何治亮，李雙建，劉全有，楊天博，張 英

(1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國石油化工股份有限公司，北京 100728；3.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

1 深層資源勘探現(xiàn)狀

關(guān)于深層的定義，國際上還沒有嚴(yán)格、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同國家、不同機(jī)構(gòu)對(duì)深層的界定存在一定差異。目前國內(nèi)外油氣行業(yè)相對(duì)認(rèn)可的深層標(biāo)準(zhǔn)是地層埋深大于4 500 m?；谖覈鴸|西部地區(qū)地溫場的變化及勘探實(shí)踐，目前普遍將西部盆地埋深4 500～6 000 m定義為深層，大于6 000 m定義為超深層；將東部盆地埋深3 500～4 500 m定義為深層，大于4 500 m為超深層。

隨著油氣勘探認(rèn)識(shí)和技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球范圍內(nèi)深層—超深層領(lǐng)域已成為油氣勘探開發(fā)的重要發(fā)展方向[1-5]。近年來，我國在深層—超深層油氣領(lǐng)域連續(xù)獲得重要發(fā)現(xiàn)，相繼在塔里木、準(zhǔn)噶爾、四川、松遼等盆地埋深4 500～8 000 m的深層古老層系中發(fā)現(xiàn)油氣，揭示了我國深層—超深層具有巨大的油氣資源潛力。從深層探井?dāng)?shù)量和勘探活躍程度上看，中國已經(jīng)走在了世界的前列。特別是在深層海相油氣領(lǐng)域，繼靖邊、塔河、普光等大油氣田發(fā)現(xiàn)之后，最近幾年又相繼取得了元壩、安岳、川西氣田和順北油氣田等一系列的重大發(fā)現(xiàn)(圖1)。新一輪資源評(píng)價(jià)表明，中國海相油氣資源占總量30%以上，其中，超過三分之二分布在深層—超深層。因此，深層油氣資源的勘探開發(fā)將成為我國未來油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要領(lǐng)域。

圖1 中國深層—超深層油氣田發(fā)現(xiàn)時(shí)間序列示意Fig.1 Discovery time series of deep and ultra-deep oil and gas fields in China

我國許多含油氣盆地中都發(fā)現(xiàn)了與深部地質(zhì)作用相關(guān)的H2、He、CH4、CO2等非生物氣的規(guī)模聚集[6-7]。在我國東部地區(qū)，受晚中生代以來構(gòu)造及火山活動(dòng)影響，沿郯廬大斷裂帶周緣的主要含油氣盆地中，大都發(fā)現(xiàn)了大量來源于深部的H2、CH4、CO2等氣體的聚集成藏，但從北向南不同盆地不同油氣藏中主要?dú)怏w類型存在顯著差異。如在松遼盆地慶深氣田有深部非生物CH4的規(guī)模聚集，松遼盆地長嶺斷陷、渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷、蘇北黃橋等發(fā)現(xiàn)深部幔源CO2與油氣共生成藏，松遼、渤海灣等盆地發(fā)現(xiàn)了相對(duì)含量較高的H2產(chǎn)出[8]。

在中西部古老克拉通盆地中，近年來一系列的重要油氣發(fā)現(xiàn)與深部地質(zhì)作用影響有密切關(guān)系。如四川盆地安岳震旦系—寒武系天然氣成藏與深大斷裂控制的裂陷槽發(fā)育具有密切相關(guān)性[9]，二疊紀(jì)地幔柱活動(dòng)和玄武巖的噴發(fā)，不但改變了中、晚二疊世巖相古地理格局，而且高熱流促進(jìn)了烴源巖的快速生烴，相關(guān)熱液流體作用也促使了二疊系熱液白云巖的發(fā)育，成為新的油氣儲(chǔ)量增長領(lǐng)域。塔里木盆地在順北地區(qū)奧陶系斷控儲(chǔ)集體領(lǐng)域獲得了勘探突破，揭示了多期活動(dòng)的深部斷裂對(duì)油氣成藏具有控制作用[10-11]。古老克拉通盆地花崗巖基底U、Th的衰變提供了豐富He的來源，四川盆地威遠(yuǎn)燈影組中發(fā)現(xiàn)了我國首個(gè)He氣藏，塔里木盆地和田河氣田也發(fā)現(xiàn)了豐富He資源。

深部熱能的輸入也為我國東部中—新生代盆地區(qū)帶來豐富的地?zé)豳Y源。其中，渤海灣盆地3～10 km埋深干熱巖資源基數(shù)折合標(biāo)煤達(dá)到13.4萬億噸，松遼盆地達(dá)到46.8萬億噸，蘇北盆地3～8 km埋深干熱巖資源基數(shù)折合標(biāo)煤達(dá)到438億噸，具有廣闊的開發(fā)利用前景[12-14]。

我國東、西部各種類型沉積盆地具有不同的深部動(dòng)力學(xué)背景，深部地質(zhì)作用的過程和方式各不相同，不同盆地深部流體的活動(dòng)特征及其對(duì)油氣資源富集成藏的影響也表現(xiàn)出明顯差異性。開展深部地質(zhì)作用過程及其對(duì)深部油氣成藏影響的研究，探索深部地質(zhì)作用對(duì)不同類型沉積盆地中油氣資源形成與分布的影響機(jī)制，闡明深部流體攜帶物質(zhì)與能量的成藏效應(yīng)和資源潛力，對(duì)于完善和豐富沉積盆地深層油氣形成、聚集理論與評(píng)價(jià)方法具有重要意義，并能夠?yàn)樯畈坑蜌赓Y源及共伴生資源(非生物成因烴氣、二氧化碳、氦氣、氫氣和地?zé)豳Y源)的分布預(yù)測和勘探開發(fā)提供有力依據(jù)。

