自1950年Silver^[1]在研究中间接地认识到San Juan盆地白垩系大范围低渗透储层中普遍含气以来，众多学者在全球范围内针对此类气藏进行了广泛的研究。致密含气砂岩的概念最早始于美国^[2]，并规定其渗透率小于1×10^-3 μm²。此后，众多描述此类气藏的地质学概念依次被提出^[3]。如Holditch^[4]认为，致密砂岩气理应是经过改造处理方可形成工业气并无典型特征的致密砂岩储层。其埋藏可深可浅，温度压力可高可低，可呈透镜状分布也可为席状展布，可为多层或单层，可为均质也可是非均质的；关德师等^[5]认为致密砂岩气藏为天然气在孔隙度＜12%、渗透率＜0.1×10^-3 μm²及含水饱和度＞40%的砂岩储层中流动缓慢的气藏；杨晓宁等^[6]将致密砂岩储层物性特征归结为：孔隙度为7%～12%、渗透率＜1×10^-3 μm²而孔喉半径＜0.5 μm；邹才能^[7]认为致密砂岩气是需要通过压裂或者其他特殊采气工艺才可从低（特低）渗储层中产出的无自然产能的致密气。本文依据我国致密砂岩气藏的规定标准^[8]，认为有效渗透率≤1×10^-3 μm²、孔隙度≤10%的可为致密砂岩气藏。杏福音等^[9]指出致密砂岩气（藏）指的也是致密含气砂岩储层。由此可见，学者们对致密砂岩气藏的概念都有自己的见解，但均包含储层低孔低渗这一特性。并且，前人也从不同角度对此类气藏的分类、成藏过程和形成机理进行了研究^[3]，为此类气藏的勘探做了大量的准备工作^{[10, 11]}。

致密砂岩气作为一种非常规天然气资源一直受到国内外学者的重视。目前全球已有70多个盆地发现或推测有致密砂岩气，主要位于北美、欧洲和亚太地区^[12]。而我国四川、鄂尔多斯、吐哈及准噶尔南部等区域均有致密砂岩气藏的分布^[3]。如今，世界上已发现的致密砂岩气资源量为209.72×10¹² m^{3[13]，而应用目前技术方法可开采利用的仅有（10.5~24.0）×1012 m3[14]，但仍居非常规气之首。}

因为不同盆地、不同深度致密气藏的开采现状、分布规律、地质产状和形成机制等不同，导致致密砂岩气藏的分类、评价标准也不一样^[9]。通过总结不同成因类型致密砂岩气藏的封闭机理。列出了常规油气藏封闭机理可适用的常规致密砂岩气藏。分析了水动力、侧向断层—垂向盖层、上浮受阻、动态平衡、驱动压差和复合封闭等先致密深盆砂岩气藏（深盆气）封闭成因机理的研究现状及存在的问题。致密砂岩气藏作为天然气能源的重要“储备力量”，明了其成藏过程和机理将成为其勘探和开发重要的“指南针”。

目前，根据研究方向的不同，致密砂岩气藏有多种分类方式。如有根据渗透率大小^[15]、气藏成藏与构造演化关系^[16]及致密砂岩气成藏时间与砂岩储层致密时间的先后关系^[17]等进行划分的。本文根据致密砂岩气藏的成因分为致密常规、致密深盆和致密复合砂岩气藏^[18]。

致密常规砂岩气藏发育于沉积盆地深部、成因和产状特征与常规油气藏类同^[18]。其以储层后期致密化（天然气充注之后）为特征，源岩可近源也可远源聚集，气水分布服从重力分异原理，呈气上水下分布模式^{[17, 19]}。其概念模式见图 1a。

图 1 致密砂岩气藏概念模式图（庞雄奇，2013，修改）[18] Fig. 1 The conceptual model of tight sandstone gas reservoirs（modified from Pang,2013）[18]

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致密深盆砂岩气藏发育于沉积盆地深部深坳区或向斜带中^[18]。其以储层前期致密化（天然气充注之前）为特征，并对储层孔隙度和渗透率大小有要求，应分别小于12%和1×10^-3 μm²。近源或直接聚集成藏是其最有利的形成条件，气水一般呈倒置关系分布，气藏压力可为异常高（低）压，且一般分布于盆地或坳陷深部或宽缓的斜坡上^{[17, 20]}。其概念模式见图 1b。

致密复合型砂岩气藏发育于沉积盆地深部的深坳区、背斜带或斜坡上。在盆地深部条件下，先期形成的常规气藏和后期的深盆气藏叠加和复合形成复合型气藏。成藏过程具体表现为，常规气藏到致密常规气藏，再与深盆气藏叠加形成致密复合气藏^[18]。其概念模式见图 1c。

