致密砂巖氣成藏機(jī)制類型及特征研究

李 昂，丁文龍,2，何建華，趙 威，代 鵬

1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；2.海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

致密砂巖氣是一種儲(chǔ)存在低孔滲—特低孔滲致密砂巖層中的非常規(guī)天然氣資源。儲(chǔ)層砂巖的孔隙度小于12%，滲透率低于0.1×10-3μm2，含氣飽和度低于60%，而含水飽和度高于40%。我國致密砂巖氣資源豐富。截至2011年底，全國已累計(jì)探明致密砂巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量為1.0× 1012m3，約占全國天然氣總探明儲(chǔ)量的39%；2011年致密砂巖氣產(chǎn)量為256×108m3左右，約占全國天然氣總產(chǎn)量的1/4[1-3]。其資源量主要分布在鄂爾多斯盆地、四川盆地、吐哈盆地和松遼盆地等[4]（見圖1）。

目前，國內(nèi)外對(duì)致密砂巖氣藏的分類有多種（見表1）。分類依據(jù)從儲(chǔ)層物性、成巖作用、成藏期次轉(zhuǎn)向更為直觀的構(gòu)造部位分類[5-8]，但很少有從運(yùn)移動(dòng)力方面劃分致密砂巖氣藏的成藏類型。作者對(duì)我國致密砂巖氣藏進(jìn)行了廣泛調(diào)研，對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn)，天然氣從烴源巖中向儲(chǔ)層運(yùn)移時(shí)的流體動(dòng)力特征與成藏具有一定的關(guān)系。因此，根據(jù)天然氣運(yùn)移的流體動(dòng)力特征將致密砂巖氣藏分為“活塞充注型致密砂巖氣藏”、“混合驅(qū)替型致密砂巖氣藏”及“置換聚攏型致密砂巖氣藏”三種成藏類型。此種分類從動(dòng)力學(xué)方面完善了致密砂巖氣藏的類型劃分，近一步分析了致密氣藏的成藏機(jī)理。對(duì)研究和預(yù)測(cè)致密氣藏的分布，確定勘探方向有很大的幫助。

1 致密砂巖氣藏的成藏與分類

致密砂巖儲(chǔ)層是由比較致密的碎屑巖組成。砂巖經(jīng)機(jī)械壓實(shí)作用和成巖作用后，變得極為致密，具有很低的孔隙度和滲透率。楊曉寧[9]等根據(jù)巖石基本特征將致密砂巖劃分為3類：①砂巖粒間空隙和喉道大部分被成巖粘土礦物充填，滲透率一般為（0.01～1.0）×10-3μm2。②砂巖的粒間空隙和喉道較大程度被自生石英和方解石礦物充填。滲透率一般為（0.001～0.01）×10-3μm2。③砂巖由泥質(zhì)砂巖構(gòu)成，其孔隙很大程度地被碎屑粘土基質(zhì)填充，滲透率小于0.001×10-3μm2。因此，天然氣在致密程度不同的砂巖儲(chǔ)層中其運(yùn)移的模式也不相同。

圖1 中國主要致密砂巖氣藏分布示意圖Fig.1 Distributed schematic diagram of themain tight sandstone gas reservoir in China

表1 不同學(xué)者關(guān)于致密砂巖氣的類型劃分表Table 1 Classi fi cation of type for different scholars about the tight sandstone gas

致密砂巖儲(chǔ)層孔隙和喉道極其微小，具有較高的毛細(xì)管壓力。當(dāng)烴源巖開始大量生排烴之前，產(chǎn)生的氣體量很少，其浮力不足以克服毛細(xì)管阻力而進(jìn)入致密儲(chǔ)層。當(dāng)天然氣積累到一定量時(shí)，氣體膨脹力足以突破毛細(xì)管阻力和靜水壓力，氣體進(jìn)入儲(chǔ)層并開始呈驅(qū)替儲(chǔ)層中的孔隙水[10]。但根據(jù)以上致密砂巖的三種分類，天然氣在不同孔徑中運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)特征是不同的。因此，可將致密砂巖氣藏分為三類：

（1）活塞充注型致密砂巖氣藏：在向斜低部位處（圖2中M處以下），孔喉半徑極其微小。此時(shí)，儲(chǔ)層中幾乎沒有自由水，浮力對(duì)氣體運(yùn)移的作用甚微，天然氣突破毛細(xì)管阻力和靜水壓力主要依靠自身的膨脹力。當(dāng)氣體進(jìn)入儲(chǔ)層后呈“活塞式”開始驅(qū)替孔隙中的水，形成氣水倒置的現(xiàn)象，最終形成致密砂巖氣藏，也稱“深盆氣藏”。 這種氣藏內(nèi)部任意一點(diǎn)的地層壓力等于氣水界面之上的靜水柱壓力與氣藏內(nèi)該點(diǎn)至氣水界面處的氣柱壓力之和[11]。

