賈承造
(中國石油天然氣集團(tuán)公司,北京 100724)
論非常規(guī)油氣對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的突破及意義
賈承造
(中國石油天然氣集團(tuán)公司,北京 100724)
面對非常規(guī)油氣規(guī)模快速發(fā)展引發(fā)的全球能源行業(yè)諸多重大轉(zhuǎn)變,亟需深入思考非常規(guī)油氣革命對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的深刻影響,重新審視油氣成藏要素地質(zhì)概念和油氣系統(tǒng)理論框架,賦予石油天然氣地質(zhì)學(xué)新時期全新的學(xué)科內(nèi)涵。基于此,總結(jié)了近期全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的重大進(jìn)展,指出非常規(guī)油氣革命不僅具有油氣資源大幅增加的經(jīng)濟意義,而且對石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論帶來重大革新,因此具有重要的科學(xué)意義。歸納了經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)生烴、儲集層、分布和開發(fā)等4方面的理論核心內(nèi)容,全面回顧了石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論發(fā)展歷史中的5個重要節(jié)點,包括背斜與圈閉理論、有機質(zhì)生烴與油氣系統(tǒng)理論、陸相油氣地質(zhì)、海洋深水油氣地質(zhì)、連續(xù)型油氣聚集與非常規(guī)油氣地質(zhì)理論。非常規(guī)油氣對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)在圈閉、儲集層、蓋層、資源分布、富集規(guī)律等基本理論概念方面產(chǎn)生了重大突破,推動油氣地質(zhì)基礎(chǔ)研究向全過程生烴、全類型儲集層、全成因機制、全種類油氣資源轉(zhuǎn)變,深化非常規(guī)油氣地質(zhì)理論研究,推動石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論體系發(fā)展與重構(gòu),對中國乃至世界油氣從常規(guī)向非常規(guī)戰(zhàn)略發(fā)展具有重要意義。圖4參78
石油天然氣地質(zhì)學(xué);非常規(guī)油氣地質(zhì)理論;連續(xù)型油氣聚集;致密油氣;頁巖油氣;油氣產(chǎn)量
引用:賈承造.論非常規(guī)油氣對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的突破及意義[J].石油勘探與開發(fā),2017,44(1):1-11.
JIA Chengzao.Breakthrough and significance of unconventional oil and gas to classical petroleum geological theory[J].Petroleum Exploration and Development,2017,44(1):1-11.
近10年來,非常規(guī)油氣規(guī)??焖侔l(fā)展,已帶來全球能源行業(yè)資源供需格局、開采方式、技術(shù)創(chuàng)新等方面全方位的重大轉(zhuǎn)變[1-8],深入思考非常規(guī)油氣革命對傳統(tǒng)石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的革新,重新審視成藏要素地質(zhì)概念和油氣系統(tǒng)理論框架,賦予石油天然氣地質(zhì)學(xué)全新的學(xué)科內(nèi)涵,對于發(fā)展油氣地質(zhì)基礎(chǔ)理論,指導(dǎo)含油氣盆地常規(guī)-非常規(guī)一體化資源評價、區(qū)帶目標(biāo)優(yōu)選、提高勘探開發(fā)整體效益等方面均具有重要的理論和實踐意義。
非常規(guī)油氣在全球油氣產(chǎn)量中的作用和地位不斷加強,繼油砂、致密氣和煤層氣等資源規(guī)模有效開發(fā)之后,近年來美國“非常規(guī)油氣革命”實現(xiàn)了頁巖氣、致密油產(chǎn)量的高速增長,推動非常規(guī)油氣發(fā)展進(jìn)入了全新階段[1-8]。
1.1 非常規(guī)油氣勘探開發(fā)成果
1.1.1 全球非常規(guī)石油產(chǎn)量
非常規(guī)油主要包括油頁巖、油砂及重油、致密油(含頁巖油)等資源。2015年,全球非常規(guī)油產(chǎn)量4.8×108t,占原油總產(chǎn)量的11%[9]。油頁巖開發(fā)的成本和污染問題尚未解決,產(chǎn)量規(guī)模有限;油砂及重油資源分布高度集中,加拿大和委內(nèi)瑞拉是主產(chǎn)國;致密油開發(fā)在美國率先突破,引領(lǐng)非常規(guī)油產(chǎn)量快速增長。
西加拿大盆地聚集了全球70%以上的油砂資源。1968年采用地面開采技術(shù)實現(xiàn)油砂油產(chǎn)量8.6×104t,瀝青作為原油資源進(jìn)入儲量序列,當(dāng)年新增原油探明儲量10×108t[10]。1982年采用熱采法實現(xiàn)瀝青產(chǎn)量13×104t[10]。2000年加拿大油砂中瀝青產(chǎn)量達(dá)到3 893× 104t,油砂產(chǎn)量形成了相當(dāng)規(guī)模,2015年產(chǎn)量增長至1.4×108t[10]。據(jù)IHS預(yù)測,受低油價影響2020年油砂產(chǎn)量約40×104t/d[9]。
