石油勘探与开发
2013年8月PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vol.40 No.4 385 文章编号：1000-0747(2013)04-0385-15 DOI: 10.11698/PED.2013.04.01
——兼论非常规油气地质学
邹才能，张国生，杨智，陶士振，侯连华，朱如凯，
袁选俊，冉启全，李登华，王志平
（中国石油勘探开发研究院）
基金项目：国家油气重大专项“岩性地层油气藏成藏规律、关键技术及目标评价”（2011ZX05001）
摘要：提出了石油地质学正向常规油气地质学与非常规油气地质学两大学科方向发展，常规油气地质学研究的核心是“圈闭是否成藏”，重点评价“生、储、盖、运、圈、保”6要素匹配关系；非常规油气地质学研究的核心是“储集层是否含油”，重点评价“岩性、物性、脆性、含油性、烃源岩特性、应力各向异性”6伸缩杆
性及其匹配关系。建立了不同喉径下限油气运聚模式和理论公式、非常规油气开采“L”型生产曲线与产量理论预测模型，揭示了非常规油气形成机理与开采规律。重点阐述了非常规油气的内涵、特征、潜力与技术，提出了鉴别非常规油气的两个关键标志： 生活垃圾处理器
①油气大面积连续分布，圈闭界限不明显；②无自然工业稳定产量，达西渗流不明显。全球非常规与常规油气资源
比例大约8∶2，其中非常规石油资源与常规石油大致相当，非常规天然气资源约是常规天然气的8倍。中国非常规石油资源约240×108 t，非常规天然气资源约100×1012 m3。近期非常规油气增储上产的重点为致密油和致密气，要加大页岩气工业化试验区建设和页岩油探索力度，未来需要建立“非常规油气地质学、细粒沉积学、非常规储集层地质学、地球物理预测六性、水平井规模压裂、平台式工厂化开采、管理低成本与政策补贴、非常规人才培养”等非常规油气工业体系。图6表8参59
关键词：非常规油气地质学；分子地质学；非常规油气工业体系；致密油；致密气；页岩油；页岩气
中图分类号：TE122.1 文献标识码：A
Geological concepts, characteristics, resource potential and key techniques of unconventional hydrocarbon: On unconventional petroleum geology
Zou Caineng, Zhang Guosheng, Yang Zhi, Tao Shizhen, Hou Lianhua, Zhu Rukai, Yuan Xuanjun,
Ran Qiquan, Li Denghua, Wang Zhiping
(PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)
Abstract:Petroleum geology is developing in two directions: conventional petroleum geology and unconventional petroleum geology. Conventional petroleum focuses on “whether hydrocarbon is accumulated in traps”, and intensively studies six geological elements, i.e. source rock, reservoir, cap rock, migration, trap, and preservation, and their coupling relationship.
Unconventional petroleum geology focuses on “whether hydrocarbon is continuously accumulated in reservoirs”, and intensively studies six geological properties, i.e. lithology, reservoir quality, brittleness, petroliferous properties, source rock properties and stress anisotropy, and their coupling relationship. In this article, hydrocarbon accumulation model and theoretical equation in different pore-throats diameters, “L-type” production curve and theoretical prediction model for unconventional hydrocarbons, are proposed to uncover the unconventional hydrocarbon formation mechanism and development rule. This article defines the basic concept and geological characteristics, analyses the resource potential, and proposes the exploration and exploitation core technology of unconventional
hydrocarbon. Unconventional hydrocarbon is characterized by the following two key marks: (1) continuous distribution of hydrocarbon-bearing reservoir bodies, and no obvious trap boundary, and (2) no naturally stable industrial production, and no obvious Darcy percolation. Based on systematical research, the proportion of global unconventional and conventional hydrocarbon resources is 8︰2, in which the unconventional oil is almost equal to conventional oil, and the unconventional gas is about 8 times conventional gas. In China, the potential of unconventional hydrocarbon resource is very huge, as unconventional oil is about 240×108 t and unconventional gas is about 100×1012 m3. The exploration and exploitation of different types of unconventional hydrocarbon should be done progressively. In recent years, tight gas and tight oil need to realize industrial reserves and productions, and meantime more shale gas industrial pilot areas should be constructed, and shale oil should be quested. In future, an unconventional hydrocarbon industrial system, which will include unconventional petroleum geology,
386 石油勘探与开发・油气勘探Vol. 40 No.4
fine-grains sedimentology, unconventional reservoir geology six geological properties prediction geophysics, large-scale horizontal drilling & fracturing, “factory-like” operation pattern, low cost management & policy subsidy, and talents training, is urgently needed to be established.
