湘中漣源凹陷楊家佬石炭系天然氣成藏規(guī)律

趙 蕓 李 波 龔文平 朱 銳 董晶晶

（1. 長江大學地球科學學院， 湖北 武漢 430100； 2. 中國石油新疆油田分公司重油開發(fā)公司， 新疆 克拉瑪依 834000）

0 引 言

位于湘中地區(qū)的漣源凹陷是中國揚子板塊東南部的重要含油氣凹陷之一， 也是當前頁巖油氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場。 該凹陷在泥盆系和石炭系發(fā)育了厚層的碎屑巖與碳酸鹽巖互層， 其中還包含多套煤層。 中石化中南石油管理局和湖南省煤炭地質(zhì)勘查院曾在本區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量的油氣顯示和工業(yè)油氣流［1-2］。 前人對漣源凹陷的構(gòu)造［3-6］、 沉積背景［7-8］以及勘探潛力［9-14］進行了大量研究， 由于漣源凹陷構(gòu)造破壞嚴重、 地層剝蝕程度高， 導致區(qū)內(nèi)油氣保存條件差異性大。

楊家佬地區(qū)是漣源凹陷中可落實的含油氣區(qū)塊之一， 但目前尚未對其天然氣成藏規(guī)律進行系統(tǒng)分析， 導致對整個區(qū)域的油氣評估結(jié)果存在較大不確定性。 本文以楊家佬地區(qū)為研究對象， 綜合分析天然氣成藏及保存條件， 為該地區(qū)乃至漣源凹陷的天然氣富集規(guī)律的總結(jié)提供了依據(jù)。

1 工區(qū)地質(zhì)概況

楊家佬地區(qū)位于冷水江向斜東翼的次級褶皺帶內(nèi)， 該區(qū)存在3 個NNE 向的正斷層和眾多的NNE向次級背、 向斜［15］（圖1）， 東部有著名的百年銻礦——錫礦山。

1970—1980 年間在銻礦勘探過程中， 探井中有大量的天然氣顯示， 其中中勘7 井和中勘9 井還出現(xiàn)過較強烈的天然氣井噴現(xiàn)象。 劉家塘段（C1l）出現(xiàn)了多層含氣層， 然而并未對其展開測試工作［16］。 1994 年， 在株木山向斜東北鉆探的冷淺1井酸化產(chǎn)生的天然氣日產(chǎn)量達613.9 m3。 1995 年，中南石油管理局在楊家佬背斜南部鉆探了湘冷1井， 盡管因鉆探事故提前完鉆， 未鉆至主要目的層C1l， 只鉆穿C1s， 仍發(fā)現(xiàn)了2 層含氣層。

研究區(qū)經(jīng)歷了海西、 印支、 燕山和喜山等多期復雜的構(gòu)造運動才形成目前的構(gòu)造格局和構(gòu)造樣式。 根據(jù)漣源凹陷構(gòu)造發(fā)展的階段性及其表現(xiàn)在地層垂向序列中的區(qū)域性角度不整合、 沉積建造類型、 褶皺樣式、 應力狀態(tài)等， 可以將漣源坳陷地層分為4 個沉積構(gòu)造層， 自下而上依次為： 第1 構(gòu)造層（泥盆系—中三疊統(tǒng)）、 第2 構(gòu)造層（上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)）、 第3 構(gòu)造層（上白堊統(tǒng)） 和第4 構(gòu)造層（第四系）。 楊家佬是受構(gòu)造影響較為強烈的地區(qū)， 地層保存不完整， 局部石炭系已出露地表。隨著構(gòu)造活動的進行， 研究區(qū)沉積環(huán)境也發(fā)生著相應的變化。 晚泥盆世—早石炭世隨著構(gòu)造隆升， 發(fā)生大規(guī)模海退， 導致研究區(qū)沉積環(huán)境從淺海環(huán)境逐漸過渡到潮坪環(huán)境， 發(fā)育的巖性也以碳酸鹽巖和碎屑巖混積層系為主。

