李 劍,姜曉華,王秀芹,程宏崗,郝愛勝

(1.中國(guó)石油 勘探開發(fā)研究院 天然氣地質(zhì)研究所，河北 廊坊065007; 2.中國(guó)石油 天然氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊065007)

全球致密砂巖氣資源量大約為2 037×1012m3[1]。據(jù)中石油最新數(shù)據(jù)，截至2016年底，我國(guó)天然氣總資源量為56.8×1012m3，其中致密砂巖氣資源量為20×1012m3。占總資源量的35.2%。2016年我國(guó)致密砂巖氣產(chǎn)量約270×108m3，約占全國(guó)天然氣總產(chǎn)量的27.5%。裂谷盆地作為重要的含油氣盆地，致密砂巖氣資源也比較豐富。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源供給壓力不斷增大，致密砂巖氣作為裂谷盆地一個(gè)新的接替領(lǐng)域的重要性凸顯。

我國(guó)裂谷盆地致密砂巖氣勘探起步較晚，在成藏機(jī)制及富集規(guī)律方面研究不夠深入，缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，制約著下一步勘探。松遼盆地與渤海灣盆地是我國(guó)最主要兩大裂谷盆地，天然氣資源豐富，探明率低。松遼盆地自發(fā)現(xiàn)油氣半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)一直以火山巖勘探為主，雖然前期已在昌德、汪家屯、興城等氣田及長(zhǎng)深1井區(qū)發(fā)現(xiàn)了致密砂巖氣并提交探明了儲(chǔ)量，但儲(chǔ)量規(guī)模整體較小。松遼盆地沙河子組作為主力烴源巖層烴源巖，與砂巖大面積互層分布，源儲(chǔ)一體，具有形成規(guī)模致密砂巖氣藏的有利條件，且近幾年徐深401等一批探井證實(shí)沙河子組致密砂巖氣藏巨大的勘探潛力。渤海灣盆地作為我國(guó)重要的富油型新生代裂谷盆地多年來(lái)以潛山油氣藏及新近系和古近系油氣藏勘探為主，其深層(埋深>3 500 m)天然氣總資源量為9 500×108m3，探明儲(chǔ)量為200×108m3，探明率不足2%，剩余資源潛力大?！笆晃濉逼陂g，歧口凹陷濱海斜坡和歧北斜坡發(fā)現(xiàn)了濱海4井和濱深22井等致密砂巖氣藏，目前已在濱深22井區(qū)塊提交探明儲(chǔ)量，揭示了渤海灣盆地深層致密砂巖氣良好的資源前景。研究認(rèn)為，沙河街組是渤海灣盆地?cái)嘞莺瓒κ⑵谛纬傻囊惶字髁N源巖層系，同樣具備可觀的致密砂巖氣資源。通過對(duì)松遼盆地致密砂巖氣的深入研究，取得了其成藏及氣藏富集規(guī)律方面多項(xiàng)認(rèn)識(shí)，指導(dǎo)了沙河子組致密砂巖氣勘探，先后在宋深9H與徐探1井獲得突破。其中，宋深9H井獲日產(chǎn)20.8×104m2高產(chǎn)氣流，徐探1井獲日產(chǎn)9.1×104m2高產(chǎn)氣流。本文以松遼盆地與渤海灣盆地兩大裂谷盆地為重點(diǎn)研究對(duì)象，闡述了裂谷盆地致密砂巖氣成藏機(jī)制與富集規(guī)律，以期為裂谷盆地致密砂巖氣勘探提供借鑒。

1 裂谷盆地致密砂巖氣藏特征

克拉通盆地是指在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)變形很小的穩(wěn)定地殼(克拉通)上形成的面積廣、形狀不規(guī)則、沉降速率相對(duì)較慢并以坳陷為主要特征的盆地?？死ㄅ璧貎?nèi)部發(fā)育穩(wěn)定大型平緩斜坡[2]，是致密砂巖氣藏發(fā)育的有利地質(zhì)背景。鄂爾多斯盆地上古生界和四川盆地川中須家河組都具有克拉通基底，構(gòu)造穩(wěn)定，形成了典型的克拉通盆地型致密砂巖氣藏?？死ㄅ璧刂旅苌皫r氣氣藏主要為巖性氣藏，且以原生氣藏為主，氣藏具有大面積、準(zhǔn)連續(xù)分布的特征[3]，氣藏一般無(wú)邊水底水、壓力系數(shù)低、儲(chǔ)量豐度低、含氣飽和度低，平均約57%～68%(表1)。

