張福東，李君，魏國(guó)齊，劉新社，國(guó)建英，李劍，范立勇，佘源琦，關(guān)輝，楊慎，邵麗艷

（1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，西安 710021）

0 引言

致密氣勘探興于美國(guó)，目前世界上已有十幾個(gè)國(guó)家進(jìn)行了致密氣勘探開(kāi)發(fā)，但受資源潛力、消費(fèi)需求和技術(shù)發(fā)展影響，發(fā)展極不均衡，美國(guó)和中國(guó)發(fā)展迅速，產(chǎn)量皆占本國(guó)天然氣總產(chǎn)量 20%左右。關(guān)于致密氣形成機(jī)制的研究始于20世紀(jì)70年代的北美，從向斜巖性控藏、儲(chǔ)集層物性及分布形態(tài)等不同角度闡述了其形成機(jī)制與分布特征[1-5]。而中國(guó)廣泛開(kāi)展致密氣研究始于20世紀(jì)90年代，早期以借鑒北美為主，21世紀(jì)以來(lái)在源巖儲(chǔ)集層組合模式、生烴超壓充注機(jī)制、大面積聚集與分布特征等方面取得較深入的認(rèn)識(shí)[6-16]。隨著致密氣勘探的深入，勘探范圍不斷向外圍擴(kuò)展，在主力生烴灶外圍生烴強(qiáng)度較低的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了規(guī)模性聚集的致密氣，但氣水分布復(fù)雜，常出現(xiàn)高產(chǎn)水井，與現(xiàn)今對(duì)致密氣認(rèn)識(shí)有一定差異，目前有關(guān)形成機(jī)制研究較少。

為便于研究，將生烴強(qiáng)度較小的區(qū)域定義為低生烴強(qiáng)度區(qū)。參考中國(guó)關(guān)于大氣田形成的生烴條件為生烴強(qiáng)度大于20×108m3/km2的認(rèn)識(shí)[17-20]，同時(shí)，以鄂爾多斯盆地蘇里格地區(qū)在生烴強(qiáng)度小于20×108m3/km2區(qū)域氣水分布復(fù)雜的特征為依據(jù)，將生烴強(qiáng)度 20×108m3/km2作為劃分高、低生烴強(qiáng)度區(qū)的界限。本文通過(guò)半定量二維成藏模擬等實(shí)驗(yàn)研究及地質(zhì)綜合分析，建立注氣壓力、儲(chǔ)集層物性、生氣下限等評(píng)價(jià)模型，結(jié)合典型氣藏解剖及微觀孔喉對(duì)氣水分布控制作用系統(tǒng)研究，明確低生烴強(qiáng)度區(qū)致密砂巖氣形成主控因素與分布規(guī)律，為致密砂巖氣拓展勘探提供新依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯盆地蘇里格氣田是典型的大型致密砂巖氣，隨著勘探深入，由蘇里格主體區(qū)域不斷向西部、東部、南部擴(kuò)展，已形成近4.00×1012m3儲(chǔ)量規(guī)模。其中，蘇里格地區(qū)西部天環(huán)坳陷北段氣水分布復(fù)雜。本文以該區(qū)為研究對(duì)象（見(jiàn)圖1），通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)與地質(zhì)綜合分析，系統(tǒng)開(kāi)展低生烴強(qiáng)度區(qū)致密砂巖氣形成機(jī)制研究。

天環(huán)坳陷北段勘探面積1.00×104km2，烴源巖主要為石炭系太原組、山西組的煤層。太原組煤層厚度0.20～9.00 m，平均2.80 m；山西組煤層厚度0.40～8.60 m，平均 3.60 m?？傮w生氣強(qiáng)度為（7～20）×108m3/km2，小于蘇里格主體區(qū)域的生烴強(qiáng)度（（20～40）×108m3/km2）。儲(chǔ)集層為山1段、盒8下段、盒8上段，發(fā)育沖積平原亞相、辮狀河三角洲平原亞相，其中河道滯留砂體和分流河道砂體為主要儲(chǔ)集休，孔隙度為4%～10%，基質(zhì)滲透率主要為（0.01～0.80）×10-3μm2，與蘇里格主體區(qū)域接近?？v向上烴源巖和儲(chǔ)集層交互分布，橫向上分布穩(wěn)定。目前鉆井 160余口，30余口井獲工業(yè)氣流，60余口井見(jiàn)水?？傮w氣水分布復(fù)雜，不完全受區(qū)域構(gòu)造、沉積砂體控制。

