成都凹陷中侏羅統(tǒng)沙溪廟組天然氣運(yùn)移機(jī)制

張莊,楊映濤,朱麗

(中石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041)

楊克明

(中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

葉素娟

(中石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041)

成都凹陷中侏羅統(tǒng)沙溪廟組天然氣運(yùn)移機(jī)制

張莊,楊映濤,朱麗

(中石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041)

楊克明

(中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

葉素娟

(中石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041)

利用天然氣、地層水、碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素等分析化驗(yàn)資料，結(jié)合盆地模擬，對成都凹陷沙溪廟組(J2s)天然氣運(yùn)移機(jī)制進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：成都凹陷須家河組五段(T3x5)烴源巖在生烴高峰期時地層溫度為140～160℃、地層壓力為50～80MPa，其J2s碳酸鹽膠結(jié)物δ13C主要分布于-6‰～-13‰，天然氣iC4/nC4(異丁烷/正丁烷)多分布在0.6～0.9，不同深度的苯、正己烷及苯、環(huán)己烷數(shù)據(jù)分散，地層水具低礦化度和低硫酸根離子，上述特點(diǎn)均說明成都凹陷J2s天然氣運(yùn)移相態(tài)以水溶相為主，運(yùn)移方式為擴(kuò)散運(yùn)移及滲流運(yùn)移。天然氣iC4/nC4在縱向上無明顯差異，但相同深度地層變化較大，說明天然氣存在垂向和側(cè)向運(yùn)移。其運(yùn)移主要動力是源儲剩余壓力差和地層壓力差，主要路徑是烴源斷層和砂巖輸導(dǎo)層。根據(jù)烴源斷層發(fā)育情況、碳酸鹽膠結(jié)物δ13C、天然氣iC4/nC4和地層水等特征，建立了研究區(qū)J2s天然氣運(yùn)移相態(tài)及方式的定量判別標(biāo)準(zhǔn)。

運(yùn)移機(jī)制；天然氣；沙溪廟組；成都凹陷

成都凹陷位于成都平原腹地，西鄰龍門山?jīng)_斷帶，北接新場NEE向構(gòu)造帶，東毗鄰知新場近南北向構(gòu)造帶，南為新都-成都斜坡平緩構(gòu)造區(qū)，面積3806.75km2。通過多年油氣勘探開發(fā)，在陸相層系中的上三疊統(tǒng)須家河組二段、四段，中侏羅統(tǒng)沙溪廟組(J2s)，上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)均取得較多油氣發(fā)現(xiàn)[1]。其中，J2s天然氣成藏地質(zhì)條件良好，但由于天然氣運(yùn)移機(jī)制復(fù)雜、成藏模式多樣[2～5]，造成氣水分布不清，普遍氣水同產(chǎn)，因此整體勘探效果不理想。前人[2～9]針對研究區(qū)陸相天然氣的運(yùn)移機(jī)制開展過一系列研究工作，但基本是針對須家河組(T3x)和J3p開展的，對J2s的天然氣運(yùn)移機(jī)制、成藏模式、成藏動態(tài)演化等研究相對較少，導(dǎo)致該區(qū)J2s油氣勘探停滯不前。筆者在對成都凹陷天然氣、地層水和碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素等試驗(yàn)資料分析的基礎(chǔ)上，借助盆地模擬，明確了成都凹陷J2s天然氣運(yùn)移相態(tài)、方式、動力和通道，并建立了該區(qū)J2s天然氣運(yùn)移相態(tài)及方式的定量判別標(biāo)準(zhǔn)，為下一步天然氣成藏研究及勘探目標(biāo)選擇夯實(shí)了基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

