致密砂巖氣藏儲層物性上限界定與分布特征

王朋巖，劉鳳軒，馬 鋒，楊 勉，林益康，盧 沖

(1.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2.中國石油 石油勘探開發研究院，北京 100083； 3.中國石油 青海油田分公司 勘探開發研究院，甘肅 敦煌 736202； 4.中國石油 青海油田分公司 采油一廠，青海 茫崖 816499)

1 致密砂巖氣藏概念及劃分標準現狀

致密砂巖氣是非常規天然氣的一種，分布面積廣，儲量規模大，是當前常規油氣資源的重要補充，受到研究人員和世界各大油氣企業廣泛重視[1-3]。

致密砂巖氣以砂巖儲層致密為主要特點。“致密”是一個描述性的詞語，對于不同國家、學者在不同的歷史時期都有不同的定義。1980年美國聯邦能源管理委員會(FERC，Federal Energy Regulatory Commission)，根據“美國國會1978年天然氣政策法(NGPA)”的有關規定，確定致密氣藏的注冊標準是滲透率低于0.1×10-3μm2，這個標準用來定義一口致密儲層氣井是否需要繳納聯邦稅或州稅。Law對致密氣物性上限的界定與此相同[4]。Spencer認為應以原地滲透率0.1×10-3μm2作為致密儲層上限[5]。

德國石油與煤科學技術協會(DGMK，German Society for Petroleum and Coal Science and Technology)宣布致密氣藏指儲層平均有效氣滲透率小于0.6×10-3μm2的氣藏，英國將儲層滲透率小于1×10-3μm2的氣藏定義為致密氣藏[6]。

美國地質勘探局(USGS，United States Geological Survey)認為致密氣藏是圈閉于礦物高度混雜的砂巖、頁巖或石灰巖地層中，具有很低的滲透率和孔隙度。常規天然氣鉆井之后可以很容易開采，而致密氣藏天然氣需要采用水力壓裂等措施才能有效開采。Holditch 認為致密氣藏是指需經大型水力壓裂改造措施，或者是采用水平井、多分支井，才能產出工業氣流的氣藏[7]。此類定義回避了具體的物性界限參數。

致密砂巖氣在北美已經得到充分的開發利用，美國致密砂巖氣產量占據非常規天然氣生產的主導地位。2008年，美國900個氣田中致密氣生產井超過40 000口，年產氣量為1 880×108m3，占美國陸上天然氣產量的三分之一[8]。據國際能源機構(IEA，International Energy Agency))估算，世界范圍內天然氣剩余技術可采儲量中，致密砂巖氣儲量為76×1012m3，占非常規天然氣的23%，占總天然氣資源的10%，具有很大資源潛力(數據截止2011年)[9]。

從國內外致密砂巖氣勘探、開采的歷史來看，總是先發現氣藏，然后學者和部門針對氣藏的特點進行各種描述和研究[10-12]。到目前為止，得到學者和部門普遍認可的致密砂巖氣盆地(氣田)主要集中于北美[4]，包括阿爾伯達盆地(艾爾姆華士Elmworth、牛奶河Milk River、霍德利Hoadley三大氣田)，以及美國的圣胡安、尤因塔、皮申斯、丹佛、大綠河、粉河、風河、Washakie、Sand Wash等盆地。中國鄂爾多斯盆地、四川盆地也已發現豐富的致密砂巖氣資源[1,13]。

通過實際致密砂巖氣盆地儲層物性測試數據的分析，可以了解致密砂巖物性的分布規律，探討現有物性界限的合理性，充分理解致密砂巖的資源特點，為尋找、利用致密砂巖氣資源打好基礎。

2 典型致密砂巖氣藏儲層物性特征與上限界定

致密砂巖氣藏儲層物性是勘探開發過程中最受關注的參數，目前普遍認可其致密屬性，但很明顯，實際地質條件復雜，測試數據數量眾多，其值絕不可能是一個固定的數值。

2.1 地表標準條件下致密砂巖儲層物性分布特征

國外測試原始數據來自“Analysis of Critical Permeability,Capillary Pressure and Electrical Properties for Mesaverde Tight Gas Sandstones from Western U.S.Basins”項目，由“University of Kansas Center for Research,Inc”完成[14]。

美國西部落基山地區致密砂巖氣占美國致密氣資源的70%(6.83×1012m3)[14]。樣品采自該區7個致密氣盆地(Washakie,Uinta,Piceance,Greater Green River,Wind River,Powder River和Sand Wash)，這些盆地構造背景相同，沉積環境近似，白堊紀Mesaverde組砂巖是該區主力儲層。樣品來自46口鉆井。項目提供的基礎數據庫包括常規孔隙度(2 100點)、常規滲透率(2 073點)和原地滲透率(2 062點)。

