来源：石油学报编辑部

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　　贾承造1，姜林2，赵文2

　　(1.中国石油天然气集团有限公司北京 100007; 2.中国石油勘探开发研究院北京 100083)

　　基金项目:中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目“油气地质基础新理论新技术研究-01课题(全油气系统理论与非常规油气成藏机理)”(2021DJ0101)和国家自然科学基金项目(No.42402161)资助。

　　摘要:全油气系统理论自提出以来受到了石油工业界和学术界的广泛关注,是当前石油天然气地质学的前沿研究领域。全油气系统理论不仅涵盖了传统油气系统概念,还扩展到非常规油气的地质规律与资源开发,是含油气系统理论的发展。对全油气系统理论的基本原理进行了阐释,并总结了全油气系统理论在发展过程中的研究进展,包括:①准噶尔盆地二叠系全油气系统的研究进展与勘探实践;②常规油气—非常规油气序列分布规律中的差异富集现象与“源-储耦合”控制下的成藏富集机理;③全油气系统中的油气运移形式;④发育多套烃源岩的沉积盆地的全油气系统分析;⑤基于全油气系统理论的新一代盆地模拟技术及成因法油气资源评价方法的研发。

　　关键词:石油地质学;全油气系统理论;常规油气;非常规油气;自封闭作用;源-储耦合

　　非常规油气的成功开发是近年来全球石油工业的重大事件,美国通过“页岩油气革命”使其原油产量重回世界第一[1]。非常规油气的出现极大地拓展了未来油气资源的基础,促进了石油地质学理论,以及以“水平井+体积压裂”为代表的理论技术装备革命[2]。非常规油气的突破揭示传统含油气系统理论存在重大缺陷。传统含油气系统理论仅包括常规油气,未包括非常规油气[3]。

　　贾承造等[4-5]提出了全油气系统(Whole Petroleum System)的概念,并将其定义为含油气盆地中的一套或多套相互关联的、有效烃源岩层系所生成的油气,从生成演化到非常规连续性聚集成藏和在常规圈闭中聚集成藏,以及后期调整改造的全部地质要素与地质过程的自然系统[5];提出未来的石油天然气地质学应该是一个新的全油气系统理论模型,包括含油气盆地内常规与非常规油气的成藏全要素、形成演化全过程、资源分布全序列和预测评价全方位。全油气系统理论不再局限于“从源岩到圈闭”的视角,而是聚焦于“源-储耦合、有序聚集”的新视角,其油气资源既包括长距离运移烃、近距离运移烃和滞留烃,也包括常规油气和非常规油气2种资源。

　　油气勘探开发领域的高质量发展需要理论和技术的进步,依赖于基础地质理论的发展,特别是石油天然气地质学的发展[6-7]。石油天然气地质学是研究地壳中油气成因、成藏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。含油气系统理论是石油天然气地质学的核心组成部分,全油气系统理论作为石油天然气地质学的研究前沿,是一个全新的开放的研究领域,是“含油气系统”的发展。全油气系统理论将为石油工业界和地质界提供深刻认识含油气盆地和油气藏的模型与框架,提供寻找油气、评价资源的技术和工具。

　　全油气系统的概念自提出以来便受到石油工业界和地质界的高度重视,许多行业专家基于不同盆地,从不同角度开展了更深入的研究,已经取得了显著进展。笔者将进一步阐释全油气系统的基本原理,并总结回顾近年来全油气系统理论的研究进展。

　　1 全油气系统理论基本原理

　　全油气系统理论不仅涵盖了传统的油气系统概念,同时扩展到了非常规油气地质规律与资源开发领域。其基本原理的核心内容包括:全油气系统的结构;常规油气—致密油气—页岩油气的序列成藏规律与分布模式;非常规油气自封闭成藏机理;页岩油气、致密油气储层的地质模型与流动模型;页岩油气藏、致密油气藏的基本特征与开发生产机理。

　　1.1 全油气系统的结构

　　在含油气盆地的全油气系统中,储层的演化遵循由浅至深逐渐致密化的基本规律。储层的致密化过程决定了全油气系统中由浅至深依次发育达西流自由动力场、局限达西流动力场和束缚动力场[2]3个有序分布的流体动力场(图1),同时控制了常规油气、致密油气和页岩油气3种油气资源的有序分布,以及常规油气藏浮力成藏和非常规油气藏自封闭成藏2种成藏作用。

　　图1 全油气系统中3种动力场的分布(据文献[2]修改)

　　以准噶尔盆地(图2)为例:中层—浅层主要发育自由动力场,目前已在多层系中发现常规油气藏,这些油气藏依靠浮力作用成藏,表现出高孔、高渗和高产的特点;中层—深层发育三叠系百口泉组和二叠系上乌尔禾组致密油气藏,这些油藏在毛细管力作用下呈自封闭成藏,主要存在于局限动力场中,表现出低孔、低渗和低产的特点;深层—超深层已发现二叠系风城组页岩油气藏,该油气藏表现出非浮力滞留烃自封闭成藏的特点,主要存在于束缚动力场中。

　　注:C—石炭系;P1j1—下二叠统佳木河组下段;P1j2—下二叠统佳木河组中段;P1j3—下二叠统佳木河组上段;P1f—下二叠统风城组;P2x—中二叠统夏子街组;P2w—中二叠统下乌尔禾组;P3w—上二叠统上乌尔禾组;T1b—下三叠统百口泉组;T2k—中三叠统克拉玛依组;T3b—上三叠统白碱滩组;J1b—下侏罗统八道湾组;J1s—下侏罗统三工河组;J2x—中侏罗统西山窑组;K—白垩系。

　　图2 准噶尔盆地全油气系统“常规油气—致密油气—页岩油气”序列分布模式(据文献[2]修改)

