致密储层油气成藏研究进展

致密储层油气成藏研究进展

1致密储层油气致密油气通常是指沉积在覆盖基质0.1m（约相当于空气渗透1.0md）的致密储层和致密碳酸盐岩岩石中的油气。单井一般无自然产能或自然产能低于工业产能下限,在一定经济条件和技术措施下可获得工业产量[1~3]。考虑到石油和天然气相态、运移和聚集的差异,我们认为,致密油储层一般为覆压基质渗透率≤1.0mD的储层。由于致密储层和致密碳酸盐岩与页岩本身具有很大的差别,加上致密储层和致密碳酸盐岩与页岩油气赋存和运聚存在着很大的差异性,因此致密油气不包括页岩油和页岩气。致密储层气的勘探和开发开始于20世纪80年代左右,主要在西加拿大阿尔伯达盆地(Alberta)、新墨西哥州(NewMexico)和科罗拉多州的圣胡安盆地(SanJuan)以及科罗拉多州的丹佛(Denver)盆地发现致密储层气藏。致密储层气藏具有深盆气藏的特征[4~7],被称为致密储层气藏[8~10]及连续型气藏[11~13]。2011年世界非常规天然气产量为7805×108m3,占世界天然气产量的24%,其中绝大多数为致密气,其产量为5320×108m3。近几年来,世界致密气的产量增长更快。近几年来,伴随北美威利斯顿盆地Bakken、德克萨斯南部EagleFord致密油的成功勘探开发,致密油己成为继北美页岩气之后又一战略性突破领域。2000年,Bakken致密油产量实现7000t/d;2008年,Bakken致密油实现规模开发,成为当年全球十大发现之一。目前北美己发现致密油盆地19个,主力致密油产层4套,已探明可采储量6.4×108t,美国致密油2011年产量达3000×104t左右,预计到2020年产量达1.5×108t。致密油气在我国松辽盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地、准噶尔盆地、渤海湾盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、吐哈盆地和酒泉盆地等分布广泛,初步评价结果显示,中国致密油有利勘探面积达18×104km2,地质资源量为74×108~80×108t,可采资源量为13×108~14×108t,具有非常大的资源潜力。近年来,在鄂尔多斯盆地三叠系延长组、四川盆地侏罗系、松辽盆地白垩系中深层青山口组和泉头组、准噶尔盆地二叠系等,发现了大量的致密储层油,显示了我国具有广阔的致密油勘探前景。大量的研究结果表明,致密储层油气藏形成和分布特征与常规砂岩油气藏具有很大的差别,因此传统的石油地质理论和方法难以指导致密储层油气勘探,迫切需要建立新的石油地质理论和技术,揭示非常规油气藏的形成演化机制,从而有效地指导致密油气的勘探和开发实践。本文首先综述了国内外致密储层油气成藏机理的研究现状,总结了其研究特点,然后提出了致密储层油气成藏机理的3个关键科学问题。2致密储层油气成藏机的研究现状和研究特点2.1致密储层的形成与常规储层不同,致密储层为覆压基质渗透率≤0.1mD(或空气渗透率≤1.0mD),孔隙度≤10%的砂岩、灰岩储层,孔喉以微孔、纳米孔为主,微孔直径均<2μm,主体直径为40~900nm,主要为微米—纳米级孔喉(孔喉直径在2.0~0.03μm之间)网络系统[1,2,15,16,17,18,19]。中国致密储层中77.2%的中值孔喉半径<1μm,属于纳米级孔喉(图1),特别是在鄂尔多斯盆地苏里格地区致密储层气储集层孔喉半径<1μm的占到了83.6%。致密储层微米级孔隙类型为粒间溶孔、颗粒溶蚀孔和微裂缝,孔隙直径主体介于10~200μm之间,纳米级孔隙类型为原生粒间孔与自生矿物晶间孔,孔隙直径主体介于70~400nm之间;致密灰岩孔隙类型有方解石粒内溶孔、粒间溶孔与微裂缝,孔隙直径主体介于50~500nm之间。致密储层形成的主要原因有沉积作用和成岩作用,目前致密储层成岩作用的研究尚不够深入。