非常规油气概念、特征、潜力及技术——兼论非常规油气地质学
2013-09-23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
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）
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1.0×108t；20世纪20—50年代，石油地质由找油苗露头转入地下，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51.9×108t；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70×108t（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]。由于找油气理论、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]。
图1 全球油气工业及理论技术发展历程
中国油气工业发展已进入以常规油气为主的储产量连续增长“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 5×108～10×108t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 1×10-3μm2。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）。
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：
其中：
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]。
图3 油气聚集孔喉结构与聚集类型
表1 关键参数取值表
纳米级孔喉系统导致储集层致密、物性差，一般孔隙度小于 10%、渗透率为 10-6×10-3～1×10-3μm2，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0.63×10-3μm2，山1段平均孔隙度7.04%、渗透率为0.38×10-3μm2（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10-4×10-3μm2，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
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”。
2.2.6 开采特征
非常规油气储集层致密，一般无自然工业产量，需采用人工改造、大量钻井、多分支井或水平井等针对性的开采技术提高产能，主要具有8大开采特征：①油气连续性区域分布，局部发育“甜点”；②无统一油气水界面，产量有高有低；③开发方案编制主要基于油气外边界确定和资源预测；④典型的“L”型生产曲线（见图 4），第 1年递减率超 50%，长期低产稳产；⑤需打成百上千口井，没有真正“干井”；⑥采收率较低，一次开采为主，靠井间接替；⑦以水平井体积压裂与平台式工厂化生产为主；⑧没有地质风险，但效益有高低。
一般非常规致密储集层水平井体积压裂后，全生命周期油气生产可分为4个阶段，可用公式（5）进行计算：①高产期，即图4中A区，油气主要产自“人工”压裂缝网，流体主要以达西渗流为主；②产量递减期，图4中B区，油气主要产自“甜点区”，流体以达西与非达西渗流为主；③低产低效期，图4中C区，油气主要产自微米—纳米级孔隙，流体以滑脱流动为主；④低产无效期，图4中D区，油气主要产自纳米级孔隙，流体以解吸、扩散流动为主。
图4 非常规油气开采“L”型生产曲线图
其中：
