四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組儲層評價及天然氣成藏機理

摘 要

摘要：四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組已進(jìn)入大面積巖性氣藏勘探的新階段，為了給該區(qū)勘探部署以及儲量評價提供地質(zhì)依據(jù)，開展了砂體分布、儲層展布及成因和成藏機理研究工作。具體工作
摘要：四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組已進(jìn)入大面積巖性氣藏勘探的新階段，為了給該區(qū)勘探部署以及儲量評價提供地質(zhì)依據(jù)，開展了砂體分布、儲層展布及成因和成藏機理研究工作。具體工作和認(rèn)識包括：①以層序地層學(xué)原理為指導(dǎo)，四位一體(測井、野外露頭、巖心資料和地震資料分析)，“井震”結(jié)合，建立了全盆地須家河組層序地層格架，認(rèn)為6大物源體系形成6大三角洲砂體；②在格架范圍內(nèi)以體系域為單元研究地層、砂體的展布特征，預(yù)測有利儲集砂體的分布，并分析不同類型砂體、相同砂體不同部位的儲層特征及其發(fā)育的主控因素；③分析儲層非均質(zhì)性特征和優(yōu)質(zhì)儲層的形成機理，劃分儲層類型，對研究區(qū)內(nèi)儲層進(jìn)行綜合評價，對優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的有利區(qū)帶進(jìn)行預(yù)測——加積式砂組中的高能河道為最高效的儲層；④通過對廣安、合川等典型氣藏的解剖，針對須家河組低滲透砂巖氣藏氣水關(guān)系復(fù)雜、成藏機理復(fù)雜的特點，設(shè)計相應(yīng)的地質(zhì)模型和實驗裝置，開展了氣水置換的成藏模擬試驗，認(rèn)為致密砂巖圈閉的充注為脈沖式充注，充注完成后在致密砂體和高孔滲砂體之間，存在多個含水滯留區(qū)帶，而儲層物性的相對差異是能否聚氣的關(guān)鍵。該成果對于擴大四川盆地天然氣勘探領(lǐng)域、尋找新的勘探接替區(qū)具有重大意義。
關(guān)鍵詞：四川盆地；晚三疊世；成藏機理；砂體展布；儲集層；層序地層學(xué)；圈閉；氣水關(guān)系
    近年來四川盆地內(nèi)上三疊統(tǒng)須家河組的勘探不斷獲得重大突破，成為繼石炭系、飛仙關(guān)和長興組以后盆地內(nèi)又一重要天然氣勘探領(lǐng)域。該區(qū)須家河組的勘探可以2005年作為勘探轉(zhuǎn)折點，在2005年以前，須家河組主要以構(gòu)造氣藏勘探為主，先后發(fā)現(xiàn)了中壩、八角場、邛西等一系列典型的構(gòu)造氣藏。2005年，以廣安2井須六段日產(chǎn)天然氣4.2×104m3為標(biāo)志，須家河組的勘探進(jìn)入到大面積巖性氣藏勘探的新階段，除廣安以外，在川中-川南過渡帶的龍女寺、潼南、河包場等構(gòu)造也相繼獲得工業(yè)氣井，展現(xiàn)出良好的勘探勢頭，這對于擴大四川盆地天然氣勘探領(lǐng)域、尋找新的勘探接替區(qū)具有重大意義。
    為指導(dǎo)該區(qū)下步的勘探部署，依據(jù)層序地層學(xué)、儲層地質(zhì)學(xué)、油氣成藏地質(zhì)學(xué)等理論為指導(dǎo)，開展了大量深入、細(xì)致的研究工作，在砂體展布、儲層展布和成因及成藏機理等方面取得了一些有用的認(rèn)識，為四川盆地須家河組的勘探部署以及儲量的增長提供了地質(zhì)依據(jù)，具有一定的理論和實踐意義。
