中美致密砂巖氣成藏分布異同點比較研究與意義

童曉光，郭彬程，李建忠，黃福喜

(1.中國石油天然氣勘探開發公司，北京 100034;2.中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

中美致密砂巖氣成藏分布異同點比較研究與意義

童曉光1，郭彬程2，李建忠2，黃福喜2

(1.中國石油天然氣勘探開發公司，北京 100034;2.中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

致密砂巖氣已成為全球非常規天然氣勘探的重點領域。中國致密砂巖氣分布范圍廣，目前已在鄂爾多斯、四川等盆地實現了規模開發;美國落基山地區是致密砂巖氣十分發育和勘探相對成熟的地區。對比研究中美致密砂巖氣的形成條件和成藏特征是加快中國致密氣開發利用與開拓勘探思路的有效途徑。中國與美國致密氣藏對比研究表明，中美致密砂巖氣具有以煤系地層為主要烴源巖、儲層致密、存在異常地層壓力、源儲緊鄰與氣藏大面積分布等共性特征;差異性主要體現在致密氣源巖沉積環境與熱演化程度，儲層非均質性及其致密化因素，氣藏縱向和平面分布特征等方面;控制中美致密砂巖氣成藏條件和特征差異性的主要因素是沉積盆地性質、沉積環境和后期構造作用。針對中國致密砂巖氣的特殊性，加強儲層非均質性、優質儲層預測、氣藏的分布規律的研究以及加強工程技術攻關提高單井累計產量是致密砂巖氣勘探開發工作的重點。

致密砂巖氣藏;成藏特點;差異性

1 前言

致密砂巖氣已成為全球非常規天然氣勘探的重點領域。據統計，全球已發現或推測發育致密砂巖氣的盆地有70個，主要分布在北美、歐洲和亞太地區［1］。美國是目前全球致密砂巖天然氣年產量最多的國家，美國本土現有含氣盆地113個，其中發現致密砂巖氣藏的盆地有23個，主要分布在落基山地區(見圖1)。據EIA(U.S.Energy Information Administration)評價結果(2008，2010)，美國致密砂巖氣資源量為19.8萬億～42.5 萬億 m3，為常規氣資源量(66.5 萬億 m3)的29.8% ～63.9%，可采資源量13 萬億 m3，2010 年美國致密氣年產量達1754億m3，其成功的開發實踐為中國致密砂巖氣開發提供了寶貴經驗。

圖1 美國含致密砂巖氣盆地分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of the tight sandstone gas basins in the United States

中國致密砂巖氣藏發現較早，勘探領域廣闊，鄂爾多斯、四川、松遼和渤海灣等盆地都具有形成致密砂巖氣藏的有利地質條件(見圖2)。據李建忠等人2010年資源評價初步結果，中國致密砂巖氣技術可采資源量為8萬億～11萬億m3。經過近年努力探索，中國致密砂巖氣發展較快，形成了鄂爾多斯和四川盆地兩大致密氣現實區，以及塔里木庫車深層等5個突破區，2011年致密氣產量突破256億m3。

圖2 中國主要致密砂巖氣分布圖Fig.2 The distribution of the mainly tight sandstone gas regions in China

目前，中國致密砂巖氣發展不平衡，資源探明率低，理論技術起步晚、利用水平低，特別是與美國等理論技術先進的國家相比，尚存在較大差距。諸多學者對致密砂巖氣藏開展過深入的研究［1～9］，從盆地背景、生儲條件、氣藏氣水關系、壓力特征和圈閉類型等方面探討了致密砂巖氣藏的成因和特點。但針對中美致密砂巖氣藏成藏的對比研究尚有待深入。文章試圖通過對比研究中美致密砂巖氣成藏地質條件與氣藏分布特征，來探討中美致密砂巖氣藏分布規律的差異性，開拓中國致密砂巖氣的勘探思路，進一步挖掘中國致密砂巖氣資源勘探潛力。

2 基本地質特征對比研究

2.1 中美致密砂巖氣地質特征共性明顯

對比研究中美致密砂巖氣的基本地質特征表明，其共性特征明顯，主要體現在致密氣發育于煤系地層中，烴源巖分布廣、熱演化程度高，儲層物性差、含水飽和度高和具有異常壓力等相似的特征。其中，最典型的共性有兩點:一是致密氣與煤系烴源巖伴生;二是儲層致密，覆壓滲透率多小于0.1 mD。

