致密砂岩气成藏机理研究

致密砂岩气成藏机理研究

在美国的天然气政策中，砂岩气的最原始定义可以追溯到1978年。美国天然气政策法将其定义为砂岩储层的天然气渗透性低于或大于0.1.10-3m2的天然气矿床。如今,已发现的致密砂岩气储量十分丰富。世界上利用现有勘探开发手段可开采的致密砂岩气储量为(10.5~24.0)×1012m3,居非常规气之首。据统计,全球已发现或推测有致密砂岩气的70多个盆地,主要分布在北美、欧洲和亚太地区,最具代表性的有美国圣胡安盆地、加拿大阿尔伯达盆地。我国致密砂岩气藏分布广泛,类型多样,在四川、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔南部和东海等区域皆有分布。因此,为了更好地勘探开发我国的致密砂岩气藏,有必要通过对比国内外致密砂岩气藏的差异,深入研究我国致密砂岩气藏成藏的特殊性。1致密砂岩气藏致密砂岩气又称致密气,通常是指低渗—特低渗砂岩储层中无自然产能,须通过大规模压裂或特殊采气工艺技术才能产出具有经济价值的天然气。致密砂岩气藏大多分布在盆地中心或盆地的构造深部,呈大面积连续分布,是连续型气藏的一种重要类型。从岩石物理特性来定义致密砂岩气藏,即为低孔隙度(<12%)、低渗透率(<0.1×10-3μm2)、低含气饱和度(<60%)、高含水饱和度(>40%)及在砂岩层中天然气流动较为缓慢的气藏。2储层孔渗特征分类目前,根据研究方向的不同,致密砂岩气藏有多种分类方式。本文总结了其中应用较为普遍的3种分类方式:1)根据储层孔渗特征分类;2)根据成藏与构造演化关系分类;3)根据烃源岩生排烃高峰期,天然气充注与储层致密化的先后关系分类。2.1气藏和致密气藏美国能源部根据渗透率把致密砂岩气藏划分为:一般性气藏(渗透率大于1×10-3μm2);近致密气藏(渗透率介于0.1×10-3~1×10-3μm2);标准致密气藏(渗透率介于0.05×10-3~0.1×10-3μm2);极致密气藏(渗透率介于0.001×10-3~0.05×10-3μm2);超致密气藏(渗透率介于0.0001×10-3~0.001×10-3μm2)。2.2储层致密化气藏成藏过程综合前人研究成果及国内外勘探开发实际,根据致密砂岩气藏成藏过程与盆地构造演化的关系及其不同的成藏规律,董晓霞等将致密砂岩气藏分为“改造型”和“原生型”2类。“改造型”致密砂岩气藏,其储层致密化与源岩生排烃高峰期天然气充注的时间并无固定的先后之分。不同的时间先后关系,其成藏过程也有所区别:1)储层后期致密,即储层对早期的天然气聚集起锁闭作用,而晚期构造作用所形成的构造裂缝则对气藏起到活化作用;2)储层先期致密,致密气藏的成藏过程主要受晚期构造作用形成的裂缝系统所控制,致密储层的储渗能力也因此得到很大改善。此类致密气藏与常规气藏有着基本一致的形成机理,但后期改造作用对其影响很大,因此成藏多受构造演化控制。“原生型”致密砂岩气藏以储层与源岩紧密相连、“上倾方向气水关系倒置,下倾方向无底水”为特征。其储层致密化过程是在烃源岩生排烃高峰期天然气充注之前。“原生型”致密砂岩气藏一般发育在深部凹陷、向斜中心或构造斜坡等部位,成藏不受构造圈闭控制,微弱的构造作用有利于成藏。2.3储层后致密气藏成藏机理姜振学等根据储层致密化与天然气充注的先后关系将致密砂岩气藏分为2种类型,即储层先期致密型(“先成型”)及储层后期致密型(“后成型”)。“先成型”致密气藏的储层致密化过程发生在源岩生排烃高峰期天然气充注之前,并要求孔隙度小于12%,渗透率小于1×10-3μm2。而“后成型”致密气藏则以储层后致密为特征。“先成型”致密气藏即前面论述的“原生型”致密砂岩气藏,其成藏过程要求“源藏伴生、源储一体”,“源储”距离越近越好,直接接触或两者互层对此类致密气藏的形成最为有利。受成藏机理影响,该类气藏中的流体呈气水倒置关系,气藏无明显的底水和边水。“后成型”致密气藏储层致密化是后成的,后期成岩演化或构造挤压使原先并不致密的储层变得致密,其聚集位置与源岩既可以是近源也可以是远源。