納米石油地質(zhì)學(xué)
——非常規(guī)油氣地質(zhì)理論與研究方法探討

王崇孝，羅 群，宋 巖，姜振學(xué)，劉云生

(1.中國石油 玉門油田勘探開發(fā)研究院，甘肅 酒泉 735000； 2.中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)天然氣研究院，北京 102249； 3.中國石化 江漢油田勘探開發(fā)研究院，武漢 430000)

納米石油地質(zhì)學(xué)
——非常規(guī)油氣地質(zhì)理論與研究方法探討

王崇孝1，羅 群2，宋 巖2，姜振學(xué)2，劉云生3

(1.中國石油 玉門油田勘探開發(fā)研究院，甘肅 酒泉 735000； 2.中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)天然氣研究院，北京 102249； 3.中國石化 江漢油田勘探開發(fā)研究院，武漢 430000)

常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)已經(jīng)步履艱難，以納米油氣為主體的非常規(guī)油氣資源潛力巨大，即將成為石油勘探開發(fā)的主要領(lǐng)域。然而，由于納米油氣與常規(guī)油氣的特征差異巨大，指導(dǎo)常規(guī)油氣勘探開發(fā)的傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)不適用于非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)。納米石油地質(zhì)學(xué)是納米科技與石油地質(zhì)學(xué)之間的交叉學(xué)科，它伴隨著非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的迫切需要、納米科技的迅速發(fā)展而誕生，以納米油氣的生成、滯留、運(yùn)移、聚(富)集、賦存、散失的機(jī)理和分布規(guī)律為主要研究內(nèi)容，以非常規(guī)油氣形成、產(chǎn)出狀態(tài)和分布特征為研究目標(biāo)。納米科技理念及其高分辨分析測試技術(shù)、物理模擬實(shí)驗(yàn)、典型實(shí)例剖析是納米石油地質(zhì)學(xué)的主要指導(dǎo)思想和研究手段。納米石油地質(zhì)學(xué)將是一門全新的石油地質(zhì)理論體系，在未來的油氣勘探開發(fā)中將發(fā)揮重要的指導(dǎo)作用。

納米油氣；納米石油地質(zhì)學(xué)；非常規(guī)油氣；油氣勘探開發(fā)；納米科技

1 問題的提出

自從1859年美國第一口油井(井深21 m，日產(chǎn)油3～5 t)誕生以來，世界石油工業(yè)走過了150多年的歷程，發(fā)現(xiàn)和開采了大量的油氣，為人類文明社會的發(fā)展注入了強(qiáng)勁的活力。油氣勘探開發(fā)的歷史，伴隨著一個(gè)又一個(gè)石油地質(zhì)理論的誕生和創(chuàng)新，掀起了一個(gè)又一個(gè)的油氣發(fā)現(xiàn)的高潮。從1861年背斜理論的提出，到1930年圈閉概念的誕生，從19世紀(jì)60年代干酪根晚期成烴理論的提出，到19世紀(jì)70年代板塊構(gòu)造理論的興起、80年代含油氣系統(tǒng)理論的提出，無不給世界石油工業(yè)的發(fā)展帶來了新的繁榮。中國20世紀(jì)40年代“陸相生油理論”的橫空出世，打破了中國貧油論的神話；60年代“源控論”的提出，為中國陸相湖盆發(fā)現(xiàn)大規(guī)模油氣田提供了理論依據(jù)；70年代誕生的渤海灣復(fù)式油氣藏聚集理論，使得中國東部地區(qū)“盤子摔破還被踢一腳”極復(fù)雜斷塊區(qū)的油氣產(chǎn)量長期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)；90年代以后到本世紀(jì)初巖性油氣藏等隱蔽油氣藏理論的提出，使得油氣勘探的領(lǐng)域從構(gòu)造高部位逐漸向斜坡、凹陷延伸，油氣儲量、產(chǎn)量穩(wěn)中有升[1-2]。鄒才能等(2009)針對中國廣泛分布的煤層氣、四川頁巖氣、川陜致密砂巖氣、松遼和鄂爾多斯致密油、南海天然氣水合物等非常規(guī)資源，發(fā)展了非常規(guī)油氣的連續(xù)型油氣聚集理論，暗示世界石油工業(yè)將迎來新的曙光。石油地質(zhì)理論的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，使得預(yù)言家們預(yù)測的世界油氣產(chǎn)量的峰值不斷后延。

進(jìn)入新世紀(jì)以來，包括我國在內(nèi)的世界石油工業(yè)出現(xiàn)新的變化，勘探難度越來越大，勘探風(fēng)險(xiǎn)越來越高，這是因?yàn)榻?jīng)過一個(gè)半世紀(jì)的勘探，容易發(fā)現(xiàn)的常規(guī)油氣藏已經(jīng)找得差不多了。然而，以美國為代表的北美一些國家，卻在頁巖氣、頁巖油、致密油、致密氣、煤層氣等非常規(guī)油氣藏勘探領(lǐng)域取得重大突破[3-11]，改變了世界油氣分布的格局。研究越來越清楚地表明[12-28]，以頁巖油、頁巖氣、致密油、致密氣和煤層氣等為代表的非常規(guī)油氣資源具有巨大的勘探潛力，保守估計(jì)是常規(guī)油氣資源的4倍以上，常規(guī)油氣資源只是油氣資源“冰山的一角”。隨著理論、技術(shù)和市場的不斷發(fā)展，非常規(guī)油氣資源將成為未來油氣勘探開發(fā)的主要領(lǐng)域。

