川西北雙魚石地區下二疊統棲霞組氣水分布特征及主控因素

徐詩雨，林 怡，曾乙洋，趙春妮，何開來，楊 京，黎 洋，祝 怡

（中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院，成都 610041）

0 引言

四川盆地下二疊統天然氣資源豐富，總地質資源量為1.47 萬億m3。該層系勘探工作始于20 世紀50 年代，截至2014 年底，累計提交天然氣探明儲量884.02 億m3，均集中于茅口組巖溶縫洞型石灰巖儲集體中，尚未形成可規模動用的優質儲量區，資源探明率僅為6%。2014 年鉆探的ST1 井，首次在四川盆地下二疊統棲霞組厚層孔隙型白云巖儲集體中獲得天然氣勘探重大突破［1］。已有勘探成果表明，川西北雙魚石地區棲霞組是目前最有潛力的勘探領域之一［2-5］。研究人員［6-18］對川西北雙魚石地區烴源巖規模及質量、沉積相模式及展布、儲層特征及主控因素、白云巖成因等方面已有較為系統的研究，但大多從區域角度出發，側重于沉積條件和儲層成因探討，而對于成藏過程、氣水分布特征及主控因素的分析則相對薄弱。隨著近年來實鉆井的不斷增加，氣藏評價不斷深化，該地區部分鉆井（如ST10 井）測試產地層水，部分初期測試產純氣的鉆井（如ST8 井、SY133 井）在后續投產過程中見水，顯示出較復雜的氣水關系，其勘探重點和難點正逐漸由單一化的儲層特征向綜合性的氣藏特征和氣水關系聚焦。

綜合利用川西北雙魚石地區棲霞組儲層的實驗測試資料、鉆測井資料、地震資料以及生產動態數據，闡明流體性質及氣水分布特征，進而分析氣水分布主控因素，以期進一步指導該區塊棲霞組有利勘探區帶評價，為加快棲霞組油氣勘探進程和尋求規模儲量接替領域提供理論支撐。

1 區域地質概況

川西北雙魚石地區位于四川省廣元市劍閣縣—江油市境內，構造上處于四川盆地龍門山斷褶帶與川北古中坳陷低緩帶的過渡區，北面為米倉山隆起南緣山前斷褶帶［圖1（a）］。研究區棲霞組受龍門山推覆構造擠壓作用影響，產生一系列呈北東—南西向展布的近平行的褶皺斷高構造群，而北東方向受米倉山推覆構造擠壓作用影響，呈帚狀散開［圖1（b）］。區內褶皺強度較大，斷層較發育，在各主體構造和潛伏高帶上發育多個圈閉和高點，構造總體向北東方向逐漸抬升，向南西方向傾沒。

圖1 川西北雙魚石地區棲霞組地質概況斷裂名稱：①安寧河斷裂；②龍門山斷裂；③城口斷裂；（1）彭灌斷裂；（2）熊坡斷裂；（3）龍泉山斷裂；（4）華鎣山斷裂；（5）齊岳山斷裂；（6）萬源斷裂；（7）峨眉-瓦山斷裂；（8）漢源斷裂；（9）普雄河斷裂；（10）埡都-馬山斷裂Fig.1 Geological overview of Qixia Formation in Shuangyushi area，NW Sichuan Basin

棲霞組總體為一套碳酸鹽巖臺地沉積，存在一個大的海侵—海退相對海平面變化旋回，下伏與梁山組含煤碎屑巖整合接觸，上覆與茅口組石灰巖整合接觸［圖1（c）］。研究區內棲霞組厚度一般為100～130 m，自下而上分為棲霞組一段（棲一段）和棲霞組二段（棲二段）。其中，棲一段顏色較深，單層厚度較薄，下部主要為深灰色薄—中層狀泥晶灰巖、生屑泥晶灰巖，偶夾薄層泥巖，上部主要為淺灰色中層狀泥晶生屑灰巖，在個別地區棲一段表現為大套深灰色薄層狀泥晶灰巖；棲二段顏色較淺，單層厚度較大，自下而上主要為淺灰色厚層狀亮晶生屑灰巖，淺灰白色厚層塊狀白云巖，淺灰色中—厚層豹斑狀云質石灰巖，該段為川西北棲霞組儲層發育的主要層段［19-20］。

2 氣水分布特征

2.1 天然氣地球化學特征

川西北雙魚石地區棲霞組天然氣組分以甲烷（CH4）為主，摩爾分數為95.04%～97.53%，平均為96.81%，乙烷和更重組分的氣體（C2H6+）摩爾分數為0.09%～0.23%，平均為0.12%，非烴組分以二氧化碳、硫化氫為主，摩爾分數為2.36%～4.86%，平均為3.07%，天然氣干燥系數（C1/C1+）平均為0.998 9，是典型的干氣，呈現高演化特征（表1）。

