非常规油气类型及成因

高原冰，孙平昌，李宝毅，刘 沣，徐银波

1. 吉林省有色金属地质勘查局六〇七队，吉林 吉林 132001；2. 吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061；3. 吉林省油页岩及共生能源矿产重点实验室，吉林 长春 130061；4. 吉林省国土资源厅，吉林 长春 130042；5. 中国地质调查局油气资源调查中心，北京，100029



非常规油气类型及成因

高原冰1，孙平昌2，3，李宝毅2，3，刘 沣4，徐银波5

1. 吉林省有色金属地质勘查局六〇七队，吉林 吉林 132001；2. 吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061；3. 吉林省油页岩及共生能源矿产重点实验室，吉林 长春 130061；4. 吉林省国土资源厅，吉林 长春 130042；5. 中国地质调查局油气资源调查中心，北京，100029

非常规油气藏在能源战略部署中的地位日益加重，勘探思维和开发利用技术是未来非常规油气勘探面临的重要挑战。综合国内外对非常规油气的定义和分布特征研究表明，非常规油气资源往往与常规油气资源共生，具备分布面积广、资源巨大，资源利用前景广阔的特点，同时也具有储集空间致密、矿体粘度大、开发难度大和开采成本高的不利条件。非常规油气藏根据源储配套关系、聚集方式、相态特征、储层类型和成因等分为多种类型，但无论何种分类方式，这些非常规油气与有机质存在着密切的关系，只不过随着有机质排烃、运移、成藏和后期改造而呈现出不同的类型。总体来说非常规油气藏主要有9种类型，其成藏的主要因素包括：优质的源岩、相匹配的有机质成熟度、有效的储集空间和良好的保存条件。科学的非常规油气藏分类和成因条件研究，将有效的促进其勘探开发。

非常规油气藏；概念；分类；成因条件

0 引言

随着世界经济的高速发展对能源依赖程度逐渐增加，现今国际油价从低谷逐渐恢复到高位，全球低碳行动的积极响应，促使传统油气走向新能源的重大变革成为必然趋势。但是在未来的相当长时间内，新能源还难以替代常规能源成为主流，世界的能源格局逐步形成石油、天然气、煤炭和新能源“四分天下”的发展时代［1-2］。在石油、天然气中非常规油气资源所占的逐步增加。非常规油气的勘探开发成为国际科研热点，但非常规油气资源因科学技术生产力的限制，面临10个挑战：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［1］。本文将在系统的资料收集和分析的基础上，对非常规的油气类型及成因进行分析。

1 非常规油气的概念

由于研究对象或者判别标准存在一定的差异，国内外学者赋予非常规的概念也存在一定的差异。早在20世纪70年代，美国学者主要依靠经济指标，将处于次经济和经济边缘的煤层气、页岩气等划分为非常规油气资源［3］；从开发角度将非常规油气定义为靠技术改造而获得经济产量的油气资源［4-5］；部分学者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［6-9］；Yergin（2012）认为非常规油气是在现有的技术开采条件下无法实现经济赢利，而无法依靠传统的开采技术开发的油气资源［10］；Harris Cander （2012）提出界定非常规油气的两个关键参数，即粘度和渗透率，认为其应该是在运用技术改变储层的渗透率或者流体的粘度，继而获得工业产能的资源［11］；国际石油相关学术组织（SPE、AAPG、SPEE、WPC）在2007年联合商定了非常规油气的概念，一致认为非常规油气资源形成于油气富集体系之中，具有面积大、受束缚且地下水动力对其影响较小的连续型沉积矿床［12］；在我国，关德师等（1996）在系统的非常规含油气系统剖析的基础上，认为非常规油气是“连续的”或“处于盆地中心”，同时缺少常规圈闭的资源［13］；赵靖舟（2012）综合国内外非常规油气研究成果和界定标准，将其定义为：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［3］；邹才能在系统分析各类非常规油气基本特征的基础上，赋予非常规油气明确的概念，且给予两个关键的判别标志和参数，其认为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。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：孔隙度小于10%；②孔喉直径小于1 μm 或渗透率小于1×10-3μm2［14］。

总体来说，非常规油气资源具备与常规油气资源共生、分布面积广，资源巨大、资源利用前景广阔，同时也具备储集空间致密或矿体粘度大、开采难度大、开采成本高的特点。

2 非常规油气类型

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。其划分依据主要包括聚集方式、源储配套关系、相态、储层类型以及成因等。

