四川盆地金秋氣田侏羅系沙溪廟組多期砂組天然氣復合成藏機理及模式

張本健 潘 珂 吳長江 王小娟 唐友軍 張吉振 黃亞浩

1. 中國石油西南油田公司勘探開發研究院 2. 長江大學·油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室 3.長江大學資源與環境學院

0 引言

四川盆地天然氣資源量極其豐富，常規和非常規天然氣的可采資源量分別為 73 859×108m3和82 623×108m3[1]。四川盆地中侏羅統沙溪廟組地質條件復雜，20世紀70年代至21世紀初，以川西、川南與川東地區構造圈閉為主要勘探對象，先后發現一批小型氣藏，沙溪廟組勘探未獲重大突破[1-6]。2018年以來，重點圍繞川中—川西過渡帶金秋地區，堅持“勘探開發、地質工程”一體化工作思路，經過快速高效攻關研究、滾動評價與工藝試驗，突破沙溪廟組致密砂巖氣藏勘探，區內QL16、207-H2、209-H1、JH5H等多井獲測試天然氣日產超30×104m3高產工業氣流，從而發現金秋氣田[7-14]。截至2021年底，累計提交探明儲量約 1 000×108m3，是目前四川盆地中侏羅統沙溪廟組已發現儲量規模最大的氣田。

天然氣成藏理論研究對于天然氣資源勘探開發具有重要理論指導意義，天然氣成因、運移、充注及聚集機理是天然氣成藏的重要研究內容，厘清天然氣成藏過程及機理對于天然氣資源評價和勘探部署極為重要[15-22]。前人對川中地區沙溪廟組天然氣藏的氣源巖發育特征、沉積特征、層序結構、儲層分布等方面開展了系列研究[23-25]。金秋氣田沙溪廟組天然氣的氣源問題研究較薄弱，天然氣成藏理論研究仍待深化[26-27]。天然氣地球化學特征及碳同位素特征在氣源對比研究中具有重要指示意義[15-22]。另外，結合熱史、埋藏史特征、烴源斷層的輸導性及流體包裹體信息，可以有效地為天然氣成藏機理及模式分析奠定基礎[28-30]。勘探實踐表明，重點砂組的成藏模式或有不同，精細研究典型富氣砂組的成藏規律有助于厘清天然氣富集成藏機理。本文針對金秋氣田沙溪廟組天然氣開展綜合研究，在氣源對比的基礎上，明確沙溪廟組天然氣成因及來源、成藏期次、油氣運移路徑，回溯成藏歷史并揭示成藏機理，為侏羅系天然氣成藏理論研究提供科學依據，并為研究區侏羅系天然氣的勘探開發提供重要指導。

1 地質背景

四川盆地位置處于古揚子板塊的西緣，是基于上揚子克拉通發展起來的多旋回疊合盆地[13-18]。金秋氣田主要位于川中油氣區和川西氣區的過渡單元，處于金華—秋林一帶，區域位置如圖1所示。四川盆地周緣主要被龍門山褶皺帶、大巴山褶皺帶、米倉山隆起帶、大相嶺斷褶帶、大婁山斷褶帶所環繞，而盆地內部主要以斷裂為界限，3個構造區6個次一級構造帶，包括川西北構造區（包括川北低平褶皺帶和川西低陡褶皺帶），華鎣山與龍泉山之間的川中構造區（包括川中平緩褶皺帶和川西南低陡褶皺帶），以及華鎣山以東的川東南構造區（包括川東高陡褶皺帶和川南低陡褶皺帶）[15-19]。本次的研究區主要位于川中平緩褶皺帶和川北低平褶皺帶的過渡區域。自中三疊世以來，四川盆地主要受到印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動的影響，形成現今的構造格局，研究區為典型逆沖褶皺系統中傾伏的鼻狀構造[13-19]。

