川中地區(qū)須家河組致密砂巖氣成藏機(jī)理

徐昉昊 袁海鋒 黃 素 唐大海 李國(guó)輝 段新國(guó)

（1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059；2.中國(guó)石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，北京102249；3.中國(guó)石油西南油氣田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，成都610051）

深層致密砂巖油氣藏作為一種特殊非常規(guī)油氣藏，在世界范圍內(nèi)已受到石油工業(yè)界的高度關(guān)注。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，多位石油地質(zhì)專家提出了深盆氣（Masters，1979）、盆地中心氣（Rose，1986）和連續(xù)型油氣藏（Schmoker，1995）等新概念，就是針對(duì)在含油氣盆地中廣泛分布的致密砂巖和其他非常規(guī)儲(chǔ)層（頁(yè)巖氣、煤層氣）的勘探評(píng)價(jià)，試圖用新的思維和技術(shù)方法評(píng)價(jià)其油氣資源前景和勘探潛力，將前人認(rèn)為不可采的油氣資源變?yōu)榭煽碧健㈤_(kāi)發(fā)、利用的能源[1，2]。中國(guó)致密儲(chǔ)層天然氣的分布十分廣泛，勘探潛力巨大，如四川、鄂爾多斯、吐哈、松遼、準(zhǔn)噶爾、塔里木等10余個(gè)盆地，都具有形成致密砂巖氣藏的地質(zhì)條件[1]。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，低滲透和特低滲透儲(chǔ)層中的天然氣資源量約占中國(guó)天然氣總資源量的50%[3，4]。本文以四川盆地川中地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組致密砂巖氣藏為例，探討其成藏過(guò)程及成藏機(jī)理。

本文的川中地區(qū)指的是四川盆地中部西起龍泉山、東至華鎣山，南起威遠(yuǎn)構(gòu)造、北至龍崗構(gòu)造的大川中地區(qū)。四川盆地須家河組天然氣勘探始于1956年，川中地區(qū)已先后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了龍女寺、八角場(chǎng)、營(yíng)山、充西、廣安、遂南、磨西、潼南等氣藏，顯示出了良好的天然氣勘探前景和豐富的資源潛力，成為繼三疊系飛仙關(guān)組和二疊系長(zhǎng)興組之后，四川盆地天然氣儲(chǔ)量增長(zhǎng)的重要領(lǐng)域之一；但鉆探實(shí)踐證明，須家河組屬致密砂巖儲(chǔ)層，天然氣聚集成藏機(jī)理復(fù)雜，勘探與開(kāi)發(fā)難度大。

1 致密砂巖氣成藏過(guò)程

1.1 烴源巖生烴過(guò)程

通過(guò)對(duì)典型構(gòu)造磷灰石樣品裂變徑跡的模擬，得到了較為可靠的地層沉降—隆升史，為獲取可靠的地史模型奠定了基礎(chǔ)。在收集典型鉆井的巖性、分層、孔隙度－深度曲線的基礎(chǔ)上，利用Easy Ro化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型[5]對(duì)不同構(gòu)造須家河組烴源巖進(jìn)行了生烴史的模擬，圖1即為合川構(gòu)造合川1井須家河組烴源巖生烴史模擬圖。

圖1 合川構(gòu)造合川1井須家河組烴源巖生烴史圖Fig.1 The source rock's hydrocarbon－generating history of the Well Hechuan－1in Xujiahe Formation of the Hechuan structure

川中地區(qū)不同構(gòu)造須家河組烴源巖的生烴過(guò)程整體上具有相似性，在中－晚侏羅世開(kāi)始進(jìn)入生烴門(mén)限，早白堊世達(dá)到生烴高峰，在晚白堊世以生成凝析油和凝析氣為主，白堊紀(jì)末期至今為構(gòu)造隆升階段，與前人研究成果[6，7]基本一致。不同構(gòu)造須家河組烴源巖在同一地史時(shí)期其成熟度（Ro）演化又存在著一定的差異，其主要原因是不同構(gòu)造所經(jīng)歷的構(gòu)造演化史不同，這在侏羅紀(jì)末期以及喜馬拉雅期的構(gòu)造隆升運(yùn)動(dòng)上表現(xiàn)得特別明顯。

