中上揚子區海相層系流體特征與油氣保存條件

劉光祥，沃玉進 ，潘文蕾 ，張長江

(1.中國地質大學(北京) 能源地質學院，北京 100083；2.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214151；3.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發研究院，北京 100083)

利用儲層流體特征反映油氣保存條件的研究，目前主要側重于以下2個方面：一是聚集的烴類(油、氣)物質的物理、化學性質研究，如原油密度、粘度、飽和烴氣相色譜圖基線“鼓包”(未識辨化合物)高低、輕重比、Pr/nC17、25-降藿烷及其濃度等；盡管天然氣成分相對單一，所包含的天然氣生成、演化及保存的信息相對較少，但天然氣中往往含少量的輕烴，她所包含的生源、演化、油氣保存信息量相對較多，濃縮輕烴分析近年來已運用于過成熟干氣氣/源對比、油氣保存條件研究中[1-4]。二是地層水無機地球化學特征研究，如運用地層水常規水化學、氫氧硫同位素、微量、痕量元素特征等來判別其成因及演化，進而判別油氣保存條件[5-8]。

1 地層水特征與油氣保存條件

1.1 地層水化學特征

中上揚子區地層水特征縱橫向差異顯著，反映不同地區、不同層系油氣保存條件差別較大。

湘鄂西區地層水主要見于下古生界，其礦化度普遍較低，最高的為魚1井燈影組地層水(14 g/L)，其它鉆井揭露地層水礦化度僅為每升幾克；變質系數普遍大于2，反映為大氣水強烈滲混改造區，油氣保存的水化學條件差。

黔中隆起及鄰區各構造單元地層水礦化度較低，水型較差，變質系數、脫硫系數較高，不利于油氣的保存；僅個別井地層水礦化度較高，揭示出局部具較好的油氣保存水文地質條件，如莊1井(52.1 g/L)、羊2井(20.534 g/L)等[18]。

江漢平原覆蓋區：從21口鉆井的海相地層水化學資料看，海相地層水礦化度介于0.85～66.8 g/L，平均值為19.8 g/L；變質系數介于0.567～26.5，平均值為2.4；脫硫系數變化于0.02～202，平均值為9.8；表現為中等礦化度、中等變質系數和中等脫硫系數，硫酸鈉水型為主。從橫向變化特征看，K2—E斷陷盆地發育區海相層系地層水礦化度較高，變質系數、脫硫系數低，具淡化后再濃縮變質特征。

1.2 地層水氫氧硫同位素組成特征

1.2.1 地層水氫氧同位素組成特征

由圖1可見，不同層系地層水氫、氧同位素組成特征不一。

威遠震旦系地層水點落于δD—δ18O相關圖的右下方，遠離海水端元，是濃縮變質的結果，反映優越的封閉保存條件。

寒武系地層水可明顯分為2類：威遠氣田寒武系地層水氫、氧同位素組成特征與震旦系地層水相近，僅δD值略重，遠離海水端元，為封閉濃縮的結果；城口明通井、彭水郁二井地層水氫、氧同位素組成明顯較威遠氣田的輕，而與盆地大氣降水平均氫、氧同位素組成十分相近，集中分布在大氣降水線下方的左右兩側，說明大氣水已基本交替原始地層水，油氣保存條件差。

河2井志留系地層水氫、氧同位素組成特征與盆地大氣降水平均值相近，大氣水已基本交替原始地層水，開啟程度高，油氣保存條件差，這與河2井地層水特征反映的油氣保存條件差相吻合。此外，河2井甲烷碳同位素異常輕，接近于生物成因氣，其可能是大氣水攜帶喜氧細菌對甲烷改造的結果。

圖1 四川盆地及鄰區地層水氫—氧同位素相關圖

二疊系地層水除盆緣露頭區氫、氧同位素組成特征與大氣降水平均值相近(如諾水河二疊系泉水)，反映交替作用強烈，油氣保存條件較差外，其它氣田地層水氫、氧同位素點落于δD—δ18O相關圖的右上方，分布相對集中，且靠近海水端元。但氫同位素較海水輕，而氧同位素較重，屬封閉濃縮變質水，反映出具優越的油氣保存水文環境。

中下三疊統地層水氫、氧同位素組成特征復雜，可分為3類，第1類(占9.72%)與盆地大氣降水平均值相近，反映開啟程度較高，油氣保存條件差；第2類(占81.94%)與二疊系的主體相近，屬封閉濃縮變質水；第3類(占8.34%)與須家河組地層水氫、氧同位素組成特征相近，屬海源沉積型與大氣降水疊加型，如建南氣田建10井T1f地層水(δ18O=-4.8‰，δD=-37‰)，明顯有別于第2類地層水氧、氫同位素組成特征。