裂谷盆地這一定義是基于盆地地貌構(gòu)造形態(tài)和板塊構(gòu)造背景提出的，是指在地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷了裂陷作用的盆地，從盆地形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制上分屬于伸展拉張型盆地，是地殼或巖石圈在引張作用下減薄、破裂和沉陷形成的盆地。其相對(duì)于克拉通盆地而言巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，構(gòu)造樣式復(fù)雜。松遼盆地與渤海灣盆地這兩大典型裂谷盆地致密砂巖氣藏與克拉通盆地致密砂巖氣藏相比，存在著多項(xiàng)差異性。裂谷盆地氣藏多位于斷陷陡緩坡，以巖性氣藏為主，斷階帶與背斜帶也發(fā)育構(gòu)造-巖性氣藏(圖1)。由于裂谷盆地后期構(gòu)造活動(dòng)頻繁，使得早先生成的致密砂巖氣藏發(fā)生調(diào)整再次運(yùn)移形成次生氣藏，因此氣藏類型既有原生又有次生。同時(shí)，單個(gè)氣藏面積小，但橫向連片，縱向疊置，部分存在邊水底水，含氣飽和度45%～85%，氣藏壓力系數(shù)大，按照壓力系數(shù)大于1.35為高壓氣藏標(biāo)準(zhǔn)[4-6]，松遼盆地營(yíng)城組及沙河子組致密砂巖氣藏壓力系數(shù)為1～1.5，平均約1.35，高壓特征明顯。渤海灣盆地歧口凹陷沙三段氣藏壓力系數(shù)為1.2～1.6，平均約1.4，屬于高壓系統(tǒng)。目前發(fā)現(xiàn)的裂谷盆地致密砂巖氣藏儲(chǔ)量豐度不太高，且差異大，大多屬于中-低豐度氣藏，松遼盆地致密砂巖氣藏儲(chǔ)量豐度為(0.73～4.97)×108m3/km2，渤海灣盆地致密砂巖氣藏儲(chǔ)量豐度為(2.4～8.6)×108m3/km2(表1)。

2 裂谷盆地致密砂巖氣成藏機(jī)制

前人對(duì)致密砂巖氣成藏特征與機(jī)制做了大量研究[7-12]，但主要以克拉通盆地為主?？死ㄅ璧刂旅苌皫r氣藏多位于穩(wěn)定寬緩的大型斜坡背景上，由造山帶提供物源形成一套遠(yuǎn)源長(zhǎng)距離搬運(yùn)的大型淺水三角洲體系，與大面積分布的湖相泥巖交互疊置，形成“廣覆式”致密砂巖氣藏，整體上為一個(gè)含油氣系統(tǒng)。儲(chǔ)層巖石類型多為石英砂巖、巖屑砂巖，以巖性圈閉為主，砂巖“甜點(diǎn)”發(fā)育，儲(chǔ)層本身一定程度上可起到遮擋作用，形成儲(chǔ)蓋雙重阻擋，天然氣近距離運(yùn)移成藏。同時(shí)，克拉通背景致密砂巖氣具有準(zhǔn)連續(xù)充注，近源高效聚集的特征，天然氣在超壓充注與擴(kuò)散作用下通過孔縫網(wǎng)狀輸導(dǎo)經(jīng)過短距離垂向與長(zhǎng)距離側(cè)向運(yùn)移后進(jìn)入致密砂巖圈閉成藏。

表1 裂谷盆地與克拉通盆地致密砂巖氣藏特征對(duì)比Table 1 Comparison of tight sandstone gas accumulation characteristic between rift basins and craton basins

裂谷盆地致密砂巖氣在成藏上既具有致密砂巖氣成藏的普遍規(guī)律又有其特殊性。一方面裂谷盆地與克拉通盆地一樣，致密砂巖氣成藏上都具有近源優(yōu)先聚集的特點(diǎn)。同時(shí)，由于都是低孔低滲儲(chǔ)層，主要運(yùn)移方式以非達(dá)西流超壓充注與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)為主;另一方面，由于裂谷盆地與克拉通盆地成盆機(jī)制及地質(zhì)特征的差異，成藏特征上又有明顯不同于克拉通盆地的地方(表2)。裂谷盆地致密砂巖氣藏多發(fā)育于斷陷的陡緩坡，烴源巖分布于各生烴斷槽內(nèi)，平面上形成多個(gè)烴源灶，每個(gè)烴源灶自成含氣系統(tǒng)，因此裂谷盆地具有多個(gè)含油氣系統(tǒng)。裂谷盆地?cái)嘞萜谏绑w具有多物源、短物源為主的特點(diǎn)，主要由斷陷間隆起提供物源，砂體多以陡坡扇三角洲、緩坡辮狀河三角洲沉積的形式賦存。砂體以成分成熟度低的長(zhǎng)石砂巖和砂礫巖為主。輸導(dǎo)體系包括斷裂、砂體和不整合多重輸導(dǎo)，因此可長(zhǎng)距離垂向與側(cè)向運(yùn)移形成巖性氣藏以及構(gòu)造背景下的構(gòu)造-巖性氣藏，儲(chǔ)層致密早于成藏期，有利于天然氣聚集成藏。

圖1 裂谷盆地致密砂巖氣氣藏剖面Fig.1 Tight sandstone gas reservoir cross section of rift basinsa.松遼盆地；b.渤海灣盆地

裂谷盆地致密砂巖氣藏除了以上特征以外，在成藏過程中還具有其獨(dú)有的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為多因素促源快速生氣，多物源催生有利儲(chǔ)層，長(zhǎng)距離運(yùn)移立體成藏，先致密后成藏配置有利(圖2)。

