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)沙溪廟組天然氣運移機制

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、碳酸鹽膠結物的碳氧同位素等分析化驗資料，結合盆地模擬，對成都凹陷沙溪廟組(J2s)天然氣運移機制進行了研究。結果表明：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)己烷數據分散，地層水具低礦化度和低硫酸根離子，上述特點均說明成都凹陷J2s天然氣運移相態(tài)以水溶相為主，運移方式為擴散運移及滲流運移。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向運移。其運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層。根據烴源斷層發(fā)育情況、碳酸鹽膠結物δ13C、天然氣iC4/nC4和地層水等特征，建立了研究區(qū)J2s天然氣運移相態(tài)及方式的定量判別標準。

運移機制；天然氣；沙溪廟組；成都凹陷

成都凹陷位于成都平原腹地，西鄰龍門山沖斷帶，北接新場NEE向構造帶，東毗鄰知新場近南北向構造帶，南為新都-成都斜坡平緩構造區(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天然氣成藏地質條件良好，但由于天然氣運移機制復雜、成藏模式多樣[2～5]，造成氣水分布不清，普遍氣水同產，因此整體勘探效果不理想。前人[2～9]針對研究區(qū)陸相天然氣的運移機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的天然氣運移機制、成藏模式、成藏動態(tài)演化等研究相對較少，導致該區(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物碳氧同位素等試驗資料分析的基礎上，借助盆地模擬，明確了成都凹陷J2s天然氣運移相態(tài)、方式、動力和通道，并建立了該區(qū)J2s天然氣運移相態(tài)及方式的定量判別標準，為下一步天然氣成藏研究及勘探目標選擇夯實了基礎。

1 地質背景

成都凹陷按構造區(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)。其構造形變強度較弱，整體屬于弱形變區(qū)，斷裂及正向構造整體上欠發(fā)育，但其內部仍發(fā)育馬井、溫江、新都、洛帶等多個局部正向構造以及馬井斷層、新都斷層等幾條規(guī)模較大的烴源斷層，上述正向構造及斷層對該區(qū)侏羅系油氣成藏起到了至關重要的作用。區(qū)內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)目標層系。截至目前，J3p共保有天然氣三級地質儲量近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 成都凹陷構造區(qū)劃圖

2 天然氣運移相態(tài)

天然氣從烴源巖中排出后，存在水溶相和游離相2種運移相態(tài)[11]。根據成都凹陷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件儲層碳酸鹽膠結物樣品的試驗分析結果，結合地層溫度、壓力條件，綜合分析認為成都凹陷J2s天然氣運移相態(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，地層水的總溶解氣量會迅速升高；同時溶解度也會伴隨著地層壓力的增大而增大。根據區(qū)內典型井(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 碳酸鹽膠結物碳同位素特征

按照自然界碳同位素分餾機理[17]，碳酸鹽膠結物δ13C介于-4‰～-35‰之間[18]，說明膠結物中存在過有機碳的加入。通過對研究區(qū)內J2s的12口井98件方解石膠結物碳氧同位素試驗資料分析證實，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)下大量被水及有機酸等形成的混合溶液溶解，并沿烴源巖斷層向上運移至J2s砂體，從而引起碳酸鹽膠結物碳同位素出現(xiàn)偏負的現(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移相態(tài)[12]。

圖3 成都凹陷J2s碳酸鹽膠結物碳同位素分布 圖4 成都凹陷J2s天然氣iC4/nC4與干燥系數關系

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]，天然氣運移過程中的輕烴溶解度按照芳烴、環(huán)烷烴、正構烷烴的順序依次降低。當天然氣以游離相運移時，受地質色層效應影響，巖石容易吸附極性物質(芳烴)，而非極性物質相對容易運移，造成沿運移方向非極性物質組分的增加；當天然氣以水溶相運移時，天然氣組分分異受到烴類在水中溶解度的控制，沿運移方向，脫溶順序依次為難溶組分、易溶組分(芳烴)，導致芳烴含量增加。川西坳陷侏羅系天然氣苯/正己烷、苯/環(huán)己烷與深度關系顯示，在J3p，上述2項參數基本集中在小于1的范圍內，反映該段天然氣主要是以游離相方式通過斷層向上運移。而J2s數據點較為分散，其中比值較大的部分占大多數，說明天然氣以水溶相方式運移；少部分具較小比值，說明以游離相通過斷層進行運移(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化過程中，釋放出了大量低礦化度的層間水[24,25]，導致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；而轉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。

