高 崗 剛文哲 張功成 何文軍，3 崔 鑫 沈懷磊 苗順德

1.“油氣資源與探測”國家重點實驗室·中國石油大學(xué) 2.中國海洋石油研究總院 3.中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院

荔灣3－1深水氣田位于珠江口盆地南部坳陷帶中部的白云凹陷東南邊緣［1］（圖1）。白云凹陷總面積約為2×104km2，其北部為番禺低隆起，東北—東部為東沙隆起，南部為南部隆起，西部為云開低凸起［2－4］。白云凹陷基底為前古近系，發(fā)育早期裂陷和晚期坳陷沉積，沉積蓋層由老到新依次發(fā)育裂陷期的古新統(tǒng)神狐組，早始新統(tǒng)文昌組，晚始新統(tǒng)—早漸新統(tǒng)恩平組和坳陷期的晚漸新統(tǒng)珠海組，中新統(tǒng)珠江組、韓江組、粵海組，上新統(tǒng)萬山組以及第四系［5］，其中神狐組和文昌組鉆遇井很少，僅LW4－1－1井和LW9－1－2井鉆遇了少量文昌組。神狐組主要為棕色及灰白色塊狀砂巖和火山碎屑巖［6］，文昌組為中深湖相砂泥巖，下漸新統(tǒng)恩平組為河湖相含煤層系，珠海組、韓江組和粵海組分別為濱淺海相砂泥巖、淺海相泥巖與海相泥巖，萬山組為淺海相砂泥巖，第四系為固結(jié)的砂層及黏土［7］。白云凹陷發(fā)育3類垂向上相互疊置的珠江組—韓江組珠江深水扇系統(tǒng)砂泥巖儲蓋組合、珠海組淺海陸架三角洲砂泥巖儲蓋組合以及局限分布的文昌組—恩平組陸相河湖三角洲體系砂泥巖儲蓋組合［8］。目前的油氣發(fā)現(xiàn)主要集中于上部2個儲蓋組合中。荔灣3－1氣田發(fā)現(xiàn)井為LW3－1－1井，是中國第一口深水鉆井［9］，該氣田在珠江口盆地深水區(qū)具有一定的代表性。為此筆者通過對其成藏特征的解剖，建立天然氣成藏地質(zhì)模型，進(jìn)而進(jìn)行成藏物理模擬，確定深水區(qū)天然氣成藏過程和成藏控制因素，以期為今后我國類似深水氣田的勘探開發(fā)提供依據(jù)和借鑒。

圖1 珠江口盆地白云凹陷與荔灣3－1氣田位置圖

1 氣田地質(zhì)特征

荔灣3－1氣田圈閉為區(qū)域傾斜背景上的斷背斜型圈閉（圖2），與斷層的長期活動密切相關(guān)［10］。其中的F－LW1斷層斷穿從基底到上部萬山組的所有地層，長期活動，但斷距從深到淺逐漸減小，反映了長期活動、但晚期減弱的特點，屬于同沉積斷層；與荔灣3－1構(gòu)造最為密切的斷層的活動結(jié)束于珠江中期，也屬于同沉積斷層（圖2），所以，荔灣3－1構(gòu)造應(yīng)屬于同沉積背斜，具備凹陷烴源巖長期供烴的基本條件。

圖2 荔灣3－1氣田構(gòu)造剖面圖

荔灣3－1氣田的LW3－1－1井鉆遇粵海組、韓江組、珠江組和珠海組（圖3）。共發(fā)現(xiàn)4個天然氣層（圖3），其中3 060.2～3 077.2m 深度段的珠江組深水濁積扇碎屑巖發(fā)現(xiàn)1個含氣砂巖層，儲層泥質(zhì)含量為19.4%，孔隙度為24%，含水飽和度為23.8%；珠海組三角洲前緣相碎屑巖于3 128.1～31 48.2m、3 168.6～3 198.7m和3 496～3 513.4m 深度段有3個含氣砂巖層，儲層泥質(zhì)含量為17.1%～34.8%，孔隙度為16.3%～18.0%，含水飽和度為30%～39%。不同儲集層物性與流體特征具有隨深度增加孔隙度降低、含水飽和度增加的特征，屬于中等孔隙度—中高滲透率儲層?？傮w上，儲集層物性越好，越有利于天然氣聚集?？梢姡欣膬瘜雍蜕w層主要發(fā)育于珠江組下段和珠海組上段（圖3），其中珠江組中上部和珠海組上部半深海—淺海相泥頁巖為區(qū)域蓋層。

