典型游離相天然氣成藏機理研究

關于油氣泵和成藏機，地質(zhì)學家通常同意使用傳統(tǒng)的油氣藏模型，如油氣船運輸高速通道的關閉和泥板覆蓋等。相反，另一種新的機械模型（深盆油氣藏）。自從深盆氣概念被正式提出并在北美有了新的發(fā)現(xiàn)以來,有關深盆氣的成藏機理問題日益受到了地質(zhì)研究者的廣泛關注。作為一種新的油氣成藏機理類型,深盆氣藏目前幾乎成了“巨大天然氣資源量”的代名詞,但目前對其成藏的機理研究仍然處于探討過程。對這一問題的合理解釋將有助于拓展對多種油氣藏賦存和分布規(guī)律的認識空間。從油氣成藏的系統(tǒng)論觀點考察,深盆氣藏與常規(guī)圈閉氣藏在成藏機理模式上既有相同之處又有嚴格區(qū)別。1深盆氣成藏機理從表現(xiàn)特征看,除了與毛細管圈閉機理相差較大的煤層氣藏、水溶氣藏、水合甲烷氣藏等其他非常規(guī)類型以外,已發(fā)現(xiàn)的絕大部分游離相天然氣藏均可被分為常規(guī)圈閉氣藏和深盆氣藏兩種基本類型(進一步又可細分為介于兩者之間的其他類型)。就常規(guī)圈閉氣藏來說,天然氣聚集于孔滲條件較好的構造高部位,且其聚集位置與氣源巖明顯分開,天然氣與地層水的分布服從重力分異原理(圖1)。但在深盆氣藏,天然氣主要分布于構造低部位的致密砂巖儲層中,天然氣聚集與氣源巖的分布關系緊密相連。雖然天然氣在其中的聚集仍然以毛細管壓力封閉為主要控制和影響因素,但其中流體在剖面上卻表現(xiàn)為不服從重力分異原理的氣、水倒置關系。典型深盆氣成藏過程中的天然氣運移、聚集和保存均與典型常規(guī)天然氣藏截然不同。與常規(guī)圈閉天然氣成藏機理相呼應,深盆氣成藏機理類型和氣藏模式代表了油氣成藏的另一個基本端元,兩者分別代表了油氣成藏機理在分類學上具有較大研究價值的兩種類型。根據(jù)運移、聚集和保存機理研究,除特殊類型以外的其他所有以毛細管壓力為主要封閉條件并以游離相流體形式存在的油氣,在成藏機理類型上均將介于兩者之間,構成油氣在成藏機理類型上的遞變過渡模式。2兩種典型的天然氣儲存機制2.1置換式與活塞式天然氣運移方式的區(qū)分從注水玻璃管實驗分析可知,當均勻等徑的玻璃管半徑介于一定范圍時,從底部注入的氣體將導致水液面上升。當水液面上升到一定高度時停止注氣,則注入氣體以氣泡或氣柱形式不斷向上運動。在氣泡或氣柱的運動過程中,玻璃管中水液面的高度不再發(fā)生變化,直至氣泡或氣柱溢出水面后,水液面恢復到注氣前的原始狀態(tài),故氣泡或氣柱在水中的運動屬于勢能降低求穩(wěn)意義上的氣水位置交換。當均勻等徑的玻璃管或毛細管半徑小于一定臨界時,從底部注入的氣體將以氣、水倒置方式穩(wěn)定存在,注入的氣體高度等同于水液面的上升高度,氣體在其中的運動過程表現(xiàn)為氣、水同步的活塞式整體推進。因此,氣、水的運動具有兩種典型方式,即活塞式氣、水排驅(qū)模式與置換式氣、水排驅(qū)模式。上述觀察結論在注砂實驗中同樣成立。在孔隙介質(zhì)條件下,從底部注入的天然氣運動同樣具有上述兩種方式。由于砂粒的孔隙結構具有不規(guī)則性,氣體在其中對孔隙水的排驅(qū)壓力具有各個方向上的隨機性。尤其是當孔隙的平均喉道半徑較大或儲層物性的非均質(zhì)性較強時,天然氣在其中的運動主要以置換方式進行,但所需時間比在玻璃管觀察過程長,與孔隙水在其中的滲透率變化關系較大;反之,當儲層的平均喉道半徑較小或儲層物性的各向均質(zhì)性較強時,從底部注入的天然氣對其中孔隙水的排驅(qū)壓力在各個方向上近似均等,從而導致對孔隙水的整體性全面驅(qū)替,天然氣在其中的運移過程表現(xiàn)為活塞式特征。