Tight Gas Charging and Accumulation Mechanisms and Mathematical Model PDF

石 油 勘 探 与 开 发 2023 年 12 月 PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vol.50 No.6 1233 文章编号：1000-0747(2023)06-1233-12 DOI: 10.11698/PED.20230176...

石 油 勘 探 与 开 发 2023 年 12 月 PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vol.50 No.6 1233 文章编号：1000-0747(2023)06-1233-12 DOI: 10.11698/PED.20230176 致密气充注聚集机理及数理模型 周能武 1, 2，卢双舫 1, 2, 3，张鹏飞 4，林子智 3，肖佃师 3，陆加敏 5，朱映康 5， 刘彦成 6，林利明 6，王民 3，姜新雨 3，刘阳 3，王子轶 3，李文镖 1, 2 （1. 东北石油大学三亚海洋油气研究院，海南三亚 572025；2. 东北石油大学“陆相页岩油气成藏及高效开发”教育部重点实验 室，黑龙江大庆 163318；3. 中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580；4. 山东科技大学地球科学与工程学 院，山东青岛 266590；5. 大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712；6. 中联煤层气有限责任公司，北京 100083） 基金项目：国家自然科学基金（42302183，42272156，41922015）；三亚市科技创新专项（2022KJCX51） 摘要：致密气的气-水分布和产出非均质性虽已从实验和地质观察角度总结了相应认识规律，但一直缺少定量的数理 模型揭示其聚集机理。从驱替-核磁物理模拟、考虑物质平衡和力学平衡的数值模拟以及实际地质观察 3 方面论证致 密气充注聚集机理，结果显示致密气充注聚集时会在源-储界面附近优先形成含气饱和度稳定带，气源不足时，从源 -储界面起，依次形成含气饱和度降低带和未充注带。源岩条件越好，排气量越多、超压越大，致密储集层含气饱和 度稳定带和降低带越厚，整体含气饱和度越高；源岩条件有限时，致密储集层条件越好，孔渗越高、孔喉越大，含 气饱和度稳定带和降低带厚度越薄，但含气饱和度高。致密气“甜点”有利层段发育在靠近源岩的优质储集层中， 对应含气饱和度稳定带。基于数理模型的数值模拟结果很好地吻合了驱替-核磁物理模拟结果，并合理解释了松辽盆 地徐家围子断陷深层和鄂尔多斯盆地临兴—皇甫致密气区的气-水分布和产出规律。 关键词：致密气；充注聚集机理；数理模型；松辽盆地徐家围子断陷；鄂尔多斯盆地临兴—皇甫地区 中图分类号：TE121 文献标识码：A Tight gas charging and accumulation mechanisms and mathematical model ZHOU Nengwu1, 2, LU Shuangfang1, 2, 3, ZHANG Pengfei4, LIN Zizhi3, XIAO Dianshi3, LU Jiamin5, ZHU Yingkang5, LIU Yancheng6, LIN Liming6, WANG Min3, JIANG Xinyu3, LIU Yang3, WANG Ziyi3, LI Wenbiao1, 2 (1. Sanya Offshore Oil & Gas Research Institute, Northeast Petroleum University, Sanya 572025, China; 2. Key Laboratory of Continental Shale Hydrocarbon Accumulation and Efficient Development, Ministry of Education, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 3. School of Geosciences, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China; 4. College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 5. Exploration and Development Research Institute, PetroChina Daqing Oilfield Company Limited, Daqing 163712, China; 6. China United Coalbed Methane Co., Ltd., Beijing 100083, China) Abstract: The gas-water distribution and production heterogeneity of