從油氣勘探實踐來看， 楊家佬地區(qū)已鉆探的漣8 井、 湘冷1 井、 湘中1 井3 口井均在石炭系中發(fā)現(xiàn)了工業(yè)氣流， 證實了本區(qū)石炭系海相地層中有較大規(guī)模的油氣生成和聚集。 但由于鉆井相對較少，研究區(qū)的構(gòu)造也極為復雜， 導致目前對研究區(qū)的天然氣成藏規(guī)律尚不明確， 為后期進一步勘探和開發(fā)造成了較大不確定性。

2 天然氣化學組成、 類型及氣源

楊家佬地區(qū)天然氣主要集中在構(gòu)造改造相對較弱的斷背斜區(qū)域（圖2）。 對研究區(qū)5 口井的7 個氣樣進行化學成分分析（表1）， 結(jié)果表明樣品中甲烷的體積分數(shù)平均為78.2%， 其中除姜1 井甲烷體積分數(shù)較低（10.4%） 外， 其他樣品的甲烷體積分數(shù)均大于75%， 其中漣8 井、 湘冷1 井（6 號樣） 和邵10 井的4 個樣品的甲烷氣體占90%以上。 氣體中體積分數(shù)次之的是氮氣， 體積分數(shù)平均為22.3%， 其中最大值出現(xiàn)在姜1 井（89.6%），其次為冷淺1 井（22.27%）。 氣樣中其他成分包括二氧化碳、 乙烷和丙烷等， 其體積分數(shù)相對極少。之所以本區(qū)的甲烷含量極高， 其原因主要有2 點：一是受變烴源巖生油母質(zhì)的影響， 本區(qū)油氣的主要來源系自生自儲的下石炭統(tǒng)泥巖層與泥晶灰?guī)r層，沉積有機質(zhì)為Ⅲ型干酪根； 另一個主要因素是本區(qū)目的層經(jīng)歷過深埋藏， 烴源巖的熱演化程度高。 研究區(qū)的巖心樣品鏡質(zhì)體反射率測量結(jié)果顯示， 本區(qū)的Ro均大于3%， 主要為3.57%～4.52%， 這也說明研究區(qū)的熱演化程度高， 區(qū)域較高的熱演化程度同樣也是天然氣成分的影響因素之一。 為討論研究區(qū)的天然氣主要來源， 本文對氣樣中甲烷的碳同位素（δ13C） 進行了測量。 結(jié)果表明， 研究區(qū)氣樣的δ13C測量值主要為-39.38‰～-39.66‰。 前人研究表明， 過成熟煤層氣的甲烷中δ13C 多為-27.00‰，這與本區(qū)數(shù)值特征不符。 因此， 本區(qū)天然氣不是煤層氣， 而是Ⅲ型干酪根過成熟所形成。

表1 楊家佬地區(qū)天然氣樣品成分體積分數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of volume fraction of gas samples composition of Yangjialao area

3 儲集類型及特征

3.1 儲集層類型

楊家佬地區(qū)石炭系沉積環(huán)境變化較大， 隨著陸源碎屑物質(zhì)的波動性供給， 碳酸鹽臺坪、 潮坪以及海岸平原等多個相帶類型， 導致研究區(qū)儲集巖類型較為復雜， 包括碳酸鹽潮坪的白云巖、 臺坪的顆?；?guī)r和礁灰?guī)r以及海岸平原的砂巖等多種類型。