为明了致密砂岩气藏形成机理特征，Dickinson^[21]曾分析了其成藏阶段，姜福杰等^[22]模拟了其成藏过程。同时，依据实验结果与前人分析总结^[3]，可将致密砂岩气成藏过程具体划分为充注前期、充注期和充注后期3个阶段。

致密常规砂岩类气藏成藏过程为：① 烃源岩大量生、排烃；② 已排出的天然气受浮力等作用运移并聚集形成常规气藏；③ 生排烃高峰结束后，储层开始致密化，一部分先期保存的气体排出并运移聚集形成次生气藏，也仍有部分残留在储层中；④ 储层致密化结束后，由于构造改造作用致使部分残留气得以排出并形成构造裂缝型气藏^[17]。简单来讲，即为烃源岩生排烃→运聚成藏→储层致密化→构造改善的过程。

致密深盆砂岩类气成藏过程为：① 在烃源岩生排烃高峰前，储层已致密；② 排出烃慢慢蓄积并逐渐进入致密砂岩储层中，形成气下水上的气藏^[2]；③ 当烃源岩生排烃并聚集成藏的效率高于天然气扩散损失效率时，散失气仍可在上倾构造带聚集成次生气藏^[17]。此成藏过程可简记为：储层致密化→气体充注→聚集成藏。

致密复合型砂岩类气成藏过程为：① 烃源岩生排烃并运聚成常规气藏；② 致密深盆气藏形成（也可与常规气藏同时形成）；③ 在构造埋深过程中，常规油气藏储层逐渐致密化；4）常规致密气藏与深盆气藏复合叠加归一化形成致密复合气藏^[18]。即常规气藏形成→致密深盆气藏形成→常规气藏致密化→致密复合气藏形成的演化过程。

目前，常规致密砂岩气先成藏后致密，分布特征类似于常规气藏，其成藏机理的研究已较为成熟。致密深盆砂岩气的研究尚在继续。并且复合型致密砂岩气成藏机理研究的关键也取决于深盆气的研究近况。因此，研究和分析深盆气的成藏机理至关重要。通过对世界范围内几个典型深部致密砂岩油气藏解剖和实验室物理模拟研究也表明：深盆气藏具有与常规油气藏明显不同的特征^[3]。不同学者从不同角度对致密深盆砂岩气进行研究，提出了不同的封闭机理。

Berry^[23]通过研究San Juan盆地中的低压气藏，认为水向下倾方向上的流动使气藏得以保存，并提出了水动力封闭机理。同时，Masters^[2]通过对San Juan盆地、Denever盆地和Sweet grass arch内气田部分储层中气水关系的研究认为，储层中上倾方向高孔高渗高含水饱和度的储层水向下倾方向低孔低渗高含气饱和度储层中的流动使得气藏得以保存（图 2）。Masters^[2]还发现在高含水饱和度低渗储层的气水交界处，孔喉中的水可使气体渗透率几乎降低为零，在含气部位上方形成“相对渗透率屏障”的水堵封闭。Byrnes等^[24]在不同围压下气体渗透率的实验结果中证实，致密砂岩渗透率强烈依赖于围压。而高孔渗实验表明，高压时气体渗透率减小。同时Walls等^{[25, 26]}研究指出地层条件下，砂岩随压应力的增大会出现渗透率骤减的现象。这从侧面表明，含水饱和度较高时，压力随之增大，砂岩储层渗透率降低，气体得以被水体封闭保存成藏。

图 2 致密砂岩气藏水动力封闭成藏模式图（Masters，1979，修改）[28] Fig. 2 Water block of gas charging in tight sandstone（modified from Masters,1979）[28]

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但是，针对这种水封闭机理而言，Masters^[27]认为存在的主要问题是，形成的这种“水封闭”体系能否持续存在至今，在地质时间尺度内能否保持水动力（上倾向下倾方向的水动力）条件的稳定。而且，即使以上条件可以满足，还得保证高含气致密砂岩储层上倾方向有高孔高渗高含水储层的存在。

