海相油气勘探进一步发展的理论与技术难题

5.2.1.1 海相碳酸盐岩层系油气勘探存在的理论问题

20世纪50年代后期，随着认识与勘探技术的突破，世界上海相碳酸盐岩层系油气勘探获得重大发现，掀起了在碳酸盐岩中找油气的高潮。大约70%以上的海相碳酸盐岩石油储量来自中东的侏罗系、白垩系和第三系，70%以上的天然气储量来自于前苏联、中东和美国的石炭系、二叠系海相地层。与上古生界、侏罗系、白垩系和第三系相比，分布在下古生界和三叠系的碳酸盐岩油气储量相当少。前寒武系沉积岩系中寻找古老地层的原生油气藏是扩大油气储量的勘探领域之一，在西伯利亚地台新元古界里菲系海相碳酸盐岩和文德系海相碎屑岩中发现了尤鲁布钦等大型油气田。

“六五”以来，我国设立的一些重点科技攻关项目对海相碳酸盐岩层系油气勘探进行了攻关：“塔里木盆地油气资源”、“塔里木盆地石油天然气勘探”项目在塔中、塔北地区碳酸盐岩储层及圈闭特征研究等方面取得了重要进展；“南方海相碳酸盐岩地区油气勘探技术方法研究”、“扬子海相碳酸盐岩地区油气勘探技术和评价研究”项目提出扬子海相沉积区的油气资源潜力大，经过后期改造仍可以形成具有相当规模的油气藏。这些成果为中国海相碳酸盐岩层系油气勘探的进一步拓展打下了基础。但多期构造活动的叠加导致多期生烃过程、油气输导体系演化与运聚机理及油气多期成藏与保存机理等基础理论问题研究薄弱，严重制约了我国海相碳酸盐岩层系油气勘探进展。

（1）构造演化对海相碳酸盐岩层系有效烃源的控制作用

构造演化对有效烃源的控制作用表现在多方面，对于海相碳酸盐岩层系的有效烃源而言，构造演化的控制作用主要表现在优质烃源岩的沉积环境、盆地热史、生烃史等几个方面。

1）优质烃源岩的形成环境。碳酸盐岩沉积作用基本是无机化学沉淀，但随着地球演化，生物作用愈来愈重要（冯增昭，1989），优质海相碳酸盐岩烃源岩的发育环境应是有利于有机质发育和保存的环境。形成生油岩最佳条件是水体分层、底层水缺氧、表层水高生产力。在缺氧环境中沉积物中有机质容易在水底保存而形成烃源岩，这种有利环境主要包括：黑海、塔里木、扬子等温带气候条件下的缺氧分隔盆地（戴金星等，1997）、缺氧的开阔海（Demaison等，1980）、洋流上涌引起的缺氧环境（孙枢等，1987）、潟湖和局限海等环境。金之钧等在《中国典型叠合盆地油气形成富集与分布预测》973项目研究中，建立了4种优质烃源岩发育模式（热液活动-上升洋流-缺氧事件复合模式、台缘缓斜坡-上升洋流高生产力模式、干热气候-咸化静海模式、湿润气候-滞留静海模式）和两种非烃源岩发育模式（贫化-稀释模式、消耗-稀释模式）。有效烃源岩是在沉积盆地中沉积的，要使有机质在沉积过程中聚集起来不被过早氧化，必须要求有利沉积环境的长期维持（王鸿祯等，2000），因此优质烃源岩的发育主要受盆地构造背景的控制。

2）构造-热演化史与地质温度计。我国古生代碳酸盐岩层系经历了多期隆升与沉降，古地温和热史难以恢复，因此，烃源岩的生烃史研究一直是困扰油气勘探的难题。目前，世界上关于碳酸盐岩地区热史恢复的方法主要有古温标方法和盆地动力学模型。古温标主要有沥青反射率、镜状体反射率、牙形石色变指数、有机碎屑（笔石、几丁虫、虫牙等）光性演化特征、激光拉曼光谱、伊利石结晶度、裂变径迹等（Bignall等，2001；Hara等，1998；Goodarzi等，1987；Jacob，1989；胡凯等，1992；王飞宇等，2003）。这些古温标在用于盆地热史恢复时都存在不同程度的缺陷，有些目前远未达到实用阶段，有些还只是一个半定量的指标。沥青反射率虽然是目前应用最为广泛的指标之一，但只有原地沥青才可用（肖贤明等，1995）。磷灰石裂变径迹和近年来U-Th/He低温测年技术的发展（Reiners等，2004），使盆地基底升降的精确定年成为可能。盆地热史最终还是受构造背景和演化历史控制的（马宗晋等，2004）。克拉通、裂谷带、被动陆缘、前陆盆地等均有不同的地温梯度，盆地基底的沉降或抬升也会留下记录，如沉积速率变化、浓缩层序、不整合面等。因此，盆地的动力学方法也是目前用于研究盆地热史的有效手段。