根據(jù)實驗觀察,置換式和活塞式天然氣運移方式分別代表了典型常規(guī)圈閉氣和深盆氣在成藏過程中的天然氣運移方式。對于任意物性和均質(zhì)性的儲層來說,天然氣在其中的運移都將服從上述兩種方式中的一種。由于實際存在的儲層均為較小的孔滲物性條件,若單純從時間因素考慮,由氣源巖中排出的天然氣將首先以活塞方式向前推進,但在氣水推進的過程中隨時都有可能發(fā)生推進方式的改變,如儲層均質(zhì)性條件的改變、地層水向氣柱底部滲流量隨時間增長而造成的積累效應等,這些均是促使天然氣運移方式由活塞式向置換式方向轉變的重要因素。由于轉變效果各不相同,天然氣在成藏過程中的運移方式也就千變?nèi)f化(圖2)。2.2天然氣運移的自然原理對前述實驗結果分析表明,在儲層孔隙中按典型活塞式和置換式運移的天然氣將分別從氣源巖的邊緣處和常規(guī)圈閉的蓋層處開始聚集成藏,分別形成向上逐漸推進的生長式深盆氣藏和向下逐漸發(fā)展的懸浮式常規(guī)圈閉氣藏。典型深盆氣藏與常規(guī)圈閉氣藏之間差異的產(chǎn)生主要取決于天然氣在儲層孔隙中的運移方式,即對地層水作為連續(xù)性介質(zhì)的假設條件變化。當儲層物性致密且其均質(zhì)性程度較好時,天然氣在其中對地層水發(fā)生活塞式排驅(qū)作用,產(chǎn)生并維持倒置狀的氣、水分布關系,即形成所謂深盆氣藏的下氣上水分布狀況,其規(guī)模體積的擴大方式為生長方式,成藏時期的深盆氣藏具有高勢能特征。在儲層的平均孔喉半徑較大且其非均質(zhì)性程度較強時,尤其是在斷裂或裂縫大量發(fā)育和存在的情況下,天然氣將在等壓推進原理作用下優(yōu)先選擇滲透性較好的路徑進行氣、水排驅(qū),從而形成油氣運移高速通道。當天然氣運移的高速通道發(fā)生終止或遇到強大毛細管壓力的嚴密阻隔而形成封閉時,天然氣的運移過程停止并在圈閉內(nèi)開始聚集成藏。因為其初始位置是從圈閉的構造頂部位開始并向下逐漸推進,所以天然氣的聚集過程具有懸浮式特征。與深盆氣藏相比,常規(guī)圈閉氣藏分布于流體勢能降低的方向。2.3天然氣成藏模式及與類型若不考慮天然氣的擴散運移過程,則天然氣藏的保存過程同樣具有兩種基本形式。一種是在嚴密蓋層封閉條件下相對靜態(tài)存在的常規(guī)圈閉天然氣藏,一旦當天然氣的充注量達到圈閉溢出點,或天然氣向圈閉中的充注過程結束時,天然氣在其中的存在比較穩(wěn)定;另一種是在典型深盆氣成藏條件下,在儲層本身弱毛細管封閉壓力條件下形成的“動態(tài)性”天然氣封閉,天然氣藏存在的外部界限為一非穩(wěn)定邊界。在深盆氣的成藏及保存過程中,氣藏頂部邊界的位置具有變化特點,其升降變化受源巖的生供氣過程和氣、水界面處致密儲層的毛細管壓力等因素的影響,故典型深盆氣藏是一種不穩(wěn)定性特征較為明顯的氣藏類型。在深盆氣存在過程中,當天然氣的運移動力能夠克服其運移阻力時,天然氣藏的存在狀態(tài)表現(xiàn)為相對的動態(tài)過程。但隨著氣源補充條件的改變、時間的延長以及地層流體勢能傳導的平衡作用變化,天然氣的運移動力逐漸變得與其最大運移阻力相互平衡。在不考慮擴散運移方式的情況下,此時的深盆氣藏進入相對靜止的穩(wěn)定保存狀態(tài)。