美國引領(lǐng)全球致密油資源規(guī)模開發(fā)。水平井分段壓裂技術(shù)突破,實現(xiàn)了致密油商業(yè)開發(fā),助推美國原油產(chǎn)量再創(chuàng)高峰,2000年致密油產(chǎn)量1 800×104t[9]。2008年應(yīng)用于頁巖氣開發(fā)的水平井分段壓裂技術(shù)廣泛用于致密油資源的開發(fā),使其產(chǎn)量進(jìn)入快速增長階段。2015年美國致密油產(chǎn)量達(dá)到2.1×108t[9],與2008年相比增長了7.2倍。1970年美國常規(guī)原油產(chǎn)量達(dá)到峰值5.3×108t之后呈現(xiàn)遞減,2008年遞減至3.0×108t[11]。致密油成功開發(fā)使其原油產(chǎn)量快速增長,2015年達(dá)到5.7×108t[11],實現(xiàn)了原油產(chǎn)量的二次高峰,并仍然具有持續(xù)增產(chǎn)的潛力。
1.1.2 全球非常規(guī)天然氣產(chǎn)量
非常規(guī)天然氣主要包括致密氣、煤層氣、頁巖氣和天然氣水合物等資源。2015年,全球非常規(guī)天然氣產(chǎn)量8 227×108m3,占天然氣總產(chǎn)量的23%。
致密氣是最先實現(xiàn)規(guī)模開采的非常規(guī)天然氣,資源開發(fā)已進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展期。1955年美國首次在Cauthage氣田進(jìn)行酸化壓裂,實現(xiàn)日產(chǎn)量340×104m3,1976年成為當(dāng)時美國最大氣田。1990年,美國致密氣產(chǎn)量突破600×108m3,1998年突破1 000×108m3,2011年達(dá)到產(chǎn)量峰值1 300×108m3;之后致密氣產(chǎn)量保持穩(wěn)定,2015年產(chǎn)量1 200×108m3[9]。另外,加拿大、中國等也實現(xiàn)了致密氣資源的有效開發(fā),2015年全球致密氣產(chǎn)量2 450×108m3。
煤層氣是第1個實現(xiàn)規(guī)模有效開發(fā)的自生自儲式非常規(guī)油氣資源。20世紀(jì)50年代,美國一些公司在圣胡安盆地開始對高壓煤層中的天然氣進(jìn)行開采,煤層氣成為一種天然氣資源。1980年美國聯(lián)邦頒布了《能源意外獲利法》,有效促進(jìn)了煤層氣資源的開發(fā)。到1992年美國煤層氣產(chǎn)量達(dá)到260×108m3[12]。裸眼洞穴完井技術(shù)和多分支水平井技術(shù)促進(jìn)了煤層氣產(chǎn)量快速增長,2008年美國煤層氣產(chǎn)量達(dá)到峰值557×108m3[12],2015年產(chǎn)量為280×108m3[12]。同時,加拿大、澳大利亞和中國煤層氣也實現(xiàn)了商業(yè)開發(fā),2015年全球煤層氣產(chǎn)量為1 000×108m3[12]。
頁巖氣有效開發(fā)具有革命性意義,推動非常規(guī)油氣發(fā)展進(jìn)入全新階段。早在1821年美國陸上就鉆探了第1口頁巖氣井;1914年美國發(fā)現(xiàn)了第1個頁巖氣田——Big Sandy;1981年被譽為頁巖氣之父的喬治·米歇爾采用大型水力壓裂技術(shù)實現(xiàn)了Barnett頁巖氣商業(yè)開發(fā),頁巖氣作為一種天然氣資源日益受到重視[9];2000年實現(xiàn)了Antrim、Barnett等一批頁巖氣的規(guī)模開發(fā),總產(chǎn)量230×108m3;2005年水平井分段壓裂技術(shù)日趨成熟,頁巖氣產(chǎn)量快速增長,隨著Marcellus等大型頁巖氣田開發(fā),2015年產(chǎn)量達(dá)到4 250×108m3[9]。此外,加拿大、中國和巴西也實現(xiàn)了頁巖氣的商業(yè)開發(fā),2015年全球頁巖氣產(chǎn)量4 693×108m3[9]。
1.2 非常規(guī)油氣資源大幅增加的經(jīng)濟意義
勘探開發(fā)實踐和新的全球油氣資源評價證實,全球非常規(guī)油氣資源豐富,而常規(guī)油氣采出程度并不高,因此預(yù)計油氣工業(yè)發(fā)展將經(jīng)歷常規(guī)油氣突破、常規(guī)油氣與非常規(guī)油氣并重、非常規(guī)油氣發(fā)展3個階段[4-8]。1956年哈爾伯特提出的石油產(chǎn)量“峰值理論”已被顛覆,隨著非常規(guī)大型油氣田不斷被發(fā)現(xiàn),油氣產(chǎn)量峰值預(yù)測結(jié)果不斷攀升,全球油氣生產(chǎn)的生命周期可能超過300年[4-8],足以支撐人類發(fā)展到新的能源時代。預(yù)計油氣工業(yè)發(fā)展不會因為資源的枯竭而終結(jié),而是被更清潔的可再生能源發(fā)展逐步代替,以實現(xiàn)人類的綠色環(huán)保需求。
全球非常規(guī)油氣資源豐富,非常規(guī)油資源與常規(guī)油資源相當(dāng),非常規(guī)氣則遠(yuǎn)大于常規(guī)氣。全球非常規(guī)油可采資源量6 200×108t,其中重油1 079×108t、油砂1 067×108t、油頁巖油1 051×108t、致密油473×108t(見圖1a)。全球非常規(guī)天然氣可采資源量近 4 000× 1012m3,其中致密氣210×1012m3、煤層氣256×1012m3、頁巖氣456×1012m3、天然氣水合物3 000×1012m3(見圖1b)[9-12]。
圖1 全球常規(guī)和非常規(guī)油氣資源對比[9-11]
