遼河坳陷東部凹陷致密砂巖氣成藏特征

李春華，毛俊莉，楊一鳴，王奎淞

(1.中油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010;2.中油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124109)

引 言

致密砂巖氣是非常規(guī)油氣資源的一種，大規(guī)模發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，國內(nèi)外也稱致密砂巖氣藏為深盆氣藏[1]、盆地中心氣藏、連續(xù)氣藏等[2-3]。美國能源聯(lián)邦委員會把致密砂巖氣藏儲層定義為地層滲透率小于0.1×10-3μm2的砂巖儲層，是當(dāng)前最被認(rèn)可的一個定義。致密砂巖氣幾乎在世界范圍內(nèi)各個產(chǎn)氣盆地的低滲透含氣層中都存在，C.W.Spencer和戴金星等曾先后根據(jù)其埋藏較深而稱之為“深層致密砂巖氣”[4]。作為一種非常規(guī)的復(fù)雜的天然氣藏，國內(nèi)外許多學(xué)者都在這一領(lǐng)域?qū)ζ湫纬膳c分布、成藏機(jī)理及開發(fā)方式等進(jìn)行了研究[5-6]。中國對致密砂巖氣的研究起始于1971年川西中壩氣田的發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過近40 a的探索，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了鄂爾多斯、四川盆地(合川、新城)、塔里木盆地北緣及吐哈盆地4個大致密砂巖氣發(fā)育區(qū)。隨著認(rèn)識程度的提高，致密砂巖氣的概念也在不斷的更新，近年有國內(nèi)學(xué)者把致密砂巖氣藏定義為孔隙度小于10%、滲透率小于0.5×10-3μm2、含氣飽和度小于60%、含水飽和度大于40%、天然氣在其中流動速度較為緩慢的砂巖層中的天然氣藏[7]。2011年中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，致密砂巖氣定義為覆壓基質(zhì)滲透率不大于0.1×10-3μm2的砂巖氣層。根據(jù)國內(nèi)外的研究和勘探經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，規(guī)模型致密砂巖氣形成的基本地質(zhì)條件有3個:①穩(wěn)定發(fā)育的坳陷式構(gòu)造背景;②連片的致密砂巖儲集層;③發(fā)育煤、高碳泥巖等富有機(jī)質(zhì)層段，且具有高演化程度。按照這3個基本地質(zhì)條件類比，遼河?xùn)|部凹陷具備形成致密氣的地質(zhì)條件。

1 東部凹陷深層致密砂巖氣成藏條件

東部凹陷是組成遼河坳陷的三大凹陷之一，位于遼河坳陷東部，北抵頭臺子，南至遼東灣，長約140 km，寬為18～30 km，面積約為3 300 km2。該凹陷經(jīng)歷了40余年的勘探，主要含油氣層系為沙河街組，目前探明天然氣地質(zhì)儲量573×108m3，探明率為39.9%，其中94%探明天然氣都分布在中淺層小于3 000 m范圍內(nèi)，深層勘探程度較低。近年鉆探的 H22、H23、H24、H25、D33、D46、Y102、103、N602等深井 (3 500 m以下)均見到了良好的氣顯示，其中H22井在沙三段3 760～3 808 m采用6.32 mm油嘴、19 mm擋板求產(chǎn)，日產(chǎn)天然氣46 893 m3/d，展示了東部凹陷深層致密砂巖氣勘探的良好前景。

1.1 有利于形成致密砂巖氣的構(gòu)造與沉積條件

根據(jù)斷層發(fā)育和展布特征，東部凹陷由西向東可劃分為3個構(gòu)造帶:西部斜坡帶、中央深陷帶、東部陡坡帶。深層主要是指中央深陷帶的洼陷區(qū)，面積約為1 000 km2，該區(qū)是凹陷的沉積沉降中心，古近系沉積最厚的地帶，構(gòu)造活動平緩，斷裂相對不發(fā)育，以持續(xù)沉降為主(圖1)。沙三段主要沉積體系為辮狀河三角洲、水下扇、深湖—淺湖相沉積。由于凹陷相對較窄，物源較近，沉積沉降迅速，碎屑物質(zhì)成分復(fù)雜，分選、磨圓較差，泥質(zhì)含量高，形成了儲層物性較差的砂巖體。另外，由于構(gòu)造頻繁沉降活動使得沉積環(huán)境不斷轉(zhuǎn)換，煤層、砂巖層、泥巖層相互疊置，形成多套旋回，這樣的構(gòu)造和沉積背景非常有利于致密砂巖氣藏的形成。

