川中地區須家河組致密砂巖氣成藏機理

徐昉昊 袁海鋒 黃 素 唐大海 李國輝 段新國

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.中國石油大學 地球科學學院，北京102249；3.中國石油西南油氣田分公司 勘探開發研究院，成都610051）

深層致密砂巖油氣藏作為一種特殊非常規油氣藏，在世界范圍內已受到石油工業界的高度關注。自20世紀80年代以來，多位石油地質專家提出了深盆氣（Masters，1979）、盆地中心氣（Rose，1986）和連續型油氣藏（Schmoker，1995）等新概念，就是針對在含油氣盆地中廣泛分布的致密砂巖和其他非常規儲層（頁巖氣、煤層氣）的勘探評價，試圖用新的思維和技術方法評價其油氣資源前景和勘探潛力，將前人認為不可采的油氣資源變為可勘探、開發、利用的能源[1，2]。中國致密儲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、準噶爾、塔里木等10余個盆地，都具有形成致密砂巖氣藏的地質條件[1]。據有關文獻報道，低滲透和特低滲透儲層中的天然氣資源量約占中國天然氣總資源量的50%[3，4]。本文以四川盆地川中地區上三疊統須家河組致密砂巖氣藏為例，探討其成藏過程及成藏機理。

本文的川中地區指的是四川盆地中部西起龍泉山、東至華鎣山，南起威遠構造、北至龍崗構造的大川中地區。四川盆地須家河組天然氣勘探始于1956年，川中地區已先后陸續發現了龍女寺、八角場、營山、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組和二疊系長興組之后，四川盆地天然氣儲量增長的重要領域之一；但鉆探實踐證明，須家河組屬致密砂巖儲層，天然氣聚集成藏機理復雜，勘探與開發難度大。

1 致密砂巖氣成藏過程

1.1 烴源巖生烴過程

通過對典型構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。在收集典型鉆井的巖性、分層、孔隙度－深度曲線的基礎上，利用Easy Ro化學動力學模型[5]對不同構造須家河組烴源巖進行了生烴史的模擬，圖1即為合川構造合川1井須家河組烴源巖生烴史模擬圖。

圖1 合川構造合川1井須家河組烴源巖生烴史圖Fig.1 The source rock's hydrocarbon－generating history of the Well Hechuan－1in Xujiahe Formation of the Hechuan structure

川中地區不同構造須家河組烴源巖的生烴過程整體上具有相似性，在中－晚侏羅世開始進入生烴門限，早白堊世達到生烴高峰，在晚白堊世以生成凝析油和凝析氣為主，白堊紀末期至今為構造隆升階段，與前人研究成果[6，7]基本一致。不同構造須家河組烴源巖在同一地史時期其成熟度（Ro）演化又存在著一定的差異，其主要原因是不同構造所經歷的構造演化史不同，這在侏羅紀末期以及喜馬拉雅期的構造隆升運動上表現得特別明顯。

在單井生烴史恢復的基礎上，對二維大剖面進行了生烴史的模擬（圖2），結果表明在侏羅紀沉積末期，靠近川西拗陷的地區地層埋深較大，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。

白堊紀末期，須家河組烴源巖埋深達到了最大，靠近川西拗陷的地區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，進入了大量生油階段。而川中地區須家河組烴源巖成熟度普遍介于1.0%～1.4%之間，由于地勢平緩，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歷的強烈的隆升作用，川中地區剝蝕量多在2～3km，須家河組烴源巖生烴作用近乎停滯，與現今的烴源巖成熟度差異不大。

1.2 油氣成藏年代及充注期次

1.2.1 包裹體均一溫度法

前人研究認為，須家河組儲層中的鹽水包裹體均一溫度分布較廣，呈現雙峰和多峰的形態，表明存在油氣的多期充注[8－10]。在本次研究中，川中地區須家河組儲層含烴鹽水包裹體均一溫度同樣呈現出雙峰型的特征（表1），前峰分布的溫度較低。結合地層埋藏史、古地溫史恢復結果，認為油氣的充注對應的地質時期主要在晚侏羅世和古近紀末期；后峰分布的溫度較高，對應的地質時期主要在晚白堊世—新近紀初期。

1.2.2 自生礦物K－Ar法

須家河組儲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、蜷曲片狀及毛發狀分布在石英顆粒表面及粒間孔中，自生伊利石十分發育，可以滿足K－Ar法測定年齡樣品的要求。結果表明K－Ar年齡數據分布范圍為79～124Ma之間，對應于白堊紀早中期—末期。儲層自生伊利石年齡反映了油氣充滿儲層的最早時間，伊利石同位素年齡給出了油氣藏形成期的最大地質年齡[11，12]。

表1 流體包裹體均一溫度法確定油氣充注時間Table1 The method of fluid inclusions'homogeneous temperature to ensure the filling time of oil and gas

圖2 四川盆地安遂剖面生烴史模擬Fig.2 The simulation of hydrocarbon－generatinghistory in the Ansui section of Sichuan Basin

圖3 四川盆地須家河組主要構造成藏時間對比Fig.3 The comparison of main structures'accumulation time of Xujiahe Formation in Sichuan Basin

在同一地區伊利石K－Ar年齡具有下早上晚的特征（圖3），廣安地區須四段成藏期比須六段早10Ma，遂南地區的岳2井須二段比須四段成藏時間早7Ma，八角場構造須四段成藏時間也略晚于須二段10Ma左右，也有個別井如角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油氣的影響。