常規(guī)油氣經(jīng)過100多年的開發(fā),為人類工業(yè)發(fā)展提供了強勁動力。常規(guī)油采出1 732×108t,采出程度約35%;常規(guī)天然氣采出79×1012m3,采出程度約17%。因此常規(guī)油氣剩余資源仍可以保障全球油氣長期穩(wěn)定生產(chǎn)供應(yīng),非常規(guī)油氣作為新興資源,其采出程度微不足道,具有巨大的增產(chǎn)潛力。據(jù)EIA預(yù)測,全球非常規(guī)氣產(chǎn)量將由2015年的8 227×108m3增至2040年的2.48×1012m3[9],占天然氣總產(chǎn)量約42%;其中頁巖氣1.70×1012m3、致密氣0.46×1012m3、煤層氣0.32×1012m3[9],分別占天然氣總產(chǎn)量的29%、8%和5%。全球非常規(guī)油產(chǎn)量將由2015年的4.8×108t增至2040年的10×108t以上,占原油總產(chǎn)量約20%;其中致密油產(chǎn)量5.1×108t,油砂油產(chǎn)量3.4×108t[9],分別占原油總產(chǎn)量的10%和7%。因此,豐富的資源和不斷進(jìn)步的技術(shù)將支撐油氣工業(yè)的長期穩(wěn)定生產(chǎn),為人類做出巨大的貢獻(xiàn)。
2.1 石油天然氣地質(zhì)學(xué)的理論核心
石油天然氣地質(zhì)學(xué)(Geology of Petroleum),是研究地殼中油氣成因、成藏原理和油氣分布規(guī)律的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科,是油氣勘探開發(fā)的理論基礎(chǔ)[13-20]。石油天然氣地質(zhì)學(xué)作為石油與天然氣勘探開發(fā)的理論核心,是隨著人類大量的油氣勘探和開發(fā)實踐活動,不斷積累有關(guān)油氣生成、聚集與分布規(guī)律等知識,逐漸形成的一門集理論性與應(yīng)用性于一體的學(xué)科。它既是人類在油氣勘探開發(fā)中對油氣形成、分布規(guī)律認(rèn)識的總結(jié),又是指導(dǎo)人類進(jìn)行油氣勘探開發(fā)活動的理論指南。
人類認(rèn)識和利用油氣的歷史由來已久,但現(xiàn)代油氣勘探開發(fā)一般以1859年美國成功鉆探的世界上第1口工業(yè)油井作為標(biāo)志。1917年美國石油地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(AAPG)成立,并出版了《美國石油地質(zhì)學(xué)家協(xié)會通報》(AAPG Bulletin),1921年Emmons出版《Geology of Petroleum》,標(biāo)志著石油天然氣地質(zhì)學(xué)成為一門獨立的學(xué)科[13]。1934年McCollough正式提出“圈閉學(xué)說”[14],成為常規(guī)油氣地質(zhì)理論的核心內(nèi)容。1956年Levorsen的《Geology of Petroleum》問世[15],實現(xiàn)了石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的系統(tǒng)化、科學(xué)化,推動了世界石油工業(yè)的快速發(fā)展。
石油天然氣地質(zhì)學(xué)是地質(zhì)學(xué)的分支學(xué)科,它既遵循構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、礦物巖石學(xué)、沉積學(xué)、地球化學(xué)與地球物理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科揭示的地學(xué)基礎(chǔ)原理,又建立了聚焦于油氣生成、成藏、分布和開發(fā)的理論核心。經(jīng)典的石油天然氣地質(zhì)學(xué)的理論核心如下。
2.1.1 盆地沉降增溫增壓、有機質(zhì)干酪根生烴與含油氣系統(tǒng)理論
沉積盆地沉降增溫增壓是油氣生成與成藏的地球動力學(xué)背景,有機質(zhì)干酪根生烴是油氣主要來源,含油氣系統(tǒng)包括油氣生成、運移、成藏、調(diào)整破壞的全動態(tài)過程與溫壓流體環(huán)境。
2.1.2 由巖石骨架、有效孔隙及充注的可動流體構(gòu)成的油氣儲集層理論
油氣儲集層由巖石骨架、有效孔隙及充注的可動流體構(gòu)成。油氣儲集層物性由孔隙度和滲透率描述。滲透率受孔隙結(jié)構(gòu)、流體相態(tài)和表面親和性影響。地層壓力指可動流體壓力,是油氣藏最重要的地質(zhì)特征與產(chǎn)能指標(biāo),地應(yīng)力場主要由巖石骨架承受。
2.1.3 含油氣盆地、區(qū)帶、圈閉與油氣藏的油氣分布理論
油氣與含油氣系統(tǒng)均賦存在含油氣沉積盆地中。區(qū)帶(Play,又譯作成藏組合),指儲集層特征相似、空間相關(guān)的一批圈閉和油氣藏,揭示油氣藏空間分布的基本規(guī)律。圈閉是具有儲集層和封堵條件的油氣聚集場所,油氣藏是油氣分布的基本單元,具有統(tǒng)一的儲集層、壓力與油氣水邊界。
2.1.4 能量與物質(zhì)守恒,由人工干預(yù)形成油氣儲集層不同部位流體壓差,從而形成了產(chǎn)生和控制流動的油氣開發(fā)理論
油氣藏流體體積與能量變化遵循能量與物質(zhì)守恒原理。由人工干預(yù)形成油氣儲集層不同部位流體壓差,從而產(chǎn)生和控制流體流動是油氣開發(fā)的基本原理。儲集層滲透率、流體性質(zhì)、人工干預(yù)效果是影響開發(fā)效益的主要因素。
2.2 石油天然氣地質(zhì)學(xué)發(fā)展歷史的重要節(jié)點
