致密砂巖氣的成藏機(jī)理及勘探前景

楊茜，付玲

（北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871）

致密砂巖氣的成藏機(jī)理及勘探前景

楊茜，付玲

（北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871）

致密砂巖氣作為一種非常規(guī)油氣資源，具有良好的勘探開發(fā)前景，越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注。在前人研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了致密砂巖氣藏的類型、成藏機(jī)理，揭示出致密氣藏成藏的根本條件為天然氣源巖、致密化儲(chǔ)層及有效烴源巖與致密儲(chǔ)層的直接接觸；同時(shí)也闡述了致密砂巖氣藏的地質(zhì)特征，其中包括生、儲(chǔ)、蓋、圈、運(yùn)、保、成藏、分布等，并對(duì)未來(lái)該類氣藏的研究作出展望。

致密砂巖氣藏；成藏機(jī)理；地質(zhì)特征；勘探前景

致密砂巖氣最原始的定義可以追溯到1978年，美國(guó)天然氣政策法案將其定義為砂巖儲(chǔ)層天然氣的滲透率小于或等于0.1×10-3μm2的氣藏［1］。如今，已發(fā)現(xiàn)的致密砂巖氣儲(chǔ)量十分豐富。世界上利用現(xiàn)有勘探開發(fā)手段可開采的致密砂巖氣儲(chǔ)量為（10.5～24.0）×1012m3，居非常規(guī)氣之首［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球已發(fā)現(xiàn)或推測(cè)有致密砂巖氣的70多個(gè)盆地，主要分布在北美、歐洲和亞太地區(qū)［3］，最具代表性的有美國(guó)圣胡安盆地、加拿大阿爾伯達(dá)盆地。我國(guó)致密砂巖氣藏分布廣泛，類型多樣，在四川、鄂爾多斯、吐哈、準(zhǔn)噶爾南部和東海等區(qū)域皆有分布［4-8］。因此，為了更好地勘探開發(fā)我國(guó)的致密砂巖氣藏，有必要通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外致密砂巖氣藏的差異，深入研究我國(guó)致密砂巖氣藏成藏的特殊性。

1 基本概念

致密砂巖氣又稱致密氣，通常是指低滲—特低滲砂巖儲(chǔ)層中無(wú)自然產(chǎn)能，須通過(guò)大規(guī)模壓裂或特殊采氣工藝技術(shù)才能產(chǎn)出具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的天然氣。致密砂巖氣藏大多分布在盆地中心或盆地的構(gòu)造深部，呈大面積連續(xù)分布，是連續(xù)型氣藏的一種重要類型［9］。從巖石物理特性來(lái)定義致密砂巖氣藏，即為低孔隙度（＜12%）、低滲透率（＜0.1×10-3μm2）、低含氣飽和度（＜60%）、高含水飽和度（＞40%）及在砂巖層中天然氣流動(dòng)較為緩慢的氣藏［10］。

2 基本類型

目前，根據(jù)研究方向的不同，致密砂巖氣藏有多種分類方式。本文總結(jié)了其中應(yīng)用較為普遍的3種分類方式：1）根據(jù)儲(chǔ)層孔滲特征分類；2）根據(jù)成藏與構(gòu)造演化關(guān)系分類；3）根據(jù)烴源巖生排烴高峰期，天然氣充注與儲(chǔ)層致密化的先后關(guān)系分類。

2.1 儲(chǔ)層孔滲特征分類

美國(guó)能源部根據(jù)滲透率把致密砂巖氣藏劃分為：一般性氣藏（滲透率大于1×10-3μm2）；近致密氣藏（滲透率介于0.1×10-3～1×10-3μm2）；標(biāo)準(zhǔn)致密氣藏（滲透率介于0.05×10-3～0.1×10-3μm2）；極致密氣藏（滲透率介于0.001×10-3～0.05×10-3μm2）；超致密氣藏（滲透率介于0.000 1×10-3～0.001×10-3μm2）［11］。

2.2 成藏與構(gòu)造演化關(guān)系分類

綜合前人研究成果及國(guó)內(nèi)外勘探開發(fā)實(shí)際，根據(jù)致密砂巖氣藏成藏過(guò)程與盆地構(gòu)造演化的關(guān)系及其不同的成藏規(guī)律，董曉霞等［12］將致密砂巖氣藏分為“改造型”和“原生型”2類。