圖1 鄂爾多斯盆地上古生界氣田分布及研究區(qū)位置

2 成藏物理模擬實(shí)驗(yàn)

低生烴強(qiáng)度區(qū)的生氣量相對(duì)較小，其供氣、運(yùn)移、聚集等特征與供氣充足地區(qū)的天然氣具有較大差異，研究思路和方法也具有一定差異。通過(guò)開(kāi)展多組成藏模擬實(shí)驗(yàn)、微觀孔隙分析和綜合地質(zhì)研究，對(duì)低生烴強(qiáng)度區(qū)致密氣形成機(jī)制、主控因素和分布規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1 有效充注動(dòng)力及生烴下限

致密砂巖儲(chǔ)集層滲透率較低，只有具備較強(qiáng)的生烴壓力，才能使天然氣突破致密儲(chǔ)集層毛細(xì)管力，該觀點(diǎn)已通過(guò)大量模擬實(shí)驗(yàn)和地質(zhì)綜合研究得到證實(shí)[11-15]。但低生烴強(qiáng)度區(qū)的生烴壓力能否成為動(dòng)力，是否存在生烴壓力下限等尚需進(jìn)一步研究。為了研究天然氣充注壓力界限，選取蘇里格地區(qū)及天環(huán)坳陷北段李4、李7、蘇307等井山1—盒8段致密砂巖巖心樣品，開(kāi)展了不同充注壓力模擬實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)常規(guī)巖心（未進(jìn)行飽和水處理）充注模擬實(shí)驗(yàn)可知，隨著樣品滲透率變小，啟動(dòng)壓力增大。當(dāng)空氣滲透率為0.6×10-3μm2時(shí)，啟動(dòng)壓力為0.1 MPa左右；當(dāng)空氣滲透率為0.1×10-3μm2時(shí)，啟動(dòng)壓力為0.4 MPa左右（見(jiàn)圖2）。

圖2 滲透率與啟動(dòng)壓力關(guān)系（樣品數(shù)12個(gè)）

為了觀察充注壓力與含氣飽和度變化規(guī)律，開(kāi)展了 0.1～30.0 MPa壓力下飽和水巖心樣品充注模擬實(shí)驗(yàn)。巖心完全飽和水，出口端設(shè)有壓力傳感器，每個(gè)壓力點(diǎn)穩(wěn)定24 h以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，儲(chǔ)集層越致密，所需注氣壓力越大。如滲透率為 0.683×10-3μm2的樣品，在0.9 MPa的注氣壓力下可達(dá)到25%的含氣飽和度；而滲透率為 0.034×10-3μm2的樣品，在 5.2 MPa的注氣壓力下可達(dá)到 10%的含氣飽和度，在 10 MPa的注氣壓力下可達(dá)到 23%的含氣飽和度。整體上，注氣壓力與含氣飽和度的關(guān)系呈指數(shù)增長(zhǎng)特征（見(jiàn)圖3）。

圖3 含氣飽和度與注氣壓力關(guān)系（樣品數(shù)183個(gè)）

綜合上述模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為空氣滲透率為（0.03～1.00）×10-3μm2的致密砂巖儲(chǔ)集層有效注氣壓力為0.4～5.0 MPa。而據(jù)鄂爾多斯盆地演化史分析，生烴高峰時(shí)期蘇里格地區(qū)西部源儲(chǔ)壓差為 3.5～9.5 MPa，雖然小于蘇里格、神木、榆林等高生烴強(qiáng)度區(qū)20 MPa左右[21-22]的源儲(chǔ)壓差，但具備了天然氣充注的條件。