中美致密砂巖氣與煤系烴源巖伴生，源巖生烴強度大。煤系源巖均以煤系地層的III型干酪根為主，分布面積廣，有機碳豐富，熱演化程度高，廣覆式生烴特征為大氣田的形成奠定了豐富的資源基礎。美國落基山地區白堊紀—古近紀沉積背景為克拉通邊緣前陸盆地，發育廣覆式煤系地層，造就了致密砂巖氣藏良好的烴源巖條件。白堊系煤層和煤系泥頁巖是落基山地區致密砂巖氣的主要氣源巖，具有厚度大、分布廣、有機質含量豐富的特征，源巖有機質類型主要為適于生氣的腐質型III型干酪根。中國致密砂巖氣也與煤系地層密切相關。在晚古生代、中生代和新生代3個聚煤時期中［3，4］，雖然各時期煤系地層的聚集環境與地區存在差異，但是煤系地層普遍具有發育廣泛、分布穩定、有機質豐富和演化程度高等特征，為致密砂巖氣藏形成奠定了資源基礎。

關于北美地區和中國主要盆地天然氣儲集層特征已有學者進行了大量的研究［4～15］，中美致密氣儲層的主要共性之一是儲層致密，孔隙度、滲透率均比較低。其中，儲層平均孔隙度值相近，主要為4%～10%;覆壓滲透率多小于0.1 mD。統計表明，中國鄂爾多斯盆地蘇里格氣田與四川盆地須家河氣區的覆壓滲透率小于0.1 mD的樣品比例占80% ～92%，與美國60% ～95%的比例相近。

2.2 中美致密砂巖氣地質特征差異性

由于中美致密砂巖氣發育的盆地背景、構造演化與沉積充填作用等方面存在差異，造成中美致密砂巖氣的基本地質特征主要差異為沉積環境和儲層特點。一是美國以海相—海陸過渡相為主、中國以陸相與海陸過渡相為主;二是不同的沉積環境與構造演化特征是致密氣源巖特征有別的主要原因;三是美國致密砂巖儲層分布穩定、厚度大，孔隙度較高，中國致密砂巖儲層非均質性較強，厚度相對較小。

中美致密砂巖氣的主要差異性之一是沉積環境不同。美國落基山地區白堊系儲層主要發育于前陸盆地背景的海相與海陸過渡相聚煤環境(見圖3(a))。而中國致密砂巖氣發育背景多樣，以陸相與海陸過渡相為主，如鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系為陸表海的河流—三角洲沉積環境，四川盆地須家河組為海陸過渡相—陸相前陸盆地(見圖3(b))，庫車坳陷為白堊系—古近系的陸相前陸盆地以及東部白堊系—古近系的斷陷盆地等聚煤環境。

圖3 皮申斯盆地與四川盆地沉積柱狀圖Fig.3 The sedimentary columnar section of the Piceance Basin and Sichuan Basin

中美致密砂巖氣源巖的主要參數特征不同，主要影響因素是沉積環境與構造演化。分析認為，美國落基山地區優越的海相—海陸過渡相聚煤環境、中—高適度的熱演化程度、高生烴強度與晚期持續生氣充注成藏等特征，為該地區致密砂巖氣的形成提供了有利條件。中國諸多盆地雖然不乏煤系源巖條件，但是受沉積環境、源巖厚度、熱演化程度與構造作用等因素的影響，在勘探實踐中，應圍繞生氣強度相對較高與成藏條件好的地區尋求發現。

金融企業的費用包括營業支出、稅金及附加、資產減值損失和營業外支出，其中營業支出又可以細分為利息支出、管理費用、手續費及傭金、其他業務支出等。

中美致密砂巖儲層分布的性質有所差異。致密砂巖氣儲層的發育與展布，受沉積環境和盆地性質控制。美國致密氣儲層分布穩定、厚度大，中國致密氣儲層非均質性強、厚度相對較小。美國皮申斯盆地梅薩默德群以海陸過渡相三角洲沉積為主，砂體以透鏡狀展布為主，氣層累計厚度超過600 m(見表1)，飽和氣連續分布，含氣面積超過1萬km2;南部的圣胡安前陸盆地梅薩默德群以河流相與三角洲分流河道沉積為主，砂體呈透鏡狀展布，砂巖有效厚度大(24 m)，含氣砂巖面積410 km2，縱向多層疊置。中國鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系為陸表海緩坡沉積環境的三角洲與分流河道席狀砂，透鏡狀與層狀砂體共生，砂體有效厚度為6.3～8.3 m，含氣砂巖面積1716～6748 km2;四川盆地須家河組須二段為海陸過渡相三角洲沉積，須四、須六段致密氣砂體為前陸盆地性質的河道砂和水下分流河道砂體，呈透鏡狀，砂體有效厚度大(10～34 m)，含氣砂體面積200～656 km2(見表1)。因此，相比而言，美國致密氣儲層分布相對穩定、厚度較大。