沉积作用主要表现在冲积扇沉积和三角洲前缘相带的细粒沉积。冲积扇致密储层的主要成因是颗粒杂基支撑、分选差、泥质含量高,而湖盆三角洲前缘相致密储层的主要成因是岩石颗粒细、分选差和泥质含量高。致密储层形成的主要成岩作用为压实作用和胶结作用。大多数致密储层均经历了早期和中期强烈的压实作用,使原生孔隙损失了近90%左右。致密储层的胶结作用很强,表现在胶结作用类型多、期次多和成岩次生矿物类型多。鄂尔多斯盆地延长组致密储层晚成岩阶段胶结作用非常强烈,表现为斜长石的钠长石化和高岭石化非常明显,高岭石、伊利石和绿泥石等自生黏土矿物含量较高,亮晶方解石和钠长石重结晶现象明显,其含量与储层孔隙度具明显的负相关关系,致密储层形成的主要原因有沉积和成岩作用。许多学者的研究结果表明,绝大多数致密储层油气藏的储层致密化过程发生在源岩生、排烃高峰期的油气充注之前,即油气大规模充注时砂岩储层致密化已形成,表现为储层先致密后成藏[23~30]。该类致密储层油气藏具有典型的致密储层油气藏的重要特征:区域性普遍含油气、无统一的气水界面及统一的圈闭界限,油气藏并不受构造与地层圈闭的限制[8,9,10,13,31,32,33,34]。此外,近30年来,很多学者的研究成果已证实,油气充注能够有效阻止储层成岩作用或者极大程度地减小石英等自生矿物的成岩反应速率[35~41]。因此,如果储层在油气大规模充注时期尚未致密,那么储层的成岩作用会受到较大程度的抑制,含油气层的储层难以通过成岩作用形成现今的致密储层。但是,也有很少部分的致密储层油气藏的储层致密化过程发生在源岩生、排烃高峰期的油气充注之后,即表现为储层先成藏后致密,该类致密储层油气藏的油气和水的分布及产出与常规的油气藏相近,受构造和地层圈闭的控制,不连续分布,如美国绿河盆地和我国塔里木盆地库车坳陷中的一些致密储层气藏[42~44]。(2)油气及其储层精细发育大量的研究结果表明,致密储层油气具有特殊的形成和分布特征,主要表现为[3,16,17,18,21,45,46,47,48,49,50,51]:(1)大面积连续分布,局部富集,不受构造控制。致密储层油气在平面上主要分布于盆地斜坡和坳陷中心区,或后期挤压构造的褶皱区,含油面积很大,可达几百至几万平方公里,整体含油气,油气的储量丰度和产量不受构造控制,局部“甜点”(相对高孔高渗的砂体)富集。(2)源—储共生。在剖面上主要分布在与成熟或高过成熟的Ⅰ,Ⅱ类烃源岩以及Ⅲ类煤系烃源岩共生的致密储层中,源—储一体或上下紧密接触。致密油气发育于优质成熟烃源岩内部,或与其紧密接触的致密储层组成有效生储组合。(3)含油(气)边界主要受岩性和物性控制,圈闭边界不明显。流体分异差,无统一的油(气)水界面,无统一的压力系统,可存在多个油(气)水界面和压力系统,甚至出现油(气)水倒置。(4)致密油以轻质油或凝析油为主,也可为中质或重质油,致密气具有轻烃含量高、重烃含量低的特点。地层水以束缚水为主,可动水不发育。含油(气)饱和度差异大。(3)致密储层天然气充注动力致密储层微米—纳米级孔喉网络系统中的毛细管阻力远大于油气的浮力,导致浮力不起作用或者所起的作用很小,油气运移动力主要为异常压力等[3,16,17,18,21,45]。近20多年来,国内外石油地质学家对致密储层天然气的充注动力进行了大量的研究,认为源—储剩余压差为致密储层天然气充注的主要动力,浮力的作用很小[6,8,25,42,47,52,53]。近年来,随着致密储层油的不断勘探和开发,一些学者探讨了致密储层油的充注动力,认为致密储层以超压充注为主,源—储剩余压差(超压强度)为致密储层石油充注的主要动力,是致密储层石油成藏的决定性因素[2,3,45,46,48,49,54,55,56,57,58,59,60]。除此之外,一些学者的研究结果表明,致密储层天然气的运移亦可表现为扩散运移,故天然气的浓度差亦为致密气的主要运聚动力。(2)储压作用下油气运移规律致密储层油气以短距离运移和垂向运移为主,侧向运移为辅。