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A new gas－accumulation theory of tight sandstone gas accumulationin Turpan－Hami Basin－proximal－generation and proximal－storage type and self－generation and self－storage type
非常规天然气主要包括致密砂岩气、煤层气和页岩气等，其中致密砂岩气占主导地位［1］。 致密砂岩气藏是指储集于低孔隙度（＜12%）、低渗透率（0.1×10－3 μm2）、低含气饱和度（＜60%）、高含水饱和度（40%）的天然气资源，需要大规模的压裂或特殊工艺技术才能实现经济开发［2］。 致密砂岩气作为一种重要的非常规天然气具有资源潜力大和储量规模大的特点，全球致密气资源不均衡，主要产气区为美国、加拿大和中国，在中国天然气发展占重要的战略地位，利用好天然气资源对中国天然气工业发展和经济社会运转具有重大的战略意义［3－4］。
中国在20 世纪90 年代广泛开展致密气理论研究，并在不同的含油气盆地中进行了探索。 张金川等［5］提出“根缘气”概念，认为根缘气是致密砂岩气的主要表现形式，指出在炭质页岩广泛发育的南方是根缘气和页岩气重要突破口，中西部地区吐哈盆地台北凹陷是Ⅰ类成藏条件良好的有利区。 邹才能等［6］“连续型气藏”概念，将致密砂岩油气、煤层气、页岩气、气水化合物等均归为连续型气藏，并建立了以近距离扩散为主要运移方式的致密砂岩成藏模式。 聂海宽等［7］认为油气成藏的联系聚集及其附近的非连续聚集是区别常规油气藏和非常规油气藏的重要划分标准。 在“十一五”到“十二五”时期致密砂岩气理论研究关注度达到新高，在成藏机理、分布特征、分类评价、及致密砂岩气的运聚、保存等方面取得了重要的进展，根据储层物性不同［8］、成岩作用差异性［9］、成藏期次早晚［10］ 及构造部位差异［11］等，将气藏类型分为“连续型致密砂岩气藏”“圈闭型致密砂岩气藏”“先致密后成藏型”“先成藏后致密型”“改造型”“原生型”“斜坡型”“背斜构造型”“深部凹陷型”等。 李建忠等［11］在对鄂尔多斯盆地和四川盆地等致密砂岩气田研究认为，煤系源岩持续充注是致密气藏形成的物质基础，致密程度主要受成岩作用影响，源储紧邻的近距离垂向运移是成藏的主要方式，在此基础上建立了3 种不同的气藏模式。 煤系天然气的研究主要集中在鄂尔多斯盆地和四川盆地，不同的学者从构造、烃源岩演化、储层特征成藏历史等方面探讨了中国煤系天然气的聚集和成藏过程［12－13］，不同盆地构造样式和成藏过程的差异性影响了气藏的类型，鄂尔多斯盆地以气水倒置的负压气藏为主，四川盆地则以构造圈闭气藏为主［12］。 何登发等［14］在研究鄂尔多斯盆地西缘致密砂岩气成藏模式，通过对石沟驿向斜的构造演化与成因机制与煤系烃源岩的时空匹配关系，建立了鄂尔多斯盆地西缘上石炭统－二叠系致密砂岩气具自生自储自盖，早期成藏后期调整的成藏模式。国内众多学者在中国复杂的地质条件下致密砂岩气藏机理不断创新研究取得了重要进展，在新理论的指导下，鄂尔多斯盆地和四川盆地均发现了一批大型致密砂岩气田［15］。 吐哈盆地侏罗系水西沟群也发育有类似的致密砂岩气藏［16］，在巴喀地区已成功钻探多口高产气井。 众多学者对吐哈盆地侏罗系非常规天然气的研究仅局限于成藏地质条件、储层特征及勘探方向的论述［17－19］，对其成藏模式研究较少［20］。
中生代后，中国西部发生了构造岩浆活化，进入了地洼演化阶段。 在大地构造属性上，吐哈盆地是一个典型拉张型的地洼型盆地［21］，中生代发育的水西沟群是1 套典型的地洼型沉积建造，以分选磨圆极差和纵横向上快速变化为特点，同时又发育了丰富的致密砂岩气资源。 气藏赋存的地质条件极为复杂，经过学者们多年的研究，成藏类型存在诸多争议、未系统总结成藏年代学特征和成藏机制不清楚等关键问题［22］。 以地洼成矿理论为指导，从致密砂岩气藏烃源岩特征、源储配置条件、储层及成藏等角度，探讨了吐哈盆地为代表的多旋回叠加改造的大型富煤陆相盆地的成藏机制（多因复成），对盆地资源评价和勘探潜力综合分析及有利区带优选具有重要的理论和现实意义。
