第一章致密储层和致密气
第一节概述
致密储层多以砂岩和砂砾岩为主，通常是指储层渗透率低的砂岩储层。不同学者对致密砂岩储层有不同的分类方案，不同类型致密砂岩气藏的成藏机理和资源潜力也有重要差别。美国通常把砂岩储层渗透率小于0.1mD1mD=0.986923×10-3μm2。的气藏称为致密砂岩气藏，也就是传统意义上的低渗透气藏。当然，这个划分界限并不统一，如加拿大通常用1.0mD作为统一的界限。致密砂岩气的基本定义是储层低渗透，但是具体渗透率多低的储层才算是致密呢？目前国内总体上有一个共识，即认为地层条件下渗透率小于0.1mD的气藏称为致密砂岩气藏，可见这类气藏需要大规模的水力压裂才能形成商业性产能。在致密气藏研究中，一些人把1～5mD的储层也纳入致密储层，还有一些称之为“甜点”气藏的平均渗透率高达几十到几百毫达西以上。这里还存在一个渗透率测量问题，即渗透率需要在原始地层条件下测量，在地表压力下测量渗透率会高于原始压力下的渗透率。可见在致密储层的定义中，渗透率的界定标准比较模糊，所以有人想从生产上来界定，即“除非采用人工压裂增产或是用水平井或丛式井生产，否则不能够产生经济流量或是经济开采数量的天然气”的气藏称为致密砂岩气藏。也就是说，看一个气藏是否属于致密砂岩气藏，还可以从生产历史资料和气藏生产数据来加以判断。
与致密气藏相似的术语还有深盆气藏、盆地中央气藏、连续型气藏等。Masters（1979）首先对北美地区已发现的深盆气藏进行了系统的总结，提出了深盆气圈闭（deep basin gas trap）的概念。Masters（1984）主编出版了AAPG论文专集《深盆地气田实例研究：埃尔姆沃斯(Elmworth)》，该文集对深盆气的沉积背景、成藏理论、勘探方法和开采技术进行了系统的论述。大部分深盆气藏都处于构造下倾方向或邻近盆地的轴部，尽管目前这些致密气单元由于广泛的抬升剥蚀可以出现在盆地的边缘和浅处。北美有超过20个盆地广泛分布着致密气藏，这些气藏的烃源岩热演化程度都达到了成熟阶段，一般分布在盆地深部位，且烃源岩处于生气窗范围内。处于相对浅层的致密砂岩气藏曾经都经历过生气窗阶段，随后又遭遇抬升剥蚀。
Law( 2002)将盆地中央气系统定义为低渗透、具有异常压力、面积大、无明显气水边界的气藏。盆地中央气藏直径为数十千米，常位于具有正常压力、气水边界清晰的常规构造和地层圈闭之下(图1-1)。与常规气藏相比，盆地中央气藏的边界不清晰，无明显的圈闭、盖层和气水界面，异常压力*高点处于生气窗顶部或附近，内部分布有产量较高的“甜点”区。在Law(2002)的直接型盆地中央气圈闭中，沿上倾方向低渗透含气砂岩渐变为高渗透含水砂岩，气体被圈闭在下倾部位，虽然缺乏或没有明显的盖层，但气体不会很快溢散，顶部异常压力界面可以穿越不同的地层边界。
图1-1盆地中央气藏横剖面示意图
对一些大面积分布、缺乏明显气水界面的气藏，也称之为连续型气藏( Gautier et al.，1996；Schmoker，2002)。连续型气藏是一个很宽阔的概念，包括了致密砂岩气、煤层气、页岩气及天然气水合物等。这是气藏的一个大类，气水边界不清且伴生水较少的特征说明该气藏是一个不受浮力控制的系统。不管致密气藏以何种名称出现，是深盆气藏、盆地中央气藏还是连续型气藏，它们的资源潜力都非常巨大。这些非常规天然气聚集也是大规模勘探开发的对象，在经济和技术条件允许的情况下，它们将成为重要的资源。
致密砂岩气资源量是巨大的，但是到底有多大，是个颇具争议的问题，需要掌握充分的数据才能做出回答。其中地质信息*为重要，主要包括盆地构造、沉积环境、圈闭类型、流体类型、压力体系及储层的性能等。致密砂岩气的采收率一般很低，随着气价升高，需要进一步提高增产技术，*终都将促使井网的加密。开发井的加密将会导致单井储量和产量的下降。但无论是过去还是现在，致密砂岩气都是天然气生产中不断增长的、也是不可或缺的领域。它对天然气工业的日益增长的重要性不言而喻，也仍将是我国天然气工业不可或缺的重要部分（戴金星等，2000；戴金星，2014）。