常規滲透率測試條件為：圍壓4.14 MPa，穩態氮氣介質，上游壓力0.138～2.760 MPa(20～400 psi)，下游壓力為大氣壓力。在常規滲透率頻率分布圖(圖1)上數據點分布在(0.000 1～100)×10-3μm2范圍，以(0.1～0.001)×10-3μm2區間樣品點最多。累加頻率分布曲線表明，有85%的數據點都小于0.1×10-3μm2。約10%的數據點大于1×10-3μm2，高值達到數百×10-3μm2。這一結果表明總體低滲是北美致密氣的典型特征，總體低滲的背景下，仍有部分滲透率值較高，這部分儲層對于天然氣生產具有重要意義。

北美典型致密氣盆地致密儲層孔隙度測試數據點分布在0～26%范圍(圖2)，從累加頻率曲線上看有80%的實測孔隙度值小于10%。有20%的孔隙度數據在10%～26%。孔隙度分布不如滲透率集中，多數數據點平均分布在0～12%范圍內。

鄂爾多斯盆地蘇里格氣田上古生界儲層實測常規滲透率在(0.000 1～100)×10-3μm2，數據分布最多的區間是(0.01～1)×10-3μm2(圖3)。累加概率分布曲線同樣可以看出有80%的數據點滲透率值小于0.1×10-3μm2，另有20%的數據點在(0.1～10)×10-3μm2。

圖1 北美典型致密砂巖氣盆地致密砂巖常規滲透率分布Fig.1 Distribution of routine permeability values from typical tight gas basins in North America

孔隙度實測數據表明數據點分布在0～20%(圖4)，分布最多的區間是4%～8%，對應于85%累加概率曲線位置的孔隙度值是10%左右。

2.2 原地條件下致密砂巖儲層物性分布特征

與常規儲層不同，致密砂巖儲層滲透率對應力很敏感。前人實驗表明：上覆壓力由常壓增至3.5～35 MPa時，滲透率可降至原來的1/2～1/100[15]。這種減少主要是受氣體滑脫(Klinkenberg 修正)、圍壓、鹽水飽和度等綜合因素的影響而引起的。

氣體滑脫是孔隙介質中非層狀氣流效應的伴生現象。當平均巖石孔喉半徑達到氣體分子的平均自由程(free path)尺寸時，單氣體分子在接觸巖面時速度趨于加速或“滑脫”。如果忽略這種氣體滑脫效應，就會過高地估計巖石滲透率[16]。這種現象對以小孔喉為特征的低滲透或致密含氣砂巖特別有意義。

Klinkenberg最先提出了在低滲透儲層的孔隙介質中存在氣體滑脫效應[16]。氣體滲透率是平均巖心壓力的函數，氣體滲透率會在有限平均壓力下接近一個極限值。可以用測量的滲透率與平均壓力倒數曲線上的直線截距計算這個有限的滲透率值，稱為等效流體滲透率或校正的Klinkenberg滲透率。

北美落基山地區7致密氣盆地致密砂巖儲層原地滲透率測試條件為圍壓27.6 Mpa，根據Klinkenberg氣滑脫原理測試系列數據后通過外推獲取原地滲透率數據[14]。

經過校正的原地滲透率分布顯示數據在(0.000 01～100)×10-3μm2范圍內(圖5)，以(0.000 1～0.01)×10-3μm2最多，累加頻率分布曲線上可見80%的數據點小于0.01×10-3μm2。這一數據比未經校正的常規滲透率將近小了一個數量級。

原地孔隙度的測試結果(圖6)顯示，隨圍壓增加，在圍壓小3 MPa范圍內孔隙度快速減小，在3～30 MPa范圍內，孔隙度縮減的幅度減緩，大致在2 500～3 000 m埋深范圍，孔隙度達到原來的80%。與滲透率相比，壓力對孔隙度的影響不是很顯著。這可能是因為圍壓對滲透率的影響是歸結于連接大孔隙的狹窄喉道的變化。在應力作用下，如果孔隙直徑下降50%～70%，滲透率就要下降10%～40%倍。

圖2 北美典型致密砂巖氣盆地致密砂巖孔隙度分布Fig.2 Distribution of routine porosity values from typical tight gas basins in North America

圖3 鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖儲層滲透率分布Fig.3 Distribution of routine permeability values from the Upper Paleozoic tight sandstone in Ordos Basin

圖4 鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖儲層孔隙度分布Fig.4 Distribution of routine porosity values from the Upper Paleozoic tight sandstone in Ordos Basin

圖5 北美典型致密氣盆地致密砂巖儲層原地滲透率分布Fig.5 Distribution of in-situ permeability values from typical tight gas basins in North America

