不同成因類型致密砂巖氣成藏過程及機理研究進展①

孫麗娜 張明峰 吳陳君 王自翔 熊德明 妥進才

(1．甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學院油氣資源研究重點實驗室 蘭州 730000;2．中國科學院大學 北京 100049)

0 引言

自1950年 Silver［1］在研究中間接地認識到 San Juan盆地白堊系大范圍低滲透儲層中普遍含氣以來，眾多學者在全球范圍內針對此類氣藏進行了廣泛的研究。致密含氣砂巖的概念最早始于美國［2］，并規定其滲透率小于1×10－3μm2。此后，眾多描述此類氣藏的地質學概念依次被提出［3］。如 Holditch［4］認為，致密砂巖氣理應是經過改造處理方可形成工業氣并無典型特征的致密砂巖儲層。其埋藏可深可淺，溫度壓力可高可低，可呈透鏡狀分布也可為席狀展布，可為多層或單層，可為均質也可是非均質的;關德師等［5］認為致密砂巖氣藏為天然氣在孔隙度小于12%、滲透率小于 0．1×10－3μm2及含水飽和度大于40%的砂巖儲層中流動緩慢的氣藏;楊曉寧等［6］將致密砂巖儲層物性特征歸結為:孔隙度為7% ～12%、滲透率小于 1×10－3μm2而孔喉半徑小于 0．5 μm;鄒才能［7］認為致密砂巖氣是需要通過壓裂或者其他特殊采氣工藝才可從低(特低)滲儲層中產出的無自然產能的致密氣。本文依據我國致密砂巖氣藏的規定標準［8］，認為有效滲透率≤1×10－3μm2、孔隙度≤10%的可為致密砂巖氣藏。杏福音等［9］指出致密砂巖氣(藏)亦是致密含氣砂巖儲層。由此可見，學者們對致密砂巖氣藏的概念都有自己的見解，但均包含儲層低孔低滲這一特性。并且，前人也從不同角度對此類氣藏的分類、成藏過程和形成機理進行了研究［3］，為此類氣藏的勘探做了大量的準備工作［10-11］。

致密砂巖氣作為一種非常規天然氣資源一直受到國內外學者的重視。目前全球已有70多個盆地發現或推測有致密砂巖氣，主要位于北美、歐洲和亞太地區［12］。而我國四川、鄂爾多斯、吐哈及準噶爾南部等區域均有致密砂巖氣藏的分布［3］。如今，世界上已發現的致密砂巖氣資源量為209．72×1012m3［13］，而應用目前技術方法可開采利用的僅有(10．5～24．0)×1012m3［14］，但仍居非常規氣之首。

由于不同盆地、不同深度致密砂巖氣藏的開采現狀、分布規律、地質產狀和形成機制等不同，導致致密砂巖氣藏的分類、評價標準也不一樣［9］。通過總結不同成因類型致密砂巖氣藏的封閉機理，發現常規油氣藏封閉機理可適用于常規致密砂巖氣藏，并且研究成果較為成熟。而適用于現致密型深盆砂巖氣藏(深盆氣)的封閉機理，如水動力、側向斷層—垂向蓋層、上浮受阻、動態平衡、驅動壓差和復合封閉等成因機理的研究現狀仍存在一定的問題。同時，鑒于致密砂巖氣藏是天然氣能源的重要“儲備力量”，因此明確其成藏過程和機理將為其勘探開發提供“指南針”性的定位作用。

1 致密砂巖氣藏成因分類

目前，根據研究方向的不同，致密砂巖氣藏有多種分類方式。如根據滲透率大?。?5］、氣藏成藏與構造演化關系［16］及致密砂巖氣成藏時間與砂巖儲層致密時間的先后關系［17］等進行劃分的。本文根據致密砂巖氣藏的成因將其分為致密常規、致密深盆和致密復合砂巖氣藏［18］。

致密常規砂巖氣藏發育于沉積盆地深部、成因和產狀特征與常規油氣藏類同［18］。其以儲層后期致密化(天然氣充注之后)為特征，源巖可近源也可遠源聚集，氣水分布服從重力分異原理，呈氣上水下分布模式［17，19］。其概念模式見圖 1a。

