成都凹陷上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組天然氣運(yùn)移特征與富集主控因素

唐 宇，呂正祥，葉素娟，孟萬斌

(1. 中國石化西南油氣田分公司，四川成都610081; 2. 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059)

川西坳陷上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)為不具生烴能力的陸相碎屑巖地層，早期在川西坳陷侏羅系中發(fā)現(xiàn)了的新場(chǎng)、馬井、洛帶氣田等，在蓬萊鎮(zhèn)組中探明了幾百億的天然氣儲(chǔ)量［1］，這些氣田都分布在正向構(gòu)造上，在構(gòu)造位置較低的成都凹陷和北部的梓潼凹陷探明儲(chǔ)量很少，近年來在弱變形成都凹陷中的鉆井在蓬萊鎮(zhèn)組中鉆獲了較多含氣砂體，預(yù)示蓬萊鎮(zhèn)組中蘊(yùn)藏有豐富的天然氣。成都凹陷中的烴源巖主要發(fā)育在垂向上距離蓬萊鎮(zhèn)組1 km 以上的下伏上三疊統(tǒng)及其更老地層中，蓬萊鎮(zhèn)組砂體中的含氣豐度非均質(zhì)性較強(qiáng)，富集程度與構(gòu)造高低關(guān)系不明顯，因此天然氣運(yùn)移通道、運(yùn)移方式、天然氣富集主控因素分析等對(duì)研究蓬萊鎮(zhèn)組成藏和預(yù)測(cè)富集區(qū)尤為重要。研究結(jié)果表明，成都凹陷蓬萊鎮(zhèn)組氣源來自上三疊統(tǒng)須家河組，其運(yùn)移通道是向下斷達(dá)上三疊統(tǒng)、向上斷至蓬萊鎮(zhèn)組的斷層(本文下稱氣源斷層)和蓬萊鎮(zhèn)組中發(fā)育的多套滲透性砂體，天然氣借助斷層、滲透性砂體組成的高速運(yùn)移通道進(jìn)行運(yùn)移，富集主控因素是氣源斷層-儲(chǔ)層配置關(guān)系和儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性，即在氣源斷層與儲(chǔ)層有效配置地區(qū)，如果砂巖的儲(chǔ)集性好即可形成天然氣的高富集，反之含氣豐度低。

1 地質(zhì)概況

成都凹陷構(gòu)造上屬于四川盆地西部的川西坳陷，凹陷以北為北東東向隆起的新場(chǎng)構(gòu)造帶，西部為呈北東-南西向展布的龍門山構(gòu)造帶，東部為呈南北向展布的知新場(chǎng)構(gòu)造帶［2］(圖1)。川西坳陷淺中層侏羅系蘊(yùn)藏的天然氣十分豐富，分布層位自下侏羅統(tǒng)的白田壩組(J1b)，中侏羅統(tǒng)千佛崖組(J2q)、下沙溪廟組(J2x)、上沙溪廟組(J2s)，上侏羅統(tǒng)遂寧組(J3s)、蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)等，侏羅系中發(fā)現(xiàn)的氣田主要有成都凹陷以北的新場(chǎng)大氣田、東南部洛帶氣田和凹陷中部的馬井氣田，此外還發(fā)現(xiàn)多個(gè)含氣構(gòu)造。

成都凹陷侏羅系埋深一般在1 000～4 000 m，厚度2 500 m 左右，其中蓬萊鎮(zhèn)組埋深一般在1 000～2 500 m，地層厚度約1 300 m［3-4］。

