川东北沙溪庙组天然气地球化学特征及地质意义——以五宝场地区为例

徐宇轩，代宗仰，胡晓东，徐志明，李 丹

（1.西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500；2.中国石油西南油气田分公司川东北气矿，四川达州 635000）

0 引言

近年来随着国际低油价的影响，剩余经济可采储量和产量开始走低，国内勘探开发压力增大。老油区采取挖潜增储上产和降本增效的手段是国内外油气勘探开发的重要选择［1］，而新区新领域的勘探开发交替也尤为重要。川东北地区侏罗系沙溪庙组浅层致密气具有投资成本低、见效快、分布广、资源量大、埋深浅等诸多优势，是一个高效的勘探开发对象，因此明确该区天然气地球化学特征对指导勘探开发具有重要意义。川东北地区五宝场构造1999 年首钻渡5 井，该井在侏罗系沙溪庙组具有良好的油气显示，钻井中途测试获气4.57 万m3/d，完井测试获气5.92 万m3/d［2］。后面陆续钻探了一批针对沙溪庙组气藏的专层井对该地层进行钻井勘探。截至2008 年5 月，构造范围内（五宝场北部构造高点）共完钻井15 口，除构造南端边部的五宝浅6 井未获工业气流外（测试产微气），其余14 口井均在沙溪庙组获气，共获得测试天然气产量116.64万m3/d，凝析油2.85 t/d，天然气无阻流量217.76 万m3/d。2011 年以前，先后在川西龙门山前缘三叠系须家河组生烃凹陷附近发现了三皇庙、盐井沟、平落坝、观音寺、白马庙等一大批侏罗系浅层致密气藏，这些区域一直是四川盆地侏罗系浅层致密气勘探开发的主力目标。2011 年以后，通过对川东北大巴山前缘五宝场地区沙溪庙组浅层致密气的深入研究，发现其勘探开发潜力巨大，成为四川盆地天然气上产300 亿m3的重要后备领域。这一勘探成就打破了原先勘探开发中的思维定式（须家河组生烃凹陷是沙溪庙组浅层致密砂岩气勘探开发的先决条件），而川东北五宝场地区须家河组生烃凹陷并不发育。摒弃这种思维定势才能进一步加大和拓展沙溪庙组浅层致密气的勘探开发范围［3］。因此，查明川东北地区侏罗系沙溪庙组天然气来源及有利烃源岩，将能提升川东北地区致密气勘探效率，进而完成四川盆地天然气的勘探任务。

通过对川东北五宝场地区侏罗系沙溪庙组天然气与下伏烃源岩实地采集，进行相关的天然气组分、碳同位素、镜质体反射率、显微组分测定以及总有机碳测定等地球化学实验，结合天然气与烃源岩样品分析，对川东北地区侏罗系沙溪庙组进行气源讨论，最后，结合沙溪庙组典型成藏剖面和川东北致密气现有开发程度，对川东北侏罗系沙溪庙组典型成藏模式进行分析，以期为川东北地区浅层致密气进一步勘探开发提供依据。

1 区域地质概况

在沙溪庙组沉积演化时期，四川盆地西部构造开始逐渐抬升，造成东高西低的构造格局，因此湖水沿SW—NE 向向四川盆地外缓慢退出。受该沉积环境的影响，沙溪庙组沉积相带由滨湖相向三角洲相过渡。沉积岩性主要为紫红色、浅灰绿色泥岩，中间夹有浅灰色、灰绿色细砂岩和粉砂岩互层。地层分布广，厚度大，一般为1 000～1 500 m。泥岩生烃能力较差，大部分有机碳质量分数小于0.5%，属于非烃源岩。沙溪庙组底部与自流群组分界线为一套席状展布的砂体，因其沉积环境属于滨浅湖，水动力弱，主要为粉砂质泥岩，泥质含量高。随着时间推移，四川盆地逐渐水退，向上演化至沙二段沉积时期，沉积模式已转换为三角洲前缘（图1）。在纵向上叠置的砂体具有多期次、大规模、纵横向非均质性强的特征。在勘探开发过程中发现河道砂体是良好的储集砂体，是浅层气藏聚集的有利相带，因此精确刻画砂体和研究砂体叠置类型是勘探开发的重点方向［4］。

