川西坳陷中段須家河組致密砂巖氣藏成藏模式探討

尚長健，朱振宏，歐光習，王　君，樓章華

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院， 北京 100029； 2. 浙江大學 海洋學院， 浙江 舟山 316021)

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川西坳陷中段須家河組致密砂巖氣藏成藏模式探討

尚長健1，朱振宏2，歐光習1，王君2，樓章華2

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院， 北京 100029； 2. 浙江大學 海洋學院， 浙江 舟山 316021)

通過分析流體包裹體均一溫度和砂巖碳酸鹽膠結(jié)物氧同位素數(shù)據(jù)，并結(jié)合沉積-埋藏史，研究須家河組流體活動特征，進行儲層致密化分析. 在此基礎(chǔ)上，結(jié)合烴源巖演化、儲層致密化、流體活動等研究，探討川西坳陷須家河組致密砂巖氣藏成藏模式. 認為：須家河組具有形成“連續(xù)型”氣藏的地質(zhì)條件，砂巖持續(xù)致密化，自烴源巖沉積后持續(xù)生烴，流體包裹體的顯微觀測也表明油氣充注在持續(xù)進行. 據(jù)此認為，須家河組氣藏成藏模式是“前期邊致密邊成藏，后期裂縫發(fā)育成藏”.

致密砂巖氣藏；成藏模式；川西坳陷；須家河組

1927年在美國圣胡安盆地(San Juan Basin)首次發(fā)現(xiàn)致密砂巖氣藏，并于20世紀50年代進行生產(chǎn)開發(fā). 1976年又在加拿大阿爾伯達盆地(Alberta Basin)發(fā)現(xiàn)大型致密砂巖氣田. 目前在全球范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了多處致密砂巖氣藏，我國的鄂爾多斯盆地、四川盆地、吐哈盆地、松遼盆地、渤海灣盆地均發(fā)育有致密砂巖氣藏[1-3].

2011年11月實施的《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準——致密砂巖氣地質(zhì)評價方法(SY/T 6832-2011)》將覆壓基質(zhì)滲透率小于等于0.1×10-3μm2的砂巖氣藏定義為致密砂巖氣藏[4].戴金星[5]認為我國致密砂巖氣(含義較廣的深盆氣)幾乎占預測天然氣遠景資源量的1/2. 隨著水平井與壓裂改造等勘探技術(shù)的廣泛應用，國內(nèi)的致密砂巖氣進入快速發(fā)展時期. 截至2011年底，中國致密砂巖氣累計探明地質(zhì)儲量為3.3×1012m3，四川盆地須家河累計探明地質(zhì)儲量超過1.0×1012m3[6].

致密砂巖氣藏一般具有構(gòu)造平緩、埋藏較深、巖性致密、低孔滲、次生(溶蝕)孔隙相對較發(fā)育、高含水飽和度、高束縛水飽和度、電阻率較低、沉積物成熟度低、成巖程度高、毛細管壓力高以及無明顯的氣水界面、常具異常壓力、地質(zhì)儲量可觀、產(chǎn)量較低等特點[7]. 致密砂巖氣藏可分為“連續(xù)型”致密砂巖氣藏和“圈閉型”致密砂巖氣藏[8]. 前者上水下氣(氣水倒置)，儲源一體或者近源，沒有明顯的氣水界限，儲量大、豐度低，一般位于構(gòu)造的較低部位；后者上氣下水(氣水順置)，儲層規(guī)模較小但產(chǎn)量較高，一般位于構(gòu)造高部位.

理論上，存在“連續(xù)型”致密砂巖氣藏和“圈閉型”致密砂巖氣藏的界限，此界限的孔吼直徑即為臨界值. 在此臨界值之上的致密砂巖內(nèi)，由于天然氣的浮力和膨脹力可以克服毛細管力和摩擦力而形成“圈閉型”氣藏；在此臨界值之下的致密砂巖內(nèi)，由于天然氣的浮力和膨脹力較小，從而形成氣水倒置的“連續(xù)型”氣藏.在實際情況中，一般在“連續(xù)型”氣藏和“圈閉型”氣藏之間存在氣水過渡帶，其厚度與孔滲密切相關(guān).“連續(xù)型”氣藏具有動態(tài)平衡的特點[9-10]，即必須有源源不斷的烴源注入，其規(guī)模才可以保持并擴大.在“連續(xù)型”氣藏內(nèi)部，如果存在相對高孔滲的砂巖透鏡體或者裂縫發(fā)育的砂巖體，在其內(nèi)部形成豐度較高的天然氣藏，即為“甜點”(Sweet Spot). 甜點具有工業(yè)開采價值，是“連續(xù)型”氣藏勘探的目標，其規(guī)模和頻次決定油氣勘探和開發(fā)的價值[9].

