论非常规油气成藏机理：油气自封闭作用与分子间作用力

贾承造，庞雄奇，宋岩

（1.中国石油天然气集团有限公司，北京100724；2.油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；3.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；4.中国石油大学非常规研究院，北京102249）

0 引言

石油天然气是全球最重要的一次性化石能源，人类社会的生存和发展高度依赖石油工业对油气能源的供应。石油工业的生存发展是由资源、市场、技术和社会政治经济环境 4个要素决定的，其中油气资源是基础，而技术进步是最活跃、最关键的因素，石油工业的发展与石油科学技术的进步密切相关。

近年来，石油工业上游资源领域和理论技术研究发生了重大变化，非常规、海洋深水、深层/超深层油气勘探开发获得重大突破和快速发展，引领石油工业上游业务进入新领域，驱动上游地质理论和技术装备取得长足进步。特别是由于非常规油气成功开发，全球油气资源大幅增加，非常规油气开采的水平井和体积压裂等技术装备研发进展迅速，产量快速增长；同时，非常规油气开发所揭示的大量新资料对经典石油天然气地质学理论产生了重大突破，正在推动石油天然气地质学理论产生革命性进步。

1 非常规油气勘探开发的重大进展和理论意义

1.1 非常规油气勘探开发的重大进展

根据石油工程师学会（SPE）、美国石油地质学家协会（AAPG）、石油评价工程师学会（SPEE）和世界石油理事会（WPC）等国际石油组织机构2007年正式发布的非常规油气的定义：指大面积连续性分布，传统技术无法获取自然工业产能，需用新技术改善储集层渗透率或流动性才能经济开采的连续性油气资源，包括重油和油砂、致密油气与页岩油气以及煤层气、天然气水合物及油页岩等[1]。近十年来，非常规油气在全球油气产量中的作用和地位不断加强；继油砂、致密气和煤层气等资源有效规模开发之后，近年来美国“非常规油气革命”实现了页岩油气和致密油气产量的高速增长，推动非常规油气发展进入了全新阶段[2-6]。

勘探开发实践和新的全球油气资源评价证实，全球非常规油气资源丰富。据国际能源署（IEA）评价，全球石油可采资源量为9 560×108t，其中非常规石油4 210×108t；全球天然气可采资源量783.8×1012m3，其中非常规天然气195×1012m3[7]。据IEA预测，2040年全球非常规气产量将增至 2.5×1012m3，占天然气总产量约42%；其中页岩气 1.7×1012m3、致密气 0.46×1012m3[7]，同时全球非常规油产量将增至10×108t以上，占原油总产量约 20%；其中致密油与页岩油产量 5.1×108t，油砂油产量3.4×108t[7]。丰富的资源和不断进步的技术将支撑油气工业的长期稳定生产，为人类做出巨大贡献。

非常规油气勘探开发的快速发展揭示了大量的石油地质新资料和新信息，也推动了大量针对非常规油气地质的科学研究活动，这些新发现反映出非常规油气在石油天然气特征、富集规律、油气成藏模式与机理及开发机理方面不同于常规油气藏，对经典石油天然气地质学理论形成重大突破，产生了非常规油气地质学研究的新领域，推动了石油天然气地质理论进入新的发展阶段。

1.2 经典石油天然气地质学理论与常规油气浮力成藏机理

石油天然气地质学（Geology of Petroleum）是研究地壳中油气成因、成藏的原理和油气分布规律的应用基础学科，是油气勘探开发的理论基础[8-13]。经典的石油天然气地质学理论的核心内容可以概括为 4个方面，其中最重要的是油气系统理论与圈闭学说。

①盆地沉降沉积增温增压、有机质干酪根生烃与油气系统理论。沉积盆地沉积增温增压是油气生成与成藏的地球动力学背景，有机质干酪根生烃是油气的主要来源，含油气系统包括油气生成、运移、成藏、调整、改造与破坏的全动态过程与流体的温压环境及相互作用。

②岩石骨架、有效孔隙与可动流体构成的油气储集层理论。油气储集层由岩石骨架、有效孔隙及充注的可动流体构成。油气储集层物性由孔隙度和渗透率描述。渗透率受孔隙结构、流体相态和表面亲和性影响。地层压力指可动流体压力，是油气藏最重要的地质特征与产能指标，地应力场主要由岩石骨架承受。

③含油气盆地、区带、圈闭 3层次构造与油气藏分布理论。油气与含油气系统均赋存于含油气沉积盆地中。区带（Play或成藏组合）指储集层特征相似、空间相关的一批圈闭和油气藏，揭示油气藏空间分布的基本规律。圈闭是具有储集层和封堵条件的油气聚集场所，油气藏是油气分布的基本单元，具有统一的储集体、统一的压力系统与统一的油气水边界。

④储集层内部能量与物质守恒、储集层改造与油气开采理论。油气藏流体体积与能量变化遵循能量与物质守恒原理。由人工干预形成油气储集层不同部位流体压差，从而产生和控制流体流动是油气开发的基本原理。储集层渗透率、流体性质、人工干预效果是影响开发效益的主要因素。

1885年I.C.White在《Science》杂志上发表“The Geology of Natural Gas”一文，第一次系统地阐述了背斜油气藏理论，并成功地应用于勘探井位部署[14]。1934年McCollough正式提出了“圈闭学说”，认为圈闭需具备 3个条件，即储集层、盖层和遮挡条件，具有统一的油、气、水界面，储量严格按圈闭面积、闭合度、孔隙度等计算[9]。1956年 A.I.Levorsen在其所著的《Geology of Petroleum》中建立了较为完善的圈闭分类体系，将圈闭划分为构造、地层和复合圈闭[10]。圈闭学说指出储集层、盖层和遮挡条件是油气藏形成的必要条件，背斜是最简单特例，油气在圈闭中成藏是常规油气聚集的理论内核。

