0 引言
中国陆相致密气的勘探开发近年来取得重要进展，形成了以鄂尔多斯盆地苏里格地区上古生界、四川盆地上三叠统须家河组以及塔里木盆地库车坳陷白垩系为代表的3个致密砂岩大气区，同时，在准噶尔盆地二叠系—侏罗系、吐哈盆地侏罗系以及松辽盆地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]。
围绕不同盆地、不同类型的致密气区，国内外学者对致密气的形成条件、气-水分布和产出规律以及富集控制因素开展了大量研究，为致密气的勘探开发提供了坚实的基础。气源规模大、储集体发育以及二者大面积紧密接触是致密气规模化聚集的有利条件[2]，同时，致密气区的气-水分布规律和产出特征呈现强烈的非均质性。在气-水分布规律方面，平面上含气面积连续或准连续，垂向上含气饱和度差异大[3-4]。在气-水产出特征方面，不同致密气区产能和产出流体类型也存在很大差异，产能高的气井可能产水，也可能不产水，产能低的气井亦如此[5⇓-7]。即使在同一区块，垂向上不同层位、平面上不同位置的致密气层/区也可能出现以产气为主、气-水同产以及产水为主等多种特征[8]。针对各大盆地致密气的气-水分布和产出非均质性，大量学者从地质观察角度对致密气充注聚集机理开展了研究，认为构造背景、源岩条件、储集层特征、源储空间关系以及岩石-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，姜福杰等[12-13]对致密气充注聚集过程/模式进行了讨论，指出致密气充注聚集可以分为3个阶段：能量积累阶段、幕式充注聚集阶段和保存阶段，并认为充注聚集过程中存在天然气充注、天然气饱和及天然气终止3个门限，分别对应于自由水-束缚水，自由水-束缚水-天然气以及天然气-束缚水共存3个临界状态。整体说来，致密气充注聚集研究虽已从实验模拟和地质观察两个角度总结了相应的定性认识规律，但缺少定量的数理模型去揭示致密气充注聚集机理。
本文在开展致密气驱替-核磁物理模拟实验的基础上，依靠物质平衡和力学平衡构建致密气充注聚集数理模型，结合对中国典型盆地致密气区气-水分布和产出非均质性格局的剖析，从物理模拟、数值模拟以及地质观察3方面结合论证了致密气充注聚集机理。
1 研究区地质概况与勘探开发现状
徐家围子断陷位于松辽盆地北部、古中央隆起带东翼，是盆地深层天然气最丰富的区块（见图1a ）。断陷自下而上发育上侏罗统火石岭组、下白垩统沙河子组、营城组和登娄库组（见图1b ），其中沙河子组沉积时期广泛发育扇三角洲、辫状河三角洲和湖相沉积，岩性以互层的砂砾岩和泥岩为主；营城组沉积阶段处于火山频繁活动时期，岩性为火山岩与砂泥交互沉积。沙河子组为包括营城组火山岩在内的深层储集层形成提供了主要气源，同时自身也是致密砂砾岩气层主要发育层段。
沙河子组从下到上共分为4段，二段和三段为源岩主要分布层段，一段和四段主要以砂砾岩为主，局部含火山岩。源岩评价结果显示徐家围子断陷沙河子组源岩有机质丰度高、类型以Ⅲ型为主，成熟度高，厚度大[18]，生气强度普遍高于50×108 m3/km2，局部地区生气强度可达200×108 m3/km2，具有形成大规模气区的潜力[19]。储集层评价结果显示徐家围子断陷沙河子组储集层物性较差，孔隙度为2.0%~8.0%，渗透率普遍小于1×10-3 μm2，为典型致密储集层。平面对比结果显示，安达—宋站地区储集层平均孔隙度最高，其次为徐家围子断陷东部和西部，肇州地区储集层平均孔隙度最低；垂向层段对比结果显示，沙河子组四段储集层的平均孔隙度最高，其次为沙河子组二段，沙河子组一段和三段储集层的平均孔隙度最低。营城组火山岩储集层具有高孔低渗的特征[10]。