通過分析認為，溫江構造斷裂不發(fā)育，不存在溝通外界的斷層，位于該構造的WJ2井J2s地層水可近似認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)地層水化學特征

3 天然氣運移方式

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

通過前人研究[11]，同一種相態(tài)存在不同的運移方式，且各種運移指標也存在差異。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(如重烴氣等)會首先析出，而甲烷、CO2等溶解度較高的氣體最后析出，導致隨運移距離的增大，甲烷、CO2等氣體不斷富集。因此要判斷天然氣運移方式，就必須先確定天然氣的運移相態(tài)，同時不能根據一個指標，而要綜合各方面的分析資料。筆者根據碳酸鹽膠結物碳同位素值、天然氣、地層水等資料，結合烴源斷層發(fā)育情況，建立了成都凹陷J2s天然氣運移相態(tài)及方式的判別表(表2)。

表2 成都凹陷J2s天然氣運移相態(tài)及方式判別表

4 天然氣運移動力

在超壓盆地中，從烴源巖中排出的天然氣通過輸導層進行垂向運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層垂向運移至儲層后，由于區(qū)域地層壓力差的作用，天然氣再進行側向運移進入圈閉。根據IES盆地模擬對成都凹陷典型單井及剖面進行了壓力恢復。首先對研究區(qū)及鄰區(qū)11口鉆井進行地層壓力恢復，計算成藏期源儲剩余壓力差和地層壓力差，并根據模擬結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)計研究結果，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，天然氣運移動力充足，聚集效率較高。

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

5 天然氣運移通道

川西坳陷淺層為典型的次生氣藏，天然氣運移路徑主要有斷裂、砂巖輸導層以及裂隙(縫)[6]。斷層是有效的油氣運移通道已經形成共識，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。構造特征研究表明，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移起到關鍵作用?？碧綄嵺`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、新都氣田均屬于該類型。此外，中淺層內部發(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部運移也起到十分重要的作用。

而油氣進行側向運移的主要通道是砂巖輸導層，孔隙空間越發(fā)育其連通性就越好，油氣在其中越容易運移，輸導性能也就越好。對于成都凹陷中侏羅統(tǒng)來說，由于天然氣在側向運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移，毛細管阻力大大減小，運移更為暢通；而游離相天然氣在砂巖輸導層中運移受毛細管阻力較大，特別是遇到致密隔擋層后，喉道半徑變小，運移較為阻滯。在異常壓力驅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，導致游離相天然氣就被致密隔擋層封堵而成藏，從而達到氣水分異的效果。

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)，天然氣側向運移通暢。同時該井沙溪廟組一段的地層水礦化度為21400mg/L，硫酸根離子質量濃度為13mg/L，顯示以水溶相的運移相態(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，水溶相和游離相運移阻力均較小，天然氣在構造相對高部位(CM600井)達到氣水分異聚集成藏，而構造較低位置(MSa1井)氣水分異則不太完全，形成氣水同產的狀況。

圖8 成都凹陷馬井地區(qū)J2s氣藏剖面圖

6 結論

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)己烷數據分散、地層水具低礦化度和低硫酸根離子，說明成都凹陷J2s天然氣運移相態(tài)以水溶相運移為主，運移方式為擴散運移及滲流運移。

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，表明天然氣運移動力充足，而其天然氣垂向和側向運移的通道分別為烴源斷層和砂巖輸導層。

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

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[編輯] 鄧磊

2016-06-10

國家科技重大專項(2011ZX05002-004)。

張莊(1976-)，男，副研究員，主要從事油氣勘探相關的研究工作，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)沙溪廟組天然氣運移機制[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(7):1～7.