石油、天然气勘探基础知识

1. 石油、天然气

石油是天然产出于地层中的可燃流体矿藏，包括液态、气态和固态三种状态。液态产出的未经加工的石油称为原油，习惯上也称为石油，大家所熟知的汽油、煤油及柴油则是原油经过加工后的产品。气态产出的称为天然气，不同于广义天然气的概念，它是指与油气田相关的气体，主要是以甲烷为主的气态烃类，包含氢气、二氧化碳、硫化氢等气体。呈固态产出的则是石油衍生物，如固体沥青，它是石油经过风化、物理分异、变质等作用的产物，这也是我们寻找地下石油宝藏的重要标志。

石油的颜色是无色、浅黄色、黄色、褐色甚至黑色，其中以深色居多（图6-1）。其颜色深浅与石油的组成密切相关。高碳数烃类物质越多，颜色越深，油品越差。

图6-1 石油样品

2. 油气的生成

油气的形成原因是自然科学中争议最激烈的，也是最具挑战性的问题之一。从18世纪70年代至今，学术界已提出了几十种假设，但基本上可以归纳为无机生成和有机生成两大派系。前者认为油气是在地下深处高温高压条件下由无机物变成的。而有机生成说认为油气是在地质历史中由动物、植物有机体转化而成的。油气有机成因理论日臻完善，在油气勘探中发挥了重要作用。

有机成因学说认为沉积有机质是油气生成的原始物质基础。在陆地，各种动植物死亡之后，慢慢被其他动物吃掉或腐烂分解，只有在水体中，由于水层的保护，缺氧的水底环境才可以大大缓解甚至防止生物体腐烂。拥有这种能持有水体的地方就是湖泊、海洋及沼泽。水体中的生物物质来源除自身物质沉淀，还有河流、风携带而来。在水体中，生物物质会先后接受不同阶段的分解与破坏，分解的产物部分被微生物当作能源再利用，参加生物圈有机碳的再循环，另一部分则形成二氧化碳、水等单分子，而剩下的部分则进入沉积物中，这就构成所谓的“沉积有机质”（图6-2）。

干酪根是油气形成的母体。沉积有机质随着上覆沉积物的增加而不断埋藏到较深的部位，在被埋深的过程中，当地温不超过60°C的较浅埋深处，因温度低，适宜细菌生长，有机质大部分被分解，部分保留下来的则是被微生物降解残留所形成的一种不溶有机质，这种不溶有机质称为干酪根。同时，生物甲烷菌利用有机化合物合成生物甲烷。研究认为，干酪根是一种大分子聚合物，没有固定的化学成分，主要由碳、氢和少量氧、硫及氮元素组成，其约占沉积有机质的80%～90%，构成了有机体保存下来的最普遍与最重要的一类。随着埋深的增加，当温度在60°C～180°C，干酪根中大量大分子碎片化学键断裂形成小分子碎片，碳氢化合物形成，成为生油的主要时期（石油地质学称为“生油窗”）。当温度达到180°C以后，残余的干酪根继续进行大分子化学键断裂形成低分子烃类，前期生成的液态烃类也不稳定，开始裂解，低分子烃类增加，形成在地下呈气态、在地面呈液态的轻质油，常称作凝析油气。当温度超过250℃后，高温高压环境致使已形成的液态烃和重质气态烃强烈裂解变为稳定的甲烷，干酪根残渣释放出甲烷后生烃枯竭，变成沥青或石墨（图6-3）。油气的生成过程需要经过十几万年甚至几百万年的时间。所以，石油是不可再生的稀有资源。