吐哈盆地致密砂岩气主要发育在中下侏罗统水西沟群［23］。 水西沟群（包括八道湾组、三工河组和西山窑组）是一套典型的地洼型沉积建造。 水西沟群是一套煤系地层，煤层发育，最多可达63 层，最大累计厚度可达194.88 m［24－25］。 烃源岩为煤系地层，煤系地层发育区为北部陡坡带，常发育冲积扇、扇三角洲等粗碎屑沉积物，储层主要为沉积的砂岩，砂砾岩［26］。 在该区的多口探井均见到丰富的天然气显示，特别是巴喀地区和温吉桑地区已相继获得产能突破，储层单层厚度大，累计厚度超300 m。 孔隙度一般在4%～10%，渗透率一般在0.05 ～10－3μm2，储层致密，属致密砂岩气藏［27］。
盆地目前已发现了20 余个油气田（图1），其中柯柯亚气田等为致密砂岩气田。 该气田于2008 年起在侏罗系水西沟群致密砂岩中钻探了一批较好的气井，其中以柯24 井最具代表，初期产量达每日20余立方米。 但近1～2 a 来勘探进展不大，重要的原因是对气藏特征和成藏机理认识不清。 笔者重点讨论水西沟群致密砂岩气的成藏模式。
图1 研究区构造位置
Fig.1 Location of the study area
吐哈盆地致密砂岩气主要发育在侏罗系水西沟群［23］。 水西沟群（西山窑组、三工河组和八道湾组）是1 套典型的潮湿环境下的地洼型沉积建造（图2），煤系地层发育，最多可达63 层，最大累计厚度可达194.88 m［24－25］。 煤层是主要的烃源岩，而夹在煤层之间发育有决口扇的大型冲积扇和扇三角洲砂岩、砾岩是主要储层［26］。 目前已有多口探井见到丰富的天然气，北部山前带巴喀地区、南部斜坡区的温吉桑地区已相继获得突破，发现了巴喀、丘东气田及多个含气构造，储层单层厚度20～50 m，累计厚度300～500 m。 孔隙度一般4%～10%，渗透率一般 ＜10－3 μm2，储层致密，属致密砂岩气藏［27］。
图2 研究区水西沟群层序地层结构示意
Fig.2 Stratigraphic diagram of Shuixigou Group sequence in study area
研究区西山窑组整段及八道湾组顶部煤层发育，沉积构造丰富，粒序层理，波状层理，叠瓦构造和冲刷构造，见大量碳化煤屑、碳质泥屑（图3），沉积环境主要为水下决口扇相。 图4 和图5 分别为八道湾组和西山窑组高产气层段岩性特征，为大量炭屑或泥屑广泛发育层段，从图4 和图5 可以看出，高产气藏段往往含有较高的碳屑。
图3 水西沟群致密砂岩中的碳屑与碳质泥屑
Fig.3 Carbonic debris and carbonic mudstone debris in tight sandstone Shuixigou Group
图4 北部山前带柯19 井八道湾组富碳屑段与气藏高产段配置示意
Fig.4 Sketch for the combination of high－gas－producty well section and carbonic－debris－rich section of Ke 19 well Badaowan Formation in front of north mountain
图5 南部斜坡带吉深1 井西山窑组富碳屑段与气藏高产段配置示意
Fig.5 Sketch for combination of high－gas－producty well section and carbonic－debris－rich section of Jishen 1 well Xishanyao Formation in south slope
烃类气体的碳同位素特征是天然气重要指向标志。 从图6 中可见：碳同位素具有腐植型天然气，中高成熟度的特征，具有表现为：①δ13C1和δ13C2间差较大，δ13C2、δ13C3和δ13C4间差较小，具有陆相湿气的特征［8］；②δ13 C1 一般在－50.0‰～－33.1‰，δ13 C2一般在－31‰ ～－23.5‰，δ13 C3 一般在－28‰ ～－20.5‰，因此具有腐植型天然气的特征［28－30］，成烃母质为Ⅲ型干酪根；③天然气成熟度Ro 为0.80%左右。 综上，天然气同位素中主要为较重的碳同位素组成，与盆地其他区块的煤型气具有相同的特征。
图6 柯19 井水西沟群天然气碳同位素分布
Fig.6 Carbon isotope distribution of of the natural gasof Shuixigou group of Ke19 well
