭受区域性剥蚀在盆地西南部缺失，围绕乐山—龙女寺古隆起向南、东部逐渐增厚，地层最厚400~600m，龙马摸组富有机质页岩(TOC>2%）集中段主要发育于底部，厚度分布与地层厚度趋势大体一致，一般在20~100m，其中宜宾-泸州-荣昌一带厚度最大为120m，清陵地区厚度为38~45m，长宁地区厚20~40m（图5）。

图5.四川盆地下志留统龙马溪组富有机质页岩等厚图

下古生界海相页岩气区产层为上奥陶统一下志留统五峰—龙马模组（图6）和下寒武统筇竹寺组（图7）底部黑色页岩，岩性以海相富有机质黑色页岩为主，厚度20~100m，TOC含量为1.7%~8.3%，R0为2.0%~3.6%，孔隙度为1.5%~8.2%，渗透率11nD~0.25mD，含气量为1.46~6.5m³／t，压力系数1.0~2.2，埋藏深度1500~5000m，平均3000m。两套海相页岩气中以游离气为主，占60%~70%，不含液态烃。气体组分以甲烷为主，甲烷含量97.8%，乙烷含量1.16%，C₃～C₅含量0.29%，含微量CO₂、N₂，不含H₂S，乙烷碳同位素具有倒转特征，与北美典型热成因页岩气特征相似（表3）。

图6.四川盆地志留系龙马溪组岩性综合柱状图

图7.四川盆地寒武系筇竹寺组岩性综合柱状图

表3.四川盆地古生界海相页岩气特征与美国海相页岩气对比

中国陆相细位沉积类型多，时代跨度大，主要形成于中—新生代的陆相裂谷盆地、、坳陷盆地。陆相细粒沉积主要发育于湖泊沉积环境，由于水体、气候、物源的频繁变化，陆相细粒沉积厚度大但非均质性强。中国陆相页岩油与粉砂质致密油，源岩与储层均属于细粒沉积岩。源岩以陆相半深湖—深湖相富有机质页岩以I型和ⅡA型干酷根为主，成熟度普遍偏低，R₀一般为0.7%~1.3%，处于生成偏轻的石油阶段，页岩有机质丰度较高（TOC一般在2.0%以上，最高可达40%），是陆相页岩油与致密油重要的烃源岩类型。储层多形成于三角洲前缘—前三角洲—深湖—半探湖等细粒沉积环境，而有别于常规油气储层形成的冲积扇—河流—三角洲平原等粗粒级沉积环境（图8）。

图8.陆相粗一细粒沉积模式图

如鄂尔多斯盆地晚三叠世延长组沉积期，形成了面积大、水域宽的大型内陆淡水湖盆。湖泊相在延长组长7油层组沉积期达到鼎盛，形成了以油页岩、页岩、暗色泥岩为主的大套细粒沉积，面积达5×10⁴km²。三叠系延长组长7油层组富有机质页岩的沉积模式以湖侵—水体分层模式为主，“沉积相带、水体深度、缺氧环境、湖流”是富有机质页岩分布的主控因素。因此，开展中国陆相页岩油与粉砂质致密油源储细粒沉积岩沉积机理与分布模式研究，创新和建立“细粒沉积学”，将为明确细粒致密储层、富有机质页岩分布预测、有利沉积相带和富集区优选提供科学基础依据。

2.3非常规储层地质学研究进展

非常规油气储层地质学是一门研究非常规储层类型、形成机理、储集性能、分布特征、评价方法与预测技术的新兴油气地质学科。非常规油气储层地质学研究的核心是“微纳米孔隙系统”，重点研究储集空间类型、尺寸、连通性，建立储集性能与储集体规模关系，评价“储油气能力”，勘探寻找有利储层分布区，开发寻找效益储层开发区。微纳米孔喉系统精细表征技术、非常规储层孔隙演化物理模拟技术、非常规储层数值模拟技术、非常规储层测井解释技术、非常规储层地球物理预测技术等是主要的研究方法。

