不同運(yùn)聚模式的游離相天然氣成藏描述

不同運(yùn)聚模式的游離相天然氣成藏描述

0加大執(zhí)行和調(diào)節(jié)天然氣形成和應(yīng)用研究在北美，常規(guī)天然氣逐漸成為增加儲量和開發(fā)生產(chǎn)的重要資源。對美國進(jìn)行統(tǒng)計,已發(fā)現(xiàn)的根緣氣、煤層氣和頁巖氣可采儲量分別占天然氣總量的24%、6%和4%,合計占天然氣總量的34%。它們均屬于連續(xù)型天然氣(ContinuousGas),通常出現(xiàn)在同一個盆地中(如圣胡安盆地等),構(gòu)成了多機(jī)理類型天然氣的共生共存。在中國,非常規(guī)天然氣研究正逐漸展開,非常規(guī)天然氣正在成為具有巨大潛力的重點(diǎn)領(lǐng)域(如四川、鄂爾多斯、吐哈等盆地)。游離相天然氣(常規(guī)儲層氣、根緣氣、頁巖氣)具有連續(xù)的成藏動力機(jī)理和過程特點(diǎn),形成可預(yù)測的分布規(guī)律,天然氣成藏動力研究具有廣泛的勘探意義。1常規(guī)儲層氣藏形成模式在成藏機(jī)理上,常規(guī)儲層氣藏被界定為在浮力作用下,以置換方式進(jìn)行運(yùn)聚成藏的天然氣。該類氣藏形成的基本要求是地層流體具有物理意義上的連續(xù)性,能夠滿足浮力發(fā)生作用的條件,即機(jī)械勢能能夠自由交換(對應(yīng)的儲集層孔隙度和滲透率相對較大)的連續(xù)性介質(zhì)要求,導(dǎo)致天然氣在儲集層中的運(yùn)移表現(xiàn)為氣、水在能量上的不斷交換和空間位置上的不斷置換(見圖1),從而完成能量傳遞過程。這些作用和過程通常發(fā)生在孔滲條件最優(yōu)的介質(zhì)中,形成了天然氣運(yùn)移路徑或運(yùn)移高速通道,視為天然氣聚集體和烴源巖之間所存在的物理(地層水)分隔。當(dāng)遇到物性條件較差的蓋層(毛細(xì)管阻力較大)時,流體的連續(xù)性條件遭到破壞,阻止天然氣運(yùn)移并使其聚集,從而形成天然氣首先從圈閉頂部開始聚集、天然氣聚集體與蓋層直接接觸的儲集層頂部含氣特點(diǎn)。假設(shè)單位面積內(nèi)連續(xù)氣柱頂、底界埋深分別為h1和h2(連續(xù)氣柱高度H=h2-h1),對應(yīng)所受的靜水柱壓力分別為ρwgh1和ρwgh2,運(yùn)移過程中所受到的蓋層毛細(xì)管阻力為pc,則運(yùn)聚成藏動力平衡方程可表示為向上運(yùn)移動力(連續(xù)氣柱頂、底界所受靜水柱壓力之差所產(chǎn)生的浮力)與天然氣運(yùn)移的阻力(毛細(xì)管排驅(qū)壓力與天然氣自身重力之和)之間的平衡,即霍伯遜成藏動力平衡方程:ρwgh2?ρwgh1=pc+ρgg(h2?h1)(1)ρwgh2-ρwgh1=pc+ρgg(h2-h1)(1)式中ρw,ρg——地層水和天然氣密度,kg/m3;g——重力加速度,m/s2;pc——毛細(xì)管排驅(qū)壓力,MPa。進(jìn)一步考慮區(qū)域地層流體運(yùn)動所產(chǎn)生的水頭影響(伯格修正項(xiàng)),并假設(shè)為Δh水柱高度,則常規(guī)儲層氣藏形成的動力平衡方程可修正并簡化為:pc=(ρw?