表1 雙魚石地區棲霞組天然氣組分及碳同位素特征Table 1 Gas composition and carbon isotope characteristics of Qixia Formation in Shuangyushi area

研究區棲霞組天然氣甲烷碳同位素（δ13C1）值為-31.22‰～-29.24‰，乙烷碳同位素（δ13C2）值為-28.61‰～-25.60‰，對有機成因烷烴氣V 型圖版［圖2（a）］［21-22］進行分析，結果表明，天然氣以煤型氣為主，混有少量油型氣。甲烷、乙烷碳同位素未發生倒轉，即δ13C2-δ13C1＞0，其碳同位素差值為1.62‰～4.45‰；對天然氣成因X 型圖版［圖2（b）］［23-24］進行分析，結果表明，天然氣屬于過成熟階段的熱成氣。

圖2 雙魚石地區棲霞組天然氣成因鑒別Fig.2 Genetic identification of natural gas of Qixia Formation in Shuangyushi area

2.2 產出液類型及化學特征

水化學特征蘊含了水體形成環境與油氣運移的相關信息，可指示地層流體的封閉性與開放性［25-30］。研究區棲霞組氣藏鉆井生產過程中產出液水型均為氯化鈣型，陽離子以Na+為主，平均質量濃度為9 835.5 mg/L，Mg2+質量濃度最低，平均為369.5 mg/L，陰離子以Cl-為主，平均質量濃度為21 265.1 mg/L，SO42-質量濃度最低，平均為34.5 mg/L（表2）。水化學特征系數中，鈉氯系數［r（Na+）/r（Cl-）］為0.02～0.88，平均為0.53，脫硫系數［r（SO42-）×100/r（Cl-+SO42-）］為0.03～0.10，平均為0.05，表明研究區水體相對停滯，屬良好的封閉地層環境，氣藏保存條件較好。礦化度為2 054～77152 mg/L，平均為33 010.9 mg/L，變化范圍較大，分析結果受返排工作液（返排液）和凝析水的影響。

表2 雙魚石地區棲霞組產出液化學分析Table 2 Chemical analysis of produced liquid of Qixia Formation in Shuangyushi area

為進一步分析產出液的類型及化學性質，采用四川盆地實際生產中廣泛應用的水化學相圖方法［31-37］，結合研究區資料現狀，選用K++Na+，Ca2+，Mg2+，HCO3-，SO42-，Cl-共6 組離子質量濃度作為判別系數，繪制棲霞組產出液的水化學相圖，從相圖特征上可直觀地區分出地層水、返排液、凝析水3種不同類型的產出液（表3）。

表3 雙魚石地區棲霞組產出液化學相圖特征Table 3 Characteristics of chemical phase diagram of produced liquid of Qixia Formation in Shuangyushi area

（1）地層水。棲霞組地層水的分布相對獨立，不存在大規模的邊水與底水。水化學相圖呈“傘狀”，陽離子以K++Na+為主，質量濃度一般為20 000 mg/L左右，占陽離子總質量濃度的90%以上，Ca2+，Mg2+質量濃度很低；陰離子以Cl-為主，質量濃度一般為30 000 mg/L 左右，占陰離子總質量濃度的90%以上，其次為HCO3-，而SO42-質量濃度極低，但總礦化度較高。

（2）返排液。棲霞組氣藏埋藏深度大，儲層非均質性強，裂縫較發育，鉆井過程中存在不同程度的泥漿漏失，且研究區采用酸化壓裂工藝對儲層進行改造，大量工作液返排不徹底滯留在地層中，開井后，這部分工作液由于生產壓差從地層中返排出來。返排液水化學相圖呈“右斜鐮刀狀”，陽離子以Ca2+為主，陰離子以Cl-為主，離子質量濃度因工作液化學性質的差異而在較大范圍內波動，總礦化度較高。

（3）凝析水。凝析水在井下高溫高壓條件下，一般呈氣態，在壓力溫度較低的井口環境下凝結成水，礦物質質量濃度較低。水化學相圖呈“棒狀”，離子質量濃度均處于較低水平，Cl-質量濃度波動相對較大，總礦化度很低。

因此，利用生產動態資料與產出液化學特征綜合分析，可辨別不同時期產出液的性質，進一步明確氣藏中地層水的分布情況。以研究區內SY133井為例，其儲層測井綜合解釋均為氣層，初期測試時不產地層水，該井于2020 年1 月投產，前期由于井筒內尚有大量工作余液，水化學相圖表現出典型的“鐮刀狀”返排液特征［圖3（a）—（c）］，開采至2020 年9 月，水中的溴離子質量濃度明顯增加，大于200 mg/L，產氣量由43 萬m3/d 降至18 萬m3/d，產液量由5 m3/d 快速升至44 m3/d，液氣比遠高于研究區凝析水氣比0.19 m3/萬m3，水化學相圖呈“傘狀”地層水特征［圖3（d）］，產出液以地層水為主；隨著開采時間的增長，水化學相圖中“傘蓋”的開合度增大，截止目前，水化學相圖的形狀趨于穩定［圖3（d）—（f）］，表現出典型的產地層水特征。