该类气藏气水分布与常规天然气藏相似,服从重力分异原理,呈上气下水分布。3不同成藏阶段多位学者都对“先成型”致密砂岩气藏的成藏机理进行过研究。庞雄奇等提出了具体形成机理,即力学平衡和物质平衡。力学平衡:供气热膨胀力+气体浮力=毛细管力+静水压力;物质平衡:深盆气藏储集气量=源岩供给气量-盖层散失气量-气水边界散失气量。姜福杰等通过实验模拟,按照出气孔出水速率的变化特征将成藏过程划分为3个阶段:1)充注前期,即能量积累阶段。此阶段为注气的初始阶段,此时的天然气无法进入致密砂体的孔隙内,只有当注入量达到一定程度,充注能量积累到足以突破毛细管阻力作用时,天然气才开始充注。2)充注期,即成藏充注主阶段。在此阶段,由于气体的膨胀力排驱孔隙水的作用,天然气在致密砂体内呈指状向上运移。低渗砂体与“相对高渗砂体”的逐渐连通使出水速率明显增加。低渗砂体内的气柱会随着出水速率的增加迅速萎缩并与“相对高渗砂体”分离,最终形成稳定的天然气分布范围。3)充注后期,即气藏保存阶段。在此阶段,天然气分布范围保持稳定,游离相的天然气直接从出水孔喷出,但并不出水,最终使整个致密砂体内形成统一的天然气聚集。“后成型”致密气藏在致密化前后都具有天然气运移和聚集的条件,但大规模运移、聚集一般发生在储层致密化之前。由于成岩早期储层物性相对较好,天然气的聚集分异与常规气藏的成藏模式相同,并且此时气藏的生、储、盖组合及气水分布特征均与常规气藏相似。该类储层的聚集关键时期是生烃高峰到储层致密化的阶段。在此阶段,成岩作用或构造作用的影响很大,受此影响孔隙格架被压缩,孔隙中的天然气逐渐被排出。随着地层压力不断升高,储层致密化超过致密化边界,大规模的天然气运聚过程将停止。在晚期构造运动相对强烈的地区,气藏还将经历晚期重新分配、调整、富集的复式成藏过程,故可将上述的成藏过程划为3个阶段:1)原生常规储层阶段。此阶段储层物性良好,源岩生排烃处于高峰期,并按照常规气藏的聚集原理富集,形成以常规背斜构造圈闭为主的气藏。2)储层致密化阶段。此阶段生排烃高峰期结束,在成岩作用或构造挤压作用下,储层逐渐致密化,无大规模气体运移,在没有断裂系统直接参与的情况下,原生气藏一般不会经历太大的改造。但是,若晚期构造活动强烈,则气藏将经历很严重的后期改造,甚至遭受破坏。3)复式成藏阶段。现今的天然气分布和圈闭特征就取决于此阶段,多形成构造与非构造、早期与晚期等多因素交错叠加、复合形式成藏的局面。2种类型致密砂岩气藏的模式如图1所示。4气藏类型及气藏特点致密砂岩气藏地质特征复杂,研究这些特征有助于深入了解该类气藏。由于“后成型”致密砂岩气藏在很大程度上与常规气藏有相似的成藏特征,所以下述气藏特征主要针对“先成型”致密砂岩气藏。4.1烃源岩地层类型及油气藏形成的基础致密砂岩气藏的烃源岩具有多样性,其气源岩可分别是海陆相暗色泥页岩、煤层、碳酸盐岩或它们的组合。从已知大型致密砂岩气区来看,烃源岩多为腐殖型泥岩或煤系地层,以生气为主。天然气藏形成的基础是良好的气源条件。“先成型”气藏的源岩具有厚度较大、有机质含量高、分布广泛、以Ⅲ型干酪根为主、演化程度高等特征,并要求生排烃高峰出现的时代较晚并持续较长时间。4.2致密砂岩储层成分成熟度和结构成熟度低是低渗—致密储层的一大特点,主要表现在长石和岩屑含量较高,多为长石砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑砂岩,少见石英砂岩。颗粒大小混杂,分选性、磨圆度较差,泥质含量高。因此,沉积物易发生压实作用,储层物性较差。致密砂岩气主要存在于低渗、特低渗砂岩储层中,以低孔、低渗为特征。目前国内外对该储层有多种划分标准,就国内而言,袁政文、关德师、邹才能等均先后提出了划分标准,但总体来看致密砂岩储层主要以低的孔隙度、渗透率、孔喉半径和含气饱和度为衡量标准,储层非均质性较强,含水饱和度较高。在特殊条件下,如含水饱和度较高时储层相对渗透率非常低,可具有盖层的性质。致密砂岩由于沉积、成岩、胶结等复合作用,孔隙度、渗透率极低,但粒内、粒间溶孔及构造裂缝、断层的发育改善了储层的渗透能力。