致密砂岩气成藏机制类型及特征研究

李 昂，丁文龙,2，何建华，赵 威，代 鹏

1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083

致密砂岩气是一种储存在低孔渗—特低孔渗致密砂岩层中的非常规天然气资源。储层砂岩的孔隙度小于12%，渗透率低于0.1×10-3μm2，含气饱和度低于60%，而含水饱和度高于40%。我国致密砂岩气资源丰富。截至2011年底，全国已累计探明致密砂岩气地质储量为1.0× 1012m3，约占全国天然气总探明储量的39%；2011年致密砂岩气产量为256×108m3左右，约占全国天然气总产量的1/4[1-3]。其资源量主要分布在鄂尔多斯盆地、四川盆地、吐哈盆地和松辽盆地等[4]（见图1）。

目前，国内外对致密砂岩气藏的分类有多种（见表1）。分类依据从储层物性、成岩作用、成藏期次转向更为直观的构造部位分类[5-8]，但很少有从运移动力方面划分致密砂岩气藏的成藏类型。作者对我国致密砂岩气藏进行了广泛调研，对比研究后发现，天然气从烃源岩中向储层运移时的流体动力特征与成藏具有一定的关系。因此，根据天然气运移的流体动力特征将致密砂岩气藏分为“活塞充注型致密砂岩气藏”、“混合驱替型致密砂岩气藏”及“置换聚拢型致密砂岩气藏”三种成藏类型。此种分类从动力学方面完善了致密砂岩气藏的类型划分，近一步分析了致密气藏的成藏机理。对研究和预测致密气藏的分布，确定勘探方向有很大的帮助。

1 致密砂岩气藏的成藏与分类

致密砂岩储层是由比较致密的碎屑岩组成。砂岩经机械压实作用和成岩作用后，变得极为致密，具有很低的孔隙度和渗透率。杨晓宁[9]等根据岩石基本特征将致密砂岩划分为3类：①砂岩粒间空隙和喉道大部分被成岩粘土矿物充填，渗透率一般为（0.01～1.0）×10-3μm2。②砂岩的粒间空隙和喉道较大程度被自生石英和方解石矿物充填。渗透率一般为（0.001～0.01）×10-3μm2。③砂岩由泥质砂岩构成，其孔隙很大程度地被碎屑粘土基质填充，渗透率小于0.001×10-3μm2。因此，天然气在致密程度不同的砂岩储层中其运移的模式也不相同。

图1 中国主要致密砂岩气藏分布示意图Fig.1 Distributed schematic diagram of themain tight sandstone gas reservoir in China

表1 不同学者关于致密砂岩气的类型划分表Table 1 Classi fi cation of type for different scholars about the tight sandstone gas

致密砂岩储层孔隙和喉道极其微小，具有较高的毛细管压力。当烃源岩开始大量生排烃之前，产生的气体量很少，其浮力不足以克服毛细管阻力而进入致密储层。当天然气积累到一定量时，气体膨胀力足以突破毛细管阻力和静水压力，气体进入储层并开始呈驱替储层中的孔隙水[10]。但根据以上致密砂岩的三种分类，天然气在不同孔径中运移的动力学特征是不同的。因此，可将致密砂岩气藏分为三类：

（1）活塞充注型致密砂岩气藏：在向斜低部位处（图2中M处以下），孔喉半径极其微小。此时，储层中几乎没有自由水，浮力对气体运移的作用甚微，天然气突破毛细管阻力和静水压力主要依靠自身的膨胀力。当气体进入储层后呈“活塞式”开始驱替孔隙中的水，形成气水倒置的现象，最终形成致密砂岩气藏，也称“深盆气藏”。 这种气藏内部任意一点的地层压力等于气水界面之上的静水柱压力与气藏内该点至气水界面处的气柱压力之和[11]。

（2）混合驱替型致密砂岩气藏：天然气趋于向相对优质的部位运移。沿着储层上倾方向，孔喉半径增大，微裂缝逐渐增多，储存条件变好，遂气体将孔隙水驱替到上倾方向的储层（图2中S—M处）。在此处，孔隙中自由水增多，天然气受浮力作用增强。因此，驱替孔隙水的力也变为气体膨胀力和浮力两种力。当两个力之和小于毛细管阻力与上覆水柱压力之和时，气体无法向上继续突破，将被封存在储层之中。其气水边界处为致密气藏圈闭所能达到的最大范围。这种由气体膨胀力和浮力联合驱替的成藏模式称为混合式驱替型致密砂岩气藏。

（3）置换聚拢型致密砂岩气藏：当气源充足时，天然气继续向上运移，此时储层致密程度渐渐趋于常规储层。图2中S点称为“临界孔喉直径”[12]，在S点以上，天然气向上运移的动力以浮力为主。驱替孔隙水的过程类似于油气在常规储层中的驱替过程。由于重力分异作用，天然气充注到圈闭高势区，并把孔隙水置换到气场下部，气水倒置现象消失。在构造强烈的地区，已形成的气藏受到挤压作用，储层变得致密，因此可以形成具有超高压的致密气藏，这类气藏可称为“致密常规气藏”。