表1 中美致密氣儲層主要參數對比表Table 1 The main parameters comparison of the tight gas reservoir between China and the United States

3 成藏特征與分布規律對比研究

3.1 氣藏特征共性是普遍存在的，但差異性更明顯

對比研究表明，中美致密砂巖氣藏的共性主要表現在以下幾個方面:氣藏類型多樣，包括構造型、巖性型、地層型、動態圈閉型和復合型等;氣體以近距離垂向運移為主;氣藏規模大，儲量豐度低，一般自然產能低、遞減快;普遍具有異常壓力;氣水關系復雜、物性“甜點”區和裂縫發育區與氣藏富集、高產關系密切。中美致密砂巖氣藏的共性固然是普遍存在的，但受氣藏形成的沉積環境、成藏過程與區域構造特征等因素的控制，中美致密砂巖氣藏特征的差異性更加明顯，主要體現在以下3個方面。

3.1.1 異常壓力

異常高壓或異常低壓是中美致密砂巖氣儲層的普遍現象，但是導致異常壓力的原因存在差異。北美落基山地區致密砂巖氣儲層普遍具有異常高壓，壓力系數一般為1.4～1.7，壓力系數最高達1.94，具有明顯的起壓深度(2400 ～ 2740 m)［16，17］，導致異常高壓的主要原因是具有活躍的烴類生成、高的烴柱和高地形的補給區引起的承壓狀態［18］。中國致密砂巖氣儲層在鄂爾多斯盆地為異常低壓，平均壓力系數為0.85～0.95，氣藏負壓主要是抬升剝蝕和氣水密度差引起［4，19］。四川盆地、庫車前陸盆地與渤海灣斷陷盆地為異常高壓，壓力系數分別為1.2 ～1.5，1.5 ～1.8 和 1.2 ～ 1.4。其中，四川盆地須家河組雖然普遍具有異常高壓，但是沒有統一的起壓深度，壓力系數隨埋深而增大，導致須家河組致密氣層壓力增大的原因除了烴類生成、欠壓實作用和構造作用外［4］，還包括巖石致密化導致儲層孔隙體積縮小［20］。

3.1.2 氣水關系

美國落基山地區致密氣藏在盆地中部為氣水倒置，盆地斜坡區無明顯氣水界面的現象;自盆地向斜坡區氣、水含量百分比呈逐漸過渡趨勢，氣含量減少、水含量增加。中國致密砂巖氣儲層氣水關系受強烈的儲層非均質性和構造作用等因素影響，表現出氣水倒置、氣水間互和氣水界面不明的多樣性與復雜性。中美致密氣局部“甜點”區受構造、儲層和裂縫控制，產量變化大，一般1萬～3萬m3/d，最高超過100萬m3/d，產量高低與次生(溶蝕)孔隙和裂縫發育程度密切相關。致密砂巖氣層含水飽和度普遍較高，一般為35% ～50%，中國致密砂巖含氣飽和度介于50%～65%，而北美致密砂巖含氣飽和度相對較高，可達55% ～70%(見表1)。

3.1.3 成藏過程

3.2 氣藏空間分布規律

3.2.1 氣藏分布規律共性特征

中美致密砂巖氣分布規律的最大的共性是源儲一體、“三明治”式緊密接觸、大面積連續分布。如美國大綠河盆地白堊系Frontier組和Mesaverde組儲集層主要由河流和三角洲環境下沉積的砂巖和粉砂巖組成，平面上連片、縱向上疊置分布，含氣儲層由厚3～30 m、寬45～1210 m的單砂體大范圍疊合分布，一般埋深2480～3580 m。中國的鄂爾多斯盆地下二疊統山西組和下石盒子組砂巖儲層平面上連片分布，展布范圍廣，面積約10萬km2;縱向上多層位砂體疊置，砂層厚度大，一般累計厚度30～100 m，砂體南北向延伸距離較長，達150～200 km，一般埋深2000～3500 m。四川盆地須家河組須一、三、五段煤系烴源巖與須二、四、六段砂巖儲層呈大面積交互式疊加發育，縱向上形成多套優質生儲蓋組合，氣層累計厚度20～50 m，一般埋深1860～2800 m(見表1)。