徐家围子断陷试气结果显示，沙河子组基本不产水，仅部分井有几十立方米的产水量，但营城组气-水同出（见图1c ）。沿着北部安达—宋站地区的气层剖面显示（见图1c1 ），储集层普遍含气，其中沙河子组四段是气层分布相对集中层段，而沙河子组二段和三段普遍为差气层和干层，局部分布气层。徐家围子断陷中部地区东西方向的气层剖面显示（见图1c2 ），徐家围子断陷东部和西部地区的沙河子组气层分布有限，以干层和差气层为主，仅在局部层段分布气层；营城组剖面显示该层位气层、水层以及气-水层同时发育。试气平面分布结果和气层剖面分布结果指示徐家围子断陷致密气具有以下特征：①沙河子组普遍含气，但平面分布不均。徐家围子断陷北部安达—宋站地区试气产能整体较高，中部以及南部肇州地区局部井具有高产潜力，但分布局限；②剖面上气层主要分布在沙河子组四段，其他段气层局部发育，大多分布在徐家围子断陷中部和南部肇州地区；③沙河子组致密砂砾岩储集层不产水，营城组致密火山岩储集层产水。
与徐家围子断陷相反，鄂尔多斯盆地临兴—皇甫致密气区生烃强度低，储集层条件好。不同区域、层段致密气的气-水分布和产出同样存在非均质性。平面上，生气强度相对高的临兴地区中部砂岩储集层以气层和气水层为主，向北逐渐过渡到生气强度相对低的皇甫地区，砂岩储集层逐渐以气-水层和水层为主。垂向上，在临兴地区中部，源内和近源的致密砂岩中以气层为主，而远源的致密砂岩中气层和气水层均存在[20]。
针对上述两个致密气区气-水分布和产出非均质性分布特征，实际上反映研究区致密气存在3个地质问题：①徐家围子断陷沙河子组储集层平面和垂向上含气性差异的原因；②徐家围子断陷沙河子组致密气不产水，而营城组致密气产水的机理；③临兴—皇甫致密气区的气-水分布格局呈现气层-气/水层-水层过渡的过程及原因。要解决以上问题，需要对致密气的充注聚集过程、机理和控制因素进行剖析。
2 致密气充注聚集物理模拟
2.1 实验样品和方法
实验样品取自松辽盆地徐家围子断陷沙河子组，采样井位见图1a ，包括7块砾岩、7块砂岩和1块火山岩，规格见表1 。开展驱替-核磁物理模拟实验之前，样品提前开展常规气测孔隙度、渗透率和镜下观察（铸体薄片和扫描电镜）实验，常规气测孔隙度和渗透率见表1 。
表1 气驱水物理模拟实验样品基本信息表 |
| 样品 编号 | 井号 | 深度/ m | 岩性 | 长度/ mm | 直径/ mm | 孔隙度/% | 渗透率 （常规）/ 10-6 μm2 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 核磁 | 常规 | |||||||
| ① | DS28 | 3 064.77 | 砂岩 | 28.85 | 25.20 | 9.655 | 9.741 | 13.790 |
| 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 |
| ④ | DS6 | 3 450.58 | 砂岩 | 29.43 | 24.99 | 4.335 | 3.983 | 5.860 |
| ⑤ | DS34 | 2 865.29 | 砂岩 | 29.93 | 25.15 | 6.081 | 5.845 | 1.960 |
| 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 |
| ⑧ | XT1 | 3 936.31 | 砾岩 | 27.03 | 25.13 | 6.387 | 8.807 | 53.910 |
| 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 |
| ⑪ | XS44 | 4 137.87 | 砾岩 | 32.08 | 25.01 | 4.731 | 4.921 | 270.970 |
| ⑫ | DS32 | 4 168.70 | 砾岩 | 24.81 | 25.15 | 4.194 | 5.069 | 28.020 |
| ⑬ | DS6 | 3 540.24 | 砾岩 | 28.10 | 24.99 | 5.411 | 6.147 | 4.810 |
| ⑭ | XS1 | 3 927.03 | 砾岩 | 29.15 | 25.19 | 2.723 | 2.812 | 3.590 |