图2 致密砂岩气藏成藏机制模式图（据郭迎春，马新华[13-14]改编）Fig. 2 The formationmechanismmodel of tight sandstone gas reservoir(modi fi cation according to GUO Ying-chun and MA Xin-hua[13-14])

2 中国典型致密砂岩气藏类型

2.1 活塞充注型致密砂岩气藏

活塞充注型致密砂岩气藏主要分布在构造凹陷区或向斜带。烃源岩与储层邻近接触。源岩多为煤系地层，且供气充足。在烃源岩进入生气门限之前储集层已经致密化，这种先期致密的源储配置关系对大范围发育以垂向近生气中心聚集的致密砂岩气藏提供了有利条件。砂体厚度很大，储集空间以溶孔和粒间孔为主，断层、裂缝是天然气运移的优势通道。致密砂岩气富集程度要受烃源岩生烃强度和沉积体系控制，“甜点”受有利沉积相带控制。

吐哈盆地台北凹陷水西沟群发育此类型致密砂岩气藏。水西沟群煤系烃源岩以腐殖型干酪根为主， 有机碳含量高，纵向上砂泥岩与煤层互层呈“三明治”结构，地层厚度介于285～892m，砂地比介于30%～60%，单层厚度一般为5～30m[15]。台北凹陷在白垩纪末—古近纪末致密砂岩气成藏关键时期之前, 水西沟群砂岩储层已经致密。凹陷主体领域三工河组为辫状河三角洲沉积，孔隙度介于6% ～ 10%，岩性致密。水西沟群煤层在中侏罗世开始进入生排气态烃门限，并一直持续，其生排气态烃高峰为白垩纪和新近纪[16]。当天然气含量积累到一定量时，以游离相排运为主。气体进入致密储层以“活塞式”驱替孔隙水，形成气水倒置的致密砂岩气藏。

2.2 混合驱替型致密砂岩气藏

混合驱替型致密砂岩气藏主要分布在前陆盆地前缘斜坡或古克拉通盆地构造掀斜斜坡，一般斜坡倾角较小。这类气藏煤系源岩遍布全盆地，砂体大面积分布，源储交互或近邻叠置。由于含气面积大，也称为连续型气藏[17]。气藏本身物性差，其下倾方向无边底水，气水倒置现象存在。天然气运移成藏的方式以垂向运移和就近运移为主。部分储层孔渗较好，可形成“甜点”。对于此类气藏的勘探，我们的思路应该发生转变，应由构造气藏向大面积岩性气藏的方向转变。而且，不应该只停留在单一砂体上的勘探，应大面积寻找天然气优势区。

中国鄂尔多斯盆地上古生界气藏属于混合驱替型致密砂岩气藏。鄂尔多斯盆地内广泛发育晚古生代沼泽相煤系烃源岩，主要分布在石炭系本溪组、下二叠统太原组和山西组[18]。煤层厚6～20m，平均有机碳质量分数为67.3%；暗色泥岩厚40～120m，平均有机碳质量分数为2.93%。盆地地层平缓，倾角1º～2 º，无明显的沉积中心和坡折带，发育大型缓坡浅水三角洲沉积[19]。晚侏罗世到早白垩世，烃源岩进入排烃高峰期，天然气开始突破毛细管力、静水压力等阻力向致密储层内运聚。当储层内自由水含量增多时，气体开始产生浮力。但鄂尔多斯盆地地层倾角较小，储层致密且非均质性强，地层水含量很少，因此浮力对运移的作用很弱，只能作为一种辅助的力。

2.3 置换聚拢型致密砂岩气藏

置换聚拢型致密砂岩气藏一般分布在前陆盆地前缘隆起或挤压型盆地褶皱构造高部位，属背斜构造型致密砂岩气藏。其成藏特征类似于常规气藏，气体向上运移以浮力为主，向下排替地层水，气水无倒置现象。气藏所处部位一般构造活动强烈，断层的存在对致密储层具有一定的改善作用，提高了致密砂岩气藏的成藏效率。我国塔里木盆地库车凹陷的迪那2致密气藏为这类气藏。

迪那2气田位于库车坳陷秋里塔格构造带东部，含气层系主要位于下第三系砂岩，存在3套压力系统，形成了3个气藏。根据沉积和储层特征分析认为，这3个气藏均为背斜构造气藏[21]。迪那2气藏属超高压凝析气藏，但其超压体系具有常压成藏特征。当深部超压体系内的油气沿裂缝或断层进入常压环境后，开始向下排水，占据高势区聚集成藏。气藏含有少量边水，但不活跃[22]。该气藏成藏符合一般油气成藏的特点，仅仅是在后期持续的构造挤压过程中，使其具有异常的超压，形成致密气藏。

