2026年8月，Petroleum Science以Editorial方式，发布了石油科学100个难题，这是Petroleum Science 期刊过去五年的一项重要工作。文章链接：One hundred grand challenges in petroleum science - ScienceDirect

石油科学处于新的转折点：勘探开发向超深层和深水前沿延伸，非常规资源成为主导，而碳中和与人工智能的快速渗透正在重塑产业格局和学科边界。在中国科技期刊卓越行动计划支持下，《石油科学》（Petroleum Science）编委会于2021年发起征集“石油科学100个重大挑战”的倡议，五年来，国内外数百位石油科学家参与，通过文献调研、专家研讨和多标准筛选，形成100个基础科学问题清单（2026年版），涵盖六个领域：勘探与开发、储运与管网、炼油与石化、石油材料科学、碳捕集利用与封存—地热—氢能，以及能源经济与数字化转型。在遴选方式上，把这些难题分为三类，1）机理导向型问题，寻求多尺度耦合的统一理论；2）技术导向型问题，在极端条件下推动工程极限；3）系统层面问题，应对全产业链整合和能源转型。并进一步提炼出10个最具颠覆性的难题。本次研究认为，人工智能已从赋能者演变为核心驱动力，它与低碳转型一道，正在重新定义石油科学的内涵。这份学科发展路线图，旨在为未来若干年的研究规划和人才培养提供参考，并促进全球范围内的跨学科合作。文章刊出后，在国内外油气领域得到广泛转载和评述，这里给出100个难题的中文详细描述，由于受博文篇幅限制，分别发布。

石油科学100个难题（2026年版）详细描述（第一部分）

 Part A: Petroleum Exploration and Development (Challenges 1–30)

1. 超深层（>8000 m）油气成藏与保存的多因素耦合理论

随着勘探向8000 m以深推进，经典石油地质学面临严峻挑战。在极端温度（>200°C）和压力（>140 MPa）条件下，有机质热演化、储集空间保存、烃类相态及运聚成藏机制均偏离现有模型。多个盆地已在超深层发现工业油藏，表明存在压力抑制裂解、矿物催化生烃、封闭体系保存等未知的成藏-保存耦合机制。目前尚无能够整合深部温压-流体-岩石相互作用的动力学理论指导超深层资源评价，导致勘探风险高、成功率低。建立该理论需突破传统“液态窗”概念，重点攻克：储集空间的形成与保存（次生孔隙演化）、生烃窗口与裂解极限（液态烃死亡线下移）、流体行为与相变（超临界态）、保存条件的动态演化（盖层与断裂的时效性）四大关键问题。突破后将有效勘探深度从8000 m推向10000 m，大幅拓展油气资源空间，重塑全球深部勘探战略。

 2. 超深层液态烃的存活极限与液态窗下延的控制机制

传统动力学模型认为液态烃在约200°C时裂解为气。然而，塔里木盆地和四川盆地已在>8000 m深度、>200°C温度下发现工业轻质油，挑战了生烃“死亡线”。研究表明超高压、矿物表面催化/抑制及封闭体系可显著延缓裂解，但定量机制尚不清楚。液态窗的下延并非无限，而是受温度（最核心）、压力（第二大控制因子）、埋藏热史时间、有机质类型、催化剂/抑制剂及流体化学环境等多因素交织控制。解决该问题需重新建立考虑压力、矿物基质和流体相互作用的生烃动力学模型，并开展系统的高温高压半开放体系热解实验，明确液态烃在不同条件下的存活边界。突破后将彻底修改资源评价标准，对全球深层勘探战略产生颠覆性影响。

