[政史地]非常规油气资源专题.ppt

石油及天然气地质学进展 人们习惯上把石油、天然气区分为常规的（ conventional）和非常规的（ unconventional ）两 种不同类型。 所谓非常规的石油、天然气是指该其储层、 流体特征以及成藏机理与一般常规油气系统不同 ，并且采用常规的勘探和开发方法很难予以发现 或有效地加以开采的一类天然气系统。 常规、非常规是相对的，具有一定时效性的。 基础石油地质学常规 本专题主要介绍非常规的 非常规天然气包括致密砂岩气(深盆气) 、 煤层气、浅层生物气、水溶气、页岩气、无 机成因气、天然气水合物等。 非常规石油主要包括：油砂、重油（稠 油）、油页岩（低温干馏获得页岩油） 我国目前能够进行经济开发的有深盆气 、煤层气、浅层生物气等。 天然气石油 常 规规 气藏气 气顶顶气 油藏（溶解）气 常 规规 油藏油 非 常 规规 致密砂岩气(深盆气) 、 煤层层气、 浅层层生物气、 水溶气、 页页岩气、 天然气水合物 非 常 规规 油砂、 重油（稠油）、 油页页岩（页页岩油） 非常规油气资源量 据估计，全球 致密砂岩气资源量约为400万亿方; 煤层气资源量可能超过260万亿方; 页岩气资源量为40万亿方; 天然气水合物中甲烷资源量为6000多万亿方; 水溶气资源量33837万亿方，比常规气高2个数量级 。 油砂油的可采资源量为1035.1亿吨(仅次于常规石油 可采资源量,1514亿吨）; 重油资源量约为690亿吨; 油页岩折算成页岩油的数量可达4000多亿吨. (从油 页岩还可获得可燃气) 1 致密砂岩气(深盆气) 深盆气是在高勘探程度下对油气藏赋存规 律的新认识，它以气水关系倒置为特征，其 内部的“甜点”是有经济开发价值的目标区。 粗略估计，中国深盆气资源量将超过100万 亿方（资源量与常规天然气有部分重合）， 依据当前的勘探和开发技术，我国深盆气现 实可采资源量超过11. 5413. 81万亿方。 深盆气藏的概念： 深盆气藏最早于1920年发现于美国圣胡安盆地， 但深盆气藏的概念首先在上世纪70年代末由加拿大 亨特勘探公司总裁J.A.Masters和R.M.Gies提出来的 。 Rf: Msters J A. Deep Basin Traps,Western Canada. AAPG Bulletin, 1979; 63(2) Masters（1979)将发育于构造下倾部位或中央向斜部位 砂岩中的气藏称为深盆气蒇(Deep basin gas trap)。 此外，盆地中心气藏（ Basin Centered Gas Accumulation ，P.R.Rose等， 1984）、致密砂岩气藏（ Tight sands gas；R.C.Surdam等，1995 ）、 深层 致密砂岩气藏、气水倒置气藏、水封气藏、满盆气藏、动态 气藏等。 尽管叫法不同，但无论如何,有关深盆气藏 的定义都基于“位于构造下倾部位或盆地中 央,而且气藏上倾部位含水气水倒置”这样 的内涵之上。 20多年来，深盆气理论有效指导了北美落 基山前系列前陆盆地和负向构造的天然气勘 探。已经在10 余个盆地发现了储量规模巨大 的深盆气藏。 近年来，我国开始重视深盆气的勘探。 1 2 3 4 5 6 7 1气源岩（如煤层等）；2深盆气藏内部甜点（sweet spot）; 3深盆气的饱含气带； 4深盆气藏气水过渡带；5饱含水带（区域含水储层）；6-岩性气藏；7背斜气藏 深盆气成藏基本条件-1）气源岩发育、气源充足： 北美落基山地区的致密砂岩气藏的气源岩主要是 白垩系的煤系地层和富含有机质的泥岩、页岩，其次 是侏罗系和第三系的暗色泥岩。尤以煤层和含煤地层 最为重要。