Key words:unconventional petroleum geology; molecular geology; unconventional petroleum industrial system; tight oil; tight gas; shale oil; shale gas
0 引言
人类利用能源经历了从木柴向煤炭、煤炭向油气、油气向新能源的3次重大转换。随着世界经济对能源需求的持续增长、国际油价的高位运行和低碳社会的逐渐到来，从传统油气走向新能源的第3次重大变革将成为必然趋势。但在未来相当长时期内，新能源难以担当重任，世界能源正在迈入石油、天然气、煤炭、新能源“四分天下”的发展时代[1-6]。全球未来油气勘探主要有海域深水、陆地深层、非常规油气3大领域，开发利用非常规油气资源将成为必然选择。目前非常规油气产量占总产量的比例已超过10%。但未来非常规油气工业化发展还面临如下10个方面挑战：常规思维遇挑战，需要有非常规哲学思想；传统粗粒沉积学遇挑战，需发展泥页岩、碳酸盐岩与粉细砂岩为核心的细粒沉积学；常规孔隙储集层遇挑战，需发展纳米级孔隙为核心的非常规储集层地质学；常规圈闭成藏理论遇挑战，需发展连续型油气聚集理论为核心的非常规油气地质学；传统地球物理学遇挑战，需发展“六性”评价预测技术；直井钻探技术遇挑战，需发展水平井规模压裂技术；开采方式遇挑战，需发展多井平台式“工厂化”生产；管理方式遇挑战，需建立全过程低成本管理模式；政策引领遇挑战，需建立市场竞争和财税补贴机制；院校教育遇挑战，需大力培养非常规创新型人才等。
笔者在系统调研全球常规、非常规油气理论技术与勘探开发最新进展的基础上，结合岩性地层油气藏等重大科技项目最新研究成果，系统总结非常规油气的基本内涵、主要类型与特征、资源潜力，明确其勘探开发核心技术，指出其勘探开发战略与层次，展望非常规油气地质学发展前景。
1 研究背景
油气资源可分为常规资源、非常规资源两种基本类型，常规-非常规油气“有序聚集、空间共生”，石油工业将形成常规油气和非常规油气两大工业体系，油气工业发展将经历常规油气、常规与非常规油气并重、非常规油气3个阶段，形成完整的石油工业生命周期。自1859年第1口工业油井钻探成功以来，全球油气工业经历了约60年理论技术探索与缓慢发展，1920年油气当量才突破1.0×108 t；20世纪20—50年代，石油地质由油苗露头转入地下，圈闭油气藏理论逐步形成，地震反射波法与旋转钻井技术开始应用，发现一批构造油气藏，1955年全球油气产量升至10.5×108t；20世纪60—90年代，板块构造理论、生油理论、层序地层学等理论不断发展，数字地震、三维地震、喷射钻井等技术不断进步，海上油田随之出现，发现了一批构造、岩性地层大油气田，全球油气产量快速增长，1995年达51.9×108 t；20世纪90年代中期至今，含油气系统、数值模拟、油藏精细表征等技术应用，水平井、多分支井、大位移井等技术发展，地震分辨率不断提高，非常规油气开发利用取得突破性进展，全球油气当量至2011年升至近70×108 t（见图1）[1-7]。
1934年McColough提出的“圈闭学说”是常规油气地质理论形成的重要标志，其指导了常规油气资源的勘探开发[1]；1995年Schmoker等提出的“连续型油气聚集”理论是开启非常规油气理论的里程碑，为非常规油气资源有效开发利用提供了科学依据[1,8-9]。由于油气理论、技术和方法的不断创新，1956年哈伯特提出的石油产量“峰值理论”已被颠覆，世界油气产量高峰从20世纪60年代可能延迟到21世纪30—40年代，石油工业生命周期也很可能会超过300 a[1,10]。从常规向非常规油气跨越的石油科技革命，主要形成了2大地质理论和4大核心技术，即常规油气圈闭成藏理论、非常规油气连续型聚集理论，常规油气直井钻探技术、常规油气地震预测技术、非常规油气水平井规模压裂技术和纳米提高油气采收率技术[1]。