致密深盆砂巖氣藏發育于沉積盆地深部深坳區或向斜帶中［18］。其以儲層前期致密化(天然氣充注之前)為特征，并對儲層孔隙度和滲透率大小有要求，應分別小于12%和1×10－3μm2。近源或直接聚集成藏是其最有利的形成條件，氣水一般呈倒置關系分布，氣藏壓力可為異常高(低)壓，且一般分布于盆地或坳陷深部或寬緩的斜坡上［17，20］。其概念模式見圖1b。

致密復合型砂巖氣藏發育于沉積盆地深部的深坳區、背斜帶或斜坡上。在盆地深部條件下，先期形成的常規氣藏和后期的深盆氣藏疊加和復合形成復合型氣藏。成藏過程具體表現為，常規氣藏到致密常規氣藏，再與深盆氣藏疊加形成致密復合氣藏［18］。其概念模式見圖1c。

2 致密砂巖氣成藏過程

為闡明致密砂巖氣藏形成機理特征，Dickinson［21］曾分析了其成藏階段，姜福杰等［22］模擬了其成藏過程。同時，依據實驗結果與前人分析總結［3］，可將致密砂巖氣成藏過程具體劃分為充注前期、充注期和充注后期3個階段。

致密常規砂巖類氣藏成藏過程為:①烴源巖大量生、排烴;②已排出的天然氣受浮力等作用運移并聚集形成常規氣藏;③生排烴高峰結束后，儲層開始致密化，一部分先期保存的氣體排出并運移聚集形成次生氣藏，也仍有部分殘留在儲層中;④儲層致密化結束后，由于構造改造作用致使部分殘留氣得以排出并形成構造裂縫型氣藏［17］。簡單來講，即為烴源巖生排烴→運聚成藏→儲層致密化→構造改善的過程。

致密深盆砂巖類氣成藏過程為:①在烴源巖生排烴高峰前，儲層已致密;②排出烴慢慢蓄積并逐漸進入致密砂巖儲層中，形成氣下水上的氣藏［2］;③當烴源巖生排烴并聚集成藏的效率高于天然氣擴散損失效率時，散失氣仍可在上傾構造帶聚集成次生氣藏［17］。此成藏過程可簡記為:儲層致密化→氣體充注→聚集成藏。

致密復合型砂巖類氣成藏過程為:①烴源巖生排烴并運聚成常規氣藏;②致密深盆氣藏形成(也可與常規氣藏同時形成);③在構造埋深過程中，常規油氣藏儲層逐漸致密化;④常規致密氣藏與深盆氣藏復合疊加歸一化形成致密復合氣藏［18］。即常規氣藏形成→致密深盆氣藏形成→常規氣藏致密化→致密復合氣藏形成的演化過程。

圖1 致密砂巖氣藏概念模式圖(據龐雄奇，2013，修改)Fig．1 The conceptual model of tight sandstone gas reservoirs(modified from Pang，2013)

3 致密砂巖氣成藏機理

目前，常規致密砂巖氣先成藏后致密，分布特征類似于常規氣藏，其成藏機理的研究已較為成熟。致密深盆砂巖氣的研究尚在繼續。并且復合型致密砂巖氣成藏機理研究的關鍵也取決于深盆氣的研究近況。因此，研究和分析深盆氣的成藏機理至關重要。通過對世界范圍內幾個典型深部致密砂巖油氣藏解剖和實驗室物理模擬研究也表明:深盆氣藏具有與常規油氣藏明顯不同的特征［3］。不同學者從不同角度對致密深盆砂巖氣進行研究，提出了不同的封閉機理。

