石油圈
進入21世紀，以美國非常規油氣、加拿大油砂、委內瑞拉重油為代表，全球非常規油氣勘探開發取得了一系列突破性進展，已成為全球油氣生產的重要組成部分。借鑒國外經驗，大力發展中國非常規油氣成為必然的戰略選擇和必由之路。中國進入了常規與非常規油氣并重的勘探開發新時代，地質開發理論進入了非常規油氣創新的“黃金期”。隨著研究與勘探開發實踐的快速推進，非常規油氣將逐步成為中國油氣生產的重要組成部分，為國民經濟的發展提供重要保障。
2.2細粒沉積學研究進展
細粒沉積學是研究細粒沉積巖的物質成分、結構構造、分類和成因，以及沉積過程與分布模式的學科。細粒沉積學以細粒沉積物巖石學特征、成因機理、分布模式為主要研究內容，以細粒沉積物儲層分析方法（場發射掃描電鏡、納米CT、QEMSCAN、XRD）、細粒沉積物沉積環境物理模擬技術、細粒沉積物沉積氣候恢復技術為主要研究方法，旨在明確細粒沉積巖巖石學特征，揭示分布規律與主控因素，建立成因模式，指導巖相—沉積相—有機相工業編圖，推動致密油、頁巖油發展。
2.2.1陸相湖盆大型淺水三角洲成因機理與分布
淺水三角洲的概念最早由Fisk提出，Donaldon等在研究石炭紀陸表海時發現水深是一個重要控制因素，并進一步總結了淺水三角洲的特征。國內外根據已有的三角洲類型與模式分析，劃分為一種較新的類型?淺水三角洲，在地形平緩、整體沉降緩慢的塌陷盆地或穩定克拉通盆地背景下河流注入淺水湖盆時易形成此類三角洲。淺水三角洲沉積總體發育于較淺水湖泊中，沉積特征不同于一般三角洲，以河流作用為主，三角洲平原及前緣水下分流河道比較發育，前緣亞相中河口壩及遠砂壩不發育，有別于正常的河流三角洲沉積及具陡坡帶的經典湖泊三角洲沉積。
淺水三角洲在我國現代湖盆內極為發育，特別是潮溫氣候環境下的淺水三角洲沉積特征更是明顯。潮濕背景下，敞流型湖盆是淺水三角洲河道發育的主要因素（四川盆地須家河組），明顯區別于閉流型湖盆；干旱背景下，河水主要以地表蒸發、植被淌耗等泄水（松遼盆地登委庫組）。對都陽湖-贛江淺水三角洲現代沉積考察，通過解析淺水三角洲基本特征、洪水期和枯水期淺水三角洲發育特征與微相構成和淺水三角洲探地雷達響應，發現敞流淺水湖盆中心發育牽引流河道砂體，三角洲砂體分布面積占湖盆面積60%以上；26組水槽物理模擬實驗表明，敞流淺水三角洲分流河道面積占60%以上，河口壩可達40%，儲集體發育。
2.2.2?陸相湖盆砂質碎屑流成因機理與分布
砂質碎屑流由Hampton引入，Shanmugam等美國學者在365m的露頭觀察與4650m巖心分析的基礎上完善砂質碎屑流概念。他認為濁流沉積在深水沉積物中所占比例較小，絕大部分為砂質碎屑流與底流改造沉積物。砂質碎屑流代表在粘性與非粘性碎屑流之間的連續作用過程，從流變學的特征看屬于賓漢塑性流體，具有分散壓力、基質強度和浮力等多種支撐機制。流體濃度較高，泥質含量低到中等，顆粒沉積時表現為整體固結。沉積盆地中，濁流可以延伸盆地平原，砂質碎屑流往往在盆地斜坡部位沉積下來。
陸相盆地深水重力流砂體的各項研究可參照海洋深水扇研究成果，但仍需考慮陸相湖盆沉積特色。按斜坡類型、水位高低、流量大小等進行22組水槽實驗，表明砂質碎屑流分布在坡折帶的下斜坡；通過對鄂爾多斯盆地湖盆中心長6等典型地區解剖，發現發育大套深水砂巖，側向具一定連續性，垂向累積厚度較大，砂質碎屑流的朵體發育于三角洲緣的坡折帶下，縱向延伸不遠但橫向疊置連片，是湖盆斜坡與中心部位最有利的目標區，指導了沉積相編圖與勘探部署。