石油天然氣地質(zhì)學(xué)歷經(jīng)百年歷史,其發(fā)展歷史深受石油工業(yè)勘探開發(fā)實踐、地質(zhì)學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科進(jìn)展和探測與計算機技術(shù)發(fā)展的推動。石油工業(yè)油氣勘探從背斜圈閉油氣藏發(fā)展到巖性地層油氣藏;從陸地推進(jìn)到海洋,進(jìn)而到深水;從常規(guī)發(fā)展到非常規(guī),這些都推動了石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的重大突破和新理論、新概念的出現(xiàn)。而地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科不斷出現(xiàn)的重大進(jìn)展,包括板塊構(gòu)造理論、層序地層學(xué)理論、有機質(zhì)生烴理論都被及時融入石油天然氣地質(zhì)學(xué)核心理論之中。地震與測井等地球物理學(xué)勘探技術(shù)、地球化學(xué)分析技術(shù)與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展推動了油氣勘探開發(fā)技術(shù)進(jìn)步,也推動了石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的進(jìn)步與完善。
縱觀百年石油天然氣地質(zhì)學(xué)發(fā)展歷史,可以看到5個重要節(jié)點:①背斜與圈閉理論(19世紀(jì)80年代—20世紀(jì)30年代);②有機質(zhì)生烴與油氣系統(tǒng)理論(20世紀(jì)60—70年代);③陸相油氣地質(zhì)理論(20世紀(jì)40年代—21世紀(jì)初);④海洋深水油氣地質(zhì)理論(20世紀(jì)80年代—21世紀(jì)初);⑤連續(xù)型油氣聚集與非常規(guī)油氣地質(zhì)理論(21世紀(jì)初至今)。
2.2.1 背斜與圈閉理論
1885年White等在《Science》雜志上發(fā)表《The Geology of Natural Gas》,第1次系統(tǒng)地闡述了背斜油氣藏理論,并成功地應(yīng)用于井位部署[21]。背斜油氣藏理論認(rèn)為:石油和天然氣聚集于背斜構(gòu)造中,石油、天然氣和地層水按其密度分異,石油、天然氣密度低占據(jù)背斜的頂部,地層水密度高位于背斜底部,背斜褶皺的頂部被認(rèn)為是勘探油氣的最佳對象。在背斜油氣藏理論指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)了一大批大型、特大型油氣田,推動了世界石油工業(yè)的發(fā)展。1934年McCollough正式提出了“圈閉學(xué)說”,認(rèn)為圈閉需具備3個條件,即儲集層、蓋層和遮擋條件,具有統(tǒng)一的油、氣、水界面,儲量嚴(yán)格按圈閉面積、閉合度、孔隙度等計算[14]。1934年Wilson將油氣藏分為閉合油氣藏和開放油氣藏兩大類,其分類涵蓋了構(gòu)造、巖性地層及復(fù)合油氣藏類型[22]。1956年Levorsen在其所著的《Geology of Petroleum》中建立了較為完善的圈閉分類體系,將圈閉劃分為構(gòu)造、地層和復(fù)合圈閉,其中地層圈閉包括原生地層圈閉和次生地層圈閉兩類[15]。圈閉學(xué)說指出儲集層、蓋層和遮擋條件是油氣藏形成的必要條件,背斜是最簡單的特例,圈閉油氣成藏是常規(guī)油氣聚集機理的理論內(nèi)核。
2.2.2 有機質(zhì)生烴與油氣系統(tǒng)理論
20世紀(jì)60年代,隨著有機地球化學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)代分析測試技術(shù)的進(jìn)步,地球化學(xué)家們對油氣有機成因的認(rèn)識取得重要發(fā)展,形成了干酪根熱降解生油說。以Tissot為代表的干酪根熱降解生烴理論認(rèn)為,原始有機質(zhì)沉積以后,首先經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)作用和聚合縮合作用形成不同類型干酪根,干酪根在達(dá)到一定的埋藏深度后,在溫度的作用下發(fā)生熱降解作用逐漸生成石油,石油生成于一定的溫度范圍內(nèi)(稱為“液態(tài)石油窗”)[23]。在干酪根熱降解生烴理論指導(dǎo)下,從有機地球化學(xué)和光學(xué)測定總結(jié)出了一套反映有機質(zhì)熱成熟度的參數(shù),如最高熱解峰溫、鏡質(zhì)體反射率、熱埋藏指數(shù)等,可直接應(yīng)用于判識干酪根類型、成熟度及生烴潛力等。有機質(zhì)成烴理論與分析測試技術(shù)的發(fā)展,為定量評價烴源巖、計算生烴量奠定了理論基礎(chǔ)。隨著油氣工業(yè)的發(fā)展,石油地質(zhì)學(xué)家開始關(guān)注油氣從烴源巖到儲集層再到圈閉的成藏全過程。這一時期的板塊學(xué)說、含油氣盆地構(gòu)造學(xué)、沉積儲層學(xué)、層序地層學(xué)等相關(guān)學(xué)科的重大進(jìn)展,以及干酪根熱降解生烴理論與油氣運移的創(chuàng)新性理論,促進(jìn)了含油氣系統(tǒng)研究快速發(fā)展。油氣動態(tài)成藏過程由Dow等于1972年首次在“Oil System”的概念中提出,1994年Magoon和Dow將“Petroleum System”概念進(jìn)一步豐富和完善,強調(diào)油氣“從源巖到圈閉”,通過地質(zhì)作用過程將各成藏要素鏈接為一個有機的整體[16]。含油氣系統(tǒng)理論立足于沉積盆地整體,在靜態(tài)地質(zhì)要素分析基礎(chǔ)上,詳細(xì)刻畫油氣生成、運移、聚集、成藏的整個動態(tài)過程,全面深入了解油氣藏形成機理及分布規(guī)律。
2.2.3 陸相油氣地質(zhì)理論
2.2.3.1 陸相生烴有機地球化學(xué)理論
20世紀(jì)30年代,中國地質(zhì)學(xué)家通過野外露頭石油地質(zhì)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)了酒泉盆地老君廟油田和陜西省北部延長油田,打破了“非海相沉積不能生油”的禁錮。提出石油也能夠來自淡水沉積物[24]、陸相地層可以形成具有經(jīng)濟價值的油田[25]、陸相生油多期多層含油[26]、新華夏構(gòu)造體系3個沉降帶找油遠(yuǎn)景[27]等認(rèn)識,明確了中國陸相沉積的生油特征。1960年以來,深入研究陸相生油層的形成和陸相生油的基本條件,系統(tǒng)建立陸相烴源巖和石油地球化學(xué)系列指標(biāo)和參數(shù)[28-30];建立了煤成烴、未熟—低熟油、超壓盆地生烴動力學(xué)等重要理論[28-33]。
