浅谈非常规油气藏

2018-04-19黄丹

石油化工应用 2018年3期

黄丹

(1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.中国石油长庆油田分公司，陕西西安 710018)

盆地范围内，油气是自烃源岩生成，沿垂向、侧向的路径向盆地上部运移，并在顶部遇到封闭层而聚集成藏的。由于盆地沉积成岩作用的影响，按照目前对油气常规和非常规的区分，认为在盆地上部以常规油气聚集为多，盆地下部以非常规油气聚集为主[1]。

Law等认为，常规天然气与非常规天然气在地质上存在根本性差异：常规天然气是浮力驱动形成的矿藏，其分布表现为受构造圈闭或岩性圈闭控制的不连续分布形式；而非常规天然气则是非浮力驱动形成的矿藏，其分布表现为不受构造圈闭或岩性圈闭控制的区域性连续分布形式。但文献调研及分析认为非常规与常规二者之间并没有本质区别，其本质原因是储层孔隙结构和非均质条件的复杂化所造成的储存条件和储存方式的多样化和非常规化。总之，常规储层中，油气运移阻力因素相对较少，运移距离长，一般为源外或远源聚集，因此聚集需要明显的圈闭，在构造高点聚集较多。相反，非常规油气由于孔隙结构的复杂性和较强的非均质性使得运移阻力因素复杂，运移距离短，一般造成源内或近源聚集，在盆地向斜或斜坡聚集较多[1-8，11-12，14，16]。

1 “连续型”与“准连续型”油气藏的概念

一些学者认为[1]“连续型”油气藏主要强调油气大面积连续或准连续分布在盆地中心、斜坡等位置，且局部聚集；主要发育于低孔渗、特低孔渗和致密等非常规储集体系之中，储集空间大；以自生自储为主，多为初次运移或短距离二次运移，主要靠渗透或扩散方式聚集，运移动力主要是生烃增压和扩散作用力，浮力作用受限(甜点区除外)；缺乏明显圈闭界限，无统一油气水界面和压力系统，流体分异差，含油饱和度差异大，油气水常多相共存。

另一些学者认为[2，3]，真正意义上的连续型油气藏是源内形成的油气藏，以煤层气和页岩油气最为经典。无论是致密砂岩还是致密碳酸盐岩，其在成藏方面介于不连续型与连续之间，是二者之间的一种过渡类型，将这类油气藏称之为准连续油气藏。认为准连续型油气藏是指油气聚集受许多在横向上彼此相邻、纵向上相互叠置的岩性圈闭控制、油气大面积准连续分布、无明确油气藏边界的致密砂岩油气藏群或油气田。主要强调油气大面积准连续分布在斜坡等位置；主要发育于横向非均质性强，由众多中小型岩性圈闭组成圈闭之中，以岩性式甜点富集；以自生自储为主，多为初次运移直接成藏，二次运移较弱，主要靠渗透或扩散方式聚集，浮力作用受限；无明确油气藏边界，油气水分布复杂，无显著油/气水倒置。

本文认为，油气的储集层本身就是一种具有孔隙结构的非连续型介质[4]，相对而言，油气藏本身就是一种被储集介质所分隔的流体聚集单元。连续与否只是油气藏的宏观表现，宏观上不存在真正的连续流体聚集，因为宏观上地下不存在“油河”[5]；但从微观上来讲，无论是毫米级的“管流”、微米级的“渗流”还是纳米级“滞留”储层[6]，其成藏的前提必须是储层(孔隙)连通。从此种意义上说，油气藏应该是“连续”的，但是，油藏连续与否，孔隙连通并不是其充分条件，这是因为流体在储层中的存在方式还与岩石的润湿性有关。岩石的润湿性是指在岩石-油(气)-水体系中，一种流体在分子的作用力下，自发的驱赶另一种流体的能力[7]。其很大程度上决定着油藏流体在岩石孔道内的分布状态[7，8](见图1)。这种分布状态因岩石矿物成分、黏土含量及产状、流体化学组成、地层水中的表面活性物质、孔隙结构、含水饱和度等因素影响[7，8]。综上所述，油气藏都应该是“孤立式”-“准连续式”-“连续式”的复杂混合体，这种分布状态对应于所有油气藏。

