0 引言
超深层油气勘探面临独特的地质条件。超深层的地层时代老，岩性包括碳酸盐岩、火成岩、碎屑岩和变质岩，生物组合以低等生物为主。超深层地层历经长期演化，构造历史复杂，盆地原型或原貌难以复原[2-3]，现今处于高温、高压状态，因靠近盆地基底，基底断裂作用与深部流体活动对其有重要影响，深部流体富含H2S、CO2等酸性气体，致使流体-围岩之间相互作用强烈[1,7 -8]，成烃和成储机制多样[8-9]，流体相态受热演化、高压制约变化较大，成藏过程复杂。这些地质条件对超深层油气的形成、聚集与分布产生了深刻影响[1,9⇓⇓⇓ -13]，也对油气勘探开发带来了严峻挑战[14⇓⇓⇓⇓⇓⇓-21]。如何理解超深层的特殊地质环境?在超深层环境之下油气的形成、运移与聚集经历了怎样的地质过程?油气藏形成之后又发生哪些事件才最终成为现今所见的赋存状态?超深层油气分布有什么规律可循?
本文基于超深层油气勘探近年来取得的主要进展和重要发现，从成盆、成烃、成储、成藏全链条的角度来讨论超深层地质环境下油气的形成与赋存规律，提出超深层油气勘探的关键问题，以期引发科研人员对超深层油气普适性与特殊性问题的思考，为超深层油气勘探研究提供技术支撑。
1 全球超深层油气勘探现状与中国超深层勘探潜力
1.1 全球超深层油气勘探现状
逾万米的深层钻探始于20世纪70年代。前苏联的科拉3井，1970年开钻，1993年钻至井深12 262 m完钻，为目前世界最深垂直钻井，该井已成为一个永久的入地观测实验室。2022年10月，阿联酋完钻的UZ-688井，井深达15 240 m，为世界最长钻井。50年来全球累计完成万米井67口（直井27口，大位移井40口）。
全球超深层油气勘探开发取得了重要进展。截至2023年3月，垂深大于8 000 m的油气钻井（不含单纯的科学探索井）共有453口，全部位于美国和中国，其中美国279口，中国174口。共发现52个埋深超过8 000 m的油气田，其中美国墨西哥湾深水盆地有45个，西内盆地阿纳达科坳陷1个（米尔斯兰奇气田），中国塔里木盆地有4个，准噶尔盆地和四川盆地各1个。
美国墨西哥湾深水盆地万米深层发现10×108 t级碎屑岩大油田。该盆地属于被动大陆边缘盆地，面积为44.1×104 km2，水深为200~3 310 m；发现8 000 m以深的油田45个，石油可采储量9.9×108 t、天然气可采储量784×108 m3；石油可采储量大于1 590×104 m3的油田有25个，单体规模最大的Ballymore油田储量达1.23×108 t；目前埋藏最深的Tiber油田完钻深度达10 685 m（含水深1 259 m），可采储量8 900×104 t油当量。这些油藏温度低（小于150 ℃）、压力高（压力系数为1.4）、物性好（孔隙度为15%~30%），以油为主。西内盆地阿纳达科坳陷米尔斯兰奇碳酸盐岩油气田埋藏深度为7 663~8 103 m，可采储量为365×108 m3。
近年来，中国在塔里木盆地的富满、顺北和库车、四川盆地的安岳和蓬莱、准噶尔盆地南缘等地区超深层油气勘探获得重要发现。
塔里木盆地实施“深地工程”，已经完钻160口垂深超过8 000 m的超深井。其中，碳酸盐岩勘探发现了顺北、富满2个超过10×108 t规模的油气田；碎屑岩勘探发现了储量达1×1012 m3的大北—博孜气田。中国石油化工股份有限公司（简称中国石化）的“深地1号”——顺北油气田埋深7 300~9 000 m[11,22]，垂深超过8 000 m的油气井已有50口，SB84斜井垂深达8 937.77 m，日产油气当量达1 017 t，是该油气田的第22口“千吨井”，也是目前亚洲陆上最深的千吨井；SB56X水平井侧深达9 300 m。中国石油天然气股份有限公司（简称中国石油）塔里木油田公司已完成8 000 m深井71口，8 500 m深井达11口；富满油田埋深7 500~8 500 m[5]，GL3C井完钻井深9 396 m（垂深8 057 m、温度170 ℃），为目前亚洲最深水平井。此外，LT1井垂深钻至8 882 m[6]，在埋深8 200 m的寒武系吾松格尔组获得工业油气流，油层温度162 ℃，压力90.8 MPa；TS5井垂深钻至9 017 m，为目前该盆地的最大垂深井。关于碎屑岩勘探，在库车前陆冲断带发现克深、大北和博孜等大气田，8 000 m以深的井有4口，工业气流井DB4井完钻深度为8 271 m，垂深为8 230 m。
