引用本文
宋岩, 罗群, 姜振学, 杨威, 刘冬冬. 中国中西部沉积盆地致密油富集机理及其主控因素[J]. 石油勘探与开发, 2021,48(2): 421-433.
SONG Yan, LUO Qun, JIANG Zhenxue, YANG Wei, LIU Dongdong. Enrichment of tight oil and its controlling factors in central and western China[J]. Petroleum Exploration & Development, 2021,48(2): 421-433.  
Doi: 10.11698/PED.2021.02.19
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中国中西部沉积盆地致密油富集机理及其主控因素
宋岩1,2, 罗群1,2, 姜振学1,2, 杨威1,2, 刘冬冬1,2
1.中国石油大学（北京）非常规油气科学技术研究院，北京 102249
2.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249
联系作者简介：罗群（1963-）,男,四川乐山人,博士,中国石油大学（北京）教授,主要从事致密油富集机理和资源评价工作。地址：北京市昌平区府学路18号,中国石油大学（北京）非常规油气科学技术研究院,邮政编码：102249。E-mail：luoqun2002@263.net

第一作者简介：宋岩（1957-）,女,山东淄博人,博士,中国石油大学（北京）教授,主要从事天然气地质学方面的研究。地址：北京市昌平区府学路18号,中国石油大学（北京）非常规油气科学技术研究院,邮政编码：102249。E-mail：sya@petrochina.com.cn

收稿日期: 2020-04-04 修回日期: 2021-03-05
基金项目: 国家自然科学基金“致密油储层层理缝启闭与石油充注”（41672118）; 中国石油大学（北京）-中国石油战略合作科技专项课题6“吉木萨尔页岩油甜点形成机制与分类预测技术研究”（ZLZX2020-01-06）
摘要

以鄂尔多斯盆地中南凹陷、准噶尔盆地吉木萨尔凹陷、酒泉盆地青西凹陷致密油为研究对象,基于野外观测、致密油解剖、样品分析测试、模拟实验与综合分析,揭示了致密油“启动压力启动、压差推进、弥漫式快慢交替、阶梯状大面积充注与裂缝优势通道快速运移并存、优势缝-孔耦合空间富集”的机理。指出孔隙结构的多尺度层次性是致密油阶梯式充注的根本原因。总结出“广覆式高生烃强度的源岩是致密油富集的物质基础,优势源储组合是致密油富集的基本单元,裂缝和层理有利于致密油的局部快速运移,缝-孔耦合控制致密油的富集”是致密油富集的主控因素。建立了大型淡水湖碎屑岩“源储共生,四优富集,环心展布,规模连片”和小型咸化湖混积岩“源储一体,四优富集,中心分布,虽小而肥”的两种典型致密油运聚富集模式。图8表1参47

关键词: 致密油; 富集机理; 主控因素; 富集模式; 中西部地区
中图分类号:TE122 文献标志码:A
Enrichment of tight oil and its controlling factors in central and western China
SONG Yan1,2, LUO Qun1,2, JIANG Zhenxue1,2, YANG Wei1,2, LIU Dongdong1,2
1. Unconventional Oil and Gas Science and Technology Institute, China University of Petroleum, Beijing 102249, China
2. China State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China
Abstract

Taking the tight oil of the Zhongnan sag in the Ordos Basin, Jimusar sag in the Junggar Basin and Qingxi sag in the Jiuquan Basin as study objects, based on field survey, dissection of tight oil reservoirs, sample test, modeling experiment and comprehensive analysis, this study reveals that the tight oil accumulates at start-up pressure, advances under differential pressure, diffuses at alternating fast and low speeds, charges in stepped large area and migrates rapidly through fractures, and enriches in dominant fractures and pores. The root cause of ladder-like charge is the multiple scales of pores. The widespread source rock with high hydrocarbon generation intensity is the material basis for tight oil enrichment; the dominant source reservoir assemblage is the basic unit for tight oil enrichment; fractures and beddings are conducive to local rapid migration of tight oil; fractures and pores work together to control the enrichment of tight oil. Two typical accumulation models of tight oil are established, namely "source reservoir in coexistence, four optimal factors controlling enrichment around central area, and large-scale continuous distribution" for a large freshwater lake clastic rock basin and "source reservoir integration, four optimal factors controlling enrichment, central area distribution, small in size but high in enrichment degree " for a small salty lake diamictite depression.

Keyword: tight oil; enrichment mechanism; main control factor; enrichment model; central and western China
0 引言

致密油指赋存于致密储集层中的非常规石油资源, 是烃源岩处于生油窗, 源-储互层或紧邻, 储集层致密, 覆压基质渗透率不大于0.1× 10-3μ m2（空气渗透率小于1× 10-3μ m2）, 单井无自然产能或自然产能低于商业石油产量下限, 但在一定经济条件和技术措施下可获得商业石油产量[1]。中国具有丰富的致密油资源, 地质资源量达178.20× 108t[1]。其中, 中西部的鄂尔多斯、四川、准噶尔、柴达木和酒泉等盆地的致密油资源占整个中国致密油资源的74%[2, 3]。研究中西部致密油聚集机制、富集主控因素, 对中国致密油的高效勘探与开发具有重要的理论意义与现实价值。