非常規(guī)油氣是指用目前常規(guī)的理論和技術(shù)難以發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的油氣資源，它們賦存于地下極其致密的儲層中。鄒才能等[12-13,16-17]通過納米-CT、高分辨率發(fā)射電子顯微鏡等納米技術(shù)，發(fā)現(xiàn)頁巖氣主要賦存于20～500 nm的頁巖層納米孔隙中，致密油主要賦存于50～900 nm的致密巖孔隙中。他們將賦存于納米孔隙中，用納米技術(shù)才能開發(fā)的油氣叫納米油氣[13,16-17]，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)致密儲層中納米級孔隙占到總孔隙的85%[13]。由此可知，占據(jù)相當(dāng)比例的非常規(guī)油氣資源主要由納米油氣組成，它們賦存于致密儲層的納米級孔隙系統(tǒng)之中。

現(xiàn)代科技研究表明，處于納米級尺度的物體與其在常規(guī)尺度(毫米—微米級)相比具有截然不同的特性(如物理、化學(xué)性質(zhì)和能量等)，即所謂的“納米效應(yīng)”，如小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)、界面效應(yīng)等[29-32]。例如，一塊巴掌大的頁巖(300 g)，放在水中能連續(xù)密集不停地大量冒氣達(dá)數(shù)天，2個(gè)月以后還有氣泡冒出，這是用傳統(tǒng)的石油地質(zhì)理論知識難以解釋的。顯然，能對常規(guī)油氣藏(常規(guī)油氣的尺度為毫米—微米級)進(jìn)行合理解釋、指導(dǎo)常規(guī)油氣藏進(jìn)行有效勘探的傳統(tǒng)的石油地質(zhì)學(xué)(包括前面提到的各種油氣勘探開發(fā)理論)是不適用于非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)的。也就是說，我們現(xiàn)在所用的各種石油地質(zhì)學(xué)理論以及其他一切油氣勘探理論，它們都是從常規(guī)油氣的形成、演化、分布規(guī)律中總結(jié)出來的理論，限于當(dāng)時(shí)的科技條件，他們無法識別與研究納米級油氣的運(yùn)動規(guī)律。這些理論只能指導(dǎo)常規(guī)油氣藏的勘探和開發(fā)，而不適用于納米油氣(非常規(guī)油氣的主體)資源的勘探和開發(fā)。

因此，我們迫切需要關(guān)切的是，剩余在地下潛力巨大的納米油氣(非常規(guī)油氣的主體)是如何形成的；它們是如何運(yùn)移和滯留于致密儲層中的；在儲層中是如何聚集成藏并進(jìn)一步富集的，又是如何散失或保存的，其分布規(guī)律是什么。換句話說，在納米尺度空間里，納米油氣的生、留、聚(富)、散和分布的機(jī)理和規(guī)律是什么，主要控制因素又是什么。這是我們迫切需要解決的科學(xué)問題，即是納米尺度下石油地質(zhì)學(xué)要解決的科學(xué)問題。

可以預(yù)見，伴隨著這些科學(xué)問題的逐漸解決和非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的不斷發(fā)展，必將誕生一門新的學(xué)科——納米石油地質(zhì)學(xué)。

2 概念、研究思路與內(nèi)容

2.1 納米石油地質(zhì)學(xué)的概念

納米石油地質(zhì)學(xué)是石油地質(zhì)學(xué)與納米科技相結(jié)合而形成的、在納米尺度空間研究油氣的生成、滯留、排出、運(yùn)移、聚集、散失機(jī)理和分布規(guī)律的一門交叉學(xué)科，是傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)在納米尺度空間的延伸，同時(shí)，由于納米尺度下納米油氣所表現(xiàn)出的與常規(guī)油氣截然不同的特性，使得納米石油地質(zhì)學(xué)將是一門與傳統(tǒng)石油地質(zhì)完全不同的嶄新的學(xué)科，必將對世界石油工業(yè)產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響，并對非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)具有重要的指導(dǎo)作用。這里，納米油氣在納米孔隙結(jié)構(gòu)、納米孔喉網(wǎng)絡(luò)體系的流動、富集機(jī)理和分布(富集)規(guī)律是納米石油地質(zhì)學(xué)研究的核心內(nèi)容，而納米技術(shù)則是進(jìn)行納米石油地質(zhì)學(xué)研究的關(guān)鍵手段。和傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)不同，納米石油地質(zhì)學(xué)研究的是納米油氣在地殼中的形成過程、產(chǎn)出狀態(tài)和分布規(guī)律，即運(yùn)用納米科技的理念、技術(shù)和方法，對納米尺度油氣(納米油氣)的生、留、排、運(yùn)、聚、散與分布富集的規(guī)律進(jìn)行研究，其理論來自于納米油氣在特定的納米空間中特殊的運(yùn)動規(guī)律的總結(jié)，又將具體指導(dǎo)非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)。