四川盆地钻井垂深为6 000 m以深的井有142口，其中6 000~8 000 m的井有130口，8 000~9 000 m的井有12口（中国石油8口，中国石化4口）。中国石化元坝气区YS1井垂深钻至8 866 m。中国石油蓬莱万亿立方米气区的主体处于超深层[1]，PS6井垂深钻至9 026 m，井底温度为216 ℃，完钻层位为震旦系灯影组。
准噶尔盆地南缘超过8 000 m的垂深井有2口。TA1井完钻井深8 140 m，TW1井完钻井深8 166 m。TW1井完钻层位为侏罗系齐古组（J3q），在8 066~8 092 m白垩系清水河组（K1q）测试获油气当量产量885.4 m3/d，地层压力为171.80 MPa，压力系数为2.15，井底温度为170.13 ℃。
1.2 中国超深层油气勘探潜力
2 超深层油气地质勘探理论技术研究进展
2.1 超深层油气地质研究进展
沉积盆地的超深层是复杂地球系统的一部分，本文从成盆、成烃、成储、成藏的地质过程出发来探讨超深层的油气地质特征与研究进展。
2.1.1 超深层盆地多旋回演化
①中新元古代伸展-聚敛旋回：经历克拉通化后多幕裂陷沉积充填过程，主体发育“宽裂谷”型盆地。根据裂谷发育时限，可以分为3类：第1类发育在太古宇或古元古界基底之上，经历中元古代长城纪裂陷、蓟县纪—青白口纪拗陷的发育过程（见图1 ），如华北克拉通及其周缘裂谷体系，包括燕辽、白云鄂博、吕梁、熊耳、贺兰山、宁—蒙、甘—陕、晋—陕等裂谷[26]；鄂尔多斯地区中元古代裂谷盆地厚3 000~6 000 m，具典型的“盆下盆”结构。第2类发育在太古宇或古—中元古界基底之上，经历新元古代早期的裂谷作用（见图1 ），包括华北地区的燕辽、徐淮，扬子地区的浙北、赣北、湘桂、扬子北缘、康滇、四川盆地内部和塔里木地区的和田、叶城、塔北等裂谷，沉积厚度为1 000~3 000 m，伸展强度大。第3类为新元古代晚期裂陷体系（见图1 ），包括四川盆地内部裂陷体系、塔里木地区的和田、叶城、塔北等裂陷带，沉积厚度为2 000~4 000 m，具有典型的下部断陷、上部坳陷的“牛头状”结构模式。
②早古生代伸展-聚敛旋回：原特提斯洋（如商丹洋、南北阿尔金洋、祁连洋等洋盆）演化阶段（见图1 ），寒武纪—奥陶纪中国的克拉通地块基本处于南、北纬30º以内，发育碳酸盐岩沉积[27]；克拉通内构造-沉积分异控制了台缘带、台内高能礁滩带的发育。在扬子克拉通，震旦纪/寒武纪—奥陶纪经历分离台地向统一台地的演化旋回[27]。在塔里木地区，在东盆西台的整体格局下[28]，其间的台地边缘及其斜坡带经历了寒武纪向东迁移（进积）、奥陶纪向西迁移（退积）的演化，至志留纪，盆地再次演化成南、北分带结构[29]。该阶段可以划分为寒武纪—中奥陶世的伸展阶段与晚奥陶世—志留纪的挤压阶段。在华北克拉通，中奥陶统马家沟组底或寒武系顶还发育不整合（称之为怀远运动面），为一区域性不整合（见图1 ）。
2.1.2 超深层多途径成烃
原油裂解为超深层的主要气源。超深层古油藏经历长期高温深埋影响，重组分不断向轻组分转化，经历凝析油气藏到湿气藏，再到干气藏[1]。张水昌等[8,30]根据原油热裂解动力学研究，认为液态烃大量裂解的温度为190~220 ℃。受岩石圈的热结构与热导率的影响，不同盆地的地温梯度及其随地质时间的演变不同。塔里木盆地的地温梯度为18~22 ℃/km，6 000 m以深还处于“生油窗”温度范围（80~140 ℃）[32-33]。寒武系烃源岩长期处于慢速埋藏环境，直到新生代以来才快速深埋，使得约10 000 m深的地层温度仍不超过190 ℃，低于液态烃大量裂解的温度，独特的“低温高压”导致塔里木盆地8 000 m以深仍能存在大量液态烃（包括黑油、正常原油和凝析油气）[1,13]。相反，四川盆地的超深层“高温高压”，原油裂解气特征鲜明。