在沒有外界干擾的情況下，天然氣成藏與儲層致密過程有4種理論模式：①先成藏后致密；②邊成藏邊致密；③先致密后成藏；④先致密后裂縫發(fā)育成藏. 目前，關(guān)于川西坳陷須家河組儲層致密化與油氣成藏的關(guān)系，主要存在兩大觀點：“先致密后成藏”[11-12]和“先成藏后致密”[13-16]. 前者主要是從有機質(zhì)成熟度、異常超壓等角度研究氣藏與儲層致密過程的先后關(guān)系，后者則主要是從地質(zhì)勘探角度獲得的認識.在研究該區(qū)氣藏與儲層致密的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)流體包裹體的均一溫度、碳酸鹽膠結(jié)物氧同位素數(shù)據(jù)相一致，結(jié)合烴源巖演化、儲層致密化、流體活動等研究，提出“前期邊致密邊成藏，后期裂縫發(fā)育成藏”的成藏模式.該模式可為須家河組致密砂巖氣藏的勘探開發(fā)提供理論依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實意義.

1　地質(zhì)背景

川西坳陷北接西秦嶺褶皺帶，西以龍門山斷裂帶為界，南接峨眉、瓦山斷塊，東與川中隆起平緩相接，面積近6×104km2，地表以白堊系尖滅線為邊界，在晚三疊世后演化成前陸盆地. 沿北川-安縣和臥龍-懷遠一線為界，將龍門山分為南段、中段和北段，受其影響的川西坳陷也分為南段、北段和中段[17]. 根據(jù)沉積和構(gòu)造形變特征，川西坳陷中段可分為5個構(gòu)造區(qū)帶(見圖1).

川西坳陷發(fā)育了巨厚的晚三疊統(tǒng)沉積，在20 Ma的時間沉積了4 000 m的地層[18]，具有西厚東薄的特點. 川西坳陷須家河組天然氣資源豐富，勘探潛力巨大[19-23]. 這主要歸功于厚度大、展布廣、有機質(zhì)含量高、品質(zhì)好的上三疊統(tǒng)含煤碎屑巖系. 縱向上，烴源巖主要是馬鞍塘組(T3m)、小塘子組(T3t)、須三段(T3x3)和須五段(T3x5)，在須二段(T3x2)和須四段(T3x4)中的部分泥頁巖也是高效烴源巖.其中，上三疊統(tǒng)的馬鞍塘組、小塘子組、須三段約占整個坳陷生烴量的60%[19]. 烴源巖有機質(zhì)類型，馬鞍塘組-小塘子組干酪根以優(yōu)質(zhì)的I型、II型為主，須三段、須五段干酪根以III 型為主[24].川西坳陷上三疊統(tǒng)烴源巖在不同地區(qū)、不同層位進入排烴門限和排烴高峰期的時間存在差異[25]，只有與烴源巖生排烴相配合的成藏才能形成大型天然氣藏.

圖1　川西坳陷構(gòu)造單元劃分圖Fig.1　Tectonic division of Western Sichuan Depression

川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組砂巖十分發(fā)育，主要發(fā)育于須二段，其次為須四段，須三和須五段中也發(fā)育有儲層砂巖.須二段和須四段是該區(qū)主要的儲層，粒徑以中-細粒為主, 大多數(shù)砂巖分選較好. 碎屑顆粒磨圓中等-較差, 以次棱角狀為主.須家河組砂巖儲層經(jīng)歷了強烈的成巖作用，普遍致密化，孔滲物性差[26-27]，孔隙度均值為4.49%，滲透率眾值小于0.1×10-3μm2. 由于川西坳陷的氣藏處于生長階段或者穩(wěn)定階段前期,因此川西坳陷須家河組氣藏具有異常超壓[28]. 馬鞍塘組、小塘子組、須三段和須五段為主力烴源巖，須二段和須四段為主要儲層，儲層與烴源層交互分布，呈“三明治”結(jié)構(gòu)[22].