对于非常规油气藏来说，由于其微观孔隙结构以微米孔和纳米孔为主，这种特殊化和复杂化的储层条件致使其具有很强的非均质性，导致每个微油藏在分布上具有一定的不连续性，也正是由于复杂的孔隙条件和强的非均质条件，其成藏特征才不同于常规油气藏，主要特征(见表 1)[1]。

表1 非常规油气藏与常规油气藏的差异[1]Tab.1 The difference between unconventional and conventional petroleum accumulation

图1 流体分布状态Fig.1 The distribution patterning of fluid

2 成藏基础条件分析

2.1 烃源岩

烃源岩是含油气系统和油气成藏的基础，但并非巨厚生油潜力就大，沉积盆地只有发育了有效烃源岩才能形成一定规模的油气聚集[9]。高生物产率和缺氧环境是形成有效烃源岩的必要条件[9]，因此在沉积盆地斜坡和盆地中心部位有效烃源岩相对来说较为发育。

文献[10]研究发现烃源岩中有机质的赋存状态主要分为顺层富集型、分散型和局部富集型三类。认为烃源岩中改造型溶蚀孔隙的分布与有机质的赋存状态有很大关系：(1)有机质呈分散型分布时，溶蚀孔隙的分布呈分散状，数量有多有少，但溶蚀的强度都不大，很少见到连片的；(2)有机质呈顺层型分布时，溶蚀孔隙的改造作用，不仅表现为数量多，且规模也较大，往往形成较密集的改造型溶蚀孔隙，主要沿微层理发育；(3)有机质呈局部富集型分布时，改造型溶蚀孔隙主要呈斑状出现。

2.2 储集与盖层

储层之所以能储集油气，是由于它们具备相对较高的孔隙度和渗透率；盖层之所以能封盖油气，是由于其具备相对较低的孔隙度和渗透率[5]。文献[11]研究认为储集层之所以能够储集油气，不是因其岩性是砂岩或其他岩类，而是因其物性较好、孔隙较大(相对于上方盖层)。泥岩若发育较大孔隙，也可以成为储集层；砂岩若孔隙欠发育，也可以成为盖层。某种岩石在地下是盖层还是储集层，不完全取决于岩性，还要看岩石在层序中的位置。泥岩可以给砂岩作盖层，细砂岩也可以给粗砂岩作盖层。综上，烃原岩在一定条件下可以成为储层。

2.3 圈闭

圈闭是具备捕获分散烃类形成油气聚集的有效空间。其包括三个部分：(1)储集层；(2)盖层；(3)遮挡物(阻止油气继续运移，造成油气聚集成藏)[5]。

综上所述，盖层与遮挡物无本质区别，完全可以是同一种东西，其作用是阻止油气运移，最终成藏。可以认为只要具有一定的物性条件，就可以形成物性圈闭[11]，进而成藏；或许这也就是所谓的“无形”或“隐形”圈闭[1]。

3 成藏特征分析

连续型油气藏的本质特征是发育于非常规储集层体系之中，圈闭界限模糊不明，范围很大；无统一的油水界面和压力系统。属于明显无圈闭界限、非常规圈闭、非闭合圈闭，或“无形”或“隐形”圈闭[1](见图2)。

图2 油气藏分布模式图(据邹才能等，2011年修改)Fig.2 The distribution patterning of reserviors

沉积有机质以热解成油气小分子的方式不断向地层水排放，热解从干酪根大分子的外围或枝杈上逐渐向内部进行的[12]。沉积有机质赋存状态主要分为顺层富集型、分散型和局部富集型[10]，因此，页岩中油气藏的形成也应该具有一定的规律或与此相关。随着干酪根大分子生成的油气小分子向地层水不断排放，油气分子会慢慢长大，当达到一定程度(体积)，就会在浮力的作用下脱离干酪根母体，成为游离的连续相进行初次运移、二次运移，直到遇到圈闭聚集成藏[12]。

有机质埋藏初期，埋深较浅，温度介于10℃～60℃，生物作用强烈，主要生成生物甲烷；随着埋藏深度不断增加，微生物活动逐渐停止，温度压力不断增加，热化学作用代替生物作用成为重要因素，当地温升至60℃～180℃时，在热催化作用下，有机质大量生成石油和天然气；当地温达到180℃～250℃时，生成的油气比逐渐降低；当地温超过250℃时，有机质和已生成的石油发生裂解，只能生成烃气[13](见图2)。