圈闭为什么能保存油气？常规油气藏形成与保存的机理是什么？由于含油气圈闭内部流体依照密度大小呈现气油水层的分异规律，以及盖层和遮挡都是油气运移上倾方向的封堵条件，表明浮力是油气运移和成藏的基本动力。人类对于油气在地下致密岩层内是如何富集起来的问题进行了长期的探索，直到1885年提出浮力成藏理论。经典石油地质理论认为深部烃源岩产生的多组分多相态含烃混合流体在生烃压力和毛管压力差等作用下被排出源岩（一次运移），进入常规储集层系统后，再在浮力主导下由盆地深部向浅部运移、自盆地中心向盆地边缘运移，最后聚集在中浅层各类圈闭之中（二次运移），当规模超过某一临界条件后构成具有商业意义的油气资源。

浮力成藏机制和圈闭控藏模式的提出使油气勘探有了明确方向和目标而不再依靠迷信和经验，走上了快速发展的科学道路；浮力成藏理论和圈闭学说揭示出浮力主导油气成藏受“生、储、盖、运、圈、保”等 6大要素的控制，并相继提出了源控油气理论、含油气系统理论等，它们构成了油气地质学的理论基础，成功指导了近百年来全球常规油气的勘探和开发。目前，全球已经发现的各类常规油气储量为9 016×108t，约占当前全球探明油气总储量的95%以上[15]。

1.3 非常规油气对经典石油天然气地质学理论的重大突破

自上世纪80年代以来，人类逐渐在盆地中心等曾经认为不可能形成油气藏的勘探禁区发现了与常规油气藏地质特征和分布特征完全不同的油气藏。近年来，随着页岩油气和油砂等非常规油气在北美获得成功开发，产量快速增长，非常规油气成为石油工业未来的主要接替资源之一，受到石油地质界的极大重视。众多学者和机构聚焦于非常规油气地质研究，取得了重大进展。USGS的 Schmoker[16]和 Gautier等[17]提出了“连续性油气聚集”概念（Continuous hydrocarbon reservoirs），系指具有较大空间展布范围且缺乏明显油气/水下倾接触界面的油气藏。并评价了致密砂岩气、页岩气等非常规天然气资源。Law等[18]提出了非常规油气系统概念；Loucks和Reed[19]利用场发射扫描电镜实验观测分析，表征了Barnett页岩储集层的有机质微观孔喉特征。2007年SPE、SPEE、AAPG、WPC在《油气资源管理系统》中定义了非常规油气资源相关概念[1]。一批中国学者引入和吸收国外非常规油气地质研究成果，取得了一系列居于国际学科前沿的重要研究成果。

勘探实践与地质研究已经总结了非常规油气藏的基本地质特征：非常规油气连续性聚集，大面积分布，没有明显的油气水圈闭边界；储集层致密（孔隙度4%～12%，渗透率小于 1×10-3μm2），微-纳米级孔喉系统发育，需水平井和压裂技术改造才能产出，是一种“人工油气藏”；多种相态共存（固、液、气相及游离态、吸附态等）；“近源”或“源内”都能成藏，源储一体、油气受层系控制、分布稳定、资源规模大；具有完全不同于常规油气的运聚机制和分布模式（见图1）。

图1 全球典型非常规致密油气藏剖面分布发育特征

非常规油气突破了经典石油天然气地质学中的许多认识局限，包括传统的含油气系统理论受到巨大冲击，主要体现在 5个方面：连续性油气聚集理论，层状储集体可储存油气，大面积连续分布，甜点富集，打破了传统圈闭成藏和区带富集的概念；致密储集层中发现纳米级孔喉系统，突破了传统的储集物性下限，发现了致密砂岩和页岩等非常规油气储集层新类型；非常规油气源储一体，不需要盖层封堵，突破了传统生储盖组合的概念；非常规油气聚集不受浮力作用主导，而在非浮力作用的影响下聚集成藏[20-21]，突破了含油气系统理论生运聚成藏的模式[5,12,22]；非常规油气分布主要受原型盆地生油岩层系控制，多数在盆地斜坡和中心，突破了盆地高部位富集油气的传统经验[5,12,20-21]。其中石油天然气地质学理论的核心——油气成藏理论，即油气的生成、运移、富集和保存机理，受到了重大挑战。目前理论发展的前沿主要是形成新的非常规油气成藏机理和含油气系统理论。

非常规油气理论研究对石油天然气地质学创新和世界石油工业发展具有重大战略影响，特别是对经典石油天然气地质学理论形成重大突破，有重大的科学意义。但是我们清醒地看到，目前非常规油气地质的研究成果主要集中在油气藏描述、富集和高产规律总结、区域沉积构造背景等方面，而对非常规油气成藏理论亟待进一步深入。

笔者对非常规油气的成藏模式与机理进行了系统调查与研究，对形成新的含油气系统理论进行了探索。研究技术路线是基于调研全球已发现常规和非常规油气藏特征差异研究非常规油气成藏机制与分布模式，首先分析北美已发现的常规和非常规油气藏形成条件和地质特征差异；再剖析中国代表性含油气盆地常规和非常规油气藏形成过程特征差异，对非常规油气藏进行分类，阐述不同类别非常规油气藏形成的动力特征、产状特征和成因机制；最后明确每一类非常规油气资源的形成条件、主控因素和边界门限，并基于实例剖析结果建立分布模式。重点从3个方面展开研究。

