川西坳陷馬井－什邡地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組天然氣運移特征

趙雙豐，張枝煥，李文浩，萬甜甜

（1．中國石油大學(xué) （北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249；2．中國石油大學(xué) （北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249；3．中國石油大學(xué) （華東）非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東 青島266580）

馬井－什邡構(gòu)造位于川西坳陷中段孝泉－豐谷隆起帶南部斜坡，是一個印支期－燕山期經(jīng)擠壓隆升形成的NE走向的低幅度隱伏式背斜隆起。其北部與新場和孝泉大型氣田相連，南部緊鄰成都凹陷生烴中心，天然氣充注程度高，油氣成藏條件十分有利，是川西地區(qū)新近重點勘探的含氣構(gòu)造帶。在馬井－什邡構(gòu)造高點東南翼發(fā)育有一系列逆斷層，下伏上三疊統(tǒng)烴源巖生成的天然氣可通過該斷層向上運移至淺層侏羅系儲層，并在有利圈閉中聚集成藏。目前馬井－什邡地區(qū)主力勘探層位為上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組，截至2013年底，蓬萊鎮(zhèn)組已獲得天然氣探明儲量超過1000億m3，展現(xiàn)出巨大的資源儲量和勘探潛力。

天然氣運移是一個伴隨著物理－化學(xué)變化的動態(tài)過程，氣體在輸導(dǎo)體系中運移時，由于受到色層效應(yīng)及各種水巖反應(yīng)的影響，其地球化學(xué)特征勢必呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性變化，正確分析這些變化趨勢是研究天然氣運移特征的重要方法。由于天然氣分子組成相對簡單，可用于示蹤運移的特征參數(shù)相對較少，同時相關(guān)影響因素繁多且復(fù)雜，因此，天然氣運移研究一直是油氣地質(zhì)領(lǐng)域中至關(guān)重要且又最為薄弱的環(huán)節(jié)［1－4］。

對于川西地區(qū)天然氣的運移特征，前人做過相關(guān)研究，并取得了一定的研究成果和認(rèn)識，但這些研究均是針對川西地區(qū)天然氣運移特征所具有的共性而展開的，并未具體分析各氣田中天然氣在運移上所具有的獨立特征［5－8］。本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研、巖芯觀察及實驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，綜合前人研究成果及區(qū)域構(gòu)造演化特征，選取多項運移示蹤參數(shù)，探討了馬井－什邡地區(qū)天然氣在垂向和側(cè)向上的二次運移規(guī)律及運移通道，并結(jié)合烴源巖生排烴史及油氣藏成藏期的相關(guān)研究成果，進(jìn)一步分析了天然氣發(fā)生大規(guī)模運移的時間窗，為后續(xù)油氣資源的勘探開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 天然氣分布特征

上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組是馬井－什邡氣田主力勘探目的層，現(xiàn)今埋深為900～2400m，沉積厚度約800～1000m，為三角洲－湖相沉積，主要含氣儲層發(fā)育在水下分流河道、河口壩等有利沉積微相砂體中。蓬萊鎮(zhèn)組巖性以泥頁巖與粉砂巖、砂巖互層為主，含少量礫巖，膠結(jié)類型多為孔隙式。由于分流河道的遷移、擺動，導(dǎo)致儲集巖的巖性在縱橫向上變化較大，非均質(zhì)性較強(qiáng)，形成大量沿上傾方向尖滅的巖性圈閉。

蓬萊鎮(zhèn)組自上而下可劃分為蓬四段（J3p4）、蓬三段（J3p3）、蓬二段（J3p2）、蓬一段（J3p1）四組氣藏，各氣藏縱向上相互疊置，每一段儲層內(nèi)均發(fā)育多套具有一定展布規(guī)模的砂組。錄井資料顯示，研究區(qū)內(nèi)蓬萊鎮(zhèn)組各氣藏總體含氣性較好，地層中無明顯氣水界線，地層水主要分布于蓬四段以及蓬三段上部，氣層主要集中在蓬萊鎮(zhèn)組中上部（圖1）。蓬四段的JP51，蓬三段的JP22、JP32、JP42、JP52以及蓬二段的JP8＋93等多套砂組相對發(fā)育，這幾套砂組分布范圍較廣、物性條件好，含氣飽和度高，是馬井－什邡地區(qū)的主力產(chǎn)層，什邡2、什邡3、什邡5、什邡7等多口氣井在上述產(chǎn)層經(jīng)加砂壓裂工藝改造后均獲工業(yè)氣流，預(yù)示著良好的勘探前景。

圖1 馬井－什邡地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組聯(lián)井剖面圖

2 天然氣類型及氣源分析

蓬萊鎮(zhèn)組天然氣主要由烴類氣體和非烴類氣體組成，烴類氣體中甲烷含量占絕對優(yōu)勢，乙烷含量相對較低，一般小于3%。干燥系數(shù)基本在0．95以上，為典型的干氣特征。非烴氣體含量不高，主要為N2，其它非烴氣體如CO2、H2、He等含量很低（表1）。天然氣烷烴碳同位素值δ13C1為－33．1‰～－30．6‰，δ13C2為 －26．5‰～ －22．6‰，δ13C3為－25．1‰～－20．6‰，δ13C4為－21．9‰～－20．4‰，按戴金星（1993）［9］提出的中國陸相地層天然氣類型判別標(biāo)準(zhǔn)，蓬萊鎮(zhèn)組天然氣屬于典型的煤型氣。

