鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储层金字塔结构

魏新善，彭宇慧，罗顺社，任军峰，邵 艳

(1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018；2.中国石油长庆油田分公司，陕西西安 710018；3.长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100；4.非常规油气湖北省协同创新中心，湖北武汉 430100)



鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储层金字塔结构

魏新善1,2，彭宇慧3，罗顺社4，任军峰1,2，邵 艳3

(1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018；2.中国石油长庆油田分公司，陕西西安 710018；3.长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100；4.非常规油气湖北省协同创新中心，湖北武汉 430100)

致密砂岩气是大面积多藏分布、受浮力作用影响很小的天然气聚集，“甜点”是相对高产富集区。引入金字塔结构对致密砂岩储层与“甜点”分布的内在规律进行统计分析，指导勘探开发部署。基于国内外典型致密砂岩气盆地大量孔隙度和渗透率分布数据，结合鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气勘探实践，认为致密砂岩储层孔渗分布是一种自组织形式，具有多层次金字塔结构。致密砂岩储层一般发育10%～20%由常规储层组成的相对高产“甜点”，而“甜点”应该成为致密砂岩气勘探开发的首选目标，应首先集中财力物力寻找这类“甜点”。致密砂岩储层和“甜点”储层开发中应采用不同的技术方式。致密砂岩储层用大型压裂改造储层，“甜点”储层可考虑采用水平井自然能量开发，减少储层伤害。

致密砂岩气；致密砂岩储层；金字塔结构；甜点；上古生界；鄂尔多斯盆地

致密砂岩气藏早在1927年发现于美国的圣胡安盆地，距今已有80年；于20世纪50年代最早投入开发，当时称之为隐藏气藏，距今已有50余年[1]。2000年以来，在非常规油气聚集地质理论、井筒压裂、多井型开发等科技创新的驱动下，全球非常规油气的勘探开发日益受到重视，生产的油气已成为全球油气供应的重要组成部分，其中致密砂岩气产量约占全球非常规气的75%。目前，全球已发现或推测有70个盆地发育致密砂岩气，美国已在23个盆地发现了900多个致密砂岩气田，可采资源量为13×1012m3，可采储量为5×1012m3，生产井超过10万口。2011年美国致密气产量达1690×108m3，占当年天然气总产量的26%[2]。在中国，早在20世纪60年代四川盆地就发现了致密砂岩气，但受当时技术及国家能源结构等因素影响，一直没有大规模勘探开发。近年来，随着国家对天然气能源的重视，尤其是水平井、大型压裂改造等技术的进步和规模化应用，致密砂岩气勘探开发取得了重大进展，发现了以鄂尔多斯盆地苏里格、四川须家河为代表的致密砂岩大气区[3-10]。截至2014年底，鄂尔多斯盆地已探明、基本探明致密砂岩气储量超过4×1012m3，2014年苏里格致密砂岩气产量达到235×108m3，在松辽、吐哈、塔里木、渤海湾等盆地也相继发现了致密砂岩气藏。据最新估算，中国致密砂岩气可采资源量约为(9～13)×1012m3[11]。截至2013年底，中国致密砂岩气累计探明地质储量约占全国天然气总探明储量的41%，2014年致密砂岩气年产量大约为360×108m3，占中国天然气总产量的30%。中国致密砂岩气分布广泛，资源丰富，具有良好的勘探和开发前景。

储层致密是致密砂岩气的主要特点。“致密”是一个描述性词语，不同历史时期、不同国家和学者对其有不同的定义。1980年美国联邦能源委员会(FERC)将致密砂岩气藏储层定义为渗透率小于0.1mD的砂岩储层，国内一般参考这一定义，认为致密油气藏孔隙度小于10%，空气渗透率小于1mD，实际上这是一个考虑储层特征后的商业定义[7，9，12]。致密砂岩气藏一般呈大面积分布、圈闭界限不明显、构造平缓；储层致密、非均质性强、孔渗低、次生(溶蚀)孔隙相对较发育[13]；含水饱和度变化较大、束缚水饱和度高、气水分异差、无明显的气、水界面；常具异常压力、地质储量可观、自然产能低，需要采取某种增产措施和特殊的钻井、完井方法才能达到工业开发。根据致密砂岩气藏一般特征，结合鄂尔多斯盆地致密砂岩气勘探开发实践，本文认为致密砂岩气是大面积多藏分布、受浮力影响很小的天然气聚集。受浮力影响很小是指现今气藏气、水分布不受浮力控制，形成不了具有水动力作用的边水、低水。按照这一定义，鄂尔多斯盆地已发现的苏里格、榆林、子洲、乌审旗、神木、米脂、大牛地等大气田均属于致密砂岩气田。榆林、子洲大气田储层渗透率一般大于1mD，按照渗透率定义应属于常规气藏，但开发过程中没有见到真正意义上边水、低水，气水分异差，自然产能低，大部分直井需通过压裂改造才能获得工业气流，具有致密砂岩气藏的基本特征，应属致密砂岩气[14-15]。