圖3 雙魚石地區棲霞組SY133 井開采過程中水化學相圖變化Fig.3 Changes of water chemical phase diagram of Qixia Formation during exploitation of well SY133 in Shuangyushi area

2.3 氣水縱、橫向分布情況

研究區棲霞組氣藏氣水關系復雜，縱向上同時發育水層、氣水同層、氣層，氣水界面低于局部構造圈閉（圖4）。根據測試井的儲層含水飽和度統計分析可知，縱向剖面上，含水飽和度整體受構造控制，表現為自上而下逐漸增大，氣水分異較好；局部受縱向非均質性影響，滲透性較差，出現下部含水飽和度低于上部的情況，氣水分異不明顯。

圖4 雙魚石地區棲霞組氣水縱向分布（以ST10 井為例）Fig.4 Vertical distribution of gas and water of Qixia Formation in Shuangyushi area

根據實際生產動態特征及產出液化學特征分析，目前研究區構造-巖性圈閉內共有3 口井（ST10井、ST8 井、SY133 井）在棲霞組產地層水，其余井的產出液均表現出凝析水或返排液的特征。綜合測井解釋成果與測試、生產特征認為，產純氣井分布在構造高部位，氣水同產井分布在構造低部位或緊鄰構造低部位的斷層附近，不同構造部位的天然氣地球化學特征相似，氣層連通性較好，而地層水化學特征存在差異，沒有統一的氣水界面，為局部發育的多個獨立水體。因此，從整體來看，氣藏不受局部構造控制，具有構造高部位儲層連片含氣，構造低部位受斷層封堵局部含水的氣水分布特征（圖5）。

圖5 雙魚石地區棲霞組氣水平面分布Fig.5 Plane distribution of gas and water of Qixia Formation in Shuangyushi area

3 氣水分布主控因素

3.1 構造位置和構造幅度

地震和鉆井資料研究表明，雙魚石地區棲霞組整體表現出南緩北陡的構造格局，呈北高南低的特征，構造位置及構造幅度對氣水分布具有重要影響。

如前文所述，氣水同產井多分布在構造相對較低的部位，普遍表現出含氣飽和度較低、水體較為孤立、連通性差等特點。同一地區同一產層中，氣源條件與儲層特征相似，早期成藏的差異性不明顯，現今的氣水分布特征主要受后期構造運動對氣藏的調整改造作用控制。雙魚石地區棲霞組氣藏歷經了印支期、燕山期、喜山期等多期構造運動，在龍門山的推覆擠壓應力下，形成繼承性隆起高帶，從而控制氣藏的規模富集，逐漸形成氣水分異較徹底的“甜點”區，實鉆井富氣高產。由于氣水分異需要一定的構造幅度［38］，研究區內局部構造幅度較小的部位實鉆井證實氣水同產，表現出氣水分異不徹底的特征。

氣水過渡帶的高度與儲層孔喉條件有關，儲層孔喉條件越差，毛管力越大，氣水過渡帶越高，氣水徹底分異所需的構造幅度越大。研究區棲霞組以Ⅲ類儲層為主，通過繪制該類儲層毛管壓力的J 函數與含水飽和度的關系曲線，可推算出氣水分異所對應的氣柱高度。結果表明，該氣藏完成徹底的氣水分異所需要的構造幅度約580 m（圖6）。研究區的構造幅度約為200～700 m，部分構造幅度較低的區域氣水分異不徹底，為氣水同產區，但在相同構造幅度條件下，如果儲層孔喉條件較好，發育有Ⅰ，Ⅱ類儲層，則可能為純氣區。研究區儲層非均質性較強，構造幅度變化范圍廣，因此呈現氣水混雜的格局。

圖6 雙魚石地區棲霞組氣水分布與氣柱高度的關系Fig.6 Relationship between gas column height and gas-water distribution of Qixia Formation in Shuangyushi area

3.2 斷層的局部封堵性

研究區地面構造斷層欠發育，而地腹中受不同時期的構造作用影響，斷裂十分發育。棲霞組被多條北東向斷層切割，與構造走向大體平行，向下斷裂強度減弱，向上未能斷穿地表。

由圖7 可看出，斷層規模較大時，與斷層有適當距離會有利于天然氣的富集，太遠或太近產能均變小，距離太遠，斷層的溝通輸導作用不明顯，距離太近，天然氣不易保存，容易沿斷層運移散失。研究區內還廣泛發育規模較小的斷層，此類斷層主要起橫向輸導作用，封閉性較好，一般不會導致天然氣的散失，距離其越近，次生斷裂越發育，越有利于天然氣的富集。若在緊鄰低洼處的斷層附近鉆井，后期隨著生產進行，氣藏壓力釋放，打破原有的氣水平衡狀態，低洼處的水容易沿斷裂侵入，甚至會有地層水產出。