| ⑮ | DS34 | 3 054.44 | 安山岩 | 27.27 | 25.15 | 8.825 | 9.365 | 1.830 |
2.2 致密气充注聚集物理模拟
驱替-核磁物理模拟结果显示致密气充注聚集过程与充注压力以及岩石孔隙结构密切相关。储集空间以微裂缝为主、孔-缝连通性好的砾岩样品（见图2a1 ），饱和水核磁T2值普遍很大，主峰在100 ms左右，说明储集层孔喉以大尺寸为主。驱替过程中，核磁T2谱随充注压力增加而迅速降低（见图2a2 ），当充注压力为1 MPa时，含气饱和度达65%，充注压力大于2 MPa时，含气饱和度高达99%以上，说明孔-缝中的水几乎被氮气驱替完全（见图2a3 ）。储集空间以溶蚀孔为主、孔喉连通较好的砾岩样品（见图2b1 ），饱和水核磁T2谱图呈三峰分布，以左峰为主，峰值在0.3 ms左右，峰宽为0.03~3.00 ms；中峰在20 ms左右，峰宽为3~100 ms；右峰在300 ms 左右，峰宽大于100 ms，说明储集层孔喉尺寸分布较宽，且均占有一定比例。驱替过程中，随充注压力增加，右峰优先降低，之后中峰和左峰一起降低（见图2b2 ），当充注压力大于10 MPa时，含气饱和度在60%左右（见图2b3 ）。粒间孔隙被钙质胶结、储集空间以黏土矿物晶间孔为主、孔隙连通性差的砾岩样品（见图2c1 ），饱和水核磁T2值为0.03~50.00 ms，主峰在0.3 ms左右，说明储集层以微小孔为主。驱替过程中，随充注压力增加，T2值大于3 ms孔隙中的流体被优先驱替出来（见图2c2 ），当充注压力为12 MPa时，含气饱和度37%左右（见图2c3 ）。镜下不见孔隙的砾岩样品，饱和水核磁T2值普遍小于2 ms，主峰在0.3 ms附近，说明储集层仅含少量微孔；驱替过程中，天然气很难充注进储集层中，且受数据反演影响，含气饱和度波动（见图2d ）。
3 致密气充注聚集数值模拟
3.1 致密气充注聚集数值模型
3.1.1 致密岩石初始游离水/吸附水分布
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（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 |
$\left\{ \begin{matrix} {{S}_{\text{bw}}}=\frac{{{\phi }_{\text{bw}}}}{\phi }=\frac{\int_{{{r}_{\text{bw,}\min }}}^{{{r}_{\text{bw,}\max }}}{{{\phi }_{\text{bw,}r}}}dr}{\phi }\times 100\% \\ {{S}_{\text{fw}}}=\frac{{{\phi }_{\text{fw}}}}{\phi }=\frac{\int_{{{r}_{fw\text{,}\min }}}^{{{r}_{\operatorname{fw}\text{,}\max }}}{{{\phi }_{\text{fw,}r}}}dr}{\phi }\times 100\% \\ \end{matrix} \right.$
3.1.2 致密气含气饱和度
依据Washburn方程[24]，半径为r的孔喉产生的毛管阻力pr为：
${{p}_{r}}=\frac{2\sigma \cos \theta }{r}$
致密气充注聚集过程是天然气克服毛管阻力驱替可动流体的过程。由于岩石中只有游离水可动，在充注压差pg下天然气只能驱替孔喉半径大于rg，即毛管阻力小于pg的孔隙中的游离水，形成如图3b 的气-水分布。因此，充注压差pg与含气饱和度Sg关系可以表述为：