微米—纳米级孔喉网络系统中强大的毛管压力限制了浮力在油气聚集中的作用,油气主要在源—储压差的作用下就近发生层状运移,运移距离一般较短,主要为初次运移或短距离二次运移[2,17,18,45,46,47,48,49]。对于致密油,其运移主要表现为沿孔隙、裂隙发育的、物性较好的通道集中式垂向运移,但是对于致密气,除了集中式的垂向运移之外,大量的天然气在浓度差的作用下,发生大面积、分散状的运移。(3)低渗透砂岩中流体运移特征近20多年来,许多学者从油气开发的角度研究了采油过程即水驱油过程中低渗透(致密)砂层油、气、水的渗流特征。研究结果表明,低渗透油气藏中存在着流体低速非达西渗流现象,油、气、水的渗流表现为非达西流,存在着“启动压力梯度”[61~75]。大量的油气勘探和研究结果表明,在油气成藏过程中,低渗透(致密)砂岩中流体(油、气、水)的运移亦表现为非达西流特征[16,42,46,65,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88]。近年来,作者通过油气成藏过程中的低渗透(致密)砂岩油气运移模拟实验研究,确定了油气成藏(油驱水)条件下,低渗透(致密)砂岩油气的运移表现为非达西渗流特征,油气运移存在着启动压力梯度(图2)。(4)致密储层油气聚集赋存形式由于致密储层主要为微米—纳米级孔隙和孔喉,毛细管力很大,限制了浮力在油气运移和聚集中的作用,导致由烃源岩充注至致密储层的油气就近发生聚集。致密储层油气聚集主要以3种形式赋存:第一种为孔隙空间的游离油气(可动油气);第二种为矿物颗粒表面的吸附油气;第三种为介于上述两者之间的过渡油气。扩散作用对致密气的聚集具有重要的影响。大多数致密油气具有多期充注聚集的特点。致密油气平面上能形成油气区,资源丰度一般较低,但是在储层厚度较大,物性相对较好或裂缝、微裂缝发育的“甜点”,含油(气)饱和度和储量丰度相对较高,是致密油气勘探和开发的主要目标。2.2储层油气成藏过程研究匮乏目前国内外有关致密储层油气成藏研究的主要特点是:(1)主要集中在致密储层油气成藏条件、成藏特征及其宏观控制因素和分布规律研究,对致密储层油气运移和聚集机理研究得很少。(2)主要集中于致密储层油气藏的静态描述,对致密储层油气成藏的动态过程研究得少。(3)近年来通过各种先进的测试分析手段,开展了大量致密储层微观特征的研究,但是对致密储层油气成藏微观机理的研究比较少,缺乏致密储层微米—纳米级孔喉网络系统油气运移动力、渗流特征、赋存状态以及聚集机理的研究。(4)理论研究滞后于勘探实践。目前致密储层油气成藏的理论研究成果相对较少,导致致密储层油气的勘探和开发大多偏重于依赖工程手段和技术。(5)相对于致密气,对致密油的形成条件、分布规律以及运移和聚集机理的研究开展得比较少,研究程度也很低。由于油、气的相态差别很大,加上致密油藏和致密气藏的基本特征、形成条件、分布规律及其运移和聚集机理均存在着很大的差别,因此致密气的运移和聚集机理难于有效指导致密油的勘探和开发。3致密储层油气藏成岩机理控制致密储层油气藏的特殊形成和分布特征的核心因素是致密储层中广泛分布的纳米—微米孔喉网络系统[2,3,17,19,25,42,92],其根本原因在于:致密储层微米—纳米级孔喉网络系统具有与常规砂岩毫米—微米级孔喉网络系统不同的油气充注、运移和聚集机理,其结果导致致密储层油气藏具有不同于常规砂岩油藏的、特殊的形成和分布特征。因此,微米—纳米级孔喉网络系统油气充注、运移和聚集机理是致密储层油气成藏机理的核心科学问题,具体体现在3个方面。3.1油、气、泉岩向致密储层的充注机制(1)岩性组合及储集岩类型致密储层油气藏的一个显著特征就是源—储共生,烃源岩生成的油气直接充注进入致密储层(图3),因此源—储结构和充注动力对致密储层油气藏的形成具有重要的作用。源—储结构是指烃源岩与储集岩之间的接触关系、岩性组合(烃源岩与其上下或者内部接触的渗透性砂体配置关系)、厚度差异、物性差异和通道类型(孔隙型通道、裂隙型通道或孔隙—裂隙型通道)。