独特的开采特征，决定了非常规油气开采追求累计产量、实现全生命周期的经济效益最大化、生产区油气产量稳定或增长主要通过井间接替实现（见图5）。
图5 全球非常规油气项目生命周期
2.3 非常规与常规油气区别
通俗称非常规油气资源是指常规技术不能经济开采地层中难以自然流动的油气；常规油气资源是指常规技术能够经济开采圈闭中易于自然流动的油气。常规-非常规油气“有序聚集、空间共生”，非常规油气资源普遍分布，圈闭中聚集的常规油气资源是其中富集“甜点”，分布局限。非常规与常规油气本质区别为油气是否明显受圈闭控制、单井是否有自然工业产量。
常规油气研究核心是回答圈闭有效性及“圈闭是否成藏”，重点评价“生、储、盖、运、圈、保”6要素匹配关系；勘探目标是寻找含油气圈闭边界；开发追求油气藏长期高产和稳产；工作关键是编制圈闭平面分布图、油气藏剖面图和圈闭要素表的“两图一表”（见表3）。随技术方法进步，可推动非常规油气向常规油气转化。非常规油气研究核心是确定储集层有效性及“储集层是否含油”，重点评价“岩性、物性、脆性、含油性、烃源岩特性与应力各向异性”6性及其匹配关系；勘探目标是寻找“甜点区”和富集段，确立连续型或准连续型油气区边界；开发追求初期高产与长期累产；工作关键是编制出成熟烃源岩厚度平面分布图、储集层厚度平面分布图、储集层顶面构造图和核心区评价表的“三图一表”。
表3 非常规与常规油气主要区别
3 非常规油气发展现状与资源潜力
3.1 非常规油气发展现状
21世纪以来，在纳米孔喉系统“连续型”油气聚集的地质理论创新、水平井体积压裂“人造渗透率”技术创新、多井平台式“工厂化”低成本开采开发模式创新“三大科技创新”推动下，全球非常规油气勘探开发取得了一系列重大突破。
致密气已成为非常规天然气发展的重点领域，目前全球致密气产量约占非常规气产量的 75%。美国已在 23个盆地发现了 900多个致密气田，可采储量5×1012m3，生产井超过 1×105口，2012年产量达1 630×108m3，约占美国天然气总产量的24%[20]。中国在鄂尔多斯盆地上古生界、四川盆地须家河组、塔里木盆地库车东部及深层等发现了一批致密气田，已累计探明致密气地质储量3.6×1012m3，约占全国天然气探明储量的40%[21]；2012年致密气产量约300×108m3，约占全国天然气产量的28%。
煤层气已成为非常规天然气发展的重要领域，全球75个有煤炭储量国家中已有35个国家开展了煤层气研发，其中约半数进行了煤层气专项勘探和试验开采[22]。20世纪70年代末至80年代初，美国地面煤层气开采试验获得成功，并快速进入规模发展阶段，2012年煤层气产量达470×108m3[20]。加拿大、澳大利亚煤层气经过20多年探索，于21世纪初开始进入快速发展阶段，目前产量规模分别在80×108m3和50×108m3左右。中国煤层气经过近20年勘探与开采试验，2006年开始快速发展，2012年产量达到26×108m3。
页岩气已成为非常规天然气发展的热点领域。页岩气发现很早，1859年美国第1口天然气生产井就是页岩气井，但其长期被视为裂缝型气藏，发展一直很缓慢，直到2001年页岩气产量才达到103×108m3。进入21世纪，随着水平井和多段压裂技术进步与工业化应用，以美国为代表，页岩气开发利用进入快速发展阶段，2005年页岩气产量突破200×108m3，2010年突破 1 000×108m3，2012 年已达 2 710×108m3，约占美国天然气总产量的 40%[20]。目前中国页岩气研究与勘探开发已完钻各类页岩气井 60余口，24口井获页岩气流，其中宁201-H1井、来101井、阳201井3口水平井初期产量超过10×104m3/d，页岩气商业年产量超过3 000×104m3。
致密油已成为全球非常规石油发展的“亮点”领域。北美巴肯致密砂岩油是继页岩气突破之后的又一热点领域，致密油还被称为“黑金”。目前北美已发现致密油盆地19个，主力致密油产层 4套，如Bakken致密砂岩、Eagle Ford致密灰岩等，已探明可采储量6.4×108t，2012年产量已达 9 690×104t左右，约占美国石油总产量的22%[20]。