2 天然氣運(yùn)移特征

勘探證實(shí)川西坳陷中、上侏羅統(tǒng)氣藏遠(yuǎn)離烴源巖層，成都凹陷蓬萊鎮(zhèn)組與川西坳陷其它地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組一樣，聚集的天然氣來自下伏上三疊統(tǒng)須家河組［5-7］，因此為次生氣藏。成都凹陷蓬萊鎮(zhèn)組主要為河流-三角洲沉積環(huán)境，沉積了多套河流相、三角洲相砂巖，為天然氣成藏提供了必要的儲(chǔ)集空間;蓬萊鎮(zhèn)組中較為發(fā)育的泥巖以及上覆厚度較大的白堊系構(gòu)成較好的蓋層;成都凹陷處于弱變形地區(qū)，除個(gè)別地區(qū)發(fā)育斷裂外，其它地區(qū)均無斷裂發(fā)育，保存條件較好。由此可見，成都凹陷蓬萊鎮(zhèn)組具備天然氣成藏的儲(chǔ)層和封蓋條件，能否成藏的關(guān)鍵要素是天然氣的運(yùn)移條件。

2.1 運(yùn)移通道

2.1.1 同位素組成

圖1 川西坳陷中段淺、中層構(gòu)造區(qū)劃Fig.1 Tectonic division map of shallow-middle strata in the middle part of the western Sichuan Depression

圖2 研究區(qū)天然氣乙烷-丙烷碳同位素交匯圖Fig.2 Scatter plot showing the relationship between isotopic compositions of ethane and propane in the study area

相關(guān)研究表明，天然氣碳同位素對(duì)于天然氣運(yùn)移和來源均有良好的指示作用［8］。甲烷碳同位素受天然氣運(yùn)移和熱成熟度的影響較大，一般用來指示天然氣的運(yùn)移和源巖成熟度，乙烷、丙烷等碳同位素則基本不受天然氣運(yùn)移和熱成熟度的影響，因此是良好的天然氣來源示蹤指標(biāo)［9-10］。

從成都凹陷須家河組到白堊系中產(chǎn)出天然氣的乙烷-丙烷交匯圖來看(圖2)，乙烷、丙烷碳同位素組成分布區(qū)間均較為局限，乙烷碳同位素主要分布在-25‰～-21‰之間，丙烷碳同位素主要分布在-23‰～-18.5‰之間，可見侏羅系和白堊系各層段中天然氣的原始組分是相近的，屬于典型的煤型氣，同時(shí)也可以看出須家河組五段(T3x5)和四段(T3x4)中天然氣的碳同位素和侏羅系天然氣碳同位素差異很小，體現(xiàn)了兩者在原始來源上的一致性(圖2)。

2.1.2 干燥系數(shù)

根據(jù)蓬萊鎮(zhèn)組天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì):氣藏天然氣以甲烷含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，一般在90% 以上，平均96.69%，乙烷含量普遍低于5%，平均2.5%，其他重?zé)N含量之和在2%以下(表1)。從中侏羅統(tǒng)氣藏到最上部的白堊系氣藏，產(chǎn)出的天然氣成分差異小，反應(yīng)了運(yùn)移過程中天然氣分異程度低。侏羅系產(chǎn)出的天然氣的干燥系數(shù)變化特征也具同樣特點(diǎn)，由深至淺雖然井深差異很大，但干燥系數(shù)差異很小(表1，圖3)，表明天然氣垂向分異不明顯。原因是天然氣主要通過高速運(yùn)移通道——斷層向上運(yùn)移，地層分餾作用［11-12］對(duì)天然氣組分影響小，因此干燥系數(shù)變化微弱。

表1 馬井-什邡地區(qū)侏羅系氣藏天然氣組分特征Table 1 Gas composition of the Jurassic gas samples in Majing-Shifang area

圖3 馬井-什邡地區(qū)中淺層天然氣干燥系數(shù)a)和iC4/nC4 b)與埋深關(guān)系Fig.3 Gas dry coefficient and iC4/nC4 versus burial depth for gas samples from shallow-middle reservoirs in Majing-Shifang area

2.1.3 正構(gòu)烷烴/異構(gòu)烷烴(iC4/nC4)

