于興河，李順利，楊志浩

專家論壇

致密砂巖氣儲(chǔ)層的沉積-成巖成因機(jī)理探討與熱點(diǎn)問題

于興河，李順利，楊志浩

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083）

致密砂巖氣與頁(yè)巖氣是當(dāng)前非常規(guī)天然氣中的兩大主力勘探領(lǐng)域，均為今后10～20年接替常規(guī)油氣資源的重要來源。無論從對(duì)其地質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，還是從其勘探開發(fā)的技術(shù)上講，在未來10年里致密砂巖氣比頁(yè)巖氣更為現(xiàn)實(shí)。然而，有利儲(chǔ)集空間的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)已成為當(dāng)前致密砂巖油氣勘探與開發(fā)的主要瓶頸，而解決這一問題的核心就是要首先厘清其儲(chǔ)層的沉積與成巖成因。從我國(guó)典型致密砂巖氣田的研究與國(guó)外資料的分析可以發(fā)現(xiàn)，其沉積時(shí)通常具有水動(dòng)力弱而穩(wěn)定、沉積速率相對(duì)較為緩慢、多為過渡相環(huán)境或三角洲沉積產(chǎn)物的特征，多發(fā)育在與煤系有關(guān)的（薄互層）地層之中，這些因素是形成致密砂巖的必要條件；早成巖期的持續(xù)壓實(shí)是其致密最主要的過程，而盆地的多旋回構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所造成的低地溫梯度下的復(fù)雜埋藏史是促使其致密的充分條件。因而，多旋回的前新生界低溫沉積盆地中的異常壓力區(qū)通常是尋找致密砂巖氣的有利區(qū)域，而三角洲前緣的薄互層含煤層系砂巖則是其主要的勘探開發(fā)層位。在儲(chǔ)層的尋找與評(píng)價(jià)上應(yīng)重視致密砂巖儲(chǔ)層的非均質(zhì)特點(diǎn)，大力研究其微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化對(duì)滲透率的影響，應(yīng)用“滲透率盲區(qū)”與異常壓力數(shù)據(jù)來輔助評(píng)價(jià)其產(chǎn)層的優(yōu)劣，并依此觀點(diǎn)提出了我國(guó)致密砂巖氣今后加強(qiáng)研究與勘探開發(fā)的六大戰(zhàn)略選區(qū)。

致密砂巖儲(chǔ)層；沉積環(huán)境；成巖作用；儲(chǔ)層評(píng)價(jià)；勘探選區(qū)

0　引言

在當(dāng)前非常規(guī)油氣發(fā)展如火如荼的年代，致密砂巖氣作為其中重要的組成部分，已成為今后10～20年接替常規(guī)油氣資源最重要的來源。2007年世界石油委員會(huì)報(bào)告中預(yù)測(cè)致密砂巖氣資源量約為114萬億m3，約占全球非常規(guī)資源量的70%［1］。美國(guó)致密砂巖氣開采始于20世紀(jì)70年代，截至2013年美國(guó)已在23個(gè)盆地中發(fā)現(xiàn)了900多個(gè)致密砂巖氣田，可采資源量為13萬億m3，可采儲(chǔ)量為5萬億m3，生產(chǎn)井超過10萬口［2］。自2008年以來，美國(guó)致密砂巖氣的產(chǎn)量已連續(xù)數(shù)年在1 700億m3左右，約占其天然氣總產(chǎn)量的30%，實(shí)現(xiàn)了其天然氣自給與出口。我國(guó)是繼美國(guó)之后實(shí)現(xiàn)致密砂巖氣較大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的國(guó)家之一，2013年致密砂巖氣產(chǎn)量已占全國(guó)天然氣總產(chǎn)量的三分之一以上，年產(chǎn)量超過300億m3，技術(shù)可采資源量為8.8～12.1萬億m3，展現(xiàn)出了很大的潛力。未來我國(guó)每年新增探明天然氣儲(chǔ)量中，致密砂巖氣將占40%以上。

然而，隨著對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)程度的不斷提高，其概念也在不斷地得到發(fā)展和完善。簡(jiǎn)而言之，致密砂巖儲(chǔ)層通常是指孔隙喉道狹窄、連通性差及滲透率極低的巖層［3］，因而致密砂巖油氣主要是指依靠常規(guī)開發(fā)技術(shù)難以開采，需通過大規(guī)模壓裂或特殊采油/氣工藝技術(shù)才能產(chǎn)出的具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的油氣。當(dāng)前，致密砂巖氣勘探與開發(fā)面臨諸多亟待解決的問題，歸納起來可分為4個(gè)方面：①儲(chǔ)層致密的成因機(jī)制與成藏機(jī)理認(rèn)識(shí)不清；②資源評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法不明；③滲流模型存在諸多不解現(xiàn)象；④針對(duì)性的開發(fā)技術(shù)與策略不定。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)與空間分布的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)業(yè)已成為當(dāng)前勘探與開發(fā)的主要瓶頸，筆者認(rèn)為其核心是致密砂巖儲(chǔ)層的沉積與成巖成因，在認(rèn)識(shí)上仍存在較多值得商榷與討論的問題，理清這些認(rèn)識(shí)對(duì)今后致密砂巖油氣的勘探和開發(fā)均具有重要意義。

1　致密砂巖儲(chǔ)層研究現(xiàn)狀

1.1致密成因的一般性認(rèn)識(shí)

在常規(guī)砂巖儲(chǔ)層中，有效孔隙度通常只比總孔隙度略低。然而，對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層而言，強(qiáng)烈的成巖作用導(dǎo)致有效孔隙度比總孔隙度要低很多［4］。這是由于致密砂巖的成巖作用改變了原生孔隙結(jié)構(gòu)并減小了平均孔喉直徑，從而造成孔喉彎曲度與孤立孔隙或不連通孔隙數(shù)目的增加，致使巖石中微觀孔隙類型變得更加復(fù)雜。砂巖儲(chǔ)層的致密是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，往往要受到很多因素的影響。