3．1 水體封閉機理

Berry［23］通過研究San Juan盆地中的低壓氣藏，認為水向下傾方向上的流動使氣藏得以保存，并提出了水動力封閉機理。同時，Masters［2］通過對San Juan盆地、Denever盆地和Sweet grass arch內氣田部分儲層中氣水關系的研究認為，儲層中上傾方向高孔高滲高含水飽和度的儲層水向下傾方向低孔低滲高含氣飽和度儲層中的流動使得氣藏得以保存(圖2)。Masters［2］還發現在高含水飽和度低滲儲層的氣水交界處，孔喉中的水可使氣體滲透率幾乎降低為零，在含氣部位上方形成“相對滲透率屏障”的水堵封閉。Byrnes等［24］在不同圍壓下氣體滲透率的實驗結果中證實，致密砂巖滲透率強烈依賴于圍壓。而高孔滲實驗表明，高壓時氣體滲透率減小。同時Walls等［25-26］研究指出地層條件下，砂巖隨壓應力的增大會出現滲透率驟減的現象。這從側面表明，含水飽和度較高時，壓力隨之增大，砂巖儲層滲透率降低，氣體得以被水體封閉保存成藏。

但是，針對這種水封閉機理而言，Masters［27］認為存在的主要問題是，形成的這種“水封閉”體系能否持續存在至今，在地質時間尺度內能否保持水動力(上傾向下傾方向的水動力)條件的穩定。而且，即使以上條件可以滿足，還得保證高含氣致密砂巖儲層上傾方向有高孔高滲高含水儲層的存在。

圖2 致密砂巖氣藏水動力封閉成藏模式圖(據 Masters，1979，修改)Fig．2 Water block of gas charging in tight sandstone(modified from Masters，1979)

3．2 上浮受阻封閉機理

圖3 儲層孔隙演化地質模型與儲層流體組分地質解釋概念模型(據姜福杰，2010)Fig．3 Concept model consists of pore fluid based on principle of bound water film with fixed thickness(after Jiang，2010)

儲層孔隙空間隨埋深增大而呈逐漸減小的趨勢，但相對而言束縛水孔隙所占的空間比例卻有增大的跡象。然而，常規致密砂巖氣藏儲層后致密，天然氣先充注［17］，其氣體聚集成藏的方式為整體向上排驅自由水?；诘貙訔l件下孔隙流體的組成和演化特征(圖 3)［29］，Gies［30］認為，對大多數深盆氣藏而言，均存在氣水倒置現象。這樣儲集層下部氣藏缺少地層水，氣沒有相應向上運移的浮力，以致氣體在低滲砂巖中上浮受阻而出現對氣的封閉作用;Gies［31］模擬實驗研究表明，低滲砂巖中，氣相壓力較高時，水與氣相互制約，氣不能在水中上浮，水也不能穿過含氣帶;但在氣相壓力降低時，水可以自由通過含氣帶流至孔隙底部，氣體借此則可在水中上浮。氣在上浮過程中，如果砂體儲層孔隙度較低，由孔隙底部到孔喉時便會破壞水流動的連續性，致使其上浮再次受阻;如果上浮“路過”的砂巖儲層孔隙度較高，氣不會因孔喉過小而上浮受阻，而會受浮力作用順利迅速運移。并且Broun等［32］從毛細管阻力的角度出發，認為氣很難運移的主要原因在于低滲儲層中，氣體浮力不足以克服孔隙水的毛細管阻力。由此可見，缺乏浮力是導致氣在低滲砂巖上浮受阻而封閉保存的重要原因。

但如果缺乏浮力是導致氣在低滲砂巖中上浮受阻而封閉成藏的話，那么地下自由水活動門檻深度的界定與主控因素的研究，則應是這種“缺乏浮力”封閉機理的關鍵。

3．3 側向斷層—垂向蓋層封閉機理

研究表明，斷層可以作為構成深盆氣藏側向封閉條件［33-35］。Jones［36］通過對 Green River盆地北部 Jonah油田深盆氣藏構造特征及成藏機理的研究認為，斷層是構成深盆氣藏成藏的側向封閉條件(圖4);Montgomery 等［37］、Warner［38］發現 Jonah 油田上白堊紀Lance地層砂巖致密氣藏(深盆氣藏)側向封閉邊界是兩條交錯的封閉斷層(圖4)。垂向蓋層作為“房蓋”加強了氣藏的封閉保存。但是這種封閉條件具有特殊的地域性，由于Jonah氣藏側向上是受斷層封堵，垂向上為蓋層覆蓋，該機制是可以適用的，而對絕大多數致密氣藏而言，并不存在側向受斷層封堵的條件。因此，此機理具有一定局限性，應用范圍有限。

