楊玉平,鐘建華,2,孫玉凱,王勁松,范莉紅,倪良田,趙勇生

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島 266580;2.中國科學院廣州地球化學研究所,廣東廣州 510640; 3.中石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆哈密 839009)

一吐哈盆地水西溝群“近生近儲”型致密砂巖氣藏特征及其成藏機制

楊玉平1,鐘建華1,2,孫玉凱3,王勁松3,范莉紅1,倪良田1,趙勇生1

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島 266580;2.中國科學院廣州地球化學研究所,廣東廣州 510640; 3.中石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆哈密 839009)

通過對多種地化指標的分析、對氣藏與煤層關系的統(tǒng)計對比以及儲層物性的測定,在野外露頭觀測、精細巖心觀察和區(qū)域沉積剖面對比的基礎上,總結吐哈盆地水西溝群的沉積模式,并結合氣藏剖面實例對水西溝群致密砂巖氣藏進行研究。結果表明:研究區(qū)致密氣與其煤系源巖密切相關;成藏的有利因素主要來自于砂巖與煤層的大面積直接接觸,以及決口扇體及構造裂縫這種“煙囪”狀通道對源儲的有效連通,其在本質(zhì)上是一種源、儲皆在水西溝群內(nèi)的煤系源巖和致密砂巖儲層間產(chǎn)生、運移和聚集的“近生近儲”型氣藏。

致密砂巖;煤系烴源巖;決口扇;近生近儲;成藏機制

Key words:tight sandstone;source rocks of coal series;crevasse splay;proximal-generation and proximal-storage;accumulation mechanism

致密砂巖氣是中國近年來開發(fā)最為成功的非常規(guī)氣藏,主要來自于煤系,從著名的鄂爾多斯盆地蘇里格氣田到川西氣田均是煤系致密砂巖氣藏[1-2]。吐哈盆地水西溝群有豐富的致密砂巖氣資源,氣藏地質(zhì)條件復雜,前人在各方面已取得了大量成果。柳益群等[3]根據(jù)實測鏡煤反射率及包裹體測溫研究,計算侏羅紀時期臺北凹陷古地溫梯度約為3.2℃/100 m;劉江濤等[4-5]通過對不同巖性烴源巖產(chǎn)氣率變化特征的實驗模擬研究,認為水西溝群烴源巖在侏羅紀末期就已經(jīng)進入早期生氣階段;李成明[6]認為吐哈盆地臺北凹陷氣藏運聚成藏模式獨特,構成比較全面的油氣差異運聚模式庫;此外,楊鐿婷等[7]在對吐哈盆地源儲配置關系的研究中,引入了配置系數(shù)的概念,進而對成藏的有效性作出評價;姜福杰等[8-11]則著眼于源巖生排烴高峰期天然氣充注史與儲層致密演化史之間的動態(tài)時序關系,將“先成型”和“后成型”概念模型和“三明治式”源儲疊合、“甜點”等概念引入水西溝群致密氣藏研究;俞益新等[11]估算了儲層的致密化時間,并通過油氣伴生鹽水包裹體均一化測溫確定了致密砂巖氣藏烴類注入的大致時間。但是,上述成藏模式的研究對沉積作用之于成藏物質(zhì)基礎(源儲蓋層)形成及其相互配置的影響存在欠缺,也未能總結適合研究區(qū)沉積地層特征的典型沉積模式。因此,筆者依據(jù)致密砂巖氣藏烴源巖特征、源儲配置條件,對吐哈盆地這一大型富煤陸相盆地的主要成藏機制進行研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

吐哈盆地是中國新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)三大沉積盆地之一,發(fā)育在西伯利亞板塊、哈薩克斯坦板塊和塔里木板塊的交接部位,盆地四周群山環(huán)繞,呈長條狀近東西向展布。吐哈盆地致密砂巖氣藏主要發(fā)現(xiàn)于臺北凹陷,該凹陷位于盆地中部,屬于吐魯番坳陷,面積9 600 km2,由北向南可分為北部山前構造帶、中央凹陷帶和南部斜坡帶三大次級構造單元。研究參考的主要鉆井就位于臺北凹陷北部山前構造帶的柯柯亞地區(qū)和南部斜坡帶的溫吉桑地區(qū)[12]。