2.1 多因素促源快速生氣

溫度在有機(jī)質(zhì)演化生烴過程中具有重要作用，在烴源巖達(dá)到過成熟之前，較高的溫度有利于烴源巖中的有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化。裂谷盆地一方面巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈、地殼厚度較薄，具有較高的熱流值和地溫梯度從而形成高地溫場(chǎng)，另一方面由于在成盆過程中的快速深埋使得烴源巖進(jìn)一步在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入高的地溫場(chǎng)。

表2 裂谷盆地與克拉通盆地致密砂巖氣成藏特征對(duì)照Table 2 Comparison of tight sandstone gas accumulation characteristics between rift basins and craton basins

圖2 裂谷盆地致密砂巖氣成藏模式Fig.2 Accumulation model of tight sandstone gas reservoir in rift basins

2.1.1 高地溫場(chǎng)加快源巖成熟

裂谷盆地地溫梯度高，受高熱流值和強(qiáng)烈的火山活動(dòng)影響，烴源巖更易于成熟。松遼盆地白堊紀(jì)末的地溫梯度達(dá)42.6～48.0 ℃/km[13],沙河子時(shí)期地溫梯度基本在52.6 ℃/km[14]，高熱流值加快了烴源巖成熟的進(jìn)程，使得生烴門限淺。松遼盆地沙河子組烴源巖于距今145 Ma開始沉積，在距今130 Ma進(jìn)入生烴門限，平均埋深1 600～2 100 m，僅用了10個(gè)Ma,即距今110 Ma左右Ro達(dá)到1.3%，進(jìn)入大量生氣階段，持續(xù)至明水期末。渤海灣盆地古近系地溫梯度為20～50 ℃/km，沙河街組沙三、四段地溫梯度則相對(duì)更高，平均達(dá)到40 ℃/km，渤海灣盆地古近系和新近系烴源巖在約2 000 m進(jìn)入生烴門限，但由于新生界烴源巖有機(jī)質(zhì)的受熱時(shí)間短，同時(shí)受超壓作用對(duì)生烴有一定的抑制[15]，所以生氣門限相對(duì)變深，烴源巖基本在埋深3 500 m以下才進(jìn)入生氣階段。以渤海灣盆地次級(jí)生油凹陷中沙河街組烴源巖演化程度最高的凹陷之一的南堡凹陷為例，沙河街組烴源巖在3 100 m以下進(jìn)入生烴門限，約3 700 m進(jìn)入生氣門限[16]。渤海灣盆地古近系烴源巖距今40～50 Ma開始沉積，距今40 Ma進(jìn)入生烴門限，早期生油晚期生氣，持續(xù)生油，集中生氣。鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖從沉積到成熟經(jīng)歷了100多個(gè)Ma[17]，可見松遼盆地與渤海灣盆地這兩大裂谷盆地?zé)N源巖只經(jīng)歷10～20 Ma成熟，時(shí)間遠(yuǎn)小于以鄂爾多斯盆地為代表的克拉通盆地。

2.1.2 快速沉降深埋促源巖快速生氣

裂谷盆地沉降速率快。松遼盆地白堊系斷陷期構(gòu)造沉降速率15.5～48 m/Ma,總沉降速率達(dá)到529.6～1 891.2 m/Ma[18]，渤海灣盆地下第三系東營(yíng)組僅構(gòu)造沉降速率就達(dá)到50～140 m/Ma，而作為克拉通盆地代表的鄂爾多斯上古生界構(gòu)造沉降速率僅5.8～12.2 m/Ma[19]，快速深埋使得烴源巖在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入較高的地溫場(chǎng)，促使烴源巖快速生烴。在這種地質(zhì)背景下，裂谷盆地?zé)N源巖生烴作用相對(duì)集中，不同于克拉通盆地的持續(xù)生烴緩慢成藏，而是形成短時(shí)間內(nèi)快速生氣快速成藏的特點(diǎn)。

這種多因素綜合作用促進(jìn)了烴源巖快速生氣，而快速生氣可以使源巖層在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生超壓，造成源儲(chǔ)壓力差大，有利于天然氣向致密砂巖儲(chǔ)層運(yùn)移成藏[6,20]。

2.2 多物源催生有利儲(chǔ)層

2.2.1 多物源促生砂體發(fā)育

裂谷盆地主要發(fā)育兩大類物源，一是造山帶遠(yuǎn)物源，二是斷(坳)陷間隆起近物源(圖3)。對(duì)于斷陷內(nèi)砂巖而言，斷陷間隆起物源是主要物源。裂谷盆地隆起與斷(坳)陷相間發(fā)育，不同的隆起各自構(gòu)成了物源區(qū)，具有多物源的特點(diǎn)，沉積供給速率快，砂體發(fā)育。裂谷盆地受構(gòu)造演化、斷裂活動(dòng)及氣候的聯(lián)合作用，水進(jìn)、水退頻繁發(fā)生，湖盆發(fā)生多次振蕩。縱向上形成多套砂巖與泥巖互層砂體，與烴源巖大面積接觸，為形成致密砂巖氣創(chuàng)造了條件。松遼盆地與渤海灣盆地都屬于主動(dòng)裂谷盆地，主動(dòng)裂谷盆地受熱事件的多次擾動(dòng),存在多個(gè)次一級(jí)旋回,湖相沉積與砂體交替發(fā)育,形成了良好的生儲(chǔ)蓋組合[21]。對(duì)松遼盆地徐家圍子斷陷安達(dá)地區(qū)沙河子組沉積相研究發(fā)現(xiàn)，砂體覆蓋面積約占湖盆面積的30%～50%，最大可達(dá)80%以上。而渤海灣盆地的富油氣凹陷中,主水系砂體與烴源巖接觸的面積高達(dá)80%以上[22]。

