中上揚(yáng)子區(qū)海相層系流體特征與油氣保存條件

劉光祥，沃玉進(jìn) ，潘文蕾 ，張長(zhǎng)江

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源地質(zhì)學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214151；3.中國(guó)石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

利用儲(chǔ)層流體特征反映油氣保存條件的研究，目前主要側(cè)重于以下2個(gè)方面：一是聚集的烴類(油、氣)物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)研究，如原油密度、粘度、飽和烴氣相色譜圖基線“鼓包”(未識(shí)辨化合物)高低、輕重比、Pr/nC17、25-降藿烷及其濃度等；盡管天然氣成分相對(duì)單一，所包含的天然氣生成、演化及保存的信息相對(duì)較少，但天然氣中往往含少量的輕烴，她所包含的生源、演化、油氣保存信息量相對(duì)較多，濃縮輕烴分析近年來已運(yùn)用于過成熟干氣氣/源對(duì)比、油氣保存條件研究中[1-4]。二是地層水無機(jī)地球化學(xué)特征研究，如運(yùn)用地層水常規(guī)水化學(xué)、氫氧硫同位素、微量、痕量元素特征等來判別其成因及演化，進(jìn)而判別油氣保存條件[5-8]。

1 地層水特征與油氣保存條件

1.1 地層水化學(xué)特征

中上揚(yáng)子區(qū)地層水特征縱橫向差異顯著，反映不同地區(qū)、不同層系油氣保存條件差別較大。

湘鄂西區(qū)地層水主要見于下古生界，其礦化度普遍較低，最高的為魚1井燈影組地層水(14 g/L)，其它鉆井揭露地層水礦化度僅為每升幾克；變質(zhì)系數(shù)普遍大于2，反映為大氣水強(qiáng)烈滲混改造區(qū)，油氣保存的水化學(xué)條件差。

黔中隆起及鄰區(qū)各構(gòu)造單元地層水礦化度較低，水型較差，變質(zhì)系數(shù)、脫硫系數(shù)較高，不利于油氣的保存；僅個(gè)別井地層水礦化度較高，揭示出局部具較好的油氣保存水文地質(zhì)條件，如莊1井(52.1 g/L)、羊2井(20.534 g/L)等[18]。

江漢平原覆蓋區(qū)：從21口鉆井的海相地層水化學(xué)資料看，海相地層水礦化度介于0.85～66.8 g/L，平均值為19.8 g/L；變質(zhì)系數(shù)介于0.567～26.5，平均值為2.4；脫硫系數(shù)變化于0.02～202，平均值為9.8；表現(xiàn)為中等礦化度、中等變質(zhì)系數(shù)和中等脫硫系數(shù)，硫酸鈉水型為主。從橫向變化特征看，K2—E斷陷盆地發(fā)育區(qū)海相層系地層水礦化度較高，變質(zhì)系數(shù)、脫硫系數(shù)低，具淡化后再濃縮變質(zhì)特征。

1.2 地層水氫氧硫同位素組成特征

1.2.1 地層水氫氧同位素組成特征

由圖1可見，不同層系地層水氫、氧同位素組成特征不一。

威遠(yuǎn)震旦系地層水點(diǎn)落于δD—δ18O相關(guān)圖的右下方，遠(yuǎn)離海水端元，是濃縮變質(zhì)的結(jié)果，反映優(yōu)越的封閉保存條件。

寒武系地層水可明顯分為2類：威遠(yuǎn)氣田寒武系地層水氫、氧同位素組成特征與震旦系地層水相近，僅δD值略重，遠(yuǎn)離海水端元，為封閉濃縮的結(jié)果；城口明通井、彭水郁二井地層水氫、氧同位素組成明顯較威遠(yuǎn)氣田的輕，而與盆地大氣降水平均氫、氧同位素組成十分相近，集中分布在大氣降水線下方的左右兩側(cè)，說明大氣水已基本交替原始地層水，油氣保存條件差。

河2井志留系地層水氫、氧同位素組成特征與盆地大氣降水平均值相近，大氣水已基本交替原始地層水，開啟程度高，油氣保存條件差，這與河2井地層水特征反映的油氣保存條件差相吻合。此外，河2井甲烷碳同位素異常輕，接近于生物成因氣，其可能是大氣水?dāng)y帶喜氧細(xì)菌對(duì)甲烷改造的結(jié)果。