（2）混合驅(qū)替型致密砂巖氣藏：天然氣趨于向相對(duì)優(yōu)質(zhì)的部位運(yùn)移。沿著儲(chǔ)層上傾方向，孔喉半徑增大，微裂縫逐漸增多，儲(chǔ)存條件變好，遂氣體將孔隙水驅(qū)替到上傾方向的儲(chǔ)層（圖2中S—M處）。在此處，孔隙中自由水增多，天然氣受浮力作用增強(qiáng)。因此，驅(qū)替孔隙水的力也變?yōu)闅怏w膨脹力和浮力兩種力。當(dāng)兩個(gè)力之和小于毛細(xì)管阻力與上覆水柱壓力之和時(shí)，氣體無法向上繼續(xù)突破，將被封存在儲(chǔ)層之中。其氣水邊界處為致密氣藏圈閉所能達(dá)到的最大范圍。這種由氣體膨脹力和浮力聯(lián)合驅(qū)替的成藏模式稱為混合式驅(qū)替型致密砂巖氣藏。

（3）置換聚攏型致密砂巖氣藏：當(dāng)氣源充足時(shí)，天然氣繼續(xù)向上運(yùn)移，此時(shí)儲(chǔ)層致密程度漸漸趨于常規(guī)儲(chǔ)層。圖2中S點(diǎn)稱為“臨界孔喉直徑”[12]，在S點(diǎn)以上，天然氣向上運(yùn)移的動(dòng)力以浮力為主。驅(qū)替孔隙水的過程類似于油氣在常規(guī)儲(chǔ)層中的驅(qū)替過程。由于重力分異作用，天然氣充注到圈閉高勢(shì)區(qū)，并把孔隙水置換到氣場(chǎng)下部，氣水倒置現(xiàn)象消失。在構(gòu)造強(qiáng)烈的地區(qū)，已形成的氣藏受到擠壓作用，儲(chǔ)層變得致密，因此可以形成具有超高壓的致密氣藏，這類氣藏可稱為“致密常規(guī)氣藏”。

圖2 致密砂巖氣藏成藏機(jī)制模式圖（據(jù)郭迎春，馬新華[13-14]改編）Fig. 2 The formationmechanismmodel of tight sandstone gas reservoir(modi fi cation according to GUO Ying-chun and MA Xin-hua[13-14])

2 中國典型致密砂巖氣藏類型

2.1 活塞充注型致密砂巖氣藏

活塞充注型致密砂巖氣藏主要分布在構(gòu)造凹陷區(qū)或向斜帶。烴源巖與儲(chǔ)層鄰近接觸。源巖多為煤系地層，且供氣充足。在烴源巖進(jìn)入生氣門限之前儲(chǔ)集層已經(jīng)致密化，這種先期致密的源儲(chǔ)配置關(guān)系對(duì)大范圍發(fā)育以垂向近生氣中心聚集的致密砂巖氣藏提供了有利條件。砂體厚度很大，儲(chǔ)集空間以溶孔和粒間孔為主，斷層、裂縫是天然氣運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道。致密砂巖氣富集程度要受烴源巖生烴強(qiáng)度和沉積體系控制，“甜點(diǎn)”受有利沉積相帶控制。

吐哈盆地臺(tái)北凹陷水西溝群發(fā)育此類型致密砂巖氣藏。水西溝群煤系烴源巖以腐殖型干酪根為主， 有機(jī)碳含量高，縱向上砂泥巖與煤層互層呈“三明治”結(jié)構(gòu)，地層厚度介于285～892m，砂地比介于30%～60%，單層厚度一般為5～30m[15]。臺(tái)北凹陷在白堊紀(jì)末—古近紀(jì)末致密砂巖氣成藏關(guān)鍵時(shí)期之前, 水西溝群砂巖儲(chǔ)層已經(jīng)致密。凹陷主體領(lǐng)域三工河組為辮狀河三角洲沉積，孔隙度介于6% ～ 10%，巖性致密。水西溝群煤層在中侏羅世開始進(jìn)入生排氣態(tài)烴門限，并一直持續(xù)，其生排氣態(tài)烴高峰為白堊紀(jì)和新近紀(jì)[16]。當(dāng)天然氣含量積累到一定量時(shí)，以游離相排運(yùn)為主。氣體進(jìn)入致密儲(chǔ)層以“活塞式”驅(qū)替孔隙水，形成氣水倒置的致密砂巖氣藏。

2.2 混合驅(qū)替型致密砂巖氣藏

混合驅(qū)替型致密砂巖氣藏主要分布在前陸盆地前緣斜坡或古克拉通盆地構(gòu)造掀斜斜坡，一般斜坡傾角較小。這類氣藏煤系源巖遍布全盆地，砂體大面積分布，源儲(chǔ)交互或近鄰疊置。由于含氣面積大，也稱為連續(xù)型氣藏[17]。氣藏本身物性差，其下傾方向無邊底水，氣水倒置現(xiàn)象存在。天然氣運(yùn)移成藏的方式以垂向運(yùn)移和就近運(yùn)移為主。部分儲(chǔ)層孔滲較好，可形成“甜點(diǎn)”。對(duì)于此類氣藏的勘探，我們的思路應(yīng)該發(fā)生轉(zhuǎn)變，應(yīng)由構(gòu)造氣藏向大面積巖性氣藏的方向轉(zhuǎn)變。而且，不應(yīng)該只停留在單一砂體上的勘探，應(yīng)大面積尋找天然氣優(yōu)勢(shì)區(qū)。