气源对比的研究表明，水西沟群致密砂岩气藏中的油气与同层位中煤系地层具有亲缘性，Ro 值吻合度很好，均在0.5%～0.8%［31］。
Pr／nC17与Ph／nC18（n 为正烷烃）对比图版常用作表征古环境的生物标志化合物［32］。 Pr／Ph ＞2.0为偏氧化性环境（Pr／Ph 为姥植比，即姥鲛烷／植烷），典型的煤系地层Pr／Ph＞2.5［33］。 从研究区的Pr／Ph 图版可以看出，样品点均位于陆源Ⅲ型干酪根区间，沉积环境为典型的煤系地层水质偏淡的弱氧化、弱还原环境。
ααα（R）构型甾烷C27－C28－C29甾烷相对质量分数三角图也可作为烃源岩类型的判别图版［32］，研究区样品点均位于陆生植物或陆生植物为主的区间，表明烃源岩有机质均以陆源高等植物输入为主。 同时样品中富含有机芳香酸系列化合物，此类芳香酸认为是腐殖酸降解产物，是高等植物母质来源的生物标志化合物［34］。 综上表明，研究区水西沟群致密砂岩气藏与同源的煤系地层烃源岩具有亲缘性。
宏观上，吐哈盆地特别是台北凹陷油气藏分布与煤系有效烃源岩分布相依存，气藏全部分布于煤系有效烃源岩分布区的相邻或本系地层中（图8），存在一定的共生关系。 虽然研究区绝大多数气井单井日产量与煤层的累积厚度关系不大（表1）（说明煤层气充注不是唯一控制气藏单井产量的主因，还有其他因素如储层物性及构造高点等的控制在起作用），但研究区温吉桑地区某区块（表1），煤层累积厚度与各井单层日产气量存在某种程度的正相关性（表1），表明在成藏物质外因相同的条件下，煤系烃源岩供烃效率成为控制气藏产量的主控因素。 这2 个特点也从另外两个侧面揭示了吐哈盆地中生界致密砂岩气与煤密切相关。
表1 研究区煤层累积厚度与日产气量关系
Table 1 The relationship between cumulative coal thickness and daily gas production
区块 井号 产气量／（104 m3·d－1）煤层累积厚度／m柯19－2 6.000 62.0柯19 区块柯19－5 6.420 63.0柯19 7.750 79.0柯19－3 0.102 87.0柯21－c 6.210 89.0柯191 9.790 98.0柯19－6 6.090 120.0柯20 3.01 130.0柯24 区块柯21－5 0.25 51.0柯23 0.30 110.0柯24 20.88 44.2柯25 0.02 76.0温吉桑区块 吉3 0.103 65.0吉深1 1.500 77.0
图8 水西沟群煤岩厚度
Fig.8 Thickness of coal and rock in Shuixigou Group
从岩性及其组合来看，吐哈盆地水西沟群煤系烃源岩形成于温暖湿润的古环境下［3，5－6］，此时期植物繁茂，泥炭沼泽广泛发育。 在稳定而持续缓慢下沉的构造条件等诸因素的相互配合作用下，以高等植物为主的生物遗体通过泥炭化作用和煤化作用转变为水西沟群中广泛赋存的煤层和碳质泥岩。 此外，侏罗纪时中国西部进入地洼演化阶段，构造运动激烈频繁［35］。 吐哈盆地及其造山带活动也很强烈，构造－地貌反差很大，盆地与周缘的山脉相对高差较大。 季节性洪水在陡坡带势能的加持下，携带能力强，搬运速度快，在末端由于坡度骤减或河道曲率增加，频发决口，携带砂砾岩与泥炭沼泽煤系发育区直接接触，这种组合有利于煤层气直接充注到砂砾岩中，砂砾岩被泥页岩覆盖，形成有效的泥页岩＋砂砾岩＋煤层的成藏组合，即成“近生近储”致密砂岩气藏（图9）。
图9 吐哈盆地水西沟群“近生近储”型成藏机制
Fig.9 Sketch for the gas accumulation of the gas trap of nearly－generation and nearly－storage type
煤层也可被炭质泥页岩代替，即当砂砾岩直接覆盖在炭质泥页岩上时，也会形成像砂砾岩直接覆盖在煤层之上的“近生近储”成藏组合（图9）。 如果煤层与砂砾岩之间被非炭质泥页岩、或没有生烃能力的泥页岩相隔，且没有裂缝沟通，同时侧向又没有气源补充时，要形成煤成气藏是不可能的（图10），这种组合叫做“无效成藏组合”。
图10 被泥页岩分隔的无效成藏组合