圖1 四川盆地及鄰區(qū)地層水氫—氧同位素相關(guān)圖

二疊系地層水除盆緣露頭區(qū)氫、氧同位素組成特征與大氣降水平均值相近(如諾水河二疊系泉水)，反映交替作用強(qiáng)烈，油氣保存條件較差外，其它氣田地層水氫、氧同位素點(diǎn)落于δD—δ18O相關(guān)圖的右上方，分布相對(duì)集中，且靠近海水端元。但氫同位素較海水輕，而氧同位素較重，屬封閉濃縮變質(zhì)水，反映出具優(yōu)越的油氣保存水文環(huán)境。

中下三疊統(tǒng)地層水氫、氧同位素組成特征復(fù)雜，可分為3類，第1類(占9.72%)與盆地大氣降水平均值相近，反映開啟程度較高，油氣保存條件差；第2類(占81.94%)與二疊系的主體相近，屬封閉濃縮變質(zhì)水；第3類(占8.34%)與須家河組地層水氫、氧同位素組成特征相近，屬海源沉積型與大氣降水疊加型，如建南氣田建10井T1f地層水(δ18O=-4.8‰，δD=-37‰)，明顯有別于第2類地層水氧、氫同位素組成特征。

1.2.2 地層水硫同位素組成特征

據(jù)林耀庭[21]對(duì)四川盆地中下三疊統(tǒng)石膏和鹵水的硫同位素研究表明：1)隨時(shí)代變新，硫同位素明顯輕化，且具階梯狀分布演化特點(diǎn)；2)同一層段的硫同位素縱橫向分布穩(wěn)定；3)石膏和地層水硫同位素具同源性，同一層段的石膏和鹵水的硫同位素大體相近，具同步現(xiàn)象。如T1j4+5層段的石膏和鹵水的δ34S值分別為28.3‰和29.2‰；T2l4則分別為16.9‰和15.6‰；T1j2分別為34.2‰和35.9‰，都十分相近，說明兩者具同源特征。由此表明，中下三疊統(tǒng)各儲(chǔ)集層段流體分隔性強(qiáng)，無竄層現(xiàn)象，揭示出優(yōu)越的封閉保存條件。

川岳83井飛仙關(guān)組地層水硫同位素為38.6‰，較嘉一至嘉三段地層水硫同位素更重，反映為封閉環(huán)境；川27井自流井群地層水硫同位素為35.4‰，與嘉一至嘉三段地層水硫同位素相近，可能揭示為海相地層水，反映出局部地區(qū)海相地層水上竄至陸相層系并驅(qū)替了原有地層水；而諾水河二疊系泉水硫同位素輕化明顯，僅為20.1‰，交替強(qiáng)烈，油氣保存條件差。這與前述地層水化學(xué)、地層水氫氧同位素所獲結(jié)論相吻合。

2 天然氣特征與保存條件

2.1 天然氣組分特征

中上揚(yáng)子區(qū)天然氣主要產(chǎn)于四川盆地。陸相產(chǎn)層天然氣干燥系數(shù)(C1/∑C1-5)變化幅度大，分布于0.862 7～0.988 2，而海相產(chǎn)層天然氣干燥系數(shù)普遍大于0.98。陸相產(chǎn)層天然氣非烴氣具低N2、低CO2和不含或微—低含量H2S；海相產(chǎn)層天然氣非烴氣組成變化較大，H2S含量從低含硫至特高含量均有分布，N2、CO2的含量變化幅度也較大，其中CO2含量與H2S含量具正相關(guān)關(guān)系，尤以川東氣區(qū)最為顯著(除本研究測(cè)試數(shù)據(jù)外，其它數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[22-31])。

2.2 天然氣烷烴碳同位素組成特征

四川盆地海相產(chǎn)層天然氣多屬油型氣，僅少數(shù)氣樣點(diǎn)落于煤型氣與油氣型的混源氣區(qū)(圖2)，如通南巴、元壩、赤水等。陸相產(chǎn)層天然氣則相對(duì)較復(fù)雜，主體而言，多屬腐殖型氣，少數(shù)陸相氣藏氣屬海相成因，如臥龍河須家河組、合江須家河組氣藏天然氣[28]、川東北區(qū)川涪190井自流井群天然氣、分1井須家河組天然氣等。

