天然氣擴散散失率定量評價
——以蘇里格氣田蘇X區塊為例

李志遠，楊仁超，張 吉，王 一，楊特波，董 亮

（1.山東科技大學地球科學與工程學院，山東青島 266590；2.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，西安 710071）

0 引言

近年來，天然氣擴散作用日益受到地質研究人員的重視，其不僅被視為氣源巖向外排烴的重要機制，也被認為是導致氣藏毀壞的重要因素之一［1］。前期學者們在天然氣擴散量計算方面進行了大量的研究，如：以大慶油田長垣以東地區侏羅系烴源巖為例，計算出該套烴源巖的天然氣擴散散失量達4 200 億m3［2］；松遼盆地三肇凹陷氣源巖的天然氣擴散損失量計算結果表明［3］，其擴散損失量達3.764萬億m3；以準噶爾盆地五彩灣凹陷彩25 井石炭系巴山組油氣藏為例［4］，計算出該氣藏天然氣擴散散失量達137 億m3，但前期的研究主要集中于天然氣擴散量的計算［2-9］，或其研究方法方面［10-17］，而天然氣擴散對氣藏破壞的影響程度的定量評價尚未受到關注。

為了定量評價天然氣擴散對氣藏破壞的影響程度，本文提出天然氣擴散散失率的概念及其計算方法：首先，計算出烴源巖生烴強度，將其與排烴系數相乘，得出排烴強度P；其次，在菲克第一定律的原理上推導出天然氣擴散散失量估算公式，計算出氣藏天然氣擴散散失量，將其與面積相比得出氣藏天然氣擴散散失強度S；最后，將天然氣擴散散失強度S與烴源巖排烴強度P相比，得出氣藏天然氣擴散散失率L，即L=S/P·100%。并以蘇里格氣田蘇X 區塊為例，對該區塊的天然氣擴散散失率進行計算，以期利用該系數定量評價天然氣擴散量對氣藏的破壞影響程度。

1 地質背景

1.1 盆地區域背景

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通的西部［18］，整體呈近南北向矩形的中、新生界內陸坳陷盆地［19］，盆地總體構造面貌呈東緩西陡的不對稱向斜［20-21］。蘇里格氣田地處鄂爾多斯盆地中西部，主體位于伊陜斜坡西北部，其北部和西部分別跨伊盟隆起和天環坳陷2 個構造單元［22-23］，勘探面積約4 萬km2。蘇X區塊位于蘇里格氣田西部地區，總面積2 220 km2，區內構造平緩［圖1（a）］。

圖1 鄂爾多斯盆地構造單元劃分（a）和石炭系—二疊系巖性柱狀圖（b）［（a）據文獻［19］修改］Fig.1 Structural unit division（a）and stratigraphic column of Carboniferous-Permian（b）in Ordos Basin

1.2 構造演化

蘇里格氣田蘇X 區塊構造與沉積演化方面，經歷了寒武紀—早奧陶世的被動陸緣坳陷沉積階段，中奧陶世—早石炭世的抬升剝蝕階段，晚石炭世—中二疊世克拉通內坳陷沉積階段及晚二疊世—中生代早期的陸內坳陷沉積階段［24］。受晚白堊世構造抬升影響，研究區地層遭受強烈剝蝕，剝蝕厚度約為1 000 m；現今構造較為單一，呈現出向西緩傾的單斜構造［25］。

1.3 地層與氣藏地質概況

本文以石炭系—二疊系為主要研究層位。以韓城洰水河剖面為例［圖1（b）］，研究區經歷了本溪組—太原組障壁海岸沉積，山西組三角洲沉積［26］，石盒子組辮狀河三角洲沉積和石千峰組扇三角洲沉積為主的沉積演化。

