川西坳陷馬井－什邡地區蓬萊鎮組天然氣運移特征

趙雙豐，張枝煥，李文浩，萬甜甜

（1．中國石油大學 （北京）地球科學學院，北京102249；2．中國石油大學 （北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249；3．中國石油大學 （華東）非常規油氣與新能源研究院，山東 青島266580）

馬井－什邡構造位于川西坳陷中段孝泉－豐谷隆起帶南部斜坡，是一個印支期－燕山期經擠壓隆升形成的NE走向的低幅度隱伏式背斜隆起。其北部與新場和孝泉大型氣田相連，南部緊鄰成都凹陷生烴中心，天然氣充注程度高，油氣成藏條件十分有利，是川西地區新近重點勘探的含氣構造帶。在馬井－什邡構造高點東南翼發育有一系列逆斷層，下伏上三疊統烴源巖生成的天然氣可通過該斷層向上運移至淺層侏羅系儲層，并在有利圈閉中聚集成藏。目前馬井－什邡地區主力勘探層位為上侏羅統蓬萊鎮組，截至2013年底，蓬萊鎮組已獲得天然氣探明儲量超過1000億m3，展現出巨大的資源儲量和勘探潛力。

天然氣運移是一個伴隨著物理－化學變化的動態過程，氣體在輸導體系中運移時，由于受到色層效應及各種水巖反應的影響，其地球化學特征勢必呈現出一定的規律性變化，正確分析這些變化趨勢是研究天然氣運移特征的重要方法。由于天然氣分子組成相對簡單，可用于示蹤運移的特征參數相對較少，同時相關影響因素繁多且復雜，因此，天然氣運移研究一直是油氣地質領域中至關重要且又最為薄弱的環節［1－4］。

對于川西地區天然氣的運移特征，前人做過相關研究，并取得了一定的研究成果和認識，但這些研究均是針對川西地區天然氣運移特征所具有的共性而展開的，并未具體分析各氣田中天然氣在運移上所具有的獨立特征［5－8］。本文在大量文獻調研、巖芯觀察及實驗數據分析的基礎上，綜合前人研究成果及區域構造演化特征，選取多項運移示蹤參數，探討了馬井－什邡地區天然氣在垂向和側向上的二次運移規律及運移通道，并結合烴源巖生排烴史及油氣藏成藏期的相關研究成果，進一步分析了天然氣發生大規模運移的時間窗，為后續油氣資源的勘探開發提供一定的理論依據。

1 天然氣分布特征

上侏羅統蓬萊鎮組是馬井－什邡氣田主力勘探目的層，現今埋深為900～2400m，沉積厚度約800～1000m，為三角洲－湖相沉積，主要含氣儲層發育在水下分流河道、河口壩等有利沉積微相砂體中。蓬萊鎮組巖性以泥頁巖與粉砂巖、砂巖互層為主，含少量礫巖，膠結類型多為孔隙式。由于分流河道的遷移、擺動，導致儲集巖的巖性在縱橫向上變化較大，非均質性較強，形成大量沿上傾方向尖滅的巖性圈閉。

蓬萊鎮組自上而下可劃分為蓬四段（J3p4）、蓬三段（J3p3）、蓬二段（J3p2）、蓬一段（J3p1）四組氣藏，各氣藏縱向上相互疊置，每一段儲層內均發育多套具有一定展布規模的砂組。錄井資料顯示，研究區內蓬萊鎮組各氣藏總體含氣性較好，地層中無明顯氣水界線，地層水主要分布于蓬四段以及蓬三段上部，氣層主要集中在蓬萊鎮組中上部（圖1）。蓬四段的JP51，蓬三段的JP22、JP32、JP42、JP52以及蓬二段的JP8＋93等多套砂組相對發育，這幾套砂組分布范圍較廣、物性條件好，含氣飽和度高，是馬井－什邡地區的主力產層，什邡2、什邡3、什邡5、什邡7等多口氣井在上述產層經加砂壓裂工藝改造后均獲工業氣流，預示著良好的勘探前景。

圖1 馬井－什邡地區蓬萊鎮組聯井剖面圖

2 天然氣類型及氣源分析

蓬萊鎮組天然氣主要由烴類氣體和非烴類氣體組成，烴類氣體中甲烷含量占絕對優勢，乙烷含量相對較低，一般小于3%。干燥系數基本在0．95以上，為典型的干氣特征。非烴氣體含量不高，主要為N2，其它非烴氣體如CO2、H2、He等含量很低（表1）。天然氣烷烴碳同位素值δ13C1為－33．1‰～－30．6‰，δ13C2為 －26．5‰～ －22．6‰，δ13C3為－25．1‰～－20．6‰，δ13C4為－21．9‰～－20．4‰，按戴金星（1993）［9］提出的中國陸相地層天然氣類型判別標準，蓬萊鎮組天然氣屬于典型的煤型氣。

