油气成藏及分布序列的连续聚集和非连续聚集

摘 要

摘要：随着勘探的深入、科技的发展，诸如煤层气、页岩油气、根缘油气及水溶气等多种类型的油气藏逐步被勘探开发。按照聚集类型可将其划分为“源端元”及其附近的连续
摘要：随着勘探的深入、科技的发展，诸如煤层气、页岩油气、根缘油气及水溶气等多种类型的油气藏逐步被勘探开发。按照聚集类型可将其划分为“源端元”及其附近的连续聚集和“储端元”及其附近的非连续聚集，分别形成非常规油气藏和常规油气藏，并包含了中间多种类型的过渡油气藏，兼或具有两种聚集特征。为此，在对油气成藏和分布序列研究的基础上，探讨了上述两种聚集类型形成的油气藏种类、分布和特征等，以期对油气藏分类和勘探决策提供参考。结论认为：非常规油气藏和常规油气藏在理想盆地成藏和分布上构成一个完整的序列，平面上从盆地中心向边缘、剖面上从深部向浅部依次形成煤层气藏、页岩油气藏、根缘油气藏、水溶气藏、常规油气藏等；在源储关系(静态因素)、运移特征(动态因素)及油气赋存状态上呈有规律的变化；伴随着构造、温压、生烃量、运聚、储集等地质条件的变化，连续聚集和非连续聚集的油气藏可以相互转化。
关键词：油气成藏；分布序列；连续聚集；非连续聚集；成藏(聚集)机理；运聚特征；油气赋存状态；甜点
    常规油气藏是一个相对独立的油气生成、运移、聚集的自然系统，包括有效烃源岩及所有与其有关的油气聚集，还包括油气聚集所需要的所有地质要素和地质作用。这些地质要素和作用必须有适当的时空配置，才能使烃源岩中的有机质转化为油气，进而形成油气藏[1]。而煤层气藏、页岩油气藏、根缘油气藏及水溶气藏在油气来源、运移类型、储层类型、赋存方式、聚集机理、保存机理、分布规律、资源评价、油气勘探及开采方式等方面都不同于这类常规油气藏。笔者在对油气成藏和分布序列研究的基础上，通过对各类油气藏内在本质的研究，分析不同油气藏之间的内在联系，对油气的连续聚集(非常规油气藏)和非连续聚集(常规油气藏)进行研究，探讨这两种聚集类型所形成的油气藏种类、分布和特征等，以期对油气藏分类和勘探决策提供参考。
1 连续聚集和非连续聚集
    研究证明，同一盆地中有多种类型的油气藏并存，许多研究者都注意到了这一现象[2～8]。这些油气藏在空间分布上构成一定的序列[4～7]：在剖面上从深部到浅部依次为：煤层气藏或页岩油气藏、根缘油气藏、水溶气藏(气水过渡带)、常规油气藏；在平面上从盆地中心到边缘依次为：煤层气藏或页岩油气藏、根缘油气藏、水溶气(气水过渡带)、常规油气藏，呈环带状分布(图1)。分布序列是成藏序列在盆地内客观实在的反映，其内在本质是成藏序列的差异性。不同机理类型的油气藏在盆地中是有序、有规律发育的，它们在地质时间和平面、剖面空间上构成了相互补充完整、相互制约消长的油气藏分布体系。这种序列分布并非偶然的现象，而是受各种类型天然气聚集机理和聚集条件的控制[4、9]。在油气成藏和分布序列上，处于油气成藏传统“源端元”(煤层气和页岩油气)及其附近(根缘油气、水溶气)的属于连续聚集(非常规油气藏)，处于传统“储端元”及其附近(各类圈闭油气藏)的属于非连续聚集(常规油气藏)，并且包含了中间多种类型的过渡油气藏，兼或具有两种聚集特征。这里指的常规油气藏和非常规油气藏是从油气成藏机理和地质特征上划分的。
 

    连续油气藏一词最早是USGS(美国地质调查局)1995年进行油气资源评价时用来区别与常规油气藏不同的一种新型气藏的名称。对这类油气藏[括煤层气藏、页岩油气藏、根缘油气藏(深盆油气藏)]需要采用专门的评价方法[10]。笔者认为，这类连续油气藏不但在资源评价方法上与常规油气藏不同，而且在地质特征上也与常规油气藏有着本质的区别。