“改造型”致密砂巖氣藏，其儲(chǔ)層致密化與源巖生排烴高峰期天然氣充注的時(shí)間并無(wú)固定的先后之分。不同的時(shí)間先后關(guān)系，其成藏過(guò)程也有所區(qū)別：1）儲(chǔ)層后期致密，即儲(chǔ)層對(duì)早期的天然氣聚集起鎖閉作用，而晚期構(gòu)造作用所形成的構(gòu)造裂縫則對(duì)氣藏起到活化作用；2）儲(chǔ)層先期致密，致密氣藏的成藏過(guò)程主要受晚期構(gòu)造作用形成的裂縫系統(tǒng)所控制，致密儲(chǔ)層的儲(chǔ)滲能力也因此得到很大改善。此類致密氣藏與常規(guī)氣藏有著基本一致的形成機(jī)理，但后期改造作用對(duì)其影響很大，因此成藏多受構(gòu)造演化控制。

“原生型”致密砂巖氣藏以儲(chǔ)層與源巖緊密相連、“上傾方向氣水關(guān)系倒置，下傾方向無(wú)底水”為特征［13］。其儲(chǔ)層致密化過(guò)程是在烴源巖生排烴高峰期天然氣充注之前［11］。“原生型”致密砂巖氣藏一般發(fā)育在深部凹陷、向斜中心或構(gòu)造斜坡等部位，成藏不受構(gòu)造圈閉控制，微弱的構(gòu)造作用有利于成藏。

2.3 儲(chǔ)層致密化與天然氣充注先后關(guān)系分類

姜振學(xué)等［14］根據(jù)儲(chǔ)層致密化與天然氣充注的先后關(guān)系將致密砂巖氣藏分為2種類型，即儲(chǔ)層先期致密型（“先成型”）及儲(chǔ)層后期致密型（“后成型”）。 “先成型”致密氣藏的儲(chǔ)層致密化過(guò)程發(fā)生在源巖生排烴高峰期天然氣充注之前，并要求孔隙度小于12%，滲透率小于1×10-3μm2。而“后成型”致密氣藏則以儲(chǔ)層后致密為特征。

“先成型”致密氣藏即前面論述的“原生型”致密砂巖氣藏，其成藏過(guò)程要求“源藏伴生、源儲(chǔ)一體”，“源儲(chǔ)”距離越近越好，直接接觸或兩者互層對(duì)此類致密氣藏的形成最為有利。受成藏機(jī)理影響，該類氣藏中的流體呈氣水倒置關(guān)系，氣藏?zé)o明顯的底水和邊水［15］。

“后成型”致密氣藏儲(chǔ)層致密化是后成的，后期成巖演化或構(gòu)造擠壓使原先并不致密的儲(chǔ)層變得致密，其聚集位置與源巖既可以是近源也可以是遠(yuǎn)源。該類氣藏氣水分布與常規(guī)天然氣藏相似，服從重力分異原理，呈上氣下水分布［15］。

3 成藏機(jī)理

多位學(xué)者都對(duì)“先成型”致密砂巖氣藏的成藏機(jī)理進(jìn)行過(guò)研究。龐雄奇等［16］提出了具體形成機(jī)理，即力學(xué)平衡和物質(zhì)平衡。力學(xué)平衡：供氣熱膨脹力+氣體浮力=毛細(xì)管力+靜水壓力；物質(zhì)平衡：深盆氣藏儲(chǔ)集氣量=源巖供給氣量-蓋層散失氣量-氣水邊界散失氣量［16］。

姜福杰等［17］通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，按照出氣孔出水速率的變化特征將成藏過(guò)程劃分為3個(gè)階段：

1）充注前期，即能量積累階段。此階段為注氣的初始階段，此時(shí)的天然氣無(wú)法進(jìn)入致密砂體的孔隙內(nèi)，只有當(dāng)注入量達(dá)到一定程度，充注能量積累到足以突破毛細(xì)管阻力作用時(shí)，天然氣才開始充注。

2）充注期，即成藏充注主階段。在此階段，由于氣體的膨脹力排驅(qū)孔隙水的作用，天然氣在致密砂體內(nèi)呈指狀向上運(yùn)移。低滲砂體與“相對(duì)高滲砂體”的逐漸連通使出水速率明顯增加。低滲砂體內(nèi)的氣柱會(huì)隨著出水速率的增加迅速萎縮并與“相對(duì)高滲砂體”分離，最終形成穩(wěn)定的天然氣分布范圍。

3）充注后期，即氣藏保存階段。在此階段，天然氣分布范圍保持穩(wěn)定，游離相的天然氣直接從出水孔噴出，但并不出水，最終使整個(gè)致密砂體內(nèi)形成統(tǒng)一的天然氣聚集。