国外针对非常规储层储集空间微观表征和成因分析，近年取得很大进展。美国学者Reed和Loucks2007年利用场发射扫描电镜实验观测分析表征了美国德克萨斯州沃斯堡盆地Barnett页岩储层的有机质孔隙特征，其后多位学者针对非常规储层微观孔喉系统进行了研究。不同的孔隙结构决定了非常规储层性质差异，孔隙类型、尺寸与排列影响油气原地赋存与聚集，也影响页岩的封盖能力。孔隙成因与分布的差异性，将对储层的渗透率和物性产生影响。

国内非常规储层在研究方法技术、多尺度数据融合、地层条件物理模拟等方面进展很大。目前非常规储层微观储集空间表征方法包括三类：①二维图像观测法，包括光学显微镜、场发射扫描电镜分析等，实现对孔隙结构的二维精细表征；②三维体积重构法，包括微米CT、纳米CT及聚焦离子束场发射扫描电镜分析等，实现对孔隙结构及连通性的三维刻画与评价；③定量体积评价法，包括气体吸附法与高压压京法，实现对孔隙结构与储集空间的定量评价。如利用场发射扫描电镜技术和纳米CT技术，在对鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩油与生油岩、鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气、准噶尔盆地二叠系致密云岩与致密砂岩油、四川盆地下古生界海相含气页岩等储层研究中，在含油气致密储集层中发现了广泛发育的孔喉直径小于1000nm的纳米级孔喉（图9）。致密储层主体孔径为20~500nm，其中页岩气储层一般为100~200nm（图9-A&B），生油岩内的孔径一般为20~200nm（图9-C&D），致密砂岩孔径一般为100~900nm，也可见2~5μm孔隙（图9-E&F，G&.H）。非常规储层丰富的纳米孔，有利于油气带留聚集，连续分布。

图9.中国非常规致密储集层纳米级孔喉典型微观照片

利用多尺度分析方法刻画致密储层样品成为非常规储层研究领域的热点。非常规储层样品非均质性强，孔隙类型繁多，孔隙成因多样，仅用单一分析手段、单一观察尺度无法全面反映储层样品的总体特征，不同实验分析方法可给出多种孔隙评价结果（表4），发挥各分析方法的优势，有机融合多种分析数据，形成系统整体的孔隙评价表法，非常重要。

表4.非常规储层微观储集空间表征方法

主要在实验流程方法、非均质性定量评价、孔喉连通性研究等三方面取得阶段进展。①宏观建立了分析流程与方法。获得岩心样品后，对样品进行不同尺度上的多种分析，在岩心尺度，利用医用CT来判断岩心的类型与裂缝发育情况，观察岩心的交互层理；在柱塞尺度，开展大量的常规物性测试，得到定量的孔渗参数、含油饱和度等参数；对柱塞样品进行SEM制样，利用MAPS、QEMSCAN等大面积分析软硬件对样品进行全面的拼接成像分析，获得宏观的矿物分布，孔隙分布等；针对不同的物相区，开展精细的二维成像表征工作，获得孔隙类型，矿物类型等有用信息；利用定点三维分析技术，以及多尺度三维分析技术，对感兴趣的区域开展全面细致的三维孔隙分析实验，获得数字岩心孔隙网络，经数值分析获得三维孔喉系统的数据信息。②初步形成了非均质性定量评价方案。利用SEM设备装配的大面积二维拼接扫描软件、二维大面积能谱拼接分析软件以及二维大面积矿物分布分析软件对大尺寸的薄片样品进行宏观扫描分析，粗分样品中的物相；利用超高分辨扫描成像及精细的EDS、矿物分析进行选取微观分析。③微观孔喉连通性研究。基于三维数字岩心技术编写连通性分析软件，分析了非常规储层岩石样品孔隙连通性；基于电化学分析方法，开发了电化学孔隙连通性表怔方法，对典型样品进行了应用。地层条件下非常规储层物理模拟实验取得明显进展。中国石油勘探开发研究院研发了一整套成岩物理模拟系统，具有高温（最高温度550℃＋）、高压（最高静岩压力275MPa，相当于地层深度10000m）和流体供给（酸、碱性介质，流体压力达120MPa）等高性能指标；可连续完成100天或更长时间的压实成岩和潜蚀改造模拟实验；试验参数可实时记录、采集，实验过程由计算机程序控制，具有远程报警功能。如对鄂尔多斯盆地长7低熟泥页岩样品成岩物理模拟，配套多种实验手段，可系统研究泥页岩孔隙演化过程，发现泥页岩孔隙演化受到矿物组成、有机质、成岩流体、温度和压力等多地质参数的影响；泥页岩中不同物质成分对孔隙演化的贡献具有差异性：有机质热演化贡献最大，粘土矿物转换次之，脆性矿物演化最小（图10）。