1 層序地層格架與砂體展布
1.1 沉積相模式
    在區(qū)域構(gòu)造背景研究[1]的基礎(chǔ)上，充分應(yīng)用露頭、巖心和測井資料，在須家河組識別出4類沉積相，即沖積扇相、辮狀河相、辮狀河三角洲相和湖泊相(表1)。
沖積扇相發(fā)育于川西北部須四段和須六段下亞段，可分扇根泥石流、主溝道沉積，扇中辮狀溝道沉積以及扇緣席狀砂沉積。辮狀河在川西南和川西北部須二段發(fā)育，可劃分出河床滯留沉積、心灘和河漫灘3種微相。辮狀河三角洲相在須二、須四段和須六段分布十分廣泛，可分為三角洲平原分流河道、河道滯留沉積、心灘、分流間洼地、沼澤，三角洲前緣水下分流河道、河口砂壩、遠(yuǎn)砂壩、席狀砂和分流間灣等微相。湖泊相主要發(fā)育于川西凹陷，川中須二-須六段均有分布[2]，可識別出濱湖泥、濱湖灘壩砂，淺湖泥、淺湖灘壩砂和半深湖濁積扇等微相。有利儲集微相是三角洲前緣水下分流河道、河口砂壩和前緣席狀砂和三角洲平原分流河道州。
 
1.2 層序地層格架
    在精細(xì)沉積相研究的基礎(chǔ)上，充分應(yīng)用露頭、巖心、測井和地震資料(四位一體)，對四川盆地須家河組進(jìn)行了精細(xì)層序地層劃分，將須家河組劃分為4個層序和12個體系域[7～8]。低位體系域主要發(fā)育三角洲沉積體系，湖侵和高位體系域主要發(fā)育湖泊沉積體系，低位體系域主要有利儲集砂體。
    在典型剖面層序地層劃分的基礎(chǔ)上，在全盆地優(yōu)選了580口單井和26個露頭剖面進(jìn)行了詳細(xì)的層序地層劃分。同時，在盆地挑選132條地震剖面進(jìn)行地震層序分析，用地震層序劃分來校正單剖面層序地層的劃分(井震結(jié)合)，精細(xì)落實每個剖面層序或體系域的界面。最后選出200個層序地層單剖面在全盆地編制18條層序地層對比剖面，建立全盆地三級層序地層格架。層序Ⅰ對應(yīng)于須家河組一段，分布范圍較窄，僅川西局部有少量沉積。層序Ⅱ?qū)?yīng)須二和須三段，分布范圍擴大，川中、川南及川東均接受沉積，地層由西北向東南逐漸超覆，沉積中心位于川西中北部。層序Ⅲ對應(yīng)須四和須五段，分布范圍進(jìn)一步擴大，沉積中心向南遷移。層序Ⅳ對應(yīng)須五和須六段，地層由西北向東南逐漸剝蝕，沉積中心進(jìn)一步向南遷移。
1.3 6大物源體系形成6大三角洲砂體
    在三級層序地層格架下，以體系域為單元，系統(tǒng)編制了地層等厚圖、砂巖厚度圖、砂地比等值線圖等單因素圖件，綜合礫巖成分、砂體分布、巖石薄片及重礦物等資料，編制了全盆地須家河組沉積微相展布圖，可以明顯看到四川盆地須家河組主要發(fā)育6大三角洲砂體，分別由6大物源所控制，即龍門山南段、龍門山北段、米倉山、大巴山、江南古陸和康滇古陸。
    層序Ⅱ低位體系域(須二段)，龍門山北段、米倉山和大巴山古陸抬升剝蝕，前方形成大面積的沖積扇-三角洲砂體，砂體厚度由西北向東南逐漸減薄，而大巴山前緣由東北向西南方向減薄。該時期龍門山南段尚未抬升，江南古陸和康滇古陸供給物源相對較少，前方砂體的厚度較薄，分布面積相對較小。不同物源方向的砂體在安岳、遂寧一帶交匯，決定著該地區(qū)優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育(圖1)。層序Ⅲ低位體系域(須四段)發(fā)育時期，龍門山北段、米倉山和大巴山方向物源供給進(jìn)一步增加，但分布范圍有所收縮。江南古陸受構(gòu)造應(yīng)力影響，其前方的砂體厚度和分布面積也明顯增加?？档峁抨懺谠撾A段逐漸消失，但龍門山南段已經(jīng)抬升并遭受剝蝕，從而為川西南段提供了大量的優(yōu)質(zhì)砂體。此時，來自盆地西北方向與東南方向的砂體在廣安交匯，控制著氣藏的規(guī)模及分布。層序Ⅳ，盆內(nèi)砂體分布位置與前期相似，但呈均衡分布格局，除來自盆地東南方面規(guī)模稍大之外，其他各個方向基本相近。