川东北五宝场地区位于四川省宣汉县东北部“五宝场盆地”中央位置，地处七里峡构造带北倾末端，大巴山弧形构造带西南前缘地带，南至温泉井构造带，西接黄金口构造带［5］。该区域属于大巴山低山及川东褶皱剥蚀-侵蚀山丘陵岭谷地貌［6］。侏罗系沙溪庙组浅层气藏是四川盆地重要的产层之一，而川东北五宝场地区沙溪庙组可划分为沙二段和沙一段。四川盆地其他地区沙二段和沙一段的分界标志层为一套典型的含有植物碎屑和叶肢介化石的页岩，但川东北地区这套“叶肢介页岩”普遍缺失，因其相变转换为一套紫红色泥岩，故川东北地区沙二段和沙一段的分界标志层为沙二段中普遍存在的“嘉祥寨砂岩”［7］。川东北地区沙二段厚度一般为500 m，沙一段厚度一般为450 m，常以块状细—中粒的“关口砂岩”为底界与下伏泥岩地层凉高山组进行区别分隔［8-9］。

2 样品采集与分析

2.1 样品采集

天然气样品采自川东北五宝场地区沙溪庙组气藏的A1井、A2井、A3井、A4井、A8井、A9井、A11井、A12井，渡口河沙溪庙组气藏的A6井、A7井，黄龙场飞仙关组、长兴组气藏的A10井、A5井（图2）。全部井位取样点均采用钢瓶从五宝场地区实际的生产井或者探井现场取样，并且当天送回实验室进行测试。所有气样都来自同一层位，同一展布砂体的天然气样品，以确保实验误差降到最低，外界干扰最小。

烃源岩样品采自川东北地区沙溪庙组下伏烃源岩地层，包括自流井组和须家河组。野外剖面包括B1 剖面、B2 剖面、B3 剖面、B4 剖面、B5 剖面共5 个剖面。五宝场工区内2 口生产井岩心样品：A13井、A14 井。五宝场工区及邻区4 口钻井岩屑样：A13 井、A15 井、A7 井、A16 井（图2）。

2.2 分析方法

本次天然气组分分析实验和碳同位素组成分析实验均由西南石油大学地球科学与技术学院实验测试中心完成。天然气组分分析所用仪器为组分气化仪，执行GB/T 13610—2014 分析测试标准［10］，在温度为25℃、湿度为65% RH 的情况下完成测试。天然气碳同位素组分检测所用仪器为同位素分析仪，执行SY/T 5238—2008 标准［11］，在温度为26℃、湿度为50%RH 的情况下完成测试。测试获得的天然气组分以及天然气碳同位素数据如表1所列。

表1 川东北地区侏罗系沙溪庙组天然气组分及碳同位素特征Table 1 Gas composition and carbon isotope characteristics of Jurassic Shaximiao Formation in northeastern Sichuan Basin

本次烃源岩镜质体反射率测定、显微组分鉴定和总有机碳分析实验均由长江大学地球化学实验室完成。镜质体反射率测定实验使用仪器为Leica MPV-SP，执行SY/T 5124—2012 测试标准［12］，将光度计波长调整至546±5 nm，在温度为23℃、湿度＜60%RH 的情况下完成测试。显微组分鉴定实验使用仪器Leica DMRX，执行SY/T 6414—2014 测试标准［13］，在温度为23℃、湿度＜60% RH 的情况下完成显微组分鉴定。总有机碳测定实验使用仪器为LECO CS-230 碳硫分析仪，执行GB/T 19145—2003 测试标准［14］，在温度为25℃、湿度为60%RH的情况下完成有机碳的测定。测试获得烃源岩显微组分数据如表2 所列，烃源岩镜质体反射率和总有机碳数据如表3 所列。

2.3 天然气样品结果与分析

川东北五宝场地区侏罗系沙溪庙组天然气样品的组分分析统计结果表明：五宝场和渡口河沙溪庙组天然气烃类组成以甲烷为主，其体积分数主要为93.31%～97.59%，C2+重烃体积分数主要为0.66%～1.72%；非烃类气体主要包括H2S 和CO2，其中H2S的体积分数为0.01%～2.33%，CO2的体积分数为1.31%～3.48%；非烃类气体含量为微量，天然气干燥系数为0.98～0.99，大于0.95，故全部为干气。黄龙场长兴组天然气烃类组成以甲烷为主，体积分数为96.89%，C2+重烃体积分数为1.67%；非烃类气体主要包括H2S 和CO2，其中H2S 的体积分数为0.01%，CO2的体积分数为1.43%；非烃类气体含量为微量，天然气干燥系数为0.98，大于0.95，故为干气。黄龙场飞仙关组天然气烃类组成以甲烷为主，体积分数为95.27%，C2+重烃的体积分数为0.86%；非烃类气体主要包括H2S 和CO2，其中H2S 的体积分数为0.01%，CO2的体积分数为2.33%；非烃类气体含量为微量，天然气干燥系数为0.99，大于0.95，故为干气。