2 面臨的科學(xué)問題

深部地質(zhì)作用有哪些特殊性？這些地質(zhì)作用是如何影響和控制深層油氣成烴、成儲(chǔ)、成藏的？盆地深層油氣及其他共伴生資源形成與分布和中淺層究竟有什么不同？這些問題已開始得到業(yè)界的重視。盆地深部地質(zhì)作用是地球各圈層相互作用的組成部分，包括高溫高壓環(huán)境下深埋過程中的成巖與變質(zhì)作用，放射性礦物衰變，深部巖漿及熱流體直接、間接作用，斷裂活動(dòng)及對(duì)物質(zhì)能量輸導(dǎo)等。深部地質(zhì)作用與其所處的構(gòu)造背景具有緊密的聯(lián)系，大陸裂谷區(qū)常與地幔柱分布相關(guān)聯(lián)，大陸地殼減薄區(qū)的伸展斷裂帶，深大斷裂帶特別是大型走滑斷裂帶都是深部地質(zhì)作用的活躍區(qū)域[15]。由于深部地質(zhì)作用的影響長期存在，控制著深部的物質(zhì)和能量源源不斷地向盆地內(nèi)部進(jìn)行輸入和交換，即使在構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，深層—超深層由深埋作用引起的溫、壓場和流體地球化學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)變，也會(huì)對(duì)油氣成藏條件產(chǎn)生一系列重要的影響。本文擬從深部地質(zhì)環(huán)境的特殊性入手，簡要分析盆地深部地質(zhì)作用影響深層油氣生、儲(chǔ)、運(yùn)、聚等各個(gè)成藏要素中的科學(xué)問題，進(jìn)而展望未來重點(diǎn)科技攻關(guān)方向。

2.1 深部地質(zhì)作用下有機(jī)質(zhì)成烴化學(xué)動(dòng)力學(xué)與多元生烴潛力

深部地質(zhì)作用對(duì)烴源巖生烴演化的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面深部高溫、高壓可以加快或抑制烴源巖的熱演化；另一方面深部富含C、H組分并攜帶大量熱能的深部流體可以通過有機(jī)—無機(jī)相互作用影響生烴過程。

傳統(tǒng)的油氣成因理論認(rèn)為溫度和時(shí)間對(duì)油氣生成的作用是第一位的，壓力的作用是次要的，大多數(shù)情況下可以忽略。根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理可確立石油、天然氣生成溫度和保持化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的深度下限。TISSOT和WELTE[16]提出了烴源巖生烴量對(duì)應(yīng)深度或成熟度階段的演化模式，在這一模式中，生物成因氣生成于未成熟階段，進(jìn)入生油窗后，石油產(chǎn)量迅速增加至峰值后迅速減小并與濕氣階段重疊；天然氣的生成同樣在生油窗后緩慢增加，生油高峰過后天然氣產(chǎn)率迅速增加，天然氣最大產(chǎn)率遠(yuǎn)大于石油最大產(chǎn)率。DIECKMANN等[17]跟蹤了巴黎盆地托阿爾階(Toarcian)Ⅱ型頁巖封閉熱解烴類產(chǎn)物的生成過程，結(jié)合化學(xué)計(jì)量法計(jì)算了油裂解氣和初次裂解氣的相對(duì)比例，推導(dǎo)出地質(zhì)條件下石油的生成主要在100～220 ℃，對(duì)應(yīng)EasyRo=0.65%～2.5%成熟階段，天然氣生成則對(duì)應(yīng)150～220 ℃，對(duì)應(yīng)EasyRo=1.2%～2.5%成熟階段，暗示EasyRo=2.5%可能已到天然氣的生成下限。我國學(xué)者認(rèn)為，深層—超深層的埋藏背景下，古老烴源巖多處于高成熟—過成熟階段，但是在此階段的烴源巖內(nèi)仍存在生烴過程，有機(jī)質(zhì)的“接力生氣”模式使分散在烴源巖中的液態(tài)烴進(jìn)一步熱裂解從而具有良好的生氣潛力。湖相、海相Ⅰ、Ⅱ型有機(jī)質(zhì)最早生油(600 mg/g)，干酪根生氣和源內(nèi)殘留烴生氣緊隨其后，且兩者生成天然氣量大致相當(dāng)(120～100 mL/g)，儲(chǔ)層油裂解氣可達(dá)源內(nèi)天然氣的兩倍多(230 mL/g)[18]。

盆地深層—超深層存在的超壓也是影響和限制烴源巖生排烴的重要因素。早期學(xué)者認(rèn)為超壓

可能會(huì)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)熱演化[19]。隨著超壓盆地油氣勘探的深入，在越來越多的沉積盆地中發(fā)現(xiàn)了超壓系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)熱演化出現(xiàn)“低”異常，如意大利Lombard盆地[20]、英國北海盆地[21]、美國Unita盆地[22]、中國準(zhǔn)噶爾盆地[23]等。因此，有學(xué)者提出超壓對(duì)干酪根的熱降解生烴以及烴類的高溫裂解都能起到有效的抑制作用[24-26]，在勘探實(shí)踐和生烴動(dòng)力學(xué)上相繼得到證實(shí)。對(duì)于具有較低地溫梯度和較大烴源巖埋深的沉積盆地，超壓的持續(xù)作用可以明顯抑制烴源巖熱演化程度，Ro相較于正常值低0.5%以上[27]，因此超壓推遲并拓寬了烴源巖生烴高峰期的范圍。

如果盆地深部存在富含C、H組分并攜帶大量熱能的流體，它們可以通過有機(jī)—無機(jī)相互作用影響生烴過程[28]。深部流體帶來的H2等物質(zhì)能夠有效促進(jìn)高演化烴源巖生烴。有機(jī)質(zhì)生烴過程是一個(gè)去氧聚氫富集碳的過程，因此，如果外部來的含H2物質(zhì)能夠向干酪根提供H元素，則可促進(jìn)有機(jī)質(zhì)生烴。H2、水和富含H元素的深源巖石都可以作為外部氫源[29-30]。JIN等[31]通過有機(jī)質(zhì)熱解模擬實(shí)驗(yàn)表明，加入H2后Ⅱ2型干酪根的生烴率可以提高147%以上。