tight gas reservoirs have been summarized from experimental and geological observations, but the charging and accumulation mechanisms have not been examined quantitatively by mathematical model. The tight gas charging and accumulation mechanisms were revealed from a combination of physical simulation of nuclear magnetic resonance coupling displacement, numerical simulation considering material and mechanical equilibria, as well as actual geological observation. The results show that gas migrates into tight rocks to preferentially form a gas saturation stabilization zone near the source-reservoir interface. When the gas source is insufficient, gas saturation reduction zone and uncharged zone are formed in sequence from the source-reservoir interface. The better the source rock conditions with more gas expulsion volume and higher overpressure, the thicker the gas saturation stabilization and reduction zones, and the higher the overall gas saturation. When the source rock conditions are limited, the better the tight reservoir conditions with higher porosity and permeability as well as larger pore throat, the thinner the gas saturation stabilization and reduction zones, but the gas saturation is high. The sweet spot of tight gas is developed in the high-quality reservoir near the source rock, which often corresponds to the gas saturation stabilization zone. The numerical simulation results by mathematical model agree well with the physical simulation results by nuclear magnetic resonance coupling displacement, and explain the gas-water distribution and production pattern of deep reservoirs in the Xujiaweizi fault depression of the Songliao Basin and tight gas reservoirs in the Linxing-Huangfu area of the Ordos Basin. Key words: tight gas; charging and accumulation mechanism; mathematical model; Xujiaweizi fault depression; Songliao Basin; Linxing-Huangfu area; Ordos Basin 引用：周能武, 卢双舫, 张鹏飞, 等. 致密气充注聚集机理及数理模型[J]. 石油勘探与开发, 2023, 50(6): 1233-1244. ZHOU Nengwu, LU Shuangfang, ZHANG Pengfei, et al. Tight gas charging and accumulation mechanisms and mathematical model[J]. Petroleum Exploration and Development, 2023, 50(6): 1233-1244. 1234 石油勘探与开发·油气勘探 Vol. 50 No.6 0 引言 密气资源潜力、可采储量和产量的客观评估以及甜点 层、段的筛选评价。 