ρg)gH±ρwgΔh(2)pc=(ρw-ρg)gΗ±ρwgΔh(2)(2)式即為計算蓋層封閉最大油氣柱高度時常用的霍伯遜-伯格方程。上式表明,常規(guī)儲層氣藏的形成條件與其埋藏深度沒有直接關(guān)系,對天然氣成藏起主要作用的因素是天然氣聚集過程中所遇到的蓋層毛細(xì)管排驅(qū)阻力。由于常規(guī)儲集層的毛細(xì)管排驅(qū)壓力較小,天然氣聚集首先從圈閉頂部即蓋層底部開始,蓋層質(zhì)量和圈閉大小是決定天然氣聚集規(guī)模的關(guān)鍵因素。2致密儲集層典型根緣氣成藏動力機(jī)制與常規(guī)儲層氣藏相對應(yīng),根緣氣藏被界定為具有致密砂巖底部含氣特點(diǎn)的天然氣聚集。與此大致對應(yīng)的術(shù)語還有盆地中心氣、深盆氣等。典型的根緣氣藏通常形成于致密砂巖地層中。由于致密砂巖地層的孔、滲物性條件較差(孔隙度一般小于12%,滲透率小于1×10-3μm2),天然氣在其中的運(yùn)移受到嚴(yán)重制約和阻止。其主要原因歸結(jié)于地層流體的不連續(xù)性,即由于儲集層物性條件差,加之通常所伴生的孔、喉半徑較小,在三相周界條件下限制了流體能量交換,天然氣無法按照常規(guī)方式進(jìn)行置換式運(yùn)移,而是以不斷膨脹的方式把地層水推移開來,導(dǎo)致氣、水之間機(jī)械勢能的直接傳遞。在氣源充足條件下,從氣源巖中排出的天然氣將原始儲集層中的地層水整體推移開來,形成儲集層孔隙中的活塞式氣水運(yùn)移方式(見圖2)。所以,致密儲集層本身就具備了蓋層的基本功能——阻止天然氣的向上運(yùn)移,形成了致密儲集層與氣源巖大面積接觸、致密砂巖底部含氣的成藏特點(diǎn)。由于天然氣聚集體頂、底部不具備能量交換的連續(xù)性介質(zhì)條件,故通常意義上的浮力作用條件不再具備。在沒有浮力作用條件下,天然氣聚集成藏具有較大的特殊性——即典型根緣氣從砂巖底部開始聚集的特點(diǎn)。氣水活塞式運(yùn)移的主要驅(qū)動力來自于天然氣的膨脹作用,包括了生氣作用所產(chǎn)生的膨脹、構(gòu)造作用所形成的擠壓以及儲集空間減小可能產(chǎn)生的天然氣壓力增加等。受生烴化學(xué)作用過程控制,天然氣產(chǎn)生于較高的溫度和壓力環(huán)境中,因此它本身具有較高的機(jī)械勢能。假設(shè)氣源巖的生氣能力確定且某一時期所產(chǎn)生的天然氣運(yùn)移動力為pe(相當(dāng)于氣源巖的生烴膨脹力),致密儲集層的毛細(xì)管排驅(qū)壓力為pcr,連續(xù)氣柱高度為H,同時考慮區(qū)域流體運(yùn)動所造成的水頭(Δhρwg)變化(其他假設(shè)同上),則天然氣向上運(yùn)移的動力與阻力(包括致密儲集層毛細(xì)管排驅(qū)壓力、連續(xù)氣柱上覆靜水柱壓力以及天然氣柱自身重量)相平衡,即典型根緣氣成藏動力平衡方程可表示為:pe=pcr+ρwgh1+ρggH±ρwgΔh(3)pe=pcr+ρwgh1+ρggΗ±ρwgΔh(3)或pe?pcr=ρwg(h1±Δh)+ρggH(4)pe-pcr=ρwg(h1±Δh)+ρggΗ(4)根據(jù)上式,典型根緣氣的成藏不僅與連續(xù)氣柱高度有關(guān),而且受儲集層物性及儲集層埋藏深度影響,儲集層物性越致密、埋藏深度越大,根緣氣成藏的有利性越好。