 3. 超深层碳酸盐岩储层孔隙演化与保存机制

在高温高压下，碳酸盐岩储层孔隙理论上应被成岩作用消除。然而勘探已在>8000 m深度发现孔隙度5-10%的高质量白云岩或灰岩储层，表明存在特殊孔隙保存机制：早期烃类充注抑制胶结、构造破裂、热化学硫酸盐还原溶蚀及白云石化作用。但这些机制的耦合关系、主控因素及深度极限尚不清楚。核心科学问题包括：孔隙形成的“临界条件”与“死线”；多尺度、多因素耦合的孔隙演化定量表征；深层流体-岩石相互作用的时空差异性；白云石化与TSR作用的有效孔隙贡献与破坏机制平衡；保存机制中的“时间-深度-温度”转换关系。揭示孔隙演化路径与保存条件、建立有利储层定量预测模型是超深层勘探的核心。突破后将提供寻找“深地油田”的理论工具，大幅降低钻探风险。

 4. 超深层（>8000 m）储层高精度地球物理探测的极限

在超过8000 m的深度，地震信号严重衰减，信噪比极低，常规成像与反演方法几乎失效，深层目标的分辨能力远低于中浅层。深部储层非均质性强、裂缝发育，但地震数据频带窄、照明不足，导致岩性、物性及流体预测存在严重多解性。亟需评估并突破现有地球物理技术的理论极限，发展高精度采集、弱信号增强、提高分辨率、深层建模及成像技术，以及多源信息融合方法。能否在10 km深度实现与中浅层相当的分辨率，是“深地战略”的首要技术难题。解决该问题将建立超深层地球物理预测新范式，为精准钻探提供可靠地震约束。

 5. 页岩油/气“甜点”形成的动力学机制与机理驱动预测模型

当前甜点预测严重依赖统计或经验模型，缺乏物理约束，开发成功率低。甜点形成是有机质丰度、孔缝演化、脆性矿物分布、地应力和可压裂性等多因素耦合的结果，且各因素在深时中共同演化。其动力学机制包括：沉降-埋藏-热演化动力学（生烃引擎）、成岩-孔隙演化动力学（储集空间构建）、流体-岩石相互作用动力学（赋存与运移）、构造-应力-力学动力学（可压裂性与保存）。需要机理驱动的动力学模型，将上述机制抽象为可量化参数，在整个沉积-成岩-构造过程中定量表征甜点成因，而不仅仅是数据拟合。突破后将获得可迁移的预测理论，减少对“大数据”的依赖，显著提升非常规资源开发效率与经济性。

 6. 页岩储层纳米孔隙中多组分原油的赋存、相态与高效动用机制

页岩孔径主要为2-50 nm，在该尺度下经典热力学和达西定律面临挑战：相边界偏移、毛细凝聚偏离、吸附油与游离油的交换速率、凝析油堵塞等机制尚不明确。关于纳米孔中气体滑移和努森扩散的描述在油相中争议较大，应聚焦于多组分原油的微观赋存状态、相态演化、启动规律以及注CO₂/渗吸等高效动用机制。需要结合分子模拟、微流控和连续介质理论的多尺度框架，揭示纳米限域下油-气-水的耦合相态-输运行为。突破后将支持准确的可动油评价和提高采收率。

 7. 陆相页岩油可动性的多尺度评价理论与方法

中国陆相页岩非均质性强——黏土含量高、有机质类型多样、沉积结构变化快。现有静态参数（热解、核磁共振）无法捕捉真实三维孔隙网络中的动态充注、滞留和排烃过程。数字岩石、微流控和机器学习提供了可能路径，但缺乏物理约束，常违背孔喉连通性统计。核心理论是“纳米限域吸附+边界层阻力+多尺度耦合渗流”，包括：（1）纳米限域下的相态与赋存理论；（2）边界层与启动压力梯度理论；（3）多尺度孔隙-裂缝耦合渗流理论。需要“多尺度成像+物性约束生成模型+孔隙网络流动模拟”的新范式，从纳米到岩心尺度定量表征可动性。突破后将增强甜点预测，支持陆相页岩油的大规模经济开发。