圖6 北美典型致密氣盆地致密砂巖儲層孔隙度與壓力的關系Fig.6 Relationship between porosity and pressure in tight sandstone reservoirs from typical tight gas basins in North America

2.3 致密砂巖儲層物性上限值的建議方案

致密砂巖氣藏已經大規模投入開發，對其物性特征也有了較清楚認識，但學術界在具體物性界限值方面仍未統一。本文擬提出兩個建議。首先建議以常規滲透率為標準。常規滲透率測試方法規范，在世界范圍內具有可比性，可用數據量也比較多。原地滲透率測試涉及到Klinkenberg效應的校正，與壓力、流體、巖石特征都有關系，測試和計算過程都比較復雜，可獲得的數據較少，不利于廣泛對比和利用。北美7個盆地的測試結果顯示原地滲透率比常規滲透率約小一個數量級。在成藏機理研究和氣田開發生產等領域可以采用原地滲透率，以求更真實地反映地下情況。其次，為了與現階段認識接軌，在現有數據支持下，建議以常規滲透率0.1×10-3μm2為界限。如果某氣藏測試常規滲透率值80%都小于0.1×10-3μm2，則可認為是致密砂巖氣藏。至于孔隙度建議不作為主要界限參數。從數據統計分布規律來看，滲透率0.1×10-3μm2對應的孔隙度數值為10%，具統計意義。

3 致密儲層分布特點、成因機制及氣藏界定原則

3.1 全球致密砂巖儲層分布特征

隨著全球范圍致密砂巖氣藏的開發利用，人們發現沒有完全一樣的致密氣藏。致密砂巖氣藏可以埋藏很深，也可以很淺；可以高壓也可以低壓；可以高溫也可以低溫；可以是席狀砂也可以是透鏡狀；可以是均質的，也可以是非均質的；可以是一個單層，也可能有多套儲層[12]。已發現致密砂巖氣藏的共同特點顯示：儲層以砂巖為主，物性差(平均骨架滲透率小于0.1×10-3μm2)，面積大，構造平緩(地層傾角小于2°)，廣泛含氣，沒有明顯的氣水界面，如表1所示。

3.2 典型致密氣田儲層巖性、物性特征

1) 牛奶河氣田

阿爾伯達盆地牛奶河氣田致密砂巖氣儲層為晚白堊世桑托階-坎佩尼階牛奶河組砂巖。沉積環境為風暴相陸棚至前三角洲。埋深約594 m。

牛奶河組儲層由泥質、長石質、巖屑質粉砂巖、細砂巖組成。粉砂巖和砂巖富含泥質，與蒙托石組成的粘土層呈互層分布[17]。自生粘土礦物包括混層伊利石-蒙脫石和高嶺石，也存在蒙脫石/海綠石。菱鐵礦呈細到粗的晶體，填充在孔隙內成為膠結物或結核。方解石作為嵌晶膠結物出現，整個儲層中都有黃鐵礦分布。局部高孔隙主要來自骨架溶解。牛奶河地層巖心孔隙度10%～26%(平均14%)。平均巖心滲透率小于1×10-3μm2(最大250×10-3μm2)。

表1 世界主要致密砂巖氣田儲層基本特征Table 1 Basic reservoir characteristics of the major tight gas sands in the world

牛奶河組砂巖致密的主要原因是沉積形成的高泥質含量降低了儲層滲透率，增加了無效孔隙度和吸附水。

2) 圣胡安盆地布蘭科氣田

布蘭科氣田致密砂巖氣儲層為上白堊統Mesaverde組砂巖。其中Point Lookout和Cliff House是二套主力產氣層。形成環境為濱海平原、砂壩和港灣。埋深1 600～2 100 m。

儲層巖性為極細粒到中粒的泥質長石砂巖、巖屑砂巖和長石巖屑砂屑巖[18]。普遍見到自生石英和鉀長石，孔隙內充填了方解石和正交晶的白云巖膠結物。粘土含量范圍從5%～14%，粘土以孔隙附著和孔隙充填的形式出現，還會以碎屑巖巖屑的形式出現。在多數樣品中，孔隙度范圍在4%～14%，整個儲層的平均孔隙度在9.5%。巖石基質滲透率大概在(0.01～8)×10-3μm2，在Point Lookout地層平均值為2.0×10-3μm2，而在Cliff House地層中為0.5×10-3μm2。

碎屑顆粒中泥質含量高，同時成巖作用形成的自生高嶺石和假基質充填了孔隙，是低滲透率砂巖形成的主要原因。

3) 鄂爾多斯盆地蘇里格氣田

鄂爾多斯盆地蘇里格氣田儲層為上古生界致密砂巖[19-20]。中、上石炭統主要為濱岸、海灣-潟湖沉積，二疊系主要為河流-三角洲-湖泊相，其中山西組主要為三角洲相，石盒子組為河流-三角洲相。埋深一般1 000～3 000 m，西部深凹陷可達4 000 m以上，砂巖厚度100～150 m。