天然氣在致密砂巖儲(chǔ)集層中運(yùn)移主要受 2種動(dòng)力和 2種阻力作用。其充注動(dòng)力主要是浮力和天然氣膨脹力，天然氣膨脹力即生烴壓力；阻力包括毛細(xì)管力和靜水壓力。Jiang等[23]對(duì)該認(rèn)識(shí)進(jìn)行了詳細(xì)論述并建立了致密砂巖氣動(dòng)力、阻力關(guān)系模型，計(jì)算排氣量下限，但并未考慮生烴強(qiáng)度下限。實(shí)際上生氣強(qiáng)度決定了天然氣膨脹力大小，通過(guò)建立生烴強(qiáng)度與天然氣膨脹力關(guān)系，可確定生烴強(qiáng)度下限值。因此，綜合考慮排烴系數(shù)、注氣壓力與含氣飽和度等關(guān)系，建立了鄂爾多斯盆地蘇里格地區(qū)生烴強(qiáng)度臨界值評(píng)價(jià)模型并得到表征關(guān)系式：

計(jì)算中，除M、R、ρw等常量值外，在鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷北段選取了相關(guān)參數(shù)值（見(jiàn)表1）。

表1 天環(huán)坳陷北段生烴強(qiáng)度臨界值評(píng)價(jià)模型主要參數(shù)表

計(jì)算得到埋深為2 500 m和3 000 m情況下，砂巖孔隙半徑為 0.5 μm（蘇里格地區(qū)對(duì)應(yīng)空氣滲透率為（0.15～0.50）×10-3μm2）時(shí)，生氣強(qiáng)度下限分別為6.8×108m3/km2和 9.1×108m3/km2。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及地質(zhì)分析，低生烴強(qiáng)度區(qū)具備天然氣注入致密砂巖的條件，但存在生烴強(qiáng)度下限。由于不同深度、不同物性條件下運(yùn)移阻力不同，生烴強(qiáng)度下限是一個(gè)變化值?？傮w上，在埋深小于3 000 m的地層，生烴強(qiáng)度達(dá)到（7～10）×108m3/km2可以實(shí)現(xiàn)有效充注。

2.2 聚集效率控制因素

關(guān)于聚集效率方面眾多地質(zhì)學(xué)家開(kāi)展過(guò)很多研究，但針對(duì)低生烴強(qiáng)度區(qū)這種生氣量相對(duì)較少的領(lǐng)域研究較少[24-26]。致密砂巖氣低生烴強(qiáng)度區(qū)生氣量總體較小，最終能夠聚集，具有獨(dú)特的聚集機(jī)制。

本文開(kāi)展了不同注氣壓力條件的二維成藏物理模擬實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)、寬、高均為1 m的高壓透明箱，致密砂巖砂體粒徑為0.10～0.15 mm，砂體間充填泥巖。為了反映低生烴強(qiáng)度區(qū)天然氣運(yùn)移過(guò)程，設(shè)置了0.01，0.02，0.04，0.06，0.08，0.10 MPa等注氣壓力級(jí)別。泄水口出現(xiàn)排氣現(xiàn)象時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

通過(guò)注氣、排氣、排水等數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)注氣壓力低于0.01 MPa時(shí)，天然氣無(wú)法注入儲(chǔ)集層；注氣壓力為0.02 MPa時(shí)，注氣量為5.60 L、排水量為44 mL；注氣壓力為0.10 MPa時(shí)，注氣量為12.30 L、排水量為86 mL。注氣量和排水量隨著注氣壓力增大而增大（見(jiàn)表 2），表明天然氣聚集效率與注氣壓力呈正相關(guān)。另外，在巖心充注實(shí)驗(yàn)中也揭示了注氣壓力和含氣飽和度呈指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)的關(guān)系（見(jiàn)圖 3），表明注氣壓力對(duì)聚集效率具有較強(qiáng)控制作用。

