川中地區須家河組致密砂巖氣藏氣水分布形成機理

陳濤濤，賈愛林，何東博，邵 輝，季麗丹，閆海軍

(中國石油 勘探開發研究院，北京 100083)

致密砂巖氣藏以其資源豐富、產量巨大的優勢，已經成為國內外天然氣產業的重要支撐[1]。而須家河組作為四川盆地致密砂巖氣藏開發的主力層位，分布眾多攸關該盆地儲量增長和產量接替的關鍵性氣藏。截至2011年底，四川盆地上三疊統須家河組的地質儲量即已達1.2×1012m3(探明7 000×108m3，控制+預測5 000×108m3)，形成了繼鄂爾多斯盆地蘇里格氣田之后所發現的又一個儲量超過萬億方的大氣區。須家河組氣藏遍布整個四川盆地，但以川中地區最為發育，集中了目前盆地內須家河組已發現儲量的80%，相繼發現了八角場、廣安以及合川潼南等數個大氣田[2]。川中地區須家河組各氣藏具有致密砂巖氣藏的典型特征，即儲層物性條件差(有效孔隙度3%～13%，基質滲透率0.001×10-3～0.2×10-3μm2)，區域大面積含氣，水體呈局部連續分布，沒有統一的氣水界面[3-4]，但與典型致密砂巖氣藏相比，該區各須家河組氣藏儲層中可動水飽和度普遍較高。這一差異導致該區各須家河組氣藏氣井在壓裂改造后普遍出水，產量遞減快，穩產條件差，自然產能低，井筒積液嚴重。因此，需要對川中地區須家河組致密砂巖氣藏氣水分布的形成機理有清晰的認識，以助在后續開發中尋找富氣區，避開富水區，提高各氣藏的整體動用程度。

1 氣水分布特征

川中地區須家河組致密砂巖氣藏的氣水分布整體呈現氣水過渡帶的特征，區域大面積含氣，氣水混雜分布，氣水界限不明顯，剖面上氣層和氣水層混雜分布，氣水倒置現象普遍(圖1)，平面上富氣區和富水區交替出現，甜點分布效應顯著(圖2)；在微觀上，致密砂巖儲層大孔隙中的可動水比例普遍較高。

各氣藏的氣水分布特征為：1)構造高部位以氣層為主，具有少量的邊水或底水，是整個氣藏的“甜點區”。2)構造低部位具有氣水過渡帶的特征，其中的高滲區儲層可動水含量較高，以發育氣水層或水層為主，低滲區儲層束縛水比例較高，以發育含氣層為主。3)儲層裂縫發育部位氣水分異程度高，大量發育富氣區，形成了低幅平緩構造背景下的另一種“甜點區”。

2 形成因素

2.1 氣源供應不足

川中地區須家河組各氣藏的氣源供應比較單一，均由其下伏煤系地層單獨供氣，再加上各氣藏儲層較為致密，非均質性較強，造成各氣藏成藏過程以近源成藏、垂向充注為主[5]。須家河組地層自下而上可細分為須一至須六段：其中須一、三、五段為煤系地層，利于天然氣的生成，并具有較好的封蓋作用[6]；須二、四、六段為灰色砂巖，利于天然氣的儲集。天然氣碳同位素分析以及天然氣組分分析表明，川中地區須家河組各氣藏的氣源是明確的，須二氣藏由須一段充注而成，須四氣藏由須三段充注而成，須六氣藏由須五段充注而成[7-9]。

各煤系地層的生烴強度介于5×108～20×108m3/km2，生烴強度偏弱[10]，再加上各氣藏儲層較為致密，非均質性較強，造成該區各須家河組氣藏的充滿程度普遍不高，氣水分布整體呈現氣水過渡帶的特征。各氣藏的充滿程度與供氣煤系地層的發育程度緊密相關：須五段厚度最大(>120m)，故須六氣藏充注程度較高，達56%～61%；須三段厚度次之(50～80 m)，則須四氣藏產水較大；須一段烴源巖厚度最薄，且在很多地方缺失，則須二氣藏分布區域有限，僅在須一段比較發育的區域才有分布，而須四和須二氣藏的充滿度僅有30%左右。

