《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》課程教學(xué)改革探索

孫明亮 柳廣弟 劉成林 李平平

摘要：作為近十年來(lái)油氣勘探的熱點(diǎn)，關(guān)于非常規(guī)油氣地質(zhì)的課程在各地質(zhì)類高校廣泛開(kāi)設(shè)。現(xiàn)行的非常規(guī)油氣地質(zhì)教學(xué)體系大多以油氣資源類型展開(kāi)。該教學(xué)體系利于講、便于擴(kuò)展，但系統(tǒng)性不足、內(nèi)容交叉重疊。針對(duì)這一不足，結(jié)合近年來(lái)《石油地質(zhì)學(xué)》的教學(xué)科研進(jìn)展，對(duì)《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》課程體系開(kāi)展了梳理，教學(xué)內(nèi)容和重點(diǎn)進(jìn)行了厘定。以非常規(guī)油氣資源獨(dú)特的運(yùn)聚動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，設(shè)立非常規(guī)油氣聚集理論部分作為總論；各論部分沿襲原體系中類型為主導(dǎo)，突出了各非常規(guī)油氣資源類型形成條件與聚集規(guī)律的論述，增加了不同類型非常規(guī)油氣資源量的評(píng)價(jià)與計(jì)算方法論。經(jīng)過(guò)教學(xué)體系的調(diào)整，總論部分的講授將增強(qiáng)非常規(guī)油氣聚集的理論特質(zhì)，資源量評(píng)價(jià)與計(jì)算的內(nèi)容則增強(qiáng)了該課程的實(shí)踐性，與此同時(shí)，最大程度保留了原體系中不同非常規(guī)油氣資源類型相對(duì)獨(dú)立的特性，便于針對(duì)性的學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：非常規(guī)油氣；教學(xué)體系；教學(xué)內(nèi)容

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）03-0128-04

作為資源勘查工程專業(yè)的專業(yè)選修課，《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》已經(jīng)在中國(guó)石油大學(xué)（北京）開(kāi)設(shè)了近十年。在課程開(kāi)設(shè)之初，課程體系參照了美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）公開(kāi)的資料，以烴類相態(tài)為原則，分門別類地介紹了非常規(guī)油（包括油頁(yè)巖、油砂和重油瀝青）和非常規(guī)天然氣（包括盆地中心氣，煤層氣，頁(yè)巖氣，天然氣水合物）二大類六種非常規(guī)油氣資源類型[1，2]。每種資源類型分別介紹其基本特征、資源條件及分布規(guī)律等。通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了非常規(guī)油氣資源的基礎(chǔ)知識(shí)、拓展了油氣勘探的知識(shí)結(jié)構(gòu)，為今后的工作或進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

隨著課堂教學(xué)的深入，《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》課程的優(yōu)點(diǎn)與不足逐漸凸顯。結(jié)合非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)工作的進(jìn)展，關(guān)于非常規(guī)油氣資源的理論、方法和技術(shù)也有了迅猛的發(fā)展[3-5]。因此，《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》教學(xué)體系亟待更新。本文從總結(jié)該課程的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)及不足出發(fā)，比對(duì)經(jīng)典《石油地質(zhì)學(xué)》[6.7]的優(yōu)勢(shì)，提出了對(duì)《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》課程的教學(xué)體系優(yōu)化的建議。

一、課程特點(diǎn)

作為傳統(tǒng)《石油地質(zhì)學(xué)》的延伸，《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》有其鮮明的特點(diǎn)：

1.以類型為主導(dǎo)。盡管學(xué)界對(duì)非常規(guī)油氣資源的認(rèn)識(shí)很早[2]。但是對(duì)其系統(tǒng)研究是近十年來(lái)才開(kāi)展的。有甚者，不同類型的非常規(guī)油氣資源幾乎是相互獨(dú)立的開(kāi)展研究。這導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外的教材多以資源類型為主線編寫(xiě)[1，3-5]。每一類型單獨(dú)成章或節(jié)，平行介紹，相互獨(dú)立。通常分為油頁(yè)巖、油砂或重油、致密（油）氣、頁(yè)巖（油）氣以及天然氣水合物等幾個(gè)章節(jié)。