    这类连续油气藏由连续聚集形成，是指地质上所有在油气成因、运移方式、成藏模式、储层类型、赋存机理、聚集机理、封盖机理、分布规律及勘探开发方式与非连续聚集(常规油气藏)有明显区别，不符合常规油气成藏地质原理的一类新型油气藏，包括煤层气、页岩油气、根缘油气、水溶气等。连续聚集是指油气藏下方缺少油水或气水界面，在油气藏中油气没有分层的特征，油气的运移、聚集不受水浮力或水动力控制，而是主要靠生烃膨胀力进行运移，不以“置换式”为主要运移方式，而以“活塞式”为主要运移方式(主要指根缘油气)，不依靠常规圈闭就能聚集的一类油气藏。这类油气藏通常具有含气面积和厚度均较大(一般超过常规油气藏)、含油气丰度低、资源量巨大、低孔低渗、开发生产依靠甜点、采收率低、生产周期长和递减速率低等特征，依靠裂缝的发育程度来获得经济效益。连续聚集通常具有过渡带，渐渐过渡为非连续聚集。这个过渡带通常就是水溶气的发育带，即当储层的孔渗性变好，天然气“活塞式”运移模式变为“置换式”时，则出现气水过渡带，如果水中溶解的天然气达到一定的浓度，则成为水溶气。传统意义上的深盆油气藏、生物气藏是否属于连续油气藏，关键要看是否具有连续油气藏的特征，依具体地质情况而定。
    非连续聚集是指依靠浮力运移，聚集在分散圈闭(构造、地层、岩性)中的油气藏，有明显的边底水和油水、气水界面，主要受浮力和毛细管压力(盖层)所控制，连续油气柱高度和盖层物性是成藏动力平衡的主要影响因素[9]。非连续聚集主要形成常规圈闭油气藏，是目前勘探开发最多的一类油气藏，油气聚集于孔渗条件较好的圈闭高部位，且油气藏与烃源岩明显分开，一般有一定的距离，油气和地层水的分布服从重力分异原理。
2 油气分布序列聚集类型
    连续油气藏和非连续油气藏在分布特征、成藏要素、油气运移和聚集、油气赋存特征、圈闭类型、盖层类型以及成藏模式等方面区别较大(表1)。笔者主要讨论其在分布特征、运移和聚集、油气赋存方式等3个方面的特征(图2)。针对油气藏的两种聚集类型，连续聚集和非连续聚集，分别形成非常规油气藏和常规油气藏，在勘探上应分别对待。连续聚集主要以寻找油气藏的甜点为主，非连续聚集主要以寻找有利聚集油气的圈闭为主。

2.1 分布特征
    分布特征是从静态要素对已形成的油气藏进行研究，主要表现为油气藏在盆地平面、剖面上的分布特征，从盆地中心向边缘、从深部向浅部依次由烃源岩内部自生白储的煤层气或页岩油气过渡到烃源岩和储层直接接触的根缘油气，进而过渡到烃源岩和储层有一定距离的水溶气和常规圈闭油气，连续聚集通常具有超压的特征。
2.1.1煤层气或页岩油气
    煤层气或页岩油气位于成藏序列的“源端元”，集生、储、盖于一体，为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果，表现为典型的“原地”成藏模式[11～12]。简言之，就是烃类生成以后在烃源岩层大量滞留的结果。煤的储气能力与煤的变质程度、温度和压力有关，而泥页岩的有机质类型和含量、成熟度、裂缝、孔隙度和渗透率等是控制页岩油气聚集的重要因素。煤层气或页岩油气具有广泛发育的特征，跨面积很大的地质单元并且有很长的生产时间。如美国圣胡安盆地是目前世界上煤层气产量最高的盆地，煤层气聚集在盆地中部的向斜中，吸附态的天然气被“水力封闭”在煤层中，并且某些构造高部位、地层以及一些复合圈闭形成的“甜点”可能增加该气藏的生产能力，类似的成藏模式在黑勇士盆地也有发现。威利斯顿盆地的密西西比系 泥盆系的Bakken连续聚集的页岩油藏，覆盖很大的面积，页岩处在生油阶段，形成自生自储的连续页岩油(具超压特征)。