中国陆相致密气的勘探开发近年来取得重要进 本文在开展致密气驱替-核磁物理模拟实验的基 展，形成了以鄂尔多斯盆地苏里格地区上古生界、四 础上，依靠物质平衡和力学平衡构建致密气充注聚集 川盆地上三叠统须家河组以及塔里木盆地库车坳陷白 数理模型，结合对中国典型盆地致密气区气-水分布和 垩系为代表的 3 个致密砂岩大气区，同时，在准噶尔 产出非均质性格局的剖析，从物理模拟、数值模拟以 盆地二叠系—侏罗系、吐哈盆地侏罗系以及松辽盆地 及地质观察 3 方面结合论证了致密气充注聚集机理。 下白垩统等多个层位钻探了一批高产致密砂岩气井， 展现出巨大的资源潜力和良好的发展前景 。 1 研究区地质概况与勘探开发现状 围绕不同盆地、不同类型的致密气区，国内外学 徐家围子断陷位于松辽盆地北部、古中央隆起带东 者对致密气的形成条件、气-水分布和产出规律以及富 翼，是盆地深层天然气最丰富的区块（见图 1a）。断陷 集控制因素开展了大量研究，为致密气的勘探开发提 自下而上发育上侏罗统火石岭组、下白垩统沙河子组、 供了坚实的基础。气源规模大、储集体发育以及二者 营城组和登娄库组（见图 1b），其中沙河子组沉积时期 大面积紧密接触是致密气规模化聚集的有利条件，同 广泛发育扇三角洲、辫状河三角洲和湖相沉积，岩性以 时，致密气区的气-水分布规律和产出特征呈现强烈的 互层的砂砾岩和泥岩为主；营城组沉积阶段处于火山频 非均质性。在气-水分布规律方面，平面上含气面积连 繁活动时期，岩性为火山岩与砂泥交互沉积。沙河子组 续或准连续，垂向上含气饱和度差异大 [3-4]。在气-水产 为包括营城组火山岩在内的深层储集层形成提供了主 出特征方面，不同致密气区产能和产出流体类型也存 要气源，同时自身也是致密砂砾岩气层主要发育层段。 在很大差异，产能高的气井可能产水，也可能不产水， 沙河子组从下到上共分为 4 段，二段和三段为源 产能低的气井亦如此 [5-7]。即使在同一区块，垂向上不 岩主要分布层段，一段和四段主要以砂砾岩为主，局 同层位、平面上不同位置的致密气层/区也可能出现以 部含火山岩。源岩评价结果显示徐家围子断陷沙河子 产气为主、气-水同产以及产水为主等多种特征 。针 组源岩有机质丰度高、类型以Ⅲ型为主，成熟度高， 对各大盆地致密气的气-水分布和产出非均质性，大量 厚度大 ，生气强度普遍高于 50×108 m3/km2，局部地 学者从地质观察角度对致密气充注聚集机理开展了研 区生气强度可达 200×108 m3/km2，具有形成大规模气 究，认为构造背景、源岩条件、储集层特征、源储空 区的潜力 。储集层评价结果显示徐家围子断陷沙河 间关系以及岩石-流体界面作用力等都会影响致密气充 注聚集过程 [9-11]。同时，借助于物理模拟实验，姜福杰 子组储集层物性较差，孔隙度为 2.0%～8.0%，渗透率 等 [12-13]对致密气充注聚集过程/模式进行了讨论，指出 普遍小于 1×10-3 μm2，为典型致密储集层。平面对比结 致密气充注聚集可以分为 3 个阶段：能量积累阶段、 果显示，安达—宋站地区储集层平均孔隙度最高，其 幕式充注聚集阶段和保存阶段，并认为充注聚集过程 次为徐家围子断陷东部和西部，肇州地区储集层平均 中存在天然气充注、天然气饱和及天然气终止 3 个门 孔隙度最低；垂向层段对比结果显示，沙河子组四段 限，分别对应于自由水-束缚水，自由水-束缚水-天然 储集层的平均孔隙度最高，其次为沙河子组二段，沙 气以及天然气-束缚水共存 3 个临界状态。整体说来， 河子组一段和三段储集层的平均孔隙度最低。营城组 致密气充注聚集研究虽已从实验模拟和地质观察两个 火山岩储集层具有高孔低渗的特征 。 角度总结了相应的定性认识规律，但缺少定量的数理 徐家围子断陷试气结果显示，沙河子组基本不产 模型去揭示致密气充注聚集机理。 水，仅部分井有几十立方米的产水量，但营城组气-水 致密气能否充注聚集主要取决于源岩生烃超压和 同出（见图 1c）。沿着北部安达—宋站地区的气层剖面 致密储集层毛管阻力（忽略浮力作用）的大小关系 ， 显示（见图 1c1），储集层普遍含气，其中沙河子组四 其富集程度以及分布规律取决于源岩排烃量和致密储 段是气层分布相对集中层段，而沙河子组二段和三段 [15-17] 集层容气能力 。因此，如何耦合源岩条件、储集 普遍为差气层和干层，局部分布气层。徐家围子断陷 层条件以及源储匹配关系，建立数理模型确定充注压 中部地区东西方向的气层剖面显示（见图 1c2），徐家 差、充注气量、含气饱和度和含气厚度的定量关系、 围子断陷东部和西部地区的沙河子组气层分布有限， 对揭示致密气充注聚集机理、明确致密气富集主控因 以干层和差气层为主，仅在局部层段分布气层；营城 素、认识气-水分布和产出规律有重要意义，也事关致 组剖面显示该层位气层、水层以及气-水层同时发育。 2023 年 12 月 周能武 等：致密气充注聚集机理及数理模型 1235 试气平面分布结果和气层剖面分布结果指示徐家围子 层和气水层为主，向北逐渐过渡到生气强度相对低的 断陷致密气具有以下特征：①沙河子组普遍含气，但 皇甫地区，砂岩储集层逐渐以气-水层和水层为主。垂 平面分布不均。