圖2 四川盆地天然氣成因類型

反映局部地區(qū)海相天然氣上竄至陸相層系聚集成藏，但其氣藏規(guī)模較小。揭示出海相層系天然氣保存條件總體較好，僅局部遭受過開啟。

2.3 天然氣甲烷氫同位素組成特征

川西、川中、川南氣區(qū)陸相產(chǎn)層天然氣甲烷氫同位素普遍輕于-140‰(圖3)，其中，川中、川南氣區(qū)甲烷氫同位素分布范圍大致相當(dāng)，不僅反映其母源性質(zhì)相似，而且反映其具大致相似的演化程度。這與乙烷碳同位素反映為須家河組湖沼相烴源巖，甲烷碳同位素反映為成熟—高成熟的演化特點(diǎn)一致。川西氣區(qū)天然氣甲烷氫同位素略重，應(yīng)該是演化程度較高的表征，因其乙烷碳同位素與川中、川西氣區(qū)陸相層系天然氣相似，而甲烷碳同位素明顯偏重，反映源巖演化程度要高，這與須家河組烴源巖的埋深相對(duì)應(yīng)。

川東北的毛壩7井須家河組產(chǎn)層天然氣甲烷氫同位素明顯較上述氣區(qū)陸相層系的重，而與海相產(chǎn)層天然氣甲烷氫同位素相近；從乙烷碳同位素看，其源自煤系地層，從甲烷碳同位素分析，其演化程度較川西陸相天然氣低而略高于川中陸相天然氣，因此，重的氫同位素可能并非高演化所致，而是沉積環(huán)境的表征。源巖形成時(shí)沉積水體鹽度較高，與區(qū)內(nèi)及鄰區(qū)龍馬溪組、棲霞—茅口組、龍?zhí)督M、須家河組烴源巖沉積環(huán)境相匹配的僅有龍?zhí)督M烴源巖，因此，毛壩7井須家河組天然氣并非自生自儲(chǔ)，而是龍?zhí)督M下部煤系烴源巖生成的天然氣上竄的結(jié)果。

海相產(chǎn)層天然氣甲烷氫同位素分布于-140‰～-97‰，平均值為-118‰，標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.3‰，總體較陸相產(chǎn)層天然氣的重，表明源巖發(fā)育環(huán)境、母質(zhì)類型、成熟度均存在差異，這與烴源巖研究結(jié)果相一致。

圖3 四川盆地天然氣甲烷碳—?dú)渫凰叵嚓P(guān)圖

從四川盆地天然氣甲烷氫同位素看，陸相產(chǎn)層天然氣明顯有別于海相產(chǎn)層，主體反映為自生自儲(chǔ)，揭示出海相天然氣保存系統(tǒng)保存條件優(yōu)越，僅局部地區(qū)海相油氣保存系統(tǒng)曾一度開啟，天然氣上竄至陸相層系聚集成藏(如毛壩7井T3x、馬2井T3x等層位天然氣)。這與烷烴氣碳同位素所獲結(jié)論相吻合。

2.4 天然氣輕烴組成特征

在C7輕烴系統(tǒng)中海相產(chǎn)層天然氣正庚烷(nC7)相對(duì)含量最高，分布于48%～67%之間，平均值為56.59%；甲基環(huán)己烷(MCC6)相對(duì)含量次之，分布于26%～39%，平均值為31.86%；二甲基環(huán)戊烷(DMCC5)相對(duì)含量最低，分布于5%～17%，平均值為11.56%，反映源巖母質(zhì)類型屬Ⅰ—Ⅱ1型(圖4)。陸相產(chǎn)層(主要為須家河組)天然氣正庚烷相對(duì)含量較海相產(chǎn)層的低，分布于11.5%～32.5%，平均值為20.26%；而甲基環(huán)己烷相對(duì)含量較海相產(chǎn)層的高得多，分布于49.5%～86%，平均值近60%(59.96%)；二甲基環(huán)戊烷相對(duì)含量較海相產(chǎn)層的略高，主體分布于14%～26%，平均為20.4%，反映源巖母質(zhì)類型屬Ⅱ2—Ⅲ型。

海、陸相產(chǎn)層天然氣成因類型明顯不一，表明海相層系天然氣保存條件優(yōu)越。少數(shù)陸相層系天然氣反映為海相成因，如川涪190井(J1z)、毛壩7井(T3x)、分1井(T3x)天然氣，其輕烴組成特征與海相產(chǎn)層天然氣相似，而明顯有別于其它陸相產(chǎn)層天然氣，這與前述天然氣甲、乙烷碳同位素反映的成因類型一致，說明局部地區(qū)海相油氣保存系統(tǒng)曾一度遭受過開啟，天然氣運(yùn)移至陸相層系聚集成藏。