2.1.2根缘油气
    从“源端元”的煤层气或页岩油气向盆地浅部和边部出现根缘油气，在国外也称为深盆气、盆地中心气、致密砂岩气等。根据机理讨论，根缘气的聚集是在生烃膨胀力作用下天然气对地层水的“活塞式”整体排驱[9]。这类气藏通常规模很大，覆盖几十到几百平方公里，通常发育在盆地中心、深部，缺少底水，油气聚集不受浮力的影响，产水少或不产水，无固定气水界面，上覆地层为含有天然气的水层，低孔低渗(一般小于0.1×10-3μm2)，不受圈闭的控制。天然气和地层水不服从重力分异原理，形成气水倒置的分布特征。在根缘气藏中，天然气聚集与气源岩紧密接触，虽然天然气聚集仍然以毛细管压力封闭为主要控制和影响因素，但流体在剖面上却表现为不服从重力分异原理的气、水倒置关系[9]。根缘气藏与烃源岩的生气作用程度、储层物性和深度等因素有关，烃源岩的生气有效性和致密储层的物性条件是约束聚集动力平衡的关键要素。
2.1.3水溶气
    从本质上讲水溶气不是天然气聚集类型，而是天然气以水溶相运移过程中的一种天然气“富集”类型，处在运移过程中，温度、压力、气体供应速率等因素稍微变化，水溶气的平衡就要被打破，就要发生变化，释放出天然气形成新气藏或散失。从聚集机理上看，天然气水合物和水溶气具有相似的聚集机理，只是由于所处的地质条件不同而有不同的表现，其本质是水溶气在低温、高压下的转变类型和水溶气具有相互转化的过程[5]。天然气水合物是特殊地质条件下的水溶气，虽然两者在物相形态特征上差别很大，但实际上水溶气和天然气水合物在机理上具有一致性。水溶气和水合物的覆盖面积更大。
2.1.4常规圈闭气
    这类油气藏是目前勘探开发最多的一种，油气由烃源岩生成，经过有效距离的运移并在圈闭中聚集。
2.2 运移和聚集
    运移和聚集是从油气藏形成的动态特征进行研究，连续聚集和非连续聚集的油气藏在运移方式和聚集方式上均不同。“封盖”是形成常规圈闭油气藏所必需的，同时也是非常规油气藏的油气保存所必需的，只有“封盖”才能维持油气藏的压力和油气含量。对于连续聚集来说，可能存在一些常规圈闭，但是这些常规圈闭不是油气聚集所必需的，与吸附态的天然气相比，游离态的天然气含量较少，并且重力分异作用造成的油气水界面在这类常规圈闭中也不明显。连续聚集具有大面积含油气、大范围聚集的特征，而非连续聚集具有分散聚集的特征，如泥岩裂缝性油气藏只发育在有裂缝发育的一小部分区域，而煤层气或页岩气则是大面积分布的一种气藏类型，如世界上高产煤层气的圣胡安盆地和高产页岩气的福特沃斯盆地。
2.2.1连续聚集
    油气在生烃膨胀力的作用下，在烃源岩内聚集形成煤层气藏或页岩油气藏，或短距离运移至致密储层中形成根缘油气藏，具有从底部向顶部聚集的特点。煤层气、页岩油气的聚集主要是烃源岩内的，依靠岩石物性进行封闭，维持油气藏压力和阻止油气解析、散失。根缘油气藏是在储层本身毛细管压力条件下的“水力封闭”类型，依靠毛细管中水的压力将天然气封闭在其下的储层中，由于水的流动性、致密储层的物性及非均质性和烃源岩供油气能力的限制，根缘油气藏的顶面不像常规油气藏那样有一个统一的、稳定的边界，其顶部边界是非稳定的。
2.2.2非连续聚集