总之，关于海相碳酸盐岩地层所经受的古温度问题，只有多种古温标并用，多种方法综合运用，才能精确地恢复有机质的热演化史。

3）海相碳酸盐岩层系多元多次成烃。碳酸盐岩烃源岩下限指标的取值，直接影响到油气资源潜力的评价，一直是油气地质领域争论的焦点。我们在前期的973项目研究中，通过大量的实验研究，比较科学地提出了有机碳含量0.5%作为碳酸盐岩烃源岩的下限值，得到学术界和产业部门的普遍认同。从前期的勘探和研究来看，以碳酸盐岩为目的层的勘探，有多种油气来源，如烃源岩的早期生烃、二次生烃、沥青生烃、原生油气藏改造后的再聚集等。

在生烃动力学与碳同位素动力学研究方面：生烃史的研究仍是当今油气地质地球化学研究的重要领域之一。生烃动力学方法可模拟地质条件下的生烃过程，碳同位素动力学方法可模拟地质条件下油气碳同位素分馏过程，为定量描绘油气形成、运移和聚集史提供了一种全新理论和新方法，成为油气地球化学研究最有效的研究手段。

在二次生烃研究方面：对我国叠合盆地的二次生烃作用研究，最早文献见于南华北地区石炭系—二叠系煤成气资源评价。20余年来，人们从烃源岩的构造史、埋藏史、受热史和生烃史的地质动态过程来研究烃源岩的二次生烃作用，但对二次生烃的效率、二次生烃启动条件等关键问题的认识仍然缺乏理论依据和必要的化学动力学描述（黄第藩，2001），因此，实验室热模拟方法被广泛用于二次生烃机理研究。国内有不少学者对这一问题进行过探讨，尤其是原油的二次裂解可构成天然气的重要来源（赵孟军等，2000）。由于所选样品不同，研究方法不一，考察的出发点有异，所得认识和结论存在较大差异。在二次生烃较初次生烃是否存在滞后问题、二次生烃量加初次生烃量是否等于连续生烃量上，尚存在不同观点。

在沥青生烃研究方面：中国海相碳酸盐岩主要形成于中生代早期以前的盆地中，受中、新生代构造活动改造，原型盆地面目皆非（朱夏，1991；刘光鼎，1997）。早期形成的油藏可能由于深埋演变为凝析油气藏，或抬向浅部演变为重油甚至完全破坏（胡见义，2004）。因此，在储层中可能形成热裂解沥青与氧化沥青（刘洛夫等，2001）。碳酸盐岩中似镜质体和固体沥青所含的可溶重质沥青仍保持相当低的成熟度（傅家谟等，1989），只要构造-热条件适宜，碳酸盐岩中的古油藏（沥青）和重油都可能成为再次生烃的烃源（郝石生等，1995）。沥青在后期的构造-热作用下发生裂解而具有产气的潜能，这种非常规的烃源也是有效的。

由此可见，海相碳酸盐岩层系差异性演化的动力学背景、关键构造事件及热史、碳酸盐岩层系复杂演化历史中的多元生烃作用机理及有效性都是值得探索的新课题。同时，前期归纳的海相碳酸盐岩优质烃源岩发育的4种有利模式和两种不利模式，对沉积环境要素考虑得多，对构造背景考虑得少；对单一因素研究得多，对综合因素研究得少。

（2）海相碳酸盐岩层系油气输导体系演化与运聚机理

碳酸盐岩的储集/输导空间可以形成于原始沉积阶段、浅埋藏-深埋藏阶段和表生作用阶段。近年来，各类碳酸盐岩储层发育机理研究取得了重要进展，特别是野外与室内相结合、宏观与微观相结合、地质与地球化学地球物理学相结合的储层综合描述预测方法取得了重要进展。地震属性分析方法已成为储层预测中必要手段；应用三维地震资料精细解释、成像测井、地震相干数据体预测裂隙发育带；用地震多参数识别的方法，确定油藏平面分布规律和高产区（Bruce等，2000；Bryan等，2002）。由于目前复杂地质体中地震波场的研究主要基于形态学的相面方法、属性分析的统计学方法，所以针对碳酸盐岩深部油气储层地震响应机理研究较少，孔缝洞储层中的绕射波未得到有效应用，地震各向异性理论在定向分布和随机分布裂隙的判识潜力还未得到发挥（Zhang，2004），白云岩和生物礁的地球物理特征识别有待突破。同时，有关岩溶作用、白云化作用以及有机酸在成岩过程中的作用等方面更需精细深化研究。