针对中西部致密油富集机理与主控因素, 国内外许多学者进行了深入的探讨, 归结起来有以下认识, 一是源储配置关系, 认为源储配置是致密油形成与富集的基础因素[4, 5, 6, 7, 8, 9]; 二是源储压差, 强调持续强大源储压差是油气充注、富集的动力来源[10, 11, 12, 13, 14]; 三是源、储品质及其规模, 明确了致密油富集程度的规模与源、储品质及其规模关系密切[15, 16, 17]; 四是天然裂缝, 主要是构造裂缝, 明确了构造缝不仅是致密油运聚的主要通道, 也是致密油富集的重要空间[18, 19]。也有不少学者认为, 致密油富集是多重因素共同控制的结果, 如王文广等、汪少勇等建立的致密油“ 源控” 、“ 储控” 和“ 带控” 3带联合控富模式[20, 21]; 另外, 储集层厚度、压力系数、天然气产量共同影响致密油的富集[22, 23, 24, 25, 26]。在致密油富集机制方面, 许多学者认为, 致密储集层窄小的孔喉决定石油流动以非浮力驱动、非达西流和扩散流为主要流动方式[27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44]。

针对致密油充注机理及其控制因素尚不清楚、中部大型淡水湖碎屑岩致密油和西部小型咸化湖混积岩致密油聚集规律和差异富集模式尚不明确等问题, 采用物理模拟实验, 结合典型实例剖析, 进行综合分析, 得到以下结论与认识。

1 基本地质情况

中国有松辽、渤海湾、四川等9个发现致密油的盆地, 其中中西部就有7个（见图1）, 其中, 鄂尔多斯盆地三叠系延长组6段— 8段表现为典型的淡水湖致密油特征, 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组和酒泉盆地青西凹陷下白垩统下沟组表现为典型的咸水湖致密油特征。

图1 中国中西部致密油分布区

1.1 鄂尔多斯盆地中南凹陷三叠系延长组

鄂尔多斯盆地位于中国中部, 面积约25× 104km2, 基底形成于早太古代至晚太古代, 整体经历了多期次构造升降与坳陷迁移, 为构造相对简单的大型稳定坳陷盆地, 中南凹陷延长组纵向裂缝发育, 是中南凹陷形成后接受的第1套淡水沉积的生-储油岩系, 烃源岩主要分布于延长组9段和7段（简称“ 长9段” 和“ 长7段” ）, 主要由暗色泥岩、油页岩、炭质泥岩等构成, 其中长7段沉积时期是湖盆发育鼎盛期, 深湖相暗色泥页岩和油页岩是最主要的烃源层; 致密油主要发育于延长组6段— 8段下部半深湖— 深湖相带的重力流、三角洲前缘末端沉积地层致密储集层中, 其中长7段的长71— 长72亚段、长8段的长81亚段、长6段的长64和长63亚段致密砂岩储集层紧邻长7段优质烃源岩, 油源条件好、源储分明且源储共生, 是致密油富集的主要层位。

1.2 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部隆起西南, 面积为1 278 km2, 为挤压型凹陷。二叠系的芦草沟组在整个凹陷内均有分布, 平均厚度约200~350 m, 总体表现为咸化的滨浅湖— （半）深湖背景下的三角洲前缘、滩坝、云砂坝沉积特征; 构造表现为一东高西低的平缓西倾单斜, 断裂稀少但层理与层理缝发育。芦草沟组是凹陷主力烃源层, 烃源岩厚度大于200 m的地区面积达806 km2, 主要以深灰色泥岩、灰黑色泥岩、白云质泥岩为主。芦草沟组自下而上划分为芦草沟组一段（P2l1）和二段（P2l2）两套咸化湖混积岩致密油源储组合, 以源储一体为特征。致密油富集在芦草沟组上、下两个甜点体中, 上甜点体芦二段二亚段（P2l22）厚度为13.3~43.0 m, 平均值为33 m, 岩性以灰色砂屑云岩、长石岩屑粉细砂岩、云屑砂岩为主, 夹有灰色泥岩、白云质泥岩, 主要发育在凹陷东斜坡处; 下甜点体芦一段二亚段（P2l12）厚度为17.5~67.5 m, 平均值为42.8 m, 岩性主要为灰色（含）白云质粉砂岩, 夹有灰色泥岩, 或者灰色（含）白云质粉砂岩、泥质粉砂岩与灰色泥岩互层, 全凹陷均有发育。

1.3 酒泉盆地青西凹陷下白垩统下沟组

青西凹陷位于酒泉盆地酒西坳陷西部, 面积约为170 km2, 为强烈挤压型凹陷。下白垩统沉积主要受控凹断层控制, 沉积岩最大厚度为7 000 m, 以从淡水沉积到咸化沉积背景下的滨浅湖扇三角洲碎屑岩相-（半）深湖白云质岩混积岩相为主要沉积特征。致密油分布于凹陷中心的柳沟庄裂缝型油田周边, 纵向上主要富集在下沟组的泥质白云岩、白云质泥岩及白云岩等混积致密储集层中, 埋深为3 700~4 610 m｡下沟组也是凹陷主力烃源层, 主要为富有机质的泥页岩、白云质泥岩, 有机碳含量为1.41%~3.54%, Ro值为0.8%~1.2%, 它们与泥质白云岩、白云岩等致密储集层组合在一起, 源储界线不清, 整体具有源储一体的特点, 层理缝与构造缝均发育, 油气显示段长达500 m。致密储集层基质孔隙类型包括次生孔和微孔缝, 孔隙度为2%~6%, 平均值为3.89%, 渗透率为（0.63~66.40）× 10-3 μ m2, 平均值为1.94× 10-3 μ m2。

2 致密油的富集过程与机制

致密油富集过程与富集机制包括致密油充注的动力、充注通道、聚集方式及致密油在其中的流动状态等。致密储集层以纳米孔-缝为输导聚集空间的特点决定了其不同于常规油的富集过程与机制, 而模拟实验无疑是揭示致密油充注富集过程与机理的重要途径。