煤成气是其主要的气源之一；其次是热成 熟气和生物气。 源岩的有机炭含量大于2，有机质类型主要为 腐殖型的III类干酪根，适合生气。成熟度较高，Ro 一般大于0.8。煤层厚度巨大（一般3-9米），烃源岩 厚度大于100米，分布较广。具有巨大的生气潜力。 深盆气成藏基本条件2）储层致密、但内部存在甜点 深盆气藏的砂岩致密，物性和孔喉结构较差。北美落基山地 区的致密砂岩特点是： 主要沉积相类型为河流相。砂体呈透镜状，连续性差； 低孔（3-12）、低渗（0.5-0.000510-3m2）； 孔隙喉道半径小，一般小于0.5、毛细管压力高； 孔隙类型主要有残余粒间孔隙、但多数是次生孔隙（以 溶蚀孔和微孔隙为主）； 成岩作用强烈、次生孔隙发育、自生矿物含量高； 致密砂岩储层对应力敏感性强； 在钻井和增产措施中易受伤害（五敏、压敏和水锁等） 深盆气藏甜点分类图 1. 致密含气带; 2. 局部孔隙发育带; 3. 局部裂缝发育带 深盆气藏的“甜点”问题 深盆气藏的储层物性普遍较差，但在低孔渗成 片的砂层发育区内，常常发育有相对高孔渗的砂岩 体，它一般具有较高的天然气工业产能，国外称之 为“甜点”（Sweet spot），也可以称之为“天然 气高产区块”。 “甜点”是致密砂岩气藏的核心问题，因为只 有“甜点” 才是具有开发经济价值的致密砂岩气 藏。因此，国内外在研究深盆气藏的特点、成因机 制、控制因素和分布规律之外，还广泛地探讨了致 密砂岩储层的“甜点”的控制因素。 深盆气藏的“甜点”问题 总体来看有如下认识： 有利的储集相带是发育 “甜点”的主要控制因素。 在加拿大Washakie 盆地中的白垩纪Almond 砂岩中，由于 “甜点”与沉积相有关，因此根据沉积相带的预测结果， 在坝砂和砾石滩砂相中发现了著名的Hoadley大气田。 次生孔隙是物性“甜点”发育的另一个控制因素。 裂缝的发育有利于形成“甜点”； 深盆气藏含气性较好的地方是盆地构造相对较低的部 位。 超压有利于油气的保存。北美地区的统计表明深盆气 藏的分布，80是在异常压力带顶界之下几百米的范围之 内；而这种压力边界是可以用声波测井给予描述（Ronald C.Surdam，1997）。 流体特点 （1）深盆气的天然气组分特征完全与常规气藏中 的天然气相同，主要成分为甲烷CH4、重烃气、CO2、 N2等。可燃烃气的含量一般在95以上，绝大多数 为甲烷CH4。干燥系数较大； （2）含水饱和度高。一般可达30-70。通常以40 作为估算致密砂岩储层的下限含气饱和度值。随 着含水饱和度的增高，流动气相渗透率急剧下降。 当含水饱和度达到60-80时，气相渗透率就基本降 为零； （3）气水倒置，无明显的气水界面； 深盆气藏的成藏机制 关于深盆气藏的成藏机制，国内外均进行了详细的讨论 。有多种不同的认识，目前没有取得统一： Master（1979）提出气水相对渗透率的变化可对这 类气藏进行遮挡。据研究，当储层中的含水饱和度为40时 ，气的相渗透率只有水的十分之一，而当水的饱和度达到60 时，气的相渗透率为零，储层对气几乎不渗透； 深盆气藏的特征 深盆气 圈闭和深盆 气藏的地质 概念模型与 要素关系 深盆气藏的成藏机制 Gies（1984）通过对气田储层压力研究得出 了天然气的聚集是一种不断有天然气沿上倾方向运移 的动态平衡的观点。 Welte（1984）年通过对加拿大 艾尔姆华士气田的地球化学研究表明，该气田致密砂 岩储层中没有重烃的重新分配，而轻烃却发生大规模 运移，整个气田处于动态平衡状态，天然气在深盆地 中心不断地被生成，同时又不断地运移到地表和孔隙 度发育的边缘而散失。因此，天然气的聚集是一种“ 动态圈闭”。 