致密砂巖氣的成藏機理及勘探前景

楊茜，付玲

（北京大學地球與空間科學學院，北京 100871）

致密砂巖氣的成藏機理及勘探前景

楊茜，付玲

（北京大學地球與空間科學學院，北京 100871）

致密砂巖氣作為一種非常規油氣資源，具有良好的勘探開發前景，越來越受到研究人員的關注。在前人研究的基礎上，總結歸納了致密砂巖氣藏的類型、成藏機理，揭示出致密氣藏成藏的根本條件為天然氣源巖、致密化儲層及有效烴源巖與致密儲層的直接接觸；同時也闡述了致密砂巖氣藏的地質特征，其中包括生、儲、蓋、圈、運、保、成藏、分布等，并對未來該類氣藏的研究作出展望。

致密砂巖氣藏；成藏機理；地質特征；勘探前景

致密砂巖氣最原始的定義可以追溯到1978年，美國天然氣政策法案將其定義為砂巖儲層天然氣的滲透率小于或等于0.1×10-3μm2的氣藏［1］。如今，已發現的致密砂巖氣儲量十分豐富。世界上利用現有勘探開發手段可開采的致密砂巖氣儲量為（10.5～24.0）×1012m3，居非常規氣之首［2］。據統計，全球已發現或推測有致密砂巖氣的70多個盆地，主要分布在北美、歐洲和亞太地區［3］，最具代表性的有美國圣胡安盆地、加拿大阿爾伯達盆地。我國致密砂巖氣藏分布廣泛，類型多樣，在四川、鄂爾多斯、吐哈、準噶爾南部和東海等區域皆有分布［4-8］。因此，為了更好地勘探開發我國的致密砂巖氣藏，有必要通過對比國內外致密砂巖氣藏的差異，深入研究我國致密砂巖氣藏成藏的特殊性。

1 基本概念

致密砂巖氣又稱致密氣，通常是指低滲—特低滲砂巖儲層中無自然產能，須通過大規模壓裂或特殊采氣工藝技術才能產出具有經濟價值的天然氣。致密砂巖氣藏大多分布在盆地中心或盆地的構造深部，呈大面積連續分布，是連續型氣藏的一種重要類型［9］。從巖石物理特性來定義致密砂巖氣藏，即為低孔隙度（＜12%）、低滲透率（＜0.1×10-3μm2）、低含氣飽和度（＜60%）、高含水飽和度（＞40%）及在砂巖層中天然氣流動較為緩慢的氣藏［10］。

2 基本類型

目前，根據研究方向的不同，致密砂巖氣藏有多種分類方式。本文總結了其中應用較為普遍的3種分類方式：1）根據儲層孔滲特征分類；2）根據成藏與構造演化關系分類；3）根據烴源巖生排烴高峰期，天然氣充注與儲層致密化的先后關系分類。

2.1 儲層孔滲特征分類

美國能源部根據滲透率把致密砂巖氣藏劃分為：一般性氣藏（滲透率大于1×10-3μm2）；近致密氣藏（滲透率介于0.1×10-3～1×10-3μm2）；標準致密氣藏（滲透率介于0.05×10-3～0.1×10-3μm2）；極致密氣藏（滲透率介于0.001×10-3～0.05×10-3μm2）；超致密氣藏（滲透率介于0.000 1×10-3～0.001×10-3μm2）［11］。

2.2 成藏與構造演化關系分類

綜合前人研究成果及國內外勘探開發實際，根據致密砂巖氣藏成藏過程與盆地構造演化的關系及其不同的成藏規律，董曉霞等［12］將致密砂巖氣藏分為“改造型”和“原生型”2類。

“改造型”致密砂巖氣藏，其儲層致密化與源巖生排烴高峰期天然氣充注的時間并無固定的先后之分。不同的時間先后關系，其成藏過程也有所區別：1）儲層后期致密，即儲層對早期的天然氣聚集起鎖閉作用，而晚期構造作用所形成的構造裂縫則對氣藏起到活化作用；2）儲層先期致密，致密氣藏的成藏過程主要受晚期構造作用形成的裂縫系統所控制，致密儲層的儲滲能力也因此得到很大改善。此類致密氣藏與常規氣藏有著基本一致的形成機理，但后期改造作用對其影響很大，因此成藏多受構造演化控制。

“原生型”致密砂巖氣藏以儲層與源巖緊密相連、“上傾方向氣水關系倒置，下傾方向無底水”為特征［13］。其儲層致密化過程是在烴源巖生排烴高峰期天然氣充注之前［11］。“原生型”致密砂巖氣藏一般發育在深部凹陷、向斜中心或構造斜坡等部位，成藏不受構造圈閉控制，微弱的構造作用有利于成藏。