基于上述觀點(diǎn)，深部地質(zhì)作用對(duì)于深層油氣生成總體上具有積極的意義。同時(shí)也引申出一系列新的問題。如烴源巖可以持續(xù)生烴最高溫度是多少？液態(tài)石油存在的最大埋深或者最大溫度—壓力是多少？深源流體如何進(jìn)入致密的烴源巖來促進(jìn)生烴過程？來自于深部的H2有多少量，能對(duì)生烴量產(chǎn)生根本性的影響嗎？不同地質(zhì)背景的深部物質(zhì)和能量影響下的生烴機(jī)理和模式有哪些？不同深部地質(zhì)作用背景下生烴潛力如何定量估算？深部地質(zhì)作用對(duì)生烴的負(fù)面影響有沒有，是什么？這些問題的解決對(duì)落實(shí)深層油氣資源規(guī)模和明確勘探方向均具有非同尋常的意義。

2.2 深部高溫高壓超臨界體系流體—巖石—烴類相互作用機(jī)理及超深層儲(chǔ)層的有效性

深層儲(chǔ)層在埋藏過程中往往遭受了盆地多階段的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造和多期次的流體活動(dòng)影響，與中淺層存在明顯差異。大量資料的統(tǒng)計(jì)表明，隨著埋深增加，深層儲(chǔ)層物性整體較差，但仍存在物性較好的有效儲(chǔ)層[32]。深層儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)與成因復(fù)雜，成巖后生作用類型多且差異大，非均質(zhì)性更強(qiáng)[33-34]。近年來，隨著鉆井深度越來越大，深部碎屑巖和碳酸鹽巖有效儲(chǔ)層的深度下限被不斷刷新。在塔里木盆地庫車坳陷克深和大北地區(qū)，已發(fā)現(xiàn)超過8 000 m的超深層碎屑巖儲(chǔ)層。在塔里木盆地塔中和塔北[35-36]、四川盆地元壩、鄂爾多斯盆地靖邊等地區(qū)均發(fā)現(xiàn)了埋深超過6 000 m(最深為LT1井達(dá)8 882 m)超深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層。深部儲(chǔ)層的形成和長期保持宏觀上受控于盆地深部不同動(dòng)力學(xué)背景下的流體驅(qū)動(dòng)和循環(huán)機(jī)制，微觀上深部多類型地質(zhì)流體與盆內(nèi)沉積圍巖地層發(fā)生的廣泛水—巖相互作用，也在不同程度地影響著深部儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能[37]。

對(duì)于碎屑巖儲(chǔ)層，隨著埋深的增大，孔隙度和滲透率呈指數(shù)級(jí)降低[38-39]。但是勘探實(shí)踐已經(jīng)證實(shí)，在一定條件下，深層碎屑巖儲(chǔ)層仍可以保持較好的物性[40-41]。研究表明，沉積條件仍然是深層有效儲(chǔ)層形成的基礎(chǔ)，埋藏過程中儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間能夠得到多大程度的保存是深層有效儲(chǔ)層發(fā)育的關(guān)鍵。各種成巖作用在時(shí)空上的匹配對(duì)深層碎屑巖儲(chǔ)集空間的保存至關(guān)重要，如早期的膠結(jié)作用、顆粒包殼生長、油氣充注等都有利于孔隙的保存[42-44]。地層流體封存箱內(nèi)的異常高壓可以有效地抑制后期的壓實(shí)壓溶和膠結(jié)作用從而保存孔隙[25,45-46]。低地溫場盆地碎屑巖中水巖反應(yīng)速率會(huì)明顯降低，砂巖的機(jī)械壓實(shí)速率也會(huì)減緩[47]。另外，埋藏方式對(duì)深層碎屑巖儲(chǔ)層的形成也有重要影響，早期長期緩慢淺埋藏、晚期快速深埋藏有利于儲(chǔ)層孔隙的保存[48-49]。塔里木盆地庫車坳陷深層碎屑巖儲(chǔ)層在超過7 000 m埋深，孔隙度仍可超過8%，主要得益于以上幾種因素的疊加，低地溫梯度、晚期快速埋藏和儲(chǔ)層流體超壓，有效地延緩了儲(chǔ)層致密化。深部條件下儲(chǔ)集空間的新生主要受溶蝕作用和構(gòu)造破裂作用的影響，溶蝕性流體的主要來源是干酪根熱演化過程形成的酸性流體，如有機(jī)酸、H2S和CO2等，除此之外還有來自幔源或殼源的CO2，沿深大斷裂—輸導(dǎo)層運(yùn)移的深循環(huán)流體等。碎屑巖中相對(duì)不穩(wěn)定的長石、云母、碳酸鹽礦物及火山巖和變質(zhì)巖巖屑等都是主要的被溶蝕對(duì)象，如在東營凹陷北帶古近系沙河街組碎屑巖儲(chǔ)層中，長石顆粒和碳酸鹽膠結(jié)物都較為發(fā)育，在存在超壓且成巖體系相對(duì)封閉的區(qū)域，以有機(jī)質(zhì)脫羧形成的酸性流體和生烴過程產(chǎn)生的CO2，通過選擇性溶蝕儲(chǔ)層中長石顆粒，形成儲(chǔ)集空間；在斷裂發(fā)育且成巖體系相對(duì)開放的區(qū)域，下滲的大氣淡水和有機(jī)質(zhì)脫羧產(chǎn)生的酸性流體，共同導(dǎo)致儲(chǔ)層中長石和碳酸鹽礦物同時(shí)發(fā)生溶解作用，形成有效儲(chǔ)集空間[50]。