2.2 納米石油地質(zhì)學(xué)的研究思路與方法

由于納米油氣在納米尺度空間(如納米孔隙結(jié)構(gòu)、納米孔喉網(wǎng)絡(luò)體系)具有獨(dú)特的納米效應(yīng)(如小尺度效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)等)，使得它們與常規(guī)油氣在賦存狀態(tài)、流動方式、聚集機(jī)制和分布富集規(guī)律等方面存在巨大的差異，因而，納米石油地質(zhì)學(xué)的研究思路與傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)的研究思路也有重大的不同。

研究納米油氣，第一，必須應(yīng)用先進(jìn)的納米技術(shù)手段，在納米視域內(nèi)進(jìn)行；第二，必須以納米科技的思想、理念為指導(dǎo)。納米科技是近年發(fā)展起來的一門新興科技，具有全新的思想和理念，其重要理念之一是納米尺度的物質(zhì)具有其常規(guī)尺度(毫米—微米級)不具備的超常的納米效應(yīng)[17]，納米油氣也具有相應(yīng)的納米效應(yīng)，這種納米效應(yīng)將極大地影響納米油氣的生、留、排、運(yùn)、聚、散和分布，進(jìn)而產(chǎn)生與常規(guī)油氣截然不同的形成過程、產(chǎn)出狀態(tài)和分布富集規(guī)律；第三，研究表明以納米油氣占主體的非常規(guī)油氣的基本特征是源儲一體(如頁巖油氣)或源儲共生(如致密油氣)[5,12-13]，因此，源儲空間匹配及其共生組合關(guān)系、共生機(jī)制是進(jìn)行納米油氣研究的基礎(chǔ)。非常規(guī)油氣呈大面積連續(xù)分布，沒有圈閉的存在，浮力不起主要作用，所以，在納米油氣地質(zhì)研究過程中其成藏動力、聚集空間等方面與傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)研究迥然不同[33-35]；第四，由于納米油氣在納米尺度空間下的流動機(jī)制、流動規(guī)律是納米石油地質(zhì)學(xué)的核心內(nèi)容，因此源儲及其共生組合的納米孔隙結(jié)構(gòu)、納米孔喉網(wǎng)絡(luò)體系的表征和精細(xì)刻畫將是納米石油地質(zhì)學(xué)研究的至關(guān)重要的環(huán)節(jié)；第五，納米油氣地質(zhì)學(xué)的研究是在微觀尺度下進(jìn)行，是否與實(shí)際油氣的宏觀地質(zhì)特征和分布規(guī)律相匹配，需要典型實(shí)例剖析與理論研究的有機(jī)結(jié)合、物理模擬實(shí)驗(yàn)與分析測試結(jié)果的相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，以及物理模擬實(shí)驗(yàn)與典型實(shí)例剖析的對比分析等方面加強(qiáng)研究力度，以保證納米石油地質(zhì)學(xué)研究成果更接近客觀實(shí)際；最后用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)總結(jié)、提升研究成果，形成納米石油地質(zhì)學(xué)的理論體系。為此，納米石油地質(zhì)學(xué)的研究思路是：以納米科技的理念為指導(dǎo)，以納米技術(shù)方法為手段，針對納米油氣地質(zhì)研究中存在的關(guān)鍵科學(xué)問題，通過典型實(shí)例剖析與理論分析研究相結(jié)合、物理模擬實(shí)驗(yàn)與樣品分析測試相結(jié)合，開展納米油氣的源儲組合及其共生機(jī)制、納米尺度下有機(jī)質(zhì)成烴演化、納米孔隙結(jié)構(gòu)與孔喉網(wǎng)絡(luò)體系下油氣的滯留、排運(yùn)滲流機(jī)制與聚集特征、納米油氣的散失機(jī)理以及分布富集規(guī)律等方面的研究，總結(jié)納米油氣在地殼中的形成過程、產(chǎn)出狀態(tài)和分布特征規(guī)律性的認(rèn)識，最終運(yùn)用系統(tǒng)論原理對成果進(jìn)行總結(jié)、提升，形成納米石油地質(zhì)學(xué)理論，指導(dǎo)非常規(guī)油氣資源的勘探與開發(fā)，并在“理論—實(shí)踐—理論”的循環(huán)中不斷發(fā)展和完善納米石油地質(zhì)學(xué)。具體思路如圖1。

2.3 納米石油地質(zhì)學(xué)的研究內(nèi)容與方法

2.3.1 納米石油地質(zhì)學(xué)的研究內(nèi)容

與傳統(tǒng)的石油地質(zhì)學(xué)不同，納米石油地質(zhì)學(xué)研究內(nèi)容是納米油氣在地殼中的形成過程、產(chǎn)出狀態(tài)和分布富集規(guī)律。具體涉及到納米油氣的生成、滯留、排出、運(yùn)移、聚集(富集)、賦存、散失和分布等多個(gè)方面。

圖1 納米石油地質(zhì)學(xué)研究技術(shù)路線

(1)非常規(guī)油氣的源儲組合關(guān)系及其共生機(jī)制

源儲一體或源儲共生是以納米油氣為主體的非常規(guī)油氣藏的基本地質(zhì)特征，也是納米石油地質(zhì)學(xué)研究的最基礎(chǔ)內(nèi)容，其目的是要弄清非常規(guī)油氣源儲共生形成的構(gòu)造背景(構(gòu)造沉降及穩(wěn)定性)、沉積發(fā)育條件(沉積旋回與相匹配)、成巖演化(包括儲層的致密化)的影響，闡明不同地質(zhì)背景和條件下不同源儲組合的空間匹配關(guān)系及其共生機(jī)制，為納米油氣形成與富集機(jī)制、賦存狀態(tài)、分布規(guī)律的研究奠定宏觀地質(zhì)背景和條件基礎(chǔ)。