1.2.2 地層水硫同位素組成特征

據林耀庭[21]對四川盆地中下三疊統石膏和鹵水的硫同位素研究表明：1)隨時代變新，硫同位素明顯輕化，且具階梯狀分布演化特點；2)同一層段的硫同位素縱橫向分布穩定；3)石膏和地層水硫同位素具同源性，同一層段的石膏和鹵水的硫同位素大體相近，具同步現象。如T1j4+5層段的石膏和鹵水的δ34S值分別為28.3‰和29.2‰；T2l4則分別為16.9‰和15.6‰；T1j2分別為34.2‰和35.9‰，都十分相近，說明兩者具同源特征。由此表明，中下三疊統各儲集層段流體分隔性強，無竄層現象，揭示出優越的封閉保存條件。

川岳83井飛仙關組地層水硫同位素為38.6‰，較嘉一至嘉三段地層水硫同位素更重，反映為封閉環境；川27井自流井群地層水硫同位素為35.4‰，與嘉一至嘉三段地層水硫同位素相近，可能揭示為海相地層水，反映出局部地區海相地層水上竄至陸相層系并驅替了原有地層水；而諾水河二疊系泉水硫同位素輕化明顯，僅為20.1‰，交替強烈，油氣保存條件差。這與前述地層水化學、地層水氫氧同位素所獲結論相吻合。

2 天然氣特征與保存條件

2.1 天然氣組分特征

中上揚子區天然氣主要產于四川盆地。陸相產層天然氣干燥系數(C1/∑C1-5)變化幅度大，分布于0.862 7～0.988 2，而海相產層天然氣干燥系數普遍大于0.98。陸相產層天然氣非烴氣具低N2、低CO2和不含或微—低含量H2S；海相產層天然氣非烴氣組成變化較大，H2S含量從低含硫至特高含量均有分布，N2、CO2的含量變化幅度也較大，其中CO2含量與H2S含量具正相關關系，尤以川東氣區最為顯著(除本研究測試數據外，其它數據引自文獻[22-31])。

2.2 天然氣烷烴碳同位素組成特征

四川盆地海相產層天然氣多屬油型氣，僅少數氣樣點落于煤型氣與油氣型的混源氣區(圖2)，如通南巴、元壩、赤水等。陸相產層天然氣則相對較復雜，主體而言，多屬腐殖型氣，少數陸相氣藏氣屬海相成因，如臥龍河須家河組、合江須家河組氣藏天然氣[28]、川東北區川涪190井自流井群天然氣、分1井須家河組天然氣等。

圖2 四川盆地天然氣成因類型

反映局部地區海相天然氣上竄至陸相層系聚集成藏，但其氣藏規模較小。揭示出海相層系天然氣保存條件總體較好，僅局部遭受過開啟。

2.3 天然氣甲烷氫同位素組成特征

川西、川中、川南氣區陸相產層天然氣甲烷氫同位素普遍輕于-140‰(圖3)，其中，川中、川南氣區甲烷氫同位素分布范圍大致相當，不僅反映其母源性質相似，而且反映其具大致相似的演化程度。這與乙烷碳同位素反映為須家河組湖沼相烴源巖，甲烷碳同位素反映為成熟—高成熟的演化特點一致。川西氣區天然氣甲烷氫同位素略重，應該是演化程度較高的表征，因其乙烷碳同位素與川中、川西氣區陸相層系天然氣相似，而甲烷碳同位素明顯偏重，反映源巖演化程度要高，這與須家河組烴源巖的埋深相對應。

川東北的毛壩7井須家河組產層天然氣甲烷氫同位素明顯較上述氣區陸相層系的重，而與海相產層天然氣甲烷氫同位素相近；從乙烷碳同位素看，其源自煤系地層，從甲烷碳同位素分析，其演化程度較川西陸相天然氣低而略高于川中陸相天然氣，因此，重的氫同位素可能并非高演化所致，而是沉積環境的表征。源巖形成時沉積水體鹽度較高，與區內及鄰區龍馬溪組、棲霞—茅口組、龍潭組、須家河組烴源巖沉積環境相匹配的僅有龍潭組烴源巖，因此，毛壩7井須家河組天然氣并非自生自儲，而是龍潭組下部煤系烴源巖生成的天然氣上竄的結果。

海相產層天然氣甲烷氫同位素分布于-140‰～-97‰，平均值為-118‰，標準偏差為7.3‰，總體較陸相產層天然氣的重，表明源巖發育環境、母質類型、成熟度均存在差異，這與烴源巖研究結果相一致。

圖3 四川盆地天然氣甲烷碳—氫同位素相關圖

從四川盆地天然氣甲烷氫同位素看，陸相產層天然氣明顯有別于海相產層，主體反映為自生自儲，揭示出海相天然氣保存系統保存條件優越，僅局部地區海相油氣保存系統曾一度開啟，天然氣上竄至陸相層系聚集成藏(如毛壩7井T3x、馬2井T3x等層位天然氣)。這與烷烴氣碳同位素所獲結論相吻合。