在2011年的SPE中東非常規(guī)油氣國(guó)際會(huì)議上，Shrivastava等［5］應(yīng)用傳統(tǒng)的思維直觀地闡述了致密砂巖的成因，并認(rèn)為造成致密的原因可以分為構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、沉積過程及成巖作用。沉積過程是控制原始孔隙的直接影響因素，也是形成低滲儲(chǔ)層的基本條件；成巖作用則是形成低孔、低滲的關(guān)鍵。早期的成巖作用與原始沉積環(huán)境及其沉積物密切相關(guān)，而后期的成巖作用則直接導(dǎo)致了儲(chǔ)層的致密或次生孔隙的形成；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在造成溫度和壓力變化的同時(shí)，對(duì)異常壓力區(qū)的形成、成巖階段以及改造裂縫高滲帶等方面產(chǎn)生了巨大的影響。由此可見，眾多地質(zhì)學(xué)家對(duì)砂巖致密的成因與有利儲(chǔ)層的發(fā)育仍舊是傳統(tǒng)的思維方式，還沒有更為新穎的認(rèn)識(shí)與觀點(diǎn)。然而，砂體最終能否成為有效的儲(chǔ)集體，關(guān)鍵是后期成巖作用對(duì)原生孔隙的改造，機(jī)械壓實(shí)作用是致密砂巖儲(chǔ)層形成的重要成巖作用之一［6］。以上的觀點(diǎn)可以說代表了當(dāng)前致密砂巖氣儲(chǔ)層成因的主要認(rèn)識(shí)。因此，對(duì)致密砂巖的沉積條件、埋藏史及成巖機(jī)理的正確認(rèn)識(shí)則成了評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)其有利儲(chǔ)層分布的科學(xué)依據(jù)與熱點(diǎn)問題。

1.2致密砂巖儲(chǔ)層分類

與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層相比，致密砂巖儲(chǔ)層具有特殊的特征，不同學(xué)者依據(jù)不同的劃分原則將致密砂巖儲(chǔ)層分為不同的類型。Spencer［7］根據(jù)儲(chǔ)層孔隙度的大小將致密儲(chǔ)層劃分為高孔隙度致密儲(chǔ)層和低孔隙度致密儲(chǔ)層，這種劃分與我國(guó)大多數(shù)學(xué)者劃分的高孔、低滲和低孔、低滲儲(chǔ)層沒有本質(zhì)性的差異。Soeder等［8］依據(jù)砂巖中填隙物的特征，將致密砂巖儲(chǔ)層劃分為3種類型：①由于自生黏土礦物沉淀造成的巖石孔隙堵塞而形成的致密砂巖儲(chǔ)層；②由于自生膠結(jié)物的堵塞而改變?cè)紫兜闹旅苌皫r儲(chǔ)層；③由于沉積時(shí)雜基充填原生孔隙的泥質(zhì)砂巖。由此可見，Soeder等主要是在強(qiáng)調(diào)填隙物的成因類型，而非不同成巖作用的程度和差異。筆者1997年在研究松遼盆地南部白堊系天然氣產(chǎn)層時(shí)曾提出，要在綜合考慮孔隙度、滲透性及喉道半徑的基礎(chǔ)上對(duì)低滲砂巖天然氣儲(chǔ)層進(jìn)行分類［9］。鄒才能等［10］從形成機(jī)理出發(fā)，將致密砂巖儲(chǔ)層分為原生沉積型和成巖改造型，又依據(jù)宏觀沉積背景進(jìn)一步將成巖改造型劃分為2種類型：①陸相成巖改造型，埋藏深度大，多已演化至中成巖到晚成巖階段；②海相成巖改造型，成巖壓實(shí)、碳酸鹽膠結(jié)及黏土發(fā)育造成儲(chǔ)層致密。關(guān)于原生沉積型致密砂巖儲(chǔ)層的成因還沒有更為詳細(xì)的解釋與實(shí)例報(bào)導(dǎo)。筆者認(rèn)為應(yīng)在此分類基礎(chǔ)上，按照不同成巖作用對(duì)致密儲(chǔ)層的貢獻(xiàn)程度將成巖改造型致密砂巖儲(chǔ)層分為：①膠結(jié)型致密砂巖儲(chǔ)層；②壓實(shí)型致密砂巖儲(chǔ)層；③其他成因類型。

2　致密砂巖儲(chǔ)層的地質(zhì)特征

致密砂巖儲(chǔ)層具有分布面積較廣、埋藏深度較大、成巖演化作用復(fù)雜、儲(chǔ)層物性差、非均質(zhì)性強(qiáng)及不完全受制于達(dá)西定律等特點(diǎn)，最主要的是單井產(chǎn)能一般較低，通常局部地區(qū)發(fā)育有“甜點(diǎn)”，利用常規(guī)技術(shù)難以進(jìn)行開發(fā)。與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層相比，致密砂巖氣儲(chǔ)層具有以下基本特征。①孔隙度與滲透率均較小，喉道小且改造頻繁，連通性差。一般來說，致密砂巖的孔隙度小于10%，滲透率小于0.1 mD［11-13］。②成巖后生作用強(qiáng)烈，次生孔隙占重要地位。致密砂巖通常具有沉積速度相對(duì)較慢、成巖過程長(zhǎng)的特點(diǎn)。由于成巖歷史長(zhǎng)且成巖序列復(fù)雜，往往壓實(shí)強(qiáng)烈，后生作用明顯，原始粒間孔隙減少較多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其次生孔隙約占總孔隙的30%～50%［14］。③束縛水飽和度較高且變化較大（45%～70%）。根據(jù)鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖儲(chǔ)層束縛水飽和度的分析，束縛水飽和度都在40%以上［15］，而Spencer［16］認(rèn)為致密砂巖儲(chǔ)層的束縛水飽和度為45%～70%。④砂體不發(fā)育，一般呈透鏡狀（主要是指“甜點(diǎn)”）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，透鏡體產(chǎn)層的氣占致密氣總儲(chǔ)量的43%［14］，這或許是由于透鏡狀砂體比薄互層狀砂體壓實(shí)率低及溶蝕作用強(qiáng)的原因。⑤非均質(zhì)程度高，巖性多樣且粒度偏細(xì)，自生黏土礦物含量較大，砂泥交互，酸敏明顯，驅(qū)油效果差，通常伴有裂縫（尤其是微裂縫），層控作用明顯。⑥地層壓力異常，變化不一，但毛管壓力一般較高。在潤(rùn)濕相飽和度達(dá)50%的情況下，通過壓汞法和高速離心法測(cè)得毛管壓力一般大于6.9 MPa［17］，氣水分布較為復(fù)雜（異常高壓和異常低壓均有可能）。