圖3 LW3－1－1井地層綜合柱狀圖（1ft＝0.304 8m）

2 天然氣特征與來源

根據(jù)天然氣成分分析結(jié)果，烴類含量大于96%，N2含量介于0.04%～0.15%，CO2含量介于2.37%～3.21%，干燥系數(shù)介于88.26%～91.52%。可見，荔灣3－1構(gòu)造天然氣藏中無機(jī)氣體含量低，總體表現(xiàn)為濕氣特征，表明母質(zhì)成熟度主要處于高成熟濕氣演化階段。天然氣碳同位素值具有隨碳數(shù)增加而增重的趨勢，其中甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的碳同位素值分別介于－36.6‰～－37.1‰、－28.9‰～－29.6‰、－27.2‰～－29.1‰和－27.0‰～－28.2‰（表1），分布較為集中，總體應(yīng)為混合型—腐泥型干酪根所生成的天然氣［11－12］，反映其母質(zhì)類型相對較好。天然氣中 CO2碳同位素值介于－5.7‰～－7.8‰，大于－8‰。因此，應(yīng)主要為無機(jī)成因的CO2。天然氣烴類氫同位素組成（δD）也具有隨碳數(shù)增加而變重的趨勢，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的氫同位素值分別介于－158.1‰～－175.6‰、－135.6‰～－164.5‰、－120.3‰～－160.1‰和－112.8‰～－139.5‰（表1）?？梢?，烴類氫同位素組成總體較重，反映其烴源巖母質(zhì)應(yīng)主要形成于具一定鹽度的湖湘沉積環(huán)境中。天然氣烴類碳、氫同位素與輕烴組成隨深度均顯示了較好的變化規(guī)律（圖4、5）。其中氫同位素組成隨深度變淺普遍具有增重的趨勢，珠海組下部氣層氫同位素組成明顯偏輕。隨深度變深，甲烷碳同位素組成具有增重趨勢，丙烷和丁烷具有變輕的趨勢，而乙烷的碳同位素組成似乎變化不明顯。烴類碳—氫同位素組成的上述變化特征應(yīng)該與母質(zhì)類型差異以及成熟度存在著一定的關(guān)系。

表1 荔灣3－1氣田天然氣組分碳（δ13C）、氫同位素（δD）組成數(shù)據(jù)表

從LW3－1－1井的天然氣和恩平組、珠海組烴源巖巖石吸附氣的苯／nC6和甲苯／nC7比值對比結(jié)果可見（圖5），前者與恩平組烴源巖親緣關(guān)系更為密切（圖5）。輕烴參數(shù)對比進(jìn)一步肯定了天然氣伴生油主要來自恩平組烴源巖（圖6）。所以，從相似程度來判斷，LW3－1－1井的天然氣主要來自恩平組烴源巖［13］。

據(jù)生物標(biāo)志化合物特征差異，LW3－1－1井珠江組和珠海組含氣砂巖抽提瀝青可分為A、B兩類。

A類為珠江組和珠海組上部兩層砂巖抽提物，富含奧利烷、雙杜松烷系列，五環(huán)三萜類化合物豐度高于甾烷類化合物豐度，缺乏4－甲基－C30甾烷系列。恩平組泥巖的雙杜松烷W、T分布，珠海組的奧利烷、C30藿烷分布與A類瀝青分布具有較好的相似性，而珠江組、文昌組泥巖的上述生物標(biāo)志化合物分布則與之有較大差異（圖7）。綜合油源對比結(jié)果后認(rèn)為，A類砂巖抽提瀝青主要來自恩平組中高雙杜松烷含量的烴源巖層段與珠海組高含量奧利烷的烴源巖層段的混合（圖7）。珠海組Ⅱ氣層中的凝析油特征與其下部烴源巖的甾萜烷特征有較好的相似性，說明了珠海組烴源巖對氣藏凝析油有一定貢獻(xiàn)；B類瀝青為珠海組（Ⅳ氣層）砂巖瀝青，富含奧利烷，雙杜松烷系列含量低，五環(huán)三萜類化合物豐度高于甾烷類化合物豐度，缺乏4－甲基－C30甾烷系列。仔細(xì)對比后發(fā)現(xiàn)，珠海組生物標(biāo)志化合物組成與之可比性最好，而其他層位烴源巖生物標(biāo)志化合物組成均有較大差異。因此，綜上認(rèn)為B類砂巖瀝青主要來自珠海組烴源巖（圖7），應(yīng)具有自生自儲特征。