圖1 東部凹陷東西向地質(zhì)剖面

1.2 優(yōu)越的氣源條件

東部凹陷氣源巖主要發(fā)育在沙三段沉積地層，巖性主要為暗色泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層，分布面積約為2 000 km2，厚度分布范圍在200～3 000 m，具有分布面積廣、厚度大的特點(diǎn)，主要分布在中央深陷帶。有機(jī)碳含量為2.64% ～16.33%，有機(jī)質(zhì)類型以腐泥腐殖型(Ⅱ2)和腐殖型(Ⅲ型)為主，有利于生氣。沙三段Ro為0.24% ～1.50%。按照目前陸相烴源巖地球化學(xué)評價方法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，東部凹陷天然氣有3種類型:①低成熟氣，鏡煤反射率為0.5～0.7，烴源巖埋深為2 400～3 600 m;②成熟氣，鏡煤反射率為0.7～1.3，烴源巖埋深為3 600～4 500 m，開始大量生氣;③高—過成熟氣，鏡煤反射率大于1.3，烴源巖埋深在4 500 m以下，由于洼陷中心區(qū)域沙三段埋深較大，最深可達(dá)7 000 m。沙三段中、下亞段烴源巖除西側(cè)斜坡外，都已經(jīng)成熟或過成熟，目前紅星地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)高—過成熟天然氣樣本，預(yù)計天然氣儲量為1 000×108～1 500×108m3，天然氣勘探潛力巨大。另外，東部凹陷沙三段還發(fā)育有多套煤系地層，煤系的生氣能力是湖相泥巖的3～10倍[8]，故其也是致密砂巖氣的主要?dú)庠磶r。由于受沉積環(huán)境的控制，煤層平面上呈不連續(xù)分布，平均累計厚度達(dá)到54.36 m，發(fā)育面積為200～300 km2，主要是褐煤、長焰煤和氣煤。統(tǒng)計研究表明，褐煤在東部凹陷最為發(fā)育，深度范圍大致為0～2 300 m;長焰煤在全區(qū)也比較發(fā)育，深度范圍大致為2 300～2 900 m;氣煤僅出現(xiàn)在中央深陷帶深層。國內(nèi)煤層氣最新實(shí)驗(yàn)研究成果表明[9]，褐煤平均生氣量為 3.38 ～4.38 m3/t，長焰煤平均生氣量為6.43～7.03 m3/t，氣煤平均生氣量為6.49～6.52 m3/t，預(yù)計東部凹陷沙三段煤層總生氣量800×108～930×108m3。

1.3 有利的儲集條件

東部凹陷致密砂巖氣藏的主要儲集層為沙三段辮狀河三角洲和水下扇沉積砂巖體。儲集砂體沿東西兩側(cè)注入到凹陷中心，由于碎屑物質(zhì)搬運(yùn)距離較短、水道頻繁變化，使得儲集砂體分選較差，平面上疊加連片;凹陷中心由于水動力條件較弱，單砂層厚度薄，一般為1～5 m，砂體累計厚度大，可達(dá)100～150 m。巖性以中—細(xì)砂巖為主，分選中等—差，磨圓度為次圓—次棱角狀;成分以石英、長石為主，雜基含量不等，結(jié)構(gòu)、成熟度較低;膠結(jié)物成分主要為碳酸鹽，膠結(jié)類型以孔隙型為主，其次為接觸型和基質(zhì)型;雜基以泥質(zhì)為主，含量為2%～10%。砂巖儲集空間主要是粒間孔隙，包括原生粒間孔隙、粒間溶孔，其次還有粒內(nèi)溶孔、鑄?？住⒛z結(jié)物溶孔、裂縫孔隙等。鉆井分析化驗(yàn)資料表明，沙三段深層儲層物性條件普遍較差，多具有低孔、低滲等特點(diǎn)，顆粒間以線接觸為主，成巖作用強(qiáng)。研究區(qū)致密砂巖孔滲變化主要受沉積相帶、成巖作用控制，儲層埋深在3 300 m以上的致密砂巖主要是三角洲前緣席狀砂和前三角洲砂巖，當(dāng)儲層埋深超過3 300 m時，成巖作用強(qiáng)烈，所有儲層孔隙度都小于10%，主要為1% ～5%;滲透率均小于0.5×10-3μm2，主要為0.01 ×10-3～0.10×10-3μm2。