3　致密砂巖儲(chǔ)層的沉積成因機(jī)理

沉積環(huán)境不僅控制著儲(chǔ)層的宏觀特性，如儲(chǔ)層的厚度、規(guī)模及空間展布特征，還在微觀上決定了砂巖的粒度大小、分選、結(jié)構(gòu)及填隙物的成分和含量，造成不同沉積環(huán)境（沉積微相）下形成的砂體具有不同的原始孔隙度和滲透率，進(jìn)而又影響了早期或準(zhǔn)同生期的成巖作用類型、強(qiáng)度及演化。縱觀國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，致密砂巖儲(chǔ)層的形成具有以下4點(diǎn)共同之處。

3.1沉積速率相對(duì)較緩慢

致密砂巖一般形成于大面積持續(xù)緩慢沉降的環(huán)境中，其可容納空間低，物源供給不足但持續(xù)穩(wěn)定，古地形相對(duì)較為平緩。沉積速率相對(duì)緩慢是形成較為平緩的水動(dòng)力能量分異和沉積物大面積均勻分布的主要原因，故多形成于盆地的坳陷期或斷坳轉(zhuǎn)換期。

3.2具有明顯的互層結(jié)構(gòu)

致密砂巖沉積序列的垂向互層結(jié)構(gòu)通?？煞譃?種類型：①薄互層，即砂巖和泥巖厚度均為3～10 m，或由更小厚度所組成的頻繁互層，含砂率（不含粉砂）多小于30%，而砂（含粉砂）地比則為30%～40%；②砂泥間互，即厚度均為10～20 m的砂巖和泥巖組成的互層，含砂率為30%～40%，而砂地比則多為40%～50%。通常成層性較為明顯的碎屑沉積物，尤其是第一類薄互層更容易致密，其特征是總有效厚度大，單層砂體有效厚度中等，一般為3～10 m，垂向上砂泥巖夾煤層的互層結(jié)構(gòu)有利于后期成巖期的充分壓實(shí)與膠結(jié)。如鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系有效厚度為6.3～8.3 m［18］。當(dāng)砂體厚度增大到一定數(shù)值后，隨著厚度增加，儲(chǔ)層物性并沒有明顯變好的趨勢(shì)［19］，即儲(chǔ)層物性與砂體厚度無明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.3多與三角洲沉積有關(guān)

致密砂巖儲(chǔ)層的沉積以過渡相環(huán)境為主，即多形成于由陸到匯水盆地的過渡帶，這種沉積背景更有利于形成砂泥巖夾煤層的互層結(jié)構(gòu)。從公開報(bào)道的國(guó)內(nèi)外10多個(gè)典型的致密砂巖氣田來看，在沉積地質(zhì)上具有4個(gè)共同特點(diǎn)：①均發(fā)育在前新生界，即經(jīng)歷了數(shù)十個(gè)百萬年的埋藏；②其沉積環(huán)境均與三角洲沉積有關(guān)；③埋深均大于2 000 m；④粒度中等偏細(xì)。如鄂爾多斯盆地二疊系為河流—三角洲沉積環(huán)境，大多為三角洲前緣，砂體多為水下分流河道沉積。其依據(jù)是測(cè)井與巖心上多為厚度不大的正粒序，難見反粒序，大多為近年來所討論的淺水三角洲沉積，河口壩不發(fā)育。水下分流河道與河口壩的孔滲性能相對(duì)較好，如四川盆地須家河組儲(chǔ)層主要為水下分流河道砂體和河口壩砂體［20］。

3.4水動(dòng)力條件弱而穩(wěn)定

水流能量較低而穩(wěn)定、搬運(yùn)距離遠(yuǎn)、粒度細(xì)而分選好以及塑性組分含量相對(duì)較高的沉積物，在后期的改造作用下容易形成物性相對(duì)較好的致密儲(chǔ)層。能量偏低是造成填隙物，尤其是雜基含量相對(duì)較高的主要沉積成因。如蘇里格氣田南區(qū)盒8上、下亞段膠結(jié)物含量的統(tǒng)計(jì)（圖1）顯示，不同相帶或不同微相的沉積作用差異較大，水動(dòng)力弱，泥質(zhì)含量高；水動(dòng)力強(qiáng)，后期鈣質(zhì)相對(duì)較多，即粒度過粗或過細(xì)的填隙物較多。其中，三角洲前緣平均湖平面之上沉積的硅質(zhì)膠結(jié)物含量明顯較高；近源沉積以泥質(zhì)和黏土礦物膠結(jié)為主，而遠(yuǎn)源則以硅質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)為主；河道砂與心灘以鈣質(zhì)膠結(jié)為主；漫溢砂和水下分流河道間以泥質(zhì)膠結(jié)為主。這就表明膠結(jié)物的形成、分布及含量均直接或間接地受沉積相帶控制。

