致密砂巖氣藏復雜氣-水關系形成和分布主控因素及分布模式

曾濺輝，張亞雄，張在振，4，喬俊程，王茂云，陳冬霞，姚涇利，丁景辰，熊 亮，劉亞洲，趙偉波，任克博

［1. 中國石油大學（北京） 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2. 中國石油大學（北京） 地球科學學院，北京 102249；3. 中國石化 石油勘探開發研究院，北京 102206；4. 中國石化 勝利油田分公司 海洋采油廠，山東 東營 257237；5. 中國石油 長慶油田分公司 勘探開發研究院，陜西 西安 710018；6. 中國石化 華北油氣分公司 勘探開發研究院，河南 鄭州 450052；7. 中國石化西南油氣分公司 勘探開發研究院，四川 成都 610059］

致密砂巖氣是指孔隙度小于10 %、覆壓滲透率小于0.1×10-3μm2或空氣滲透率小于1.0×10-3μm2的砂巖儲層中的天然氣聚集［1-3］，具有分布廣泛、資源潛力大的特點，是非常規天然氣勘探開發的重要對象。目前全球已發現或推測發育致密砂巖氣的盆地有70 個，其總氣產量約占全球非常規氣產量的70 %［4-6］。近年來，中國致密砂巖氣形成了鄂爾多斯盆地上古生界和四川盆地上三疊統及侏羅系兩大現實區，并在松遼盆地、準噶爾盆地、塔里木盆地和渤海灣盆地等取得了勘探重要突破，已成為中國非常規天然氣增儲上產的首要目標［5-8］。

20世紀90年代后期至今，隨著大量致密砂巖氣藏的勘探和開發，氣藏普遍產水。美國大綠河、皮申斯和尤因塔盆地，中國的鄂爾多斯盆地和四川盆地的致密砂巖氣藏均大量產水，截至2008 年，皮申斯盆地2 184口致密砂巖產氣井中有594 口井產水明顯，水/氣比超過1.20 m3/（104m3）［9-12］；至2015年前后，蘇里格氣田產水井數量占到了將近60 %［9-11］；至2020 年底，蘇里格氣田日產氣量小于5 000 m3的低產井占比高達67 %，其中57 %的低產井由含水所致，氣田西區在投產初期就見水，平均水/氣比高達0.68 m3/（104m3）［9］；四川盆地川中地區須家河組六段致密砂巖氣藏投產初期普遍產水，如興華1 井日產水20 m3［13-15］。因此，如何“避水找氣”已成為致密砂巖氣藏勘探開發的重要問題。

有關致密砂巖氣的研究長期聚焦在成藏主控因素和成藏機理方面［3，16-23］，對致密砂巖氣-水分布關系的研究相對薄弱，已有的研究過于強調氣-水倒置，簡單用氣層、氣-水層、水層反映氣-水關系，不能真實反映致密砂巖氣藏復雜的氣-水分布關系［24-27］。許多學者主要從宏觀地質要素例如烴源巖、源-儲距離、沉積相、儲層物性、壓力、構造特征和構造活動等角度討論氣-水分布的主控因素和形成演化特征，定性表征較多，針對不同構造背景下致密砂巖氣-水分布關系主控因素的差異性研究較少［28-31］；一些學者基于核磁共振等方法探討了微觀孔隙結構對氣-水賦存狀態和分布的影響［32-39］，缺少從砂層、巖心和孔喉尺度對氣-水分布主控因素的整體和系統研究。本文基于簡單平緩構造區（鄂爾多斯盆地蘇里格和大牛地致密砂巖氣藏）、簡單平緩-復雜隆起構造過渡區（鄂爾多斯盆地杭錦旗地區）和復雜隆起構造區（四川盆地川西須家河組與沙溪廟組致密氣藏地區）的氣-水分布關系的綜合地質研究，在明確不同構造背景下的致密砂巖氣藏氣-水分布關系和分布特征基礎上，探討砂體、巖心和孔隙尺度氣-水關系形成和分布的主控因素，建立氣-水分布模式，為致密砂巖氣的高效勘探提供科學依據。