實(shí)際地質(zhì)條件下,由于儲集層條件及源儲關(guān)系的變化,根緣氣的成藏及發(fā)育常具有非典型性,根緣氣難以達(dá)到理論上的最大連續(xù)氣柱高度,通常表現(xiàn)為大范圍底部含氣砂體的疊置組合,剖面上呈彼此連續(xù)或分隔的天然氣聚集,即多含氣段構(gòu)成的復(fù)雜含氣剖面。這就需要尋找一種具有機(jī)理連續(xù)性和應(yīng)用普遍性的解決方法。借助于流體介質(zhì)連續(xù)性的變化及天然氣運(yùn)聚原理的一致性,可對這一問題進(jìn)行探討,并在此基礎(chǔ)上分析頁巖氣成藏動力平衡。3天然氣向上運(yùn)移的方式和能力頁巖氣可以界定為同時以吸附和游離狀態(tài)存在于頁巖(美國研究者所指的頁巖包括了本文所指的泥巖和頁巖,對應(yīng)于國內(nèi)學(xué)者所指的泥頁巖)層系中的天然氣。除泥頁巖以外,還包括粉砂巖、細(xì)砂巖或粒級更大的薄互砂巖夾層。天然氣的聚集具有源儲一體的自生自儲特點(diǎn)。根據(jù)資料估計,兩種相態(tài)的天然氣大約各占二分之一。對于其中的游離相天然氣來說,由于儲集介質(zhì)的非均質(zhì)性強(qiáng),天然氣在其中的運(yùn)移方式可能分別表現(xiàn)為活塞式、置換式或兩者之間的任意過渡形式(見圖3),簡單并準(zhǔn)確描述其中的氣水運(yùn)移動力平衡過程難度較大。在實(shí)際地質(zhì)條件下,天然氣的運(yùn)聚動力變化極具多樣性和復(fù)雜性,當(dāng)多種地質(zhì)條件同時具備時,以氣源巖為核心,可在單盆地內(nèi)同時形成多種類型天然氣的順序聚集(見圖4)。以典型意義上的常規(guī)儲層氣和根緣氣為端元,則復(fù)雜條件下的天然氣運(yùn)聚動力平衡過程兼具上述兩者特征。根據(jù)常規(guī)儲層氣藏形成時的置換式氣水運(yùn)聚模型,為了滿足最小能量原理,密度較小的天然氣將存在不斷向上運(yùn)移的趨勢。而當(dāng)天然氣向上運(yùn)移時,必須有等量的地層水向下運(yùn)移以填補(bǔ)天然氣的移出空間,伴隨著空間位置的交換,逐步實(shí)現(xiàn)了氣水分異的目的(見圖5)。由此分析,決定天然氣能否向上運(yùn)移的關(guān)鍵因素是等量地層水向下的回流程度(或回流能力,它決定了天然氣對地層水的排替方式和排替能力)?；亓髂芰υ綇?qiáng),流體機(jī)械勢能的傳遞能力越強(qiáng),表明地層流體的連續(xù)性介質(zhì)條件越好,即儲集層的孔滲條件越好,天然氣的運(yùn)移能力也就越強(qiáng)。若以e表示地層流體的連續(xù)性程度,即天然氣運(yùn)移過程中地層水回流能力(規(guī)定其值介于0和1之間),而地層水相對滲透率為K,經(jīng)歷時間為t,則地層水的回流程度是相對滲透率、生烴膨脹力以及時間等多因素的函數(shù):e=f(K,pe,t,?)(5)e=f(Κ,pe,t,?)(5)在嚴(yán)重致密、致密、近致密的儲集層條件下,地層流體表現(xiàn)或趨于表現(xiàn)為非連續(xù)性介質(zhì),在天然氣向上運(yùn)移的同時,地層水不能或無法及時向下回流,表現(xiàn)為不同程度的復(fù)雜關(guān)系,從而導(dǎo)致活塞式與置換式之間任意運(yùn)移方式的產(chǎn)生,即形成致密儲集層底部含氣、氣水同層、含氣異常、長井段氣顯或地層剖面上的不規(guī)則含氣等特點(diǎn)。