儲(chǔ)層流體特征在天然氣運(yùn)移中的示蹤意義探討
——以川西坳陷中段龍門山前中侏羅統(tǒng)上、下沙溪廟組氣藏為例

閻麗妮，楊映濤，蔡李梅，南紅麗

（中國石化西南油氣分公司，四川成都 610041）

川西坳陷中段龍門山前帶目前僅有A1 和A2 兩口井獲得工業(yè)產(chǎn)能，且主要集中在下沙溪廟組，上沙溪廟組尚未取得突破，整體勘探效果并不理想。前人針對(duì)龍門山前的研究主要集中在構(gòu)造、沉積和儲(chǔ)層方面[1-2]，對(duì)天然氣的運(yùn)移涉及甚少。但深入分析天然氣運(yùn)移機(jī)制可以為天然氣成藏機(jī)理和富集規(guī)律的研究提供依據(jù)，且對(duì)推進(jìn)研究區(qū)的勘探進(jìn)程具有重要作用。目前常用CH4含量、N2含量、C1/C2值、iC4/nC4值等天然氣地化指標(biāo)研究天然氣運(yùn)移特征，且效果較好[3-6]，但用此種方法分析龍門山前天然氣運(yùn)移特征卻存在諸多缺陷。首先各類地化指標(biāo)會(huì)在烴源巖類型及成熟度、運(yùn)移方式、距離、相態(tài)等多種因素的影響下表現(xiàn)出較強(qiáng)的多解性和不確定性，部分指標(biāo)甚至出現(xiàn)截然相反的結(jié)論[6]；其次，龍門山前天然氣樣品分析數(shù)據(jù)缺乏，且多集中于同一口井的同一層段，導(dǎo)致縱向上和平面上無法有效地開展對(duì)比工作，因此，需要綜合運(yùn)用更多示蹤指標(biāo)研究天然氣運(yùn)移特征。

較多研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，地層水礦化度以及水化學(xué)特征參數(shù)異常、斷層帶和儲(chǔ)層中方解石膠結(jié)物中的Mn 元素含量、碳氧同位素組成以及包裹體特征，都可以用于追蹤油氣的運(yùn)移路徑[7-9]。本文在分析地層水化學(xué)參數(shù)、方解石膠結(jié)物碳氧同位素組成、Fe-Mn 元素含量差異的基礎(chǔ)上明確了儲(chǔ)層流體特征，并結(jié)合孔隙類型差異對(duì)天然氣的運(yùn)移方式和路徑進(jìn)行判斷。

1 地質(zhì)背景

川西坳陷地處揚(yáng)子地塊西北緣，形成期始于晚三疊世，為龍門山推覆構(gòu)造帶的前陸盆地。研究區(qū)位于川西坳陷中段西部地區(qū)（圖1），以大型隱伏斷裂關(guān)口斷層和彭縣斷層為西東兩側(cè)的邊界。在兩大斷裂夾持的地區(qū)之間發(fā)育有多條溝通彭縣斷層的反向次級(jí)斷層和4 個(gè)含油氣構(gòu)造，從西南到東北依次為：大邑構(gòu)造（石羊鎮(zhèn)以南）、聚源構(gòu)造（石羊鎮(zhèn)-聚源一帶）、金馬構(gòu)造（聚源-金馬場(chǎng)-隆豐一帶）、鴨子河構(gòu)造（隆豐以北）。目前鉆井揭示聚源構(gòu)造和金馬構(gòu)造含氣性較好。

中三疊世末，印支運(yùn)動(dòng)造成龍門山造山帶的隆升和陸相湖盆的形成，在研究區(qū)內(nèi)自下而上依次發(fā)育上三疊統(tǒng)須家河組（T3x），下侏羅統(tǒng)白田壩組（J1b）， 中侏羅統(tǒng)千佛崖組（J2q）、下沙溪廟組（J2x）、上沙溪廟組（J2s）和上侏羅統(tǒng)遂寧組（J3sn）與蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）碎屑巖地層。龍門山前侏羅系沉積時(shí)期為氧化環(huán)境，烴源巖發(fā)育條件較差，烴源主要來自下伏須家河組暗色泥巖。