圖3 裂谷盆地砂巖物源模式Fig.3 Sand provenance model of rift basins

2.2.2 短物源及溶蝕作用形成有利儲(chǔ)層

裂谷盆地快速沉降、多物源和短物源條件下往往形成成分成熟度較低的砂巖及砂礫巖，其主要特征是長(zhǎng)石含量高，長(zhǎng)石溶蝕孔是裂谷盆地致密砂巖儲(chǔ)集空間的主要貢獻(xiàn)者之一。

烴源巖生排烴過程對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層具有建設(shè)性作用。一方面產(chǎn)生大量有機(jī)酸，可以促進(jìn)巖石中長(zhǎng)石溶蝕形成次生孔隙，另一方面形成地層超壓，對(duì)次生孔隙起到一定保護(hù)作用。烴源巖的生烴強(qiáng)度與有機(jī)酸產(chǎn)量呈正相關(guān)性,從而也影響了次生孔隙的發(fā)育。松遼盆地白堊系發(fā)育煤系烴源巖，煤系烴源巖相對(duì)于一般烴源巖能產(chǎn)生更多的有機(jī)酸，從而促進(jìn)溶蝕孔隙發(fā)育。渤海灣盆地同一深度下生烴強(qiáng)度較高的黃驊坳陷和遼河坳陷砂巖儲(chǔ)層物性明顯好于生烴強(qiáng)度低的冀中坳陷砂巖儲(chǔ)層[23]也證明了有機(jī)酸對(duì)儲(chǔ)層的有利改造。此外，不同溫壓下條件砂巖溶蝕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，富含長(zhǎng)石的砂巖對(duì)高溫壓條件敏感，高溫壓高能增大溶蝕率，改善砂巖儲(chǔ)層物性，長(zhǎng)石巖屑砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖在150～180 ℃，40～50 MPa下溶蝕速率增大2～3倍[24]。

松遼盆地深層砂巖巖石類型主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖，長(zhǎng)石含量平均高達(dá)25.64%。渤海灣盆地砂巖類型多為長(zhǎng)石砂巖或巖屑長(zhǎng)石砂巖，長(zhǎng)石含量高，其中歧口凹陷致密砂巖長(zhǎng)石含量平均高達(dá)46.1%。正是由于松遼盆地與渤海灣盆地在短物源條件下發(fā)育富含長(zhǎng)石的砂巖，深層砂巖溶蝕孔隙發(fā)育，此外，松遼盆地深層砂礫巖由于顆粒支撐結(jié)構(gòu)及貼礫縫發(fā)育(圖4)，是致密砂巖氣儲(chǔ)層優(yōu)勢(shì)巖性[25]?；谝陨蠗l件，松遼盆地與渤海灣盆地這兩大裂谷盆地深層發(fā)育多個(gè)次生孔隙帶。松遼盆地砂巖儲(chǔ)層約在3 000 m以下達(dá)到致密，砂礫巖儲(chǔ)層約4 280 m以下達(dá)到致密，渤海灣盆地砂巖儲(chǔ)層雖然隨著埋深增加物性變差，但由于特殊的沉積機(jī)制及欠壓實(shí)作用存在，在深埋條件下物性仍然相對(duì)較好，4 270 m砂巖儲(chǔ)層變致密，但致密帶非常窄，很快進(jìn)入次生孔隙發(fā)育帶。5 000 m以下孔隙度仍能達(dá)到10%，滲透率達(dá)到0.1×10-3μm2。通過對(duì)大量樣品物性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，松遼盆地在3 200～4 500 m發(fā)育次生孔隙帶(圖5)。渤海灣盆地發(fā)育兩個(gè)次生孔隙帶，第一個(gè)為3 700～4 000 m，第二個(gè)約在4 500～5 000 m。第一個(gè)次生孔隙帶較窄，以第二個(gè)次生孔隙帶為主(圖5)。