2.2 成藏充注較早

根據成藏年代學及成巖演化研究結果，須家河組氣藏烴源巖的生氣排烴期始于須四段沉積期(晚三疊世末期)，終于晚白堊世；砂巖儲層的致密化過程則要晚于生氣排烴期，介于早白堊世—古近紀，即須家河組氣藏成藏過程為先聚集成藏后再致密成藏(圖3)[11]，而先成藏再致密的直接結果是川中地區須家河組各氣藏整體大面積含氣。

晚三疊世末至晚侏羅世為天然氣初次運聚期，須一、須三及須五3個煤系地層形成的未熟-低熟天然氣垂向運移到致密化程度不高的砂巖儲層中，并被古構造優先捕集成藏，在閉合度較大的構造帶發育區形成了純氣頂；早白堊世—古近紀為天然氣主要聚集成藏期，大量生成的天然氣向附近儲層運移，因砂巖儲層的致密化程度已經較高，新生成的天然氣難以大規模地驅替掉儲層孔隙中的水，僅以彌散的氣泡分布其中，形成該區須家河組氣藏氣水混雜分布格局；古近紀以來為氣藏再分配定型期，喜馬拉雅運動產生斷層及裂縫，烴類發生運移、調整和再分配，而該階段氣藏抬升、生氣排烴停止及溫壓條件改變使成巖后生作用異常強烈，以致儲層更致密，最大限度地保存了原生氣藏[12]。

圖1 川中地區須家河組典型氣藏氣水分布剖面Fig.1 Profile of gas-water distribution of typical Xujiahe gas reservoir in central Sichuan Basin

圖2 川中地區須家河組典型氣藏氣水分布平面Fig.2 Plane gas-water distribution of typical Xujiahe gas reservoir in central Sichuan Basin

圖3 川中地區須家河組致密砂巖氣藏成藏演化綜合圖Fig.3 Diagram showing the evolution of Xujiahe tight sandstone reservoirs in central Sichuan Basin

2.3 砂巖儲層致密

在砂巖儲層中，孔喉大小是控制氣體上浮的關鍵因素，高滲砂體中的大孔喉允許氣體快速通過，浮力成為該孔喉背景下氣泡受到的主要作用力，而致密砂巖儲層小孔喉中的連續水相能有效阻止氣體的向上運移，毛細管力成為該孔喉背景下氣泡受到的主要作用力[13-15]。因此，對于川中地區各致密砂巖氣藏來說，砂巖儲層致密也是各氣藏呈現氣水過渡帶特征、無明顯氣水界面的重要原因。

該區家河組氣藏的致密砂巖儲層發育中細粒為主的長石巖屑砂巖、巖屑砂巖巖相，經過一系列成巖作用的改造(破壞性的壓實作用、膠結作用和建設性的溶蝕作用、破裂作用)，致使砂巖儲層的原生孔隙在成巖作用中幾乎被破壞殆盡，孔隙類型以殘余粒間孔、粒間溶孔、粒內溶孔為主，3種孔隙類型即占總孔隙的70%以上[16-17]；孔隙形態不規則，孔徑較小；喉道類型以縮頸型、片狀為主，喉道寬0.1～1 μm，呈交叉狀、樹枝狀分布，喉道內徑較為細窄(圖4a，b)[18-19]。

在該區須家河組氣藏開始充注的早期，砂巖儲層的致密程度較低，最開始進入砂巖儲層孔隙中的天然氣主要受到浮力的作用，浮力很容易克服毛細管力而使氣體上浮，在有利的構造圈閉中聚集成常規氣藏。隨著砂巖儲層致密程度的加深，控制天然氣運動的主要作用力變成了毛細管力，天然氣在強大的源儲壓差下，克服毛細管力，以不連續、脈沖式的方式在致密砂巖孔隙水中沿優勢帶指狀突進，形成了氣水混雜分布的氣水過渡帶(圖5a，b，c)。

2.4 局部構造發育

在致密砂巖氣藏成藏過程中，氣水需要有足夠的構造幅度進行重力分異，缺乏足夠的構造幅度則會導致氣水混雜在一起。對于總體發育低幅平緩構造的川中地區各致密砂巖氣藏來說，氣水分異不徹底、氣水混雜一體是在該構造背景下所呈現的必然結果，僅能在局部構造幅度發育部位找到一些氣水分異相對徹底的“甜點區”。