成都凹陷按構(gòu)造區(qū)劃可以分為馬井-什邡、崇州-郫縣、廣漢-金堂、新都-洛帶4個勘探區(qū)(圖1)。其構(gòu)造形變強(qiáng)度較弱，整體屬于弱形變區(qū)，斷裂及正向構(gòu)造整體上欠發(fā)育，但其內(nèi)部仍發(fā)育馬井、溫江、新都、洛帶等多個局部正向構(gòu)造以及馬井?dāng)鄬?、新都斷層等幾條規(guī)模較大的烴源斷層，上述正向構(gòu)造及斷層對該區(qū)侏羅系油氣成藏起到了至關(guān)重要的作用。區(qū)內(nèi)地層自上而下分別為第四系、新近系、古近系、白堊系，以及巨厚的侏羅系和上三疊統(tǒng)。其中，J3p、J2s砂體厚度大，物性及含氣性良好，是主要的勘探開發(fā)目標(biāo)層系。截至目前，J3p共保有天然氣三級地質(zhì)儲量近3000×108m3，而J2s僅在馬井地區(qū)提交過探明儲量近50×108m3，整體勘探效果不理想。

圖1 成都凹陷構(gòu)造區(qū)劃圖

2 天然氣運(yùn)移相態(tài)

天然氣從烴源巖中排出后，存在水溶相和游離相2種運(yùn)移相態(tài)[11]。根據(jù)成都凹陷18口井39件J2s天然氣氣樣、9件須家河組五段(T3x5)天然氣氣樣、12口井98件儲層碳酸鹽膠結(jié)物樣品的試驗(yàn)分析結(jié)果，結(jié)合地層溫度、壓力條件，綜合分析認(rèn)為成都凹陷J2s天然氣運(yùn)移相態(tài)主要為水溶相，游離相次之[12]。

2.1 溫度、壓力條件

前人研究表明[13～15]，地層深度范圍約2000～4000m時，當(dāng)溫度高于80℃，在壓力相同的條件下，隨著溫度的升高，地層水的總?cè)芙鈿饬繒杆偕?；同時溶解度也會伴隨著地層壓力的增大而增大。根據(jù)區(qū)內(nèi)典型井(MS1井)的埋藏史及壓力演化史模擬(圖2)可知：T3x5烴源巖在生烴高峰期時埋深為3500～4000m，地層溫度達(dá)到140～160℃，地層壓力為50～80MPa，此時甲烷氣體在水中的溶解度為5.5～6.5mg/L[16]，故T3x5生成的天然氣在高溫高壓條件下能大量被水溶解，具備水溶氣形成的條件。

圖2 MS1井演化史

2.2 碳酸鹽膠結(jié)物碳同位素特征

按照自然界碳同位素分餾機(jī)理[17]，碳酸鹽膠結(jié)物δ13C介于-4‰～-35‰之間[18]，說明膠結(jié)物中存在過有機(jī)碳的加入。通過對研究區(qū)內(nèi)J2s的12口井98件方解石膠結(jié)物碳氧同位素試驗(yàn)資料分析證實(shí)，其δ13C分布于-13.82‰～-1.54‰，且集中分布于-6‰～-13‰(圖3)。較低的碳同位素值說明儲層在很大程度上受到了T3x5的有機(jī)酸影響[12]，此時T3x5生成的天然氣在高溫、高壓狀態(tài)下大量被水及有機(jī)酸等形成的混合溶液溶解，并沿?zé)N源巖斷層向上運(yùn)移至J2s砂體，從而引起碳酸鹽膠結(jié)物碳同位素出現(xiàn)偏負(fù)的現(xiàn)象。

2.3 天然氣特征

1)天然氣iC4/nC4特征 由于在同樣條件下，異丁烷(iC4)在水中的溶解度要低于正丁烷(nC4)，因此水溶現(xiàn)象可引起天然氣iC4/nC4出現(xiàn)明顯下降[19～23]。而在成都凹陷鉆至T3x的18口鉆井中，T3x5天然氣iC4/nC4為1.18～1.47，而J2s天然氣iC4/nC4為0.43～1.28，且多分布在0.6～0.9(圖4)，顯示出以水溶相為主的運(yùn)移相態(tài)[12]。