陸相深水砂質碎屑流理論的總結，是對現行經典濁流理論的部分否定與補充。在許多深水盆地中，運用濁流的鮑馬序列、扇模式等不能夠完全解釋所有的深水重力流，更多深水砂體是砂質碎屑流的產物。新的沉積模式可以使我們對陸相湖盆斜坡和深水區有不一樣的視角，提出新的目標區，對勘探部署有一定的指導作用，預測砂質碎屑流在我國松遼、渤海灣、四川等陸相湖盆中是廣泛分布與存在的。
2.2.3細粒沉積研究進展
隨著致密油氣、頁巖油氣勘探開發的不斷推進，細粒沉積學已成為國內外學者研究的前沿。與砂礫巖等粗粒沉積巖相比，泥頁巖等細粒沉積巖研究程度總體較低，目前還缺乏系統性與完整性。本文結合近期四川龍馬摸組頁巖等研究、鄂爾多斯延長組頁巖，簡要論述海陸相細粒沉積研究進展。
中國海相富有機質頁巖發育在前古生代、早古生代和中生代，分布于華北、南方、塔里木和青藏4個地區。古生代是中國海相富有機質頁巖發育的最主要時期，形成了多套海相富有機質頁巖，其中以寒武紀和志留紀頁巖最為典型，本文以四川盆地為例闡述（表2）。
表2.蜀南地區與焦石壩刻度區主要地質參數對比表
早寒武世和早志留世兩個時期，全球海平面快速上升，四川盆地整體為克拉通背景上的半深水-深水陸棚，與北美主要產氣頁巖具有相似的沉積環境。筇竹寺組巖性以黑色頁巖及深灰色含砂質頁巖為主，下部為深灰二黑色炭質頁巖及深灰色、灰色粉砂質頁巖和粉砂巖，向上顏色逐漸變淺，為灰、灰綠色含鈣質細砂巖、粉砂巖，富有機質頁巖（TOC>2%）集中段主要為結竹寺組底部的黑色頁巖段。緯竹寺組頁巖厚度受繼承性發育的“德陽—安岳”古裂陷槽控制，厚度一般為300~450m，黑色頁巖厚度可達140~160m（圖3），富有機質頁巖（TOC>2%）厚度一般為20~80m，其中高石梯地區最厚可達100m。志留紀頁巖以早志留世龍馬模組頁巖發育最好，分布于整個揚子地臺區。
圖3.四川盆地下寒武統筇竹寺組黑色頁巖等厚圖
根據巖性組合、沉積構造、古生物、礦物成分、測井相應以及有機地球化學特征，將龍馬摸組頁巖劃分為深水陸棚、半深水陸棚、淺水陸棚3種亞相（圖4）。
圖4.四川盆地下志留統龍馬溪組沉積相模式
龍馬溪組沉積早期，海水流動不暢，為弱還原—還原環境，沉積了一套黑色富有機質頁巖，筆石富集。該套沉積在整個上揚子地區發育穩定，在川南—黔北—川東為水體較深的海灣沉積環境，其中川南—黔北地區為含鈣質深水陸棚區（鈣質一般10%?25%)，川東—川東北地區主體為泥質深水陸棚（鈣質＜5%）。龍馬提組下部富有機質頁巖即受控于深水陸棚沉積體系。龍馬溪組下部由深灰—黑色硅質頁巖、炭質頁巖、鈣質頁巖、筆石頁巖夾生物碎屑灰巖組成，上部為灰綠、黃綠色頁巖及砂質頁巖夾粉砂巖及泥灰巖。龍馬溪組因加里東運動抬升遭受區域性剝蝕在盆地西南部缺失，圍繞樂山—龍女寺古隆起向南、東部逐漸增厚，地層最厚400~600m，龍馬摸組富有機質頁巖(TOC>2%）集中段主要發育于底部，厚度分布與地層厚度趨勢大體一致，一般在20~100m，其中宜賓-瀘州-榮昌一帶厚度最大為120m，清陵地區厚度為38~45m，長寧地區厚20~40m（圖5）。
圖5.四川盆地下志留統龍馬溪組富有機質頁巖等厚圖