2 儲層發(fā)育主控因素與分布規(guī)律
2.1 儲層以低孔低滲為特征
    根據(jù)對35000個物性數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計，須家河組儲層平均孔隙度為5.5%，最小0.001%，最大21.9%；儲層平均滲透率為4.5mD，最小0.0001mD，最高可超過15135mD(有裂縫發(fā)育時)?？紫抖戎饕植荚?%～8%的范圍內(nèi)，滲透率分布主要在0.01～1mD的范圍內(nèi)，總體上儲層物性較差，屬低孔、低滲和特低孔、特低滲儲層。
    通過鏡下薄片觀察，研究區(qū)儲層孔隙主要是殘余原生粒間孔和次生溶蝕孔，原生孔隙比例較大，次生孔隙發(fā)育。綜合巖石鑄體薄片、圖像孔隙、毛細(xì)管壓力曲線資料，須家河組砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)可以劃分為：Ⅰ類粗偏雙峰式-大孔中細(xì)喉型、Ⅱ類中偏雙峰式-中孔中細(xì)喉型、Ⅲ類細(xì)偏雙峰式-中小孔細(xì)喉型和Ⅳ類單峰式小孔微細(xì)喉型等4種類型。
2.2 儲層主要受控于沉積微相、巖石相和成巖相
    沉積微相的分布從宏觀上控制著儲層的分布及其儲集性能。須家河組有利儲集相帶是水動力較強、沉積物分選較好、礦物成熟度較高的三角洲前緣水下分流河道砂體、河口壩砂體。根據(jù)對須家河組不同巖石相與物性關(guān)系研究，長石巖屑砂巖相平均孔隙度為8.4%，巖屑砂巖相平均孔隙度為7.3%和巖屑石英砂巖相平均孔隙度為6.7%，為有利的儲層巖石相。
    須家河組儲層經(jīng)歷了多種成巖作用，建設(shè)性的成巖作用主要有溶蝕和構(gòu)造破裂作用，導(dǎo)致孔隙度的增大；破壞性的成巖作用主要有壓實、壓溶和膠結(jié)作用，造成孔隙度的降低。根據(jù)成巖作用的不同可以劃分8類成巖相，其中溶蝕相儲層物性最好。溶蝕相以次生孔隙為主，促使高效儲層的形成，研究區(qū)廣泛發(fā)育的粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔和鑄模孔就是溶蝕作用的結(jié)果。
2.3 厚砂體薄儲層成因機理
    須家河組砂體厚度一般為80～100m，儲層厚度一般為20～30m，這種厚砂層薄儲層的現(xiàn)象普遍，其成因一直是難點。
    須家河組“厚砂薄儲”的成因主要與沉積微相、沉積水體動力和溶蝕作用有關(guān)(圖2)：①三角洲前緣水下分支河道物性好，是最好的沉積微相，河口砂壩和水上分支河道次之，水下分流河道中加積式砂體儲層物性最好；②沉積水動力通過控制砂地比、砂巖粒度和單砂層厚度制約儲層物性，水動力強、物性好；③溶蝕作用有利于儲層發(fā)育，儲層主要巖石類型為長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖，長石和巖屑易發(fā)生溶蝕作用，由溶蝕作用產(chǎn)生的粒間、粒內(nèi)溶孔的比例可達(dá)40%，在2000～3500m范圍內(nèi)出現(xiàn)一個明顯的次生孔隙度發(fā)育帶。
 

2.4 Ⅱ-Ⅲ類儲層大面積分布