2.3 長(zhǎng)距離運(yùn)移立體成藏

裂谷盆地致密砂巖氣除了同克拉通盆地一樣具有近源聚集的特點(diǎn)，其成藏上還具有長(zhǎng)距離運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)?？死ㄅ璧赜捎诘貏?shì)平緩，不可能形成較大的浮力，同時(shí)由于構(gòu)造穩(wěn)定，斷裂、不整合面等運(yùn)移疏導(dǎo)體系不發(fā)育，因此多不具備天然氣大規(guī)模長(zhǎng)距離運(yùn)移的條件。鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖氣藏主要為初次運(yùn)移和短距離二次運(yùn)移[26]。對(duì)于裂谷盆地而言，一方面斷陷深而陡，同時(shí)由于較高的溫度與壓力，天然氣攜水能力增強(qiáng)，氣藏多具有底水與邊水，因此天然氣浮力較大；另一方面，由于斷裂、不整合面發(fā)育[27]，斷裂往往直接溝通烴源巖通過斷裂本身或聯(lián)合不整合面、砂體等構(gòu)成“T”型、階梯型等多種立體疏導(dǎo)格架[28-32]，使得天然氣進(jìn)行二次運(yùn)移形成致密砂巖氣藏。浮力及以斷裂為主的多疏導(dǎo)體系的存在使得裂谷盆地致密砂巖氣運(yùn)移距離增大，在側(cè)向與垂向上長(zhǎng)距離運(yùn)移進(jìn)入不同層系圈閉中成藏，形成立體成藏的格局(圖2)。

圖4 致密砂(礫)巖溶蝕孔隙、貼礫縫鏡下照片F(xiàn)ig.4 Pore characteristics of tight sandstone under microscopea.砂礫巖，長(zhǎng)石內(nèi)溶蝕孔，宋深4井，埋深2 773.14 m，單偏光；b.砂巖，長(zhǎng)石粒間溶孔，板深35井，埋深5 075.63 m，單偏光；c.砂礫巖，貼礫縫，達(dá)深21井，埋深4 101.00 m，單偏光

圖5 松遼盆地與渤海灣盆地砂(礫)巖物性隨深度變化Fig.5 Sandstone reservoir property vs.depth in the Songliao Basin and the Bohai Bay Basina.松遼盆地砂(礫)巖孔隙度隨深度變化圖；b.松遼盆地砂(礫)巖滲透率隨深度變化圖；c.渤海灣盆地砂巖孔隙度隨深度變化圖；d.渤海灣盆地砂巖滲透率隨深度變化圖;a,b中藍(lán)線對(duì)應(yīng)砂巖深度，紅線對(duì)應(yīng)砂礫巖深度

松遼盆地除了在主力烴源巖層系沙河子組內(nèi)部形成致密砂巖氣藏外，通過斷層及其聯(lián)合體系疏導(dǎo)，可在下部火石嶺組、上部營(yíng)城組及登婁庫(kù)組成藏。目前已經(jīng)在松遼盆地發(fā)現(xiàn)了以沙河子組烴源巖為源的不同層系的致密砂巖氣藏[33-37]。渤海灣盆地致密砂巖氣除了在主力烴源巖層沙河街組內(nèi)部成藏以外，同樣可以在下部孔店組和上部東營(yíng)組及館陶組中成藏。

2.4 先致密后成藏有利配置

通過對(duì)裂谷盆地致密砂巖儲(chǔ)層的研究認(rèn)為砂巖致密成因主要受兩大方面影響，一是巖石成分，二是成巖作用。石英、長(zhǎng)石和巖屑作為砂巖的3大主要成分，抗壓實(shí)能力由強(qiáng)到弱。松遼盆地與渤海灣盆地致密砂巖主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石砂巖，巖屑與長(zhǎng)石含量高，其抗壓實(shí)能力差，因此在受到機(jī)械壓實(shí)作用尤其是裂谷盆地快速沉降深埋這種強(qiáng)壓實(shí)作用下孔隙度迅速減小。另一方面膠結(jié)作用也是減孔導(dǎo)致儲(chǔ)層致密的主要因素，對(duì)松遼盆地與渤海灣盆地致密砂巖的鏡下分析發(fā)現(xiàn)巖石顆粒之間以線接觸為主，膠結(jié)物主要為碳酸鹽，呈孔隙式或基底式膠結(jié)，巖石孔隙被大量充填，儲(chǔ)層致密(圖6)。

通過對(duì)松遼盆地致密砂巖氣主力層系沙河子組(K1sh)與渤海灣盆地致密砂巖氣主力層系沙河街組(Es)埋藏史與孔隙度演化史分析認(rèn)為，松遼盆地與渤海灣盆地砂巖儲(chǔ)層致密期早于成藏期(圖7)。前已分析松遼盆地砂巖儲(chǔ)層3 000 m以下達(dá)到致密，對(duì)應(yīng)埋藏史約為110 Ma開始致密，渤海灣盆地砂巖儲(chǔ)層4 270 m以下達(dá)到致密，對(duì)應(yīng)埋藏史約27 Ma開始致密。松遼盆地天然氣主成藏期為100～75 Ma[38]，渤海灣盆地天然氣存在兩期成藏，東營(yíng)期—館陶期與明化鎮(zhèn)期[39-40]，以明化鎮(zhèn)期為主，成藏時(shí)間為10 Ma以后?？梢姡蛇|盆地與渤海灣盆地砂巖儲(chǔ)層在主成藏期以前已經(jīng)達(dá)到致密，這種儲(chǔ)層致密期早于成藏期有利于形成大面積規(guī)模儲(chǔ)層，從而形成大面積巖性氣藏。