Fig.10 Void gas accumulation combination separated by mudstone and or shale
这种致密砂岩气成藏机制表面上是由砂砾岩与煤层（或炭质泥页岩）的直接接触造成的，而间接与受高能的决口扇相与低能的泥炭沼泽相沉积演化有关，更深刻的层次上与构造－地貌反差较大形成的特殊古地理环境有关，这种特殊的古地理环境则依赖于地洼阶段的强烈的构造运动形的强烈造山和造盆作用。 所以，这种致密砂岩气藏的“近生近储”成藏机制可视为地洼成矿的专属性。
这种“近生近储”型的气藏如果被褶皱运动改造后，在背斜的转折端可以得到成藏优化，即背斜转折端形成的大量纵向裂隙可以成为煤气其运移的良好通道，把煤层气输运到致密砂岩中，同时在致密砂岩中形成裂缝富集区，形成很好的运移和储集空间，进而形成煤成气富集区（图11），吐哈盆地柯24 井区这种现象很明显，也是柯19、柯200 和柯21 井高产的主要原因。 这是地洼阶段强烈的构造运动形成的致密砂岩气有利的成藏组合条件，非其他构造属性的盆地能所有。
图11 “近生近储”型成藏机制的最有利成藏组合－裂缝发育型背斜构造
Fig.11 More beneficial gas accumulation combination of gas trap of nearly－generation and nearly－storage type－fissure－developed anticline structure
前文述及，侏罗纪时中国西部进入地洼演化阶段，构造运动激烈频繁［13］。 吐哈盆地及其造山带活动也很强烈，构造－地貌反差很大，盆地与周缘的山脉相对高差较大，季节性洪水在陡坡带势能的加持下，携带能力强，搬运速度快，在末端由于坡度骤减或河道曲率增加，频发决口，携带砂砾岩与泥炭沼泽煤系发育区直接接触。 这种砂砾和泥炭的混合体具有很好的自生自储的能力，能够形成1 种特殊的“自生自储型”致密砂岩气藏的有效储集体兼烃源岩（图12）。
图12 砂岩中分散有机质形成“自生自储型”致密砂岩气藏的模式
Fig.12 Model for formation of gas trap of “self genenation and self storage” type from dispersal organic debris
进一步讨论砂砾岩中的碳屑的排烃量问题。 岩心中肉眼可见含大量碳屑和硕大的煤屑碎片或煤线（图13），将岩心照片放大和在显微镜下，可以见到大量黑色的砂级碳屑（图14）。
图13 “自生自储型”岩心碳屑定量分析
Fig.13 Quantitative analysis of carbon－debris－bearing core of gas trap of “selfgenenation and self storage” type
从两个角度定量研究了岩屑：
首先，从宏观角度对部分岩心的炭屑进行了定量分析。 由方格网的点数得到炭屑的含量为15.80%（图13）。 图12 中统计的炭屑点仅为大炭屑，而砂级颗粒的碳屑并未统计在内，薄片观察表明，砂级炭屑非常丰富。 所以，可以肯定炭屑的真实含量高于统计值。 暂且以大炭屑的含量来计算煤生气量。 取煤中镜质组反射率为1%，给定其生气量为150 m3／m3（每立方米煤屑可生成150 m3 天然气）［36］，可获得生气强度约为150 m3／m3×15.80%＝24 m3／m3（每立方米含炭屑砂岩可生成24 m3 天然气），十分可观。
其次，从显微角度定量研究炭屑。 具体方法是把岩心薄片拍成照片后，在其上划分网格，对交点上的碳屑计数和总交点分别计数，碳屑含量为24.94%（图14）。 以反射率1.0%计算，气肥煤每吨煤可以释放出大约150 m3的天然气［24］。 所以，每立方米砂岩中的碳屑可生天然气37 m3 左右，比起页岩气来说这一数值要大多了。 即便是砂岩含碳屑量少到每立方米只有5%，每立方米砂岩中的碳屑也可以排放出7.5 m3左右的天然气，与可采页岩气的下限相当［37］。 因此，从富含碳屑的致密砂岩本身的生气量定量分析来看，其完全可以具备烃源岩的生气能力，这使得砂岩本身可以是烃源岩，构成一种特殊的“自生自储”气藏。
图14 含碳屑砂岩薄片组分定量分析
Fig.14 Quantitative analysis of slice of carbon－debris－bearing sandstone
