論非常規(guī)油氣成藏機(jī)理：油氣自封閉作用與分子間作用力

賈承造，龐雄奇，宋巖

（1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司，北京100724；2.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249；4.中國(guó)石油大學(xué)非常規(guī)研究院，北京102249）

0 引言

石油天然氣是全球最重要的一次性化石能源，人類社會(huì)的生存和發(fā)展高度依賴石油工業(yè)對(duì)油氣能源的供應(yīng)。石油工業(yè)的生存發(fā)展是由資源、市場(chǎng)、技術(shù)和社會(huì)政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境 4個(gè)要素決定的，其中油氣資源是基礎(chǔ)，而技術(shù)進(jìn)步是最活躍、最關(guān)鍵的因素，石油工業(yè)的發(fā)展與石油科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)。

近年來(lái)，石油工業(yè)上游資源領(lǐng)域和理論技術(shù)研究發(fā)生了重大變化，非常規(guī)、海洋深水、深層/超深層油氣勘探開(kāi)發(fā)獲得重大突破和快速發(fā)展，引領(lǐng)石油工業(yè)上游業(yè)務(wù)進(jìn)入新領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)上游地質(zhì)理論和技術(shù)裝備取得長(zhǎng)足進(jìn)步。特別是由于非常規(guī)油氣成功開(kāi)發(fā)，全球油氣資源大幅增加，非常規(guī)油氣開(kāi)采的水平井和體積壓裂等技術(shù)裝備研發(fā)進(jìn)展迅速，產(chǎn)量快速增長(zhǎng)；同時(shí)，非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)所揭示的大量新資料對(duì)經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論產(chǎn)生了重大突破，正在推動(dòng)石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論產(chǎn)生革命性進(jìn)步。

1 非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的重大進(jìn)展和理論意義

1.1 非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的重大進(jìn)展

根據(jù)石油工程師學(xué)會(huì)（SPE）、美國(guó)石油地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)（AAPG）、石油評(píng)價(jià)工程師學(xué)會(huì)（SPEE）和世界石油理事會(huì)（WPC）等國(guó)際石油組織機(jī)構(gòu)2007年正式發(fā)布的非常規(guī)油氣的定義：指大面積連續(xù)性分布，傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法獲取自然工業(yè)產(chǎn)能，需用新技術(shù)改善儲(chǔ)集層滲透率或流動(dòng)性才能經(jīng)濟(jì)開(kāi)采的連續(xù)性油氣資源，包括重油和油砂、致密油氣與頁(yè)巖油氣以及煤層氣、天然氣水合物及油頁(yè)巖等[1]。近十年來(lái)，非常規(guī)油氣在全球油氣產(chǎn)量中的作用和地位不斷加強(qiáng)；繼油砂、致密氣和煤層氣等資源有效規(guī)模開(kāi)發(fā)之后，近年來(lái)美國(guó)“非常規(guī)油氣革命”實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖油氣和致密油氣產(chǎn)量的高速增長(zhǎng)，推動(dòng)非常規(guī)油氣發(fā)展進(jìn)入了全新階段[2-6]。

勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐和新的全球油氣資源評(píng)價(jià)證實(shí)，全球非常規(guī)油氣資源豐富。據(jù)國(guó)際能源署（IEA）評(píng)價(jià)，全球石油可采資源量為9 560×108t，其中非常規(guī)石油4 210×108t；全球天然氣可采資源量783.8×1012m3，其中非常規(guī)天然氣195×1012m3[7]。據(jù)IEA預(yù)測(cè)，2040年全球非常規(guī)氣產(chǎn)量將增至 2.5×1012m3，占天然氣總產(chǎn)量約42%；其中頁(yè)巖氣 1.7×1012m3、致密氣 0.46×1012m3[7]，同時(shí)全球非常規(guī)油產(chǎn)量將增至10×108t以上，占原油總產(chǎn)量約 20%；其中致密油與頁(yè)巖油產(chǎn)量 5.1×108t，油砂油產(chǎn)量3.4×108t[7]。豐富的資源和不斷進(jìn)步的技術(shù)將支撐油氣工業(yè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)，為人類做出巨大貢獻(xiàn)。

非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的快速發(fā)展揭示了大量的石油地質(zhì)新資料和新信息，也推動(dòng)了大量針對(duì)非常規(guī)油氣地質(zhì)的科學(xué)研究活動(dòng)，這些新發(fā)現(xiàn)反映出非常規(guī)油氣在石油天然氣特征、富集規(guī)律、油氣成藏模式與機(jī)理及開(kāi)發(fā)機(jī)理方面不同于常規(guī)油氣藏，對(duì)經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論形成重大突破，產(chǎn)生了非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)研究的新領(lǐng)域，推動(dòng)了石油天然氣地質(zhì)理論進(jìn)入新的發(fā)展階段。

1.2 經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論與常規(guī)油氣浮力成藏機(jī)理

石油天然氣地質(zhì)學(xué)（Geology of Petroleum）是研究地殼中油氣成因、成藏的原理和油氣分布規(guī)律的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，是油氣勘探開(kāi)發(fā)的理論基礎(chǔ)[8-13]。經(jīng)典的石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的核心內(nèi)容可以概括為 4個(gè)方面，其中最重要的是油氣系統(tǒng)理論與圈閉學(xué)說(shuō)。

①盆地沉降沉積增溫增壓、有機(jī)質(zhì)干酪根生烴與油氣系統(tǒng)理論。沉積盆地沉積增溫增壓是油氣生成與成藏的地球動(dòng)力學(xué)背景，有機(jī)質(zhì)干酪根生烴是油氣的主要來(lái)源，含油氣系統(tǒng)包括油氣生成、運(yùn)移、成藏、調(diào)整、改造與破壞的全動(dòng)態(tài)過(guò)程與流體的溫壓環(huán)境及相互作用。

②巖石骨架、有效孔隙與可動(dòng)流體構(gòu)成的油氣儲(chǔ)集層理論。油氣儲(chǔ)集層由巖石骨架、有效孔隙及充注的可動(dòng)流體構(gòu)成。油氣儲(chǔ)集層物性由孔隙度和滲透率描述。滲透率受孔隙結(jié)構(gòu)、流體相態(tài)和表面親和性影響。地層壓力指可動(dòng)流體壓力，是油氣藏最重要的地質(zhì)特征與產(chǎn)能指標(biāo)，地應(yīng)力場(chǎng)主要由巖石骨架承受。

③含油氣盆地、區(qū)帶、圈閉 3層次構(gòu)造與油氣藏分布理論。油氣與含油氣系統(tǒng)均賦存于含油氣沉積盆地中。區(qū)帶（Play或成藏組合）指儲(chǔ)集層特征相似、空間相關(guān)的一批圈閉和油氣藏，揭示油氣藏空間分布的基本規(guī)律。圈閉是具有儲(chǔ)集層和封堵條件的油氣聚集場(chǎng)所，油氣藏是油氣分布的基本單元，具有統(tǒng)一的儲(chǔ)集體、統(tǒng)一的壓力系統(tǒng)與統(tǒng)一的油氣水邊界。

④儲(chǔ)集層內(nèi)部能量與物質(zhì)守恒、儲(chǔ)集層改造與油氣開(kāi)采理論。油氣藏流體體積與能量變化遵循能量與物質(zhì)守恒原理。由人工干預(yù)形成油氣儲(chǔ)集層不同部位流體壓差，從而產(chǎn)生和控制流體流動(dòng)是油氣開(kāi)發(fā)的基本原理。儲(chǔ)集層滲透率、流體性質(zhì)、人工干預(yù)效果是影響開(kāi)發(fā)效益的主要因素。