2.1 致密油充注过程实验研究

2.1.1 石油充注的启动压力和阶梯状充注过程

2.1.1.1 实验装置与样品

采用中国石油勘探开发研究院自主研制的岩心夹持器石油充注物理模拟实验装置, 实验样品取自青西凹陷下沟组（K1g）典型井泥云岩岩心, 其储集层物性参数和实验结果如表1。

表1 岩心物理模拟实验样品基本参数

通过注入泵将模拟油充注入岩心夹持器的岩心样品, 统计分析压力与通过岩心样品的模拟油流量数据等。

2.1.1.2 实验结果分析

致密油的充注是致密油富集的必经过程, 与岩性有一定的关系, 但作为致密储集层, 不同岩性致密油充注过程和特征有一定的共性。尽管实验样品有限, 下面的实验基本可以代表致密油的一般充注特征。图2是用模拟油对1、2、3、4号岩心进行充注模拟实验获得的注入量（流量）随充注压力的变化曲线, 反映了模拟油的注入量及其变化与充注压力（相当于压差）的关系。

图2 4块真实岩心进行模拟油充注物理模拟实验中流量随充注压力的变化曲线

启动压力指促使致密油从烃源岩开始进入致密储集层并流动所需要的最小压力。实验室条件下, 需要一定的初始充注压力即启动压力, 致密油才能突然大量进入致密储集层, 并在储集层中流动。图2显示的4个样品, 在充注压力增加到0.5 MPa时, 流量增突增。如4号样品, 充注压力小于0.5 MPa, 充注进入样品的石油非常少, 不足0.005 mL/s, 压力达到0.5 MPa后, 充注进入样品的石油陡然增加, 充注压力从0.5~0.7 MPa, 充注进入样品的石油流量从不到0.005 mL/s突然猛增到0.038 mL/s。2、3号样品的流量变化也有这个趋势, 反映了只有在一定的源储压差（即充注压力）下, 石油才能大量进入到致密储集层中, 即充注压力越大, 致密储集层中的流量越高, 均呈快慢交替、现阶梯状增长的趋势, 且均表现为缓-陡-缓三段式阶梯增长特征。且物性（渗透率）越好（从1号到4号）, 石油富集需要的充注压力越小, 随着压力增大, 充注进入致密储集层石油越富集。

2.1.2 致密油面状充注富集

2.1.2.1 实验模型与实验过程

实验装置为一个从下部的多个充注孔向其上的源、储集层充注石油的尺寸为72 cm× 3 cm× 6 cm的有机玻璃缸（见图3a）, 位于上部的是长72 cm、宽3 cm和高3 cm的部分, 放入70目（粒径0.212 mm, 粒度中值为0.185 mm）的玻璃珠, 用来模拟相对高孔渗的储集层段（常规储集层）; 中间部分也是长72 cm、宽3 cm和高3 cm, 放入粒度中值为0.125 mm的玻璃珠, 用来模拟致密储集层, 最下部是一系列向上充注石油的注入口（充注孔）, 用来模拟烃源岩向上面状充注致密储集层的排烃过程。模拟油采用染成红色的煤油（加入油溶红）, 其黏度约为2.24 mPa· s。模拟实验在中国石油勘探开发研究院油气成藏物理模拟实验室进行, 采用烃源岩面状排烃整体进入储集层运移的物理模拟实验装置。通过油泵增加压力, 产生注油口与致密储集层的压力差, 从下部注油管通过多个注油口均匀向致密储集层充注石油, 仔细观察红色模拟油运聚状态、运移方向、形式、含油饱和度（颜色）的变化, 记录和拍摄关键时间点的实验现象并进行分析。图3a是从实验开始到37, 43, 47, …, 1 060 min, 持续充注和停止充注下的实验现象的照片, 这些关键时间的石油运移、聚集、散失现象和过程解释见图3b。

图3 致密油充注与富集模拟实验过程及其地质解释图

2.1.2.2 实验结果分析

总结以上实验现象和实验结果, 可得出以下认识：①致密油大面积充注运移是一个弥漫式短距离运移过程, 石油充注强度和储集层物性的非均质性, 决定石油的大面积短距离推进速度的差异性与从局部富集到大面积富集, 再到最终散失的动态平衡。②邻近烃源岩且早期充注的致密储集层优先聚集, 源储组合的直接盖层质量明显影响致密油的保存结果。③致密油大面积充注具有“ 整体推进、弥漫式渗透、短距离运移、大面积聚集、局部差异富集、烃源岩排烃充注与盖层渗漏散失的动态平衡” 等特点, 致密油充注、运聚的差异性、阶段性和有序性特征明显。

2.2 致密油充注富集机理

致密油充注富集需要启动压力（差）, 随着启动压力的增大进入致密储集层的流体饱和度（富集程度）呈现阶梯状增长的趋势, 笔者对其机理进行分析。

可以把前面实验的地质含义, 描述为在一个致密油源储组合系统中, 成熟烃源岩生成的石油, 在源储压差的驱动下, 通过源储之间的缝-孔-喉输导系统向致密储集层的储集空间充注运移, 并最终在致密储集层的孔隙空间中聚集和富集的过程。其地质模型可表示为图4。下侧的黑色方框表示成熟烃源岩, 上边的方格代表致密储集层, 红色部分代表在压差Δ p作用下, 从烃源岩排出并进入致密储集层的石油。