2.3 儲層致密化與天然氣充注先后關系分類

姜振學等［14］根據儲層致密化與天然氣充注的先后關系將致密砂巖氣藏分為2種類型，即儲層先期致密型（“先成型”）及儲層后期致密型（“后成型”）。 “先成型”致密氣藏的儲層致密化過程發生在源巖生排烴高峰期天然氣充注之前，并要求孔隙度小于12%，滲透率小于1×10-3μm2。而“后成型”致密氣藏則以儲層后致密為特征。

“先成型”致密氣藏即前面論述的“原生型”致密砂巖氣藏，其成藏過程要求“源藏伴生、源儲一體”，“源儲”距離越近越好，直接接觸或兩者互層對此類致密氣藏的形成最為有利。受成藏機理影響，該類氣藏中的流體呈氣水倒置關系，氣藏無明顯的底水和邊水［15］。

“后成型”致密氣藏儲層致密化是后成的，后期成巖演化或構造擠壓使原先并不致密的儲層變得致密，其聚集位置與源巖既可以是近源也可以是遠源。該類氣藏氣水分布與常規天然氣藏相似，服從重力分異原理，呈上氣下水分布［15］。

3 成藏機理

多位學者都對“先成型”致密砂巖氣藏的成藏機理進行過研究。龐雄奇等［16］提出了具體形成機理，即力學平衡和物質平衡。力學平衡：供氣熱膨脹力+氣體浮力=毛細管力+靜水壓力；物質平衡：深盆氣藏儲集氣量=源巖供給氣量-蓋層散失氣量-氣水邊界散失氣量［16］。

姜福杰等［17］通過實驗模擬，按照出氣孔出水速率的變化特征將成藏過程劃分為3個階段：

1）充注前期，即能量積累階段。此階段為注氣的初始階段，此時的天然氣無法進入致密砂體的孔隙內，只有當注入量達到一定程度，充注能量積累到足以突破毛細管阻力作用時，天然氣才開始充注。

2）充注期，即成藏充注主階段。在此階段，由于氣體的膨脹力排驅孔隙水的作用，天然氣在致密砂體內呈指狀向上運移。低滲砂體與“相對高滲砂體”的逐漸連通使出水速率明顯增加。低滲砂體內的氣柱會隨著出水速率的增加迅速萎縮并與“相對高滲砂體”分離，最終形成穩定的天然氣分布范圍。

3）充注后期，即氣藏保存階段。在此階段，天然氣分布范圍保持穩定，游離相的天然氣直接從出水孔噴出，但并不出水，最終使整個致密砂體內形成統一的天然氣聚集。

“后成型”致密氣藏在致密化前后都具有天然氣運移和聚集的條件，但大規模運移、聚集一般發生在儲層致密化之前。

由于成巖早期儲層物性相對較好，天然氣的聚集分異與常規氣藏的成藏模式相同，并且此時氣藏的生、儲、蓋組合及氣水分布特征均與常規氣藏相似。該類儲層的聚集關鍵時期是生烴高峰到儲層致密化的階段。在此階段，成巖作用或構造作用的影響很大，受此影響孔隙格架被壓縮，孔隙中的天然氣逐漸被排出。隨著地層壓力不斷升高，儲層致密化超過致密化邊界，大規模的天然氣運聚過程將停止。在晚期構造運動相對強烈的地區，氣藏還將經歷晚期重新分配、調整、富集的復式成藏過程，故可將上述的成藏過程劃為3個階段［18］：

1）原生常規儲層階段。此階段儲層物性良好，源巖生排烴處于高峰期，并按照常規氣藏的聚集原理富集，形成以常規背斜構造圈閉為主的氣藏。

2）儲層致密化階段。此階段生排烴高峰期結束，在成巖作用或構造擠壓作用下，儲層逐漸致密化，無大規模氣體運移，在沒有斷裂系統直接參與的情況下，原生氣藏一般不會經歷太大的改造。但是，若晚期構造活動強烈，則氣藏將經歷很嚴重的后期改造，甚至遭受破壞。

3）復式成藏階段。現今的天然氣分布和圈閉特征就取決于此階段，多形成構造與非構造、早期與晚期等多因素交錯疊加、復合形式成藏的局面。

2種類型致密砂巖氣藏的模式如圖1所示。

圖1 2種致密砂巖氣藏模式

4 致密氣藏特征

致密砂巖氣藏地質特征復雜，研究這些特征有助于深入了解該類氣藏。由于“后成型”致密砂巖氣藏在很大程度上與常規氣藏有相似的成藏特征，所以下述氣藏特征主要針對“先成型”致密砂巖氣藏。