下古生界海相頁巖氣區產層為上奧陶統一下志留統五峰—龍馬模組（圖6）和下寒武統筇竹寺組（圖7）底部黑色頁巖，巖性以海相富有機質黑色頁巖為主，厚度20~100m，TOC含量為1.7%~8.3%，R0為2.0%~3.6%，孔隙度為1.5%~8.2%，滲透率11nD~0.25mD，含氣量為1.46~6.5m3／t，壓力系數1.0~2.2，埋藏深度1500~5000m，平均3000m。兩套海相頁巖氣中以游離氣為主，占60%~70%，不含液態烴。氣體組分以甲烷為主，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轉特征，與北美典型熱成因頁巖氣特征相似（表3）。
圖6.四川盆地志留系龍馬溪組巖性綜合柱狀圖
圖7.四川盆地寒武系筇竹寺組巖性綜合柱狀圖
表3.四川盆地古生界海相頁巖氣特征與美國海相頁巖氣對比
中國陸相細位沉積類型多，時代跨度大，主要形成于中—新生代的陸相裂谷盆地、、坳陷盆地。陸相細粒沉積主要發育于湖泊沉積環境，由于水體、氣候、物源的頻繁變化，陸相細粒沉積厚度大但非均質性強。中國陸相頁巖油與粉砂質致密油，源巖與儲層均屬于細粒沉積巖。源巖以陸相半深湖—深湖相富有機質頁巖以I型和ⅡA型干酷根為主，成熟度普遍偏低，R0一般為0.7%~1.3%，處于生成偏輕的石油階段，頁巖有機質豐度較高（TOC一般在2.0%以上，最高可達40%），是陸相頁巖油與致密油重要的烴源巖類型。儲層多形成于三角洲前緣—前三角洲—深湖—半探湖等細粒沉積環境，而有別于常規油氣儲層形成的沖積扇—河流—三角洲平原等粗粒級沉積環境（圖8）。
圖8.陸相粗一細粒沉積模式圖
如鄂爾多斯盆地晚三疊世延長組沉積期，形成了面積大、水域寬的大型內陸淡水湖盆。湖泊相在延長組長7油層組沉積期達到鼎盛，形成了以油頁巖、頁巖、暗色泥巖為主的大套細粒沉積，面積達5×104km2。三疊系延長組長7油層組富有機質頁巖的沉積模式以湖侵—水體分層模式為主，“沉積相帶、水體深度、缺氧環境、湖流”是富有機質頁巖分布的主控因素。因此，開展中國陸相頁巖油與粉砂質致密油源儲細粒沉積巖沉積機理與分布模式研究，創新和建立“細粒沉積學”，將為明確細粒致密儲層、富有機質頁巖分布預測、有利沉積相帶和富集區優選提供科學基礎依據。
2.3非常規儲層地質學研究進展
非常規油氣儲層地質學是一門研究非常規儲層類型、形成機理、儲集性能、分布特征、評價方法與預測技術的新興油氣地質學科。非常規油氣儲層地質學研究的核心是“微納米孔隙系統”，重點研究儲集空間類型、尺寸、連通性，建立儲集性能與儲集體規模關系，評價“儲油氣能力”，勘探尋找有利儲層分布區，開發尋找效益儲層開發區。微納米孔喉系統精細表征技術、非常規儲層孔隙演化物理模擬技術、非常規儲層數值模擬技術、非常規儲層測井解釋技術、非常規儲層地球物理預測技術等是主要的研究方法。
國外針對非常規儲層儲集空間微觀表征和成因分析，近年取得很大進展。美國學者Reed和Loucks2007年利用場發射掃描電鏡實驗觀測分析表征了美國德克薩斯州沃斯堡盆地Barnett頁巖儲層的有機質孔隙特征，其后多位學者針對非常規儲層微觀孔喉系統進行了研究。不同的孔隙結構決定了非常規儲層性質差異，孔隙類型、尺寸與排列影響油氣原地賦存與聚集，也影響頁巖的封蓋能力?？紫冻梢蚺c分布的差異性，將對儲層的滲透率和物性產生影響。