图4 致密油在源储压差驱动下充注致密储集层的地质模型

研究表明[27], 油驱水致密油运聚过程模拟得到的致密储集层含油饱和度计算公式为：

$S=\frac{-{{\mu }_{1}}L+\sqrt{{{\left( {{\mu }_{1}}L \right)}^{2}}+2\left( {{\mu }_{2}}-{{\mu }_{1}} \right)\left( \Delta p-{{p}_{\text{c}}} \right)Kt}}{L\left( {{\mu }_{2}}-{{\mu }_{1}} \right)}$ （1）

由此可知, 致密储集层（岩心）含油饱和度与黏度、渗透率、压力差呈函数关系。即致密储集层（岩心）的含油饱和度与石油黏度、致密储集层的渗透率和源储压差有关。在某一具体致密油运聚系统中（μ 、K一定的情况下）, 致密储集层的含油饱和度只与源储压差有关, 且呈正相关。压力差越大, 含油饱和度越高, 致密油越富集。

致密油充注富集是在孔隙结构中进行, 因孔隙结构的不同尺度层次性而呈现阶梯状充注、大面积短距离整体推进与局部富集并行的运聚方式。图5a是实验一样品4在不同充注压力下含油饱和度与充注时间关系图, 致密油充注过程表现为饱和度随着充注压差增大和充注时间的增长呈现阶梯状增长, 说明致密油的充注受致密储集层孔隙结构的控制, 启动压力表示石油第1次大量进入致密储集层的最低压力下限, 对应致密储集层最大孔隙直径（dmax）, 当注入最大孔隙结构的石油饱和后, 石油将向下一个尺度更小的孔隙结构（dmid）充注, 由于孔喉变小, 毛细管压力（阻）增大, 石油不能进入致密储集层, 只有增大源储压差且增大到突破这个尺度的孔隙结构的毛细管力, 如1.5~7.0 MPa, 石油才能注入这个尺度的孔隙空间直到将这个档次的孔隙空间饱和, 如果继续向更小的孔隙结构（dmin）充注, 这需要更大的压力突破这个尺度的孔隙结构的毛细管力, 如8.0~20.0 MPa, 直到把这个尺度的孔隙空间全部饱和, 最终导致致密油充注过程的阶梯状增长规律（见图5b）。尽管在局部上, 致密油充注是随着充注压力的增加从大孔隙至小孔隙依次充注, 但宏观上还是整体上推进。

图5 样品4致密油充注呈现阶梯状增长机制解释示意图

综上所述, 致密油充注富集总体具有“ 启动压力启动、压差推进、阶梯状充注、非均匀大面积弥漫式整体运移、连续有序的差异性富集” 机理。储集层致密导致启动压力存在, 孔隙结构的多尺度层次性是致密油阶梯式充注的根本原因, 同一尺度范围内储集层物性的渐变特征决定了致密油整体弥漫式推进。

3 致密油富集主控因素
3.1 广覆式高生烃强度源岩

广覆式高生烃强度的源岩是致密油富集基础, 无论是大型淡水凹陷型碎屑岩湖盆还是小型咸化湖混积岩凹陷, 大面积广泛连续分布的成熟优质烃源岩是致密油富集的首要条件。

鄂尔多斯盆地中南凹陷长7段烃源岩是长6、长7和长8段致密油富集的主要烃源岩, 长7段有效烃源岩（暗色泥岩和油页岩）在鄂尔多斯盆地中南部大面积连续分布, 面积超过8.5× 104km2, 烃源岩厚度为50~110 m, 泥岩TOC主峰值为5%~10%, 平均值为3.75%; 油页岩TOC平均值为13.81%, 生烃强度大于400× 104t/km2的有利生烃区达3.0× 104km2以上[11]。

酒泉盆地青西凹陷面积约170 km2, 主力烃源岩下沟组有机质类型以Ⅰ 2型和Ⅱ 型为主, 大面积连续分布于半深湖区, 面积达91 km2, TOC值主要集中在0.5%~2.5%, 最高超过4%, 由于形成于咸化环境, 烃转化率高, 烃源层处于超压环境, 压力系数为1.36以上, 因此具有很强的生烃、排烃能力[10]。

与青西凹陷类似, 吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩在凹陷大面积分布, 厚度大于200 m的地区面积达806 km2, TOC值平均值为5.16%, 干酪根类型以Ⅱ 1为主, Ro值为0.6%~1.7%, 平均生烃强度高达8.5× 106t/km2, 上甜点压力系数为1.27, 属于异常高压, 具有较高的充注动力[12]。

以上3个地区致密油富集程度均高, 都得益于广覆式高生烃强度的烃源岩。广覆式优质烃源岩提供油源的体量大, 高生烃强度反映源储压力大, 石油充注到致密储集层的充注压力高。统计表明, 无论是鄂尔多斯盆地长7段、四川盆地大安寨段, 还是吉木萨尔芦草沟组, 致密油高产井基本都为生烃强度大于3.0× 106t/km2的范围以内。因此, 广覆式高生烃强度的源岩一方面为致密油的富集提供了足够的油源, 另一方面也提供了足够的充注、运聚动力, 促使烃源岩生排出的石油在致密储集层甜点中的高度富集。

3.2 源储组合是致密油富集的基本单元

3.2.1 源储组合与致密油聚集单元

3.2.1.1 源储组合

源储组合指具有明确油气供、聚关系的一套或多套烃源岩与某一套储集岩, 在空间上紧邻或相邻而组成的一组地层单元。

依据中西部致密油盆地烃源和储集层的空间匹配关系, 可概括为下源上储、上源下储、三明治、源储一体和薄互层5种源储组合类型。其中前4者常常见于淡水湖致密油聚集单元中, 源储一体主要发育于咸化湖致密油聚集单元中。