　　1.2 常规油气—致密油气—页岩油气的序列成藏规律与分布模式

　　全油气系统理论提出,常规油气—致密油气—页岩油气的形成和分布具有时间和空间的有序性,其成因机理具有序列性,因而表现出“序列成藏”的特征。在勘探生产实践中,笔者发现陆相盆地和海相盆地中存在多种序列成藏模式。

　　1.2.1 陆相盆地油气的序列成藏

　　受陆相盆地的多类型及复杂沉积体系控制,陆相盆地油气的序列成藏呈现出类型多样、特征复杂的特点。目前已识别出3种成藏模式(图3):鄂尔多斯盆地延长组模式、松辽盆地白垩系模式和准噶尔盆地玛湖模式。

　　注:SP—自然电位;RD—深侧向电阻率。

　　图3 陆相盆地油气序列成藏模式(据文献[7]修改)

　　鄂尔多斯盆地三叠系延长组形成于构造稳定背景下的宽浅湖沉积环境,其序列成藏模式表现为“三明治”式[7][图3(a)]。油气自延长组7段烃源岩中生成,并在纵向上分别向上和向下运移聚集,由浅至深依次形成“常规油—致密油—页岩油—致密油—常规油”的序列分布。

　　准噶尔盆地二叠系形成于构造快速沉降背景下的咸化湖沉积环境,油气自烃源岩中生成后主要发生向上运移充注[图3(b)]。准噶尔盆地的全油气系统在垂向上呈现出完整的常规—非常规油气序列,由浅至深依次发育常规油藏(侏罗系八道湾组、三叠系白碱滩组和克拉玛依组)、致密油藏(三叠系百口泉组和二叠系上乌尔禾组)以及页岩油藏(二叠系风城组)。

　　在松辽盆地北部一级构造单元的中央坳陷,长垣凹陷内长期稳定发育三角洲砂体,而古龙凹陷的青山口组则长期稳定发育细粒沉积。从古龙凹陷到大庆长垣凹陷,油气藏呈现出“页岩油—致密油—常规油”横向有序分布的特征[图3(c)]。

　　1.2.2 海相盆地油气的序列成藏

　　海相盆地的油气序列成藏规律主要受控于多旋回海相沉积和相对稳定的沉积相变化,目前已识别出海相碎屑岩成藏序列和海相碳酸盐岩成藏序列等类型。

　　美国威利斯顿盆地巴肯页岩(位于上泥盆统—下密西西比统)由上、中、下3段组成。油气首先自巴肯组上段和下段2套烃源岩层系中生成,在自封闭作用下滞留,形成页岩油气藏;而后,在生烃膨胀力驱动下,油气向巴肯组下段和中段充注运移,在巴肯组中段下部形成致密油藏,在巴肯组中段上部物性较好的区域形成常规油藏。威利斯顿盆地巴肯组油藏由浅至深呈现出“页岩油—常规油—致密油—页岩油”的分布特征,常规—非常规油气序列完整,表现为“三明治”式的成藏结构[8][图4(a)]。

　　注:TOC—总有机碳。

　　图4 海相盆地油气序列成藏模式(据文献[8]修改)

　　美国二叠盆地二叠系Wolfcamp组自上而下可分为A、B、C、D共4段。二叠盆地Wolfcamp组的油气成藏模式表现为:油气自Wolfcamp组D段中生成后,在滞留烃的自封闭作用下聚集,形成页岩油气藏;而后,油气向上充注、运移,在Wolfcamp组上部形成致密油气藏;之后,随着油气在水平和垂直方向上的继续运移,在中央台地及次盆边缘的碳酸盐岩储层中聚集,形成常规油气藏。这一成藏模式使得二叠盆地的油气在平面上和纵向上表现出完整的“常规油气—致密油气—页岩油气”序列分布特征[8][图4(b)]。

　　总的来说,在全油气系统理论的视角下,油气自烃源岩中生成后将在地层中运移、聚集,这一过程在不同的含油气盆地中既有差异性又有共同点,由此可总结出全油气系统成藏模式[8-9](图5)。

　　图5 全油气系统中油气运移、成藏模式(据文献[8-9]修改)

　　油气自烃源岩(页岩)中生成后,由于页岩自身的有机质孔隙对油气有吸附作用,以及较小的孔隙具有毛细管封存作用,这使得部分油气会滞留在页岩内,形成页岩油气藏;之后,随着生/排烃作用的进行,在生烃膨胀力驱动下,烃源岩内生成的部分油气经初次运移离开页岩层系,充注进入到邻近的致密储层中,可形成致密油气藏;而对于未被致密储层的“自封闭作用”保存的油气,当其离开致密地层后可在浮力驱动下继续运移,在常规储层中聚集,进而形成常规油气藏(图5)。这一过程显示了“页岩油气—致密油气—常规油气”的序列成藏规律。

　　1.3 非常规油气的自封闭成藏机理

　　油气自封闭作用(self-containment)指含油气盆地内的非常规油气在一定条件下,依赖油气自身内部或油气与储层介质界面之间的分子间作用力,与外界隔离并独立成藏、富集保存的地质作用[6]。这种自封闭作用并非发育在非常规油气藏边界,而是贯穿于整个油气藏内部[6](表1)。范德华力作为分子间的核心作用力,主要由诱导力、取向力和色散力共同构成[10]。

　　范德华力指存在于中性分子或原子间的一种弱碱性的电性吸引力,其形成机制包括:①极性分子永久偶极矩之间的相互作用;②极性分子诱导邻近分子极化,产生诱导偶极矩并相互吸引;③分子内部电子运动产生的瞬时偶极矩所引发的邻近分子瞬时极化,后者反过来也增强了原分子的瞬时偶极矩,二者相互耦合产生静电吸引力。其中,以第③种机制对范德华力的贡献最为显著。