1885年I.C.White在《Science》雜志上發(fā)表“The Geology of Natural Gas”一文，第一次系統(tǒng)地闡述了背斜油氣藏理論，并成功地應(yīng)用于勘探井位部署[14]。1934年McCollough正式提出了“圈閉學(xué)說(shuō)”，認(rèn)為圈閉需具備 3個(gè)條件，即儲(chǔ)集層、蓋層和遮擋條件，具有統(tǒng)一的油、氣、水界面，儲(chǔ)量嚴(yán)格按圈閉面積、閉合度、孔隙度等計(jì)算[9]。1956年 A.I.Levorsen在其所著的《Geology of Petroleum》中建立了較為完善的圈閉分類體系，將圈閉劃分為構(gòu)造、地層和復(fù)合圈閉[10]。圈閉學(xué)說(shuō)指出儲(chǔ)集層、蓋層和遮擋條件是油氣藏形成的必要條件，背斜是最簡(jiǎn)單特例，油氣在圈閉中成藏是常規(guī)油氣聚集的理論內(nèi)核。

圈閉為什么能保存油氣？常規(guī)油氣藏形成與保存的機(jī)理是什么？由于含油氣圈閉內(nèi)部流體依照密度大小呈現(xiàn)氣油水層的分異規(guī)律，以及蓋層和遮擋都是油氣運(yùn)移上傾方向的封堵條件，表明浮力是油氣運(yùn)移和成藏的基本動(dòng)力。人類對(duì)于油氣在地下致密巖層內(nèi)是如何富集起來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索，直到1885年提出浮力成藏理論。經(jīng)典石油地質(zhì)理論認(rèn)為深部烴源巖產(chǎn)生的多組分多相態(tài)含烴混合流體在生烴壓力和毛管壓力差等作用下被排出源巖（一次運(yùn)移），進(jìn)入常規(guī)儲(chǔ)集層系統(tǒng)后，再在浮力主導(dǎo)下由盆地深部向淺部運(yùn)移、自盆地中心向盆地邊緣運(yùn)移，最后聚集在中淺層各類圈閉之中（二次運(yùn)移），當(dāng)規(guī)模超過(guò)某一臨界條件后構(gòu)成具有商業(yè)意義的油氣資源。

浮力成藏機(jī)制和圈閉控藏模式的提出使油氣勘探有了明確方向和目標(biāo)而不再依靠迷信和經(jīng)驗(yàn)，走上了快速發(fā)展的科學(xué)道路；浮力成藏理論和圈閉學(xué)說(shuō)揭示出浮力主導(dǎo)油氣成藏受“生、儲(chǔ)、蓋、運(yùn)、圈、?！钡?6大要素的控制，并相繼提出了源控油氣理論、含油氣系統(tǒng)理論等，它們構(gòu)成了油氣地質(zhì)學(xué)的理論基礎(chǔ)，成功指導(dǎo)了近百年來(lái)全球常規(guī)油氣的勘探和開(kāi)發(fā)。目前，全球已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的各類常規(guī)油氣儲(chǔ)量為9 016×108t，約占當(dāng)前全球探明油氣總儲(chǔ)量的95%以上[15]。

1.3 非常規(guī)油氣對(duì)經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的重大突破

自上世紀(jì)80年代以來(lái)，人類逐漸在盆地中心等曾經(jīng)認(rèn)為不可能形成油氣藏的勘探禁區(qū)發(fā)現(xiàn)了與常規(guī)油氣藏地質(zhì)特征和分布特征完全不同的油氣藏。近年來(lái)，隨著頁(yè)巖油氣和油砂等非常規(guī)油氣在北美獲得成功開(kāi)發(fā)，產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，非常規(guī)油氣成為石油工業(yè)未來(lái)的主要接替資源之一，受到石油地質(zhì)界的極大重視。眾多學(xué)者和機(jī)構(gòu)聚焦于非常規(guī)油氣地質(zhì)研究，取得了重大進(jìn)展。USGS的 Schmoker[16]和 Gautier等[17]提出了“連續(xù)性油氣聚集”概念（Continuous hydrocarbon reservoirs），系指具有較大空間展布范圍且缺乏明顯油氣/水下傾接觸界面的油氣藏。并評(píng)價(jià)了致密砂巖氣、頁(yè)巖氣等非常規(guī)天然氣資源。Law等[18]提出了非常規(guī)油氣系統(tǒng)概念；Loucks和Reed[19]利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡實(shí)驗(yàn)觀測(cè)分析，表征了Barnett頁(yè)巖儲(chǔ)集層的有機(jī)質(zhì)微觀孔喉特征。2007年SPE、SPEE、AAPG、WPC在《油氣資源管理系統(tǒng)》中定義了非常規(guī)油氣資源相關(guān)概念[1]。一批中國(guó)學(xué)者引入和吸收國(guó)外非常規(guī)油氣地質(zhì)研究成果，取得了一系列居于國(guó)際學(xué)科前沿的重要研究成果。

勘探實(shí)踐與地質(zhì)研究已經(jīng)總結(jié)了非常規(guī)油氣藏的基本地質(zhì)特征：非常規(guī)油氣連續(xù)性聚集，大面積分布，沒(méi)有明顯的油氣水圈閉邊界；儲(chǔ)集層致密（孔隙度4%～12%，滲透率小于 1×10-3μm2），微-納米級(jí)孔喉系統(tǒng)發(fā)育，需水平井和壓裂技術(shù)改造才能產(chǎn)出，是一種“人工油氣藏”；多種相態(tài)共存（固、液、氣相及游離態(tài)、吸附態(tài)等）；“近源”或“源內(nèi)”都能成藏，源儲(chǔ)一體、油氣受層系控制、分布穩(wěn)定、資源規(guī)模大；具有完全不同于常規(guī)油氣的運(yùn)聚機(jī)制和分布模式（見(jiàn)圖1）。

圖1 全球典型非常規(guī)致密油氣藏剖面分布發(fā)育特征

非常規(guī)油氣突破了經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)中的許多認(rèn)識(shí)局限，包括傳統(tǒng)的含油氣系統(tǒng)理論受到巨大沖擊，主要體現(xiàn)在 5個(gè)方面：連續(xù)性油氣聚集理論，層狀儲(chǔ)集體可儲(chǔ)存油氣，大面積連續(xù)分布，甜點(diǎn)富集，打破了傳統(tǒng)圈閉成藏和區(qū)帶富集的概念；致密儲(chǔ)集層中發(fā)現(xiàn)納米級(jí)孔喉系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)的儲(chǔ)集物性下限，發(fā)現(xiàn)了致密砂巖和頁(yè)巖等非常規(guī)油氣儲(chǔ)集層新類型；非常規(guī)油氣源儲(chǔ)一體，不需要蓋層封堵，突破了傳統(tǒng)生儲(chǔ)蓋組合的概念；非常規(guī)油氣聚集不受浮力作用主導(dǎo)，而在非浮力作用的影響下聚集成藏[20-21]，突破了含油氣系統(tǒng)理論生運(yùn)聚成藏的模式[5,12,22]；非常規(guī)油氣分布主要受原型盆地生油巖層系控制，多數(shù)在盆地斜坡和中心，突破了盆地高部位富集油氣的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)[5,12,20-21]。其中石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的核心——油氣成藏理論，即油氣的生成、運(yùn)移、富集和保存機(jī)理，受到了重大挑戰(zhàn)。目前理論發(fā)展的前沿主要是形成新的非常規(guī)油氣成藏機(jī)理和含油氣系統(tǒng)理論。

非常規(guī)油氣理論研究對(duì)石油天然氣地質(zhì)學(xué)創(chuàng)新和世界石油工業(yè)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略影響，特別是對(duì)經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論形成重大突破，有重大的科學(xué)意義。但是我們清醒地看到，目前非常規(guī)油氣地質(zhì)的研究成果主要集中在油氣藏描述、富集和高產(chǎn)規(guī)律總結(jié)、區(qū)域沉積構(gòu)造背景等方面，而對(duì)非常規(guī)油氣成藏理論亟待進(jìn)一步深入。