致密砂岩气藏自然产能和单井产量较低，如何降低勘探开发成本，提高经济效益是目前勘探开发致密砂岩气面临的首要问题。解决这一问题的有效途径之一是提高天然气价格，这受全球政治、经济多因素影响，不是某个油气公司所能控制；其二是技术进步，这是油气公司目前采用的最有效手段，也取得了致密砂岩气开发的经济效益，但受技术、设备垄断及高成本影响，经济效益提高有限；其三是先开发致密砂岩气的“甜点”，这是最经济、最有效的手段。

“甜点(sweet spot)”是北美致密砂岩气勘探开发中借用日常生活用语来形象描述天然气高产区的概念。这一描述性词语已被学术界接受和应用，但国内外学者对比有着类似却不完全一致的看法。有着眼于烃源岩、储层与裂缝等综合评价的“地质甜点”，有着眼于埋深、储层可压性、地应力各向异性综合评价的“工程甜点”，也有着眼于资源规模、地面条件等评价的“经济甜点”。美国地质调查局(USGS)规定“甜点”为可以持续提供30年产量的致密砂岩气区块。Law认为致密砂岩气藏中的“甜点”是沉积和构造造成的局部高产气区[1]。张金川等将“甜点”定义为致密砂岩气藏内部物性相对较好处的天然气富集区带[16]。杨升宇等认为在致密砂岩气勘探开发过程中储层“甜点”是在砂岩物性整体较差背景下的局部高孔高渗区，能提供较高天然气日产量和持久经济产量[17]。根据“甜点”最初用意和不同学者关于“甜点”定义，结合鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气勘探开发中常用的高产富集区这一概念，本文认为致密砂岩气中的“甜点”是相对高产富集区。因为高产与气藏地质特征和工艺措施等因素有关，一个盆地高产的概念也是相对的，没有明确界限。在鄂尔多斯盆地选取致密砂岩储层孔隙度大于10%，空气渗透率大于1mD分布区为局部相对高产富集区，这类储层大致相当于Ⅰ类储层，气井单井产量一般大于4×103m/d。安文宏等对致密砂岩气藏Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类储层样品进行了产能模拟表明，Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类储层未压裂改造气井平均产能分别为408.4825m3/(m·d)、139.745m3/(m·d)、50.105 m3/(m·d)，储层产能贡献率分布区间分别为55%～65%、23%～27%、8%～15%[18]；因此，在致密砂岩气开发初期，“甜点”是开发产能主要贡献区。按前述致密砂岩储层孔渗界限，本文定义的局部相对高产富集区就是大面积致密砂岩储层分布区中的常规储层分布区。

“甜点”评价方法已有诸多研究[19-22]，但一个致密砂岩气区或气田中“甜点”所占比例大小这个与致密砂岩气勘探开发决策和部署密切相关的问题却研究甚少。“甜点”形成与气层分布、厚度、物性、含气饱和度等因素有关，其中物性是最重要的因素，因此，本文根据物性量化分布特征对“甜点”所占比例大小、分布规律等问题进行探索。