徐家围子断陷北部安达—宋站地区试 向上，在临兴地区中部，源内和近源的致密砂岩中以气 气产能整体较高，中部以及南部肇州地区局部井具有 层为主，而远源的致密砂岩中气层和气水层均存在 。 高产潜力，但分布局限；②剖面上气层主要分布在沙 针对上述两个致密气区气-水分布和产出非均质 河子组四段，其他段气层局部发育，大多分布在徐家 性分布特征，实际上反映研究区致密气存在 3 个地质 围子断陷中部和南部肇州地区；③沙河子组致密砂砾 问题：①徐家围子断陷沙河子组储集层平面和垂向上 岩储集层不产水，营城组致密火山岩储集层产水。 含气性差异的原因；②徐家围子断陷沙河子组致密气 与徐家围子断陷相反，鄂尔多斯盆地临兴—皇甫 不产水，而营城组致密气产水的机理；③临兴—皇甫 致密气区生烃强度低，储集层条件好。不同区域、层 致密气区的气-水分布格局呈现气层-气/水层-水层过渡 段致密气的气-水分布和产出同样存在非均质性。平面 的过程及原因。要解决以上问题，需要对致密气的充 上，生气强度相对高的临兴地区中部砂岩储集层以气 注聚集过程、机理和控制因素进行剖析。 图1 徐家围子断陷基本地质情况 体薄片和扫描电镜）实验，常规气测孔隙度和渗透率 2 致密气充注聚集物理模拟 见表 1。 2.1 实验样品和方法 2.2 致密气充注聚集物理模拟 实验样品取自松辽盆地徐家围子断陷沙河子组， 驱替-核磁物理模拟结果显示致密气充注聚集过 采样井位见图 1a，包括 7 块砾岩、7 块砂岩和 1 块火 程与充注压力以及岩石孔隙结构密切相关。储集空间 山岩，规格见表 1。开展驱替-核磁物理模拟实验之前， 以微裂缝为主、孔-缝连通性好的砾岩样品（见图 2a1）， 样品提前开展常规气测孔隙度、渗透率和镜下观察（铸 饱和水核磁 T2 值普遍很大，主峰在 100 ms 左右，说明 1236 石油勘探与开发·油气勘探 Vol. 50 No.6 表1 气驱水物理模拟实验样品基本信息表 储集层孔喉以大尺寸为主。驱替过程中，核磁 T2 谱随 孔隙度/% 渗透率 充注压力增加而迅速降低（见图 2a2），当充注压力为 样品 深度/ 长度/ 直径/ 井号 岩性 （常规）/ 编号 m mm mm 核磁 常规 1 MPa 时，含气饱和度达 65%，充注压力大于 2 MPa 10-6 μm2 ① DS28 3 064.77 砂岩 28.85 25.20 9.655 9.741 13.790 时，含气饱和度高达 99%以上，说明孔-缝中的水几乎 ② SS4 2 774.91 砂岩 33.05 24.89 7.550 8.868 13.300 ③ DS14 3 676.31 砂岩 32.19 25.13 6.070 6.759 6.120 被氮气驱替完全（见图 2a3）。储集空间以溶蚀孔为主、 ④ DS6 3 450.58 砂岩 29.43 24.99 4.335 3.983 5.860 孔喉连通较好的砾岩样品（见图 2b1），饱和水核磁 T2 ⑤ DS34 2 865.29 砂岩 29.93 25.15 6.081 5.845 1.960 谱图呈三峰分布，以左峰为主，峰值在 0.3 ms 左右， ⑥ ZS32 4 232.49 砂岩 33.40 25.35 3.908 4.523 3.700 ⑦ FS10 3 494.29 砂岩 37.67 25.09 1.181 2.932 0.042 峰宽为 0.03～3.00 ms；中峰在 20 ms 左右，峰宽为 3～ ⑧ XT1 3 936.31 砾岩 27.03 25.13 6.387 8.807 53.910 100 ms；右峰在 300 ms 左右，峰宽大于 100 ms，说明 ⑨ XT1 3 937.81 砾岩 30.56 25.14 6.445 8.911 108.240 ⑩ XS44 4 135.87 砾岩 31.83 25.07 3.959 4.211 84.100 储集层孔喉尺寸分布较宽，且均占有一定比例。驱替过 XS44 4 137.87 砾岩 32.08 25.01 4.731 4.921 270.970 程中，随充注压力增加，右峰优先降低，之后中峰和左 DS32 4 168.70 砾岩 24.81 25.15 4.194 5.069 28.020 峰一起降低（见图 2b2），当充注压力大于 10 MPa 时， DS6 3 540.24 砾岩 28.10 24.99 5.411 6.147 4.810 XS1 3 927.03 砾岩 29.15 25.19 2.723 2.812 3.590 含气饱和度在 60%左右（见图 2b3）。粒间孔隙被钙质 DS34 3 054.44 安山岩 27.27 25.15 8.825 9.365 1.830 胶结、储集空间以黏土矿物晶间孔为主、孔隙连 图2 致密砾岩气驱水充注聚集物理模拟结果图  2023 年 12 月 周能武 等：致密气充注聚集机理及数理模型 1237 通性差的砾岩样品（见图 2c1），饱和水核磁 T2 值为 充注压差与游离水分布孔隙对应的毛管阻力大小，致 0.03～50.00 ms，主峰在 0.3 ms 左右，说明储集层以微 密气充注聚集过程分为 3 带。 小孔为主。驱替过程中，随充注压力增加，T 2 值大于 ①含气饱和度稳定带（吸附水-天然气带）：该带 3 ms 孔隙中的流体被优先驱替出来（见图 2c2），当充 形成时充注压差 pg 大于 pfw,max，持续衰减至 pfw,max。 