圖3 成都凹陷J2s碳酸鹽膠結(jié)物碳同位素分布 圖4 成都凹陷J2s天然氣iC4/nC4與干燥系數(shù)關(guān)系

圖5 川西坳陷侏羅系天然氣苯/正己烷、苯/環(huán)己烷隨深度變化圖

2)天然氣苯/正己烷、苯/環(huán)己烷特征 通過前人研究[20]，天然氣運(yùn)移過程中的輕烴溶解度按照芳烴、環(huán)烷烴、正構(gòu)烷烴的順序依次降低。當(dāng)天然氣以游離相運(yùn)移時，受地質(zhì)色層效應(yīng)影響，巖石容易吸附極性物質(zhì)(芳烴)，而非極性物質(zhì)相對容易運(yùn)移，造成沿運(yùn)移方向非極性物質(zhì)組分的增加；當(dāng)天然氣以水溶相運(yùn)移時，天然氣組分分異受到烴類在水中溶解度的控制，沿運(yùn)移方向，脫溶順序依次為難溶組分、易溶組分(芳烴)，導(dǎo)致芳烴含量增加。川西坳陷侏羅系天然氣苯/正己烷、苯/環(huán)己烷與深度關(guān)系顯示，在J3p，上述2項(xiàng)參數(shù)基本集中在小于1的范圍內(nèi)，反映該段天然氣主要是以游離相方式通過斷層向上運(yùn)移。而J2s數(shù)據(jù)點(diǎn)較為分散，其中比值較大的部分占大多數(shù)，說明天然氣以水溶相方式運(yùn)移；少部分具較小比值，說明以游離相通過斷層進(jìn)行運(yùn)移(圖5)。

2.4 地層水特征

一般情況下，隨埋深增大，地層水礦化度逐漸增大，硫酸根離子含量逐漸減小，故在T3x5暗色泥巖生烴之前，T3x5原始地層水礦化度較J2s高，而硫酸根離子含量較J2s低。但隨著埋深增大，T3x5暗色泥巖開始生烴，在此過程中黏土礦物在高溫、高壓下釋放出不同類型的水(層間水、吸附水、自由水等)，特別是蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過程中，釋放出了大量低礦化度的層間水[24,25]，導(dǎo)致T3x5地層水礦化度出現(xiàn)了大幅降低，具低礦化度和低硫酸根離子的特點(diǎn)；而轉(zhuǎn)化所脫出的層間水密度大于自由水的密度，層間水析出后發(fā)生膨脹[22]，促使異常高壓的形成，為天然氣以水溶相存在提供了條件。

通過分析認(rèn)為，溫江構(gòu)造斷裂不發(fā)育，不存在溝通外界的斷層，位于該構(gòu)造的WJ2井J2s地層水可近似認(rèn)為未受外界地層水影響，為J2s的原始地層水。WJ2井沙溪廟組二段地層水分析顯示，其地層水礦化度30000mg/L左右，硫酸根離子質(zhì)量濃度700mg/L左右。而從成都凹陷侏羅系及上三疊統(tǒng)地層水分析資料(表1)可知，J2s礦化度要低于J3p，平均僅為26156mg/L，同時其硫酸根離子也較低。與通常情況下淺部地層受大氣淡水影響，從而導(dǎo)致礦化度較低的規(guī)律不相符，這也反映出該區(qū)J2s受T3x5湖相泥巖黏土轉(zhuǎn)化析出的低礦化度、低硫酸根離子含量層間水影響較大[21]。

表1 成都凹陷侏羅系及上三疊統(tǒng)地層水化學(xué)特征

3 天然氣運(yùn)移方式

天然氣運(yùn)移方式主要為滲流和擴(kuò)散兩種，當(dāng)通道半徑較大時，以滲流運(yùn)移為主，當(dāng)通道半徑較小時，則以擴(kuò)散運(yùn)移為主，且每一種運(yùn)移相態(tài)可以有多種運(yùn)移方式，如游離相天然氣可以沿斷層或疏松巖層滲流運(yùn)移，也可以在比較致密的地層中以擴(kuò)散方式進(jìn)行運(yùn)移。