3．4 地層—成巖作用復合封閉

Gies［39］強調在儲層孔隙系統中，一種流體很難驅替另一種流體，即氣在低滲儲層中上浮受阻封閉作用。但Cant［40］在對Alberta盆地晚白堊系Spirit River地層層序研究的基礎上指出，上浮受阻封閉機理的前提條件是孔喉在一定的大小范圍內，并認為這種“滲透率屏障”是儲層砂巖成巖作用形成的封閉帶(圖5)。正如Roberts［41］指出的，預想的成巖作用封閉機理具有動態特征，而不是常規的靜態封閉系統。Cant認為這是由于儲層受地層控制，而封閉是由成巖作用形成的，因此Spirit River氣田應為地層—成巖作用復合封閉的結果。同時Masters［2］提出的“飽和水封閉”也是由成巖作用形成的封閉帶;Welte等［42］通過地球化學數據分析指出，正是由于成巖作用的存在，降低了砂巖的孔隙度和滲透率，使得仍有一些盆地中心氣在足夠致密的儲層中得以保存。否則，盆地中將不會存在有價值的氣藏。Khavari-Khorasani［43］對其他盆地烴類流體的研究發現，致密氣藏的封閉機制一般為地層封閉或成巖作用封閉或兩者共同作用。

目前學者們的疑問是，此種成巖作用形成的機理是什么?［28］并且，Cant［40］雖然提出了該機理，但他也認識到這種機理不夠完善——氣散失問題，關鍵因素是生氣量、氣聚集成藏的時間以及氣體散失速率之間的“平衡度”。

3．5 動態平衡封閉機理

圖4 Green River盆地Jonah致密構造砂巖氣藏(據Law，2002，修改)Fig．4 The Jonah tight sandstone reservoir in Green River Basin(modified from Law，2002)

對于這種“公認度”較高的動態平衡封閉機理而言，一直受到學者們的廣泛關注。柳廣第在《石油地質學》教材中提到:深盆氣藏，其形成的前提是氣源巖與致密儲集層之間的匹配關系，形成的關鍵是致密儲集層產生的毛細管力的封閉作用。這種作用可以從兩個方面去理解，一是力平衡角度，二是物質平衡原理。毛細管力封閉和力平衡原理是深盆氣藏的主要機理，而天然氣運聚動平衡過程的物質平衡作用制約深盆氣藏的分布范圍［44］。

圖5 致密砂巖成巖作用封閉帶(據Cant，1983)Fig．5 Closed with diagenesis of tight sandstone(after Cant，1983)

一方面，很多學者通過研究深盆氣藏的成因機理，發現這種“動態平衡”封閉是深盆氣成藏的關鍵因素。例如，Welte等［45］認為深盆氣藏實際上是一種不存在封堵和致密封閉條件的動態圈閉(氣體不斷散失和持續補給之間的動態平衡)作用下的氣藏;Law等［46］以氣體補給聚集和不斷散失速率的相對大小及氣藏壓力的大小為根基，分析了深盆氣生成、運移及其聚集成藏的機制及規律，并認識到深盆氣藏封閉是“動態的”。在高壓氣產生區域內，游離水迅速地被氣驅替進入上覆和上傾部位的含水巖層;殘留的束縛水不足以驅除以溶解方式進入孔隙系統內的氣，致使孔隙壓力不斷增大。相對封閉的水動力系統在經過孔隙壓力增加→毛細管壓力增大→含水飽和度降低→毛細管壓力再度增大→含水飽和度不再繼續下降的這一“多米諾骨牌”式的演化過程之后，低滲儲層“網絡系統”得以形成(圖6)。如果氣的生成速率大于散失速率，氣藏就可以保存;Surdam［47］通過對Rocky Mountain Laramide盆地異常壓力區域巖層的分析，認為毛細管壓力與異常壓力雙重動力的平衡作用促進致密砂巖氣聚集成藏;張金川等［48-49］認為，源巖生烴作用所產生的天然氣膨脹力、毛細管壓力、水柱壓力(運移阻力)之間的動力關系構成了該類氣藏成藏動力平衡方程的主體;金之鈞和張金川等［49］提出了深盆氣藏的動力平衡方程，從成藏條件分析出發，對其成藏動力平衡過程和方程進行系統討論;龐雄奇等［50］，認為深盆氣藏為力學與物質平衡共同支配下的動態過程。其中，從力學角度來講，毛細管力+靜水壓力=氣體浮力+膨脹力;而物質平衡方面，源巖供氣總量－儲層向上、下散失量－氣水邊界側向逸散量=深盆氣藏賦集氣量(圖7)。