图10.鄂尔多斯盆地长7泥页岩热模拟孔喉演化综合图

2.4非常规油气地质学研究进展

非常规油气的研究始于20世纪30年代，W.B.Wilson油气藏分类中的开放性油气藏，虽然当时认为该类油气藏没有勘探价值，但已预测到非常规油气藏的存在。20世纪80年代以来，国外出现盆地中心气、煤层气、页岩气、致密砂岩气、页岩油等概念，国内出现深盆气、深盆油、非稳态成藏、致密油、致密气、页岩气、页岩油、源岩油气等概念，非常规油气资源逐渐成为全球油气勘探开发重要领域之一，在涵盖非常规油气资源内涵、种类、地质特征、资源评价方法、开发技术等方面研究也已取得长足进展。

美国联邦地质调查局的J.w.Schmoker和D.I.Gautier等针对含油气盆地非常规储层中油气大面积聚集分布、圈闭与盖层界限不清、缺乏明确油气水界面的特点，提出了“连续型油气聚集”的概念，并对致密砂岩气、页岩气、盆地中心气、煤层气、浅层微生物气及天然气水合物等非常规天然气资源进行了评价。

B.E.Law等提出了非常规油气系统的概念，指出非常规油气系统与构造圈闭无关，基本上不受重力分异的影响，区域上存在大规模普遍含油气区带，并对煤层气、深盆气及天然气水合物等非常规天然气资源做了分析。2007年石油工程师学会、石油评价工程师学会、美国石油地质师协会、世界石油大会在《油气资源管理系统》中定义了非常规油气资摞相关概念，认为连续型矿产和非常规资源基本等同，都定义为大面积连续分布、受水动力影响很小的油气聚集，包括盆地中心气、页岩气、天然气水合物、天然沥青及油页岩等，同时强调了其技术难度及经济可行性。

贾承造认为非常规油气地质学有4项重要理论问题：①“含油气系统”理论的深化再认识，提出含油气盆地“全含油气系统”的“全过程成藏”模式，从烃类生—排—运—聚全过程定量化研究4个关键问题出发，分析非常规油气成藏机理；②细粒沉积体系与致密相带沉积学，通过解析细粒沉积与非常规油气生戚关系的角度提出3个研究结合点；③页岩与致密储层中微纳米孔隙系统和流体相态，提出微-纳米孔隙系统在非常规油气研究方面应重点关注5个方面，并解析微纳米孔隙发育特点及微纳米孔隙中流体相态的特征；④非常规油气富集规律与资源评价，从非常规油气聚集特征出发，优选建立非常规油气资源评价方法体系。

