川東北元壩地區(qū)須家河組第三段天然氣富集主控因素

王 威

(中國(guó)石化勘探分公司物探研究院，成都 610041)

20世紀(jì)50年代以來(lái)，針對(duì)四川盆地東北部元壩地區(qū)陸相油氣開(kāi)展了大量工作，均未取得實(shí)質(zhì)性突破，勘探處于停滯狀態(tài)。進(jìn)入21世紀(jì)，特別是在二疊系、三疊系海相層系中發(fā)現(xiàn)普光、元壩等大氣田后，通過(guò)加強(qiáng)“立體勘探”，部署實(shí)施的多口井在元壩地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組(T3x)試獲工業(yè)氣流，展示了元壩地區(qū)須家河組具備良好的勘探潛力。

通過(guò)多年的攻關(guān)研究和勘探實(shí)踐，基本明確了元壩地區(qū)須家河組構(gòu)造、沉積、儲(chǔ)層等地質(zhì)特征。筆者前期研究認(rèn)為元壩地區(qū)須家河組第三段(簡(jiǎn)稱(chēng)“須三段”)為一套辮狀河三角洲-濱淺湖沉積體系，儲(chǔ)層主要發(fā)育在分流河道砂體中，巖石類(lèi)型主要為鈣屑砂巖(指碎屑組分中碳酸鹽巖屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>50%的砂巖)，埋藏深度在3.5～4.5 km，屬于深層致密砂巖儲(chǔ)層[1-3]。郭彤樓[4]認(rèn)為元壩地區(qū)須家河組天然氣高產(chǎn)富集受控于物源、烴源、構(gòu)造及縫儲(chǔ)匹配等因素。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于2 000余件次分析測(cè)試資料，結(jié)合43口井巖性錄井資料以及700余張巖石薄片資料，對(duì)須三段的氣源條件、砂體分布和儲(chǔ)層特征以及氣藏的保存條件進(jìn)行重點(diǎn)解剖，并結(jié)合勘探開(kāi)發(fā)實(shí)際情況，探討須三段天然氣富集主控因素，為探區(qū)不斷實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量勘探突破夯實(shí)理論基礎(chǔ)。目前，元壩地區(qū)多口井在須三段試獲工業(yè)氣流，其中元陸7井、元陸12井在須三段測(cè)試分別獲得了日產(chǎn)100×104m3、77×104m3的高產(chǎn)工業(yè)氣流，兩口井投入開(kāi)發(fā)后累計(jì)產(chǎn)氣均已超過(guò)80×106m3。截至2020年底，元壩地區(qū)須三段已探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量數(shù)百億立方米，已成為川東北陸相須家河組氣藏高質(zhì)量勘探開(kāi)發(fā)的重要目標(biāo)之一?？偨Y(jié)元壩地區(qū)須三段氣藏的特征和富集主控因素將豐富陸相致密砂巖成藏理論，提高對(duì)氣田形成規(guī)律的認(rèn)識(shí)，對(duì)下一步勘探部署和拓展新領(lǐng)域勘探都具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

元壩地區(qū)構(gòu)造上位于四川盆地東北部造山帶前緣拗陷內(nèi)，西部為龍門(mén)山構(gòu)造帶，北部為米倉(cāng)山隆起構(gòu)造帶，東北部為大巴山推覆構(gòu)造帶，南部緊鄰川中平緩構(gòu)造帶[4](圖1)。

圖1 元壩地區(qū)位置及主要構(gòu)造分布圖Fig.1 Geographic location and main structures of Yuanba area(據(jù)郭彤樓[4]修編)

元壩地區(qū)須家河組是一套辮狀河三角洲—湖泊相煤系地層，自下而上分為5段(表1)，其中須一、須三、須五段以泥巖為主，夾粉細(xì)砂巖和薄煤層或煤線，是主要的烴源巖層段；須二段、須四段以中-細(xì)粒砂巖、礫巖為主，夾泥頁(yè)巖，是主要儲(chǔ)集層段[5]。須家河組儲(chǔ)層整體表現(xiàn)為低孔低滲的特征，實(shí)測(cè)孔隙度為2%～6%，滲透率為(0.01～0.1)×10-3μm2，屬于致密-超致密儲(chǔ)層。須家河組烴源巖有機(jī)質(zhì)主要為Ⅲ型，少部分為Ⅱ2型，以生氣為主，烴源巖實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率在2.0%左右，達(dá)到了過(guò)成熟生干氣階段[6]。