運(yùn)移效應(yīng)對(duì)正構(gòu)烷烴/異構(gòu)烷烴(iC4/nC4)值的影響主要包括通道過濾分異效應(yīng)和擴(kuò)散分異效應(yīng)［12］。通道過濾效應(yīng)是因?yàn)橥ǖ腊霃捷^小，正、異構(gòu)烷烴分子體積不同產(chǎn)生的，當(dāng)通道半徑較大時(shí)，正、異構(gòu)烷烴均容易通過，則通道過濾分異效應(yīng)影響較小，反之則影響較大。擴(kuò)散分異效應(yīng)是由正、異構(gòu)烷烴不同的擴(kuò)散系數(shù)引起的，如果輕烴以氣態(tài)方式在疏松巖層中進(jìn)行滲流運(yùn)移，由于其擴(kuò)散系數(shù)大于正構(gòu)烷烴，導(dǎo)致沿著油氣運(yùn)移方向iC4/nC4值變大。(iC4/nC4)的變化特征也進(jìn)一步反應(yīng)出斷裂及其破碎帶在運(yùn)移中的作用［11，13］。從成都凹陷中淺層天然氣iC4/nC4分布情況看，一是從深至淺該比值逐漸增大(表1，圖3)，反映出天然氣主要以氣態(tài)方式沿著滲流條件較好的斷裂進(jìn)行滲流運(yùn)移;二是對(duì)應(yīng)相同深度地層，iC4/nC4變化較大(圖3)，表明天然氣存在側(cè)向運(yùn)移，側(cè)向運(yùn)移的主要通道是具有滲透性的砂體。

2.1.4 芳烴運(yùn)移參數(shù)

眾所周知，天然氣運(yùn)移過程中，輕烴溶解度一般按照芳烴—環(huán)烷烴—正構(gòu)烷烴的順序降低，即同碳數(shù)烴中芳烴具較高溶解度，正構(gòu)烷烴溶解度最低［11-12］。當(dāng)天然氣以游離相運(yùn)移時(shí)，地質(zhì)色層效應(yīng)起主導(dǎo)作用，極性物質(zhì)(芳烴)易被巖石吸附，而非極性物質(zhì)(正構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴)相對(duì)容易運(yùn)移，故沿著運(yùn)移方向非極性物質(zhì)組分相對(duì)增加［11］。因此，根據(jù)系列芳烴運(yùn)移地化參數(shù)，可以對(duì)天然氣運(yùn)移機(jī)制進(jìn)行判別［13-14］。成都凹陷侏羅系天然氣苯/正己烷、苯/環(huán)己烷與深度關(guān)系(圖4)顯示，上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組此兩項(xiàng)參數(shù)較為集中，均小于1，其較低的苯/正己烷、苯/環(huán)己烷值反映其中的天然氣主要以游離相通過斷層運(yùn)移，受地質(zhì)色層效應(yīng)影響，非極性的正構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴相對(duì)增加，導(dǎo)致這兩項(xiàng)比值變小。

圖4 川西坳陷侏羅系天然氣苯/正己烷以及苯/環(huán)己烷含量比隨深度變化Fig.4 Benzene/n-hexane and benzene/cyclohexane content ratio versus burial depth for the Jurassic gas samples in the western Sichuan Depression

2.2 運(yùn)移模式

綜上可見，成都凹陷中淺層氣藏具有明顯的反熱力學(xué)特征，即從下向上(J2x—J3p—K)，干燥系數(shù)、iC4/nC4表現(xiàn)出逐漸變大的趨勢(shì)，體現(xiàn)了運(yùn)移分餾作用的影響［15-16］，天然氣的垂向運(yùn)移通道是斷層及其伴生的裂縫系統(tǒng)［17］。成都凹陷蓬萊鎮(zhèn)組中聚集的天然氣來自下伏上三疊統(tǒng)，其垂向運(yùn)移相態(tài)是游離相，垂向運(yùn)移通道是斷層及其伴生的裂縫系統(tǒng)，橫向運(yùn)移通道是滲透性砂體［18］(圖5)。斷層及其伴生裂縫與滲透性砂體組合，形成了復(fù)雜的天然氣運(yùn)移通道網(wǎng)絡(luò)［17-18］，通過運(yùn)移通道網(wǎng)絡(luò)，天然氣沿著不同方向進(jìn)行縱、橫向立體式運(yùn)移，從而聚集成藏(圖5)。