3 裂谷盆地致密砂巖氣富集規(guī)律

3.1 近源聚集，斷槽控制氣藏分布

裂谷盆地致密砂巖氣與常規(guī)天然氣一樣，具有近源優(yōu)勢(shì)聚集的特點(diǎn)。由于烴源巖分布受生烴斷槽的控制，斷槽從而控制了致密砂巖氣氣藏的分布。徐家圍子斷陷與歧口凹陷分別是目前松遼盆地與渤海灣盆地致密砂巖氣勘探程度最高的地區(qū)，致密砂巖氣氣藏臨近斷槽分布，受斷槽控制(圖8)。

松遼盆地徐家圍子斷陷徐深1井區(qū)沙河子組致密砂巖氣δ13C1為-26.8‰～-28.3‰，δD為-216‰～-218‰[41]，而該井區(qū)烴源巖δ13C1為-28.8‰，δD為-237.3‰[42]，沉降中心徐東斷槽深洼處烴源巖δ13C1為-24.8‰，δD為-102‰(圖1a)，可見徐深1井區(qū)致密砂巖氣藏δ13C1與δD值與該井區(qū)烴源巖更接近，從而說明了該井區(qū)烴源巖對(duì)致密砂巖氣的成藏貢獻(xiàn)更大，而距離較遠(yuǎn)的沉降中心徐東斷槽烴源巖貢獻(xiàn)較小，說明致密砂巖氣近源成藏的規(guī)律。渤海灣盆地歧口凹陷歧深1井氣源對(duì)比分析表明，該井沙三段天然氣與沙三段泥巖熱解輕烴可比性好，均含有高豐度的苯與甲苯，從而證實(shí)了氣源來(lái)自沙三段烴源巖，為自源型氣藏[43]，也體現(xiàn)了致密砂巖氣近源聚集的特點(diǎn)。

圖6 裂谷盆地致密砂巖鏡下特征Fig.6 Petrological characteristics of tight sandstone under microscope in rift basinsa.長(zhǎng)石巖屑砂巖，顆粒線-凹凸接觸，壓實(shí)作用強(qiáng)，徐深44井，埋深4 135.90 m，沙河子組，正交偏光；b.巖屑長(zhǎng)石砂巖，碳酸鹽基底式膠結(jié)，孔隙被充填，達(dá)深21井，埋深3 886.00 m，沙河子組，正交偏光；c.長(zhǎng)石巖屑砂巖，顆粒線-凹凸接觸，板深35井，埋深4 180.56 m，正交偏光；d.巖屑長(zhǎng)石砂巖，碳酸鹽孔隙式-基底式膠結(jié)，孔隙被充填，板深35井，埋深4 731.20 m，正交偏光

圖7 裂谷盆地砂巖儲(chǔ)層致密期與成藏期分析Fig.7 Analysis on the timing for sandstone tightening and that for gas accumulation in the rift basinsa.松遼盆地沙河子組儲(chǔ)層致密期與成藏期分析；b.渤海灣盆地沙河街組儲(chǔ)層致密期與成藏期分析J3h.火石嶺組;K1sh.沙河子組;K1yc.營(yíng)城組;K1d.登婁庫(kù)組;K1q.泉頭組;K2qn.青山口組;K2y.姚家組;K2n.嫩江組;K2m.明水組;E+Q.第三系+第四系;Es.沙河街組;Ed.東營(yíng)組;Eg.館陶組;Em.明化鎮(zhèn)組;Q.第四系

3.2 沉積相帶與構(gòu)造帶控制成藏有利區(qū)

3.2.1 陡緩兩帶三角洲前緣相為有利相帶

裂谷盆地湖盆陡緩坡是天然氣運(yùn)移的指向區(qū)，在具備有利圈閉條件下富集成藏(圖2)。裂谷盆地砂體主要以陡緩兩帶扇三角洲與辮狀河三角洲形式存在。三角洲前緣砂體一方面與湖盆內(nèi)流體接觸面積大，時(shí)間長(zhǎng)，受流體溶蝕作用易發(fā)育溶蝕孔隙，另一方面與湖盆內(nèi)烴源巖指狀接觸，互層發(fā)育，烴源巖生烴過程中排酸進(jìn)一步對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行溶蝕改造形成大量溶蝕孔隙從而形成有利儲(chǔ)層。松遼盆地陡坡帶扇三角洲前緣與緩坡帶辮狀河三角洲前緣砂體物性好，砂礫巖平均孔隙度超過5.0%，砂巖平均孔隙度超過4.0%[44]。渤海灣盆地歧口凹陷研究資料表明，辮狀河三角洲前緣及扇三角洲前緣砂巖物性好，平均孔隙度分別可達(dá)到9.7%，9.2%，扇/辮狀河三角洲前緣砂巖物性好于扇/辮狀河三角洲平原物性，孔隙度大于6%的砂巖可達(dá)93%。