21世纪，在新理论与新技术创新推动下，全球非常规油气勘探开发不断获得重大突破，油砂油、重油、致密气、煤层气等成为非常规油气发展的重点领域，页岩气成为非常规天然气发展的热点方向，致密油成为非常规石油发展的“亮点”类型。非常规油气已成为全球油气供应的重要组成部分，2010年非常规石油产量已占全球石油总产量的3%，非常规天然气产量已占全球天然气总产量的13%以上。全球正在形成美洲的美国和亚洲的中国两大非常规油气战略突破发展区，预测2030年全球非常规油气产量将占总产量的20%以上[1,6]。
中国油气工业发展已进入以常规油气为主的储产
2013年8月 邹才能 等：非常规油气概念、特征、潜力及技术——兼论非常规油气地质学 387
油砂图1 全球油气工业及理论技术发展历程
量连续增长“高峰期”、以常规和非常规油气并重的重大领域战略“突破期”、以非常规油气为主的科技革命创新“黄金期”[1]。石油地质学向常规油气地质学、非常规油气地质学两个方向发展，基础地质理论
研究紧密围绕油气资源潜力与勘探方向，不断突破油气生成最高温度、油气储集最小孔喉、油气聚集最大深度“3个极限”[1]。
2010年已成为中国油气工业正式开启“非常规油气”元年，致密气年产量已占全国天然气总产量的1/4，致密油已在鄂尔多斯、准噶尔等盆地发现5×108～10×108 t 级储量规模区，煤层气初步建成沁水盆地南部、鄂尔多斯盆地东缘两个生产基地，页岩气已在四川南部海相页岩多口井中获工业气流，形成页岩气工业化试验区。非常规油气的突破与发展，已成为中国陆上原油产量稳步增长、天然气产量快速发展的接替资源。未来非常规油气产量将占总产量的30%～40%。
2 非常规油气基本概念与地质特征
2.1 非常规油气基本概念
不同学者对非常规油气描述不同，一般认为非常规油气是指在现有经济技术条件下，不能用传统技术开发的油气资源[10]。有学者通过详细解剖非常规资源的含油气系统，认为非常规资源是“连续的”或“处于盆地中心”，缺乏常规圈闭[11-16]。Harris Cander 于2012
年提出利用黏度-渗透率图版界定非常规油气，即非常规资源是指需通过技术改变岩石渗透率或者流体黏度，使得油气田的渗透率与黏度比值发生变化，从而获得工业产能的资源[17]。石油工程师学会（SPE ）
、美国石油地质师协会（AAPG ）、石油评价工程师学会（SPEE ）、世界石油大会（WPC ）2007年联合发布非常规资源的定义：非常规资源存在于大面积遍布的石油聚集中，不受水动力效应的明显影响，也称为“连续型沉积矿”；认为非常规油气资源与连续型油气概念一致[1,18]。
笔者在系统分析各类非常规油气基本特征的基础上，重新厘定涵盖目前主要观点的非常规油气定义：非常规油气是指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、连续或准连续型聚集的油气资源。非常规油气有两个关键标志和两个关键参数，两个关键标志为：①油气大面积连续分布，圈闭界限不明显；②无自然工业稳定产量，达西渗流不明显。两个关键参数为：①孔隙度小于10%；②孔喉直径小于1 μm 或渗透率小于1×10−3 μm 2。非常规油气主要地质特征表现为源储共生，在盆地中心、斜坡大面积分布，圈闭界限与水动力效应不明显，储量丰度低，主要采用水平井规模压裂技术、平台式“工厂化”生产、纳米技术提高采收率等方式开采。主要类型有致密油和气、页岩油和气、煤层气、重油沥青、天然气水合物等（见图2）。