1 致密砂巖氣藏氣-水關系

1.1 致密砂巖氣藏氣-水關系類型

研究初期，一些學者認為在盆地尺度下，氣-水倒置是致密砂巖氣藏的主要氣-水關系類型［22-23］。中國學者在研究中發現，致密砂巖氣藏砂體尺度氣-水關系十分復雜，存在多類劃分方案：①上氣下水型、下氣上水型、氣-水界面傾斜型和氣-水混雜型［5］分類；②常規氣-水分異型和氣-水倒置分布型［39］分類；③純氣型、巨厚儲集層氣-水混存型、上氣下水型、下氣上水型和上下水夾氣型［9］分類。已有研究過多地關注了氣-水倒置，將氣-水分布簡單劃分為氣層、氣-水層和水層，氣-水關系分類不統一，難以全面地反映致密氣藏的氣-水分布關系。

本文通過對鄂爾多斯盆地東北部山西組-下石盒子組致密砂巖氣藏單井、剖面和平面上的氣-水層縱向疊置關系、含氣性變化和氣-水產量特征進行綜合研究，將氣-水關系劃分為6種類型：純氣無水型、上氣下水正常型、上水下氣倒置型、氣-水同層混合型、氣包水孤立型和純水無氣型（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地北部致密砂巖氣藏氣-水關系類型Fig. 1 Types of gas-water contact in tight sandstone gas reservoirs in the northern Ordos Basin

純氣無水型是指物性較好、含氣飽和度高，測試氣產量大，不產水或產微量水的純氣層組合關系，純氣無水型氣層一般具有自然產能。上氣下水正常型是指物性較好，氣-水發生了重力分異，或者天然氣對儲層的地層水驅替程度上高下低，含氣飽和度存在上高下低差異的氣-水關系，垂向上由下至上，出現單產水—氣-水同產或單產水—氣-水同產—單產氣或單產水—單產氣的變化。上水下氣倒置型是指在物性較差的致密砂巖中，天然氣不能驅替上傾方向的水，氣-水也不能發生重力分異，導致上傾方向為水而下傾方向為氣的氣-水組合關系。儲層向上部由單產氣逐漸變為氣-水同產或單產氣—氣-水同產—單產水。氣-水同層混合型是指天然氣與地層水在儲層中呈混存狀態或相互疊置，多表現為無明顯氣-水分異的氣-水同層。含氣飽和度和含水飽和度在垂向上起伏變化且差異較大，單井試氣也呈現出垂向產水、產氣復雜多變的特征。氣包水孤立型是指在一些物性較好的砂層內夾持物性較差的透鏡狀砂體，透鏡狀砂體飽含水而周圍砂體飽含氣的氣-水組合關系。試氣表現出整體垂向高產氣，偶見薄層段產水的特征。純水無氣型是指只產水，不產氣或產少量氣的純水層，試氣表現出整體高產水的特征（圖1；表1）。

表1 致密砂巖氣藏不同類型氣-水分布關系基本特征Table 1 Basic characteristics of various types of gas-water contact in tight sandstone gas reservoirs

1.2 不同氣-水關系類型基本特征

通過綜合地質分析發現，不同的氣-水關系，具有不同的含氣和含水特征、氣-水分布產狀、儲層物性特征以及測試解釋結果和氣-水產能（表1）。

對6 種氣-水關系類型的研究發現，不同類型氣-水關系具有明顯的差異，其差異性主要表現在氣-水層疊置關系、含氣性變化規律和氣-水區域分布3 個方面（表2）。

表2 致密砂巖氣藏不同氣-水關系類型的差異性Table 2 Differences in various types of gas-water contact in tight sandstone gas reservoirs

2 不同尺度下致密砂巖氣藏氣-水關系形成和分布主控因素

致密砂巖氣藏氣-水關系形成和分布受各種宏觀和微觀地質因素的控制。研究認為，一般情況下，砂體尺度因素控制了氣-水的宏觀分布特征，包括分布格局、分布樣式和分布邊界，巖心尺度因素控制了不同類型氣-水關系的類型和特征，孔隙尺度要素控制氣-水的微觀分布特征。

