非常规油气有关概念_分类及资源潜力_赵靖舟

综述与评述
收稿日期:2012-04-20;修回日期:2012-05-
27.基金项目:国家大型油气田与煤层气开发项目(编号:2008ZX05007-
05)资助.作者简介:赵靖舟(1962-),男,陕西临潼人,教授,博士,主要从事油气成藏地质学、非常规油气地质与勘探研究.E-mail:j
zzhao@xsyu.edu.cn.非常规油气有关概念、分类及资源潜力
赵靖舟
(西安石油大学地球科学与工程学院,陕西西安710065
)摘要:尽管非常规油气的勘探开发已引起广泛重视,但对其概念的理解目前还存在一定差异,对其分类也未见有系统讨论。根据对非常规油气地质及开采特征的分析,
将非常规油气定义为在油气藏特征与成藏机理方面有别于常规油气藏、采用传统开采技术通常不能获得经济产量的油气矿藏。非常规油气的内涵比连续油气聚集的含义广,后者是非常规油气资源中重要的组
成部分,但不是全部。系统的分类研究表明,非常规油气可按其赋存相态分为气、液、固3类;按储层类型分为致密油气、页岩油气和煤层气;按油气分布特点或圈闭特征分为连续型、准连续型和不连续型;按源—储关系分为源内型和源外型;按成因分为原生型和次生型。初步分析认为,我国非常规石油原地资源量估计在720
×108t左右,可采资源量约为210×108
t(不包括致密油和页岩油),与常规石油资源量大体相当;非常规天然气原地资源量可能在320×1012 m3
左右,其中仅致密气、煤层气和页岩气3种主要非常规天然气的原地资源量可能高达175×1012 m3左右,可采资源量估计在70×1012 m3
左右,
相当于常规天然气可采资源量的3~4倍。另外,根据油气资源形成条件与成藏特征,提出了新的资源三角图的概念,将油气资源分为不连续的常规油气、准连续的致密油气和连续型聚集的源内油气3级,据此预测在致密储层发育的含油气盆地,
利福平注射液致密油气的资源量虽可能小于页岩油气和煤层气等烃源岩层内聚集的油气资源数量,但可能大于常规
油气的资源量。由于致密油气资源潜力大,储层条件相对好于其他非常规油气,因此建议我国非常规油气的勘探开发首先应以致密油气为主攻目标,其次应加强煤层气的勘探开发,同时积极开展页岩气资源潜力评价与先导试验研究。关键词:非常规油气;概念;分类;资源潜力;勘探对策
中图分类号:TE132   文献标志码:A   文章编号:1672-1926(2012)03-0393-
14引用格式:Zhao Jingzhou.Conception,classification and resource potential of unconventional hy-drocarbons[J].Natural Gas Geoscience,2012,23(3):393-
406.[赵靖舟.非常规油气有关概念、分类及资源潜力[J].天然气地球科学,2012,23(3):393-
406.]0 引言
构建什么一体随着常规油气勘探开发难度的不断加大,非常规油气资源已日益引起全世界的高度重视。可以说,非常规油气是世界油气工业发展的必然趋势、必由之路和必然选择。事实上,从勘探角度看,世界油气
工业已悄然进入常规与非常规油气并重的时代,且非常规油气在世界油气工业中所占的比重越来越大。特别是美国,2009年以来非常规天然气产量已占到其国内天然气总产量的50%以上。我国非常
规油气资源亦十分丰富,近年来非常规油气的勘探开发也越来越受到政府和企业的重视。
然而,目前对非常规油气的概念理解还存在一定差异,认识的角度也不完全相同,有的主要从经济性角度对非常规油气进行界定,有的按照人为的基质渗透率界限或特殊的政策地位进行界定,有的主要从开采技术要求角度进行界定,有的则主要从地质特征和勘探的角度进行界定,还有的依据可到达的难易程度(如极地或深水区)进行界定,如北美一些学者将深水区油气和北极的油气也称为非常规油气,等等。