從成因上來講，形成純氣頂所需要的構造幅度與儲層條件有關[20]。儲層孔喉條件越差，毛管力越大，水在致密砂巖孔喉中上升的高度就越高，即氣水過渡帶就越高，從而形成氣頂所需要的構造幅度就越大。根據須家河組致密砂巖氣藏的儲層物性與氣柱高度之間的統計關系表明，氣水分異所需的構造幅度與儲層物性呈負相關的關系：當孔隙度大于10%時，氣藏完成徹底的氣水分異所需的構造幅度大于105 m；當孔隙度介于8%～10%時，氣藏完成徹底的氣水分異所需的構造幅度大于280 m；當孔隙度介于6%～8%時，氣藏完成徹底的氣水分異所需的構造幅度大于400 m(圖6)。根據對川中地區須家河組各氣藏的構造幅度進行統計，廣安氣田須六氣藏A區頂部的構造幅度最為發育，構造閉合度為344 m，在其儲層物性條件下，氣水分異相對較為徹底，其余各氣藏則因構造幅度發育程度不夠，氣藏整體呈現氣水混雜一體的格局。

圖4 川中地區須家河組儲層巖石薄片顯微照片Fig.4 Micrograph showing thin sections of the Xujiahe reservoirs in central Sichuan basina.廣安128井,須四段,鑄體薄片,孔隙縮小型喉道，呈網狀連通孔隙；b.廣安127井,須四段,鑄體薄片,片狀喉道連通粒間孔

圖5 川中地區須家河組儲層氣水驅替模擬(據中國石油勘探開發研究院廊坊分院)Fig.5 Gas-water displacement simulation of the Xujiahe reservoirs in central Sichuan Basin(Based on Research Institute of Petroleum Exploration and Development-Langfang Branch,Petrochina)a.氣體初始滯留大孔中；b.壓力增大，氣泡開始變形；c.氣泡以非連續相運移

2.5 儲層裂縫發育

川中地區須家河組氣藏儲層裂縫普遍發育，裂縫類型主要為高角度的剪切縫和低角度的張裂縫。對該區裂縫的成因分析后發現，各須家河組氣藏的致密砂巖儲層主要發育兩期裂縫，第一期為形成于燕山運動晚期因受推覆擠壓作用而與褶皺相伴生的張裂縫，在褶皺應力比較集中的轉折端分布較多；第二期為形成于喜馬拉雅運動時期因受逆沖推覆作用而與斷層相伴生的剪切縫，在與斷層平行的方向分布較多。這兩期裂縫均在須家河組致密砂巖氣藏的形成和調整過程中發揮了重要的通道作用[21-23]。

圖6 川中地區須家河組儲層物性與氣柱高度之間的相關關系Fig.6 Correlation between physical property and gas column of the Xujiahe reservoirs in central Sichuan BasinKrg.氣相相對滲透率；Krw.水相相對滲透率

發生在侏羅紀—白堊紀的燕山運動以及發生在第三紀的喜馬拉雅運動，一方面使得須家河組的砂巖儲層更加致密，另一方面使得砂巖儲層在構造應力的作用下發育了大量的斷裂和裂縫。儲層裂縫的發育則極大地改善了砂巖儲層的滲透性，使原本已被致密化封存的須家河組原生氣藏發生了活化，恢復了滲流能力，使其具備了商業開采價值。此外，在川中地區須家河組氣藏成藏過程中，因裂縫改善了致密砂巖儲層的滲流通道，利于氣驅水過程的進行，在裂縫發育的上傾端砂體中形成了較為徹底的氣水分異，形成了低幅平緩構造背景下除局部構造幅度發育區之外的另一類型“甜點區”。

3 形成機理

川中地區須家河組致密砂巖氣藏的形成始于晚三疊世末期，因此時砂巖儲層的致密程度較低，在晚三疊世末至晚侏羅世的天然氣初次運聚階段中，由煤系有機質形成的天然氣充注到更早階段形成的構造圈閉中，并在浮力的作用下，聚集在各構造幅度發育部位的頂部，構造幅度對成藏起著主要的控制作用，形成了一系列的構造氣藏。但因煤系地層生烴強度有限，各構造氣藏的充注程度普遍較低。成藏過程中排出的有機酸造成易溶顆粒型自生礦物難以形成，使得儲層在隨后的壓實、膠結等成巖作用下逐漸變得致密[24-26]。