筆者對(duì)非常規(guī)油氣的成藏模式與機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查與研究，對(duì)形成新的含油氣系統(tǒng)理論進(jìn)行了探索。研究技術(shù)路線是基于調(diào)研全球已發(fā)現(xiàn)常規(guī)和非常規(guī)油氣藏特征差異研究非常規(guī)油氣成藏機(jī)制與分布模式，首先分析北美已發(fā)現(xiàn)的常規(guī)和非常規(guī)油氣藏形成條件和地質(zhì)特征差異；再剖析中國(guó)代表性含油氣盆地常規(guī)和非常規(guī)油氣藏形成過(guò)程特征差異，對(duì)非常規(guī)油氣藏進(jìn)行分類，闡述不同類別非常規(guī)油氣藏形成的動(dòng)力特征、產(chǎn)狀特征和成因機(jī)制；最后明確每一類非常規(guī)油氣資源的形成條件、主控因素和邊界門限，并基于實(shí)例剖析結(jié)果建立分布模式。重點(diǎn)從3個(gè)方面展開(kāi)研究。

①研究油氣組分特征對(duì)油氣運(yùn)移動(dòng)力的影響，分析不同密度條件下油氣運(yùn)移動(dòng)力和阻力差異，確定成藏的邊界門限，重點(diǎn)研究固體瀝青和稠油成藏動(dòng)力機(jī)制與分布規(guī)律，闡明它們與常規(guī)油氣藏之間的關(guān)聯(lián)性和差異性。

②研究?jī)?chǔ)集層介質(zhì)條件對(duì)油氣運(yùn)移動(dòng)力的影響，分析不同孔滲和不同巖性介質(zhì)條件下油氣運(yùn)移動(dòng)力和阻力差異，確定成藏的邊界門限，重點(diǎn)研究致密油氣藏、頁(yè)巖油氣藏和煤層氣藏形成的動(dòng)力機(jī)制和分布規(guī)律，闡明它們與常規(guī)油氣藏之間的關(guān)聯(lián)性和差異性。

③研究溫壓和氧化還原環(huán)境等條件對(duì)油氣運(yùn)移動(dòng)力的影響，分析不同溫壓條件下油氣運(yùn)移動(dòng)力和阻力差異，確定成藏的邊界門限，重點(diǎn)研究天然氣水合物成藏動(dòng)力機(jī)制與分布規(guī)律，闡明它們與常規(guī)油氣藏之間的關(guān)聯(lián)性和差異性。

從上述 3個(gè)方面展開(kāi)常規(guī)和非常規(guī)油氣藏形成條件研究，分析它們成藏動(dòng)力機(jī)制的差異性并總結(jié)基本模式，進(jìn)而探索其形成的基本機(jī)理，形成新的概念和理論。經(jīng)分析，筆者認(rèn)為非常規(guī)油氣成藏理論的前沿主要有兩大問(wèn)題，即非常規(guī)油氣成藏機(jī)理和新的全油氣系統(tǒng)理論。

①非常規(guī)油氣成藏機(jī)理：常規(guī)油氣藏與非常規(guī)油氣藏性質(zhì)與賦存特征存在很大差異，研究得出的普遍認(rèn)識(shí)是成藏機(jī)理不同，常規(guī)油氣是浮力作用成藏，非常規(guī)油氣是非浮力作用成藏，那么什么是非浮力作用？其物理化學(xué)力的本質(zhì)是什么？其微觀動(dòng)力機(jī)制是什么？非常規(guī)油氣種類很多，成藏地質(zhì)條件與油氣相態(tài)差異極大，它們成藏是否有共同的機(jī)理，這種機(jī)理是什么？

許多學(xué)者已經(jīng)從不同的角度研究了非常規(guī)油氣成藏機(jī)理，并提出了不同的成藏模式，包括：儲(chǔ)集層相對(duì)滲透率變化的成因模式[28]、成巖作用變化的成因模式[29]、毛管壓力封堵成因模式[30]、斷層對(duì)油氣側(cè)向封閉成因模式[31]、深層異常高壓流體形成非常規(guī)油氣藏模式[32]、不同階段非常規(guī)油氣藏成因模式[33]。值得注意的是，非常規(guī)油氣成藏理論研究的顯著進(jìn)展是 Pang等[34]提出了浮力成藏下限概念并在勘探實(shí)踐中得到檢驗(yàn)，這一概念清晰地闡述了常規(guī)油氣藏與致密連續(xù)型油氣藏之間的差別與聯(lián)系，常規(guī)油氣藏形成于浮力成藏下限之上的高孔滲介質(zhì)內(nèi)，具有“四高”和“源藏分離”等特征；非常規(guī)致密油氣藏形成分布在浮力成藏下限之下的低孔低滲介質(zhì)內(nèi)，具有“四低”和“源藏緊臨”等特征（見(jiàn)圖2），浮力成藏下限概念的提出和控藏模式的建立是非常規(guī)油氣成藏模式研究的重要進(jìn)展。宋巖等發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了中國(guó)中西部致密油“啟動(dòng)壓力啟動(dòng)、壓差推進(jìn)、階梯狀大面積充注與裂縫優(yōu)勢(shì)通道快速運(yùn)移并存、優(yōu)勢(shì)縫-孔耦合空間富集”成藏與富集機(jī)理[35]。

圖2 浮力成藏下限概念模型及其對(duì)常規(guī)和非常規(guī)油氣藏形成分布的控制作用[25,34]

筆者在勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐和科研中發(fā)現(xiàn)，非常規(guī)油氣藏具有“自封閉作用”，即它們?cè)趦?chǔ)集層中富集保存成藏，并不需要圈閉蓋層封堵，油氣藏僅依靠自身得以長(zhǎng)期保存，并發(fā)現(xiàn)油氣自封閉作用的原理是油氣分子間作用力。油氣分子在地質(zhì)條件下受到多種力的作用，包括浮力（重力）、分子間作用力、地應(yīng)力、電磁力等。在常規(guī)油氣藏中浮力（重力）是決定性的力，在非常規(guī)油氣藏中分子間作用力是決定性的力。而由于油氣物理化學(xué)特性，特殊儲(chǔ)集層介質(zhì)條件及特殊溫壓環(huán)境的不同，分子間作用力表現(xiàn)為多種形式，自封閉作用也呈現(xiàn)多種類型。非常規(guī)油氣成藏機(jī)理是油氣分子間作用力產(chǎn)生的自封閉作用。

②全油氣系統(tǒng)理論：油氣系統(tǒng)理論是經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)理論的重要組成部分，它科學(xué)地概括了常規(guī)油氣在含油氣盆地內(nèi)生成、運(yùn)移和聚集的規(guī)律。賈承造指出：非常規(guī)油氣被大規(guī)模發(fā)現(xiàn)之后，勘探實(shí)踐證實(shí)傳統(tǒng)油氣系統(tǒng)理論存在重大缺陷，需要發(fā)展新的全油氣系統(tǒng)理論（Whole petroleum system），它將全面概括描述含油氣盆地所有油氣資源，包括常規(guī)油氣和非常規(guī)油氣的生成、運(yùn)移、聚集保存與富集分布規(guī)律，統(tǒng)一傳統(tǒng)常規(guī)和新興非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)[36-37]。他揭示了準(zhǔn)噶爾盆地二疊系“全油氣系統(tǒng)中常規(guī)—非常規(guī)油氣序列成藏規(guī)律”（見(jiàn)圖3），還總結(jié)了中國(guó)陸相含油氣盆地的準(zhǔn)噶爾盆地二疊系油氣系統(tǒng)，鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組油氣系統(tǒng)，松遼盆地白堊系油氣系統(tǒng)等3種序列成藏模式[36-37]。龐雄奇等不僅發(fā)現(xiàn)了含油氣盆地存在浮力成藏下限，而且還發(fā)現(xiàn)了油氣成藏底限、源巖供烴底限[38]，依據(jù)這3個(gè)動(dòng)力邊界將含油氣盆地劃分出3個(gè)不同的動(dòng)力場(chǎng)，從機(jī)制上揭示了3個(gè)動(dòng)力場(chǎng)與3類油氣資源之間的關(guān)聯(lián)性，建立了常規(guī)油氣藏與非常規(guī)油氣藏統(tǒng)一成因模式[34]。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地西部二疊系全油氣系統(tǒng)常規(guī)油-致密油-頁(yè)巖油氣序列成藏模式[36-37]