本溪組頂部以及太原組發育的煤層是該氣田最主要的烴源巖［22，27-28］。山西組自下而上分為山2、山1共2 段，其中，山2段不僅有可以作為烴源巖的煤層［29］，而且發育物性和含氣飽和度較高的儲集砂巖；山1段儲集砂巖發育［30］。石盒子組由下到上分依次為盒8段—盒1段等8 個氣層組。山1段、盒8段均是蘇里格氣田最主要的產氣層位［30］。盒4段—盒1段泥巖以及石千峰組泥巖均是主要的蓋層。

2 研究方法與資料來源

通過對鄂爾多斯盆地蘇里格氣田103 口井測井資料的分析，明確了研究區內石炭系—二疊系的烴源巖分布特征。依據烴源巖厚度、密度、原始有機碳恢復系數、殘余有機碳含量和原始有機質氣態烴產率等數據，計算出烴源巖生烴強度；在前期研究的基礎上，查清烴源巖排烴系數，運用生烴強度乘以排烴系數得出烴源巖排烴強度；在菲克第一定律的原理上推導出天然氣擴散散失量計算公式，計算出天然氣擴散散失量，將天然氣擴散散失量除以面積得出天然氣擴散散失強度；最后由天然氣擴散散失強度除以烴源巖排烴強度得出了天然氣擴散散失率。

3 生烴強度定量評價

生烴強度的計算在判斷烴源巖生烴能力強弱方面具有重要意義，單位面積的生烴強度計算模型［31］如下：

式中：H為烴源巖厚度，m；ρ為烴源巖密度，t/m3；K為原始有機碳恢復系數；C為烴源巖有機碳含量，%；Dg為原始有機質氣態烴產率，m3/（t·TOC）；Qg為生烴強度，億m3/km2。

蘇里格地區石炭系—二疊系烴源巖包括煤層和暗色泥巖（煤系泥巖）［28，30，32］，煤層厚度一般為3～12 m，總體為南部較薄、東部較厚及西部較薄的特征；暗色泥巖平面上太原組和山西組分布范圍較廣，具有“廣覆式”的分布特征［26］。有機質類型為Ⅲ型（腐殖型），生烴產物主要為天然氣，產出液態烴的量較少，且多為天然氣中溶解的凝析油。因此，計算生烴產量時，將液態烴的產量按1 t 油折算為700 m3天然氣［33］。

依據王波［34］的研究結果，蘇X區塊石炭系—二疊系煤的密度取為1.55 t/m3，暗色泥巖的密度一般在2.5～2.7 t/m3，取平均值為2.6 t/m3。石炭系—二疊系煤的有機碳質量分數由表1 可知約為73.42%，石炭系—二疊系暗色泥巖的有機碳質量分數約為2.71%［35］。

表1 鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系烴源巖有機碳統計［35］Table 1 Organic carbon statistics of Carboniferous-Permian source rocks in Ordos Basin

石昕［36］和劉冬冬等［37］對煤系烴源巖的產烴率進行了熱模擬實驗，結果表明［38］，當模擬溫度達到400～550 ℃時，氣態烴累計產率為145～155 m3/（t·TOC）。依據楊天宇等［38］的褐煤熱模擬實驗結果，建立了Ⅲ型（腐殖型）有機質的累計產烴率圖版［34］（圖2）。采用該模板進行投圖，由于蘇X 區塊煤的Ro為1.3%～2.0%，取中間值1.6%，投圖得：產氣率為135 m3/（t·TOC）；產油率為7.5 kg/（t·TOC），將產油折算為產氣，得原始有機質氣態烴產率Dg為140.25 m3/（t·TOC）。

圖2 Ⅲ型有機質的累計產烴率曲線圖版［34］Fig.2 Cumulative hydrocarbon yield curve of type Ⅲorganic matter

