松遼盆地徐深氣田致密火山巖氣藏氣水分布特征及主控因素

周 翔，于世泉，張大智，于海生，陳 曦

(中國(guó)石油 大慶油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院， 黑龍江 大慶 163712)

地下儲(chǔ)集空間內(nèi)各種流體的分布特征是油氣開(kāi)發(fā)的核心。近年來(lái)隨著致密砂巖、頁(yè)巖和火山巖等非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的發(fā)現(xiàn)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到儲(chǔ)層中油、氣、水的分布不僅僅是構(gòu)造和重力作用的結(jié)果，儲(chǔ)層物性、烴源巖展布和微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)地下流體分布的形成也具有重要控制作用[1]。對(duì)致密儲(chǔ)層內(nèi)流體分布特征，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如Spencer(1989)發(fā)現(xiàn)圣胡安盆地致密砂巖氣藏中存在廣泛的氣水倒置現(xiàn)象[2]；Low(2002)提出儲(chǔ)層物性制約氣水過(guò)渡帶的厚度，氣藏不同部位儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致縱向上氣水過(guò)渡帶厚度不一[3]；樊茹等(2009)認(rèn)為烴源巖與薄層砂巖間互式分布、供烴能力分散，是造成須家河組致密砂巖氣藏含氣層段多、氣水關(guān)系復(fù)雜的根本原因[4]；桑琴等(2012)強(qiáng)調(diào)不同巖溶區(qū)域的水動(dòng)力條件控制了蜀南地區(qū)茅口組碳酸鹽巖氣藏氣水分布，而構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響氣水分布的調(diào)整[5]；孟德偉等(2016)發(fā)現(xiàn)蘇里格氣田盒8段致密砂巖氣藏?zé)o統(tǒng)一氣水界面，氣水分布受生烴強(qiáng)度、儲(chǔ)集層距烴源巖的距離、砂泥巖的配置關(guān)系及復(fù)合砂體內(nèi)部物性差異等因素的聯(lián)合作用[6]。這些研究表明致密巖性氣藏內(nèi)氣水關(guān)系受多種因素制約，具有復(fù)雜的分布特征。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置(a)及營(yíng)一段火山巖頂面構(gòu)造圖(b)Fig.1 The location of the study area (a),and a structural map showing the top surface of the 1st member of the Yingcheng Formation(b)

火山巖氣藏是形成于一定構(gòu)造背景下的巖性氣藏，氣水分布兼具構(gòu)造氣藏和巖性氣藏特征，氣藏內(nèi)氣水分布特征及其主控因素更為復(fù)雜，強(qiáng)烈的非均質(zhì)性和復(fù)雜的巖性制約了這類(lèi)氣藏氣水分布特征的認(rèn)識(shí)。本次研究在徐深氣田火山機(jī)構(gòu)刻畫(huà)的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣藏成藏條件分析，系統(tǒng)總結(jié)致密火山巖氣藏氣水分布規(guī)律及主控因素，以期為這類(lèi)氣藏的高效開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

徐深氣田是中國(guó)東部最大的火山巖氣藏，構(gòu)造上位于松遼盆地深層中央坳陷區(qū)徐家圍子斷陷帶南部(圖1)，主要含氣層位下白堊統(tǒng)營(yíng)城組以酸性噴發(fā)巖為主，儲(chǔ)層致密，孔隙度小于5%，滲透率小于1×10-3μm2，屬典型的中-低孔、低-特低滲儲(chǔ)層[7]。研究區(qū)火山巖氣藏為不同噴發(fā)期次形成的相對(duì)獨(dú)立的火山機(jī)構(gòu)所控制，形成大面積疊置分布的火山巖巖性氣藏及巖性-構(gòu)造氣藏。自2000年發(fā)現(xiàn)至今，徐深氣田已累積提交地質(zhì)儲(chǔ)量近3 000×108m3，隨著氣藏開(kāi)發(fā)的深入，氣井水侵現(xiàn)象嚴(yán)重、水氣比不斷攀升，已成為制約氣藏開(kāi)發(fā)的主要因素。因此，明確該氣藏氣水分布特征及主控因素，就成為徐深氣田火山巖氣藏高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。

2 火山機(jī)構(gòu)精細(xì)刻畫(huà)