具體研究內(nèi)容如下：①非常規(guī)油氣源儲共生空間匹配關(guān)系及其共生組合類型；②非常規(guī)油氣源儲共生的構(gòu)造背景、沉積發(fā)育特征與成巖演化條件；③非常規(guī)油氣源儲共生機(jī)制與共生組合模式。

(2)納米有機(jī)質(zhì)(干酪根)的成烴演化研究

納米油氣可以是常規(guī)尺度(毫米—微米甚至更大尺度)的有機(jī)質(zhì)(干酪根)生成的，也可能是納米尺度的有機(jī)質(zhì)(干酪根)生成的，我們這里研究后者(納米有機(jī)質(zhì))的成烴特征。

納米尺度的有機(jī)質(zhì)(干酪根)由于其特殊的納米效應(yīng)，具有與常規(guī)(尺度的)干酪根截然不同的油氣生成特征和成烴模式。這里要研究那些分散或集中的納米級干酪根是如何演化生成油氣的，其生成油氣的條件、控制因素和成烴規(guī)律是什么，溫度是否還是主要控制因素，是否還有別的因素等等。

納米有機(jī)質(zhì)(干酪根)的成烴演化包括以下研究內(nèi)容：①納米干酪根類型、特征及其納米效應(yīng)；②納米干酪根生成油氣的基本條件及控制因素；③納米干酪根演化與生烴模式。

(3)納米油氣的滯留與排出機(jī)制研究

烴源巖中的干酪根(包括納米干酪根)生成油氣后，大部分將滯留于烴源巖的納米孔隙系統(tǒng)中，形成現(xiàn)今的頁巖油、頁巖氣，其余油氣將被排出，或進(jìn)入常規(guī)尺度(毫米—微米級)的孔隙、裂縫系統(tǒng)中，經(jīng)過長距離運(yùn)移，在圈閉中聚集形成常規(guī)油氣藏；或進(jìn)入納米級為主的孔喉網(wǎng)絡(luò)體系中，經(jīng)過大面積短距離運(yùn)移，儲存于與烴源巖互層共生的納米級孔隙結(jié)構(gòu)的致密儲層中，形成非常規(guī)油氣聚集(如致密油藏和致密氣藏)。這里主要研究納米油氣在烴源巖中的滯留(賦存狀態(tài)、賦存機(jī)理等)與排出機(jī)制(動力、阻力、相態(tài)、方式、路徑等)及其控制因素。比如，成熟油氣從烴源巖中被排入納米級致密儲層(相當(dāng)于常規(guī)油氣的初次運(yùn)移)，其動力還是不是傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)中的分子擴(kuò)散力、生烴膨脹力、異常高壓等，阻力是否還是顆粒吸附力，毛細(xì)管力是動力還是阻力，還有哪些動力(如有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)散力)和阻力；油氣以什么方式排入納米孔隙系統(tǒng)的儲層中，是以擴(kuò)散相還是以分子團(tuán)或游離態(tài)或溶解態(tài)；是通過高壓產(chǎn)生的微裂縫運(yùn)移，還是通過微—納米孔喉網(wǎng)絡(luò)運(yùn)移，或二者兼而有之；其排烴效率怎樣，控制因素又是什么等。即納米油氣初次運(yùn)移的條件、相態(tài)、方式、動力、通道、規(guī)律與模式，從烴源巖到儲層是否存在界面效應(yīng)，對初次運(yùn)移有什么影響，等等，這些都是必須要研究的課題。

本部分要研究的內(nèi)容有：①納米油氣滯留與排出的動力條件；②納米油氣滯留與排出的狀態(tài)、方式；③納米油氣排出的路徑與通道網(wǎng)絡(luò)；④納米油氣排出的效率及其控制因素；⑤納米油氣排出的機(jī)理與模式。

(4)納米油氣運(yùn)移與聚集機(jī)理研究

油氣在致密儲層中大面積短距離二次運(yùn)移是非常規(guī)油氣聚集的一個(gè)基本特征[5,12,14]，而油氣在致密儲層的納米孔隙和孔喉網(wǎng)絡(luò)體系中的流動、聚集機(jī)理與滲流規(guī)律是納米石油地質(zhì)學(xué)的核心內(nèi)容，包括油氣從源巖進(jìn)入致密儲層后在儲層的納米孔隙空間、納米孔喉網(wǎng)絡(luò)通道中滲流、運(yùn)移、聚集的動力、阻力、相態(tài)、路徑、方式、賦存狀態(tài)及流體流動的臨界條件及其控制因素等。這些研究中，儲層的納米孔隙結(jié)構(gòu)是否決定著油氣流體的聚集空間，而納米孔喉網(wǎng)絡(luò)體系是否明顯影響油氣流體的流動機(jī)理和滲流規(guī)律，孔喉直徑下限是否制約著納米油氣的最大運(yùn)移距離和非常規(guī)油氣藏(場)的最大分布范圍，孔喉中值是否影響油氣流動優(yōu)勢通道和“甜點(diǎn)區(qū)”的形成與展布，等等，都是需要深入研究的重要內(nèi)容。由于納米效應(yīng)的影響，納米油氣本身就有特殊的流動、滲透和賦存性質(zhì)；同時(shí)，納米級的孔隙結(jié)構(gòu)、孔喉網(wǎng)絡(luò)體系也具有與常規(guī)儲層的孔隙結(jié)構(gòu)、孔喉體系不同的特征，這些都使得納米油氣在納米孔隙—孔喉體系中的流動和聚集機(jī)制和滲流規(guī)律更加復(fù)雜和神秘。深入研究和揭示納米油氣的流動、聚集機(jī)理和規(guī)律成為研究非常規(guī)油氣形成與分布的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