在上述過程中,隨著天然氣藏由相對動態(tài)平衡向相對靜態(tài)平衡的轉化,天然氣藏規(guī)模逐漸趨于減小,逐漸達到監(jiān)界穩(wěn)定狀態(tài)時的最大規(guī)模范圍(最大臨界氣柱高度),深盆氣藏圈閉以外儲層中運移的天然氣更逐漸趨于消失,最后完全分化為在動力平衡條件下穩(wěn)定存在的典型性深盆氣藏。從成藏順序分析,如果與烴源巖緊鄰的儲層條件較為致密,且油氣成藏條件恰好介于深盆氣與常規(guī)圈閉氣藏的臨界,則深盆氣藏首先形成。不同地質(zhì)演化階段所表現(xiàn)出來的天然氣藏類型特征將與地層流體勢能的傳導條件和傳導結果有關,通常體現(xiàn)為氣源巖的生、供氣速率、時間、致密儲層的物性及其均質(zhì)性條件的函數(shù)。多種地質(zhì)因素綜合作用的結果將產(chǎn)生出從極不穩(wěn)定到較為穩(wěn)定的連續(xù)過渡的多種氣藏保存遞變模式,若將上述兩種狀態(tài)分別描述為典型深盆氣藏和典型常規(guī)圈閉氣藏特征,則其間所存在的大量過渡模式就對應于北美地質(zhì)學家所研究的致密砂巖氣藏。由于其成藏地質(zhì)條件多變,實際存在的天然氣藏也就多種多樣(圖3)。天然氣在儲層孔隙中的運移包含了典型的活塞式和置換式兩種類型,但由于儲層物性的非均質(zhì)性、天然氣活塞式運移的不穩(wěn)定性以及時間變化等因素干擾,天然氣運移動力平衡的微小擾動及其效應累加常使其運移方式和存在形式發(fā)生根本性改變,多種因素的共同作用將有可能導致已經(jīng)形成深盆氣藏的弱化甚至消失。由于地下條件的儲層物性特征及其非均質(zhì)性變化廣泛,地層水作為連續(xù)或非連續(xù)性介質(zhì)的假設條件也將發(fā)生多種變化,可由完全的連續(xù)性漸變?yōu)橥耆牟贿B續(xù)性。這主要是受地層滲透率和時間等因素影響,地層流體勢能的傳導條件隨之發(fā)生相應變化。從這一意義上分析,所有毛細管封閉的游離相天然氣成藏模式均屬于典型深盆氣藏與典型常規(guī)氣藏之間的過渡類型。3天然氣運移動力與成藏阻力的關系對天然氣運移、聚集和保存兩種方式的力學分析表明,當天然氣以置換方式進行運移、以懸浮方式進行聚集并以相對靜態(tài)穩(wěn)定方式進行保存(典型常規(guī)圈閉成藏)時,其受力狀態(tài)主要為天然氣浮力、自身重力和蓋層毛細管壓力之間的動力過程和物質(zhì)平衡問題。當作為運移動力的浮力(從單位面積上考慮,其值與氣柱高度為正比關系)能夠克服其他兩種運移阻力時,天然氣選擇優(yōu)勢通道向上運移,否則就保持穩(wěn)定。在天然氣運移動力與成藏阻力達到臨界平衡條件時,單位面積上天然氣的氣柱高度可以達到最大,其值僅與天然氣密度有關,而與氣藏埋深沒有直接關系;當天然氣以活塞方式進行運移、以生長方式進行聚集并以相對不穩(wěn)定方式進行保存(典型深盆氣成藏)時,服從深盆氣成藏條件下的動力平衡和物質(zhì)平衡1由于其受力過程較為復雜,其中重點須考慮氣源巖的生烴膨脹力并排除天然氣的浮力影響。4天然氣成藏機理(1)由于成藏條件的變化,以毛細管壓力封閉的游離相天然氣成藏機理具有典型深盆氣藏和典型常規(guī)圈閉氣藏兩種模式,它們分別在天然氣成藏的運移、聚集和保存過程中具有各自典型的機理特征。(2)由于天然氣成藏的地質(zhì)條件千變?nèi)f化,尤其當儲層致密時,受毛細管壓力封閉的游離相天然氣成藏過程將表現(xiàn)為兩種典型機理之間的遞變過渡特征,形成具有過渡意義的致密砂巖氣藏。