國內非常規儲層在研究方法技術、多尺度數據融合、地層條件物理模擬等方面進展很大。目前非常規儲層微觀儲集空間表征方法包括三類：①二維圖像觀測法，包括光學顯微鏡、場發射掃描電鏡分析等，實現對孔隙結構的二維精細表征；②三維體積重構法，包括微米CT、納米CT及聚焦離子束場發射掃描電鏡分析等，實現對孔隙結構及連通性的三維刻畫與評價；③定量體積評價法，包括氣體吸附法與高壓壓京法，實現對孔隙結構與儲集空間的定量評價。如利用場發射掃描電鏡技術和納米CT技術，在對鄂爾多斯盆地延長組致密砂巖油與生油巖、鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖氣、準噶爾盆地二疊系致密云巖與致密砂巖油、四川盆地下古生界海相含氣頁巖等儲層研究中，在含油氣致密儲集層中發現了廣泛發育的孔喉直徑小于1000nm的納米級孔喉（圖9）。致密儲層主體孔徑為20~500nm，其中頁巖氣儲層一般為100~200nm（圖9-A&B），生油巖內的孔徑一般為20~200nm（圖9-C&D），致密砂巖孔徑一般為100~900nm，也可見2~5μm孔隙（圖9-E&F，G&.H）。非常規儲層豐富的納米孔，有利于油氣帶留聚集，連續分布。
圖9.中國非常規致密儲集層納米級孔喉典型微觀照片
利用多尺度分析方法刻畫致密儲層樣品成為非常規儲層研究領域的熱點。非常規儲層樣品非均質性強，孔隙類型繁多，孔隙成因多樣，僅用單一分析手段、單一觀察尺度無法全面反映儲層樣品的總體特征，不同實驗分析方法可給出多種孔隙評價結果（表4），發揮各分析方法的優勢，有機融合多種分析數據，形成系統整體的孔隙評價表法，非常重要。
表4.非常規儲層微觀儲集空間表征方法
主要在實驗流程方法、非均質性定量評價、孔喉連通性研究等三方面取得階段進展。①宏觀建立了分析流程與方法。獲得巖心樣品后，對樣品進行不同尺度上的多種分析，在巖心尺度，利用醫用CT來判斷巖心的類型與裂縫發育情況，觀察巖心的交互層理；在柱塞尺度，開展大量的常規物性測試，得到定量的孔滲參數、含油飽和度等參數；對柱塞樣品進行SEM制樣，利用MAPS、QEMSCAN等大面積分析軟硬件對樣品進行全面的拼接成像分析，獲得宏觀的礦物分布，孔隙分布等；針對不同的物相區，開展精細的二維成像表征工作，獲得孔隙類型，礦物類型等有用信息；利用定點三維分析技術，以及多尺度三維分析技術，對感興趣的區域開展全面細致的三維孔隙分析實驗，獲得數字巖心孔隙網絡，經數值分析獲得三維孔喉系統的數據信息。②初步形成了非均質性定量評價方案。利用SEM設備裝配的大面積二維拼接掃描軟件、二維大面積能譜拼接分析軟件以及二維大面積礦物分布分析軟件對大尺寸的薄片樣品進行宏觀掃描分析，粗分樣品中的物相；利用超高分辨掃描成像及精細的EDS、礦物分析進行選取微觀分析。③微觀孔喉連通性研究?；谌S數字巖心技術編寫連通性分析軟件，分析了非常規儲層巖石樣品孔隙連通性；基于電化學分析方法，開發了電化學孔隙連通性表怔方法，對典型樣品進行了應用。地層條件下非常規儲層物理模擬實驗取得明顯進展。中國石油勘探開發研究院研發了一整套成巖物理模擬系統，具有高溫（最高溫度550℃＋）、高壓（最高靜巖壓力275MPa，相當于地層深度10000m）和流體供給（酸、堿性介質，流體壓力達120MPa）等高性能指標；可連續完成100天或更長時間的壓實成巖和潛蝕改造模擬實驗；試驗參數可實時記錄、采集，實驗過程由計算機程序控制，具有遠程報警功能。如對鄂爾多斯盆地長7低熟泥頁巖樣品成巖物理模擬，配套多種實驗手段，可系統研究泥頁巖孔隙演化過程，發現泥頁巖孔隙演化受到礦物組成、有機質、成巖流體、溫度和壓力等多地質參數的影響；泥頁巖中不同物質成分對孔隙演化的貢獻具有差異性：有機質熱演化貢獻最大，粘土礦物轉換次之，脆性礦物演化最?。▓D10）。