如图2 所示，多途径生气表现为1个连贯序列：①在生油窗内（60~150 ℃），干酪根生油，聚集形成油藏，如现今的哈拉哈塘、富满、顺北油田；②原油硫酸盐还原作用（TSR）阶段，发生的温度为150~200 ℃，比原油裂解气温度低20~30 ℃，促使高含H2S的油型裂解气生成，如普光气田、塔中凝析气田；③原油热裂解气阶段，它发生的温度在160~220 ℃，形成如四川盆地中部（简称川中）安岳气田龙王庙组气藏、蓬莱气田；④有机-无机加氢生气阶段，发生的温度在210~250 ℃，高温与深部断裂使得富氢流体为有机质生烃提供外部氢源，通过加氢反应参与有机质或烃类的裂解生气，使得有机成因天然气的深度下限镜质体反射率（Ro）值达3.5%，推测安岳气田的灯影组气藏有此贡献；⑤费托合成生气阶段，温度大于250 ℃，幔源氢或橄榄石的蛇纹石化来源氢与无机碳发生费托合成反应生成无机气，可能也是超深层的一类气源（见图2 ）。
2.1.3 超深层多类型成储
超深层碳酸盐岩优质储集层的形成受沉积、成岩与构造活动的多重控制。原始高能相带和早期白云石化是优质储集体发育的基础[3,35]，构造抬升导致的与不整合面相关的大气水岩溶作用则形成岩溶缝洞型储集层，早期物质基础与后期深埋构造流体环境是超深层碳酸盐岩储集层形成与保持的关键[3]。深层礁滩、岩溶和白云岩储集层均具有相控特点[34⇓⇓-37]，有利的相带（膏云坪、礁滩相）与有利的溶蚀带（不同级别的暴露面、断裂系统）制约储集体的分布；超深层古老碳酸盐岩储集层孔隙主要形成于沉积和表生环境[34-35]，埋藏环境为孔隙保存、富集或贫化的场所。叠层石和凝块石白云岩分布相带是微生物碳酸盐岩有利储集层发育区[36]。镶边台缘、缓坡、蒸发台地、台内洼地、大型古隆起-不整合和断裂系统控制了规模储集层的分布。
超深层还发育层间岩溶、断溶体等内幕岩溶储集层，如哈拉哈塘、富满和顺北等油气田，助推勘探由潜山区向内幕区拓展。
基岩变质岩潜山经后期裂缝、溶蚀等改造也可以成为有利储集体，如渤海湾盆地兴隆台、蓬莱19-6、蓬莱26-6等太古宇花岗片麻岩油气田。
超深层碎屑岩也存在有利储集体。如大北4气藏在8 000 m以深下白垩统巴什基奇克组砂岩孔隙度达8%，与储集层发育超压及其制约的裂缝发育密切相关。超深层页岩纳米孔较为发育，与有机质孔发育、硅质含量较高与超压赋存相关。
2.1.4 超深层油气多阶段复合成藏
超深层油气成藏受温度、压力、应力、储集空间与流体活动等多种因素的控制，表现为多期复合成藏与调整定位特征。温度控制超深层烃类相态转化，压力控制超深层盖层超压破裂，储集层岩石矿物类型影响烃类-流体-岩石相互作用及化学反应对烃类的破坏，构造作用制约深大断裂的形成演化。因此，烃类组分、成藏时间、盖层物性与断裂活动等控制超深层油气的扩散损失，进而控制烃类的垂向运移、聚集与逸散[41]。
超深层储集体的孔、渗特征和流体动力连通关系影响着油气在储集体中的流动状态，相应地决定了油气运移的动力条件、成藏的机理与过程[1,3,41]。在沉积盆地的中浅层，成藏动力主要为浮力，形成常规油气、致密油气聚集；在深层—超深层，渗透率小于0.1×10−3 μm2，低于浮力成藏下限，形成页岩油气、致密油气聚集[1]。碎屑岩层系超深层物性低于浮力成藏下限，流体处于局限的达西流动场或束缚流动场环境[1,16,42 -43]，需要人工压裂或天然裂缝改造才有工业油气流；碳酸盐岩层系的超深层因缝洞型、裂缝型等良好储集体发育，油气处于达西流动场，储集体结构非均质性强[41]，输导体系与储集体分布控制了不同尺度的成藏单元与规模性油气富集区带的赋存。