1 金字塔结构(pyramid)与应用

金字塔的阿拉伯文原意为“方锥体”，它是一种方底尖顶的石砌建筑物，以古代埃及埋葬国王和王后的陵墓金字塔最为典型。由于它规模宏大，侧面由多个三角形或接近三角形的面相接而成，顶部面积非常小，甚至呈尖顶状，颇似汉字中的“金”字，因此形象地译为“金字塔”。 长期以来社会学家、考古学家、自然科学家等从不同角度分析金字塔的结构特点、功能和用途，形成现代金字塔的引伸含义，即金字塔结构是大自然和人类社会的一种普遍自组织形式，它具有稳定性、多种多层次组织形式及层次演变的方向性等特点。在社会学中，人类社会组织结构就是“金字塔”形象重现，即底层为大多数普通劳动者、中间为管理者、上层为少数的领导者，人类社会自古以来的社会结构就是如此，多少次改朝换代结果还是如此，这也是人类社会的“金字塔结构和定律”。人们的知识结构也是金字塔形的，它的核心思想是宽基础，按照学科知识体系从人文社会科学、一般自然科学、专业知识循序渐进爬到金字塔的尖顶，同一个专业领域同一样学习背景的人的知识结构往往相同或近似。方锦清等对金字塔形式进行了研究，提出了生态金字塔、人类需求金字塔、生命网络复杂性金字塔和多种类型网络金字塔等概念[23]。美国安全工程师Heinrich在1931出版的著作中提出了其著名的“安全金字塔”法则，是通过分析55万起工伤事故的发生概率，为保险公司的经营提出的。该法则认为，在1个死亡重伤害事故背后，有29起轻伤害事故，29起轻伤害事故背后有300起无伤害虚惊事件，以及大量不安全行为和不安全状态存在[24]。从以上分析可见，金字塔结构已广泛应用于金融、写作、人口、社会学、管理学和健康生活等各个方面[24]。

金字塔理论和结构在矿产资源中的应用最早来自于金属矿产资源品质分布。该概念认为金、铜、铀、锌等自然资源品质与资源量呈对数正态概率分布，对数正态概率分布曲线具有左偏特征；因此，低品质资源储量在统计学上为众数，是出现次数最多的数值，在频率直方图上为最高点，也就是说在资源品质随机抽样分布中低品质资源量最大，也是最可能出现的结果。而中、高品质资源量分布在概率上处于较小值或最小值。这种分布具有金字塔结构特征，处于金字塔底部的为低品质资源，资源量大；处于金字塔中部的为中品质资源，资源量相对较大；处于金字塔顶部的为高品质资源，资源量最小。J.A.Masters和J.K.Gray认为油气资源与金属矿产具有相似的金字塔结构分布，定性地提出了高品质、中品质和低品质资源金字塔结构分布。他认为高品质油气资源易于开发，但资源规模一般较小，居于金字塔结构分布图的顶部；而中品质和低品质资源处于金字塔结构的中部与下部，他们的开发成本较高，但资源量规模大，随着技术进步和价格上涨，低品质资源将被开发[25-26]。J.K.Gray的研究成果为油气资源金字塔结构分布研究奠定了基础，后续研究提出的各种油气资源金字塔分布都是J.K.Gray油气资源三角结构分布的进一步延伸[27-28]。

按照自组织理论，自然界是一个复杂自组织系统，在一定条件下，系统可由无序走向有序，由低级有序走向高级有序。自然资源是由复杂的成矿作用形成的，资源分布是无序有用元素通过地质作用形成的元素有序富集，因此其分布具有金字塔结构。致密砂岩储层是沉积作用、成岩作用等多因素共同控制下形成的[21，29-30]。沉积环境影响砂岩的矿物组成、岩石碎屑颗粒大小、岩石结构、填隙物含量、砂体特征等；成岩作用中的压实作用、胶结作用、溶蚀作用等改变岩石的矿物成分和内部孔隙结构与构造，并形成许多自生矿物，也是形成致密砂岩储层的重要影响因素。由此可以看出，致密砂岩储层影响因素多样且复杂，导致其非均质性强，具有自组织结构基本特征，可以用金字塔结构来描述。

2 盆地上古生界储层孔渗金字塔结构

鄂尔多斯盆地致密砂岩气勘探开发已有近万口井，获得了大量的孔渗数据，揭示了上古生界大面积低孔、低渗储层特征。在盆地尺度上对孔渗数据进行分析时，采用来自本溪组、太原组、山西组、石盒子组共43800个砂岩储层数据。统计分析表明，数据分布具有随机性，渗透率K为0.006～530.96mD，孔隙度φ为0.16%～26.16%。数据归类可采用不同数据间隔，本文按盆地致密砂岩储层4种类型所采用的孔渗界限构建金字塔结构，其中K小于0.1mD类型合并在K小于0.5mD类型之中。从渗透率分布金字塔结构图(图1a)可以看出，K低于0.5mD为主要类型，所占比例高达78.42%，0.5≤K<1mD和K≥1mD所占比例小，分别为10.42%和11.16%；K小于1mD储层所占比例为88.84%，“甜点”类储层所占比例为11.16%。在孔隙度φ分布金字塔结构图(图1b)中，φ低于8%占63.42%，为主要类型；8%≤φ<10%与φ≥10%所占比例相近，分别为18.33%和18.25%。