美国大部分致密砂岩气产量来自三个区域：①西部落基山盆地群；②东得克萨斯和北路易斯安那；③南得克萨斯。落基山盆地群中大多数盆地，如圣胡安(San Juan)、尤因塔(Uinta)、皮申思(Piceance)、大绿河(Greater Green River)和风河(Wind River)的白垩系储层，是美国致密砂岩气的核心产区。东得克萨斯和北路易斯安那的上侏罗统和下白垩统储层为美国第二大致密砂岩气的生产中心。南得克萨斯古新统以及上白垩统致密砂岩气产量与西部落基山盆地群产量相当，但由于其增长率太低，屈居第三位。其他地区的致密砂岩气产量都不大。阿纳达科(Anadarko)盆地致密砂岩气产量的快速增长使之成为一个重要的致密砂岩的产气区。
Emmons(1921)在《石油地质学》一书中指出，宾夕法尼亚地质调查局的很多研究者反对背斜理论，他们认为“有很多油气聚集在向斜中”。这说明很早以前，这些大量的、非常规油气的聚集已经被注意到了，然而遗憾的是，只能将这些油气聚集解释为独*性，而没有创造性地提出一些新的理论。在圣胡安盆地早期开发中，人们就认识到天然气的普遍分布，大量低压的天然气分布在盆地向斜或者深部位，气藏基本不含水，而且这些气藏沿着沉积走向一直到附近的露头呈连续分布而散失掉。人们猜测，这个巨大的天然气藏很可能是个水动力圈闭。于是，在石油地质类的教科书中，就有了圣胡安盆地作为水动力圈闭的典型实例。同样处于丹佛盆地向斜部位的瓦滕堡(Wattenburg)气田，当时也被认为是常规的地层圈闭，其分布面积很大，没有底水。之后，通过对比不同盆地各个单元，发现一些大型油气田都分布在盆地的向斜部位，没有底水或者边水，常具异常压力，即使含气单元与附近露头连续分布，天然气也没有散失。
20世纪70年代以来，美国、加拿大政府和各大石油公司对致密砂岩气的研究给予了高度重视，并进行了理论技术和方法的综合研究，特别是在烃源岩地球化学评价、成藏模拟、岩心和测井储层评价、“甜点”描述及压力分布预测方面取得了很大的进展，广泛推进了深盆气地质理论的发展。在深盆地气田实例研究中，涉及的内容非常广泛，不仅包括了盆地沉积环境、地球化学、测井曲线岩性标定、异常压力、生产特性、完钻井以及具体单元的勘探史等，还对深盆气气水倒置及形成机理进行了讨论，通过对埃尔姆沃斯气田的研究，建立了艾伯塔盆地气田模式（Masters，1984）。Spencer和Mast(1986)出版了AAPG论文专集《致密储层地质学(Geology of Tight Gas Recenoir)》，该文集对美国大陆内盆地深盆气藏的成藏理论、分布规律和技术进行了论述。他们从储层的角度总结了大量盆地及地质背景下的致密砂岩气藏的数据和资料，提出了裂缝和二次溶蚀在“甜点”形成过程中的重要作用，这些“甜点”的区域储层特性及天然气产量都非常好。之后，加拿大、美国、墨西哥等地的致密砂岩气盆地都不断进行着各种勘探、评价和开发，对深盆气藏的研究一直没有停止，主要集中在深盆气藏形成机理与分布规律方面。Law和Dickinson(1985)以及Meissner (1979，1982，1987)等通过描述起初的超压气到现在的低压气的演化过程，解决了异常压力的问题。他们强调了天然气的生成量与散失量、上倾运移量、扩散量之间相对平衡的重要性。天然气生成初期，从烃源岩中生成的天然气进入邻近的储层形成超压封隔箱，随着干酪根的全部转换或者生烃灶因抬升作用而关闭，封隔箱中的天然气继续散失，使得超压系统从上倾的边界开始逐渐变为低压系统(Sundam et al.，1997)。
Shanley等(2004)认为怀俄明州西南部大绿河盆地的低渗透气藏可能不属于盆地中央气藏的模式，把这些气藏看作常规圈闭可能更合适，是常规构造、地层和复合圈闭。底水的存在、天然裂缝以及影响产量的地层变化与盆地中央气藏模式不一致。这些隐蔽圈闭以前看作是“甜点”，但随着认识的深入，有些观点可能要改变。隐蔽的常规构造、地层圈闭也是商业性气藏的有利聚集区。