圖7 雙魚石地區棲霞組單井產能與基底斷裂距離的關系Fig.7 Relationship between single well productivity and basement fracture distance of Qixia Formation in Shuangyushi area

綜合分析認為，研究區棲霞組的斷層具有局部封堵性，規模較大的斷層封堵性較強，能控制氣水分布，規模較小的斷層主要起輸導作用，從而表現出氣水同產。

3.3 烴源巖生烴強度

段治有等［39］的研究表明，烴源巖生烴強度可控制氣水分布。雙魚石地區具有廣覆式生烴特征，主要發育2 套烴源巖，即下二疊統煤系烴源巖和下寒武統筇竹寺組烴源巖。下二疊統煤系烴源巖生烴強度由東北部向西南部減小，生烴強度為（14～30）億m3/km2，下寒武統筇竹寺組烴源巖生烴強度由西部向東部減小，生烴強度為（150～200）億m3/km2。生烴強度的差異可影響氣水分布的差異，生烴強度大的區域，天然氣供給充足，氣層廣泛分布，生烴強度小的區域，天然氣供給能量不足，難以完全驅替儲層中原有的地層水，出現水層和氣水同層的格局。因此，在相同的構造背景下，生烴能力較強的區域氣水分異較好，生烴能力較弱的區域氣水混雜，常表現出氣水同產的格局。

3.4 儲層物性和非均質性

基于雙魚石地區棲霞組氣層段測井綜合解釋和巖心柱塞樣室內分析化驗，對孔隙度與含水飽和度的關系進行綜合分析。結果表明，含水飽和度隨孔隙度增大而降低，且降幅逐漸變小，二者具有良好的對應關系（圖8）。物性較好的儲層，孔隙排驅壓力較小，運移阻力較小，天然氣優先充注，最后在構造高部位聚集，含氣飽和度較高；物性較差的儲層，排驅壓力高，運移阻力大，天然氣難以驅替儲層中的地層水，含水飽和度較高。在氣藏形成過程中，天然氣主要聚集在儲層品質較好的區域。

圖8 雙魚石地區棲霞組含水飽和度與孔隙度關系Fig.8 Relationship between water saturation and porosity of Qixia Formation in Shuangyushi area

研究區棲霞組儲層非均質性較強，主要發育3類不同品質的儲層。非均質性使得儲層內部連通性較差，儲層在縱、橫向上均不連續發育，因此同一構造內部不同水體沒有統一的氣水界面。非均質性強的區域，水體常滯留在儲層品質較差處，難以被天然氣驅替，形成相對獨立的系統，從而影響氣水分布。

3.5 古地貌

受加里東構造運動形成的古隆起影響，二疊紀前川西北地區古地貌控制了棲霞組臺地邊緣相顆粒灘展布［8］，不同的古地貌單元，氣水的富集程度也不同［40］。研究表明，古地貌主要通過影響儲層的分布和物性來控制氣水分布。結合野外地質剖面，還原棲霞組沉積前古地貌特征，通過古地貌圖與含氣飽和度對比分析（圖9），古地貌較高的區域，白云石化作用較強，形成的儲層物性較好，含氣飽和度較高，是天然氣分布的有利區域；古地貌較低的區域，白云石化作用較弱，形成的儲層物性較差，含氣飽和度相對較低。

圖9 雙魚石地區棲霞組沉積前古地貌Fig.9 Presedimentary paleogeomorphology of Qixia Formation in Shuangyushi area

4 結論

（1）雙魚石地區棲霞組天然氣是典型的干氣，以煤型氣為主，混有少量油型氣，呈現高演化的特征。產出液礦化度為2 054～77 152 mg/L，水型為氯化鈣型，主要分為地層水、返排液、凝析水3 種不同類型的產出液，地層水化學特征表明水體相對停滯，屬良好的封閉地層環境，氣藏保存條件較好。

（2）雙魚石地區棲霞組氣水同產井主要分布在構造低部位或緊鄰構造低部位的斷層附近，氣藏具有構造高部位儲層連片含氣，構造低部位受斷層封堵局部含水的氣水分布特征，氣水分異總體較好，含水飽和度整體表現為自上而下逐漸增大，局部氣水關系較復雜。

（3）雙魚石地區棲霞組氣水分布受多種因素控制，主控因素有構造位置和構造幅度、斷層局部封堵、烴源巖生烴強度、儲層物性和非均質性以及古地貌特征。