沙溪廟組為一套巨厚陸相碎屑巖紅色地層間夾中厚層塊狀砂巖，區內地層厚度 1 000 ～ 1 500 m[13-16]。縱向上以區域標志層暗色“葉肢介”頁巖為界，從下至上可劃分為沙溪廟組一段（沙一段）與沙溪廟組二段（沙二段）（圖2）[13-16]。自下而上可劃分為23期砂組，其中沙一段5期砂組，沙二段18期砂組（圖3）。區內沙溪廟組主要為三角洲—湖泊沉積體系，分流河道與河口壩疊置連片形成厚層規模網狀砂組，砂體厚度大約為15～30 m，為天然氣的輸導和儲集提供重要通道和空間；儲集巖石類型主要為巖屑長石與長石砂巖，儲層孔隙度主要分布在8.0%～16.0%之間，平均孔隙度10.4%，滲透率為0.01～1 mD，總體低孔、低滲，儲集空間主要為殘余粒間孔與長石溶蝕孔，儲集類型為孔隙型；儲層厚度大，橫向上沿有利沉積微相連續分布[14-16]。區內沙溪廟組下伏地層主要發育須家河組煤系烴源巖及大安寨段湖相泥頁巖兩套烴源巖層（圖2），須家河組烴源巖熱演化程度達成熟—高成熟階段，生氣為主，烴源條件優越；大安寨段熱演化程度達成熟階段，生油為主，生氣為輔[23-27]。目前，金秋氣田已在沙一段與沙二段13期河道砂組發現氣藏，其中沙二段6、7、8、9號4期砂組相對富氣，展現了金秋氣田沙溪廟組縱向上多期砂組復合成藏的格局。

圖2 四川盆地須家河組—蓬萊鎮組地層綜合柱狀圖

圖3 金秋氣田沙二段砂組部分連井剖面圖

2 天然氣成因來源及運移機理

2.1 天然氣成因來源

金秋氣田沙二段天然氣碳同位素值偏重，δ13C1總體介于－36‰～－31‰之間，除QL10井樣品外均表現出煤成氣的特征（如圖4）。并且所伴生凝析油碳同位素值、輕烴分布特征均與須家河組凝析油特征相近（圖5）。而川中地區須家河組氣藏為近源成藏，油氣主要來源于自生須家河組烴源巖[13-15]。川中地區須家河組烴源巖有機質類型為腐殖型，干酪根同位素偏重，δ13C1值平均約為－28‰；而侏羅系大安寨段和涼高山組烴源巖有機質類型為腐泥型，干酪根同位素輕于須家河組烴源巖，δ13C1值平均約為－32‰[13-15]。對比金秋氣田侏羅系各層系和須家河組天然氣組分及甲烷同位素特征，認為金華—秋林地區沙二段天然氣與須家河組天然氣特征相近，有較高的同源性（圖6）。另外，部分井區沙二段天然氣顯示有大安寨段和涼高山組烴源供給。QL10井天然氣組分碳同位素值與碳數倒數呈非線性相關關系（圖6），表現出混合氣的特征。QL10井伴生凝析油C5～C7輕烴化合物中正構烷烴含量豐富，正庚烷值與異庚烷值關系圖中樣品點靠近脂肪線，均反映天然氣母質類型偏腐泥型（圖6）。輕烴參數曲線與公山廟油型氣曲線相似，并且C4～C7輕烴中芳烴（苯和甲苯）含量僅為1.3%，明顯低于須家河組油及八角場地區斷裂附近須家河組烴源巖樣品，顯示有大安寨段或涼高山組烴源巖輸入。綜上所述，金華—秋林沙二段天然氣主要來源于須家河組腐殖型烴源巖，局部地區有大安寨段或涼高山組腐泥型烴源巖的貢獻。

