“三高”论文推荐｜邹才能等：非常规油气地质学理论技术及实践

摘要：形成非常规油气地质学理论技术，引领油气工业从常规到非常规，进源找油，是世界油气勘探开发形势发展和科学研究持续推进的必然趋势.研究团队紧密结合中国特殊地质背景和油气工业条件，经过10余年不懈攻关，构建了非常规细粒沉积学、非常规油气储层地质学、非常规油气成藏地质学、非常规油气开发地质学和常规-非常规油气有序“共生富集”发展战略等学科内容，集成了非常规油气关键实验技术、勘探评价技术、开发工程技术和常规-非常规油气勘探开发关键技术，基本形成了非常规油气地质学理论技术体系框架.从常规油气的“源控论”到非常规油气的“源储共生系统”，深刻认识到源岩层系及与其大面积紧密接触的致密储集层系中可以聚集巨量工业油气资源.非常规油气地质学理论技术，引领推动了非常规油气地质学科发展、关键技术研发、国家标准制定、国家实验室建设和专业人才培养，有效推进了我国致密油和气、页岩油和气等非常规油气资源的工业勘探开发，截至2022年底，中国非常规油气产量超过1×10⁸t油当量，约占油气总产量28%，其中非常规气约占天然气总量的41%，非常规油约占石油总量的17%.油气不可再生，但非常规油气革命可延长油气工业的生命，持续强化理论、技术和管理“三个创新”的深度融合，努力实现地下原位加热低熟页岩转化油气、地下原位加热富油煤岩转化油气和地下原位压裂脆性页岩层系产出油气“三个地下革命”的颠覆创新，不断推动以鄂尔多斯盆地为代表的超级能源盆地化石能源与新能源的协同发展，塑造碳中和下中国式超级能源盆地“油气与新能源”融合发展模式，非常规油气革命支撑油气工业可持续发展，力推实现中国“能源独立”.

关键词：非常规油气地质学;常规一非常规油气地质学;源岩油气;源岩层系油气;细粒沉积;微纳米级孔喉;连续型油气聚集;“人工油气藏”;进源找油;页岩革命;煤岩革命;源内化学转化;超级能源盆地.

0.   引言

非常规油气突破，对世界油气工业发展和油气地质学科创新均具有革命性影响.随着油气勘探开发从常规不断向非常规领域延伸，进（近）源找油气工业活动越来越频繁，非常规油气地质理论认识和技术研发将不断向深入化精细化推进.2008年起作者及研究团队引入并发展了连续型油气聚集理论，2009起先后几次出版了“非常规油气地质学”相关中英文论文和教材，基本构建起了非常规油气地质学科的理论框架.本文叙述了非常规油气地质学的产生背景，主要介绍了研究团队关于非常规油气地质学的理论技术进展和国内生产应用的思考和实践，展望了非常规油气革命路径及超级能源盆地多能协同发展，以期与同行学者共同努力，更好共同推动非常规油气学科进步和工业持续发展.

1.   非常规油气地质学的产生背景

1.1   油气勘探开发发展趋势

世界油气工业的勘探开发领域，正持续从占油气资源总量20%的常规油气，向占油气资源总量80%的非常规油气延伸，进（近）源找油气成为勘探开发的主流趋势（图 1）.非常规油气突破，大幅增加了现实油气资源，推动了世界能源行业诸多重大转变，非常规油气在世界油气产量中的作用不断加强、地位不断提高.综合分析非常规油气变革，烃源岩内巨量资源是基本条件，颠覆性理论技术创新是关键要素，能源布局及政策保障是强力推手.2022年，世界石油产量为43.5×10⁸t，其中非常规石油约占15%，世界天然气产量为4.25×10¹²m³，其中非常规天然气约占25%.美国和中国是世界非常规油气规模快速发展的两个大国.2022年美国非常规油气产量为11.26×10⁸t油当量，占油气总产量的76%，其中非常规天然气约占天然气总量的83%（其中页岩气产量为8069×10⁸m³）、非常规石油约占石油总量的53%（其中页岩层系石油产量3.99×10⁸t）.2022年中国非常规油气产量超过1×10⁸t油当量，占油气总产量约28%，其中非常规天然气约占天然气总量的41%，非常规石油约占石油总量的17%.2022年中国致密砂岩气产量579×10⁸m³、页岩气产量240×10⁸m³、煤岩气产量96×10⁸m³，页岩层系石油产量约1600×10⁴t、油页岩油150×10⁴t、油砂稠油1700×10⁴t.目前非常规油气开发已深入到烃源岩内部，正逼近物理方式采油采气的技术极限；烃源岩内部加热化学转换有望成为下一轮油气革命的关键，地下大面积富有机质页岩和煤岩是以化学方式革命的主要对象，是石油工业化石能源发展的终极方向.