3.2.2 氣藏分布規律差異性

受不同構造背景、盆地性質、沉積特征與成藏過程影響，中美致密砂巖氣具有不同分布特征。美國致密砂巖氣以盆地中心氣為主，主要分布于凹陷區，縱向層系跨度小、平面氣藏產狀與氣藏類型有規律性分布(見圖4)。中國致密砂巖氣主要分布在斜坡區和山前構造帶，層縱向層位跨度大、不同盆地橫向 分布規律差異大。

圖4 皮申斯盆地致密氣藏東西向剖面示意圖Fig.4 The east-west profile sketch of tight reservoir in Piceance Basin

1)美國致密砂巖氣主要分布在盆地凹陷區，中國致密砂巖氣主要分布在盆地斜坡區或山前帶。北美落基山地區在前陸盆地構造背景下，氣藏類型包括深盆氣(動態圈閉型)、構造型、地層型和巖性圈閉型等，雖然氣藏類型多樣，但是以分布在盆地中心凹陷區的動態圈閉型為主，平面上呈規律性分布，即西緣逆掩斷層帶和盆地邊緣以構造圈閉型氣藏為主，盆地中部前淵凹陷區以動態圈閉型氣藏為主，前陸斜坡區為地層與巖性圈閉型氣藏。而且由于后期構造穩定，圈閉保持相對穩定。中國致密砂巖氣主要分布在斜坡區和山前構造帶，以巖性和復合圈閉型為主。如四川盆地須家河組致密砂巖氣雖然具有前陸盆地的構造背景，但是經歷了多期構造運動對圈閉進行改造疊加，往往發育構造—巖性型、構造—地層型和巖性—地層型等復合型氣藏(見圖5(a))，圈閉類型更豐富多樣。鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖氣圈閉在克拉通背景下形成，經后期差異性隆升改造，以巖性型、地層圈閉型氣藏為主(見圖5(b))，類型相對單一。

圖5 中國典型盆地致密砂巖氣分布模式圖Fig.5 The distribution pattern of the tight sandstone gas oft he typical basin in China

2)美國致密砂巖氣縱向層系跨度小、平面氣藏產狀與氣藏類型呈規律性分布。縱向上，北美前陸盆地致密砂巖氣主要分布在晚侏羅世—古近紀的沉積地層中，而且主要分布在白堊系，儲蓋組合層位縱向跨度小、厚度大(見圖6(a))。平面上，美國致密砂巖氣藏在不同地區具有不同分布特征，西部的大綠河、尤因他和皮申斯等盆地為透鏡狀氣藏，埋深較大，介于1500～4000 m，氣層厚度一般60～150 m;中部的丹佛、圣胡安、風河和棉花谷等盆地為中淺—中深層層狀氣藏，埋深700～2700 m，氣層厚度一般10～30 m;北部大平原(包括威列斯頓盆地)為淺層層狀氣藏，埋深較淺，介于200～800 m，氣層厚度一般10～20 m(見表1)。值得指出的是，該地區的氣藏源巖為海相頁巖。落基山地區以阿爾伯達盆地為代表的前陸盆地致密氣分布特征是在逆掩斷層帶發育背斜型致密氣藏，前淵深盆地區以深盆氣動態圈閉型氣藏為主(見圖6(b))，東部斜坡區以大面積分布的地層與巖性型氣藏為主。

3)中國致密砂巖氣縱向層位跨度大、不同盆地橫向分布規律差異大。中國致密砂巖氣的層位分布與聚煤時期相對應，自晚古生代至新生代均有分布，鄂爾多斯盆地主要分布在石炭系—二疊系，四川盆地主要分布在三疊系，庫車前陸盆地主要分布在侏羅系—白堊系，松遼盆地分布在白堊系，渤海灣盆地分布在古近紀等，整體特征為層系多、跨度大。平面上，由于盆地性質、沉積充填特征、構造改造作用與成藏過程等方面的差異，氣藏具有不同的分布規律。如鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系為克拉通背景上的大陸型陸表海盆地沉積，發育海陸過渡相、陸相河流與三角洲的儲蓋組合，后期以整體抬升為主，形成區域性北東高西南低的斜坡式氣藏分布特征，圈閉類型以巖性圈閉為主(見圖6(c))。四川盆地須家河組為古生代克拉通背景上的陸相前陸盆地沉積，發育陸相河流與三角洲為主的儲蓋組合，后期經歷多期構造運動改造，西部逆沖掩覆帶以構造型氣藏為主，前淵深盆區發育動態圈閉型和巖性型氣藏，中—東部前陸斜坡區發育構造—巖性型、構造地層型和巖性型等多種氣藏類型(見圖6(d))。