2.2.3.2 大慶油田陸相湖盆特大型砂巖油田成藏理論與開發(fā)技術(shù)
20世紀(jì)50—60年代,中國石油地質(zhì)學(xué)家總結(jié)了松遼盆地生油區(qū)控制油氣田分布的規(guī)律,提出“源控論”,強調(diào)勘探要尋找主力烴源巖中心和層系,尋找生油氣范圍內(nèi)的有利目標(biāo)[34-35];同時發(fā)展了針對陸相砂巖油田開發(fā)的“高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)注水開發(fā)”、“化學(xué)驅(qū)”等針對性技術(shù),支撐大慶油田特大型砂巖油田持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[36]。
2.2.3.3 渤海灣陸相裂谷盆地復(fù)式油氣聚集理論
20世紀(jì)60—70年代,以渤海灣斷陷盆地為重點,提出復(fù)式油氣聚集帶(區(qū))理論,指出陸相層序背斜構(gòu)造、斷塊圈閉及巖性地層圈閉,形成了不同層系、不同圈閉類型相互疊置的復(fù)式油氣聚集帶(區(qū))[37-38],有效指導(dǎo)了油氣勘探。
2.2.3.4 中西部陸相前陸及坳陷盆地構(gòu)造沉積與油氣聚集理論
20世紀(jì)80年代以來,中國加強了中西部陸相前陸盆地與疊合盆地、東部陸相成熟探區(qū)巖性地層油氣藏油氣勘探,取得重大進(jìn)展,形成了陸相前陸盆地及沖斷帶控油氣[39-40]、陸相巖性地層油氣藏大面積成藏[41]、富油氣凹陷滿凹含油[42]等重要地質(zhì)理論。
2.2.4 海洋深水油氣地質(zhì)理論
海洋深水油氣勘探近30年取得重大發(fā)現(xiàn),已成為儲量增長主力。深水勘探開發(fā)揭示了大量新認(rèn)識,推動了深水油氣地質(zhì)理論創(chuàng)新,目前仍在發(fā)展中。
2.2.4.1 深水碎屑巖沉積體系
全球深水盆地中普遍發(fā)育陸源碎屑巖體系,75%的深水油氣儲量分布于由大型河流供應(yīng)沉積物的具塑性層盆地和由小型河流供應(yīng)沉積物的具塑性層盆地[43-46]。深水儲集層主要發(fā)育于新生界深水砂巖中,具有高孔滲、成巖差、連續(xù)型差等特點[43-46]。
2.2.4.2 白堊紀(jì)大西洋擴張早期構(gòu)造沉積組合的重大油氣資源潛力
僅在巴西桑托斯盆地深水區(qū)就發(fā)現(xiàn)了10多個世界級大油氣田(見圖2),可采儲量規(guī)模超過50×108t。證明大西洋擴張早期裂谷沉積的鹽下儲蓋組合具有巨大資源潛力。
圖2 巴西Santos盆地鹽下油氣分布圖[46]
同時具有巨大油氣資源潛力的被動大陸邊緣洋-陸過渡性地殼及其淺層地質(zhì)過程(拉張、分異與油氣聚集規(guī)律),洋底低地表溫度油氣系統(tǒng)及其烴類、儲集層演化效應(yīng)等也成為新的理論研究前沿。
2.2.5 連續(xù)型油氣聚集與非常規(guī)油氣地質(zhì)理論
近年來,勘探實踐發(fā)現(xiàn)非常規(guī)油氣具有與常規(guī)油氣不同的地質(zhì)與空間分布特征(見圖3)。進(jìn)一步的地質(zhì)研究初步形成了連續(xù)性油氣聚集與非常規(guī)油氣地質(zhì)理論,核心內(nèi)容包括:①非常規(guī)油氣連續(xù)型聚集,大面積分布,只有“甜點區(qū)”和非“甜點區(qū)”之分,沒有明顯的油氣水圈閉邊界;②儲集層致密(孔隙度4%~12%,滲透率小于1×10-3μm2),微—納米級孔喉系統(tǒng)發(fā)育,需水平井和壓裂技術(shù)改造才能產(chǎn)出,是一種“人工油氣藏”;③多種相態(tài)共存(固、液、氣相及游離態(tài)、吸附態(tài)等);④“近源”或“源內(nèi)”成藏,源儲一體,油氣受層系控制、分布穩(wěn)定、資源規(guī)模大;⑤具有特殊的油氣聚集機理和流動機理。
圖3 含油氣盆地常規(guī)-非常規(guī)油氣全油氣系統(tǒng)成藏模式[47]
眾多學(xué)者和機構(gòu)投入非常規(guī)油氣地質(zhì)研究,至今方興未艾。USGS的Schmoker[48]和Gautier等[49]提出了“連續(xù)型油氣聚集”概念,并評價了致密砂巖氣、頁巖氣等非常規(guī)天然氣資源。2002年Law等提出了非常規(guī)油氣系統(tǒng)概念[50]。2007年SPE、SPEE、AAPG、WPC在《油氣資源管理系統(tǒng)》中定義了非常規(guī)油氣資源相關(guān)概念[8]。2007年Loucks和Reed等利用場發(fā)射掃描電鏡實驗觀測分析,表征了Barnett頁巖儲集層的有機質(zhì)微觀孔喉特征[51]。
中國學(xué)者引入、吸收國外非常規(guī)油氣地質(zhì)理念,結(jié)合中國特殊地質(zhì)條件,創(chuàng)新研發(fā)非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)理論和方法技術(shù),取得了一批居于國際學(xué)科前沿的重要研究成果,也推動了中國非常規(guī)油氣工業(yè)起步和快速發(fā)展[8,52]。在非常規(guī)油氣基礎(chǔ)地質(zhì)理論方面:①在中國首先發(fā)現(xiàn)和表征致密儲集層中納米級孔喉系統(tǒng),建立油氣聚集微納米孔喉結(jié)構(gòu)模式,突破了頁巖、致密砂巖無儲集空間的局限認(rèn)識[6,8,53-54];②揭示非常規(guī)油氣“連續(xù)型”聚集規(guī)律,提出其與常規(guī)圈閉油氣藏10個特征差異,并創(chuàng)新提出含油氣盆地常規(guī)-非常規(guī)油氣“有序聚集”規(guī)律[8,52,55-56];③揭示非常規(guī)油氣聚集中“非浮力作用”起主導(dǎo)作用,并提出非浮力作用機理,指出該作用的頂?shù)咨疃冉缦轠53,57];④建立陸相湖盆大型淺水三角洲與砂質(zhì)碎屑流及富有機質(zhì)黑色頁巖細(xì)粒沉積分布模式,揭示了陸相致密油氣、頁巖油氣富集的層序特征與分布規(guī)律[8,58-59]。