“后成型”致密氣藏在致密化前后都具有天然氣運(yùn)移和聚集的條件，但大規(guī)模運(yùn)移、聚集一般發(fā)生在儲(chǔ)層致密化之前。

由于成巖早期儲(chǔ)層物性相對(duì)較好，天然氣的聚集分異與常規(guī)氣藏的成藏模式相同，并且此時(shí)氣藏的生、儲(chǔ)、蓋組合及氣水分布特征均與常規(guī)氣藏相似。該類儲(chǔ)層的聚集關(guān)鍵時(shí)期是生烴高峰到儲(chǔ)層致密化的階段。在此階段，成巖作用或構(gòu)造作用的影響很大，受此影響孔隙格架被壓縮，孔隙中的天然氣逐漸被排出。隨著地層壓力不斷升高，儲(chǔ)層致密化超過(guò)致密化邊界，大規(guī)模的天然氣運(yùn)聚過(guò)程將停止。在晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈的地區(qū)，氣藏還將經(jīng)歷晚期重新分配、調(diào)整、富集的復(fù)式成藏過(guò)程，故可將上述的成藏過(guò)程劃為3個(gè)階段［18］：

1）原生常規(guī)儲(chǔ)層階段。此階段儲(chǔ)層物性良好，源巖生排烴處于高峰期，并按照常規(guī)氣藏的聚集原理富集，形成以常規(guī)背斜構(gòu)造圈閉為主的氣藏。

2）儲(chǔ)層致密化階段。此階段生排烴高峰期結(jié)束，在成巖作用或構(gòu)造擠壓作用下，儲(chǔ)層逐漸致密化，無(wú)大規(guī)模氣體運(yùn)移，在沒(méi)有斷裂系統(tǒng)直接參與的情況下，原生氣藏一般不會(huì)經(jīng)歷太大的改造。但是，若晚期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，則氣藏將經(jīng)歷很嚴(yán)重的后期改造，甚至遭受破壞。

3）復(fù)式成藏階段?，F(xiàn)今的天然氣分布和圈閉特征就取決于此階段，多形成構(gòu)造與非構(gòu)造、早期與晚期等多因素交錯(cuò)疊加、復(fù)合形式成藏的局面。

2種類型致密砂巖氣藏的模式如圖1所示。

圖1 2種致密砂巖氣藏模式

4 致密氣藏特征

致密砂巖氣藏地質(zhì)特征復(fù)雜，研究這些特征有助于深入了解該類氣藏。由于“后成型”致密砂巖氣藏在很大程度上與常規(guī)氣藏有相似的成藏特征，所以下述氣藏特征主要針對(duì)“先成型”致密砂巖氣藏。

4.1 生烴特征

致密砂巖氣藏的烴源巖具有多樣性，其氣源巖可分別是海陸相暗色泥頁(yè)巖、煤層、碳酸鹽巖或它們的組合［8］。從已知大型致密砂巖氣區(qū)來(lái)看，烴源巖多為腐殖型泥巖或煤系地層，以生氣為主［19］。天然氣藏形成的基礎(chǔ)是良好的氣源條件?！跋瘸尚汀睔獠氐脑磶r具有厚度較大、有機(jī)質(zhì)含量高、分布廣泛、以Ⅲ型干酪根為主、演化程度高等特征，并要求生排烴高峰出現(xiàn)的時(shí)代較晚并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。

4.2 儲(chǔ)層特征

成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度低是低滲—致密儲(chǔ)層的一大特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在長(zhǎng)石和巖屑含量較高，多為長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖，少見石英砂巖。顆粒大小混雜，分選性、磨圓度較差，泥質(zhì)含量高。因此，沉積物易發(fā)生壓實(shí)作用，儲(chǔ)層物性較差［9］。

致密砂巖氣主要存在于低滲、特低滲砂巖儲(chǔ)層中，以低孔、低滲為特征。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該儲(chǔ)層有多種劃分標(biāo)準(zhǔn)，就國(guó)內(nèi)而言，袁政文、關(guān)德師、鄒才能等［9］均先后提出了劃分標(biāo)準(zhǔn)，但總體來(lái)看致密砂巖儲(chǔ)層主要以低的孔隙度、滲透率、孔喉半徑和含氣飽和度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，含水飽和度較高。在特殊條件下，如含水飽和度較高時(shí)儲(chǔ)層相對(duì)滲透率非常低，可具有蓋層的性質(zhì)［20］。致密砂巖由于沉積、成巖、膠結(jié)等復(fù)合作用，孔隙度、滲透率極低，但粒內(nèi)、粒間溶孔及構(gòu)造裂縫、斷層的發(fā)育改善了儲(chǔ)層的滲透能力。