3 天然氣富集主控因素

成都凹陷蓬萊鎮(zhèn)組成藏地質(zhì)條件表明，天然氣運(yùn)移條件是成藏所需的關(guān)鍵要素。蓬萊鎮(zhèn)組中砂體較為發(fā)育，含氣砂體及其含氣豐度的分布非均質(zhì)性較強(qiáng)，表明不同地區(qū)天然氣富集的主控因素存在一定差別。

3.1 氣源斷層是必要條件

分隔須家河組烴源巖層與蓬萊鎮(zhèn)組的是泥巖較為發(fā)育的中、下侏羅統(tǒng)和上侏羅統(tǒng)遂寧組，這些地層中的泥巖致密化程度很高，且其中的砂巖也大多數(shù)較為致密，儲(chǔ)集性好的砂巖均以透鏡狀分布在泥巖中，因此天然氣在沒有好的通道條件下運(yùn)移進(jìn)入蓬萊鎮(zhèn)組砂體阻力大，僅靠擴(kuò)散運(yùn)移進(jìn)入透鏡體砂巖中的天然氣量較少，導(dǎo)致砂巖中含氣豐度不高。從凹陷蓬萊鎮(zhèn)組斷層分布特征(圖5)與含氣性關(guān)系可以看出，當(dāng)氣源斷層發(fā)育時(shí)，其上傾方向發(fā)育的儲(chǔ)集砂體含氣性較好;在氣源斷層不發(fā)育的地區(qū)，如凹陷南部的溫江地區(qū)，即使鉆遇好的儲(chǔ)集砂體，也難有天然氣的有效聚集。由此可見，要在蓬萊鎮(zhèn)組中形成天然氣的有效聚集，必須具備氣源斷層。

3.2 氣源斷層與儲(chǔ)層配置關(guān)系

圖5 成都凹陷蓬萊鎮(zhèn)組氣藏運(yùn)移模式Fig.5 Model of hydrocarbon migration in the Penglaizhen gas reservoir，Chengdu Sag

雖然發(fā)育氣源斷層是蓬萊鎮(zhèn)組砂巖中聚集天然氣的必要條件，但并非充分條件。成都凹陷在發(fā)育氣源斷層的地區(qū)，氣源斷層與儲(chǔ)集砂體間具備多種配置關(guān)系，不同的配置關(guān)系將導(dǎo)致天然氣在儲(chǔ)層中具有不同的聚集效果［19］。

3.2.1 儲(chǔ)層下傾部位與氣源斷層相接

該方式最有利于天然氣聚集，即氣源斷層位于儲(chǔ)層的下傾方向上，儲(chǔ)層主要發(fā)育在高于斷面的構(gòu)造部位，儲(chǔ)層與斷層(破碎帶)相接(圖5)。如成都凹陷東北部的斜坡地帶，由于在構(gòu)造較低部位發(fā)育氣源斷層，在氣源斷層西部主要為高于斷裂的鼻狀背斜，且背斜上發(fā)育較多河流相和三角洲相儲(chǔ)層，沿氣源斷層進(jìn)入蓬萊鎮(zhèn)組的天然氣在滲透性砂體中橫向運(yùn)移，并聚集成藏。