吐哈盆地致密砂巖氣主要發(fā)育在侏羅系水西溝群(西山窯組、三工河組和八道灣組)中,其中,煤系是主要的生烴層系,而夾在兩套煤系烴源巖之間的大型沖積扇和扇三角洲砂巖、礫巖是主要儲集層[12-13]。目前已有多口探井見到豐富的油氣顯示,北部山前帶的巴喀地區(qū)、南部斜坡區(qū)的溫吉桑地區(qū)已相繼獲得突破,發(fā)現(xiàn)了巴喀、丘東氣田及多個含氣構造,儲集層單層厚度20～50 m,累積厚度300～500 m?？紫抖纫话銥?%～10%,滲透率一般小于(0.05～1)×10-3μm2,屬致密砂巖氣藏[13]。

2 氣藏地質(zhì)特征

2.1 天然氣同位素組成具煤型氣特征

天然氣烴類氣體的碳同位素特征是判斷天然氣成熟度及成因類型的重要指標。吐哈盆地水西溝群天然氣系列碳同位素分布特點為:①δ13C1和δ13C2間差較大,為11.1‰～16.2‰,δ13C2,δ13C3和δ13C4間差較小,表現(xiàn)為陸相濕氣特征[14];②δ13C1為-50.0‰～-33.1‰,δ13C2稍輕,為-31‰～-23.5‰,δ13C3為-28‰～-20.5‰,表現(xiàn)為偏腐泥型的腐殖型天然氣[14-15],成烴母質(zhì)為Ⅲ型干酪根;③總體而言,天然氣同位素組成樣品有較重的碳同位素組成,天然氣成熟度為0.82%和0.78%,與其他已知的煤型氣組成一致。

氣源對比研究證實,吐哈盆地已發(fā)現(xiàn)水西溝群致密砂巖氣藏中的油氣均與中、下侏羅統(tǒng)煤系有良好的親緣關系,且油、氣的RO值為0.54%～0.74%,與煤系烴源巖的RO值(0.49～0.87%)吻合很好。

2.2 其他有機地化指標證據(jù)

從Pr/nC17與Ph/nC18的關系可以看出,所有樣品烴源巖樣品的有機質(zhì)類型均屬于Ⅲ型(圖1 (a))。較高Pr/Ph比值等指示環(huán)境的參數(shù)具有一致性,說明它們的早期沉積環(huán)境相同,都是水質(zhì)偏淡的弱氧化、弱還原環(huán)境。

研究區(qū)C29甾烷在甾烷類化合物中占絕對優(yōu)勢, C27含量為3%～21%,源巖有機質(zhì)以陸源高等植物輸入為主(圖1(b))。甾烷異構化參數(shù)明顯的高比值以及苯丙甾烷的檢出,表明吐哈盆地中下侏羅統(tǒng)煤系古環(huán)境中細菌微生物比較發(fā)育,細菌微生物作用導致煤巖和炭質(zhì)泥巖在成巖早期就開始生烴和排烴,細菌微生物的自身降解作用也為煤成烴做出貢獻。

據(jù)前人研究,在對樣品有機酸的研究過程中曾檢測出豐富的有機芳香酸系列化合物,它是腐植酸的降解產(chǎn)物,為高等植物母質(zhì)來源的特征生物標志化合物[15-16]。所有這些證據(jù)都表明水西溝群致密砂巖氣藏與煤系烴源巖具密切親緣關系。

圖1 水西溝群天然氣多種有機地化指標特征示意圖(據(jù)中科院蘭地所)Fig.1 Schematic plot of a variety of organic geochemical indexes of natural gas in Shuixigou Group

2.3 氣藏與煤層的關系

宏觀上,吐哈盆地特別是臺北凹陷油氣藏分布與煤層有兩種關系:一種是存在一定的共生關系,如溫吉桑地區(qū)吉深一區(qū)塊,其煤層累積厚度與各井單層日產(chǎn)氣量存在某種程度的正相關性,說明在儲層物性和構造高點等其他控藏因素穩(wěn)定的情況下,煤層形成的天然氣供烴確實是控制氣藏的主導因素(圖2);第二種是兩者關系不大,說明煤層形成的天然氣充注不是唯一控制氣藏單井產(chǎn)量的主因,還有其他因素在起作用。

圖2 溫吉桑地區(qū)吉深1區(qū)塊J2x煤層累積厚度等值線圖Fig.2 Isopach map of coalbed in Late Jurassic Xishanyao Formation,Jishen 1 block of Wenjishang area