中國鄂爾多斯盆地上古生界氣藏屬于混合驅(qū)替型致密砂巖氣藏。鄂爾多斯盆地內(nèi)廣泛發(fā)育晚古生代沼澤相煤系烴源巖，主要分布在石炭系本溪組、下二疊統(tǒng)太原組和山西組[18]。煤層厚6～20m，平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67.3%；暗色泥巖厚40～120m，平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.93%。盆地地層平緩，傾角1o～2 o，無明顯的沉積中心和坡折帶，發(fā)育大型緩坡淺水三角洲沉積[19]。晚侏羅世到早白堊世，烴源巖進(jìn)入排烴高峰期，天然氣開始突破毛細(xì)管力、靜水壓力等阻力向致密儲(chǔ)層內(nèi)運(yùn)聚。當(dāng)儲(chǔ)層內(nèi)自由水含量增多時(shí)，氣體開始產(chǎn)生浮力。但鄂爾多斯盆地地層傾角較小，儲(chǔ)層致密且非均質(zhì)性強(qiáng)，地層水含量很少，因此浮力對(duì)運(yùn)移的作用很弱，只能作為一種輔助的力。

2.3 置換聚攏型致密砂巖氣藏

置換聚攏型致密砂巖氣藏一般分布在前陸盆地前緣隆起或擠壓型盆地褶皺構(gòu)造高部位，屬背斜構(gòu)造型致密砂巖氣藏。其成藏特征類似于常規(guī)氣藏，氣體向上運(yùn)移以浮力為主，向下排替地層水，氣水無倒置現(xiàn)象。氣藏所處部位一般構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，斷層的存在對(duì)致密儲(chǔ)層具有一定的改善作用，提高了致密砂巖氣藏的成藏效率。我國塔里木盆地庫車凹陷的迪那2致密氣藏為這類氣藏。

迪那2氣田位于庫車坳陷秋里塔格構(gòu)造帶東部，含氣層系主要位于下第三系砂巖，存在3套壓力系統(tǒng)，形成了3個(gè)氣藏。根據(jù)沉積和儲(chǔ)層特征分析認(rèn)為，這3個(gè)氣藏均為背斜構(gòu)造氣藏[21]。迪那2氣藏屬超高壓凝析氣藏，但其超壓體系具有常壓成藏特征。當(dāng)深部超壓體系內(nèi)的油氣沿裂縫或斷層進(jìn)入常壓環(huán)境后，開始向下排水，占據(jù)高勢(shì)區(qū)聚集成藏。氣藏含有少量邊水，但不活躍[22]。該氣藏成藏符合一般油氣成藏的特點(diǎn)，僅僅是在后期持續(xù)的構(gòu)造擠壓過程中，使其具有異常的超壓，形成致密氣藏。

3 結(jié)論

（1）致密砂巖氣藏根據(jù)天然氣運(yùn)移的動(dòng)力可分為活塞充注型致密砂巖氣藏、混合驅(qū)替型致密砂巖氣藏及置換聚攏型致密砂巖氣藏三種成藏類型。

（2）活塞充注型致密砂巖氣藏儲(chǔ)層極其致密，地層中幾乎無自由水存在，因此運(yùn)移的動(dòng)力主要來源于氣體積累產(chǎn)生的氣體膨脹力。膨脹力突破毛細(xì)管壓力和靜水壓力呈“活塞式”驅(qū)替儲(chǔ)層中孔隙水，聚集成致密氣藏，且氣水倒置。這類氣藏一般分布在構(gòu)造凹陷區(qū)或向斜帶。

（3）混合驅(qū)替型致密砂巖氣藏一般分布于前陸盆地前緣斜坡或古克拉通盆地構(gòu)造掀斜斜坡處。由于儲(chǔ)層受壓實(shí)作用減弱，孔隙條件改善，地層中自由水含量增多，因此天然氣驅(qū)替孔隙水的動(dòng)力也變?yōu)闅怏w膨脹力和浮力混合驅(qū)替，氣藏內(nèi)仍存在氣水倒置現(xiàn)象。在一些坡度很小的盆地內(nèi)，浮力作用很弱，但是仍是天然氣運(yùn)移的一種動(dòng)力，不可忽略。

（4）置換聚攏型致密砂巖氣藏大多屬于背斜型構(gòu)造氣藏，成藏特征類似常規(guī)氣藏，浮力對(duì)于油氣運(yùn)移聚集起到很大作用。該類氣藏一般分布在前陸盆地前緣隆起或擠壓型盆地褶皺構(gòu)造高部位。所處環(huán)境受強(qiáng)烈的擠壓作用，因此一些已經(jīng)形成的氣藏儲(chǔ)層變得致密，形成具有超壓的致密氣藏。

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