圖4 金秋氣田沙二段天然氣成因δ13C1、δ13C2及δ13C3鑒別圖

圖5 金秋氣田侏羅系各層系和須家河組天然氣組分及甲烷同位素特征曲線圖

圖6 金秋氣田沙二段原油C5～C7組成三角圖（a）、正庚烷值與異庚烷值關系圖（b）

2.2 天然氣運聚特征

沙二段天然氣的生源構成中56.7%～78.5% （平均67.1%）來源于高等植物，21.5%～44.1% （平均32.8%）來源于菌藻生源，另外有0.01%～0.3% （平均0.2%）來源于細菌生源。大安寨段天然氣平均69.40%來源于高等植物生源，平均26.60%來自于菌藻生源，平均0.01%來自于細菌生源。須家河組天然氣72.0%～86.4%（平均74.6%）來自高等植物生源，19.9%～27.9%（平均23.9%）來自菌藻生源，另外有0.02%～6.64%（平均3.3%）來自于細菌生源[26]。垂向上而言，由須家河組地層向上至大安寨段地層，再至沙二段地層，其天然氣高等植物生源組構比例逐漸降低，菌藻生源逐漸遞增，顯示須家河組天然氣先進入大安寨段，與大安寨段層內自生天然氣進行混合，然后再垂向輸導至沙二段地層進行匯聚。另外，沙溪廟組天然氣乙烷及甲烷同位素值輕于須家河組，天然氣干燥系數偏低，表明須家河組的干氣運移至大安寨進行匯聚，然后混合大安寨濕氣經歷二次運移調整，并向上運移至沙溪廟組，形成沙溪廟組混合氣的特征（圖 7）。6、7、8號三套砂組天然氣δ13C1分別介于－38.9‰～－35.9‰（平均－37.2‰）、－39.2‰～－35.2‰（平均－37.5‰）和－39.3‰～－33.6‰（平均－37.8‰），對比結果顯示甲烷碳同位素自下而上有變輕的趨勢。

3 天然氣成藏機理

3.1 成藏期次與時間

天然氣充注時間和期次研究對于天然氣成藏機理研究極為關鍵[28-32]。本次研究共對金秋氣田研究區QL17、QL18、JH9、JQ7等井儲層樣品進行了流體包裹體巖相學和原位激光拉曼流體包裹體定量分析，以此來恢復沙溪廟組致密氣古壓力及厘定成藏期次，侏羅系沙溪廟組致密氣儲層砂巖內石英顆粒發育大量裂隙。裂紋內大量甲烷氣包裹體均為次生成因，可見伴生的氣液兩相鹽水包裹體，包裹體最大15 μm，圓形、橢圓形、長條形與不規則形并存，氣液比介于5%～20%（圖8）。對比不同層位不同典型井含氣包裹體和水溶液包裹體豐度進行分析，QL16和QL17以及QL202井等8號砂體內含氣包裹體的含量大于80%，而7號砂體的含氣包裹體豐度較低，豐度在19%～50%。靠近川西地區和八角場地區的包裹體豐度較高（平均為68%），ZQ1井和GQ1井的氣包裹體豐度最低。

圖8 金秋氣田沙二段致密砂巖儲層典型井流體包裹體照片

根據 QL8、QL10、QL16、QL202-H1、QL205-H1井等5口井沙二段8號砂體實測原始地層壓力，氣藏壓力在19.1～26.5 MPa，壓力系數在0.845～1.155，秋林氣田沙二段8號砂體氣藏屬于低壓—常壓氣藏。川中地區侏羅系沙溪廟組8號砂體儲層內甲烷氣包裹體可以分為2種類型：較低密度的甲烷流體（0.164～0.198 g/cm3），同期鹽水包裹體的均一溫度范圍在109.1～116.4 ℃，以及較高密度的甲烷流體（0.201 ～ 0.296 g/cm3），甲烷包裹體的均一溫度范圍在122.4～129.0 ℃。通過激光拉曼定量分析恢復甲烷氣包裹體古壓力，可以看出8號砂體古壓力為36.5 ～ 47.8 MPa和 47.6 ～ 58.3 MPa，壓力范圍涵蓋異常低壓至中等超壓（表1）。

表1 甲烷氣包裹體古壓力恢復參數匯總表

根據J62-1、XC3、QL18井等3口井沙二段實測原始地層壓力，氣藏壓力在8.23～9.24 MPa，壓力系數在0.43～0.77，屬于低壓氣藏。7號砂體儲層內甲烷氣包裹體可以分為兩種類型：較低密度的甲烷流體（0.17～0.18 g/cm3），同期鹽水包裹體的均一溫度范圍在110.2～115.7 ℃，以及較高密度的甲烷流體（0.22～0.23 g/cm3），甲烷包裹體的均一溫度范圍在125.6～137.8 ℃（圖9）。通過激光拉曼定量分析恢復甲烷氣包裹體古壓力， 7號砂體古壓力為32.8 ～ 39.3 MPa和 48.1 ～ 52.5 MPa，古壓力系數為0.78～1.23，主要為常壓至弱超壓。溶解甲烷包裹體中甲烷含量分為兩類，一類為0.042～0.086 mol/kg，一類為0.128～0.153 mol/kg（圖9）。甲烷水溶液包裹體在金淺1中具有較低的鹽度（1.6～3.7 wt%）和較低的均一溫度（小于110 ℃）。QL16井和QL17中溶解態甲烷包裹體的均一溫度更高，但鹽度部分一致，但是當均一溫度高于120 ℃時，QL17井中的鹽度明顯較高，包裹體的捕獲環境古溫度較高，含有黑色有機質顆粒的甲烷水溶液包裹體具有高鹽度和高均一溫度的特征（4.1～9.3 wt%，120～140 ℃）。

