第一节　非常规油气资源的“非”同特性

毫无疑问，近年来规模最大的新供应源正是非常规油气资源。非常规油气资源勘探开发取得了重大突破，非常规油气产量不断刷新，占全部能源供应的比例逐年增加，对勘探领域的拓展和油气工业的发展产生了深远影响，非常规油气是世界油气工业发展的必然趋势、必由之路和必然选择。

那么，与常规油气资源相比，非常规油气资源有着怎样“非”同常规的属性特征？非常规油气资源有着怎样“非”同常规的理论技术？非常规油气资源有着怎样“非”同常规的意义前景？

首先，非常规油气具有与常规油气完全不同的定义特征、属性参数。

一、非常规油气资源的界定

对于非常规油气资源的定义或界定，可能基于不同的角度，有不同的认识。有的按照基质渗透率界限进行界定，有的从地质特征和勘探的角度进行界定，有的根据开采技术要求进行界定，有的却从经济性角度对非常规油气进行界定。

1．经济技术的视角

大致自20世纪80年代以来，常规和非常规油气的概念开始流行。但是最早的常规与非常规油气资源的划分，不是基于资源本身，而恰恰是源于人们的经济视角。张抗（2012）指出，人类对地下资源的利用，显然总是从较易开发、资源丰度较高、能获得较大经济效益的资源入手，然后随着需求的扩大、高品位资源的耗尽匮乏，不得不转向资源禀赋较差的领域。因此，人们把当时就可进行经济开发的那些油气资源类型归为常规，而把丰度低、难开发以致在当时技术条件下难以取得经济效益的油气资源列入非常规。如在20世纪70年代的早中期，美国大多数勘探地质学家将次经济和经济边缘的煤层气、页岩气、致密低渗透砂岩（或碳酸盐岩）气看作非常规天然气。Etherington（2005）等就指出非常规油气藏是指未经大型增产措施或特殊开采过程而不能获得经济产量的油气藏。Holditch（2007）等将非常规天然气定义为“除非采用大型压裂、水平井或多分支井或其他一些使储层能够更多暴露于井筒的技术，否则就不能获得经济产量或经济数量的天然气”。

从经济技术视角来界定，所谓的非常规是指在当时技术条件下难以取得经济效益的油气资源。

但是，随着在需求的巨大推动下，依托科技水平的提升和本世纪初油气价格的抬升，可采经济边际不断下移，某些原有的非常规油气已投入经济开采，如非常规石油的重（稠）油、油砂、页岩油，非常规天然气的煤层气、页岩气和致密储层气，有的开发成本甚至低于常规资源的平均成本，对于这些类型的油气虽然从整体上看已不再有不能经济开发的含义，但常规与非常规的划分仍被习惯性地沿用至今。显然，从经济开采的视角，对非常规油气的界定更具有动态性质，如图1-1-1中的利润产量临界点可动态变化，常规与非常规的划分是相对的，非常规油气是一个动态的且有着一定人为性的概念。

2．地质储层的视角

Law等（2002）认为，常规天然气与非常规天然气在地质上存在根本性差异。常规天然气是浮力驱动形成的矿藏，其分布表现为受构造圈闭或岩性圈闭控制的不连续分布形式，而非常规天然气则是非浮力驱动形成的矿藏，其分布表现为不受构造圈闭或岩性圈闭控制的区域性连续分布形式。

美国石油工程师学会（SPE）、石油评价工程师学会（SPEE）、美国石油地质师协会（AAPG）、世界石油大会（WPC）2007年联合发布非常规油气资源的定义：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”。这一定义认为非常规油气资源与连续型油气概念一致。

常规油气总是储存在孔隙度、渗透性较好（多属中、高孔渗类）的地层中，这正是其有较高产量、较好效益的主要原因之一。而孔渗性不好（因而单井日产量相当低）、相对致密的储层中的油气则归属于非常规。Harris Cander（2012）提出了一个简单的定义图版（图1-1-2），考虑了岩石物性和其中的流体性质等因素。所有油气田都投在黏度和渗透率图版上（横、纵坐标均为对数坐标），常规资源都落于图版的右下象限内，与流体相态无关；所有非常规资源，由于渗透率与黏度的比值较低，都落于图版右下象限之外。非常规资源被定义为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的比值变化，进而能获得工业产能的资源。

