跨圈层油气系统与石油地质学发展新方向

doi:10.13745/j.esf.sf.2025.8.100

地学前缘 ›› 2025, Vol. 32 ›› Issue (5): 205-219.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.8.100

跨圈层油气系统与石油地质学发展新方向

陶士振¹(), 杨怡青¹^,^*(), 张功成², 李江海³, 郭秋麟¹, 刘祥柏¹, 陈悦¹^,^*()

1.中国石油勘探开发研究院, 北京 100083
2.中国海油南海油气能源院士工作站, 海南海口 570300
3.北京大学, 北京 100091

收稿日期:2023-08-29 修回日期:2023-12-05 出版日期:2025-09-25 发布日期:2025-10-14
通信作者: 杨怡青,陈悦
作者简介:陶士振(1966—),男,教授级高级工程师,博士生导师,主要从事岩性地层油气藏、非常规油气及氦气地质研究与综合评价工作。E-mail: tsz@petrochina.com.cn
基金资助:
中国石油天然气集团有限公司关键核心技术攻关项目(2021ZG13);国家自然科学企业创新发展联合基金项目(U24B2016)

The trans-spheric petroleum system and the new development direction of Petroleum Geology

TAO Shizhen¹(), YANG Yiqing¹^,^*(), ZHANG Gongcheng², LI Jianghai³, GUO Qiulin¹, LIU Xiangbai¹, CHEN Yue¹^,^*()

1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China
2. CNOOC South China Sea Oil and Gas Energy Academician Workstation, Haikou 570300, China
3. Peking University, Beijing 100091, China

Received:2023-08-29 Revised:2023-12-05 Online:2025-09-25 Published:2025-10-14
Contact: YANG Yiqing, CHEN Yue

摘要/Abstract

摘要：

近年来随着地质科学“三深一系统”发展战略的实施推进,地球系统演化研究推动油气地质理论创新发展,跨越地球不同圈层构造耦合作用与有机-无机复合成烃及共伴生He/H₂等稀有非烃资源是未来油气地质学科发展的重大新兴方向。基于地球系统演化与油气成藏及环境效应综合分析,提出了“跨圈层油气系统”,指出了未来《石油天然气地质学》创新发展趋势:一是未来油气地质学研究面临从“盆地级含油气系统”到地球圈层间“碳循环—烃转化系统”——“跨圈层油气系统”的大尺度跨越;二是面向跨越层圈构造活动不同圈层作用下的油气资源效应,聚焦深部动力学过程和圈层间物质能量作用下碳“汇—转—聚—散”循环过程轨迹线,与之对应的“成盆—成烃—成藏—环境”资源环境效应链,推动油气地质理论创新发展;三是不同圈层耦合作用触发有机-无机复合成烃,深部构造动力学机制、壳幔耦合作用、物质和能量交换促使深部富氢流体上涌侵入盆地成藏系统,引发无机-有机复合生烃和油气聚集及He/H₂共伴生稀有和非烃气体资源、地热等新资源形成和富集;四是地球演化圈层间碳循环伴随着“动力响应—物质作用—能量传输”及多成因油气资源形成和演化的同时,由于不同圈层碳释放及油气资源开发利用引起的碳排放,引发不同的气候环境效应,推动针对性评估方法技术创新,为油气开发利用和“碳中和”提供理论支撑;五是指出未来油气地质学科发展及重大领域基础研究发展方向:①跨圈层构造演化与盆地充填机制;②壳幔耦合作用下有机-无机复合生烃与伴生资源形成;③深部物质能量作用与油气运移聚集机理;④油气开发利用与碳中和理论技术。研究成果将为未来“石油天然气地质学”学科发展战略和油气产业发展方向奠定理论基础。

关键词: 地球跨圈层构造, 圈层耦合作用, 跨圈层油气系统, 有机-无机复合成烃, 共伴生资源, 石油地质学发展方向

Abstract:

The study of Earth system evolution drives innovation in oil and gas geology theories, and the coupling of cross-sphere tectonics and organo-inorganic hydrocarbon generation and associated rare gases (e.g., helium [He], hydrogen [H₂]) represents a major emerging direction for the discipline in the future. Based on integrated analysis of Earth system dynamics, hydrocarbon generation, and environmental effects, this study proposes the future development innovation trend of the petroleum geology: (1) The future research on oil and gas geology is facing a large-scale shift from “petroleum system” within the basins to “cross-sphere petroleum systems” (i.e., “carbon cycle-hydrocarbon transformation systems” across Earth's spheres); (2) Research focused on oil and gas resources effects under multi-sphere tectonic activities, emphasizing the carbon cycle trajectory converge-transform-accumulate-disperse cycle process driven by deep dynamic processes and inter-sphere material-energy fluxes, as well as the corresponding resource-environmental chain of “basin formation-hydrocarbon generation-reservoir formation-end utilization”; (3) The coupling of different spheres facilitates organo-inorganic hydrocarbon generation, and the deep tectonic dynamics, crust-mantle interactions, and material-energy exchanges drive upwelling of deep-sourced H₂-rich fluids into the basin reservoir-accumulation system, enabling the generation, accumulation and enrichment of organo-inorganic hydrocarbon and associated rare non-hydrocarbon gases (e.g., He, H₂); (4) The Earth’s inter-sphere carbon cycle is accompanied by the “kinetic response-material interaction-energy transfer” and multi-genesis hydrocarbon evolution. Concurrently, the carbon release from different spheres and carbon emissions caused by oil-gas resource development and utilization facilitate different climate-environmental effects, this study promotes the innovation of targeted assessment methods and technologies, providing theoretical support for oil-gas development and utilization as well as “carbon neutrality”. (5) This study proposes that the future development and major research direction of “Petroleum Geology” field: 1) Evolution of cross-sphere tectonics and basin dynamics; 2) Organo-inorganic hydrocarbon generation and co-resources under crust-mantle coupling generation under crust-mantle coupling; 3) Deep material-energy interaction and hydrocarbon migration- accumulation mechanism; 4) Hydrocarbon utilization and carbon-neutral technologies. These findings will lay a theoretical foundation for the disciplinary development strategy of petroleum geology and the development direction of the energy industry in the future.

Key words: trans-layer tectonics, layer coupling, trans-layer petroleum system, organic-inorganic composite hydrocarbon formation, co-associated non-hydrocarbon resources, development direction of petroleum geology

中图分类号:

陶士振, 杨怡青, 张功成, 李江海, 郭秋麟, 刘祥柏, 陈悦. 跨圈层油气系统与石油地质学发展新方向[J]. 地学前缘, 2025, 32(5): 205-219.

TAO Shizhen, YANG Yiqing, ZHANG Gongcheng, LI Jianghai, GUO Qiulin, LIU Xiangbai, CHEN Yue. The trans-spheric petroleum system and the new development direction of Petroleum Geology[J]. Earth Science Frontiers, 2025, 32(5): 205-219.