2.以油氣系統(tǒng)為框架。所有類型中講述均涉及生烴、充注與運(yùn)移和聚集這三個(gè)油氣成藏的核心內(nèi)容。各自介紹其生成運(yùn)移聚集特征，其中突出每種類型的典型特征。如頁(yè)巖油氣中的納米孔隙、煤層氣中生氣母質(zhì)與生氣機(jī)理、以及吸附氣理論；致密油氣中的動(dòng)力-動(dòng)態(tài)封閉機(jī)理（或水鎖）等；油頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)力與保存的關(guān)系等等。

3.內(nèi)容涵蓋多，涉及面廣。非常規(guī)油氣資源課程上講述的油氣資源類型通常有7～9種；每一種類型講授的內(nèi)容即包含油氣勘探地質(zhì)內(nèi)容，又可能涉及地球物理方法（如致密地層含油性的測(cè)井評(píng)價(jià)等）、油氣資源開(kāi)發(fā)方法（如油頁(yè)巖油的采出等）及工程技術(shù)（如頁(yè)巖氣的水平井與水力壓裂開(kāi)采等）。

4.經(jīng)濟(jì)性（時(shí)代性）明顯。非常規(guī)油氣資源很早就被人們所認(rèn)知，但對(duì)其系統(tǒng)研究以及開(kāi)發(fā)利用均受到經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的決定，故具有鮮明的時(shí)代性特征。不同時(shí)代中，人們所關(guān)注的非常規(guī)類型有所不同。如開(kāi)發(fā)成本低的有油頁(yè)巖在19世紀(jì)早期就得到了重視，取得了一大批的研究成果，但隨著開(kāi)發(fā)環(huán)境成本的限制，研究工作迅速處于停滯狀態(tài)。煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)也存在類似的情況。近期最顯著的例子是“頁(yè)巖氣革命”隨著2014年開(kāi)始的低油價(jià)而處于“冷靜期”。

《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》鮮明的特點(diǎn)使其在教學(xué)過(guò)程中具備以下優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)1：以類型為主導(dǎo)的體系使得每一種類型的非常規(guī)油氣資源具有獨(dú)立性，教師在教學(xué)活動(dòng)中可以靈活安排，各章節(jié)之間不存在相互鉗制。教學(xué)期間也便于學(xué)生依據(jù)興趣或者研究方向開(kāi)展針對(duì)性的學(xué)習(xí)。

優(yōu)點(diǎn)2：以油氣系統(tǒng)為框架的授課思路，強(qiáng)調(diào)了每一種非常規(guī)油氣資源各自形成的完整地質(zhì)要素與地質(zhì)過(guò)程。這種模塊化的教學(xué)體系令非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)具有相當(dāng)?shù)拈_(kāi)放性。隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)與理論的進(jìn)展，新的理論、方法“對(duì)號(hào)入座”，可達(dá)到“即插即用”的效果，便于教學(xué)內(nèi)容的快速更新。

優(yōu)點(diǎn)3：非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)涉及勘探、開(kāi)發(fā)多個(gè)學(xué)科門類。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生開(kāi)闊視野，拓展知識(shí)層次，掌握油氣勘探開(kāi)發(fā)多領(lǐng)域的知識(shí)，為今后進(jìn)一步的工作或者學(xué)習(xí)提供“著力點(diǎn)”。

優(yōu)點(diǎn)4：緊跟時(shí)代前沿，掌握科技動(dòng)態(tài)是高校教學(xué)的重要指導(dǎo)思想。非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)鮮明的經(jīng)濟(jì)性（時(shí)代性）特點(diǎn)使得該課程具有“鮮活的生命力”。這種生命力使課程具有很大的延伸空間與完善潛力。

非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)在講授過(guò)程中也存在一定難度，包括：

難點(diǎn)1：作為一門課程而言，以類型為主導(dǎo)的教學(xué)體系難免會(huì)令其缺乏系統(tǒng)性。不同資源類型之間缺乏有機(jī)的聯(lián)系，這會(huì)令課程整體缺少“層次感”。對(duì)于未開(kāi)展過(guò)系統(tǒng)科學(xué)研究工作的大學(xué)生而言，往往有“眉毛胡子一把抓”的感覺(jué)，理不清主線，找不到重點(diǎn)。

難點(diǎn)2：油氣系統(tǒng)為框架的模塊化教學(xué)體系無(wú)法避免教學(xué)內(nèi)容重疊，甚至重復(fù)的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在烴源巖與生烴機(jī)理以及保存條件部分尤為突出。作為油氣資源類型，烴源巖及生烴機(jī)理是基礎(chǔ)，因此每一種非常規(guī)油氣資源系統(tǒng)中必涉及烴源巖及生烴機(jī)理部分。而這一部分內(nèi)容在傳統(tǒng)《石油地質(zhì)學(xué)》中為重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，已經(jīng)著重教授過(guò)了。保存條件的情況也類似。