圖10.鄂爾多斯盆地長7泥頁巖熱模擬孔喉演化綜合圖
2.4非常規油氣地質學研究進展
非常規油氣的研究始于20世紀30年代，W.B.Wilson油氣藏分類中的開放性油氣藏，雖然當時認為該類油氣藏沒有勘探價值，但已預測到非常規油氣藏的存在。20世紀80年代以來，國外出現盆地中心氣、煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣、頁巖油等概念，國內出現深盆氣、深盆油、非穩態成藏、致密油、致密氣、頁巖氣、頁巖油、源巖油氣等概念，非常規油氣資源逐漸成為全球油氣勘探開發重要領域之一，在涵蓋非常規油氣資源內涵、種類、地質特征、資源評價方法、開發技術等方面研究也已取得長足進展。
美國聯邦地質調查局的J.w.Schmoker和D.I.Gautier等針對含油氣盆地非常規儲層中油氣大面積聚集分布、圈閉與蓋層界限不清、缺乏明確油氣水界面的特點，提出了“連續型油氣聚集”的概念，并對致密砂巖氣、頁巖氣、盆地中心氣、煤層氣、淺層微生物氣及天然氣水合物等非常規天然氣資源進行了評價。
B.E.Law等提出了非常規油氣系統的概念，指出非常規油氣系統與構造圈閉無關，基本上不受重力分異的影響，區域上存在大規模普遍含油氣區帶，并對煤層氣、深盆氣及天然氣水合物等非常規天然氣資源做了分析。2007年石油工程師學會、石油評價工程師學會、美國石油地質師協會、世界石油大會在《油氣資源管理系統》中定義了非常規油氣資摞相關概念，認為連續型礦產和非常規資源基本等同，都定義為大面積連續分布、受水動力影響很小的油氣聚集，包括盆地中心氣、頁巖氣、天然氣水合物、天然瀝青及油頁巖等，同時強調了其技術難度及經濟可行性。
賈承造認為非常規油氣地質學有4項重要理論問題：①“含油氣系統”理論的深化再認識，提出含油氣盆地“全含油氣系統”的“全過程成藏”模式，從烴類生—排—運—聚全過程定量化研究4個關鍵問題出發，分析非常規油氣成藏機理；②細粒沉積體系與致密相帶沉積學，通過解析細粒沉積與非常規油氣生戚關系的角度提出3個研究結合點；③頁巖與致密儲層中微納米孔隙系統和流體相態，提出微-納米孔隙系統在非常規油氣研究方面應重點關注5個方面，并解析微納米孔隙發育特點及微納米孔隙中流體相態的特征；④非常規油氣富集規律與資源評價，從非常規油氣聚集特征出發，優選建立非常規油氣資源評價方法體系。
鄒才能等2009年引入并發展連續型油氣聚集理論，總結提出連續型油氣聚集具有10項重要特征。通過納米CT、場發射等先進手段，發現了致密油和氣、頁巖油和氣等非常規油氣儲層中納米孔喉系統，研究了不同類型非常規儲層地質特征、油氣形成與分布規律、“甜點區”主要控制因素（圖11）。提出了含油氣單元（盆地、塌陷或凹陷）內常規與非常規油氣在時間域持續充注、空間域有序分布，二者成因有先后、相互依存、緊密共生與伴生，形成常規—非常規油氣“有序聚集”體系。初步評價出不同類型非常規油氣資源潛力，明確提出中國不同類型非常規油氣發展策略與定位，指出基礎地質研究的創新，具有形成非常規石油地質學的趨勢。