储层孔隙空间随埋深增大而呈逐渐减小的趋势，但相对而言束缚水孔隙所占的空间比例却有增大的迹象。然而，常规致密砂岩气藏储层后致密，天然气先充注^[17]，其气体聚集成藏的方式为整体向上排驱自由水。基于地层条件下孔隙流体的组成和演化特征（图 3）^[29]，Gies^[30]认为，对大多数深盆气藏而言，均存在气水倒置现象。这样储集层下部气藏缺少地层水，气没有相应向上运移的浮力，以致气体在低渗砂岩中上浮受阻而出现对气的封闭作用；Gies^[31]模拟实验研究表明，低渗砂岩中，气相压力较高时，水与气相互制约，气不能在水中上浮，水也不能穿过含气带；但在气相压力降低时，水可以自由通过含气带流至孔隙底部，气体借此则可在水中上浮。气在上浮过程中，如果砂体储层孔隙度较低，由孔隙底部到孔吼时便会破坏水流动的连续性，致使其上浮再次受阻；如果上浮“路过”的砂岩储层孔隙度较高，气不会因孔吼过小而上浮受阻，而会受浮力作用顺利迅速运移。并且Broun等^[32]从毛细管阻力的角度出发，认为气很难运移的主要原因在于低渗储层中，气体浮力不足以克服孔隙水的毛细管阻力。由此可见，缺乏浮力是导致气在低渗砂岩上浮受阻而封闭保存的重要原因。

图 3 储层孔隙演化地质模型与储层流体组分地质解释概念模型（姜福杰，2010）[29] Fig. 3 Concept model consists of pore fluid based on principle of bound water film with fixed thickness（Jiang Fujie,2010）[29]

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但如果缺乏浮力是导致气在低渗砂岩中上浮受阻而封闭成藏的话，那么地下自由水活动门槛深度的界定与主控因素的研究，则应是这种“缺乏浮力”封闭机理的关键。

研究表明，断层可以作为构成深盆气藏侧向封闭条件^{[33, 34, 35]}。Jones ^[36]通过对Green River盆地北部Jonah油田深盆气藏构造特征及成藏机理的研究认为，断层是构成深盆气藏成藏的侧向封闭条件（图 4）；Montgomery等^[37] 、Warner^[38]发现Jonah油田上白垩纪Lance地层砂岩致密气藏(深盆气藏)侧向封闭边界是两条交错的封闭断层（图 4）。垂向盖层作为“房盖”加强了气藏的封闭保存。但是这种封闭条件具有特殊的地域性，由于Jonah气藏侧向上是受断层封堵，垂向上为盖层覆盖，该机制是可以适用的，而对绝大多数致密气藏而言，并不存在侧向受断层封堵的条件。因此，此机理具有一定局限性，应用范围有限。

图 4 Green River盆地Jonah致密构造砂岩气藏（Law，2002，修改）[12] Fig. 4 The Jonahtight sandstone reservoir inGreen River basin（modified from Law,2002）[12]

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Gies^[39]强调在储层孔隙系统中，一种流体很难驱替另一种流体，即气在低渗储层中上浮受阻封闭作用。但Cant^[40]在对Alberta盆地晚白垩系Spirit River地层层序研究的基础上指出，上浮受阻封闭机理的前提条件是孔喉在一定的大小范围内，并认为这种“渗透率屏障”是储层砂岩成岩作用形成的封闭带（图 5）。正如Roberts^[41]指出的，预想的成岩作用封闭机理具有动态特征，而不是常规的静态封闭系统。Cant认为这是由于储层受地层控制，而封闭是由成岩作用形成的，因此Spirit River气田应为地层—成岩作用复合封闭的结果。同时Masters^[2]提出的“饱和水封闭”也是由成岩作用形成的封闭带；Welte等^[42]通过地球化学数据分析指出，正是由于成岩作用的存在，降低了砂岩的孔隙度和渗透率，使得仍有一些盆地中心气在足够致密的储层中得以保存。否则，盆地中将不会存在有价值的气藏。Khavari-Khorasani^[43]对其他盆地烃类流体的研究发现，致密气藏的封闭机制一般为地层封闭或成岩作用封闭或两者共同作用。

图 5 致密砂岩成岩作用封闭带（Cant，1983）[40] Fig. 5 Closed with diagenesis of tight sandstone（Cant,1983）[40]

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目前学者们的疑问是，此种成岩作用形成的机理是什么？^[28]并且，Cant^[40]虽然提出了该机理，但他也认识到这种机理不够完善——气散失问题，关键因素是生气量、气聚集成藏的时间以及气体散失速率之间的“平衡度”。

对于这种“公认度”较高的动态平衡封闭机理而言，它一直受到学者们的广泛关注。柳广第在《石油地质学》教材中提到：深盆气藏，其形成的前提是气源岩与致密储集层之间的匹配关系，形成的关键是致密储集层产生的毛细管力的封闭作用。这种作用可以从两个方面去理解，一是力平衡角度，二是物质平衡原理。毛细管力封闭和力平衡原理是深盆气藏的主要机理，而天然气运聚动平衡过程的物质平衡作用制约深盆气藏的分布范围^[44]。