第23卷第3期2012年6月天然气地球科学
NATURAL GAS GEOSCIENCE
Vol.23No.3
Jun. 2
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概念理解上的差异,导致对于有些油气藏究竟是常规还是非常规油气,认识上还不是很一致(典型的如一些低渗透砂岩或致密砂岩油气藏),进而导致在成藏规律研究上必然采用不同的研究思路,在勘探开发部署和技术方面也必然采取不同的对策。
另外,20世纪90年代以来,还提出了与非常规油气概念相近的“连续型油气聚集”的概念,其与非常规油气的概念有何异同,二者之间是何关系,以往论述的也不是十分清晰。
另一方面,目前对非常规油气资源的分类少有探讨。这些,都在一定程度上影响到了非常规油气勘探开发工作的进一步深化。
由于非常规油气无论是在地质研究和评价思路上,还是在勘探开发技术上都与常规油气存在显著差异,因此,探讨非常规油气的概念与分类对于这类油气资源的勘探开发十分必要和重要。
1 非常规油气及其相关概念
1.1 非常规油气的概念
对非常规油气的内涵,目前主要存在以下4种理解:
1.1.1 经济概念
美国早期区分常规油气和非常规油气的主要依据就是油气资源的经济性。如在20世纪70年代的早中期,美国大多数勘探地质学家将次经济和经济边缘的煤层气、页岩气、致密(低渗透)气看作非常规天然气。但自20世纪70年代后期开始,由于气价上升及联邦政府对这类油气资源研究的投资,上述天然气已变为经济上可行的资源,因而一些勘探公司已不再将其作为非常规天然气看待。
1.1.2 开发概念
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从开采角度对非常规油气界定是目前使用较为广泛的一种概念。Etherington等[1]就指出非常规油气藏是指未经大型增产措施或特殊开采过程而不能获得经济产量的油气藏。Holditch等[2]将非常规天然气定义为“除非采用大型压裂、水平井或多分支井或其他一些使储层能够更多暴露于井筒的技术,否则不能获得经济产量或经济数量的天然气”。1.1.3 地质概念
Law等[3]认为,常规天然气与非常规天然气在地质上存在根本性差异:常规天然气是浮力驱动形成的矿藏,其分布表现为受构造圈闭或岩性圈闭控制的不连续分布形式;而非常规天然气则是非浮力驱动形成的矿藏,其分布表现为不受构造圈闭或岩性圈闭控制的区域性连续分布形式。
加拿大非常规天然气学会(CSUG)对非常规天然气的定义是指:产自工业界称为非常规储层(Un-conventional Reservoirs)的天然气,而非常规储层通常指的是那些质量差且需要采用加强的完井技术才能在商业上获得成功的井的储层[4]。
Dawson[4]认为,常规储层与非常规储层主要有以下不同:
常规储层:是天然气的储存器;天然气生成于异地(源岩),然后运移至潜在储层中;天然气聚集需要有圈闭存在,圈闭可以是构造的或地层的。
非常规储层(不包括致密气和碳酸盐岩):既是源岩又是储层;天然气原地生成(存在些许运移);不一定需要圈闭,但一般需要盖层;天然气因压力或储层低渗透性而被保持在储层中。
1.1.4 综合概念
以上有关非常规油气的概念主要都是从某个单一角度给出的。事实上,非常规油气与常规油气的区别往往是多方面的,因此从综合的角度对非常规油气进行界定就很有必要。Singh等[5]、Old等[6]、Martin等[7]、Cheng等[8]将非常规油气资源定义为由于特殊的储层岩石性质(基质渗透率低,存在天然裂缝)、特殊的充注(自生自储岩石中的吸附气,甲烷水合物)以及/或者特殊的流体性质(高黏度),而只有采用先进技术、大型增产处理措施和/或特殊的回收加工才能获得经济开发的油气聚集。Vidas等[9]认为非常规天然气资源可定义为资源丰度较低、分布较分散、需要采取增产措施或应用其他技术才能进行生产的天然气资源。邹才能等[10]指出,非常规油气是现今无法用常规方法和技术手段进行经济性勘探开发的资源,其特点是资源规模大、储层物性差,一般孔隙度小于10%,渗透率小于1×10-3μm2。
