油氣成藏及分布序列的連續聚集和非連續聚集

摘 要

摘要：隨著勘探的深入、科技的發展，諸如煤層氣、頁巖油氣、根緣油氣及水溶氣等多種類型的油氣藏逐步被勘探開發。按照聚集類型可將其劃分為“源端元”及其附近的連續
摘要：隨著勘探的深入、科技的發展，諸如煤層氣、頁巖油氣、根緣油氣及水溶氣等多種類型的油氣藏逐步被勘探開發。按照聚集類型可將其劃分為“源端元”及其附近的連續聚集和“儲端元”及其附近的非連續聚集，分別形成非常規油氣藏和常規油氣藏，并包含了中間多種類型的過渡油氣藏，兼或具有兩種聚集特征。為此，在對油氣成藏和分布序列研究的基礎上，探討了上述兩種聚集類型形成的油氣藏種類、分布和特征等，以期對油氣藏分類和勘探決策提供參考。結論認為：非常規油氣藏和常規油氣藏在理想盆地成藏和分布上構成一個完整的序列，平面上從盆地中心向邊緣、剖面上從深部向淺部依次形成煤層氣藏、頁巖油氣藏、根緣油氣藏、水溶氣藏、常規油氣藏等；在源儲關系(靜態因素)、運移特征(動態因素)及油氣賦存狀態上呈有規律的變化；伴隨著構造、溫壓、生烴量、運聚、儲集等地質條件的變化，連續聚集和非連續聚集的油氣藏可以相互轉化。
關鍵詞：油氣成藏；分布序列；連續聚集；非連續聚集；成藏(聚集)機理；運聚特征；油氣賦存狀態；甜點
    常規油氣藏是一個相對獨立的油氣生成、運移、聚集的自然系統，包括有效烴源巖及所有與其有關的油氣聚集，還包括油氣聚集所需要的所有地質要素和地質作用。這些地質要素和作用必須有適當的時空配置，才能使烴源巖中的有機質轉化為油氣，進而形成油氣藏[1]。而煤層氣藏、頁巖油氣藏、根緣油氣藏及水溶氣藏在油氣來源、運移類型、儲層類型、賦存方式、聚集機理、保存機理、分布規律、資源評價、油氣勘探及開采方式等方面都不同于這類常規油氣藏。筆者在對油氣成藏和分布序列研究的基礎上，通過對各類油氣藏內在本質的研究，分析不同油氣藏之間的內在聯系，對油氣的連續聚集(非常規油氣藏)和非連續聚集(常規油氣藏)進行研究，探討這兩種聚集類型所形成的油氣藏種類、分布和特征等，以期對油氣藏分類和勘探決策提供參考。
1 連續聚集和非連續聚集
    研究證明，同一盆地中有多種類型的油氣藏并存，許多研究者都注意到了這一現象[2～8]。這些油氣藏在空間分布上構成一定的序列[4～7]：在剖面上從深部到淺部依次為：煤層氣藏或頁巖油氣藏、根緣油氣藏、水溶氣藏(氣水過渡帶)、常規油氣藏；在平面上從盆地中心到邊緣依次為：煤層氣藏或頁巖油氣藏、根緣油氣藏、水溶氣(氣水過渡帶)、常規油氣藏，呈環帶狀分布(圖1)。分布序列是成藏序列在盆地內客觀實在的反映，其內在本質是成藏序列的差異性。不同機理類型的油氣藏在盆地中是有序、有規律發育的，它們在地質時間和平面、剖面空間上構成了相互補充完整、相互制約消長的油氣藏分布體系。這種序列分布并非偶然的現象，而是受各種類型天然氣聚集機理和聚集條件的控制[4、9]。在油氣成藏和分布序列上，處于油氣成藏傳統“源端元”(煤層氣和頁巖油氣)及其附近(根緣油氣、水溶氣)的屬于連續聚集(非常規油氣藏)，處于傳統“儲端元”及其附近(各類圈閉油氣藏)的屬于非連續聚集(常規油氣藏)，并且包含了中間多種類型的過渡油氣藏，兼或具有兩種聚集特征。這里指的常規油氣藏和非常規油氣藏是從油氣成藏機理和地質特征上劃分的。
 

    連續油氣藏一詞最早是USGS(美國地質調查局)1995年進行油氣資源評價時用來區別與常規油氣藏不同的一種新型氣藏的名稱。對這類油氣藏[括煤層氣藏、頁巖油氣藏、根緣油氣藏(深盆油氣藏)]需要采用專門的評價方法[10]。筆者認為，這類連續油氣藏不但在資源評價方法上與常規油氣藏不同，而且在地質特征上也與常規油氣藏有著本質的區別。