①研究油气组分特征对油气运移动力的影响，分析不同密度条件下油气运移动力和阻力差异，确定成藏的边界门限，重点研究固体沥青和稠油成藏动力机制与分布规律，阐明它们与常规油气藏之间的关联性和差异性。

②研究储集层介质条件对油气运移动力的影响，分析不同孔渗和不同岩性介质条件下油气运移动力和阻力差异，确定成藏的边界门限，重点研究致密油气藏、页岩油气藏和煤层气藏形成的动力机制和分布规律，阐明它们与常规油气藏之间的关联性和差异性。

③研究温压和氧化还原环境等条件对油气运移动力的影响，分析不同温压条件下油气运移动力和阻力差异，确定成藏的边界门限，重点研究天然气水合物成藏动力机制与分布规律，阐明它们与常规油气藏之间的关联性和差异性。

从上述 3个方面展开常规和非常规油气藏形成条件研究，分析它们成藏动力机制的差异性并总结基本模式，进而探索其形成的基本机理，形成新的概念和理论。经分析，笔者认为非常规油气成藏理论的前沿主要有两大问题，即非常规油气成藏机理和新的全油气系统理论。

①非常规油气成藏机理：常规油气藏与非常规油气藏性质与赋存特征存在很大差异，研究得出的普遍认识是成藏机理不同，常规油气是浮力作用成藏，非常规油气是非浮力作用成藏，那么什么是非浮力作用？其物理化学力的本质是什么？其微观动力机制是什么？非常规油气种类很多，成藏地质条件与油气相态差异极大，它们成藏是否有共同的机理，这种机理是什么？

许多学者已经从不同的角度研究了非常规油气成藏机理，并提出了不同的成藏模式，包括：储集层相对渗透率变化的成因模式[28]、成岩作用变化的成因模式[29]、毛管压力封堵成因模式[30]、断层对油气侧向封闭成因模式[31]、深层异常高压流体形成非常规油气藏模式[32]、不同阶段非常规油气藏成因模式[33]。值得注意的是，非常规油气成藏理论研究的显著进展是 Pang等[34]提出了浮力成藏下限概念并在勘探实践中得到检验，这一概念清晰地阐述了常规油气藏与致密连续型油气藏之间的差别与联系，常规油气藏形成于浮力成藏下限之上的高孔渗介质内，具有“四高”和“源藏分离”等特征；非常规致密油气藏形成分布在浮力成藏下限之下的低孔低渗介质内，具有“四低”和“源藏紧临”等特征（见图2），浮力成藏下限概念的提出和控藏模式的建立是非常规油气成藏模式研究的重要进展。宋岩等发现和总结了中国中西部致密油“启动压力启动、压差推进、阶梯状大面积充注与裂缝优势通道快速运移并存、优势缝-孔耦合空间富集”成藏与富集机理[35]。

图2 浮力成藏下限概念模型及其对常规和非常规油气藏形成分布的控制作用[25,34]

笔者在勘探开发实践和科研中发现，非常规油气藏具有“自封闭作用”，即它们在储集层中富集保存成藏，并不需要圈闭盖层封堵，油气藏仅依靠自身得以长期保存，并发现油气自封闭作用的原理是油气分子间作用力。油气分子在地质条件下受到多种力的作用，包括浮力（重力）、分子间作用力、地应力、电磁力等。在常规油气藏中浮力（重力）是决定性的力，在非常规油气藏中分子间作用力是决定性的力。而由于油气物理化学特性，特殊储集层介质条件及特殊温压环境的不同，分子间作用力表现为多种形式，自封闭作用也呈现多种类型。非常规油气成藏机理是油气分子间作用力产生的自封闭作用。

②全油气系统理论：油气系统理论是经典石油天然气地质理论的重要组成部分，它科学地概括了常规油气在含油气盆地内生成、运移和聚集的规律。贾承造指出：非常规油气被大规模发现之后，勘探实践证实传统油气系统理论存在重大缺陷，需要发展新的全油气系统理论（Whole petroleum system），它将全面概括描述含油气盆地所有油气资源，包括常规油气和非常规油气的生成、运移、聚集保存与富集分布规律，统一传统常规和新兴非常规油气地质学[36-37]。他揭示了准噶尔盆地二叠系“全油气系统中常规—非常规油气序列成藏规律”（见图3），还总结了中国陆相含油气盆地的准噶尔盆地二叠系油气系统，鄂尔多斯盆地延长组油气系统，松辽盆地白垩系油气系统等3种序列成藏模式[36-37]。庞雄奇等不仅发现了含油气盆地存在浮力成藏下限，而且还发现了油气成藏底限、源岩供烃底限[38]，依据这3个动力边界将含油气盆地划分出3个不同的动力场，从机制上揭示了3个动力场与3类油气资源之间的关联性，建立了常规油气藏与非常规油气藏统一成因模式[34]。

图3 准噶尔盆地西部二叠系全油气系统常规油-致密油-页岩油气序列成藏模式[36-37]