圖4 四川盆地天然氣濃縮烴、

3 流體特征分區(qū)與保存條件

根據(jù)上述地層水化學(xué)特征、地層水氫氧硫同位素、海陸相產(chǎn)層天然氣特征、油氣產(chǎn)出、顯示情況及其有機(jī)地球化學(xué)特征，將中上揚(yáng)子區(qū)流體特征劃分為以下5個(gè)區(qū)(圖5)，其對(duì)應(yīng)的油氣保存條件逐漸變差。

川中—川西區(qū)(Ⅰ)：無論是海相層系，還是陸相層系(須家河組)，不僅地層水礦化度高，變質(zhì)系數(shù)、脫硫系數(shù)低，水型為CaCl2型，而且海、陸相產(chǎn)層天然氣分屬不同的成礦系統(tǒng)，陸相產(chǎn)層中未見海相天然氣，海相層系油氣保存條件十分優(yōu)越。

圖5 中上揚(yáng)子區(qū)流體特征分區(qū)

川北—川東—川南區(qū)(Ⅱ)：區(qū)內(nèi)石炭系、上震旦統(tǒng)無論是地層水礦化度、水型、離子組成特征、水化學(xué)特征系數(shù)，還是地層水氫氧同位素均反映出濃縮深變質(zhì)的特點(diǎn)，其保存條件優(yōu)越。川東—川南區(qū)二疊系—中三疊統(tǒng)在高陡背斜核部裸露地表，致使局部地區(qū)地層水被淡化，礦化度降低，水型為Na2SO4和NaHCO3型，變質(zhì)系數(shù)、脫硫系數(shù)增高，油氣保存條件欠佳，如石油溝—石龍峽一帶嘉陵江組地層水。從建南氣田地層水氫氧同位素看，海相地層水曾遭受過大氣水改造(印支期)，但后期蓋層的疊加又重建了油氣封閉保存系統(tǒng)。本區(qū)另一顯著的特點(diǎn)是陸相層系中見海相天然氣，如臥龍河、合江須家河氣藏、毛壩7井(T3x)、分1井(T3x)、川涪190井(J1z)等，表明海相油氣保存系統(tǒng)曾一度遭受過開啟，海相天然氣上竄至陸相層系成藏，但其規(guī)模較小，可能主要得益于中下三疊統(tǒng)膏鹽巖的可塑性，構(gòu)造活動(dòng)之后，自行愈合，又重建了海相油氣保存系統(tǒng)。川東區(qū)須家河組地層水明顯不同于川中—川西區(qū)，以富含硫酸根，Ba2+含量低為特征，與海相層系的相似，而且地層水化學(xué)特征橫向變化大同樣反映出海相油氣保存系統(tǒng)曾遭受過改造。

江漢盆地南部(Ⅲ)：海相層系地層水礦化度、變質(zhì)系數(shù)橫向變化較大，與四川盆地海相層系相比，其礦化度要低得多，而變質(zhì)系數(shù)明顯要高，主要是因?yàn)檠嗌街心坏母脑焓謴?qiáng)烈，局部地區(qū)震旦系曾裸露地表，地層水普遍遭強(qiáng)烈淡化；K2—E斷陷盆地的疊加，地層水再次封閉濃縮形成今貌，具改造再濃縮的特點(diǎn)。

黔東南坳陷區(qū)(Ⅳ)：本區(qū)流體特征變化較大，地層水普遍呈低礦化度、高變質(zhì)系數(shù)的特點(diǎn)，但也有高礦化度地層水存在，如莊1井、羊2井，揭示出局部地區(qū)存在油氣保存的水文地質(zhì)條件；虎47井原油飽和烴氣相色譜圖基線平直，正構(gòu)烷烴分布齊全，明顯不同于洛棉上青山奧陶系油苗，也反映地腹原油保存條件較好。結(jié)合多口鉆井見油氣顯示，僅個(gè)別鉆井獲低產(chǎn)工業(yè)油流的現(xiàn)狀，稱該區(qū)為改造殘留型。

其它地區(qū)(Ⅴ)：湘鄂西區(qū)、黔中及鄰區(qū)、江漢盆地北部等區(qū)，從已有的地層水資料看，其礦化度一般小于10 g/L，變質(zhì)系數(shù)高，氫氧同位素點(diǎn)落于平均大氣降水線附近，遠(yuǎn)離海水端元，大氣水滲入改造強(qiáng)烈；由于多數(shù)鉆井開孔于寒武系，在有志留系蓋層分布區(qū)其流體特征不清，推測(cè)局部地區(qū)可能具備油氣保存的水化學(xué)條件。

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