注压力为 12 MPa 时，含气饱和度 37%左右（见图 2c3）。 假设初始充注压差 pg 的天然气充注到距离源储界 镜下不见孔隙的砾岩样品，饱和水核磁 T2 值普遍小于 面 h1 时对应的充注压差为 pfw,max（见图 3c），则在该距 2 ms，主峰在 0.3 ms 附近，说明储集层仅含少量微孔； 离内，致密储集层中的游离水被天然气驱替出去，只剩 驱替过程中，天然气很难充注进储集层中，且受数据 下吸附水，对应图 3c1 中的天然气-吸附水分布，此时 反演影响，含气饱和度波动（见图 2d）。 含气饱和度为理论最大含气饱和度，其值与 Sfw 相等。 依据物质平衡原理，计算 h1 为： 3 致密气充注聚集数值模拟 Vg ( pg + ph ) = h1 Aφ Sfw ( pfw,max + ph ) （4） 3.1 致密气充注聚集数值模型 需要说明的是，含气饱和度稳定带优先发育在源- 3.1.1 致密岩石初始游离水/吸附水分布 储紧邻位置，此位置充注压差与源岩排气超压相等， 岩石是典型多孔介质，其孔径分布不一，从几埃到 该压力往往可以在源-储紧邻位置完全驱替致密储集层 几百微米。在天然气未充注之前，致密岩石孔隙空间被 中的游离水形成仅含吸附水的含气饱和度稳定带。当 水所充填。依照水的赋存状态，分为吸附在孔隙表面 然，如果气源条件差，初始充注压差小于 pfw,max，则不 不可动的吸附水和以自由流体形式存在的游离水[22-23]。 存在含气饱和度稳定带。 假设吸附水和游离水在致密岩石中分布如图 3a 所示， ②含气饱和度降低带（游离水-吸附水-天然气共存 则吸附水、游离水饱和度分别表述为： 带）：该带形成于充注压差 pg 大于 pfw,min 且小于 pfw,max φbw ∫rbw, min φbw,r dr rbw, max 时，持续衰减至 pfw,min 时结束。 | S bw = = × 100% | φ φ 假设该过程充注的气层厚度为 h2（见图 3c0），充 （1） φfw ∫rfw , min φfw,r dr rfw , max | 注过程中致密储集层中的气-水分布由图 3c1 逐渐变为 | fw S = = × 100% φ φ 图 3c2 和图 3c3，至图 3c4 结束。天然气充注过程中， 3.1.2 致密气含气饱和度 充注压差和充注含气饱和度不断衰减。 依据 Washburn 方程 ，半径为 r 的孔喉产生的毛 将气层充注厚度 h2 等分为 m 个 Δh，充注到第一 管阻力 pr 为： 个 Δh 距离时，充注压差降低为 p1。依据物质平衡原理： 2σ cos θ pr = （2） h1 Sfw ( pfw,max + ph ) = h1 Sfw ( p1 + ph ) + ΔhSg,1 ( p1 + ph ) （5） r 当充注到第 m 个 Δh 距离时，对应充注动力为 pm， 致密气充注聚集过程是天然气克服毛管阻力驱替 其值等于 pfw,min，充注过程结束： 可动流体的过程。由于岩石中只有游离水可动，在充注 h1 Sfw ( pfw,max + ph ) = h1 Sfw ( pfw,min + ph ) + Δh Σ Sg,i ( pi + ph ) m 压差 pg 下天然气只能驱替孔喉半径大于 rg，即毛管阻力 i =1 小于 pg 的孔隙中的游离水，形成如图 3b 的气-水分布。 （6） 因此，充注压差 pg 与含气饱和度 Sg 关系可以表述为： 此时可求取充注厚度 H： Sfw pg ≥pfw, max H = h1 + h2 = h1 + mΔh （7） | rfw, max | ∫r φfw,r dr ③非充注带：该阶段充注压差 pg 小于等于 pfw,min。 Sg = g pfw, min＜pg＜pfw, max （3） | φ 由于充注压差小，天然气无法充注到储集层中，储集 | 0 pg ≤pfw, min 层中仍然为原始吸附水-游离水状态，因此储集层中的 3.1.3 致密气充注聚集过程 含气饱和度为 0（见图 3c4）。 （3）式显示在气源充足的条件下，充注压差 pg 3.2 致密气充注聚集数理模型参数 与含气饱和度 Sg 的关系。然而，地质条件下，天然气 从上节可以看出，揭示致密气充注聚集过程需要 向致密岩石中充注聚集时，充注压差是不断衰减的， 确定两个关键参数：游离水、吸附水比例、含气饱和 含气饱和度也是不断变化的。图 3c 展示了致密气充注 度（Sg ）与充注压差（pg ）关系，前者由离心-核磁实 聚集过程以及各充注聚集阶段的气-水分布情况。依据 验确定，后者通过高压压汞曲线进行转化。 1238 石油勘探与开发·油气勘探 Vol. 50 No.6 （a）天然气未充注之前致密储集层中的吸附水和游离水分布情况；（b）天然气充注后致密储集层中的吸附水、游离水和天然气分布的一种情况； （c）天然气充注聚集模式及不同位置气-水分布特征图，c1—c4 为天然气充注至不同位置的气-水分布特征 图3 天然气充注聚集过程中致密储集层中的气-水分布情况 3.2.1 游离水、吸附水比例 式将这一关系转化为充注压差与含气饱和度关系。岩 依照赋存状态，孔隙水分为吸附和游离两部分， 石-汞的接触角约为 140°，界面张力为 480 mN/m2。