川西坳陷三疊系須家河組油氣富集與地層壓力關系

段正鑫，劉一鋒，樓章華，劉忠群

1.浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316000；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

川西坳陷是四川盆地重要的勘探帶，上三疊統(tǒng)須家河組儲層致密，儲量豐富，但開發(fā)程度不高，開發(fā)效益不好，尋找天然氣富集區(qū)，實現(xiàn)有效勘探開發(fā)是目前面臨的關鍵難題[1-3]，尤其是如何預測致密碎屑巖儲層氣藏高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的油氣富集區(qū)十分關鍵，也是實現(xiàn)致密氣商業(yè)開發(fā)亟需解決的問題。針對這一難題不少學者開展過相關研究，也形成不少認識[4-5]，但主要是基于沉積儲層等來對天然氣富集特征開展靜態(tài)研究。針對這一難題的探索，經(jīng)過深入研究，提出結(jié)合流體動力學從動態(tài)角度來研究油氣運動特征，結(jié)合靜態(tài)研究成果，確定油氣分布特征，以期為實現(xiàn)勘探開發(fā)提供新的依據(jù)和手段。

四川盆地是我國重要的含油氣盆地之一，總面積約為19×104km2。印支運動過后，四川盆地從海相沉積轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)陸湖盆相沉積，沉積了巨厚的陸相碎屑巖地層；隨后，四川運動導致其周緣褶皺形成山脈，盆地內(nèi)部相對下沉，從而形成了當今盆地的基本雛形[6-7]。盆地內(nèi)部分為川西、川中、川南和川東四大構(gòu)造單元，新場構(gòu)造帶位于川西坳陷中部，其內(nèi)部呈現(xiàn)中間高、南北低的構(gòu)造特征(圖1a)。上三疊統(tǒng)須家河組與上下地層均為不整合接觸，其內(nèi)部自下而上可劃分為須一、須二、須三、須四、須五和須六共6段，其中須六段在川西坳陷絕大部分地區(qū)已被剝蝕[2,5,8-9]。須三段和須五段以厚層黑色頁巖、泥巖和夾煤層為主，被視為該區(qū)域內(nèi)陸相油氣最重要的烴源巖，同時也可對下伏油氣起到封蓋作用[10]。須二段和須四段以厚層砂巖為主，是主要的儲層，但儲層致密化程度高。

須家河組二段是該區(qū)的主要產(chǎn)層，須二段的砂巖厚度可占整個地層的60%以上；須二段上部以致密砂巖為主，孔隙度普遍小于5%，夾少量泥巖，須二段下部主要為砂泥巖互層(圖1b)。前期實施的鉆井揭示該區(qū)地質(zhì)條件十分復雜，在100 km2的范圍內(nèi)，同樣的儲層，既有天然氣累計產(chǎn)量過10×108m3的高產(chǎn)高效井，也有低產(chǎn)井，甚至無產(chǎn)量井。油氣的富集高產(chǎn)問題長期困擾該區(qū)的開發(fā)工作，亟需從地質(zhì)—地球物理綜合預測方面去解決問題。

圖1 川西坳陷新場構(gòu)造帶位置及其地層巖性Fig.1 Location and stratigraphic lithology of Xinchang structural belt in West Sichuan Depression

1 動態(tài)法研究油氣分布

1.1 理論依據(jù)

浮力和異常流體壓力是油氣運移的主要動力[11]。在非常規(guī)油氣儲層中，巖石致密導致喉道變細造成毛細管力增大，使得油氣運移更加困難，異常壓力對烴類流體的運移成藏就顯得尤為重要[12]。此外，異常壓力對儲層的物性也有一定的改善作用[13]。四川盆地陸相地層經(jīng)歷了深埋成巖作用，大多已經(jīng)致密化，但勘探實踐表明，其油氣資源仍前景十分廣闊[1,14]。盆地內(nèi)超壓廣泛發(fā)育，超壓與致密油氣成藏富集的關系越來越受到關注[15-17]。川西坳陷位于四川前陸盆地的沉積中心，地層總厚度和有效烴源巖厚度都是盆地內(nèi)的最大值，目前落實的含油氣豐度也最大。新場構(gòu)造帶是目前川西坳陷須家河組勘探程度最高的地區(qū)，以該地區(qū)為例剖析異常壓力與致密油氣富集的關系對全盆地致密砂巖油氣成藏研究都極具參考意義[3,18]。