根据聚集方式，非常规油气可以分为准连续型和连续型两大类，前者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［1］。连续型非常规油气具有分布范围广、无明显圈闭，多为自生自储，多受有效源岩分布范围的控制，准连续型油气分布相对较为局限，受储层及相匹配的圈闭控制，但对储层的物性要求并不高，多低孔低渗即可成藏。但赵靖舟（2012）认为油砂和重油，以及少部分的致密油气为不连续型，其受圈闭-储层、油源、油气边界等多因素控制，而呈现不连续状［2］。

根据源储关系，可分为自生自储（源内油气）、近源油气和远源油气，自生自储的油气藏往往与富有机质的泥页岩或者煤层有关，主要包括页岩气、页岩油、煤层气以及未经排烃的油页岩；近源油气多在源岩顶底板致密砂层中成藏，主要含有致密油和致密气；前人多将重油、油砂油划分为远源油气行列，但笔者认为重油和油砂油多为后期改造成因，即可为近源油气改造，也可为远距离成藏的油气改造，并不能笼统的归为近源，同样天然气水合物也只能在事宜的地质条件中成藏，与源岩距离无关，因此，笔者将重油、油砂油以及天然气水合物划分为源距不清型油气藏。

按照非常规油气的相态进行划分最为直观，其主要依据非常规油气的粘度。如粘度介于0.001～0.3 mPa·s的非常规油气往往呈现气体，如天然气水合物、煤层气、页岩气、生物气和致密气等；粘度介于0.3～100 mPa·s的非常规油气往往呈现液体，如重油、致密油和页岩油等；粘度大于100 mPa·s的非常规几乎没有流动性呈现固体，比较典型的非常规油气包括油页岩和油砂（图1）。

按照储层类型划分包括多种，比较常见的泥页岩、油页岩、煤等富有机质的沉积岩，其形成的非常规油气特点为自生自储；此外还有致密砂岩、致密碳酸盐、火山岩和变质岩等。

按照成因可分为原生和次生型，原生型多是自生自储型非常规油气藏，

总的来说，无论从成因、相态还是从聚集方式对非常规油气分类，均表明这些非常规油气与有机质存在着密切的关系，只不过随着有机质排烃、运移、成藏和后期改造而呈现出不同的类型。

图 1 常规与非常规油气粘度与自然产能鉴别图（据文献［14］）Fig.1 Viscosity and natural capacity identify diagram of conventional and unconventional hydrocarbon

3 非常规油气成因

根据前面非常规油气特征及分类描述表明，不同类型的非常规油气的成因存在明显的差别。

3.1 天然气水合物

天然气水合物， 也称为气体笼形化合物，是天然产出的包裹天然气分子的刚性固体物质，笼形结构由氢键连接的水分子组成［15］，其主要分布于极地地区、深海地区及深水湖泊中（狄永军等，2003）。其主要成因分为2种。第一种为生物成因气，其进一步可分为3类：微生物成因（甲烷的R 值C1/（C2+C3）大于1 000 ， δ13C 值为-90 ‰～-55 ‰）；热解成因（甲烷的R值小于100，其δ13C值为＞-55 ‰）；混合成因则是介于以上两者之间［16］。第二种为非生物成因，如大洋中脊释放的甲烷，其δ13C 值为-18 ‰～-15 ‰［17］。

3.2 煤层气

煤层气，又称煤层甲烷，俗称煤层瓦斯，指自生自储于煤层中的气体，成分以甲烷为主，含少量其它气体成分［18］。煤层气主要分为生物成因气和热成因气。

生物成因气是指在相对低的温度（一般小于50 ℃）条件下， 通过细菌的参与或作用，在煤层中生成的以甲烷为主并含少量其它成分的气体。生物成因气的生成有两种机制， 即二氧化碳的还原作用和有机酸（一般为乙酸）的发酵作用［19］。按照生气时间和母质以及地质条件的不同，生物成因气有原生生物成因气和次生生物成因气两种类型，两者在成因上无本质差别。原生生物成因气是在煤化作用阶段早期，泥炭沼泽环境中的低变质煤（泥炭到亚烟煤）经细菌等有机质分解等一系列复杂过程所生成的气体［20］，但是由于煤变质程度较浅、孔隙有限、埋藏浅、压力低、吸附作用弱等原因，导致其大规模成藏前景不大。次生生物成因气的生成和保存需要满足六个条件：：①煤级为褐煤或褐煤以上；②煤层所在区域发生过隆起（抬升）作用；③煤层有适宜的渗透性；④沿盆地边缘有流水回灌到盆地煤层中；⑤有细菌运移到煤层中；⑥煤层具有较高的储层压力和能储存大量气体的圈闭条件［21］。