2 天然氣富集主控因素

天然氣的富集成藏通常都與充足的氣源、有利的生儲(chǔ)蓋組合關(guān)系、有效的圈閉以及良好的保存條件有關(guān)[7]。元壩地區(qū)須三段氣藏屬于典型的致密砂巖氣藏，在垂向上發(fā)育多套生儲(chǔ)蓋組合，并且儲(chǔ)層發(fā)生了強(qiáng)烈的成巖作用，天然氣藏又經(jīng)歷了中晚侏羅世巖性氣藏成藏階段和晚白堊世以來(lái)構(gòu)造抬升天然氣調(diào)整運(yùn)移階段，因此，須家河組天然氣的成藏可能受到多方面因素的控制。

2.1 天然氣來(lái)源與烴源巖

2.1.1 天然氣來(lái)源

關(guān)于須家河組天然氣來(lái)源，前人已有較多的研究。胡煒等[6]曾對(duì)元壩地區(qū)須家河組各段氣層中甲烷、乙烷碳同位素值進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)合天然氣的C1～C4烷烴δ13C值與它們的碳數(shù)倒數(shù)(1/Cn；其中n=1,2,3,4)的關(guān)系對(duì)須家河組各層段天然氣的來(lái)源進(jìn)行了詳細(xì)的分析，結(jié)果表明須一、須二段天然氣主要來(lái)源于自身，同時(shí)還有部分海相氣源；而須三、須四、須五段天然氣均來(lái)源于自身，沒(méi)有海相氣源。

表1 元壩地區(qū)陸相地層表Table 1 The development of continental strata in Yuanba area

2.1.2 烴源巖分布特征

元壩地區(qū)須家河組為一套煤系地層，其烴源巖主要為暗色泥巖和煤層。本文結(jié)合鉆井過(guò)程中巖性錄井資料，分別統(tǒng)計(jì)了須三段暗色泥巖和煤層的厚度并對(duì)其分布進(jìn)行詳細(xì)分析(圖2、圖3)。

從圖2中可以看出，須三段暗色泥巖主要分布在元壩西部地區(qū)，向中部變薄，而向東北部泥質(zhì)烴源巖厚度又逐漸增加。在元壩西部地區(qū)，泥巖厚度基本都在60 m以上，其中在元壩27井、元壩21井以及元壩3井附近泥巖厚度達(dá)到100 m以上。在元壩中部大部分地區(qū)，泥巖厚度基本在20 m以下，元壩東部地區(qū)泥巖厚度也主要集中在20～40 m。須三段煤層相對(duì)較發(fā)育，累計(jì)厚度≤9 m，平面分布差異明顯，區(qū)域上也主要分布在元壩西部地區(qū)，其他地區(qū)煤層很薄甚至不發(fā)育(圖3)。

2.1.3 烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度

元壩地區(qū)須三段26口井232個(gè)泥巖樣品測(cè)試結(jié)果表明，須三段泥巖的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)在0.32%～11.2%，大部分在1%～3%。實(shí)驗(yàn)中采集到了一部分炭質(zhì)泥巖，這種樣品測(cè)試的有機(jī)碳含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本都在6%以上。本次研究將所有的樣品測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)并求平均值，結(jié)果表明須三段泥巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值約為3.21%(圖4)。另外，采集到的幾個(gè)煤樣品，測(cè)試有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在60%以上。根據(jù)陸相泥巖優(yōu)質(zhì)烴源巖的標(biāo)準(zhǔn)[7]，須三段烴源巖整體上有機(jī)質(zhì)豐度高，屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖。

圖2 元壩地區(qū)須三段泥巖厚度分布圖Fig.2 Mudstone thickness distribution of the third member of Xujiahe Formation in Yuanba area

圖3 元壩地區(qū)須三段煤層厚度分布圖Fig.3 Coal bed distribution of the third member of Xujiahe Formation in Yuanba area

綜合須三段的天然氣來(lái)源、烴源巖的分布及其有機(jī)質(zhì)豐度，認(rèn)為元壩西部地區(qū)須三段烴源巖厚度較大，泥巖和煤層較發(fā)育，并且烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，達(dá)到優(yōu)質(zhì)烴源巖的標(biāo)準(zhǔn)，這為須三段天然氣的成藏提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 天然氣近源成藏的影響因素