碳酸鹽巖儲層巖性以色淺、 質(zhì)純和結(jié)構(gòu)較粗的碳酸鹽巖為主， 如灰?guī)r和白云巖， 各種結(jié)晶灰?guī)r和白云巖以及生屑灰?guī)r、 粒屑灰?guī)r和礁灰?guī)r等， 按成因結(jié)構(gòu)不同可進一步分為3 大類： （1） 生物礁和礁灘灰?guī)r， 儲集空間以生物體腔孔為主但多被亮晶充填， 部分充填未盈者可見到0.10 ～1.0 mm的孔隙， 偶見大于1 mm 的晶洞， 地表樣品（取樣避開裂隙） 有效孔隙度一般為0.6%～5.0%， 滲透率小于0.1×10-3μm2； （2） 亮晶顆?；?guī)r， 原生粒間孔和晶間孔經(jīng)過成巖改造多被亮晶方解石充填， 部分充填未盈， 偶見溶孔和晶洞， 也見有次生裂隙和壓溶成因的縫合線， 地表樣品測得的有效孔隙度一般為0.5%～5.7%， 滲透率小于0.1×10-3μm2； （3）粉—細晶灰質(zhì)白云巖， 儲集空間為晶間孔， 偶見晶間溶孔和次生裂隙， 地表樣品的有效孔隙度一般為0.67%～1.17%， 滲透率均小于0.1×10-3μm2。

除上述3 類碳酸鹽儲集巖外， 在研究區(qū)石炭系還普遍分布著多套碎屑巖儲層， 巖性包括含礫細砂巖、 中砂巖、 細砂巖以及粉砂巖。 由于受到后期膠結(jié)作用的影響， 本區(qū)碎屑巖顆粒間多被鈣質(zhì)和硅質(zhì)膠結(jié)， 導致巖石致密堅硬， 有效孔隙度一般為1.00%～5.57%， 滲透率均小于0.1×10-3μm2， 物性較差。 而且它的次生裂隙遠不及粗結(jié)構(gòu)碳酸鹽巖發(fā)育。 砂巖分布于各時期的濱海潮汐帶， 尤其以大塘階石磴子段沉積時期的三角洲和濱海相砂巖分布最廣。

3.2 儲層物性特征及孔隙結(jié)構(gòu)

研究區(qū)儲層物性較差， 屬于低孔、 特低滲儲層（表2）。 孔喉半徑小于0.04 μm 的微孔隙占96%以上， 孔喉半徑為0.10 ～0.25 μm 的孔隙占0.9%，0.25～0.63 μm 的孔隙占2.5%， 0.63～2.50 μm 的孔隙僅占0.1%。 總體反映現(xiàn)今巖石基質(zhì)的物性條件極差。 從鑄體薄片觀察， 只有個別樣品能注進膠， 用1 mm 測網(wǎng)間距測得的面孔率， 僅邵9 井大于0.001%， 其余均為0.000 7%。 其值如此之低，說明巖石中的各種原生孔隙已經(jīng)消失， 而次生孔隙也很不發(fā)育。 少量電鏡樣品反映本區(qū)碳酸鹽巖儲層質(zhì)純， 只見很少很細的晶間孔、 粒間孔和溶蝕針孔， 這與壓汞資料基本吻合。 而碎屑巖儲層由于次生石英加大或重結(jié)晶作用明顯， 巖石十分致密， 只有個別很細裂縫存在。

表2 漣源凹陷楊家佬地區(qū)C1s、 C1l 儲集巖物性參數(shù)Table 2 Parameters of physical property of C1s and C1l reservoir rocks in Yangjialao area of Lianyuan Sag

通過對分析化驗資料的統(tǒng)計歸納， 認為研究區(qū)儲集空間主要為孔隙和裂縫2 種類型。

孔隙型： 區(qū)內(nèi)下石炭統(tǒng)劉家塘段和石磴子段生屑灰?guī)r發(fā)育有原生孔隙和次生孔隙2 種。 由于壓實、 膠結(jié)以及重結(jié)晶等成巖作用的影響， 原生的粒間孔和生物內(nèi)腔孔基本消失， 僅保留了少量的晶間孔。 由于構(gòu)造抬升， 導致大氣淡水淋濾， 從而在巖層中形成了大量的溶蝕次生孔隙， 這一類型是本區(qū)最為主要的孔隙類型。