前人學(xué)者研究證實，對于同一母質(zhì)來源的天然氣，其甲烷碳同位素值δ13C1與成熟度Ro之間存在很好的相關(guān)性，并據(jù)此提出了符合我國煤型氣的回歸方程：“δ13C1（‰）＝14．12lgRo－34．39”［10］。因此，在不考慮地層水影響的前提下，依據(jù)δ13C1可計算相應(yīng)層位中天然氣的成熟度，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用氣源巖埋深與成熟度Ro的線性關(guān)系，即可計算出天然氣的氣源深度。計算結(jié)果表明，馬井－什邡地區(qū)侏羅系天然氣主要來自于下伏須家河組上部煤系烴源巖，這說明天然氣進(jìn)行了較長距離的運移，垂向運移距離為1500～3500m（圖2）。

表1 什邡地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組天然氣組分特征／%

圖2 利用δ13C1－Ro的關(guān)系式估算蓬萊鎮(zhèn)組天然氣來源

3 天然氣運移特征分析

天然氣運移分餾作用是指氣體組分在輸導(dǎo)體系中運移時，由于受色層效應(yīng)及在地層水中選擇性溶解作用的影響，其中分子量較小且極性較弱的組分在沿運移方向上更容易運移。目前較常用的天然氣運移示蹤參數(shù)包括甲烷碳同位素（δ13C），氣體干燥系數(shù)（C1／C1－5），iC4／nC4，非烴氣體組成等。綜合利用多項示蹤參數(shù)，相互印證，可以更準(zhǔn)確地反映天然氣的運移特征。

3．1 天然氣垂向運移

3．1．1 根據(jù)烴類化合物參數(shù)示蹤天然氣垂向運移

在運移作用占主導(dǎo)的情況下，天然氣中甲烷相對于乙烷及乙烷以上重?zé)N更易于運移［1，11］，因此在天然氣垂向運移過程中，隨運移距離的增加，天然氣中甲烷含量將逐漸升高，而重?zé)N含量逐漸降低，天然氣干燥系數(shù)逐漸增大。從圖3、圖4可以看出，馬井－什邡地區(qū)淺層天然氣中甲烷含量相對較高，隨氣層埋深增大，天然氣中各組分及干燥系數(shù)（C1／C1－5）呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，其中甲烷含量和干燥系數(shù)逐漸降低，而乙烷和丙烷含量逐漸升高，表現(xiàn)出受運移分餾作用影響的特征。

圖3 馬井－什邡地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組天然氣甲烷含量及干燥系數(shù)隨深度變化圖

3．1．2 根據(jù)非烴氣體參數(shù)示蹤天然氣垂向運移

非烴氣體也可用于示蹤天然氣的運移方向，CO2和N2是天然氣中最常見的非烴組分，常與烴類氣體相伴運移。與CH4相比，CO2分子直徑大、密度高且易溶于水。通常隨運移距離的增加，天然氣中CO2的含量逐漸降低、而CH4含量相對增高［12］。同理，由于N2分子直徑比C2H6小得多，在巖石孔隙中更易于擴(kuò)散和運移，因此，沿氣體運移方向上，N2／C2H6的比值將 逐 漸 增大［3］。在馬井－什邡地區(qū)，隨著地層埋深變淺，天然氣組分中CO2／CH4值逐漸變小，而N2／C2H6值逐漸變大（圖5），表現(xiàn)其明顯受垂向運移作用的影響。

圖4 馬井－什邡地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組天然氣中乙烷及丙烷含量隨深度變化圖

3．1．3 根據(jù)流體包裹體組成變化示蹤油氣垂向運移

通過對研究區(qū)內(nèi)多口探井儲層樣品的鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)流體包裹體中普遍有氣液兩相包裹體共生現(xiàn)象，且氣液兩相比重隨地層埋深呈現(xiàn)規(guī)律性變化。以臨近斷裂帶的馬18井為例，在該井埋深較大的沙溪廟組樣品油氣包裹體中（埋深3230m），液烴包裹體占90%±，氣烴包裹體占10%±；在埋深略淺的蓬一段樣品油氣包裹體中（埋深2195m），液烴包裹體占45%±，氣烴包裹體占55%±；而在蓬三段樣品油氣包裹體中（埋深1627m），液烴包裹體占35%±，氣烴包裹體占65%±（圖6）?？梢娖渲袣鉄N與液烴包裹體所占比重隨埋深呈現(xiàn)規(guī)律性變化，這正是油氣運移分餾作用產(chǎn)生的結(jié)果［13］。

圖5 馬井－什邡地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組天然氣中CO2／CH4值與N2／C2H6值隨深度變化圖