${{S}_{\text{g}}}=\left\{ \begin{matrix} {{S}_{\text{fw}}} & {{p}_{\text{g}}}\ge {{p}_{\text{fw,}\max }} \\ \frac{\int_{{{r}_{\text{g}}}}^{{{r}_{\text{fw,}\max }}}{{{\phi }_{\text{fw,}r}}}dr}{\phi } & \text{ }{{p}_{\text{fw,}\min }}{{p}_{\text{g}}}{{p}_{\text{fw,}\max }} \\ 0 & {{p}_{\text{g}}}\le {{p}_{\text{fw,}\min }} \\ \end{matrix} \right.$
3.1.3 致密气充注聚集过程
（3）式显示在气源充足的条件下，充注压差pg与含气饱和度Sg的关系。然而，地质条件下，天然气向致密岩石中充注聚集时，充注压差是不断衰减的，含气饱和度也是不断变化的。图3c 展示了致密气充注聚集过程以及各充注聚集阶段的气-水分布情况。依据充注压差与游离水分布孔隙对应的毛管阻力大小，致密气充注聚集过程分为3带。
①含气饱和度稳定带（吸附水-天然气带）：该带形成时充注压差pg大于pfw,max，持续衰减至pfw,max。
假设初始充注压差pg的天然气充注到距离源储界面h1时对应的充注压差为pfw,max（见图3c ），则在该距离内，致密储集层中的游离水被天然气驱替出去，只剩下吸附水，对应图3c1 中的天然气-吸附水分布，此时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：
${{V}_{\text{g}}}\left( {{p}_{g}}+{{p}_{\text{h}}} \right)={{h}_{1}}A\phi {{S}_{\text{fw}}}\left( {{p}_{\text{fw,max}}}+{{p}_{\text{h}}} \right)$
需要说明的是，含气饱和度稳定带优先发育在源-储紧邻位置，此位置充注压差与源岩排气超压相等，该压力往往可以在源-储紧邻位置完全驱替致密储集层中的游离水形成仅含吸附水的含气饱和度稳定带。当然，如果气源条件差，初始充注压差小于pfw,max，则不存在含气饱和度稳定带。
②含气饱和度降低带（游离水-吸附水-天然气共存带）：该带形成于充注压差pg大于pfw,min且小于pfw,max时，持续衰减至pfw,min时结束。
假设该过程充注的气层厚度为h2（见图3c 0），充注过程中致密储集层中的气-水分布由图3c1 逐渐变为图3c2 和图3c3 ，至图3c4 结束。天然气充注过程中，充注压差和充注含气饱和度不断衰减。
将气层充注厚度h2等分为m个Δh，充注到第一个Δh距离时，充注压差降低为p1。依据物质平衡原理：
${{h}_{1}}{{S}_{\text{fw}}}\left( {{p}_{\text{fw,max}}}+{{p}_{\text{h}}} \right)={{h}_{1}}{{S}_{\text{fw}}}\left( {{p}_{1}}+{{p}_{\text{h}}} \right)+\Delta h{{S}_{\text{g,1}}}\left( {{p}_{1}}+{{p}_{\text{h}}} \right)$
当充注到第m个Δh距离时，对应充注动力为pm，其值等于pfw,min，充注过程结束：
${{h}_{1}}{{S}_{\text{fw}}}\left( {{p}_{\text{fw,max}}}+{{p}_{\text{h}}} \right)={{h}_{1}}{{S}_{\text{fw}}}\left( {{p}_{\text{fw,min}}}+{{p}_{\text{h}}} \right)+\Delta h\text{ }\sum\limits_{i=1}^{m}{{{S}_{\text{g,}i}}}\left( {{p}_{i}}+{{p}_{\text{h}}} \right)$
此时可求取充注厚度H：
$H={{h}_{1}}+{{h}_{2}}={{h}_{1}}+m\Delta h$