成都凹陷蓬萊鎮(zhèn)組中，該類配置方式最有利于天然氣聚集。這是因?yàn)?①該類配置為天然氣聚集提供了最好的高速運(yùn)移通道——斷層及其破碎帶+滲透性砂體，高速運(yùn)移通道是次生氣藏發(fā)育的關(guān)鍵要素;②在天然氣運(yùn)移路徑上發(fā)育具備儲(chǔ)集性的砂體;③砂體上部具備有封蓋能力的泥巖致密層。由此組成了次生氣藏最有利的通道、儲(chǔ)層、蓋層組合關(guān)系，為天然氣的高效聚集提供了必備條件［20］。

3.2.2 儲(chǔ)層發(fā)育在距斷層上傾尖滅點(diǎn)不遠(yuǎn)的地層中

砂體與斷層不直接相接，斷層斷至距離儲(chǔ)層較近的下伏地層中(圖6)，天然氣沿?cái)鄬娱L(zhǎng)距離垂向運(yùn)移到蓬萊鎮(zhèn)組后，由于氣源充分，天然氣在斷層通道中不斷聚集升壓，依靠浮力或擴(kuò)散進(jìn)入未與斷層直接相連接的上覆儲(chǔ)層中聚集成藏。鉆井證實(shí)該類砂體中聚集的天然氣的充滿度不及斷層與砂體直接相接的模式，可以獲得工業(yè)產(chǎn)能但產(chǎn)能相對(duì)較低，如SF3 井即屬于該類配置，為低產(chǎn)工業(yè)氣井(圖6)。其原因主要是該類配置地區(qū)，天然氣聚集必須通過比砂巖更致密的泥巖地層，加大了天然氣運(yùn)移難度。

該類配置與前述方式的不同之處不僅是儲(chǔ)層并未與斷層直接相接，還包括在斷層—儲(chǔ)層之間發(fā)育泥巖隔層，這些隔層在下伏氣源不充分情況下將阻止天然氣進(jìn)入上覆砂巖儲(chǔ)層中;但當(dāng)氣源較為充分時(shí)，天然氣在泥巖附近斷裂帶聚集升壓，升壓到一定程度后將突破泥巖的封蓋進(jìn)入上覆儲(chǔ)層中聚集成藏。

3.2.3 氣源斷層位于儲(chǔ)層上傾方向而未斷開蓬萊鎮(zhèn)組

這是成都凹陷部分地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組中能夠成藏的儲(chǔ)層-氣源斷層配置特例(圖7)。從現(xiàn)今的斷層-儲(chǔ)層組合模式來看，儲(chǔ)層上傾方向與斷層相接，一般情況下將導(dǎo)致天然氣散失而難以有效聚集，但在成都凹陷部分地區(qū)，這類配置關(guān)系仍形成了有效聚集，如馬井地區(qū)典型鉆井MP55D 和MP12 等井產(chǎn)層，雖然儲(chǔ)層位于斷層下盤，仍獲得了工業(yè)氣流。

分析其原因是，馬井地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組成藏期是西高東低的一個(gè)單斜構(gòu)造，在成藏期，該地區(qū)仍是儲(chǔ)層下傾方向與氣源斷層相接，有利于天然氣聚集成藏，現(xiàn)今表現(xiàn)出的配置是后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)調(diào)整形成，儲(chǔ)層在未與更高部位的斷層面相接時(shí)即尖滅，故斷層并不會(huì)對(duì)天然氣產(chǎn)生散失作用。

該類配置能夠成藏的關(guān)鍵是:①在天然氣主要聚集期，該地區(qū)處于相對(duì)比較高的構(gòu)造位置，有利于天然氣的聚集;②主要聚集區(qū)天然氣的富集程度較高，氣水分異位置較低，后期改造并未將其調(diào)整為低于氣水分異帶。因此仍保留了天然氣的有效聚集。

3.2.4 儲(chǔ)層上傾方向與開啟斷層相接

圖6 儲(chǔ)層位于氣源斷層上傾尖滅點(diǎn)不遠(yuǎn)的上覆地層中Fig.6 Schematic diagram showing the reservoirs being located in the overlying strata near the updip pinch out points of the source-rock-rooted fault