1.2   油气地质学科发展趋势

2.   非常规油气地质学理论技术

2.1   基本概念及主要特征

图  2  常规-非常规油气资源形成分布与关键技术

图  3  常规与非常规油气资源有序聚集

表  2  非常规油气地质学与常规油气地质学、常规-非常规油气地质学的学科理论体系区别

2.2   地质理论体系

非常规油气地质学理论内涵是以大面积连续型“甜点区（段）”评价为核心，重点研究细粒沉积、微纳米级储层、油气富集规律、产出机制、评价方法、发展战略的油气地质理论，是传统石油地质学的创新和发展，为现代矿床学的一个分支学科.10余年间，研究团队通过构建非常规细粒沉积学、非常规油气储层地质学、非常规油气成藏地质学、非常规油气开发地质学、常规-非常规油气有序“共生富集”发展战略等5方面学科内容，基本形成了非常规油气地质学理论体系框架.

非常规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基础学科（图 4）.陆相敞流湖盆大型浅水三角洲砂体、湖盆中心砂质碎屑流沉积、海陆相富有机质页岩细粒沉积、陆相细粒重力流沉积等研究新进展，为盆地中心储集体形成和分布提供了理论依据.敞流湖盆浅水三角洲沉积模式，明确了以河流作用为主的浅水湖泊中，三角洲平原及前缘水下分流河道较发育的储集体分布方式；陆相深水砂质碎屑流理论，是对现行经典浊流理论的部分否定与补充，明确了深水砂体是很多深水盆地中砂质碎屑流的产物；提出了四川盆地南部及邻区晚奥陶—早志留世半深水—深水陆棚富有机质页岩沉积模式，揭示了五峰—龙马溪组岩相古地理与富有机质页岩成因机理，为海陆相富有机质黑色页岩的分布预测提供了依据；建立了陆相湖盆细粒沉积岩四端元分类体系，提出了陆相坳陷湖盆和断陷湖盆细粒重力流沉积模式（图 5），湖盆细粒沉积主要受陆源碎屑岩、内碎屑化学岩、空落火山灰、盆底热液等多因素共同控制，为陆相页岩层系细粒沉积岩的分布预测提供了依据.

图  6  常规-非常规油气储层孔喉结构与油气聚集类型

常规-非常规油气“共生盆地”是指富油气盆地内，常规油气与非常规油气共生伴生、“有序聚集”，遵循接续找油思路、协同发展理念，可最终实现常规-非常规油气资源有序发展、协同开发的发展战略.含油气盆地中，常规油气和非常规油气有序“共生富集”，“共生”强调常规和非常规油气的客观自然形成分布规律，“富集”强调始终有寻找常规和非常规油气“甜点”或“甜点区”的主观地质勘探使命，“有序”强调研究和利用常规和非常规油气，需协调处理好客观规律性与主观能动性之间的关系，充分认识常规和非常规油气在时间演化、形成序次、聚集机理、空间分布和找油思想5层有序内涵，坚信客观规律可以主观认知，坚持资源战略，坚定发现信念，坚定开发决心，超前研发理论技术，可以实现更好发掘剩余油气资源的潜力和价值.常规-非常规油气有序“共生聚集”，关注所有富有机质岩石、全种类储集空间和全类型油气资源，明显不同于“源控论”“含油气系统”“源储共生系统”等局限关注常规圈闭油气或非常规连续油气的找油气思路.立足含油气盆地自然或人工条件下所有烃类资源的地质地面条件，勘探主要目的是寻找“甜点”或“甜点区”，最终谋求常规-非常规油气的整体发现；开发主要目的是形成流体压差、建造“人工油气藏”，最终谋求常规-非常规油气的极限开采；战略主要目的是建立支持体系和发展模式，最终谋求常规-非常规油气的协同发展.常规-非常规油气“共生盆地”发展战略，突破了传统只专注常规或只专注非常规油气的思路，为新时期全方位利用油气资源提供了新的战略方案.大型常规-非常规油气“共生盆地”，是世界油气工业可持续发展的主要领域，预计鄂尔多斯、四川盆地等大型“共生盆地”将在中国油气工业未来发展中具有重要地位.