與碎屑巖相比，碳酸鹽巖特別是白云巖具有更

強(qiáng)的抗壓實(shí)和壓溶能力，隨著埋深的增加，碳酸鹽巖孔隙度不會(huì)持續(xù)降低。世界范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)深度超過5 000 m的碳酸鹽巖儲(chǔ)層，有10%以上樣品孔隙度超過10%[32]。四川盆地元壩氣田碳酸鹽巖儲(chǔ)層，埋深超7 000 m最高孔隙度可達(dá)30%，塔里木盆地塔深1井碳酸鹽巖儲(chǔ)層在8 408 m深處孔隙度可達(dá)9.1%。因此，對(duì)深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層而言，業(yè)界更關(guān)心的是深埋過程中或者深部流體參與下，碳酸鹽巖儲(chǔ)層是否有增孔機(jī)制。

深部地質(zhì)作用促使深部富Ca2+、Mg2+、Si4+、CO2、H2S等多種類型熱液流體沿著基底深大斷裂向淺部運(yùn)移，與沉積地層發(fā)生廣泛的水—巖相互作用，在國內(nèi)外的研究中均得到了關(guān)注。一些學(xué)者通過對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境下溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)和巖心觀察，認(rèn)為深部溶蝕可以大規(guī)模提高碳酸鹽巖儲(chǔ)集性能[51-54]。特別是在開放—半開放成巖系統(tǒng)內(nèi)，碳酸鹽巖存在著“溶蝕窗”效應(yīng)(在某個(gè)深度、溫度范圍內(nèi)，碳酸鹽巖具有更高的溶蝕率)[54-56]。也有些學(xué)者認(rèn)為在絕大多數(shù)情況下深部溶蝕難以形成大規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層[57-58]，碳酸鹽巖在淺部發(fā)生大量表生和準(zhǔn)同生巖溶，一旦埋藏到中深層，即使地層中有大量的有機(jī)酸，但是難以運(yùn)移到儲(chǔ)層中產(chǎn)生規(guī)模性溶蝕。許多學(xué)者認(rèn)為，深層TSR反應(yīng)形成大量H2S有助于形成有效儲(chǔ)層[59-60]。也有學(xué)者認(rèn)為，深層TSR更多的是一個(gè)減孔的過程，H2S和CO2會(huì)消耗烴類產(chǎn)生大量沉淀，不會(huì)產(chǎn)生規(guī)模性溶蝕[61]。

直接與深部地質(zhì)作用相關(guān)的熱液改造型儲(chǔ)層，其成因機(jī)理和儲(chǔ)層改造意義也廣受爭議。部分學(xué)者認(rèn)為，熱液活動(dòng)可使碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)生顯著次生溶蝕作用，使儲(chǔ)集空間進(jìn)一步擴(kuò)大[53,62]，熱液改造型儲(chǔ)集體多呈墻狀、準(zhǔn)層狀、透鏡狀等分布[63]。深部熱液對(duì)碳酸鹽巖最具代表性的改造作用是熱液白云巖化，已發(fā)表的大量數(shù)據(jù)和事實(shí)表明，中東地區(qū)世界最大的一批油氣藏不同程度存在構(gòu)造控制的熱液白云巖化和溶蝕改造作用[64]。四川盆地震旦系燈影組、二疊系茅口組等層位中都發(fā)育有構(gòu)造—熱液改造型白云巖儲(chǔ)層[65-66]。塔里木盆地順南、順北、玉北等地區(qū)發(fā)現(xiàn)了深度超過7 000 m 的熱液改造型碳酸鹽巖儲(chǔ)層[4,67-68]。構(gòu)造作用產(chǎn)生的斷裂、深部熱液對(duì)灰?guī)r和白云巖的溶解以及熱液白云化后巖石抗壓強(qiáng)度的增加，都可以有效地改善儲(chǔ)層[69-70]。也有些學(xué)者認(rèn)為熱液白云巖中發(fā)育的晶間孔主要是對(duì)原巖孔隙的繼承和調(diào)整, 部分來自埋藏溶蝕作用，但溶蝕產(chǎn)物未必能及時(shí)帶出成巖系統(tǒng)，鞍狀白云石的沉淀肯定是破壞孔隙的[58,74]。盡管存在儲(chǔ)層成因機(jī)理上的爭議，但是對(duì)于深層—超深層能夠發(fā)育和保存優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的共識(shí)。由于碳酸鹽巖特別是深層白云巖儲(chǔ)層具有良好的易破裂、抗壓實(shí)、抗壓溶和高溫條件下易酸溶改造能力，樂觀地預(yù)計(jì)萬米以內(nèi)都存在有效儲(chǔ)層[5]。

無論碎屑巖還是碳酸鹽巖，埋深超過6 000 m的超深層仍然發(fā)育優(yōu)質(zhì)規(guī)模儲(chǔ)層已經(jīng)成為不爭的事實(shí)。但是，深部地質(zhì)作用在儲(chǔ)層形成過程中是起正面還是負(fù)面作用學(xué)界尚有分歧，對(duì)其動(dòng)力學(xué)機(jī)制和作用過程的研究仍然非常有限。主要體現(xiàn)在：孔隙主要是早期形成還是后期形成？熱液是以建設(shè)性為主還是以破壞性為主？高溫條件究竟是有利于溶蝕還是有利于沉淀？深部流體主要是堿性還是酸性？儲(chǔ)層形成主控因素是以建造性的沉積、成巖作用為主還是以構(gòu)造改造作用為主？高溫高壓條件下哪些巖石或礦物更有利于形成儲(chǔ)層？深層—超深層儲(chǔ)層類型與地質(zhì)模式及其組合與中淺層有本質(zhì)性差別嗎？如何針對(duì)深層特點(diǎn)形成有效的地震預(yù)測和建模技術(shù)？這些問題已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，具有較強(qiáng)的理論價(jià)值和勘探實(shí)踐意義。