一方面，很多学者通过研究深盆气藏的成因机理，发现这种“动态平衡”封闭是深盆气成藏的关键因素。例如，Welte等^[45]认为深盆气藏实际上是一种不存在封堵和致密封闭条件的动态圈闭（气体不断散失和持续补给之间的动态平衡）作用下的气藏；Law等^[46]以气体补给聚集和不断散失速率的相对大小及气藏压力的大小为根基，分析了深盆气生成、运移及其聚集成藏的机制及规律，并认识到深盆气藏封闭是“动态的”。在高压气产生区域内，游离水迅速地被气驱替进入上覆和上倾部位的含水岩层；残留的束缚水不足以驱除以溶解方式进入孔隙系统内的气，致使孔隙压力不断增大。相对封闭的水动力系统在经过孔隙压力增加→毛细管压力增大→含水饱和度降低→毛细管压力再度增大→含水饱和度不再继续下降的这一“多米诺骨牌”式的演化过程之后，低渗储层“网络系统”得以形成（图 6）。如果气的生成速率大于散失速率，气藏就可以保存；Surdam^[47]通过对Rocky Mountain Laramide盆地异常压力区域岩层的分析，认为毛细管压力与异常压力双重动力的平衡作用促进致密砂岩气聚集成藏；张金川^{[48, 49]}认为，源岩生烃作用所产生的天然气膨胀力、毛细管压力、水柱压力(运移阻力)之间的动力关系构成了该类气藏成藏动力平衡方程的主体；金之钧和张金川^[49]提出了深盆气藏的动力平衡方程，从成藏条件分析出发，对其成藏动力平衡过程和方程进行系统讨论；庞雄奇等^[50]，认为深盆气藏为力学与物质平衡共同支配下的动态过程。其中，从力学角度来讲，毛细管力+静水压力=气体浮力+膨胀力；而物质平衡方面，源岩供气总量—储层向上、下散失量—气水边界侧向逸散量=深盆气藏赋集气量（图 7）。

图 6 不同埋藏阶段的气藏聚集及其孔隙网络、流体演化模式（Law，1985，修改）[46] Fig. 6 Gas accumulation,pore network and pore fluids model for each burial stage (modified from Law,1985)[46]

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图 7 深盆气藏物质平衡和动力平衡模式图（庞雄奇，2003）[52] Fig. 7 Material balance and dynamic balance model of deep basin gas reservoir (Pang Xiongqi,2003)[50]

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另一方面，也有一些学者在认同动态平衡机理为深盆气成藏主控因素的基础上进行进一步实验研究的。例如，戴家权等^[51]根据深盆气藏形成和保存必须满足的力平衡和物质平衡条件，给出了确定气藏分布范围的数值计算方法；米敬奎等^[52]基于这种机理对深盆气形成条件进行了模拟实验，结果发现储层致密、源储相近及生气力强是一般深盆气成藏的必备条件；肖芝华等^[53]通过对气藏储层中气水临界地质条件的物理模拟实验，发现气水倒置现象的产生与流体浮力和毛细管力之间的力平衡有关。

动态平衡封闭机理的“公认度”虽很高，但也存在需要进一步探讨的问题：影响和控制供烃速率和损失速率的因素是什么？多数大面积饱含气低渗储层区域中浮力是否存在^[28]？关于很多已经停止供烃的冷盆仍存在深盆气的问题，虽然张金亮等^[3]在模拟实验与解剖典型深盆气藏结果分析的基础上，提出了深盆气成藏新理论为：优质烃源、源储共生、容易保存、无需动态平衡供气及生气趋于尾声的“冷盆”仍可生气成藏。但在实际地质情况下究竟如何，我们仍不知？因此，这些问题仍需进一步商榷。

Spencer^[54]通过对Rocky Mountain地区气藏的研究提出了驱动压差成藏机理。他认为，在最大储层压力与岩石破裂压力梯度大致相当时，快速排出的烃类可导致储层产生裂缝。此处的高压意味着储层内的气藏或油藏以连续分布的形式存在，而不存在动态封闭机理。Berkenpas^[55]指出孔隙大小是控制气体上浮的关键因素。在地质条件一定时，孔隙和孔喉半径越小，气体运移需要克服的界面阻力就越大，在浮力不足以克服阻力的情况下就无法实现气体运移。此时存在的气水差异驱替压力作用，则会为气藏运聚成藏起到至关重要的作用。张金亮^[56]认为驱动压差机理与前人提出的动态平衡成藏机理有所不同，认为深盆气藏的保存不需要动态平衡条件。Fall^[57]利用流体包裹体分析方法对Southern Piceance盆地深盆气成藏模式进行研究发现储层发育的裂缝系统与气体成熟度演化具有同时性，并认为天然裂缝是储层内在因素之一。