圖4 LW3－1－1井天然氣輕烴組成—深度關(guān)系圖

圖5 源巖甲苯／nC7—苯／nC6關(guān)系圖

圖6 白云凹陷天然氣和烴源巖的輕烴對比圖

上述天然氣伴生的瀝青或凝析油對比結(jié)果，肯定了荔灣3－1氣田天然氣的重?zé)N組分和伴生液態(tài)油主要來自恩平組。但圖5、6中荔灣3－1氣田天然氣并非與恩平組烴源巖參數(shù)完全一致，與番禺低隆起的天然氣也有一定重合，并且其天然氣類型更偏向腐泥型干酪根特征，而番禺低隆起天然氣有一定的文昌組烴源巖的貢獻(xiàn)，恩平組主要為海陸過渡相環(huán)境形成的烴源巖，母質(zhì)類型以混合型—腐殖型干酪根為主，難以形成偏腐泥型的天然氣。雖然白云凹陷LW4－1－1井鉆遇的文昌組主要為中等烴源巖，但考慮到文昌組、恩平組、珠海組等的沉降和沉積中心具有較好的繼承性，白云凹陷內(nèi)部應(yīng)該有這套湖湘烴源巖的分布，其母質(zhì)類型以腐泥型為主，具有形成腐泥型天然氣的條件。因此，綜上認(rèn)為，荔灣3－1氣田的天然氣及其伴生液態(tài)油主要來自恩平組，但天然氣有文昌組的貢獻(xiàn)，珠海組烴源巖對上、下氣藏的貢獻(xiàn)有差異，恩平組的貢獻(xiàn)是普遍的。

圖7 LW3－1－1井砂巖抽提物與烴源巖飽和烴m／z191和m／z412對比譜圖

3 天然氣成藏過程

荔灣3－1氣田的形成與有效烴源巖、斷裂、儲集層的時空耦合具有密切的關(guān)系。韓江末期—粵海早期以來，大斷裂長期活動。恩平末期的深部烴源巖已經(jīng)成熟并且生成了油氣，但該期斷裂主要為通天斷裂，排出的油氣主要以散失為主，難以保存；到珠江末期，深部文昌組和恩平組下部也達(dá)到了生油氣階段，但大斷裂仍在活動，油氣仍以散失為主。只有在粵海早期以后，大斷裂才逐漸停止活動或活動性減弱，上覆海相沉積的泥巖厚度逐漸增加，封蓋條件逐漸變好，該期對應(yīng)于距今5～6Ma以后，所以，新近紀(jì)晚期—第四紀(jì)是荔灣3－1氣田形成的時期［14］。LW3－1－1井4個主要氣層砂巖的流體包裹體均一溫度分布有一定規(guī)律。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ氣層均一溫度的分布范圍分別介于80～115℃、90～120℃、90～125℃和105～135℃，主要分布范圍隨深度增加而升高（圖8）。不同深度的包裹體均一溫度存在差異，不同測點的均一溫度分布具有連續(xù)性。這種特征說明不同層位的油氣層應(yīng)該具有連續(xù)運移、成藏的特點，這與主要目的層沉積后地層的持續(xù)沉降特征相吻合。

綜合LW3－1－1井埋藏史、熱演化史（圖9）及流體包裹體的均一溫度研究成果推測，Ⅰ氣層—Ⅳ氣層油氣充注時間基本都在距今3.5Ma以來，可見，總體均具有晚期、連續(xù)成藏的特點。這一時期對應(yīng)于新構(gòu)造運動時期（圖9），地層沉積速率加快，區(qū)域蓋層逐漸增厚，保存條件逐漸變好。

