致密砂岩气藏成藏条件及成藏特征对比分析

致密砂岩气藏成藏条件及成藏特征对比分析

致密砂岩储层是指孔度低（12%），渗透率低（0.110-32m），含气度低（60%），含水度高（40%），天然气流动缓慢的砂岩层天然气储层。致密砂岩气藏几乎存在于所有的含油气区,最早于1927年发现于美国的圣胡安盆地,1976年在加拿大阿尔伯达盆地西部深坳陷区北部发现了大型的埃尔姆沃斯致密砂岩气田。我国自1971年发现川西中坝气田之后,也逐步系统地开始了对致密砂岩含气领域的研究。由于北美地区发现的致密砂岩气藏大多分布在盆地中心或盆地构造的深部,1979年Masters提出了深盆气藏的概念。20世纪80年代以后Walls等提出“致密砂岩气藏”概念,之后又提出过“盆地中心气藏”、“连续型气藏”、“根缘气”等针对深盆气藏性质的概念。致密砂岩气储量巨大,据估算,目前世界上现今技术可开采的致密砂岩气储量为(10.5~24)×1012m3,居非常规天然气之首。据统计,全球已发现或推测发育致密砂岩气的盆地有70个,主要分布在北美、欧洲和亚太地区。目前国外所开发的大型致密砂岩气藏主要以深盆气藏为主,主要集中在加拿大西部和美国西部。我国致密砂岩气藏分布领域广泛,类型多样,不只局限于深盆气藏,在四川、鄂尔多斯、吐哈、松辽、准噶尔南部、塔西南、楚雄和东海等盆地和地区皆有分布,是21世纪最有希望而又最现实的重要天然气勘探领域。总结对比国内外致密砂岩气藏的成藏特征,分析我国致密砂岩气藏的成藏特殊性,对我国勘探开发致密砂岩气藏具有一定的理论与现实意义。1致密砂岩气藏类型及其成因与常规天然气藏相比,致密砂岩气藏具有以下重要特征:①低孔渗性——国外埃尔金斯(Elkins)方法界定致密层的物性条件是孔隙度小于10%、渗透率小于0.1×10-3μm2,国内一般将致密砂岩气的储层物性条件界定为孔隙度小于10%、渗透率小于0.5×10-3μm2,赵澄林等根据我国各气田致密砂岩储层特征,将其进一步划分为好(致密)、中(很致密)、差(超致密)3类;②常具地层压力异常——只要气体逃逸速度低于生排烃速度,原生致密砂岩气藏都属超高压,由于盆地后期抬升运动,气藏会逐步变为常压或负压;③气水关系复杂——油、气、水的重力分异不明显,在毯状致密砂层中气和水呈明显的倒置关系,在透镜体状致密砂岩含气层系中一般无明显的水层,致密气藏一般不出现分离的气水接触面,产水不大,含水饱和度高(大于40%);④深层浅层成藏关系密切——在致密化程度高而晚期构造相对活动地区,高丰度超压天然气侧向运移困难,势必寻求垂向突破,产生烟囱作用,天然气通过断层或裂缝组系,向上运移至浅部物性较好的储层或裂缝系统中形成次生气藏。综合前人研究成果及国内外致密砂岩气勘探开发实际,再依据致密砂岩成藏与构造演化关系特征及其不同成藏规律,本文将致密砂岩气藏划分为2种类型:(1)“改造型”致密砂岩气藏。储层致密化既可发生在源岩生排烃高峰期天然气充注之前,也可发生在天然气充注之后。若储层后期致密,则对早期天然气聚集起着锁闭作用,晚期构造作用形成裂缝使气藏得到活化,以川西上三叠统须家河组(T3x)超致密化、晚期裂缝重组气藏为典型代表;若储层先期致密,则油气成藏主要依赖于晚期构造作用所形成的裂缝系统,以改善致密储层储渗能力,如川西侏罗系红层“次生”气藏(以新场气田为典型代表)、川南受构造复合叠加控制的上三叠统须家河组气藏(以官渡气田为典型代表),皆属于这种情况。