对非常规油气与常规油气的全面对比分析表明,非常规油气与常规油气存在地质特征、勘探开采技术要求以及经济性等多方面的区别。据此,本文将非常规油气定义为:在油气藏特征与成藏机理方面有别于常规油气藏、采用传统开采技术通常不能获得经济产量的油气藏。按照定义,非常规油气包括致密油气、页岩油气、煤层气、天然气水合物、水溶气、重油(超重油)、天然沥青(油砂)、油页岩等。其中致密油气属于储层条件较常规油气储层条件差的一类;页岩油气、煤层气不仅储层条件较差,而且油气在储层中的赋存方式也不同于常规油气;天然气水合物、水溶气、油页岩则属于油气赋存方式与常规
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油气不同的一类;而重油(超重油)、天然沥青(油砂)属于油气品质较差的一类。无论是哪种类型的非常规油气,其共同特征是在成藏机理与开采方式要求上有别于常规油气。除上述类型外,也有人将浅层生物气归于非常规天然气。
由上述各种定义可以看出,非常规油气是一个动态的、且有着一定人为性的概念。特别是从经济角度或开采技术角度对非常规油气的界定,更具有动态性质。随着时间的推移,油气价格的上涨或者勘探开发技术的进步,原来被看作是非常规的油气可转变为常规油气。
1.2 连续型与准连续型油气聚集的概念1.2.1 连续型聚集
为了给出一个不受人为理解或技术进步等影响的客观的概念,基于资源评价的需要,20世纪90年代以来,美国地质调查局(USGS)从非常规油气的地质和生产特征分析角度提出了“连续油气聚集”(Continuous Accumulation)的概念[11-16],其类型包括煤层气、“致密”气、盆地中心气、裂缝页岩和白垩中的油和气、气水合物、浅层生物气。Schmok-er[13,16-17]指出:连续聚集是指空间分布范围大、无清晰边界的油气聚集,且其或多或少不依赖于水柱而存在,他认为连续聚集与常规聚集的区别在于,常规油气聚集是由于油或气在水中的浮力而造成在局部构造或地层圈闭中聚集起来形成的不连续分布的油气田或油气藏,而连续型油气聚集具有两大共同特征,即①由普遍有油或气充注的巨大体积的岩石体构成;②不依赖于油或气在水中的浮力而存在。
连续油气聚集的地质特征一般为:分布于饱和水的岩石下倾方、缺乏明显的圈闭和盖层、油或气普遍性的充注、广大的分布范围、低基质渗透率、异常压力(高或低)及与源岩紧密联系;其生产特征通
常是:原地油气数量大、采收率低、缺乏真正意义上的干井、依赖于裂缝渗透率以及聚集中一般具有良好生产特征的“甜点”[11,17]。
美国地质调查局全国油气资源评价团队负责人Schenk[18]在埃及开罗于2002年召开的AAPG国际会议上发表的论文中指出,按照地质标准,连续天然气聚集具有以下16个主要特征:区域性分布;具有扩散性边界;先存各“油气田”合并为单个的区域性聚集;无明显的圈闭和盖层;无明确的油水或气水界面;烃类侵位非由水动力引起;通常具有异常地层压力;资源量巨大、采收率很低;地质控制的“甜点”;产自由水很少(煤层气除外);地层水一般位于油气的上倾方向;真正的干井很少;储层一般邻近源岩;油井或气井最终采出量低于常规气藏;储层基质渗透率很低;储层普遍发育天然裂缝。2005年在AAPG Hedberg会议上,Schenk[19]又将这些特征进一步扩展到连续油和气聚集(而不仅是连续气聚集)范畴,认为一个连续油或气聚集可能具有全部或其中部分特征。儒家思想与现代企业管理
SPE/AAPG/WPC/SPEE[20]将“连续型矿藏(Continuous-type Deposit)”定义为:遍布于广大地区的并且不受水动力显著影响的油气聚集。认为这类矿藏包括:“盆地中心”气、页岩气、气水合物、天然沥青、油页岩。可见,SPE/AAPG/WPC/SPEE似乎将连续型聚集与非常规油气在概念上等同对待,这与美国地质调查局的理解存在差异。