实 其中游离水又被分为毛管束缚水和可动水 [22-23] 。受离 验室条件下（20 ℃，0.1 MPa），氮气-水界面张力为 心机转速的制约，离心产生的压差（Δp）是否足以去 71.43 mN/m2，平均润湿角为 50.4°。地质条件下，沙 除岩心中所有游离水无法确定。本次离心压差分别设 河子组致密气形成时期温度主要分布在 130～140 ℃， 置为 0.184，0.368，1.840，3.680 MPa（见图 4a），通 地层静水压力为 20～25 MPa，对应甲烷-水界面张力 过似兰式方程拟合离心压差（Δp）与可动水比例（Sm） 44 mN/m2；天然气未充注之前岩石完全水湿，润湿 的关系（见图 4b），获得游离水饱和度 [22-23]： 角为 0。因此，充注进相同孔径，实验室条件下氮气需 Sfw Δp 要压力 pg1、地质条件下甲烷需要的压力 pg2 与进汞需 Sm = （8） Δp + p L 要压力 pHg 之间的比例关系为 1.00︰0.96︰8.00。 研究区共开展了 24 块致密储集层样品的离心-核 由于汞饱和度计算采用常规气测孔隙度，为了与驱替- 磁实验，评价结果显示研究区致密储集层游离水占比 核磁实验对应，对含气饱和度（Sg）采用如下公式转化： 12.76%～84.09%，平均值为 44.31%。 φa Sg = S Hg （9） 3.2.2 充注压差-含气饱和度 φb 高压压汞描述进汞压力与汞饱和度关系，依据（2） 图 5 展示了通过压汞曲线转化的气体充注压差与 2023 年 12 月 周能武 等：致密气充注聚集机理及数理模型 1239 依据岩心不同位置的充注压差大小，确定不同位 置的充注含气饱和度（据（3）式），进而获得岩石整 体的含气饱和度。图 6a 模拟了不考虑吸附水情况下， 在不同驱替压力下，长度为 30.56 mm、编号⑨的柱状 岩心不同位置的含气饱和度分布。结果显示，随着充 注压差升高，进口端含气饱和度不断增加。当充注压 差略大于 8 MPa 时，进口端充注饱和度可达 100%，当 充注压差增加到 10 MPa 后，会在进口端很短的距离内 形成含气饱和度 100%的充注段，且该段距离随着充注 压差增大不断变长。在考虑吸附水影响的条件下，编 号⑨的柱状岩心的进口端含气饱和度在充注压差增加 到 3.0 MPa 时，含气饱和度达到最大值 70.72%，之后 充注压差的增加会延长含气饱和度稳定带长度，而不 会影响进口端含气饱和度（见图 6b）。 图4 游离水、吸附水比例确定示意图 图5 不同流体介质进入岩石中充注压力与饱和度关系图 （以②号样品为例） 含气饱和度关系曲线。考虑吸附水情况下，充注压差 图 6 数值模拟实验条件下氮气驱替饱和水岩心致密气充注 大于 pfw,min（2.5 MPa）时，气体即可驱替样品中的所 聚集过程 （以⑨号样品为例，不考虑（a）和考虑（b）吸附水条件下 有游离水，此时含气饱和度为 55.19%。 岩心不同位置含气饱和度分布） 3.3 致密气充注聚集数值模拟 3.3.1 实验室条件下致密气充注聚集过程 图 7 展示了驱替-核磁物理模拟和数值模拟实验室 在驱替-核磁物理模拟实验室条件下，氮气充注进 条件下氮气充注进致密岩石中充注压差和整体含气饱 致密岩石中进口端压力不断增加，但出口端压力维持 和度关系。结果显示考虑吸附水数值模拟结果与驱替- 大气压（0.1 MPa），且充注过程中气量充足。因此， 核磁物理模拟结果相近，二者均低于不考虑吸附水影 充注压差变化可视为均匀衰减，满足以下方程： 响下的数值模拟结果。 p - p2 3.3.2 地质条件下致密气充注聚集过程 px = p1 - | 1 | Lx （10） L 与实验室条件相比，地质条件下天然气充注压差 1240 石油勘探与开发·油气勘探 Vol. 50 No.6 带，同时，含气饱和度降低带也会越长。在初始充注 压差 5 MPa、源岩厚度 1 m、单位质量排气量 0.5 cm3/g 的条件下，排出气体最终在编号⑨的致密岩石中形成 的含气饱和度稳定带为 0.14 m，含气饱和度降低带为 0.13 m；当单位质量源岩排气量为 4.5 cm3/g 时，含气 饱和度稳定带为 1.25 m，含气饱和度降低带为 1.19 m （见图 8a）。充注过程中，充注压差衰减过程也呈现两 段，当充注压差足以完全驱替岩石中的游离水时，充 注压差随充注距离的增加线性降低，此距离对应含气 饱和度稳定带；当充注压差不足以驱替岩石中所有的 游离水时，充注压差随充注距离呈“凹函数”衰减， 图7 实验室条件下致密气充注聚集驱替-核磁物理模拟和 对应含气饱和度降低带（见图 8b）。 数值模拟结果对比图 源岩条件相同情况下，储集层条件越好，形成含 并不是均匀衰减。假设向致密储集层中提供气源的源 气饱和度稳定带和降低带越短，但对应含气饱和度高。 岩厚度为 Hs，单位质量源岩排气量为 V0，则充注进致 以编号为⑧、 与 的 3 个样品为例，孔隙度和渗透率 密砂岩储集层中气体物质的量（n）为： 依次降低，相同气源条件下，即 V0=0.5 cm3/g，H=1 m， AH s ρsV0 pg=5 MPa，天然气在 3 个致密储集层的充注距离分别 n= （11） Vm 是 0.27，0.69，3.02 m，含气饱和度稳定带厚度分别为 对应地质条件下天然气体积（Vg）为： 0.14，0.29，1.85 m，对应的含气饱和度为 70.72%， ZnRT 49.68%，12.83%（见图 8c）。