其主要研究包括以下幾個(gè)方面：①非常規(guī)油氣儲層納米孔隙結(jié)構(gòu)、孔喉網(wǎng)絡(luò)(輸導(dǎo))體系基本特征；②不同類型非常規(guī)油氣儲層納米孔隙結(jié)構(gòu)與孔喉網(wǎng)絡(luò)體系中油氣流體耦合流動與富集機(jī)理(動力、路徑、相態(tài)、方式及控制因素)與模式；③納米孔隙結(jié)構(gòu)與孔喉網(wǎng)絡(luò)體系中油氣流動臨界地質(zhì)條件(如儲層孔喉直徑下限)及其控制因素；④納米油氣在納米孔隙系統(tǒng)中的賦存狀態(tài)、甜點(diǎn)形成條件及其主控因素。

(5)納米油氣的散失機(jī)理與保存條件

與常規(guī)油氣藏一樣，作為對周邊環(huán)境的變化極為敏感的以納米油氣為主的非常規(guī)油氣藏，也存在一個(gè)保存與破壞的問題。由于構(gòu)造變動、成巖變化，致密儲層中的孔喉體系、斷裂—裂縫體系也將發(fā)生變化，脆弱的非常規(guī)油氣系統(tǒng)的平衡將被打破，必然導(dǎo)致致密儲層中賦存的納米油氣發(fā)生散失和泄露。那么在納米孔隙體系內(nèi)導(dǎo)致納米油氣散失的主要地質(zhì)因素是什么，它們是如何破壞納米油氣的動態(tài)平衡的，納米油氣在納米孔喉網(wǎng)絡(luò)體系中散失、流動的動力、流動相態(tài)、散失通道是什么，散失速度及其影響因素、阻止納米油氣散失的條件又是什么，這些都是需要研究的問題。

具體研究內(nèi)容包括以下幾方面；①影響納米孔隙儲層中納米油氣散失的地質(zhì)因素及其控制作用；②納米油氣散失條件、類型、機(jī)理與模式；③納米油氣的散失與保存動態(tài)平衡條件與評價(jià)。

(6)納米油氣聚集的時(shí)空匹配關(guān)系研究

源儲組合類型決定了源儲共生的空間匹配關(guān)系，也許三明治型(又稱夾心餅型)源儲組合最有利于致密油(氣)等非常規(guī)油(氣)藏的形成。而烴源巖成烴演化與儲層演化(致密化)的時(shí)間配置影響著致密儲層的含油氣性及其甜點(diǎn)區(qū)的分布。顯然，先成藏后致密的非常規(guī)油(氣)儲層比先致密后成藏的非常規(guī)油(氣)儲層可能含有更豐富的油氣資源。另一方面，不同源儲空間匹配關(guān)系的源儲組合，其油氣成藏機(jī)制會有很大的差異，導(dǎo)致成藏結(jié)果(儲層含油性)的不同，上生下儲型、下生上儲型、三明治型、泥包砂型、砂包泥型、側(cè)變型等不同的源儲組合類型，都含有各自的油氣充注成藏機(jī)制，顯然也有不同的充注成藏結(jié)果。由此可見，①源儲組合不同，納米油氣充注機(jī)制不同，成藏與分布富集結(jié)果不同；②同一組合時(shí)間配置不同，成藏結(jié)果也不一樣。那么，什么樣的源儲組合及其時(shí)間配置最有利于納米油氣藏(非常規(guī)油氣藏)的形成，不同類型源烴組合在不同的時(shí)間配置關(guān)系下，如何研究和評價(jià)其含油氣性，預(yù)測其分布，是本節(jié)要研究的內(nèi)容。

具體研究內(nèi)容如下：①不同類型的源儲組合納米油氣充注成藏機(jī)制及其差異性；②源儲組合的成烴作用與成巖演化時(shí)間配置對成藏結(jié)果的影響；③納米油氣聚集的時(shí)空匹配成藏特征總結(jié)。

(7)納米油氣的分布特征與甜點(diǎn)區(qū)預(yù)測

弄清以納米油氣為主的非常規(guī)油氣的分布富集規(guī)律，評價(jià)其資源潛力，尋找納米油氣的富集區(qū)(甜點(diǎn)區(qū))是納米石油地質(zhì)學(xué)研究的主要任務(wù)之一，目的是為非常規(guī)油氣勘探開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。納米油氣的分布與甜點(diǎn)區(qū)受其形成演化歷史的制約，具體與源儲組合空間分布、源巖的供烴能力、源儲壓差(動力)大小、儲層孔喉網(wǎng)絡(luò)體系特征以及油氣流動的臨界條件等因素有密切的關(guān)系。主要研究內(nèi)容如下：①控制納米油氣分布與甜點(diǎn)區(qū)形成的地質(zhì)條件的地質(zhì)因素；②納米油氣分布規(guī)律與甜點(diǎn)區(qū)分布模式總結(jié)。