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在我国,邹才能等[21-23]率先引进了连续型油气藏的概念,认为“连续型”油气藏是指低孔渗储集体系中油气运聚条件相似、含流体饱和度不均的非圈闭油气藏,提出“连续型”油气藏的基本内涵是:在大范围非常规储集体系中,油气连续分布的非常规圈闭油气藏,与传统意义的单一闭合圈闭油气藏有本质区别。“连续型”强调油气分布连续或准连续;“油气藏”指油气聚集场所,也可称连续型油气“场”,主要发育于非常规储集体系之中,缺乏明显圈闭界限,无统一油气水界面和压力系统,含油气饱和度差异大,油气水常多相共存,与常规圈闭油气藏的形成机理、分布特征、技术方法等有显著不同,其中大规模储层普遍含气、浮力不是成藏主要动力是连续型气藏最关键的2个特征。随后,赵靖舟等[24]、陶士振等[25]也讨论了连续型聚集的特征。
值得指出的是,无论是Schmoker[13,16]还是Schenk[18-19]都指出“无明显的圈闭和盖层”是连续型油气聚集的一个重要特征,这主要是基于对北美油气地质特征的分析得出的,而对于形成地质条件十分复杂,尤其是晚近期构造改造十分强烈的中国此类油气藏的形成来说,盖层的作用往往不能忽视。另外,他们也都把地层水位于油气上倾方向作为连续型油气聚集的重要特征之一。事实上,上述作者所称的连续型油气藏并非都无明显的圈闭,也并不都具有地层水与油气倒置分布的特征。如页岩气与煤层气就是典型的连续型气藏,无明显的圈闭,而致密砂岩油气则可能有所不同。而且,即使是页岩气和煤层气那种典型的连续型油气聚集,其所谓的“无明显圈闭”只能说是没有明显的如构造圈闭、岩性圈闭那种常规的有形的圈闭,但其可能存在某种无形
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 No.3          赵靖舟:非常规油气有关概念、分类及资源潜力           
的特殊的圈闭类型,如“动力圈闭”。“动力圈闭”是李明诚等[26]针对低渗透致密储层油气藏形成所提出的一种新的圈闭类型,认为“动力圈闭”是油气被超压充注到低渗透致密储层中最重要的一种成藏作用,也是在低渗透致密储层中能滞留油气聚集成藏的一个三维空间。尽管他们所称的“动力圈闭”是针对超压对致密油气的成藏而言的,但笔者认为“动力圈闭”的概念实际上可扩展到除超压外由吸附作用、扩散作用等其他动力所产生的成藏范畴,如煤层气和部分页岩气的圈闭可以说就是一种主要由吸附作用力而产生的动力圈闭,其发生需要一定的埋深(压力)条件。煤层气富集还需要特定的水动力条件[27]。因此,动力圈闭又可定义为由各种运移成藏动力所限定的油气聚集范围。由于动力圈闭的范围取决于油气运移聚集的动力与运移阻力的相对大小,因此这种圈闭不像常规圈闭那样具有明确的物理形态和范围,而是一种无形或隐形的特殊圈闭。1.2.2 准连续型聚集
分析表明,非常规油气的内涵比“连续油气聚集”或“连续型油气矿藏”的含义要广,后者是非常规油气资
源的重要组成部分,但不是全部。非常规油气还包括重油、油砂等,它们不一定是连续型的。另外,即使是同一种非常规资源,也既可以是连续的或准连续的,又可以是不连续的,典型实例如致密砂岩油气。