通過前人研究[11]，同一種相態(tài)存在不同的運(yùn)移方式，且各種運(yùn)移指標(biāo)也存在差異。對于水溶相來說，由于不同的天然氣組分在地層水中具有不同的溶解度，其中溶解度較低的組分(如重?zé)N氣等)會首先析出，而甲烷、CO2等溶解度較高的氣體最后析出，導(dǎo)致隨運(yùn)移距離的增大，甲烷、CO2等氣體不斷富集。因此要判斷天然氣運(yùn)移方式，就必須先確定天然氣的運(yùn)移相態(tài)，同時不能根據(jù)一個指標(biāo)，而要綜合各方面的分析資料。筆者根據(jù)碳酸鹽膠結(jié)物碳同位素值、天然氣、地層水等資料，結(jié)合烴源斷層發(fā)育情況，建立了成都凹陷J2s天然氣運(yùn)移相態(tài)及方式的判別表(表2)。

表2 成都凹陷J2s天然氣運(yùn)移相態(tài)及方式判別表

4 天然氣運(yùn)移動力

在超壓盆地中，從烴源巖中排出的天然氣通過輸導(dǎo)層進(jìn)行垂向運(yùn)移最主要的動力就是源儲剩余壓力差[23]。在源儲剩余壓力差的作用下，天然氣從烴源巖沿輸導(dǎo)層垂向運(yùn)移至儲層后，由于區(qū)域地層壓力差的作用，天然氣再進(jìn)行側(cè)向運(yùn)移進(jìn)入圈閉。根據(jù)IES盆地模擬對成都凹陷典型單井及剖面進(jìn)行了壓力恢復(fù)。首先對研究區(qū)及鄰區(qū)11口鉆井進(jìn)行地層壓力恢復(fù)，計(jì)算成藏期源儲剩余壓力差和地層壓力差，并根據(jù)模擬結(jié)果編制了成藏期源儲剩余壓力差及地層壓力差等值線圖(圖6、7)。在J2s主成藏期65Ma時，馬井-什邡、廣漢和大邑等成都凹陷大部分地區(qū)源儲剩余壓力差較大，均大于30MPa，源儲地層壓力差也基本大于35MPa；往兩側(cè)新都-洛帶、鴨子河地區(qū)逐漸減小，源儲剩余壓差在20MPa左右，地層壓力差降至25MPa左右。參照前人[24]對中國陸上主要大中型氣田的統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果，成都凹陷J2s大部分區(qū)域在成藏期都處于中-高效成藏階段，天然氣運(yùn)移動力充足，聚集效率較高。

圖6 成都凹陷白堊紀(jì)末J2s源儲剩余壓力差等值線圖 圖7 成都凹陷白堊紀(jì)末J2s源儲地層壓力差等值線圖

5 天然氣運(yùn)移通道

川西坳陷淺層為典型的次生氣藏，天然氣運(yùn)移路徑主要有斷裂、砂巖輸導(dǎo)層以及裂隙(縫)[6]。斷層是有效的油氣運(yùn)移通道已經(jīng)形成共識，在很多盆地中均能發(fā)現(xiàn)沿斷層分布的油氣苗直接證明了這一點(diǎn)。構(gòu)造特征研究表明，成都凹陷雖然整體位于弱形變區(qū)，但局部地區(qū)也發(fā)育溝通中淺層與深層烴源層的斷層，這對天然氣的垂向運(yùn)移起到關(guān)鍵作用?？碧綄?shí)踐也證明，烴源斷層附近的勘探效果較好，例如該區(qū)已投入開發(fā)多年的馬井氣田、新都?xì)馓锞鶎儆谠擃愋?。此外，中淺層內(nèi)部發(fā)育的小型斷層(裂隙)雖然規(guī)模較小，但對天然氣在中淺層內(nèi)部運(yùn)移也起到十分重要的作用。