含油氣盆地超壓的主要表征參數(shù)包括壓力系數(shù)、剩余壓力和壓力梯度。剩余壓力是油氣運移的根本動力，可以表征流體運移能力的強弱；壓力梯度是指單位距離內(nèi)壓力變化量，反映流體運移過程中動力大小的變化幅度。前人通過剩余壓力和剩余壓力梯度研究來建立其與油氣藏的關系，且在一些研究區(qū)中取得了較好的應用效果[19-21]，但在非常規(guī)油氣儲層中，剩余壓力和剩余壓力梯度與油氣藏分布的相關性尚不明確。本文以超壓發(fā)育的川西坳陷新場構(gòu)造帶須家河組為例，探討了油氣運移動力條件變化對致密油氣成藏富集的影響。

1.2 主要研究方法

本研究通過實測地層壓力、剩余壓力與計算的剩余壓力梯度獲得壓力分布特征，分析其與剩余油氣分布、儲層特征和生產(chǎn)動態(tài)間的相互關系，彌補該區(qū)域相關研究的空白。研究區(qū)鉆井較多，壓力數(shù)據(jù)豐富，為實測地層壓力分析提供了數(shù)據(jù)基礎。以鉆孔實測壓力數(shù)據(jù)為主，鉆井液數(shù)據(jù)為補充開展現(xiàn)今壓力場分析，并對實測壓力數(shù)據(jù)和鉆井液數(shù)據(jù)進行了仔細篩選，剔除了非穩(wěn)態(tài)測壓數(shù)據(jù)和明顯過高的鉆井液數(shù)據(jù)。

剩余壓力是地層壓力與靜水壓力的差值，能夠排除構(gòu)造差異對地層壓力的影響，更為直觀地反映平面分布規(guī)律。本研究中的剩余壓力分布是在實測地層壓力的基礎上，根據(jù)各井位的構(gòu)造深度獲得靜水壓力，進而得到剩余壓力的分布趨勢。

剩余壓力梯度是反映某一方向在單位距離內(nèi)剩余壓力的變化程度。在剩余壓力的等值線圖上，以超壓中心為起點、剩余壓力零點為終點計算剩余壓力梯度；在非均勻變化區(qū)間，也可以通過分段取值計算[19-20]，其計算公式為：

GP=ΔP/L

(1)

式中：GP為剩余壓力梯度，MPa/km；ΔP為剩余壓力變化值，MPa；L為取值點之間的距離，km。

具體而言，由于在研究區(qū)須二段整體發(fā)育超壓，剩余壓力值均較高，少有剩余壓力的零點，因此，本研究使用分段取值計算。首先通過坐標計算兩處井位間在某一方向上的空間距離，再計算實測的兩點間的剩余壓力變化值，結(jié)果相除即可獲得兩點間剩余壓力梯度，然后對該方向上的其他井之間重復上述計算流程，最后可獲得某一方向上連續(xù)的剩余壓力梯度的剖面。

2 地層壓力、剩余壓力與剩余壓力梯度特征

2.1 地層壓力

須家河組整體發(fā)育超壓，新場構(gòu)造帶超壓始于上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(埋深約1 200 m)，中—下侏羅統(tǒng)和上三疊統(tǒng)須家河組中發(fā)育強超壓，其中須三段(埋深約3 800～4 500 m)異常壓力最高，須二段相較于須三段超壓明顯降低(圖2)。既有勘探實踐表明新場構(gòu)造帶須二段的油氣最為富集、開發(fā)程度最高，也積累了較多的鉆井地質(zhì)和天然氣生產(chǎn)動態(tài)資料。因此，本次研究選擇須二段進行流體場與致密油氣成藏關系的研究。