經過模擬計算，可以得出蘇X 區塊石炭系—二疊系煤巖生烴強度和暗色泥巖生烴強度等的有關結果；依據不同井區計算結果，可以勾繪出煤巖生烴強度等值線［圖3（a）］和暗色泥巖生烴強度等值線［圖3（b）］。由圖3（a）可知，蘇X 區塊煤巖生烴強度為（5～20）億m3/km2，分布不均勻，高值區呈近南北向條帶狀和不規則斑塊狀展布，如在S45，S173，15-44 井區一帶，S183 井區，33-76 至36-69 井區一帶，46-39 井、44-43 井和S185 井區一帶，55-50至66-52 井區一帶，煤巖的生烴強度計算結果較高，全部大于20 億m3/km2。其高值區與煤巖的厚度呈正相關性。蘇X 區塊暗色泥巖的生烴強度分布較為均勻，為（11～17）億m3/km2［圖3（b）］。在其東北部3-76 井、6-73井、7-69 井、S158 井和M6 井一帶、S149 井區，暗色泥巖的生烴強度計算結果較高，可達15 億m3/km2；在東南部的S151 井區，最高可達17 億m3/km2。

蘇X 區塊的原始有機碳恢復系數K根據Tissot等［39］劃分標準得：煤層和暗色泥巖在成巖階段K=1.57。

將［圖3（a）］與［圖3（b）］疊加，可得出蘇X 區塊石炭系—二疊系烴源巖總生烴強度［圖3（c）］。從圖3（c）上看，蘇X 區塊總生烴強度計算結果為（20～36）億m3/km2，呈南北向條帶狀展布，在55-50井、44-43 井、S185 井、15-44 井以及8-52 井總生烴強度較高，普遍達到32 億m3/km2，尤其在S173 井區總生烴強度最大值可達36 億m3/km2。

圖3 蘇里格氣田蘇X 區塊石炭系—二疊系生烴強度Fig.3 Hydrocarbon generation intensity of Carboniferous-Permian in Su-X block，Sulige gas field

4 排烴量定量評價

排烴系數由烴源巖的排烴量與生烴量相除得到，相當于排烴強度與生烴強度之比，因此其可用于生烴強度乘以排烴系數得出排烴強度。其可通過盆地模擬、熱壓模擬實驗和有機地球化學分析等技術手段求得，但都存在較大誤差。另外烴源巖的排烴能力受到有機質豐度、類型、熱演化程度、烴源巖與儲集巖之間的組合方式、烴源巖裂隙發育程度等多重因素制約［40］。由郝石生等［41］統計的國內外學者對排烴系數的研究得知，排烴系數多在10%～80%。

蘇里格地區石炭系—二疊系烴源巖有機質類型主要為Ⅲ型，有機質豐度及有機質熱演化程度均較高，源儲組合呈近生近儲關系，烴源巖中天然氣的排烴方式主要為微裂隙和氣體膨脹等［42］，而且氣源巖排烴系數一般遠比油源巖高，因此排烴系數采用75%。經計算并繪制蘇X 區塊石炭系—二疊系烴源巖排烴強度等值線（圖4）。從圖4 上看，蘇X區塊烴源巖排烴強度為（15～27）億m3/km2，分布呈南北向條帶狀，在55-50 井、44-43 井、S185 井、15-44 井以及8-52 井總排烴強度達到較高值24 億m3/km2時，S173 井區總排烴強度出現了最大值，達27億m3/km2，高值區與生烴強度高值區對應。

圖4 蘇X 區塊石炭系—二疊系烴源巖排烴強度Fig.4 Hydrocarbon expulsion intensity of Carboniferous-Permian source rocks in Su-X block

5 天然氣擴散散失率定量評價

氣藏天然氣的散失包括天然氣擴散散失、天然氣滲透散失、水溶解散失和生物降解散失等［43-44］，其中天然氣擴散散失具有較大影響。目前天然氣擴散散失主要集中在天然氣擴散散失量的計算上，包括其計算方法的研究及具體實例的研究，但缺乏對天然氣擴散散失率的研究。天然氣擴散散失率在評價氣藏天然氣擴散散失程度以及天然氣擴散對氣藏破壞影響程度方面具有重要意義。