而油氣進(jìn)行側(cè)向運(yùn)移的主要通道是砂巖輸導(dǎo)層，孔隙空間越發(fā)育其連通性就越好，油氣在其中越容易運(yùn)移，輸導(dǎo)性能也就越好。對于成都凹陷中侏羅統(tǒng)來說，由于天然氣在側(cè)向運(yùn)移過程中以水溶相為主、游離相為輔，水溶相在親水的巖層中運(yùn)移，毛細(xì)管阻力大大減小，運(yùn)移更為暢通；而游離相天然氣在砂巖輸導(dǎo)層中運(yùn)移受毛細(xì)管阻力較大，特別是遇到致密隔擋層后，喉道半徑變小，運(yùn)移較為阻滯。在異常壓力驅(qū)動下水溶相更容易通過致密儲層，而游離相天然氣則不易通過，導(dǎo)致游離相天然氣就被致密隔擋層封堵而成藏，從而達(dá)到氣水分異的效果。

如圖8所示，成都凹陷馬井地區(qū)J2s烴源巖為T3x5，砂體下傾方向與馬井烴源斷層相接，斷砂配置條件有利，垂向運(yùn)移條件良好；J2s砂體厚度較大，物性好(CM600井巖心孔隙度平均13.2%，滲透率平均0.96mD)，天然氣側(cè)向運(yùn)移通暢。同時該井沙溪廟組一段的地層水礦化度為21400mg/L，硫酸根離子質(zhì)量濃度為13mg/L，顯示以水溶相的運(yùn)移相態(tài)為主；天然氣iC4/nC4為1.1，表明受到游離相天然氣的影響。在孔隙型儲層中，水溶相和游離相運(yùn)移阻力均較小，天然氣在構(gòu)造相對高部位(CM600井)達(dá)到氣水分異聚集成藏，而構(gòu)造較低位置(MSa1井)氣水分異則不太完全，形成氣水同產(chǎn)的狀況。

圖8 成都凹陷馬井地區(qū)J2s氣藏剖面圖

6 結(jié)論

1)成都凹陷T3x5烴源巖在生烴高峰期時地層溫度為140～160℃、地層壓力是50～80MPa，其J2s碳酸鹽膠結(jié)物δ13C多分布在-6‰～-13‰、天然氣iC4/nC4多分布在0.6～0.9、不同深度苯/正己烷、苯/環(huán)己烷數(shù)據(jù)分散、地層水具低礦化度和低硫酸根離子，說明成都凹陷J2s天然氣運(yùn)移相態(tài)以水溶相運(yùn)移為主，運(yùn)移方式為擴(kuò)散運(yùn)移及滲流運(yùn)移。

2)成都凹陷在J2s主成藏期65Ma時，其大部分地區(qū)源儲剩余壓力差與源儲地層壓力差均較大，表明天然氣運(yùn)移動力充足，而其天然氣垂向和側(cè)向運(yùn)移的通道分別為烴源斷層和砂巖輸導(dǎo)層。

3)根據(jù)烴源斷層發(fā)育情況、碳酸鹽膠結(jié)物δ13C、天然氣iC4/nC4和地層水等特征，建立了研究區(qū)J2s天然氣運(yùn)移相態(tài)及方式的定量判別標(biāo)準(zhǔn)。

[1]馬永生，蔡勛育，趙培榮，等. 四川盆地大中型天然氣田分布特征與勘探方向[J]. 石油學(xué)報，2010，31(3)：347～354.

[2]沈忠民，張勇，劉思兵，等. 川西坳陷中段原、次生氣藏天然氣特征及運(yùn)移機(jī)制探討[J]. 礦物巖石，2011，31(1)：83～88.

[3]秦勝飛，陶士振，涂濤，等. 川西坳陷天然氣地球化學(xué)及成藏特征[J]. 石油勘探與開發(fā)，2007，34(1)：34～38.

[4]王世謙，羅啟后，鄧鴻斌，等. 四川盆地西部侏羅系天然氣成藏特征[J]. 天然氣工業(yè)，2001，21(2)：1～8.