對柯柯亞與溫吉桑地區(qū)各口主力產(chǎn)氣井進行單井產(chǎn)氣量與氣藏-煤層間距的統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣量與氣藏-煤層間距呈反向變化關系(圖3),這也再次說明氣藏與煤層的關系非常密切,砂礫巖直接與煤層接觸有利于煤層氣向致密砂巖充注形成氣層。

綜合以上各種特征,可以看出吐哈盆地水西溝群致密砂巖氣藏與其煤系烴源巖間具有密切的親緣關系。

圖3 致密砂巖產(chǎn)氣量與煤層間距的關系Fig.3 Relationship between gas production of tight sandstone and coal seam spacing

2.4 高炭屑含量對于決口扇沉積的物性改善現(xiàn)象

巖心觀察可見西山窯組與八道灣組上部煤層發(fā)育,且在中—粗砂巖儲層中亦發(fā)育大量的煤條帶和炭質(zhì)碎屑,伴生豐富的波狀交錯層理與沖刷面(圖4),沉積環(huán)境主要為辮狀河三角洲平原的決口扇相。對研究區(qū)7口探井不同層位且炭屑含量不同的水西溝群巖心取樣117塊做物性測定與統(tǒng)計。結果表明,吐哈盆地水西溝群致密砂巖儲層的物性與其炭屑含量關系非常密切,含炭屑較多的巖性(多為決口扇相)孔隙度和滲透率明顯偏高。含炭屑較高的巖心(30塊)其孔隙度平均為5.33%,含炭屑較少(53塊)的孔隙度平均為4.69%,不含炭屑(34 塊)的孔隙度平均為4.05%,其相對數(shù)值差別為12.0%～24.01%;含炭屑較高的巖心滲透率平均值為0.22×10-3μm2,含炭屑較少的為0.12×10-3μm2,而不含炭屑的僅為0.07×10-3μm2,相對數(shù)值差別為45.45%～68.18%(圖5)?？傊?物性測定表明高炭屑含量對于決口扇沉積的物性具有很好的改善作用,這將十分利于其作為“煙囪”狀通道實現(xiàn)對源儲的有效連通。

圖4 高炭屑含量水西溝群致密砂巖儲層巖心照片F(xiàn)ig.4 Core images of tight sandstone reservoir with high carbon dust content in Shuixigou Group

圖5 水西溝群致密砂巖儲層炭屑含量與孔、滲分布關系Fig.5 Relationship between carbon dust content and property or permeability in tight sandstone reservoir in Shuixigou Group

3 氣藏“近生近儲”成藏機制與模式

研究認為,吐哈盆地水西溝群致密砂巖氣藏是一種“近生近儲”型氣藏?！敖鼉Α笔且粋€相對的概念,在這種類型的源儲關系下,氣藏既不像“自生自儲”的頁巖氣那樣烴源巖與儲層是同一層系,又不像長距離側向運移的松遼盆地西部斜坡帶、塔里木盆地、準南前陸盆地斜坡帶等那樣氣藏與烴源灶距離為40～60 km[17],而具體到吐哈盆地絕大部分地區(qū),這種“近生近儲”型致密氣藏其實特指源、儲層系皆在水西溝群內(nèi)(分別為煤系地層與沖積-河流相砂體)且呈大面積直接接觸(或通過決口扇體、裂縫等通道有效連通),而天然氣只在它們之間產(chǎn)生、運移和聚集的氣藏,其運移方式以短距離垂向運移為主[18]。探討此類成藏機制,對于儲層和蓋層條件較差下(致密砂巖儲層、缺少區(qū)域性良好蓋層等)“先成型”致密氣藏(烴源巖在低熟狀態(tài)下早于儲層致密化和構造裂縫與圈閉形成前大量生氣)形成的研究,具有一定的普適意義。