2 非常規(guī)油氣自封閉作用成藏機(jī)制與分子間作用力

2.1 油氣自封閉作用與分子間作用力的概念

自封閉（Self-sealing）最早由 Facca和 Tonani于1967在 Bulletin Volcanologique雜志發(fā)表的“The Self-sealing Geothermal Field”一文中提出[39]，系指在干熱巖礦藏頂部的散熱過(guò)程中由于硅的沉積和沉淀使蓋層散熱的自封閉性變好而保護(hù)干熱巖礦藏形成的一種地質(zhì)作用?！白苑忾]”這一概念被1993年科學(xué)出版社出版的、全國(guó)自然科學(xué)名詞審定委員會(huì)公布的《地質(zhì)學(xué)名詞》一書收錄。Self-sealing目前被不同領(lǐng)域的專家學(xué)者用來(lái)概指在地層溫壓變化及地下流體共同作用下使巖體發(fā)生重結(jié)晶和再膠結(jié)，最終封閉或封堵蓋層之下儲(chǔ)集巖體內(nèi)流體的地質(zhì)作用，它使地下流體與蓋層之外失去聯(lián)系后構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的流體單元或成藏單元。這一概念被油氣地質(zhì)領(lǐng)域?qū)＜覀冇脕?lái)表示油氣通過(guò)上覆蓋層時(shí)形成次生礦物或引起黏土礦物變化而堵塞了微滲漏孔隙提高了蓋層封油氣能力[40]，蓋層內(nèi)部的沉淀作用增強(qiáng)了蓋層的有效性[41]。也有學(xué)者依此概念研究巖溶自封閉作用，將巖溶發(fā)育和封閉相對(duì)較好區(qū)稱之為自封閉成藏區(qū)，而將巖溶發(fā)育較差區(qū)稱為巖溶自封閉巖障區(qū)[42]。顯然，這一類“自封閉”作用是目標(biāo)巖體外圍產(chǎn)生了相對(duì)致密部分，并對(duì)其高孔滲部分形成類似蓋層的封堵能力。本文用這一概念表征的是所有非常規(guī)油氣自封閉成藏作用，將其定義為非常規(guī)油氣在沉積盆地內(nèi)由于自身特殊的物理化學(xué)特性或在特殊儲(chǔ)集層介質(zhì)條件和特殊溫壓環(huán)境共同作用下，依賴油氣自身內(nèi)部或油氣與儲(chǔ)集層介質(zhì)界面之間的分子間作用力，不依賴儲(chǔ)集體之外的圈閉等上傾封堵條件，與外界隔離并獨(dú)立成藏富集保存的地質(zhì)作用。這是一種全新的“自封閉作用”概念。非常規(guī)油氣自封閉成藏通常具有 3個(gè)方面的地質(zhì)特征：①非常規(guī)油氣自封閉作用因油氣內(nèi)部或其與周邊介質(zhì)的分子間作用力而產(chǎn)生，因油氣運(yùn)移阻力遠(yuǎn)大于浮力而導(dǎo)致非浮力主導(dǎo)油氣聚集成藏；②非常規(guī)油氣自封閉作用發(fā)生在非常規(guī)油氣藏內(nèi)部，而不是在其外部或邊緣；③非常規(guī)油氣自封閉成藏作用是動(dòng)態(tài)的和相對(duì)的，發(fā)生在非常規(guī)油氣藏形成與保存過(guò)程中，并隨形成條件發(fā)生重大變化而破壞或逐漸消失。

分子間相互作用力又稱范德華力（Van der Waals force），是存在于中性分子或原子之間的一種弱堿性的電性吸引力。油氣水流體分子間、及流體與儲(chǔ)集層介質(zhì)分子間廣泛存在范德華力。分子間范德華力有 3個(gè)來(lái)源：極性分子的永久偶極矩之間的相互作用；一個(gè)極性分子使另一個(gè)分子極化，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩并相互吸引；分子中電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生瞬時(shí)偶極矩，它使鄰近分子瞬時(shí)極化，后者又反過(guò)來(lái)增強(qiáng)原來(lái)分子的瞬時(shí)偶極矩，這種相互耦合產(chǎn)生靜電吸引作用。這 3種力的貢獻(xiàn)不同，通常第3種作用的貢獻(xiàn)最大[43]。

分子間作用力屬于次級(jí)鍵。氫鍵（Hydrogen bond）、弱范德華力、疏水作用力、芳環(huán)堆積作用、鹵鍵都屬于次級(jí)鍵，又稱分子間弱相互作用。荷蘭科學(xué)家約翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯在1873年第1次提出范德華力這個(gè)概念用以解釋氣體的行為。這種力非常微弱，只有當(dāng)原子或分子十分靠近的時(shí)候才有意義。法國(guó)的科學(xué)家于2013年實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)原子之間的范德華力進(jìn)行了直接測(cè)量。所有試驗(yàn)方法后來(lái)用于建立量子邏輯門，或者用來(lái)進(jìn)行凝聚態(tài)系統(tǒng)的量子模擬。原子間、分子間和物體表面間的范德華力以各種不同方式出現(xiàn)在自然界中。例如，蜘蛛和壁虎就是依靠范德華力才能沿著平滑的墻壁向上爬，我們體內(nèi)的蛋白質(zhì)也是因?yàn)榉兜氯A力的存在才會(huì)折疊成復(fù)雜的形狀。在地質(zhì)作用中，分子間作用力作為一種弱相互作用無(wú)所不在，但是非常微弱，并未引起人們關(guān)注，而在非常規(guī)油氣成藏過(guò)程中，這種弱相互作用促使形成非常規(guī)油氣這種巨大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)礦產(chǎn)資源，是十分令人震驚和值得深入研究的。

2.2 分子間作用力與自封閉成藏機(jī)制的類型

非常規(guī)油氣具有多種類型，分子間作用力導(dǎo)致油氣自封閉成藏，相應(yīng)的分子間作用力與自封閉成藏機(jī)制也存在多種類型，不同的動(dòng)力機(jī)制形成了不同類型的非常規(guī)油氣藏。油氣分子間作用力可以表現(xiàn)為分子黏滯力、分子縮合力、分子界面力（毛管壓力）、分子吸附力與分子籠合力等。相應(yīng)的自封閉成藏機(jī)制，包括：第1類是重油（Heavy oil）與瀝青（Bitumen）的形成機(jī)制，其分子間作用力主要表現(xiàn)為大分子（分子團(tuán)）黏滯力和縮合力。在特殊氧化環(huán)境下，稠油和干瀝青是原油在強(qiáng)氧化環(huán)境下由生物降解改造而成，分子縮合作用形成了大分子的稠油和瀝青，分子黏滯力使它們緊密連接在一起，構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的體系并實(shí)現(xiàn)自封閉成藏。第2類是致密油氣、頁(yè)巖油氣和煤層氣的形成機(jī)制，其分子間作用力表現(xiàn)為毛管壓力和吸附力。該類自封閉成藏作用表現(xiàn)在特殊致密儲(chǔ)集介質(zhì)條件下，超低孔低滲儲(chǔ)集層孔喉極為細(xì)小，通?？紫抖刃∮诘扔?2%，空氣滲透率小于等于1×10-3μm2，平均孔喉半徑小于等于1 μm，流體受到的毛管壓力與吸附力大于浮力，從而阻隔了自身油氣流體的自由流出和外部流體的自由進(jìn)入，形成油氣自封閉成藏作用。這也形成一種局限或束縛的流體動(dòng)力場(chǎng)，它們與油氣在常規(guī)高孔高滲儲(chǔ)集層內(nèi)受浮力驅(qū)動(dòng)而形成的自由流動(dòng)的開(kāi)放動(dòng)力場(chǎng)產(chǎn)生鮮明對(duì)比。第3類是天然氣水合物的形成機(jī)制，其分子間作用力表現(xiàn)為水與甲烷分子間的籠合。天然氣水合物形成在高壓低溫環(huán)境下，水分子通過(guò)籠合甲烷氣形成水合物并轉(zhuǎn)化為固態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)自封閉成藏。這些都與常規(guī)油氣在浮力主導(dǎo)下運(yùn)移成藏的開(kāi)放系統(tǒng)和環(huán)境有根本不同。