2.1 砂體（層）尺度

2.1.1 生烴強度控制了致密砂巖氣藏氣-水分布宏觀格局

烴源巖是提供致密砂巖天然氣的物質基礎，烴源巖生烴強度的大小直接控制著致密砂巖的氣-水宏觀分布格局，生烴強度越大，氣藏含氣區分布范圍越大。蘇里格氣田的生烴強度從南部的24×108m3/km2向北部逐漸降低至14×108m3/km2，氣井產氣量逐漸減少，產水量明顯增多［12］，氣區和氣-水區主要分布在生烴強度大于16×108m3/km2的區域，而水區主要分布在小于該值的區域（圖2）。因此，生烴強度控制了氣田氣-水的宏觀分布格局，導致蘇里格氣田中部氣層發育、西部及北部氣-水層發育［9］。

圖2 蘇里格氣田生烴強度與氣井試氣成果疊合圖（據何東博等，2022）［12］Fig. 2 Superimposition map of the hydrocarbon-generating intensity and formation testing data from gas wells in the Sulige gas field（after He et al.， 2022）［12］

2.1.2 儲層特征控制了致密砂巖氣藏氣-水分布樣式

致密砂巖儲層是氣-水的儲集空間，儲層物性及其非均質性影響了含氣性及其氣-水分布特征，進而控制了氣-水分布樣式。一般情況下，儲層物性與含氣性具有較好的正相關關系，物性較好的儲層區域氣層較多，而物性較差的儲層區域水層和氣-水同層分布較多。然而統計表明，各種物性的儲層均有氣層和氣-水層的分布（圖3），這說明儲層物性不是氣-水分布的唯一控制因素。

圖3 蘇里格地區致密砂巖氣層和氣-水層的孔隙度（a）和滲透率（b）頻率直方圖（n=876）Fig. 3 Frequency histograms showing the porosity （a） and permeability （b） for gas layers and gas-water layers in tight sandstones in the Sulige area （n=876）

儲層非均質性影響了氣-水分布特征，縱向上表現出下部物性好、上部物性差的非均質砂層易形成上水下氣倒置型氣-水分布。圖4a 中縱向疊置的連續砂體中，盒（下石盒子組）2 段下部氣層孔隙度平均為11.10 %，滲透率平均為1.62×10-3μm2，上部水層孔隙度平均5.50 %，滲透率平均為0.28×10-3μm2，上部水層分布范圍大；盒1 段下部氣層孔隙度平均為9.80 %，滲透率平均為1.21×10-3μm2，上部為氣-水層且分布范圍小，氣-水層孔隙度平均為7.50 %，平均滲透率為0.63×10-3μm2。

圖4 大牛地致密砂巖儲層非均質性與上水下氣倒置型（a）和上氣下水正常型（b）氣-水關系Fig. 4 Relationships between reservoir heterogeneity and gas-water contacts of the inverted type with gas layer overlaid by water layer （a） and of the normal type with gas layer underlain by water layer （b） for tight sandstone gas reservoirs in the Daniudi gas field

在不同物性變化規律的控制下，致密砂巖儲層展現出不同的氣-水分布樣式。下部砂層物性差、上部物性好或上下物性均好的非均質砂層形成上水下氣正常型氣-水分布。圖4b 中，盒1 段下部氣-水層孔隙度平均為5.55 %，滲透率平均為0.25×10-3μm2，上部氣層孔隙度平均為11.10 %，滲透率平均為1.21×10-3μm2，形成上氣下水層正常型氣-水關系；山（山西組）2段表現出相同的變化規律。

2.1.3 源-儲壓差和構造活動控制了致密砂巖氣藏氣-水分布邊界

烴源巖與致密砂巖儲層之間的源-儲壓差以及構造活動等為致密砂巖氣的運移和聚集提供了動力，直接影響了天然氣的運移方式、運移距離、聚集部位及其含氣飽和度大小，從而控制了氣-水分布邊界。