2　樣品采集及測試方法

本研究采集了川西坳陷中段須家河組的巖心樣品，全部樣品送至核工業(yè)北京地質(zhì)研究院進行分析測試. 流體包裹體分析測試采用均一溫度法，利用LINKAM THMS 600型冷熱臺，儀器精度為0.1 ℃. 在25 ℃真空條件下，砂巖中的碳酸鹽膠結(jié)物與磷酸反應產(chǎn)生CO2氣體，利用Finnigan MAT-253氣體同位素質(zhì)譜儀分析氧同位素，采用SMOW標準，精度為0.03‰.

3　流體活動特征

在須家河組砂巖石英碎屑微裂縫和次生加大邊形成了大量的含烴鹽水包裹體.通過測試自生石英內(nèi)流體包裹體的均一溫度(見表1)，可以確定自生石英形成溫度.利用溫度結(jié)合川西坳陷的埋藏史-熱史曲線(見圖2)，即可估算時間.川西坳陷須家河組包裹體均一溫度分布范圍很廣，表明流體活動持續(xù)時間長. 須家河組砂巖內(nèi)的自生流體包裹體自地層沉積后一直在形成.

表1　自生石英礦物內(nèi)包裹體均一溫度統(tǒng)計

碳酸鹽膠結(jié)物是須家河組內(nèi)常見的膠結(jié)物之一，本研究選擇方解石膠結(jié)物發(fā)育的砂巖測定其氧同位素(見表2). 利用氧同位素可以計算古溫度：

T(℃)=16.9-4.38(δC-δW)+0.10(δC-δW)2，

其中，δC=10.25+1.010 25×δCaCO3，δW=41.2(設(shè)δH2O=0).

由上式，利用δ18OSMOW可計算須家河組砂巖方解石膠結(jié)物形成的溫度. 根據(jù)川西坳陷埋藏史-熱史估算的須家河組方解石膠結(jié)物形成時間，與利用包裹體均一溫度估算的時間基本一致，自須五段沉積期開始，一直持續(xù)到白堊紀. 可見，須家河組砂巖儲層自須五段沉積期后至白堊紀一直處于持續(xù)致密化階段.

表2　方解石膠結(jié)物δ18OSMOW統(tǒng)計表

4　烴源巖的生烴過程

上三疊統(tǒng)烴源巖厚度大、展布廣，有機質(zhì)豐度高、品質(zhì)較好，在地史演化過程中生成了豐富的天然氣，為本地區(qū)須家河組天然氣藏的形成提供了必備的氣源條件. 川西坳陷烴源巖演化西早東晚，西高東低，主要是由西深東淺的構(gòu)造特點決定的. 上三疊統(tǒng)須家河組天然氣以煤型氣為主，局部地區(qū)存在油型-煤型混合氣[30-31]. 采集的樣品裂縫中含有大量瀝青(見圖3)，須二段和須四段均有此特點，推測研究區(qū)曾有過大量的原油運聚成藏，后期由于高溫裂解而形成天然氣藏.

圖2　川西坳陷埋藏史-熱史及流體活動時間[29]Fig. 2　Burial and thermal history and geofluid activity of Western Sichuan Depression[29]

圖3　須家河組發(fā)育瀝青樣品圖Fig.3　Pitch sample in Xujiahe Formation

對于下含氣系統(tǒng)，馬鞍塘組與小塘子組為主要烴源巖.在須二段儲層內(nèi)有大量反射率較高的瀝青(見圖3)，推測為油藏裂解后的殘余物，并且存在油型-煤型混合氣，證實須二段存在古油藏[31]. 晚三疊世末，馬鞍塘組-小塘子組進入早期生油階段；至晚侏羅世末，馬鞍塘組-小塘子組全部進入原油裂解成濕氣和干氣階段[32]. 須三段烴源巖的天然氣也有部分進入須二段儲層內(nèi)，由于需要克服浮力作用，因此能進入須二段的天然氣很有限.