(8)納米油氣系統(tǒng)研究

依據(jù)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)和原理，從納米油氣的靜態(tài)地質(zhì)條件(源儲組合及其共生關(guān)系)，到動態(tài)地質(zhì)過程(納米油氣在致密儲層納米孔隙結(jié)構(gòu)和孔喉網(wǎng)絡(luò)中的流動機(jī)理、聚集特征和散失規(guī)律)，以及源儲時(shí)空的有機(jī)配置，全面系統(tǒng)地概括和總結(jié)納米油氣生成、滯留、運(yùn)移、聚(富)集、散失和分布的研究成果，進(jìn)行理論提升，形成納米石油地質(zhì)學(xué)的理論體系，并在非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)實(shí)踐中不斷充實(shí)、修正和完善。

納米石油地質(zhì)學(xué)的構(gòu)成如圖2。

2.3.2 納米石油地質(zhì)學(xué)的研究方法

從前面對納米石油地質(zhì)學(xué)研究內(nèi)容的闡述可知，可將研究內(nèi)容進(jìn)一步歸納為3個(gè)方面：一是研究納米油氣的賦存環(huán)境和空間—源儲共生組合；二是研究因納米效應(yīng)而導(dǎo)致的納米油氣獨(dú)特的生成、滯留、運(yùn)移、聚(富)集、散失的機(jī)理；三是研究納米油氣獨(dú)特的(不同于非常規(guī)油氣的)分布與富集規(guī)律。這些以納米空間為研究尺度的特點(diǎn)，決定了納米石油地質(zhì)學(xué)獨(dú)特的研究方法。

(1)高分辨的分析測試手段及其研究方法

要實(shí)現(xiàn)在納米尺度內(nèi)研究油氣的賦存狀態(tài)、滲流機(jī)理、富集規(guī)律和散失特征，必須借助高分辨率的測試和分析儀器及其技術(shù)，如納米-CT、高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡技術(shù)、恒速壓汞裝置及技術(shù)等，可以獲得致密儲層孔隙度、滲透率等重要物性參數(shù)、精細(xì)刻畫致密儲層的納米孔隙結(jié)構(gòu)、納米孔喉網(wǎng)絡(luò)體系，觀察納米油氣賦存狀態(tài)、精確測定進(jìn)汞壓力、退汞壓力等，進(jìn)而進(jìn)行納米油氣運(yùn)移、聚集、散失機(jī)理的研究[35-49]。

圖2 納米石油地質(zhì)學(xué)的構(gòu)成

同時(shí)，配合全巖電鏡掃描、X-衍射等技術(shù)，可獲得納米油氣致密儲層的礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等信息，為納米油氣形成、演化與富集提供依據(jù)。

(2)交叉學(xué)科的研究思路和研究方法

納米石油地質(zhì)學(xué)是傳統(tǒng)(經(jīng)典)石油地質(zhì)學(xué)與納米科技交叉形成的一門邊緣學(xué)科，因此研究納米石油地質(zhì)學(xué)，除了借用經(jīng)典石油地質(zhì)學(xué)一些研究思路、方法外，還應(yīng)借用納米科技的理念、研究思路和方法，吸取兩者有價(jià)值的東西來促進(jìn)納米石油地質(zhì)學(xué)的形成和發(fā)展。

(3)模擬實(shí)驗(yàn)與典型實(shí)例剖析相結(jié)合的研究方法

納米石油地質(zhì)學(xué)的研究內(nèi)容多涉及微觀領(lǐng)域的東西，尤其是其核心內(nèi)容納米油氣的流動機(jī)制和流動規(guī)律的研究。為了使研究成果更好地反映宏觀上非常規(guī)油氣的賦存、運(yùn)移、聚集特征，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)物理模擬實(shí)驗(yàn)的分析研究，盡量與微觀分析測試的研究成果和典型實(shí)例剖析的成果相匹配，相結(jié)合，互相補(bǔ)充、完善和互相驗(yàn)證。

3 納米石油地質(zhì)學(xué)提出的背景和條件

3.1 勘探實(shí)踐需要新的石油地質(zhì)理論

非常規(guī)油氣勘探的理論研究落后于其勘探實(shí)踐，嚴(yán)峻的形勢呼喚創(chuàng)新的石油地質(zhì)理論。我國的石油對外依存程度已超過56%，常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)步履艱難，東部油田普遍進(jìn)入開發(fā)中后期，中西部油田儲產(chǎn)量增長緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上國家對油氣需求的增長。而潛力巨大的非常規(guī)油氣資源的研究，在我國才剛剛起步，但非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)實(shí)踐已經(jīng)走在前面，如鄂爾多斯盆地、四川盆地致密油氣的勘探已經(jīng)取得一定成效，四川、重慶、云南等南方地區(qū)頁巖氣的勘探也取得重要進(jìn)展，但是傳統(tǒng)的石油地質(zhì)學(xué)理論不能指導(dǎo)非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)，而適宜于非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的理論還沒有出現(xiàn)，因而造成潛力巨大的非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)因指導(dǎo)理論的“真空”而面臨尷尬的局面，進(jìn)展緩慢。因此，以納米油氣為主體的潛力巨大的非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)，急需一套針對納米油氣的地質(zhì)理論來指導(dǎo)。