充注过程中，充注压差 Vg = （12） ph + pg 随充注距离呈线性降低阶段和“凹函数”衰减阶段， 结合（4）—（7）式，数值模拟不同源岩、储集 编号为⑨、 与 的储集层距离依次降低（见图 8d）。 层条件下的致密气充注聚集过程。不同源岩条件数值 但像编号为 这类物性差的储集层，即使形成很长的 模拟结果显示，源岩排气量越多，在致密岩石中形成的 含气饱和度稳定带，但在实际天然气勘探过程中，也 含气饱和度稳定带越长，越容易形成致密气“甜点” 不是筛选的有利目标层段。 图8 地质条件下天然气充注聚集过程数值模拟结果 （见图 7）。假设源岩排出的天然气只在致密岩石中充 4 致密气充注聚集的影响因素 注聚集时，数值模拟了徐家围子断陷沙河子组、临兴 4.1 充注动力对致密气聚集影响 地区中部和黄甫地区上古生界致密气区理论能形成的 物理模拟显示充注压差越大，含气饱和度越高 含气饱和度稳定带厚度（见表 2）。模拟结果显示徐家 2023 年 12 月 周能武 等：致密气充注聚集机理及数理模型 1241 围子断陷沙河子组致密气形成的含气饱和度稳定带可 和近源致密气充注聚集时气源条件差，游离水未被驱 达 2 278.14 m，远大于沙河子组砂砾岩储集层厚度，说 替完全，形成含气饱和度降低带，因而以气-水同层为 明沙河子组致密砂砾岩距离源岩近，天然气充注时聚集 主；而到远源时，充注压差更低，致密砂岩储集层中 条件好，气源充足且充注压差大，砂砾岩储集层中的游 未发生充注，仅发育水层。 离水能够被完全驱替，形成仅含有吸附水的含气饱和度 4.2 致密层阻力对致密气充注聚集的影响 稳定带。而营城组致密火山岩距离沙河子组源岩远，天 储集层质量通常是影响致密气充注聚集阻力的关 然气经徐中断裂带后，由于体积膨胀，充注压差急剧 键因素 。驱替-核磁物理模拟结果显示，相比于孔隙 降低，并不能驱替完致密砂岩中所有的游离水，因而 度，渗透率对致密储集层充注含气饱和度影响更大（见 形成吸附水-游离水-天然气共存的含气饱和度降低带 图 9a）。对于孔隙度小于 3%的砂砾岩储集层，天然气 以及仅含有水的未充注带。在后期的开发过程中，导 很难充注进岩石孔隙中，最终含气饱和度小于 10%； 致沙河子组致密气不产水，而营城组致密气有水产出。 而对于孔隙度大于 3%的砂砾岩样品，孔隙度与充注含 表2 地质条件下致密气充注数值模拟结果表 气饱和度呈现弱正相关。孔隙度相对较大的火山岩样 层位 排烃强度/ p h/ φ/% Sfw/% MPa p / p T/℃ fw,max fw,min / h1/m 品最终充注含气饱和度并不高，但裂缝型砂砾岩储集 (108 m3·km-2) MPa MPa 徐家围子 层充注含气饱和度高（见图 9a1）。渗透率与充注含气 100.0 5 44.31 25 135 5.0 0.5 2 278.14 沙河子组 饱和度的关系显示，当渗透率低于 0.001×10-3 μm2 时， 临兴地区中 10.0 10 70.00 18 100 2.5 0.5 96.47 天然气很难充注进岩石孔隙中；高于 0.001×10-3 μm2 部上古生界 皇甫区 时，含气饱和度随渗透率增加而逐渐增加（见图 9a2）。 2.5 10 70.00 18 100 2.5 0.5 24.12 上古生界 含气饱和度反映岩石中相对含气量，但并不能反映岩 同样的思路也可以解释中国鄂尔多斯临兴—皇甫 石中绝对含气量，采用孔隙度与含气饱和度的乘积所 致密气区气-水分布和产出特征 。数值模拟计算结果 得的含气孔隙度代表岩石中天然气充注的气量。结果 显示临兴地区中部形成的含气饱和度稳定带可达 显示致密砂砾岩充注含气孔隙度与孔隙度有明显正相 96.47 m， 皇 甫 地 区 的 含 气 饱 和 度 稳 定 带 厚 度 仅 为 关关系，裂缝型砾岩储集层和火山岩储集层偏离趋势 24.12 m。因此，平面上生气强度相对高的临兴地区中 之外（见图 9a3）；但不论是砂岩和砾岩，还是火山岩， 部，源内和近源的致密气充注聚集时充注压差大，形 含气孔隙度与渗透率正相关关系明显（见图 9a4）。 成了含气饱和度稳定带，因而以气层为主；而在远源 地质条件下数值模拟显示致密气有利层段发育在 地区，致密气充注聚集时充注压差小，游离水未被完 靠近源岩、物性好的致密储集层中，这一层段致密储 全驱替，形成含气饱和度降低带，因而气层和气-水同 集层地层水被天然气完全驱替，对应含气饱和度稳定 层均发育；而生气强度相对低的北部皇甫地区，源内 带。本次研究以离心-核磁实验确定的游离水比例/孔隙 图9 储集层物性对含气性的影响 1242 石油勘探与开发·油气勘探 Vol. 50 No.6 度代表地质条件下致密气充注聚集的最大含气饱和度/ 即使岩石中仍有可动流体，也不会被影响，因此实验 含气量。结果显示储集层物性越好，致密岩石中游离 结果显示渗透率主导储集层的最终充注气量。