 8. 超低渗与纳米多孔介质中非达西流动的统一理论

在页岩和致密砂岩中，流动偏离达西定律——存在启动压力梯度、滑脱效应、应力敏感及扩散-渗流交叉。现有模型多为经验修正，缺乏统一物理基础。需要建立从连续流到自由分子流区的本构方程，耦合吸附-解吸、界面滑移、孔隙拓扑和有效应力响应。统一理论将消除非常规油藏产能预测的系统偏差，为开发方案优化提供可靠工具。

 9. 复杂水力裂缝网络的形成与动态演化机制

水力裂缝扩展受地应力、天然裂缝、岩石力学、流体性质和施工参数的耦合控制，常形成复杂网络而非单一平面裂缝。当前模型预测与现场监测（微地震、分布式光纤等）结果仍存在显著偏差，对动态演化（扩展、转向、交汇、支撑剂分布）认识不足。对于深井超深井及地热增强型系统（EGS），还需要发展控缝压裂理论与裂缝形态实时监测技术。需要高精度物理实验和多场耦合数值模拟揭示主控因素和演化规律。突破后将实现科学精准的压裂设计，取代经验试错法，大幅提升非常规储层改造效果和单井产量。

 10. 智能压裂参数优化中的实时裂缝扩展反演与自适应控制

当前压裂设计依赖施工前模型，未利用实时井下数据（微地震、分布式光纤）形成闭环反馈。裂缝反演计算量大且多解性强，而控制策略必须适应不可逆的裂缝扩展。突破方向包括快速替代模型（如物理信息神经网络）、实时贝叶斯反演和基于模型预测控制的自适应调整。实现“边压裂边优化”的智能闭环控制可动态规避风险、增强裂缝导流能力——这是油气行业数字化转型的关键技术。

 11. 超临界CO₂无水压裂的相变控制与支撑剂输运增强机制

超临界CO₂压裂节约用水、消除储层伤害、可实现碳封存。然而超临界CO₂携带支撑剂能力极差，其相态（超临界→气→液→干冰）对温压波动非常敏感，易造成冻堵或压力波动。揭示井筒-裂缝系统中的相变行为，开发CO₂可溶性增稠剂、疏水改性轻质支撑剂及自适应注入方案，将使超临界CO₂压裂快速工业化。这将使压裂摆脱水资源约束，将CCUS从成本中心变为利润中心——迈向绿色压裂的革命性一步。

 12. 非常规井产量递减的物理-数据双驱动模型

非常规井产量递减迅速，但现有经验递减模型（如Arps）缺乏物理基础，跨盆地推广性差。递减受裂缝网络、基质供给、多相流、应力敏感和流态转换控制。需要将关键机制（扩散、达西、滑脱）嵌入神经网络或微分方程框架的混合模型，利用生产数据反演关键参数，提高预测稳定性和可解释性，支持开发优化和投资决策。

 13. 从微观驱替机理到宏观采收响应的跨尺度耦合

化学驱或气驱的效果源于分子-孔隙尺度的界面现象，但这些微观机制如何转化为岩心或油藏尺度的采收率尚不清楚。当前数值模拟依赖经验相对渗透率曲线，无法捕捉界面张力、润湿性或乳化作用的动态变化。需要结合分子模拟、孔隙网络模型和尺度升级方法的跨尺度耦合框架，建立微观参数到宏观动态响应的定量映射。这将把提高采收率设计从“试错”推进到“预测”科学。

 14. 深部断裂系统在油气成藏与开发中的双重通道-封堵作用

断裂既可作为运移通道也可作为封堵屏障，取决于应力状态、断层泥比率、活动历史和流体性质。在深部条件下，由于高温高压和注采扰动，断裂可能发生动态转换，导致勘探误判或开发中水窜。断裂从“通道”向“封堵”或反向转换，受控于应力状态、流体压力、成岩-成矿作用的时空耦合。需要针对具体盆地，通过“应力演化史恢复+流体压力历史模拟+断层岩微观分析”三者结合，建立断裂系统四维动态属性模型，量化断层开启/关闭的临界条件及其演化。这对复杂断块油藏的勘探部署和注采管理至关重要。