2 儲(chǔ)層流體及碳酸鹽膠結(jié)物特征

2.1 天然氣及地層水特征

龍門山前天然氣常規(guī)組分分析結(jié)果表明（表1），上沙溪廟組與下沙溪廟組天然氣均以CH4為主（CH4含量大于90%），具有高CH4、低重?zé)N、低CO2、低N2以及無H2S 的特點(diǎn)。垂向上，CH4含量、C1/C2值以及干燥系數(shù)等都表現(xiàn)出下沙溪廟組大于上沙溪廟組的特征（表1）。

川西坳陷中段龍門山前侏羅系上沙溪廟組與下沙溪廟組地層水陽離子主要包括K+、Na+、Mg2+、Ca2+，陰離子主要有Cl-、SO42-、HCO3-（表2）；水型為CaCl2型，顯示地層水的封閉條件相對(duì)較好，各類離子的含量差異明顯。其中，上沙溪廟組地層水表現(xiàn)出高K+、HCO3-，低Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、Na+/K+和低礦化度（小于30 000 mg/L）的特征；下沙溪廟組地層水中各離子含量則完全相反，且礦化度高達(dá)60 000 mg/L。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，下沙溪廟組地層水特征與須家河組均呈現(xiàn)高Na+/K+、Ca2+和高礦化度的特征[7]，上沙溪廟組地層水特征與須家河組差異明顯。平面上，A2 井上沙溪廟組構(gòu)造位置高于A3 井，其地層水礦化度、Na+/K+值、Ca2+含量、Mg2+含量均低于A3 井（表3）。

表1 龍門山前上沙溪廟組與下沙溪廟組天然氣組分特征

表2 龍門山前上沙溪廟組與下沙溪廟組地層水化學(xué)特征縱向分布 (mg·L-1)

表3 龍門山前上沙溪廟組地層水化學(xué)特征平面分布 (mg·L-1)

2.2 碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素及微量元素特征

川西坳陷中段龍門山前儲(chǔ)層中的自生碳酸鹽膠結(jié)物中碳氧同位素值在上沙溪廟組與下沙溪廟組地層中差異顯著，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示上沙溪廟組90%以上的樣品δ13C 值大于-5‰，δ18O 值大于-13‰；下沙溪廟組72.8%以上的樣品δ13C 值小于-5‰，54.5%以上的樣品δ18O 值小于-13‰，下沙溪廟組δ13C、δ18O 同位素值比上沙溪廟組相對(duì)更富（圖2）。川西地區(qū)中侏羅統(tǒng)砂巖的含氣性與自生方解石的碳氧同位素值具有明顯的相關(guān)性，砂巖含氣性越好，自生方解石的碳氧同位素值越低[5]，但研究區(qū)砂巖含氣性與碳氧同位素值的相關(guān)性并不明顯。平面上，上沙溪廟組所檢測(cè)到的含碳氧同位素樣品有限，沒有明顯規(guī)律；下沙溪廟組碳氧同位素值具有構(gòu)造低部位相對(duì)更低的特點(diǎn)，如聚源構(gòu)造碳氧同位素值低于金馬構(gòu)造（A4 井低于A6 井、A1 井，圖1）。

圖2 上沙溪廟組與下沙溪廟組方解石碳、氧同位素組成

碳酸鹽膠結(jié)物中微量元素的電子探針分析結(jié)果表明（圖3），Mn 元素含量大于1.0%的樣品全部集中在下沙溪廟組，F(xiàn)e 元素含量大于0.7%的樣品也主要分布在下沙溪廟組。綜合分析可知，縱向上，同一 井位Mn 元素含量具有下沙溪廟組高于上沙溪廟組的特點(diǎn)，F(xiàn)e 元素含量雖然整體上也具有下沙溪廟組高于上沙溪廟組的特點(diǎn)，但局部地區(qū)正好相反，如A1 井FeO 含量下沙溪廟組為0.32%，而上沙溪廟組為0.47%（圖1）；平面上，下沙溪廟組Fe、Mn 元素含量基本遵循從西南到東北、由構(gòu)造低部位向構(gòu)造高部位逐漸降低的變化規(guī)律，而上沙溪廟組Fe、Mn元素含量則沒有明顯變化規(guī)律。