圖11.儲集空間與油氣聚集類型
2011年、2013年鄒才能等先后出版了《非常規油氣地質》第一和第二版；2012年作者在愛思維唯爾集團出版并全球發行了《Unconventional Petroleum Geology》英文一書，被認為是第一本綜合對全球非常規油氣勘探開發潛力進行判斷、分類和評價的書；2013年在《石油勘探與開發》第4期發表了“非常規油氣概念、特征、潛力及技術—兼論非常規油氣地質學”一文，介紹了非常規油氣地質學的內涵、發展簡史、研究內容、研究方法與研究意義。2014年8月出版了《非常規油氣地質學》一書，明確提出非常規油氣地質學是一門研究非常規油氣類型、細粒沉積、微納米級儲層、油氣形成機理、分布特征、富集規律、產出機制、評價方法、核心技術、發展戰略與經濟評價等為重點的新興油氣地質學科，已成為石油與天然氣地質學的一個重要分支；指出非常規油氣地質學研究的核心是“儲集層是否含油氣”，評價的重點是烴源性、巖性、物性、脆性、含油氣性與應力各向異性“6特性”及匹配關系，明確“生油氣能力、儲油氣能力、產油氣能力”；勘探主要目的是尋找油氣連續或準連續分布邊界與“甜點區”，開發尋找低成本開采技術與經濟發展模式（圖12）。
圖12.油氣資源類型與聚集方式
伴隨美國頁巖氣、致密油等非常規油氣資糠的大規模開發利用，非常規油氣地質理論正引起越來越多的石油地質學家與勘探家的重視，非常規油氣地質理論研究也取得重大進展，已成為石油地質學研究的前緣。
針對富油氣盆地常規—非常規油氣協同發展，鄒才能等2014年又提出了常規一非常規油氣“有序聚集”理念，即富油氣盆地或凹陷內，常規與非常規油氣在時間域持續充注、空間域有序分布，二者成因有先后、相互依存、緊密共生，形成統一的油氣聚集體系（圖13）。
圖13.常規非常規油氣平面有序分布模式圖
該體系揭示出不同類型油氣資源“有序聚集”的規律，展示出富油氣盆地或凹陷內常規與非常規油氣資源應“同步研究、同步部署、同步勘探”，可采用多井平臺“同步開采”模式對不同層系、不同類型油氣“整體規劃、整體建設、整體開發”，加快勘探開發節奏，提高資源開發利用效率和經濟效益。據此規律可透視不同類型油氣在空間上的分布位置，一般地，發現常規油氣，預示供烴方向有非常規油氣共生；發現非常規油氣，預示外圍空間可能有常規油氣伴生。平面上，一般盆地邊緣或斜坡分布有常規構造油氣藏和巖性地層油氣藏，凹陷或沉積中心聚集有非常規致密油氣和頁巖油氣等，即非常規油氣外圍有常規油氣，常規油氣里面有非常規油氣；縱向上，從淺到深分布有遠源的常規油氣藏、近源的致密油氣、源內的頁巖油氣等。以往不同階段找油氣思路有差異，一般早中期立足常規油氣資源，用“源控論”尋找大型構造與巖性地層藏集群；中后期立足非常規油氣資源，用“連續型油氣聚集”認識，尋找近源致密油氣或漉內頁巖油氣。而常規—非常規油氣“有序聚集”體系認識突破了傳統找油氣思路，推動找油氣地質理論從“找點”、“找帶”、“找面”向“找體”跨越，打破了先找常規后找非常規的“先富侯貧”的找油思路。對待常規與非常規油氣，勘探追求“一網打盡”，開發追求“吃干榨盡”。
版權聲明|來源：《地質學報》，作者：鄒才能等，版權歸原作者所有。
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