勘探評(píng)價(jià)研究及鉆探資料證實(shí)，須三段砂體主要分布在元壩西部地區(qū)，元壩中部及東部地區(qū)砂體很薄甚至不發(fā)育；西部地區(qū)砂體厚度在60～150 m，自九龍山背斜向金碧向斜帶逐漸變薄。須三段砂體的展布主要受沉積物源與沉積微相的控制。在須三段沉積時(shí)期，元壩地區(qū)的物源主要來(lái)自西北部的龍門(mén)山地區(qū)，其砂體展布也主要是從龍門(mén)山前緣向中心湖盆推進(jìn)。元壩地區(qū)須三段自西向東依次為辮狀河三角洲平原-辮狀河三角洲前緣-濱淺湖沉積，主要發(fā)育辮狀河道、水下分流河道以及河口壩砂體[8]，砂體沿著辮狀河道向湖盆推進(jìn)并向兩邊擴(kuò)展(圖5)。須三段砂體在垂向上呈現(xiàn)砂泥互層、“三明治式”的生儲(chǔ)蓋組合特征(圖6)。須三段砂體的這種分布格局非常有利于天然氣的充注成藏。首先，主要砂體和優(yōu)質(zhì)烴源巖都分布在元壩西部地區(qū)，有利于天然氣的近源成藏，不僅可以有效減少天然氣的散失，而且可以提高天然氣的聚集效率，利于天然氣富集成藏[9]。其次，須三段多套砂礫巖與泥巖垂向疊置分布，并且大面積直接接觸，而且在主要生烴期(中晚侏羅世)地層平緩，烴源巖呈蒸發(fā)式面狀排烴(圖6)，生成的天然氣可直接進(jìn)入儲(chǔ)層，避免了由于儲(chǔ)層致密，充注過(guò)程中輸導(dǎo)不暢、動(dòng)力不足的“短板”。

2.3 天然氣富集的關(guān)鍵因素

元壩地區(qū)須家河組成巖演化階段已經(jīng)處于中成巖階段B期-晚成巖期，儲(chǔ)層經(jīng)歷了壓實(shí)壓溶作用、膠結(jié)交代作用、溶蝕作用和破裂作用，最終形成了儲(chǔ)層現(xiàn)今的面貌[10-11]。在成巖作用過(guò)程中，強(qiáng)烈的壓實(shí)和膠結(jié)作用是砂巖儲(chǔ)層致密的核心要素，而溶蝕作用和破裂作用能在一定程度上改善儲(chǔ)層的物性。通過(guò)對(duì)元壩地區(qū)須三段的鑄體薄片及掃描電鏡觀察分析，發(fā)現(xiàn)須三段儲(chǔ)層中粒間溶孔和微裂縫比較發(fā)育，粒間溶孔主要表現(xiàn)為碳酸鹽巖屑顆粒及膠結(jié)物(方解石、白云石、黏土礦物等)溶蝕形成的粒間溶孔(圖7-A、B、C)，孔隙邊緣表現(xiàn)出明顯的溶蝕痕跡，形態(tài)多樣，具有較好的連通性。微裂縫多表現(xiàn)為礫石邊緣的貼礫縫(圖7-D、E)，以及切穿多個(gè)顆粒的網(wǎng)狀縫。這種裂縫不僅在顯微鏡下可以看到，在巖心上也可以看到，如元陸7井須三段就發(fā)育大量這樣的網(wǎng)狀縫(圖7-F)。

圖4 元壩地區(qū)須三段烴源巖有機(jī)碳含量分布圖Fig.4 The organic matter abundance of source rocks of the third member of Xujiahe Formation in Yuanba area

圖5 元壩地區(qū)須三段沉積相分布圖Fig.5 Sedimentary facies distribution map of the third member of Xujiahe Formation in Yuanba area

圖6 元壩地區(qū)須三氣藏成藏模式示意圖Fig.6 The schematic diagram demonstrating the accumulation model of gas reservoir of the third member of Xujiahe Formation in Yuanba area