表2 川东北地区烃源岩显微组分数据Table 2 Data of source rock microstructures in northeastern Sichuan Basin

表3 川东北地区烃源岩Ro与TOC 含量数据Table 3 Data of vitrinite reflectance and TOC content of source rocks in northeastern Sichuan Basin

川东北五宝场地区侏罗系沙溪庙组天然气甲烷碳同位素较重，同位素值为-33.28‰～-31.20‰，反映其热演化程度较高，其乙烷碳同位素值为-31.76‰～-29.97‰，丙烷碳同位素值为-29.24‰～-27.70‰。

从天然气δ13C1-δ13C3碳同位素特征图（图3）上可以看出，沙溪庙组气样碳同位素组成具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的正碳同位素序列特征，所有的甲烷、乙烷、丙烷碳同位素均未发生倒转，并且甲烷碳同位素组成小于-30‰。结合戴金星等［15］于2008 年结合中国及国际大量数据研究结论，判定川东北五宝场地区烷烃气是有机成因的，且为原生型。

川东北五宝场地区侏罗系沙溪庙组天然气组分平面上由南到北整体变化趋势不大（图4），只有A8 井的H2S 含量最高，疑似有下伏地层H2S 混入，A8 井CO2含量最高，与H2S 含量高保持一致性。A8 井、A9 井、A2 井、A11 井甲烷与乙烷碳同位素差值相较于其他井低。A5 井和A10 井飞仙关组、长兴组天然气碳同位素相对较重，五宝场地区沙溪庙组天然气碳同位素相对较轻，由此推测A8 井、A9井、A2 井、A11 井有少量混入下伏地层的甲烷。在垂向上由于五宝场地区地势平缓，气层深度变化不大，断裂构造少，其垂向上天然气组分无明显趋势变化。

2.4 烃源岩样品结果与评价

川东北地区侏罗系沙溪庙组下伏烃源岩样品显微组分分析统计结果表明，侏罗系沙溪庙组下伏烃源岩为陆相烃源岩，故按照SY/T 5735—1995 评价标准［16］对其进行烃源岩评价。

根据川东北地区烃源岩样品显微组分分析，将烃源岩有机质类型用“三类四分法”划分为Ⅰ（腐泥型），Ⅱ1（腐殖-腐泥型），Ⅱ2（腐泥-腐殖型），Ⅲ（腐殖型）（参见表2）。可得出自流井组烃源岩有机质类型为Ⅱ1—Ⅱ2型干酪根，下伏须家河组烃源岩有机质类型为Ⅲ型干酪根。

根据川东北地区烃源岩样品有机碳含量分析，自流井组烃源岩有机质丰度评价为中等—好。

川东北地区侏罗系沙溪庙组及下伏烃源岩样品镜质体反射率分析统计结果表明：自流井组烃源岩Ro平均值为1.794%～1.817%，所处演化阶段为高成熟阶段；须家河组烃源岩Ro平均值为2.087%～2.095%，所处演化阶段为过成熟阶段。

综上得出川东北地区自流井组烃源岩为Ⅱ1—Ⅱ2型高成熟中等—好烃源岩，须家河组烃源岩为Ⅲ型过成熟烃源岩。

3 地质意义及勘探建议

3.1 沙溪庙组气源讨论

四川盆地侏罗系沙溪庙组主要为陆相沉积的砂泥岩地层，具体沉积环境为氧化环境。泥岩以紫红色、灰绿色为主，夹少量灰色泥岩，实测有机碳质量分数小于0.5%，泥岩中的有机质含量少并且难以转化为油气，属于非烃源岩［17-19］。故从烃源岩发育情况来看，川东北地区发育烃源岩的层系可能主要为侏罗系自流群组、三叠系须家河组［20-21］和下伏海相地层长兴组、飞仙关组［22］。

3.1.1 下伏海相烃源岩的可能性

综合前文西南石油大学所测长兴组、飞仙关组天然气组分和天然气碳同位素特征，根据川东北其他地区沙溪庙组下伏海相地层的实测天然气组分含量，可得知下伏海相地层的CH4体积分数低于95%，且都含有较高的H2S 和CO2，而且甲烷碳同位素较重（表4）［23-24］。这是由于川东北地区海相地层天然气经过硫酸盐热化学还原作用（TSR 作用）改造，而形成的上述天然气化学特征。

