川中地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組致密砂巖氣藏成藏過程及成藏機(jī)理

深層致密砂巖油氣藏作為一種特殊而非正式的油氣藏，在世界范圍內(nèi)引起了石油行業(yè)的高度關(guān)注。自20世紀(jì)80年代以來,多位石油地質(zhì)專家提出了深盆氣(Masters,1979)、盆地中心氣(Rose,1986)和連續(xù)型油氣藏(Schmoker,1995)等新概念,就是針對(duì)在含油氣盆地中廣泛分布的致密砂巖和其他非常規(guī)儲(chǔ)層(頁巖氣、煤層氣)的勘探評(píng)價(jià),試圖用新的思維和技術(shù)方法評(píng)價(jià)其油氣資源前景和勘探潛力,將前人認(rèn)為不可采的油氣資源變?yōu)榭煽碧健㈤_發(fā)、利用的能源。中國(guó)致密儲(chǔ)層天然氣的分布十分廣泛,勘探潛力巨大,如四川、鄂爾多斯、吐哈、松遼、準(zhǔn)噶爾、塔里木等10余個(gè)盆地,都具有形成致密砂巖氣藏的地質(zhì)條件。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,低滲透和特低滲透儲(chǔ)層中的天然氣資源量約占中國(guó)天然氣總資源量的50%。本文以四川盆地川中地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組致密砂巖氣藏為例,探討其成藏過程及成藏機(jī)理。本文的川中地區(qū)指的是四川盆地中部西起龍泉山、東至華鎣山,南起威遠(yuǎn)構(gòu)造、北至龍崗構(gòu)造的大川中地區(qū)。四川盆地須家河組天然氣勘探始于1956年,川中地區(qū)已先后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了龍女寺、八角場(chǎng)、營(yíng)山、充西、廣安、遂南、磨西、潼南等氣藏,顯示出了良好的天然氣勘探前景和豐富的資源潛力,成為繼三疊系飛仙關(guān)組和二疊系長(zhǎng)興組之后,四川盆地天然氣儲(chǔ)量增長(zhǎng)的重要領(lǐng)域之一;但鉆探實(shí)踐證明,須家河組屬致密砂巖儲(chǔ)層,天然氣聚集成藏機(jī)理復(fù)雜,勘探與開發(fā)難度大。1致密砂巖氣成藏過程1.1不同構(gòu)造須家河組烴源巖成熟度及構(gòu)造意義通過對(duì)典型構(gòu)造磷灰石樣品裂變徑跡的模擬,得到了較為可靠的地層沉降—隆升史,為獲取可靠的地史模型奠定了基礎(chǔ)。在收集典型鉆井的巖性、分層、孔隙度-深度曲線的基礎(chǔ)上,利用EasyRo化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)不同構(gòu)造須家河組烴源巖進(jìn)行了生烴史的模擬,圖1即為合川構(gòu)造合川1井須家河組烴源巖生烴史模擬圖。川中地區(qū)不同構(gòu)造須家河組烴源巖的生烴過程整體上具有相似性,在中-晚侏羅世開始進(jìn)入生烴門限,早白堊世達(dá)到生烴高峰,在晚白堊世以生成凝析油和凝析氣為主,白堊紀(jì)末期至今為構(gòu)造隆升階段,與前人研究成果基本一致。不同構(gòu)造須家河組烴源巖在同一地史時(shí)期其成熟度(Ro)演化又存在著一定的差異,其主要原因是不同構(gòu)造所經(jīng)歷的構(gòu)造演化史不同,這在侏羅紀(jì)末期以及喜馬拉雅期的構(gòu)造隆升運(yùn)動(dòng)上表現(xiàn)得特別明顯。在單井生烴史恢復(fù)的基礎(chǔ)上,對(duì)二維大剖面進(jìn)行了生烴史的模擬(圖2),結(jié)果表明在侏羅紀(jì)沉積末期,靠近川西拗陷的地區(qū)地層埋深較大,須家河組烴源巖成熟度較高,須一段至須三段烴源巖成熟度超過了1.0%,處于大量生排烴期,并有原油伴生氣生成;上部的須五段烴源巖處于生油高峰期。而川中地區(qū)須家河組烴源巖成熟度大多在0.7%左右,處于大量生油階段,原油在局部的圈閉中聚集成藏;而侏羅系烴源巖還處于未成熟階段。白堊紀(jì)末期,須家河組烴源巖埋深達(dá)到了最大,靠近川西拗陷的地區(qū)須一段烴源巖成熟度超過了1.6%,處于干氣階段;須三段、須五段烴源巖成熟度介于0.8%~1.0%之間,進(jìn)入了大量生油階段。