该类气藏的形成机理基本与常规天然气藏一样,但受后期改造作用影响大,成藏多受构造演化控制(图1)。(2)“原生型”深盆气藏。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。深盆气藏是一种机理类型,可定义为致密储层中与源岩紧密相连存在的气水倒置关系气藏。与一般致密砂岩气藏相比,其具以下特征(图1):①有利构造位置为深部凹陷、向斜中心或构造斜坡;②含气储层段与气源相接、相连或互相包容,气源岩主要为煤系地层,气源丰富;③储盖一体,致密储层普遍含气;④上倾方向气水关系倒置,下倾方向无底水。深盆气成藏不受构造圈闭控制,微弱的构造作用是成藏有利条件,北美地区发现的致密砂岩气皆属于此类,如美国圣胡安盆地布兰科气田和加拿大阿尔伯达盆地西部的埃尔姆沃斯、牛奶河、霍得利气田。我国对深盆气藏的勘探和认识滞后于国外,目前还处于初期阶段,且我国深盆气成藏条件与国外存在较大差异,虽然我国深盆气藏有利分布区域广泛,但主要在鄂尔多斯盆地上古生界取得较大突破。2典型致密砂岩气藏结构特征2.1下白垩统地层和深盆气藏储层阿尔伯达盆地位于落基山东侧,内部构造格局简单,为一巨大的西倾单斜构造,地层厚度由西向东呈楔形急剧减薄,中生界厚度达4600m。深盆气藏主要分布于盆地西部最深坳陷的深盆区,在其中发现了20多个产气层段,含气面积62160km2。阿尔伯达深盆气藏有以下几个特殊成藏条件:(1)气源供应充足。深盆气藏烃源岩主要为上白垩统海相页岩和下白垩统海陆交互相含煤层系。有机质含量丰富,是理想的气源岩。其中下白垩统煤层及含煤层系平均有机碳含量可达10%,为盆地主要生烃岩系。盆地西北部的艾尔姆华士气田在下白垩统地层中存储有约1640×108t的煤炭资源,测算煤层气资源量达2830×108m3。(2)储层致密。深盆气藏储层包括了整套中生代地层,主要是白垩系致密砂岩层系。储层物性在其上倾方向的斜坡区较好,向下倾方向的深盆区变差,孔隙度降低至小于10%,渗透率减弱到低于0.5×10-3μm2。储层大面积饱含气,局部发育高孔、高渗砂岩发育带,即甜点。(3)气水分布关系倒置。气水分布关系服从储层的构造控制,在构造下倾方向上,储层物性较差,为饱含气;在构造上倾方向上,储层物性逐渐变好,但饱含水。气层段和水层段之间没有岩性或构造阻隔,仅表现为气、水含量百分比的逐渐过渡。气水过渡带的平面宽度在10m左右,深度范围一般在760~1370m之间。(4)地层流体压力异常。在地层的压力-深度曲线上表现出2个主要的压力系统,一个是正常压力系统,主要与常规气藏对应;另一个是异常低压系统,主要与深盆气藏对应。白垩纪地层中天然气可采层段地层压力表现为异常低压。2.2盆地内部分布美国落基山地区西侧以逆掩断层带开始,向北与加拿大阿尔伯达盆地西侧逆掩带对应,向东、向南依次散布着20多个盆地。沉积地层总厚度由西向东递次减薄,在各盆地内部也有楔形特点。落基山地区盆地内部的深盆气藏集中出现于盆地向斜中心、构造凹陷或可延伸至盆地斜坡带下倾部位,深盆气藏储气层段以透镜状致密砂岩为共同特征,一般为多层同时饱含天然气,埋藏深度一般在1500m以下。