C.A.Brown 通过对皮申思盆地南部的致密 砂岩中的天然气聚集的研究认为存在“毛细管压 力圈闭”的可能模式。 深盆气藏的成藏机制 D.J.Cant(1983)通过对阿尔伯达盆地斯皮里特河 组致密砂岩的成岩作用研究，提出了致密砂岩还存在“ 成岩圈闭”。他认为砂岩层的各个部分在其埋藏期间可 经受不同的成岩作用，因而可导致物性上的差异，即成 岩作用既可以形成储层也可以造就盖层，在适当的组合 下可产生“成岩圈闭”。 深盆气藏的成藏机制 王涛（2002）提出深盆气藏的圈闭机理在于可以进一步理解 为两种平衡，即：物质平衡和力平衡。 当源岩不断地生气、生气量大于散失量，深盆气藏能得以保 存。 当烃源岩向储层中供排气，由于底部盖层作用，不能在浮力 作用下向上运移，在气体膨胀力的作用下，向上整体驱替孔隙水 。天然气向上倾孔喉变好的储层中运移时，浮力起作用。但由于 浮力气体扩散力小于毛细管力，因此，天然气被可动水包围， 出现自由水，气体处于静态聚集状态，如果打开储层，不但可产 气，还可产出少量的地层水，深盆气藏处于气水过渡带。 当向上倾方向储层孔喉进一步变好，浮力气体的扩散力大 于毛细管力，天然气将在浮力的作用下，向上倾方向运移。这时 储层中只有自由水，天然气将不能保存，除非遇到各种常规圈闭 ，形成常规天然气藏。 由此可见，只有当向上和向下的浮力、天然气的扩散力和毛 细管力、静水柱压力和达到平衡时，深盆气藏的分布才能趋于稳 定。 深盆气藏的成藏机制 深盆气藏的特征 中国具备深盆气形成的基本地质条件 根据国外的研究和勘探总结，深盆气形成的基本地质 条件有3 个： 充足的气源、 连片的致密砂岩储集层、 稳定的负向构造。 中国有些盆地和凹陷具备形成深盆气的地 质条件。 气源岩： 中国是世界上煤系最为发育的国家之一，在中国不同 含油气盆地中，发育与深盆气相关的煤系有3套： C-P 海陆过渡相煤系气源岩，主要分布于华北地台上 的克拉通盆地，煤系大面积连片分布，生气量巨大。如鄂 尔多斯盆地煤成气。 T3 - J 陆相湖沼相煤系气源岩，分布于中西部众多的前 陆盆地和沉积湖盆内部； 新生代裂谷盆地，在第三系中也发育湖沼相煤系，如 东海盆地西湖凹陷，渐新世中新世坳陷期沉积了巨厚的 含煤层系。 储集条件： 盆地中对应3 套煤系地层，发育3 套大面积连片分布的低 孔、低渗砂岩储层。 C - P 发育一套海陆过渡相和大型河流- 三角洲相致密砂岩 储层； 中西部众多的T3- J 前陆盆地和沉积湖盆内部发育有一套 河流-三角洲相致密砂岩储层。 对应第三系新生代裂谷盆地湖沼煤系，也发育一套河流三 角洲深湖相碎屑岩储层，物性一般较好，不利于形成深盆 气，但是在一些凹陷中央部位，埋藏较深，储层压实作用较 强，形成致密砂岩也有可能形成深盆气。 构造条件： 深盆气藏主要发育于继承性向斜盆地且构造稳定。这个条 件更容易满足。 中国深盆气资源量：将超过100万亿方，可采资源量超过11.5413.81万 亿方。 中国深盆气资源分布： 鄂尔多斯上古生界深盆气分布于下石盒子组和山西组 ，深盆气资源量为50万亿方左右，潜在可探明储量2万亿方。 川西深盆气藏主要分布于三叠系地层中，最有利的勘 探区为前陆深凹陷部位，深盆气资源量达3.6万亿方。 库车前陆盆地深盆气分布于三叠系 - 侏罗系，拜城 凹陷和阳霞凹陷为有利勘探区，目前已探明天然气储量近 6000亿方，远景资源量至少为10万亿方。 准噶尔南缘深盆气分布于侏罗系和白垩系，远景资源 量至少有3万亿方，估计其资源量应在22.6828.35万亿方左 右。 吐哈盆地深盆气主要分布于中下侏罗统，预测资源量 达2.633.06万亿方。 