在簡單平緩構造區，源-儲壓差或剩余壓力直接控制了致密砂巖的氣-水分布邊界。蘇里格地區盒8 段的純氣井大多數分布于過剩壓力較高區域（＞14 MPa），氣-水同出井大多數分布于過剩壓力低值區域（＜14 MPa）（圖5a）。大牛地山2 段—盒3 段源-儲壓差與氣-水分布關系密切，水區主要分布在源-儲壓差小的地區（14～22 MPa），而氣區則主要分布在源-儲壓差大的地區（22～28 MPa）（圖5b）。

圖5 致密砂巖氣藏源-儲壓差對氣-水關系的影響Fig. 5 Influence of pressure difference between source rock and reservoir on gas-water contacts in tight sandstone gas reservoirs

在簡單低緩構造和復雜隆起構造過渡帶（杭錦旗地區）以及復雜隆起構造（川西前陸坳陷），源巖和儲層相鄰或分離，致密砂巖氣的運移和聚集除了受源-儲壓差影響之外，還受構造活動如構造幅度、斷裂活動等因素的影響［33］。地形隆起可能導致氣-水發生分異，影響氣-水邊界，斷裂活動及其差異性導致斷層的垂向輸氣和輸水能力差異，從而影響氣-水分布關系，源-儲壓差和構造活動聯合控制了這些地區氣-水分布的邊界。受斷裂輸導性能分段性的影響，杭錦旗地區斷裂南北的河道砂體含氣性明顯不同，后期構造活動產生的斷裂輸導與封閉性能差異對于杭錦旗地區氣-水分布邊界具有明顯的調節作用。川西前陸坳陷簡陽區塊侏羅系沙溪廟組一段受構造幅度的影響，西部低部位產水，中部高部位則為氣層，基本不產水，至東部的更高部位，由于受氣源斷層的影響，在斷層附近出現多個氣-水層，構造幅度和斷層活動共同控制了沙溪廟組氣-水邊界和氣-水分布（圖6）。

圖6 四川盆地簡陽區塊侏羅系沙溪廟組永淺2—永淺14井沙一段氣藏連井剖面Fig. 6 Profile of the gas reservoir crossing wells Yongqian 2， Tianfu 2， Yongqian 6， Yongqian 3， Yongqian 8， and Yongqian 14 in the 1st member of the Shaximiao Formation， Jianyang block， Sichuan Basin

總體來說，生烴強度控制了砂體尺度下的氣區、氣-水過渡區和水區的分布范圍，儲層物性及其非均質性控制了砂體尺度下氣-水分布樣式。簡單平緩構造區致密砂巖的源-儲壓差以及簡單低緩構造與復雜隆起構造過渡區、復雜隆起構造區的構造特征和源-儲壓差聯合控制了氣-水分布邊界。

2.2 巖心尺度

氣-水關系形成過程中的氣-水流動特征是深入認識致密砂巖氣藏復雜氣-水分布主控因素的關鍵。許多學者開展了大量的模擬實驗，研究了致密砂巖氣充注和運聚機理［40-46］，同時一些學者針對致密砂巖氣藏氣-水倒置的形成機理和條件開展了實驗研究［39，47］，但這些實驗多以填砂模型為主，與實際致密砂巖相差很大，很少有人從巖心尺度研究致密砂巖氣-水關系的形成過程及其主控因素。筆者團隊通過開展真實致密砂巖巖心天然氣運聚物理模擬實驗，從巖心尺度模擬不同類型氣-水關系的形成過程，揭示巖心尺度的主控因素，建立不同類型氣-水關系形成過程的定量模型。模擬實驗采用鄂爾多斯盆地山西組-石盒子組致密砂巖巖心樣品15 塊，樣品信息見表3，實驗充注壓力在20～30 MPa，溫度為85 ℃，地層水為礦化度50 g/L 的鹽水，氣體為氮氣，黏度為16.9 μPa·s。實驗采用中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室的一維高溫高壓模擬實驗裝置［48-49］。

表3 致密砂巖天然氣運聚物理模擬實驗樣品信息Table 3 Tight sandstone core samples selected for physicalsimulation experiments of natural gas migration and accumulation