早白堊世—古近紀的天然氣主要聚集成藏階段，天然氣大量生成，但須家河組儲層在成巖演化和燕山運動的作用下致密程度已經很高。處于生烴高峰期的煤系地層在強大的源儲壓差下，將生成的天然氣突破毛細管力的阻塞，充注到致密砂巖儲層中，在儲層中呈彌散狀分布，形成了氣水混雜分布的格局。砂巖儲層的致密化阻塞了天然氣的運移，反過來，已經致密的砂巖儲層卻將須家河組氣藏有效地封存下來，阻止了已形成的氣藏在以后階段中的逸散。在該階段中燕山運動產生的大量張裂縫為天然氣在致密砂巖氣藏中的運移提供了優勢通道和儲集空間，以致在致密砂巖氣藏開發過程中裂縫發育區成為非常重要的有利目標區。

進入第三紀后，須家河組砂巖儲層的致密程度普遍較高，加上其內部煤系地層的生烴高峰也已經結束，整個氣藏的氣水分布格局基本上固定下來了。但在喜馬拉雅運動的作用下，須家河組致密砂巖氣藏進入了“活化”階段。該階段發生的構造沉降與抬升使得原有的構造圈閉與現今的地形不符，部分氣水倒置的現象因此而起。更重要的是，喜馬拉雅運動發育的大量裂縫使得致密儲層的物性得到了顯著的改善，在裂縫發育段重新聚集成藏，在原來不易于形成氣藏的部位形成了大量的優質氣藏。

4 結論

1) 川中地區須家河組致密砂巖氣藏的氣水分布整體表現為氣水過渡帶特征，區域大面積含氣，氣水混雜分布，氣水界限不明顯，氣水倒置現象普遍；微觀上表現為致密儲層的大孔隙中普遍存在可動水。局部構造和裂縫發育區域是主要的富氣區，圍繞這兩個區域的甜點效應顯著，構造低部位和普遍致密區域則分別發育富水區和次富氣區。

2) 該區各致密砂巖氣藏氣水分布形成因素包括氣源供應不足、成藏充注較早、砂巖儲層致密、局部構造發育、儲層裂縫發育等方面：氣源供應不足形成了氣水過渡帶；成藏充注較早導致了區域大面積含氣；砂巖儲層致密造成了氣水混雜分布；局部構造幅度控制了氣水分異程度；儲層裂縫提供了氣水滲流通道。

3) 該區致密砂巖氣藏的形成分為3個階段：晚三疊世末至晚侏羅世的未熟-低熟天然氣在局部構造控制下于構造閉合高點處形成純氣頂；早白堊世—古近紀大量生成的天然氣因砂巖儲層致密而無法完全驅替出孔隙水，形成氣水混雜分布格局；古近紀以來的喜馬拉雅運動形成大量裂縫，改善了儲層物性，在裂縫發育帶聚集成藏。

參 考 文 獻

[1] 童曉光，郭斌程，李建忠，等.中美致密砂巖氣成藏分布異同點比較研究與意義[J].中國工程科學，2012,14(6):9-30.

Tong Xiaoguang,Guo Bincheng,Li Jianzhong,et al.Comparison study on accumulation & distribution of tight sandstone gas betweenChina and the United States and its significance[J].Engineering Science,2012,14(6):9-30.

[2] 卞從勝，王紅軍，汪澤成，等.四川盆地致密砂巖氣藏勘探現狀與資源潛力評價[J].中國工程科學，2012,14(7):74-80.

Bian Congsheng,Wang Hongjun,Wang Zecheng,et al.Exploration status and potential evaluation of tight gas in Sichuan Basin[J].Engineering Science,2012,14(7):74-80.

[3] Law B E.Basin-centered gas system[J].AAPG Bulletin,2002,86(11):1891-1919.

[4] Shanley K W,Cluff R M,Robinson J W.Factors controlling prolific gas production from low-permeability sandstone reservoirs:Implications for resource assessment,prospect development,and risk analysis[J].AAPG Bulletin,2004,88(8):1083-1121.

[5] 趙靖舟，李軍，曹青，等.論致密大油氣田成藏模式[J].石油與天然氣地質，2013，34(5)：573-583.