2.3 超深油氣系統(tǒng)中烴類相態(tài)轉(zhuǎn)化、運(yùn)聚成藏及保存機(jī)制

在深層—超深層高溫高壓條件下，盆地的溫—壓場、流體場和地球化學(xué)環(huán)境與盆地中淺部具有明顯區(qū)別，主要表現(xiàn)為：地溫普遍超過150 ℃，儲(chǔ)層中的石油開始或者完全裂解；儲(chǔ)層致密程度和非均質(zhì)性增加，油氣運(yùn)移阻力變大，浮力對(duì)油氣聚集的影響變??；部分流體進(jìn)入超臨界狀態(tài)，其自身運(yùn)移能力改變的同時(shí)，也會(huì)對(duì)其他流體產(chǎn)生影響；深部斷裂和深部流體增多也會(huì)對(duì)油氣運(yùn)、聚起到重要的控制作用。因此，與中淺層相比，深層—超深層油氣賦存狀態(tài)的差異較大，油氣運(yùn)移、聚集和保存的動(dòng)力和方式也會(huì)發(fā)生重大改變。

石油能夠穩(wěn)定存在的溫度一般在60～160 ℃范圍內(nèi)，而高于220 ℃烴類的相態(tài)以氣為主[2]。與四川盆地及世界上絕大多數(shù)深層—超深層碳酸鹽巖地層中全為氣藏不同，塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)了大量的油藏，顯示其具有特殊的形成與保持機(jī)理。以往認(rèn)為，成熟度適中的中上奧陶統(tǒng)烴源巖的發(fā)育是主要因素[27]。近年來，在更深層位上發(fā)現(xiàn)了埋深8 000 m以下的油藏，油源只能是來自于寒武系烴源巖或者更深的地層。盡管這些油藏經(jīng)歷過220℃以上的高溫改造，

其液態(tài)烴仍能穩(wěn)定存在，這說明塔里木盆地海相油藏表現(xiàn)出很高的熱穩(wěn)定性。僅僅通過宏觀的低地溫梯度或者高的儲(chǔ)層壓力來解釋塔里木盆地海相油藏具有高的熱穩(wěn)定性，說服力顯然不夠，因?yàn)椴煌橘|(zhì)條件下甲烷的生成活化能分布有差異，碳酸鹽巖對(duì)油裂解條件影響最大，另外，模擬實(shí)驗(yàn)也顯示原油的烴類組分差異是影響其裂解溫度的重要因素[2]。因此，原油烴類組成、油田水分布特征、烴—水—巖相互作用等微觀物理化學(xué)過程和特征可能是塔里木盆地深層—超深層原油保持的重要制約因素。

由于深層油氣運(yùn)移介質(zhì)所處埋深大，孔、滲性總體較差，而且非均質(zhì)性很強(qiáng)，導(dǎo)致地層水動(dòng)力不活躍，浮力對(duì)油氣運(yùn)移充注的影響較小，異常壓力、斷裂、裂縫在深層油氣運(yùn)移中起到了更重要的作用。異常壓力，即源—儲(chǔ)間的剩余壓差驅(qū)動(dòng)著油氣的短距離運(yùn)移和充注，或者通過斷層發(fā)生較大距離的垂向運(yùn)移。無論是烴源巖排烴的初次運(yùn)移，還是油氣在輸導(dǎo)層中的二次運(yùn)移，超壓的作用都不容忽視[75-77]。幕式排烴和穿層運(yùn)移是超壓流體流動(dòng)的最重要特征之一，幕式瞬態(tài)流動(dòng)可發(fā)生在流體的初次排烴和二次排烴中，可產(chǎn)生大量的微裂縫、形成超壓流體釋放的通道，超壓流體通過斷裂突發(fā)性釋放。在油氣藏早期成藏和快速埋藏的超壓盆地中，幕式排烴和運(yùn)移的實(shí)例較多[78]，但在長期構(gòu)造穩(wěn)定的深層盆地中，儲(chǔ)層致密化之前形成的古油藏對(duì)晚期的油氣藏分布具有重要的控制作用，如四川盆地的普光、元壩和安岳氣田等都是早期古油藏轉(zhuǎn)變?yōu)楣艢獠?，晚期進(jìn)一步調(diào)整定型形成的[79]。

對(duì)深層油氣長距離運(yùn)移和聚集最顯著的影響可能主要來自于深部斷裂，以及由斷裂帶來的深部流體對(duì)烴類物質(zhì)的萃取。深部斷裂活動(dòng)不僅形成了規(guī)模性的儲(chǔ)集空間，也是油氣運(yùn)移的優(yōu)勢通道。塔里木盆地順北地區(qū)，主要目的層(奧陶系一間房組—鷹山組上段)主要為潮下帶碳酸鹽巖沉積，不發(fā)育高能環(huán)境下的礁灘相，也缺乏準(zhǔn)同生期的暴露溶蝕改造。近期，沿順北1、5號(hào)斷裂帶的一系列鉆井獲得高產(chǎn)，揭示了深層斷裂對(duì)儲(chǔ)集空間的形成和油氣運(yùn)移聚集所起的決定性作用[10,80]。沿走滑斷裂發(fā)育的裂縫帶和孔洞提供了優(yōu)越的儲(chǔ)集體和特殊的運(yùn)移通道和圈閉條件。

一些深大斷裂輸送的CO2在地下往往處于超臨界狀態(tài)[81]，對(duì)有機(jī)組分具有較強(qiáng)的溶解萃取能力[82]。通過對(duì)蘇北盆地黃橋氣田的解剖[83]，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模超臨界CO2沿著斷裂、裂縫等構(gòu)成的通道體系自深部向盆地淺部地層運(yùn)移，當(dāng)經(jīng)過烴源巖層系和致密儲(chǔ)集體時(shí)，通過溶解萃取烴源巖層系和致密儲(chǔ)集體中油氣并攜帶其向淺部運(yùn)移，可以有效地增強(qiáng)油氣聚集能力[83]。