除了上述盆地以外，在塔西南前陆盆地、东濮凹陷、 松辽盆地、楚雄盆地等地区，也有可能发现深盆气。 2.煤层气、 1)传统认为, 煤层气是自生自储于煤层中的非常规天然 气。 近年来研究表明，煤层气来源既有泥炭到低阶煤的原始 生物成因和中高阶煤的正常热成因, 还有后期次生生物成因 和煤型气- 油型气混合成因。总之, 煤层气包括煤层自生的 和其他气源岩中运移到煤层中的天然气, 是一种混合天然气 。 2)对于煤层气赋存形式, 过去认为主要以吸附状态，少 量以溶解和游离状态存在煤的裂隙中。最近有人指出, 煤层 气以游离、水溶、吸附和固溶态 4 种形式存在。 3)因此, 定义煤层气( coalbed gasCBG) 是赋存于 煤层中的天然气。可见, 煤层气仅是一个描述天然气产状的 词语, 不具有成因意义。 煤层气主要组分是煤层甲烷( coalbed methane-CBM). 第八节 非常规天然气资源 根据国际能源 署（IEA）的统计 资料，全球煤层气 资源量90%分布在 12个主要产煤国， 其中俄罗斯、加拿 大、中国、美国和 澳大利亚的煤层气 资源量均超过 101012m3（表） 。 2.煤层气 美国2005年，CBM产量491亿方。 加拿大2005年，CBM产量15.33亿方。 印度CBM资源量1万亿方，可回收5000亿 方。 我国2005年，CBM产量0.20亿方。 美国煤层气产量直线上升，1989 年 为26 亿方，2005年达到491亿方，大体 相当于我国天然气产量！ 我国2005年CBM产量仅0.2亿方，预 计2020年达到100亿方左右，2050年达 到400-500亿方。 我国煤层气资源总量排前八名的省份依次为山西 、贵州、陕西、甘肃、河南、河北、安徽、四川。 我国煤层气资源可以划分为五大聚气区，即华北 聚气区、华南聚气区、滇藏聚气区、东北聚气区和 西北聚气区。 华北聚气区的煤层气资源前景最好，华南聚气区 次之，东北和西北聚气区的资源前景相对则比较差 。沁水盆地、鄂尔多斯盆地、六盘水盆地、东北地 区等将是未来勘探开发前景较好的地区。 目前国外煤层气理论研究和勘探取得的认识，主要有以 下几个方面： 1. 利用有机地球化学手段（主要是同位素研究），开展 了煤层气成因和来源分析； 2. 受岩浆岩影响的煤储层具典型的微孔结构和裂隙，且 生气量大，含气量高，甲烷浓度也高，达95%； 3. 褐煤和低煤化烟煤的煤层气勘探开发深度已突破 1500m。如，美国阿拉斯加州的煤盆地勘探开发深度已达 1981m。 4. 开展了地质构造对煤储层割理、煤层气含量以及煤层 气、水产能影响的研究; 5. 运用核磁共振技术（GMI）研究甲烷气体分子在煤孔 隙中的流动; 6. 储层测试分析和数值模拟技术日趋完善. 煤层气开发技术进展（包括压裂、水平井、抽采等）-略 抬升回返时间晚且短, 煤层气散失的时间就短, 对煤层气藏的保存有利 。 聚煤盆地回返抬升后的喜山期构造演化对煤层气的富集程度也有重要 影响。一直处于隆起剥蚀的地区, 煤层气将不断散失; 后期发生沉降的地区有利 于煤层气的保存, 但易造成煤层气饱和度的降低(图)。 宋岩，2007 3 浅层生物气 富含有机质的沉积物在低温浅埋条件下，经微生物生化作 用生成的富甲烷气体，大规模地聚集保存后，形成具工业开 发价值的生物气藏。 生物气埋藏较浅，主要分布在第四系，部分在上第三系， 少量在白垩系、侏罗系。 从区域地理上看，我国浅层生物气藏主要分布于柴达木盆 地、东南沿海及长江中下游地区、渤海湾地区和莺琼盆地 等。 柴达木盆地三湖坳陷是目前我国最大的第四系生物气藏， 气藏的埋藏深度小于1 400米，第四系生物气资源约1万亿方 （资源量与常规天然气有部分重合），探明地质储量1 432亿 方。 