　　致密油气自封闭作用中的毛细管力以及页岩油气、煤层气自封闭作用中的吸附现象在本质上都属于典型的范德华力相互作用的范畴。

　　1.4 页岩油气、致密油气储层的地质模型与油气流动模型

　　当前,非常规油气领域的理论认知明显滞后于勘探开发实践,特别是对页岩油气和致密油气,其储层地质特征及流动机制的认识仍处于初步探索阶段。如何构建适用于页岩油气和致密油气的储层地质模型与流动模型,依然是该领域理论研究亟待突破的前沿课题。

　　1.4.1 储层地质模型

　　页岩油气、致密油气具有广域性分布特征,其储层具有宏观上的均质性,以及介观和微观上的非均质性(图6)。储层的宏观均质性表现在:储层呈大面积连续分布[图6(a)];受层序控制;岩性和物性相对稳定。介观非均质性表现在:储层在整体致密的条件下不均匀地分布着裂缝(缝网)和孔隙;裂缝包括微裂缝(构造微裂缝、成岩微裂缝和生烃成因微裂缝)、层理缝、页理缝以及人工压裂缝等[图6(b)]。微观上,储层内分布着不同尺度的孔隙和微裂缝[图6(c)],其中,孔隙包括呈孤立状的微米—纳米级孔隙(有机孔或无机孔)、微型孔/缝连通区(微孔/缝系统)。

　　图6 页岩油气储层多尺度地质模型(据文献[2]修改)

　　页岩油气、致密油气储层具有宏观上相对均质而微观上则表现出较强非均质的特性。相较于常规油气储层,页岩油气、致密油气储层具有多尺度的孔/缝特征,存在纳米尺度的有机质孔隙、微米尺度的微裂缝以及更大尺度的人工裂缝,这也导致了其油气流动模型的差异。

　　1.4.2 油气流动模型

　　常规油气储层与非常规油气储层在渗流机制上存在差异:常规油气储层的孔喉尺度通常大于1μm,其油气渗流过程基本遵循达西流动规律;而非常规油气储层由于具有多尺度的孔/缝系统,其油气流动呈现出复杂的多模式耦合,可同时存在达西流动、局限达西流动、滑脱流动和扩散4种流动模式[1,11](图7)。

　　图7 页岩油气、致密油气与常规油气的流体运动特征(据文献[1,11]修改)

　　致密油气储层中的油气流动特征随孔喉尺度的变化呈现明显的分异:油气在较大的孔喉或微裂缝系统中主要表现为达西流动,其流动机理与常规油气储层中相同;当孔喉尺度减小,油气表现为局限达西流动,并在非均质缝网的控制下表现出不稳定的驱替压差和相态变化,呈现出多流动方式和多相态混合的非典型渗流的特征;当孔喉尺度进一步减小,孔喉中的油相将难以流动,而其中的气相则会在限域效应下呈现出扩散滑脱流动或扩散流动的特点。

　　从纳米到微米,从微裂缝到人工裂缝,从达西流动到扩散作用,非常规油气藏的物性跨越多个尺度,具有十分复杂的渗流机制与规律。

　　1.5 页岩油气藏、致密油气藏的基本特征

　　常规油气藏通常发育大规模边底水,可看作是无限体积油气藏;而页岩油气藏、致密油气藏则属于发育裂缝-微孔型致密储层的有限体积油气藏,通常需要在压裂改造后才能实现油气的流动与生产,可称为“人工油气藏”。这类油气藏的范围实质上取决于水平井压裂后形成的改造体积。在进行多井立体开发或加密井网时,可能因井间干扰串通,从而形成更大规模的孤立油气藏单元。

　　1.5.1 流体组成与油气相态

　　页岩油气藏和致密油气藏的地下流体组成复杂,其中,气态组分包括干气、湿气、凝析气和人工注入气体等,液态组分包括轻质油、黑油、少量地层水和压裂液等。复杂的流体组成导致油气开发困难。

　　流体相态的差异极大地影响着页岩油气藏和致密油气藏的开发效果。比较典型的已开发的页岩油气主要包括高气油比的轻质油和凝析油,以及低气油比的黑油。目前,北美地区已实现对高气油比、以轻质油和凝析油为主的页岩油资源的成功开发,这类页岩油藏已成为美国页岩油产量的主体。

　　中国在高气油比的轻质页岩油资源的开发方面也取得了突破,如大庆油田正在对古龙凹陷青山口组一段页岩油进行开发建设。高气油比的轻质油和凝析油由于具有较强的气体膨胀能且油质流动性好,因而有利于开发生产。此外,低气油比的黑油在中国的页岩油资源中也占有重要地位,如近年来胜利油田在济阳坳陷进行的页岩油开发生产已取得显著成效。这不仅说明低气油比的黑油型页岩油同样具有良好的开发前景,也说明目前中国石油工业领域对地下页岩油的认识还十分肤浅,有待学者们进一步探索和突破。

　　1.5.2 油气藏的驱动方式

　　页岩油气藏与致密油气藏需要经过压裂改造才能形成工业油气流。页岩油气藏和致密油气藏在开发过程中的驱动方式多样,其中,压裂过程中压裂液的渗吸作用可以起到驱油的效果。

　　油气藏在开发生产中的主要驱动方式包括超压地层弹性驱动、高地应力岩石骨架弹性驱动、气体(包括溶解气)弹性膨胀驱动、重力驱动和人工抽吸动力驱动等。与常规油气藏相比,页岩油气和致密油气普遍具有大面积连续分布的特征,由于缺乏明显的边底水,因此其驱动方式缺失边底水弹性驱动。