3 结论

（1）致密砂岩气藏根据天然气运移的动力可分为活塞充注型致密砂岩气藏、混合驱替型致密砂岩气藏及置换聚拢型致密砂岩气藏三种成藏类型。

（2）活塞充注型致密砂岩气藏储层极其致密，地层中几乎无自由水存在，因此运移的动力主要来源于气体积累产生的气体膨胀力。膨胀力突破毛细管压力和静水压力呈“活塞式”驱替储层中孔隙水，聚集成致密气藏，且气水倒置。这类气藏一般分布在构造凹陷区或向斜带。

（3）混合驱替型致密砂岩气藏一般分布于前陆盆地前缘斜坡或古克拉通盆地构造掀斜斜坡处。由于储层受压实作用减弱，孔隙条件改善，地层中自由水含量增多，因此天然气驱替孔隙水的动力也变为气体膨胀力和浮力混合驱替，气藏内仍存在气水倒置现象。在一些坡度很小的盆地内，浮力作用很弱，但是仍是天然气运移的一种动力，不可忽略。

（4）置换聚拢型致密砂岩气藏大多属于背斜型构造气藏，成藏特征类似常规气藏，浮力对于油气运移聚集起到很大作用。该类气藏一般分布在前陆盆地前缘隆起或挤压型盆地褶皱构造高部位。所处环境受强烈的挤压作用，因此一些已经形成的气藏储层变得致密，形成具有超压的致密气藏。

[1] 李建忠，郭彬程，郑 民，等．中国致密砂岩气主要类型、地质特征与资源潜力[J]．天然气地球科学，2012，23(4)：607-615．

[2] 张国生，赵文智，杨 涛，等．我国致密砂岩气资源潜力、分布与未来发展地位[J]．中国工程科学，2012,14(6):87-93.

[3] 刘吉余，马志欣，孙淑艳. 致密含气砂岩研究现状及发展展望[J]．天然气地球科学，2008，19(3)：316-319.

[4] 王金琪. 中国大型致密砂岩含气区展望[J]．天然气工业，2000，20(1)：10-15.

[5] 关德师，牛嘉玉．中国非常规油气地质［M］．北京：石油工业出版社，1995：12-40．

[6] 姜振学，林世国，庞雄奇，等．两种类型致密砂岩气藏对比[J]．石油实验地质．2006，28(3)：210-215．

[7] 董晓霞，梅廉夫，全永旺．致密砂岩气藏的类型和勘探前景[J]．天然气地球科学，2007，18(3)：351-355．

[8] 戴金星，倪云燕，吴小奇．中国致密砂岩气及在勘探开发上的重要意义[J]．石油勘探与开发，2012，39(3)：257-265．

[9] 杨晓宁，张惠良，朱国华．致密砂岩的形成机制及其地质意义—以塔里木盆地英南2井为例[J]．海相油气地质，2005,10(1)：31-36．

[10] 伏海蛟，汤达祯，许 浩，等. 致密砂岩储层特征及气藏成藏过程[J]．断块油气田，2012，19(1):47-50.

[11] 张金川，金之钧，庞雄奇. 深盆气成藏条件及其内部特征[J] . 石油实验地质，2000 ,22 (3) :210-214.

[12] 马新华，王 涛，庞雄奇，等．深盆气藏的压力特征及成因机理[J]．石油学报，2002,23(5):23-27．

[13] 郭迎春，庞雄奇，陈冬霞，等．致密砂岩气成藏研究进展及值得关注的几个问题[J].石油与天然气地质，2013,34(6)：717-724.

[14] 马新华．鄂尔多斯盆地上古生界深盆气特点与成藏机理探讨[J].石油与天然气地质，2005,26(2)：230-236.

[15] 范谭广．吐哈盆地台北凹陷水西沟群致密砂岩气成藏条件[J]．天然气工业，2011,31(7)：21-23．

[16] 俞益新，张金川，尹腾宇,等．吐哈盆地致密砂岩气成藏特征及模式[J]．新疆石油地质，2012,33(3)：283-287．

[17] 赵靖舟，李军，曹 青 ，等．论致密大油气田成藏模式[J]．石油与天然气地质，2013,34(5)：573-583.

[18] 赵 林，夏新宇，戴金星．鄂尔多斯盆地上古生界天然气的运移与聚集[J]．地质地-球化学，2000，28(3):48-53．

[19] 李仲东．鄂尔多斯盆地上古生界天然气运移特征及成藏过程分析[J]．矿物岩石，2008：77-83．

[20] 马玉杰，谢会文，蔡振忠，等．库车坳陷迪那2气田地质特征[J].天然气地球科学，2003，14(5)：371-374．

[21] 顾家裕，范土芝，方辉，等.塔里木盆地流体和油气藏[J].地质论评，2001,47(2)：201-206.

[22] 孙冬胜，,金之钧，吕修祥，等．库车前陆盆地迪那2气田成藏机理及成藏年代[J]．石油与天然气地质，2004，25(5)：559-564．