本文基于巖石薄片鑒定的研究，認(rèn)為須三段溶蝕孔隙發(fā)育的一個(gè)重要原因在于儲(chǔ)層中碳酸鹽巖屑和膠結(jié)物含量高，容易被有機(jī)酸溶蝕形成次生孔隙。須三段儲(chǔ)層巖石類(lèi)型主要為鈣屑砂巖和鈣屑砂礫巖，鈣屑砂巖中碳酸鹽巖屑的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)70%，石英和長(zhǎng)石含量較低。鈣屑砂礫巖中礫石成分以碳酸鹽巖礫石為主，礫石的體積分?jǐn)?shù)多在70%以上，礫內(nèi)成分以灰?guī)r、白云巖為主，礫石間多被石英、鈣屑砂巖等顆粒及方解石膠結(jié)物充填。由于儲(chǔ)層中碳酸鹽巖屑及膠結(jié)物含量高，在烴源巖熱演化產(chǎn)生的有機(jī)酸的作用下，這些碳酸鹽巖屑和鈣質(zhì)膠結(jié)物會(huì)被溶解[12]，從而形成大量的粒內(nèi)和粒間溶孔。這些粒內(nèi)和粒間溶孔能成為天然氣賦存的空間[13]。

巖心(圖7)以及成像測(cè)井資料均顯示，元壩地區(qū)西部九龍山背斜帶須三段裂縫特別發(fā)育。九龍山背斜帶由于受到來(lái)自龍門(mén)山和米倉(cāng)山兩個(gè)方向的擠壓應(yīng)力，背斜核部和傾沒(méi)端均是裂縫發(fā)育的有利區(qū)帶，元陸7井須三段裂縫特別發(fā)育就是一個(gè)例證。另外，須三段單層巖石厚度較薄，主要呈現(xiàn)砂泥互層展布，巖層的非均質(zhì)性很強(qiáng)，這種巖性組合非常利于裂縫發(fā)育。成像測(cè)井解釋結(jié)果可以看出，在一些巖性變化的地帶裂縫更加發(fā)育，并且產(chǎn)氣位置也主要在這些裂縫發(fā)育地帶。

圖7 元壩地區(qū)須三段儲(chǔ)層典型溶蝕孔隙與裂縫Fig.7 Typical dissolution pores and fractures in the reservoir of the third member of Xujiahe Formation in Yuanba area(A)中粒巖屑砂巖，粒間溶孔,元壩2井，深度4 375 m; (B)鈣屑砂巖,元陸12井，深度4 325 m; (C)中粒巖屑砂巖，黏土微孔隙,元陸4井，深度4 459.64 m; (D)貼礫縫,元陸6井，深度4 181.88 m; (E)巖屑粉砂巖，裂縫,元陸4井，深度4 456.06 m; (F)礫巖，網(wǎng)狀裂縫,元陸7井，深度3 326 m

須家河組儲(chǔ)層相對(duì)致密，不利于天然氣成藏富集。但是須三段儲(chǔ)層由于發(fā)生了強(qiáng)烈溶蝕作用并且裂縫比較發(fā)育，其儲(chǔ)層物性存在較大的差異。實(shí)測(cè)物性資料表明，部分地區(qū)須三段孔隙度可達(dá)到7.16%以上，滲透率最大可達(dá)到363.21×10-3μm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于須三段孔隙度和滲透率的平均值(3.0%和0.008 1×10-3μm2)。因此本次研究認(rèn)為，須三段儲(chǔ)層中的粒間溶孔、雜基微孔以及構(gòu)造裂縫能夠有效地改善儲(chǔ)層的物性，提高儲(chǔ)層的滲濾能力，對(duì)油氣的富集起到關(guān)鍵作用[14]。由于須三段為湖泊沼澤環(huán)境形成的煤系地層，其介質(zhì)偏酸性，利于溶蝕作用的發(fā)生，這種溶蝕作用能形成一定的次生孔隙，改善儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間，為天然氣的富集提供條件。同時(shí)，由于須三段部分砂體中裂縫比較發(fā)育，這種裂縫不僅作為儲(chǔ)集空間和油氣產(chǎn)出的主要滲濾通道，能有效改善儲(chǔ)層的滲濾性能，更重要的是裂縫作為流體的運(yùn)移通道，為溶蝕作用的產(chǎn)生提供了更好的條件?？碧綄?shí)踐也表明，元陸7井、元陸12井等是測(cè)試及后期開(kāi)發(fā)效果均較好的鉆井，其須三段儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙和裂縫均發(fā)育。因此“甜點(diǎn)”的分布是元壩地區(qū)須三段天然氣富集的關(guān)鍵。