页岩油可能将成为全球非常规石油发展的潜在领域。页岩油是指赋存于富有机质纳米级孔喉页岩地层中的石油。石油原位滞留，基本未经历运移，与经过短距离运移的致密砂岩油和致密灰岩油不同。目前页岩油尚未获工业化生产。中国发育陆相富有机质页岩，已发现页岩纳米级孔喉系统和裂缝页岩油。北美海相页岩气突破的技术路线和成功经验，为中国陆相页岩油工业化突破提供了可能。
加拿大油砂、委内瑞拉重油也已实现大规模开发利用；油页岩、天然气水合物资源调查与开采试验也取得了重要进展。
据国际能源机构统计，2010年非常规石油产量已占全球石油总产量的3%左右，非常规天然气产量已占全球天然气总产量的 13%以上，非常规油气资源已成为全球油气供应的重要组成部分[6]。非常规油气资源的勘探开发突破具有 3大战略意义：①延长了石油工业的生命周期，突破了传统资源禁区和成藏理论，增加了资源类型与资源量；②引发了油气科技革命，推动整个石油工业理论技术升级换代；③改变了全球传统能源格局，形成以美洲为核心的西半球“非常规油气版图”，油气供给南北向流动，同时形成以中东为核心的东半球“常规油气版图”，输出油气向东流。
3.2 非常规油气资源潜力
常规的构造油气藏和岩性地层油气藏资源品质高，但总量较小，大约只占资源总量的20%，而重油、油砂油、致密油、致密气、煤层气、页岩油、页岩气、油页岩油、天然气水合物等非常规油气聚集资源总量远大于常规油气，大约占资源总量的 80%，但资源品位相对较差，对技术要求更高[15-16]。
3.2.1 全球非常规油气资源潜力
虽然目前全球剩余常规油气资源还比较丰富[7,16-28]（见表4），发展潜力还很大，但随着国际原油价格的走高和地区油气供需不平衡矛盾的加剧，非常规油气资源的勘探开发价值凸显。据美国联邦地质调查局（USGS）、美国能源部（DOE）、国际能源机构（IEA）等有关研究结果，全球重油、天然沥青、致密油、油页岩油和页岩油等非常规石油资源量约为6 200×108t，与常规石油资源量大致相当；全球致密气、煤层气、页岩气和天然气水合物等非常规天然气资源量近 3 922×1012m3，大约是全球常规天然气资源量的8.3倍[19,26,29-37]。
表4 全球常规油气资源分布[7,16-28]
①重油。全球重油可采资源量约为1 079×108t，主要分布于南美和中东地区，分别占全球重油资源量的76.3%和11.0%[19,30-31]（见表5）。委内瑞拉奥利诺科（Orinoco）重油带是全球最大的重油聚集区，重油分布面积达18 220 km2。据USGS 2009年最新评价结果，委内瑞拉奥利诺科重油技术可采资源量达 823×108t（约513×109bbl）[30]，较以往评价结果有较大幅度增长。据BP石油公司2012年统计，奥利诺科重油剩余探明可采储量达353×108t，加上常规石油储量，委内瑞拉剩余探明石油可采储量达463×108t，成为全球第一大石油储量国，比排名第 2位的沙特阿拉伯高出98×108t[7]。
表5 全球重油、天然沥青资源分布情况[6-7,19-20,22-31]
②油砂油。全球天然沥青或称油砂油资源可采资源量大约为1 066.7×108t，81.6%分布于北美地区[19]（见表 5）。加拿大阿尔伯达省是全球油砂最富集的地区，据BP石油公司统计，截至2011年底，加拿大油砂油剩余探明可采储量达275×108t，占其剩余总石油探明储量的 97%[7]。目前，加拿大是世界上唯一进行大规模、商业化油砂油生产的国家，2011年其油砂油产量大约为 0.9×108t[32]。