圖8 LW3－1－1井珠江組—珠海組Ⅰ—Ⅳ氣層流體包裹體均一溫度頻率分布圖

圖9 LW3－1－1井地層埋藏?zé)嵫莼泛蜔N類充注時間分析圖

荔灣3－1構(gòu)造 T1、T2、T4、T6、T7、T8、Tg界面斷距由淺至深逐漸增大，斷層為長期持續(xù)活動斷層（圖10）。斷層活動具有波動特征，文昌期（Tg－T8）斷層活動相對較弱，恩平期—珠海期（T8－T5）斷層活動性最強(qiáng)，珠江期（T5－T4）斷層活動性減弱，韓江期（T4－T2）有所增強(qiáng)，從粵海期至今活動性明顯減弱，呈現(xiàn)了明顯波動特征。這種長期活動的同生斷層，溝通了烴源巖，使得油氣在強(qiáng)烈活動期以散失作用為主，直到晚期活動性減弱時期，由于斷層斷距小于上覆巨厚泥巖厚度，從而開始由于巨厚泥巖的存在而使油氣開始在沿斷裂輸導(dǎo)到區(qū)域蓋層之下的儲集層聚集成藏，這與包裹體確定的晚期成藏特征吻合。晚期活動性減弱正好使得斷層具有輸導(dǎo)作用，但斷層上部巨厚泥巖在斷層面的直接接觸有效阻擋了油氣垂向散失；同時，晚期相關(guān)烴源巖也達(dá)到了大量生油氣階段，上部儲集層也具有較好的物性條件。幾個要素在空間上的晚期有效耦合成為油氣聚集的必要條件，從而有效聚集了油氣（圖11）。

圖10 LW3－1井?dāng)鄬釉诓煌瑫r間段的活動速率分布圖

圖11 白云凹陷荔灣3－1氣藏成藏事件圖（圖中地質(zhì)時間據(jù)米利軍等［15］）

4 天然氣成藏物理模擬實驗與成藏模式

4.1 天然氣運移成藏物理模擬實驗

為分析南海北部深水區(qū)烴源巖、斷裂與圈閉的空間時空耦合成藏特征，在解剖荔灣3－1氣田的基礎(chǔ)上，建立了天然氣運聚的物理模型（圖12），進(jìn)行天然氣運移、成藏物理模擬實驗。模型尺寸為長50cm、高30 cm、厚2.2cm。模型各砂層和斷層中填充玻璃珠。模型中的其余部分為滲透性極差的泥，作為隔擋層和封蓋層。注入口位于底部，2個出口設(shè)置于2條斷裂頂部（圖12）。實驗物理模型建好后，先用被染色的食鹽水充注斷層和砂體并達(dá)到飽和，驅(qū)出模型中的殘余空氣。在整個物理模型的滲透性斷層與砂體孔隙空間充滿染色飽和食鹽水后，通過壓力瓶和壓力調(diào)節(jié)器向模型注氣口注入氮氣，驅(qū)替被染色的食鹽水，每隔一定時間觀察斷層及砂體染色飽和食鹽水的變化，并進(jìn)行照相。

實驗開始時的注氣起始壓力為0.05MPa，穩(wěn)定后降至0.03MPa。15min后出口B開始出液，出口C無反應(yīng)；3條斷層下部均有氣顯示，顏色變淺；砂體⑤～⑩顏色開始變淺，①～④無變化（圖13b）。30min后出口B出液，出口C無反應(yīng)；斷層F1顏色繼續(xù)變淺，斷層F2、F3變化下部強(qiáng)，上半段弱；砂體 ⑤～⑩繼續(xù)飽和氣體，②③開始變化，①④僅有輕微氣反應(yīng)（圖13c）。45min后出口B氣液同出，出口C開始出液；斷層F1的顏色繼續(xù)變淺，④號砂體以下斷層顏色變化大；F2氣體持續(xù)驅(qū)替液體；F3氣體飽和；砂體①④無明顯變化；③液體大量經(jīng)B流出；④變化不明顯；⑤～⑩氣體飽和（圖13d）。60min后出口B僅出氣體，C繼續(xù)出液；斷層F1的顏色趨于穩(wěn)定；斷層F2氣體持續(xù)驅(qū)替液體，③號砂體上部斷層顏色變淺，下側(cè)趨于穩(wěn)定；斷層F3氣體飽和；砂體①開始有氣反應(yīng)；④號砂體靠近斷層一側(cè)背斜顏色輕微變淺，遠(yuǎn)處變化不大；其余砂體持續(xù)注氣，氣體趨于飽和（圖13e）。75 min后持續(xù)注氣，模型穩(wěn)定；出口B出口無液體流出，僅出氣，出口C無液體流出；斷層F1、F3氣體飽和，斷層F2下部氣體飽和，④號砂體上部斷層氣體不飽和，可見氣液交換運移的分界線；砂體①遠(yuǎn)離出口處砂體氣體不飽和，砂體④大量液體滯留，靠近斷裂一側(cè)背斜氣體充注系數(shù)高，遠(yuǎn)離斷層背斜充注系數(shù)低；其余砂體均氣體飽和（圖13f）。