①下源上储型组合（A）。烃源岩位于储集层之下、两者大面积紧密接触的组合类型, 典型例子是鄂尔多斯盆地长64亚段致密油所在的源储组合类型, 其中长7段为烃源岩, 其上覆的长64亚段为储集层。

②上源下储型组合（B）。烃源岩位于储集层之上, 两者大面积紧密接触的组合类型, 典型例子是鄂尔多斯盆地长81亚段致密油所在的源储组合类型, 长73亚段为烃源岩, 其下伏的长81亚段为储集层。由于上覆的烃源岩又起到封盖的作用, 这类组合往往具有较好的含油性。

③三明治型组合（C）。储集层上覆地层和下伏地层均为烃源岩组成的三者大面积紧密接触的源储组合类型, 典型例子是鄂尔多斯盆地长7段致密油所在的源储组合类型, 其中长7段富有机质泥页岩为烃源岩, 分布于长7段烃源岩之中的致密碎屑岩为储集层。由于是上、下双向供油, 三明治组合的含油性往往很好。

④薄互层型组合（E）。薄互层型指薄层（厚度通常小于1 m）烃源岩与薄层储集层纵向上交互叠置形成的一种源储组合类型, 通常出现在淡水湖盆的斜坡源储过渡带, 是频繁的水进水退的沉积结果。由于远离沉积中心, 烃源岩厚度小且品质差, 储集层又薄, 因此, 薄互层型组合的含油性往往较差。

⑤源储一体型组合（D）。烃源岩与储集层混杂在一起, 既是烃源岩又是储集层的源储难以区分的一类源储组合, 通常发育于咸化湖沉积中心及周边, 由泥页岩、泥质粉砂岩、粉砂岩等碎屑岩和白云质岩、灰质岩等碳酸盐岩混合形成的细粒混积岩。这类组合由于位于富有机质的沉积中心, 碳酸盐岩的溶蚀作用和裂缝作用均发育, 因此往往具有很好的含油性, 最典型的例子是吉木萨尔凹陷芦草沟组上下甜点层段。

3.2.1.2 致密油聚集单元

与常规油气藏通常用圈闭来表征其聚集空间和聚集单元不同, 包括致密油在内的非常规油气聚集没有圈闭的概念, 而源储组合是表征致密油聚集特征的基本单元。源储组合聚集单元可定义为, 以某一致密储集层为石油聚集的目的层, 一套或多套与之有油气成因联系的烃源岩与该储集层构成的空间组合单元, 烃源岩供油、储集层聚油, 相对独立。

依据源储组合聚集单元的概念, 一套源储组合就是一个相对独立的致密油聚集单元, 它决定了该套致密油富集范围和富集程度。一个致密油盆地往往发育多套、多种源储组合, 对应形成多个致密油聚集单元。

3.2.2 优势源储组合

优势源储组合有利于致密油富集。理论研究与实验模拟证实[27], 淡水湖的三明治和上源下储、咸化湖的源储一体含油性好, 是最常见的3类优势源储组合。实际钻探也证实了优势源储组合控制着致密油富集程度。

淡水湖碎屑岩致密油沉积系统中, 源、储分明, 发育三明治、上源下储、下源上储和薄互层4类源储组合, 其中三明治和上源下储两种类型的源储组合往往获得商业油流, 而下源上储和薄互层多为低产或无油气显示。鄂尔多斯盆地延长探区铁34— 胜1— 楼22井连井剖面显示, 油页岩为优质烃源岩, 与油页岩构成的多种源储组合的致密油聚集单元中, 三明治源储组合、上源下储源储组合获得商业油流, 铁34井在长7段内部揭示两套三明治源储组合, 上套组合中获得日产2.97 t油流, 下套三明治组合中揭示大套油层; 楼22井在长7段源、长8段储的上源下储组合中获得日产3.1 t油流; 下源上储等源储组合含油性较差。

咸化湖主要发育混积岩致密油, 源储一体是最主要的源储组类型, 含油性往往很好。吉木萨尔凹陷致密油最富集的上、下甜点段, 由既是烃源岩、又是储集层的泥页岩、粉砂质泥岩、砂屑白云岩、白云质砂岩、微晶灰岩以及长石岩屑粉细砂岩混合而成, 是典型的源储一体组合; 青西凹陷下沟组, 源储一体特征显著, 除了发育源储一体组合外, 也存在下源上储、上源下储、三明治、薄互层4类源储组合类型, 通过统计柳4井、柳106井等20余口井钻遇下沟组出油率和中高产率与源储组合关系分析, 源储一体的出油率和中高产率分别是43%和26%, 三明治的钻探出油率和中高产率分别是19%和12%, 上源下储的钻探出油率和中高产率分别是13%和8%, 薄互层的钻探出油率和中高产率分别是19%和5%, 下源上储的钻探出油率和中高产率分别是7%和3%, 表明源储一体、三明治、上源下储3类源储组合产油量相对高, 其他两类产量相对低。

综上所述, 不同类型源储组合具有不同的致密油富集程度, 优势源储组合, 即石油充注程度高的源储组合, 是三明治、源储一体、上源下储组合等。

3.3 裂缝和层理

裂缝和层理有利于致密油的局部快速短距离运移, 模拟实验证实了这个认识。

3.3.1 实验过程与参数

致密油聚集单元是近源或邻源形成的石油聚集单元, 油源与聚集单元之间须有短距离的充注输导系统, 除了孔隙-孔喉输导系统外, 裂缝（主要是构造缝与层理缝）和层理也是重要的充注输导系统（见图6）。