圖2 川西坳陷新場構(gòu)造帶井區(qū)地層壓力垂向分布Fig.2 Vertical distribution of formation pressure in well zones, Xinchang structural belt, West Sichuan Depression

新場構(gòu)造帶須二段現(xiàn)今地層壓力主要在60～80 MPa之間，呈現(xiàn)兩側(cè)高、中間低的分布特征，中間低超壓帶存在X851井區(qū)和L150井區(qū)兩個相對高壓區(qū)。該區(qū)域東北的C561井和西南的C565井區(qū)地層壓力都超過了85 MPa，東南的C140井地層壓力最低，僅為53 MPa(圖3)。新場構(gòu)造帶須二段中的高產(chǎn)井主要分布在北西走向的中間相對低壓區(qū)域，兩側(cè)強超壓區(qū)井產(chǎn)量均較低。

圖3 川西坳陷新場構(gòu)造帶上三疊統(tǒng)須家河組二段地層壓力平面分布Fig.3 Plane distribution of formation pressure in second member of Upper Triassic Xujiahe Formation, Xinchang structural belt, West Sichuan Depression

2.2 剩余壓力特征

新場構(gòu)造帶須二段剩余壓力與地層壓力的分布特征相似，也呈現(xiàn)兩側(cè)較高、中間較低。剩余壓力值分布在25～35MPa之間，占總體的80%以上。

C561井剩余壓力可達40 MPa，C565井剩余壓力為35 MPa。剩余壓力的分布明顯受到斷層的控制，C561井附近無斷層發(fā)育，超壓保存能力好；C565井周圍只發(fā)育層內(nèi)的三級斷層和連通須三段的二級斷層，這些斷層并沒有破壞地層的保存條件，從而產(chǎn)生明顯的壓力降低。C140井剩余壓力為全區(qū)最低，僅有10 MPa。在川合井區(qū)發(fā)育一條連通多個層位的一級斷層，這是重要的流體泄壓通道，從而導致了周圍流體的散失和壓力的大幅下降(圖4)。

圖4 川西坳陷新場構(gòu)造帶須二段剩余壓力平面分布Fig.4 Plane distribution of residual pressure in second member of Upper Triassic Xujiahe Formation, Xinchang structural belt, West Sichuan Depression

2.3 剩余壓力梯度特征

本文中選取了AA′和BB′兩條剖面為例分析須二段氣藏剩余壓力梯度與油氣分布的關系。在AA′剖面中，存在兩個高剩余壓力梯度中心，其最高值為5 MPa/km，在X3井附近；次高值為3.5 MPa/km，位于X851井區(qū)，其發(fā)育的二級斷層連通了須三段。剩余壓力的驅(qū)動方向在剖面左側(cè)是自西向東，在剖面右側(cè)是自東向西。高產(chǎn)井區(qū)的剩余壓力梯度為1～2 MPa/km，且距離高剩余壓力梯度的區(qū)域不遠，其中產(chǎn)量最高的X851井/X2井位于兩個高剩余壓力梯度中心之間的低剩余壓力梯度區(qū)域。低產(chǎn)井區(qū)往往遠離剩余壓力梯度高值區(qū)，或位于高剩余壓力梯度區(qū)域(圖5a)。

在BB′剖面中，剩余壓力梯度與產(chǎn)量的關系更為直觀明顯。該剖面中，剩余壓力梯度的高值區(qū)域在C140井附近，剩余壓力梯度可達10 MPa/km，也是研究區(qū)內(nèi)剩余壓力梯度的最高值區(qū)域，其他井區(qū)的剩余壓力梯度均為1～2.5 MPa/km；剩余壓力的驅(qū)動方向是自北向南。此外，C140井不僅是BB′剖面中剩余壓力梯度的極高值區(qū)域，也是唯一的非高產(chǎn)氣井，其他井均為高產(chǎn)井(圖5b)。

圖5 川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組二段聯(lián)井剖面剩余壓力梯度剖面位置見圖3。Fig.5 Residual pressure gradients of well connection sections of second member of Upper Triassic Xujiahe Formation, Xinchang structural belt, West Sichuan Depression