 15. 复杂断块油藏断层封闭能力的动态演化与定量评价

断层封闭并非静态；注水/注气引起的压力上升可能重新激活断层，导致泄漏甚至诱发地震。当前静态岩石力学评价忽略了压力前缘的空间分布和断层泥渗透率的演化。断层的封闭性本质是断层岩（断层泥、碎裂岩、沥青等）的毛细管排驱压力与流体侧向压差之间的竞争。断层封闭性是一个“四维变量”，受时间（应力历史、成岩演化）和空间（断层段、深度）共同控制。需要结合岩石力学（速率-状态摩擦律）、油藏流动模拟和微地震监测的动态断层封闭预测方法，评估注采期间断层安全性，设定注入压力和采油速率上限。这是确保断块油藏长期安全开发的关键。

 16. 碳酸盐岩缝洞型储层缝洞结构精细三维建模与剩余油表征

缝洞型储层的储集空间——大洞、裂缝、溶孔——极不规则，传统地质统计学建模难以适用。剩余油分布强烈受缝洞结构控制，但缺乏精细模型制约挖潜。需要综合静态地震、测井、岩心数据与动态生产数据（示踪剂、压力干扰），结合离散缝洞网络模型和多相流模拟器，实现剩余油三维可视化。突破后将大幅提高此类油藏的采收率。

 17. 高含水油藏微观剩余油的原位可视化与启动机制

在特高含水期（>90%），大量剩余油以油膜、角隅油或孤立油滴形式存在。传统岩心驱替分析具有破坏性且静态，无法捕捉动态驱替过程。需要在储层温度、压力和真实孔隙结构下的原位可视化（如高温高压微流控或同步辐射CT）。结合理论分析和数值模拟，建立剩余油形态与启动机制之间的定量关系，为三次采油方案设计提供依据。

 18. 高非均质性砾岩油藏聚合物驱的流度控制与窜流抑制机制

砾岩油藏渗透率级差极大（可达数百倍），导致聚合物溶液沿高渗透砾石带突进，绕过低渗透基质原油。聚合物降解及凝胶/微球的选择性进入机制尚不明确。需要描述聚合物及调驱剂在双峰孔隙网络中的运移-吸附-滞留-降解多尺度模型，以及高渗封堵与低渗保护相结合的新型驱替体系。这是提高砾岩油藏采收率的关键。

 19. 高压低温条件下深水储层中的多相流动与传质机制

在深水环境中，高压低温导致复杂的相行为、水合物生成和蜡沉积。当前模型无法准确预测流动稳定性、井产能和流动安全保障风险。需要考虑水合物-蜡-沥青质沉积及流态转换的多场耦合模型。突破后将支持深水流动安全保障设计，降低开发成本和作业风险。

 20. 深部钻井井壁稳定的热-流-力-化耦合预测

深部钻井涉及温度、流体流动、岩石力学和化学的强耦合。当前井壁稳定模型常忽略其中一种或多种耦合，导致井塌、破裂等失稳事故频发。需要全耦合的热-流-力-化模型，实时预测孔隙压力、应力分布和岩石强度演化。突破后将实现主动式井壁稳定管理，减少非生产时间和钻探风险。

 21. 超高温高压（>200°C，>140 MPa）钻井液流变学控制与高温材料设计

常规处理剂在超高温高压下严重降解，丧失流变控制能力。需要从分子层面研究聚合物热降解动力学及抑制剂，设计热可逆交联或自愈合聚合物以及纳米复合体系。同时建立高温高压流变测试标准。突破后将钻井液温度极限从200°C推至240°C以上，支撑10 km深井钻探。

 22. 深井与非常规储层井筒体系完整性失效机制与寿命预测

深地油气井面临高温、高压、高应力、高腐蚀等苛刻环境，非常规油气开发大规模水力压裂过程中的局部应力场扰动会导致井筒体系承受复杂外载。在非均匀地应力、地层变形滑动、波动内压、高温热应力和强腐蚀等因素的耦合作用下，极易导致套管变形、套管破漏、固井界面密封失效和持续环空带压等复杂井筒完整性失效问题。需要构建热-力-化学耦合失效分析模型，通过全尺寸物理模拟和有限元分析技术揭示套管损坏、微环隙演化和油气窜溢规律，发展基于风险防控的井筒完整性失效预测方法。为深井/非常规储层井筒完整性安全防控提供科学支撑。