圖1　蘇里格氣田南區(qū)盒8段填隙物含量與沉積相帶的關(guān)系Fig.1　Relationship between cements and sedimentary facies of He 8 member in southern Sulige Gas Field

4　致密砂巖儲(chǔ)層的成巖成因機(jī)理

眾所周知，從成巖作用對(duì)致密儲(chǔ)層的影響出發(fā)，可將其劃分為破壞性作用和建設(shè)性作用兩大類。其中破壞性作用包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用（包括次生加大作用）、壓溶作用以及交代作用；建設(shè)性作用可分為成巖早期環(huán)邊綠泥石的膠結(jié)作用、溶蝕作用和構(gòu)造破裂作用。常識(shí)性的認(rèn)識(shí)是：①膠結(jié)作用和壓實(shí)作用是砂巖致密的主要機(jī)制，溶蝕作用是改善致密儲(chǔ)層物性最主要的因素；②儲(chǔ)層的異常高壓可對(duì)壓實(shí)作用起到抵消作用，即上覆負(fù)載與地層高壓的平衡。通過大量的實(shí)例分析與研究不難發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)是造成砂巖致密的關(guān)鍵成巖條件與地質(zhì)特征。

4.1煤系地層更易致密

致密儲(chǔ)層多為煤系地層，其最大的特點(diǎn)是在同生成巖階段或早成巖期，即煤系地層埋藏后，植物遺體在淺層的氧化條件下，喜氧細(xì)菌的積極參與使其有利于氧化與分解，形成大量的腐殖酸，使地層水很快變?yōu)樗嵝越橘|(zhì)（pH值為4～5）。在此條件下，酸性水溶液對(duì)砂巖顆粒表面與粒間的泥質(zhì)和鈣質(zhì)產(chǎn)生溶蝕作用，使其很少保留，碳酸鹽膠結(jié)物含量少，進(jìn)而導(dǎo)致后期粒間溶孔的形成缺乏先決條件［21］。由于煤系地層密度低，加上其中的地層水在埋藏的同生成巖階段就變成了酸性水，因而同生成巖階段缺乏大量的各類膠結(jié)物，只有少量石英加大邊或石英自形晶體及高嶺石全充填或半充填在孔隙中。因此，煤系地層抗壓實(shí)程度極低，使其在同生成巖階段發(fā)生強(qiáng)烈的壓實(shí)作用。從大量的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)也同樣可看出，大多數(shù)國(guó)內(nèi)外致密砂巖氣儲(chǔ)層或多或少與煤的發(fā)育有關(guān)。

在中成巖期（Ro為0.5%～0.7%），烴源巖中的有機(jī)質(zhì)脫羧形成大量有機(jī)酸，這些有機(jī)酸對(duì)硅酸鹽礦物具有很強(qiáng)的溶蝕作用。在此階段，儲(chǔ)層已受到強(qiáng)烈的壓實(shí)，大部分原生孔隙已經(jīng)消失，儲(chǔ)層物性普遍變差，再加上煤系地層在成巖早期缺乏大量易溶膠結(jié)物，使有機(jī)酸水溶液的溶蝕作用受到一定限制，因而只能在原生孔隙保存較多的部位對(duì)硅酸鹽礦物（如長(zhǎng)石和巖屑等顆粒）進(jìn)行溶蝕，從而形成一定量的次生溶蝕孔隙。此外，由于酸性水溶液必須要有運(yùn)移溶蝕通道，因此溶蝕作用多發(fā)育在不整合面、層序界面以及斷層裂縫附近的儲(chǔ)層中，而且這些儲(chǔ)層中還要保留一部分原生粒間孔隙，這樣有機(jī)酸性水才有可能進(jìn)入并發(fā)生溶蝕作用。因此，沉積時(shí)水動(dòng)力較強(qiáng)、粒度較粗的有利沉積相帶是次生溶蝕孔隙的主要發(fā)育區(qū)。

晚成巖階段，大量有機(jī)酸水溶液的形成有利于石英的次生加大。在富含石英的砂巖中，強(qiáng)烈的壓實(shí)和壓溶作用使得原生粒間孔隙被石英加大或石英自形晶體充填，因而容易使煤層上、下的砂巖地層形成大規(guī)模的低孔、低滲儲(chǔ)層，尤其是粒度較細(xì)的砂巖互層更易形成致密儲(chǔ)層。煤系地層生氣潛力巨大、生氣高峰期較長(zhǎng)的特點(diǎn)可為致密氣藏的形成提供充足的物質(zhì)來源［22］。

4.2經(jīng)歷復(fù)雜的埋藏史

通過研究致密砂巖的盆地壓實(shí)曲線與埋藏史不難發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)盆地經(jīng)歷了早期持續(xù)深埋和后期抬升剝蝕淺埋，其持續(xù)深埋往往造成強(qiáng)烈的壓實(shí)作用。從蘇里格氣田［23］和美國(guó)Piceance盆地的埋藏史曲線［24］（圖2）同樣能看出此特點(diǎn)。而且從國(guó)內(nèi)外所報(bào)道的致密砂巖氣儲(chǔ)層形成的地質(zhì)年代來看，無一例外均為前新生界地層。由此可見，長(zhǎng)期的持續(xù)埋藏與壓實(shí)是砂巖致密的根本性機(jī)理。

圖2　致密砂巖儲(chǔ)層埋藏史曲線（據(jù)文獻(xiàn)［23］修改）Fig.2　Burial history curves of tight sandstone reservoir