蘇里格氣田盒8段和山1段為石英砂巖和巖屑砂巖，顆粒以中粗砂為主，砂巖的分選很差； 雜基含量高，粘土雜基含量最高可達49%。孔隙度平均值一般小于12%，滲透率低于0.5×10-3μm2。在中三疊世早期至晚三疊世末期快速沉降階段的機械壓實作用直接導致了砂巖儲層的壓實定型,是儲層低孔、低滲的主要原因.方解石、石英、自生粘土(高嶺石、綠泥石、伊利石和伊蒙混層)和少量沸石類的膠結加劇了這種趨勢。

3.3 致密砂巖儲層致密原因

砂巖低滲透是孔隙喉道狹窄的結果。填充孔隙的物質可以是沉積過程中形成的雜基，也可以是成巖過程中的自生泥質、鐵質、硅質、鈣質膠結物。

導致砂巖物性致密的原因可能很多。可以從3個方面考慮：沉積作用、成巖作用和構造作用。

致密砂巖氣藏的沉積條件表現為沉積、沉降迅速，碎屑物質成分復雜，分選不好，泥質含量高。低能環境下如深海盆地、泛濫平原的天然堤位置，容易形成細砂、粉砂和粘土沉積，帶有大量碎屑粘土基質，通過成巖作用可形成致密儲層。高能沉積環境下形成的凈砂巖，如果粒間孔被自生膠結物(主要是石英和鈣質)膠結也可導儲層物性變差[22]。

成巖作用包括機械壓實、壓溶作用、膠結作用、交代作用、溶蝕作用等，在各盆地中所起作用程度不同。砂巖中流體沒有達到飽和或者無流體充實可以導致低滲甚至致密。巖層與泥巖接觸可形成底鈣和頂鈣，從而使砂巖氣藏形成致密的特低滲透帶。成巖作用總體降低有效孔隙度，同時降低巖石滲透率。

致密砂巖分布區一般都對應構造穩定地帶，地層傾角平緩，斷裂和褶皺不發育，流體不活動，有利成巖作用進行。局部地層斷裂或變形可以導致裂縫形成，促進“甜點”形成。

3.4 致密砂巖氣藏界定原則

USGS針對連續型氣藏資源定義為：①下傾方向缺少氣水接觸帶；②很少或幾乎不產水；③產氣區域由構造區延伸到向斜區；④異常壓力(異常高壓或低壓)；⑤生產井或氣顯示與構造閉合度無關；⑥儲層與源巖緊密接觸，有效源巖的界定一般采用鏡質體反射率Ro大于1.1%范圍。此種方案明顯針對勘探程度較高地區，需要資料較多，比如氣水分布、壓力分布等等。

在研究中發現致密氣資源具有“均質性”的特點，即面積大(連片分布)、控制因素簡單(不受構造影響)、儲層物性具有確定的范圍(滲透率小于0.1×10-3μm2)。據此本文總結出簡化的3條致密氣識別標準：

1) 是否有天然氣發現？如果有發現，則生氣條件即可落實，氣源巖的有機質豐度、類型、成熟度可保證提供充足氣源。

2) 是否構造活動微弱？構造活動微弱則地層分布穩定，不會形成構造起伏和斷裂構造，也就不會引起側向油氣運移聚集，同時保證了保存條件。

3) 儲層物性是否致密？按本文觀點，儲層物性在小于0.1×10-3μm2時天然氣在儲層中運移困難，不會產生氣水分異，也就不會形成下傾方向上明顯的氣水界面。

如果以上3個問題的回答都是“是”，則可落實本區目的層為致密砂巖氣藏。

4 結論

當前世界范圍已經發現的典型致密砂巖氣藏儲層物性偏低，實測常規滲透數據80%都小于0.1×10-3μm2，對應孔隙度為10%左右。原始地下條件的原地滲透率值約低于常規測量值一個數量級，孔隙度也受壓力影響，最大可下降20%。建議用常規滲透率0.1×10-3μm2作為致密砂巖氣儲層物性的上限值，方便研究與生產，與國內外研究成果可以很好地接軌。

致密砂巖儲層分布不受時間、空間、沉積環境限制，分布廣泛，形成致密物性的原因也多種多樣。沉積過程中可造成碎屑顆粒分選差，泥質含量高；成巖作用壓實儲層，并形成各種自生膠結物；后期構造運動穩定保持了原有流體特征，促進了致密過程，限制了裂縫帶的形成。可以根據天然氣顯示情況、構造活動情況和儲層物性條件三因素落實致密砂巖氣藏的范圍。

參 考 文 獻

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