致密砂巖氣成藏機(jī)理研究

致密砂巖氣成藏機(jī)理研究

在美國(guó)的天然氣政策中，砂巖氣的最原始定義可以追溯到1978年。美國(guó)天然氣政策法將其定義為砂巖儲(chǔ)層的天然氣滲透性低于或大于0.1.10-3m2的天然氣礦床。如今,已發(fā)現(xiàn)的致密砂巖氣儲(chǔ)量十分豐富。世界上利用現(xiàn)有勘探開(kāi)發(fā)手段可開(kāi)采的致密砂巖氣儲(chǔ)量為(10.5~24.0)×1012m3,居非常規(guī)氣之首。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球已發(fā)現(xiàn)或推測(cè)有致密砂巖氣的70多個(gè)盆地,主要分布在北美、歐洲和亞太地區(qū),最具代表性的有美國(guó)圣胡安盆地、加拿大阿爾伯達(dá)盆地。我國(guó)致密砂巖氣藏分布廣泛,類(lèi)型多樣,在四川、鄂爾多斯、吐哈、準(zhǔn)噶爾南部和東海等區(qū)域皆有分布。因此,為了更好地勘探開(kāi)發(fā)我國(guó)的致密砂巖氣藏,有必要通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外致密砂巖氣藏的差異,深入研究我國(guó)致密砂巖氣藏成藏的特殊性。1致密砂巖氣藏致密砂巖氣又稱(chēng)致密氣,通常是指低滲—特低滲砂巖儲(chǔ)層中無(wú)自然產(chǎn)能,須通過(guò)大規(guī)模壓裂或特殊采氣工藝技術(shù)才能產(chǎn)出具有經(jīng)濟(jì)價(jià)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(gòu)造深部,呈大面積連續(xù)分布,是連續(xù)型氣藏的一種重要類(lèi)型。從巖石物理特性來(lái)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(dòng)較為緩慢的氣藏。2儲(chǔ)層孔滲特征分類(lèi)目前,根據(jù)研究方向的不同,致密砂巖氣藏有多種分類(lèi)方式。本文總結(jié)了其中應(yīng)用較為普遍的3種分類(lèi)方式:1)根據(jù)儲(chǔ)層孔滲特征分類(lèi);2)根據(jù)成藏與構(gòu)造演化關(guān)系分類(lèi);3)根據(jù)烴源巖生排烴高峰期,天然氣充注與儲(chǔ)層致密化的先后關(guān)系分類(lèi)。2.1氣藏和致密氣藏美國(guó)能源部根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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0.0001×10-3~0.001×10-3μm2)。2.2儲(chǔ)層致密化氣藏成藏過(guò)程綜合前人研究成果及國(guó)內(nèi)外勘探開(kāi)發(fā)實(shí)際,根據(jù)致密砂巖氣藏成藏過(guò)程與盆地構(gòu)造演化的關(guān)系及其不同的成藏規(guī)律,董曉霞等將致密砂巖氣藏分為“改造型”和“原生型”2類(lèi)。“改造型”致密砂巖氣藏,其儲(chǔ)層致密化與源巖生排烴高峰期天然氣充注的時(shí)間并無(wú)固定的先后之分。不同的時(shí)間先后關(guān)系,其成藏過(guò)程也有所區(qū)別:1)儲(chǔ)層后期致密,即儲(chǔ)層對(duì)早期的天然氣聚集起鎖閉作用,而晚期構(gòu)造作用所形成的構(gòu)造裂縫則對(duì)氣藏起到活化作用;2)儲(chǔ)層先期致密,致密氣藏的成藏過(guò)程主要受晚期構(gòu)造作用形成的裂縫系統(tǒng)所控制,致密儲(chǔ)層的儲(chǔ)滲能力也因此得到很大改善。此類(lèi)致密氣藏與常規(guī)氣藏有著基本一致的形成機(jī)理,但后期改造作用對(duì)其影響很大,因此成藏多受構(gòu)造演化控制?！霸汀敝旅苌皫r氣藏以?xún)?chǔ)層與源巖緊密相連、“上傾方向氣水關(guān)系倒置,下傾方向無(wú)底水”為特征。其儲(chǔ)層致密化過(guò)程是在烴源巖生排烴高峰期天然氣充注之前?！霸汀敝旅苌皫r氣藏一般發(fā)育在深部凹陷、向斜中心或構(gòu)造斜坡等部位,成藏不受構(gòu)造圈閉控制,微弱的構(gòu)造作用有利于成藏。2.3儲(chǔ)層后致密氣藏成藏機(jī)理姜振學(xué)等根據(jù)儲(chǔ)層致密化與天然氣充注的先后關(guān)系將致密砂巖氣藏分為2種類(lèi)型,即儲(chǔ)層先期致密型(“先成型”)及儲(chǔ)層后期致密型(“后成型”)。