    這類連續油氣藏由連續聚集形成，是指地質上所有在油氣成因、運移方式、成藏模式、儲層類型、賦存機理、聚集機理、封蓋機理、分布規律及勘探開發方式與非連續聚集(常規油氣藏)有明顯區別，不符合常規油氣成藏地質原理的一類新型油氣藏，包括煤層氣、頁巖油氣、根緣油氣、水溶氣等。連續聚集是指油氣藏下方缺少油水或氣水界面，在油氣藏中油氣沒有分層的特征，油氣的運移、聚集不受水浮力或水動力控制，而是主要靠生烴膨脹力進行運移，不以“置換式”為主要運移方式，而以“活塞式”為主要運移方式(主要指根緣油氣)，不依靠常規圈閉就能聚集的一類油氣藏。這類油氣藏通常具有含氣面積和厚度均較大(一般超過常規油氣藏)、含油氣豐度低、資源量巨大、低孔低滲、開發生產依靠甜點、采收率低、生產周期長和遞減速率低等特征，依靠裂縫的發育程度來獲得經濟效益。連續聚集通常具有過渡帶，漸漸過渡為非連續聚集。這個過渡帶通常就是水溶氣的發育帶，即當儲層的孔滲性變好，天然氣“活塞式”運移模式變為“置換式”時，則出現氣水過渡帶，如果水中溶解的天然氣達到一定的濃度，則成為水溶氣。傳統意義上的深盆油氣藏、生物氣藏是否屬于連續油氣藏，關鍵要看是否具有連續油氣藏的特征，依具體地質情況而定。
    非連續聚集是指依靠浮力運移，聚集在分散圈閉(構造、地層、巖性)中的油氣藏，有明顯的邊底水和油水、氣水界面，主要受浮力和毛細管壓力(蓋層)所控制，連續油氣柱高度和蓋層物性是成藏動力平衡的主要影響因素[9]。非連續聚集主要形成常規圈閉油氣藏，是目前勘探開發最多的一類油氣藏，油氣聚集于孔滲條件較好的圈閉高部位，且油氣藏與烴源巖明顯分開，一般有一定的距離，油氣和地層水的分布服從重力分異原理。
2 油氣分布序列聚集類型
    連續油氣藏和非連續油氣藏在分布特征、成藏要素、油氣運移和聚集、油氣賦存特征、圈閉類型、蓋層類型以及成藏模式等方面區別較大(表1)。筆者主要討論其在分布特征、運移和聚集、油氣賦存方式等3個方面的特征(圖2)。針對油氣藏的兩種聚集類型，連續聚集和非連續聚集，分別形成非常規油氣藏和常規油氣藏，在勘探上應分別對待。連續聚集主要以尋找油氣藏的甜點為主，非連續聚集主要以尋找有利聚集油氣的圈閉為主。

2.1 分布特征
    分布特征是從靜態要素對已形成的油氣藏進行研究，主要表現為油氣藏在盆地平面、剖面上的分布特征，從盆地中心向邊緣、從深部向淺部依次由烴源巖內部自生白儲的煤層氣或頁巖油氣過渡到烴源巖和儲層直接接觸的根緣油氣，進而過渡到烴源巖和儲層有一定距離的水溶氣和常規圈閉油氣，連續聚集通常具有超壓的特征。
2.1.1煤層氣或頁巖油氣
    煤層氣或頁巖油氣位于成藏序列的“源端元”，集生、儲、蓋于一體，為天然氣生成之后在源巖層內就近聚集的結果，表現為典型的“原地”成藏模式[11～12]。簡言之，就是烴類生成以后在烴源巖層大量滯留的結果。煤的儲氣能力與煤的變質程度、溫度和壓力有關，而泥頁巖的有機質類型和含量、成熟度、裂縫、孔隙度和滲透率等是控制頁巖油氣聚集的重要因素。煤層氣或頁巖油氣具有廣泛發育的特征，跨面積很大的地質單元并且有很長的生產時間。如美國圣胡安盆地是目前世界上煤層氣產量最高的盆地，煤層氣聚集在盆地中部的向斜中，吸附態的天然氣被“水力封閉”在煤層中，并且某些構造高部位、地層以及一些復合圈閉形成的“甜點”可能增加該氣藏的生產能力，類似的成藏模式在黑勇士盆地也有發現。威利斯頓盆地的密西西比系 泥盆系的Bakken連續聚集的頁巖油藏，覆蓋很大的面積，頁巖處在生油階段，形成自生自儲的連續頁巖油(具超壓特征)。