根据分子扩散理论，扩散的方向是从高浓度向低浓度进行的，并最终使整个地层的浓度趋于一致，其对油气藏具有破环作用，油气是以连续相为主要方式进行运移的[12]。

干酪根生成液态油后，干酪根的体积会减小，液态油的体积会增加，但总体积会略有增加，生成天然气后，总体积会增加更多[12]。但烃源层的生烃速度很慢，而且是边生边排，憋压的可能性极小[14]。源岩生成油气后因体积增大致使孔隙压力增大，为了达到源岩与储集层之间的压力平衡，部分孔隙水将被排出[12]。烃源层不是一个封闭的系统，有孔隙，也有渗透性，完全可以输导流体的，只是其渗透率较低、输导速度较慢而已[14]。当压力平衡后,油滴会在浮力的作用下运移出源岩，当油滴排出，源岩孔隙亏空，由于重力作用，储集岩中的地层水将回流至源岩。油气生成过程中增大的体积部分，最终将转换为源岩上方储集岩的流体体积增加量[12]。可见，异常高压只是一种暂时的压力状态。

烃源岩中改造型溶蚀孔的分布与有机质不同的赋存状态有密切关系[10]，因此，有机质热演化结束后，页岩中油气的分布可能受改造型孔隙的控制。热演化早期，有机酸溶蚀产生的物质相对较少，胶结作用相对较弱，溶蚀作用强于胶结作用，此时尽管泥岩的渗透性差，但沿油气运移路径方向上孔隙半径总体上是变好的，而且在三维地质体中，浮力会使油气自动寻找大的孔隙移动，同时，由小孔向大孔运移，毛管力具有动力作用，因此，此时油气是可以运出的[12]；热演化后期，有机酸溶蚀产生的物质越来越多，由于地层水流动缓慢，泥岩内部缺乏流体发生充分循环的良好条件，胶结作用变强。随着溶蚀作用的不断进行，这些因溶蚀而产生的物质不能迅速的被带出反应系统，最终必将达到饱和而在附近重新发生沉淀，造成堵塞孔隙和喉道，改变原有的孔隙结构，使泥岩孔隙系统变得更加致密[10]。此时，沿油气运移路径方向上孔隙半径变差，成为从大孔向小孔运移，毛管压力成为阻力，况且在复杂的孔隙系统中，各种阻力因素都不能忽略，浮力作用受到限制。虽然生烃不断增压，但生烃增压对油水不具分异作用，只能使油水同时排出，按照油水在地层中的先后顺序，相对来说，生烃增压会使地层水较早排出，当然，若生烃增压一直持续，油最终是会排出的，可见，随着热演化不断增加，油气运移变得困难。由此可见，页岩油气的成因或许与孔隙条件的复杂化有关，成藏处可能为物性相对较好的甜点区。

文献[15]研究发现致密砂岩微观孔隙直径范围10 nm～1 000 nm，主体为300 nm～900 nm；页岩微观孔隙直径范围5 nm～300 nm，主体为80 nm～200 nm。由于存在大量的微观孔隙，因此储层的非均质性非常强，导致毛管力作用明显，浮力作用受限，因此，一般为源储合一或二次运移较弱，只能进行较短距离的二次运移。

非常规储层一般孔隙度较低，渗透性较差，属低渗、特低渗乃至致密储层，浮力难以克服毛细管力，构造对油气水分布无明显的控制作用，油水分布主要受物性控制。因此，此类油气藏油气水分布复杂，易出现所谓的油气水倒置现象。文献[11]认为这是由于地层非均质性导致的物性差异现象，物性好的地方充当了储集层，物性差的地方充当了盖层和遮挡物。这种气藏更为科学的名称应该是“物性气藏”，而能够聚集物性气藏的场所则是“物性圈闭”。物性圈闭不一定出现在构造的顶部，而可以出现在地层的任意位置。由此可见，物性和非均质性是导致连续型油气藏成藏的重要原因，甜点式(岩性、物性)聚集是此类油气藏成藏的主要方式。同时，由于沉积过程中的差异压实和成岩作用造成的孔隙结构复杂化，使得地层非均质性增强，微孔隙结构中毛管压力成为封闭作用力，复杂的孔隙结构使得毛管力有大有小，致使油气水没有明确的界面，从而油气藏没有明确的圈闭边界，再加上纵向非均质性强于横向非均质性，横向渗流系数大于纵向渗流系数[16]，油气藏易在横向上连续相邻，纵向上分隔相叠。