3.2.2 斷階帶與背斜帶是有利構(gòu)造帶

對(duì)于克拉通盆地而言，致密砂巖氣的分布主要受巖性控制，而對(duì)于裂谷盆地而言，由于其盆地內(nèi)部構(gòu)造樣式多樣，構(gòu)造帶是控制致密砂巖氣富集的一個(gè)不可忽視因素。裂谷盆地構(gòu)造帶主要包括斷階帶及背斜帶，二者都是有利的致密氣聚集區(qū)(圖2)。斷階帶由多組同向斷層及之間夾持的地層組成，是致密砂巖氣富集有利區(qū)，松遼盆地新突破的徐探1井就是典型的斷階帶致密砂巖氣藏類型(圖1a)。在渤海灣盆地歧北斜坡也發(fā)現(xiàn)了斷階型致密砂巖氣藏。背斜帶型致密砂巖氣藏目前主要在渤海灣盆地有發(fā)現(xiàn)，如歧口凹陷歧深6井。因此，斷階帶及背斜帶等構(gòu)造帶往往也是致密砂巖氣聚集成藏的有利指向區(qū)(圖1b)。

3.3 次生孔隙帶與物性下限控制氣藏富集段

次生孔隙帶的出現(xiàn)打破了常規(guī)條件下儲(chǔ)層物性隨埋深增大變差的規(guī)律，改善了致密砂巖儲(chǔ)層物性，為深層致密砂巖氣勘探帶來(lái)了新希望[45]。通過對(duì)松遼盆地與渤海灣盆地致密砂巖氣產(chǎn)氣井的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在較大的深度中仍然可以獲得高產(chǎn)氣流(圖9)，這也側(cè)面印證了次生孔隙帶往往也是致密砂巖氣富集段。

圖8 徐家圍子斷陷與歧口凹陷氣井與生烴斷(凹)槽分布Fig.8 Distribution of gas wells and hydrocarbon source kitchen in the faulted troughs of Xujiaweizi fault Depression and Qikou Saga.徐家圍子斷陷；b.歧口凹陷

圖9 裂谷盆地致密砂巖氣井產(chǎn)氣量與深度關(guān)系Fig.9 Gas well production rate vs.reservoir depth in rift basinsa.松遼盆地；b.渤海灣盆地

除了次生孔隙帶以外，儲(chǔ)層物性下限也控制氣藏富集段，同時(shí)也一定程度決定了勘探深度。不同的裂谷盆地，儲(chǔ)層致密程度隨深度變化不同，致密砂巖氣藏的儲(chǔ)層物性下限也存在差別。前人對(duì)松遼盆地沙河子組碎屑巖致密儲(chǔ)層的物性下限進(jìn)行了研究，對(duì)于不同類型致密砂巖氣儲(chǔ)層，物性下限存在差異。礫巖由于裂縫發(fā)育，排驅(qū)壓力明顯低于砂巖以及壓裂效果好于砂巖等原因物性下限較砂巖低。前人研究提出砂巖物性下限為孔隙度為3.5%，滲透率為0.053×10-3μm2,礫巖物性下限為孔隙度2.7%，滲透率0.05×10-3μm2[44,46]。渤海灣盆地目前針對(duì)少數(shù)凹陷開展了致密砂巖儲(chǔ)層物性下限研究，且各凹陷由于構(gòu)造演化背景及儲(chǔ)層成巖演化過程存在差異，物性下限也不一樣。有學(xué)者對(duì)渤海灣盆地歧口凹陷砂巖儲(chǔ)層物性下限進(jìn)行了研究，認(rèn)為深層天然氣孔隙度下限7%，推測(cè)砂巖有效勘探深度大于5 800 m[47]。在不考慮次生孔隙發(fā)育假設(shè)儲(chǔ)層物性隨深度是線性變化的情況下，結(jié)合松遼盆地深層沙河子組砂礫巖致密砂巖氣物性統(tǒng)計(jì)圖(圖5)，分析認(rèn)為沙河子組致密砂巖氣砂巖儲(chǔ)層有效勘探深度為4 000 m左右，砂礫巖儲(chǔ)層物性受深度增加影響小，推測(cè)有效勘探深度達(dá)到5 000 m甚至更深。與松遼盆地相比，同樣深度下，渤海灣盆地砂巖儲(chǔ)層物性明顯要好，由于缺少5 000 m以下深層物性數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)推測(cè)，以孔隙度下限為7%作為標(biāo)準(zhǔn)，推測(cè)深層致密砂巖氣有效勘探深度大于6 000 m。

4 裂谷盆地致密砂巖氣勘探應(yīng)用與前景

4.1 勘探應(yīng)用

在裂谷盆地致密砂巖氣成藏理論認(rèn)識(shí)的指導(dǎo)下，在松遼盆地徐家圍子斷陷陡坡與緩坡先后部署了宋深9H井與徐探1井，兩口井均在沙河子組砂礫巖中獲得高產(chǎn)氣流。宋深9H井位于安達(dá)宋站地區(qū)陡坡扇三角洲前緣相，出氣段砂礫巖儲(chǔ)層孔隙度平均為4.1%，滲透率平均為0.05×10-3μm2，徐探1位于徐東地區(qū)緩坡斷階帶辮狀河三角洲前緣相，出氣段砂礫巖儲(chǔ)層孔隙度平均為5.3%，滲透率平均為0.44×10-3μm2。宋深9H井與徐探1井的突破打開了松遼盆地深層沙河子組致密砂巖氣勘探的場(chǎng)面。