另一方面，也有一些學者在認同動態平衡機理為深盆氣成藏主控因素的基礎上進行進一步實驗研究的。例如，戴家權等［51］根據深盆氣藏形成和保存必須滿足的力平衡和物質平衡條件，給出了確定氣藏分布范圍的數值計算方法;米敬奎等［52］基于這種機理對深盆氣形成條件進行了模擬實驗，結果發現儲層致密、源儲相近及生氣力強是一般深盆氣成藏的必備條件;肖芝華等［53］通過對氣藏儲層中氣水臨界地質條件的物理模擬實驗，發現氣水倒置現象的產生與流體浮力和毛細管力之間的力平衡有關。

動態平衡封閉機理的“公認度”雖很高，但也存在需要進一步探討的問題:影響和控制供烴速率和損失速率的因素是什么?多數大面積飽含氣低滲儲層區域中浮力是否存在［28］?關于很多已經停止供烴的冷盆仍存在深盆氣的問題，雖然張金亮等［3］在模擬實驗與解剖典型深盆氣藏結果分析的基礎上，提出了深盆氣成藏新理論為:優質烴源、源儲共生、容易保存、無需動態平衡供氣及生氣趨于尾聲的“冷盆”仍可生氣成藏。但在實際地質情況下究竟如何，我們仍不知?因此，這些問題仍需進一步商榷。

圖6 不同埋藏階段的氣藏聚集及其孔隙網絡、流體演化模式(據Law，1985，修改)Fig．6 Gas accumulation，pore network and pore fluids model for each burial stage(modified from Law，1985)

圖7 深盆氣藏物質平衡和動力平衡模式圖(據龐雄奇，2003)Fig．7 Material balance and dynamic balance model of deep basin gas reservoir(after Pang，2003)

3．6 驅動壓差封閉機理

Spencer［54］通過對 Rocky Mountain 地區氣藏的研究提出了驅動壓差成藏機理。他認為，在最大儲層壓力與巖石破裂壓力梯度大致相當時，快速排出的烴類可導致儲層產生裂縫。此處的高壓意味著儲層內的氣藏或油藏以連續分布的形式存在，而不存在動態封閉機理。Berkenpas［55］指出孔隙大小是控制氣體上浮的關鍵因素。在地質條件一定時，孔隙和孔喉半徑越小，氣體運移需要克服的界面阻力就越大，在浮力不足以克服阻力的情況下就無法實現氣體運移。此時存在的氣水差異驅替壓力作用，則會為氣藏運聚成藏起到至關重要的作用。張金亮［56］認為驅動壓差機理與前人提出的動態平衡成藏機理有所不同，認為深盆氣藏的保存不需要動態平衡條件。Fall［57］利用流體包裹體分析方法對Southern Piceance盆地深盆氣成藏模式進行研究發現儲層發育的裂縫系統與氣體成熟度演化具有同時性，并認為天然裂縫是儲層內在因素之一。

就驅動壓差機理而言，垂向源巖斷裂和超壓是油氣成藏的關鍵，成藏動力機制為壓差驅動油氣運聚。那么，如果儲層還沒有致密，那么儲層致密的動力是什么?如果儲層已經致密，那么“壓差”能否大到足夠將氣“壓入”致密儲層?而且，這種情況下有無“氣水倒置”現象，如果有，如何實現?如果沒有，這算不算是深盆氣的特殊類型?這些疑問尚未解決，這種機理必然就不完善。