2 非常规油气自封闭作用成藏机制与分子间作用力

2.1 油气自封闭作用与分子间作用力的概念

自封闭（Self-sealing）最早由 Facca和 Tonani于1967在 Bulletin Volcanologique杂志发表的“The Self-sealing Geothermal Field”一文中提出[39]，系指在干热岩矿藏顶部的散热过程中由于硅的沉积和沉淀使盖层散热的自封闭性变好而保护干热岩矿藏形成的一种地质作用。“自封闭”这一概念被1993年科学出版社出版的、全国自然科学名词审定委员会公布的《地质学名词》一书收录。Self-sealing目前被不同领域的专家学者用来概指在地层温压变化及地下流体共同作用下使岩体发生重结晶和再胶结，最终封闭或封堵盖层之下储集岩体内流体的地质作用，它使地下流体与盖层之外失去联系后构成相对独立的流体单元或成藏单元。这一概念被油气地质领域专家们用来表示油气通过上覆盖层时形成次生矿物或引起黏土矿物变化而堵塞了微渗漏孔隙提高了盖层封油气能力[40]，盖层内部的沉淀作用增强了盖层的有效性[41]。也有学者依此概念研究岩溶自封闭作用，将岩溶发育和封闭相对较好区称之为自封闭成藏区，而将岩溶发育较差区称为岩溶自封闭岩障区[42]。显然，这一类“自封闭”作用是目标岩体外围产生了相对致密部分，并对其高孔渗部分形成类似盖层的封堵能力。本文用这一概念表征的是所有非常规油气自封闭成藏作用，将其定义为非常规油气在沉积盆地内由于自身特殊的物理化学特性或在特殊储集层介质条件和特殊温压环境共同作用下，依赖油气自身内部或油气与储集层介质界面之间的分子间作用力，不依赖储集体之外的圈闭等上倾封堵条件，与外界隔离并独立成藏富集保存的地质作用。这是一种全新的“自封闭作用”概念。非常规油气自封闭成藏通常具有 3个方面的地质特征：①非常规油气自封闭作用因油气内部或其与周边介质的分子间作用力而产生，因油气运移阻力远大于浮力而导致非浮力主导油气聚集成藏；②非常规油气自封闭作用发生在非常规油气藏内部，而不是在其外部或边缘；③非常规油气自封闭成藏作用是动态的和相对的，发生在非常规油气藏形成与保存过程中，并随形成条件发生重大变化而破坏或逐渐消失。

分子间相互作用力又称范德华力（Van der Waals force），是存在于中性分子或原子之间的一种弱碱性的电性吸引力。油气水流体分子间、及流体与储集层介质分子间广泛存在范德华力。分子间范德华力有 3个来源：极性分子的永久偶极矩之间的相互作用；一个极性分子使另一个分子极化，产生诱导偶极矩并相互吸引；分子中电子的运动产生瞬时偶极矩，它使邻近分子瞬时极化，后者又反过来增强原来分子的瞬时偶极矩，这种相互耦合产生静电吸引作用。这 3种力的贡献不同，通常第3种作用的贡献最大[43]。

分子间作用力属于次级键。氢键（Hydrogen bond）、弱范德华力、疏水作用力、芳环堆积作用、卤键都属于次级键，又称分子间弱相互作用。荷兰科学家约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯在1873年第1次提出范德华力这个概念用以解释气体的行为。这种力非常微弱，只有当原子或分子十分靠近的时候才有意义。法国的科学家于2013年实现了对两个原子之间的范德华力进行了直接测量。所有试验方法后来用于建立量子逻辑门，或者用来进行凝聚态系统的量子模拟。原子间、分子间和物体表面间的范德华力以各种不同方式出现在自然界中。例如，蜘蛛和壁虎就是依靠范德华力才能沿着平滑的墙壁向上爬，我们体内的蛋白质也是因为范德华力的存在才会折叠成复杂的形状。在地质作用中，分子间作用力作为一种弱相互作用无所不在，但是非常微弱，并未引起人们关注，而在非常规油气成藏过程中，这种弱相互作用促使形成非常规油气这种巨大规模的经济矿产资源，是十分令人震惊和值得深入研究的。

2.2 分子间作用力与自封闭成藏机制的类型

非常规油气具有多种类型，分子间作用力导致油气自封闭成藏，相应的分子间作用力与自封闭成藏机制也存在多种类型，不同的动力机制形成了不同类型的非常规油气藏。油气分子间作用力可以表现为分子黏滞力、分子缩合力、分子界面力（毛管压力）、分子吸附力与分子笼合力等。相应的自封闭成藏机制，包括：第1类是重油（Heavy oil）与沥青（Bitumen）的形成机制，其分子间作用力主要表现为大分子（分子团）黏滞力和缩合力。在特殊氧化环境下，稠油和干沥青是原油在强氧化环境下由生物降解改造而成，分子缩合作用形成了大分子的稠油和沥青，分子黏滞力使它们紧密连接在一起，构成了一个相对独立的体系并实现自封闭成藏。第2类是致密油气、页岩油气和煤层气的形成机制，其分子间作用力表现为毛管压力和吸附力。该类自封闭成藏作用表现在特殊致密储集介质条件下，超低孔低渗储集层孔喉极为细小，通常孔隙度小于等于12%，空气渗透率小于等于1×10-3μm2，平均孔喉半径小于等于1 μm，流体受到的毛管压力与吸附力大于浮力，从而阻隔了自身油气流体的自由流出和外部流体的自由进入，形成油气自封闭成藏作用。这也形成一种局限或束缚的流体动力场，它们与油气在常规高孔高渗储集层内受浮力驱动而形成的自由流动的开放动力场产生鲜明对比。第3类是天然气水合物的形成机制，其分子间作用力表现为水与甲烷分子间的笼合。天然气水合物形成在高压低温环境下，水分子通过笼合甲烷气形成水合物并转化为固态，从而实现自封闭成藏。这些都与常规油气在浮力主导下运移成藏的开放系统和环境有根本不同。