4.1 生烴特征

致密砂巖氣藏的烴源巖具有多樣性，其氣源巖可分別是海陸相暗色泥頁巖、煤層、碳酸鹽巖或它們的組合［8］。從已知大型致密砂巖氣區來看，烴源巖多為腐殖型泥巖或煤系地層，以生氣為主［19］。天然氣藏形成的基礎是良好的氣源條件。“先成型”氣藏的源巖具有厚度較大、有機質含量高、分布廣泛、以Ⅲ型干酪根為主、演化程度高等特征，并要求生排烴高峰出現的時代較晚并持續較長時間。

4.2 儲層特征

成分成熟度和結構成熟度低是低滲—致密儲層的一大特點，主要表現在長石和巖屑含量較高，多為長石砂巖、長石巖屑砂巖和巖屑砂巖，少見石英砂巖。顆粒大小混雜，分選性、磨圓度較差，泥質含量高。因此，沉積物易發生壓實作用，儲層物性較差［9］。

致密砂巖氣主要存在于低滲、特低滲砂巖儲層中，以低孔、低滲為特征。目前國內外對該儲層有多種劃分標準，就國內而言，袁政文、關德師、鄒才能等［9］均先后提出了劃分標準，但總體來看致密砂巖儲層主要以低的孔隙度、滲透率、孔喉半徑和含氣飽和度為衡量標準，儲層非均質性較強，含水飽和度較高。在特殊條件下，如含水飽和度較高時儲層相對滲透率非常低，可具有蓋層的性質［20］。致密砂巖由于沉積、成巖、膠結等復合作用，孔隙度、滲透率極低，但粒內、粒間溶孔及構造裂縫、斷層的發育改善了儲層的滲透能力。

張哨楠［21］從孔隙度、滲透率、孔隙類型、成巖作用等多方面總結了致密砂巖儲層的特點，并與常規砂巖儲層進行了系統對比。相對于常規砂巖儲層，致密砂巖儲層的物性較差，并且含有較多的自生黏土礦物及較高的毛管壓力，埋藏深度較深，成巖歷史復雜。

4.3 蓋層特征

蓋層對天然氣的形成和保存均具有重要作用，一般來說需要大范圍分布的致密頁巖或泥巖作為蓋層。對于致密砂巖氣藏，則需要更好的頂、底封蓋條件［22］。常規大范圍分布的致密頁巖或泥巖，或儲層中氣水界面處的力平衡界面，以及“水阻效應”形成水封都可以成為致密砂巖氣藏的頂部封蓋條件；而底部封隔層可以是儲層底部的非滲透層，儲層下伏源巖層，或由儲層自身壓實作用實現封隔［23］。

4.4 圈閉特征

對于致密砂巖儲層，力平衡界面是這類圈閉的最大邊界。生烴補給與散失平衡的動態圈閉是其主要的圈閉類型，圈閉內部的一些相對高孔高滲砂體可以形成巖性、成巖、裂縫圈閉等圈閉類型。因此，氣藏的圈閉界限不明顯，可以形成大面積連續含氣氣藏。

4.5 運移特征

根據致密砂巖氣藏的成藏機理，氣藏的形成依賴于活塞式的氣水排驅作用。直接推移式的驅替作用導致天然氣發生初次運移或短距離的二次運移。天然氣被排驅出源巖后，開始就近聚集，這使得該類氣藏具有聚集位置與其源巖直接接觸的特點。致密砂巖氣藏的儲層與源巖的物性近乎相同，故其二次運移具有和初次運移基本相同的條件［23］。致密氣藏的主要運移動力為壓實作用和氣體生烴膨脹力；主要阻力為氣水之間的毛細管力和氣藏上覆的地層水柱壓力。

致密氣運移以游離氣相為主要相態，無優勢運移通道，以整體排驅水運移方式為主。油氣運聚以擴散作用為主要機制，向上傾方向運移［24］。浮力作用受限，油氣滲流以非達西流為主。

4.6 保存特征

簡單的氣藏構造，無斷裂、裂縫系統，微弱的水動力條件，較晚的源巖生排烴高峰期，以及地層平緩、儲層面積廣等有利條件致使致密氣藏易被保存。而構造應力的分布也是影響致密砂巖氣藏保存的重要條件，應力屏蔽區的地層最為有利；反之，應力集中區則多發育斷裂、裂縫系統，不利于氣藏的保存。另外，較強的水動力條件也不利于致密砂巖氣藏的保存。