從巖性及其組合來看,吐哈盆地水西溝群煤系烴源巖形成于濕潤氣候條件下[12-13]。侏羅紀吐哈盆地內(nèi)地形分異很大,盆地與物源區(qū)距離也很近,且坡降較大,再加上季節(jié)性洪水泛濫,大量的泥沙極易注入到盆地中,當進入盆地內(nèi)部的三角洲后,坡度驟減、河道曲率加大,河水極易溢出河岸,形成大量決口扇(粗粒的碎屑巖中含有大量泥屑或炭屑、沖刷面發(fā)育、明顯的正粒序性等)。河道發(fā)生決口或側向遷移,沖刷作用使煤層變薄甚至缺失,河道相或決口扇相粗—中粒砂巖往往形成煤層的直接頂板,為煤層氣垂向運移提供了逸散通道[19]。此外,有的決口扇水道直接演化成河道,使得厚層或巨厚的砂礫直接覆蓋在泥炭上(圖6)。野外考察中在大尺度縱向剖面上往往可以看到很多大小不一的決口扇扇體像“吸管”一樣插在其上覆或下伏的煤系氣源灶內(nèi)(圖7)。經(jīng)過成巖和煤化作用后,泥炭轉(zhuǎn)變成煤層并釋放出大量煤成氣,由于砂礫(巖)直接覆蓋在泥炭或煤層上,煤成氣便可以比較容易地通過決口扇體這種“煙囪”狀通道注入到砂巖儲層中,形成“近生近儲”型的致密砂巖氣藏。

圖6 中下侏羅統(tǒng)(水西溝群)沉積剖面圖Fig.6 Sedimentary section in middle-lower Jurassic(Shuixigou Group)

在氣藏剖面和單井剖面上可以看出,決口扇砂體沉積層既可以作為“煙囪”或“吸管”成為連接烴源巖與儲層的通道,又可以作為較優(yōu)質(zhì)儲層直接形成氣藏(圖8、9)。

研究區(qū)煤系“近生近儲”型成藏首先得益于大面積分布且“三明治式”疊合的源儲直接接觸,以及源儲蓋層的優(yōu)良區(qū)域配置[9-10],其次得益于生烴高峰期與構造圈閉形成的良好匹配。吐哈盆地幾個沉降中心在中生代穩(wěn)定發(fā)展,發(fā)育了巨厚的以含Ⅲ型干酪根為主的河湖沼澤相穩(wěn)定煤系烴源巖,有機質(zhì)含量高,并在侏羅世末期進入生烴門限。與此同時,隨著博格達山的隆起,在北部山前帶形成了一套巨厚的沖積扇相、扇三角洲相為主的碎屑沉積砂體,而南高北低的坡地地形使盆地南部斜坡帶也普遍接受了一套以辮狀河三角洲相為主的沖積-河流相的砂體沉積,這些物性相對較好的中粗粒沉積含有大量可轉(zhuǎn)變?yōu)樘啃嫉闹参锼樾?作為未來氣藏的主力儲層和源儲連接通道在盆地內(nèi)廣泛分布。在沉降中心處形成了一種“三明治式”大面積緊密相鄰疊置的有利源儲組合,既有烴源充足供給作為“氣泵”,又有相對規(guī)模的適宜儲集體發(fā)育,還避免了天然氣長距離運移可能導致的逸失,使其可以最大限度地為天然氣所飽和,構成了“近生近儲”的有利成藏條件。煤系烴源巖從凹陷中心區(qū)開始成熟,其生成的天然氣首先進入緊鄰的水下分流河道與決口扇砂體儲集層并在當?shù)爻刹亍ｋS著烴源巖向斜坡上傾方向的逐漸成熟,生氣作用亦從構造低部位向高部位逐漸推進。由于儲集層砂體也有圍繞凹陷坡折帶呈條帶狀分布的趨勢,且其物性由下向上亦逐漸變好(與烴源巖熱演化方向一致),同時儲層致密化也主要在此時完成,但稍晚于致密氣[11]。因此,此時形成的煤成氣可以通過直接充注或是經(jīng)由物性良好的決口扇高炭屑含量粗粒級砂體通道向儲層中運移,最終在構造圈閉高點及決口扇和分流河道粗粒級砂體本身中形成連續(xù)性較好、壓力系數(shù)也較大的連續(xù)性氣藏。隨著燕山期構造活動逐漸到達高峰期,與生烴高峰期產(chǎn)生良好匹配,斷裂和裂縫開始發(fā)育,早期形成的油氣藏進入調(diào)整階段。這些裂縫系統(tǒng)不但極大地改善了已致密化儲集層的物性條件,也同樣形成了天然氣運移的高速通道[20],使天然氣向滲透性更好的決口扇與分流河道粗粒級儲集層和背斜圈閉中運移,常以高阻泥巖層或者煤層作為頂板,而以后期斷層面作為側向封堵構造(圖9)。這是水西溝群典型的“近生近儲”型成藏機制,也是研究區(qū)最主要的致密氣藏成藏模式。