2.1.2根緣油氣
    從“源端元”的煤層氣或頁巖油氣向盆地淺部和邊部出現根緣油氣，在國外也稱為深盆氣、盆地中心氣、致密砂巖氣等。根據機理討論，根緣氣的聚集是在生烴膨脹力作用下天然氣對地層水的“活塞式”整體排驅[9]。這類氣藏通常規模很大，覆蓋幾十到幾百平方公里，通常發育在盆地中心、深部，缺少底水，油氣聚集不受浮力的影響，產水少或不產水，無固定氣水界面，上覆地層為含有天然氣的水層，低孔低滲(一般小于0.1×10-3μm2)，不受圈閉的控制。天然氣和地層水不服從重力分異原理，形成氣水倒置的分布特征。在根緣氣藏中，天然氣聚集與氣源巖緊密接觸，雖然天然氣聚集仍然以毛細管壓力封閉為主要控制和影響因素，但流體在剖面上卻表現為不服從重力分異原理的氣、水倒置關系[9]。根緣氣藏與烴源巖的生氣作用程度、儲層物性和深度等因素有關，烴源巖的生氣有效性和致密儲層的物性條件是約束聚集動力平衡的關鍵要素。
2.1.3水溶氣
    從本質上講水溶氣不是天然氣聚集類型，而是天然氣以水溶相運移過程中的一種天然氣“富集”類型，處在運移過程中，溫度、壓力、氣體供應速率等因素稍微變化，水溶氣的平衡就要被打破，就要發生變化，釋放出天然氣形成新氣藏或散失。從聚集機理上看，天然氣水合物和水溶氣具有相似的聚集機理，只是由于所處的地質條件不同而有不同的表現，其本質是水溶氣在低溫、高壓下的轉變類型和水溶氣具有相互轉化的過程[5]。天然氣水合物是特殊地質條件下的水溶氣，雖然兩者在物相形態特征上差別很大，但實際上水溶氣和天然氣水合物在機理上具有一致性。水溶氣和水合物的覆蓋面積更大。
2.1.4常規圈閉氣
    這類油氣藏是目前勘探開發最多的一種，油氣由烴源巖生成，經過有效距離的運移并在圈閉中聚集。
2.2 運移和聚集
    運移和聚集是從油氣藏形成的動態特征進行研究，連續聚集和非連續聚集的油氣藏在運移方式和聚集方式上均不同。“封蓋”是形成常規圈閉油氣藏所必需的，同時也是非常規油氣藏的油氣保存所必需的，只有“封蓋”才能維持油氣藏的壓力和油氣含量。對于連續聚集來說，可能存在一些常規圈閉，但是這些常規圈閉不是油氣聚集所必需的，與吸附態的天然氣相比，游離態的天然氣含量較少，并且重力分異作用造成的油氣水界面在這類常規圈閉中也不明顯。連續聚集具有大面積含油氣、大范圍聚集的特征，而非連續聚集具有分散聚集的特征，如泥巖裂縫性油氣藏只發育在有裂縫發育的一小部分區域，而煤層氣或頁巖氣則是大面積分布的一種氣藏類型，如世界上高產煤層氣的圣胡安盆地和高產頁巖氣的福特沃斯盆地。
2.2.1連續聚集
    油氣在生烴膨脹力的作用下，在烴源巖內聚集形成煤層氣藏或頁巖油氣藏，或短距離運移至致密儲層中形成根緣油氣藏，具有從底部向頂部聚集的特點。煤層氣、頁巖油氣的聚集主要是烴源巖內的，依靠巖石物性進行封閉，維持油氣藏壓力和阻止油氣解析、散失。根緣油氣藏是在儲層本身毛細管壓力條件下的“水力封閉”類型，依靠毛細管中水的壓力將天然氣封閉在其下的儲層中，由于水的流動性、致密儲層的物性及非均質性和烴源巖供油氣能力的限制，根緣油氣藏的頂面不像常規油氣藏那樣有一個統一的、穩定的邊界，其頂部邊界是非穩定的。
2.2.2非連續聚集