(1)致密储层的垂向发育特点从已发现的深盆气藏看,煤系地层的分布对深盆气藏致密储层的供气过程具有重要作用,其生烃过程具有层位多、气源近、面积广、时间长等特点,其最大厚度分布区与深盆气藏发育区在平面上吻合,垂向上互层。(2)层气藏储层的孔隙度一般介于7%~15%之间,渗透率通常为(0.13~1.5)×10-3μm2,以低孔、低渗的透镜状砂岩体为基本特征。(3)气水耦合压力系统明显的气水倒置关系。在深盆气藏储层中,饱含气带和饱含水带之间没有明确的岩性、地层或构造遮挡,但气、水之间却形成了较为稳定的渐变关系,由气水倒置关系存在而产生的结果是在气藏区内形成2套流体压力系统,上部的含水段为正常流体压力系统,下部的饱含气段则以高异常地层压力或低异常地层压力为主,表现为较复杂的气藏分布特征和压力系统。2.3前地层及深盆气地区中国致密砂岩含气领域虽广阔,但类似北美“深盆气”的目前只在鄂尔多斯盆地有发现。Law把鄂尔多斯盆地列为确定性高的深盆气地区。鄂尔多斯盆地构造简单稳定,主体为一个大的东高西低平缓斜坡,盆地主体几乎无断层,局部构造也不发育。(1)烃源岩与砂岩相结合鄂尔多斯盆地上古生界有效源岩层包括石炭系本溪组、太原组和二叠系山西组3套海陆过渡相含煤岩系,其中煤、暗色泥岩是主要烃源岩,总体表现为在盆地内呈广覆型展布,东西两缘厚而中央隆起带相对薄的特点,区内源岩与砂岩多为互层。(2)下石进行砂胶岩盆地上古生界砂体较发育,二叠系山西组和下石盒子组砂岩最发育,物性较差,孔隙度平均值小于8%;渗透率小于1×10-3μm2,是典型的低孔、低渗致密储层。(3)地上古生界深盆气成藏条件鄂尔多斯盆地中部地区上古生界储层普遍含气,北部构造高部位为“水区”,反映深盆气藏的“气水倒置”特征。鄂尔多斯盆地上古生界深盆气藏现今整体表现为负压异常,且压力分割性较强。许多学者对鄂尔多斯盆地上古生界深盆气成藏条件、特征等做过研究。与北美地区典型深盆气藏有所区别的是,鄂尔多斯盆地上古生界在储层先期致密化后形成了原生深盆气藏,之后由于盆地抬升遭受剥蚀经历了深盆气藏的改造,但由于没有形成大的断裂活动,因此也就没有对深盆气的保存条件产生太大的影响。2.4四川盆地西部山区的中生代相致密砂岩[13、24、25、26、27、28和29](1)西现代盆地公园内透气性四川盆地西部T3x烃源丰富,据计算,川西坳陷须家河组生气总量达(270~432)×1014m3,在坳陷主体部位生气强度高达100×1014m3/km2。(2)致密-超致密砂岩储层中生界储层主要发育于上三叠统须家河组及侏罗系。储层总体上表现低孔渗、高含水饱和度,非均质性较强,为致密-超致密砂岩储层。储集空间主要为次生溶蚀孔、剩余粒间微孔和普遍发育的微裂缝;生储互层之间排烃条件良好,断裂及裂缝网络是有利天然气运移通道,各种类型圈闭甚多。(3)超致密化阶段盆地内油气气藏类型有关川西坳陷中生界陆相致密砂岩成藏问题,许多学者都进行过研究,形成的认识多样,总体可归结为“早常规,晚改造”的复式成藏模式,属于“改造型”致密砂岩气藏。