自宋深9H井和徐探1井獲得突破后，先后又在安達(dá)、徐西部署完鉆了宋深12H井、達(dá)深20HC井、宋深10井和徐深46H等12口井，目前9口井獲得工業(yè)氣流，2口待試。宋深9H井采用定產(chǎn)降壓試采，壓降基本穩(wěn)定，產(chǎn)量5×104m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣1 219.36×104m3，證實(shí)沙河子致密氣可有效動(dòng)用。2016年在安達(dá)宋站地區(qū)提交了預(yù)測(cè)儲(chǔ)量。

4.2 勘探前景與方向

我國(guó)裂谷盆地?cái)?shù)量多，包括二連盆地、松遼盆地、渤海灣盆地等11個(gè)，總面積達(dá)1.35×106km2，這些裂谷盆地油氣資源豐富，同時(shí)也蘊(yùn)含豐富的致密砂巖氣資源。目前，由于受勘探程度的限制，致密砂巖氣勘探主要在松遼盆地和渤海灣盆地有發(fā)現(xiàn)，這兩大裂谷盆地致密砂巖氣資源量高達(dá)2.67×1012m3，是近期增儲(chǔ)穩(wěn)產(chǎn)的重點(diǎn)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。

中石油第四次資源評(píng)價(jià)結(jié)果揭示松遼盆地致密砂巖氣資源量約為2.2×1012m3，僅徐家圍子斷陷致密砂巖氣資源量約為2 395×108m3[8]。以致密砂巖氣勘探程度最高的徐家圍子安達(dá)地區(qū)作為刻度區(qū)，優(yōu)選斷陷面積等5項(xiàng)參數(shù)對(duì)全盆地26個(gè)重點(diǎn)斷陷進(jìn)行排隊(duì)，優(yōu)選徐家圍子、長(zhǎng)嶺等8個(gè)有利斷陷作為松遼盆地致密砂巖氣勘探有利區(qū)，預(yù)測(cè)有利面積約為5 673 km2，總資源量約為1.2×1012m3(表3)。

渤海灣盆地深層致密砂巖氣目前勘探程度非常低，有學(xué)者估算渤海灣盆地致密砂巖氣資源量達(dá)到6.3×1012m3[48]，而古近系致密砂巖氣資源量約4 200×108m3(埋深>4 000m)，主要分布在黃驊坳陷得歧口凹陷及遼河坳陷，渤海灣盆地相比松遼盆地致密砂巖氣藏具有埋藏更深的特點(diǎn)，但物性卻相對(duì)更好。熱演化程度相比松遼盆地低，既生油又生氣。因此，對(duì)于渤海灣盆地而言，應(yīng)結(jié)合不同凹陷地質(zhì)特征、成烴演化史，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)烴源巖演化階段，尋找有利氣源巖，以氣源灶為中心尋找有利砂巖儲(chǔ)層。通過對(duì)渤海灣盆地綜合地質(zhì)特征及勘探現(xiàn)狀分析認(rèn)為，歧口凹陷歧北斜坡、濱海斜坡、板橋次凹、遼河西部凹陷雙南-雙臺(tái)子構(gòu)造帶、遼河灘海中央構(gòu)造帶兩翼斜坡帶及冀中霸縣凹陷文安斜坡等6個(gè)區(qū)帶是致密砂巖氣勘探的有利地區(qū)。

表3 松遼盆地致密砂巖氣有利斷陷資源分布Table 3 Distribution of fault depressions favorable for tight sandstone gas exploration of the Songliao Basin

5 結(jié)論

1) 以松遼盆地與渤海灣盆地為代表的裂谷盆地致密砂巖氣藏是受生烴斷槽控制下的一類非常規(guī)氣藏，氣藏多發(fā)育于斷陷陡緩坡，以巖性氣藏為主，斷階帶與背斜帶發(fā)育構(gòu)造-巖性氣藏。氣藏類型既有原生又有次生，高壓特征明顯，氣藏部分存在邊水底水，含氣飽和度45%～85%。大多屬于中-低豐度氣藏。

2) 裂谷盆地致密砂巖氣成藏機(jī)制上表現(xiàn)為多因素促源快速生氣、多物源催生有利儲(chǔ)層、長(zhǎng)距離運(yùn)移立體成藏，先致密后成藏有利配置。氣藏富集上具有近源聚集、斷槽控制氣藏分布，沉積相帶與構(gòu)造帶控制成藏有利區(qū)，次生孔隙帶與物性下限控制氣藏富集段的特點(diǎn)。

3) 中國(guó)裂谷盆地分布面積大，致密砂巖氣資源量豐富。松遼盆地與渤海灣盆地致密砂巖氣資源量達(dá)2.67×1012m3，具備良好的勘探前景。

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