裂縫型： 研究區(qū)受印支運動影響強烈， 形成大量的構(gòu)造縫， 同時由于構(gòu)造抬升， 石炭系受大氣淡水淋濾作用， 在原有構(gòu)造縫或者節(jié)理基礎上發(fā)育一系列的溶蝕縫（表3）。 本區(qū)裂縫的保存程度存在差異， 在石炭系中下部裂縫多被方解石充填， 僅在石炭系頂部兼有半充填裂縫。

3.3 儲層物性的受控因素

本區(qū)儲層物性的好壞與巖石性質(zhì)、 孔隙類型和裂縫發(fā)育程度密切相關， 而這些都直接受控于巖石形成時的沉積環(huán)境、 成巖后生變化以及構(gòu)造運動的改造作用等。

3.3.1 沉積環(huán)境

本區(qū)沉積相類型復雜， 有利于儲層發(fā)育的沉積相帶包括碳酸鹽潮坪、 臺坪以及海岸平原3 種相帶。 碳酸鹽巖潮坪中灰質(zhì)白云巖是主要的儲集巖類型， 其有利相帶為潮上坪； 碳酸鹽臺坪的有利巖性為生物灘灰?guī)r、 含珊瑚灰?guī)r（圖3 （a） ）， 其有利的相帶類型為生物礁和生屑灘， 這也是本區(qū)最為主要的儲集類型； 海岸平原是研究區(qū)石炭系碎屑巖主要的發(fā)育相帶， 其儲層類型為細—中砂巖， 有利的微相為河道沉積（圖3 （b） ）， 砂巖厚度整體向上逐漸減薄， 泥質(zhì)含量逐漸增加。

3.3.2 成巖后生變化

楊家佬地區(qū)碳酸鹽巖儲層所經(jīng)歷的成巖序列、孔隙類型及演化特征見圖4， 總體具有隨成巖階段的加深， 壓實作用不斷加強， 孔隙度逐漸減小。 但由于白云巖化、 壓溶和溶蝕作用的出現(xiàn)， 使研究區(qū)次生孔隙有所增加。

白云巖化： 本區(qū)在中上石炭統(tǒng)和下石炭統(tǒng)梓門橋段主要發(fā)育碳酸鹽潮坪沉積。 在準同生期由于蒸發(fā)泵白云巖化和回流滲透白云巖化作用， 原生的灰?guī)r轉(zhuǎn)換為白云巖， 所形成的白云巖多為泥晶—微晶， 局部仍保留未被交代的方解石。 正是白云巖化作用， 在原生碳酸鹽巖中產(chǎn)生了較多的晶間孔， 使儲層產(chǎn)生大量次生孔隙。

壓溶作用： 發(fā)生于深埋階段的成巖晚期。 由于壓強增大， 使碳酸鹽巖發(fā)生局部溶解， 形成與巖石層理大致平行的壓溶縫。 在野外露頭及巖心觀察過程中， 發(fā)現(xiàn)本區(qū)各期碳酸鹽巖中， 縫合線都比較發(fā)育， 且沿縫合線附近溶孔較發(fā)育， 對提高儲層物性具有明顯作用。

溶蝕作用： 因地表水的滲流和地下水的循環(huán)而發(fā)生的各種溶蝕作用， 不僅直接產(chǎn)生了較多的各種溶蝕孔隙， 而且隨著孔隙流體在構(gòu)造縫內(nèi)竄流和溶解， 使原有構(gòu)造縫擴大， 形成了一些溶縫和溶洞，從而提高巖石的孔隙度和滲透率。

3.3.3 構(gòu)造運動

地殼運動不僅造就了有利于儲層發(fā)育的沉積環(huán)境， 而且還在儲層形成以后， 因動力作用而形成的龐大的裂縫系統(tǒng)， 可以大大改善儲層的物性條件，甚至可以形成裂縫型儲層。 本區(qū)石炭系海相碳酸鹽巖沉積以后， 印支運動和燕山運動對研究區(qū)造成了較大的影響， 隨著擠壓破裂形成了一系列構(gòu)造裂縫， 加之構(gòu)造運動所產(chǎn)生的裂縫與本區(qū)的2 個主油氣聚集期相配套， 這對儲層物性的改善和油氣的及時聚集成藏都起到了重要作用。