難點(diǎn)3：儲(chǔ)量估算或者經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法和原則一直是非常規(guī)油氣資源的重要組成部分，經(jīng)濟(jì)性決定了非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的決策。但經(jīng)濟(jì)效益的不確定因素是受政治、國(guó)際經(jīng)濟(jì)走向、開(kāi)采技術(shù)甚至科技發(fā)展的影響，并非一個(gè)具有科學(xué)意義的概念，是技術(shù)的一部分。如何讓學(xué)生理解非常規(guī)油氣資源在“能源金字塔”中的地位與作用是教學(xué)過(guò)程中難點(diǎn)。

難點(diǎn)4：《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》是油氣勘探、開(kāi)發(fā)、資源分布、儲(chǔ)量估算等一體化。在之前的教學(xué)體系中并不區(qū)分成藏機(jī)理或者評(píng)價(jià)方法，二者也很難截然分開(kāi)。但是作為一門針對(duì)高年級(jí)本科生和研究生的課程而言，資源量的估算需要突出于重視。

難點(diǎn)5：實(shí)驗(yàn)分析能力的迅速增長(zhǎng)和鉆井開(kāi)發(fā)技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步是保證非常規(guī)油氣地質(zhì)迅猛發(fā)展的兩個(gè)有力“支撐點(diǎn)”。它們的迅猛發(fā)展既帶來(lái)了機(jī)遇，又引入了挑戰(zhàn)。如創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)分析能力往往是多個(gè)新興學(xué)科交叉融合而成，材料科學(xué)、納米技術(shù)等紛紛被應(yīng)用于頁(yè)巖油氣成藏的研究。及時(shí)了解和掌握相關(guān)的知識(shí)、建立相關(guān)學(xué)科與非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)間的有機(jī)聯(lián)系，這對(duì)非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)課程講授提出更高的要求。

難點(diǎn)6：作為一個(gè)快速生長(zhǎng)的研究方向，大量的研究會(huì)導(dǎo)致“泥沙俱下”，如何冷靜地看待海量的研究成果，如何做到“有所講有所不講”也是教學(xué)過(guò)程所遇到的難點(diǎn)。

二、從傳統(tǒng)《石油地質(zhì)學(xué)》看《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》

《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》是對(duì)傳統(tǒng)《石油地質(zhì)學(xué)》的完善或者是其外延。我國(guó)的《石油地質(zhì)學(xué)》[6.7]通常從油氣成藏要素、油氣成藏過(guò)程與分布規(guī)律三個(gè)方面開(kāi)展講授（部分教材還包括油氣勘探方法與資源評(píng)價(jià)）。該教學(xué)體系既系統(tǒng)又精煉。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以回溯一個(gè)油氣藏中石油（天然氣）的生成、運(yùn)移、聚集至保存（破壞）的完整的生命周期，甚至了解油氣勘探的主要方法步驟以及資源評(píng)價(jià)方法。這種體系為大家所熟知，也被石油地質(zhì)教育系統(tǒng)所認(rèn)可，是一種“易授便學(xué)”的認(rèn)知體系和教學(xué)結(jié)構(gòu)。

筆者認(rèn)為，《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》也存在類似的體系。作為特殊的油氣資源類型，非常規(guī)油氣資源也存在常規(guī)油氣資源形成的“生、運(yùn)、聚、散”的生命周期。不同之處主要體現(xiàn)在，非常規(guī)油氣資源的“儲(chǔ)、蓋、圈”條件特殊，導(dǎo)致油氣“運(yùn)、聚、散”規(guī)律特別，形成獨(dú)特的油氣聚集和分布規(guī)律。因此，借鑒《石油地質(zhì)學(xué)》的體系，可以有效地完善非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)的理論體系，便于學(xué)生抓住《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》的主線。

作為所有非常規(guī)油氣資源的共性問(wèn)題，烴源巖與生烴機(jī)理仍是非常規(guī)油氣資源形成必不可少的基礎(chǔ)。因此，生烴母質(zhì)類型、生烴條件與生烴演化過(guò)程仍是《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》必不可少的部分。較之常規(guī)油氣資源形成過(guò)程中生烴母質(zhì)多樣、有機(jī)質(zhì)豐度范圍寬泛的特征，非常規(guī)油氣資源的形成更強(qiáng)調(diào)高豐度、強(qiáng)生烴的高效率烴源巖作為物質(zhì)基礎(chǔ)。