在單井生烴史恢復(fù)的基礎(chǔ)上，對(duì)二維大剖面進(jìn)行了生烴史的模擬（圖2），結(jié)果表明在侏羅紀(jì)沉積末期，靠近川西拗陷的地區(qū)地層埋深較大，須家河組烴源巖成熟度較高，須一段至須三段烴源巖成熟度超過(guò)了1.0%，處于大量生排烴期，并有原油伴生氣生成；上部的須五段烴源巖處于生油高峰期。而川中地區(qū)須家河組烴源巖成熟度大多在0.7%左右，處于大量生油階段，原油在局部的圈閉中聚集成藏；而侏羅系烴源巖還處于未成熟階段。

白堊紀(jì)末期，須家河組烴源巖埋深達(dá)到了最大，靠近川西拗陷的地區(qū)須一段烴源巖成熟度超過(guò)了1.6%，處于干氣階段；須三段、須五段烴源巖成熟度介于0.8%～1.0%之間，進(jìn)入了大量生油階段。而川中地區(qū)須家河組烴源巖成熟度普遍介于1.0%～1.4%之間，由于地勢(shì)平緩，生成的凝析油及原油伴生氣在就近的圈閉中聚集成藏。

喜馬拉雅期以來(lái)，須家河組烴源巖的成熟度變化不大；但由于四川盆地所經(jīng)歷的強(qiáng)烈的隆升作用，川中地區(qū)剝蝕量多在2～3km，須家河組烴源巖生烴作用近乎停滯，與現(xiàn)今的烴源巖成熟度差異不大。

1.2 油氣成藏年代及充注期次

1.2.1 包裹體均一溫度法

前人研究認(rèn)為，須家河組儲(chǔ)層中的鹽水包裹體均一溫度分布較廣，呈現(xiàn)雙峰和多峰的形態(tài)，表明存在油氣的多期充注[8－10]。在本次研究中，川中地區(qū)須家河組儲(chǔ)層含烴鹽水包裹體均一溫度同樣呈現(xiàn)出雙峰型的特征（表1），前峰分布的溫度較低。結(jié)合地層埋藏史、古地溫史恢復(fù)結(jié)果，認(rèn)為油氣的充注對(duì)應(yīng)的地質(zhì)時(shí)期主要在晚侏羅世和古近紀(jì)末期；后峰分布的溫度較高，對(duì)應(yīng)的地質(zhì)時(shí)期主要在晚白堊世—新近紀(jì)初期。

1.2.2 自生礦物K－Ar法

須家河組儲(chǔ)層砂巖樣品中的黏土礦物主要為伊利石，還含少量綠泥石及高嶺石等其他黏土礦物。伊利石主要以片狀、蜷曲片狀及毛發(fā)狀分布在石英顆粒表面及粒間孔中，自生伊利石十分發(fā)育，可以滿足K－Ar法測(cè)定年齡樣品的要求。結(jié)果表明K－Ar年齡數(shù)據(jù)分布范圍為79～124Ma之間，對(duì)應(yīng)于白堊紀(jì)早中期—末期。儲(chǔ)層自生伊利石年齡反映了油氣充滿儲(chǔ)層的最早時(shí)間，伊利石同位素年齡給出了油氣藏形成期的最大地質(zhì)年齡[11，12]。

表1 流體包裹體均一溫度法確定油氣充注時(shí)間Table1 The method of fluid inclusions'homogeneous temperature to ensure the filling time of oil and gas

圖2 四川盆地安遂剖面生烴史模擬Fig.2 The simulation of hydrocarbon－generatinghistory in the Ansui section of Sichuan Basin

圖3 四川盆地須家河組主要構(gòu)造成藏時(shí)間對(duì)比Fig.3 The comparison of main structures'accumulation time of Xujiahe Formation in Sichuan Basin

在同一地區(qū)伊利石K－Ar年齡具有下早上晚的特征（圖3），廣安地區(qū)須四段成藏期比須六段早10Ma，遂南地區(qū)的岳2井須二段比須四段成藏時(shí)間早7Ma，八角場(chǎng)構(gòu)造須四段成藏時(shí)間也略晚于須二段10Ma左右，也有個(gè)別井如角45井須四段比須二段早5Ma，可能主要是受烴源巖條件及斷裂輸導(dǎo)油氣的影響。