而在地质 水比例/孔隙度越高，其中致密岩石孔隙度与游离水比 条件下，地下致密气充注时间长，天然气有足够的时间 例关系比渗透率与游离水比例关系更加明显（见图 排驱地层中的流体，只要气源条件好，气源量充足、 9b1、图 9b2），同时孔隙度与游离水孔隙度相关性比渗 充注压差大，岩石中的游离水就能被全部驱替出去， 透率与游离水孔隙度相关性也更明显（见图 9b3、图 因此，孔隙度主导了储集层的最终充注聚集的含气量。 9b4），说明孔隙度决定了岩石中天然气的富集程度。 实际勘探结果显示营城组火山岩是徐家围子断陷 徐家围子断陷沙河子组致密气聚集时充注压差 深层天然气重要的储集层 。火山岩样品测试结果显 大，游离水能够被完全驱替出去，形成只含吸附水的 示其具有高孔低渗的特征，物理模拟充注的最终含气 致密储集层含气饱和度稳定带。对于孔隙度相对低的 饱和度并不高。以物理模拟的角度来看，该类储集层 致密储集层，游离水孔隙度低，含气量少，因而致密 天然气聚集规模有限，但实际开发结果显示营城组火 储集层虽含气，但开采产能小，经济价值有限；对于 山岩气层是该地区最重要的产层。离心-核磁实验结果 孔隙度相对较高的致密砂砾岩储集层，游离水孔隙度 显示该类储集层游离水孔隙度较大，据此可以推测， 大，含气量多，开采产能高，具有经济价值。平面上 对于孔隙度较高的火山岩储集层，由于其渗透率较低， 徐家围子断陷安达—宋站地区孔隙度明显高于其他地 地质条件下天然气在岩石中运移速度慢，充注时间长， 区，垂向上沙河子组四段的孔隙度明显高于其余层段， 使得储集层中的可动水被尽可能驱替出来。虽然其充 所以平面上安达—宋站、垂向上沙河子四段开发效果 注的含气饱和度比例不高，但含气孔隙度相对大（见 最好，这就是徐家围子断陷沙河子组致密储集层为什 图 9b3），因此最后充注聚集的天然气量规模大。 么具有普遍含气，但气层产能差异明显的原因。 5 结论 对于低孔高渗的裂缝型储集层，模拟结果显示该 类储集层充注含气饱和度高，是致密气分布的有利储 建立了致密气充注聚集数理模型，揭示了致密气 集层，但并不能说明裂缝对致密气聚集仅起着有利作 充注聚集机理。天然气向致密岩石中充注会优先在靠 用。裂缝对致密气聚集是否有利主要取决于裂缝是否 近源-储界面形成含气饱和度稳定带，气源不足时，从 贯通储集层，当裂缝贯通储集层，天然气会沿着裂缝 源-储界面起，依次形成含气饱和度降低带和未充注带。 向上运移，使得在致密储集层中难以聚集。现今的勘 致密气“甜点”有利层段发育在靠近源岩，物性好的 探结果显示徐家围子断陷沙河子组生烃强度大、但沙 储集层中，对应含气饱和度稳定带。 河子组气区规模相对较小，而稳定的克拉通鄂尔多斯 实验室致密气物理模拟过程能揭示致密气充注聚 盆地形成了致密大气田，裂缝导致的气体散失可能是 集机理，但不能作为地下条件致密气充注聚集结果的判 一个重要原因。当裂缝没有贯通储集层，裂缝的存在 定标准。实验室条件物理模拟实验岩石规格小、充注时 会增大充注面积，使得单位时间内充注进更多的气体， 间短，天然气容易沿着优势运移路径形成贯通通道， 更快达到含气饱和度稳定带，如发育众多微小裂缝的 使得致密气充注含气饱和度/含气量主要受控于岩石渗 四川盆地须家河组也形成了致密大气区 。此外，三 透率；地质条件下，天然气有充足时间排驱岩石中的 塘湖盆地贯通裂缝和未贯通裂缝沉凝灰岩样品的致密 游离水，充注聚集后的含气量主要受控于岩石孔隙度。 油物理模拟结果也显示，未贯通裂缝中样品的油充注 解释了徐家围子断陷深层和鄂尔多斯临兴—皇甫 饱和度高，而贯通裂缝样品中的油饱和度低 ，该结 致密气区气-水分布和产出规律，明确了勘探方向。徐 果也得到了格子波尔兹曼数值模拟结果的验证 。 家围子断陷沙河子组砂砾岩距离源岩较近，天然气充 4.3 充注时间对致密气充注聚集的影响 注聚集时气源充足、充注动差大，形成含气饱和度稳 物理模拟充注结果显示渗透率主导着致密气充注 定带，气层分布非均质性主要受控于储集层质量；营 聚集的含气量（见图 9a2、图 9a4），但数值模拟结果 城组火山岩距离沙河子组源岩远，天然气经断裂带进 却显示孔隙度主导着致密气充注聚集的含气量（见图 入裂缝后，充注压差急剧降低，形成吸附水-游离水- 9b1、图 9b3），导致这一差异的原因可能是地下致密气 天然气共存的含气饱和度降低带以及仅含有水的未充 充注聚集时间与实验室充注模拟物理时间的差异。在 注带。所以后期开发过程中，沙河子组致密气层不产 实验室条件下，受限于样品规格和时间，天然气在岩 水，而营城组致密气层产水。鄂尔多斯盆地临兴—皇 石中沿着优势运移通道流动，形成贯通的优势通道后， 甫致密气区气-水分布主要受控于源岩条件，在气源条 2023 年 12 月 周能武 等：致密气充注聚集机理及数理模型 1243 件相对好、充注压差相对大的临兴地区中部，靠近源 参考文献： 李伟, 王雪柯, 张本健, 等. 中国中西部砂岩天然气大规模聚集 岩层的致密气充注聚集形成含气饱和度稳定带，远离 机制与成藏效应[J]. 石油勘探与开发, 2020, 47(4): 668-678. 源岩层的致密气充注聚集形成含气饱和度降低带；而 LI Wei, WANG Xueke, ZHANG Benjian, et al. 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