③油页岩油。全球油页岩的开发利用历史十分悠久，早在 19世纪后期就已开始油页岩油的生产，20世纪70—90年代还曾大规模开发利用，1980年高峰产量曾达4 700×104t左右[35]。目前，全球已发现600余处油页岩矿，油页岩油地质资源量约为4 540×108（t约3.14×1012bbl），折合可采资源量为 1 501×108t（见表5）。其中，美国油页岩油资源量为3 016×108t（约2×1012bbl），约占世界油页岩油资源的2/3，但美国始终未进行油页岩油的工业生产[33,35,38]。
④致密油。美国借鉴页岩气开发技术与发展经验，成功实现了致密油勘探开发突破，先后发现巴肯（Bakken）、鹰滩（Eagle Ford）、蒙特利（Monterey）等主要致密油产层，展示出良好的发展前景。2012年，IEA预测全球致密油剩余技术可采资源量为327×108t，其中北美、亚洲、拉丁美洲分别为 97×108t、70×108t和 50×108t，合计占全球致密油剩余技术可采资源量的66%[34]。
⑤致密气。全球致密气资源丰富，分布范围十分广泛，全球已发现或推测发育致密气的盆地约有70个，资源量约为209.6×1012m3[28]，亚太、北美、拉丁美洲、前苏联、中东—北非等地区均有分布，其中亚太、北美、拉丁美洲分别拥有致密气资源量 51.0×1012m3、38.8×1012m3和36.6×1012m3，合计占全球致密气资源量的60%以上（见表6）。
表6 全球致密气、煤层气、页岩气资源分布[28]
⑥煤层气。煤层气的开发利用已从最初的煤矿瓦斯抽排发展成为独立的煤层气产业。全球煤层气资源量约为256.1×1012m3[28]，主要分布在前苏联、北美和亚太地区的煤炭资源大国（见表 6）。目前，全球煤层气主要生产国是美国、加拿大和澳大利亚，2011年全球煤层气产量超过700×108m3。
⑦页岩气。全球页岩气资源量约为456×1012m3[28]，主要分布在亚太、北美和拉丁美洲，其页岩气资源量分别为 174.3×1012m3、108.8×1012m3和 59.9×1012m3，合计占全球页岩气资源量的75%（见表6）。北美是目前全球唯一已实现页岩气工业化开发的地区，美国页岩气产量占其总产量的比例 2012年已达 40%，预计2040年将升至50%[20]。
⑧天然气水合物。预测资源量为 2.8×1015～8.0×1018m3，天然气水合物资源量是所有已知化石燃料资源量的2倍多，大约为2.1×1016m3[36-37]，即使保守估计，全球天然气水合物资源量也达3 000×1012m3，发展前景非常大。
随着开发技术的不断进步，非常规油气在未来油气供应中的地位将越来越重要。据IEA 2011年预测，2035年全球非常规石油产量将超过5×108t、非常规天然气产量将超过1×1012m3[6]，届时将分别占石油、天然气总产量的10%和22%以上。EIA 2013年预测，2040年美国非常规天然气产量将达7 400×108m3，届时将占天然气总产量的79%[20]。
3.2.2 中国非常规油气资源潜力
与常规石油资源相比，中国非常规油气资源更为丰富，据估算，中国非常规油气可采资源量为890×108～1 260×108t（见表 7、图 6），大致是常规油气资源的 3倍。其中，非常规石油可采资源量约为223×108～263×108t，与常规石油资源量大致相当；非常规天然气可采资源量约为84×1012～125×1012m3，是常规天然气可采资源量的5倍左右，发展潜力很大[39-50]。
①重油。重油资源在中国一直被作为常规石油进行勘探开发。据评价中国重油地质资源量198×108t，技术可采资源量约19×108t，主要分布在渤海湾、准噶尔等盆地。经过近60年的勘探，已在15个盆地发现了近百个重油区，探明重油地质储量67.4×108t、可采储量 11×108t，2012年重油年产量超过 1 000×104t，已成为全国石油生产的重要组成部分。