    對影響儲層發(fā)育的3個主要因素(沉積相、巖石相和成巖相)進(jìn)行研究和評價，分別編制出3個儲層段的沉積相平面圖、巖石相平面圖和成巖相平面圖，并評價有利相區(qū)的展布。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)低孔低滲儲層分類評價標(biāo)準(zhǔn)，將須家河組儲層綜合分為4類，分3個儲層段進(jìn)行綜合評價，認(rèn)為Ⅱ-Ⅲ類儲層大面積分布(圖3)。

    須二段主要分布Ⅱ、Ⅲ類儲層，Ⅰ類儲層分布較少，只是零星分布。整個四川盆地為低孔低滲儲層類型，因此Ⅰ類儲層分布面積小，主要分布在有利成巖相、裂縫發(fā)育帶及優(yōu)勢沉積微相疊合處，如川中的廣安、潼南、八角場及荷包場地區(qū)；Ⅱ類儲層分布面積大，主要分布在充深、磨西、威東、通賢、中壩、川西南等地區(qū)；Ⅲ類儲層分布主要在川西南與川中過渡帶之間。
    須四段主要以Ⅱ、Ⅲ類儲層為主，Ⅰ類儲層分布較少。Ⅰ類儲層儲層范圍較須二段廣，主要分布在荷包場、潼南、廣安、八角場及蓬基等地區(qū)，主要因為這些地區(qū)巖石成熟度較高，雜基和軟性巖屑含量較少，成巖相主要為綠泥石膠結(jié)相和溶蝕相，都位于三角洲水下分流河道微相帶，原生粒間孔隙保存較好，同時長石含量高，又位于(或鄰近)生烴中心，溶蝕作用強烈。Ⅱ類儲層主要位于充深、蓮池、威東、營山和川西南地區(qū)。
    須六段沉積時期物源較近，分選較差，有利儲層發(fā)育面積較須二段和須四段小，主要以Ⅱ、Ⅲ類儲層為主，Ⅰ類儲層分布較少，主要在廣安、荷包場分布，同時優(yōu)質(zhì)儲層從須二-須六段逐漸向南遷移。Ⅱ類儲層主要分布在邛西：隆豐1井、充深、威東地區(qū)。
3 成藏模擬實驗與成藏機理
3.1 生儲蓋“三明治”結(jié)構(gòu)為大面積巖性成藏奠定了良好的地質(zhì)條件
    須家河組是在中三疊世雷口坡期侵蝕面基礎(chǔ)上沉積的典型陸相煤系碎屑巖沉積，縱向上可分為6個巖性段(圖4)，其中，須一、須三、須五段以泥巖、頁巖為主夾薄層粉砂巖、炭質(zhì)頁巖和煤線，為湖泊沼澤環(huán)境沉積的產(chǎn)物，形成的煤系烴源巖大面積分布；須二、須四、須六段以大型三角洲沉積的灰色、細(xì)-中砂巖為主，形成的水下分流河道砂體大面積分布。生、儲層的交互發(fā)育構(gòu)成了須家河組“三明治”結(jié)構(gòu)的良好空間配置關(guān)系，提高了聚集效率，有利于大面積成藏[9～10]。

3.2 成藏模擬實驗
    通過5個典型氣藏(廣安、合川、安岳、潼南、LG)的解剖，認(rèn)為須家河組氣藏具有以下特征：厚砂體、薄儲層；以低孔低滲儲層為主，發(fā)育甜點；氣層多，單層薄，隔層多，致密砂巖具有較強的封閉能力；氣藏主要為構(gòu)造背景下的巖性氣藏，有局部構(gòu)造背景的氣藏，氣、水分異較徹底，以產(chǎn)氣為主，巖性氣藏的氣、水分異不完全，氣、水普遍同產(chǎn)。針對不同類型的氣藏特點，建立了5種實驗地質(zhì)模型(圖5)。
    實驗裝置是針對砂巖氣藏的特點自行設(shè)計的，可調(diào)整至任意角度進(jìn)行實驗，砂箱規(guī)格為45cm×35cm×7cm。實驗過程中，實驗裝置略為傾斜，氣源的供給采用了從模型底部注氣、側(cè)面注氣、底部與側(cè)面同時注氣3種方式，向上驅(qū)替砂體中的水，出水口在模型的頂部。當(dāng)出水口由出水變?yōu)槌鰵鈺r，表明模型中氣驅(qū)水的過程完成，持續(xù)供氣一定時間后，即可結(jié)束實驗。