邹才能等2009年引入并发展连续型油气聚集理论，总结提出连续型油气聚集具有10项重要特征。通过纳米CT、场发射等先进手段，发现了致密油和气、页岩油和气等非常规油气储层中纳米孔喉系统，研究了不同类型非常规储层地质特征、油气形成与分布规律、“甜点区”主要控制因素（图11）。提出了含油气单元（盆地、塌陷或凹陷）内常规与非常规油气在时间域持续充注、空间域有序分布，二者成因有先后、相互依存、紧密共生与伴生，形成常规—非常规油气“有序聚集”体系。初步评价出不同类型非常规油气资源潜力，明确提出中国不同类型非常规油气发展策略与定位，指出基础地质研究的创新，具有形成非常规石油地质学的趋势。

图11.储集空间与油气聚集类型

2011年、2013年邹才能等先后出版了《非常规油气地质》第一和第二版；2012年作者在爱思维唯尔集团出版并全球发行了《Unconventional Petroleum Geology》英文一书，被认为是第一本综合对全球非常规油气勘探开发潜力进行判断、分类和评价的书；2013年在《石油勘探与开发》第4期发表了“非常规油气概念、特征、潜力及技术—兼论非常规油气地质学”一文，介绍了非常规油气地质学的内涵、发展简史、研究内容、研究方法与研究意义。2014年8月出版了《非常规油气地质学》一书，明确提出非常规油气地质学是一门研究非常规油气类型、细粒沉积、微纳米级储层、油气形成机理、分布特征、富集规律、产出机制、评价方法、核心技术、发展战略与经济评价等为重点的新兴油气地质学科，已成为石油与天然气地质学的一个重要分支；指出非常规油气地质学研究的核心是“储集层是否含油气”，评价的重点是烃源性、岩性、物性、脆性、含油气性与应力各向异性“6特性”及匹配关系，明确“生油气能力、储油气能力、产油气能力”；勘探主要目的是寻找油气连续或准连续分布边界与“甜点区”，开发寻找低成本开采技术与经济发展模式（图12）。

图12.油气资源类型与聚集方式

伴随美国页岩气、致密油等非常规油气资糠的大规模开发利用，非常规油气地质理论正引起越来越多的石油地质学家与勘探家的重视，非常规油气地质理论研究也取得重大进展，已成为石油地质学研究的前缘。

针对富油气盆地常规—非常规油气协同发展，邹才能等2014年又提出了常规一非常规油气“有序聚集”理念，即富油气盆地或凹陷内，常规与非常规油气在时间域持续充注、空间域有序分布，二者成因有先后、相互依存、紧密共生，形成统一的油气聚集体系（图13）。

图13.常规非常规油气平面有序分布模式图

该体系揭示出不同类型油气资源“有序聚集”的规律，展示出富油气盆地或凹陷内常规与非常规油气资源应“同步研究、同步部署、同步勘探”，可采用多井平台“同步开采”模式对不同层系、不同类型油气“整体规划、整体建设、整体开发”，加快勘探开发节奏，提高资源开发利用效率和经济效益。据此规律可透视不同类型油气在空间上的分布位置，一般地，发现常规油气，预示供烃方向有非常规油气共生；发现非常规油气，预示外围空间可能有常规油气伴生。平面上，一般盆地边缘或斜坡分布有常规构造油气藏和岩性地层油气藏，凹陷或沉积中心聚集有非常规致密油气和页岩油气等，即非常规油气外围有常规油气，常规油气里面有非常规油气；纵向上，从浅到深分布有远源的常规油气藏、近源的致密油气、源内的页岩油气等。以往不同阶段找油气思路有差异，一般早中期立足常规油气资源，用“源控论”寻找大型构造与岩性地层藏集群；中后期立足非常规油气资源，用“连续型油气聚集”认识，寻找近源致密油气或漉内页岩油气。而常规—非常规油气“有序聚集”体系认识突破了传统找油气思路，推动找油气地质理论从“找点”、“找带”、“找面”向“找体”跨越，打破了先找常规后找非常规的“先富侯贫”的找油思路。对待常规与非常规油气，勘探追求“一网打尽”，开发追求“吃干榨尽”。

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中国非常规油气勘探开发与理论技术进展（三）

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