加拿大国家能源局（NEB）对非常规页岩油气的定义，是指富集储存在低孔隙度、低渗透性的页岩源岩中，或运移储藏在致密的砂岩、石灰岩等储层中。加拿大非常规天然气学会（CSUG）强调的是非常规储层，而非常规储层通常指的是那些质量差且需要采用加强的完井技术才能在商业上获得成功的井的储层，表现最为突出的就是致密储层。所谓致密储层可包括砂岩类、页岩类和碳酸盐岩类。

3．综合的视角

Singh等（2008）、Old等（2008）、Marin等（2010）、Cheng（2010）等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）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。

邹才能等（2013）在系统分析各类非常规油气基本特征的基础上，重新厘定涵盖主要观点的非常规油气定义（图1-1-3）：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1μm或渗透率小于1×10^-3μm²。

赵靖舟（2012）把非常规油气定义为在油气藏特征或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矿藏（图1-1-4）。非常规油气的内涵比“连续油气聚集”的含义广，后者是非常规油气资源的重要组成部分但不是全部。非常规油气还包括重油、油砂等，它们不一定是连续型的。

这样，从可以进行商业开发的非常规油来说就包括重（特重）油沥青砂、油砂、页岩油和致密油、油页岩，非常规天然气则有天然气水合物、煤层气、页岩气、生物气和致密气。

二、非常规油气资源的类型

据邹才能等（2012）引用的Masters和Gray（1979）的油气资源类型特征三角图（图1-1-5），其顶部是常规的构造油气藏和岩性地层油气藏，资源品质高，但资源总量较小；中间是准连续型的重油、油砂油、碳酸盐岩缝洞油气等；下部是连续型的致密油、致密气、煤层气、页岩油、页岩气、油页岩油、水合物等，后两者为非常规油气聚集。从不同角度，根据非常规油气的不同属性和特征，可以对非常规油气进行不同分类。根据储集岩类型，可以分为致密砂岩油气、页岩油气、煤层气、碳酸盐岩缝洞油气、火山岩储层油气、变质岩储层油气等。根据成熟度、密度和黏度，依次可分为油页岩，重油、油砂，页岩油、致密油，页岩气、煤成气、致密气。

根据油气赋存载体及其耦合关系，可以分为流固耦合型（致密油气、页岩油气、煤成气）、气水固合型（天然气水合物）、气水融合型（水溶气）、水动力遮挡型（水动力封闭气）。按照油气聚集方式，常规和非常规油气可分为单体型、集群型、准连续型与连续型4种基本类型，其中非常规油气包括准连续型和连续型，不严格受圈闭控制，平面上呈大面积准连续型或连续型分布。准连续型油气聚集，包括碳酸盐岩缝洞油气、火山岩储层油气、变质岩储层油气、重油、油砂油、天然气水合物等；连续型油气聚集是非常规油气的主要聚集模式，包括致密砂岩油和气、页岩油和气、煤层气等。总之，非常规天然气包括致密气（致密砂岩气、火山岩气、碳酸盐岩气）、煤层气（瓦斯）、页（泥）岩气、天然气水合物（可燃冰）、水溶气、无机气以及盆地中心气、浅层生物气等。非常规石油包括致密油（致密砂岩油、火山岩油、碳酸盐岩油、变质岩油）、页岩油、油页岩、重油、油砂油等。

不同类型非常规油气的地质特征、聚集机理和分布规律既有共同之处，也存在差别（表1-1-1）。在非常规油气中，连续型油气占绝大多数，下面对主要非常规油气类型做简要介绍。

1．非常规天然气

致密砂岩气：是覆压基质渗透率≤0.1×10^-3μm²（约相当于空气渗透率≤1×10^-3μm²）的砂岩中的天然气。致密砂岩气的基本特征是：储层物性差，孔隙度小于10%，渗透率为10^-12~1×10^-3μm²；砂泥间互、源储邻接；无明显圈闭和直接盖层，但上覆区域性盖层好，构造活动性弱，保存条件好；主要分布于盆地中部及斜坡，气水界限与分布复杂。天然气聚集服从“活塞式”运移原理，一般致密气运移聚集表现为气层与煤系源岩大面积接触，以短距离二次运移为主。如鄂尔多斯苏里格、四川盆地须家河组致密砂岩气等。