图/表 16

参考文献 46

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序号	地球“碳循环-油气资源”效应				“石油天然气地质学”学科发展
	“碳循环”轨迹线		“资源环境”效应链		“石油天然气地质学”学科发展
	轨迹线	科学问题	效应链	科学问题	关键内容	面临挑战	重点方向
1	“汇”	跨圈层构造作用与碳汇过程及富有机质岩石形成	“成盆”	跨圈层构造协同演化,多圈层耦合机制碳汇过程与富有机质岩石形成机理	①跨圈层构造演化与圈层耦合作用过程; ②盆地碳汇过程与富有机质岩石形成机理。	跨圈层构造和圈层耦合作用下的盆地碳汇过程与富有机质优质页岩形成控制因素的多元化	跨圈层构造演化与盆地充填机制
2	“转”	不同圈层耦合作用下碳转化成烃机理与多成因油气资源形成	“成烃”	深部动力学过程与物质能量交换对油气形成的控制作用,碳转化成烃过程与油气及伴生资源的形成	①深部动力学过程中物质能量交换与无机-有机复合生烃机理; ②不同圈层耦合作用下多成因油气及He/H₂伴生资源形成与分布。	深部动力学过程与壳幔物质能量交换传递作用下有机碳转化成烃机理与油气及He/H₂伴生资源的形成与分布的复杂性	有机-无机复合生烃与伴生资源
3	“聚”	深部“动力—物质—能量”作用下运移聚集机理、分布规律与资源效应	“成藏”	跨圈层构造演化过程与壳幔物质能量交换传递作用下油气运移聚集机理、贫富差异性和规律性	①深部物质能量作用下油气聚集贫富差异性和规律性; ②油气富集机理、分布规律与资源效应。	跨圈层构造演化过程与壳幔物质能量交换传递作用下多尺度油气运聚富集机理、分布规律与资源效应的特殊性	深部物质能量作用与油气运移聚集
4	“散”	碳循环和碳排放对气候环境响应机制	“环境”	跨圈层构造作用下地球外圈物质转换过程中碳循环、碳排放和气候环境的影响与调节机制	①盆地有机碳循环模拟技术及软件研发; ②多圈层多成因碳排放量估算方法及其对气候环境响应机制及评价方法。	盆地有机碳循环评价方法和多圈层碳排放对气候环境响应机制的复杂性及评价模型,油气碳中和战略决策的艰巨性	油气开发利用与碳中和理论技术

序号	地球“碳循环-油气资源”效应				“石油天然气地质学”学科发展
	“碳循环”轨迹线		“资源环境”效应链		“石油天然气地质学”学科发展
	轨迹线	科学问题	效应链	科学问题	关键内容	面临挑战	重点方向
1	“汇”	跨圈层构造作用与碳汇过程及富有机质岩石形成	“成盆”	跨圈层构造协同演化,多圈层耦合机制碳汇过程与富有机质岩石形成机理	①跨圈层构造演化与圈层耦合作用过程; ②盆地碳汇过程与富有机质岩石形成机理。	跨圈层构造和圈层耦合作用下的盆地碳汇过程与富有机质优质页岩形成控制因素的多元化	跨圈层构造演化与盆地充填机制
2	“转”	不同圈层耦合作用下碳转化成烃机理与多成因油气资源形成	“成烃”	深部动力学过程与物质能量交换对油气形成的控制作用,碳转化成烃过程与油气及伴生资源的形成	①深部动力学过程中物质能量交换与无机-有机复合生烃机理; ②不同圈层耦合作用下多成因油气及He/H₂伴生资源形成与分布。	深部动力学过程与壳幔物质能量交换传递作用下有机碳转化成烃机理与油气及He/H₂伴生资源的形成与分布的复杂性	有机-无机复合生烃与伴生资源
3	“聚”	深部“动力—物质—能量”作用下运移聚集机理、分布规律与资源效应	“成藏”	跨圈层构造演化过程与壳幔物质能量交换传递作用下油气运移聚集机理、贫富差异性和规律性	①深部物质能量作用下油气聚集贫富差异性和规律性; ②油气富集机理、分布规律与资源效应。	跨圈层构造演化过程与壳幔物质能量交换传递作用下多尺度油气运聚富集机理、分布规律与资源效应的特殊性	深部物质能量作用与油气运移聚集
4	“散”	碳循环和碳排放对气候环境响应机制	“环境”	跨圈层构造作用下地球外圈物质转换过程中碳循环、碳排放和气候环境的影响与调节机制	①盆地有机碳循环模拟技术及软件研发; ②多圈层多成因碳排放量估算方法及其对气候环境响应机制及评价方法。	盆地有机碳循环评价方法和多圈层碳排放对气候环境响应机制的复杂性及评价模型,油气碳中和战略决策的艰巨性	油气开发利用与碳中和理论技术