圖3 上沙溪廟組與下沙溪廟組Fe(a)、Mn（b）元素的變化規(guī)律

3 儲(chǔ)層流體特征的示蹤作用探討

川西坳陷中段龍門山前上沙溪廟組與下沙溪廟組在天然氣組分、地層水、碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素及微量元素等儲(chǔ)層流體特征方面存在諸多差異，但這些差異對(duì)天然氣的運(yùn)移相態(tài)和路徑是否具有良好示蹤作用尚有待探討。

3.1 天然氣組分的示蹤作用

不論是游離相還是水溶相，CH4和C1/C2值增大的方向代表天然氣運(yùn)移方向。然而，在龍門山前天然氣組分中不論是CH4，還是C1/C2，都表現(xiàn)出下沙溪廟組高于上沙溪廟組的異?，F(xiàn)象。通過對(duì)比分析認(rèn)為：由于龍門山是由北向南逐漸隆升的，構(gòu)造形成的多期性造成斷裂形成的多期性，繼而引發(fā)烴源供烴的多期性，在烴源斷層多期供烴作用的影響下不同成熟度的天然氣混合，使得CH4含量、C1/C2值出現(xiàn)異常，即天然氣組分不能作為判斷區(qū)內(nèi)天然氣運(yùn)移方向的證據(jù)。

3.2 地層水特征的示蹤作用

地層水一般隨埋深增加，礦化度逐漸增大，按此規(guī)律，龍門山前下沙溪廟組的地層水礦化度和離子含量均應(yīng)低于須家河組，但實(shí)際上二者各類參數(shù)相似，上沙溪廟組則表現(xiàn)出中侏羅統(tǒng)原始地層水低礦化度、低Na+/K+、低Ca2+、高HCO3-的特征（表2），據(jù)此推斷龍門山前斷層是下部流體上升的主要運(yùn)移通道，且天然氣在高溫高壓下溶解于須家河組的地層水中，并以水溶相向上運(yùn)移至下沙溪廟組，上沙溪廟組則以游離相運(yùn)移為主，受須家河組流體影響較小。這一點(diǎn)在上沙溪廟組與下沙溪廟組孔隙類型差異上也得到證實(shí)：薄片鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，A6 井上沙溪廟組孔隙度僅3.3%，溶蝕作用微弱，鏡下難見孔隙發(fā)育（圖4A）；下沙溪廟組見大量方解石溶蝕孔（圖4B），孔隙度高達(dá)13.2%，水巖反應(yīng)作用強(qiáng)烈。平面上，上沙溪廟組A3 井比A2 井地層水礦化度高，說明構(gòu)造低部位受流體作用較強(qiáng)，天然氣從構(gòu)造低部位向構(gòu)造高部位逐漸運(yùn)移。

3.3 碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素的示蹤作用

研究區(qū)下沙溪廟組的碳氧同位素值比上沙溪廟組的碳氧同位素值低，說明上沙溪廟組受酸性熱流影響較小，溶蝕作用微弱（圖4A），天然氣以游離相運(yùn)移；下沙溪廟組受含有機(jī)成因CO2的高溫酸性流體作用更強(qiáng)烈，以水溶相運(yùn)移為主，在高溫酸性流體的作用下大量碳酸巖膠結(jié)物發(fā)生溶蝕，巖石溶蝕孔隙更發(fā)育（圖4B）。龍門山前上沙溪廟組與下沙溪廟組的含氣性及碳氧同位素值的關(guān)系不明顯，通過分析認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因與構(gòu)造位置有關(guān)：下沙溪廟組的氣層主要分布在金馬構(gòu)造（A1 井及A2井），而水層和含氣層主要分布在構(gòu)造低部位（A6 井和A4 井），說明構(gòu)造部位越低，受熱流的影響越大，天然氣由構(gòu)造低部位向構(gòu)造高部位運(yùn)移。