川东北地区沙溪庙组浅层致密气明显不含有大量H2S和CO2气体，仅有A8井含有较高含量的H2S，说明沙溪庙组天然气的烃源岩没有经过TSR 作用改造，与长兴组、飞仙关组是同一套海相地层烃源岩的可能性较小。根据相关地质解释和断层构造资料，川东北五宝场地区沙溪庙组构造平缓简单，下伏没有大型的断裂构造沟通［2］。川东北沙溪庙组天然气全部来源于下伏海相地层的条件可能性小，其相关地化数据相似性低，仅有A8井、A9井、A2井、A11井4口井具有少量混入下伏地层天然气的可能性。

表4 川东北地区长兴组、飞仙关组和须家河组天然气组分及碳同位素特征Table 4 Characteristics of natural gas components and carbon isotopes of Changxing Formation，Feixianguan Formation and Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin

3.1.2 近源烃源岩

判断气源类型的主要依据是天然气乙烷碳同位素，δ13C2值轻于-28.5‰为油型气［25］。五宝场地区沙溪庙组的δ13C2都轻于-28.5‰，据此推断沙溪庙组的主体气源类型为油型气。

赵文智等［26］综合研究了由腐泥型有机质和混合型有机质生成油型气的δ13C1-Ro回归方程：

戴金星［27］提出的油型气δ13C1-Ro回归方程：

假设川东北五宝场地区沙溪庙组天然气成因为腐泥型有机质，那么根据式（1）可计算得出川东北五宝场地区沙溪庙组Ro应该为3.21%～3.81%，而根据式（3）计算得出该区沙溪庙组Ro应该为4.24%～4.97%。

假设川东北五宝场地区沙溪庙组天然气成因为混合有机质，根据式（2）计算得出五宝场地区沙溪庙组Ro应该为1.96%～2.37%。

根据前文所测实验数据，五宝场地区沙溪庙组浅层致密气下伏烃源岩Ro值约为2%，认为式（2）假设的产生天然气的烃源岩可能是混和型油型气的可能性较高。

根据天然气地球化学分析实验中常用的经验公式［28-31］，结合四川盆地侏罗系沙溪庙组δ13C1-δ13C2气源类型判断图版［3］（此图版基于中国石油西南油气田分公司川东北气矿对于四川盆地侏罗系沙溪庙组天然气地球化学特征研究），此次实验样品投点全部落在Ⅱb-高熟油型气-煤层气混合气区域（图5），由此得出川东北沙溪庙组天然气属于高熟油型气-煤层气混合气的结论。

川东北五宝场地区天然气成因识别图版和Prinzhofer 等［32］的识别图版（图6）对比表明，川东北五宝场地区天然气碳同位素具有天然气随裂解程度增加，ln（C1/C2）值和ln（C2/C3）值均基本保持不变，而ln（C2/C3）和δ13C2-δ13C3值均增加的特征，即五宝场地区沙溪庙组天然气具有原油裂解气特征。

川东北五宝场地区周围须家河组天然气地球化学特征为煤层气（参见表4），而且本次实验测定［33］须家河组烃源岩为Ⅲ型过成熟烃源岩，据此可以认为下伏须家河组煤层气为川东北五宝场地区沙溪庙组天然气中煤层气的来源。根据图版以及前面实验测定的侏罗系自流井组烃源岩为Ⅱ1—Ⅱ2型高成熟中等—好烃源岩，可以得出五宝场地区侏罗系自流井组烃源岩具备形成高熟油型气的条件。

综上所述，川东北五宝场地区侏罗系沙溪庙组气藏为高熟油型气-煤层气的混合气，其气源主要来自下伏侏罗系自流井组湖相烃源岩及其下伏三叠系须家河组陆相烃源岩，其来自下伏海相烃源岩的可能性小，只有少量井位可能有海相烃源岩天然气混入现象。

3.2 成藏模式

川东北大巴山前缘五宝场地区浅层致密气藏在勘探开发中取得了重大突破，其典型气藏的成藏模式图（图7）显示，该类气藏具有“深源浅聚、相储密切、断裂输导、圈闭富集”的成藏富集规律［34-35］。