因此,地層水的回流程度決定了天然氣向上運(yùn)移的方式和能力。根據(jù)流體介質(zhì)連續(xù)性條件及滲流力學(xué)原理,并考慮地層流體的能量傳遞效率,可建立天然氣在復(fù)雜介質(zhì)(不同連續(xù)性程度)條件下的動力平衡關(guān)系(基本假設(shè)同前):(1-e)pe+eρwgh2=pcr+ρwg(h1±Δh)+ρggH(6)或(1-e)pe-pcr=ρwg(h1-eh2±Δh)+ρggH(7)(7)式即為頁巖氣成藏條件下的天然氣運(yùn)聚動力平衡關(guān)系。上式表明,頁巖中游離相天然氣的聚集平衡與生供氣有效性、儲集介質(zhì)物性、流體介質(zhì)連續(xù)性、氣藏埋藏深度及連續(xù)氣柱高度等因素密切相關(guān)。儲集層致密程度和埋藏深度增加,有利于地層普遍含氣性的提高;物性變好、埋深減小,有利于天然氣按物質(zhì)密度的重力分異,導(dǎo)致其中的天然氣趨向于在相對較高部位進(jìn)行聚集。當(dāng)頁巖地層普遍嚴(yán)重致密但裂縫發(fā)育時,其中的游離相天然氣運(yùn)聚條件雖然復(fù)雜,但在原理和過程上類似于常規(guī)裂縫中的天然氣運(yùn)移。在裂縫中,天然氣的儲集物性優(yōu)越,流體連續(xù)性好、機(jī)械位勢置換暢通,此時e=1,則上式簡化并轉(zhuǎn)換為典型的常規(guī)儲層氣成藏方程,即典型的霍伯遜-伯格方程(決定天然氣以置換方式進(jìn)行運(yùn)移)。當(dāng)頁巖儲集層致密且其中裂縫不發(fā)育時,儲集層流體連續(xù)性介質(zhì)條件遭到破壞,氣水之間的機(jī)械勢能和位置置換作用終止,只能在膨脹力作用下發(fā)生活塞式氣水排驅(qū)。此時,e=0,則(6)式或(7)式就可簡化為(3)式或(4)式,即為典型根緣氣成藏方程(決定天然氣以活塞式進(jìn)行運(yùn)移)。不僅如此,(6)式或(7)式還適用于特殊的常規(guī)儲層氣、致密砂巖氣(根緣氣)以及煤層氣(游離部分)的成藏原理及過程研究。還可用于石油的運(yùn)聚成藏研究,具有相對寬泛的適用范圍。由于(6)式或(7)式可以適用于任意復(fù)雜的儲集層條件,故可以適用于頁巖氣成藏研究。4以天然氣成藏動力平衡方程確定儲層氣藏有利段—應(yīng)用討論常規(guī)儲層氣、根緣氣和頁巖氣是游離相天然氣的主體,也是目前已投入勘探開發(fā)的重要類型。復(fù)雜介質(zhì)條件下的游離相天然氣成藏動力平衡是一個值得深入探討的問題,使用前述討論方程,可分別對不同聚集類型的天然氣進(jìn)行定量描述和分析、分布規(guī)模預(yù)測及成藏過程模擬。文中討論的連續(xù)變化方程是在簡化條件下推導(dǎo)和建立的,考慮的地質(zhì)因素也相對較少,許多復(fù)雜問題未作進(jìn)一步闡述,有待逐漸完善和補(bǔ)充。典型常規(guī)儲層氣和根緣氣成藏條件下的置換式和活塞式氣水排驅(qū)模式是多種游離相天然氣運(yùn)移方式中的兩個基本代表。