表2 致密砂層不同注氣壓力模擬實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

致密砂巖儲(chǔ)集層分布廣，再加上長(zhǎng)期散失作用，除了注氣壓力較大是高效聚集重要因素之外，長(zhǎng)期注氣也是保證天然氣聚集的重要條件。蘇里格氣田儲(chǔ)集層樣品中鹽水包裹體均一溫度分布為連續(xù)的單峰形態(tài)，主分布區(qū)間為80～140 ℃，主要充注時(shí)期為晚侏羅世—白堊紀(jì)[27]，反映了天然氣長(zhǎng)期連續(xù)充注的過(guò)程。

2.3 儲(chǔ)集層物性對(duì)聚集的控制作用

為研究致密砂巖儲(chǔ)集層物性對(duì)天然氣聚集控制作用，詳細(xì)解剖了天環(huán)坳陷北段160多口井的微觀孔隙、地層水產(chǎn)狀、試氣及含氣飽和度的關(guān)系。

利用核磁共振實(shí)驗(yàn)、壓汞、巖石薄片觀察及試氣、測(cè)井等資料，綜合分析儲(chǔ)集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)和石英砂巖儲(chǔ)集層潤(rùn)濕性等特點(diǎn)，將地層水產(chǎn)狀劃分為自由水、毛細(xì)管水和吸附水3類(lèi)。自由水是指賦存于孔隙結(jié)構(gòu)、物性較好的儲(chǔ)集層，并存留于儲(chǔ)集層或砂體底部的水，其儲(chǔ)集層孔隙度普遍大于 7%，滲透率大于 0.4×10-3μm2；毛細(xì)管水存在于非均質(zhì)性較強(qiáng)儲(chǔ)集層的細(xì)毛管中，主要受毛細(xì)管力控制，其儲(chǔ)集層孔隙度主要為4%～7%，滲透率為（0.1～0.4）×10-3μm2；吸附水指吸附于巖石顆粒表面或儲(chǔ)集層微細(xì)毛細(xì)管中的水，在原始地層狀態(tài)下難以流動(dòng)，僅在壓裂改造后產(chǎn)出少量水，其儲(chǔ)集層孔隙度總體小于4%，滲透率小于0.1×10-3μm2。由于儲(chǔ)集層非均質(zhì)性較強(qiáng)，3類(lèi)地層水的儲(chǔ)集層物性界限略有重疊，但所占比例基本在5%以下，不影響對(duì)地層水整體分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

低生烴強(qiáng)度區(qū)由于天然氣注氣量不足，充注動(dòng)力相對(duì)較弱，微觀孔隙地層水產(chǎn)狀對(duì)天然氣聚集控制作用較強(qiáng)。對(duì)于致密砂層中儲(chǔ)集層物性較好砂體（孔隙度普遍大于7.0%，滲透率普遍大于0.4×10-3μm2），常出現(xiàn)高產(chǎn)水井。對(duì)于儲(chǔ)集層物性較差的砂體（孔隙度普遍小于7.0%，滲透率小于 0.4×10-3μm2），其本身自由水含量低；雖然天然氣排替水效率更差，但天然氣仍可注入剩余孔隙，大面積低豐度聚集；產(chǎn)氣量低，但出水量也較低。