自生伊利石K－Ar年齡與深度的關系分析表明，儲層深度越大，K－Ar年齡越大。廣安須六、合川潼南須二、遂南岳2井須二、須四的儲層深度都小于2.5km，對應的成藏時間在79～97Ma B.P.之間；廣安—南充構造須四段儲層深度在2.5～3km，對應的成藏時間在89～98Ma B.P.之間；八角場地區須二、須四段儲層深度＞3km，對應的成藏時間在94～124Ma B.P.。另外，不同構造同一層位成藏時間也存在差異，以須四段氣藏為例，由西向東從八角場到南充再到廣安構造，隨著地層埋深的逐漸變淺，成藏時間從106Ma B.P.到98Ma B.P.再到89Ma B.P.，具有成藏時間越來越晚的特征[13]（圖3）。

1.2.3 充填礦物ESR法

為了分析構造運動對天然氣充注的作用，針對營山構造須二段巖心裂縫充填的石英及方解石進行了ESR法測定年齡（表2），同時參考了前人有關廣安、潼南等地區的年齡數據。結果顯示次生石英結晶年齡為102.5～12.5Ma，相當于燕山運動晚期、喜馬拉雅運動中期的產物。而方解石脈年齡測定結果顯示，方解石形成于晚中新世，時間不早于8Ma B.P.，全部為喜馬拉雅運動末期的產物。ESR法測定年齡的結果表明研究區裂縫形成有2期，即103～73Ma B.P.和29Ma B.P.至現今。在前一時期，裂縫發育的時間與烴源巖大量排烴的時間相一致，對油氣早期的運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造運動導致的晚白堊世以來的構造隆升作用相一致，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種成藏年齡測定方法，并結合川中地區構造演化史和烴源巖生烴史，認為川中地區須家河組油氣成藏主要有3期，前2期分別為侏羅紀期間成熟和高成熟的烴類流體向儲層中的充注，后一期為晚白堊世以來的構造隆升調整，對早期天然氣藏改造并再次成藏的過程。其中后一期在整個須家河組天然氣成藏過程中更為重要。

表2 川中地區營山21井須二段石英及方解石ESR法年齡測定結果Table2 The result of age dating of quartz and calcite from Well Yingshan－21by the method of ESR in T3x2 of the central area of Sichuan

2 致密砂巖氣成藏機理

2.1 天然氣近距離運移

川中地區須家河組儲層瀝青、凝析油中的三環萜烷和重排甾烷含量低，其三環萜烷／五環三萜烷和重排甾烷／規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，未表現出明顯的運移分餾效應，表現為近距離運移的特征。

2.2 天然氣以游離氣相充注為主

已有的分析數據表明，川中地區凝析油芳烴含量既沒有川西拗陷以水溶相運移的天然氣高，也沒有以氣相運移的天然氣低，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出的凝析油芳烴含量，這些特點表明天然氣藏中有水溶氣的補充作用，但水溶氣的補充作用有限（圖4），以游離氣相為主。

圖4 天然氣在地層水中的溶解和脫溶軌跡Fig.4 The traces of dissolution and exsolution of the natural gas in formation water

2.3 隆升過程中天然氣的泄壓膨脹作用

前人對川中地區須家河組天然氣成藏的研究認為，水溶氣脫溶效應對天然氣的成藏有重要貢獻[14，15]。然而作者通過計算隆升過程中天然氣脫溶所造成的溶解度的改變量，認為天溶氣脫溶對川中地區須家河組氣藏的貢獻較小。結合熱史演化結果，假設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準狀況下的甲烷5.56m3，最少僅有2.67m3（圖4）。

利用理想氣體的PVT狀態方程計算了單位體積的甲烷在隆升過程中體積的變化[16]，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。川中地區磷灰石裂變徑跡的分析結果表明[17]，須家河組的最大埋深可以達到5.5km，晚白堊紀以來的剝蝕厚度達到3.4km，其體積變化可以從1.0增加到1.3，膨脹了30%（圖5）。可以看出，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天然氣成藏過程中含氣飽和度的增加有重要貢獻，可以使本來游離的氣相變為連續的氣相，增加了浮力，使游離的天然氣能夠在儲層中運移，排替出儲層中的孔隙水，這對構造幅度小、巖性致密的川中須家河組儲層的天然氣充注來說至關重要。

圖5 隆升過程中單位體積的甲烷在不同地溫梯度下的體積變化Fig.5 The volume change of one unit methane with different geothermal gradients in the uplifting process

3 結論

a.生烴史模擬結果表明，川中地區不同構造須家河組烴源巖的生烴過程具有相似性，在中—晚侏羅世開始進入生烴門限，早白堊世達到生烴高峰，在晚白堊世以生成凝析油和凝析氣為主，白堊紀末期至今為構造隆升階段，須家河組烴源巖生烴作用近乎停滯。不同構造須家河組烴源巖在同一地史時期的成熟度演化存在著一定的差異，其主要原因是不同構造所經歷的構造演化史不同。

b.通過包裹體均一溫度、自生礦物K－Ar法測定年齡和裂縫充填礦物ESR測定年齡對須家河組天然氣成藏年代和充注期次進行了深入研究，結果表明川中地區須家河組油氣成藏主要有3期，前2期分別為侏羅紀期間成熟和高成熟的烴類流體向儲層中的充注，后一期為晚白堊世以來的構造隆升調整，對早期天然氣藏改造并再次成藏的過程。其中后一期在構造幅度小、巖性致密的須家河組天然氣成藏過程中更為重要。

c.川中地區須家河組儲層瀝青、凝析油中的生物標志化合物參數與相鄰烴源巖的參數相似度高，表現為油氣近距離運移的特征；而天然氣濃縮烴與凝析油輕烴芳烴分布特征表明，川中地區須家河組天然氣以游離氣相充注為主，水溶氣相為輔；在構造隆升過程中，氣藏中游離氣相的天然氣卸壓膨脹作用對致密砂巖氣成藏改造定型至關重要。

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