图6-2 沉积有机质的形成

图6-3 现代成因有机质热演化图

为什么有的地方产油多，而有的地方产气多？这是由特定的地质和地球化学条件所决定的。一方面与有机质埋藏后受热演化成油气的历史有关，另一方面与有机质来源有关。在海洋、湖泊、沼泽等环境中，不同类别的生物体的天然组合决定了有机质形成的干酪根的组成和类型，也造成了生油或生气以及生成的油气潜能的差异。以低等水生生物藻类为主的有机质生油质量最好，而陆生生物的有机质则有利于生成天然气，生油质量最差。二者的有机物质混合来源则依谁多谁少，偏生油或偏生气。我国东部发现的大油田如大庆油田、胜利油田都是以水生生物为主要来源，因此形成丰富的石油资源。而处在我国西部的四川盆地的油田除了水生生物来源外，也有陆生高等植物来源，并且经历了有机质的高成熟、过成熟演化，因此形成富含天然气同时含油的格局。

哪些地方容易堆积丰富的有机质？生物有机质在进入沉积物之前大多分布于沉积物上方的水体中（粒径和密度大的有机碎屑），可以通过自由沉降方式沉淀到水底，而分散状的小颗粒有机质则只有通过与黏土矿物的吸附结合成较大颗粒才能沉降。因此，水体安静的深湖、半深湖区，浅海大陆架、相对封闭的海湾和洋盆等地区是有利于有机质堆积的地方。在这些地方水体还原性好，所堆积形成的沉积物及固结后的岩石往往呈深灰色、黑色等暗色，因此凭岩石颜色就可直观判断是否是有生成油气的岩石。

3. 油气藏的形成

勘探实践说明，多数发现的油气藏与油气生成的地方并不一致，两者相隔有一定距离，反映了生成的油气从生油气岩层中排出来、迁移和储存的过程。

油气如何从生油气层中排出来？一种观点认为是通过细小孔隙挤出来的。大家知道，沉积物中的有机质变成石油和天然气的过程也就是有机淤泥经压实、固化变成固体岩石的过程，这种有机淤泥固结形成的岩石称为生油气岩，它组成的层状地层称为生油气层。随着湖盆、海盆的不断下沉，生油气层上部的沉积物不断加厚同时也不断固化成岩石，生油气层所承受的压力越来越大，组成岩石的颗粒也越压越紧密，颗粒与颗粒之间细小孔隙中的水和生成的油气就越呆不住了，上覆地层就像压榨机，把生油气层中的绝大部分水和油气压出来。另一种观点认为是靠微裂缝周期性排出来的。该观点认为岩层的压实紧密在压紧的早期明显，而压实到一定程度后再继续压紧就困难了。而随着上覆地层的不断增厚，生油气层中温度不断增加，封闭地层中原生孔隙水比容增加，水发生膨胀，加上生成的油气体积也不断增加，这样，造成生油气层内部因为压力过大形成许多微裂缝，生成的油气在静压力的作用下，通过这些微裂缝排出生油气层。当排出后，生油气层压力降低，裂缝闭合，压力恢复，裂缝又开启，发生新的涌流。

油气从生油气层排挤出来后去了哪里呢？油气是流体，具有良好的流动性，肯定找阻力小、最容易流动的方向迁移。在细粒的生油气层附近常有比它颗粒大的岩层，这些岩层因颗粒粗大、结构坚硬、可压缩性相对较小，在固结成岩石以后内部仍可能有较多孔隙存在，孔隙与孔隙之间连通性也相对较好。这种具有储集流体并能让流体在其中流动的岩层称为储层（图6-4）。储层孔隙中的水所承受的压力相当于该岩层所处深度的静水柱压力，比生油气层中的压力低得多。在压力差的作用下，生油气层生成的油气就自然钻进了邻近的储层中。这就是油气的初次运移。