张哨楠从孔隙度、渗透率、孔隙类型、成岩作用等多方面总结了致密砂岩储层的特点,并与常规砂岩储层进行了系统对比。相对于常规砂岩储层,致密砂岩储层的物性较差,并且含有较多的自生黏土矿物及较高的毛管压力,埋藏深度较深,成岩历史复杂。4.3顶、底封盖充填盖层对天然气的形成和保存均具有重要作用,一般来说需要大范围分布的致密页岩或泥岩作为盖层。对于致密砂岩气藏,则需要更好的顶、底封盖条件。常规大范围分布的致密页岩或泥岩,或储层中气水界面处的力平衡界面,以及“水阻效应”形成水封都可以成为致密砂岩气藏的顶部封盖条件;而底部封隔层可以是储层底部的非渗透层,储层下伏源岩层,或由储层自身压实作用实现封隔。4.4动态圈闭类型对于致密砂岩储层,力平衡界面是这类圈闭的最大边界。生烃补给与散失平衡的动态圈闭是其主要的圈闭类型,圈闭内部的一些相对高孔高渗砂体可以形成岩性、成岩、裂缝圈闭等圈闭类型。因此,气藏的圈闭界限不明显,可以形成大面积连续含气气藏。4.5致密砂岩气藏二次运移规律根据致密砂岩气藏的成藏机理,气藏的形成依赖于活塞式的气水排驱作用。直接推移式的驱替作用导致天然气发生初次运移或短距离的二次运移。天然气被排驱出源岩后,开始就近聚集,这使得该类气藏具有聚集位置与其源岩直接接触的特点。致密砂岩气藏的储层与源岩的物性近乎相同,故其二次运移具有和初次运移基本相同的条件。致密气藏的主要运移动力为压实作用和气体生烃膨胀力;主要阻力为气水之间的毛细管力和气藏上覆的地层水柱压力。致密气运移以游离气相为主要相态,无优势运移通道,以整体排驱水运移方式为主。油气运聚以扩散作用为主要机制,向上倾方向运移。浮力作用受限,油气渗流以非达西流为主。4.6地震地质条件简单的气藏构造,无断裂、裂缝系统,微弱的水动力条件,较晚的源岩生排烃高峰期,以及地层平缓、储层面积广等有利条件致使致密气藏易被保存。而构造应力的分布也是影响致密砂岩气藏保存的重要条件,应力屏蔽区的地层最为有利;反之,应力集中区则多发育断裂、裂缝系统,不利于气藏的保存。另外,较强的水动力条件也不利于致密砂岩气藏的保存。4.7致密砂岩气藏成藏模式与常规气藏不同,致密砂岩气藏主要依靠界面阻力封堵气体成藏,所以地层越致密越有利于成藏。根据致密砂岩气藏的构造背景及形态特征,其成藏模式可分为:1)构造斜坡分布成藏;2)凹陷中心对称分布成藏;3)前陆侧缘斜坡分布成藏。由于致密砂岩气藏源岩可以同时为储层或封隔层,故其成藏主要以“自生自储”为主、多阶段成藏为特征。4.8有利区储层倾角致密砂岩气藏独特的成藏机理使其分布不受构造带控制。由于没有明显的储层和圈闭界限,“自生自储”,所以其分布范围较广,斜坡带、坳陷区均可成为有利区。但是,目前国内外发现的气藏储层倾角都较小(一般不超过15°),它不仅可以储气,还可以作为气体散失的遮挡层。姜福杰等根据国内外致密砂岩气藏的综合调研,画出了典型盆地致密气藏剖面示意图,图2以加拿大阿尔伯达盆地和中国鄂尔多斯盆地为例揭示了致密砂岩气藏的分布特征。5我国致密砂岩气藏气藏研究中面临的问题目前,国外大多从致密气的概念及致密气藏的特征2个方面来进行致密砂岩气藏的研究与勘探:1)致密气的概念,以加拿大阿尔伯达盆地为代表;2)致密气藏的特征,以美国西部盆地为代表。然而,在致密砂岩气藏成藏机理和成藏模式方面仍存在较大争议。我国对致密气藏的研究起步晚,尚处于初级阶段,有很大的发展空间。由于我国大多数盆地的地质条件比较复杂,致密砂岩气藏在我国各种复杂的地质结构中均有分布,如造山带、前陆盆地、断陷盆地等,并且类型多样。构造活动强烈、圈闭隐蔽、成藏复杂、气藏形态不规则等导致我国致密砂岩气藏勘探难度大,故在其勘探开采过程中需要更大的改进与创新。近年来,我国在致密砂岩气藏的研究和开采过程中遇到了诸多的难题和挑战,但在一些地区也取得了显著进展,例如在鄂尔多斯盆地上古生界取得了突破。致密砂岩气藏的研究越来越受到政府和研究机构的关注,并且已成为我国能源结构中不可或缺的重要组成部分。6致密砂岩气藏成矿机理1)致密砂岩气藏属于连续型气藏的一种,致密砂岩气藏可根据储层孔渗特征、成藏与构造演化关系、储层致密化与源岩生排烃