對于上含氣系統(tǒng)，須三段和須五段是主要烴源巖.晚三疊世末須三段進入生氣階段；在白堊紀末期須三段大量生氣.在早侏羅世-中侏羅世末，須五段烴源巖開始生氣；在白堊紀末期，須五段大量生氣.

5　須家河組氣藏成藏模式

形成“連續(xù)型”氣藏需要以下地質(zhì)條件：①烴源巖生氣強度大，并且儲層近源；②儲層致密；③埋深較大；④位于深坳陷或者單斜構(gòu)造帶[2,33].

川西坳陷須家河組具有持續(xù)生烴的馬鞍塘組-小塘子組、須三段和須五段烴源巖，烴源條件足以與Alberta盆地媲美；儲層致密，孔隙度均值為4.49%，滲透率均值小于0.1×10-3μm2；位于龍門山前緣，處于前陸盆地的深坳陷部及斜坡帶，并且主體深埋在3 000 m以下. 川西坳陷須家河組符合上述條件，具有形成“連續(xù)型”氣藏的地質(zhì)條件.

通過自生石英流體包裹體、砂巖方解石膠結(jié)物形成年齡估算，可知自須二段、須四段沉積以后就開始形成自生礦物.自生礦物持續(xù)生成，并且川西坳陷一直處于構(gòu)造擠壓階段，造成砂巖持續(xù)致密. 同時，自須二段和須四段沉積后烴源巖持續(xù)生烴. 流體包裹體的顯微觀測也表明，油氣充注在持續(xù)進行.

包裹體的形成持續(xù)時間很長，自第1期排烴的晚三疊世中-晚期持續(xù)到第2期的中-晚侏羅世[34]. 伊利石K-Ar測年主要在晚侏羅世-早白堊世，由于天然氣大規(guī)模成藏才阻止了伊利石的生成. 此外，喜山運動抬升剝蝕期間發(fā)育了大量的裂縫，裂縫內(nèi)自生方解石及石英的ESR測年顯示，其形成在古新統(tǒng)、始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)[35]. 在此期間，晚三疊世末和中侏羅世-早白堊世流體活動劇烈，是天然氣充注較快的時期.

根據(jù)對烴源巖演化、儲層致密化、流體活動等的研究，筆者認為須家河組氣藏的成藏模式為“前期邊致密邊成藏，后期裂縫發(fā)育成藏”(見圖4).

圖4　川西坳陷須家河組氣藏成藏模式圖Fig. 4　Gas accumulation mode of Xujiahe Formation in the Western Sichuan Depression

在喜山運動之前，須家河組烴源巖持續(xù)生烴[13,20,36]，并且盆地流體持續(xù)活動，油氣運移過程中在合適的地質(zhì)條件下形成油氣藏. 印支晚期，須家河組儲層的孔吼半徑還未達到臨界值，因此形成的全部是“圈閉型”油氣藏，此時龍門山雛形顯現(xiàn)，須二段在龍門山前緣形成了大量的背斜圈閉油氣藏和巖性圈閉油氣藏，須四段由于無有效蓋層，此時尚未形成油氣藏(見圖4(a)).

至燕山運動中晚期，由于前期構(gòu)造活動強烈，龍門山開始快速隆升，在龍門山前緣形成了大量的逆沖斷層.此時須二段油藏裂解為濕氣或者干氣. 川西坳陷的中東部地區(qū)由于受到構(gòu)造影響較小，坳陷中心形成大規(guī)模的“連續(xù)型”致密砂巖氣藏，而“圈閉型”致密砂巖氣藏依然存在；在川西坳陷西部，原來形成的氣藏遭受破壞，形成了新的“圈閉型”致密砂巖氣藏(見圖4(b)).

印支晚期，受喜山運動的影響，龍門山強烈逆沖推覆，高差巨大. 早期形成的氣藏遭受破壞調(diào)整，“連續(xù)型”致密砂巖氣藏范圍縮小，“圈閉型”致密砂巖氣藏規(guī)模降低，天然氣沿著斷層向上運移. 喜山運動造成儲層內(nèi)裂縫發(fā)育，改善了儲層物性，在須家河組內(nèi)形成數(shù)量眾多的“圈閉型”氣藏，特別是在龍門山前緣強烈構(gòu)造發(fā)育帶形成眾多小規(guī)模的“圈閉型”致密砂巖氣藏(見圖4(c)).