圖6 中外典型盆地致密砂巖氣藏分布特征Fig.6 The distribution characteristics of tight sandstone gas reservoir of typical basins in China and overseas

總體而言，北美落基山地區中新生代致密砂巖氣盆地是由克拉通邊緣盆地前淵階段發展演化而來的前陸盆地，沉積盆地的形成和演化受西緣褶皺造山帶的隆升、褶皺、擠壓和推覆作用控制，致密砂巖氣藏的形成和分布特征與盆地的基底性質、穩定構造特征和沉積埋藏演化過程等因素密切相關。中國致密砂巖氣盆地雖然具有古生代穩定的克拉通基底背景，由于后期普遍經歷多期構造抬升與擠壓的強烈改造作用，沉積體系頻繁遷移變化，煤系烴源巖成熟演化差異與成藏過程差異等因素，致使氣藏特征與分布規律復雜多變。

4 結語

1)中美致密砂巖氣成藏分布有諸多相似之處。致密氣與煤系烴源巖伴生，致密氣儲層覆壓滲透率小于0.1 mD，為低孔低滲的致密砂巖，具有異常地層壓力，儲蓋組合與聚煤時期的沉積地層對應，具有源儲緊鄰、自生自儲、短距離運移，以及氣水關系復雜、自然產能低與氣藏大面積分布等特征。

2)受沉積盆地性質、煤系地層沉積環境變化、烴源巖成熟演化過程與后期構造改造作用等因素影響，中美致密砂巖氣成藏特征差異性較為明顯。a.美國致密氣以海相—海陸過渡相為主，中國致密氣以陸相與海陸過渡相為主;b.美國儲層分布穩定、厚度大、孔隙度較高，中國儲層非均質性較強、厚度相對較小;c.美國致密砂巖氣以盆地中心氣為主，主要分布于凹陷區，縱向層系跨度小、平面氣藏產狀與氣藏類型有規律性分布，中國致密砂巖氣主要分布在斜坡區和山前構造帶，縱向層位跨度大、不同盆地橫向分布規律差異大;d.美國致密氣含氣飽和度較高，中國致密氣普遍含水。

3)針對中國致密砂巖氣的特殊性，加強儲層非均質性、優質儲層預測與氣藏的分布規律的研究，以及加強工程技術攻關提高單井累計產量是致密砂巖氣勘探開發工作的重點。

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Comparison study on accumulation＆distribution of tight sandstone gas between China and the United States and its significance

Tong Xiaoguang1，Guo Bincheng2，Li Jianzhong2，Huang Fuxi2

(1.China National Oil and Gas Exploration and Development Corporation，Petrochina，Beijing 100034，China;2.Research Institute of Petroleum Exploration＆ Development，Beijing 100083，China)

The tight gas has already been the important field of the global unconventional resource exploration.The distribution of tight gas in China is very wide;for example，the scale development of Ordos Basin and Sichuan Basin have been achieved.The Rokey Mountain in the United States is the area where the tight gas is well developed.Comparative study on the generation condition and reservoir characters of American tight gas is the useful way to accelerate the development of tight gas and open up the thought of exploration.The result of comparative analysis of tight gas reservoir between China and the United States shows:tight gas of China and the United States havs many common characters，for example，most source rock being coal measure strata，tight reservoir，abnormal formation pressure，resource and reservoir intimate contract and gas reservoir gross distribution and so on;otherness is mainly reflected in tight gas source depositional environment，thermal evolution extent，reservoir heterogeneity，densifying factor，the longitudinal and plane distribution characteristics of gas reservoir.The main factors of are the character of depositional basin，sedimentary environment and deuterogene tectonic feature.In allusion to the particularity of Chinese tight gas，the key points of tight gas exploration and development are intensifying reservoir heterogeneity，high grade reservoir forecast，and the study of gas reservoir distribution and striving to make technological breakthrough to increase well cumulative production.

tight sandstone gas;accumulation condition;differences

TE122

A

1009－1742(2012)06－0009－07

2012－04－06

中國工程院重大咨詢研究項目“我國非常規天然氣開發利用戰略研究”(2011－ZD－19－2)

童曉光 (1935—)，男，浙江嵊州市人，中國工程院院士，長期從事世界石油地質和勘探研究;E－mail:tongxg@cnpcint.com