2.4 氣藏的保存條件

良好的保存條件是天然氣富集成藏的重要保障，天然氣藏能否很好地保存與蓋層和垂向輸導(dǎo)體系的發(fā)育密切相關(guān)。前人研究表明，元壩地區(qū)千佛崖組和下沙溪廟組是須家河組氣藏的區(qū)域性蓋層，而須三段和須五段又分別是須二段和須四段砂體的局部蓋層，須家河組氣藏在宏觀上保存良好。同時(shí)由于須三段主要呈砂泥互層式展布，須三段暗色泥巖既可作為有效烴源巖也可以作為本層段砂體的良好蓋層，這種生儲(chǔ)蓋一體的地層格架可以有效地阻擋氣體的垂向運(yùn)移，對(duì)天然氣藏的保存至關(guān)重要。

沉積盆地的垂向輸導(dǎo)體系主要由斷層構(gòu)成，斷層可以溝通深部烴源巖生成的油氣經(jīng)垂向運(yùn)移進(jìn)入淺部層系中形成油氣藏，同時(shí)斷層的垂向輸導(dǎo)作用也可能導(dǎo)致油氣藏的破壞。如果天然氣藏中發(fā)育一些大規(guī)模的斷層，并且長(zhǎng)期活動(dòng)，那么這些斷層很可能“通天”，很容易使天然氣藏泄露。從圖1中可以看出，元壩地區(qū)西部整體上斷裂欠發(fā)育，構(gòu)造背景相對(duì)較穩(wěn)定，這是天然氣藏保存良好的重要條件。元壩地區(qū)西側(cè)九龍山背斜帶為一個(gè)低角度的寬緩背斜，地層傾角5°～8°，該地區(qū)構(gòu)造變形不是很強(qiáng)烈，大部分地區(qū)斷層不發(fā)育，僅在九龍山背斜核部發(fā)育幾條小斷層，這些都是層內(nèi)的小斷層，很難對(duì)天然氣藏產(chǎn)生明顯的破壞作用。

另外，須三段為強(qiáng)超壓地層，多口井實(shí)測(cè)地層壓力為50～100 MPa，壓力系數(shù)為1.48～2.37，特別是幾口高產(chǎn)井，例如元陸7、元陸12等井地層壓力系數(shù)均在2.0以上。強(qiáng)超壓地層本身就說(shuō)明該層段地層流體的保存條件非常好[15]。

因此，從地層格架、斷層發(fā)育情況以及超壓發(fā)育情況上看，元壩西部地區(qū)須三段天然氣藏具有良好的保存條件，這是該地區(qū)富集高產(chǎn)的重要保障。

3 結(jié) 論

元壩地區(qū)須家河組第三段勘探潛力大。通過(guò)對(duì)須三段烴源、儲(chǔ)集及保存條件的綜合研究，認(rèn)為須三段天然氣富集成藏受4種因素的控制：①元壩地區(qū)須三段泥巖和煤層較發(fā)育，有機(jī)碳含量較高，為典型優(yōu)質(zhì)烴源巖，須三段天然氣成藏具備良好的氣源條件。②須三段砂體主要分布在元壩西部地區(qū)，垂向上多套砂體與泥巖交互展布，有利于天然氣的近源成藏，避免了由于儲(chǔ)層致密，充注過(guò)程中輸導(dǎo)不暢、動(dòng)力不足的“短板”。③須三段儲(chǔ)層中碳酸鹽巖屑和膠結(jié)物含量很高，在有機(jī)酸的作用下產(chǎn)生大量溶蝕孔隙，改善了儲(chǔ)層的物性；元壩地區(qū)西側(cè)九龍山背斜帶是裂縫發(fā)育的有利區(qū)帶，并且須三段單層厚度薄，砂泥互層展布，有利于裂縫的發(fā)育；溶蝕孔隙和裂縫的存在，為天然氣的成藏富集提供了有利的儲(chǔ)集條件。④須三段泥巖既是良好的烴源巖也是良好的蓋層，有效地阻擋了天然氣的散失；另外，九龍山背斜帶斷層欠發(fā)育也是該地區(qū)天然氣保存良好的重要原因。