进入邻近的储层后，油气则继续流动，遇到合适的地方储存下来，最后形成油气藏，这也被称作油气的二次运移，广义的二次运移是指油气自进入到储集层或运载层后发生的一切运移（图6-5）。大家可以想象，如果没有一个能阻止油气不断流动的封闭体，油气将永无休止地流动，直至流到地表散失掉。一个具备储存油气的空间又能阻止油气从其上方或侧面继续迁移而使油气保存的地方称为圈闭。最早认识的圈闭犹如倒扣的锅，专业人员称之为背斜圈闭（图6-6，a），它是地下岩层受到挤压或上拱形成的中间上拱两侧下拉的现象。后来人们也认识到了一些其他类型的圈闭。这些圈闭类型包括：储层被断层断裂开后上倾方向被封闭断层遮挡的断层圈闭（图6-6，b）；地层沉积后受地壳抬升暴露地表遭受风化剥蚀后再沉入地下，接受上覆地层沉积，造成的地层不整合，不整合面之上或之下的储层向上被致密岩层封堵而形成的地层圈闭（图6-6，c）；储层上倾方向镶嵌在致密层中或储层如土豆状、透镜状四周均被致密层封闭的岩性圈闭（图6-6，d、e）。油气在圈闭中聚集就形成了油气藏。

图6-4 储层中的孔隙

图6-5 油气初次运移与二次运移

图6-6 圈闭油气藏类型

上面谈到的油气藏是油气从生油气岩石中生成后经过了一定的距离迁移，在遇到合适的地方停下来聚集成藏的情形。近几年，北美和我国也在生油气岩中发现了具有工业价值的油气藏，这种油气藏被称为泥（页）岩油气藏，这是地质理论的又一大进步，它拓展了找油找气的领域，突破了生油气岩只生不储的束缚。这类自生自储的油气藏形成机理和分布规律目前还处于探索研究中。

4. 油气藏的分布

跟自然界金、银、铜、铁等固体矿产分布有规律可循一样，油气藏的分布也是有规律可循的。一般来说，生油气层的分布，特别是有效生油气层的分布基本控制了油气藏、油气田的分布范围。同时，油气生成量多量少受生油气层质量的控制，挤出生油气层后，受到迁移路径上各种阻力及不同程度散失的影响，油气迁移的距离不会很长。勘探实践也证实，目前所发现的大型、特大型油气田大多靠近生油气中心。另外，油气是流体，与水往低处流不一样，它总是受浮力影响向高处流、由深部地层向浅部地层迁移，由生油气区中心向周围的斜坡带或高带迁移。这些基本规律对世界各地油气藏、油气田的发现起到了理论支撑的重要作用。

5. 油气藏的勘探技术

地下油气不是到处都有，它储存于有利的地方内，只有将钻井打在含油气的地方才能见到油气。地下的油气看不见也摸不着，怎样才能找到它们呢？寻找油气藏可能藏身之处的工作在专业上称为油气藏勘探。油气藏勘探就是使用一切可以使用的勘探手段调查地质情况，选择有利勘探区，发现和落实油气田的规模，为油气开采提供资源和基地。

古时候，人们就知道利用地表出露的油气苗顺藤摸瓜去寻找附近可能存在的油气。随着人类不断认识自然、认识油气，从20世纪20年代发展至今已形成了一套系统的油气地质理论及配套的勘探方法技术，如野外地质调查技术、地球物理勘探技术、地球化学勘探技术、钻井技术、测井技术、地层测试技术及地质综合评价技术等。

野外地质调查就是地质人员沿着一定的路线进行实地测量、考察和采集样品。这项工作既重要又艰辛，目的是通过露头搞清有没有生油气岩层和储集油气岩层等形成油气藏的基本条件，把不同地点地表露头的资料经分析后延伸到地下去认识地下可能的地质情况，指出进一步寻找油气田的可能地区。

