庞雄奇：深层致密介质中油气富集成藏动力机制与演化模式
报告人：庞雄奇 | 整理：汪文洋（岩石圈室）
摘要：油气短缺迫使勘探从中深层走向超深层，近十多年来我国中西部盆地超过6000米系列大型油气田相继发现鼓舞我们不断向深层拓展。然而，油气是如何克服深层致密介质中强大毛细管阻力富集起来的一直让人们迷惑不解；非浮力虽然被普遍地认为是深层油气富集成藏的主导动力，但哪种非浮力以及在非浮力主导下油气富集成藏与浮力主导下常规油气富集成藏有何不同也一直没有明确认识。本研究从渤海湾盆地2938口探井钻遇67944目的层的结果分析出发，通过统计模拟、物理模拟和数值模拟等方法揭示了深层致密介质条件下油气富集成藏的主导动力并建立了演化模式，阐述了油气富集程度随埋深和储层致密程度的变化规律。
1．科学问题
中国深部地层时代老、埋深大、成熟度高，油气勘探已经走在世界前列，深层和超深层展示广阔前景但遇到重大挑战。与盆地浅层油气浮力主导成藏不同，深层致密油气藏为非浮力形成，这些非浮力包括哪些？深层致密介质毛细管阻力巨大，油气富集动力是什么？非浮力成藏有多种动力机制，哪种非浮力贡献量最大？
2．深层致密油气藏分布地质特征
致密油气藏为需要通过压裂改造等措施才能获得商业产能的非常规油气藏，基本地质特征为油气藏埋深较大、孔隙度和渗透率较低。大量实例剖析结果表明致密油气藏形成分布的原因主要有两个：一是沉积颗粒细小；二是压实成岩较强。致密油气藏最早在加拿大Albert盆地发现，后在美国绿河、红色沙漠等盆地发现，再后在中国鄂尔多斯、四川、准噶尔、松辽等盆地发现，近期又在哈萨克斯坦楚-萨雷苏盆地发现。致密油气藏分布发育广，资源潜力大，勘探前景好。深层致密油气藏有如下三个地质特征：低孔低渗、源储紧临、位于浮力成藏下限之下（Pang et al., 2021）。
3．深层致密油气藏的成因类型与主控因素
致密油气藏成因有两类五种机制（图1）。第一大类为源外致密油气藏，分为三小类，分别为致密圈闭型，成藏动力机制为早期浮力成藏，晚期压实致密；致密深盆型，早期储层压实致密，后期非浮力成藏；致密复合型，早期浮力主导成藏，晚期非浮力主导成藏。第二大类为源内致密油气藏，有两小类，包括超致密页岩型和超致密煤层型，成藏动力包括分子吸附力、流体粘滞力、毛管力滞留和束缚水封堵。
深层致密油气藏富集的主控因素主要包括沉积岩相、埋藏深度和成藏动力。砂岩目的层沉积岩相特征是影响油气富集程度关键因素；埋藏深度是影响目的层富油气程度综合要素；储层内外毛细管力差是深层油气富集成藏关键动力，非浮力作用对油气富集随目的层埋深增大贡献量增加。
图1 深层致密油气藏的成因类型
4．致密介质油气富集动力与源岩排油气作用相对贡献量模拟
致密介质中的毛细管力是油气排运的阻力，与水中油气界面张力、油气水接触角、介质内孔喉半径有关；目的层与围岩之间的毛细管力差是油气运移动力。油气自致密围岩进入目的层富集前提条件是毛管力差大于目的层内的毛细管力。毛细管力差驱动油气成藏物理模拟实验结果显示：油气富集成藏的基本条件是目的层孔喉半径大于围岩孔喉半径2倍以上，储层内外毛细管力差是决定油气富集程度的关键要 素。
油气藏形成是源岩层埋深演化过程中多动力综合排油气成藏的结果，源岩多动力排油气过程分三个阶段：第一阶段，压实作用与水溶扩散相排烃阶段，此阶段生烃量还没有饱和源岩滞留需要，压实作用排出大量孔隙水，扩散作用排出少量烃；第二阶段，多动力多相态大量排油气阶段，此阶段石油和天然气饱和了源岩滞留需要，岩石流体体积膨胀、干酪根转化和粘土矿物转化增容、毛细管力差等多种动力导致油气排出；第三阶段，高温裂解与分子扩散缓慢排油气阶段，此阶段源岩内滞留烃能力降低，原油因高温裂解与分子扩散是油气排运主要动力，由于生烃潜力已近枯竭，排出烃量有限。
源岩层埋深演化过程中排油气动力包括五类九种：源内岩石热膨胀排烃、源内油热膨胀排烃、源内气热膨胀排烃、源内水热膨胀排烃、源岩压实排烃作用、源内粘土转化脱水增容排烃、源内干酪根产物增容排烃、源储间毛细管力差输导有机网络输导排烃作用和源储间烃浓度扩散排烃作用，源岩层多动力排烃量与相对贡献量评价技术思路可参考论著《含油气盆地地史、热史、生留排烃史数值模拟研究与烃源岩定量评价》（庞雄奇等，1993）。塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩烃源岩埋藏过程中9种动力排油气水量变化与相对贡献量评价实例显示，早期主导源岩排烃动力为地层压实作用，其相对贡献量大于50%深埋后期，主要排烃动力为毛细管力差，其相对贡献量大于80%。
5．致密介质油气富集动力机制演化模式
在致密介质油气成藏过程中，源岩层和砂岩层随埋深增大的差异压实作用导致了有效毛细管力差的形成与变化，源储间毛细管力差对油气富集的贡献量最大，储层埋深越大其贡献量越大。砂岩储层埋深增大或储层致密化过程中油气富集动力机制可以划分为五个不同阶段：压实成藏、浮力成藏、浮力和毛管力差主导成藏、毛细管力差和构造应力改造（图2）。早期受压实作用，源岩成熟，开始生烃；埋深加大，源岩开始排烃，储层依然为高孔渗状态，浮力主导油气成藏，源-储半径差异在此阶段达到最大；第三阶段，埋深进一步加大，储层孔渗变小，浮力和源-储之间的毛细管力差导致油气成藏；第四阶段，继续深埋，储层致密，源-储之间的毛细管力差即非浮力主导油气成藏；第五阶段，继续深埋，储层超致密，进入有效储层底限，源岩也进入了供烃底限，达到了油气成藏底限，此时，只有当储层受构造应力的改造，油气才能成藏。
图2 深层砂岩储层随埋深增大的致密化过程中油气富集动力机制与演化模式
6．深层油气勘探的几点启示
研究成果对深层油气勘探有三点启示：第一，深层油气成藏存在一个底限，在这一底限之下勘探油气风险大；第二，深层油气富集的最好目标是与源紧临的毛管力最小的储集体，其钻探风险小；第三，深层碳酸盐岩油气富集动力与砂岩储层有很大不同，深层碳酸盐岩最有利富油气目标是近源的受改造的储集体，包括断裂带、不整合面等。
主要参考文献
庞雄奇 . 含油气盆地地史、 热史、 生留排烃史数值模拟研究与烃源岩定量评价 [M]. 地质出版社 , 1993.
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Pang X, Shao X, Li M, et al. Correlation and difference between conventional and unconventional reservoirs and their unified genetic classification [J]. Gondwana Research, 2021.
校对：陶琴 刘淇郡
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