[5]秦勝飛，戴金星，王蘭生. 川西前陸盆地次生氣藏天然氣來源追蹤[J]. 地球化學(xué)，2007，36(4)：368～374.

[6]唐宇，呂正祥，葉素娟，等. 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[J]. 石油與天然氣地質(zhì)，2013，34(3)：281～287.

[7]葉素娟，李嶸，張世華. 川西坳陷中段侏羅系次生氣藏地層水化學(xué)特征及與油氣運(yùn)聚關(guān)系[J]. 石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2014，36(4)：487～494.

[8]王鵬，劉四兵，沈忠民，等. 地球化學(xué)指標(biāo)示蹤天然氣運(yùn)移機(jī)理及有效性分析——以川西坳陷侏羅系天然氣為例[J]. 天然氣地球科學(xué)，2015，26(6)：1147～1155.

[9]曹烈，周興毅，鄧永富，等. 川西坳陷天然氣運(yùn)聚模擬研究[J]. 礦物巖石，2000，20(3)：75～80.

[10]蔡開平，廖仕孟.川西地區(qū)侏羅系氣藏氣源研究[J].天然氣工業(yè)，2000，20(1)：36～41.

[11]李明誠. 石油與天然氣運(yùn)移[M]. 第2版.北京：石油工業(yè)出版社，1994.

[12]楊映濤，李琦，張世華，等. 水溶氣脫溶的關(guān)鍵時期研究—以成都凹陷沙溪廟組為例[J].巖性油氣藏，2015，27(3)：56～60.

[13]戴金星，裴錫古，戚厚發(fā). 中國天然氣地質(zhì)學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社，1992.

[14]李偉, 趙克斌, 劉崇禧. 含油氣盆地水文地質(zhì)研究[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2008：179～183.

[15]范泓澈，黃志龍，袁劍，等. 富甲烷天然氣溶解實(shí)驗(yàn)及水容器析離成藏特征[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版)，2011，41(4)：1033～1039.

[16]張子樞. 水溶氣淺論[J]. 天然氣地球科學(xué)，1995，6(6)：29～34.

[17]Hudson J D.Stable isotopes limestone lithification[J].Journal of Geological Society,1977,133(4):637～660.

[18]Suess E,Whiticar M J.Methane-derived CO2in pore fluids expelled from the Oregon subduction zone[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology ,1989,71(1-4) :119～136.

[19]陳安定，李劍鋒. 天然氣運(yùn)移的地球化學(xué)指標(biāo)研究[J]. 天然氣地球科學(xué)，1994，5(4)：39～45.

[20]唐艷，葉軍. 輕烴指紋參數(shù)在川西坳陷天然氣成藏研究中的運(yùn)用[J]. 油氣地質(zhì)與采收率，2001，8(6)：17～21.

[21]張枝煥，張厚福，高先志. 粘土礦物對干酪根熱解生烴過程的影響[J]. 石油勘探與開發(fā)，1994，21(5)：29～37

[22]史忠生，何胡軍，陳少平，等. 粘土礦物在石油初次運(yùn)移中的作用研究[J]. 西安石油學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，18(4)：26～29

[23]楊克明，朱宏權(quán)，葉軍，等. 川西致密砂巖氣藏地質(zhì)特征[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012：1～121.

[24]柳廣弟，孫明亮. 剩余壓力差在超壓盆地天然氣高效成藏中的意義[J].石油與天然氣地質(zhì)，2007，28(2)：203～208.

[編輯] 鄧?yán)?/p>

2016-06-10

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05002-004)。

張莊(1976-)，男，副研究員，主要從事油氣勘探相關(guān)的研究工作，yxy_zz@163.com。

TE122.1

A

1673-1409(2017)7-0001-07

[引著格式]張莊,楊映濤,朱麗，等.成都凹陷中侏羅統(tǒng)沙溪廟組天然氣運(yùn)移機(jī)制[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版), 2017,14(7):1～7.