3.2 納米石油地質(zhì)學(xué)誕生的條件

納米科技是20世紀(jì)80年代針對納米尺度空間物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律而誕生的新興科技,是研究由尺寸在0.1～100 nm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動規(guī)律和相互作用以及實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)。納米不僅是一個(gè)空間尺度上的概念，而且是一種新的思維方式,基本原理之一是納米尺度的物質(zhì)由于其奇特的納米效應(yīng),具有與常規(guī)尺度(毫米—微米及以上)物質(zhì)截然不同的物理、化學(xué)、能量特性。運(yùn)用高分辨的納米技術(shù)，如納米-CT、高分辨場發(fā)射電鏡掃描技術(shù)等，可觀察、研究和精細(xì)刻畫納米級物質(zhì)的形態(tài)、大小、形狀、成分、結(jié)構(gòu)(組構(gòu))、性質(zhì)(包括物理性、化學(xué)性質(zhì)等)以及其運(yùn)動、變化規(guī)律等。正是納米科技的提出和進(jìn)展成果，才為我們分析、研究納米油氣的性質(zhì)及其運(yùn)動規(guī)律，揭示納米油氣的生、留、運(yùn)、聚、散和分布的機(jī)理和規(guī)律提供了可能。

4 納米石油地質(zhì)學(xué)的意義與展望

4.1 納米石油地質(zhì)學(xué)的意義

毫無疑問，非常規(guī)油氣資源是未來油氣勘探開發(fā)的主要領(lǐng)域，而納米油氣是非常規(guī)油氣的主體，因此，未來的非常規(guī)油氣勘探開發(fā)，實(shí)際上主要是納米油氣的勘探開發(fā)。納米石油地質(zhì)學(xué)的重要意義是不言而喻的。

4.1.1 將成為未來勘探開發(fā)基礎(chǔ)理論

利用傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)理論，以及目前所有的油氣地質(zhì)學(xué)理論指導(dǎo)常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)的時(shí)代將逐漸成為歷史，非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)將成為世界石油工業(yè)的主流，納米石油地質(zhì)學(xué)揭示以納米油氣為主的非常規(guī)油氣形成、分布(富集)機(jī)理與規(guī)律為己任，其成果將有效地指導(dǎo)非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)，因此，納米石油地質(zhì)學(xué)將取代傳統(tǒng)的石油地質(zhì)學(xué)理論，而成為未來油氣勘探開發(fā)的經(jīng)典理論。

4.1.2 納米石油地質(zhì)學(xué)將是一次革命性創(chuàng)新

納米石油地質(zhì)學(xué)研究的是微觀世界(納米級尺度)油氣藏的形成與分布(富集)機(jī)理與規(guī)律，由于納米尺度是一個(gè)獨(dú)立的空間世界，與常規(guī)油氣所在毫米—微米尺度具有重大的差異，尤其是因納米油氣的納米效應(yīng)，使得納米油氣的生成、滯留、運(yùn)移、聚集、散失與分布等石油地質(zhì)學(xué)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與常規(guī)油氣的不同，因此，納米油氣的形成機(jī)理與分布(富集)規(guī)律必然與研究常規(guī)油氣的傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)也會截然不同，與此相對應(yīng)，研究納米油氣的納米石油地質(zhì)學(xué)與研究常規(guī)油氣的傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)也會截然不同。因此，納米石油地質(zhì)學(xué)不是一種普遍意義上的理論創(chuàng)新，而將是一門全新的理論體系，是一個(gè)革命性的、空前的重大進(jìn)步。

4.2 對納米石油地質(zhì)學(xué)的展望

本文只是提出納米石油地質(zhì)學(xué)的概念和初步構(gòu)想，要真的形成納米石油地質(zhì)學(xué)的理論體系，還要經(jīng)歷一段“實(shí)踐—理論—實(shí)踐”的艱苦探索，但這段時(shí)間不會太長。畢竟非常規(guī)油氣勘探急需石油地質(zhì)理論的指導(dǎo)，而納米科技的發(fā)展也提供了保障和條件?？梢灶A(yù)言，納米石油地質(zhì)學(xué)將帶人類進(jìn)入一片嶄新的油氣勘探開發(fā)天地，它帶給人類的將不僅是比常規(guī)油氣資源更為豐富的非常規(guī)油氣資源，更多是帶給人類對微觀世界的思考和對未知領(lǐng)域的不懈探索。