圖12 天然氣運聚模擬實驗?zāi)Ｐ蛨D

圖13 物理實驗?zāi)M過程照片

通過上述天然氣運聚實驗可以發(fā)現(xiàn)，斷層與砂體的特征、產(chǎn)狀會對天然氣運移、聚集特征有重要影響（圖14）。天然氣在斷裂帶運移主要表現(xiàn)為以下特點：①斷裂帶越陡，天然氣垂向運移速率越大，斷裂帶越緩，天然氣運移速率越低；②浮力在天然氣沿斷裂帶運移時發(fā)揮著重要的作用，斷裂帶靠近上盤的部位是天然氣優(yōu)勢運移的主要通道，靠近下盤部位運移效率較低；③天然氣在砂體中主要首先沿砂體頂部運移；④靠近氣源的砂體先充滿，遠(yuǎn)離氣源砂體后充滿；⑤靠近斷裂的砂體優(yōu)先飽和，遠(yuǎn)離斷裂的砂體滯后飽和；⑥在砂體物性相同條件下，位于運移路徑上的相對高孔高滲砂體更利于天然氣運移和聚集；⑦在氣源、運移時間均充分的條件下，較遠(yuǎn)砂體空間聚集天然氣的能力減弱；⑧天然氣垂向運移能力更優(yōu)于橫向運移。

圖14 實驗物理模型天然氣運聚過程對比圖

4.2 白云凹陷天然氣成藏模式

荔灣3－1氣田是白云凹陷有效圈閉與有效烴源巖通過斷裂溝通時空耦合的結(jié)果。白云凹陷深大斷裂長期發(fā)育，始終發(fā)揮溝通烴源巖與上覆較高孔滲儲集層、有效圈閉的作用。在斷裂活動期，通過斷裂運移的油氣因斷裂向上延至地表或海底而以散失為主。隨著后期斷裂活動性減弱，圈閉有效性增強(qiáng)，通過斷裂向上運移的天然氣逐漸首先在斷裂附近的圈閉聚集，遠(yuǎn)離斷裂的圈閉捕獲天然氣的能力降低。晚期上覆沉積蓋層不斷增厚，保存條件逐漸變好，鄰近斷裂的圈閉天然氣聚集量不斷增加，目前的烴源巖應(yīng)仍向天然氣供氣?？梢?，分布在鄰近生烴凹陷的良好儲集層和圈閉形成與烴源巖生排烴時期同步耦合是油氣藏形成的必要條件，大面積的海相泥巖蓋層是天然氣得以保存的基本條件（圖15）。

圖15 白云凹陷天然氣成藏模式圖

5 結(jié)論與認(rèn)識

1）荔灣3－1氣田作為白云凹陷深水區(qū)的典型氣田，屬于區(qū)域傾斜背景上的斷背斜型，與斷層的長期活動密切相關(guān)，其成藏過程對白云凹陷天然氣藏的形成具有重要的指示作用。

2）天然氣組分以烴類為主，非烴含量低，為高成熟演化階段的濕氣。烴類碳、氫同位素與輕烴組成均反映了明顯的垂向運移效應(yīng)。珠海組和珠江組的天然氣伴生液態(tài)烴來自恩平組和珠海組烴源巖；天然氣主要來自恩平組，但也有文昌組烴源巖的貢獻(xiàn)。

3）天然氣的垂向運移趨勢明顯地優(yōu)于橫向運移，在斷裂溝通有效烴源巖與儲集層的部位是油氣最有利聚集的部位。

4）源—斷—儲時空晚期有效耦合是白云凹陷天然氣聚集成藏的必要條件。鄰近大斷裂的圈閉利于天然氣的晚期聚集，遠(yuǎn)離大斷裂和烴源灶的圈閉對天然氣的聚集不利。

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