页岩气：是指赋存于非常细、极低孔渗的沉积岩（主要为页岩层）中的天然气。在富含有机质的页岩层段中，以吸附气、游离气和溶解气状态储藏的天然气，主体是自生自储的连续性气藏。富烃页岩既是烃源岩，又是储集岩，储集空间主要有粒间孔、粒内孔和有机质孔，为纳米级孔隙系统。高有机质含量的黑色泥页岩是形成页岩气的基本条件。影响页岩气形成的因素很多，其中有3个因素最为关键：一是有机质丰度，有机质丰度越高，含气量越大，一般要求TOC大于2%；二是有机质成熟度，热成因气页岩的R_o一般大于1.5%；三是页岩的岩石性质，其控制产能大小，一般要求脆性矿物（石英、长石等）含量达到40%，裂缝发育，有利于游离气产出。页岩气具有以下基本特点：一是页岩气主要形成于成熟有机质高热演化阶段；天然气赋存方式既有游离气，也有吸附气和溶解气；二是页岩气分布于平缓斜坡区、坳陷区和盆地边缘，含气范围广，气层厚度大，有核心区和“甜点”，可预测性强；三是单井产量不高，稳定产量一般（1~20）×10⁴m³，但稳产时间长，可以持续生产20~30年以上，一般不产水。如四川盆地下古生界页岩气等。

煤层气：是一种生成并储存于煤层中，以甲烷为主要成分、以吸附状态为主要赋存方式，在煤矿开采中俗称“瓦斯”。煤层气是煤层中自生自储式非常规天然气，源储一体，圈闭界限不明显。煤层气甲烷含量超过95%，存在极少量较重的烃类（大部分为乙烷和丙烷）以及氮气、二氧化碳。煤岩不仅持续生烃，而且运移、聚集、分布以及开采过程均表现出“连续性”特征。由于生成、赋存、富集条件和开发方式不同，煤层气与常规天然气既相似，又有其自身的特点。煤层气赋存具有明显的分带性，依据煤层气δ¹³C₁值、非烃含量、甲烷含量和开采特点，由盆地边缘向腹地一般可划分为氧化散失带、生物降解带、饱和吸附带和低解吸带4个带。其中饱和吸附带盖层条件好，处于承压水封闭环境，含气量大，含气饱和度高，煤层埋深适中，物性较好，气井单井产量高，是煤层气勘探开发的主要目标区，如山西沁水、陕西韩城等区块的煤层气。

2．非常规油

致密油：是一种非常规的轻质石油，储集在覆压基质极低渗透率≤0.1×10^-3μm²（约相当于空气渗透率≤1×10^-3μm²）的致密砂岩、致密碳酸盐岩、页岩等岩层中。致密油主要地质特征是：覆压基质渗透率≤0.1×10^-3μm²，孔隙度<10%，一般API大于40°。形成致密油需具备3个必要条件：①广覆式分布的Ⅰ型或Ⅱ型优质成熟生油层；②大面积分布的储集层；③致密储集层与生油岩紧密接触。如鄂尔多斯延长组、松辽盆地白垩系湖盆中心致密砂岩油等。

页岩油：是指赋存于富有机质、纳米级孔径页岩中的石油聚集。石油基本未经历运移，原位赋存。页岩既是石油的生油岩，又是石油的储集岩。页岩油以吸附态和游离态存在，一般油质较轻、黏度较低。在较高热演化的生油岩中，页岩热演化处于凝析油阶段，形成凝析页岩油。目前研究较多的是海相页岩气，陆相页岩油还没有获得真正意义上的工业化突破和规模化生产。与页岩气不同，页岩油主要形成在有机质演化的“生油窗”阶段（R_o介于0.5%~2.0%）。在富有机质页岩持续生油阶段，石油也在页岩储层中滞留吸附、持续聚集，只有在页岩储层自身饱和后才向外溢散或运移。页岩油一般分布于平缓斜坡区、坳陷区和盆地边缘烃源岩排烃不畅的地区或层段。目前世界上形成工业产量的页岩油绝大多数产自裂缝性泥页岩。页岩裂缝孔隙型石油形成于特殊的地质环境和聚集条件：①优质烃源岩；②发育脆性矿物；③微米-纳米级基质孔喉系统；④厚层页岩中具网状裂缝。如鄂尔多斯盆地三叠系页岩油等。