 23. 极端环境下测井与井下实时传感技术的物理极限与可靠性

高温、高压和腐蚀环境使电子元件、传感器及密封材料性能退化，测量精度和可靠性降低。需要从材料、电路、封装和信号处理等方面探索技术极限，开发耐高温、抗辐射的井下边缘计算智能传感器。突破后将大幅推进实时数据传输和近钻头决策能力。

 24. 油气运聚过程的实时监测与动态成像方法

当前对油气运移的认识依赖静态地质和地球化学证据，缺乏对运移路径和充注事件的直接监测。需要将时移地球物理（四维地震）、地面-井中-井间地球物理及示踪剂联合监测技术，结合岩石力学反演，实现运移过程动态成像。这将使石油地质从静态描述转向动态过程研究。

 25. 储层纳米示踪剂的表面/界面设计及其运移-吸附-解吸行为反演

纳米示踪剂可穿透纳米级孔喉，提供基质-裂缝连通性和剩余油信息。然而其在多孔介质中的运移受多种机制（布朗扩散、吸附、几何捕集）控制，反演高度病态。需要低吸附、高稳定性“智能”纳米颗粒，以及贝叶斯或深度学习反演算法。突破后将为储层配备“纳米机器人”，实现微观信息采集。

 26. 钻井实时井间导向的无源磁测距理论与技术

丛式井和SAGD双水平井中，需要实时获取钻头与邻井之间的距离和方向。有源电磁测距需在邻井中下入井下工具；无源磁测距利用旋转钻头磁场和邻井套管剩磁，但信号弱且反演多解。需要高灵敏度磁传感器（如SQUID）、三维磁场建模和机器学习反演，实现精度<0.2 m的防碰与轨迹控制。

 27. 复杂断块油藏井间动态连通性反演与开发优化

断块油藏井间连通性受断层、裂缝和非均质基质控制，静态模型不确定性高。利用生产动态数据（压力、产量、示踪剂）结合岩石力学和机器学习反演动态连通网络，进而优化注采井网提高波及效率，是断块油藏精细注水和调剖的关键。

 28. 深部煤层气吸附-解吸-扩散-渗流多尺度输运模型与原位转化潜力

在深部高温高压下，煤层甲烷吸附/解吸等温线和渗透率应力敏感性与浅部煤层差异巨大。现有模型缺乏可靠实验参数，忽略应力-温度-解吸耦合。需要保压取心、高温高压三轴流动实验及多尺度输运模型，评价资源潜力，支撑深部煤层气高效开发。此外，深部煤层的原位转化（如地下煤气化、原位制氢）也是值得关注的前沿方向，其多场耦合机理与煤层气开发有本质区别，需单独研究。

 29. 火山岩油气藏储层成因机制与地球物理识别准则

火山岩储层非均质性强，地震反射杂乱，测井响应模糊。有利储层受火山机构、岩相、风化淋滤和断裂系统控制。需要建立火山岩储层成因模式，以及高精度地震属性融合和机器学习岩性识别技术。突破后将降低勘探风险，开辟新领域。该问题在科学前沿性上相对偏应用，但鉴于其在中国部分盆地的勘探现实意义，予以保留。

 30. 泥质粉砂水合物储层降压-加热-化学联合开采中的储层响应与出砂控制

泥质粉砂储层中水合物分解会急剧降低地层强度，导致严重出砂。联合开采下热-流-力-化耦合极其复杂，出砂预测与控制困难。需要多场耦合数值模拟器和大型物理实验，揭示分解前锋推进与出砂机制，研发有效控砂完井技术。这是水合物商业化生产的决定性挑战。

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