深层优质储层的形成、演化过程与成藏期和成藏演化过程的关系以及深层优质储层的成因机理尚不十分清楚（李德生，1992；邱中建等，1999；马永生等，1999），如埋深达5000m以上的普光鲕粒白云岩现存孔隙度最大可达27.9%，最大渗透率可达1000×10^-3μm²以上，这在国内尚不多见，对这一类优质储层在认识上、理论上、规律上有待进一步深化，以指导整个海相碳酸盐岩层系勘探目标的预测与评价。

断层是含油气盆地重要的垂向流体输导通道。对影响断裂带流体渗流特征的控制因素也进行了较深入的研究（Moretti，1998；Aydin，2000）。随着碳酸盐岩层系油气勘探的深入和地流体研究的深化，碳酸盐岩层系断裂的流体行为已得到广泛关注，但尚缺乏系统研究。另一方面，动态地研究地质演化过程中各种流体输导体的组合形式及其与烃源岩的关系已得到广泛关注，对裂隙系统中的油气运移机理亦有学者进行了探索（曾溅辉等，2000），但尚处于起步阶段。

地流体和油气的驱动机制、流动样式及其成岩、成矿和成藏效应是盆地动力学研究的重要内容之一，亦是国际地学界高度重视的跨学科前沿研究领域（Dickinson等，1997；刘宝珺等，2001）。油气运移一直是石油和天然气地质学研究的难点，针对碎屑岩孔隙介质中的油气运移，国内外学者进行了大量模拟实验和数值模拟研究，揭示了油气运移优势通道及其主控因素，已初步建立了不同构造背景、不同类型盆地中的流体流动速率和样式（Sverjensky等，1992；Garven，1995）。但不同类型的碳酸盐岩输导介质中流体和油气的运移方式和速率、油气的优势运移通道及其控制因素等有待系统研究。

（3）海相碳酸盐岩层系油气成藏期及保存演化

1）油气成藏期。自20世纪80年代以来，油气成藏期一直是国际石油地质学界研究和探讨的热点和前沿问题，应用油藏地球化学、成岩矿物（主要是伊利石）同位素地质年代学、流体包裹体定年、储层磁性矿物古地磁学分析、储层固体沥青分析、油田卤水碘同位素定年分析等方法，在油气成藏期定量分析理论和方法上取得了许多重要进展（Moran等，1995；George等，1998；Cioppa等，2000），使得油气成藏期由传统定性研究发展到定量化研究阶段。由于包裹体分析资料的多解性和自生伊利石难分离等技术障碍，加上这些技术方法在碳酸盐岩层系应用上的局限性，导致在具体地区油气成藏期认识上存在分歧。完善已有方法和发展新的碳酸盐岩层系油气藏定年技术十分必要。国内众多学者对我国海相碳酸盐岩层系多期成藏、多期改造调整的特点进行过阐述（康玉柱等，1996；戴金星，1997；贾承造等，1997；Song等，1997；刘光鼎，2002；金之钧等，2004），并引入国外成藏期定量分析理论与方法对塔里木盆地塔中、轮南及塔河油气田、四川盆地海相碳酸盐岩层系的部分油气藏成藏期进行了研究。我们在前期973项目研究中，以塔里木盆地轮南地区为解剖点，通过大量的沥青反射率、流体包裹体分析、Ar-Ar法分析，比较明确地提出400Ma、115～130Ma和40Ma三期成藏。但对具体油藏成藏期次和聚集过程上仍存在认识上的差异（梁狄刚，1999；翟光明等，2004）。

2）油气保存与演化。近20年来，国内外学者对油气藏的保存与破坏机理，从盖层封闭性、天然气扩散、断层封闭性、裂缝渗流散失、水动力冲刷、原油降解等方面开展了大量研究（郝石生等，1995；Macgregor，1996；范善发等，1997；陈章明等，2003），研究方法从宏观向微观方向发展。国内外自20世纪50年代开始对天然气扩散作用进行实验和理论研究。随着细菌降解原油的理论研究和稠油藏的发现，生物化学作用对石油运移与保存的影响成为一个重要的研究课题。从盖层保存条件来说，众多学者及各有关生产单位做了大量的研究工作。对泥岩、膏盐岩封闭层的研究较多，对碳酸盐岩盖层的研究较少；对盖层的静态封闭性能评价较多，动态演化评价较少；多旋回、多次叠加、多次改造型的盆地油气藏保存机理研究亟待深化（赵重远等，2000）。对塔里木盆地、四川盆地等海相碳酸盐岩层系油气藏保存条件及保存机理的研究滞后，制约了对海相碳酸盐岩层系油气富集规律的认识与勘探选区工作。