Zhao Jingzhou,Li Jun,Cao Qing,et al.Hydrocarbon accumulation patterns of large tight oil and gas fields[J].Oil & Gas Geology,2013，34(5)：573-583.

[6] 史集建，李麗麗，呂延防，等.致密砂巖氣田蓋層封閉能力綜合評價——以四川盆地廣安氣田為例[J].石油與天然氣地質，2013，34(3)：307-314.

Shi Jijian,Li Lili,Lü Yanfang，et al.Comprehensive evaluation on the sealing capability of cap rocks in tight sandstone gasfield—a case study from Guang’an gasfield in the Sichuan Basin[J].Oil & Gas Geology,2013，34(3)：307-314.

[7] 李登華，李偉，汪澤成，等.川中廣安氣田天然氣成因類型及氣源分析[J].中國地質,2007,34(5):829-836.

Li Denghua,Li Wei,Wang Zecheng,et al.Genetic type and source of gas in the Guang’an gasfield,central Sichuan[J].Geology in China,2007,34(5):829-836.

[8] 唐躍，王靚靚，崔澤宏.川中地區上三疊統須家河組氣源分析[J].地質通報,2011,30(10):1068-1613.

Tang Yue,Wang Liangliang,Cui Zehong.An analysis of the gas source in the Upper Triassic Xujiahe Formation,centralSichuan Basin[J].Geological Bulletin of China,2011,30(10):1068-1613.

[9] 戴金星，倪云燕，鄒才能，等.四川盆地須家河組煤系烷烴氣碳同位素特征及氣源對比意義[J].石油與天然氣地質,2009,30(5):519-529.

Dai Jinxing,Ni Yunyan,Zou Caineng,et al.Carbon isotope features of alkane gases in the coal measures of the Xujiahe Formation in the Sichuan Basin and their significance to gas-source correlation[J].Oil & Gas Geology,2009,30(5):519-529.

[10] 戴金星，鄒才能，陶士振，等.中國大氣田形成條件和主控因素[J].天然氣地球科學，2007,18(4):473-484.

Dai Jinxing,Zou Caineng,Tao Shizhen,et al.Formation conditions and main controlling factors of large gas fields in China[J].Natural Gas Geoscience,2007,18(4):473-484.

[11] 羅文軍，彭軍，杜敬安,等.川西坳陷須家河組二段致密砂巖儲層成巖作用與孔隙演化——以大邑地區為例[J].石油與天然氣地質，2012，33(2)：287-295.

Luo Wenjun,Peng Jun,Du Jing’an,et al.Diagenesis and porosity evolution of tight sand reservoirs in the 2nd member of Xujiahe Formation,western Sichuan Depression:an example from Dayi region[J].Oil & Gas Geology,2012，33(2)：287-295.

[12] 車國瓊，龔昌明，汪楠，等.廣安地區須家河組氣藏成藏條件[J].天然氣工業,2007,27(6):1-5.

Che Guoqiong,Gong Changming,Wang Nan,et al.Gas accumulation condition in the Xujiahe group of Guang’an area[J].Natural Gas Industry,2007,27(6):1-5.

[13] Berkenpas P G.The Milk River Shallow Gas Pool:Role of the Updip Water Trap and Connate Water in Gas Production From the Pool[R].SPE 22922，1991.

[14] Cook J E,Goodwin L B,Boutt D F.Systematic diagenetic changes in the grain-scale morphology and permeability of a quartz-cemented quartz arenite[J].AAPG Bulletin,2011,95(6):1067-1088.

[15] Nelson P H.Pore-throat sizes in sandstones,tight sandstones and shales[J].AAPG Bulletin,2009,93(3):329-340.

[16] 張響響，鄒才能，朱如凱，等.川中地區上三疊統須家河組儲層成巖相[J].石油學報,2011,32(2):257-264.

Zhang Xiangxiang,Zou Caineng,Zhu Rukai,et al.Reservoir diagenetic facies of the Upper Triassic Xujiahe Formation in the centralSichuan Basin[J].Acta Petrolei Sinica,2011,32(2):257-264.

[17] 王婧，徐國盛，曹俊峰，等.川中須家河組儲層成巖作用及對孔隙演化的影響[J].天然氣技術與經濟,2011,5(3):7-10.