4.3壓實(shí)作用的強(qiáng)弱決定致密程度

壓實(shí)作用是造成儲(chǔ)層致密化最主要的因素，在成巖作用的每個(gè)階段均有發(fā)生（圖3）。壓實(shí)作用的發(fā)育程度受多種因素控制，如巖石的組分、砂巖的產(chǎn)狀、地層壓力大小及膠結(jié)作用的發(fā)育程度等。強(qiáng)烈的壓實(shí)作用不但破壞了大部分的原生孔隙，同時(shí)也不利于次生孔隙的保存。多數(shù)情況下，壓實(shí)作用造成的砂巖孔隙減少比膠結(jié)作用造成的砂巖孔隙減少更為嚴(yán)重［25］。另外長(zhǎng)慶油田對(duì)鄂爾多斯盆地湖盆中部延長(zhǎng)組致密油層的研究也證明了這一特點(diǎn)，這就表明同生成巖階段的壓實(shí)程度最大［26］。眾所周知，沉積物是先經(jīng)過壓實(shí)而后再膠結(jié)成巖石的，而壓實(shí)強(qiáng)度大正是致密砂巖的共性。

圖3　蘇里格氣田南區(qū)盒8段致密砂巖的壓實(shí)現(xiàn)象Fig.3　Compaction happened in the tight sandstone of He 8 member in southern Sulige Gas Field

當(dāng)上覆地層壓力或構(gòu)造應(yīng)力超過孔隙水所能承受的靜水壓力（達(dá)2～2.5倍）時(shí)，會(huì)引起顆粒接觸點(diǎn)上晶格的變形和溶解。通常情況下，細(xì)砂巖比粗砂巖壓溶作用的速度更快［27］，而且其形成的埋深多大于3 000 m。在致密儲(chǔ)層的成因研究中，壓溶作用主要表現(xiàn)為石英顆粒的壓溶，在偏光顯微鏡下一般為顆粒的凹凸接觸，如在蘇里格氣田南區(qū)盒8段較為常見［27］。

膠結(jié)作用是使致密儲(chǔ)層孔隙度降低的另一個(gè)重要因素（圖4）。Pittman等［28］的研究表明，當(dāng)早期填隙物體積分?jǐn)?shù)大于5%時(shí)，巖石可以有效地減緩壓實(shí)作用的繼續(xù)進(jìn)行，從而使部分原生粒間孔隙得以保存。膠結(jié)作用的成巖效應(yīng)是堵塞孔隙，但不減小粒間孔隙體積，這與壓實(shí)作用的成巖效應(yīng)有所區(qū)別［［29-30］。

硅質(zhì)膠結(jié)中最為常見的是石英次生加大和重結(jié)晶石英［31］。方解石是最常見的碳酸鹽膠結(jié)礦物，可以分為成巖早期的連生膠結(jié)和成巖晚期的鐵方解石膠結(jié)，其中成巖晚期的膠結(jié)對(duì)儲(chǔ)層的致密貢獻(xiàn)較大。在成巖過程中，長(zhǎng)石、石膏、硬石膏及氧化鐵等在數(shù)量上并不重要，它們對(duì)砂巖儲(chǔ)層的致密化貢獻(xiàn)較小，但對(duì)研究成巖演化、推測(cè)各種自生礦物的形成與起源具有重要意義。

綠泥石膠結(jié)物對(duì)致密儲(chǔ)層具有多重影響：①在儲(chǔ)層遭受強(qiáng)烈壓實(shí)作用之前，成巖早期的綠泥石環(huán)邊膠結(jié)物占據(jù)了一部分的孔隙空間，綠泥石對(duì)粒間孔隙起到支撐作用，保存了部分原生孔隙［32-35］，增加了巖石的抗壓實(shí)能力；②綠泥石環(huán)邊膠結(jié)物的存在降低了壓實(shí)作用的強(qiáng)度，減少了顆粒的接觸面積，從而有效地抑制了壓溶作用的發(fā)生，同時(shí)也抑制了石英的次生加大［36］；③綠泥石礦物具有大量的晶間孔隙［37］，可為后期酸性水的流動(dòng)提供運(yùn)移通道，促進(jìn)溶蝕作用的發(fā)生，從而改善儲(chǔ)層的孔滲性能［38］；④當(dāng)綠泥石體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到一定值（3%～5%）時(shí)，綠泥石襯邊就會(huì)占據(jù)孔隙，堵塞喉道，從而使儲(chǔ)層孔滲性變差，值得注意的是，這一數(shù)值在不同井的不同層位具有很大差別。

另外，從致密砂巖的含氣情況來看，通過統(tǒng)計(jì)與對(duì)比蘇里格氣田南區(qū)盒8段致密砂巖中氣層與非氣層的膠結(jié)物類型和含量（表1）可以得出：非氣層中黏土礦物、硅質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)分別為64%，25%和11%；氣層中黏土礦物、硅質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)分別為56%，39%和5%。由此可見，氣層中砂巖的黏土礦物及鈣質(zhì)膠結(jié)物所占比例要少于非氣層。

顆粒之間黏土礦物的相互轉(zhuǎn)化使孔喉結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜化，并增大了其表征的難度。從鄂爾多斯盆地東南部致密砂巖中各種黏土礦物的垂向分布（圖5）可以看出，埋深2 300 m為該地區(qū)早成巖階段與中成巖階段的分界線，也為無序向有序過渡的轉(zhuǎn)換帶。高嶺石、伊利石、蒙脫石和伊/蒙混層的百分含量以該轉(zhuǎn)換帶為界發(fā)生明顯的此消彼長(zhǎng)的變化，說明顆粒之間的黏土礦物存在相互轉(zhuǎn)化，而這一系列的轉(zhuǎn)化關(guān)系都促使儲(chǔ)層的孔隙和喉道變小，使孔喉結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜化。

表1　蘇里格氣田南區(qū)盒8段致密砂巖膠結(jié)物統(tǒng)計(jì)Table1　The volume fraction of cements in the tight sandstone of He 8 member in southern Sulige Gas Field %