388 石油勘探与开发・油气勘探Vol. 40 No.4
图2 常规与非常规油气黏度与自然产能鉴别图
非常规油气概念内涵丰富、类型多样，目前对非常规油气还没有统一的划分方案。就聚集方式而言，非常规油气包括准连续型和连续型两大类，其中准连续型油气聚集主要包括碳酸盐岩缝洞油气、火山岩储集层油气、变质岩储集层油气、重油、油砂油等；连续型油气聚集主要包括致密砂岩油和气、页岩油和气、煤层气、天然气水合物等，是非常规油气主要聚集模式。从源储关系可分为源内油气，包括页岩油和气、煤层气；近源油气，包括致密油和气；远源油气，包括重油、油砂油等类型。
2.2 非常规油气地质特征
2.2.1 源储特征
非常规油气的源储关系多数为源储共生，主要包括源储一体型和源储接触型两种类型：源储一体型油气聚集是指烃源岩生成的油气没有排出，滞留于烃源岩层内部形成油气聚集，包括页岩气、页岩油和煤层气等，是烃源岩油气；源储接触型油气聚集是指与烃源岩层系共生的各类致密储集层中聚集的油气，包括致密油和致密气，是近源油气。
从常规圈闭油气藏到常规油气聚集区带，再到非常规油气聚集层系，代表了油气勘探开发对象的变迁。单个圈闭中如果聚集并保存油气则成为油气藏；油气聚集区带是受同一个二级构造带或岩性地层变化带控制的、聚集条件相似的一系列油气田（藏）的总和，强调了油气藏边界的概念和作用；非常规油气聚集层系是储集于大面积源储共生层系纳米级孔喉系统等储集空间中的连续型油气聚集，以及
储集于碳酸盐岩缝洞、火山岩储集层、变质岩储集层等储集空间中的准连续型油气聚集，突破了带状分布和油气藏的理念，无明显“藏”边界。
2.2.2 运聚特征
非常规油气聚集单元是大面积储集层，不存在明显或固定界限的圈闭和盖层。
非常规油气运聚过程中，区域水动力影响较小，水柱压力与浮力在油气运聚过程中的作用局限，以扩散和超压作用等非达西渗流为主，油气水分异差。源储一体型油气主要是滞留聚集，源储接触型油气主要靠渗透扩散。运聚动力为烃源岩排烃压力，运聚阻力为毛细管压力，两者耦合控制油气边界或范围。
非常规油气聚集运移距离一般较短，为初次运移或短距离二次运移，其中煤层气、页岩油气“生-储-盖”三位一体，基本上生烃后原地存储；致密砂岩油气存在一定程度运移，渗滤扩散和超压等是油气运移主要方式，如美国Fort Worth盆地石炭系Barnett页岩既是烃源岩，又是储集层，含气面积达10 360 km2，表现为“连续”聚集特征[19]。
本文提出了不同喉径储集层油气形成机理与聚集类型模式（见图3）。页岩气流动最小孔喉直径为5 nm，以解吸和扩散为主；致密油气喉径下限为50 nm，以扩散-滑脱流、低速非达西流为主，非常规油
气喉径上限为1 000 nm；储集层喉径大于1 000 nm则主要形成常规油气藏，以达西渗流为主。流体流动规律可用公式（1）及表1进行计算：
()l
k lz
l
1
8
r
J b D r p
ρ
μ
⎡⎤
=++∇
⎢⎥
⎣⎦
2
（1）其中：
0.5
l
l
力矩限制器
28π
1断纸机
RT
b
M
p
μ
α
⎛⎞⎛⎞
=−
⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
（2）
0.5
k3
28
π
310
M RT
D
M
RT
⎛⎞
=⎜⎟
×⎝⎠
（3）
lz l l
p p gD G
ρη
=−−（4）2.2.3 储集层特征
本文提出原生孔、次生孔2大类5小类微观孔喉成因分类方案（见表2）。非常规油气聚集储集层主要发育大规模纳米级孔喉系统，如致密砂岩气储集层孔喉直径主要为25～700 nm；致密砂岩油储集层以鄂尔多斯盆地湖盆中心长6油层组为代表，孔喉直径主要为60～800 nm；致密灰岩油储集层以川中侏罗系大安寨段为代表，孔喉直径主要为50～800 nm[16]。