    非連續聚集的油氣藏中，浮力是控制油氣運移的主要作用力，通過置換式運移形成規模性聚集，為蓋層封閉條件下的聚集，依靠蓋層的毛細管壓力將油氣封閉在儲層中。油氣是在浮力作用下，從頂部向底部聚集，蓋層的封閉能力和溢出點的高度是控制這類聚集的主要因素，一旦油氣的聚集高度所產生的浮力超過了蓋層所能封閉的壓力，油氣就要通過蓋層散失，或油氣的充注量達到圈閉溢出點，油氣也要散失。
    伴隨著構造、溫壓、生烴量、運移、儲集等地質條件的變化，油氣的運移方式和聚集類型也相應的發生變化，連續聚集的油氣藏可以演化為連續聚集和非連續聚集的油氣藏，如烴源巖內自生自儲為特征的煤層氣藏(頁巖油氣藏)可演化為根緣油氣藏、水溶氣藏或常規油氣藏，根緣油氣藏可以演化為水溶氣藏或常規油氣藏等；非連續聚集的油氣藏可演化為其他類型的非連續聚集油氣藏，甚至演化為連續聚集的油氣藏，如常規油氣藏演化為根緣油氣藏或水溶氣藏。
2.3 油氣賦存方式
    處于“源端元”連續聚集的煤層氣、頁巖油氣具有普遍的地層飽含氣性、隱蔽聚集機理、多種巖性封閉和相對較短的運移距離等特征，油氣賦存方式多樣，可以在天然裂縫和孔隙中以游離態存在、在干酪根(煤)和黏土顆粒表面以吸附狀態存在，甚至在干酪根、瀝青質中以溶解狀態存在。如煤層氣藏中有超過80%的天然氣是以吸附態存在[13]，頁巖氣藏中吸附態賦存的天然氣可占天然氣總量的20%～85%[14]，吸附態賦存機理使這類氣藏具有抗破壞的特點。而與“源端元”的油氣藏緊密接觸的根緣油氣藏，油氣以游離態賦存在孔隙或裂縫中，這和常規油氣的賦存方式一樣；但在根緣油氣藏中，由于儲層致密，油氣的賦存方式與常規油氣藏有一定的區別(主要與烴源巖生烴及排烴強度、儲集層物性和油氣物性等因素有關)，烴源巖的排烴強度、儲層的致密程度以及二者的非均質性(確保大面積“活塞式”運移)是決定油氣賦存能力的關鍵因素。總體上，連續聚集的油氣藏抗破壞性較強，這可能就是美國在落基山地區找到大量根緣氣，在東部、南部和西部前陸沖斷帶找到大量頁巖氣的關鍵所在。
    常規油氣藏中的油氣以游離態聚集在孔隙或裂縫中，油氣的聚集量受孔隙度大小、裂縫發育程度和蓋層封閉能力的影響。這方面的論述非常多，此不贅述。
3 實例：鄂北杭錦旗地區油氣聚集類型
    杭錦旗探區位于鄂爾多斯盆地北部，包括杭錦旗和杭錦旗南2個區塊，總面積9824.6km2，自北向南橫跨伊盟北部隆起和伊陜斜坡2個一級構造單元，主體位于伊盟隆起，可進一步劃分為烏蘭格爾凸起、烏加廟凹陷、公卡漢凸起以及杭錦旗斷階等4個次一級構造單元(圖3)。考慮到研究區的地質特征及勘探現狀，大致以三眼井-泊爾江海子斷裂為界，將研究區分為北部地區和南部地區。研究區烴源巖主要以上石炭統太原組和下二疊統山西組煤系地層為主，南部地區的烴源巖發育比北部好，在南部山西組煤層厚度介于10～20m，北部厚度較薄，零星出露，厚度為0～5m；太原組主要分布在南部，厚度近20m，北部太原組源巖較薄。儲層普遍具有低孔低滲的特征，孔隙度、滲透率變化在層位上總體上表現為，北部地區自下而上有變好的趨勢，而南部地區自下而上有變差的趨勢；平面上各層段的孔隙度、滲透率總體均表現為北部地區好于南部地區。

   受烴源巖分布范圍、生烴史、儲層砂體展布規律、圈閉發育情況、斷裂活動期次及儲層最終致密化時間的影響，該區主要發育兩種不同的聚集類型，連續聚集(煤層氣或頁巖氣、根緣氣、水溶氣)和非連續聚集(常規圈閉氣藏)，主體上分別分布在南部和北部地區。
3.1 連續聚集