而非常規(guī)油氣資源形成過(guò)程中的“儲(chǔ)、蓋、圈”條件比較特殊。儲(chǔ)集層條件（尤其是致密儲(chǔ)層以及煤儲(chǔ)層）是非常規(guī)油氣地質(zhì)理論與常規(guī)油氣地質(zhì)理論的最大的區(qū)別。因此，微-納米孔喉?xiàng)l件作為非常規(guī)油氣地質(zhì)的典型特征重點(diǎn)論述。而綜合常見(jiàn)的非常規(guī)油氣資源類型發(fā)現(xiàn)，特殊孔喉?xiàng)l件僅為一部分，重油瀝青以及天然氣水合物等類型的非常規(guī)油氣資源均賦存于較大的孔隙空間中，并非完全微-納米孔隙空間。筆者認(rèn)為，油氣運(yùn)聚動(dòng)力學(xué)的差異應(yīng)該是區(qū)分常規(guī)油氣資源與非常規(guī)油氣資源的內(nèi)在原因。流體性質(zhì)（油氣密度與黏度）與流動(dòng)介質(zhì)條件（孔隙空間與滲流滲參數(shù)大小）的耦合關(guān)系是關(guān)鍵問(wèn)題。如何理解不同屬性的烴類在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)能力和流動(dòng)情況才是抓住非常規(guī)油氣資源儲(chǔ)集條件和保存條件特殊性的根本。也只有了解了非常規(guī)油氣資源的聚散規(guī)律才能“順藤摸瓜”，掌握非常規(guī)油氣資源的分布。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)《石油地質(zhì)學(xué)》而言，儲(chǔ)層、蓋層和圈閉這三個(gè)要素統(tǒng)一為油氣運(yùn)聚平衡機(jī)制下的地質(zhì)體。這一地質(zhì)體不一定有宏觀的地質(zhì)邊界，而是微觀中流體與孔隙介質(zhì)發(fā)生平衡作用的一個(gè)地質(zhì)實(shí)體。誠(chéng)然，這樣一個(gè)相對(duì)抽象的概念實(shí)體是對(duì)學(xué)生概況能力的一個(gè)考驗(yàn)。

最后的油氣分布規(guī)律則是高效烴源巖與動(dòng)力平衡地質(zhì)范圍二者在時(shí)空的有效配置。

比對(duì)《石油地質(zhì)學(xué)》課程體系與教學(xué)內(nèi)容，《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》理論基礎(chǔ)更加簡(jiǎn)單。烴源巖及其生烴機(jī)理、烴類流體性質(zhì)與流動(dòng)介質(zhì)條件耦合關(guān)系（油氣運(yùn)聚平衡機(jī)制），以及二者的時(shí)空配置關(guān)系最終決定了非常油氣資源類型及分布情況。要求學(xué)生掌握這些內(nèi)容并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展地質(zhì)調(diào)查，尋找油氣資源。

三、教學(xué)體系與內(nèi)容調(diào)整對(duì)策

在以上分析基礎(chǔ)上，擬對(duì)該課程的體系和內(nèi)容做以下調(diào)整。

課程體系調(diào)整為三個(gè)層次。第一層次為總論部分，介紹非常規(guī)油氣資源的共性問(wèn)題，包括烴源巖和生烴機(jī)理以及運(yùn)聚動(dòng)力學(xué)。第二層次是各論部分，著重闡述不同資源類型的個(gè)性問(wèn)題，主要體現(xiàn)在各非常規(guī)油氣資源類型形成的特殊性上，包括資源分布和評(píng)價(jià)方法。第三個(gè)層次主要介紹適用于非常規(guī)油氣資源的新實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)。

總論的烴源巖及生烴機(jī)理部分主要介紹高效烴源巖的形成環(huán)境及生油氣過(guò)程。針對(duì)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的非常規(guī)油氣資源類型而言，主要為Ⅱ1型干酪根（以油頁(yè)巖為代表）和Ⅲ型干酪根（以煤系為代表）形成的構(gòu)造背景、沉積環(huán)境、生源特征及生烴演化過(guò)程和產(chǎn)物等。