　　1.6 致密油气、页岩油气的开发生产机理

　　页岩油气藏、致密油气藏与常规油气藏相比,在基本地质特征方面存在显著差异,这种差异导致二者在开发机理和未来提高采收率方向上有着明显区别。

　　与常规油气的成藏机理不同,页岩油气和致密油气保存的关键在于其自身储层的自封闭作用,而页岩油气、致密油气的开发则是对这种自封闭作用的破除。页岩油气和致密油气的开发实质上是通过人工压裂造缝来增大储层的渗透率、改变毛细管作用、增大渗流的波及体积和解吸比表面积。油气增产的方式主要为驱替和渗吸。

　　造成页岩油气、致密油气采收率低的根本原因在于其储层的自封闭作用,因而储量动用程度低。提高采收率的技术措施主要有3个:①在增大储层渗透率方面,发展体积压裂技术,增大压裂液量与驱替压力;②在改变毛细管作用方面,研发新型压裂材料,增强储层的渗吸作用;③在增大渗流的波及体积与解吸比表面积方面,延长水平井段长度,扩大单井的压裂规模,实施整体开发,开展重复压裂。

　　2 全油气系统理论的主要研究进展

　　全油气系统理论自提出以来得到了中国石油行业和地质学界的广泛关注,学者们通过开展大量相关研究,从总结生产实践经验到深入理论研究,从浅显的规律性认识到深入的机理探索,取得显著的研究进展。主要研究成果包括:开展了中国主要沉积盆地的全油气系统分析;阐明了“源-储耦合”控制下的油气差异富集成藏机理;明确了全油气系统中油气运移的形式;分析了发育多套烃源岩的沉积盆地的全油气系统;提出了基于全油气系统理论的新一代盆地模拟方法。当前,全油气系统理论已成功应用到了准噶尔盆地深层二叠系的勘探过程中,而该盆地二叠系“进源”勘探的持续发现也为全油气系统地质理论的探索提供了验证。

　　2.1 主要含油气盆地的全油气系统分析与准噶尔盆地二叠系勘探实践

　　全油气系统理论的提出引发了国内外关于全油气系统论研究的热潮(表2)。目前,全油气系统理论研究已基本涵盖中国主要含油气盆地,包括准噶尔盆地[12-14]、四川盆地[15-16]、松辽盆地[17]、塔里木盆地[18]、渤海湾盆地[19-20]、鄂尔多斯盆地[21]、柴达木盆地[22]和吐哈盆地[23]等。学者们针对不同沉积盆地分别开展全油气系统分析,初步建立了中国主要沉积盆地的全油气系统模式,推动了全油气系统理论体系的完善与发展,揭示了常规油气与非常规油气在序列分布中的差异富集规律,阐明了“源-储耦合”控制下的油气成藏富集机理,实现了常规油气资源与非常规油气资源的统筹、协同评价与一体化开发。

　　全油气系统理论从“源-储耦合”和“有序聚集”的视角,重新诠释了关键地质要素的内涵,揭示了油气从生/排烃到运移、聚集的完整成藏过程,系统总结了各类油气资源的分布规律与形成机制,提出了与之配套的资源评价体系与立体勘探的技术系列,促进了油气勘探开发的进程。目前,全油气系统理论已成功指导准噶尔盆地二叠系风城组的勘探大发现。

　　寻找大油气田是实现油气产量规模增长的有效途径。当前,中国石油新疆油田公司(新疆油田)已在玛湖凹陷发现全球迄今规模最大的10亿吨级整装砾岩大油区,但随着勘探开发的深入,“继玛湖凹陷源上砾岩大油区发现之后的下一个大油区在何处”已成为亟待思考的关键问题。传统的勘探思路遵循“从源岩到圈闭”的常规找油理念,这使得新疆油田在盆地边缘超削带发现了多个高效砂砾岩常规油藏,但当继续向斜坡区扩展勘探时却普遍钻遇水层,由此也导致勘探工作长期停滞。

　　2018年,新疆油田将全油气系统找油理念引入到准噶尔盆地西部坳陷风城组的勘探实践中来。以全油气系统找油理念为指导,勘探领域逐步逼近二叠系主力烃源层,并构建了常规油气—非常规油气有序分布的新模式:盆缘分布常规砂砾岩地层岩性油藏,斜坡内前缘分布源-储紧邻的致密油气藏,而凹陷碱湖中心则分布源生原储的页岩油气藏。最终,在全油气理论序列成藏找油理念的指导下,准噶尔盆地在西部坳陷风城组的勘探取得了战略性发现,其中,玛湖凹陷西环带实现了石油勘探的整体突破,已初步形成10亿吨级规模大油区,并进入了择优动用阶段,是目前最现实的储量增长领域(图8)。

　　图8 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组勘探成果

　　当前,玛湖凹陷常规油气勘探与非常规油气勘探并进,二叠系的源内常规-非常规油气资源成为了储量构成的主体(占比为91%)。其中,2020年的储量增长创历史最高水平(8.1×108 t),目前仍处于持续发现的高峰期[(6.0~7.0)×108 t]。

　　玛湖凹陷西环带风城组“进源”勘探的持续突破标志着全油气系统地质理论在探索中取得了成功。玛湖凹陷西环带已成为盆地新的储量增长极,其油藏整体呈连片分布,形成了2 500 km2的常规油+致密油+页岩油复合油区(图9),10亿吨级新油区初具规模(图9)。继玛湖凹陷砾岩大油区发现后,砾岩之下的“源内常规油气—非常规油气有序共生大油区”将成为又一个更具规模的接替领域。