主要包括根緣氣、煤層氣、水溶氣和可能的頁巖氣，其中主要的是根緣氣。燕山運動導致斷裂南部地區下沉，儲層的孔滲性進一步變差，在早白堊世晚期，儲層的孔隙度達到最低，各層段平均在6.2%～8.3%，具備形成根緣氣的儲層條件，是形成根緣氣的有利區；并且泊爾江海子斷裂逆沖后期，成為一條封閉斷層，不具備天然氣的運移能力，這期間恰好對應于天然氣的第二次生氣高峰，由于孔滲條件的進一步變差，孔隙度具有下大上小的特點，這期間生成的天然氣，在廣布煤系地層生氣中心、致密儲層的平緩單斜以及它們之間大面積接觸和封閉型斷裂控制的地質條件下，天然氣不能繼續向北、北東方向運移，迫使其在斷裂南部就近原地聚集，表現為整體驅替地層水，以活塞式運移形成根緣氣，具有聚集期晚、抗破壞能力強的特征。在根緣氣上方，氣水過渡帶內，在合適的溫壓條件下可以形成水溶氣。煤層中，由于砂巖儲層致密化程度的加強，煤層的排氣受阻，在煤層中形成煤層氣聚集。另外在天環凹陷存在中奧陶統平涼組頁巖，有機質豐度高、類型好(以腐泥型為主)，大部分地區為“中等-好”級別的烴源巖，除局部地區外，基本達到了高-過成熟階段[15]，具備發育頁巖氣的條件，可能發育有頁巖氣(圖4)。
 

3.2 非連續聚集
    主要為常規圈閉氣藏。早侏羅世的燕山運動使該區東北部略微抬升，形成向南西低角度傾斜的斜坡，同時，由于泊爾江海子等斷裂發生了逆沖[16]，可作為南部油氣向北運移的通道，并在斷裂上盤形成一系列呈串珠狀分布、油氣成藏地質特征相似的構造圈閉群，定型于早中侏羅世，如什股壕、拉不仍、阿日柴達木、浩繞召等圈閉，并且正好對應于天然氣的第一次生氣高峰，這期間生成的天然氣，在壓力和濃度差的作用下，首先運移到砂體中，經斷裂或不整合面向北、北東方向運移到圈閉中以氣頂氣模式成藏，天然氣的成藏主要受構造因素的控制。北部地區成為常規油氣圈閉聚集的有利區，勘探已證實有工業氣流產出，如什股壕構造氣藏。
4 結論
1) 按照聚集類型可把油氣藏分為“源端元”及其附近的連續聚集和“儲端元”及其附近的非連續聚集，分別形成非常規油氣藏和常規油氣藏，并包含了中間多種類型的過渡油氣藏，兼或具有這兩種聚集特征。非常規油氣藏和常規油氣藏在理想盆地成藏和分布上構成一個完整的序列，從盆地中心向邊緣、深部向淺部依次形成煤層氣藏、頁巖油氣藏、根緣油氣藏、水溶氣藏、常規油氣藏等，在源儲關系、運移特征和油氣賦存狀態上呈有規律的變化。伴隨著構造、溫壓、生烴量、運聚、儲集等地質條件的變化，連續聚集和非連續聚集的油氣藏可以相互轉化。
    2) 由于盆地發育的地質背景、盆地性質、演化歷史和階段、地層發育情況、埋藏史、油氣生成歷史、成藏史等差異，油氣成藏和分布序列也存在較大差異，并不是每個盆地都發育全部序列，只有在理想盆地中才能發育完整連續聚集和非連續聚集的油氣藏類型，而在現實盆地中可能只發育其中的一種或幾種類型。
    3) 連續聚集和非連續聚集有著本質的區別，修改和發展了傳統的、占主導地位的油氣生成、運移(充注)、成藏(聚集)、保存及儲層、蓋層性質等機理和理論，將擴大油氣勘探領域，更好地為勘探決策服務。針對油氣藏的兩種不同類型，連續聚集(非常規油氣藏)和非連續聚集(常規油氣藏)，在勘探上應分別對待，連續聚集以尋找甜點為主，非連續聚集則以尋找有利聚集油氣的圈閉為主。
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(本文作者：聶海寬1 張金川2 薛會1 龍鵬宇2 王廣源2 1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院；2.中國地質大學(北京)教育部海相儲層演化與油氣富集機理重點實驗室)