4.7 成藏特征

與常規氣藏不同，致密砂巖氣藏主要依靠界面阻力封堵氣體成藏，所以地層越致密越有利于成藏。根據致密砂巖氣藏的構造背景及形態特征，其成藏模式可分為：1）構造斜坡分布成藏；2）凹陷中心對稱分布成藏；3）前陸側緣斜坡分布成藏［22］。由于致密砂巖氣藏源巖可以同時為儲層或封隔層，故其成藏主要以“自生自儲”為主、多階段成藏為特征。

4.8 分布特征

致密砂巖氣藏獨特的成藏機理使其分布不受構造帶控制。由于沒有明顯的儲層和圈閉界限，“自生自儲”，所以其分布范圍較廣，斜坡帶、坳陷區均可成為有利區［9］。但是，目前國內外發現的氣藏儲層傾角都較小（一般不超過15°），它不僅可以儲氣，還可以作為氣體散失的遮擋層［18］。姜福杰等［17］根據國內外致密砂巖氣藏的綜合調研，畫出了典型盆地致密氣藏剖面示意圖，圖2以加拿大阿爾伯達盆地和中國鄂爾多斯盆地為例揭示了致密砂巖氣藏的分布特征。

圖2 典型致密砂巖氣藏分布特征與地質模式

5 勘探前景

目前，國外大多從致密氣的概念及致密氣藏的特征2個方面來進行致密砂巖氣藏的研究與勘探：1）致密氣的概念，以加拿大阿爾伯達盆地為代表；2）致密氣藏的特征，以美國西部盆地為代表［12］。然而，在致密砂巖氣藏成藏機理和成藏模式方面仍存在較大爭議。

我國對致密氣藏的研究起步晚，尚處于初級階段，有很大的發展空間。由于我國大多數盆地的地質條件比較復雜，致密砂巖氣藏在我國各種復雜的地質結構中均有分布，如造山帶、前陸盆地、斷陷盆地等，并且類型多樣。構造活動強烈、圈閉隱蔽、成藏復雜、氣藏形態不規則等導致我國致密砂巖氣藏勘探難度大，故在其勘探開采過程中需要更大的改進與創新。

近年來，我國在致密砂巖氣藏的研究和開采過程中遇到了諸多的難題和挑戰，但在一些地區也取得了顯著進展，例如在鄂爾多斯盆地上古生界取得了突破。致密砂巖氣藏的研究越來越受到政府和研究機構的關注，并且已成為我國能源結構中不可或缺的重要組成部分。

6 結論

1）致密砂巖氣藏屬于連續型氣藏的一種，致密砂巖氣藏可根據儲層孔滲特征、成藏與構造演化關系、儲層致密化與源巖生排烴高峰期天然氣充注的先后關系等分類。致密氣藏的成藏機理有“先成型”和“后成型”2種，均分為3個階段。致密氣藏形成的根本條件包括充足的源巖、致密化的儲層和有效烴源巖與致密儲層的直接接觸。

2）致密砂巖中蘊藏著豐富的天然氣資源，致密砂巖氣藏的勘探與開發，將會在我國石油天然氣工業的可持續發展中扮演舉足輕重的角色。我國致密砂巖氣藏多分布在地質結構復雜的地區，具有類型多樣、成藏復雜、勘探難度大等特點，但隨著對致密砂巖氣藏成藏理論研究的不斷深入，以及勘探開發技術手段的不斷提高，致密砂巖氣這種非常規油氣資源必將在我國的油氣資源中占有更重要的地位。

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（編輯 趙衛紅）

Accumulation mechanism of tight sandstone gas reservoir and its exploration prospects

Yang Xi,Fu Ling
(School of Earth and Space Sciences,Peking University,Beijing 100871,China)

As a kind of unconventional oil and gas resources，tight sandstone gas attracts more and more researchers′attention,having good exploration and development prospects.This paper summarizes the types of tight sandstone gas reservoir and accumulation mechanism on the basis of predecessors′researches,and reveals that the gas source rock,reservoir densification and effective source rocks in direct contact with the tight reservoir are the fundamental conditions of the formation of tight sandstone gas reservoir.It also sums up the geological features of tight sandstone gas reservoir from many aspects,including source rock,reservoir,cap-rock,trap, migration,preservation,accumulation and distribution,and makes expectation for the researches on this kind of reservoir.

tight sandstone gas reservoir;accumulation mechanism;geological features;exploration prospects

TE122.3+1

：A

1005-8907（2012）03-0302-05

2011-09-20；改回日期：2011-11-29。

楊茜，女，1989年生，在讀碩士研究生，主要從事石油地質方向的研究。E-mail：yx640315@126.com。

楊茜，付玲.致密砂巖氣的成藏機理及勘探前景［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：302-306. Yang Xi，Fu Ling.Accumulation mechanism of tight sandstone gas reservoir and its exploration prospects［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（3）：302-306.