非常规油气在特殊分子间互动力机制作用下形成油气藏需要一定的边界条件或地质门限。只有满足这一条件，非常规油气藏才能够形成分布。不同类别非常规油气藏形成分布的地质条件不同，这一边界条件也随之不同。沥青要求在强氧化环境中形成：通常情况下，地层水矿化度小于1 000 mg/L、温度小于20 ℃、埋深小于500 m；形成稠油要求为较强的氧化环境：地层水矿化度小于2 000 mg/L、温度小于30 ℃、埋深小于1 500 m。形成致密油气藏通常要求储集层：孔隙度小于 12%、储集层渗透率小于 1×10-3μm2、孔喉半径小于1 μm；形成超致密页岩油气藏要求储集层：孔隙度小于12%、渗透率小于0.1×10-3μm2、孔喉半径小于0.1 μm；形成煤层气藏要求煤层介质孔隙度小于等于5%、渗透率小于等于0.01×10-3μm2、孔喉半径小于等于0.025 μm。形成天然气水合物要求高压低温的相态平衡条件：分布在地球两极、海洋沉积物、高原冰盖层之下，埋深小于1 200 m。一般情况下，不同非常规油气藏分布的边界条件如表1所列。

表1 非常规油气自封闭成藏动力机制分类与成藏特征和边界条件

3 非常规油气自封闭成藏的动力类型与成藏模式

3.1 稠油的自封闭成藏机理与分子黏滞作用及分布模式

稠油油藏的成因有原生和次生两种，原生稠油油藏一般是由未成熟或低成熟的原油聚集而成；次生稠油油藏是已形成的油藏遭受破坏，或经长距离多次运移，轻质组分散失，水洗氧化以及生物降解作用而成[44]。其成因机理都是由于分子黏滞作用造成稠油难以流动而形成“自封闭成藏”，促进稠油/重油大规模富集成藏和保存。

分子黏滞作用一词最早源自牛顿的黏性流动实验研究[45]，用黏滞力表征流体运移过程中自身内部遇到的阻力。黏滞力是指由于流体各层的流速不同，当相邻流层间有相对运动时，在接触面上产生的一种相互作用的剪切力，也称流体内摩擦力。它是两层流体分子内聚力和分子动量交换的宏观表现（见图4），液体主要以内聚力为主，大小取决于分子间引力[46-47]。

图4 黏滞阻力模型示意图[45]

1686年英国科学家牛顿给出了内摩擦力定律的表征。他指出：内摩擦力正比于流层移动的相对速度、流层间的接触面积，且内摩擦力随流体的物理性质而改变，与正压力无关。稠油黏滞性的影响因素可概括为两方面：①宏观方面的影响[48-49]，包括压强、温度、固体颗粒和流速等因素，其中温度压力主要通过对分子间距产生影响，进而影响流体黏性；流速的影响主要表现为流体在流动过程中存在一个不可逆的，由速度较大的地方迁移到速度较小的地方的动量迁移；固体颗粒的影响即原油中存在着蜡晶等一类的固相小颗粒,它可以看成悬浮流体。固相颗粒的存在会阻碍流体的运动。②微观方面的影响[50]，第1是杂原子的影响，稠油中含有较多S、N、O等元素，它们的存在可诱导产生永久偶极，增加分子极性[51-52]，由其引起的电荷转移作用、偶极相互作用、氢键作用[53-54]等使分子聚集进而产生黏滞作用。第2是金属元素的影响，金属元素在原油中以无机盐、油溶性有机盐和金属卟啉化合物等形式存在，当这些物质发生络合，在沥青质的生成过程中杂原子进入骨架结构，而Ni和V与杂原子发生络合作用进入沥青质缩合芳环结构，参与了胶质、沥青质分子的缔合，然后形成的大分子进一步聚集进而产生黏滞作用。

稠油/重油自封闭成藏特征与分布模式。本文以东委内瑞拉盆地南部斜坡带的奥里诺科重油带的形成分布为例阐述稠油油藏自封闭成藏模式。它自西向东横跨瓜里科州、安索阿特吉州及蒙拉加斯州的南部，面积5.5×104km2，是世界上规模最大的稠油油藏[55]。重油带油藏埋深350～1 200 m，储集层主要为渐新统和中新统未固结砂岩，平均孔隙度33.4%，平均渗透率4 760×10-3μm2，原油黏度为1 000～6 000 mPa·s，探明原始地质储量 1 570.8×108t，可采储量 364×108t[56-57]。重油带分布在盆地南部斜坡带的最高边缘部位，来自盆地北部的油气在经历了数十千米的长距离侧向运移后，大规模充注到盆地边缘的上白垩统—中新统河流—三角洲相未固结砂岩中。在南缘，因轻质组分的散失和生物降解、水洗氧化作用形成沥青塞，与层内泥岩和上覆区域性泥岩盖层形成联合封堵，形成了规模巨大的构造—岩性重油油藏，叠片含油面积超过5×104km2[58]。

3.2 沥青的自封闭成藏机理与分子缩合作用及分布模式

沥青是地下原油发生分子缩合作用的主要产物，它是原油中富含氢的大分子烃类有机流体在地质条件下经过改造作用，发生原油组分分馏作用、萃取作用导致原油轻组分发生运移散失时，重质组分由于不易挥发而保存下来，最终残留成黑色固态有机质。分子缩合作用是指两个或多个有机分子间互作用后形成一个更大分子，同时失去水或其他较简单的无机或有机小分子的缩聚反应。分子缩合作用的发生主要受地层水介质条件、地层深度和温度及原油组分等 3方面条件的控制。①地层水介质条件：大分子烃类的氧化-降解程度与地层水中氧含量、地层水矿化度及某种离子的浓度有关；②地层深度和温度：微生物的生存和繁殖需要一定的温度条件，温度对微生物发育的控制作用决定了深度是控制原油生物降解程度的重要因素。原油组分对沥青形成具有重要影响。Nandi等学者通过模拟实验研究表明原油中不同族组分（饱和烃、芳香烃、非烃+沥青质）裂解缩合作用形成固体沥青的产率存在明显差别[59-61]。