致密砂岩气藏的压力系数与煤屑的多少密切相关，煤屑多压力系数就越大。 以图7 中的实例定量计算。 取致密砂岩的孔隙度4%～10%，如果不考虑吸附减压和扩散减压，那么37 m3 的天然气形成的压力就是375×105 ～942×105 Pa；深度取3 700 m，那么压力系数就是1.00 ～2.51，比实际值大，揭示了碳屑生排烃完全可以成藏。 吐哈侏罗系致密砂岩在含碳屑较高（＞5%～10%）的层段完全有可能形成“自生自储型”气藏。 这种致密砂岩气藏，是吐哈盆地致密砂岩气藏的一种成藏机制，在某些地方或某些层段甚至可能是主要的成藏机制。 泥页岩中的分散有机质都能成藏，致密砂岩中的分散碳屑同样具有成藏潜力。
图7 水西沟群天然气多种有机地化指标特征示意（据中科院兰地所研究报告）
Fig.7 Sketch of several geological index of natural gas trap of Shuixigou Group
（after research report from Lanzhou Geological Institute of Chinese Academy of Science）
这种“自生自储”致密砂岩中含有大量搬运携入大量破碎的炭屑，煤颗粒排气的比表面积比煤层骤然增加（图15），更能有效地生排气，比“近生近储”致密砂岩具有排烃能力更强、排烃效率更高的明显优势，并根本上克服了煤难以成气成藏的致命缺陷。 比如一个简单的计算：取一个边长1 m 的立方体，其比表面积为6 m2，因其四周被煤层包裹，所以其有效排烃面积只有顶底面的2 m2。 如果将其切割成边长为0.1 m 的立方体，其表面积骤然可增加到60 m2；如此类推把其切割成0.1 mm 的立方体时，其表面积则为6 000 m2，是原煤立方体的100倍，有效表面积的3 000 倍。 综上，煤屑越小其排烃效率越高，即煤中因比表面积大，更易排气，就不会在内部聚集太多的煤层气，煤层气多数可以有效的排放到致密砂岩中，这也是“自生自储”致密砂岩气藏成藏的关键优势和重要理论依据。
图15 煤层破碎成颗粒后比表面积变化对比
Fig.15 Comparable sketch of the specific surface area afterbeing broken of coalbed
因此，煤破碎到砂级颗粒之后还有利于排烃，这是煤层气所没有的成藏有利条件，或许这是最为关键的有利成藏要素之一。 总之，“自生自储型”含煤碎屑颗粒致密砂岩的排气能力与效率较之纯粹的煤层要高的多。 此种致密砂岩中的分散煤屑颗粒成藏，是一种地洼盆地内致密砂岩气的一种成藏机制，在某些地方或某些层段甚至可能是主要的成藏机制，形成地洼盆地特有的成藏机制，非地台盆地所有。
以上简要介绍了“近生近储”＋“自生自储”2 种成藏模式（或机理），事实上，在一个气田或一个产气区，这两种模式常兼而有之，所以，又把这2 种叠加成藏叫做复合成藏，也就是陈国达［38］所说的“多因复成”。 由这种作用形成的致密砂岩气叫复合致密砂岩气藏。
1）吐哈盆地水西沟群是一套地洼盆地内的近物源快速堆积，总体上是一套成分成熟度和分选性很低的长石岩屑杂砂岩，除了河道（或水道）砂砾岩发育外，还发育有大量决口扇。 在决口扇砂砾岩中含有大量炭屑，是决口扇水道冲蚀或切割岸后泥炭沼泽的结果，显示了地洼盆地沉积环境不稳定的特点，正是这种不稳定造就了吐哈盆地特殊的致密砂岩气藏。
2）按照生储关系，将吐哈水西沟群致密砂岩气成藏机制分为“近生近储”、“自生自储”和复合成藏三种类型，这3 种成藏机制是地洼型致密砂岩气藏的特点，非地台型盆地所有。
3）水西沟群优质高产致密砂岩气藏的形成与分布，决定于决口扇—泥炭沼泽相源储平面及垂向有利配置，以及成藏物质组合和后期构造改造（主要是造缝）的完美时空对应关系，也是地洼盆地原生矿藏与后生改造叠加富化的契合，凡具有这种契合的区域都是重要勘探优选区。
致谢：本文是在国土资源部与吐哈油田合作“致密砂岩气国家示范基地”项目的资助下完成的，写作得到了中国科学院广州地球化学研究所的林舸研究员的指导，本文使用的资料由吐哈油田勘探开发研究院提供，审稿专家提出了很多宝贵意见，借此机会一并致谢。
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