圖8 柯19井高產(chǎn)氣藏段與水下決口扇相在巖心柱狀圖上的良好響應Fig.8 Good response of high yield gas accumulation section and underwater crevasse splay phase in core bar chart of Ke19

圖9 柯柯亞構造帶八道灣組氣藏剖面圖Fig.9 Gas accumulations section of Badaowan Group in Kekeya tectonic belt

得益于裂縫和決口扇扇體的排氣通道輸運作用,“近生近儲型”成藏機制在構造作用改造、抬升強烈,裂縫發(fā)育的北部山前帶地區(qū)與沉積相對穩(wěn)定、決口扇大量發(fā)育的南部斜坡帶溫吉桑地區(qū)最為典型,且最好的產(chǎn)氣遠景區(qū)是與煤層累積厚度分布對應良好的凹陷中心邊緣之物性較好砂體附近的構造高點以及圈閉的褶皺中心部位等處。

4 結 論

(1)吐哈盆地水西溝群致密砂巖氣藏與其煤系烴源巖間具有密切的親緣關系。

(2)水西溝群致密氣藏的有利成藏因素導致砂巖與煤層大面積直接接觸,煤成氣通過決口扇體這種“煙囪”狀通道或者直接注入到砂巖儲層中,形成“近生近儲”型的致密砂巖氣藏。

(3)“近生近儲”型致密砂巖氣藏成藏模式是研究區(qū)水西溝群致密砂巖氣的主要成藏模式;其成藏條件在北部山前帶和南部斜坡帶溫吉桑地區(qū)部分井區(qū)尤其完備。

致謝本文得到了國土資源部與吐哈油田合作“致密砂巖氣國家示范基地”項目的資助;文中資料由吐哈油田勘探開發(fā)研究院提供。借此機會一并致謝。

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(編輯 徐會永)

Discussion on characteristics and accumulation mechanisms of "proximal-generation and proximal-storage"type tight sandstone gas accumulations in Shuixigou Group,Turpan-Hami Basin

YANG Yuping1,ZHONG Jianhua1,2,SUN Yukai3,WANG Jinsong3, FAN Lihong1,NI Liangtian1,ZHAO Yongsheng1
(1.School of Geosciences in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Guangzhou Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Science,Guangzhou 510640,China; 3.Research Institute of Exploration and Development,Tuha Oilfield Company,PetroChina,Hami 839009,China)

Based on field outcrops and fine core observations,as well as contrasting regional sedimentary profiles,a sedimentary model was summarized in the Shuixigou Group,Turpan-Hami Basin by combining a series of analyses of a variety of geochemical indexes,the statistics and contrast of the relationship between the gas layer and the coal strata,and the survey of reservoir physical properties.With examples of gas accumulation profiles,the tight sandstone gas accumulations in the Shuixigou Group were studied.The results show that there are genetic relationships between the Jurassic gas and the coal series source rock in the Shuixigou Group.The favorable accumulation factors of the Jurassic tight sandstone strata in Turpan-Hami Basin mainly include the direct contact of the sandstones with the coal layers in large areas,as well as so-called“chimneylike”channels as crevasse splay bodies and structural fractures'serving as an effective connecting medium between sources and reservoirs.Tight sandstone gas accumulations of Shuixigou Group in Turpan-Hami Basin is a"proximal-generation and proximal-storage"type in nature whose generation,migration and accumulation are all confined to the Shuixigou Group itself.

TE 122.1

A

1673-5005(2014)04-0034-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.04.005

2013-11-20

國家自然科學基金石油化工重點基金項目(U1262203);國家油氣重大專項(2011ZX05009-002)

楊玉平(1981-),女,博士研究生,主要從事石油地質(zhì)學和沉積學研究。E-mail:379707644@qq.com。

楊玉平,鐘建華,孫玉凱,等.吐哈盆地水西溝群“近生近儲”型致密砂巖氣藏特征及其成藏機制[J].中國石油大學學報:自然科學版,2014,38(4):34-41.

YANG Yuping,ZHONG Jianhua,SUN Yukai,et al.Discussion on characteristics and accumulation mechanisms of"proximal-generation and proximal-storage"type tight sandstone gas accumulations in Shuixigou Group,Turpan-Hami Basin[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(4):34-41.