3．2 天然氣側(cè)向運移

由烴源巖層運移至儲層中的天然氣，可以沿儲層砂體繼續(xù)進(jìn)行側(cè)向運移。為探討天然氣進(jìn)入蓬萊鎮(zhèn)組后在儲層砂體中的運移方向，選取分析了馬井地區(qū)蓬二氣藏天然氣組分中CO2／CH4在平面上的變化特征并繪制等值線圖（圖7）。從圖中可以看出，氣藏中CO2／CH4比值在平面上存在明顯規(guī)律性變化，天然氣的主要運移指向有兩個，一部分天然氣向馬井構(gòu)造東北方向（馬蓬47井區(qū)－馬蓬43井區(qū)－馬蓬52井區(qū)）運移，另一部分天然氣沿斜坡帶砂體向上傾方向（馬井→什邡→新場）運移，整體上的側(cè)向運移方向為沿儲層砂體自南向北運移，即由天然氣高勢區(qū)向低勢區(qū)方向運移。

圖6 馬18井各層位砂巖包裹體組分特征

3．3 天然氣運移通道

天然氣在儲集層中的運移，尤其是進(jìn)行長距離運移時，其輸導(dǎo)體系主要由輸導(dǎo)層、斷層和不整合面組成。天然氣側(cè)向運移時，以輸導(dǎo)砂體和不整合面作為主要運移通道，在進(jìn)行垂向運移時則以斷層為主要運移通道。

在馬井構(gòu)造高點東南翼發(fā)育有一系列逆斷層，其中部分?jǐn)鄬右?guī)模較大，向下延伸至中三疊統(tǒng)以下，向上斷至上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組，總體上表現(xiàn)為由淺至深呈逐漸增強(qiáng)的趨勢，這一系列斷層形成于燕山晚期的構(gòu)造運動，定型于喜山期，縱向連通性很好，是淺部侏羅系儲層與下伏須家河組烴源層溝通的重要通道，下部天然氣沿著這組斷裂帶向上運移，在運移過程中如遇良好儲層，便可驅(qū)替地層水聚集成藏（圖8）。由油氣差異聚集原理可知，天然氣會首先選擇距離斷裂帶最近，溢出點最低的圈閉聚集成藏，因此斷裂發(fā)育帶附近的儲層更易成為有效圈閉。斷裂系統(tǒng)對馬井－什邡地區(qū)侏羅系氣藏的形成及儲層物性的改善起到了重要作用。

4 天然氣運聚成藏時間

馬井－什邡地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組天然氣主要來自于上三疊統(tǒng)須家河組煤系烴源巖，目前這套烴源巖的有機(jī)質(zhì)熱演化程度較高（Ro值普遍大于2%），處于干氣生成階段［14］。許多學(xué)者研究認(rèn)為晚侏羅世至晚白堊世為川西地區(qū)須家河組烴源巖的主要生排氣高峰期［14－16］，這一時期連通淺部侏羅系的斷裂帶尚未形成，須家河組天然氣以自生自儲為主，在須家河組儲層中形成大量原生氣藏。

圖7 馬井－什邡地區(qū)蓬二氣藏CO2／CH4比值示蹤天然氣沿砂體側(cè)向運移

圖8 馬井－什邡地區(qū)天然氣運移示意圖

燕山運動晚期至喜山運動早期這一階段，在構(gòu)造運動作用下，馬井－什邡地區(qū)部分須家河組原生氣藏受到調(diào)整和改造，同期形成的斷裂帶溝通了須家河組與淺層侏羅系地層，使大量深部天然氣可以大規(guī)模向上運移至蓬萊鎮(zhèn)組圈閉中，聚集形成淺層次生氣藏［17］。由此可知，研究區(qū)內(nèi)須家河組天然氣大規(guī)模向侏羅系運移的時間窗是在燕山運動晚期至喜山運動早期，即白堊紀(jì)末至古近紀(jì)早期。馬井－什邡地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組天然氣的主成藏期為晚白堊世晚期至古近紀(jì)晚期［18］，這與天然氣的大規(guī)模運移時間，以及烴源巖的主要生排烴期均匹配良好。

5 結(jié) 論

馬井－什邡氣田的主力勘探層位是上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組，天然氣藏集中在蓬萊鎮(zhèn)組中上部。蓬萊鎮(zhèn)組天然氣屬于典型的煤型氣，氣體組分中甲烷含量占絕對優(yōu)勢，其他重?zé)N及非烴氣體組分含量較少，干燥系數(shù)基本在0．95以上，為典型的干氣特征。

氣源對比結(jié)果表明，蓬萊鎮(zhèn)組天然氣主要來自于下 伏 須 家 河 組 煤 系 烴 源 巖，C1／C1－5、CO2／CH4、N2／C2H6及流體包裹體組成特征等多組示蹤參數(shù)綜合顯示，天然氣以燕山晚期形成的深大斷裂帶為運移通道，由須家河組垂向運移至蓬萊鎮(zhèn)組砂巖儲層，并沿輸導(dǎo)砂體由高勢區(qū)向低勢區(qū)側(cè)向運移，至適當(dāng)圈閉中聚集成藏，天然氣大規(guī)模運移時期為白堊紀(jì)末至古近紀(jì)早期，主成藏期為晚白堊世晚期至古近紀(jì)晚期。

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