不同的源—储结构,烃源岩与储集岩之间具有不同的接触关系、岩性组合、厚度大小以及通道类型和物性特征,直接影响着油气由烃源岩向致密储层的充注动力、充注方式、充注强度、充注范围以及充注量,从而对致密储层中的油气运移和聚集产生重要的影响。一些学者研究了源—储结构对常规储层油气充注的影响,取得了大量的研究成果,深化了常规储层油气运聚机理的认识,有效地指导了常规储层的油气勘探[93~98]。但是,目前国内外对于致密储层油气的源—储结构对油气充注影响的研究开展得比较少。(2)储层油气成藏决定因素近年来,一些学者的研究结果表明,致密储层以超压充注为主,源—储剩余压差(超压强度)为致密储层油气充注的主要动力,是致密储层油气成藏的决定性因素[2,3,45,48,49,54,55,56,57,58,59,60,87]。但是,有关源—储剩余压差的形成演化及其对致密储层油气充注的影响机制研究得不够,如不同源—储结构中的源—储剩余压差的形成和演化特征如何?源—储剩余压差的形成和演化与油气充注期的匹配关系?源—储剩余压差对致密储层油气充注的作用过程和作用机制等都需要进一步开展研究。(3)致密储层油气有效充注的孔喉下限储层油气充注物性下限是指排烃期油气由烃源岩向储层充注过程中,在特定的流体动力条件下,油气进入储层必须满足的物性下限标准。虽然前人对有效储层物性下限研究较多,但对油气充注物性下限还缺乏系统的研究。对于致密储层,油气充注物性下限更多地反映在油气充注的孔喉下限上。孔喉大小、孔隙与孔喉之间的连通性对油气的充注具有重要的影响。因此,致密储层油气有效充注的孔喉下限是致密储层油气成藏的一个重要参数,但是长期以来,对低渗透致密储层油气充注下限的取值,许多学者的认识尚不统一[99~102]。油气由烃源岩向致密储层有效充注的孔喉下限是储层孔喉大小、孔隙和孔喉之间的连通性、充注动力和油气的物理性质(密度和黏度)几个方面耦合作用的结果,需要通过地质、地化和测井等方面的研究,探讨储层孔隙度演化史、成岩史和油气充注期,通过统计分析和各类模拟实验,综合研究储层孔隙—孔喉特征、充注动力和原油物性对油气由烃源岩向致密储层有效充注的孔喉下限的耦合控制作用及其充注机理。3.2关于非线性渗流机理的研究中存在的问题总体来说,流体在致密储层中的低速流动具有非线性特征已成为共识,许多学者一直在探索启动压力梯度的机理和非达西渗流的影响因素,并从孔隙结构、孔隙结构与流体之间的相互作用和流体性质3个方面来分析低速非线性渗流机理,但至今仍存在很多分歧,没有形成统一的认识。此外,目前对非线性渗流机理的研究绝大多数都基于岩芯渗流实验,而岩芯渗流实验结果仍然是岩芯中流体流动的统计平均,是反映岩芯孔隙结构、岩石矿物组成及表面性质、流体性质等综合因素的宏观结果。在这种实验中观察到的渗流规律,不能反映致密储层微米—纳米级孔喉网络系统油气运移的渗流特征及其影响因素,难以刻画致密储层油气运移的微观特征和渗流机理,必须借助微米—纳米级孔隙结构尺度下的研究技术和方法,开展微米—纳米级孔隙尺度下油气运移和聚集的模拟实验研究,综合研究成藏条件下,油气在微米—纳米级孔隙微尺度下的非线性渗流特征和渗流机理,探讨孔隙结构、流体性质和固液作用对油气非达西渗流的影响。3.3致密储层油气聚合反应机理微米—纳米级孔隙和孔喉网络系统导致致密储层油气具有复杂的赋存形式和状态,而油气赋存形式和状态的差异性,对油气的运移和聚集动力学过程和特征以及油(气)水分布具有非常重要的影响,对油气勘探和开发及致密油气的资源评价至关重要。目前的研究只是根据致密储层孔隙特征和表面物理化学理论认识到致密储层中油气的赋存状态,并应用基于高分辨率纳米CT扫描系统与FIB扫描电镜的方法,从静态的角度观察到游离油的存在[103~109],但是对不同级别孔喉系统的致密储层中油气的赋存状态、赋存特征及其影响因素,运移动力与赋存状态