异同点		“盆地级含油气系统”	“跨圈层油气系统”
共性	概念内涵	具有从源岩到圈闭的相同/相似的时空界域
	静态要素	具有生、储、盖、圈相同类别静态要素
	动态过程	具有烃类生成、运移、聚集、成藏和调整的相似动态作用过程
区别	空间范围	盆地内部	跨越圈层
	成盆作用	盆山耦合	圈层耦合
	成烃作用	有机质热演化	深部物质能量作用+有机质热演化
	油气成因	有机成因为主	有机、无机、有机-无机复合成因
	成藏作用	圈闭中油气聚集	附加圈层间(深部)物质能量作用
	后期调整	盆地构造演化	圈层相互作用、盆地构造演化

异同点		“盆地级含油气系统”	“跨圈层油气系统”
共性	概念内涵	具有从源岩到圈闭的相同/相似的时空界域
	静态要素	具有生、储、盖、圈相同类别静态要素
	动态过程	具有烃类生成、运移、聚集、成藏和调整的相似动态作用过程
区别	空间范围	盆地内部	跨越圈层
	成盆作用	盆山耦合	圈层耦合
	成烃作用	有机质热演化	深部物质能量作用+有机质热演化
	油气成因	有机成因为主	有机、无机、有机-无机复合成因
	成藏作用	圈闭中油气聚集	附加圈层间(深部)物质能量作用
	后期调整	盆地构造演化	圈层相互作用、盆地构造演化

地区/气田	样品类型/岩石名称	气体组分含量/%
地区/气田	样品类型/岩石名称	H₂	CH₄	H₂O	N₂	O₂	Ar	CO₂
Philippine Islands	火成岩	41.4	52.6		5.5	0.5
Nishna-Tagil’sk		66.5	9.5		20.7	3.3	0.2
Hawqayn		45	3.2		43	9		15.5
21°N, East Pacific		52.46	0.86		41.45		0.52	4.71
Webster County	中大陆裂谷系	96.3	0.1		3.5
Webster County		34.7	0.03	2.1	61.0	4.6	1.1	0.2
kansas		29.6	0.6	0	67.7	4.6	0.7	0.01
Lubina Region	沉积物和沉积岩	73.1	0.43		26.5
Washtenaw County		26	69		3.6	0.8		0.6
Stavropol		27.3	51		20.3	0.8		0
Mulhausen		61.5	22.5		14.3			1.6
Mali	气井	97.4	1.3		1.2	0		0.04
山东信阳	S15-2/碱性橄榄玄武岩	11.4	11.7	29.0				47.9
山东高青	S4-2/石英拉斑玄武岩	28.0	10.9	32.0				54.3

跨圈层油气系统与石油地质学发展新方向

The trans-spheric petroleum system and the new development direction of Petroleum Geology

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本文评价

项别	油气地质学科发展趋势与展望
指导思想	“三深一系统”→盆地级含油气系统→多圈层耦合大油气系统
学科内涵 (研究对象)	含油气系统→复合含油气系统→全含油气系统→跨圈层油气系统
学科外延	5个并重(兼顾):油气主体资源/共伴生资(能)源、中浅层/深层超深层、单圈层/多圈层、地内圈层/地外圈层(水、气、生物)、有机成因/无机成因
空间尺度	地壳表层(盆地系统:中浅层→深层超深层/万米)→深部地壳→软流圈→地幔
跨圈层构造	板块俯冲、深大断裂、地幔柱(大火成岩省)、洋中脊
圈层作用	深部过程与圈层耦合作用:动力作用、物质作用、能量作用
油气成因	有机成因、无机成因、有机-无机复合成因
油气演化	油气形成演化:不同圈层作用下成盆、成烃(生烃、催烃、增烃)、成储、成藏
资源类型	油气资源+共伴生资源(He、H₂、U、Li等)+新能源(热能、水能、风能等)
勘查技术	实验室分析与模拟技术→地球物理与随钻实时动态探测检测技术→深地探测系列综合技术(重磁电震、测井、遥感、化探等)