勘探實(shí)踐表明，一些探井的儲(chǔ)集層物性較好，孔隙度與滲透率相對(duì)較高，但由于存在天然氣不能完全充滿的情況，會(huì)出現(xiàn)高產(chǎn)水情況（見(jiàn)圖 4）。如鄂 29井盒8下段儲(chǔ)集層孔隙度為8.30%，滲透率為0.80×10-3μm2，測(cè)試產(chǎn)氣 2.70×104m3/d、產(chǎn)水 28.50 m3/d；蘇 338井盒8下段儲(chǔ)集層孔隙度為9.60%，滲透率為0.90×10-3μm2，測(cè)試產(chǎn)水72.00 m3/d。而一些井儲(chǔ)集層物性較差，由于自由水含量較低，以束縛水與毛細(xì)管水為主，雖然產(chǎn)氣量低于物性較好的井，但產(chǎn)水量也較低，總體上表現(xiàn)為純產(chǎn)氣或低產(chǎn)氣與低產(chǎn)水特征。如蘇 308井儲(chǔ)集層孔隙度為 4.90%，滲透率為 0.10×10-3μm2，測(cè)試產(chǎn)氣為1.70×104m3/d、產(chǎn)水為8.10 m3/d；蘇165井儲(chǔ)集層孔隙度為 9.60%，滲透率為 0.08×10-3μm2，測(cè)試產(chǎn)氣為2.30×104m3/d，產(chǎn)水9.00 m3/d。因此，儲(chǔ)集層物性對(duì)氣水分布具有較強(qiáng)控制作用。

2.4 致密砂巖層系中不同滲透率巖層組合運(yùn)聚特征

致密砂巖具有非均質(zhì)性，局部地區(qū)砂層的滲透率較高或發(fā)育豐富的裂縫，對(duì)致密砂巖氣聚集具有較大影響。存在高滲層條件下，油氣一般沿著高滲層通道優(yōu)先運(yùn)移，優(yōu)勢(shì)輸導(dǎo)通道的發(fā)育是油氣運(yùn)聚的重要條件[28]。針對(duì)致密砂巖氣來(lái)說(shuō)，如果致密砂巖層系中局部地區(qū)發(fā)育滲透率相對(duì)較高砂層，天然氣將沿優(yōu)勢(shì)輸導(dǎo)通道運(yùn)移，進(jìn)入圈閉形成常規(guī)氣藏或者散失，不利于相對(duì)低滲砂巖儲(chǔ)集層大量捕獲天然氣。為研究致密砂巖層系中相對(duì)高滲砂層發(fā)育時(shí)的運(yùn)聚特征，開(kāi)展了不同粒徑砂層組合的成藏物理模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：采用長(zhǎng)、寬、高均為1.00 m的高壓透明箱，利用砂體粒徑為 0.10～0.15 mm的砂層代表相對(duì)低滲砂層，厚度為0.18 m，利用砂體粒徑為0.20～0.25 mm的砂層代表相對(duì)高滲砂層，上覆相對(duì)高滲砂層厚 0.20 m，下伏相對(duì)高滲砂層厚0.18 m；3套砂層局部連通，砂體間充填泥巖，注氣壓力設(shè)為0.01，0.03，0.05 MPa 3個(gè)壓力級(jí)別，優(yōu)選運(yùn)移現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)作為觀察對(duì)象。砂體中充滿紅色酚酞水，底部均勻充注氮?dú)?，隨著酚酞水逐漸被驅(qū)替出砂體，砂體顏色變淺。在二維成藏模擬中設(shè)置了測(cè)壓點(diǎn)，用以反映不同位置的充注情況：在天然氣大量運(yùn)移充注路徑上的測(cè)壓點(diǎn)壓力較大，反之測(cè)壓點(diǎn)壓力較?。ㄒ?jiàn)圖5a）。