1.4 良好的封蓋條件

沙三段主要發(fā)育區(qū)域蓋層和局部蓋層。區(qū)域蓋層是沙三段沉積末期形成的區(qū)域不整合面，沙三段沉積末期東部凹陷經(jīng)歷大規(guī)模的抬升運(yùn)動，發(fā)育了沙三段頂部和沙一段底部區(qū)域不整合面蓋層，具有分布廣、厚度大的特點(diǎn)。由于不整合面附近地層經(jīng)歷了風(fēng)化剝蝕、溶解淋濾等地質(zhì)作用，使得不整合面形成了3層結(jié)構(gòu):風(fēng)化殼、黏土層、底礫巖，中部的黏土層主要以紅色泥巖為主，厚度為20～50 m，孔隙不發(fā)育、滲透性差，具有很好的封閉效果(表1)，有效地阻止了沙三段天然氣向上散失，天然氣可以沿不整合面底部聚集成藏。局部蓋層主要是沙三段地層內(nèi)部形成的火山巖蓋層，巖性以玄武巖為主，厚度為5～10 m(圖1)，具有縱向發(fā)育多期次、橫向沿主干斷裂分布的特點(diǎn)，封蓋性能良好(表2)，主要是對下部儲層起到良好的封蓋作用。沙三段發(fā)育的各種砂巖儲層和周圍發(fā)育的生油巖及蓋層，形成自生、自儲、自蓋組合，圈閉保存條件良好。

表1 蓋層綜合評價

表2 火成巖蓋層微孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)測試結(jié)果

2 東部凹陷深層致密砂巖氣成藏特征及影響因素

(1)致密砂巖普遍含氣，氣藏沒有下傾氣水界面。鉆探證實(shí)東部凹陷深層致密砂巖層普遍含氣，含氣砂巖沿凹陷走向展布，厚度為20～60 m，面積約為500 km2，預(yù)計資源量為500×108～800×108m3，氣藏沒有下傾氣水界面。近年鉆探D46、H22、H24、H25、N17S探井在沙三段深層的致密砂巖層中錄井普遍見到熒光、氣測異常等含氣顯示，鉆井過程中鉆遇砂巖層出現(xiàn)井涌、泥漿中有大量氣泡等異?，F(xiàn)象，常規(guī)試氣產(chǎn)能低，壓裂改造后都能獲得高產(chǎn)氣流。2007年投產(chǎn)的H22井在3 760～3 808 m井段已經(jīng)采出天然氣1 261×104m3、產(chǎn)水90 m3，目前已沒有產(chǎn)能，但是一直沒有見到底水。事實(shí)證明，東部凹陷深層烴源巖達(dá)到成熟—高成熟階段，由于高溫、高壓作用，不僅產(chǎn)生大量甲烷氣體，同時地層水發(fā)生氣化，氣化后的水主要以凝析氣態(tài)水分子形式混溶于甲烷氣體中，注入到致密砂巖體孔隙中，不能集中形成液態(tài)水層，使得致密砂體普遍含氣，同時產(chǎn)氣過程中有微量—少量水伴生。

(2)致密砂巖氣藏主要分布在凹陷中央深陷帶及兩側(cè)陡坡帶，屬于原生型致密砂巖氣藏。研究表明，致密砂巖主要形成于有利的沉積相帶和較強(qiáng)的成巖作用。東部凹陷深層古近系儲層屬于辮狀河三角洲沉積體系，主要由三角洲前緣、前三角洲砂體構(gòu)成，砂體泥質(zhì)含量高、儲層非均質(zhì)性較強(qiáng)，滲透率通常小于1×10-3μm2;另外，從伊利石在伊蒙混層中含量大于50%，致密砂巖氣儲層成巖演化已達(dá)到晚成巖階段的早期[10]，這一階段相當(dāng)于有機(jī)質(zhì)成熟、過成熟階段，以大量生氣為主。由于儲層已經(jīng)致密化，生成的天然氣很難大范圍運(yùn)移，而是直接進(jìn)入到中央深陷帶與烴源巖大面積接觸的砂巖體中，目前發(fā)現(xiàn)的天然氣井主要位于此(圖2)。另外，在凹陷帶兩側(cè)由于構(gòu)造活動強(qiáng)烈、地層陡傾，發(fā)育小型近岸水下扇沉積，沉積體砂礫巖分選差、滲透率極低，地層條件下通常小于0.1×10-3μm2，也處在氣源巖包裹之中，由此形成“甜點(diǎn)”型致密砂巖氣藏。