非常規(guī)油氣在特殊分子間互動(dòng)力機(jī)制作用下形成油氣藏需要一定的邊界條件或地質(zhì)門限。只有滿足這一條件，非常規(guī)油氣藏才能夠形成分布。不同類別非常規(guī)油氣藏形成分布的地質(zhì)條件不同，這一邊界條件也隨之不同。瀝青要求在強(qiáng)氧化環(huán)境中形成：通常情況下，地層水礦化度小于1 000 mg/L、溫度小于20 ℃、埋深小于500 m；形成稠油要求為較強(qiáng)的氧化環(huán)境：地層水礦化度小于2 000 mg/L、溫度小于30 ℃、埋深小于1 500 m。形成致密油氣藏通常要求儲(chǔ)集層：孔隙度小于 12%、儲(chǔ)集層滲透率小于 1×10-3μm2、孔喉半徑小于1 μm；形成超致密頁(yè)巖油氣藏要求儲(chǔ)集層：孔隙度小于12%、滲透率小于0.1×10-3μm2、孔喉半徑小于0.1 μm；形成煤層氣藏要求煤層介質(zhì)孔隙度小于等于5%、滲透率小于等于0.01×10-3μm2、孔喉半徑小于等于0.025 μm。形成天然氣水合物要求高壓低溫的相態(tài)平衡條件：分布在地球兩極、海洋沉積物、高原冰蓋層之下，埋深小于1 200 m。一般情況下，不同非常規(guī)油氣藏分布的邊界條件如表1所列。

表1 非常規(guī)油氣自封閉成藏動(dòng)力機(jī)制分類與成藏特征和邊界條件

3 非常規(guī)油氣自封閉成藏的動(dòng)力類型與成藏模式

3.1 稠油的自封閉成藏機(jī)理與分子黏滯作用及分布模式

稠油油藏的成因有原生和次生兩種，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壞，或經(jīng)長(zhǎng)距離多次運(yùn)移，輕質(zhì)組分散失，水洗氧化以及生物降解作用而成[44]。其成因機(jī)理都是由于分子黏滯作用造成稠油難以流動(dòng)而形成“自封閉成藏”，促進(jìn)稠油/重油大規(guī)模富集成藏和保存。

分子黏滯作用一詞最早源自牛頓的黏性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究[45]，用黏滯力表征流體運(yùn)移過(guò)程中自身內(nèi)部遇到的阻力。黏滯力是指由于流體各層的流速不同，當(dāng)相鄰流層間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在接觸面上產(chǎn)生的一種相互作用的剪切力，也稱流體內(nèi)摩擦力。它是兩層流體分子內(nèi)聚力和分子動(dòng)量交換的宏觀表現(xiàn)（見(jiàn)圖4），液體主要以內(nèi)聚力為主，大小取決于分子間引力[46-47]。

圖4 黏滯阻力模型示意圖[45]

1686年英國(guó)科學(xué)家牛頓給出了內(nèi)摩擦力定律的表征。他指出：內(nèi)摩擦力正比于流層移動(dòng)的相對(duì)速度、流層間的接觸面積，且內(nèi)摩擦力隨流體的物理性質(zhì)而改變，與正壓力無(wú)關(guān)。稠油黏滯性的影響因素可概括為兩方面：①宏觀方面的影響[48-49]，包括壓強(qiáng)、溫度、固體顆粒和流速等因素，其中溫度壓力主要通過(guò)對(duì)分子間距產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響流體黏性；流速的影響主要表現(xiàn)為流體在流動(dòng)過(guò)程中存在一個(gè)不可逆的，由速度較大的地方遷移到速度較小的地方的動(dòng)量遷移；固體顆粒的影響即原油中存在著蠟晶等一類的固相小顆粒,它可以看成懸浮流體。固相顆粒的存在會(huì)阻礙流體的運(yùn)動(dòng)。②微觀方面的影響[50]，第1是雜原子的影響，稠油中含有較多S、N、O等元素，它們的存在可誘導(dǎo)產(chǎn)生永久偶極，增加分子極性[51-52]，由其引起的電荷轉(zhuǎn)移作用、偶極相互作用、氫鍵作用[53-54]等使分子聚集進(jìn)而產(chǎn)生黏滯作用。第2是金屬元素的影響，金屬元素在原油中以無(wú)機(jī)鹽、油溶性有機(jī)鹽和金屬卟啉化合物等形式存在，當(dāng)這些物質(zhì)發(fā)生絡(luò)合，在瀝青質(zhì)的生成過(guò)程中雜原子進(jìn)入骨架結(jié)構(gòu)，而Ni和V與雜原子發(fā)生絡(luò)合作用進(jìn)入瀝青質(zhì)縮合芳環(huán)結(jié)構(gòu)，參與了膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子的締合，然后形成的大分子進(jìn)一步聚集進(jìn)而產(chǎn)生黏滯作用。

稠油/重油自封閉成藏特征與分布模式。本文以東委內(nèi)瑞拉盆地南部斜坡帶的奧里諾科重油帶的形成分布為例闡述稠油油藏自封閉成藏模式。它自西向東橫跨瓜里科州、安索阿特吉州及蒙拉加斯州的南部，面積5.5×104km2，是世界上規(guī)模最大的稠油油藏[55]。重油帶油藏埋深350～1 200 m，儲(chǔ)集層主要為漸新統(tǒng)和中新統(tǒng)未固結(jié)砂巖，平均孔隙度33.4%，平均滲透率4 760×10-3μm2，原油黏度為1 000～6 000 mPa·s，探明原始地質(zhì)儲(chǔ)量 1 570.8×108t，可采儲(chǔ)量 364×108t[56-57]。重油帶分布在盆地南部斜坡帶的最高邊緣部位，來(lái)自盆地北部的油氣在經(jīng)歷了數(shù)十千米的長(zhǎng)距離側(cè)向運(yùn)移后，大規(guī)模充注到盆地邊緣的上白堊統(tǒng)—中新統(tǒng)河流—三角洲相未固結(jié)砂巖中。在南緣，因輕質(zhì)組分的散失和生物降解、水洗氧化作用形成瀝青塞，與層內(nèi)泥巖和上覆區(qū)域性泥巖蓋層形成聯(lián)合封堵，形成了規(guī)模巨大的構(gòu)造—巖性重油油藏，疊片含油面積超過(guò)5×104km2[58]。