張哨楠［21］從孔隙度、滲透率、孔隙類型、成巖作用等多方面總結(jié)了致密砂巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)，并與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比。相對(duì)于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層，致密砂巖儲(chǔ)層的物性較差，并且含有較多的自生黏土礦物及較高的毛管壓力，埋藏深度較深，成巖歷史復(fù)雜。

4.3 蓋層特征

蓋層對(duì)天然氣的形成和保存均具有重要作用，一般來(lái)說(shuō)需要大范圍分布的致密頁(yè)巖或泥巖作為蓋層。對(duì)于致密砂巖氣藏，則需要更好的頂、底封蓋條件［22］。常規(guī)大范圍分布的致密頁(yè)巖或泥巖，或儲(chǔ)層中氣水界面處的力平衡界面，以及“水阻效應(yīng)”形成水封都可以成為致密砂巖氣藏的頂部封蓋條件；而底部封隔層可以是儲(chǔ)層底部的非滲透層，儲(chǔ)層下伏源巖層，或由儲(chǔ)層自身壓實(shí)作用實(shí)現(xiàn)封隔［23］。

4.4 圈閉特征

對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層，力平衡界面是這類圈閉的最大邊界。生烴補(bǔ)給與散失平衡的動(dòng)態(tài)圈閉是其主要的圈閉類型，圈閉內(nèi)部的一些相對(duì)高孔高滲砂體可以形成巖性、成巖、裂縫圈閉等圈閉類型。因此，氣藏的圈閉界限不明顯，可以形成大面積連續(xù)含氣氣藏。

4.5 運(yùn)移特征

根據(jù)致密砂巖氣藏的成藏機(jī)理，氣藏的形成依賴于活塞式的氣水排驅(qū)作用。直接推移式的驅(qū)替作用導(dǎo)致天然氣發(fā)生初次運(yùn)移或短距離的二次運(yùn)移。天然氣被排驅(qū)出源巖后，開始就近聚集，這使得該類氣藏具有聚集位置與其源巖直接接觸的特點(diǎn)。致密砂巖氣藏的儲(chǔ)層與源巖的物性近乎相同，故其二次運(yùn)移具有和初次運(yùn)移基本相同的條件［23］。致密氣藏的主要運(yùn)移動(dòng)力為壓實(shí)作用和氣體生烴膨脹力；主要阻力為氣水之間的毛細(xì)管力和氣藏上覆的地層水柱壓力。

致密氣運(yùn)移以游離氣相為主要相態(tài)，無(wú)優(yōu)勢(shì)運(yùn)移通道，以整體排驅(qū)水運(yùn)移方式為主。油氣運(yùn)聚以擴(kuò)散作用為主要機(jī)制，向上傾方向運(yùn)移［24］。浮力作用受限，油氣滲流以非達(dá)西流為主。

4.6 保存特征

簡(jiǎn)單的氣藏構(gòu)造，無(wú)斷裂、裂縫系統(tǒng)，微弱的水動(dòng)力條件，較晚的源巖生排烴高峰期，以及地層平緩、儲(chǔ)層面積廣等有利條件致使致密氣藏易被保存。而構(gòu)造應(yīng)力的分布也是影響致密砂巖氣藏保存的重要條件，應(yīng)力屏蔽區(qū)的地層最為有利；反之，應(yīng)力集中區(qū)則多發(fā)育斷裂、裂縫系統(tǒng)，不利于氣藏的保存。另外，較強(qiáng)的水動(dòng)力條件也不利于致密砂巖氣藏的保存。

4.7 成藏特征

與常規(guī)氣藏不同，致密砂巖氣藏主要依靠界面阻力封堵氣體成藏，所以地層越致密越有利于成藏。根據(jù)致密砂巖氣藏的構(gòu)造背景及形態(tài)特征，其成藏模式可分為：1）構(gòu)造斜坡分布成藏；2）凹陷中心對(duì)稱分布成藏；3）前陸側(cè)緣斜坡分布成藏［22］。由于致密砂巖氣藏源巖可以同時(shí)為儲(chǔ)層或封隔層，故其成藏主要以“自生自儲(chǔ)”為主、多階段成藏為特征。

4.8 分布特征

致密砂巖氣藏獨(dú)特的成藏機(jī)理使其分布不受構(gòu)造帶控制。由于沒(méi)有明顯的儲(chǔ)層和圈閉界限，“自生自儲(chǔ)”，所以其分布范圍較廣，斜坡帶、坳陷區(qū)均可成為有利區(qū)［9］。但是，目前國(guó)內(nèi)外發(fā)現(xiàn)的氣藏儲(chǔ)層傾角都較?。ㄒ话悴怀^(guò)15°），它不僅可以儲(chǔ)氣，還可以作為氣體散失的遮擋層［18］。姜福杰等［17］根據(jù)國(guó)內(nèi)外致密砂巖氣藏的綜合調(diào)研，畫出了典型盆地致密氣藏剖面示意圖，圖2以加拿大阿爾伯達(dá)盆地和中國(guó)鄂爾多斯盆地為例揭示了致密砂巖氣藏的分布特征。