2.2.1 氣-水關系的形成過程

1） 穩態滲流法模擬實驗

穩態滲流法是先將致密巖心抽真空飽和水，然后以最小注入壓力開始注氣，當出口端流體流速穩定且趨于某一值后，逐步增大注入壓力點，確保出口端流速穩定后，選取10～15 個注入壓力，記錄相應的時間、壓差和流量。直至注入壓力增大到出口不再出水，且進口端與出口端的氣流量基本相等后結束實驗。穩態滲流法實驗模擬了天然氣隨驅替壓力的增加在巖心中形成運移通道，巖心中可動水不斷被驅替、減少直至被完全驅替的過程，反映了天然氣突破地層水封堵以及發生穩定運移前后純水無氣型、氣包水孤立型、純氣無水型的氣-水關系形成過程。

在注入壓力未突破啟動壓力平方梯度（圖7a 中A點）之前，氣體尚未突破地層水的封堵，巖心內為純水無氣型氣-水關系；當注入壓力突破啟動壓力平方梯度，氣體突破地層水封堵開始穩定運移，隨壓力不斷增大，氣體不斷驅替小孔喉中的殘余水（圖7a 中A—B段），巖心中氣體包裹剩余的可動水，為氣包水孤立型氣-水關系的形成階段；隨充注壓力梯度繼續增加，氣體滲流形成擬線性流動（圖7a 中B點以上直線段），表明巖心中形成了穩定的氣體運移通道，可動水被驅替完全，形成穩定的純氣無水型氣-水關系。因此，圖7a中的A點和B點分別為氣包水孤立型和純氣無水型氣-水關系形成的最小臨界壓力平方梯度。

圖7 致密砂巖氣藏不同類型氣-水關系形成過程物理模擬實驗Fig. 7 Physical simulation experiments for the formation process of various types of gas-water contact in tight sandstone gas reservoirs

2） 非穩態滲流法（步進增壓法）模擬實驗

根據非穩態實驗原理，采用步進式增壓方法，首先在注入端施加一個極低的充注壓力，并以0.02 MPa的壓力間隔緩慢增加注入壓力，使氣體不斷驅替巖心中的地層水；隨著注入壓力的增加，出口端的移液管液位變化逐漸減緩，皂泡流量計開始記錄到氣體的流出，表明出口端由單一出水狀態轉變為氣-水同出狀態；隨壓力進一步的增加，最終出口端達到只出氣不出水的狀態。在此過程中，以預設的時間間隔分別記錄壓力差值、出口端流體類型、流體流速和產液量，直至出口穩定出氣不再出水后結束實驗。非穩態滲流法主要模擬了氣體由未突破地層水封堵到突破封堵發生運聚的過程，反映了致密砂巖中上水下氣倒置型、氣-水同層混合型和純氣無水型的氣-水關系形成過程。

該過程動態反映了從天然氣開始向致密砂巖中充注—上水下氣倒置型氣-水關系形成和保存—上水下氣倒置型氣-水關系被破壞（圖7b 的A點）—氣-水同層混合型氣-水關系的形成—天然氣繼續驅替地層水運移—純氣無水型氣-水關系形成（圖7b 的B點）的完整過程。圖7b 中A點是上水下氣倒置型氣-水關系能夠保存的最大臨界壓力。

3） 降壓脈沖法模擬實驗

該方法是基于魏寧等［50］的分步法改進而來，將施加多級步進壓力改進為施加一個較大的、超過一般致密砂巖突破壓力和出口端壓力之和的初始壓力，將出口端移液管末端封閉，留有一定的液體流動空間，通過壓力傳感器分別監測進、出口端的壓差變化并記錄。隨著氣體充注進入巖心，出口端的壓力會逐漸增加，巖心內部氣體壓力及巖心兩端壓差穩定后，封閉末端的地層水無法回流至巖心內部；當降低注入壓力，封閉末端的地層水將部分回流至巖心內部，直至體系壓力再次穩定，封閉末端的剩余地層水無法繼續向巖心中流動，形成了穩定的上氣下水正常型氣-水關系。