自生伊利石K－Ar年齡與深度的關(guān)系分析表明，儲(chǔ)層深度越大，K－Ar年齡越大。廣安須六、合川潼南須二、遂南岳2井須二、須四的儲(chǔ)層深度都小于2.5km，對(duì)應(yīng)的成藏時(shí)間在79～97Ma B.P.之間；廣安—南充構(gòu)造須四段儲(chǔ)層深度在2.5～3km，對(duì)應(yīng)的成藏時(shí)間在89～98Ma B.P.之間；八角場(chǎng)地區(qū)須二、須四段儲(chǔ)層深度＞3km，對(duì)應(yīng)的成藏時(shí)間在94～124Ma B.P.。另外，不同構(gòu)造同一層位成藏時(shí)間也存在差異，以須四段氣藏為例，由西向東從八角場(chǎng)到南充再到廣安構(gòu)造，隨著地層埋深的逐漸變淺，成藏時(shí)間從106Ma B.P.到98Ma B.P.再到89Ma B.P.，具有成藏時(shí)間越來(lái)越晚的特征[13]（圖3）。

1.2.3 充填礦物ESR法

為了分析構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)天然氣充注的作用，針對(duì)營(yíng)山構(gòu)造須二段巖心裂縫充填的石英及方解石進(jìn)行了ESR法測(cè)定年齡（表2），同時(shí)參考了前人有關(guān)廣安、潼南等地區(qū)的年齡數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示次生石英結(jié)晶年齡為102.5～12.5Ma，相當(dāng)于燕山運(yùn)動(dòng)晚期、喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)中期的產(chǎn)物。而方解石脈年齡測(cè)定結(jié)果顯示，方解石形成于晚中新世，時(shí)間不早于8Ma B.P.，全部為喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)末期的產(chǎn)物。ESR法測(cè)定年齡的結(jié)果表明研究區(qū)裂縫形成有2期，即103～73Ma B.P.和29Ma B.P.至現(xiàn)今。在前一時(shí)期，裂縫發(fā)育的時(shí)間與烴源巖大量排烴的時(shí)間相一致，對(duì)油氣早期的運(yùn)移聚集起到了重要的作用；晚期形成的裂縫與喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的晚白堊世以來(lái)的構(gòu)造隆升作用相一致，為早期形成的古氣藏的改造和新氣藏定型階段。

綜合以上3種成藏年齡測(cè)定方法，并結(jié)合川中地區(qū)構(gòu)造演化史和烴源巖生烴史，認(rèn)為川中地區(qū)須家河組油氣成藏主要有3期，前2期分別為侏羅紀(jì)期間成熟和高成熟的烴類流體向儲(chǔ)層中的充注，后一期為晚白堊世以來(lái)的構(gòu)造隆升調(diào)整，對(duì)早期天然氣藏改造并再次成藏的過(guò)程。其中后一期在整個(gè)須家河組天然氣成藏過(guò)程中更為重要。

表2 川中地區(qū)營(yíng)山21井須二段石英及方解石ESR法年齡測(cè)定結(jié)果Table2 The result of age dating of quartz and calcite from Well Yingshan－21by the method of ESR in T3x2 of the central area of Sichuan

2 致密砂巖氣成藏機(jī)理

2.1 天然氣近距離運(yùn)移

川中地區(qū)須家河組儲(chǔ)層瀝青、凝析油中的三環(huán)萜烷和重排甾烷含量低，其三環(huán)萜烷／五環(huán)三萜烷和重排甾烷／規(guī)則甾烷的比值分別在0.14～0.31之間和0.02～0.33之間變化，與相鄰烴源巖的特征相似度高，未表現(xiàn)出明顯的運(yùn)移分餾效應(yīng)，表現(xiàn)為近距離運(yùn)移的特征。

2.2 天然氣以游離氣相充注為主

已有的分析數(shù)據(jù)表明，川中地區(qū)凝析油芳烴含量既沒(méi)有川西拗陷以水溶相運(yùn)移的天然氣高，也沒(méi)有以氣相運(yùn)移的天然氣低，介于兩者之間；天然氣的濃縮烴的芳烴含量總是略低于一同產(chǎn)出的凝析油芳烴含量，這些特點(diǎn)表明天然氣藏中有水溶氣的補(bǔ)充作用，但水溶氣的補(bǔ)充作用有限（圖4），以游離氣相為主。