總體來看，深層油氣成藏要素和過程與中淺層可能存在顯著差別，但還是遵從了基本的油氣地質(zhì)規(guī)律。深層油氣系統(tǒng)的靜態(tài)要素中，源巖、儲(chǔ)層、蓋層差別不大，但運(yùn)移通道和圈閉差別明顯。動(dòng)態(tài)要素中，特殊熱源和熱流體作用下的生烴機(jī)理需要闡釋，古油藏和儲(chǔ)層分散烴類二次生烴貢獻(xiàn)需要重視。因?yàn)楦邷馗邏毫黧w相態(tài)的改變，加之儲(chǔ)層致密或非均質(zhì)性，導(dǎo)致排烴、運(yùn)移、聚集方式發(fā)生顯著改變；深埋條件下蓋層性能總體會(huì)變好，但膏鹽巖塑性流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致局部加厚或減薄，特別是斷裂活動(dòng)和活躍的流體，使深層保存條件異常復(fù)雜。因此，深層油氣面臨的3大問題，包括資源類型和規(guī)模問題，深層油氣成藏機(jī)制與模式問題，深層油氣富集、貧化和分布規(guī)律問題，均有待深入研究和解決。

2.4 深部特殊地質(zhì)環(huán)境下油氣共伴生資源的形成與富集

一方面，盆地深部地質(zhì)和流體作用能夠以物質(zhì)或能量輸入的形式對(duì)深層油氣的聚集成藏產(chǎn)生顯著影響，如深部的巖漿或熱液相關(guān)流體能夠作為熱能傳輸?shù)拿浇?，加速烴源巖的成熟，可以使未熟或低熟烴源巖中的有機(jī)質(zhì)“瞬時(shí)”生烴，形成“熱液石油”[84-85]；另一方面，深部地質(zhì)作用過程中，還向盆地輸入了大量的非生物成因氣體，如氦氣、二氧化碳、氫氣等資源常常與油氣藏相伴生，如果能夠規(guī)模聚集，其本身便具備開發(fā)價(jià)值，同時(shí)也會(huì)影響油氣的運(yùn)聚成藏和調(diào)整破壞過程。

氦氣作為一種低分子量氣體具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用在國防、軍工以及化學(xué)分析等科研生產(chǎn)的各個(gè)方面，如航天發(fā)射、低溫超導(dǎo)、激光技術(shù)、紅外線探測、核工業(yè)、國防和醫(yī)療等領(lǐng)域，是重要戰(zhàn)略性稀有氣體資源，被譽(yù)為“黃金氣體”。氦氣的形成與深部地質(zhì)作用密切相關(guān)，主要來源于地殼放射性礦物衰變或地幔流體[6]。我國氦氣資源分布較廣，在新生代和古老克拉通盆地均有發(fā)現(xiàn)。松遼盆地、渤海灣盆地、蘇北盆地、四川盆地、塔里木盆地、渭河盆地氦氣資源較為豐富，其分布狀態(tài)主要受深層古老放射性巖體和深大斷裂所控制[86-88]。中西部古老克拉通盆地普遍發(fā)育花崗巖基底，其中的U、Th放射性衰變?yōu)楹獾闹饕獊碓?。四川盆地的威遠(yuǎn)氣田和塔里木盆地和田河、雅克拉氣田中氦氣含量均

達(dá)到了工業(yè)利用標(biāo)準(zhǔn)[89]。其中，四川盆地威遠(yuǎn)氣田是我國首個(gè)實(shí)現(xiàn)氦氣商業(yè)化利用的氣田，產(chǎn)層為震旦系燈影組，天然氣井中氦氣含量一般為0.1%～0.342%。塔里木盆地沙雅隆起和麥蓋提斜坡西北部，發(fā)現(xiàn)了富集氦氣的凝析油氣藏，和田河氣田中氦氣含量為0.30%～0.37%(平均0.32%)，折算氦氣探明儲(chǔ)量1.959 1×108m3，具有較好的氦氣資源勘探前景。

我國中東部的松遼、渤海灣、蘇北、鶯歌海等盆地內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了大量與油氣藏伴生的CO2氣體或純氣藏(圖2)，按成因機(jī)制可分為殼源型、殼?；旌闲秃突鹕结Ｔ葱?，其中火山幔源型CO2在我國中東部油氣藏中最為常見。CO2從深部向上運(yùn)移主要是軟流圈上涌導(dǎo)致的殼—幔相互作用和斷裂活動(dòng)的結(jié)果[7]，其運(yùn)移、充注過程主要受控于基底深大斷裂及晚期次生活動(dòng)斷裂的發(fā)育和分布。