該過程反映了上氣下水正常型氣-水關系穩定形成過程：隨天然氣充注、運移及氣-水置換作用，地層水被排驅至儲層的側方或下方，氣層壓力保持穩定，高于側方或下方水層壓力，形成穩定的上氣下水正常型氣-水關系。進出口的穩定壓差代表了儲層中的上方氣層穩定保存的壓力條件，即上氣下水正常型氣-水關系的形成條件（圖7c）。

2.2.2 氣-水關系形成的控制因素和臨界條件

模擬結果表明，在巖心尺度下，不同類型氣-水關系的形成主要受致密砂巖物性和充注動力的控制，滲透率對氣-水關系的影響明顯高于孔隙度。因此，滲透率和充注動力耦合控制了致密砂巖氣藏氣-水關系的形成過程及其類型（圖8）。

圖8 儲層物性與不同氣-水關系形成臨界動力的相關關系Fig. 8 Relationships between reservoir physical properties and critical dynamics in forming various types of gas-water contacts

根據模擬實驗得到的滲透率和充注動力對氣-水分布關系的耦合控制作用及其相關性，分別建立了不同類型氣-水分布關系形成的臨界定量模型。

滲透率和充注壓力對上水下氣倒置型和氣-水同層混合型氣-水關系耦合控制作用的定量方程為：

式中：Y為充注壓力，MPa；X為滲透率，10-3μm2；R2為擬合方程的相關性系數。

充注壓力與滲透率二者的相關關系曲線可以指示上水下氣倒置型保存和氣-水同層混合型氣-水關系形成的臨界條件（圖9a），即當滲透率與充注壓力之值落于曲線下方區域時，致密砂巖中可以形成上水下氣倒置型氣-水關系，而當滲透率和充注壓力之值落于臨界曲線上方時，這種氣-水關系被破壞，氣-水同層混合型氣-水關系形成。當滲透率大于0.38 ×10-3μm2時，上水下氣倒置型氣-水關系保存的臨界壓力很低且其變化程度很小，因此0.38×10-3μm2為上水下氣倒置型氣-水關系形成的物性上限。

圖9 不同氣-水關系形成定量模型Fig.9 Quantitative models for the formation and distribution of various types of gas-water contact

滲透率和充注壓力對對氣-水同層混合型和氣包水孤立型氣-水關系耦合控制作用的臨界定量方程為（圖9b）：

式中：Y為充注壓力平方梯度，MPa2/cm；X為滲透率，10-3μm2。

對氣包水孤立型與純氣無水型氣-水關系耦合控制作用的的臨界定量方程為（圖9 b）：

當滲透率大于0.60×10-3μm2，氣包水孤立型氣-水關系形成的臨界壓力平方梯度極低且變化幅度極小，同時，純氣無水型氣-水關系形成的臨界壓力平方梯度相對較低且變化幅度較小，且兩者的差值達到最小值，致密砂巖中極易于形成穩定的純氣無水型氣-水關系。

充注壓力和滲透率對氣-水同層混合型與上氣下水正常型氣-水關系形成的耦合控制作用臨界定量方程為：

當滲透率小于0.10 ×10-3μm2，需要很高的充注壓力才能形成上氣下水正常型氣-水關系，因此，可以推斷上氣下水正常型氣-水關系形成的臨界滲透率下限為0.10 ×10-3μm2（圖9c）。

2.3 孔隙尺度

致密砂巖發育了典型的微米-納米孔喉網絡系統，是致密砂巖氣藏中油氣形成和分布與常規油氣藏具有顯著區別的根本原因。致密砂巖微觀孔隙結構主要包括孔隙大小、喉道大小及其孔喉配置關系（即連通性，包括配位數、孔喉比等），直接影響致密砂巖的儲集空間大小、滲流能力以及流體微觀賦存特征，從而控制了不同類型氣-水關系的形成和分布。前人探討了致密砂巖中的微觀流體賦存狀態，但對于微觀氣-水賦存狀態的影響因素及復雜氣-水關系主控因素及形成機制的研究相對較少［36-37，45，51］。在巖心尺度致密砂巖氣-水關系形成過程模擬實驗基礎上，本文通過微米CT、核磁共振和高壓壓汞技術測定實驗樣品的孔喉半徑、孔隙體積、配位數、孔喉比以及微觀孔隙流體賦存和分布狀態，探討孔隙尺度下致密砂巖氣-水關系形成和分布的主控因素。