    根據(jù)須家河組的實際情況，本次實驗分別采用了普通砂和須家河組實際巖心粉碎而成的砂。普通砂的相對高滲砂粒徑為20～40目(0.83～0.38mm)，低滲砂粒徑為40～60目(0.38～0.25mm)；巖心粉碎而成的砂相對高滲砂粒徑為40～60目(0.38～0.25mm)，低滲砂粒徑為60～80目(0.25～0.18mm)。在實驗砂裝入砂箱的過程中，盡量將砂體壓實。砂體模型制作完成后，讓其飽和紅墨水，這樣天然氣注入砂體驅(qū)替水后，砂體則由紅變白。
    通過系列模擬實驗，得到以下認(rèn)識：
3.2.1對巖性氣藏而言，有構(gòu)造背景的巖性圈閉更有利于捕獲油氣
    利用2種不同粒級的砂進(jìn)行了模擬3種圈閉類型的實驗。實驗采用底部注氣方式進(jìn)氣，出水口在頂部。經(jīng)過16min的充注實驗后，靠近底部氣源的高滲砂體首先富集了氣體；經(jīng)過90min后，上部的背斜型砂體優(yōu)先于中間的透鏡體而聚氣；120min后，3個相對高滲砂體中富集了氣。這一實驗結(jié)果說明了有構(gòu)造背景的高滲砂體更有利于捕獲氣體而聚集成藏。
3.2.2氣藏的形成是儲集體中氣、水逐漸置換的結(jié)果
    該實驗采用的模型與前一實驗?zāi)Ｐ突鞠嗨?，但其最主要的差異在于本模型中，相對粗砂的粒徑均比前一實驗的?xì)砂粒徑還要小，同時在最底部的構(gòu)造巖性相對粗砂中間多填了細(xì)砂。分別采用了底部注氣、底部與側(cè)面同時注氣方式。
    最終的實驗結(jié)果是3個相對高滲砂體中含氣，而周圍的細(xì)砂中含水，尤其值得注意的現(xiàn)象是，在最底部的相對粗砂中雖然充滿了氣，但其中的細(xì)砂仍然含水。
3.2.3砂巖儲層能否聚氣取決于儲層物性的相對差異
    為了觀察不同粒度砂體的氣、水置換差異，專門進(jìn)行了比對實驗(圖6)。對比上述實驗結(jié)果，進(jìn)一步明確了不論實驗用砂的絕對顆粒大小是多少，只要存在物性的差異，在毛細(xì)管力和浮力的作用下，氣體就能在相對高滲砂體中形成富集。
3.3 須家河組巖性氣藏成藏的關(guān)鍵因素是儲層物性的相對差異
    須家河組儲層段主要發(fā)育三角洲沉積相和湖泊沉積相，其中水上分支河道、水下分支河道及河口砂壩是儲層物性相對較好的微相帶，也就是控制氣藏分布最主要的沉積相帶。成藏模擬實驗和勘探實踐表明，天然氣主要富集在大套砂巖中砂體顆粒較粗、物性較好的部位。前述的實驗結(jié)果(高滲砂體富氣、低滲砂體產(chǎn)水)能較好地解釋這一地質(zhì)現(xiàn)象。因此，認(rèn)為須家河組構(gòu)造背景下巖性氣藏成藏的關(guān)鍵因素是儲層物性的相對差異。
4 結(jié)論
    1) 以層序地層學(xué)理論為指導(dǎo)，將須家河組劃分為4個三級層序12個體系域，以體系域為單元編制了全盆地須家河組沉積微相展布圖，認(rèn)為四川盆地須家河組由6大物源體系形成6大三角洲砂體。
    2) 須家河組儲層發(fā)育主要受控于沉積相、巖石相和成巖相，須家河組厚砂體薄儲層的成因與沉積相、沉積水體動力和成巖作用3大因素有關(guān)，一個完整的河道旋回包括水退、加積和水進(jìn)3種河道砂體組合類型，加積式砂組中的高能河道為最高效的儲層。
    3) 綜合分析須家河組氣源巖、生儲蓋層空間配置等油氣地質(zhì)條件，評價烴源巖生烴潛力。結(jié)合氣藏解剖，首次開展氣水置換的成藏模擬試驗，認(rèn)為砂巖儲層物性的相對差異是能否聚氣的關(guān)鍵。
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(本文作者：楊威 謝增業(yè) 金惠 施振生 謝武仁 中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院)