②致密油。致密油在中国主要含油气盆地广泛分布，主要发育与湖相生油岩共生或接触、大面积分布的致密砂岩油或致密碳酸盐岩油。鄂尔多斯盆地三叠系长63—长7段、准噶尔盆地二叠系芦草沟组、四川盆地中下侏罗统、松辽盆地青山口组—泉头组等均发育丰富的致密油，勘探已获得一些重要发现，具有形成规模储量和有效开发的条件，初步评估中国致密油技术可采资源量约为 20×108～25×108t[42-43]。
表7 中国非常规油气资源量与探明储量
图6 中国陆上主要非常规油气有利区分布图
③油页岩油。据全国新一轮资源评价，全国47个盆地共有油页岩油地质资源量476×108t，可采资源量约120×108t，其中94%的资源分布在松辽、鄂尔多斯、伦坡拉、准噶尔、羌塘、茂名、柴达木等7个盆地中。但中国油页岩资源品位总体偏差，含油率大于5%的油页岩，其油页岩油可采资源量约81×108t，占全国油页岩油资源总量的 71%；含油率大于 10%的油页岩，油页岩油可采资源量约35×108t，仅占全国油页岩油资源总量的29%[38]。
④油砂油。通过对24个盆地中100余个油砂矿带的资源调查与评价，中国油砂油地质资源量约60×108t，可采资源量约 23×108t，其中 88%的资源分布在准噶尔、塔里木、羌塘、柴达木、松辽、四川、鄂尔多斯等 7个盆地中。中国油砂矿的品位总体更差，含油率大于6%的油砂，其油砂油可采资源量约11×108t，占全国油砂油资源总量的48%；含油率大于10%的油砂，其油砂油可采资源量只有 0.4×108t，仅占全国油砂油可采资源总量的2%[40]。
⑤页岩油。陆相盆地富有机质页岩以湖侵-水体分层模式为主，有机质主要顺层富集。页岩油在中国主要赋存于湖相页岩中，广泛分布于鄂尔多斯盆地延长组、准噶尔盆地二叠系、四川盆地侏罗系、渤海湾盆地沙河街组、松辽盆地白垩系、柴达木盆地第三系、酒西盆地白垩系、三塘湖盆地二叠系等层系。近年来，针对辽河西部凹陷沙三段页岩、泌阳凹陷核三段页岩等开展的钻探和试验成效明显。模拟实验和样品分析显示，页岩油的Ro值有利范围是0.8%～1.2%。初步估算中国页岩油技术可采资源量约为30×108～60×108t[12]。
⑥致密气。早在20世纪60年代，致密气在中国四川盆地川西地区就已有发现，但因技术不成熟，长期没有大发展。近年来，随着大型压裂改造技术进步和规模化应用，致密砂岩气勘探开发才取得重大进展，发现了以鄂尔多斯盆地苏里格地区、四川须家河组为代表的致密砂岩大气区，在松辽、吐哈、塔里木、渤海湾等盆地钻探了一批高产致密砂岩气井，这表明中国致密砂岩气分布广泛，资源相当丰富，据最新估算，中国致密砂岩气可采资源量约9×1012～13×1012m3[21,44-45]。
⑦煤层气。煤层气在中国经过近20年的发展，已初步形成了适合不同类型煤层气的勘探开发配套技术，山西沁水、辽宁铁法等地成功实现了工业化开采，鄂尔多斯盆地东缘、吐哈、准噶尔等盆地正在进行开发先导试验。中国埋深1 500 m以浅的煤层气可采资源量约为10.9×1012m3[41,46]。目前已累计探明煤层气可采储量2 731×108m3，2012年地面煤层气产量达26×108m3，开始进入快速发展期。
⑧页岩气。页岩气在中国的研究与勘探开发刚刚起步，资源潜力和有利区尚待落实。近年来，页岩气已在资源评价和核心区优选、水平井压裂等技术创新、工业化试验区建设等方面取得重大进展，并已成功实现了单井工业生产，证实中国具有发展页岩气的资源基础。初步估算，中国页岩气技术可采资源量约10×1012～25×1012m3[47-50]。中国页岩气规模化发展，还需突破理论关、技术关、成本关、环境关“四道关”，需要制定“加快‘核心区’评选、加大‘试验区’建设、加强‘生产区’规划”3步走路线图。
⑨天然气水合物。中国自 1999年开始启动天然气水合物资源调查专项，已先后在南海海域和青藏高原冻土区开展了天然气水合物资源调查，并于 2007年在南海北部神狐海域、2008年在青藏高原冻土区相继钻探获得了水合物实物样品。目前调查研究结果表明，中国天然气水合物技术可采资源量约50×1012～70×1012m3。