2.3.1 致密砂巖流體微觀賦存特征

基于核磁共振致密砂巖微觀流體分布研究表明，致密砂巖主要存在可動毛管水和不可動束縛水兩種微觀流體賦存狀態，可動毛管水廣泛賦存于孔喉半徑9.70 nm 至98.15 μm 的孔隙空間中，含有可動毛管水孔隙的最小孔喉半徑介于9.70～220.00 nm，而含有可動毛管水孔隙的最大孔喉半徑為7.73～98.15 μm（圖10a）。分析表明，含可動毛管水最小孔喉半徑與滲透率呈正相關關系（圖10b）。因此，致密砂巖的微觀孔喉大小及其差異控制了致密砂巖中流體可動性，從而影響了致密砂巖氣-水關系。

圖10 致密砂巖可動毛管水分布的孔喉半徑（a）及可動毛管水最小孔喉半徑和最大孔喉半徑與滲透率的關系（b）Fig.10 Radius range of pore throats bearing movable capillary water （a） and the relationship between the minimum and maximum pore throat radii containing movable capillary water and permeability （b） for the tight sandstone

2.3.2 致密砂巖微觀孔隙結構對氣-水關系形成的影響

致密砂巖的孔隙半徑、喉道半徑、孔喉配置關系（配位數和孔喉比）與充注壓力（運移動力）耦合控制了致密砂巖氣-水關系的形成。

上水下氣倒置型保存的最大臨界壓力與平均孔隙半徑、平均喉道半徑和平均配位數呈明顯的負相關關系，與平均孔喉比呈良好的正相關關系，表明孔喉越大，連通性越好，上水下氣型倒置型氣-水關系越容易被破壞。因此，中小孔-中細喉-低配數型孔隙結構的致密砂巖易于形成上水下氣倒置型氣-水關系。

氣包水孤立型的臨界壓力梯度和上氣下水正常型的最小臨界壓力均與平均孔喉半徑和平均配位數呈嚴格負相關，與平均孔喉比嚴格正相關（圖11b，c），表明孔喉越大，連通性越好，致密砂巖中越容易形成穩定的氣包水孤立型和上氣下水正常型氣-水關系。因此，大孔-粗喉-高配位數型與全孔-中粗喉-高配位數型孔隙結構致密砂巖有利于形成氣包水孤立型和上氣下水正常型氣-水關系。

圖11 致密砂巖微觀孔隙結構與不同類型氣-水關系形成臨界壓力條件的關系Fig. 11 Relationships between the microscopic pore structures and the critical pressure conditions for forming various types of gas-water contact of the tight sandstone

3 致密砂巖氣-水分布模式

受砂體、巖心和孔隙尺度致密砂巖氣-水關系形成和分布主控因素的共同作用，不同源-儲組合的致密砂巖具有不同的氣-水分布模式。以簡單平緩構造帶（鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北部）為例，討論不同源-儲組合致密砂巖氣-水分布模式。

3.1 源-儲一體（源內）型

在源-儲一體（源內）型源-儲組合，生烴強度大，儲層物性相對差，非均質性較強，源-儲壓差大，充注動力足，天然氣對儲層中地層水的驅替程度高，易于形成純氣無水型氣-水關系，部分物性較差的水體殘留呈氣包水孤立型氣-水關系，同時一些稍遠離烴源巖的儲層形成氣-水同層混合型氣-水關系。因此，源-儲一體（源內）型致密砂巖主要形成純氣無水型-氣包水孤立型-氣-水同層混合型的氣-水分布模式（圖12）。