“先成型”致密氣藏的儲(chǔ)層致密化過(guò)程發(fā)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?xún)?chǔ)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(guò)程要求“源藏伴生、源儲(chǔ)一體”,“源儲(chǔ)”距離越近越好,直接接觸或兩者互層對(duì)此類(lèi)致密氣藏的形成最為有利。受成藏機(jī)理影響,該類(lèi)氣藏中的流體呈氣水倒置關(guān)系,氣藏?zé)o明顯的底水和邊水?！昂蟪尚汀敝旅軞獠貎?chǔ)層致密化是后成的,后期成巖演化或構(gòu)造擠壓使原先并不致密的儲(chǔ)層變得致密,其聚集位置與源巖既可以是近源也可以是遠(yuǎn)源。該類(lèi)氣藏氣水分布與常規(guī)天然氣藏相似,服從重力分異原理,呈上氣下水分布。3不同成藏階段多位學(xué)者都對(duì)“先成型”致密砂巖氣藏的成藏機(jī)理進(jìn)行過(guò)研究。龐雄奇等提出了具體形成機(jī)理,即力學(xué)平衡和物質(zhì)平衡。力學(xué)平衡:供氣熱膨脹力+氣體浮力=毛細(xì)管力+靜水壓力;物質(zhì)平衡:深盆氣藏儲(chǔ)集氣量=源巖供給氣量-蓋層散失氣量-氣水邊界散失氣量。姜福杰等通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M,按照出氣孔出水速率的變化特征將成藏過(guò)程劃分為3個(gè)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(shí)的天然氣無(wú)法進(jìn)入致密砂體的孔隙內(nèi),只有當(dāng)注入量達(dá)到一定程度,充注能量積累到足以突破毛細(xì)管阻力作用時(shí),天然氣才開(kāi)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(qū)孔隙水的作用,天然氣在致密砂體內(nèi)呈指狀向上運(yùn)移。低滲砂體與“相對(duì)高滲砂體”的逐漸連通使出水速率明顯增加。低滲砂體內(nèi)的氣柱會(huì)隨著出水速率的增加迅速萎縮并與“相對(duì)高滲砂體”分離,最終形成穩(wěn)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(wěn)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(gè)致密砂體內(nèi)形成統(tǒng)一的天然氣聚集?！昂蟪尚汀敝旅軞獠卦谥旅芑昂蠖季哂刑烊粴膺\(yùn)移和聚集的條件,但大規(guī)模運(yùn)移、聚集一般發(fā)生在儲(chǔ)層致密化之前。由于成巖早期儲(chǔ)層物性相對(duì)較好,天然氣的聚集分異與常規(guī)氣藏的成藏模式相同,并且此時(shí)氣藏的生、儲(chǔ)、蓋組合及氣水分布特征均與常規(guī)氣藏相似。該類(lèi)儲(chǔ)層的聚集關(guān)鍵時(shí)期是生烴高峰到儲(chǔ)層致密化的階段。在此階段,成巖作用或構(gòu)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(chǔ)層致密化超過(guò)致密化邊界,大規(guī)模的天然氣運(yùn)聚過(guò)程將停止。在晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈的地區(qū),氣藏還將經(jīng)歷晚期重新分配、調(diào)整、富集的復(fù)式成藏過(guò)程,故可將上述的成藏過(guò)程劃為3個(gè)階段:1)原生常規(guī)儲(chǔ)層階段。此階段儲(chǔ)層物性良好,源巖生排烴處于高峰期,并按照常規(guī)氣藏的聚集原理富集,形成以常規(guī)背斜構(gòu)造圈閉為主的氣藏。2)儲(chǔ)層致密化階段。此階段生排烴高峰期結(jié)束,在成巖作用或構(gòu)造擠壓作用下,儲(chǔ)層逐漸致密化,無(wú)大規(guī)模氣體運(yùn)移,在沒(méi)有斷裂系統(tǒng)直接參與的情況下,原生氣藏一般不會(huì)經(jīng)歷太大的改造。但是,若晚期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,則氣藏將經(jīng)歷很?chē)?yán)重的后期改造,甚至遭受破壞。3)復(fù)式成藏階段?，F(xiàn)今的天然氣分布和圈閉特征就取決于此階段,多形成構(gòu)造與非構(gòu)造、早期與晚期等多因素交錯(cuò)疊加、復(fù)合形式成藏的局面。2種類(lèi)型致密砂巖氣藏的模式如圖1所示。