圖5　鄂爾多斯盆地東南部石盒子組致密砂巖黏土礦物體積分?jǐn)?shù)、孔隙度與埋深關(guān)系Fig.5　Relations of burial depth with the volume fraction of clay minerals and porosity of Shihezi Formation in southeastern Ordos Basin

4.4地溫梯度中等偏低

研究地溫梯度的變化發(fā)現(xiàn)，致密儲(chǔ)層多形成于地溫梯度偏低的低溫盆地或地區(qū)，通常其地溫梯度小于32.5℃/km。從美國(guó)東、西部沉積盆地的地溫梯度來看，東部地溫梯度（25℃/km）通常要比西部地溫梯度（34℃/km）低，這與致密砂巖氣在東部阿巴拉契亞盆地、中南部的阿納達(dá)科盆地和東德克薩斯盆地的分布規(guī)律相符合，這些盆地地溫梯度均較低，大多約為25℃/km［39］。我國(guó)鄂爾多斯盆地古生代到中生代地溫梯度為22～30℃/km，四川盆地三疊紀(jì)古地溫梯度通常小于25℃/km［40-43］。這是由于低溫環(huán)境不利于沉積物的膠結(jié)與溶解，而更有利于壓實(shí)作用的充分進(jìn)行，即當(dāng)儲(chǔ)層達(dá)到一定的埋藏深度，其地溫低于正常值時(shí)，上覆的靜巖壓力所造成的壓實(shí)作用遠(yuǎn)大于溫度對(duì)膠結(jié)或溶解的加速作用，由此說明高溫盆地難以形成致密砂巖儲(chǔ)層。

5　討論

5.1微觀孔隙結(jié)構(gòu)的精細(xì)刻畫應(yīng)是其主流方向

眾所周知，僅利用孔隙度（＜12%）與滲透率（＜0.1 mD）來劃分致密砂巖氣儲(chǔ)層（包括其他非常規(guī)儲(chǔ)層）是缺乏針對(duì)性的，不能真實(shí)地反映其地質(zhì)內(nèi)涵與滲流的特征。多數(shù)學(xué)者給出的孔、滲界線大多是經(jīng)過統(tǒng)計(jì)而得出的認(rèn)識(shí)，并沒有從其滲流模型給出更為合理的解釋。此外，從滲流特征上來講，低滲致密砂巖儲(chǔ)層通常具有非達(dá)西低速滲流（“三低一凹”）的特點(diǎn)，即滲透率低、滲流速度低及產(chǎn)量低，同時(shí)其壓力恢復(fù)曲線上具有凹型向上的特征［3］。這就需要對(duì)其微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，值得注意的是它并非等于孔喉半徑。從維度上來說，描述致密砂巖等非常規(guī)儲(chǔ)層的方法有毛管壓力曲線法（一維）、圖像分析法（二維）和三維孔隙結(jié)構(gòu)模擬法（表2）。雖然各種方法所測(cè)的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同，但是其技術(shù)難度和測(cè)量精度卻差異明顯。

表2　非常規(guī)致密儲(chǔ)層孔喉表征測(cè)量技術(shù)Table2　Techniques for pore throat characterization of unconventional tight reservoir

對(duì)常規(guī)中—高孔滲儲(chǔ)層而言，描述孔隙結(jié)構(gòu)的核心在于孔喉中值半徑與平均孔喉半徑，這2個(gè)參數(shù)與儲(chǔ)層的滲透率具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然而，對(duì)于低滲致密氣藏而言，它們與滲透率的相關(guān)性較差。近年來眾多學(xué)者的研究表明：主流喉道半徑（累計(jì)喉道分布為95%時(shí)所對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層喉道半徑）既可以表征儲(chǔ)層孔喉分布特征，又可以準(zhǔn)確地反映儲(chǔ)層的滲流能力。在對(duì)低滲與特低滲致密儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，它應(yīng)是更為科學(xué)的評(píng)價(jià)參數(shù)［17］，可以用Katz和Thompson研究的公式近似表示：K≈4.48d2φ2，其中K為滲透率，d為孔喉直徑，φ為孔隙度［44］（圖6）。根據(jù)不同地區(qū)巖石的物性參數(shù)和油氣物理性質(zhì)的不同，公式中的常數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。國(guó)內(nèi)也有學(xué)者在此公式的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了修改，并擬合出四川盆地須家河組砂巖儲(chǔ)集層的關(guān)系式：lgK=0.89lg（d2φ2）-2.15［45］，其出發(fā)點(diǎn)是從上述公式具有對(duì)數(shù)關(guān)系的特點(diǎn)上進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其相關(guān)性較好，具有一定的適用性。

圖6　滲透率與孔喉半徑的擬合關(guān)系Fig.6　Relationship between permeability and pore throat radius