地球物理勘探技术是指利用岩石间的物理性质差异，包括岩石的导电性、磁性、密度和地震波传播等特性的差异，以物理方法为手段的油气勘探技术，简称为物探技术（图6-7）。

图6-7 地震勘探工作原理图

地球化学勘探就是指地下的油气运移至地表以后，经聚集就会产生地球化学、生物化学和地球物理等方面的地表异常，人们通过寻找这些异常与地下油气的相关性来对其进行勘探。

钻井是指人们为了寻找和开采石油、天然气，从地面向地下的油气层之间钻凿出的通道。它是一项重要工序，也是一项耗资巨大、技术复杂、风险性高的系统技术工程。钻井通道既是把钻碎岩屑携带到地面的运输通道，也是日后生产时把油气从地下深处带出到地面的通道，更是掌握地质变化、发现油气层的眼睛。通过钻井，地质人员可以随时了解地下地质情况是否与钻井前的预想一致，可以及时发现可能存在的油气层，获得从井口到井底的地质、工程资料。很多时候，还需要将地下的岩石搬到地面上来观察，这些岩石就是岩心。岩心是在钻探过程中用特殊的取心钻具从地下取出的岩石样品，它能真实地反映地下地层的时代、有没有油层、油层的深度和厚度、储油气性能怎么样等。通过对岩心资料的全面分析，不但可以找到油气层，还可以认识油气层，为合理开发和改造油气层提供地质基础。

当在钻井过程中发现了可能存在的油气层后，就要在井眼中放下专门测试仪器对其进行测试，以了解是否有油气，油气有多少，地下油气的温度和压力等情况，为估算油气田规模取得基础数据。测试可以在钻井过程中进行，也可以在钻井完成后进行，前者称为中途测试，后者称为完井测试。别小看测试，那可是唯一的确定油气层的直接方法。

当钻井到一定深度或者发现良好的油气显示信息时，为了及时搞清地层分布、油气水层分布位置、含油气多寡、在钻井过程中如何控制钻井方向和位置以及在油气开发过程中监测油气量的变化等等，通常会在井眼中放入专门的测量仪器，沿着井筒进行测量，这就是测井（图6-8）。与地震勘探一样，测井也是利用岩石的物理性质差异来进行勘探的技术，它由测井地面仪器、绞车和电缆组成，通过电缆把下井仪器放到井底，在提升电缆过程中进行测量。

图6-8 测井工作原理图

6. 油气藏的勘探程序

油气勘探是一个实践—认识—再实践—再认识的反复过程，是一个从未知到有知的过程。为了保证勘探的科学性和高效益，往往根据勘探对象和勘探目标的差别，由低级到高级划分不同勘探阶段，并有其固有的勘探步骤。

首先，确定是否具有一定规模的沉积盆地，认识盆地的含油气性，选准找油气的主攻方向。这项工作被称为区域勘探。从油气勘探历史来看，一个个盆地就像一个个聚宝盆。沉积盆地规模越大，沉积厚度越大，找到大油气田的可能性就越大，如波斯湾盆地，盆地面积达3×106 km2，沉积厚度达13.7 km，发育209个大型油气田，占世界石油剩余探明储量的56.6%，占世界天然气剩余探明储量的40.6%。我国松辽盆地面积为2.6×105 km2，其主要含油气地层总厚度大于7 000 m，在该盆地内发现了大庆油田、扶余油田等，油气产量占我国总油气产量的半壁江山。怎么去认识盆地呢？盆地中沉积层厚度有多大？都是由哪些岩石所组成的地层呢？怎样才能知道有没有生油气层、储集层呢？哪儿有背斜圈闭及断裂呢？要回答上述问题就要开展野外地质调查，选择区域上贯穿盆地的几条大剖面开展重力、磁力、人工地震等地球物理勘探工作，了解盆地的地质结构，认识盆地中哪儿有隆起带和拗陷带，地层的分布及厚度变化情况，认识可能的生油层、储集层及阻止油气逸散的岩层之间可能的组合关系。为了有助于更好地了解盆地内地层是怎样堆积的，也为给地球物理勘探提供参数，往往会在盆地内选择地方钻几口深度达到盆地基底的深井（称为基准井或参数井），通过从地表向地下打的圆形通道，地质人员可以对从井口到井底取得的一切资料进行综合分析，再结合地面调查、地球物理勘探，甚至是地表地球化学勘探的信息，概略指出盆地内含油气远景地区，估算资源量大小，选择勘探的主攻方向，为下一步勘探作好向导。在我国，除了西藏羌塘等地还有未进行过大规模油气勘探的盆地外，区域勘探工作在20世纪五六十年代就已基本结束。