王金琪“早聚晚藏”观点认为,川西坳陷在储层致密化前,油气向古隆起和其他圈闭聚集,储层进入一般致密化阶段后,在盆地中心形成大面积含气区,超致密化把早期聚集的油气封固起来,喜马拉雅期隆升、褶皱,断层、裂缝发育,出现晚期成藏高潮,形成了一类为T3x裂缝重组气藏,一类为红层(J)远源次生气藏。杨克明在此基础之上提出“早聚、中封、晚活化”理论,认为早期“古构造”是天然气聚集的基础,中期“致密化封存”是天然气保存的条件,晚期“裂缝活化”是天然气富集的关键。2.5储层致密化和深盆气藏成藏机理“改造型”致密砂岩气藏与“原生型”深盆气藏,在成藏条件、成藏特征及成藏机理上,均存在明显差异(表1)。深盆气藏是发育在构造下倾方向或下部层位,气源岩与致密储层邻接的天然气聚集。构造下倾方向或下部层位储层致密,在不要求常规的构造圈闭、岩性圈闭或其他因素圈闭遮挡情况下饱含天然气;剖面上呈现出底部供气源岩带、中部致密储层饱含气带和气水过渡带以及上部常规储层含水带组合。该类气藏成藏机理特征为:在孔隙介质条件的流体动力平衡条件控制下,源岩与致密储层之间的紧密结合决定了天然气的短距离运移特征,形成了天然气对地层水的活塞式整体排驱效果,生、储、盖之间一体化的亲密组合关系导致了致密储层中气水倒置现象的产生,致密储层中的气水排替作用受控于“源储相通、储盖不分”的成藏条件。Gies和Masters认为深盆气藏是一种动态圈闭,它实际上不存在封堵条件,只是气体不断散失和持续补给的动平衡结果。庞雄奇等将深盆气成藏机理总结为力学平衡(供气热膨胀力+气体浮力=毛细管力+静水压力)和物质平衡(深盆气藏赋集气量=源岩供给气量-盖层散失气量-气水边界散失气量)2种机理;通过力学平衡可以确定深盆气藏最小埋藏深度,通过物质平衡可以确定深盆气藏的圈闭范围。“改造型”致砂岩密气藏,储层致密化前后都有天然气运移和聚集的条件。气藏聚集早期符合常规气成藏机理,以常规气藏的成藏模式聚集分异,具备正常的生、储、盖组合和气水分布特征。储层后期致密型:源岩大量生排气后,储层在成岩作用或构造挤压作用下逐渐致密化,随着孔隙逐渐减小,储层中的天然气逐渐被排出孔隙中,圈闭中气体的容积逐渐变小,但同时超致密化也把大部分早期聚集的油气封固起来。晚期受强烈构造运动的影响,发育大量的断裂、裂缝系统,对原有天然气聚集进行改造,重新分配、调整,在原地调整成藏或通过气源断裂输导向上形成次生气藏,成藏表现为改造型复式成藏特征。储层先期致密型:成藏较晚,晚期伴随强烈构造运动发育的裂缝系统,极大地改善储层储渗能力,新的孔缝系统为天然气的聚集提供良好的空间。3国内关于深盆气藏和致密砂岩气藏成藏地质意义(1)目前国外致密砂岩气藏研究及勘探侧重点在“原生型”深盆气藏,对其理解存在2个基本方面:一是以阿尔伯达为代表的深盆气概念,其在表现方式上更典型化;二是以美国西部盆地为蓝本的深盆气藏特征,在存在形式上更普遍化。二者均是深盆气成藏研究和勘探分析的标准和模板。但对深盆气藏的成藏机理及成藏模式的理解认识还存在较大争议,有待全面深入化。(2)我国深盆气藏研究起步较晚,目前总体上还处于初期阶段,多采用地质类比分析方法。但我国盆地的实际地质条件与北美地区存在较大差异,故在实践中常缺乏进一步深入的依据。近年来我国深盆气藏勘探在鄂尔多斯盆地上古生界取得突破,但在深盆气成藏理论和勘探技术方面仍存在许多急需改进的问题。深入分析深盆气