有关致密砂岩气的文献论述颇多，涉及烃源岩、成熟度、排烃和运移、压力、储层性质以及流体性质之间的关系等多方面的研究。
第二节致密气藏的主要特征
致密砂岩气涉及的研究内容十分广泛，包括盆地的构造背景、致密储层的沉积环境、烃源岩及成熟度、排烃和运移、地层压力、储层性质以及流体性质等多个方面。在早期深盆气的研究中，人们提出了天然气的形成过程是动态的、不断变化的，也认识到了这些天然气与常规构造、地层圈闭中静态的天然气不同。随着对致密砂岩气研究的深入，人们对原来深盆气运聚模型的适用性提出了质疑，相继提出了多元化的致密砂岩气预测模型，强调了优质成熟烃源岩与储层紧邻接触对致密砂岩成藏的关键性，并通过实验分析发现天然气的充注与储层空间的相对关系决定了气藏的压力。
致密气田大都分布在盆地中央或构造下倾部位，且分布规模巨大。这些盆地多紧靠物源区，碎屑沉积活跃，碳质泥岩和煤层发育，储层成岩作用强度大，加快了致密储层的形成。成熟的煤系源岩、致密储层、页岩隔层便组成了一个高性能的烃类产生器。尤其是成熟的煤系烃源岩与储层的紧密接触，产生了天然气高效充注的无水气藏。
一、河流扇和浪控滨岸是主要沉积背景
从目前国内外发现的大型致密气田的形成环境来看，致密气储层可以发育在陆相、海相和海陆过渡相的各种地层中，但大型致密气田生储岩系的沉积环境以河流扇和滨岸沉积为主。据Masters（1984）、Smith等（1984）、Spencer和Mast（1986）等的研究，北美落基山地区大型致密气储层主要为砂岩和砾岩，其沉积相类型有辫状河平原、河道、海滩、障壁岛、潮汐水道、浪成三角洲等几种，尤其是一些被煤系烃源岩直接覆盖的海岸障壁砂体是致密气充注*好的单元，这已在艾伯塔盆地深层的Falher组中得到证实。也就是说河流及河流扇体系、浪控滨岸体系是各类致密气田形成的主要环境（Zhang et al.，2019a，b，c）。从国内情况来看也是如此，如鄂尔多斯盆地山西组致密气田形成于广阔的河流扇体系，而太原组致密气田形成于浪控滨岸环境的障壁-潟湖体系。我国的近海盆地浪控滨岸沉积更为发育，主要为海滩和滨面、障壁岛-潟湖和浪控三角洲（Zhang et al.，2019c；Liu et al.，2019）。但是，从大气田储集砂体的规模来看，河流（尤其是河流扇）体系是形成大型-特大型致密气田的主控沉积要素。
河流扇根据河道类型可以进一步划分为辫状河扇和曲流河扇，主要是由多条分支状的辫状河和曲流河在湿地环境中穿行而形成的多河道沉积体系。河流扇的主要特点如下：①体系规模巨大，半径可达几十至几百千米，多为大型和中型河流扇，分布面积多超过1×104km2；②既可以是单物源也可以是多物源，可包括一条或多条分支河道，从近源到远源呈放射状展布；③顺着沉积斜坡向下游，沉积物粒度变小，河道的尺度规模减小；④从近源到远源，随着蒸发作用增加，可由湿地环境向旱地环境转化；⑤河道的远端缺乏稳定的水体，不存在传统的三角洲前缘沉积环境；⑥从近源到远源，煤层和暗色泥岩的分布厚度变小。
鄂尔多斯盆地位于中国华北地块的西缘，是一个多旋回克拉通盆地，面积为37×104km2。盆地基底由太古宇及元古宇变质岩组成，中新元古界以海相、陆相的裂谷沉积为特征，厚度为200～3000m；下古生界以海相碳酸盐岩为主，厚度为400～1600m；上古生界发育的石炭-二叠系沉积不整合超覆在元古宇或下古生界（主要奥陶系）组成的沉积基础层之上，缺失泥盆-下石炭统，以浪控滨岸、河流扇和湿地沼泽相为主，厚度为600～1700m；中生界主要以内陆河流、湖泊沼泽相沉积为主，地层厚500～300m；新生界在盆地内部较
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