事实上,致密储层的油气,包括致密砂岩和致密碳酸盐岩油气,往往既非典型的连续型非常规油气聚集(如煤层气、页岩气),又非典型的不连续型常规油气聚集,而是介于连续的非常规油气藏与不连续的常规油气藏之间的一种过渡类型,本文称为准连续型油气聚集。所谓准连续型油气聚集是指油气聚集受非常规圈闭控制、油气大面积准连续分布、无明确油/气藏边界的致密油气聚集。这里所说的非常规圈闭是指介于常规油气藏那种“有”圈闭与典型连续型非常规油气藏那种“无”圈闭之间的一种过渡类型圈闭,或者说是介于有形的常规圈闭与无形的非常规圈闭之间的一种过渡类型圈闭。对致密油气聚集而言,常见的非常规圈闭主要是非常规的岩性圈闭与动力圈闭。所谓非常规岩性圈闭是指由许多在横向上彼此相邻、纵向上相互叠置的中小型岩性圈闭构成的大面积分布的圈闭。与常规岩性圈闭相比,非常规岩性圈闭的主要特点是数量众多,且彼此邻近,缺乏明确的边界;而常规岩性圈闭往往孤立分散分布,界限相对明确。除了非常规岩性圈闭外,油气运移聚集动力对准连续型致密油气藏的形成和分布也具有重要控制作用,其所决定的油气运移聚集范围就是动力圈闭的范围。准连续型油气藏就是在非常规岩性圈闭、动力圈闭等非常规圈闭控制下形成的一种与连续型油气藏相类似的油气聚集。与典型连续型非常规油气藏(煤层气、页岩气)不同的是:准连续型油气藏油气呈准连续分布、
源外成藏、近源聚集、圈闭介于有形与无形之间,而连续型油气藏油气呈连续分布、源内成藏、自生自储及无明显圈闭。1.3 致密油气的概念
在非常规油气的种类中,页岩气、煤层气等多数类别的概念是比较清楚的,唯独致密油气的概念还存在理解上的偏差。
1.3.1 致密气(Tight Gas)
目前,国内外对致密气藏的定义还不完全统一,称谓也存在差异。如在美国,这类气藏又常被称为低渗透气藏。对致密气藏的最早界定应属美国联邦能源管理委员会(FERC)1978年根据美国天然气政策法案的规定,将致密气的标准确定为原地储集层渗透率小于0.1×10-3μm2。此后,Spencer[28-29]等许多研究者都将0.1×10-3μm2作为致密砂岩储层的渗透率上限。Spencer[28-29]还将天然气储层分为致密气储层(原地渗透率一般在0.1×10-3μm2以下)、近致密储层(原地渗透率在(0.1~1.0)×10-3μm2之间)及常规储层(原地渗透率大于1×10-3μm2)3类。Kazemi[30]则将气体渗透率小于1×10-3μm2的含气储层称为低渗透或致密气储层,而将气体渗透率大于1×10-3μm2的天然气称为常规气。Nehring[31]指出目前普遍的看法认为,致密砂岩气的渗透率小于1×10-3μm2,但也有将储层渗透率在(1~5)×10-3μm2之间或在(1~10)×10-3μm2之间的天然气同样视为致密气。
然而,亦有研究者认为,仅仅依据渗透率对致密砂岩进行界定是不恰当的,从而提出了不同的定义。如Holditch[32]认为,致密气储层最好被定义为“除非经过大型水力压裂或者采用水平井或多分支井技术,否则既不能获得经济产量又不能获得经济数量的天然气储层”。加拿大非常规天然气协会Dixon等[33]将致密气定义为“在区域性弥漫式分布的连续天然气聚集中,以游离气形式储集于碎屑岩和碳酸盐岩储层孔隙中的所有天然气资源”。
在我国,致密砂岩储层的概念自20世纪80年代开始出现,但90年代开始有了较明确的界定,并引起较多关注和研究。袁政文等[34]、许化政[35]较早
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使用了这一概念,他们将地面渗透率小于1×10-3μm2、孔隙度小于12%的储层界定为致密储层。1998年,中华人民共和国石油天然气行业标准《油气储层评价方法》[36]将低渗透含气砂岩储层分为低渗透[孔隙度为10%~15%、渗透率为(0.1~10)×10-3μm2]和特
低渗透(孔隙度小于10%、渗透率小于0.1×10-3μm2)储层两大类。胡文瑞[37]倾向于将致密气藏与低渗透气藏相等同,他给低渗透气藏的定义是指常规开采方式难以有效规模开发的气藏,其渗透率小于5×10-3μm2、孔隙度小于8%。邹才能等[38]根据国内外研究成果提出致密砂岩气是指孔隙度小于10%、原地渗透率小于0.1×10-3μm2或绝对渗透率小于1×10-3μm2、孔喉半径小于1μm、含气饱和度小于60%的砂岩中储集的天然气,一般无自然工业产量,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。