3.2 瀝青的自封閉成藏機(jī)理與分子縮合作用及分布模式

瀝青是地下原油發(fā)生分子縮合作用的主要產(chǎn)物，它是原油中富含氫的大分子烴類有機(jī)流體在地質(zhì)條件下經(jīng)過(guò)改造作用，發(fā)生原油組分分餾作用、萃取作用導(dǎo)致原油輕組分發(fā)生運(yùn)移散失時(shí)，重質(zhì)組分由于不易揮發(fā)而保存下來(lái)，最終殘留成黑色固態(tài)有機(jī)質(zhì)。分子縮合作用是指兩個(gè)或多個(gè)有機(jī)分子間互作用后形成一個(gè)更大分子，同時(shí)失去水或其他較簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)或有機(jī)小分子的縮聚反應(yīng)。分子縮合作用的發(fā)生主要受地層水介質(zhì)條件、地層深度和溫度及原油組分等 3方面條件的控制。①地層水介質(zhì)條件：大分子烴類的氧化-降解程度與地層水中氧含量、地層水礦化度及某種離子的濃度有關(guān)；②地層深度和溫度：微生物的生存和繁殖需要一定的溫度條件，溫度對(duì)微生物發(fā)育的控制作用決定了深度是控制原油生物降解程度的重要因素。原油組分對(duì)瀝青形成具有重要影響。Nandi等學(xué)者通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研究表明原油中不同族組分（飽和烴、芳香烴、非烴+瀝青質(zhì)）裂解縮合作用形成固體瀝青的產(chǎn)率存在明顯差別[59-61]。

瀝青自封閉成藏特征與分布模式。加拿大阿爾伯特盆地發(fā)育了全球最大的瀝青礦藏（見(jiàn)圖5）。阿爾伯達(dá)盆地早期屬克拉通邊緣盆地，中侏羅世之后演化為前陸盆地，面積 30×104km2，油砂主要分布在盆地東翼淺部下白堊統(tǒng)不整合面之上，烴源巖包括上泥盆統(tǒng)Duvernay組及下石炭統(tǒng) Exshaw組海相頁(yè)巖，分布面積 13×104km2，厚 25～135 m，TOC值為 2%～24%[62]；儲(chǔ)集層以下白堊統(tǒng)曼維爾群砂巖為主，太平洋板塊向東俯沖于北美板塊之下，受其影響，落基山近東西向擠壓，曼維爾群呈現(xiàn)一巨型單斜構(gòu)造，從未深埋，孔隙度為20%～35%、厚30～50 m，泥盆系—石炭系生成的大量油氣向東運(yùn)移形成全球最大油砂礦。

圖5 阿爾伯達(dá)盆地前陸斜坡帶巨型瀝青砂分布模式圖[62]

3.3 致密油氣與頁(yè)巖油氣自封閉成藏機(jī)理與毛管壓力

統(tǒng)計(jì)分析表明，致密油氣與頁(yè)巖油氣賦存在致密儲(chǔ)集層中，一般孔隙度小于12%，空氣滲透率小于等于1×10-3μm2，平均孔喉半徑小于等于1 μm，其油氣自封閉作用主要毛管壓力是由微細(xì)孔喉系統(tǒng)中的流體束縛作用形成的。毛管壓力本質(zhì)是分子界面力，是指微細(xì)孔隙中存在互不相溶的兩相流體時(shí)，由于孔隙內(nèi)壁對(duì)兩相流體的潤(rùn)濕性不同，會(huì)在兩相流體的接觸面上產(chǎn)生一個(gè)壓力差，其差值大小等于非潤(rùn)濕相壓力減去潤(rùn)濕相壓力（見(jiàn)圖6），即pc=pnw-pw；其中pc為壓力差，pnw為非潤(rùn)濕相壓力，pw為潤(rùn)濕相壓力。pc主要與兩相流體的界面張力、毛細(xì)管半徑、兩相流體接觸角等有關(guān)[63]。

圖6 毛管壓力概念及其與地下油氣運(yùn)移的關(guān)系[63]

油氣運(yùn)移過(guò)程中受到的毛管壓力如式1所示：

3大因素對(duì)毛管壓力大小有重要影響，包括兩相流體的界面張力、毛細(xì)管半徑和儲(chǔ)集層巖石潤(rùn)濕性等有關(guān)[63]。界面張力對(duì)毛管壓力有重要影響：在地下含油氣系統(tǒng)中，油-水或氣-水界面張力的值受地下溫度、壓力、地層水礦化度、油氣組分、酸堿度等影響[64-65]。一般情況下，界面張力隨溫度升高而降低（見(jiàn)圖7a），隨地層水礦化度增大而減?。ㄒ?jiàn)圖7b）。潤(rùn)濕性對(duì)毛管壓力有重要影響：潤(rùn)濕性通常用水相測(cè)量的油水界面對(duì)巖石或孔壁的接觸角來(lái)表示。一般普遍認(rèn)為接觸角在0°～90°的巖石是親水的，接觸角大于90°的巖石是親油的；當(dāng)巖石為水潤(rùn)濕時(shí)，烴源巖向儲(chǔ)集層排烴受到的毛管壓力為動(dòng)力，當(dāng)巖石為油潤(rùn)濕時(shí)，源巖向儲(chǔ)集層排烴受到的毛管壓力為阻力（見(jiàn)圖7c、7d）[66]?？缀戆霃綄?duì)毛管壓力大小有重要影響：毛管壓力與毛細(xì)管半徑成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即毛細(xì)管的半徑越小，毛管壓力越大（見(jiàn)圖7e）。當(dāng)毛管壓力接近或大于浮力時(shí)，孔隙中的油氣停止流動(dòng)，同時(shí)毛管壓力也阻隔外部流體進(jìn)入，形成油氣自封閉作用，促使致密油氣的聚集與保存。毛管壓力作為儲(chǔ)集層的中的主要運(yùn)移阻力，對(duì)非常規(guī)油氣的成藏具有重要意義。

圖7 影響毛管壓力束縛油氣作用的重要因素[64-66]

致密油氣藏成藏特征與分布模式。致密油氣藏分布特征：致密儲(chǔ)集層主體發(fā)育納米級(jí)孔喉，局部發(fā)育微米—毫米級(jí)孔隙，其中致密灰?guī)r油儲(chǔ)集層孔徑為40～500 nm，致密砂巖油儲(chǔ)集層孔徑為50～900 nm，致密砂巖氣儲(chǔ)集層孔徑為40～700 nm。微米—毫米孔喉系統(tǒng)導(dǎo)致儲(chǔ)集層致密、物性差，一般孔隙度小于10%、滲透率為（1×10-6～1）×10-3μm2，斷裂帶發(fā)育處伴有微裂縫，儲(chǔ)集層物性變好，如鄂爾多斯盆地蘇里格地區(qū)盒8段平均孔隙度為7.34%、滲透率為0.63×10-3μm2，山 1段平均孔隙度 7.04%、滲透率為 0.38×10-3μm2[23]。致密油氣往往在盆地尺度上具有氣-水關(guān)系倒置的特點(diǎn)，通常發(fā)育異常壓力[67-69]。它的形成被認(rèn)為是深部源巖排出的油氣進(jìn)入儲(chǔ)集層后驅(qū)替水向盆地上部和邊緣運(yùn)移，由于驅(qū)替動(dòng)力不足，氣體被迫在盆地深部凹陷區(qū)聚集成藏。圣胡安盆地布蘭科氣田普遍發(fā)育常規(guī)與非常規(guī)兩種類型氣藏（見(jiàn)圖8），其淺層在背斜圈閉頂部，發(fā)育氣在上水在下的常規(guī)氣藏；在盆地深部地區(qū)和斜坡地帶存在水在上、氣在下的致密氣藏，該地層致密且砂巖孔滲差，天然氣向其上部充注時(shí)需要克服巨大的毛管壓力，形成一種自封閉作用[70]。