火山機(jī)構(gòu)是在一定時(shí)空范圍內(nèi)源于同一火山通道具有共生關(guān)系的所有火山物質(zhì)經(jīng)堆積而形成的具有特定形狀和規(guī)模的地質(zhì)體，包括火山通道、火山口、火山錐、放射狀和環(huán)狀巖墻群等與火山作用有關(guān)的巖石-構(gòu)造體[8]。研究區(qū)營(yíng)城組火山巖屬裂隙-中心式噴發(fā)，早白堊世受伊澤奈奇板塊向北西方向高速俯沖，松遼盆地發(fā)生大規(guī)?；鹕交顒?dòng)[9]，形成大面積疊置的火山機(jī)構(gòu)構(gòu)成了松遼盆地深層良好的天然氣儲(chǔ)層。研究區(qū)營(yíng)城組火山機(jī)構(gòu)與上覆圍巖間反射特征差異明顯，剖面上營(yíng)一段火山機(jī)構(gòu)外形呈丘狀，內(nèi)部則表現(xiàn)為強(qiáng)振幅、低頻的反射特征，同相軸呈斷續(xù)分布，具有低角度斜交、平行和空白雜亂反射結(jié)構(gòu)(圖2)。同時(shí)營(yíng)城組火山巖范圍內(nèi)同相軸頻率較低，連續(xù)性較差，和外圍地層存在明顯的界限，在時(shí)間切片上與圍巖差異明顯，通過(guò)時(shí)間切片和相干體時(shí)間切片可有效識(shí)別研究區(qū)營(yíng)城組火山口和火山通道的平面分布[10]。依據(jù)地震反射特征，結(jié)合單井巖性、巖相特征，在研究區(qū)營(yíng)一段火山巖中共識(shí)別出29個(gè)火山機(jī)構(gòu)。營(yíng)一段火山機(jī)構(gòu)埋藏深度約3 000～4 200 m，主要分布在3 600 m左右，沿徐中斷裂呈串珠狀分布，縱向上火山機(jī)構(gòu)相互疊置，不同火山機(jī)構(gòu)間以巖性、巖相為分界面，反射特征存在差異；平面上火山機(jī)構(gòu)疊加連片，面積從4.50～171.89 km2不等，形成近500 km2的火山巖分布區(qū)，是研究區(qū)深層天然氣藏的主要發(fā)育區(qū)。

3 氣藏氣水分布特征

受重力分異作用影響，天然氣通常向上匯聚于構(gòu)造高部位，而地層水則下滲聚集在構(gòu)造低部位，形成隨構(gòu)造起伏而變化的氣水界面，在同一構(gòu)造上常具有統(tǒng)一的氣水界面[11]。而營(yíng)城組致密火山巖氣藏氣水分布以火山機(jī)構(gòu)為單位，相鄰火山機(jī)構(gòu)內(nèi)氣水分布彼此獨(dú)立，同一火山機(jī)構(gòu)內(nèi)也可存在多個(gè)氣水系統(tǒng)。

3.1 不同火山機(jī)構(gòu)具有不同氣水界面

研究區(qū)火山巖氣藏氣水分布不均，縱向上氣層、差氣層分布于營(yíng)一段Ⅲ氣層組，氣水同層、水層則集中于營(yíng)一段Ⅰ,Ⅱ氣層組，總體呈上氣下水的分布特征。氣藏分布受火山機(jī)構(gòu)所圍限，不同火山機(jī)構(gòu)間氣水分布差異明顯，具有不同的氣水界面。如徐深9-3井鉆遇⑥號(hào)火山機(jī)構(gòu)，深度3 682.0～3 776.0 m解釋為氣層，壓后日產(chǎn)氣36.66×104m3，深度3 776.0～3 955.7 m為氣水同層，氣水界面深度為3 600 m；而相鄰9-4井鉆遇⑦號(hào)火山機(jī)構(gòu)，深度3 783.2～3 841.0 m解釋為氣層，壓后日產(chǎn)氣14.56×104m3，深度3 841.0～3 844.0 m為干層，氣水界面深度為3 653 m，比相鄰⑥號(hào)火山機(jī)構(gòu)低約50 m(圖3a)。

3.2 相鄰火山機(jī)構(gòu)內(nèi)氣水分布彼此獨(dú)立

相鄰兩個(gè)相互疊置的火山機(jī)構(gòu)間不同的氣水系統(tǒng)也可具有相同的氣水界面(圖3b)。如徐深301井和徐深3井分別鉆遇相鄰的①號(hào)、②號(hào)火山機(jī)構(gòu)，其中徐深301井深度3 934.0～4 010.0 m解釋為差氣層，壓后日產(chǎn)氣7.94×104m3，深度4 010.0～4 074.6 m和4 074.6～4 238.0 m分別為干層和水層，氣水界面深度為3 830 m；徐深3井深度3 934.2～3 951.8 m處解釋為差氣層，壓后日產(chǎn)氣4.19×104m3，深度3 951.8～3 957.0 m和3 957.0～3 987.8 m分別為干層和氣水同層，氣水界面深度為3 830 m。徐深301井和徐深3井雖具有相同的氣水界面，但位于二者之間的徐深3-1井以干層為主，表明二者之間的氣、水層不連通，屬于兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的氣水系統(tǒng)。