就驱动压差机理而言，垂向源岩断裂和超压是油气成藏的关键，成藏动力机制为压差驱动油气运聚。那么，如果储层还没有致密，那么储层致密的动力是什么？如果储层已经致密，那么“压差”能否大到足够将气“压入”致密储层？而且，这种情况下有无“气水倒置”现象，如果有，如何实现？如果没有，这算不算是深盆气的特殊类型？这些疑问尚未解决，这种机理必然就不完善。

前人提出的深盆气多种成藏动力学机制，在实际应用或理论分析中发现一定的不足。

根据前人的研究与总结，认为前人提出的各种成藏机理是相辅相成的，既不能单纯地认为某种成藏机理一定适用于所有气藏，也不能一味地认为哪种成因机理更准确，而只能讲哪种机理适用面更广，更贴近其真正成因，更能为致密砂岩气藏的勘探开发提供更具实际意义的理论指导。

从“气—水相互作用”方面的机理去看，1）水动力封闭机理，实质上是水动力（静水压力与毛细管力）与气动力（气体浮力与供气热膨胀力）的力学平衡，这与动态平衡机理的力平衡机制是一致的，仅在于该机理要求储集体上倾方向的储层具备高孔高渗高含水饱和度的特征；2）上浮受阻封闭机理为饱含气低含水的低渗砂岩中，气体由于缺乏浮力不足以上浮，又因气相压力也较高，水不能通过含气带。因此，这种封闭机理实质上也可理解为气体浮力与静水压力平衡作用下的结果；3）动态平衡封闭机理，除了要保证力学平衡（供气热膨胀力+气体浮力=毛细管力+静水压力）之外，还要求实现物质的平衡（深盆气藏赋集气量=源岩供给气量—盖层散失气量—气水边界散失气量）。

从“驱动压差”成藏方面去看，其主要成藏模式为“上生下储”，关键因素是垂向源岩的断裂和超压，动力机制是压差驱动。在成藏过程中，当烃源层与储集层之间的剩余压差＞浮力+毛细管力等阻力时，会促使油气发生运移，因此源储压差大小便决定了成藏的深度与富集程度。但目前尚不明确此种机理如何（能否）形成大多数深盆气气水倒置的情况。因此，暂且理解为这是无气水倒置深盆气的情况。

从“直接遮挡”的封闭机理来讲，① 侧向断层—垂向盖层封闭，侧向断层在沿储集层侧向上倾方向形成遮挡封闭，在加上气藏垂向上方的盖层“直接覆盖”，两者共同构成了保障致密砂岩气藏保存的条件。但是，由于并不是所有的致密深盆砂岩气藏都具有侧向断层的构造地质条件，因此，这种机理具有很大的局限性，只能是形成致密深盆砂岩气藏的“充分不必要条件”；② 地层—成岩作用复合封闭，则从根本上认为致密砂岩气藏的“致密”和“成藏”是由于在地层成岩作用（例如沉积物的胶结、交代、结晶、压实、淋滤、水合和生物化学作用等）下，孔渗减小而导致储层“致密”，又因储层“致密”而保留下一部分气体，从而形成了“气藏”。

所以，从上述分析，可以看出各种机理之间的相互联系。宏观上来看，“驱动压差”→ “直接遮挡”→“气—水相互作用”机理呈依次递进的趋势。其中“驱动压差”机理可直接形成气藏，“直接遮挡” 封闭可进一步为气藏保存起到“初步堡垒”的作用，“气—水相互作用”又进一步是气藏储层内部的微观封闭机理。

（1）根据致密砂岩气藏的不同成因，可将其分为致密常规、致密深盆和致密复合砂岩气，其成藏过程分别简记为：烃源岩生排烃→运聚成藏→储层致密化→构造改善、储层致密化→气体充注→聚集成藏及形成常规气藏→致密常规气藏→致密深盆气藏→致密常规和深盆气藏叠合的演化趋势；

（2）不同角度的致密深盆砂岩气成藏机理，包括可直接形成气藏的“驱动压差”机理，可进一步保存气藏的“直接遮挡”封闭（如侧向断层—垂向盖层封闭和地层—成岩作用复合封闭），及进一步体现储层内微观特征的“气—水相互作用”封闭机理（如水动力、上浮受阻和动态平衡封闭机理）。

（3）鉴于实际地质演化的“特殊性”与各种成藏机理间的“相关性”及其各自的“适用性”，综合分析判断致密砂岩气成藏的宏观与微观过程将为主要的探究方向。