图6 反映缝孔耦合控制致密油运聚富集的野外、岩心、薄片和模拟实验的照片

实验是在一个相对封闭的砂箱装置中进行（见图6d）, 纵横裂缝分别代表高角度构造缝和近水平的层理缝（包括层理）, 用金属网模拟, 黑色长方形胶塑料块模拟被充填的泄水缝, 3层基质由不同粒度的石英砂模拟, 其中下层基质粒度最大, 粒径为0.6~0.7 mm（模拟粗砂）, 模拟烃源岩或油层; 中层为0.05~0.10 mm（模拟细砂）, 模拟致密储集层; 上层为0.25~0.30 mm（模拟中砂）, 模拟常规储集层, 下层底部内置注油口。通过注油口自下层基质向上充注石油, 观察实验装置中颜色及其深浅的变化, 分析研究石油在不同粒度的置有裂缝的实验模型中充注与运移特征。

3.3.2 实验现象与机理解释

采用快速充注（0.2 mL/min）与稳定慢速充注（0.1 mL/min）两种方式给下部基质充注石油, 观察描述随着时间的变化石油在实验模型中的运移和聚集特征。图6d分别是在6, 30, 50, 70, 90, 110 h的实验现象及其石油充注运移趋势的地质解释。通过对实验现象和实验结果的解释, 总结出如下认识。

①纵、横向裂缝（与层理）是致密油沿储集层纵横向充注运移的优势通道。饱和后石油在压差作用下, 继续向纵横向裂缝周边的基质进行充注、渗透、扩散和运聚。

②压差是驱使石油沿纵横向裂缝运移的主要动力源, 纵、横裂缝交会区是致密油富集区。

③石油在裂缝发育致密储集层中的运聚机理和模式为“ 压差充注、石油沿纵横向裂缝优势通道局部快速输导、沿孔-喉网络大面积弥漫式不均衡运移, 在纵横裂缝交会区集中聚集” 。

3.4 缝-孔耦合控制致密油的最终富集

与常规储集层一样, 致密储集层的孔隙结构与裂缝网络是储集石油的空间[15, 18, 32], 具有微米、纳米等多尺度特性, 不同尺度的孔隙和裂缝之间, 存在多种组合关系; 显然, 有利的孔隙与有利的裂缝的组合, 即有利缝-孔的耦合, 是最有利于致密油的富集的因素之一。图6是反映的是缝-孔耦合制约致密油富集的证据, 显示了石油沿纵横交错的构造缝、层理缝及其孔洞孔隙集中分布、在纵横裂缝的交叉处石油（包括沥青）最富集的特征, 表明致密储集层缝-孔耦合控制了致密油的富集。

致密油生产中常常发现产层发育裂缝-孔隙型储集层, 如揭示酒泉盆地青西凹陷下沟组致密油产层的青1-2井、窿102井、柳3井, 分别获得日产9.72, 42.56, 23.77 t的高产油流, 岩心和测井解释均显示, 产层的裂缝发育, 孔隙也很发育, 是裂缝性致密储集层的有利甜点。鄂尔多斯盆地延长探区桥探17井、新91井在长8段致密储集层中获得4.5 t/d和3.1 t/d工业油流, 也与其致密储集层良好的缝-孔耦合特征有关。

4 中西部致密油富集基本地质条件与富集模式
4.1 中西部致密油富集基本地质条件

致密油富集与常规油富集最根本的不同是由于致密特性导致的富集动力机制和输导储集效率的差异, 致密油富集的动力是源储压差, 输导和储集效率低; 常规油富集的动力是浮力, 输导和储集效率相对高, 这些差异要求致密油富集的基本地质条件是“ 四优” , 即“ 优源、优储、优缝和优配” 。

“ 优源” 即广泛连续分布的优质烃源岩, 能产生强大的生烃动力而有利于形成高的源储压差。鄂尔多斯盆地长7段油页岩和黑色泥岩、吉木萨尔芦草沟组暗色页岩质、泥质岩和碳酸盐岩, 就具备了优源的条件。“ 优源” 体现着“ 源控高压富集” 的特征, 是致密油富集的物质基础。

“ 优储” 即与烃源岩紧临或近临的大面积连续分布的大套致密层中, 物性（孔隙度、渗透率）相对高、孔隙结构相对好、脆性指数相对大的那部分储集层, 有利于提高致密油储集效率。如鄂尔多斯盆地长7段内的长71、长72和长73亚段粉— 细砂岩、吉木萨尔凹陷芦草沟组上甜点中的岩屑长石粉细砂岩。“ 优储” 体现了“ 相控高孔富集” 的特征, 为致密油富集提供了足够的空间。

“ 优缝” 即大面积适宜发育的裂缝, 体现了“ 缝控优势运移富集” 的特征, 为致密油富集提供了很好的优势输导条件。鄂尔多斯盆地长6段— 长8段致密储集层均发育纵向裂缝, 青西凹陷下沟组致密储集层纵、横向裂缝均发育, 吉木萨尔凹陷芦草沟组上、下致密油甜点层均发育层理缝和微裂缝。值得一提的是, 裂缝过度发育, 也可能导致致密油的散失, 如裂缝带穿越了致密油聚集单元。

“ 优配” 即源、储集层的有利匹配, 包括优质源、储集层空间位置的有利匹配和时间前后的尽量重叠, 前者指有利的源储组合类型, 如三明治型、源储一体型, 后者指烃源岩的生排烃高峰期与储集层（次生）孔隙发育期的有利的重叠。“ 优配” 更是有利于提高致密油富集的输导储集效率。目前获得富集高产的致密油多为三明治、源储一体、上源下储等有利的源储“ 优配” 组合。