盆地多旋回叠加结构控制了油气多层系立体复式成藏。例如加里东期的川中古隆起与晚震旦世—早寒武世初期的绵阳—长宁裂陷槽呈现为垂向大角度斜向交织叠加结构，控制了中国目前最大的碳酸盐岩气田的形成[37,40,45]。川中古隆起是一个巨型的立体富气区，有利面积为2.2×104 km2，总圈闭资源量超6×1012 m3，纵向发育震旦系灯影组二段、四段（简称灯二段、灯四段）、下寒武统沧浪铺组、龙王庙组、中二叠统栖霞组和茅口组共6套规模性孔隙/洞型储集层，均已获工业气流（见图4 ）。在安岳和蓬莱气区，油气经历加里东期充注—破坏、印支晚期充注—裂解—调整的成藏过程。蓬莱气区具断层-岩性控圈、立体成藏、复式聚集的特征[34,45-46]（见图4 ），表现为源-断-储三元耦合成藏模式。
在塔里木盆地，因低地温和超压地质环境[32-33]，轻质油与凝析油丰富[1-2]，其赋存下限超过了10 000 m深度。油气相态模拟表明，LT1井8 260 m深的吾松格尔组白云岩储集层中的轻质油是下寒武统玉尔吐斯组烃源岩在相对封闭且热演化程度较高（1.0%<Ro<1.5%）的地质条件下的生烃产物[13,47]，生成于晚喜马拉雅期[47]。顺北—富满地区，奥陶系超深层发育断控缝洞型油气成藏模式，走滑断裂带具有“控储、控圈、控运、控藏、控富”五位一体特征，油藏埋深大，油气柱高度大于510 m，富集规模受储集体规模及其连通程度控制。顺北—塔北地区玉尔吐斯组主力烃源岩燕山期以后仍处于规模生液态烃-天然气阶段，油气晚期调整成藏，形成了富满和顺北2个10×108 t级的油气聚集区/带。
综上所述，中国超深层油气地质理论研究进展主要体现在5个方面：①从成盆角度看，中新元古代伸展-聚敛旋回与早古生代伸展-聚敛旋回形成了克拉通内裂陷与坳陷盆地的组合，其所控制的构造-沉积分异产生了烃源岩-储集体间列的源-储组合；②从成烃角度看，地温梯度的高低控制了热演化、原油裂解成气，深层H2S、H2、CO2参与的特殊地质环境生成了多种成因类型的天然气，低地温背景、晚期快速深埋条件下超深层还可以有轻质油赋存；③从成储角度看，碳酸盐岩储集性能受早期高能滩体、后期叠加溶蚀及断裂作用的共同控制，基底变质岩、碎屑岩发育裂缝性储集体，碎屑岩还发育纳米—微米尺度的孔隙性储集体，受超压系统的控制较明显；④从成藏角度看，中国海相超深层普遍经历了2期原油成藏、古油藏裂解成气或部分裂解成气、裂解气或高—过成熟油气晚期定型等演化阶段，多期复合成藏、晚期调整定位具有普遍性；⑤从油气分布看，克拉通内裂陷周缘、克拉通内坳陷周缘和克拉通边部台缘带为主要油气富集区，沿大不整合（寒武系底、石炭系或二叠系底等）、大型断裂带形成油气富集区/带。主力生烃中心、高能相带叠加岩溶的规模储集层、巨厚膏盐岩或泥页岩盖层、稳定保持的圈闭条件是超深层油气富集的关键因素[37,40,48⇓⇓⇓⇓ -53]。超深层全油气系统环境下，以非常规油气聚集占主导[1,37,43]，大型成藏地质单元与规模富集区带是有利的勘探区带。
2.2 超深层油气勘探技术研究进展
在地震方面研发了“两宽一高”地震采集技术，提升了超深层储集层成像准确度以及断裂、裂缝、缝洞储集层识别的可靠性[11]。储集层成像是指将叠前速度和储集层属性反演统一纳入地震成像处理范畴，在前期“双高处理”即高精度静校正和近地表吸收补偿（包括地表一致性处理）+高保真去噪及岩石物理分析的基础上，进行多参数全波形反演成像（包括叠前储集层属性、岩性、物性与含油气性反演）；目标是面向米级复杂储集层的空间结构信息（层位、层序、微断层、沉积微相信号）和物性、含油气性信息进行地震地质表征，使地震处理成果能够直接反映油气储集层的空间变化，即“地震储集层成像”。