其次，优选含油气远景地区中的有利油气聚集区，进一步落实油气勘探的战场，突破产出油气关。这项工作称为圈闭预探。通过区域勘探，地质人员初步找到了可能有油气的大型隆起带或拗陷带附近的斜坡区，也通过少数深井了解了盆地内地层中哪些可成为生油气层、储集层等，但仍需要在众多预测的目标中优选出有利的目标。因此，需要加大地球物理勘探和钻井的投入。在地球物理勘探方面，因其勘探布置间距小所以区别于区域勘探。这是为了进一步落实区域勘探中发现的隆起带、拗陷带的构造细节，如隆起带是由多个背斜带或断裂带构成的，还是由古山头构成的？裂缝是如何分布的、面积有多大？在落实了有利区的构造细节后，就要合理部署预探井，以及时高效地发现油气田为目标。所谓“油气田”是指在一定的产油气范围内油藏、气藏及油气藏额的综合。预探井的部署要求科学打井。为此，一方面，地震勘探提交高精度的地震构造图、目标层位的地震预测分布图、断裂分布图等资料；另一方面，要求进行整体部署选择合理的布井方案，预探井井数、布井层次（既有深层也有浅层，既有已知目的层也有未知层），同时布的井不但要打在构造高部位，也要甩开打在构造低部位，这样既抓住了油气主要分布在构造中较高部位的共性，也体现了油气还可以富集在构造较低部位的个性。如大庆油田，第一批预探井打在局部构造高点见到石油后，并没有围绕孤立的高点打转转，而是不断地开展地质评价，甩开勘探，在构造低部位也布井，结果发现了丰富的石油，仅用一年多的时间就很快发现了大油田。

在圈闭预探中，除兼顾不同层系外，还应注意多种类型油气藏的勘探。不能因一口井的失败而全盘否定一个区块的含油气性，更不能因一两口井的成功而急于在小范围内圈定油气田面积。我国胜利油田、大港油田等大型油气田就是坚持了综合评价、科学部署才迅速被发现的。

最后，落实油气田的家底，为开发提供可靠依据。这项工作就是油气藏评价勘探。找到油气田并不能马上投入开发，还必须准确探明油气田面积，搞清地下油气层情况，了解油气井产油、产气能力和油气层压力情况等等。油气田面积直接决定了油气田的规模大小，也决定了其经济效益。油田面积的大小受油层构造及油与水的边界控制。搞清油田的构造情况，还需再进行测网密度更大的精细二维地震勘探（目前已发展到三维、四维地震勘探），还要打探测油、水边界的探边井，因为在油水边界以外没有石油、全部是水，油水边界以内的才是油气藏。探边井的部署应根据已掌握的地质资料以及在对油田油藏类型进行推断的基础上，尽量以大井距甩开钻探，这样做可以用较少的井较快地探明油田面积。搞清地下油气层情况主要包括搞清楚油层的厚度变化，了解油气层的分布形状，同时弄清油气层的性质，包括它的孔隙性、渗透性及油气层中含水情况等等。在勘探实践中，通常采用钻探评价井的方法获取地下油气层的资料。所谓“评价井”，就是获取油气层资料的探井。钻遇油气层的评价井一般要全部钻取岩心，按规范取全取准资料。了解产油气能力和油气层压力是决定一个油气藏开发方案编制的重要影响因素。通过对预探井和评价井的试油，可以了解单井产油、产气能力，也就是了解一口井一天能产出多少油气。通过测试手段，了解油气层压力情况，再通过油气水样品分析化验了解油气水的性质及其变化情况。

当油气田被证实且落实了其主要油气地质特征后，勘探工作结束，所发现的油气田就交给生产单位进行开发，建成产能。