综上所述，国内外海相碳酸盐岩层系油气勘探基础理论问题主要集中在多元生烃机理及有效性、碳酸盐岩油气输导体系演化与运聚机理、油气成藏过程与保存机理等方面。我国碳酸盐岩层系经历了多期构造活动的叠加改造，使上述问题的复杂性更为突出。多期构造活动背景下海相碳酸盐岩层系油气聚散机理与富集规律是当今碳酸盐岩油气地质研究的前沿课题，也是制约我国海相碳酸盐岩层系勘探的重大难题。

5.2.1.2 海相碳酸盐岩层系油气勘探存在的工程技术问题

（1）碳酸盐岩储层预测、圈闭识别、解释评价综合技术

海相碳酸盐岩分布地区地形、地貌条件变化大，地下构造受多期变形叠加而复杂多变，特别是受多层次滑脱面影响，导致变形具有层次性与分带性，因此，对碳酸盐岩储层、圈闭识别、解释评价是提高中国石化海相层系油气勘探成功的一个关键。必须形成适应中国海相碳酸盐岩分布区识别复杂构造圈闭、白云岩优质储层、孔洞缝型等非常规储层的综合技术系列。

1）复杂地质条件下储层预测技术。对储层特征及时空展布规律的研究，由于海相碳酸盐岩层系的油气勘探技术方法尚未过关，尤其是地震勘探这一关键性技术在不少地区不过关，得不到好的或反映较好的海相实体的时间剖面。急需形成海相碳酸盐岩层系天然气复杂储层识别、预测及评价的配套方法技术。以储层特别是海相碳酸盐岩储层为研究对象，运用新理论、新方法，开展综合研究，在储集岩类型特征研究的前提下，圈定有利储层发育区块，有望取得大的突破，进而探索适合于中国石化海相地层油气勘探的储层识别技术。

2）复杂构造条件下圈闭成像与解释技术。海相碳酸盐岩地区古生代盆地叠加了晚三叠世以来的陆内造山型前陆盆地，陆内褶皱冲断作用，由于地表条件及地腹构造复杂，给地震资料的采集、处理与解释带来较大的困难。因此，针对这类地区，必须进一步攻关，形成准确识别复杂构造带地腹圈闭的技术、方法系列，减少勘探目标不确定的风险更具有现实意义。

3）复杂地质条件下综合解释评价技术。海相碳酸盐岩层系地层时代老，埋藏深，后期改造强烈，构造复杂、变形强烈，大部分是地表碳酸盐岩裸露区，电磁勘探噪音干扰大，表层非均质性造成地震散射严重，地震激发接收条件差，山前带表层条件复杂，逆掩推覆构造信息难以获得，信噪比低，单一地球物理方法难以完成地质任务，必须进一步采用综合地球物理勘探技术与解释评价技术，为海相下组合油气勘探提供了有力的技术支撑。

中国海相碳酸盐岩层系油气成藏理论体系的建立，没有现成的样式可套用，只有靠我们自己去创新，希望经过近几年的科技攻关，逐步在实践中发展起中国特色的海相碳酸盐岩地质理论与相应的勘探技术，努力开创海相碳酸盐岩层系油气勘探的新局面。

（2）海相层系钻探工程技术

由于海相碳酸盐岩层系勘探目的层深，许多地区为高陡构造，地层可钻性较差，同时中古生界海相层系为中、新生界的覆盖，主要目的层位深度较大，因此对测试仪器及技术提出较高的要求，针对高温、高压、高含硫环境的测试仪器需进一步的改进与攻关，要求钻探工程能够克服上述难题。

海相碳酸盐岩地区的钻探还需继续加强攻关力度。针对海相碳酸盐岩层系深度较大、高温、高压、高含硫环境的地质条件进行钻井、测试技术系列的攻关，形成海相超深井提高机械钻速技术、深井固井技术、不同压力系统下的油气层保护技术攻关、超深井地层压力预测检测技术、防斜打直优快钻井技术等技术系列。

1）超深井钻井工艺技术：钻井设备配套选择；钻井液体系、配方及性能参数确定；现场施工控制技术，重点在欠平衡压力的控制和各种井下条件下钻井液循环（井控）方案确定；钻井工艺设计和工艺方法，重点包括井身结构与钻具结构设计等。

2）碳酸盐岩储层保护技术：碳酸盐岩储层特征，钻井设备配套选择，钻井液体系、配方及性能参数确定；现场施工控制技术，重点在欠平衡压力的控制和各种井下条件下钻井液循环（井控）方案确定；钻井工艺设计和工艺方法，重点包括井身结构与钻具结构设计等。

3）碳酸盐岩储层改造技术：前置酸压技术、交替注入技术、快速助排技术，反应分析、排返分析、施工设计、高排量施工、压前压后油井管理及压裂酸化效果评估技术。