而川中地區(qū)須家河組烴源巖成熟度普遍介于1.0%~1.4%之間,由于地勢(shì)平緩,生成的凝析油及原油伴生氣在就近的圈閉中聚集成藏。喜馬拉雅期以來,須家河組烴源巖的成熟度變化不大;但由于四川盆地所經(jīng)歷的強(qiáng)烈的隆升作用,川中地區(qū)剝蝕量多在2~3km,須家河組烴源巖生烴作用近乎停滯,與現(xiàn)今的烴源巖成熟度差異不大。1.2原油儲(chǔ)存時(shí)間和充注期1.2.1油氣充注保護(hù)的季節(jié)動(dòng)態(tài)前人研究認(rèn)為,須家河組儲(chǔ)層中的鹽水包裹體均一溫度分布較廣,呈現(xiàn)雙峰和多峰的形態(tài),表明存在油氣的多期充注。在本次研究中,川中地區(qū)須家河組儲(chǔ)層含烴鹽水包裹體均一溫度同樣呈現(xiàn)出雙峰型的特征(表1),前峰分布的溫度較低。結(jié)合地層埋藏史、古地溫史恢復(fù)結(jié)果,認(rèn)為油氣的充注對(duì)應(yīng)的地質(zhì)時(shí)期主要在晚侏羅世和古近紀(jì)末期;后峰分布的溫度較高,對(duì)應(yīng)的地質(zhì)時(shí)期主要在晚白堊世—新近紀(jì)初期。1.2.2油氣藏成藏年齡及與油氣儲(chǔ)層深度的關(guān)系須家河組儲(chǔ)層砂巖樣品中的黏土礦物主要為伊利石,還含少量綠泥石及高嶺石等其他黏土礦物。伊利石主要以片狀、蜷曲片狀及毛發(fā)狀分布在石英顆粒表面及粒間孔中,自生伊利石十分發(fā)育,可以滿足K-Ar法測(cè)定年齡樣品的要求。結(jié)果表明K-Ar年齡數(shù)據(jù)分布范圍為79~124Ma之間,對(duì)應(yīng)于白堊紀(jì)早中期—末期。儲(chǔ)層自生伊利石年齡反映了油氣充滿儲(chǔ)層的最早時(shí)間,伊利石同位素年齡給出了油氣藏形成期的最大地質(zhì)年齡。在同一地區(qū)伊利石K-Ar年齡具有下早上晚的特征(圖3),廣安地區(qū)須四段成藏期比須六段早10Ma,遂南地區(qū)的岳2井須二段比須四段成藏時(shí)間早7Ma,八角場(chǎng)構(gòu)造須四段成藏時(shí)間也略晚于須二段10Ma左右,也有個(gè)別井如角45井須四段比須二段早5Ma,可能主要是受烴源巖條件及斷裂輸導(dǎo)油氣的影響。自生伊利石K-Ar年齡與深度的關(guān)系分析表明,儲(chǔ)層深度越大,K-Ar年齡越大。廣安須六、合川潼南須二、遂南岳2井須二、須四的儲(chǔ)層深度都小于2.5km,對(duì)應(yīng)的成藏時(shí)間在79~97MaB.P.之間;廣安—南充構(gòu)造須四段儲(chǔ)層深度在2.5~3km,對(duì)應(yīng)的成藏時(shí)間在89~98MaB.P.之間;八角場(chǎng)地區(qū)須二、須四段儲(chǔ)層深度>3km,對(duì)應(yīng)的成藏時(shí)間在94~124MaB.P.。另外,不同構(gòu)造同一層位成藏時(shí)間也存在差異,以須四段氣藏為例,由西向東從八角場(chǎng)到南充再到廣安構(gòu)造,隨著地層埋深的逐漸變淺,成藏時(shí)間從106MaB.P.到98MaB.P.再到89MaB.P.,具有成藏時(shí)間越來越晚的特征(圖3)。1.2.3成藏期次研究為了分析構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)天然氣充注的作用,針對(duì)營(yíng)山構(gòu)造須二段巖心裂縫充填的石英及方解石進(jìn)行了ESR法測(cè)定年齡(表2),同時(shí)參考了前人有關(guān)廣安、潼南等地區(qū)的年齡數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示次生石英結(jié)晶年齡為102.5~12.5Ma,相當(dāng)于燕山運(yùn)動(dòng)晚期、喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)中期的產(chǎn)物。而方解石脈年齡測(cè)定結(jié)果顯示,方解石形成于晚中新世,時(shí)間不早于8MaB.P.,全部為喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)末期的產(chǎn)物。ESR法測(cè)定年齡的結(jié)果表明研究區(qū)裂縫形成有2期,即103~73MaB.P.