沥青自封闭成藏特征与分布模式。加拿大阿尔伯特盆地发育了全球最大的沥青矿藏（见图5）。阿尔伯达盆地早期属克拉通边缘盆地，中侏罗世之后演化为前陆盆地，面积 30×104km2，油砂主要分布在盆地东翼浅部下白垩统不整合面之上，烃源岩包括上泥盆统Duvernay组及下石炭统 Exshaw组海相页岩，分布面积 13×104km2，厚 25～135 m，TOC值为 2%～24%[62]；储集层以下白垩统曼维尔群砂岩为主，太平洋板块向东俯冲于北美板块之下，受其影响，落基山近东西向挤压，曼维尔群呈现一巨型单斜构造，从未深埋，孔隙度为20%～35%、厚30～50 m，泥盆系—石炭系生成的大量油气向东运移形成全球最大油砂矿。

图5 阿尔伯达盆地前陆斜坡带巨型沥青砂分布模式图[62]

3.3 致密油气与页岩油气自封闭成藏机理与毛管压力

统计分析表明，致密油气与页岩油气赋存在致密储集层中，一般孔隙度小于12%，空气渗透率小于等于1×10-3μm2，平均孔喉半径小于等于1 μm，其油气自封闭作用主要毛管压力是由微细孔喉系统中的流体束缚作用形成的。毛管压力本质是分子界面力，是指微细孔隙中存在互不相溶的两相流体时，由于孔隙内壁对两相流体的润湿性不同，会在两相流体的接触面上产生一个压力差，其差值大小等于非润湿相压力减去润湿相压力（见图6），即pc=pnw-pw；其中pc为压力差，pnw为非润湿相压力，pw为润湿相压力。pc主要与两相流体的界面张力、毛细管半径、两相流体接触角等有关[63]。

图6 毛管压力概念及其与地下油气运移的关系[63]

油气运移过程中受到的毛管压力如式1所示：

3大因素对毛管压力大小有重要影响，包括两相流体的界面张力、毛细管半径和储集层岩石润湿性等有关[63]。界面张力对毛管压力有重要影响：在地下含油气系统中，油-水或气-水界面张力的值受地下温度、压力、地层水矿化度、油气组分、酸碱度等影响[64-65]。一般情况下，界面张力随温度升高而降低（见图7a），随地层水矿化度增大而减小（见图7b）。润湿性对毛管压力有重要影响：润湿性通常用水相测量的油水界面对岩石或孔壁的接触角来表示。一般普遍认为接触角在0°～90°的岩石是亲水的，接触角大于90°的岩石是亲油的；当岩石为水润湿时，烃源岩向储集层排烃受到的毛管压力为动力，当岩石为油润湿时，源岩向储集层排烃受到的毛管压力为阻力（见图7c、7d）[66]。孔喉半径对毛管压力大小有重要影响：毛管压力与毛细管半径成负相关关系，即毛细管的半径越小，毛管压力越大（见图7e）。当毛管压力接近或大于浮力时，孔隙中的油气停止流动，同时毛管压力也阻隔外部流体进入，形成油气自封闭作用，促使致密油气的聚集与保存。毛管压力作为储集层的中的主要运移阻力，对非常规油气的成藏具有重要意义。

图7 影响毛管压力束缚油气作用的重要因素[64-66]

致密油气藏成藏特征与分布模式。致密油气藏分布特征：致密储集层主体发育纳米级孔喉，局部发育微米—毫米级孔隙，其中致密灰岩油储集层孔径为40～500 nm，致密砂岩油储集层孔径为50～900 nm，致密砂岩气储集层孔径为40～700 nm。微米—毫米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（1×10-6～1）×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[23]。致密油气往往在盆地尺度上具有气-水关系倒置的特点，通常发育异常压力[67-69]。它的形成被认为是深部源岩排出的油气进入储集层后驱替水向盆地上部和边缘运移，由于驱替动力不足，气体被迫在盆地深部凹陷区聚集成藏。圣胡安盆地布兰科气田普遍发育常规与非常规两种类型气藏（见图8），其浅层在背斜圈闭顶部，发育气在上水在下的常规气藏；在盆地深部地区和斜坡地带存在水在上、气在下的致密气藏，该地层致密且砂岩孔渗差，天然气向其上部充注时需要克服巨大的毛管压力，形成一种自封闭作用[70]。