为进一步说明致密砂岩储层孔渗分布具有金字塔结构，缩小统计样本，选取苏里格气田苏14井区83口井，总计396个孔渗数据，得到苏里格气田致密砂岩储层孔渗分布金字塔结构图(图2)，发现其孔渗分布金字塔结构与整个鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储层的孔渗分布金字塔结构相似。

孔隙度为0.1%～17.1%，平均值为7.71%，整体上孔隙度以小于8%为主，所占比例达57.83%，构成金字塔结构的主体；孔隙度为8%～10%的储层所占比例明显降低，为22.73%；孔隙度大于10%储层所占比例最小，仅为19.44%，位于金字塔结构顶部(图2a)。渗透率为0.01～9.60mD，平均值为0.77mD；渗透率小于0.5mD为主要分布区间，所占比例高达68.59%；渗透率为0.5～1mD的储层所占比例急剧减小，为17.28%；而渗透率大于1mD的储层占14.14%(图2b)。

孔渗分布金字塔结构图与直方图等常用统计图件相比较，不但更能直观地反映致密砂岩储层孔渗分布结构，更重要的是揭示了致密砂岩储层孔渗分布具有金字塔结构所赋予的内涵。首先是稳定结构，这是因为鄂尔多斯盆地作为一个封闭系统，储层致密是沉积物在地质历史过程中经历压实、胶结等成岩作用形成的，没有大的外界能量系统加入，也就是说致密砂岩形成是一种自组织作用；二是层次性，即储集质量最差的储层占大多数，中等质量处于中间位置，优质储层也就是本文所定义的能够形成“甜点”的储层占少数；三是“甜点”储层分布规律性，下面进行重点讨论。

美国西部落基山地区致密砂岩气资源量(6.83×1012m3)占美国致密气资源总量的70%[31]，7个致密气盆地(Washakie、Uinta、Piceance、Greater Green River、Wind River、Powder River 和Sand Wash)46口钻井中采集了常规孔隙度数据2100个、常规渗透率数据2073个。常规渗透率数据点分布在0.0001～100mD范围，约10%的数据大于1.0mD，孔隙度数据分布在0～26%之间，有20%的孔隙度数据大于10%。吐哈盆地柯柯亚地区致密砂岩储层90%的孔隙度和渗透率集中在4%～10%和0.1～1.0mD之间，孔隙度大于10%和渗透率大于1.0mD的储层占10%左右[17]；四川盆地须家河气区致密砂岩储层渗透率大于1.0mD的占8%左右[32]，结合本文所讨论的鄂尔多斯盆地和苏里格气田苏14井区上古生界致密砂岩储层中“甜点”储层所占比例，可以总结致密砂岩气储层中“甜点”储层所占比例为10%～20%。

3 地质意义

致密砂岩储层金字塔结构揭示了致密砂岩含气区一般发育10%～20%常规储层形成“甜点”这一内在规律，但这毕竟只是从统计规律上得出的，10%或20%甚至其他数据本身只是一个小概率事件，但范围值应是一个大概率事件。概率事件应具有足够的统计样本，因此10%～20%是针对一个致密砂岩气盆地或一个勘探区带统计规律而言的。更重要的是在重视致密砂岩气的同时，不能忽略常规储层的存在，从这一点上来说，理念比数据本身更重要。

(1)致密砂岩储层金字塔结构可以作为致密气盆地或致密气区带的判断依据。天然气储层是一个渗透率、孔隙度从高到低形成的连续谱，高端部分就是常规储层，低端部分是非常规储层(如煤层气、页岩气储层)，致密砂岩气储层处于高端和低端过渡区。因此，发育一定量的常规储层是自然规律，那么这个量是多少呢？本文通过国内外致密气盆地对比，应用金字塔结构给出的界限值是10%～20%。以鄂尔多斯盆地北部为例，榆林气田储层以中粗粒石英砂岩为主，渗透率一般大于1mD。如果仅从榆林气田储层特征分析，应是常规气田，但其大面积分布、无边底水、气水分布不受浮力控制等特征又具有致密砂岩气特点，紧邻其南侧的子洲气田与其特征相似，两大气田探明储量仅占盆地北部致密砂岩气探明与基本探明储量的10%左右，因此对鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气藏而言，榆林气田、子洲气田应是大面积致密砂岩气田中的“甜点”富集区。