圖4 不同地層水產(chǎn)狀與試氣對(duì)比圖

由實(shí)驗(yàn)?zāi)M可知，相對(duì)高滲砂層占比較高、相對(duì)低滲砂層占比較低時(shí)，相對(duì)低滲砂層難以捕獲天然氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：充注早期（1 min左右），測(cè)壓點(diǎn)表現(xiàn)出2種特征：①6、3、4測(cè)壓點(diǎn)壓力快速增大，瞬時(shí)壓力接近40 kPa，表明天然氣大量進(jìn)入，因未突破儲(chǔ)集層毛細(xì)管力而壓力快速增大；其他測(cè)壓點(diǎn)瞬時(shí)壓力較小，為5～10 kPa，表明天然氣注入量較小。充注中期（1～3 min），天然氣突破儲(chǔ)集層毛細(xì)管力，開(kāi)始進(jìn)入砂體。由于壓力得以釋放，測(cè)壓點(diǎn)壓力表現(xiàn)為下降的特征。如6、3、4測(cè)壓點(diǎn)瞬時(shí)壓力降為25 kPa。充注晚期（3 min以后），充注壓力與阻力接近平衡，測(cè)試壓力值逐漸變小到最終穩(wěn)定?？傮w上相對(duì)高滲砂層內(nèi)6、3、4測(cè)壓點(diǎn)表現(xiàn)出快速充注特征，而相對(duì)低滲砂層內(nèi)2、5號(hào)注入天然氣較少（見(jiàn)圖5b）。由圖中照片可以看出，上、下兩套相對(duì)高滲砂層顏色變淺，中部的相對(duì)低滲砂層顏色基本沒(méi)有變化（見(jiàn)圖5c），與測(cè)壓曲線壓力值變化情況相同。表明致密砂巖層系中如發(fā)育相對(duì)高滲層，相對(duì)低滲砂巖層則難以大量捕獲天然氣。鄂爾多斯盆地上古生界河道砂體疊合連片發(fā)育，砂體側(cè)向遮擋條件較差，再加上供氣不足等不利因素，如果發(fā)育豐富的高滲砂層，天然氣則沿著高滲層大量運(yùn)移，如具備局部高點(diǎn)等圈閉條件則形成聚集，否則將散失。同時(shí)，會(huì)造成致密砂巖層系整體含氣豐度較低或者不含氣?？碧奖砻鳎姨?井與忠3井盒8下段發(fā)育一套連通的砂體，厚度為8 m，滲透率為（0.60～0.80）×10-3μm2，忠探1井區(qū)海拔較忠3井高80 m左右，忠探1井測(cè)試產(chǎn)氣1.30×104m3/d，而忠3井同層不產(chǎn)氣。此外，忠3井山1段一套薄砂層，厚度為2.50 m，滲透率為0.22×10-3μm2，產(chǎn)微量氣。

圖5 相對(duì)低滲砂巖與相對(duì)高滲砂巖組合模式充注模擬實(shí)驗(yàn)（顏色變淺為天然氣已注入）

除砂巖基質(zhì)孔滲較高是形成相對(duì)高滲層條件之外，鄂爾多斯盆地上古生界裂縫、微裂縫較為發(fā)育，亦是形成高滲層的重要地質(zhì)因素。利用測(cè)井和巖心資料，對(duì)長(zhǎng)度大于0.50 m的裂縫進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，不考慮儲(chǔ)集層孔滲情況，僅從裂縫發(fā)育程度與產(chǎn)水量相關(guān)性來(lái)看，兩者具有較好的正相關(guān)性：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)微裂縫條數(shù)較多，產(chǎn)水量較高（見(jiàn)圖6）。圖6中裂縫系數(shù)與產(chǎn)水量關(guān)系具有兩種特征：A區(qū)高裂縫系數(shù)、低產(chǎn)水現(xiàn)象較多，通過(guò)觀察巖心照片進(jìn)一步分析，主要原因?yàn)榱芽p被方解石充填；B區(qū)裂縫系數(shù)與產(chǎn)水量呈明顯正相關(guān)性，裂縫未充填、未完全充填。

圖6 天環(huán)坳陷北段試氣產(chǎn)水量與裂縫系數(shù)關(guān)系

綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)M與裂縫分析可知，高滲層發(fā)育情況下，易出現(xiàn)高產(chǎn)水情況。特別是砂巖基質(zhì)滲透率相對(duì)較高與裂縫發(fā)育疊合區(qū)，高產(chǎn)水情況較多。如蘇 338井位于在裂縫系數(shù) 0.06～0.10地區(qū)，基質(zhì)滲透率為0.90×10-3μm2，測(cè)試產(chǎn)水 72.00 m3/d。整體勘探應(yīng)重視致密砂巖層系相對(duì)高滲層控氣作用，評(píng)價(jià)選區(qū)時(shí)精細(xì)論證儲(chǔ)集層特征。