在中國非常規(guī)油氣勘探評價與地質(zhì)規(guī)律方面:①煤層氣,在具有中國特點的高煤階煤層氣吸附特征、賦存條件和成藏模式、構(gòu)造演化和水動力控藏作用、高豐度富集區(qū)形成機理等方面取得了創(chuàng)新性成果,構(gòu)建了高煤階煤層氣地質(zhì)理論體系[60-62];②頁巖氣,重點針對五峰組—龍馬溪組和筇竹寺組海相地層頁巖氣,在筆石生物層對比、頁巖儲集空間表征、賦存特征及富集機理、資源評價及選區(qū)選段、“甜點區(qū)”評價預(yù)測等方面取得重大進(jìn)展,初步形成了中國熱高演化程度海相頁巖氣地質(zhì)理論體系[63-68];③致密油,在致密油基本特征及形成條件、致密儲集層儲集空間表征、聚集機理及成藏模式、評價標(biāo)準(zhǔn)及資源評價等方面取得重要進(jìn)展,初步構(gòu)建了中國陸相致密油地質(zhì)理論框架[69];④致密氣,在致密砂巖氣地球化學(xué)組成特征及氣源、生烴動力學(xué)研究、致密砂巖成因及儲集空間表征、運聚動力及成藏機理、評價參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)、富集區(qū)評價預(yù)測等方面取得顯著進(jìn)展,認(rèn)為中國致密砂巖氣主要成因類型為煤成氣,提出發(fā)育“連續(xù)型”和“圈閉型”兩類致密砂巖氣藏,建立了中國致密砂巖氣地質(zhì)理論體系[70-73]。
3.1 非常規(guī)油氣理論對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)的重大突破
非常規(guī)油氣突破對石油天然氣地質(zhì)學(xué)創(chuàng)新和世界石油工業(yè)發(fā)展均具有重大戰(zhàn)略影響。以發(fā)現(xiàn)致密儲集層納米孔喉系統(tǒng)、建立“甜點區(qū)”評價方法、創(chuàng)新“連續(xù)型”油氣聚集、提出“人工油氣藏”等為核心的非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)理論的建立,是對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)的重大突破,也為中國乃至世界油氣從常規(guī)向非常規(guī)發(fā)展戰(zhàn)略提供了理論指導(dǎo),有重大的科學(xué)價值和經(jīng)濟意義[8,52]。
非常規(guī)油氣突破了經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)中的許多認(rèn)識局限,包括傳統(tǒng)的含油氣系統(tǒng)理論受到巨大沖擊,主要體現(xiàn)在5個方面:①連續(xù)型油氣聚集理論,層狀儲集體可儲存油氣,大面積連續(xù)分布,沒有明顯的圈閉界限,突破了儲集層界限,也打破了傳統(tǒng)圈閉成藏的概念[17];②致密儲集層中發(fā)現(xiàn)納米級孔喉系統(tǒng),突破了傳統(tǒng)的儲集層界限,打破了頁巖、致密砂巖“磨刀石”基本無儲集空間的局限認(rèn)識,開辟致密砂巖、致密碳酸鹽巖和頁巖等非常規(guī)油氣儲集層新類型[6];③非常規(guī)油氣源儲一體,致密儲集層、泥頁巖本身具有蓋層功能,不需要蓋層封堵[74];④非常規(guī)油氣聚集,其運聚動力少數(shù)為浮力作用、多數(shù)為非浮力作用,油氣運聚并不遵循傳統(tǒng)的生烴灶、運聚系統(tǒng)、匯聚域的油氣系統(tǒng)模式,源內(nèi)成藏表明殘留烴也可成為有效資源[53,57];⑤非常規(guī)油氣生烴層系,控制油氣大面積連續(xù)分布,局部“甜點區(qū)”富集,突破了傳統(tǒng)區(qū)帶聚集概念,非常規(guī)油氣分布受原型盆地生油巖層系、相帶控制,多數(shù)分布在盆地斜坡、中心等構(gòu)造部位[8,74-75]。
圖4 常規(guī)-非常規(guī)油氣聚集孔喉結(jié)構(gòu)與聚集類型[52]
3.2 非常規(guī)油氣理論進(jìn)展
近年來,隨著非常規(guī)油氣勘探開發(fā)快速發(fā)展,非常規(guī)油氣地質(zhì)已成為石油天然氣地質(zhì)學(xué)科前沿,非常規(guī)油氣地質(zhì)理論研究已全面展開,并呈現(xiàn)新的快速發(fā)展趨勢。如果說1934年McCollough提出的“圈閉學(xué)說”是常規(guī)油氣地質(zhì)理論形成的重要標(biāo)志,1995年Schmoker等提出的“連續(xù)型油氣聚集”觀點則是非常規(guī)油氣理論開啟的里程碑,并已展現(xiàn)良好的發(fā)展前景。①生烴研究:傳統(tǒng)生烴研究注重生烴高峰期研究,非常規(guī)油氣地質(zhì)注重生烴全過程研究,烴源不僅來自有效烴源巖,也包括滯留烴源巖中的可能有機質(zhì)生烴。聚焦所有富有機質(zhì)巖石,強調(diào)全過程含油氣系統(tǒng)理念,重視全過程生排烴對源內(nèi)滯留頁巖油氣、近源充注致密油氣或二次運移到常規(guī)致密相帶中致密油氣等非常規(guī)油氣資源分布的控制作用[52,74-75]。②儲集層研究:傳統(tǒng)儲集層研究注重發(fā)現(xiàn)微米—毫米級孔喉的優(yōu)良儲集層,非常規(guī)油氣地質(zhì)注重納米級孔喉的儲集層描述、認(rèn)識與評價,儲集體不僅包括油氣運移終端的高孔滲儲集體,也包括生烴層系、運移路徑上的致密儲集體,聚焦供烴范圍內(nèi)的所有儲集空間,重視細(xì)粒沉積體系的源儲配置關(guān)系、細(xì)粒沉積體系的整體研究和綜合勘探等方面的研究[52,74-75]。