(2)10%～20% “甜点”分布是致密砂岩气区勘探开发部署方向，是降低成本、提高经济效益的最有效手段。如果一个致密砂岩气盆地或含气区带还未发现10%～20%的 “甜点”区，就应集中财力物力寻找这类“甜点”；如果一个开发区带单井产量较低，则应有10%～20% 的相对高产井等待发现，需要调整开发部署方案。

(3)致密砂岩储层需分类评价。致密砂岩储层平面及垂向上均分布复杂，需特别注意致密砂岩储层背景下“甜点”的分布特征，如苏里格气田盒8下段辫状河沉积中心滩砂岩孔隙度大于10%、渗透率大于1mD、孔喉直径大于2μm，为常规储层分布有利沉积微相[33]。苏14井储层厚10.74m，常规储层厚4.05m；但苏28井储层厚19.42m，常规储层厚度仅为0.34 m。

(4)致密砂岩气盆地对常规储层和致密砂岩储层应采用不同的勘探开发技术。致密砂岩气普遍采用大型水力压裂改造工艺措施，这已成为国内外致密砂岩气开发的常用做法[34]。致密砂岩储层一般敏感性较强，大型水力压裂改造工艺不仅成本高，对储层的伤害也是无法避免的；因此，少部分“甜点”应采取自然能量开发，也就是要采取“一井一层一工艺”的精细开发理念，区别对待致密砂岩气中的不同储层，榆林气田部分储层利用水平井进行天然气常规开发就是典型成功案例。

4 结 论

(1)致密砂岩气是不受浮力控制形成的大面积连续分布的天然气聚集。“甜点”是相对高产富集区，储层具有常规储层特征。

(2)致密砂岩储层分布具有金字塔结构，一般发育10%～20%的常规储层，形成高产“甜点”，是勘探开发首选目标，也是降低成本、提高经济效益的最有效途径。

(3)致密砂岩气开发在储层评价、工艺措施上应区别对待致密储层和“甜点”。

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Pyramid Structure of Tight Sandstone Reservoirs in the Upper Paleozoic in Ordos Basin

Wei Xinshan1,2，Peng Yuhui3，Luo Shunshe4，Ren Junfeng1,2，Shao Yan3

(1.NationalEngineeringLaboratoryforExplorationandDevelopmentofLow-PermeabilityOil&GasFields,Xi'an，Shaanxi710018,China; 2.PetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi'an，Shaanxi710018,China;3.CollegeofGeosciences,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China; 4.HubeiCooperativeInnovationCenterofUnconventionalOilandGas,Wuhan，Hubei430100,China)

Tight sandstone gas is a kind of natural gas accumulation, which characterized by a large area of multi reservoir distribution and little affected by buoyancy. “Sweet spot” is a relatively high yield gas enrichment area. According to the analysis of massive porosity and permeability data of typical tight sandstone gas basin at domestic and abroad, and the exploration practice of tight sandstone gas in the Upper Paleozoic of Ordos Basin, we believe that the porosity and permeability distribution of tight sandstone reservoir is a kind of self-organization form with a multi-level Pyramid structure. In general, 10% ～ 20% of the tight sandstone reservoir is composed of conventional reservoir, which formed the relatively high yield “sweet spot area ”.The “sweet spot” should be the first choice for exploration and development of tight sandstone gas, and it is the most effective way to reduce the cost and improve the economic efficiency. In addition, tight sandstone gas and “sweet spot ” gas should be used with different mining techniques and methods.

tight sandstone gas； tight sandstone reservoir； Pyramid structure； sweet spot； Upper Paleozoic； Ordos Basin

国家科技重大专项(2011ZX05044)、国家自然科学基金项目(41172105)联合资助。

魏新善(1962年生)，男，博士，副总地质师，主要从事天然气地质研究与勘探工作。邮箱：wxs_cq@petrochina.com.cn。

彭宇慧(1991年生)，女，在读硕士，主要从事沉积地质学与储层地质学等方面研究。邮箱：1064583698@qq.com。

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