    非连续聚集的油气藏中，浮力是控制油气运移的主要作用力，通过置换式运移形成规模性聚集，为盖层封闭条件下的聚集，依靠盖层的毛细管压力将油气封闭在储层中。油气是在浮力作用下，从顶部向底部聚集，盖层的封闭能力和溢出点的高度是控制这类聚集的主要因素，一旦油气的聚集高度所产生的浮力超过了盖层所能封闭的压力，油气就要通过盖层散失，或油气的充注量达到圈闭溢出点，油气也要散失。
    伴随着构造、温压、生烃量、运移、储集等地质条件的变化，油气的运移方式和聚集类型也相应的发生变化，连续聚集的油气藏可以演化为连续聚集和非连续聚集的油气藏，如烃源岩内自生自储为特征的煤层气藏(页岩油气藏)可演化为根缘油气藏、水溶气藏或常规油气藏，根缘油气藏可以演化为水溶气藏或常规油气藏等；非连续聚集的油气藏可演化为其他类型的非连续聚集油气藏，甚至演化为连续聚集的油气藏，如常规油气藏演化为根缘油气藏或水溶气藏。
2.3 油气赋存方式
    处于“源端元”连续聚集的煤层气、页岩油气具有普遍的地层饱含气性、隐蔽聚集机理、多种岩性封闭和相对较短的运移距离等特征，油气赋存方式多样，可以在天然裂缝和孔隙中以游离态存在、在干酪根(煤)和黏土颗粒表面以吸附状态存在，甚至在干酪根、沥青质中以溶解状态存在。如煤层气藏中有超过80%的天然气是以吸附态存在[13]，页岩气藏中吸附态赋存的天然气可占天然气总量的20%～85%[14]，吸附态赋存机理使这类气藏具有抗破坏的特点。而与“源端元”的油气藏紧密接触的根缘油气藏，油气以游离态赋存在孔隙或裂缝中，这和常规油气的赋存方式一样；但在根缘油气藏中，由于储层致密，油气的赋存方式与常规油气藏有一定的区别(主要与烃源岩生烃及排烃强度、储集层物性和油气物性等因素有关)，烃源岩的排烃强度、储层的致密程度以及二者的非均质性(确保大面积“活塞式”运移)是决定油气赋存能力的关键因素。总体上，连续聚集的油气藏抗破坏性较强，这可能就是美国在落基山地区找到大量根缘气，在东部、南部和西部前陆冲断带找到大量页岩气的关键所在。
    常规油气藏中的油气以游离态聚集在孔隙或裂缝中，油气的聚集量受孔隙度大小、裂缝发育程度和盖层封闭能力的影响。这方面的论述非常多，此不赘述。
3 实例：鄂北杭锦旗地区油气聚集类型
    杭锦旗探区位于鄂尔多斯盆地北部，包括杭锦旗和杭锦旗南2个区块，总面积9824.6km2，自北向南横跨伊盟北部隆起和伊陕斜坡2个一级构造单元，主体位于伊盟隆起，可进一步划分为乌兰格尔凸起、乌加庙凹陷、公卡汉凸起以及杭锦旗断阶等4个次一级构造单元(图3)。考虑到研究区的地质特征及勘探现状，大致以三眼井-泊尔江海子断裂为界，将研究区分为北部地区和南部地区。研究区烃源岩主要以上石炭统太原组和下二叠统山西组煤系地层为主，南部地区的烃源岩发育比北部好，在南部山西组煤层厚度介于10～20m，北部厚度较薄，零星出露，厚度为0～5m；太原组主要分布在南部，厚度近20m，北部太原组源岩较薄。储层普遍具有低孔低渗的特征，孔隙度、渗透率变化在层位上总体上表现为，北部地区自下而上有变好的趋势，而南部地区自下而上有变差的趋势；平面上各层段的孔隙度、渗透率总体均表现为北部地区好于南部地区。

   受烃源岩分布范围、生烃史、储层砂体展布规律、圈闭发育情况、断裂活动期次及储层最终致密化时间的影响，该区主要发育两种不同的聚集类型，连续聚集(煤层气或页岩气、根缘气、水溶气)和非连续聚集(常规圈闭气藏)，主体上分别分布在南部和北部地区。
3.1 连续聚集