2.3   关键技术研发

非常规油气勘探开发关键技术研发主要集中在实验分析、勘探评价和开发工程3个方面，近年来在陆相页岩油技术研发方面取得较大进展.（1）非常规油气关键实验技术.主要包括数字岩石智能化定量评价、综合矿物分析、孔隙-裂缝多尺度融合-演化模拟、微纳米孔烃类赋存地球化学表征、有机质原位高分辨率定量分析、可动流体核磁共振分析、地层条件流体相态分析、微纳米尺度流体流动模拟、成岩物理模拟与孔隙保持评价、岩石薄片智能鉴定技术与系统等关键技术.目前数字岩石智能评价技术，实现从米到纳米“9”个数量级融合，集成了致密储层跨尺度微-纳米级孔喉、裂缝表征方法，尤其是微纳米孔喉系统连通性评价方法，建立了三维数值模型和标准图版，为有利致密储层预测提供了方法支撑.（2）非常规油气核心勘探评价技术.主要包括三项关键技术：一是由基于数字岩心的饱和度建模技术、基于各向异性模型的地应力评价技术、基于岩性校正的岩石脆性测井评价技术等组成的高分辨测井预测甜点段技术，二是由相控地质统计学反演、黄土塬三维地震“炮振混采”、三维地震资料建模、天然裂缝预测、全生命周期地震监测等组成的高精度地震预测甜点区技术系列，三是由资源分级评价、甜点段及最优靶层评价、甜点区综合评价、可采储量评价、地质工程甜点综合评价等组成的甜点区（段）“6特性”综合评价技术.目前长庆等多个地区应用地质工程甜点段综合评价技术，甜点段储层钻遇率可达90%以上.（3）非常规核心开发工程技术.主要包括非常规体积开发理论与评价、大平台-井工厂开发、长水平段水平井优快钻井、水平井一趟钻、水平井旋转导向、高性能钻井液与体积压裂、顶部驱动与安全下套管、井网优化部署、非常规油气藏全生命周期管理、二氧化碳捕获利用及埋存（CCUS）、超前能量补充、合理排采生产制度、油气井裂缝及产能监测、页岩及煤岩原位转化油气等关键技术.（4）中国特色陆相页岩油关键技术攻关.重点从6个加快评价入手，即加快评价页岩油经济技术可采储量，加快评价页岩油甜点区和甜点层，加快评价单井最终可采储量（EUR）、平台EUR和开发区EUR，加快评价科学的压裂液体系，加快评价生产学习曲线，加快评价低成本的工程技术.中国中高成熟和中低成熟两大类页岩油理论技术体系正在加快形成，利于推动实现陆相页岩油革命和油气工业可持续发展.

常规-非常规油气勘探开发关键技术展望.（1）源控论及源储共生系统评价方法.核心是围绕源岩层系，常规油气勘探开发遵循“源控论”，非常规油气遵循“源储共生系统”地质认识，深刻认识常规-非常规油气地质规律.（2）常规-非常规油气共生盆地物理及数值模拟技术.主要包括构造岩相古地理重建与主力源储层系分布评价、源岩层系成烃-成岩-成藏过程物理-数值模拟、常规-非常规油气有利成藏组合地球物理评价预测、常规-非常规油气共生盆地地质-地球物理建模、常规-非常规油气剩余资源与区带目标评价等关键技术.（3）地质工程一体化评价技术.针对含油气单元（区带或区块）内常规油气和非常规油气资源，以常规油气“圈闭群”和非常规油气“甜点区”评价识别为基础，以“圈闭群”高产稳产和“甜点体”累产稳产为目标，以“逆向思维设计、正向作业施工”为工作指南，坚持地质设计与工程实践一体化组织管理，做好“圈闭群”评价优选及“甜点区（段）”评价刻画、“油藏群”整体动用及“人工油气藏”制造开发两项工作，最终把蓝图设计转化为工程实施作业、转化为规模效益产量的系统工业过程.（4）多井平台式“工厂化”生产模式.对不同层系、不同类型的常规与非常规油气资源，按照大平台布井方式，集中部署一批井身结构、完井方式不尽相同的井，采用标准化、模块化的技术装备，以流水线作业方式进行数口井的钻井、完井、返排、生产同步作业，实现常规、非常规油气高效发展或二者同步整体经济开发.

非常规油气地质学理论，是对经典石油天然气地质学的重大突破，为中国乃至世界油气从常规向非常规战略发展提供了理论指导，促进了非常规油气针对性的勘探开发实践，对坚定资源信心、加强实践应用和端牢能源饭碗，具有重大的科学价值和经济意义.实现非常规油气革命，需要依托“理论、技术和管理”三个创新的深度融合.理论上突破圈闭型“油气藏”理论，建立连续型“甜点区”理论；技术上突破直井自然渗流开采方法，建立水平井压裂平台式技术；管理上突破科技管理市场分界围墙，建立一体化最优降成本模式.