4 蓋層條件

楊家佬地區(qū)石炭系的蓋層主要為下石炭統(tǒng)大塘階測水段（C1c） 的含煤地層。 通過多點取樣分析， 本區(qū)測水煤系泥巖有較好的封蓋能力， 但出露地表的泥巖， 因上覆地層的剝蝕， 壓力的釋放， 加之地表風化作用的影響， 泥巖較松散， 因此突破壓力較低， 一般為4～5 MPa， 隨著泥巖埋深的增大，突破壓力明顯提高， 最大可達28.19 MPa （表4）。綜上所述， 蓋層的微孔隙及突破壓力分析資料顯示， 該區(qū)有較強的封蓋能力。

表4 楊家佬地區(qū)C1c 蓋層封蓋能力測試結(jié)果Table 4 Tested results of sealing capacity of C1c seal rock in Yangjialao area

5 成藏期次

對漣源凹陷楊家佬地區(qū)C1s 巖心樣品的包裹體進行分析， 研究區(qū)包裹體均一溫度為120.8 ～169.7 ℃ （表5）。

表5 漣源凹陷楊家佬C1s 包裹體均一溫度測定結(jié)果Table 5 Measured results of homogeneous temperature of C1s inclusion in Yangjialao area of Lianyuan Sag

根據(jù)包裹體均一溫度的集中程度， 可將研究區(qū)的均一溫度劃分2 個集中溫度區(qū)間， 分別為120.8～126.2 ℃、 154.4 ～169.7 ℃， 代表著本區(qū)存在2 次油氣充注（圖5）。 根據(jù)這2 個充注溫度的區(qū)間， 結(jié)合埋藏史和地溫梯度分析， 認為楊家佬石炭系儲層的2 次油氣充注分別發(fā)生在早三疊世和晚三疊世。

包裹體的熒光特性證實存在著2 次油氣充注。

研究區(qū)C1s 黃灰色薄—中厚層灰?guī)r中的24 號樣品（圖6 （a）、 （b） ）， 未見含油包裹體， 但裂縫中見瀝青， 這些瀝青應為早期充注油氣被降解氧化的產(chǎn)物。 C1s 溶洞充填的亮晶方解石中33 號樣品， 發(fā)現(xiàn)了一些填充在溶蝕孔中的微弱白色熒光的純氣相包裹體， 這些包裹體系晚期過成熟天然氣充注的結(jié)果（圖6 （c）、 （d） ）。

6 天然氣成藏規(guī)律

6.1 油氣運移過程

據(jù)碳酸鹽巖的成巖作用研究， 本區(qū)以碳酸鹽巖為主的烴源巖， 因碳酸鹽巖成巖固結(jié)早， 壓實作用較弱， 受其影響， 其烴類的運移以“生烴增壓”為主要驅(qū)動力， 在低孔、 低滲的碳酸鹽巖儲層中，因驅(qū)動力小， 儲集物性差， 烴類的運移一般以慢速、 短距離運移為特征。

6.2 圈閉形成與油氣演化匹配

楊家佬地區(qū)的埋藏史和生烴史分析認為研究區(qū)泥盆系和石炭系的烴源巖在三疊紀已達到了生油門限， 開始大量的生排烴。 而在此時中三疊世的印支運動Ⅰ幕在研究區(qū)造成了極為強烈的擠壓， 形成了一系列寬緩背斜的格局， 并在背斜邊部形成了一系列北東—南西向的斷層。 背斜的形成為油氣充注形成了良好的構(gòu)造圈閉， 而斷層的出現(xiàn)則為油氣運移提供了通道。

6.3 成藏規(guī)律的初步分析

6.3.1 近源富集成藏

楊家佬地區(qū)天然氣藏為典型的自生自儲型氣藏， 主要有3 方面依據(jù)。

（1） 湘中1 井楊家佬含天然氣構(gòu)造和該區(qū)眾多天然氣自噴井的發(fā)現(xiàn)以及該帶的優(yōu)越成藏條件分析， 錫礦山背斜是一個印支期的古油氣藏。