热成因气则是当温度超过50 ℃， 煤化作用增强， 煤中碳含量丰富起来， 而大量富氢和富氧的挥发分释放出来（去挥发分作用）， 其主要成分是甲烷、二氧化碳和水等（Ayers et al，1994）。热成因气一般分为早期阶段和主要阶段。Scott（1994）认为煤化作用早期阶段，从高挥发分烟煤（Ro介于0.5 %～ 0.8 %之间）中生成气体，即为早期热成因气［20］。在煤的Ro值介于0.7 %～ 1.0 %之间时生成的大量的甲烷和二氧化碳划分为主要阶段的热成因气［22-23］。

3.3 页岩气

页岩气是蕴藏于泥页岩中可供开采的天然气资源，具有储层致密低渗、自生自储式成藏的特点。和上述几种类型的非常规油气一样，页岩气可分为热成因和生物成因两类。页岩气源岩一般为沉积于静水缺氧环境中的暗色泥页岩；单层及累计厚度较大，可加薄层砂岩；有机质丰度相对较高，一般TOC大于2%；有机质类型则以I型或者II型为主；按照现在的开采技术，一般要求页岩气层埋藏深度不得大于3 000 m；有机质成熟度是控制有机质排烃的关键指标，一般在0.5%～3.0%之间；在低成熟情况下主要以生物成因气为主，随着成熟度的增加，热成因气所占的比例逐渐增加；具有相对较高的吸附气含量，一般体积分数大于50 %；早期裂缝为淡水淋滤提供通道，适合在埋藏较浅的区域形成生物成因型页岩气，后期的微裂缝为页岩气的储层和疏导提供一定的空间；同时要求泥页岩中具有较多的石英等适合压裂的脆性矿物［24-27］。

3.4 生物气

生物气是在低温条件下通过厌氧微生物分解有机物而生成的，以甲烷为主，含部分二氧化碳及少量氮气和其它微量气体组分［28］。其形成的场所主要有陆相沼泽、稻田、淡水湖的缺氧底层、洼地淤积、海湾、冰碛以及硫酸盐还原带之下的海相沉积物等［29］；河漫滩、河口湾环境也是良好的生物气发育场所［30-31］。生物甲烷气的形成途径主要有乙酸发酵和CO2还原两种类型。缺氧、贫硫酸盐、低温、富含有机质和适合的细菌活动空间是生物成因甲烷形成的必要条件［28］。生物气生成与其所处的沉积环境、古气候、有机质的类型和丰度、水介质性质、地质作用、沉积时间等众多因素密切相关，它们相互作用、相互制约，共同控制生物气的形成［32］。

3.5 致密气

致密砂岩气是指覆压基质渗透率小于或等于0.1 mD的砂岩气层，单井一般无自然产能或自然产能低于工业气流下限，但在一定经济条件和技术措施下可获得工业天然气产量。通常情况下，这些措施包括压裂、水平井、多分支井等［33］。大范围层状烃源岩、持续生烃与大面积致密砂岩储集体连片分布，是连续型致密砂岩气形成的有利条件，致密砂岩广泛发育的纳米级孔喉系统，孔径主体介于25～700 nm，包括粒间孔、粒内孔、晶间孔及粒间缝，共同构成纳米级孔喉网络，一方面决定了储层极低的渗透率（基质渗透率＜0.1 mD），开发过程中需人造渗透率以提高产能；另一方面限制了浮力在天然气运聚中的作用，气水界限不明确，天然气服从扩散原理，源储压差提供运移动力，总体近源聚集［34］。

3.6 致密油

致密油是指以吸附或游离状态赋存于生油岩中，或与生油岩互层、紧邻的致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集岩中，未经过大规模长距离运移的石油聚集［35］。在陆相盆地中存在多个生油凹陷可为致密油的成藏提供有利条件，并要求存在多套富有机质烃源岩（TOC＞1%），且处于生油阶段（Ro：0.9%～1.3%），在气/油比较高的情况下易于高产［34-35］。致密油的储层分为砂岩和碳酸盐岩，前者横向变化大，多呈现砂泥岩薄互层的沉积组合，而后者分布相对稳定，厚度较大。其主要的形成环境为季节性咸水湖碳酸盐岩层、前三角洲砂泥岩沉积体系以及深灰环境中的浊积岩沉积。

3.7 页岩油

页岩油是以游离（含凝析态）、吸附及溶解（可溶解于天然气、干酪根和残余水等）态等多种方式赋存于有效生烃泥页岩地层层系中且具有勘探开发意义的非气态烃类［36］，其为是泥页岩地层所生成的原油未能完全排出而滞留或仅经过极短距离运移而就地聚集的结果，属于典型的自生自储型原地聚集油气类型［37］。页岩油根据成因一般分为生物化学型和热裂解型两类。总体认为，沉积在深水环境中的厚层富有机质泥页岩为页岩油的良好源岩（TOC＞2%），易于产油的有机质类型（I-II1）适当的热演化程度（Ro：0.6%～1.3%）以及较好的基质物性条件、高异常的地层压力（压力系数0.99～1.80）、原地聚集或短距离运移等是形成页岩油的良好条件［36-38］。一般页岩油富集在盆地沉降-沉积中心和盆地斜坡带［37］.