图8 毛管压力作用下深盆致密气藏的形成与分布特征

页岩油气成藏特征与分布模式。页岩油气藏形成于富含有机质的细粒沉积岩中，主要是高TOC的页岩及泥岩粉砂岩。储集层具有与致密砂岩、致密灰岩类似的低—特低孔隙度与渗透率，及微纳米级孔隙系统，孔喉半径小于等于1 μm，因此形成毛管压力为主的油气自封闭成藏作用。页岩油气源储一体，是生烃岩系的滞留烃类成藏，有别于致密油气；同时富有机质页岩中有机孔发育，分子吸附作用比致密油气更强。因此，页岩油气包括游离相态与吸附相态，其成藏是包括毛管压力作用和油气分子吸附作用在内的多种作用综合的结果。勘探生产实践证明，高产高丰度页岩气藏中游离相态气占有更大比例。例如：中国四川志留系龙马溪组页岩气，单井产量为（20～30）×104m3/d，单井最终采气量为（2～3）×108m3，游离气比例为 60%～70%。Barnett页岩是美国Fort Worth盆地石炭系一套碎屑岩和碳酸盐岩混合沉积，干酪根类型为Ⅰ～Ⅱ1型，埋藏深度较浅，处于成熟阶段，可见大量纳米级微孔隙，裂缝被方解石充填，含气量较高（8.5～9.9 m3/t），其中吸附气含量占40%～60%[73]。截至2018年，全球可采资源量预计高达214.5×1012m3[74]，排名前5位国家依次为美国、中国、阿根廷、墨西哥和南非，其中美国页岩气发展最快，在2018年页岩气产量即达6 000×108m3。

3.4 煤层气的自封闭成藏机理与分子吸附作用及分布模式

煤层气中的吸附气量一般在 85%以上，页岩气中也有一定比例的吸附气[75]。它们的自封闭作用主要是分子吸附作用形成的。吸附作用的概念最早由 Kayser在1881年提出，指气体在自由表面上聚集（见图9）。国际上将物理吸附定义为一个或多个组分在界面上的富集（正吸附或简单吸附）或损耗（负吸附）。本文中的吸附作用系指油气在岩石或矿物表面的附着现象。

图9 物理吸附和范德华力示意图[75]

BET理论是在Langmuir单分子层吸附理论上发展建立起来的，迄今仍是规模最大、影响最深、应用最广的固体表面吸附理论。BET理论认为，固体对气体的物理吸附是范德华力造成的结果，由于分子之间存在范德华力，当分子撞在已被吸附的分子上时也有被吸附的可能，从而形成多分子吸附层[75]。

影响岩石吸附能力的因素非常多。吸附气量的大小主要与吸附介质有关，一般岩石孔径越小，比表面积越大，吸附作用就越强，当孔径大于一定程度后，吸附作用将不再发生[76]。Cai[77]和Zhang[78]等人将吸附孔定义为孔径小于100 nm的微观地层孔隙，An[79]等认为1.5 nm是吸附力的临界孔径。根据Ross等人的实验研究发现甲烷吸附能力随着有机碳含量（见图10a）和热演化程度（见图10c）的升高而增大，随有机质类型的不同而表现出差异性（见图10b）[80-82]。对于贫有机质的泥页岩而言，Lu等认为其吸附作用主要与伊利石有关，吸附测试结果显示伊利石对总吸附气量的贡献为 10%～40%（见图10d）[83]。Ross等认为黏土矿物具有较大的比表面积，因而能够吸附大量的气体（见图10e）[84]。Ross和Bustin研究了加拿大西部沉积盆地的D-M页岩和侏罗系页岩后发现页岩TOC含量和微孔体积及甲烷吸附能力之间具有很好的正相关性（见图10f）[84-85]。他们发现在含水量较低时，Gordondale页岩、Poker Chip页岩和 Muskwa页岩的吸附气量很高；当含水量增大到3%及以上时，样品的吸附气量呈指数式降低（见图10g）；干酪根对甲烷的吸附量随温度的升高呈线性下降，压力与页岩的吸附量呈正相关关系（见图10h）[85]。

图10 影响岩石吸附气量的主要控制因素

煤层气成藏特征与分布模式。煤层气成藏是包括分子吸附作用在内的多种作用的综合结果。澳大利亚苏拉特盆地是内克拉通盆地，Walloon煤系吸附大量煤层气，盆地地下水受东部补给区补给，沿着斜坡下倾方向运移，结合埋深和N2含量百分比，区域上分为补给区、径流区、滞留区，依次对应强烈生物气改造带、轻微生物气改造带、热成因煤层气与次生生物气混合带。全球煤层气资源量超过270×1012m3，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国、美国、澳大利亚、德国、波兰[87]，俄罗斯煤层气资源量为（17～113）×1012m3，居世界第1。

页岩油气藏的分子吸附作用。页岩油气包括游离相态与吸附相态，由于页岩油气层内，干酪根后期形成的有机孔发育，因此吸附态油气在页岩油气中有重要意义，据统计页岩气中吸附气含量为 20%～80%。含油气盆地非常规油气藏形成的动力机制往往是多种联合共生的。煤层气藏的形成主要由吸附作用造成，但毛管压力的封闭作用也非常大；致密砂岩油气藏以毛管压力的束缚作用为主，但致密岩层内微孔介质中的吸附作用也非常重要；页岩类油气藏的形成早期可能主要以毛管压力的束缚作用为主，油气主要以游离态富集在无机孔隙中心；热演化程度较高之后，有机质内孔隙发育，油气的吸附作用可能更为重要。在页岩气开发生产阶段，早期高产，以游离气为主；后期低产，则以吸附气为主。这都说明，非常规油气藏动力机制成因分类只是将某一种主要的动力作用突显出来，但不排除其他动力在成藏过程中的作用。

3.5 天然气水合物的自封闭成藏机理与分子笼合作用及分布模式

天然气水合物是近年受到高度关注的非常规天然气资源，其自封闭作用表现为甲烷与水分子间的分子笼合作用，即在一定温度和压力环境下，水分子间通过氢键连接所形成的笼型结构把客体分子包裹在其中的一种束缚作用[88]。水分子之间的氢键作用、客体分子之间的范德华力作用及笼体结构和客体分子之间的范德华力相互作用是气体水合物形成的基本动力。这些力的作用导致水分子笼型结构的形成，水分子进一步笼合甲烷分子导致水合物的形成。水合物的形成过程由溶解、成核和生长过程组成（见图11），气体水合物的形成过程可以看成一个结晶过程，包含晶核的形成和晶体生长过程[89]，其反应式为：