③非充注带：该阶段充注压差pg小于等于pfw,min。由于充注压差小，天然气无法充注到储集层中，储集层中仍然为原始吸附水-游离水状态，因此储集层中的含气饱和度为0（见图3c4 ）。
3.2 致密气充注聚集数理模型参数
从上节可以看出，揭示致密气充注聚集过程需要确定两个关键参数：游离水、吸附水比例、含气饱和度（Sg）与充注压差（pg）关系，前者由离心-核磁实验确定，后者通过高压压汞曲线进行转化。
3.2.1 游离水、吸附水比例
研究区共开展了24块致密储集层样品的离心-核磁实验，评价结果显示研究区致密储集层游离水占比12.76%~84.09%，平均值为44.31%。
3.2.2 充注压差-含气饱和度
高压压汞描述进汞压力与汞饱和度关系，依据（2）式将这一关系转化为充注压差与含气饱和度关系。岩石-汞的接触角约为140°，界面张力为480 mN/m2。实验室条件下（20 ℃，0.1 MPa），氮气-水界面张力为71.43 mN/m2[25]，平均润湿角为50.4°。地质条件下，沙河子组致密气形成时期温度主要分布在130~140 ℃，地层静水压力为20~25 MPa[26]，对应甲烷-水界面张力44 mN/m2[25]；天然气未充注之前岩石完全水湿，润湿角为0。因此，充注进相同孔径，实验室条件下氮气需要压力pg1、地质条件下甲烷需要的压力pg2与进汞需要压力pHg之间的比例关系为1.00︰0.96︰8.00。
由于汞饱和度计算采用常规气测孔隙度，为了与驱替-核磁实验对应，对含气饱和度（Sg）采用如下公式转化：
${{S}_{\text{g}}}={{S}_{\text{Hg}}}\frac{{{\phi }_{\text{a}}}}{{{\phi }_{\text{b}}}}$
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
在驱替-核磁物理模拟实验室条件下，氮气充注进致密岩石中进口端压力不断增加，但出口端压力维持大气压（0.1 MPa），且充注过程中气量充足。因此，充注压差变化可视为均匀衰减，满足以下方程：
${{p}_{x}}={{p}_{1}}-\left( \frac{{{p}_{1}}-{{p}_{2}}}{L} \right){{L}_{x}}$
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 ）。
3.3.2 地质条件下致密气充注聚集过程
与实验室条件相比，地质条件下天然气充注压差并不是均匀衰减。假设向致密储集层中提供气源的源岩厚度为Hs，单位质量源岩排气量为V0，则充注进致密砂岩储集层中气体物质的量（n）为：
$n=\frac{A{{H}_{\text{s}}}{{\rho }_{\text{s}}}{{V}_{0}}}{{{V}_{\text{m}}}}$
对应地质条件下天然气体积（Vg）为：
${{V}_{\text{g}}}=\frac{ZnRT}{{{p}_{\text{h}}}+{{p}_{\text{g}}}}$
结合（4）—（7）式，数值模拟不同源岩、储集层条件下的致密气充注聚集过程。不同源岩条件数值模拟结果显示，源岩排气量越多，在致密岩石中形成的含气饱和度稳定带越长，越容易形成致密气“甜点”
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，对应含气饱和度降低带（见图8b ）。
源岩条件相同情况下，储集层条件越好，形成含气饱和度稳定带和降低带越短，但对应含气饱和度高。以编号为⑧、⑫与⑭的3个样品为例，孔隙度和渗透率依次降低，相同气源条件下，即V0=0.5 cm3/g，H=1 m，pg=5 MPa，天然气在3个致密储集层的充注距离分别是0.27，0.69，3.02 m，含气饱和度稳定带厚度分别为0.14，0.29，1.85 m，对应的含气饱和度为70.72%，49.68%，12.83%（见图8c ）。充注过程中，充注压差随充注距离呈线性降低阶段和“凹函数”衰减阶段，编号为⑨、⑫与⑭的储集层距离依次降低（见图8d ）。但像编号为⑭这类物性差的储集层，即使形成很长的含气饱和度稳定带，但在实际天然气勘探过程中，也不是筛选的有利目标层段。