3.8 重油/沥青砂

国际上通称的重油/沥青砂是指重度小于20°API的石油，以高密度和高黏度为特点［39］。重油的油藏类型多样，以非构造油藏为主，构造型油藏相对较少。一般重油油藏具有埋藏浅（平均埋深：370～990 m）、地层新（主要分布在中新生界），储层物性好（孔隙度一般为25%～30%，渗透率一般高于0.5～2.0 mD），原油性质特殊（高密度、高黏度、高凝固点、低饱和烃含量、含气量少、饱和压力低）。重油的形成一般包括以下几个要素：形成于构造斜坡、盆地边缘或凸起边缘；重油一般分为原生和次生两种来源，原生重油即为生烃过程中的先天性具有高密度、高黏度的早成熟或未成熟原油，次生重油则为原油运移工程中发生次生变化，使原油变稠，后者为主要的重油来源；重油的形成一般为原油经历运移阶段的稠变和聚集阶段的稠变，国内外普遍认为的稠变机制为生物降解作用、水洗作用、氧化作用和蒸发分馏作用［40］ 。

3.9 油页岩

油页岩（又称油母页岩）是一种高灰分的固体可燃有机矿产，低温干馏可获得页岩油，含油率大于3.5%，一般灰分质量分数大于40%，有机质含量较高，主要为腐泥型、腐殖腐泥型和腐泥腐殖型，其发热量一般不小于4.18 MJ/kg［41］。油页岩的有机成因可分为腐泥型（I）和腐殖型（II）；按环境成因可分为为拗陷湖成油页岩、断陷湖成油页岩和断陷湖泊—沼泽油页岩3种类型［42］。陆相油页岩形成的条件，深湖-半深湖环境、良好的保存条件、稳定的水体分层及较高的古湖泊生产力［43］。

4 结语

非常规油气藏的勘探开发为全球能源供给提供后备力量，也是我国重要的能源战略部署，其类型划分和成因理论研究将有效的促进非常规油气藏发现和开发利用。

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Classif cation and origination of unconventional hydrocarbon

GAO Yuan-bing1，SUN Ping-chang2，3， LI Bao-yi2，3，LIU Feng4，XU Yin-bo5
1. Team 607， Jilin Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau， Jilin 132001， Jilin， China； 2. College of Earth Sciences，Jilin University， Changchun 130061， Jilin， China； 3. Key-Laboratory for Oil Shale and Coexisting Minerals， Jilin University，Changchun 130061， Jilin， China； 4. Jilin Province Department of Land and Resources， Changchun 130042， Jilin， China； 5. Oil & Gas Survey， CGS， Beijing 100029， Beijing， China

The strategic position of unconventional hydrocarbon becomes more and more important. The challenges which we faced are exploration experience and exploitation technology. Combined the unconventional hydrocarbon defi nitions and their distribution， it refl ects conventional and unconventional hydrocarbon are always associated with each other. The advantage characteristics of unconventional hydrocarbon are wide dispread， huge amount of resources and broad prospects of resources utilization. However， the compact reservoir space， high viscosity， the diffi culty in the development and high cost are disadvantage features of unconventional hydrocarbon. Based on the relationship of hydrocarbon source rock and reservoir， accumulation pattern， phase state， the types of reservoirs and origination， the unconventional hydrocarbon can be divided into several types. Despite various types existed， the unconventional hydrocarbon has close relationship with organic matter. Along with expulsion， migration， accumulation and later reformation of hydrocarbon， the unconventional hydrocarbon shows different types. In general， there are nine types of unconventional hydrocarbon in the basins. The accumulation factors are including high quality hydrocarbon source rock， the corresponding maturity， the effective reservoir space and good preservation conditions. The scientifi c classifi cation and origination research of unconventional hydrocarbon would promote their Exploration and development.

unconventional hydrocarbon； conception； classifi cation； origination conditions

P618.13

A

1001—2427（2015）03 - 75 -7

2014-12-05；

2015-09-22

国家自然基金（41402088），中国博士后科学基金（2014M550174），吉林省科技发展计划（20150520070JH）

高原冰（1982—），男，吉林桦甸人，吉林省有色金属地质勘查局六〇七队工程师.