图11 水合物分子笼合作用及其形成动力示意图

影响分子笼合作用形成水合物的因素有 3个。①晶穴占有率：在一定范围内，CH4分子晶穴占有率的提高将有效降低水合物的晶格势能，提高分子笼合作用形成水合物的效率[90]；②温度：水合物的稳定性受温度的影响[91]；③压力：随体系压力的降低，由水分子以氢键连接形成的笼状孔穴结构变形并逐渐解离，甲烷分子从笼状孔穴结构中逸出并聚集，固相水合物最终分解为气液两相[92]。这表明较高的压力有利水合物的形成和分布。

天然气水合物自封闭成藏特征与分布模式。本文基于研究实例阐述天然气水合物藏的分布特征与基本模式：阿拉斯加北坡盆地天然气水合物藏分布于北纬69°～72°的北极圈内，东西长达 1 100 km，南北宽100～600 km，面积约36.5×104km2。阿拉斯加北坡的天然气水合物成矿系统是下伏下白垩统—第三系含油气系统在浅部的衍生，是由下伏气源、断裂、岩性、北极的特殊环境（永久冻土、地层温压场）等多种因素共同作用的结果，其天然气水合物原地资源量约为6.0×1012m3标准天然气[94]，未探明技术可采天然气水合物资源量约2.42×1012m3[95]。

4 非常规油气分子间作用力与自封闭成藏研究意义

4.1 预测尚未发现的潜在非常规油气资源与领域

人类对油气成藏的认识一直在发展中。从背斜油气藏到岩性地层油气藏，从常规油气藏到非常规油气藏，还有很多新的油气资源有待我们去认识、去发现。因此揭示油气分子间作用力机制和自封闭成藏模式可以更加高效地指导潜在油气资源的勘探开发，还可能预测出尚未认识到的新的资源类型。

从分布范围的广度和成藏的多样性来说，常规油气藏是含油气盆地中的特例，而各种非常规油气资源则是它们的常态。在厘清了各类非常规油气资源成藏动力的多样性和成藏机制的复杂性后，可以依据这一规律对含油气盆地演化过程中不同地质条件下可能出现的新的油气资源进行预测评价。油气生成作用与特殊地质条件组合可能形成的多种非常规油气资源，基于同样的原理可以预测其他不同条件下可能形成的非常规油气资源的类别与分布特征，还可能预测出这些烃类产物可能的物理化学特征和资源潜力。

4.2 实现非常规油气资源高效勘探与开发

在深入理解非常规油气藏自封闭成藏机制后，可依据其原理实现非常规油气资源的高效勘探；基于同样的道理，在研究了特殊地质条件下非常规油气藏成因机制、产状特征和分布规律后，可以启发我们对非常规油气资源实现高效开采（见图12）。沥青和稠油是通过低温条件下分子缩合和分子黏滞作用变为粘稠液体和固体而实现自我封闭成藏的，因此开采时可以通过加温将它们液化或气化，从而降低黏度而促进流动性得以大规模开采；页岩油气、煤层气和致密油气等是通过致密和超致密介质实现分子吸附和分子束缚等作用而达到自我封闭成藏的，因此开采它们需要通过体积压裂等措施改造介质条件而使油气降压脱吸附并增加渗透率和流动性获得大规模开采的。天然气水合物是通过水分子对甲烷等气分子的笼合作用实现自我封闭的，因此大规模开采需要破坏笼合作用形成时的高压低温条件，进而实现脱气和大规模开采。

图12 基于非常规油气自封闭成藏机制研发高效开采技术和实施方案

5 结论

经典石油天然气地质学理论的核心内容是揭示了常规油气成藏机理是浮力作为油气运聚的主要动力和圈闭作为油气富集保存的主要场所。

非常规油气藏具有连续性聚集和非浮力成藏的特征，而非浮力成藏机理的核心是油气自封闭作用，其动力是分子间作用力。

依据分子间作用力和自封闭机制将非常规油气藏分为 3类：以大分子黏滞力自封闭作用为主的稠油和沥青；以毛管压力和吸附力自封闭作用为主的致密油气、页岩油气和煤层气；以分子间笼合力自封闭作用为主的天然气水合物。

深入理解油气自封闭成藏模式和分子间互作用机理有利于预测评价非常规油气资源的形成分布，并启发人类逆向思维，通过改造介质条件和破坏油气自封闭条件实现非常规油气资源大规模的高效开采。

符号注释：

F——流体内摩擦力，N；F′——流体内摩擦力的反作用力，N；g——重力加速度，m/s2；h——高度，m；pc——压力差或者毛管压力，MPa；pcR——毛细管半径较大一侧的毛管压力，MPa；pcr——毛细管半径较小一侧的毛管压力，MPa；pe——气体充注压力，MPa；pnw——非润湿相压力，MPa；pw——润湿相（水柱）压力，MPa；r——毛细管半径，μm；Tmax——热解峰温，℃；u——流体流速，m/s；v——上部的恒定速度，m/s；y——纵向层距离，m；γ——两相流体的界面张力，mN/m；θ——润湿角，（°）；ρnw——非润湿相密度，g/cm3；ρw——润湿相密度，g/cm3。