5.2儲(chǔ)層非均質(zhì)性評(píng)價(jià)應(yīng)是其勘探開發(fā)的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于常規(guī)儲(chǔ)層而言，不同層次的非均質(zhì)與其強(qiáng)弱制約著對(duì)其的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，從而影響著油氣的勘探與開發(fā)；對(duì)于致密儲(chǔ)層而言，非均質(zhì)性的存在正是其研究的重點(diǎn)對(duì)象與預(yù)測(cè)有利儲(chǔ)層分布的依據(jù)。自20世紀(jì)80年代美國(guó)人第一次將“甜點(diǎn)”這個(gè)詞用在油氣勘探之后，這一名詞便開始廣泛應(yīng)用于各類油氣儲(chǔ)層中，在今天非常規(guī)油氣倍受關(guān)注的年代里，其更被作為其中的非均質(zhì)體在進(jìn)行研究。關(guān)于“甜點(diǎn)”的定義，國(guó)內(nèi)外學(xué)者有著類似卻不完全一致的看法。Law認(rèn)為致密砂巖氣藏中的“甜點(diǎn)”是沉積和構(gòu)造作用所造成的局部高產(chǎn)氣區(qū)［44］。筆者認(rèn)為在致密砂巖氣的勘探開發(fā)過程中，儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”可以被認(rèn)為是在砂巖物性整體較差背景下的局部高孔、高滲砂體，并且能夠提供較高天然氣日產(chǎn)量和持久經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的致密砂巖氣儲(chǔ)層［46］。自此，“甜點(diǎn)”也就成為低滲致密儲(chǔ)層研究的主攻方向，進(jìn)而成為近年來地質(zhì)與地球物理學(xué)家聯(lián)合攻關(guān)的重點(diǎn)對(duì)象?！疤瘘c(diǎn)”的確定首先要明確其發(fā)育的構(gòu)造背景和沉積環(huán)境，并在相控的基礎(chǔ)上，研究其發(fā)育的沉積微相，再結(jié)合成巖演化階段來確定有利層位。從成因上來講，主要是尋找那些呈透鏡狀產(chǎn)出且成巖作用較弱的各種成因砂體。如在鄂爾多斯盆地，勘探的重點(diǎn)是透鏡狀河道砂，而非互層狀漫溢砂，并結(jié)合成巖作用分析砂體的致密性。“甜點(diǎn)”的預(yù)測(cè)重在宏觀非均質(zhì)性的研究，可利用地震數(shù)據(jù)刻畫其空間分布，用測(cè)井資料明確識(shí)別標(biāo)志并分析其內(nèi)部特點(diǎn)，用分析化驗(yàn)確定其物性特征，而這三者的有機(jī)結(jié)合是致密儲(chǔ)層非均質(zhì)性未來攻關(guān)的重點(diǎn)。

5.3利用束縛水飽和度與“滲透率盲區(qū)”評(píng)價(jià)致密程度

在常規(guī)儲(chǔ)層中，臨界水飽和度和束縛水飽和度基本相等，氣水能夠流動(dòng)的含水飽和度變化范圍較大。在這種情況下，產(chǎn)水量較低通常意味著儲(chǔ)集體是或近似是束縛水飽和的，這是遵循達(dá)西定律的結(jié)果。然而對(duì)低滲透儲(chǔ)層而言，其通常為非達(dá)西滲流，束縛水飽和度和臨界水飽和度明顯不同，存在“滲透率盲區(qū)”［47］，即含水飽和度很高但也沒有可以流動(dòng)的水。臨界水飽和度和束縛水飽和度均較高是低滲透儲(chǔ)層的共性，而“滲透率盲區(qū)”的大小能反映不同儲(chǔ)層的特性。因此，筆者建議采用束縛水飽和度和“滲透率盲區(qū)”來作為其評(píng)價(jià)指標(biāo)。在低滲透儲(chǔ)層束縛水飽和度相同的情況下，若“滲透率盲區(qū)”較大，則氣體相對(duì)滲透率曲線的斜率就會(huì)越大；相反，“滲透率盲區(qū)”相同時(shí)，束縛水飽和度越小，其曲線的斜率會(huì)越小。砂巖的致密程度與束縛水飽和度或“滲透率盲區(qū)”的大小呈正相關(guān)關(guān)系。束縛水飽和度和“滲透率盲區(qū)”的大小直接影響著對(duì)產(chǎn)能的評(píng)價(jià)與開采方式的選擇，如壓裂程度與產(chǎn)水狀況。

如鄂爾多斯盆地的致密砂巖中就存在3種不同類型的相對(duì)滲透率和毛管壓力曲線。在粗喉道型儲(chǔ)層中，束縛水飽和度低，而“滲透率盲區(qū)”較小，是控制儲(chǔ)層致密程度的主要因素［圖7（a）］；中喉道型儲(chǔ)層中，束縛水飽和度與“滲透率盲區(qū)”均較大，儲(chǔ)層較為致密［圖7（b）］；細(xì)喉道型儲(chǔ)層中，“滲透率盲區(qū)”較小，但束縛水飽和度很高，是控制儲(chǔ)層致密的關(guān)鍵因素［圖7（c）］。

圖7　鄂爾多斯盆地石盒子組3種不同類型的相對(duì)滲透率和毛管壓力曲線Fig.7　Three kinds of relative permeability and capillary pressure curves of Shihezi Formation in Ordos Basin

5.4異常壓力的變化為確定氣藏的重要參數(shù)

通過大量研究與生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，致密砂巖氣藏的壓力變化較大，大多為異常低壓，少數(shù)為異常高壓，流體異常壓力的變化可反映地下儲(chǔ)層內(nèi)含氣性的變化特征。因此，研究不同層位流體壓力的變化規(guī)律對(duì)確定氣藏的富氣特征具有很大幫助。我國(guó)2個(gè)典型的致密砂巖氣藏壓力特征均為異常壓力（圖8）：蘇里格氣田的壓力為異常低壓，而川西坳陷的須家河組氣藏為異常高壓。美國(guó)落基山脈地區(qū)最大的天然氣田也出現(xiàn)在異常高壓區(qū)。由此可見，超壓區(qū)聚集的氣體是在低滲巖石中由熱成因生成的，氣體聚集速度高于散失速度，而在含低壓的盆地內(nèi)則正好相反，通常這些盆地經(jīng)歷了明顯的隆起和侵蝕/古溫度的變化。盡管有這些后期改造，盆地中心氣體的聚集一直在持續(xù)，但由于盆地動(dòng)力學(xué)的變化，超壓的累積會(huì)演變成一個(gè)低壓累積系統(tǒng)。盆地的動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)生變化后，由于氣體散失的速度大于累積的速度，再加上溫度降低，氣體壓力可能會(huì)降低到低于區(qū)域靜水壓力。因而，結(jié)合中美致密砂巖儲(chǔ)層主要參數(shù)的統(tǒng)計(jì)與對(duì)比（表3），認(rèn)為多旋回的前新生界低溫沉積盆地中的異常壓力區(qū)通常是尋找致密砂巖氣的有利區(qū)域，而三角洲前緣的薄互層含煤層系則是其主要的勘探開發(fā)層位。