3.4 碳酸鹽膠結(jié)物Fe、Mn 元素的示蹤作用

研究區(qū)上沙溪廟組與下沙溪廟組均具有Fe、Mn 元素含量早期低甚至不含，而晚期發(fā)育富含F(xiàn)e、Mn 元素的方解石膠結(jié)物的特征；同時(shí)，須家河組也存在Fe、Mn 元素含量不同的早晚兩期碳酸鹽膠結(jié)物，這說明原始沉積水介質(zhì)中并不富含F(xiàn)e、Mn 元素，高Fe、Mn 元素含量來源于外部因素，即油氣在運(yùn)移過程中通過流體-巖石相互作用將其中的Fe、Mn 元素轉(zhuǎn)移到碳酸鹽膠結(jié)物中。故此推測(cè)研究區(qū)上沙溪廟組與下沙溪廟組均受到來自須家河組流體的作用，而下沙溪廟組受到的影響作用較上沙溪廟組更強(qiáng)烈，表現(xiàn)為下沙溪廟組Fe、Mn 元素更富集，其油氣以水溶相運(yùn)移，而上沙溪廟組以游離相運(yùn)移。

在縱向和平面上，Mn 元素含量均表現(xiàn)為從下沙溪廟組向上沙溪廟組、從構(gòu)造低部位向高部位逐漸下降的趨勢(shì)；而Fe 元素含量的變化規(guī)律則并不明顯。分析認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因是Fe 元素除了來自深部流體，成巖作用過程中富鐵鎂巖屑的溶蝕、綠泥石等黏土礦物的轉(zhuǎn)化都對(duì)其含量有一定影響；而Mn 元素的來源則相對(duì)簡單，以深部熱液為主。礦物的微量元素豐度不僅與原始流體有關(guān)，還受到油氣運(yùn)移距離、儲(chǔ)層巖石學(xué)特征、巖石孔隙結(jié)構(gòu)等各種因素的影響，這些都決定了微量元素在成巖礦物中分布與組成的多樣性，結(jié)合龍門山前復(fù)雜的構(gòu)造背 景，認(rèn)為龍門山前上沙溪廟組與下沙溪廟組中Fe、Mn 元素含量差異可以指征天然氣運(yùn)移路徑，且Mn元素對(duì)油氣運(yùn)移的反映更為敏感。

圖4 A6 井上沙溪廟組與下沙溪廟組孔隙類型及碳酸鹽膠結(jié)物Fe、Mn 元素含量差異（單偏光，100 倍）

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）龍門山前，在烴源斷層多期供烴作用影響下不同成熟度的天然氣混合，致使CH4含量、C1/C2值和N2含量變化異常，天然氣有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)不能作為判斷天然氣運(yùn)移方向的證據(jù)。

（2）下沙溪廟組天然氣以水溶相運(yùn)移為主，隨著流體運(yùn)移的不斷進(jìn)行表現(xiàn)出地層水礦化度高、溶蝕孔隙發(fā)育、自生方解石膠結(jié)物中碳氧同位素值偏低、Fe-Mn 元素富集的特征。上沙溪廟組油氣以游離相和氣相滲流為主，表現(xiàn)出地層水礦化度低、原生孔隙發(fā)育、自生方解石膠結(jié)物中碳氧同位素值偏高、Fe-Mn 元素含量相對(duì)較低的特征。與構(gòu)造低部位相比，構(gòu)造高部位的地層水礦化度低、碳氧同位素值偏大，Mn 元素含量低，這些儲(chǔ)層流體特征可作為油氣從構(gòu)造低部位向高部位運(yùn)移的有效指標(biāo)。

（3）構(gòu)造-流體-巖石等相互作用的復(fù)雜性決定了油氣運(yùn)移過程的復(fù)雜性和單一判別指標(biāo)的不確定性，但地層水、孔隙類型、碳氧同位素值和Fe-Mn 元素含量差異等多種儲(chǔ)層流體特征的綜合運(yùn)用，可以對(duì)龍門山前天然氣的運(yùn)移方向、運(yùn)移路徑和相態(tài)進(jìn)行判別。