圖8 毛管壓力作用下深盆致密氣藏的形成與分布特征

頁(yè)巖油氣成藏特征與分布模式。頁(yè)巖油氣藏形成于富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒沉積巖中，主要是高TOC的頁(yè)巖及泥巖粉砂巖。儲(chǔ)集層具有與致密砂巖、致密灰?guī)r類似的低—特低孔隙度與滲透率，及微納米級(jí)孔隙系統(tǒng)，孔喉半徑小于等于1 μm，因此形成毛管壓力為主的油氣自封閉成藏作用。頁(yè)巖油氣源儲(chǔ)一體，是生烴巖系的滯留烴類成藏，有別于致密油氣；同時(shí)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中有機(jī)孔發(fā)育，分子吸附作用比致密油氣更強(qiáng)。因此，頁(yè)巖油氣包括游離相態(tài)與吸附相態(tài)，其成藏是包括毛管壓力作用和油氣分子吸附作用在內(nèi)的多種作用綜合的結(jié)果?？碧缴a(chǎn)實(shí)踐證明，高產(chǎn)高豐度頁(yè)巖氣藏中游離相態(tài)氣占有更大比例。例如：中國(guó)四川志留系龍馬溪組頁(yè)巖氣，單井產(chǎn)量為（20～30）×104m3/d，單井最終采氣量為（2～3）×108m3，游離氣比例為 60%～70%。Barnett頁(yè)巖是美國(guó)Fort Worth盆地石炭系一套碎屑巖和碳酸鹽巖混合沉積，干酪根類型為Ⅰ～Ⅱ1型，埋藏深度較淺，處于成熟階段，可見(jiàn)大量納米級(jí)微孔隙，裂縫被方解石充填，含氣量較高（8.5～9.9 m3/t），其中吸附氣含量占40%～60%[73]。截至2018年，全球可采資源量預(yù)計(jì)高達(dá)214.5×1012m3[74]，排名前5位國(guó)家依次為美國(guó)、中國(guó)、阿根廷、墨西哥和南非，其中美國(guó)頁(yè)巖氣發(fā)展最快，在2018年頁(yè)巖氣產(chǎn)量即達(dá)6 000×108m3。

3.4 煤層氣的自封閉成藏機(jī)理與分子吸附作用及分布模式

煤層氣中的吸附氣量一般在 85%以上，頁(yè)巖氣中也有一定比例的吸附氣[75]。它們的自封閉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，指氣體在自由表面上聚集（見(jiàn)圖9）。國(guó)際上將物理吸附定義為一個(gè)或多個(gè)組分在界面上的富集（正吸附或簡(jiǎn)單吸附）或損耗（負(fù)吸附）。本文中的吸附作用系指油氣在巖石或礦物表面的附著現(xiàn)象。

圖9 物理吸附和范德華力示意圖[75]

BET理論是在Langmuir單分子層吸附理論上發(fā)展建立起來(lái)的，迄今仍是規(guī)模最大、影響最深、應(yīng)用最廣的固體表面吸附理論。BET理論認(rèn)為，固體對(duì)氣體的物理吸附是范德華力造成的結(jié)果，由于分子之間存在范德華力，當(dāng)分子撞在已被吸附的分子上時(shí)也有被吸附的可能，從而形成多分子吸附層[75]。

影響巖石吸附能力的因素非常多。吸附氣量的大小主要與吸附介質(zhì)有關(guān)，一般巖石孔徑越小，比表面積越大，吸附作用就越強(qiáng)，當(dāng)孔徑大于一定程度后，吸附作用將不再發(fā)生[76]。Cai[77]和Zhang[78]等人將吸附孔定義為孔徑小于100 nm的微觀地層孔隙，An[79]等認(rèn)為1.5 nm是吸附力的臨界孔徑。根據(jù)Ross等人的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)甲烷吸附能力隨著有機(jī)碳含量（見(jiàn)圖10a）和熱演化程度（見(jiàn)圖10c）的升高而增大，隨有機(jī)質(zhì)類型的不同而表現(xiàn)出差異性（見(jiàn)圖10b）[80-82]。對(duì)于貧有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)巖而言，Lu等認(rèn)為其吸附作用主要與伊利石有關(guān)，吸附測(cè)試結(jié)果顯示伊利石對(duì)總吸附氣量的貢獻(xiàn)為 10%～40%（見(jiàn)圖10d）[83]。Ross等認(rèn)為黏土礦物具有較大的比表面積，因而能夠吸附大量的氣體（見(jiàn)圖10e）[84]。Ross和Bustin研究了加拿大西部沉積盆地的D-M頁(yè)巖和侏羅系頁(yè)巖后發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖TOC含量和微孔體積及甲烷吸附能力之間具有很好的正相關(guān)性（見(jiàn)圖10f）[84-85]。他們發(fā)現(xiàn)在含水量較低時(shí)，Gordondale頁(yè)巖、Poker Chip頁(yè)巖和 Muskwa頁(yè)巖的吸附氣量很高；當(dāng)含水量增大到3%及以上時(shí)，樣品的吸附氣量呈指數(shù)式降低（見(jiàn)圖10g）；干酪根對(duì)甲烷的吸附量隨溫度的升高呈線性下降，壓力與頁(yè)巖的吸附量呈正相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖10h）[85]。

圖10 影響巖石吸附氣量的主要控制因素

煤層氣成藏特征與分布模式。煤層氣成藏是包括分子吸附作用在內(nèi)的多種作用的綜合結(jié)果。澳大利亞蘇拉特盆地是內(nèi)克拉通盆地，Walloon煤系吸附大量煤層氣，盆地地下水受東部補(bǔ)給區(qū)補(bǔ)給，沿著斜坡下傾方向運(yùn)移，結(jié)合埋深和N2含量百分比，區(qū)域上分為補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)、滯留區(qū)，依次對(duì)應(yīng)強(qiáng)烈生物氣改造帶、輕微生物氣改造帶、熱成因煤層氣與次生生物氣混合帶。全球煤層氣資源量超過(guò)270×1012m3，主要分布在俄羅斯、加拿大、中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、波蘭[87]，俄羅斯煤層氣資源量為（17～113）×1012m3，居世界第1。

頁(yè)巖油氣藏的分子吸附作用。頁(yè)巖油氣包括游離相態(tài)與吸附相態(tài)，由于頁(yè)巖油氣層內(nèi)，干酪根后期形成的有機(jī)孔發(fā)育，因此吸附態(tài)油氣在頁(yè)巖油氣中有重要意義，據(jù)統(tǒng)計(jì)頁(yè)巖氣中吸附氣含量為 20%～80%。含油氣盆地非常規(guī)油氣藏形成的動(dòng)力機(jī)制往往是多種聯(lián)合共生的。煤層氣藏的形成主要由吸附作用造成，但毛管壓力的封閉作用也非常大；致密砂巖油氣藏以毛管壓力的束縛作用為主，但致密巖層內(nèi)微孔介質(zhì)中的吸附作用也非常重要；頁(yè)巖類油氣藏的形成早期可能主要以毛管壓力的束縛作用為主，油氣主要以游離態(tài)富集在無(wú)機(jī)孔隙中心；熱演化程度較高之后，有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙發(fā)育，油氣的吸附作用可能更為重要。在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)階段，早期高產(chǎn)，以游離氣為主；后期低產(chǎn)，則以吸附氣為主。這都說(shuō)明，非常規(guī)油氣藏動(dòng)力機(jī)制成因分類只是將某一種主要的動(dòng)力作用突顯出來(lái)，但不排除其他動(dòng)力在成藏過(guò)程中的作用。