4氣藏類(lèi)型及氣藏特點(diǎn)致密砂巖氣藏地質(zhì)特征復(fù)雜,研究這些特征有助于深入了解該類(lèi)氣藏。由于“后成型”致密砂巖氣藏在很大程度上與常規(guī)氣藏有相似的成藏特征,所以下述氣藏特征主要針對(duì)“先成型”致密砂巖氣藏。4.1烴源巖地層類(lèi)型及油氣藏形成的基礎(chǔ)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(yè)巖、煤層、碳酸鹽巖或它們的組合。從已知大型致密砂巖氣區(qū)來(lái)看,烴源巖多為腐殖型泥巖或煤系地層,以生氣為主。天然氣藏形成的基礎(chǔ)是良好的氣源條件?！跋瘸尚汀睔獠氐脑磶r具有厚度較大、有機(jī)質(zhì)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(xiàn)的時(shí)代較晚并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。4.2致密砂巖儲(chǔ)層成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度低是低滲—致密儲(chǔ)層的一大特點(diǎn),主要表現(xiàn)在長(zhǎng)石和巖屑含量較高,多為長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖,少見(jiàn)石英砂巖。顆粒大小混雜,分選性、磨圓度較差,泥質(zhì)含量高。因此,沉積物易發(fā)生壓實(shí)作用,儲(chǔ)層物性較差。致密砂巖氣主要存在于低滲、特低滲砂巖儲(chǔ)層中,以低孔、低滲為特征。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該儲(chǔ)層有多種劃分標(biāo)準(zhǔn),就國(guó)內(nèi)而言,袁政文、關(guān)德師、鄒才能等均先后提出了劃分標(biāo)準(zhǔn),但總體來(lái)看致密砂巖儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn),儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng),含水飽和度較高。在特殊條件下,如含水飽和度較高時(shí)儲(chǔ)層相對(duì)滲透率非常低,可具有蓋層的性質(zhì)。致密砂巖由于沉積、成巖、膠結(jié)等復(fù)合作用,孔隙度、滲透率極低,但粒內(nèi)、粒間溶孔及構(gòu)造裂縫、斷層的發(fā)育改善了儲(chǔ)層的滲透能力。張哨楠從孔隙度、滲透率、孔隙類(lèi)型、成巖作用等多方面總結(jié)了致密砂巖儲(chǔ)層的特點(diǎn),并與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比。相對(duì)于常規(guī)砂巖儲(chǔ)層,致密砂巖儲(chǔ)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(fù)雜。4.3頂、底封蓋充填蓋層對(duì)天然氣的形成和保存均具有重要作用,一般來(lái)說(shuō)需要大范圍分布的致密頁(yè)巖或泥巖作為蓋層。對(duì)于致密砂巖氣藏,則需要更好的頂、底封蓋條件。常規(guī)大范圍分布的致密頁(yè)巖或泥巖,或儲(chǔ)層中氣水界面處的力平衡界面,以及“水阻效應(yīng)”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(chǔ)層底部的非滲透層,儲(chǔ)層下伏源巖層,或由儲(chǔ)層自身壓實(shí)作用實(shí)現(xiàn)封隔。4.4動(dòng)態(tài)圈閉類(lèi)型對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層,力平衡界面是這類(lèi)圈閉的最大邊界。生烴補(bǔ)給與散失平衡的動(dòng)態(tài)圈閉是其主要的圈閉類(lèi)型,圈閉內(nèi)部的一些相對(duì)高孔高滲砂體可以形成巖性、成巖、裂縫圈閉等圈閉類(lèi)型。因此,氣藏的圈閉界限不明顯,可以形成大面積連續(xù)含氣氣藏。4.5致密砂巖氣藏二次運(yùn)移規(guī)律根據(jù)致密砂巖氣藏的成藏機(jī)理,氣藏的形成依賴(lài)于活塞式的氣水排驅(qū)作用。直接推移式的驅(qū)替作用導(dǎo)致天然氣發(fā)生初次運(yùn)移或短距離的二次運(yùn)移。天然氣被排驅(qū)出源巖后,開(kāi)始就近聚集,這使得該類(lèi)氣藏具有聚集位置與其源巖直接接觸的特點(diǎn)。