總論的運(yùn)聚動(dòng)力學(xué)部分主要介紹烴類流體密度、黏度特征，烴類流體在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)特征等，重點(diǎn)講述受二者直接耦合關(guān)系及其控制的烴類流體流動(dòng)方式。該部分又可分為二部分展開(kāi)：①遵循達(dá)西定律或是似達(dá)西定律的稀薄流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；②遵循分子動(dòng)力學(xué)規(guī)律的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如分子的吸附和解吸等。各論部分以介紹其特征性地質(zhì)條件的形成條件與過(guò)程為主，調(diào)整壓縮共性與重復(fù)性內(nèi)容。如頁(yè)巖油氣部分以富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的形成分布及礦物學(xué)特征為主，刪節(jié)其生烴演化過(guò)程的部分內(nèi)容。致密油氣部分重點(diǎn)闡述大型致密化儲(chǔ)層的形成機(jī)制與過(guò)程及油氣充注機(jī)制，節(jié)略孔喉空間對(duì)油氣分布的控制內(nèi)容。煤層氣部分重點(diǎn)介紹煤層的形成及分布，煤層氣的吸附-解吸機(jī)理從略。天然氣水合物部分以介紹適合水合物形成的地質(zhì)-地理環(huán)境為主。重油瀝青部分以介紹原油稠化的機(jī)制及其結(jié)果為主。在每種非常規(guī)油氣資源介紹的最后，增加其資源評(píng)價(jià)方法與流程的內(nèi)容，增強(qiáng)《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》的操作性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

第三部分為最新的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)。該部分主要介紹現(xiàn)今應(yīng)用于非常規(guī)油氣資源的實(shí)驗(yàn)手段。如CT成像與孔隙三維重構(gòu)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡技術(shù)、背散射技術(shù)、氬離子剖光技術(shù)、氮吸附-解吸測(cè)試等。通過(guò)介紹最新的技術(shù)手段，擴(kuò)展學(xué)生的視野。實(shí)驗(yàn)方法部分也可作為選學(xué)內(nèi)容，或者學(xué)生自學(xué)內(nèi)容。

總之，通過(guò)體系調(diào)整改類型為主線為成藏要素特征的總體為先導(dǎo)，集中特色分節(jié)講述。主要體現(xiàn)在增設(shè)的總論集中講述共性成藏要素與機(jī)理，各論則重點(diǎn)說(shuō)明各類典型非常規(guī)油氣資源形成的控制因素和分布規(guī)律，不再涉及成藏機(jī)理問(wèn)題，僅僅是解釋。此章節(jié)還可以根據(jù)特色說(shuō)明其評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)以及關(guān)鍵參數(shù)。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)我校《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容的剖析認(rèn)為，該課程存在教學(xué)體系系統(tǒng)性不強(qiáng)、教學(xué)內(nèi)容存在冗余重疊現(xiàn)象，分析了該課程所具有的優(yōu)勢(shì)與不足。

通過(guò)比對(duì)成熟的相關(guān)課程，提出了對(duì)《非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)》課程體系和課程內(nèi)容調(diào)整的設(shè)想與舉措。通過(guò)增加總論部分力爭(zhēng)提綱攜領(lǐng)地分析非常規(guī)油氣資源中具有共性的部分，并以此來(lái)串聯(lián)不同類型非常規(guī)油氣資源。各論部分撥冗從簡(jiǎn)，以講述各自特殊的形成條件為目的。這樣的安排給了學(xué)生更大的自由空間，避免其在某些特殊現(xiàn)象上執(zhí)著。最后增加具有很強(qiáng)實(shí)踐目的的實(shí)驗(yàn)技術(shù)篇章，為學(xué)生動(dòng)手探索打開(kāi)大門。

最后，盡管被習(xí)慣地稱作非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)，但事實(shí)上是石油地質(zhì)學(xué)的補(bǔ)充與完善，是對(duì)石油地質(zhì)學(xué)理論中某些典型條件（如特低滲或未成熟破環(huán)后產(chǎn)物等）的集中論述，也是對(duì)石油地質(zhì)學(xué)中某些經(jīng)典問(wèn)題的聚焦或者深入（如頁(yè)巖油氣的豐度研究實(shí)際上將推動(dòng)烴源巖排烴效率的研究，致密油氣成藏是對(duì)成藏動(dòng)力學(xué)的完善）。從這個(gè)角度上可以預(yù)見(jiàn)，非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)將逐漸納入石油地質(zhì)學(xué)的體系，換言之，石油地質(zhì)學(xué)的外延將最終包含現(xiàn)有非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)。

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