前人學者研究證實，對于同一母質來源的天然氣，其甲烷碳同位素值δ13C1與成熟度Ro之間存在很好的相關性，并據此提出了符合我國煤型氣的回歸方程：“δ13C1（‰）＝14．12lgRo－34．39”［10］。因此，在不考慮地層水影響的前提下，依據δ13C1可計算相應層位中天然氣的成熟度，在此基礎上，進一步利用氣源巖埋深與成熟度Ro的線性關系，即可計算出天然氣的氣源深度。計算結果表明，馬井－什邡地區侏羅系天然氣主要來自于下伏須家河組上部煤系烴源巖，這說明天然氣進行了較長距離的運移，垂向運移距離為1500～3500m（圖2）。

表1 什邡地區蓬萊鎮組天然氣組分特征／%

圖2 利用δ13C1－Ro的關系式估算蓬萊鎮組天然氣來源

3 天然氣運移特征分析

天然氣運移分餾作用是指氣體組分在輸導體系中運移時，由于受色層效應及在地層水中選擇性溶解作用的影響，其中分子量較小且極性較弱的組分在沿運移方向上更容易運移。目前較常用的天然氣運移示蹤參數包括甲烷碳同位素（δ13C），氣體干燥系數（C1／C1－5），iC4／nC4，非烴氣體組成等。綜合利用多項示蹤參數，相互印證，可以更準確地反映天然氣的運移特征。

3．1 天然氣垂向運移

3．1．1 根據烴類化合物參數示蹤天然氣垂向運移

在運移作用占主導的情況下，天然氣中甲烷相對于乙烷及乙烷以上重烴更易于運移［1，11］，因此在天然氣垂向運移過程中，隨運移距離的增加，天然氣中甲烷含量將逐漸升高，而重烴含量逐漸降低，天然氣干燥系數逐漸增大。從圖3、圖4可以看出，馬井－什邡地區淺層天然氣中甲烷含量相對較高，隨氣層埋深增大，天然氣中各組分及干燥系數（C1／C1－5）呈現出規律性變化，其中甲烷含量和干燥系數逐漸降低，而乙烷和丙烷含量逐漸升高，表現出受運移分餾作用影響的特征。

圖3 馬井－什邡地區蓬萊鎮組天然氣甲烷含量及干燥系數隨深度變化圖

3．1．2 根據非烴氣體參數示蹤天然氣垂向運移

非烴氣體也可用于示蹤天然氣的運移方向，CO2和N2是天然氣中最常見的非烴組分，常與烴類氣體相伴運移。與CH4相比，CO2分子直徑大、密度高且易溶于水。通常隨運移距離的增加，天然氣中CO2的含量逐漸降低、而CH4含量相對增高［12］。同理，由于N2分子直徑比C2H6小得多，在巖石孔隙中更易于擴散和運移，因此，沿氣體運移方向上，N2／C2H6的比值將 逐 漸 增大［3］。在馬井－什邡地區，隨著地層埋深變淺，天然氣組分中CO2／CH4值逐漸變小，而N2／C2H6值逐漸變大（圖5），表現其明顯受垂向運移作用的影響。

圖4 馬井－什邡地區蓬萊鎮組天然氣中乙烷及丙烷含量隨深度變化圖

3．1．3 根據流體包裹體組成變化示蹤油氣垂向運移

通過對研究區內多口探井儲層樣品的鏡下觀察，發現流體包裹體中普遍有氣液兩相包裹體共生現象，且氣液兩相比重隨地層埋深呈現規律性變化。以臨近斷裂帶的馬18井為例，在該井埋深較大的沙溪廟組樣品油氣包裹體中（埋深3230m），液烴包裹體占90%±，氣烴包裹體占10%±；在埋深略淺的蓬一段樣品油氣包裹體中（埋深2195m），液烴包裹體占45%±，氣烴包裹體占55%±；而在蓬三段樣品油氣包裹體中（埋深1627m），液烴包裹體占35%±，氣烴包裹體占65%±（圖6）。可見其中氣烴與液烴包裹體所占比重隨埋深呈現規律性變化，這正是油氣運移分餾作用產生的結果［13］。