　　图9 准噶尔盆地玛湖凹陷地震剖面

　　纵观玛湖凹陷风城组的油气勘探历程,其勘探目标经历了由源外走进源内、由常规走向非常规、由单一圈闭走向连续地质体、由正向构造单元走向凹陷区、由中—浅层走向深层的发展与转变。在这一过程中逐渐形成了准噶尔盆地二叠系风城组全油气系统的地质理论与配套技术体系,成功突破了准噶尔盆地勘探的关键技术瓶颈,加快推动了风城组的勘探进程和资源的有效动用。

　　风城组作为全油气系统勘探的成功范例,其内部呈现出常规油藏—致密油藏—页岩油藏有序共生的特点。风城组勘探的成功是对全油气系统概念的具象化,实现了全油气系统从理论研究向勘探实践的转变。

　　2.2 “源-储耦合”控制下的差异富集成藏机理

　　在全油气系统理论的“常规油气—致密油气—页岩油气序列分布规律”中,油气在不同盆地存在差异富集。例如:鄂尔多斯盆地以富集致密油气为主,页岩油气和常规油气次之;松辽盆地北部以富集常规油为主,页岩油气和致密油气为辅;而碳酸盐岩盆地(如四川盆地)则以常规油气占优势,页岩油气次之,致密油气不发育。

　　在全油气系统理论的视角下,不同类型沉积盆地中资源种类的差异受控于“源-储耦合”作用。耦合(coupling)指2个或多个物体或运动形式之间的相互作用与相互影响。“源-储耦合”指烃源岩的生/排烃过程与储层物性演化之间的相互适配,包括时空匹配关系。常规油气成藏的条件为“生、储、盖、圈、运、保”,需要达到“源-输-储”耦合,油气才能最终在圈闭中聚集。相比之下,非常规油气则在自封闭作用机理下成藏,且表现出连续性聚集的特点。在非常规油气中,页岩油气的储层既是“源”又是“储”,致密油气的储层既是“输导层”又是“储”,因此“源-储耦合”对非常规油气具有极其特殊的意义。

　　全油气系统理论框架下的“源-储耦合”关系对常规油气、致密油气和页岩油气的成藏过程、富集程度及其所占比例具有明显的控制作用。受其影响,油气成藏模式在碎屑岩盆地与碳酸盐岩盆地(层系)表现出明显的差异(图10)。

　　注:S1、S2—碎屑岩盆地的2种模式。

　　图10 全油气系统的源-储耦合与油气运聚成藏模式(据文献[8]修改)

　　2.2.1 碎屑岩盆地

　　在碎屑岩盆地的成岩演化过程中,与烃源岩紧邻的地层会伴随着盆地的沉降而逐渐致密化,在盆地深部形成致密储层,但浅部储层仍可表现出高孔、高渗的物性特征。此外,从碎屑岩盆地内部向边缘以及向上、向远端,致密储层会渐变为常规的中—高渗储层(图11)。

　　图11 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组储层与油藏类型关系的典型模式(据文献[14]修改)

　　对于页岩油气,油气自烃源岩中形成后,受页岩自身有机质孔隙的吸附作用以及较小尺度孔隙的毛细管封存作用共同影响,部分油气会在页岩层系内滞留、聚集,形成页岩油气藏。随着生烃作用的持续进行,烃源岩内生成的部分油气会在生烃膨胀力作用下发生初次运移,离开页岩层系而进入邻近储层。在此过程中,烃源岩周围的邻近砂岩储层将伴随成岩作用的进行而出现两种不同程度的致密化。根据储层的致密化程度,碎屑岩盆地的成藏模式可分为S1和S2两种类型(图10)。

　　在S1成藏模式中,部分原油在生烃膨胀力作用下经初次运移会离开页岩层系,进入邻近的致密储层中,形成致密油气藏。而未被致密地层“自封闭作用”保存下来的油气则会穿过致密地层,在浮力作用下继续运移,最终在圈闭中聚集成藏,形成常规油气藏,如准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组内的常规油气藏[14](图11)。

　　在S2成藏模式中,当烃源岩排烃时,若浅层砂岩仍保持高孔、高渗的物性,则可直接形成常规砂岩油藏。例如,在松辽盆地大庆油田长垣地区,油藏的低气油比[24](表3)及高孔、高渗的储层特征表明其可能形成于中—浅层早期排油阶段。

　　2.2.2 碳酸盐岩盆地

　　与碎屑岩相比,碳酸盐岩具有完全不同的成岩和孔隙演化史,其生物与化学作用发生在早成岩阶段。碳酸盐岩盆地内发育的孔洞型储层(包括生物碎屑岩和浅层白云岩风化淋滤孔洞层)主要形成于近地表浅层环境。碳酸盐岩的岩石骨架在埋藏过程中具有很好的承压性,能够有效抵抗压实作用,使得储层物性(孔隙度和渗透率)几乎不受致密化影响。因此,碳酸盐岩储层可以从浅至深持续高效地接收从烃源岩中排出的烃类。

　　四川盆地的二叠系全油气系统是一套以中—上二叠统为主力烃源岩、中—下三叠统为区域盖层的成藏组合。该组合的形成受控于扬子板块在晚古生代的区域性伸展和聚敛构造旋回,在二叠系内发育陆棚页岩气藏(自生自储)—台缘相控型气藏(棚生缘储)—台内断-相共控型气藏(下生上储)[15](图12)。

　　图12 四川盆地二叠系全油气系统成藏序列分布模式(据文献[15]修改)

　　四川盆地的寒武系全油气系统是一套以下寒武统为主力烃源岩、中—上寒武统—奥陶系为区域盖层的成藏组合。该组合受控于扬子板块在新元古代—早古生代的一次区域性伸展和聚敛构造旋回,在寒武系内发育陆棚页岩气藏(自生自储)—台缘相控型气藏(棚生缘储)—断-相共控型气藏(断裂通源、下生上储)。