圖7 氣源斷層位于儲(chǔ)層上傾尖滅方向Fig.7 Schematic diagram showing the source-rock-rooted faults being located in the updip pinch out direction

儲(chǔ)層發(fā)育，且在上傾方向與斷層相接，斷層斷至地表且現(xiàn)今仍處于開啟狀態(tài)。這種配置關(guān)系最不利于天然氣聚集，其主要原因就是斷層開啟導(dǎo)致無法形成有效圈閉，因此難以形成天然氣的有效聚集。

綜上可見，在儲(chǔ)層和氣源斷層均發(fā)育的地區(qū)，必須有儲(chǔ)層與斷層的合理配置，才能形成天然氣的有效聚集。最有利于天然氣聚集的配置是儲(chǔ)層以其低部位與氣源斷層或其破碎帶相接;其次是儲(chǔ)層位于距離斷層上傾方向尖滅點(diǎn)不遠(yuǎn)的上覆地層中，最不利的是儲(chǔ)層上傾方向與斷達(dá)地表的斷層相接。

3.3 儲(chǔ)層儲(chǔ)集性好

在氣源斷層發(fā)育、儲(chǔ)層與氣源斷層合理配置下，天然氣可以在蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)層中有效聚集?？碧介_發(fā)實(shí)踐表明，聚集的天然氣仍表現(xiàn)出豐度差異，有的鉆井獲得高產(chǎn)，有的低產(chǎn)，甚至有的僅產(chǎn)微氣。進(jìn)一步分析其成因，天然氣含氣豐度與儲(chǔ)層的物性關(guān)系十分密切。在已經(jīng)成藏的地區(qū)，蓬萊鎮(zhèn)組砂巖含氣性以及測(cè)試產(chǎn)能與砂巖孔隙度、滲透率呈明顯正相關(guān)。成都凹陷的馬井-什邡、新都-洛帶地區(qū)氣層孔隙度一般大于8%，滲透率大于0.3×10-3μm2;測(cè)試產(chǎn)能大于1×104m3/d 的儲(chǔ)層平均滲透率普遍大于0.7 ×10-3μm2，平均孔隙度大于12%。在已經(jīng)成藏地區(qū)，蓬萊鎮(zhèn)組砂巖的儲(chǔ)能系數(shù)(孔隙度×有效厚度)與無阻流量關(guān)系十分明顯(圖8)，即如果儲(chǔ)層物性好、厚度大，天然氣豐度就高，反之豐度低。可見成都凹陷蓬萊鎮(zhèn)組含氣豐度主要受控于儲(chǔ)層物性，物性好的砂巖含氣豐度高，反之含氣豐度低。

4 結(jié)論

圖8 蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)能系數(shù)與無阻流量關(guān)系Fig.8 Reserve coefficients versus open flow capacity of the Penglaizhen reservoir

1)成都凹陷上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組中天然氣來自下伏上三疊統(tǒng)烴源巖層，主要以游離相運(yùn)移到蓬萊鎮(zhèn)組，縱向運(yùn)移通道是斷層及其伴生破碎帶，在蓬萊鎮(zhèn)組中的側(cè)向運(yùn)移通道是滲透性砂體。氣源斷層及其破碎帶、蓬萊鎮(zhèn)組中較為發(fā)育的滲透性砂體提供了良好的運(yùn)移通道條件。

2)蓬萊鎮(zhèn)組儲(chǔ)蓋條件較好，下伏烴源巖層提供的氣源豐富，氣源斷層是成藏的必要條件。蓬萊鎮(zhèn)組中發(fā)育縱向上多套、平面上疊置連片的滲透性砂體，砂體中能否富集天然氣主要受控于3 個(gè)主要地質(zhì)因素:①必須有氣源斷層;②儲(chǔ)層在下傾方向與氣源斷層相接或鄰近;③儲(chǔ)層物性好。

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