3.   非常规油气地质学实践应用

3.1   研究实践

非常规油气地质学理论技术，引领推动了非常规油气地质学科完善发展、国家行业标准制定、国家实验室建设和专业人才培养.10余年间，依托国家“973”计划、国家油气重大专项、国家高层次特殊人才支持计划等科研项目，研究团队取得一系列成果：一是出版了《非常规油气地质学》（中、英文版），被认为是第一本综合对非常规油气勘探开发潜力进行判断、分类和评价的专著，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》《Continuous hydrocarbon accumulation over a large area as a distinguishing characteristic of unconventional petroleum：The Ordos Basin》《中国油气储层中纳米孔首次发现及其科学价值》《纳米油气与源储共生型油气聚集》《“进源找油”：源岩油气内涵与前景》《常规-非常规油气“有序聚集”理论认识及实践意义》《论常规-非常规油气有序“共生富集”——兼论常规-非常规油气地质学理论技术》等一批有代表性的学术论文，基本形成非常规油气地质学科的理论体系框架.二是制定和颁布了一系列有规范性的国家行业标准，包括《页岩气地质评价方法》《致密砂岩气地质评价方法》《致密油地质评价方法》《页岩油地质评价方法》等4项国家标准.三是倡导并致力实验基地建设与专业人才培养，主持建成“国家能源致密油气研发中心”，推动“国家能源页岩气研发（实验）中心”发展，推进非常规油气云数据智慧平台建设，在中国石油勘探开发研究院研究生部开设“非常规油气地质学”研究生必修课程，在石油系统内外培训和传播非常规油气理论与实践新成果，培养了一大批从事非常规油气理论与实践的专门人才.

3.2   生产应用

非常规油气地质学理论技术，有效推动和支撑了中国致密油和气、页岩油和气等非常规油气资源的工业勘探开发.10余年间，非常规油气地质理论技术的传播和应用，支撑了致密砂岩气、页岩气、致密油等的战略突破和页岩油的科学探索，非常规油气已基本实现工业化规模发展（图 8）.一是非常规天然气已实现整体规模快速发展.非常规天然气2022年产量915×10⁸m³，占全国天然气总产量的41%.致密砂岩气规模发展，实现了从圈闭型砂岩气藏到连续型致密砂岩气的关键转变，已形成以鄂尔多斯盆地苏里格、四川盆地须家河组为代表的多个万亿方、千亿方级大气区，2022年产量579×10⁸m³；页岩气快速发展，实现了从“铁板一块”的页岩到页岩气革命，已提交探明地质储量2.89×10¹²m³，在奥陶系五峰组-志留系龙马溪组发现了涪陵、长宁、威远等多个千亿方级海相页岩大气田，新近在四川盆地筇竹寺组海相页岩获得重大发现，是全球首次在距今5.4亿年的寒武系古老页岩地层钻获具商业开发价值的高产工业气流，此外多口井在四川盆地二叠系吴家坪组、大隆组也试获了工业页岩气流，新层系海相页岩气勘探取得重大突破，2022年全国页岩气产量240×10⁸m³；煤岩气持续发展，实现了从高煤阶气向低煤阶气、中浅层气向深层-超深层气的重要突破，尤其是近年来鄂尔多斯盆地中东部等多个区带深层煤岩气勘探评价和开发试验取得重大进展，水平井分段压裂规模开发见到成效，目前已形成鄂尔多斯盆地、沁水盆地等生产基地，2022年煤岩气产量96×10⁸m³.二是非常规石油工业起步和探索已迈出实质步伐.非常规页岩层系中高成熟度石油风险勘探及试验开发和中低成熟度石油科学研发平行探索.针对中高成熟源内页岩层系石油，长庆、新疆、大庆、胜利、大港、青海等成熟探区积极探索利用水力、气体等体积压裂技术，初步解放了较粗粒径页岩层段裂缝-孔隙型石油资源，多层系页岩段取得重要突破，实现了从未成熟油页岩向成熟页岩层系石油的重要转变；截至2022年底，在鄂尔多斯、准噶尔、松辽等盆地发现多个规模储量区，正在建设鄂尔多斯盆地陇东、准噶尔盆地吉木萨尔、松辽盆地古龙、渤海湾盆地济阳等国家级页岩层系石油示范区/基地.针对中低成熟富有机质页岩层系，巨量油气资源决定于尚未转化有机质的生烃潜力和已生成尚未排出的滞留烃数量，研究发现地下原位水平井电加热转化可能是有效的技术路径.中国陆相富有机质页岩及富油煤岩原位转化油气资源，主要分布在鄂尔多斯、松辽、准噶尔等盆地陆相页岩层系，初步评价地下原位转化石油技术可采资源量（700~900）×10⁸t，富油煤转化石油资源约500×10⁸t、气资源量约75×10¹²m³.推动富有机质页岩及富油煤岩地下原位转化率先在中国探索并有望实现商业化突破，对国内石油稳产上产和技术升级换代具战略意义.

图  8  中国不同类型非常规油气资源有利区分布示意图

图  9  中国非常规源岩油气和致密油气理论认识、关键技术和战略定位

图  10  超级盆地能源利用示意图

4.   结语