2.4 天然氣輕烴組成特征

在C7輕烴系統中海相產層天然氣正庚烷(nC7)相對含量最高，分布于48%～67%之間，平均值為56.59%；甲基環己烷(MCC6)相對含量次之，分布于26%～39%，平均值為31.86%；二甲基環戊烷(DMCC5)相對含量最低，分布于5%～17%，平均值為11.56%，反映源巖母質類型屬Ⅰ—Ⅱ1型(圖4)。陸相產層(主要為須家河組)天然氣正庚烷相對含量較海相產層的低，分布于11.5%～32.5%，平均值為20.26%；而甲基環己烷相對含量較海相產層的高得多，分布于49.5%～86%，平均值近60%(59.96%)；二甲基環戊烷相對含量較海相產層的略高，主體分布于14%～26%，平均為20.4%，反映源巖母質類型屬Ⅱ2—Ⅲ型。

海、陸相產層天然氣成因類型明顯不一，表明海相層系天然氣保存條件優越。少數陸相層系天然氣反映為海相成因，如川涪190井(J1z)、毛壩7井(T3x)、分1井(T3x)天然氣，其輕烴組成特征與海相產層天然氣相似，而明顯有別于其它陸相產層天然氣，這與前述天然氣甲、乙烷碳同位素反映的成因類型一致，說明局部地區海相油氣保存系統曾一度遭受過開啟，天然氣運移至陸相層系聚集成藏。

圖4 四川盆地天然氣濃縮烴、

3 流體特征分區與保存條件

根據上述地層水化學特征、地層水氫氧硫同位素、海陸相產層天然氣特征、油氣產出、顯示情況及其有機地球化學特征，將中上揚子區流體特征劃分為以下5個區(圖5)，其對應的油氣保存條件逐漸變差。

川中—川西區(Ⅰ)：無論是海相層系，還是陸相層系(須家河組)，不僅地層水礦化度高，變質系數、脫硫系數低，水型為CaCl2型，而且海、陸相產層天然氣分屬不同的成礦系統，陸相產層中未見海相天然氣，海相層系油氣保存條件十分優越。

圖5 中上揚子區流體特征分區

川北—川東—川南區(Ⅱ)：區內石炭系、上震旦統無論是地層水礦化度、水型、離子組成特征、水化學特征系數，還是地層水氫氧同位素均反映出濃縮深變質的特點，其保存條件優越。川東—川南區二疊系—中三疊統在高陡背斜核部裸露地表，致使局部地區地層水被淡化，礦化度降低，水型為Na2SO4和NaHCO3型，變質系數、脫硫系數增高，油氣保存條件欠佳，如石油溝—石龍峽一帶嘉陵江組地層水。從建南氣田地層水氫氧同位素看，海相地層水曾遭受過大氣水改造(印支期)，但后期蓋層的疊加又重建了油氣封閉保存系統。本區另一顯著的特點是陸相層系中見海相天然氣，如臥龍河、合江須家河氣藏、毛壩7井(T3x)、分1井(T3x)、川涪190井(J1z)等，表明海相油氣保存系統曾一度遭受過開啟，海相天然氣上竄至陸相層系成藏，但其規模較小，可能主要得益于中下三疊統膏鹽巖的可塑性，構造活動之后，自行愈合，又重建了海相油氣保存系統。川東區須家河組地層水明顯不同于川中—川西區，以富含硫酸根，Ba2+含量低為特征，與海相層系的相似，而且地層水化學特征橫向變化大同樣反映出海相油氣保存系統曾遭受過改造。

江漢盆地南部(Ⅲ)：海相層系地層水礦化度、變質系數橫向變化較大，與四川盆地海相層系相比，其礦化度要低得多，而變質系數明顯要高，主要是因為燕山中幕的改造十分強烈，局部地區震旦系曾裸露地表，地層水普遍遭強烈淡化；K2—E斷陷盆地的疊加，地層水再次封閉濃縮形成今貌，具改造再濃縮的特點。

黔東南坳陷區(Ⅳ)：本區流體特征變化較大，地層水普遍呈低礦化度、高變質系數的特點，但也有高礦化度地層水存在，如莊1井、羊2井，揭示出局部地區存在油氣保存的水文地質條件；虎47井原油飽和烴氣相色譜圖基線平直，正構烷烴分布齊全，明顯不同于洛棉上青山奧陶系油苗，也反映地腹原油保存條件較好。結合多口鉆井見油氣顯示，僅個別鉆井獲低產工業油流的現狀，稱該區為改造殘留型。

其它地區(Ⅴ)：湘鄂西區、黔中及鄰區、江漢盆地北部等區，從已有的地層水資料看，其礦化度一般小于10 g/L，變質系數高，氫氧同位素點落于平均大氣降水線附近，遠離海水端元，大氣水滲入改造強烈；由于多數鉆井開孔于寒武系，在有志留系蓋層分布區其流體特征不清，推測局部地區可能具備油氣保存的水化學條件。

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