Wang Jing,Xu Guosheng,Cao Junfeng,et al.Effect of Diagensis on Pore Evolution of Xujiahe Formation,Central Sichuan Basin[J].Natural Gas Technology and Economy,2011,5(3):7-10.

[18] 謝武仁，楊威，楊光，等.川中地區上三疊統須家河組砂巖儲層孔隙結構特征[J].天然氣地球科學,2010,21(3):435-440.

Xie Wuren,Yang Wei,Yang Guang,et al.Pore structure features of sandstone reservoirs in the Upper Triassic Xujiahe Formation in the Central Part ofSichuan Basin[J].Natural Gas Geoscience,2010,21(3):435-440.

[19] 季麗丹，賈愛林，何東博，等.川中廣安地區上三疊統須六段儲層特征及控制因素分析[J].現代地質,2009,23(6):1100-1106.

Ji Lidan,Jia Ailin,He Dongbo,et al.Analysis on controlling factors and characteristic of Xu-6 sandstone reservoir(Upper Triassic)in Guang’an region,Central Sichuan Basin[J].Geoscience,2009,23(6):1100-1106.

[20] 郭澤清，李本亮，張林，等.低幅度構造天然氣成藏的閉合度下限探討——以柴達木盆地三湖地區為例[J].地質科學,2008,43(1):34-49.

Guo Zeqing,Li Benliang,Zhang Lin,et al.Discussion on minimum closure for low-amplitude structural natural gas pool:a case study from Sanhu area in the Qaidam Basin[J].Chinese Joural of Geology,2008,43(1):34-49.

[21] 歐莉華，時志強，錢利軍.川中地區廣安構造上三疊統須家河組裂縫充填礦物的ESR研究[J].物探化探計算技術,2010,32(3):265-269.

Ou Lihua,Shi Zhiqiang,Qian Lijun.A research on ESR dating of minerals in fractures of upper triassic Xujiahe formation in Guang'an structure,central Sichuan basin[J].Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration,2010,32(3):265-269.

[22] 卞從勝，王紅軍.四川盆地廣安氣田須家河組裂縫發育特征及其與天然氣成藏的關系[J].石油實驗地質,2008,30(6):585-590.

Bian Congsheng,Wang Hongjun.Developmental features and the relationship between fractures and gas accumulation in the Xujiahe formation of Guangan gasfield,the Sichuan Basin[J].Petroleum Geology & Experiment,2008,30(6):585-590.

[23] 白斌，鄒才能，朱如凱,等.四川盆地九龍山構造須二段致密砂巖儲層裂縫特征、形成時期與主控因素[J].石油與天然氣地質，2012，33(4)：526-535.

Bai Bin，Zou Caineng，Zhu Rukai,et al.Characteristics,timing and controlling factors of structural fractures in tight sandstones of the 2nd member of Xujiahe Formation in Jiulong Mountain structure,Sichuan Basin[J].Oil & Gas Geology,2012，33(4)：526-535.

[24] 蔡希源.深層致密砂巖氣藏天然氣富集規律與勘探關鍵技術——以四川盆地川西坳陷須家河組天然氣勘探為例[J].石油與天然氣地質,2010,31(6):707-714.

Cai Xiyuan.Gas accumulation patterns and key exploration techniques of deep gas reservoirs in tight sandstone：an example from gas exploration in the Xujiahe Formation of the western Sichuan Depression,the Sichuan Basin[J].Oil & Gas Geology,2010,31(6):707-714.

[25] 郝國麗，柳廣地，謝增業，等.川中地區須家河組致密砂巖氣藏氣水分布模式及影響因素分析[J].天然氣地球科學,2010,21(3):427-434.

Hao Guoli,Liu Guangdi,Xie Zengye,et al.Gas-water distributed pattern in Xujiahe formation tight gas sandstone reservoir and influential factor in central Sichuan Basin[J].Natural Gas Geoscience,2010,21(3):427-434.

[26] 卞從勝，王紅軍，汪澤成，等.四川盆地川中地區須家河組天然氣大面積成藏的主控因素[J].石油與天然氣地質,2009,30(5):548-565.

Bian Congsheng,Wang Hongjun,Wang Zecheng,et al.Controlling factors for massive accumulation of natural gas in the Xujiahe Formation in central Sichuan Basin[J].Oil & Gas Geology,2009,30(5):548-565.