3 浅层生物气 东南沿海平原及长江中下游地区第四系生物气资源量约2 000亿方，其中浙江杭州湾地区远景资源量108亿方，已控制 储量3亿方，长江三角洲生物气资源量约200300亿方，探 明储量6. 5亿方。莺琼盆地第四系-上第三系上中新统生物 气总资源量可达5249亿方，其中莺歌海3061. 8亿方，琼东南 2187. 2亿方。 迄今为止，中国已发现的大中型浅层生物气主要分布在柴 达木盆地(如涩北一、二号和台南大型气田) 、东南沿海浙江 杭州湾地区和莺琼盆地(D28 - 1浅层生物气藏) 。 东部松辽盆地、二连盆地、苏北盆地、渤海湾盆地、江汉 盆地、云南诸盆地也具有较大的生物气资源潜力。 4 水溶气藏 当高温高压地层水中溶解的天然气量足够大时， 便形成了可供工业性开采或可以综合利用的水溶气藏 。 业已查明，沉积盆地中水溶气的资源量非常丰富 。 据预测，沉积盆地地层水中溶解的天然气资源量 为338371012 m3 , 其中欧洲为4799 1012 m3 , 北美洲 和中美洲为6422 1012 m3 , 南美洲为5017 1012 m3 , 非洲为3874 1012 m3 , 大洋洲为5008 1012 m3 , 亚洲 为8717 1012 m3 。这比常规天然气资源量(293 1012 m3 ) 高2 个数量级。 4 水溶气藏 世界许多著名的含油气盆地水溶气资源都 非常丰富， 西西伯利亚盆地水溶气资源量为l000 1012 m3 , 伏尔加乌拉尔盆地为140 1012 m3， 滨里海(北里海) 盆地为980 1012 m3 , 南里海盆地为259 1012 m3 , 美国的墨西哥湾沿岸盆地估算的水溶气资源量达 2699 1012 m3 。 日本、美国、菲律宾、前苏联、匈牙利等国均不同程度地 对水溶气藏进行了开发和研究。 水溶气广泛分布于中、新生代地层中，尤其是第三系和第 四系海相和海陆过渡相地层中。 我国水溶气分布比较广泛，东西两大含油气区的中、新生 代含油气盆地中广泛分布着水溶性天然气藏。用体积法初步估 算我国水溶气资源量约为1265万亿方。预测我国水溶气资源 量约为45万亿立方米，其中东部水溶性天然气远景地质储量合 计为19万亿立方米。 我国的四川盆地(威远气田) 、松辽盆地、渤海湾盆地、琼 东南盆地、鄂尔多斯盆地、吐哈盆地等均具有勘探水溶气的良 好前景。 水溶气形成条件： 1. 气源充足； 2. 异常高压，溶解度增大；温度增高，溶解 度增大； 3. 水体的数量、圈闭的存在 4. 水溶气脱溶、可形成常规气藏。 天然气在地层水中的溶解度 分压及其他条件相同时，不同组分的溶解能力顺序( 依次减弱):CO2-C1-N2-C2-C3-n-C4-i-C4-n-C5-i-C5 v水溶气脱气，形成常规气藏的方式： 1. 大幅度构造抬升、地层压力温度降低脱气 ； 2. 地层不抬升、但地层水沿断层向浅部迁移 途中而持续脱气； 3. 地层既不抬升、地层水也不向浅运移、但 高压封存系统本身发生破坏，导致泄压、脱气 。 1. 构造抬升，水溶气脱气成藏，典型实例-威远气田 2. 地层水沿断层向浅部迁移途中而持续脱气，和田河气田 3. 地层高压封存系统本身发生破坏，导致泄压、脱气 5 泥(页)岩气藏 泥岩(页岩)的大量生、排烃可以使自身产生微裂缝， 生 成的天然气以游离、裂缝表面吸附及泥(页)岩孔隙表面吸附等 方式赋存在泥(页)岩中，裂缝- 微裂缝发育带是气藏形成的有 利区域。 中国南方广大地区分布的志留系地层中，发育大套黑色 页岩，有机碳含量大多达10% 15% ，演化程度较高，可形 成的泥(页)岩气资源潜力相当可观，华南褶皱带和秦岭褶皱带 、扬子准地台均是勘探的有利区域。