圖3 徐深氣田營(yíng)一段火山巖氣藏剖面(剖面位置見(jiàn)圖1)Fig.3 A diagram showing the cross-section of the volcanic gas reservoir in the 1st member of the Yingcheng Formation,Xushen gas field (see Fig.1 for the cross-section location)a.過(guò)XS9-4井—XS901井氣藏剖面;b.過(guò)XS301井—XS3井氣藏剖面;c.過(guò)XS902井—XS903井氣藏剖面

3.3 同一火山機(jī)構(gòu)具有不同的氣水系統(tǒng)

同一火山機(jī)構(gòu)內(nèi)也可存在多個(gè)不同的氣水系統(tǒng)。如鉆遇⑥號(hào)火山機(jī)構(gòu)的徐深902井、徐深9-3井和徐深9井具有不同的氣水界面(圖3c)，其中徐深902井深度3 763.6～3 822.4 m為差氣層，壓后日產(chǎn)氣21.11×104m3，深度3 822.4～4 012.0 m和4 012.0～4 101.6 m分別為干層和含氣水層，綜合判斷氣水界面深度為3 640 m；徐深9-3井深度3 682.0～3 776.0 m解釋為氣層，壓后日產(chǎn)氣36.66×104m3，深度3 776.0～3 955.7 m為氣水同層，氣水界面為3 600 m；徐深9井深度3 648.6～3 706.8 m處解釋為氣層，壓后日產(chǎn)氣20.94×104m3，深度3 706.8～3 848.0 m和3 852.0～3 911.4 m分別為干層和氣水同層，氣水界面深度為3 690 m，其中位于構(gòu)造高部位的徐深9-3井比相對(duì)低部位的徐深902井氣水界面高40 m，表明⑥號(hào)火山機(jī)構(gòu)內(nèi)存在多個(gè)氣水系統(tǒng)(圖4)。

4 氣水關(guān)系主控因素

4.1 烴源巖展布控制氣水宏觀分布

火山巖自身不具備生烴能力，只有臨近有利烴源巖才能形成油氣藏[12]。研究區(qū)主力烴源巖沙河子組為湖沼相腐植型煤系烴源巖，目前處于高-過(guò)成熟階段，其中TOC大于0.5%的暗色泥巖厚度一般在200～500 m，最大可達(dá)1 000 m，凹陷中部生氣強(qiáng)度普遍超過(guò)10×108m3/km2，最大可達(dá)(120～250)×108m3/km2。巨厚的烴源巖層不僅為火山巖氣藏形成提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)，也控制了氣水的宏觀展布。由于火山巖氣藏儲(chǔ)層致密且非均質(zhì)性強(qiáng)，天然氣難以進(jìn)行遠(yuǎn)距離側(cè)向運(yùn)移，因此只有靠近生烴凹陷的火山機(jī)構(gòu)中氣層發(fā)育，如徐深14和徐深3等靠近生烴凹陷中心暗色泥巖厚度大于400 m、生氣強(qiáng)度大于20×108m3/km2的井多為高產(chǎn)氣井，且含水飽和度較低，而遠(yuǎn)離生烴凹陷烴源巖厚度小于400m或缺乏有效通源斷層的火山機(jī)構(gòu)的鉆井如芳深901、徐深18則主要為水層、氣水同層(圖5)。