4 致密气充注聚集的影响因素
4.1 充注动力对致密气聚集影响
物理模拟显示充注压差越大，含气饱和度越高[8]（见图7 ）。假设源岩排出的天然气只在致密岩石中充注聚集时，数值模拟了徐家围子断陷沙河子组、临兴地区中部和黄甫地区上古生界致密气区理论能形成的含气饱和度稳定带厚度（见表2 ）。模拟结果显示徐家围子断陷沙河子组致密气形成的含气饱和度稳定带可达2 278.14 m，远大于沙河子组砂砾岩储集层厚度，说明沙河子组致密砂砾岩距离源岩近，天然气充注时聚集条件好，气源充足且充注压差大，砂砾岩储集层中的游离水能够被完全驱替，形成仅含有吸附水的含气饱和度稳定带。而营城组致密火山岩距离沙河子组源岩远，天然气经徐中断裂带后，由于体积膨胀，充注压差急剧降低，并不能驱替完致密砂岩中所有的游离水，因而形成吸附水-游离水-天然气共存的含气饱和度降低带以及仅含有水的未充注带。在后期的开发过程中，导致沙河子组致密气不产水，而营城组致密气有水产出。
表2 地质条件下致密气充注数值模拟结果表 |
| 层位 | 排烃强度/ (108 m3·km-2) | ϕ/% | Sfw/% | ph/ MPa | T/℃ | pfw,max/ MPa | pfw,min/ MPa | h1/m |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 徐家围子 沙河子组 | 100.0 | 5 | 44.31 | 25 | 135 | 5.0 | 0.5 | 2 278.14 |
| 临兴地区中部上古生界 | 10.0 | 10 | 70.00 | 18 | 100 | 2.5 | 0.5 | 96.47 |
| 皇甫区 上古生界 | 2.5 | 10 | 70.00 | 18 | 100 | 2.5 | 0.5 | 24.12 |
同样的思路也可以解释中国鄂尔多斯临兴—皇甫致密气区气-水分布和产出特征[20]。数值模拟计算结果显示临兴地区中部形成的含气饱和度稳定带可达96.47 m，皇甫地区的含气饱和度稳定带厚度仅为24.12 m。因此，平面上生气强度相对高的临兴地区中部，源内和近源的致密气充注聚集时充注压差大，形成了含气饱和度稳定带，因而以气层为主；而在远源地区，致密气充注聚集时充注压差小，游离水未被完全驱替，形成含气饱和度降低带，因而气层和气-水同层均发育；而生气强度相对低的北部皇甫地区，源内和近源致密气充注聚集时气源条件差，游离水未被驱替完全，形成含气饱和度降低带，因而以气-水同层为主；而到远源时，充注压差更低，致密砂岩储集层中未发生充注，仅发育水层。
4.2 致密层阻力对致密气充注聚集的影响
储集层质量通常是影响致密气充注聚集阻力的关键因素[27]。驱替-核磁物理模拟结果显示，相比于孔隙度，渗透率对致密储集层充注含气饱和度影响更大（见图9a ）。对于孔隙度小于3%的砂砾岩储集层，天然气很难充注进岩石孔隙中，最终含气饱和度小于10%；而对于孔隙度大于3%的砂砾岩样品，孔隙度与充注含气饱和度呈现弱正相关。孔隙度相对较大的火山岩样品最终充注含气饱和度并不高，但裂缝型砂砾岩储集层充注含气饱和度高（见图9a1 ）。渗透率与充注含气饱和度的关系显示，当渗透率低于0.001×10-3 μm2时，天然气很难充注进岩石孔隙中；高于0.001×10-3 μm2时，含气饱和度随渗透率增加而逐渐增加（见图9a2 ）。含气饱和度反映岩石中相对含气量，但并不能反映岩石中绝对含气量，采用孔隙度与含气饱和度的乘积所得的含气孔隙度代表岩石中天然气充注的气量。结果显示致密砂砾岩充注含气孔隙度与孔隙度有明显正相关关系，裂缝型砾岩储集层和火山岩储集层偏离趋势之外（见图9a3 ）；但不论是砂岩和砾岩，还是火山岩，含气孔隙度与渗透率正相关关系明显（见图9a4 ）。