4.2.1 從根本上轉(zhuǎn)變對油氣勘探開發(fā)的理念

以納米油氣為主體的非常規(guī)油氣和毫米—微米尺度的常規(guī)油氣分別處于兩個(gè)完全不同的物質(zhì)層次領(lǐng)域，其形成、分布、賦存規(guī)律和特征幾乎不具有可比性。常規(guī)油氣強(qiáng)調(diào)的生、儲、蓋、運(yùn)、圈、保六大成藏要素，以圈閉為核心的油氣聚集空間、以油氣長距離長期、多期沿各類輸導(dǎo)體運(yùn)移、在局部圈團(tuán)中聚集成藏為重點(diǎn)的研究思路等，在非常規(guī)油氣資源的研究中幾乎都不是重點(diǎn)。相反，納米油氣的各種奇特、神秘的納米效應(yīng)，以及由這些納米效應(yīng)產(chǎn)生的獨(dú)特油氣生成、滯留、運(yùn)移、聚(富)集、散失和分布的機(jī)理和規(guī)律，將成為納米石油地質(zhì)學(xué)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。盡管目前人們對非常規(guī)油氣資源的認(rèn)識還很膚淺，納米油氣的納米效應(yīng)及其成藏機(jī)理與分布規(guī)律還是一個(gè)迷，但是，隨著人們對納米油氣認(rèn)識的不斷加深，將不斷修正和改變對納米油氣資源的觀念和研究思路，使認(rèn)識不斷接近客觀世界。在這個(gè)過程中，納米石油地質(zhì)學(xué)的原理和思路將起到重要的引導(dǎo)和啟迪作用。

4.2.2 極大拓寬勘探開發(fā)視野

納米石油地質(zhì)學(xué)研究的對象是納米尺度為主的非常規(guī)油氣，研究的內(nèi)容是非常規(guī)油氣主體——納米油氣的形成機(jī)理與分布(富集)規(guī)律，研究的目的是揭示以納米石油氣為主體的非常規(guī)油氣資源形成的機(jī)制和分布(富集)規(guī)律，為數(shù)倍于常規(guī)油氣資源的非常規(guī)油氣勘探開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。依據(jù)納米油氣特性及其分布特征，納米石油地質(zhì)學(xué)將把人們的勘探視野從局部宏觀拓展到整個(gè)宏觀和微觀世界，將油氣勘探的領(lǐng)域從常規(guī)油氣的局部圈閉點(diǎn)帶到整個(gè)含油氣盆地，即從“局部圈閉勘探”帶到“整個(gè)盆地勘探”，進(jìn)一步證實(shí)了“勘探無禁區(qū)”的真理，這將大大拓展油氣資源的勘探開發(fā)領(lǐng)域。隨著納米石油地質(zhì)理論的不斷成熟和勘探開發(fā)技術(shù)(水平井、分段壓裂等)不斷創(chuàng)新，巨大而難以估算的油氣資源將不斷地被發(fā)現(xiàn)和開發(fā)利用，全球石油產(chǎn)量的峰值又將大大往后推遲。納米石油地質(zhì)學(xué)將逐漸取代目前傳統(tǒng)的石油地質(zhì)學(xué)，在未來油氣勘探開發(fā)中發(fā)揮至關(guān)重要的指導(dǎo)作用。

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(編輯 徐文明)

Nano-meter petroleum geology: Discussion about geology theory and research method of unconventional petroleum

Wang Congxiao1, Luo Qun2, Song Yan2, Jiang Zhenxue2, Liu Yunsheng3

(1.ExplorationandDevelopmentInstituteofYumenOilfield,PetroChina,Jiuquan,Gansu735000,China; 2.UnconventionalNaturalGasInstitute,ChinaUniversityOfPetroleum,Beijing102249,China; 3.ExplorationandDevelopmentInstituteofJianghanOilfield,SINOPEC,Wuhan,Hubei430000,China)

At present, conventional petroleum explorations have become more and more difficult. On the contrary,unconventional petroleum reservoirs represented by nano-meter oil and gas have a great potential, and are the main fields for petroleum explorations. Due to the obvious differences between conventional and unconventional petroleum, traditional petroleum geology which was used to guide conventional petroleum explorations is no longer suitable for unconventional petroleum explorations. Nano-meter petroleum geology is an interdiscipline between nanotechnology and petroleum geology. It came into being due to the demands of unconventional petroleum explorations and the booming of nanotechnology. The mechanisms and laws of nano-meter petroleum generation, retention, migration, accumulation, preservation and escaping are the main research tasks of nano-meter petro-leum geology. The forming, output states and distribution features of unconventional petroleum are the main aims of nan-meter petroleum geology. Nanotechnological idea and its high-resolution testing techniques, physical simulation experiments, typical example analyses are the main guiding thought and research measures. As a new petroleum geology theory system, nano-meter petroleum geology will play an important role in future petroleum exploration and development.

nano-meter petroleum; nano-meter petroleum geology; unconventional petroleum; petroleum exploration and development; nano-meter technology

1001-6112(2014)06-0659-09

10.11781/sysydz201406659

2014-03-02；

2014-09-10。

王崇孝(1964—)，男，博士，高級工程師，從事油田勘探開發(fā)研究與科技管理工作。E-mail: wangcx@petrochina.com.cn。

羅群(1963-)，男，博士，副教授，從事盆地構(gòu)造與油氣成藏機(jī)理、非常規(guī)油氣地質(zhì)研究與評價(jià)工作。E-mail: luoqun2002@263.net?；痦?xiàng)目：國家自然科學(xué)基金“云質(zhì)巖致密油儲層微米—納米孔喉網(wǎng)絡(luò)體系及其流體耦合流動機(jī)理與流動下限”(41372145)和中國石油股份有限公司“十二五”科技重大專項(xiàng)“玉門油田重上百萬噸勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2012E-3301)項(xiàng)目資助。

TE19

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