圖12 簡單平緩構造帶（鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北部）致密砂巖氣藏氣-水分布模式Fig.12 Gas-water contact distribution patterns in the tight sandstone gas reservoirs in the simple gentle tectonic zones （northeastern Yishan slope， Ordos Basin）

3.2 源-儲相鄰（近源）型

源-儲相鄰（近源）型源-儲組合氣-水可能出現全部的6種氣-水關系類型，但是受供烴強度、儲層物性、非均質性和微觀孔隙結構特征以及源-儲壓差（充注動力）的共同影響，在不同的地區出現不同的氣-水關系和分布模式（圖12）。

若供烴強度大，供氣充足，儲層物性差但非均質性弱，源-儲壓差大，充注動力大于毛細管阻力，天然氣驅替的水呈活塞式運移，主要形成底部純氣無水型-中部氣-水同層混合型和氣包水孤立型-頂部上水下氣倒置型和純水無氣型氣-水分布模式。

若供烴強度小，供氣不充足，儲層物性下部差、上部好，非均質性強，源-儲壓差小，充注動力稍大于毛細管阻力，天然氣驅替的水沿物性較好的砂體運移，主要形成底部和中部氣-水同層混合型和氣包水孤立型-頂部上氣下水正常型氣-水分布模式。

3.3 源-儲分離（遠源）型

源-儲分離（遠源）型氣-水分布模式與源-儲相鄰（近源）型類似，但由于距離烴源巖更遠，充注動力更小，氣-水關系的類型更為復雜。

供烴強度一般較小，儲層物性一般下差上好，非均質性較強，源-儲壓差較大，但充注動力一般。底部天然氣難以充注致密儲層，中部天然氣驅替水體向上差異性運移，部分物性較差的水體殘留呈氣包水孤立體存在，頂部天然氣聚集，主要形成下部上氣下水正常型-中部氣-水同層混合型-頂部純水無氣型氣-水分布模式（圖12）。

由于受構造活動（如斷裂和裂縫），簡單低緩構造和復雜隆起構造過渡帶（杭錦旗地區）以及復雜隆起構造（川西前陸坳陷）不同源-儲組合致密砂巖氣-水分布更為復雜，尤其是在源-儲相鄰和源-儲分離組合。

4 結論

1） 致密砂巖氣-水關系主要為純氣無水型、上氣下水正常型、上水下氣倒置型、氣-水同層混合型、氣包水孤立型和純水無氣型。不同類型氣-水關系的差異性主要表現在氣-水層疊置關系、含氣性變化規律和氣-水區域分布。

2） 砂體尺度下，生烴強度控制了致密砂巖氣-水分布范圍，儲層特征控制了致密砂巖氣-水分布樣式，源-儲壓差和構造活動控制了致密砂巖氣-水分布邊界。

3） 通過穩態滲流法、非穩態滲流法和降壓脈沖法可以模擬致密巖心不同類型氣-水關系的形成過程。巖心尺度下，致密砂巖滲透率和充注動力耦合控制了氣-水關系的形成及其類型。建立了不同類型氣-水關系形成的臨界定量判識模型。

4） 致密砂巖的孔隙半徑、喉道半徑、孔喉配置關系（配位數和孔喉比）控制了流體的微觀賦存特征，進而與充注壓力耦合控制了孔隙尺度下致密砂巖不同類型氣-水關系形成的臨界條件。

5） 不同源-儲組合的致密砂巖具有不同的氣-水分布模式。簡單平緩構造帶源-儲一體（源內）型致密砂巖中，由低部位至高部位，氣-水關系主要表現為純氣無水型-氣包水孤立型-氣-水同層混合型的氣-水分布模式，源-儲相鄰（近源）型源-儲組合致密砂巖氣-水可能出現全部的6 種氣-水關系類型，但是受供烴強度，儲層物性、非均質性和微觀孔隙結構特征以及源-儲壓差（充注動力）的共同影響，在不同的地區出現不同的氣-水關系類型和分布模式。源-儲分離（遠源）型致密砂巖氣藏一般具有下部上氣下水正常型-中部氣-水同層混合型-頂部純水無氣型氣-水分布模式。