此外，中国在火山岩、变质岩、碳酸盐岩缝洞等非常规储集层中发现了大量油气，探明了一批大中型油气田，形成了规模生产能力，说明这些非常规油气也具有较好的发展前景。
3.3 非常规油气勘探开发战略
不同类型的非常规油气资源储集层性质、油气聚集特点和工艺技术要求不同，需分层次勘探开发。近年来，全球非常规油气勘探取得重大突破，以美国非常规油气、加拿大油砂和委内瑞拉重油最为典型，发展迅速，从早期突破的致密气、煤层气、油砂、重油，再到近年发现的页岩气和致密油。就北美而言，致密气、煤层气、页岩气是非常规天然气优先发展的领域，美洲的油砂、重油和致密油是非常规石油发展的现实领域。
北美海相非常规油气具有“面积大、分布稳定、热演化适中、地面条件好”等特点，Ro值为0.9%～1.3%，发育致密油、凝析油、页岩湿气与页岩干气4种类型。中国地质背景与国外差异较大，有一定特殊性，具有多旋回构造演化、陆相地层为主、岩相变化大等特点，主要体现在构造动力学背景、沉积环境、烃源岩分布、沉积物分选性、储集层非均质性、运聚机理和油气水关系等方面（见表 8），地面条件较差，这些决定了中国非常规油气开发不能照搬国外开发模式。
表8 中国与北美非常规油气发展层次对比
中国陆上立足常规油气领域实现增储上产，突破非常规油气领域形成战略接替。常规油气是产量稳步发展的基础，非常规油气是产量快速增长的主角，未来非常规油气产量将占总产量的 30%～40%。中国非常规油气发展可分为 3个层次：①加快致密气、致密油工业化速度，增储上产；②加大页岩气、煤层气、油页岩工业化试验区建设，尽快实现大规模工业化经济性开采；③加强天然气水合物和页岩油等基础理论研究与技术探索，力争形成接替资源。
4 非常规油气勘探开发核心技术
经过长期攻关与实践，目前已形成了一套能有效开发致密油气、页岩气、煤层气等非常规油气的核心技术。
4.1 地震储集层预测技术
非常规油气储集层一般具有类型多、纵横向变化大、非均质性强、油水关系复杂、纵波速度各向异性明显等特点，采用叠后储集层预测技术预测储集层多解性强。技术上，地震叠前储集层预测技术是包括非常规油气在内的一切复杂储集层预测的必要手段和关键技术[51-52]。
4.2 水平井钻井技术
与直井相比，水平井具有泄油气面积大、单井产量高、穿透度大、储量动用程度高、节约土地占用、避开障碍物和环境恶劣地带等优点，在提高单井油气产量和提高油气采收率方面具有重要作用，目前已成为非常规油气资源高效勘探开发的关键技术。随着水平井综合能力和工艺技术的发展，催生了多种水平井新技术，如大位移水平井、侧钻水平井、多分支水平井、羽状水平井、丛式水平井（PAD）、欠平衡水平井、连续油管钻井等[51,53-55]。
4.3 压裂技术
近年来，压裂规模从小型化向大型化发展，压裂层数从单层向多层发展，压裂井型从直井向水平井发展，形成了直井分层压裂、水平井分段压裂、重复压裂、同步压裂等多种压裂技术及配套工艺，成为非常规油气资源经济有效开发的核心技术，对非常规油气快速发展发挥了关键作用。目前压裂技术正向以下 3方面发展：①现有压裂技术不断发展与融合，如连续油管压裂、小井眼压裂、井下混配压裂等技术不断发展与完善；②压裂装备向大功率化、模块化、小型化、便携化等方向发展；③高效、低成本、环境友好的压裂技术将是未来重要发展方向，如正在试验的体积压裂改造、高速通道压裂等技术[51,56-58]。
4.4 微地震监测技术
微地震监测技术主要指在油气藏压裂、注水开采等生产过程中，利用压裂、注水诱发的类似天然地震、烈度很低的微地震现象，监测裂缝活动、油气生产层内流体流动等情况，为优化油气藏管理、致密储集层勘探开发提供决策依据的地震技术。它能实时提供施工产生的裂隙高度、长度、方位角、几何形状和空间展布等信息，以此来优化压裂设计、优化井网等开发措施，提高采收率。非常规油气增产、提高采收率以及储量有效动用与压裂作业效果密切相关，微地震监测技术是实时监测压裂效果的有效手段[51,59]。
4.5 平台式“工厂化”作业模式