3 剩余壓力梯度與油氣富集的關系

剩余壓力梯度反映剩余壓力變化的快慢，在不同的地質(zhì)條件下，其對油氣分布的影響可能存在差異。本節(jié)從斷層作用、流體作用方面解釋影響剩余壓力梯度強弱的關鍵因素，結(jié)合實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，探討剩余壓力梯度與油氣富集、動態(tài)生產(chǎn)間的關系。

3.1 斷層作用

斷層是重要的泄壓通道，流體能夠沿斷層快速運移，并直接影響地層壓力的大小[23-24]。有學者認為在構(gòu)造油氣藏中，受到斷層的封堵作用，高剩余壓力梯度區(qū)域常常出現(xiàn)在斷層附近[19,22]。新場構(gòu)造帶須家河組受多期構(gòu)造活動和青藏高原擠壓隆升的影響，斷層發(fā)育較多，存在連通地表的一級斷層、須家河組內(nèi)部的二級斷層和須二段內(nèi)部的三級斷層[16,25]。

在新場構(gòu)造帶區(qū)域，一級斷層連通地表并穿過多套壓力系統(tǒng)，會導致這類斷層連通的附近區(qū)域壓力降低，如C140井明顯的壓力下降(圖4)，進而在斷層周圍出現(xiàn)高的壓力梯度。二級斷層連通須家河組的各段層位，由于須家河組整體均發(fā)育超壓，當上下層位間壓差較小時，連通后不會產(chǎn)生明顯的壓力變化，如X2井和C565井附近。位于須二段弱超壓區(qū)的二級斷層連通了須三段強超壓，導致斷層附近的地層壓力上升，進而剩余壓力梯度升高，如X3井(圖4)。須二段層內(nèi)壓力變化較小，其內(nèi)部的三級斷層對壓力的影響作用較小，與剩余壓力梯度的相關性較弱。

3.2 與儲層和流體的關系

流體作用較為劇烈的區(qū)域，易形成溶蝕孔。溶蝕作用對改善致密儲層的物性有著重要的意義[26-27]。地層水礦化度的高低是反映流體活躍程度的重要指標，高礦化度區(qū)域水—巖反應強度往往較大[28-30]，但在不同的剩余壓力梯度下的流體作用可能存在差異。

新場構(gòu)造帶礦化度數(shù)據(jù)較為豐富，須二段的礦化度范圍為67～117 g/L[31]。X2井區(qū)孔隙度較發(fā)育，最高可達12%，平均孔隙度為4.9%(圖6a)。X2井區(qū)優(yōu)質(zhì)儲層與微裂縫—溶蝕孔隙密切相關，其剩余壓力梯度為1.6MPa/km，地層水礦化度可達110 g/L[31]。X3井須二段孔隙度最高值僅為4.4%，平均孔隙度為3.2%(圖6b)，溶蝕孔隙不發(fā)育，剩余壓力梯度可達5 MPa/km。

圖6 川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組二段孔隙度頻率分布Fig.6 Porosity frequency distribution of second member of Upper Triassic Xujiahe Formation, Xinchang structural belt, West Sichuan Depression

C140井為剩余壓力梯度最高的區(qū)域，剩余壓力梯度值高達10 MPa/km，平均孔隙度為2.1%，最高為3.8%(圖6c)。C140井須二段壓實和膠結(jié)作用強烈，幾乎沒有溶蝕孔，礦化度為76 g/L[31]。其附近的C127井的剩余壓力梯度為1.8 MPa/km，平均孔隙度為3.4%，最高5.8%(圖6d)，礦化度高于C140井，可達88 g/L[31]。

過高的剩余壓力梯度可能是由于較差的孔隙條件導致的，高剩余壓力梯度的井區(qū)普遍出現(xiàn)平均孔隙度較低，孔隙度范圍較小，最大孔隙度低的特征(圖7)。具體而言，C140井和X3井的剩余壓力值均遠低于周圍井區(qū)，較差的孔隙條件導致流體更難流動，從而剩余壓力梯度增大。剩余壓力梯度在1～2.5 MPa/km之間的井區(qū)，具有平均孔隙度較高，孔隙度范圍廣的特征(圖7)。溶蝕孔隙發(fā)育，水—巖反應較強，礦化度相對較高，孔滲條件較好，是該剩余壓力梯度區(qū)間天然氣高產(chǎn)的重要原因。剩余壓力梯度低于1 MPa/km的區(qū)域，壓力對流體運移的驅(qū)動效果很弱，壓力與孔隙發(fā)育的相關性低。