根据对国内外大量致密气储层调研结果,结合对致密气藏成藏研究认识,笔者认为致密气藏可定义为储层致密、只有经过大型压裂改造等措施才可以获得经济产量的烃源岩外气藏,其绝对渗透率一般小于1×10-3μm2。致密气藏主要包括致密砂岩气藏和致密碳酸盐岩气藏。
1.3.2 致密油(Tight Oil)
目前国内外有关致密油藏的研究相对较少,对致密油藏的界定同样缺乏讨论。李道品[39]、赵靖舟等[40]将平均渗透率为(1.0~0.1)×10-3μm2的油层称为超低渗透油田,将渗透率小于0.1×10-3μm2的储层称为致密层。最近,胡文瑞[37]提出了一个新的低渗透储层划分标准,将渗透率为(10~1.0)×10-3μm2的储层称为一般低渗透储层,渗透率为(1.0~0.5)×10-3μm2的储层称为特低渗透储层,渗透率在0.5×10-3μm2以下的储层称为超低渗透储层。
根据对国内外致密油储层调研结果,结合对致密油藏的成藏研究认识,本文将致密油藏定义为储层致密、只有经过大型压裂改造等特殊措施才可以获得经济产量的烃源岩外油藏,其储层绝对渗透率约小于2×10-3μm2(有关该界限的依据另文详细讨论)。同致密气藏一样,致密油藏也主要包括致密砂岩油藏和致密碳酸盐岩油藏两大类型。
1.3.3 致密油气(Tight Hydrocarbon)
前面分别讨论了致密气和致密油的概念,据此可将致密油气定义为储层致密、只有采用非传统开采技术才可以获得经济产量的烃源岩外油气聚集,
其储层绝对渗透率一般小于1×10-3μm2(致密气储层)或小于2×10-3μm2(致密油储层)。
以上关于致密油气的概念之所以强调其为烃源岩外聚集,是为了与页岩油气以及煤层气相区别,原因是后者的储层也是致密的,但其为烃源岩内成藏。另外,本文所给出的致密油气储层的渗透率上限主要是基于对国内外大量有关油气藏储层调研的统计性结果,且只是一个大致的界限,并不具有绝对的意义,具体的界限取决于对致密油藏界定的出发点或着重考虑的因素所在(经济因素、开发因素抑或是地质因素)。
按照新的致密储层的渗透率标准,低渗透储层的概念和划分标准就有必要重新确定。根据成藏特征、开采技术要求等综合分析,参考国内外以往对低渗透储层的划分意见,笔者建议将油气储层按渗透率分为三大类:致密储层,渗透率一般小于1.0×10-3μm2(致密气储层)或小于2.0×10-3μm2(致密油储层);低渗透储层,渗透率一般为(1.0~10)×10-3μm2(致密气储层)或约为(2.0~10)×10-3μm2(致密油储层);常规储层,渗透率大于10×10-3μm2。
需要指出的是,按照以上定义,致密油气的概念包括了我国以往所称的超低渗透油气以及一些研究者所称的特低渗透、低渗透或低孔渗油气或其中的部分。本文之所以将其称为致密油气而非低渗透或超低渗透油气,一方面是由于这类油气按照国际惯例被称为致密油气,另一方面是因为致密油气已被公认为非常规油气,其在油气藏特征、成藏机理及勘探开发技术和对策上明显有别于常规油气。而“低渗透”、“特低渗透”或“超低渗透”的称谓范围则较宽、或者内涵不清,尤其是未充分体现出与常规油气的本质区别。事实上,正是由于以往未充分意识到这类低渗透或超低渗透油气的非常规性质,而在很大程度上仍将其作为常规油气藏看待,特别是在地质研究思路甚至在勘探技术对策方面主要仍采用常规油气的做法,从而造成这类油气藏在我国有关盆地的勘探开发过程中一度陷入困境。因此,建议今后将这类油气按照国际惯例称为致密油气,以便于在成藏规律研究和勘探开发上采取更加适用的方法和对策。
2 非常规油气分类
非常规油气可从以下5个方面分为不同的类型(表1)。
 No.3          赵靖舟:非常规油气有关概念、分类及资源潜力           

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