平台式“工厂化”作业模式主要是基于井间接替策略，采用丛式水平井钻井、同步压裂或者交叉压裂的作业方式，在一个井场进行数十口井同步作业，节约土地、降低成本，突破了一个井场单井开采效益差的难题，为实现页岩气等非常规油气资源经济开发提供了高效运行模式。“工厂化”作业模式大幅减少了土地占用量、设备动迁次数和作业时间，在含油气层多口井控制范围内，整体产生更为复杂的裂缝网络体系，大幅度增加油气藏改造体积，提高初始产量和最终采收率；同时减少了地面管线与集输设备，降低了生产作业成本，增大了非常规油气资源经济有效开发的可能性。
伴随全球新科技革命的到来，生命科技、信息科技与纳米科技等交叉融合成为未来科技发展的主体，石油工业将进入纳米级科技时代，形成的关键技术有：①纳米油气透视观测镜，基于纳米CT重构三维储集层模型、三维地震透视等；②纳米油气驱替剂，最大限度提高油气采收率；③纳米油气开采机器人，应用于油气勘探开发关键过程；④纳米材料，将广泛应用于石油工业整个系统中。纳米、信息等技术将成为石油工业新的核心技术，油气智能化时代将随之到来。
5 非常规油气地质学
非常规油气地质学和非常规油气工业体系伴随实践而生。非常规油气地质学内涵是指研究非常规油气类型、形成机理、分布特征、富集规律、产出机制、评价方法、核心技术与发展战略的一门新兴油气地质学科。非常规油气地质学核心是研究储集层有效性及“储集层是否含油”，重点是研究“岩性、物性、脆性、含油性、烃源岩特性与应力各向异性”6性及匹配关系；而常规油气地质学的核心是研究“圈闭是否成藏”，重点是研究“生、储、盖、圈、运、保”6要素及匹配关系。
5.1 发展简史
早在1934年，Wilson B W提出的油气藏分类方案中就预测有非常规油气藏存在，但当时认为该类油气藏没有勘探价值[1]。直到20世纪80年代以来，随着石油地质理论的发展与工程技术的进步，致密气、煤层气、页岩气、重油沥青、致密油等才逐渐成为全球油气储产量增长的重要领域。1995年美国的 Schmoker等针对致密砂岩、煤岩、页岩等非常规储集层中油气大面积聚集分布、圈闭与盖层界限不清、缺乏明确油气水界面的特点，提出了“连续型油气聚集”的概念，这是非常规油气地质理论科学发展的重要标志和理论内核[1,8]。
5.2 研究内容
非常规油气类型多样，不同类型非常规油气的地质特征、聚集机理与分布规律既有共同之处，也有很大差异。大多数表现为源储共生、储集层致密、资源丰度低等特点，能否形成工业化油气聚集主要取决于是否发育大规模优质成熟烃源岩、是否形成大面积致密储集层。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。非常规油气平面分“甜点区”、含油气区和非油气区。
非常规油气地质学的研究内容主要包括以下 6个方面：①优质烃源岩的生烃潜力与空间展布；②大面积致密储集层微米—纳米级孔喉系统及其有效性；③岩性、物性、脆性、含油性、烃源岩特性与应力各向异性“六性”匹配关系；④油气充注次序、充注极限、流动机理；⑤富集段与“甜点区”的评价优选；⑥不同类型非常规油气资源潜力、发展策略与针对性技术。
非常规油气资源评价要明确连续油气分布边界、高产“甜点区”边界、储量产量经济边界。
5.3 研究方法
非常规油气地质学更加强调从宏观—微观—超微观不同级别尺度，研究非常规油气的形成机理、分布特征、富集规律与产出机制等。初步形成了“千米、米、厘米、毫米、微米、纳米”6个级别尺度的研究方法。
从千米—米级宏观尺度，运用遥感沉积学、数字露头学、层序地层学、地震储集层学、测井储集层学等相关学科知识，使用遥感图像解译、地层对比、地球物理预测等技术方法，开展沉积储集层区域演化模式与分布特征、沉积储集体三维空间展布特征等研究。
从厘米—微米级微观尺度，运用细粒沉积学、储集层地质学等相关学科知识，使用显微镜、工业CT、微米CT、扫描电镜等实验技术方法，开展细粒沉积物的沉积作用、成岩作用及演化过程等研究。