泥頁巖地層結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜,其中的氣水排驅(qū)過程和游離相天然氣運(yùn)聚特點(diǎn)目前尚難以準(zhǔn)確描述,連續(xù)(普適)性方程的建立和使用有助于非典型性成藏的頁巖氣研究。天然氣連續(xù)性成藏動力平衡方程的使用需要如下假設(shè)條件:①天然氣的運(yùn)移為向上的單一過程,天然氣聚集體內(nèi)部物性均一;②計算單元為平面上的單位面積,其中的天然氣柱連續(xù);③氣水勢能等量交換,公式表達(dá)為成藏動力平衡狀態(tài)。根據(jù)這些要求和假設(shè),可對天然氣成藏地質(zhì)條件復(fù)雜的杭錦旗地區(qū)進(jìn)行初步討論。該區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部,其地質(zhì)條件特殊,區(qū)域南傾的構(gòu)造古斜坡使其成為多種類型氣藏同時發(fā)育的有利場所。該區(qū)主要發(fā)育了上石炭統(tǒng)太原組及下二疊統(tǒng)山西組的煤和泥頁巖,泥頁巖平均厚度20～30m,煤層一般厚10m,泥頁巖和煤的有機(jī)碳含量分別為0.78%～8.58%和44.16%～82.32%,平均值分別為4.5%和62%。有機(jī)質(zhì)成熟度為0.4%～1.3%,故Ⅲ型干酪根處于大量生氣階段,分別有利于形成較高聚集豐度的頁巖氣和煤層氣。研究區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明,致密砂巖儲集層的孔隙度平均值只有9.7%,砂巖最小孔隙度只有0.3%,一般分布在4%～12%,占全部樣品數(shù)量的70%;滲透率小于1×10-3μm2的樣品占測試樣品總數(shù)的64%,滲透率介于1～10×10-3μm2的占32.46%。這些物性要素及其與烴源巖之間的組合關(guān)系,導(dǎo)致研究區(qū)又分別形成了根緣氣和常規(guī)儲層氣。前人研究表明,該地區(qū)處于“深盆氣”的區(qū)域氣水過渡帶,氣測資料也顯示了頁巖氣的存在。總之,在研究區(qū)內(nèi)同時發(fā)育了常規(guī)儲層氣、根緣氣、煤層氣及頁巖氣。根據(jù)烴源巖、儲集層及天然氣成藏特點(diǎn),鄂爾多斯盆地北部的天然氣具有南富北貧的發(fā)育特點(diǎn)。杭錦旗北部地區(qū)缺乏烴源巖,但能夠很好地滿足常規(guī)儲層氣藏的形成條件,視為常規(guī)儲層氣藏發(fā)育區(qū),使用霍伯遜-伯格方程易于計算蓋層所能封閉的最大連續(xù)氣柱高度;結(jié)合烴源巖特點(diǎn)及砂巖底部含氣識別特征,該地區(qū)南部及其圍緣發(fā)育煤層氣、根緣氣及頁巖氣。在氣測剖面上,煤、泥頁巖及其與之緊鄰的致密砂巖地層底部含氣異常明顯,常規(guī)儲層氣藏動力平衡方程不再完全適用,視為多類型及過渡類型氣藏的發(fā)育有利區(qū)域。計算結(jié)果表明,大致以2000～2500m作為成藏類型分界,界線以上屬于常規(guī)氣藏發(fā)育范圍,以下屬于根緣氣藏發(fā)育有利段,煤層氣及頁巖氣則主要隨其生氣能力而定,埋藏深度對其約束不大。該地區(qū)常規(guī)儲層氣藏與其他類型氣藏之間的平面界限大致在伊8井—錦8井—錦10井—伊19井沿線附近