(3)致密砂巖氣藏壓力系統(tǒng)復(fù)雜，以異常壓為主。與國外的致密砂巖氣藏相比，東部凹陷中央深陷帶深層含氣層系的壓力系統(tǒng)要復(fù)雜一些，以異常壓為主。東部凹陷古近系至新近系構(gòu)造活動為一持續(xù)沉降過程，主要烴源巖埋深在3 600 m以下，地溫為120～150℃，古地溫梯度為0.051 3℃/m，Ro值為0.7% ～2.0%，處于成熟—高熟階段;在異常高溫作用下，干酪根、高分子烴裂解，大量排出以甲烷為主的天然氣，注入到周邊致密砂巖體孔隙中，形成致密砂巖氣藏。異常高壓氣藏主要分布在斷裂活動較弱、火山巖發(fā)育區(qū)，在火山巖蓋層的覆蓋下有效的防止天然氣再次擴(kuò)散，如目前發(fā)現(xiàn)的H22井沙三上段3 760～3 808 m，6.32 mm油嘴，日產(chǎn)氣為46 893 m3/d，甲烷含量為81.87%，天然氣δ13C1含量為-40.1‰～-37.0‰，δ13C2含量為-29‰～-15‰，為深層熱解氣;氣層壓力系數(shù)為1.37。異常低壓區(qū)主要發(fā)育在斷裂活動強(qiáng)烈、火山巖蓋層不發(fā)育區(qū)，如處在正斷層上盤一側(cè)的H24井在3 761～3 781 m井段致密砂巖層，鉆井過程見到氣測異常，常規(guī)試油沒有產(chǎn)能，氣層壓力系數(shù)為0.89，表現(xiàn)為異常低壓區(qū)。對于斷陷盆地形成異常壓力系統(tǒng)的主要原因是斷裂活動，在斷裂不發(fā)育的洼陷區(qū)，構(gòu)造活動影響小，儲層、蓋層裂縫不發(fā)育，保存條件好，致密砂巖周圍氣源巖目前處于大量氣體時期，氣體不斷充注到致密砂巖體中，氣源巖中的高壓也傳導(dǎo)至致密巖性圈閉中，形成異常高壓區(qū)。在斷裂發(fā)育區(qū)，如東西兩側(cè)斷階帶，構(gòu)造活動影響大，儲層、蓋層裂縫發(fā)育，保存條件不好，氣體大量散失，致密砂巖氣密度減小、體積增大，表現(xiàn)為異常低壓區(qū);另外，由于一些致密砂巖體規(guī)模小、儲層十分致密，再加上鉆探過程中的地層污染，導(dǎo)致氣源巖中的高壓傳導(dǎo)極差，未能測得真實(shí)地層壓力所致。

圖2 東部凹陷南段致密氣藏分布

3 結(jié)論

(1)東部凹陷古近系沙三段具備致密砂巖氣成藏的地質(zhì)條件。東部凹陷有機(jī)質(zhì)類型以腐泥腐殖型(Ⅱ2)和腐殖型(Ⅲ型)為主，有利于生氣，預(yù)計儲量為1 000×108～1 500×108m3;煤系地層總生氣量為930×108m3，勘探潛力巨大。

(2)東部凹陷致密砂巖氣藏特征為:致密砂巖普遍含氣，預(yù)計資源量為500×108～800×108m3，氣藏沒有下傾氣水界面;屬于原生型致密砂巖氣藏，主要分布在中央深陷帶，凹陷兩側(cè)陡坡帶發(fā)育“甜點(diǎn)”型致密砂巖氣藏;致密砂巖氣藏壓力系統(tǒng)復(fù)雜，以異常壓為主。

(3)東部凹陷屬于斷陷型凹陷，結(jié)構(gòu)為中央深陷、兩側(cè)陡傾，因而形成不同類型的致密砂巖氣藏。中央深陷帶為三角洲前緣、前三角洲薄層砂體，沿凹陷走向展布，勘探要選擇累計砂層厚度大、斷裂不發(fā)育的區(qū)域?qū)嵤┿@探;對于凹陷兩側(cè)水下扇砂體，勘探要選擇邊部控制扇體沉積體的斷層具有傾角陡、斷距大的區(qū)域，這樣形成的水下扇砂體具有規(guī)模大、向凹陷中部延伸遠(yuǎn)的特點(diǎn)。

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