显然, “ 四优” 条件越优越, 致密油越富集。目前投入开发的致密油聚集单元, 均具备“ 四优” 条件, 如鄂尔多斯盆地的新安边地区、吉木萨尔凹陷的昌吉地区等致密油聚集单元。

虽然常规油富集也需要“ 四优” , 但由于其非致密的特性, 其富集对“ 四优” 的要求程度远不及致密油。

4.2 中西部致密油富集模式

中西部主要存在淡水湖盆碎屑岩致密油和咸化湖混积岩致密油两种类型的致密油富集区, 由于它们在沉积介质、盆地（凹陷）规模、岩性岩相等方面存在较大差异, 因而具有不同的致密油富集模式。

4.2.1 大型淡水湖盆碎屑岩致密油富集模式

大型淡水湖盆致密油主要分布于中部和东部地区, 典型的有中部的鄂尔多斯、四川盆地和东部的松辽、渤海湾盆地中的大型凹陷。淡水湖盆致密油具有以下特征。

①沉积体系规模大和烃源岩分布面积广。大型淡水湖盆都具有相对稳定的构造背景, 地层平缓, 并形成大面积多旋回的浅— （半）深湖背景下的三角洲前缘— 前三角洲— 浊积扇细粒沉积体系, 为致密油的大规模富集奠定了地质基础。鄂尔多斯盆地中南凹陷从长9段到长6段沉积时期经历了两个整体沉降到抬升的稳定构造运动, 在盆地中南部形成了长9段半深湖到长8段三角洲前缘、长7段深湖到长6段三角洲前缘的沉积演化过程, 各期次半深湖— 深湖面积超过（3~5）× 104km2, 三角洲前缘— 前三角洲— 浊积扇面积也达数万平方千米, 为鄂尔多斯盆地长6段— 长8段致密油的大规模富集提供优越的地质背景。

②发育多套优势源储组合。多沉积旋回导致多套大面积展布成熟油页岩及优质烃源岩与多套致密储集层大面积直接紧密接触源储共生[3, 4, 5, 7, 10], 形成了多套完整优质的源储组合, 如鄂尔多斯盆地中南凹陷长9段李家畔组泥质优质烃源与长82亚段致密粉细砂岩储集层构成的下源上储源储组合、以长81亚段粉细砂岩致密储集层与长7段优质烃源岩形成的上源下储源储组合、以长7段优质烃源岩与内部粉细砂岩致密储集层形成的三明治型源储组合、以长7段优质烃源岩与长6段下部致密粉细砂岩储集层形成的下源上储型源储组合, 为鄂尔多斯盆地中南凹陷长6段— 长8段形成大面积展布的致密油提供了良好的“ 四优” 富集条件。

③大面积连续聚集, 规模富集。鄂尔多斯盆地中南凹陷大面积分布的长7段、长9段烃源岩在聚集期具有异常超高压[6, 7, 8, 14], 与其相临的大面积分布的储集层和裂缝具有源储压差、源缝压差, 并在裂缝与其周边的储集层中产生缝储压差, 这些压差是长6段— 长8段大面积致密储集层石油聚集及富集的主要动力, 它们强力驱动长7段、长9段生排出的成熟石油纵向沿区域构造裂缝、横向沿孔-缝（层理缝与微裂缝）-喉网络在长6段— 长8段致密储集层中大面积充注, 包括沿孔隙系统大面积弥漫式运移, 在裂缝网络局部优势运移通道快速推进, 最终在相对封闭的局部优势孔缝耦合甜点区大规模富集, 形成新安边、华池、正宁等致密油聚集单元。需要说明的是, 主要产区的长6段的上部长61、长62亚段, 储集层物性变好, 其富集动力, 除了源储压差外, 也有部分浮力（见图7）。

图7 大型淡水湖盆致密油大规模富集理论模式（以鄂尔多斯盆地长6段— 长8段为例）

④致密油富集区主要环绕沉积中心及其周缘展布。大型淡水湖盆碎屑岩致密油在平面上主要富集于优质烃源岩与三角洲前缘— 前三角洲— 浊积扇沉积体系的优质储集层相叠置的地区, 空间上与沉积中心不重叠, 主要分布于沉积中心周缘, 也有部分富集于沉积中心内（浊积水道致密储集层中）, 这些地区具备致密油富集的“ 四优” 条件, 如鄂尔多斯盆地定边、志丹、吴起、新安边等地区的致密油分布于长7段烃源岩中心北侧的三角洲前缘的水下分流河道微相中; 华池、合水、正宁等致密油位于长7段烃源岩中心南侧的三角洲前缘的水下分流河道微相中, 均围绕长7段烃源岩生排烃中心分布; 部分浊积砂体致密油分布于烃源中心[43, 44, 45, 46, 47]。

综上所述, 大型淡水湖盆致密油大规模富集基本规律可总结为“ 源储共生, 四优富集, 环心展布, 规模连片” 的致密油富集模式（见图7）。

4.2.2 咸化湖混积岩致密油富集模式

咸化湖致密油主要分布于中国西部, 典型的有准噶尔盆地的吉木萨尔凹陷、酒泉盆地的青西凹陷、三塘湖盆地的马朗和条湖凹陷、柴达木盆地的英西凹陷。咸化湖致密油的富集与淡水湖致密油富集有很大不同, 有其独特的富集特征。