　　全油气系统源-储耦合与油气运聚成藏模式(图10)揭示了碳酸盐岩盆地与碎屑岩盆地在成藏特征上的差异。与碎屑岩盆地的大油田相比,碳酸盐岩盆地大油田中的油藏具有更高的气油比,如加瓦尔大油田油藏的气油比为80 m3/t、萨法尼亚大油田油藏的气油比为99 m3/t、卡沙甘大油田油藏的气油比为524 m3/t,而大庆油田长垣地区油藏的气油比则较低。全油气系统理论不仅可合理地解释不同含油气盆地内常规油气与非常规油气在占比上存在的极大差异,同时也可阐明大型—巨型致密油气和页岩油气富集区的形成背景与成藏机理。

　　2.3 全油气系统中的油气运移形式

　　油气运移研究是油气成藏领域的薄弱环节。常规油气中以浮力为核心的油气运移理论已难以解释非常规油气的成藏机制。全油气系统理论不再局限于“从源岩到圈闭”的视角,而是开辟了“源-储耦合、有序聚集”的新视角,其油气资源包括长距离运移烃、近距离运移烃和滞留烃,完整涵盖了常规油气和非常规油气2大资源类型。

　　根据油气运移过程中输导体系的尺度和驱动力的差异,全油气系统理论框架下的油气运移形式包括4种类型:常规油气在高渗输导层(储层)中的运移、致密油气在致密输导层(储层)中的运移、油气在断层(断裂)中的运移和页岩油气的微运移(表4)。这4种运移形式既有共同之处,也有明显差异。

　　致密油气、页岩油气与常规油气相比,其运移的巨大差异在于:常规油气运移的动力(浮力)具有明确的方向性,浮力始终为油气提供垂向驱动力;但致密油气运移的动力(生烃膨胀力)则不具有固定方向性。这使得油气在致密储层/页岩储层内的运移过程和机理与常规储层显著不同。

　　致密油气和页岩油气在运移过程中的动力(生烃膨胀力)和阻力(毛细管力)均为无定向作用力,因此,油气的充注与运移路径会表现出极强的非均一性。在宏观均质的地层内,油气的运移受微观非均质分布孔隙的毛细管力控制,油气倾向于沿着毛细管力相对较小的路径运移、富集,这是“甜点”产生的原因之一。

　　2.3.1 常规油气的达西流动

　　油气在高渗输导层(储层)中运移聚集,形成常规油气藏。由于输导层(储层)的物性较好,具有较高的孔隙度和渗透率,因此油气的流动满足达西定律,并在浮力驱动下运移。

　　对于常规油气藏而言,由于地层岩石的孔隙与喉道尺度较大,油气受毛细管力的约束相对较小,油气仅需一定的油气柱高度即可完成运移过程。油气离开烃源岩进入储层后开始二次运移,此时,若油气柱高度足够、油气所受的浮力大于阻力,油气将开始向上运移。由于浮力具有方向性,因此地层倾角将显著影响油气的运移路径与方向。

　　2.3.2 致密油气的局限达西流动

　　对于致密输导层(储层)而言,由于其内岩石的孔隙尺度较小,流体运移过程中孔隙内流体与孔隙壁面之间的相互作用不能忽略,因此油气在这类孔隙中的运移表现出非达西流动的特征。但在“甜点”区,由于微裂缝发育和孔隙尺度较大,油气在其内的运移仍会表现出达西流动的特征。因此,致密储层内的油气运移整体上表现为“局限达西流动”,该过程由生烃物理化学能与源-储压差共同驱动。

　　以鄂尔多斯盆地苏里格地区为例,该地区的煤系烃源层主要分布在山西组2段—太原组,储层以石盒子组8段和山西组1段为主,局部发育山西组2段—太原组储层。受生烃膨胀力驱动,该地区的天然气通过网状输导体系向储层充注、运移并聚集成藏[9](图13)。

　　图13 鄂尔多斯盆地苏里格气田成藏模式(据文献[9]修改)

　　2.3.3 页岩油气的微运移和局限达西流动

　　页岩油气的微运移指油气从页岩层系的富有机质层中产生,向邻近且孔隙度、渗透率较好的贫有机质层发生短距离运移的现象。这种微运移发生在较为有限的范围内,运移的动力学机制与在致密油气中类似,运移的主要动力为生烃物理化学能。由于页岩层系中的孔隙尺度更小(微米—纳米级)、孔隙组成更复杂(有机质孔、无机质孔),因此,在页岩油气运移过程中,限域作用及边界作用更强。以准噶尔盆地玛湖凹陷为例,风城组页岩受陆源碎屑供给、火山活动、古气候和古水深等因素影响,发育密集纹层[25][图14(a)、图14(b)]。页岩中富有机质纹层与长英质或碳酸盐贫有机质纹层呈交替发育,前者可见大量黄铁矿[图14(c)、图14(d)]。与富有机质纹层相比,长英质和碳酸盐纹层具有更优越的储集性能。激光共聚焦扫描分析显示:富有机质纹层中重质组分含量较高,轻质组分含量较低[图14(e)];贫有机质纹层的轻质组分含量较高,重质组分含量相对较低,且多呈长条带状顺层发育[图14(f)]。这与富有机质纹层在生烃后的选择性分馏作用有关:重质组分会优先与干酪根互溶,发生溶胀作用或吸附在干酪根表面;而轻质组分则多在生烃增压作用下突破毛细管阻力发生微运移,并以游离态优先排出,在相邻的长英质或碳酸盐贫有机质纹层中富集。

　　图14 准噶尔盆地玛湖凹陷玛页1井风城组页岩的纹层特征与激光共聚焦分析(据文献[25]修改)