纳米级孔喉系统导致储集层致密、物性差，一般
2013年8月 邹才能 等：非常规油气概念、特征、潜力及技术——兼论非常规油气地质学 389
图3 油气聚集孔喉结构与聚集类型
表1 关键参数取值表
r /μm 流体相态
b D k
η
流动机制 油 0 0 0 达西流 ≥1
气 0 0 0
达西流
油 0 0 1 低速非达西流 0.05～1
气 ≠0
0 0
滑脱流
油 0 0 1 低速非达西流 0.005～0.05
气
≠0
≠0
扩散-滑脱流
孔隙度小于10%、渗透率为10−6×10−3～1×10−3 μm 2，
断裂带发育处伴有微裂缝，储集层物性变好，如鄂尔多斯盆地苏里格地区盒8段（24 282个数据）平均孔隙度为7.34%、渗透率为0.63×10−3 μm 2，山1段平均孔隙度7.04%、渗透率为0.38×10−3 μm 2（8 141个数据）。页岩油气储集层更加致密，孔隙度一般为4%～6%，渗透率小于10−4×10−3 μm 2，处于断裂带或裂缝发育带的页岩储集层渗透率则有所增加。
表2 致密储集层微观孔喉成因分类方案
泥页岩
致密砂岩
致密灰岩
孔隙
成因 孔隙类型 孔隙连通性发育程度 孔隙直径/nm 孔隙连通性发育程度孔隙直径/nm 孔隙连通性 发育程度孔隙直径/nm 粒间微孔 孤立或连通
少量 8～610(230) 孤立或连通
少量 20～250(170)
孤立或连通
少量 30～200(80)
原生 孔
晶间微孔
孤立
少量
60～100(30) 孤立 少量 未见 孤立 少量 未见 有机质微孔 连通或孤立
发育 15～890(200)
标定板粒内微孔 无机矿物微孔 连通或孤立较发育 10～610(270)
连通或孤立
发育 20～4 000(1 000)连通或孤立 发育 50～400(200)粒间溶蚀微孔
连通 较发育 10～4 080(1 200)连通 发育 50～5 000(1 500)连通或孤立 少量 100～400(150)次生 孔
微裂缝 较连通或 较孤立
少量
50～1 800(600)
较连通或孤立
较发育
30～570(430)
较连通或 孤立
少量
100～350(300)
实例
四川盆地须家河组及志留系，
鄂尔多斯盆地延长组 四川盆地须家河组， 鄂尔多斯盆地延长组
四川盆地侏罗系
注：括号内数值为平均值
2.2.4 分布特征
非常规油气主要分布在源内或近源的盆地中心、斜坡等负向构造单元，大面积“连续”或“准连续”分布，局部富集，突破了传统二级构造带控制油气分布概念，有效勘探范围可扩展至全盆地，油气具有大面积分布、丰度不均一特征。源储一体或储集体大范围连续分布、圈闭无形或隐形决定了非常规油气大面积连续分布，油气聚集边界不显著，易形成大油气区或区域层系。如页岩油气自生自储，没有明确圈闭界限与气水界面[13-15]。源储直接接触的盆地中心及斜坡区油气聚集，空间分布具有“连续性”，如鄂尔多斯盆
地三叠系致密油和上古生界致密气平面上连续分布。
非常规油气连续型聚集主要取决于优质烃源岩层、大面积储集层、源储共生3个关键要素。 2.2.5 流动特征
一般无自然工业产量、非达西渗流是非常规油气聚集的典型特征之一。以致密砂岩为例，渗流机理受孔渗条件和含水饱和度控制，存在达西流和非达西流双重渗流机理，广泛存在非达西渗流现象。致密油气具有滞流、非线性流、拟线性流3段式流动机理。碳 酸盐岩中连通的缝洞体、致密砂岩中的溶蚀相带或裂缝带是油气富集的“甜点区”。
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