运用纳米技术与材料等学科知识，使用场发射扫描电镜、纳米 CT、聚焦离子束（FIB）等，开展纳米级孔喉结构、油气赋存与流动机制等研究，向“油气分子地质学”发展。
应用地震、测井、岩心实验分析等技术方法，研究岩性、物性、脆性、含油性、烃源岩特性与应力各向异性“六性”关系，综合评价非常规油气富集“甜点区”与集中段，为水平井设计和规模有效压裂提供依据。
5.4 研究意义
非常规油气大规模开发带来了油气地质认识、勘探开发技术与开采模式的重大变革，突破了传统常规石油地质学中许多认识，主要体现在 5个方面：①突破了储集层物性限制，致密岩石、烃源岩都可以形成有效储集层。②突破了盖层封堵限制，致密储集层本身具有盖层功能，水势能也能封堵。③突破了圈闭界限限制，大面积层状储集体可储存油气，圈闭界限不明显。④突破了运移动力限制，浮力作用不明显，生烃增压和毛细管压力差也可成为主要动力，通常遵循非达西渗流定律，油气水差异分布不明显。⑤突破了聚集区位限制，非常规油气主要分布在盆地中心、斜坡等负向构造单元。
非常规油气地质学研究的意义在于要用非常规思想，不断探索新理论、新方法、新技术、新管理，解决非常规油气勘探开发快速发展的理论技术和生产需求。非常规油气地质学发展对石油工业发展、世界能源格局重构、非常规思想形成都具有重要意义。
6 结语
常规与非常规油气具有“有序性、共生体”的规律，全球非常规与常规油气资源比例一般为 8∶2，开发利用非常规油气将成为必然选择。进入21世纪，致密油气、页岩气、油砂油、重油等非常规油气勘探开发取得战略性突破，非常规油气产量占全球总产量的比例已超过10%，成为全球油气供应的重要组成部分。石油工业正在形成常规油气与非常规油气两大工业体系，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。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”等非常油气工业体系。
“非常规油气地质学”发展不仅在于解决人类社会发展的能源需求，更重要的是培育非常规思维、引领非常规创新，使人类认识世界有非常规思想、改造世界有非常规方法、推动世界有非常规人才，形成“非常规哲学”。
符号注释：
J——总质量流量，kg/(s·m2)；b——滑脱系数，无量纲；r——基质孔隙直径，m；ρl——流体密度，kg/m3；μl——流体黏度，Pa·s；Dk——扩散系数，s/m；plz——折算压力，Pa；pl——流体平均地层压力，Pa；α——切向动量调整系数，取值 0～1；R——气体摩尔常数，J/（mol·K）；T——绝对温度，K；M——气体摩尔质量，kg/mol；pl——l相流体实际地层压力，Pa；g——重力加速度，m/s2；D——到基准面的折算距离，m；η——启动压力系数，无量纲；G——油相的启动压力，Pa；q——产量，m3/s；pe——初始地层压力，Pa；pw——井底流压，Pa；ζA、ζB、ζC、ζD——不同开采阶段的导压系数，m2/s；t——生产时间，s；tA、tB——不同阶段生产时间，s；te——达到经济开采界限的时间，s；S1、S2——人工压裂区、甜点区的渗流系数，(Pa·s)/m3；h——储集层有效厚度，m；rw——井筒半径，m；ϑ(t)、χ(t)——分段函数；δ1, δ2, δ3, δ4——生产阶段控制系数，无量纲；d——两条裂缝间距的一半，m；KF0——初始人工压裂裂缝渗透率，m2；mF——人工压裂裂缝渗透率应力敏感系数，无因次；wF——人工压裂裂缝宽度，m；pB——产量递减阶段平均地层压力，Pa；mB——“甜点”区地层渗透率应力敏感系数，无因次；xF——人工压裂裂缝半长，m；Ct——地层综合压缩系数，MPa-1；KB0——“甜点”区地层初始渗透率，m2。下标：l——地层流体，可为油或气；A，B，C，D——不同开采阶段序号。
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