③油氣成因機制研究:傳統(tǒng)油氣運聚注重具有碳酸鹽巖縫洞儲集層的“管流”聚集和微米—毫米孔喉儲集層的“滲流”運聚,非常規(guī)油氣地質(zhì)關(guān)注致密條件的納米級孔喉儲集層的“滯留”儲集,油氣資源從常規(guī)圈閉油氣擴展到滯留烴形成的非常規(guī)資源,包括頁巖氣、頁巖油、致密油等[52,74-75]。④油氣運移動力研究:認(rèn)識到孔喉直徑大小決定油氣聚集方式和流體相態(tài),傳統(tǒng)的運移動力局限于浮力驅(qū)動,非常規(guī)油氣地質(zhì)關(guān)注壓差驅(qū)動、擴散等作用,揭示出不同類型的油氣資源具有不同的孔喉分布下限與常規(guī)-非常規(guī)油氣分布規(guī)律[8,52](見圖4)。⑤油氣聚集研究:揭示了連續(xù)性油氣聚集基本規(guī)律及甜點代表的非均質(zhì)性。同時在含油氣盆地中揭示常規(guī)-非常規(guī)不同類型油氣資源空間共生與伴生分布規(guī)律,提出重視常規(guī)-非常規(guī)油氣整體研究、立體勘探[56]。⑥資源分布研究:非常規(guī)油氣更注重技術(shù)可采資源量與經(jīng)濟可采資源量空間預(yù)測,應(yīng)從地質(zhì)評價、物探資料、開發(fā)數(shù)據(jù)、參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、方法優(yōu)選等方面綜合研究,合理評價非常規(guī)油氣的可采資源量[7,8,74-77]。⑦非常規(guī)油氣是經(jīng)人工壓裂才形成的“人工油氣藏”,其油氣開發(fā)流動機理與提高采收率途徑極為復(fù)雜,尚待更深入研究;人工干預(yù)技術(shù)尚待進(jìn)一步發(fā)展。
3.3 石油天然氣地質(zhì)學(xué)的未來
非常規(guī)油氣勘探開發(fā)突破是世界石油工業(yè)的重大變化,為石油天然氣地質(zhì)學(xué)創(chuàng)新帶來了全新的發(fā)展機遇。
未來石油天然氣地質(zhì)學(xué)應(yīng)是一個新的經(jīng)過重大發(fā)展的理論體系,涵蓋常規(guī)油氣與非常規(guī)油氣,吸收勘探實踐與科學(xué)研究的最新進(jìn)展,著眼于油氣全過程規(guī)模效益勘探開發(fā),重新定義生、儲、蓋、圈、運、保等關(guān)鍵地質(zhì)要素內(nèi)涵,系統(tǒng)總結(jié)常規(guī)油氣與非常規(guī)油氣在分布特征、儲集層特征、源儲組合、聚集單元、運移方式、聚集機理、滲流特征、流體特征、資源特征等方面的顯著區(qū)別,推動常規(guī)-非常規(guī)油氣整體研究、整體開發(fā)[78]。
未來石油天然氣地質(zhì)學(xué),應(yīng)是一個新的全油氣系統(tǒng)理論模型,不局限于“從烴源巖到圈閉”的視角,而是從“源儲耦合、有序聚集”的新視角,包括長距離運移烴、近距離運移烴、滯留烴,包括常規(guī)與非常規(guī)油氣兩種資源,從烴類生—排—運—聚全過程定量化研究的4個關(guān)鍵問題出發(fā),分析常規(guī)-非常規(guī)油氣聚集機理,實現(xiàn)油氣生、運、聚全過程分析,發(fā)現(xiàn)全部類型的油氣資源,勘探、開發(fā)、工程、集輸所有油氣上游領(lǐng)域,整體研究評價,立體勘探開發(fā),最終實現(xiàn)整個含油氣單元內(nèi)常規(guī)-非常規(guī)油氣最大限度的經(jīng)濟性采出。
非常規(guī)油氣具有連續(xù)分布、儲集層致密、多相態(tài)共存、近源或源內(nèi)聚集、特殊成藏機理等5個不同于常規(guī)油氣的新特征,對傳統(tǒng)油氣地質(zhì)理論帶來重大挑戰(zhàn)。非常規(guī)油氣革命不僅具有油氣資源大幅增加的經(jīng)濟意義,對石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論創(chuàng)新也具有重要的科學(xué)意義。
經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)包括生烴、儲集層、分布和開發(fā)等4方面的理論核心內(nèi)容,經(jīng)歷了背斜與圈閉、有機質(zhì)生烴與油氣系統(tǒng)、陸相油氣地質(zhì)、海洋深水油氣地質(zhì)等重要理論發(fā)展節(jié)點,現(xiàn)在已進(jìn)入連續(xù)型油氣聚集與非常規(guī)油氣地質(zhì)理論新階段。
非常規(guī)油氣對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)在圈閉、儲集層、蓋層、有效資源、富集規(guī)律等基礎(chǔ)理論方面產(chǎn)生了重大突破,油氣地質(zhì)基礎(chǔ)研究將呈現(xiàn)出向全過程生烴、全類型儲集層、全成因機制、全種類資源轉(zhuǎn)變的新趨向,推動非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)理論建立,這種突破和革新對經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論體系重構(gòu)、全油氣系統(tǒng)理論模型建立,對中國乃至世界油氣從常規(guī)向非常規(guī)戰(zhàn)略發(fā)展具有重要理論指導(dǎo)和科學(xué)價值。
作者注:英文Petroleum指烴類化合物,包括液體Crude oil(原油)、氣體Natural gas(天然氣)和固體(超重油、瀝青)等,中文譯為石油。因此Petroleum Geology應(yīng)為石油地質(zhì)學(xué)。但近年國內(nèi)部分業(yè)界使用“石油”一詞指Crude oil,與原油混用,Petroleum的中文翻譯成為石油天然氣,因此出現(xiàn)了“石油天然氣地質(zhì)學(xué)”等詞匯,作者這里屈從大眾。