圖8　國(guó)內(nèi)外典型致密砂巖氣藏的異常壓力特征Fig.8　Abnormal pressure characteristics of typical tight sandstone gas reservoir at home and abroad

表3　中美主要盆地致密砂巖氣地質(zhì)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table3　Geological parameters of tight sandstone gas in the main basins in China and America

6　結(jié)論

（1）從國(guó)內(nèi)外致密砂巖氣田資料分析與研究可以得出，致密砂巖儲(chǔ)層具有埋藏深度較大、成巖演化作用復(fù)雜、儲(chǔ)層物性差以及非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，其沉積成因主要表現(xiàn)在沉積速率相對(duì)緩慢、水動(dòng)力條件弱而穩(wěn)定、地層具有明顯的互層結(jié)構(gòu)以及多與三角洲沉積有關(guān)。這些不同沉積環(huán)境下形成的砂體具有特定的巖石組分與物性，從而影響早期或準(zhǔn)同生期的成巖作用類型、強(qiáng)度及演化。

（2）致密砂巖儲(chǔ)層的成巖作用是其致密的關(guān)鍵，而壓實(shí)作用的強(qiáng)弱決定了儲(chǔ)層的致密程度。砂巖的致密常與煤系地層中的有機(jī)酸密切相關(guān)，地溫梯度中等偏低的盆地，由于經(jīng)歷復(fù)雜的埋藏史，使得溶蝕作用受到抑制，更利于儲(chǔ)層致密。

（3）對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層而言，勘探開發(fā)過程中應(yīng)充分評(píng)價(jià)其非均質(zhì)性，進(jìn)行微觀孔隙結(jié)構(gòu)的精細(xì)刻畫，運(yùn)用束縛水飽和度、“滲透率盲區(qū)”及異常壓力來輔助評(píng)價(jià)致密砂巖氣儲(chǔ)層的優(yōu)劣。

（4）依據(jù)多旋回前新生界低溫沉積盆地中的異常壓力區(qū)，可以指出我國(guó)致密砂巖的六大分布區(qū)，即松遼盆地中南部的侏羅系—白堊系地層、渤海灣地區(qū)中西部的石炭系—二疊系地層、鄂爾多斯盆地中北部的上古生界地層、四川盆地中西部的三疊系地層、準(zhǔn)噶爾盆地西北至東南的二疊系—侏羅系地層（尤其是三疊系）及塔里木盆地北部與東北部的石炭系—侏羅系地層，這六大分布區(qū)應(yīng)為我國(guó)致密砂巖氣現(xiàn)今與未來勘探開發(fā)的重要戰(zhàn)略選區(qū)。

致謝：中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院天然氣室的楊勇主任及同仁為本文編寫提供了許多幫助，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院的研究生李瑩、許磊及李艷然同學(xué)幫忙查找了大量的文獻(xiàn)，清繪了部分圖件，在此一并表示誠(chéng)摯的感謝！

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（本文編輯：王會(huì)玲）

Discussion on deposition -diagenesis genetic mechanism and hot issues of tight sandstone gas reservoir

YU Xinghe，LI Shunli，YANG Zhihao
（China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Tight sandstone gas and shale gas are currently two major unconventional hydrocarbon resources，which will be the significant resources for replacing the conventional oil and gas in next 10 to 20 years.Despite the understanding of geological property，or the technology of exploration and development，tight sandstone gas will be easily realized than shale gas in the next 10 years.However，precise prediction of favorable reservoir space has become a bottleneck for current tight sandstone gas exploration and development.Clarifying the deposition-diagenesis genetic mechanism of tight sandstone reservoir is the key to solve this problem.According to the research on the typical tight sandstone gas fields in China and data analysis abroad，tight sandstone generally deposited under weak hydrodynamic stability and relatively low depositional rate that much developed in coal-bearing（thin bed interbedded）strata of the transitionalenvironments or deltas.Hence，these depositional mechanisms facilitate the requirement of forming tight sandstone. Continuous compaction during early diagenetic stage is the main process for their tight nature.The complex burial historyunderlowgeothermalgradientswhichwere caused by multi-cycle movements of basin is the sufficient condition for forming tight sandstone reservoirs.Therefore，abnormal pressure zones in multi-cycle pre-Tertiary basins with low geothermal are the favorable area for exploring tight sandstone gas.The sandstones with thin interbedded coal-bearing strata in delta front are primary exploration and development intervals.Heterogeneity characteristics of tight sandstone play an important role on reservoir exploring and evaluating.The effect of microscopic pore structure change on permeabilityshouldbestudiedforevaluatingpayreservoirsproperty.“Permeability blind area”and abnormal pressure data were employed for evaluating quality of reservoir.On the basis of this idea，we proposed six prospective areas for tight sandstone exploration and development in China in future.

tightsandstonereservoir；sedimentaryenvironments；diagenesis；reservoirevaluation；prospectingareas

TE122.1

A

1673-8926（2015）01-0001-13

2014-09-18；

2014-10-28

教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目“沉積盆地斜坡帶河流三角洲沉積作用多樣性及其儲(chǔ)層構(gòu)型與非均質(zhì)響應(yīng)機(jī)理”（編號(hào)：20120022130002）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“礫巖結(jié)構(gòu)-成因分類、沉積成巖機(jī)理及其巖石物性響應(yīng)模型”（編號(hào)：41472091）聯(lián)合資助

于興河（（1958-），男，博士，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事沉積學(xué)、儲(chǔ)層表征建模及油氣地質(zhì)方面的研究和教學(xué)工作。地址：（100083）北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院。E-mail：billyu@cugb.edu.cn。