深部巖漿和深部流體沿深大斷裂向淺部遷移過程中與圍巖發(fā)生熱交換，形成了豐富的地?zé)豳Y源[90]。干熱巖是地?zé)豳Y源的重要類型之一，干熱巖指內(nèi)部不存在或僅存在少量流體，溫度高于180 ℃的異常高溫巖石，巖石類型多為深部的巖漿巖，也有變質(zhì)巖和致密碎屑巖、碳酸鹽巖。世界上干熱巖的發(fā)育主要位于一些離散/匯聚型板塊邊緣，如環(huán)太平洋地震—火山帶，包括日本的Hijori和Ogachi干熱巖發(fā)育區(qū)，美國的The Geysers地?zé)崽铮坏刂泻！柴R拉雅地震—火山帶，包括意大利拉德瑞羅地?zé)崽?、中國西藏羊八井地?zé)崽锏?；以及東非裂谷的肯尼亞等構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)[91-93]。我國東部濱太平洋構(gòu)造帶的一系列裂谷盆地自中—新生代以來經(jīng)歷了廣泛的巖漿侵入和噴發(fā)，通過大型張性斷裂源源不斷的熱源傳輸和盆地中—新生界沉積蓋層的保溫等共同作用，在不同類型地?zé)醿?chǔ)層中富集并形成了豐富的地?zé)豳Y源。汪集旸等[12]根據(jù)穩(wěn)態(tài)熱流數(shù)據(jù)圈定了松遼盆地、渤海灣盆地為中國干熱巖資源開發(fā)的有利靶區(qū)。何治亮等[13,94]認(rèn)為這些東部盆地屬于西太平洋匯聚板緣型地?zé)嵊?，渤海灣盆地?jì)陽坳陷潛山分布帶，干熱巖資源條件相對(duì)最好，地質(zhì)認(rèn)識(shí)與資源分布較為清楚，具備開發(fā)干熱巖的工程技術(shù)條件，資源開發(fā)依托的經(jīng)濟(jì)及市場條件較好，可以作為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)試驗(yàn)的有利目標(biāo)區(qū)。張英等[14]研究發(fā)現(xiàn)，渤海灣盆地中南部的冀中坳陷、黃驊坳陷、臨清坳陷和濟(jì)陽坳陷是干熱巖地?zé)豳Y源的主要富集區(qū)，其中下古生界、中元古界和太古宇3套熱儲(chǔ)是渤海灣盆地中南部最具開發(fā)利用潛力的干熱巖熱儲(chǔ)類型。我國沉積盆地型地?zé)豳Y源主要分布于東部中、新生代盆地,包括華北平原、江淮平原、松遼盆地等地區(qū)，這些大型沉積盆地?zé)醿?chǔ)多、厚度大且分布較廣,隨深度增加熱儲(chǔ)溫度升高，賦存有大量的中低溫?zé)崴Y源，地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.06萬億噸，是我國重要的地?zé)衢_發(fā)潛力區(qū)。京津冀地區(qū)基巖相關(guān)地?zé)崦娣e可達(dá)12×104km2 [95]，在黃河三角洲、長江三角洲等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)也都有分布(圖2)，為能源清潔利用奠定了基礎(chǔ)。

圖2 中國氦氣、二氧化碳與地?zé)豳Y源分布據(jù)文獻(xiàn)[6,86-96]修改。Fig.2 Distribution of helium, CO2 and geothermal resources in China

中國油氣盆地中的共伴生資源盡管早已被關(guān)注，但投入的研究力度非常有限。對(duì)于這些資源的成因、分布、富集規(guī)律研究尚未系統(tǒng)展開，也缺乏針對(duì)性的勘察與評(píng)價(jià)方法，有效開發(fā)和規(guī)模利用明顯不夠。面臨的科學(xué)問題包括：不同大地構(gòu)造背景下的盆地深部，各種共伴生資源的成因機(jī)理是什么？成藏或成礦的主控因素是什么，如何建立地質(zhì)模式？資源規(guī)模性聚集和高產(chǎn)條件有哪些？與油氣存在什么共生、伴生關(guān)系？

3 科技攻關(guān)方向

深部地質(zhì)作用是影響沉積盆地形成與演化過程的重要因素。在一些特殊大地構(gòu)造背景與地質(zhì)環(huán)境的盆地中，來自地殼深部或地幔的物質(zhì)和能量以多種方式向盆地輸入。來自沉積盆地基底以下幔源揮發(fā)性的流體以及板塊俯沖過程中巖石脫水所產(chǎn)生的流體、深變質(zhì)過程中脫水作用形成的流體或者受幔源熱源以及殼內(nèi)巖漿熱源驅(qū)動(dòng)的深循環(huán)流體中既包括C、H、O、N、S等穩(wěn)定元素，也包含He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn等稀有氣體。同時(shí)，深部流體既富含Si、Al、Fe、Mn、Mg、P等主量元素，也包含V、Ni、Cr等微量元素。源自殼、幔的深部流體從盆地外部遷移到盆地內(nèi)部并與盆內(nèi)圍巖或流體發(fā)生的物理化學(xué)作用，表現(xiàn)出多種多樣的有機(jī)—無機(jī)相互作用形式。這些深部物質(zhì)和能量不但影響盆地中油氣的資源規(guī)模與聚集效率，而且還對(duì)盆地中多種戰(zhàn)略性的共、伴生的資源形成、富集產(chǎn)生顯著的影響，如非生物氣、氦氣、干熱巖等。這些資源對(duì)國家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和人民生活起著重要的作用。

隨著國內(nèi)外對(duì)深部地質(zhì)資源的勘探開發(fā)逐漸取得了一系列的重大突破和發(fā)現(xiàn)，關(guān)于深層地質(zhì)作用的研究得到的關(guān)注和重視也與日俱增。國際深部碳組織(DCO)2009年開設(shè)深部能源專題(四大專題之一)，歐洲研究理事會(huì)(ERC)于2019年12月開始資助深部碳?xì)滟Y源研究，彰顯深部油氣資源的探索仍然是國際前緣熱點(diǎn)，也是研究地球深部地質(zhì)過程的重要內(nèi)容。根據(jù)《2014—2015年深層油氣地質(zhì)學(xué)科發(fā)展報(bào)告》，我國陸上深層石油資源量304億噸，占比28%，天然氣資源量29.12萬億方，占比52%，截至2015年底，資源探明率分別是8.8%和9.6%，深層油氣勘探程度低，勘探潛力巨大，是未來實(shí)現(xiàn)突破的重點(diǎn)領(lǐng)域，但同時(shí)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。深部地質(zhì)作用對(duì)深層油氣成藏和調(diào)整具有重要的影響，需要運(yùn)用新的理論思路結(jié)合新的技術(shù)方法對(duì)以下幾個(gè)方面的問題進(jìn)行更深入的研究和探索?？傮w攻關(guān)思路為：從沉積盆地深部地質(zhì)動(dòng)力演化入手，圍繞深部地質(zhì)過程與資源效應(yīng)這一核心科學(xué)問題，選擇深部流體活躍的典型盆地為解剖對(duì)象，揭示深部層系物理化學(xué)作用機(jī)理，闡明不同深部地質(zhì)過程對(duì)不同類型資源(油氣、H2、CO2、He、地?zé)峒案蔁釒r)形成與聚集的控制機(jī)制，探索深部資源新領(lǐng)域。未來的主要攻關(guān)方向包括但不限于以下幾個(gè)方面：