（2） 據(jù)沉積相分析， 該天然氣聚集帶靠近C1l 、C1s 兩個主力烴源層位的主力生烴相區(qū)——臺洼灰泥巖相（圖7）。 該相帶發(fā)育1 130 余米不同層位的烴源巖， 平均有機碳質(zhì)量分數(shù)最高可達1.3%， 一般可達0.7%。 良好的烴源條件， 為該區(qū)天然氣的富集提供了烴源保障。

（3） 有利的儲集巖發(fā)育相帶與主力生烴相帶在平面上的有效配置， 促使天然氣近源成藏。 在漣源凹陷臺洼（盆） 相帶外側(cè)的斜坡帶是下石炭統(tǒng)儲集巖的發(fā)育相帶， 都具備近源成藏的條件， 是天然氣的主要聚集地帶， 也是今后主要的勘探選區(qū)方向。

6.3.2 后期改造中二次（殘留） 成藏

前文述及， 中三疊世的印支運動I 幕與研究區(qū)泥盆系和石炭系的烴源巖生排烴形成了良好的匹配關系。 但隨著中侏羅世燕山運動的出現(xiàn)， 對前期形成的圈閉和油藏造成了破壞和改造。 本區(qū)燕山運動主要為強烈的北西—南東向水平擠壓， 造成構(gòu)造樣式發(fā)生明顯改變， 導致中石炭統(tǒng)（C2） 近直立，在研究區(qū)形成緊閉背斜和背斜側(cè)翼的逆沖斷層（圖8）。 而地層的持續(xù)抬升導致在背斜處出現(xiàn)大量的侵蝕， 造成早期油氣藏的破壞。 楊家佬地區(qū)石炭系測水段包裹體樣品的熒光觀察結(jié)果也顯示大部分樣品在裂縫、 粒間或溶洞見無熒光的瀝青和火紅色熒光的瀝青， 這也證明了研究區(qū)發(fā)生過油氣充注，而后期隨著熱演化程度升高， 油氣降解氧化， 是油氣藏被破壞的證據(jù)。

6.3.3 晚期成藏

在楊家佬地區(qū)還存在晚期成藏的過程。 從生排烴過程來看， 本區(qū)在晚三疊世—中侏羅世之間出現(xiàn)了二次生烴， 此時因烴源巖成熟度過高， 以生氣為主。 而隨著燕山運動持續(xù)， 研究區(qū)在強烈的擠壓應力作用下還形成了新的構(gòu)造圈閉。 這些圈閉與二次生烴相匹配， 在研究區(qū)形成了大量的氣藏。

7 結(jié) 論

（1） 研究區(qū)產(chǎn)出的天然氣以甲烷為主， 氮氣次之， 其形成并不與石油相伴生， 屬天然氣單獨聚集成藏。

（2） 研究區(qū)主要儲層為下石炭統(tǒng)的生屑灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、 含泥質(zhì)較少的微—細晶灰?guī)r以及薄層狀含砂泥頁巖。 從巖石相及其組合關系來看， 本區(qū)還發(fā)育珊瑚礁、 生物灘儲層。

（3） 研究區(qū)儲集空間有孔隙和裂縫2 種不同類型， 其主要的控制因素在于成巖后生階段的長期演化和構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度。

（4） 研究區(qū)石炭系測水段煤層是良好的區(qū)域性蓋層， 其沉積厚度大、 分布連續(xù)， 與下伏儲集層形成良好的儲蓋組合， 多集中于向斜區(qū)和少量背斜區(qū)， 雖分布范圍有限， 但仍能夠起到對油氣的遮擋。

（5） 研究區(qū)為多期成藏， 其中晚三疊世是主要的天然氣充注時期， 早三疊世的天然氣充注量相對較少。 就成藏方式而言， 存在近源富集成藏、 后期改造二次成藏以及晚期成藏3 種模式。