3.5 天然氣水合物的自封閉成藏機(jī)理與分子籠合作用及分布模式

天然氣水合物是近年受到高度關(guān)注的非常規(guī)天然氣資源，其自封閉作用表現(xiàn)為甲烷與水分子間的分子籠合作用，即在一定溫度和壓力環(huán)境下，水分子間通過(guò)氫鍵連接所形成的籠型結(jié)構(gòu)把客體分子包裹在其中的一種束縛作用[88]。水分子之間的氫鍵作用、客體分子之間的范德華力作用及籠體結(jié)構(gòu)和客體分子之間的范德華力相互作用是氣體水合物形成的基本動(dòng)力。這些力的作用導(dǎo)致水分子籠型結(jié)構(gòu)的形成，水分子進(jìn)一步籠合甲烷分子導(dǎo)致水合物的形成。水合物的形成過(guò)程由溶解、成核和生長(zhǎng)過(guò)程組成（見(jiàn)圖11），氣體水合物的形成過(guò)程可以看成一個(gè)結(jié)晶過(guò)程，包含晶核的形成和晶體生長(zhǎng)過(guò)程[89]，其反應(yīng)式為：

圖11 水合物分子籠合作用及其形成動(dòng)力示意圖

影響分子籠合作用形成水合物的因素有 3個(gè)。①晶穴占有率：在一定范圍內(nèi)，CH4分子晶穴占有率的提高將有效降低水合物的晶格勢(shì)能，提高分子籠合作用形成水合物的效率[90]；②溫度：水合物的穩(wěn)定性受溫度的影響[91]；③壓力：隨體系壓力的降低，由水分子以氫鍵連接形成的籠狀孔穴結(jié)構(gòu)變形并逐漸解離，甲烷分子從籠狀孔穴結(jié)構(gòu)中逸出并聚集，固相水合物最終分解為氣液兩相[92]。這表明較高的壓力有利水合物的形成和分布。

天然氣水合物自封閉成藏特征與分布模式。本文基于研究實(shí)例闡述天然氣水合物藏的分布特征與基本模式：阿拉斯加北坡盆地天然氣水合物藏分布于北緯69°～72°的北極圈內(nèi)，東西長(zhǎng)達(dá) 1 100 km，南北寬100～600 km，面積約36.5×104km2。阿拉斯加北坡的天然氣水合物成礦系統(tǒng)是下伏下白堊統(tǒng)—第三系含油氣系統(tǒng)在淺部的衍生，是由下伏氣源、斷裂、巖性、北極的特殊環(huán)境（永久凍土、地層溫壓場(chǎng)）等多種因素共同作用的結(jié)果，其天然氣水合物原地資源量約為6.0×1012m3標(biāo)準(zhǔn)天然氣[94]，未探明技術(shù)可采天然氣水合物資源量約2.42×1012m3[95]。

4 非常規(guī)油氣分子間作用力與自封閉成藏研究意義

4.1 預(yù)測(cè)尚未發(fā)現(xiàn)的潛在非常規(guī)油氣資源與領(lǐng)域

人類對(duì)油氣成藏的認(rèn)識(shí)一直在發(fā)展中。從背斜油氣藏到巖性地層油氣藏，從常規(guī)油氣藏到非常規(guī)油氣藏，還有很多新的油氣資源有待我們?nèi)フJ(rèn)識(shí)、去發(fā)現(xiàn)。因此揭示油氣分子間作用力機(jī)制和自封閉成藏模式可以更加高效地指導(dǎo)潛在油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)，還可能預(yù)測(cè)出尚未認(rèn)識(shí)到的新的資源類型。

從分布范圍的廣度和成藏的多樣性來(lái)說(shuō)，常規(guī)油氣藏是含油氣盆地中的特例，而各種非常規(guī)油氣資源則是它們的常態(tài)。在厘清了各類非常規(guī)油氣資源成藏動(dòng)力的多樣性和成藏機(jī)制的復(fù)雜性后，可以依據(jù)這一規(guī)律對(duì)含油氣盆地演化過(guò)程中不同地質(zhì)條件下可能出現(xiàn)的新的油氣資源進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。油氣生成作用與特殊地質(zhì)條件組合可能形成的多種非常規(guī)油氣資源，基于同樣的原理可以預(yù)測(cè)其他不同條件下可能形成的非常規(guī)油氣資源的類別與分布特征，還可能預(yù)測(cè)出這些烴類產(chǎn)物可能的物理化學(xué)特征和資源潛力。

4.2 實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣資源高效勘探與開(kāi)發(fā)

在深入理解非常規(guī)油氣藏自封閉成藏機(jī)制后，可依據(jù)其原理實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣資源的高效勘探；基于同樣的道理，在研究了特殊地質(zhì)條件下非常規(guī)油氣藏成因機(jī)制、產(chǎn)狀特征和分布規(guī)律后，可以啟發(fā)我們對(duì)非常規(guī)油氣資源實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)采（見(jiàn)圖12）。瀝青和稠油是通過(guò)低溫條件下分子縮合和分子黏滯作用變?yōu)檎吵硪后w和固體而實(shí)現(xiàn)自我封閉成藏的，因此開(kāi)采時(shí)可以通過(guò)加溫將它們液化或氣化，從而降低黏度而促進(jìn)流動(dòng)性得以大規(guī)模開(kāi)采；頁(yè)巖油氣、煤層氣和致密油氣等是通過(guò)致密和超致密介質(zhì)實(shí)現(xiàn)分子吸附和分子束縛等作用而達(dá)到自我封閉成藏的，因此開(kāi)采它們需要通過(guò)體積壓裂等措施改造介質(zhì)條件而使油氣降壓脫吸附并增加滲透率和流動(dòng)性獲得大規(guī)模開(kāi)采的。天然氣水合物是通過(guò)水分子對(duì)甲烷等氣分子的籠合作用實(shí)現(xiàn)自我封閉的，因此大規(guī)模開(kāi)采需要破壞籠合作用形成時(shí)的高壓低溫條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)脫氣和大規(guī)模開(kāi)采。

圖12 基于非常規(guī)油氣自封閉成藏機(jī)制研發(fā)高效開(kāi)采技術(shù)和實(shí)施方案

5 結(jié)論

經(jīng)典石油天然氣地質(zhì)學(xué)理論的核心內(nèi)容是揭示了常規(guī)油氣成藏機(jī)理是浮力作為油氣運(yùn)聚的主要?jiǎng)恿腿﹂]作為油氣富集保存的主要場(chǎng)所。

非常規(guī)油氣藏具有連續(xù)性聚集和非浮力成藏的特征，而非浮力成藏機(jī)理的核心是油氣自封閉作用，其動(dòng)力是分子間作用力。

依據(jù)分子間作用力和自封閉機(jī)制將非常規(guī)油氣藏分為 3類：以大分子黏滯力自封閉作用為主的稠油和瀝青；以毛管壓力和吸附力自封閉作用為主的致密油氣、頁(yè)巖油氣和煤層氣；以分子間籠合力自封閉作用為主的天然氣水合物。

深入理解油氣自封閉成藏模式和分子間互作用機(jī)理有利于預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)非常規(guī)油氣資源的形成分布，并啟發(fā)人類逆向思維，通過(guò)改造介質(zhì)條件和破壞油氣自封閉條件實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣資源大規(guī)模的高效開(kāi)采。

符號(hào)注釋：

F——流體內(nèi)摩擦力，N；F′——流體內(nèi)摩擦力的反作用力，N；g——重力加速度，m/s2；h——高度，m；pc——壓力差或者毛管壓力，MPa；pcR——毛細(xì)管半徑較大一側(cè)的毛管壓力，MPa；pcr——毛細(xì)管半徑較小一側(cè)的毛管壓力，MPa；pe——?dú)怏w充注壓力，MPa；pnw——非潤(rùn)濕相壓力，MPa；pw——潤(rùn)濕相（水柱）壓力，MPa；r——毛細(xì)管半徑，μm；Tmax——熱解峰溫，℃；u——流體流速，m/s；v——上部的恒定速度，m/s；y——縱向?qū)泳嚯x，m；γ——兩相流體的界面張力，mN/m；θ——潤(rùn)濕角，（°）；ρnw——非潤(rùn)濕相密度，g/cm3；ρw——潤(rùn)濕相密度，g/cm3。