主要包括根缘气、煤层气、水溶气和可能的页岩气，其中主要的是根缘气。燕山运动导致断裂南部地区下沉，储层的孔渗性进一步变差，在早白垩世晚期，储层的孔隙度达到最低，各层段平均在6.2%～8.3%，具备形成根缘气的储层条件，是形成根缘气的有利区；并且泊尔江海子断裂逆冲后期，成为一条封闭断层，不具备天然气的运移能力，这期间恰好对应于天然气的第二次生气高峰，由于孔渗条件的进一步变差，孔隙度具有下大上小的特点，这期间生成的天然气，在广布煤系地层生气中心、致密储层的平缓单斜以及它们之间大面积接触和封闭型断裂控制的地质条件下，天然气不能继续向北、北东方向运移，迫使其在断裂南部就近原地聚集，表现为整体驱替地层水，以活塞式运移形成根缘气，具有聚集期晚、抗破坏能力强的特征。在根缘气上方，气水过渡带内，在合适的温压条件下可以形成水溶气。煤层中，由于砂岩储层致密化程度的加强，煤层的排气受阻，在煤层中形成煤层气聚集。另外在天环凹陷存在中奥陶统平凉组页岩，有机质丰度高、类型好(以腐泥型为主)，大部分地区为“中等-好”级别的烃源岩，除局部地区外，基本达到了高-过成熟阶段[15]，具备发育页岩气的条件，可能发育有页岩气(图4)。
 

3.2 非连续聚集
    主要为常规圈闭气藏。早侏罗世的燕山运动使该区东北部略微抬升，形成向南西低角度倾斜的斜坡，同时，由于泊尔江海子等断裂发生了逆冲[16]，可作为南部油气向北运移的通道，并在断裂上盘形成一系列呈串珠状分布、油气成藏地质特征相似的构造圈闭群，定型于早中侏罗世，如什股壕、拉不仍、阿日柴达木、浩绕召等圈闭，并且正好对应于天然气的第一次生气高峰，这期间生成的天然气，在压力和浓度差的作用下，首先运移到砂体中，经断裂或不整合面向北、北东方向运移到圈闭中以气顶气模式成藏，天然气的成藏主要受构造因素的控制。北部地区成为常规油气圈闭聚集的有利区，勘探已证实有工业气流产出，如什股壕构造气藏。
4 结论
1) 按照聚集类型可把油气藏分为“源端元”及其附近的连续聚集和“储端元”及其附近的非连续聚集，分别形成非常规油气藏和常规油气藏，并包含了中间多种类型的过渡油气藏，兼或具有这两种聚集特征。非常规油气藏和常规油气藏在理想盆地成藏和分布上构成一个完整的序列，从盆地中心向边缘、深部向浅部依次形成煤层气藏、页岩油气藏、根缘油气藏、水溶气藏、常规油气藏等，在源储关系、运移特征和油气赋存状态上呈有规律的变化。伴随着构造、温压、生烃量、运聚、储集等地质条件的变化，连续聚集和非连续聚集的油气藏可以相互转化。
    2) 由于盆地发育的地质背景、盆地性质、演化历史和阶段、地层发育情况、埋藏史、油气生成历史、成藏史等差异，油气成藏和分布序列也存在较大差异，并不是每个盆地都发育全部序列，只有在理想盆地中才能发育完整连续聚集和非连续聚集的油气藏类型，而在现实盆地中可能只发育其中的一种或几种类型。
    3) 连续聚集和非连续聚集有着本质的区别，修改和发展了传统的、占主导地位的油气生成、运移(充注)、成藏(聚集)、保存及储层、盖层性质等机理和理论，将扩大油气勘探领域，更好地为勘探决策服务。针对油气藏的两种不同类型，连续聚集(非常规油气藏)和非连续聚集(常规油气藏)，在勘探上应分别对待，连续聚集以寻找甜点为主，非连续聚集则以寻找有利聚集油气的圈闭为主。
参考文献
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(本文作者：聂海宽1 张金川2 薛会1 龙鹏宇2 王广源2 1.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院；2.中国地质大学(北京)教育部海相储层演化与油气富集机理重点实验室)