①生烃凹陷小而肥, 资源丰度高。西部咸化湖致密油盆地（凹陷）面积都比较小, 数百到上千平方千米, 青西凹陷面积仅有170 km2, 吉木萨尔凹陷面积也不过1 287 km2, 但其资源丰度非常高, 是典型的小而肥的富生烃凹陷, 为致密油的富集奠定了雄厚的物质基础。主要原因是烃源岩厚度大, 如吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩连续厚度超过350 m, 青西凹陷下沟组烃源岩连续厚度超过500 m, 弥补了面积小的缺陷; 咸化的沉积介质, 提高了有机质向烃类的转化率[43], 增大了烃源岩的生排烃强度, 青西凹陷下沟组和吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩的生烃强度平均都超过500× 104t/km2, 最高达到（900~1 000）× 104t/km2, 埋藏深, 生烃膨胀力高, 异常高压发育, 导致充注压力大, 极有利于致密油的高强度充注和富集。

②溶蚀作用强, 次生孔缝发育。咸化湖混积岩致密储集层含有大量的灰质岩、白云质岩等脆性好的碳酸盐岩, 其既容易破裂形成构造缝、层理缝等纵横裂缝, 又容易被生烃有机酸等各种酸碱介质溶蚀, 形成次生溶孔、溶缝及其构成的溶蚀孔缝网络系统, 为致密油的大量运移和富集提供了输导条件和富集空间。无论是青西凹陷下沟组致密油、还是吉木萨尔凹陷芦草沟组上、下甜点致密油, 储集层的次生溶蚀孔缝都非常发育, 如吉木萨尔上甜点的致密储集层平均孔隙度达11%, 最高达26%; 青西凹陷下沟组混积岩致密储集层裂缝密度0.2~44.7条/m, 平均高达4.1条/m。

③混积岩致密储集层发育, 源储一体。咸化湖发育碎屑岩和碳酸盐岩混合沉积的混积岩致密储集层, 由于岩性细, 且泥岩、泥质白云（灰）岩、白云（灰）质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等过渡性岩石发育, 导致烃源岩、储集层也逐渐过渡, 难以分开, 源储一体的特征十分显著, 这为三明治型、源储一体型有利的源储组合提供了良好的源储匹配基础。吉木萨尔凹陷芦草沟组、青西凹陷下沟组致密油主要发育源储一体型、其次是三明治型源储组合, 致密油主要富集在这两种源储组合的甜点中。

④优质源储发育于沉积中心, 致密油也富集于沉积中心。咸化湖盆气候干旱, 陆源碎屑物源供给不足, 只在沉积中心发育富有机质泥岩、粉砂岩碎屑岩与灰岩或云岩等碳酸盐岩, 由沉积中心往凹陷边缘, 由于烃源岩品质变差, 又缺少相对粗粒的陆源碎屑沉积, 因此, 最有利于致密油富集的地方是沉积中心区域, 这里是烃源岩供烃中心, 又发育各种混积岩储集层, 且以源储一体型、三明治型源储组合为主, 次生溶孔和裂缝发育, 具备致密油富集的有利条件。勘探开发表明, 无论是吉木萨尔凹陷、还是青西凹陷、条湖凹陷, 致密油产量高的井都分布于沉积中心范围内。

依据以上特征, 咸化湖致密油的富集规律可总结为“ 源储一体, 四优富集, 中心分布, 虽小而肥” 的致密油富集模式（见图8）。

图8 咸化湖致密油富集模式图（K1g1— 下沟组一亚段; K1g2— 下沟组二亚段; K1z1— 下白垩统中沟组一亚段; K1z2— 下白垩统中沟组二亚段; K1c— 下白垩统赤金堡组）

本文主要讨论碎屑岩和混积岩致密油的富集条件、主控因素及其模式, 碳酸盐岩致密油的富集也有类似的特征（如四川盆地下侏罗统自流井组大安寨段致密油）。

5 结论

中国中西部致密油占重要地位, 主要发育大型淡水湖碎屑岩致密油和小型咸化湖混积岩致密油两种致密油类型。

致密油充注富集总体存在“ 启动压力启动、压差推进、弥漫式快慢交替、阶梯状大面积充注与裂缝优势通道快速运移并存、优势缝-孔耦合富集” 的富集机制, 孔隙结构的多尺度层次性是致密油阶梯式充注的根本原因, 纵横裂缝提供致密油充注的快速运移通道。

广覆式高生烃强度的源岩、优势源储组合、发育的裂缝和层理以及有利的缝-孔耦合是致密油富集的主控因素。

致密油富集存在大型淡水湖碎屑岩的“ 源储共生、“ 四优” 富集、环心展布、规模连片” 和咸化湖混积岩的“ 源储一体, “ 四优” 富集, 中心分布, 虽小而肥” 2类致密油富集模式。

致谢：本文在写作过程中得到中国石油勘探开发研究院公言杰、中国矿业大学孙维凤和中国石油大学（北京）李耀华、樊春艳、姚立邈、高雄雄等人的帮助, 在此表示衷心感谢！

符号注释：

dmax— — 致密储集层最大孔隙直径, nm; dmid— — 孔隙直径小于dmax的孔隙结构的直径, nm; dmin— — 孔隙直径小于dmid的孔隙结构的直径, nm; K— — 致密储集层（岩心）渗透率, m2; L— — 致密储集层（岩心）的长度, m; p1— — 储集层流体压力, Pa; p2— — 烃源岩压力, Pa; pc— — 毛细管力, Pa; Δ p— — 源储压差, Pa; S— — 含油饱和度, %; t— — 充注时间, s; μ — — 黏度, Pa· s; μ 1— — 致密储集层中的水的黏度, Pa· s; μ 2— — 石油的黏度, Pa· s。

（编辑 魏玮）

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