圖9 二氧化碳流體包裹體密度統計分類及p—T相圖

對川中地區的近90塊砂巖樣品，共計200個烴類包裹體分別進行均一化光譜采集。將這些鹽水包裹體最低均一溫度“投影”到附有古地溫演化的埋藏史圖中，得到的油氣充注時間如圖10所示，反映川中地區沙二段砂巖儲層發生過兩期油氣充注。第一期油氣充注發生在白堊系中晚期（地層埋深最大時期），從所取得的砂巖樣品中鹽水包裹體均一溫度資料反映為大約距今88～68 Ma，烴源巖生烴增壓導致壓力釋放并且烴源巖處于主要生排烴時期；第二期發生在明化鎮組沉積末期，時間大約為距今47～38 Ma，主要為構造調整作用導致烴類氣體二次充注。

圖10 川中地區侏羅系沙溪廟組油氣成藏史圖

根據單井埋藏史和地溫史模擬結果，并結合均一溫度可以有效推測油氣充注或成藏時期[28-32]，結果如圖11、12所示。川中低隆起壓力演化經歷了超壓積累、釋放、再積累3個階段。受地層沉積、埋藏、溫度升高、烴類生成、構造活動等因素影響，各個階段地層壓力演化差異性十分明顯：沙二段沉積期早期超壓形成，早期超壓規模小，強度弱，隨著靜水壓力曲線演化；隨著埋藏加深，儲層發生致密化，在白堊末期地層超壓達到最大，喜山運動導致地層剝蝕厚度約為2 000 m，因此古新世初期主要為早期形成的超壓釋放，孔隙流體壓力降低至常壓；古新世—現今晚期超壓形成。

圖11 金秋氣田侏羅系各典型井和砂體成藏期次統計圖

圖12 川中地區沙溪廟組古壓力演化曲線圖

3.2 天然氣成藏模式

通過對沙溪廟組砂巖儲層流體包裹體相關綜合分析，建立以下侏羅系沙溪廟組致密氣聚集模式圖（圖 13）。

圖13 侏羅系沙溪廟組致密氣富集模式圖

前述研究表明金秋氣田沙二段天然氣主要為須家河組天然氣貢獻，川西斷裂溝通須家河組及沙二段地層，須家河組烴源巖生烴強度高，運移動力足，自生煤型氣通過斷裂進入沙二段致密儲層成藏，如J70、J70-H等；而沙一段底部砂體與涼高山組上段（涼上段）泥巖直接接觸，砂巖物性較好，同時也存在溝通沙溪廟組的斷層，導致侏羅系自生油型氣輸入沙溪廟組聚集成藏，如J62-1井，但其輸入量遠小于須家河組煤成氣。天然氣通過大型烴源斷裂垂向運移至沙溪廟組，并通過高滲砂體和晚期喜山期抬升造成的侏羅系內部斷裂橫向運移差異聚集成藏。

4 結論

四川盆地金秋氣田侏羅系沙溪廟組天然氣勘探開發取得重大進展。沙二段天然氣主要來源于須家河組烴源巖，局部地區有大安寨段或涼高山組腐泥型烴源巖的貢獻。沙溪廟組天然氣乙烷、甲烷同位素明顯輕于須家河組，干燥系數也偏低， 6、7、8三套砂組天然氣甲烷碳同位素自下而上有變輕的趨勢，表明須家河組的干氣滯留大安寨段后，經歷二次運移調整，混合大安寨濕氣并向上運移至沙溪廟組。金秋氣田侏羅系沙溪廟組儲層存在兩期烴類氣體充注：白堊系晚期充注（距今87～68 Ma），古新世中期充注（距今47～38 Ma）。川中地區古壓力以異常低壓—中等超壓為主，古超壓富集區與烴源斷裂發育區相耦合，古新世中期喜山運動導致侏羅系內部斷裂再活化作用導致致密氣藏二次調整。靠近烴源斷裂7號砂體經歷短暫油氣充注，流體驅替壓力是主要橫向油氣運移動力。