另外，松辽白垩系、渤 海湾盆地、江汉盆地的第三系、四川盆地的中生界、南华北 、柴达木以及酒泉盆地均具有一定的泥(页)岩气。 6 无机成因气藏 无机成因气藏主要有二氧化碳气藏、烷烃气藏和氦 气藏三类。无机成因气一般与地球壳幔活动有关。 近年来，随着理论和技术的进步，此类气藏不断被 发现。 该类气藏主要分布于大陆裂谷活动带、火山活动带 、板块活动接触带、深大断裂带等。 中国东部的松辽盆地、渤海湾盆地、苏北盆地和三 水盆地以及大陆架上的东海盆地、珠江口盆地和莺歌海 盆地共发现了28个二氧化碳气田(藏) 。其中松辽盆地的 万金塔气田和昌德东气藏、苏北盆地的黄桥气田、渤海 湾盆地平方王含气藏和三水盆地的沙头圩气藏已开发， 这些气田的开发已取得显著的经济效益。 6 无机成因气藏 我国在渤海湾盆地的济阳凹陷和黄骅凹 陷以及莺歌海盆地均存在二氧化碳聚集带。 同时，我国也在松辽盆地三肇凹陷、黄 骅凹陷151气藏及东海盆地天外天构造中发 现了无机成因甲烷气。将无机气作为潜在领 域，在常规油气勘探中兼顾研究，无疑将是 有益的。 7 天然气水合物 v天然气水合物在高压低温环境下稳定存在，在海底沉积物和 陆上永久冻土带中广泛分布。在标准温压条件下， 1立方米甲烷 水合物可以含有164立方米甲烷气体。天然气水合物以其资源量 巨大而引起了世界能源学家的关注。 v据估算，我国东海冲绳海槽附近的天然气水合物资源中约含 天然气24万亿立方米。广州海洋地质调查局在南海西沙海槽地 区进行了天然气水合物试调查，初步估算南海陆坡和陆隆的天 然气水合物资源量可达600700亿吨油当量。初步估计南海地 区天然气水合物的资源量为84. 5万亿立方米，相当于845亿吨油 当量。 7 天然气水合物 v中国的南海、东海和台湾省以东的海域具备天然气 水合物的形成条件。南海的西沙海槽、台湾省西南陆 坡和台西南盆地、笔架南盆地及其东缘增生楔、东沙 群岛东南坡和南部陆坡区、东海的冲绳海槽和台湾省 东北部是中国最有利的天然气水合分布带，而南海西 部陆坡区、台湾省东北部海域、青藏高原的冻土层也 是值得注意的找矿远景区。 v此外，深层气(高- 过成熟气和深源气)也是一个具 有远景价值的油气勘探方向。我国目前已在东部和其 它盆地区展开了深层气的勘探与研究。 8. 油砂 v 油砂（oil sand）、沥青砂、焦油砂（tar sand）。其 粘度1.0 104 mPas 或相对密度 1.00。 v 全球油砂沿两个带展布，环太平洋带和阿尔卑斯带。 环太平洋带: 东委内瑞拉盆地， 阿尔伯达盆地，列那阿拿巴 盆地和中国东部诸盆地； 阿尔卑斯带: 印度坎贝海湾、欧洲 诸盆地和中国西部盆地(图1) 。 v 世界油砂资源量约3.74 1012桶, 其中加拿大2.9 1012桶 ，俄罗斯为0.7 1012 桶，美国约为6.9 1010桶。中国油砂资 源也相当丰富, 但未开展系统的评价。 v 对于油砂的开发利用，目前还仅限于少数几个国家: 加 拿大、美国等, 并已经成为常规油气资源的重要替代资源。 我国对油砂矿资源的研究做的工作很少，尚未开展 系统评价。 由中国石油勘探开发研究院和中国石化勘探研究院 共同合作对9个主要地区进行调查测算，采用0100m （可露天开采）和100500m两个层次（500m以深没有 计算）。我国有油砂资源量70.6108t，可采资源量 30108t，主要分布我国西部准噶尔盆地、塔里木盆 地、柴达木盆地、鄂尔多斯盆地和松辽盆地等，这5 个地区油砂矿可采资源量19108t，占总可采资源量 的63%。 我国目前对油砂油的分离技术比较成熟。油砂矿开采方法主要有露天开 采和原地