地质条件下数值模拟显示致密气有利层段发育在靠近源岩、物性好的致密储集层中，这一层段致密储集层地层水被天然气完全驱替，对应含气饱和度稳定带。本次研究以离心-核磁实验确定的游离水比例/孔隙度代表地质条件下致密气充注聚集的最大含气饱和度/含气量。结果显示储集层物性越好，致密岩石中游离水比例/孔隙度越高，其中致密岩石孔隙度与游离水比例关系比渗透率与游离水比例关系更加明显（见图9b1 、图9b2 ），同时孔隙度与游离水孔隙度相关性比渗透率与游离水孔隙度相关性也更明显（见图9b3 、图9b4 ），说明孔隙度决定了岩石中天然气的富集程度。
徐家围子断陷沙河子组致密气聚集时充注压差大，游离水能够被完全驱替出去，形成只含吸附水的致密储集层含气饱和度稳定带。对于孔隙度相对低的致密储集层，游离水孔隙度低，含气量少，因而致密储集层虽含气，但开采产能小，经济价值有限；对于孔隙度相对较高的致密砂砾岩储集层，游离水孔隙度大，含气量多，开采产能高，具有经济价值。平面上徐家围子断陷安达—宋站地区孔隙度明显高于其他地区，垂向上沙河子组四段的孔隙度明显高于其余层段，所以平面上安达—宋站、垂向上沙河子四段开发效果最好，这就是徐家围子断陷沙河子组致密储集层为什么具有普遍含气，但气层产能差异明显的原因。
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集层，但并不能说明裂缝对致密气聚集仅起着有利作用。裂缝对致密气聚集是否有利主要取决于裂缝是否贯通储集层，当裂缝贯通储集层，天然气会沿着裂缝向上运移，使得在致密储集层中难以聚集。现今的勘探结果显示徐家围子断陷沙河子组生烃强度大、但沙河子组气区规模相对较小，而稳定的克拉通鄂尔多斯盆地形成了致密大气田，裂缝导致的气体散失可能是一个重要原因。当裂缝没有贯通储集层，裂缝的存在会增大充注面积，使得单位时间内充注进更多的气体，更快达到含气饱和度稳定带，如发育众多微小裂缝的四川盆地须家河组也形成了致密大气区[28]。此外，三塘湖盆地贯通裂缝和未贯通裂缝沉凝灰岩样品的致密油物理模拟结果也显示，未贯通裂缝中样品的油充注饱和度高，而贯通裂缝样品中的油饱和度低[29]，该结果也得到了格子波尔兹曼数值模拟结果的验证[30]。
4.3 充注时间对致密气充注聚集的影响
物理模拟充注结果显示渗透率主导着致密气充注聚集的含气量（见图9a2 、图9a4 ），但数值模拟结果却显示孔隙度主导着致密气充注聚集的含气量（见图9b1 、图9b3 ），导致这一差异的原因可能是地下致密气充注聚集时间与实验室充注模拟物理时间的差异。在实验室条件下，受限于样品规格和时间，天然气在岩石中沿着优势运移通道流动，形成贯通的优势通道后，即使岩石中仍有可动流体，也不会被影响，因此实验结果显示渗透率主导储集层的最终充注气量。而在地质条件下，地下致密气充注时间长，天然气有足够的时间排驱地层中的流体，只要气源条件好，气源量充足、充注压差大，岩石中的游离水就能被全部驱替出去，因此，孔隙度主导了储集层的最终充注聚集的含气量。
实际勘探结果显示营城组火山岩是徐家围子断陷深层天然气重要的储集层[10]。火山岩样品测试结果显示其具有高孔低渗的特征，物理模拟充注的最终含气饱和度并不高。以物理模拟的角度来看，该类储集层天然气聚集规模有限，但实际开发结果显示营城组火山岩气层是该地区最重要的产层。离心-核磁实验结果显示该类储集层游离水孔隙度较大，据此可以推测，对于孔隙度较高的火山岩储集层，由于其渗透率较低，地质条件下天然气在岩石中运移速度慢，充注时间长，使得储集层中的可动水被尽可能驱替出来。虽然其充注的含气饱和度比例不高，但含气孔隙度相对大（见图9b3 ），因此最后充注聚集的天然气量规模大。
5 结论
建立了致密气充注聚集数理模型，揭示了致密气充注聚集机理。天然气向致密岩石中充注会优先在靠近源-储界面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。致密气“甜点”有利层段发育在靠近源岩，物性好的储集层中，对应含气饱和度稳定带。