圖7 川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組二段孔隙度與剩余壓力梯度關系Fig.7 Relationship between porosity and residual pressure gradient of second member of Upper Triassic Xujiahe Formation, Xinchang structural belt, West Sichuan Depression

3.3 與油氣分布的關系

在低孔低滲的致密儲層中，流體運移較為困難，目前針對新場構(gòu)造帶須二段天然氣成藏研究大多是圍繞斷層展開，不少學者提出斷層控制了天然氣的富集[5,32]。但是仍存在許多有斷層發(fā)育卻也無法高產(chǎn)的區(qū)域。在剩余壓力分布圖中，流體勢能場受西南向和東北向的高剩余壓力控制，流體從兩側(cè)向中間區(qū)域運移富集，進而高產(chǎn)井主要分布于中間剩余壓力相對較低的區(qū)域(圖5)。剩余壓力發(fā)育的強弱差異決定了基本的油氣分布趨勢，但是有利區(qū)中仍有不少低產(chǎn)井，排除儲層等造成的部分油氣低產(chǎn)井，僅靠剩余壓力對更小范圍的油氣富集區(qū)的確定比較困難。此外，新場構(gòu)造帶須二段的累積產(chǎn)量與剩余壓力梯度具有較明顯的關系，高產(chǎn)井的剩余流體壓力梯度基本在1～2 MPa/km之間，剩余壓力梯度過高(大于3.5 MPa/km)和過低(小于1 MPa/km)的地區(qū)天然氣產(chǎn)量均不太理想(圖8)。

圖8 川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組二段剩余壓力梯度與累積產(chǎn)量關系Fig.8 Relationship between residual pressure gradient and cumulative production of second member of Upper Triassic Xujiahe Formation, Xinchang structural belt, West Sichuan Depression

5 結(jié)論

(1)川西坳陷新場構(gòu)造帶在侏羅系—上三疊統(tǒng)陸相地層整體發(fā)育超壓，其中須家河組超壓最為明顯。新場構(gòu)造帶的主要產(chǎn)氣層須二段的地層壓力和剩余壓力平面分布總體呈現(xiàn)出中間較低，兩側(cè)較高的特征，但剩余壓力受構(gòu)造的影響，分布特征更為復雜。

(2)不同級次的斷層在致密儲層中具有不同的作用，跨層位的一級斷層能夠促進流體運移，有助于壓力的釋放，壓力變化導致高的剩余壓力梯度；二級斷層若連通壓力差異較大的層位，也可能產(chǎn)生較高的剩余壓力梯度；層內(nèi)三級斷層有助于改善致密儲層物性，與剩余壓力梯度的相關性不高。

(3)完善了新場構(gòu)造帶的須二段斷層控制的動態(tài)成藏體系和油氣富集規(guī)律認識，剩余壓力梯度能夠反映剩余壓力變化的程度。須二段的剩余壓力梯度存在多個高值中心，最高可達10 MPa/km，大部分區(qū)域的剩余壓力梯度為0～3 MPa/km。在儲層條件較好，且剩余壓力梯度較高(1～2 MPa/km)的區(qū)域，具有較好的油氣運移能力和聚集能力，有利于油氣富集以及持續(xù)的產(chǎn)出。剩余壓力梯度大于3.5 MPa/km和低于1 MPa/km的區(qū)域會分別受制于儲層物性與運移動力，不利于油氣富集。從壓力與油氣富集的角度為以后勘探開發(fā)部署提供了重要依據(jù)。

致謝：感謝中國石化石油勘探開發(fā)研究院四川中心和中國石化西南石油局為本項研究提供的地質(zhì)資料和相關幫助。