　　2.3.4 断层(断裂)的达西渗流或管流

　　相较于孔隙,断层(断裂)的空间尺度大、迂曲度低,在源-储压差驱动下,油气在断层中的运移甚至可突破传统渗流力学的范畴,达到管流运移状态,属于高速输导体。

　　与常规油气在储层中的运移不同,油气在断层(断裂)中运移的驱动力为源-储压差,这一驱动力往往远大于浮力。而相较于致密油气和页岩油气的受限运移,断层(断裂)系统凭借其更大的空间尺度,在源-储压差驱动下可实现对油气的快速高效输导,展现出极高的运移效率。

　　2.4 发育多套烃源岩沉积盆地的全油气系统分析

　　大部分含油气盆地(包括叠合盆地和简单盆地)中都会发育多套烃源岩。已有的有机地球化学研究证明,目前已发现的油气藏大部分来自单一油气源,仅少部分具有多个油气源(混源)。其原因在于沉积体系的界面和区域盖层会限制烃源岩中生成的油气发生跨层系扩散。但在局部构造活动区,断裂和不整合界面可作为流体通道,沟通不同沉积体系并造成不同程度的油气混合,形成混源油气藏。据此,可将发育多套烃源岩的沉积盆地的全油气系统划分为独立全油气系统和混合全油气系统。

　　2.4.1 独立全油气系统与局部油气混合作用

　　四川盆地海相层系发育3个相对独立的全油气系统,且存在局部油气混合作用。受多旋回构造演化控制,四川盆地的海相层系发育3套区域性烃源岩和3套区域性盖层,形成了3套油气系统。由于区域盖层的分隔作用明显,因而3套油气系统均以独立成藏为主。郭旭升等[12]将四川盆地海相层系划分为寒武系、志留系和二叠系3个全油气系统[15](图15)。

　　图15 四川盆地海相全油气系统划分(据文献[15]修改)

　　尽管四川盆地海相层系的3个全油气系统分别以独立成藏为主,但每个系统内的天然气具有各自的亲源关系,加之区域盖层在各地分布不均一以及局部地区发育大型断裂,因此部分地区会发生天然气跨系统成藏和局部油气(烃类)混合,形成断控复式油气系统(图15)。

　　2.4.2 混合全油气系统

　　渤海湾盆地东濮凹陷沙河街组发育典型的混合全油气系统,表现为不同成熟度原油混合成藏的特征。东濮凹陷沙河街组发育多套烃源岩(沙河街组四段、沙河街组三段和沙河街组一段),在多套烃源岩联合供烃的条件下,由于垂向上不同埋深的烃源岩处于不同的成熟阶段,各套烃源岩所生成原油的成熟度也会存在差异,这导致成藏过程中会出现多期、不同成熟度原油相混合。此外,在同一层位,烃源岩随着时间推移会排出低成熟到高成熟原油,这使得同一层位内也会出现不同成熟度原油的混合。

　　东濮凹陷沙河街组全油气系统具有独特的成藏模式[26](图16)。

　　图16 渤海湾盆地东濮凹陷断陷湖盆全油气系统成藏模式(据文献[26]修改)

　　在第1期成藏阶段,由于垂向上不同埋深烃源岩的成熟度不同,因而生成了不同成熟度的原油,这些原油部分通过顺层运移成藏,部分呈自生自储,从而使得不同成熟度的原油表现为同期成藏,且油藏内以成熟原油居多。该阶段烃源岩的生烃强度大,因此所形成的油藏多为超压油藏。由于储层的非均质性强,超压油藏在孔喉细小处的压力相对低,而在孔喉粗大处则依然保持超压状态;此外,油藏因受多层盐岩阻隔,不利于原油垂向输导,因而压力在各段之间和段内分布不均。

　　在第2期成藏阶段,构造的抬升-剥蚀作用导致油藏压力释放。随着泄压作用的进行,大量成熟原油会沿断裂发生二次运移成藏。

　　第3期成藏发生在二次埋藏后的抬升及后续深埋阶段,该阶段结合了第1期和第2期成藏阶段的特点,成藏过程中既有因二次生烃而打开的运移通道,也有因抬升-剥蚀作用而打开的运移通道,最典型的情况表现为高成熟原油与低成熟原油在沙河街组二段内同时出现。其中,高成熟原油为来自深层沿断裂运移的原油。

　　尽管可以将发育多套烃源岩的沉积盆地的全油气系统划分为独立全油气系统和混合全油气系统。但与传统的含油气系统一样,全油气系统理论旨在为研究者提供深刻认识自然界的模型和框架,寻找油气资源评价的技术和工具。地质条件是极其复杂的,研究者们应该根据研究目的和尺度灵活运用。

　　2.5 基于全油气系统理论的新一代盆地模拟方法

　　盆地模拟技术依据构造地质学、沉积地层学、地质流体学、油气地质学、有机地球化学和石油地球化学等相关学科的基本原理,模拟沉积盆地在形成演化过程中油气藏的形成和分布特征,并在此基础上预测评价油气资源及其分布规律。

　　盆地模拟技术在中国以及全球的历次资源评价研究中均发挥着不可或缺的作用。但基于传统油气系统理论的经典盆地模拟方法已难以有效适用于非常规油气资源评价[27]。现有的盆地模拟技术对非常规油气不完全适用的问题主要表现在:①当前的盆地模拟方法中,常规和非常规油气的成藏模式还不完善;②非常规油气资源预测评价的关键技术有待建立[28]。

　　应用全油气系统理论可应对当前面临的挑战。基于全油气系统理论不仅能阐明常规与非常规油气资源的联合成因机制和有序分布规律,还能基于物质平衡原理研发常规与非常规油气资源联合的预测、评价关键技术[27-33](表5)。新理论新技术的应用结果更加客观、科学。