4 不同成藏機理探討

前人提出的深盆氣多種成藏動力學機制，在實際應用或理論分析中發現一定的不足。

根據前人的研究與總結，認為前人提出的各種成藏機理是相輔相成的，既不能單純地認為某種成藏機理一定適用于所有氣藏，也不能一味地認為哪種成因機理更準確，而只能講哪種機理適用面更廣，更貼近其真正成因，更能為致密砂巖氣藏的勘探開發提供更具實際意義的理論指導。

從“氣—水相互作用”方面的機理去看，①水動力封閉機理，實質上是水動力(靜水壓力與毛細管力)與氣動力(氣體浮力與供氣熱膨脹力)的力學平衡，這與動態平衡機理的力平衡機制是一致的，僅在于該機理要求儲集體上傾方向的儲層具備高孔高滲高含水飽和度的特征;②上浮受阻封閉機理為飽含氣低含水的低滲砂巖中，氣體由于缺乏浮力不足以上浮，又因氣相壓力也較高，水不能通過含氣帶。因此，這種封閉機理實質上也可理解為氣體浮力與靜水壓力平衡作用下的結果;③動態平衡封閉機理，除了要保證力學平衡(供氣熱膨脹力+氣體浮力=毛細管力+靜水壓力)之外，還要求實現物質的平衡(深盆氣藏賦集氣量=源巖供給氣量－蓋層散失氣量－氣水邊界散失氣量)。

從“驅動壓差”成藏方面去看，其主要成藏模式為“上生下儲”，關鍵因素是垂向源巖的斷裂和超壓，動力機制是壓差驅動。在成藏過程中，當烴源層與儲集層之間的剩余壓差＞浮力+毛細管力等阻力時，會促使油氣發生運移，因此源儲壓差大小便決定了成藏的深度與富集程度。但目前尚不明確此種機理如何(能否)形成大多數深盆氣氣水倒置的情況。因此，暫且理解為這是無氣水倒置深盆氣的情況。

從“直接遮擋”的封閉機理來講，①側向斷層—垂向蓋層封閉，側向斷層在沿儲集層側向上傾方向形成遮擋封閉，在加上氣藏垂向上方的蓋層“直接覆蓋”，兩者共同構成了保障致密砂巖氣藏保存的條件。但是，由于并不是所有的致密深盆砂巖氣藏都具有側向斷層的構造地質條件，因此，這種機理具有很大的局限性，只能是形成致密深盆砂巖氣藏的“充分不必要條件”;②地層—成巖作用復合封閉，則從根本上認為致密砂巖氣藏的“致密”和“成藏”是由于在地層成巖作用(例如沉積物的膠結、交代、結晶、壓實、淋濾、水合和生物化學作用等)下，孔滲減小而導致儲層“致密”，又因儲層“致密”而保留下一部分氣體，從而形成了“氣藏”。

所以，從上述分析，可以看出各種機理之間的相互聯系。宏觀上來看，“驅動壓差”→“直接遮擋”→“氣—水相互作用”機理呈依次遞進的趨勢。其中“驅動壓差”機理可直接形成氣藏，“直接遮擋”封閉可進一步為氣藏保存起到“初步堡壘”的作用，“氣—水相互作用”又進一步是氣藏儲層內部的微觀封閉機理。

5 結論

(1)根據致密砂巖氣藏的不同成因，可將其分為致密常規、致密深盆和致密復合砂巖氣，其成藏過程分別簡記為:烴源巖生排烴→運聚成藏→儲層致密化→構造改善、儲層致密化→氣體充注→聚集成藏及形成常規氣藏→致密常規氣藏→致密深盆氣藏→致密常規和深盆氣藏疊合的演化趨勢;

(2)不同角度的致密深盆砂巖氣成藏機理，包括可直接形成氣藏的“驅動壓差”機理，可進一步保存氣藏的“直接遮擋”封閉(如側向斷層—垂向蓋層封閉和地層—成巖作用復合封閉)，及進一步體現儲層內微觀特征的“氣—水相互作用”封閉機理(如水動力、上浮受阻和動態平衡封閉機理)。

(3)鑒于實際地質演化的“特殊性”與各種成藏機理間的“相關性”及其各自的“適用性”，綜合分析判斷致密砂巖氣成藏的宏觀與微觀過程將為主要的探究方向。

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