“超深层储集层立体成像”和“缝洞体精细雕刻”技术成为“顺北地区深地工程推动超深层实现突破”的关键技术。利用超深断控缝洞体垂直地震剖面法（VSP）井控约束速度建模、角度域特征波场成像等技术在1.4× 104 km2的地震资料处理中[54]，走滑断裂断距识别精度由30 m提升到15 m，裂缝洞穴型储集层成像识别精度由宽度60~80 m提升到30~40 m，应用这些技术已经成功部署上百口井，建成了顺北地区超200×104 t产能区。
在钻、完井方面，研发国际首台9 000 m四单根立柱钻机、研制耐温超过200 ℃的超高温高密度钻井液，实现了8 000 m以深储集层的精确中靶。深井自动化钻机、旋转导向、高效的PDC（聚晶金刚石复合片）钻头、高温螺杆、超高温钻井液与防漏堵漏、大管径/高钢级膨胀管、高温高压试油完井工具、深井连续管装备等一批关键核心技术持续突破，钻完井安全、速度与效率不断提升[55]。深地工程——顺北油气田基地形成特深层安全高效钻井关键技术体系，应用钻井提速、轨迹控制等关键技术，采用致密封堵防漏堵漏技术和微纳米成膜井壁稳定技术，有效实现特深层安全高效钻井关键技术集成和创新应用，大幅提高钻井效率，降低复杂故障，有效保障了钻井顺利施工。
实施地质-物探-工程一体化全链条、多专业协同攻关，形成顺北超深层高产井“七要素”建井关键技术，即“断裂解析建模型、缝洞描述选靶区、空间雕刻定规模、结构表征识连通、轨迹优选增动用、优快成井精中靶、分类改造提产能”[11]，推动顺北油气田持续获得高产。
3 超深层油气勘探领域亟待深入研究的关键问题
3.1 高温高压环境下的油气地质条件与分布规律
已有的理论认识揭示了超深层地质条件复杂变化的特点，超深层仍然是一个需要探索的新的领域[1⇓-3,11,55]。目前的主要问题如下：在超深层高温高压条件下，岩石力学行为变化，地质构造特征、类型与变形规律因地震分辨率与钻探深度限制还未有清晰认识；超深层油气来源具有多元性，多元复合成烃机理、排烃-滞烃机理不甚明晰；深埋过程中碳酸盐岩、碎屑岩趋于致密化，优质储集层形成条件复杂，构造活动及其深部流体的演化对有效储集体的形成机制有待深入；断裂、裂缝与储集体的结构非均质性等对流体输导、运移的作用机制还未被有效揭示[41]；多期构造作用下封盖层的时效性与动态封盖机理不清；超深层油气藏大多经历了复杂的成藏演化与后期调整改造过程，地幔流体和深部物质对油气成藏的作用与贡献需要研究[6-7]；油气藏类型与油气富集分布规律需要进一步认识。超深层勘探已突破以往资源评价下限，全油气系统理论框架下的油气资源潜力亟待进一步落实[34]。
3.2 成藏地质单元与规模富集区带的预测方法
超深层效益勘探应主要立足斜坡带、台缘礁滩相带、孔隙性白云岩、规模性断裂带、裂缝区等大型成藏地质单元，这些单元的构造、成藏演化与定型定位过程复杂，对其进行四维厘定面临边界、结构与成因描述难点。而锁定规模性油气富集区带则是勘探方向的更高要求，需要在理论基础与预测技术方面大力攻关。
3.3 油气勘探的关键技术与装备
4 结论
全球超深层油气勘探已发现52个埋深超过8 000 m的油气田，主要分布在美国墨西哥湾深水盆地、中国塔里木盆地、四川盆地与准噶尔盆地。中国油气勘探开发已逐渐进入万米深地空间。超深层油气资源占剩余总资源量的33%，为中国重要接替领域。
超深层具有独特的油气地质条件，是今后油气勘探的接替领域。中新元古代和早古生代的伸展-聚敛旋回控制了华北、扬子和塔里木3个克拉通盆地的形成及烃源岩、储集体的分布与源-储组合；天然气成因类型多样，在低地温场与高压背景下超深层有轻质油聚集；发育岩溶缝洞型、断溶型、断控缝洞型等多种成因类型的规模性碳酸盐岩储集体，以及超压控制的孔隙型碎屑岩和裂缝型变质岩等储集体，非均质性强；油气多期复合成藏，晚期调整定位，油气分布受台缘高能滩带、区域不整合、古隆起与大型断裂带等的控制。大型成藏地质单元与规模富集区带是超深层下一步油气勘探的主要方向。
超深层高温高压环境下油气地质条件与分布规律，超深层勘探目标的地质类型、大型成藏地质单元与规模富集区带的预测方法，超深层油气勘探相配套的关键技术与装备是下一步攻关的重点方向。