3 低生烴強(qiáng)度區(qū)致密砂巖氣聚集模式與勘探

3.1 致密砂巖氣聚集模式

通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M和綜合地質(zhì)分析可知，低生烴強(qiáng)度區(qū)致密砂巖氣形成機(jī)制主要為：①生烴壓力可作為充注動(dòng)力，但存在生烴下限值，埋深小于3 000 m的地層生烴強(qiáng)度，達(dá)到（7～10）×108m3/km2可實(shí)現(xiàn)有效充注；且由于低生烴強(qiáng)度區(qū)單位時(shí)間內(nèi)供氣較少，在長(zhǎng)期充注的情況下更有利于致密氣形成。②致密砂巖層系只有在相對(duì)低滲砂巖規(guī)模發(fā)育條件下才有利于形成致密氣，如發(fā)育相對(duì)高滲層，會(huì)使天然氣大量運(yùn)移散失或在局部高點(diǎn)聚集，不有利于整體形成規(guī)模性致密氣。③儲(chǔ)集層物性控藏作用較強(qiáng)。與常規(guī)氣的好儲(chǔ)集層利于聚集的作用存在較大差異，具雙重控制作用。對(duì)于低生烴強(qiáng)度區(qū)致密砂巖氣來(lái)說(shuō)，物性相對(duì)較好的砂體，由于天然氣充注不足及容易流動(dòng)散失，天然氣主要聚集在砂體中心和局部高點(diǎn)區(qū)，翼部常表現(xiàn)為含氣水層。而對(duì)于物性相對(duì)較差且規(guī)模性發(fā)育的砂體，天然氣不易快速流動(dòng)散失，普遍含氣。④綜合上述特點(diǎn)，局部甜點(diǎn)區(qū)為高產(chǎn)氣層，不過(guò)由于供氣能力較差，常常產(chǎn)水較高。

據(jù)此，提出低生烴強(qiáng)度區(qū)致密砂巖氣具有“生烴壓力長(zhǎng)期充注、規(guī)模致密砂層聚氣、儲(chǔ)集層物性差異控藏、局部甜點(diǎn)富集”形成機(jī)制。這與早期以高生烴強(qiáng)度區(qū)為核心提出的大面積致密砂巖氣“源儲(chǔ)交互疊置、孔縫網(wǎng)狀輸導(dǎo)、大面積成藏、近源高效聚集”形成機(jī)制[15-16]有一定差異。其中，“源儲(chǔ)交互疊置”是致密砂巖氣形成的基本條件，本文與其認(rèn)識(shí)相同。而“生烴壓力長(zhǎng)期充注、規(guī)模致密砂層聚氣、儲(chǔ)集層物性差異控藏、局部甜點(diǎn)富集”是低生烴強(qiáng)度區(qū)致密氣形成的重要機(jī)制。如圖 7所示，天然氣注入不同物性的砂巖儲(chǔ)集體時(shí)，進(jìn)入物性較好儲(chǔ)集層的天然氣，由于充滿度不夠，主要聚集在砂體中心和局部高點(diǎn)區(qū)，翼部常高含水；而進(jìn)入物性較差儲(chǔ)集層的天然氣，由于儲(chǔ)集層內(nèi)本身含水量較低，天然氣可注入儲(chǔ)集層剩余空隙，由于致密儲(chǔ)集層毛細(xì)管力形成的阻力較大，天然氣不易流動(dòng)，使儲(chǔ)集層具有普遍含氣特征。

由于存在上述形成機(jī)制，低生烴強(qiáng)度區(qū)致密氣在平面的分布連續(xù)性較差，如李18井—蘇307井區(qū)與李4井—蘇260井區(qū)間隔了一個(gè)高含水條帶，使致密砂巖氣在平面上呈“片狀”分布特征。

圖7 鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷北段低生烴強(qiáng)度區(qū)致密砂巖氣聚集模式圖