圖4 天然氣在地層水中的溶解和脫溶軌跡Fig.4 The traces of dissolution and exsolution of the natural gas in formation water

2.3 隆升過(guò)程中天然氣的泄壓膨脹作用

前人對(duì)川中地區(qū)須家河組天然氣成藏的研究認(rèn)為，水溶氣脫溶效應(yīng)對(duì)天然氣的成藏有重要貢獻(xiàn)[14，15]。然而作者通過(guò)計(jì)算隆升過(guò)程中天然氣脫溶所造成的溶解度的改變量，認(rèn)為天溶氣脫溶對(duì)川中地區(qū)須家河組氣藏的貢獻(xiàn)較小。結(jié)合熱史演化結(jié)果，假設(shè)在隆升過(guò)程中的孔隙流體壓力為靜水壓力，可以得知單位體積的水最多可以脫溶出標(biāo)準(zhǔn)狀況下的甲烷5.56m3，最少僅有2.67m3（圖4）。

利用理想氣體的PVT狀態(tài)方程計(jì)算了單位體積的甲烷在隆升過(guò)程中體積的變化[16]，若有地層的抬升剝蝕，由于溫度和壓力的降低，氣體的體積便會(huì)膨脹而增加（圖5）。體積的增加量可以由地層的剝蝕量確定。川中地區(qū)磷灰石裂變徑跡的分析結(jié)果表明[17]，須家河組的最大埋深可以達(dá)到5.5km，晚白堊紀(jì)以來(lái)的剝蝕厚度達(dá)到3.4km，其體積變化可以從1.0增加到1.3，膨脹了30%（圖5）?？梢钥闯?，氣藏中游離氣相的天然氣在隆升過(guò)程中的卸壓膨脹作用對(duì)天然氣成藏過(guò)程中含氣飽和度的增加有重要貢獻(xiàn)，可以使本來(lái)游離的氣相變?yōu)檫B續(xù)的氣相，增加了浮力，使游離的天然氣能夠在儲(chǔ)層中運(yùn)移，排替出儲(chǔ)層中的孔隙水，這對(duì)構(gòu)造幅度小、巖性致密的川中須家河組儲(chǔ)層的天然氣充注來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

圖5 隆升過(guò)程中單位體積的甲烷在不同地溫梯度下的體積變化Fig.5 The volume change of one unit methane with different geothermal gradients in the uplifting process

3 結(jié)論

a.生烴史模擬結(jié)果表明，川中地區(qū)不同構(gòu)造須家河組烴源巖的生烴過(guò)程具有相似性，在中—晚侏羅世開(kāi)始進(jìn)入生烴門(mén)限，早白堊世達(dá)到生烴高峰，在晚白堊世以生成凝析油和凝析氣為主，白堊紀(jì)末期至今為構(gòu)造隆升階段，須家河組烴源巖生烴作用近乎停滯。不同構(gòu)造須家河組烴源巖在同一地史時(shí)期的成熟度演化存在著一定的差異，其主要原因是不同構(gòu)造所經(jīng)歷的構(gòu)造演化史不同。

b.通過(guò)包裹體均一溫度、自生礦物K－Ar法測(cè)定年齡和裂縫充填礦物ESR測(cè)定年齡對(duì)須家河組天然氣成藏年代和充注期次進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明川中地區(qū)須家河組油氣成藏主要有3期，前2期分別為侏羅紀(jì)期間成熟和高成熟的烴類流體向儲(chǔ)層中的充注，后一期為晚白堊世以來(lái)的構(gòu)造隆升調(diào)整，對(duì)早期天然氣藏改造并再次成藏的過(guò)程。其中后一期在構(gòu)造幅度小、巖性致密的須家河組天然氣成藏過(guò)程中更為重要。

c.川中地區(qū)須家河組儲(chǔ)層瀝青、凝析油中的生物標(biāo)志化合物參數(shù)與相鄰烴源巖的參數(shù)相似度高，表現(xiàn)為油氣近距離運(yùn)移的特征；而天然氣濃縮烴與凝析油輕烴芳烴分布特征表明，川中地區(qū)須家河組天然氣以游離氣相充注為主，水溶氣相為輔；在構(gòu)造隆升過(guò)程中，氣藏中游離氣相的天然氣卸壓膨脹作用對(duì)致密砂巖氣成藏改造定型至關(guān)重要。

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