　　姜福杰等[32]基于全油气系统成藏理论,对南堡凹陷常规与非常规油气资源开展了联合定量评价研究。评价结果显示:南堡凹陷以浮力成藏下限为界,位于自由动力场内的常规油气的原始烃量为18.07×108 t,位于局限动力场内的致密油气的原始烃量为38.72×108 t,而位于油气成藏底限之下束缚动力场内的页岩油气的原始烃量为107.46×108 t。3类资源的联合评价结果显示:南堡凹陷的页岩油气资源量为7 577.37×104 t,高于致密油气和常规油气的资源量;常规油气的资源量次之,为7 074.37×104 t;致密油气的资源量最小,为4 985.89×104 t(图17)。

　　注:Ro—镜质体反射率。

　　图17 渤海湾盆地南堡凹陷全油气系统油气资源分布特征(据文献[28]修改)

　　盆地模拟技术是研究沉积盆地与油气系统的基本正演方法,也是成因法油气资源评价的关键技术。当前,盆地模拟技术的核心模型尚未完全成熟,在实际应用中仍面临着一定的挑战(表6)。

　　未来,盆地模拟技术的进步仍需依赖基于全油气系统理论的地质模型的发展,即从全油气系统理论出发,完善地质演化史模型、热演化史模型、生烃史模型、排烃史模型和运移聚集史模型。基于全油气系统理论研发的新一代盆地模拟技术将全面、系统地完成新时期中国含油气盆地资源评价工作,在获得常规油气、致密油气和页岩油气现实资源量、接替资源量和远景资源量评价结果的基础上,客观、科学地查清中国油气资源的家底并制定适合新时期中国经济社会发展的油气资源发展战略。

　　此外,盆地模拟技术也面临着大数据与人工智能(AI)新技术快速发展带来的挑战。基于全油气系统理论并借助现代信息技术,研发新一代盆地模拟系统,有望实现油气资源预测、评价的定量化、自动化和智能化,破解中国油气资源预测、评价领域最为关键的卡脖子技术难题,实现弯道超车,引领全球油气资源评价技术发展方向。

　　3 结论

　　(1)全油气系统理论作为当前油气地质学的前沿研究领域,具有重要的理论和应用价值。该理论不仅涵盖了传统油气系统概念,更创新性地扩展至非常规油气资源的勘探与开发领域。全油气系统理论的核心在于提供了一个全新的研究视角,将油气勘探从传统的“从源岩到圈闭”的勘探模式,扩展到了“源-储耦合、有序聚集”新模式,包含了长距离运移烃、近距离运移烃和滞留烃等常规与非常规油气的聚集成藏。

　　(2)全油气系统理论是对经典含油气系统理论的发展和重构,其基本原理的核心内容包括:全油气系统的结构;常规油气—致密油气—页岩油气的序列成藏规律与分布模式;非常规油气自封闭成藏机理;页岩油气、致密油气储层的地质模型与流动模型;页岩油气藏、致密油气藏的基本特征和开发生产机理。

　　(3)全油气系统理论研究已取得的显著进展主要包括:开展了中国主要沉积盆地的全油气系统分析;揭示了常规油气—非常规油气序列分布中的差异富集规律,阐明了“源-储耦合”控制的成藏富集机理;开展了页岩油气、致密油气储层的微观模型与渗流机理研究;分析了发育多套烃源岩的沉积盆地的全油气系统;提出了基于全油气系统理论的新一代盆地模拟技术和成因法油气资源评价方法。全油气系统理论成功地指导了准噶尔盆地深层二叠系的油气勘探实践,实现了从理论创新到勘探突破的跨越。

　　(4)全油气系统理论的下一步发展与应用需要从宏观、微观和技术创新3个层面进行。宏观层面上,需要围绕常规油气、致密油气、页岩油气的序列成藏和序列分布规律开展深化研究,探索不同盆地中3类资源的空间配置和资源占比;微观层面上,需要深入研究非常规油气的微观地质模型和流动机理,这对于油气勘探和开发至关重要;技术创新层面上,需要发展基于大数据和人工智能的盆地模拟技术以及油藏数值模拟技术,借助这些技术实现全油气系统“生烃—运移—分配—滞留”全过程的定量表征。

　　第一作者及通信作者:贾承造,男,1948年3月生,1987年获南京大学博士学位,现为中国科学院院士、中国石油学会会士、《石油学报》编委会主任、《Petroleum Research》主编,长期从事构造地质学、石油地质学研究和油气勘探工作。Email:jiacz@petrochina.com.cn

　　#作者介绍#

　　贾承造，男，1948年3月生，1987年获南京大学博士学位，现为中国科学院院土、中国石油学会会士、《石油学报》编委会主任、《Petroleum Research》主编。曾任中国石油天然气股份有限公司总地质师、副总裁，中国石油学会理事长，国家油气重大专项技术总师。长期从事石油天然气地质与盆地构造理论研究和油气勘探工作，为我国石油工业油气勘探和地质科学发展做出了重大贡献。近十余年，贾承造院士担任国家科技重大专项“大型油气田与煤层气开发”技术总师，设计和组织我国石油工业上游理论技术研发攻关，为石油工业科技和产业发展做出了重要贡献。获国家科技进步一等奖2项、二等奖3项，以及多项国家荣誉表彰。2019年获得美国石油地质学家协会（AAPG）诺曼H·福斯特杰出勘探家奖（Norman H. Foster Outstanding Explorer Award），是亚太地区第一位获此殊荣的地质家。

　　引用本文

　　贾承造,姜林,赵文.全油气系统理论研究进展[J].石油学报, 2025, 46(7): 1217-1234,1307.

　　Jia Chengzao, Jiang Lin, Zhao Wen. Research progress in the Whole Petroleum System theory[J]. Acta Petrolei Sinica, 2025, 46(7): 1217-1234,1307.

　　来源：石油学报编辑部