和29MaB.P.至現(xiàn)今。在前一時(shí)期,裂縫發(fā)育的時(shí)間與烴源巖大量排烴的時(shí)間相一致,對(duì)油氣早期的運(yùn)移聚集起到了重要的作用;晚期形成的裂縫與喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的晚白堊世以來的構(gòu)造隆升作用相一致,為早期形成的古氣藏的改造和新氣藏定型階段。綜合以上3種成藏年齡測(cè)定方法,并結(jié)合川中地區(qū)構(gòu)造演化史和烴源巖生烴史,認(rèn)為川中地區(qū)須家河組油氣成藏主要有3期,前2期分別為侏羅紀(jì)期間成熟和高成熟的烴類流體向儲(chǔ)層中的充注,后一期為晚白堊世以來的構(gòu)造隆升調(diào)整,對(duì)早期天然氣藏改造并再次成藏的過程。其中后一期在整個(gè)須家河組天然氣成藏過程中更為重要。2致密砂巖氣成藏機(jī)理2.1烷/烷型二氫氧基苯磺酸鈉的性質(zhì)表征川中地區(qū)須家河組儲(chǔ)層瀝青、凝析油中的三環(huán)萜烷和重排甾烷含量低,其三環(huán)萜烷/五環(huán)三萜烷和重排甾烷/規(guī)則甾烷的比值分別在0.14~0.31之間和0.02~0.33之間變化,與相鄰烴源巖的特征相似度高,未表現(xiàn)出明顯的運(yùn)移分餾效應(yīng),表現(xiàn)為近距離運(yùn)移的特征。2.2天然氣高與氣相運(yùn)移的天然氣已有的分析數(shù)據(jù)表明,川中地區(qū)凝析油芳烴含量既沒有川西拗陷以水溶相運(yùn)移的天然氣高,也沒有以氣相運(yùn)移的天然氣低,介于兩者之間;天然氣的濃縮烴的芳烴含量總是略低于一同產(chǎn)出的凝析油芳烴含量,這些特點(diǎn)表明天然氣藏中有水溶氣的補(bǔ)充作用,但水溶氣的補(bǔ)充作用有限(圖4),以游離氣相為主。2.3單位體積甲烷表現(xiàn)為氣體隆升的聯(lián)前人對(duì)川中地區(qū)須家河組天然氣成藏的研究認(rèn)為,水溶氣脫溶效應(yīng)對(duì)天然氣的成藏有重要貢獻(xiàn)。然而作者通過計(jì)算隆升過程中天然氣脫溶所造成的溶解度的改變量,認(rèn)為天溶氣脫溶對(duì)川中地區(qū)須家河組氣藏的貢獻(xiàn)較小。結(jié)合熱史演化結(jié)果,假設(shè)在隆升過程中的孔隙流體壓力為靜水壓力,可以得知單位體積的水最多可以脫溶出標(biāo)準(zhǔn)狀況下的甲烷5.56m3,最少僅有2.67m3(圖4)。利用理想氣體的PVT狀態(tài)方程計(jì)算了單位體積的甲烷在隆升過程中體積的變化,若有地層的抬升剝蝕,由于溫度和壓力的降低,氣體的體積便會(huì)膨脹而增加(圖5)。體積的增加量可以由地層的剝蝕量確定。川中地區(qū)磷灰石裂變徑跡的分析結(jié)果表明,須家河組的最大埋深可以達(dá)到5.5km,晚白堊紀(jì)以來的剝蝕厚度達(dá)到3.4km,其體積變化可以從1.0增加到1.3,膨脹了30%(圖5)?？梢钥闯?氣藏中游離氣相的天然氣在隆升過程中的卸壓膨脹作用對(duì)天然氣成藏過程中含氣飽和度的增加有重要貢獻(xiàn),可以使本來游離的氣相變?yōu)檫B續(xù)的氣相,增加了浮力,使游離的天然氣能夠在儲(chǔ)層中運(yùn)移,排替出儲(chǔ)層中的孔隙水,這對(duì)構(gòu)造幅度小、巖性致密的川中須家河組儲(chǔ)層的天然氣充注來說至關(guān)重要。3天然氣成藏年齡及氣藏成藏時(shí)代a.生烴史模擬結(jié)果表明,川中地區(qū)不同構(gòu)造須家河組烴源巖的生烴過程具有相似性,在中—晚侏羅世開始進(jìn)入生烴門限,早白堊世達(dá)到生烴高峰,在晚白堊世以生成凝析油和凝析氣為主,白堊紀(jì)末期至今為構(gòu)造隆升階段,須家河組烴源巖生烴作用近乎停滯。不同構(gòu)造須家河組烴源巖在同一地史時(shí)期的成熟度演化存在著一定的差異,其主要原因是不同構(gòu)造所經(jīng)歷的構(gòu)造演化史不同。b.通過包裹體均一溫度、自生礦物K-Ar法測(cè)定年齡和裂縫充填礦物ESR測(cè)定年齡對(duì)須家河組天然氣成藏年代和充注期次進(jìn)行了深入研究,結(jié)果表明川中地區(qū)須家河組油氣成藏主要有3期,前2期分別為侏羅紀(jì)期間成熟和高成熟的烴類流體向儲(chǔ)層中的充注,后一期為晚白堊世以來