川西坳陷須家河組經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，存在復雜的成巖作用，從而導致儲層高度致密化.天然氣成藏機理復雜，研究表明，主要有“邊砂巖致密邊成藏”和“先致密后裂縫發(fā)育成藏”2種模式. 喜山期以前，由于致密化程度與供排烴匹配的關(guān)系，須家河組地層形成了不同類型的砂巖致密氣藏，即“圈閉型”致密砂巖氣藏和“連續(xù)型”致密砂巖氣藏.須家河組孔隙內(nèi)出現(xiàn)了氣水正常和氣水倒置等情況，并有大面積的氣水過渡帶.喜山運動導致川西坳陷整體抬升剝蝕，大量微裂縫發(fā)育，油氣調(diào)整形成大量的“圈閉型”致密砂巖氣藏，氣水關(guān)系正常.而在沒有微裂縫發(fā)育地區(qū)，原形成的“連續(xù)型”氣藏內(nèi)，仍然存在氣水倒置的現(xiàn)象.由于斷層的切割，“連續(xù)型”致密砂巖氣藏和“圈閉型”致密砂巖氣藏規(guī)模均較前期范圍小，氣水關(guān)系更為復雜.同時，川西坳陷須家河組還存在受深層的越流及古大氣水下滲的影響，令川西坳陷須家河組氣藏氣水關(guān)系復雜化.

6　結(jié)　論

6.1根據(jù)川西坳陷埋藏史-熱史估算的須家河組方解石膠結(jié)物形成時間，與利用包裹體均一溫度估算的時間基本一致，均自須五段沉積期開始，一直持續(xù)到白堊紀. 并且川西坳陷一直處于構(gòu)造擠壓階段，造成砂巖持續(xù)致密化.

6.2川西坳陷須家河組具有“連續(xù)型”氣藏形成的地質(zhì)條件，砂巖持續(xù)致密化，自須二段和須四段沉積后烴源巖持續(xù)生烴.對流體包裹體的顯微觀測也表明，油氣充注在持續(xù)進行. 根據(jù)對烴源巖演化、儲層致密化、流體活動等的研究，筆者認為須家河組氣藏的成藏模式是“前期邊致密邊成藏，后期裂縫發(fā)育成藏”.

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Study on gas accumulation modes of Xujiahe Formation tight sand gas reservoirs, in the middle of Western Sichuan Depression, China.

SHANG Changjian1, ZHU Zhenhong2, OU Guangxi1, WANG Jun2, LOU Zhanghua2

(1.BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing100029，China; 2.OceanCollege,ZhejiangUniversity,Zhoushan316021,ZhejiangProvince,China)

Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2016,43(5):580-586

Combined with the burial and thermal history of Western Sichuan Depression, homogenization temperature of geofluid inclusion and oxygen isotope of carbonate cement are used to study the geofluid activity of Xujiahe Formation. And then sandstone densification is analyzed. A study on gas accumulation modes of tight sand gas reservoirs of Xujiahe Formation in the Western Sichuan Depression is conducted based on evolution of hydrocarbon source rocks, sandstone densification and geofluid activities, and so on. It concludes that (i) the Xujiahe Formation of Western Sichuan Depression meets all the factors of continuous tight sand gas reservoir, (ii) the sandstone of Xujiahe Formation continues to be identified, (iii)source rocks of the Xujiahe Formation can continuously produce hydrocarbon since their deposition, and (iv)the microscopic observation of geofluid inclusion shows that hydrocarbon continuously charges. Based on the above results, a model of the Xujiahe Formation gas accumulation is presented, namely gas accumulation is synchronization with sandstone densification in the earlier stage and gas accumulation restarts after cracks formed in the later stage.

tight sand gas reservoirs; gas accumulation mode; Western Sichuan Depression; Xujiahe Formation

2014-05-12.

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室資助項目(PLC201002)；國家科技重大專項(2011ZX05002-006-003HZ，2011ZX05005-003-008HZ).

尚長健(1985-)，ORCID:http://orcid,org/0000-0002-9408-6225,男，博士，工程師，主要從事地質(zhì)流體地球化學研究，E-mail: shangchangjian@gmail.com.

10.3785/j.issn.1008-9497.2016.05.015

P 534.3

A

1008-9497(2016)05-580-07