实验室致密气物理模拟过程能揭示致密气充注聚集机理，但不能作为地下条件致密气充注聚集结果的判定标准。实验室条件物理模拟实验岩石规格小、充注时间短，天然气容易沿着优势运移路径形成贯通通道，使得致密气充注含气饱和度/含气量主要受控于岩石渗透率；地质条件下，天然气有充足时间排驱岩石中的游离水，充注聚集后的含气量主要受控于岩石孔隙度。
解释了徐家围子断陷深层和鄂尔多斯临兴—皇甫致密气区气-水分布和产出规律，明确了勘探方向。徐家围子断陷沙河子组砂砾岩距离源岩较近，天然气充注聚集时气源充足、充注动差大，形成含气饱和度稳定带，气层分布非均质性主要受控于储集层质量；营城组火山岩距离沙河子组源岩远，天然气经断裂带进入裂缝后，充注压差急剧降低，形成吸附水-游离水-天然气共存的含气饱和度降低带以及仅含有水的未充注带。所以后期开发过程中，沙河子组致密气层不产水，而营城组致密气层产水。鄂尔多斯盆地临兴—皇甫致密气区气-水分布主要受控于源岩条件，在气源条件相对好、充注压差相对大的临兴地区中部，靠近源岩层的致密气充注聚集形成含气饱和度稳定带，远离源岩层的致密气充注聚集形成含气饱和度降低带；而在气源条件相对差、充注压差相对小的皇甫区，靠近源岩层的致密气充注聚集形成含气饱和度降低带，远离源岩层的致密砂岩储集层中天然气未充注聚集。
符号注释：
A——天然气充注面积，m2；h1——含气饱和度稳定带厚度，m；h2——含气饱和度降低带厚度，m；Δh——含气饱和度降低带厚度等分为m份的厚度，m；H——致密气充注厚度，m；Hs——源岩厚度，m；Lx——岩心上位置x距离进口端的长度，mm；L——岩心长度，mm；m——将h2等分的数量；n——物质的量，mol；p1——岩心进口端的压力，MPa；p2——岩心出口端的压力，MPa；pfw, max——游离水分布的最小孔径rfw, min对应的毛管阻力，MPa；pfw, min——游离水分布的最大孔径rfw, max对应的毛管阻力，MPa；pg1——实验室条件下氮气充注压差，MPa；pg2——地质条件下甲烷充注压差，MPa；pi——天然气充注到致密储集层第i个Δh时的充注压差（i=1，2，…，m），MPa；pg——充注压差，MPa；pHg——进汞压力，MPa；ph——地层静水压力，MPa；pL——中值压差，为可动水比例达到Sfw一半时的压差大小，MPa；pr——毛管阻力，MPa；Δp——离心压差，MPa；px——岩心上x位置的充注压差，MPa；r1，r2——致密气充注过程中的某一时刻充注压差能驱替致密储集层中游离水分布的最小孔径，μm；rbw,max——岩石中吸附水分布的最大孔径，μm；rbw,min——岩石中吸附水分布的最小孔径，通常与最小孔隙半径相等，μm；rfw,max——岩石中游离水分布的最大孔径，通常与最大孔隙半径相等，μm；rfw, min——岩石中游离水分布的最小孔径，μm；rg——充注压差pg条件下能驱替的游离水孔隙半径，μm；rfw, j——致密气充注到j位置时充注压差能驱替致密储集层中游离水分布的最小孔径，μm；rmax——岩石中最大孔隙半径，μm；rmin——岩石中最小孔隙半径，μm；r——孔隙半径，μm；R——通用气体常数，8.314 J/（K·mol）；Sbw——吸附水饱和度，%；Sfw——游离水饱和度，%；Sg——含气饱和度，%；Sg,i——天然气充注到致密储集层第i个Δh时的充注含气饱和度，i=1，2，…，m，%；Sm——可动水比例，%；T——地层温度，K；T2——横向弛豫时间，ms；V0——单位质量源岩排气量，cm3/g；Vg——地质条件下源岩排气量，cm3；Vm——摩尔体积，为22.4 L/mol；Z——压缩因子；θ——润湿角，（°）；ρs——源岩密度，取2.6 g/cm3；σ——界面张力，N/m2；ϕ——孔隙度，%；ϕa——常规气测实验测试的孔隙度，%；ϕbw, r——吸附水占据的孔隙中，半径为r的孔隙度分量，%；ϕbw——岩石中吸附水孔隙度，%；ϕb——饱和水核磁实验测试的孔隙度，%；ϕfw, r——游离水占据的孔隙中，半径为r的孔隙度分量，%；ϕfw——岩石中游离水孔隙度，%。