圖2 典型致密砂巖氣藏分布特征與地質(zhì)模式

5 勘探前景

目前，國(guó)外大多從致密氣的概念及致密氣藏的特征2個(gè)方面來(lái)進(jìn)行致密砂巖氣藏的研究與勘探：1）致密氣的概念，以加拿大阿爾伯達(dá)盆地為代表；2）致密氣藏的特征，以美國(guó)西部盆地為代表［12］。然而，在致密砂巖氣藏成藏機(jī)理和成藏模式方面仍存在較大爭(zhēng)議。

我國(guó)對(duì)致密氣藏的研究起步晚，尚處于初級(jí)階段，有很大的發(fā)展空間。由于我國(guó)大多數(shù)盆地的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，致密砂巖氣藏在我國(guó)各種復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中均有分布，如造山帶、前陸盆地、斷陷盆地等，并且類型多樣。構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、圈閉隱蔽、成藏復(fù)雜、氣藏形態(tài)不規(guī)則等導(dǎo)致我國(guó)致密砂巖氣藏勘探難度大，故在其勘探開采過(guò)程中需要更大的改進(jìn)與創(chuàng)新。

近年來(lái)，我國(guó)在致密砂巖氣藏的研究和開采過(guò)程中遇到了諸多的難題和挑戰(zhàn)，但在一些地區(qū)也取得了顯著進(jìn)展，例如在鄂爾多斯盆地上古生界取得了突破。致密砂巖氣藏的研究越來(lái)越受到政府和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，并且已成為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中不可或缺的重要組成部分。

6 結(jié)論

1）致密砂巖氣藏屬于連續(xù)型氣藏的一種，致密砂巖氣藏可根據(jù)儲(chǔ)層孔滲特征、成藏與構(gòu)造演化關(guān)系、儲(chǔ)層致密化與源巖生排烴高峰期天然氣充注的先后關(guān)系等分類。致密氣藏的成藏機(jī)理有“先成型”和“后成型”2種，均分為3個(gè)階段。致密氣藏形成的根本條件包括充足的源巖、致密化的儲(chǔ)層和有效烴源巖與致密儲(chǔ)層的直接接觸。

2）致密砂巖中蘊(yùn)藏著豐富的天然氣資源，致密砂巖氣藏的勘探與開發(fā)，將會(huì)在我國(guó)石油天然氣工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中扮演舉足輕重的角色。我國(guó)致密砂巖氣藏多分布在地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，具有類型多樣、成藏復(fù)雜、勘探難度大等特點(diǎn)，但隨著對(duì)致密砂巖氣藏成藏理論研究的不斷深入，以及勘探開發(fā)技術(shù)手段的不斷提高，致密砂巖氣這種非常規(guī)油氣資源必將在我國(guó)的油氣資源中占有更重要的地位。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Accumulation mechanism of tight sandstone gas reservoir and its exploration prospects

Yang Xi,Fu Ling
(School of Earth and Space Sciences,Peking University,Beijing 100871,China)

As a kind of unconventional oil and gas resources，tight sandstone gas attracts more and more researchers′attention,having good exploration and development prospects.This paper summarizes the types of tight sandstone gas reservoir and accumulation mechanism on the basis of predecessors′researches,and reveals that the gas source rock,reservoir densification and effective source rocks in direct contact with the tight reservoir are the fundamental conditions of the formation of tight sandstone gas reservoir.It also sums up the geological features of tight sandstone gas reservoir from many aspects,including source rock,reservoir,cap-rock,trap, migration,preservation,accumulation and distribution,and makes expectation for the researches on this kind of reservoir.

tight sandstone gas reservoir;accumulation mechanism;geological features;exploration prospects

TE122.3+1

：A

1005-8907（2012）03-0302-05

2011-09-20；改回日期：2011-11-29。

楊茜，女，1989年生，在讀碩士研究生，主要從事石油地質(zhì)方向的研究。E-mail：yx640315@126.com。

楊茜，付玲.致密砂巖氣的成藏機(jī)理及勘探前景［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：302-306. Yang Xi，F(xiàn)u Ling.Accumulation mechanism of tight sandstone gas reservoir and its exploration prospects［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（3）：302-306.