重油沥青：重油和沥青，不同国家有不同的定义标准，一般指黏度大、密度高，地下条件不易流动或不能流动的原油。在油层温度条件下，黏度大于1.0×10⁴mPa·s，密度小于10°API（相对密度大于1.0）的石油为沥青；黏度为50~10000mPa·s，密度为10°~20°API（相对密度0.934~1.0）的石油为重油。重油沥青的成因主要有原生型和次生型两种类型。原生型主要是指未成熟油或低成熟油，次生型是指后期遭受生物降解等稠变作用形成的重油。重油和沥青的特点是密度大、黏度高和馏分组成偏重，20℃时密度均在0.9g/cm³以上。如加拿大阿尔伯达重油沥青、委内瑞拉重油沥青带、辽河欢喜岭油田等。

油页岩：又称油母页岩，是指高灰分的固体可燃有机岩，含油率应大于3.5%，它可以是腐泥、腐殖或混合成因的，其发热量一般≥4.19MJ/kg。它和煤的主要区别是灰分超过40%，与炭质页岩的主要区别是含油率大于3.5%。如美国绿河油页岩及中国抚顺、茂名油页岩等。

天然气水合物：是由主体分子（水）和客体分子（烃类甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷等气体分子及非烃类氮气、二氧化碳以及硫化氢等气体分子）在低温（-10~+28℃）和高压（1~9.0MPa）条件下，通过范德华力相互作用，形成的结晶状笼形固体络合物，其中水分子借助氢键形成结晶网络，网络中的孔穴内充满轻烃、重烃或非烃分子。水合物具有极强的储载气体能力，一个单位体积的天然气水合物可储载100~200倍于该体积的气体量。天然气水合物通常呈白色，外形如冰雪状。结晶体以紧凑的格子构架排列，与冰的结构相似。天然气水合物中通常含大量甲烷或其他碳氢气体分子，易燃烧，也有人称之为“可燃冰”，而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物。决定天然气水合物形成和分布的地质控制因素包括温压稳定性、气源、水源、天然气运移和储集岩。如中国南海海域、南极等。

三、非常规油气资源地质特征

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，其中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；常规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藏（田）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．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。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10360 km²，表现为“连续”聚集特征。

3．储集层特征

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中国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中国川中侏罗系大安寨段为代表，孔喉直径主要为50~800 nm。

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，如中国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^-3 μm²，山₁段平均孔隙度为7.04%、渗透率为0.38×10^-3μm²。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。

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。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。

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”。

6．开采特征

非常规油气储集层致密，一般无自然工业产量，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。目前非常规油气一般以一次与二次开发为主，通常采用水平井、多分支井等钻井技术，最大限度钻揭储集层；水平井多级体积压裂改造技术，最大限度提高储集层改造范围与规模，最大限度提高单井产量；平台式工厂化开采技术，最大限度开发利用地下资源。“人造渗透率”为核心的水平井体积压裂技术创新、平台式“工厂化”低成本开发模式创新，使非常规油气资源得以大规模经济有效开发。主要具有八大开采特征：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，第1年递减率超50%，长期低产稳产；⑤需打成百上千口井，没有真正的“干井”；⑥采收率较低，一次开采为主，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地质风险相对小，但效益有高低。

页岩气主要靠滑溜水压裂生产，页岩油可能主要靠气体压裂生产。针对尚未突破的页岩油，需加强非水气体压裂等技术攻关，如临界气体（二氧化碳、烃类气、氮气、空气等）压裂液等工业化试验，改变石油在页岩地层中的温压参数、赋存状态、流动性能等。