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(編輯 郭海莉 許懷先)
Breakthrough and significance of unconventional oil and gas to classical petroleum geological theory
JIA Chengzao (China National Petroleum Corporation,Beijing 100724,China)
Great changes of the global energy industry have been caused by the rapid development of unconventional oil and gas.It is necessary to deeply consider the profound influence of the unconventional oil and gas revolution on the classical petroleum geological theory and to review geological conception of oil and gas accumulation elements and theoretic framework of petroleum system,giving the petroleum geology a new academic connotation.The author summarizes the significant progresses of global unconventional oil and gas exploration and development,and points out that the unconventional oil and gas revolution not only has a significant economic significance of oil and gas resource increment,but also brings great innovation to the theory of petroleum geology,thus having important scientific significances.This paper summarizes the core contents of four aspects of hydrocarbon generation,reservoir,distribution and development in classical petroleum geology,and comprehensively reviews the five important nodes in the developmental history of petroleum geology,which include anticline and trap theory,hydrocarbon generation from organic matter and petroleum system theory,continental petroleum geology,marine deepwater petroleum geology,continuous hydrocarbon accumulation and unconventional oil and gas geological theory.Unconventional oil and gas has made a great breakthrough to classical petroleum geology on the basic theoretical concepts such as trap,reservoir,caprock,resource distribution,and enrichment,thereby promoting the basic research on petroleum geology to transform into the whole process of hydrocarbon generation,whole type of reservoir,and whole genetic mechanism,deepening unconventional petroleum geology theory,promoting the development and reconstruction of petroleum geology system,representing great significances to the strategic development from conventional to unconventional oil and gas in China or even in the world.
petroleum geology; unconventional petroleum geological theory; continuous oil and gas accumulation; tight oil and tight gas; shale oil and shale gas; oil and gas production
TE12
:A
1000-0747(2017)01-0001-11
10.11698/PED.2017.01.01
賈承造(1948-),男,出生于甘肅蘭州,博士,中國科學(xué)院院士,主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、石油地質(zhì)學(xué)研究和油氣勘探工作。地址:北京市西城區(qū)六鋪炕街6號,中國石油天然氣集團(tuán)公司,郵政編碼:100724。E-mail:Jiacz@petrochina.com.cn
2016-12-01
2016-12-22