4.2 火山機(jī)構(gòu)圍限氣藏展布

研究區(qū)不同期次火山活動(dòng)形成的火山機(jī)構(gòu)間疊置分布，以巖性、巖相為界面，彼此互不連通，不同火山機(jī)構(gòu)內(nèi)火山巖具有自儲(chǔ)自蓋特征，由裂隙-中心式噴發(fā)形成的火山機(jī)構(gòu)頂部發(fā)育以熔結(jié)角礫巖為主的爆發(fā)相火山巖，強(qiáng)烈的熔結(jié)作用使碎屑物質(zhì)間緊密連接，原生孔隙較少甚至不發(fā)育，進(jìn)一步限制了次生溶蝕作用，造成火山機(jī)構(gòu)頂部巖石致密、物性差，可作為火山巖儲(chǔ)層的直接蓋層[13]?；鹕綆r的這一特征造成火山機(jī)構(gòu)對(duì)氣藏的分隔，使火山機(jī)構(gòu)成為天然氣聚集成藏的基本單元。如徐深9井營(yíng)一段發(fā)育深度3 586.6～3 616.0 m和3 629.4～3 636.4 m兩套氣層，兩套氣層均以流紋巖為主，但兩套氣層分屬⑦號(hào)和⑥號(hào)火山機(jī)構(gòu)，其中⑥號(hào)火山機(jī)構(gòu)頂部深度3 616.0～3 629.4 m處發(fā)育13.4 m厚的綠色流紋質(zhì)火山角礫巖，測(cè)井解釋為干層，構(gòu)成⑥號(hào)火山機(jī)構(gòu)頂部良好的蓋層(圖6)?；鹕綑C(jī)構(gòu)的發(fā)育限制了天然氣藏的展布，每個(gè)火山機(jī)構(gòu)可構(gòu)造一個(gè)獨(dú)立的油氣儲(chǔ)集單元。

4.3 構(gòu)造作用影響氣藏調(diào)整改造

構(gòu)造作用是影響火山巖氣藏分布的重要因素，營(yíng)城組火山巖自形成后經(jīng)歷了營(yíng)城組末期、泉頭組末期—青山口組沉積時(shí)期和嫩江組等3期斷裂活動(dòng)，且后兩期斷裂活動(dòng)對(duì)火山巖氣藏的形成、改造具有重要影響。泉頭組末期沙河子組烴源巖成熟并開(kāi)始排烴，而營(yíng)城組火山巖物性差，且各火山機(jī)構(gòu)間不連通，天然氣缺乏有效的橫向運(yùn)移通道。只有斷裂與烴源巖、火山機(jī)構(gòu)有機(jī)配合才能形成良好的天然氣藏，因此，由斷裂活動(dòng)構(gòu)建起營(yíng)城組火山巖與下覆沙河子組烴源巖間的以大規(guī)模走滑斷層為主的垂向通道就顯得尤為重要。巖心觀察表明嫩江組末期斷裂活動(dòng)形成大量高角度裂縫縫面平滑，切穿早期裂縫，進(jìn)一步改善了火山巖儲(chǔ)層連通性，此時(shí)沙河子組烴源巖正處于生烴高峰期(圖7)，聚集于沙河子組內(nèi)的熱裂解氣優(yōu)先向位于斷裂附近的火山機(jī)構(gòu)聚集，如靠近斷層的徐深3井發(fā)育多套氣層，而鉆遇同一火山機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離斷裂的徐深3-1井則以水層、干層為主。斷裂活動(dòng)還將原本統(tǒng)一的火山機(jī)構(gòu)分隔成多個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)滲單元，各儲(chǔ)滲單元內(nèi)氣、水互不連通，形成相對(duì)獨(dú)立的氣水系統(tǒng)，造成同一火山機(jī)構(gòu)內(nèi)存在多個(gè)氣水系統(tǒng)的現(xiàn)象。

圖5 徐深氣田烴源巖厚度與氣藏分布關(guān)系Fig.5 The relationship between the thickness of source rocks and gas reservoir distribution in Xushen gas field

4.4 儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)制約儲(chǔ)層內(nèi)氣水分異

火山巖儲(chǔ)層的微觀孔隙既是天然氣的儲(chǔ)集空間，又是成藏過(guò)程中重要的輸導(dǎo)體系，其質(zhì)量直接決定了儲(chǔ)層內(nèi)天然氣的運(yùn)聚和分布狀態(tài)[14]。物性較好的儲(chǔ)層毛細(xì)管力較小，相應(yīng)的充注阻力較小，天然氣容易進(jìn)入并驅(qū)替地層水，而物性較差的儲(chǔ)層運(yùn)移阻力大，需要克服充注阻力的充注起始?jí)毫Ω?，因此，烴類(lèi)優(yōu)先充注于物性相對(duì)較好的儲(chǔ)層。149塊樣品分析表明，研究區(qū)水層、氣水同層孔隙度分布在1.26%～7.23%，滲透率為(0.05～0.37)×10-3μm2，而氣層、差氣層孔隙度和滲透率分別為5.31%～16.87%和(0.17～6.16)×10-3μm2，明顯好于水層、氣水同層(圖8)。氣層、差氣層樣品的喉道半徑較大，毛細(xì)管力相對(duì)較小，相應(yīng)的地層條件下運(yùn)移阻力較小。而水層、氣水同層樣品喉道較小，儲(chǔ)層毛細(xì)管力相對(duì)較高，復(fù)雜的孔喉結(jié)構(gòu)導(dǎo)致儲(chǔ)層中滯留水飽和度高，地層水在成藏過(guò)程中難以被驅(qū)替，阻礙了天然氣向上運(yùn)移。儲(chǔ)層非均質(zhì)性控制下的差異性充注成藏造成物性較高的儲(chǔ)層中天然氣富集，而物性較差的儲(chǔ)層則以氣水同層、水層為主的分布格局。