3.1 深部地質(zhì)動(dòng)力學(xué)背景與地質(zhì)作用機(jī)制研究

針對(duì)新生代受深大斷裂影響的盆地和古老克拉通盆地，明確不同構(gòu)造體制下的深部地質(zhì)作用類型；明確制約盆地深部物質(zhì)與能量傳輸?shù)纳畈縿?dòng)力學(xué)過程與機(jī)制，以及在不同地質(zhì)背景下表現(xiàn)出的差異性，尤其是對(duì)于深大斷裂的區(qū)域構(gòu)造樣式、大地構(gòu)造屬性、形成時(shí)代、演化特征、動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行深入討論，以探究深部斷裂活動(dòng)、巖漿活動(dòng)等深部地質(zhì)作用與深部殼?；顒?dòng)的關(guān)聯(lián)，及其對(duì)盆地的改造效應(yīng)和改造機(jī)制；明確控制深部物質(zhì)和能量向盆地輸入的構(gòu)造幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征。開展深部物質(zhì)和能量向盆地輸入的物理模擬和數(shù)值模擬，探討盆地深層—超深層溫壓場和物質(zhì)對(duì)油氣及共伴生資源成藏、富集的影響。

3.2 深層生烴動(dòng)力學(xué)與生烴量定量研究

開展深部流體—巖石相互作用下烴源巖生烴仿真模擬實(shí)驗(yàn)，明確各種深層高溫高壓條件下生、排、滯、散烴機(jī)制。通過富氫流體(H2O、H2)與高演化烴源(干酪根、瀝青)催化生烴實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，探索深部富氫流體參與下有機(jī)—無機(jī)復(fù)合生烴機(jī)理，對(duì)盆地中富氫流體的來源和形成機(jī)制進(jìn)行深入探討。同時(shí)，分析生烴模擬產(chǎn)物的地球化學(xué)特征，厘定加氫生烴機(jī)理，建立地球化學(xué)鑒別指標(biāo)。定量分析深部富氫流體對(duì)古老高演化烴源加氫生烴貢獻(xiàn)，重新認(rèn)識(shí)、評(píng)價(jià)我國重點(diǎn)深層油氣資源潛力。

3.3 深層儲(chǔ)層發(fā)育與保持機(jī)理研究

探索深部流體沿深大斷裂、不整合面和輸導(dǎo)層自深部向淺部運(yùn)移過程中Ca、Mg、Si等組分活化遷移機(jī)制，闡釋熱液溶蝕、白云巖化、硅化等儲(chǔ)層發(fā)育機(jī)理和模式。通過針對(duì)高溫高壓條件下儲(chǔ)層成巖作用的物理模擬和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，揭示富含CO2、H2S等不同熱液流體參與下儲(chǔ)層中方解石、白云石、長石等溶蝕—沉淀機(jī)制；明確不同礦物 “溶蝕窗”(高溶蝕率優(yōu)勢深度范圍)溫度、壓力和流體介質(zhì)條件；明確高溫高壓流體—巖石相互作用對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育與保存的控制機(jī)理。通過成巖礦物流體溯源與定年研究，厘定成巖流體的階段性演化規(guī)律，分析各期次成巖礦物的形成時(shí)間與區(qū)域應(yīng)力場方向及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系，建立深層儲(chǔ)層評(píng)價(jià)與預(yù)測方法。

3.4 深層油氣運(yùn)移與聚集機(jī)理研究

結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化背景、古地溫場和沉積埋藏史恢復(fù)結(jié)果，明確油氣轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵時(shí)期和基本規(guī)律。開展深部異常熱事件和深埋過程對(duì)油氣相態(tài)轉(zhuǎn)化和液態(tài)油保存的控制機(jī)理研究，通過深層油氣運(yùn)移動(dòng)力學(xué)物理與數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步明確深層油氣運(yùn)移輸導(dǎo)體系和主要?jiǎng)恿?。開展深層溫壓場預(yù)測與古溫壓場恢復(fù)技術(shù)研究，有效預(yù)測深層油氣相態(tài)。開展典型深層油氣成藏過程解剖，恢復(fù)油氣生成與運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)過程。建立深部地質(zhì)作用活躍區(qū)針對(duì)性的地質(zhì)分析與目標(biāo)評(píng)價(jià)方法。

3.5 深層共伴生資源差異性富集機(jī)理研究

開展深部構(gòu)造動(dòng)力環(huán)境、深部地質(zhì)過程、深部流體屬性、資源類型與富集程度等多方面的綜合對(duì)比分析，揭示不同類型資源在盆內(nèi)富集的深部地質(zhì)過程及其差異性富集機(jī)理。開展深部流體示蹤與深部有機(jī)—無機(jī)相互作用模擬研究，明確深部地質(zhì)作用對(duì)He、CO2、H2、地?zé)峒案蔁釒r等資源形成和富集的影響機(jī)制；明確資源潛力、分布規(guī)律和有利區(qū)帶，建立預(yù)測與評(píng)價(jià)方法體系。

我國不同沉積盆地具有不同的深部構(gòu)造環(huán)境和深部地質(zhì)作用過程，其深部流體特征及對(duì)油氣資源富集成藏影響也因而具有顯著的差異性。通過開展深部地質(zhì)作用過程與資源效應(yīng)方面的研究，探索深部地質(zhì)作用對(duì)沉積盆地中多類型資源形成與分布的控制機(jī)制，闡明深部流體攜帶物質(zhì)與能量的成藏效應(yīng)和資源潛力。通過攻關(guān)，不但能夠豐富完善深部流體影響下盆地油氣形成和聚集理論與評(píng)價(jià)方法，而且為深部其他戰(zhàn)略性資源(非生物氣、氦氣和干熱巖)的評(píng)價(jià)與勘探提供科學(xué)依據(jù)。