3.2 致密砂巖氣勘探

鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷北段的生氣強(qiáng)度總體小于蘇里格地區(qū)，為典型低生烴強(qiáng)度區(qū)?？碧綄?shí)踐顯示，山1段產(chǎn)水井較少，盒8段多數(shù)井產(chǎn)水，在區(qū)域構(gòu)造高部位及構(gòu)造低部位產(chǎn)氣井、產(chǎn)水井混雜分布。依據(jù)低生烴強(qiáng)度區(qū)致密氣形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為該區(qū)天然氣聚集與分布存在3種情況：①烴源巖生烴強(qiáng)度為（7～20）×108m3/km2，達(dá)到致密砂巖氣的形成條件；②河道砂體厚度較大、基質(zhì)物性較好及裂縫發(fā)育的區(qū)域，可能存在高產(chǎn)水層，局部高點(diǎn)為高產(chǎn)甜點(diǎn)區(qū)，如盒 8下段蘇340井—蘇318井區(qū)，儲(chǔ)集層滲透率主分布區(qū)間為（0.4～0.9）×10-3μm2、裂縫系數(shù)為 0.06～0.10，最高產(chǎn)水量達(dá)168 m3/d；③河道砂體物性較差的區(qū)域，只要生烴強(qiáng)度達(dá)到（7～10）×108m3/km2則普遍含氣，但產(chǎn)量可能較低，如圖8中蘇402井—李8井以西區(qū)域，儲(chǔ)集層滲透率主分布區(qū)間為（0.1～0.5）×10-3μm2、裂縫系數(shù)主要為0.02～0.06，普遍含氣，低產(chǎn)水，是拓展勘探有利區(qū)帶。近期天環(huán)坳陷北段鉆探近20口探井，其中位于蘇402井—李8井以西區(qū)域的李22、李23、李30、李32、李33、李34等井獲得1×104m3/d以上的工業(yè)氣流，基本不產(chǎn)水或者低產(chǎn)水（見(jiàn)圖8）。

圖8 鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷北段勘探成果

4 結(jié)論

低生烴強(qiáng)度區(qū)具備天然氣注入致密砂巖儲(chǔ)集層的條件，但存在生烴強(qiáng)度下限。由于不同深度、不同物性條件下運(yùn)移的阻力不同，生烴強(qiáng)度下限是一個(gè)范圍值。埋深小于3 000 m、砂巖孔隙半徑為0.5 μm條件下，生烴強(qiáng)度達(dá)（7～10）×108m3/km2能形成有效充注。

低生烴強(qiáng)度區(qū)形成機(jī)制主要為：生烴壓力長(zhǎng)期充注、規(guī)模致密砂層聚氣、儲(chǔ)集層物性差異控藏、局部甜點(diǎn)富集。其中，儲(chǔ)集層物性差異對(duì)致密氣形成的控制作用較強(qiáng)。對(duì)于河道砂體，儲(chǔ)集層物性較好的砂體，砂帶中心區(qū)域或局部構(gòu)造高點(diǎn)富集，翼部常出現(xiàn)高含水層；而物性較差砂體，整體上含氣，但含氣豐度低。勘探實(shí)踐中，天環(huán)坳陷北段蘇340井—蘇318井區(qū)儲(chǔ)集層物性相對(duì)較好區(qū)域，存在高產(chǎn)水情況，而在蘇402井—李8井以西區(qū)域儲(chǔ)集層物性相對(duì)較差，普遍含氣。

符號(hào)注釋：

a——排烴系數(shù)；g——重力加速度，9.8 m/s2；H——水柱高度，m；Hs——烴源巖厚度，m；M——物質(zhì)的量，mol；Qs——生氣強(qiáng)度，m3/km2；R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 33 J/(mol·K)；T——熱力學(xué)溫度，K；Z——?dú)怏w壓縮因子，常數(shù)；r——孔喉半徑，m；θ——潤(rùn)濕接觸角，（°）；ρg1——天然氣在地層中的密度，kg/m3；ρw——水的密度，kg/m3；σ——水的界面張力，N/m；?——烴源巖孔隙度，%。

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