圖5 馬井－什邡地區蓬萊鎮組天然氣中CO2／CH4值與N2／C2H6值隨深度變化圖

3．2 天然氣側向運移

由烴源巖層運移至儲層中的天然氣，可以沿儲層砂體繼續進行側向運移。為探討天然氣進入蓬萊鎮組后在儲層砂體中的運移方向，選取分析了馬井地區蓬二氣藏天然氣組分中CO2／CH4在平面上的變化特征并繪制等值線圖（圖7）。從圖中可以看出，氣藏中CO2／CH4比值在平面上存在明顯規律性變化，天然氣的主要運移指向有兩個，一部分天然氣向馬井構造東北方向（馬蓬47井區－馬蓬43井區－馬蓬52井區）運移，另一部分天然氣沿斜坡帶砂體向上傾方向（馬井→什邡→新場）運移，整體上的側向運移方向為沿儲層砂體自南向北運移，即由天然氣高勢區向低勢區方向運移。

圖6 馬18井各層位砂巖包裹體組分特征

3．3 天然氣運移通道

天然氣在儲集層中的運移，尤其是進行長距離運移時，其輸導體系主要由輸導層、斷層和不整合面組成。天然氣側向運移時，以輸導砂體和不整合面作為主要運移通道，在進行垂向運移時則以斷層為主要運移通道。

在馬井構造高點東南翼發育有一系列逆斷層，其中部分斷層規模較大，向下延伸至中三疊統以下，向上斷至上侏羅統蓬萊鎮組，總體上表現為由淺至深呈逐漸增強的趨勢，這一系列斷層形成于燕山晚期的構造運動，定型于喜山期，縱向連通性很好，是淺部侏羅系儲層與下伏須家河組烴源層溝通的重要通道，下部天然氣沿著這組斷裂帶向上運移，在運移過程中如遇良好儲層，便可驅替地層水聚集成藏（圖8）。由油氣差異聚集原理可知，天然氣會首先選擇距離斷裂帶最近，溢出點最低的圈閉聚集成藏，因此斷裂發育帶附近的儲層更易成為有效圈閉。斷裂系統對馬井－什邡地區侏羅系氣藏的形成及儲層物性的改善起到了重要作用。

4 天然氣運聚成藏時間

馬井－什邡地區蓬萊鎮組天然氣主要來自于上三疊統須家河組煤系烴源巖，目前這套烴源巖的有機質熱演化程度較高（Ro值普遍大于2%），處于干氣生成階段［14］。許多學者研究認為晚侏羅世至晚白堊世為川西地區須家河組烴源巖的主要生排氣高峰期［14－16］，這一時期連通淺部侏羅系的斷裂帶尚未形成，須家河組天然氣以自生自儲為主，在須家河組儲層中形成大量原生氣藏。

圖7 馬井－什邡地區蓬二氣藏CO2／CH4比值示蹤天然氣沿砂體側向運移

圖8 馬井－什邡地區天然氣運移示意圖

燕山運動晚期至喜山運動早期這一階段，在構造運動作用下，馬井－什邡地區部分須家河組原生氣藏受到調整和改造，同期形成的斷裂帶溝通了須家河組與淺層侏羅系地層，使大量深部天然氣可以大規模向上運移至蓬萊鎮組圈閉中，聚集形成淺層次生氣藏［17］。由此可知，研究區內須家河組天然氣大規模向侏羅系運移的時間窗是在燕山運動晚期至喜山運動早期，即白堊紀末至古近紀早期。馬井－什邡地區蓬萊鎮組天然氣的主成藏期為晚白堊世晚期至古近紀晚期［18］，這與天然氣的大規模運移時間，以及烴源巖的主要生排烴期均匹配良好。

5 結 論

馬井－什邡氣田的主力勘探層位是上侏羅統蓬萊鎮組，天然氣藏集中在蓬萊鎮組中上部。蓬萊鎮組天然氣屬于典型的煤型氣，氣體組分中甲烷含量占絕對優勢，其他重烴及非烴氣體組分含量較少，干燥系數基本在0．95以上，為典型的干氣特征。

氣源對比結果表明，蓬萊鎮組天然氣主要來自于下 伏 須 家 河 組 煤 系 烴 源 巖，C1／C1－5、CO2／CH4、N2／C2H6及流體包裹體組成特征等多組示蹤參數綜合顯示，天然氣以燕山晚期形成的深大斷裂帶為運移通道，由須家河組垂向運移至蓬萊鎮組砂巖儲層，并沿輸導砂體由高勢區向低勢區側向運移，至適當圈閉中聚集成藏，天然氣大規模運移時期為白堊紀末至古近紀早期，主成藏期為晚白堊世晚期至古近紀晚期。

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