氣藏上覆地層的含氣濃度與氣藏的含氣濃度存在差別，天然氣可通過氣藏上覆地層的巖石孔隙向地表方向發生擴散運移，該過程可用如下地質模型表示（圖5）。

圖5 砂巖氣藏天然氣擴散散失模型Fig.5 Model of natural gas diffusion loss of sandstone gas reservoirs

自然界的天然氣擴散須要穿過上覆的地層，如砂巖、泥巖等，其擴散量大小可由菲克第一定律來描述［7］。鑒于地層埋深和巖性均可能影響天然氣擴散系數，為了方便研究，依據圖5 的地質模型，由菲克第一定律的原理推導出天然氣擴散散失量的計算公式［45］：

式中：K為天然氣擴散散失量，m3；D為上覆巖層的擴散系數，m3/s；M為氣藏中的含氣濃度，m3/m3；Mo為地表的含氣濃度，m3/m3；S為氣藏的擴散散失面積，m2；t為擴散散失時間，s；X為擴散散失距離，m。

由李建民等［45］的研究可知，蘇X 區塊氣藏與地表含氣濃度差（M-Mo）和上覆巖層天然氣擴散系數D分別為2.66 m3/m3，0.8×10-10m3/s。

蘇X 區塊天然氣擴散面積S 取氣藏的含氣面積，經統計氣藏含氣面積為1 773.788 km2。

天然氣擴散散失距離X 取氣藏埋深。氣藏處于山1段和盒8段，平均埋深為3 579 m。

天然氣擴散時間t：由于天然氣成藏期主要集中在晚侏羅世至早白堊世，因此可采用140 Ma 作為氣藏天然氣的擴散時間。

經計算得二疊系天然氣擴散散失量K為4 656.4億m3，將其與擴散面積相除，得二疊系天然氣擴散散失強度為2.63 億m3/km2。

將天然氣擴散散失強度與烴源巖排烴強度相除，得該區塊天然氣擴散散失率（表2）及天然氣擴散散失率等值線（圖6）。可見蘇X 區塊天然氣擴散散失率大多為11%～17%。天然氣擴散散失率較低，天然氣擴散散失對氣藏的破壞較小。這一點也在蘇里格氣田地質儲量、開發數據等實際情況中得到了印證。蘇里格氣田儲量高，天然氣探明儲量達5 336.52 億m3，天然氣開發穩定，已將近20 年［46］，因此蘇里格氣田保存條件較好，由此可以佐證天然氣擴散散失對氣藏破壞較小。

表2 蘇里格氣田蘇X 區塊各井區天然氣擴散散失率計算結果Table 2 Results of natural gas diffusion loss rate in each well area of Su-X block，Sulige gas field

圖6 蘇里格氣田蘇X 區塊二疊系氣藏擴散散失率Fig.6 Diffusion loss rate of Permian gas reservoirs in Su-X block，Sulige gas field

6 結論

（1）天然氣擴散散失率L可由天然氣擴散散失強度S除以烴源巖排烴強度P得到，其中烴源巖排烴強度P可由生烴強度乘以排烴系數得到，天然氣擴散散失強度S可在菲克第一定律的基礎上運用天然氣擴散散失量乘以面積算出。

（2）以蘇里格氣田蘇X 區塊為例，烴源巖排烴強度P為（15～27）億m3/km2，天然氣擴散散失強度S為2.63 億m3/km2，將S/P·100%得天然氣擴散散失率L大多介于11%～17%。表明該氣田擴散散失率低，天然氣擴散散失對氣藏破壞較小。

（3）通過對蘇里格氣田蘇X 區塊擴散散失率的計算與檢驗，得到的天然氣擴散散失率符合該區氣田的地質儲量、開發數據等實際情況，表明該研究思路與計算方法可適用于陸源碎屑巖氣藏天然氣擴散散失程度的定量評價。