成藏后儲(chǔ)層內(nèi)氣水分布是毛細(xì)管力與天然氣向上浮力共同作用的結(jié)果。只有浮力大于儲(chǔ)層毛細(xì)管阻力，地層水才能完全被驅(qū)替形成氣層，否則就會(huì)有部分孔隙中剩余地層水而形成氣水同層。浮力的大小與氣柱高度密切相關(guān)，隨儲(chǔ)層物性變好，儲(chǔ)層內(nèi)氣水完全分異所需的氣柱高度也隨之減小，形成氣頂所需的閉合度就越低，反之則氣水徹底分異所需的構(gòu)造閉合度也越高，在相同構(gòu)造條件下易形成寬闊的氣水過(guò)渡帶。根據(jù)研究區(qū)天然氣高壓物性和儲(chǔ)層高壓壓汞，推算營(yíng)城組火山巖氣水分異所對(duì)應(yīng)的氣柱高度，結(jié)果表明：當(dāng)孔隙度大于15%時(shí)，氣水完全分異所需的氣柱高度為76 m，當(dāng)孔隙度分別為10%～15%和5%～10%時(shí)，氣水完全分異所需的氣柱高度為89 m和132 m，當(dāng)孔隙度小于5%時(shí)，氣水完全分異所需的氣柱高度則為262 m(圖9)。研究區(qū)火山巖圈閉構(gòu)造幅度在30～220 m，因此只有火山機(jī)構(gòu)中構(gòu)造高部位的儲(chǔ)層物性較好的圈閉氣水分異徹底，而火山機(jī)構(gòu)邊部?jī)?chǔ)層物性較差、閉合高度低的圈閉則表現(xiàn)為寬緩的氣水過(guò)渡帶，呈現(xiàn)氣水混雜分布的特征。

圖6 徐深氣田徐深9井營(yíng)一段火山巖儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)Fig.6 The comprehensive evaluation of volcanic reservoir in the 1st member of the Yingcheng Formation in Well 9,Xushen gas field

圖7 徐深氣田斷裂活動(dòng)與火山巖氣藏成藏時(shí)間關(guān)系Fig.7 The relationship between the time of volcanic gas accumulation and faulting in Xushen gas field

圖8 徐深氣田火山巖儲(chǔ)層孔隙度(a)和滲透率(b)與排驅(qū)壓力關(guān)系Fig.8 The relationship between volcanic reservoir porosity (a),permeability(b),and displacement pressure in Xushen gas field

5 結(jié)論

1) 徐深氣田營(yíng)一段火山巖發(fā)育29個(gè)火山機(jī)構(gòu)，沿徐中斷裂呈串珠狀分布，不同火山機(jī)構(gòu)間以巖性、巖相為分界面，反射特征差異明顯。

圖9 徐深氣田儲(chǔ)層物性與氣柱高度之間的關(guān)系Fig.9 The relationship between volcanic reservoir physical property and gas column height in Xushen gas fielda. Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層;b. Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層;c. Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層;d. Ⅳ類(lèi)儲(chǔ)層

2) 營(yíng)城組致密火山巖氣水關(guān)系復(fù)雜，氣水分布以火山機(jī)構(gòu)為單位，同一火山機(jī)構(gòu)內(nèi)也可存在多個(gè)氣水系統(tǒng)，不同的氣水系統(tǒng)間也可具相同的氣水界面。

3) 營(yíng)城組火山巖氣藏氣水分布受烴源巖條件、火山機(jī)構(gòu)、構(gòu)造和儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)等多種因素影響，其中烴源巖展布控制了本區(qū)火山巖氣藏氣水的宏觀分布；火山機(jī)構(gòu)和構(gòu)造聯(lián)合作用影響天然氣的聚集、調(diào)整；火山巖復(fù)雜的孔隙微觀結(jié)構(gòu)是制約儲(chǔ)層內(nèi)部氣水分異的內(nèi)在因素。