致密砂巖氣藏的儲(chǔ)層與源巖的物性近乎相同,故其二次運(yùn)移具有和初次運(yùn)移基本相同的條件。致密氣藏的主要運(yùn)移動(dòng)力為壓實(shí)作用和氣體生烴膨脹力;主要阻力為氣水之間的毛細(xì)管力和氣藏上覆的地層水柱壓力。致密氣運(yùn)移以游離氣相為主要相態(tài),無(wú)優(yōu)勢(shì)運(yùn)移通道,以整體排驅(qū)水運(yùn)移方式為主。油氣運(yùn)聚以擴(kuò)散作用為主要機(jī)制,向上傾方向運(yùn)移。浮力作用受限,油氣滲流以非達(dá)西流為主。4.6地震地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的氣藏構(gòu)造,無(wú)斷裂、裂縫系統(tǒng),微弱的水動(dòng)力條件,較晚的源巖生排烴高峰期,以及地層平緩、儲(chǔ)層面積廣等有利條件致使致密氣藏易被保存。而構(gòu)造應(yīng)力的分布也是影響致密砂巖氣藏保存的重要條件,應(yīng)力屏蔽區(qū)的地層最為有利;反之,應(yīng)力集中區(qū)則多發(fā)育斷裂、裂縫系統(tǒng),不利于氣藏的保存。另外,較強(qiáng)的水動(dòng)力條件也不利于致密砂巖氣藏的保存。4.7致密砂巖氣藏成藏模式與常規(guī)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(jù)致密砂巖氣藏的構(gòu)造背景及形態(tài)特征,其成藏模式可分為:1)構(gòu)造斜坡分布成藏;2)凹陷中心對(duì)稱(chēng)分布成藏;3)前陸側(cè)緣斜坡分布成藏。由于致密砂巖氣藏源巖可以同時(shí)為儲(chǔ)層或封隔層,故其成藏主要以“自生自?xún)?chǔ)”為主、多階段成藏為特征。4.8有利區(qū)儲(chǔ)層傾角致密砂巖氣藏獨(dú)特的成藏機(jī)理使其分布不受構(gòu)造帶控制。由于沒(méi)有明顯的儲(chǔ)層和圈閉界限,“自生自?xún)?chǔ)”,所以其分布范圍較廣,斜坡帶、坳陷區(qū)均可成為有利區(qū)。但是,目前國(guó)內(nèi)外發(fā)現(xiàn)的氣藏儲(chǔ)層傾角都較小(一般不超過(guò)15°),它不僅可以?xún)?chǔ)氣,還可以作為氣體散失的遮擋層。姜福杰等根據(jù)國(guó)內(nèi)外致密砂巖氣藏的綜合調(diào)研,畫(huà)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(dá)盆地和中國(guó)鄂爾多斯盆地為例揭示了致密砂巖氣藏的分布特征。5我國(guó)致密砂巖氣藏氣藏研究中面臨的問(wèn)題目前,國(guó)外大多從致密氣的概念及致密氣藏的特征2個(gè)方面來(lái)進(jìn)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(dá)盆地為代表;2)致密氣藏的特征,以美國(guó)西部盆地為代表。然而,在致密砂巖氣藏成藏機(jī)理和成藏模式方面仍存在較大爭(zhēng)議。我國(guó)對(duì)致密氣藏的研究起步晚,尚處于初級(jí)階段,有很大的發(fā)展空間。由于我國(guó)大多數(shù)盆地的地質(zhì)條件比較復(fù)雜,致密砂巖氣藏在我國(guó)各種復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中均有分布,如造山帶、前陸盆地、斷陷盆地等,并且類(lèi)型多樣。構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、圈閉隱蔽、成藏復(fù)雜、氣藏形態(tài)不規(guī)則等導(dǎo)致我國(guó)致密砂巖氣藏勘探難度大,故在其勘探開(kāi)采過(guò)程中需要更大的改進(jìn)與創(chuàng)新。近年來(lái),我國(guó)在致密砂巖氣藏的研究和開(kāi)采過(guò)程中遇到了諸多的難題和挑戰(zhàn),但在一些地區(qū)也取得了顯著進(jìn)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(lái)越受到政府和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注,并且已成為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中不可或缺的重要組成部分。6致密砂巖氣藏成礦機(jī)理1)致密砂巖氣藏屬于連續(xù)型氣藏的一種,致密砂巖氣藏可根據(jù)儲(chǔ)層孔滲特征、成藏與構(gòu)造演化關(guān)系、儲(chǔ)層致密化與源巖生排烴