根据已获得的钻井、测井及各种物性测试资料分析，沙溪庙组纵向上分布有多个产气层，受砂体叠置和沉积相控制。五宝场地区沙溪庙组气藏工业气井的主要产层段为沙二段下部“嘉祥寨砂岩”。研究表明，五宝场地区“嘉祥寨砂岩”主要为三角洲前缘河口坝及分流河道叠加体，这些砂体间纵向上被泥岩分隔，互不连通，呈透镜状，同一砂体在平面上具有明显的非均质性，且纵向上断层和裂缝不发育，不同砂体在同一纵向剖面上也具有明显的非均质性。此外，天然气平面演化特征不明显，A8 井天然气含硫，而周边井为不含硫，也表明储层连通性差。因此，五宝场地区气藏圈闭类型具有岩性气藏的特征［2］。从五宝场地区实钻成果分析，现有的高产气井主要分布在构造高部位，微气井所处构造位置明显偏低，五宝场地区气藏圈闭类型具有一定的构造气藏的特征［36］。

从储层分析来看，孔隙度发育相对较差，仅在颗粒分选好的河口坝（滩坝）砂岩中见残余粒间孔及粒间溶孔，孔喉配位数低，因此裂缝对产能的贡献尤为重要［37］。

根据热演化史分析，下侏罗统烃源岩在中侏罗世末Ro值已演化至0.5% 以上，进入生烃门限，排出的液态烃在压力差的影响下通过喉道向上覆的砂体中运聚。此时，生成的油气量不大，液态烃就近聚集，难以形成规模较大的油气藏。到了晚侏罗世—白垩纪，Ro值为1.2%～1.8%，烃源岩有机质演化至高成熟期，是油气生成和运移的主要时期［38-39］。燕山期所形成的大量区域裂缝为油气的运移提供了通道。且有机质的热演化所产生的酸性流体溶蚀矿物形成的大量的粒间溶孔、粒内溶孔，为天然气的聚集提供了大量的储集空间。现今构造圈闭条件在喜山运动时期形成，为侏罗系沙溪庙组油气成藏提供了聚集场所。

通过实验测试分析，自流井组烃源岩为Ⅱ1—Ⅱ2型高成熟中等—好烃源岩，须家河组烃源岩为Ⅲ型过成熟烃源岩。这2 套烃源岩生烃能力均较强，产生的烃类通过燕山期和喜山期所形成的区域性裂缝和断层上移。这种区域性裂缝和断层为油气的运移提供了必要条件。

综上所述，川东北五宝场地区沙溪庙组气藏类型应是构造-岩性气藏，从烃源岩类型及演化、孔隙演化、生储盖组合、圈闭形成、油气运移等方面均形成良好的配置关系，具有形成致密气藏的良好地质条件［40］。

3.3 勘探建议

根据上述侏罗系成藏模式，结合川东北五宝场地区天然气及烃源岩地球化学特征以及现有的勘探开发现状，认为下一步勘探开发应该重视大巴山—米仓山前缘的侏罗系勘探，注重沙溪庙组的大套砂岩及裂缝发育位置，而下伏侏罗系自流井组和三叠系须家河组烃源岩均具有很强的生烃能力，而且以湖相为主的自流井组和以三角洲相为主的须家河组具有很好的沙泥互层的岩性，有良好的生储盖优势以及“自生自储”的能力，应以大套的砂体或黑色泥页岩为勘探目标。勘探工作应该集中在川东北沙溪庙组层位优选、储集相带研究和有利区带评价，并且增加探井。对于须家河组，应进行更加详细的地质资料获取，以确定其生烃和储集能力。对于自流井组，应进行试油测试，测试其是否具有工业生产价值。

4 结论

（1）川东北五宝场地区沙溪庙组天然气烃类组成以甲烷为主，体积分数主要为93.31%～97.59%，C2+重烃体积分数主要为0.66%～1.72%；非烃类气体主要包括H2S 和CO2，其中H2S 体积分数为0.01%～2.33%，CO2体积分数为1.31%～3.48%。川东北五宝场地区沙溪庙组气样碳同位素组成具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的正碳同位素序列特征，为有机成因的原生型烷烃气。

（2）川东北五宝场地区侏罗系沙溪庙组浅层致密天然气气藏类型为高熟油型气-煤层气的混合气。并在区域上发现2 套天然气不同来源的烃源岩：一套为下伏的侏罗系自流井组湖相烃源岩，其为Ⅱ1—Ⅱ2型成熟中等—好烃源岩；另一套为下伏的须家河组烃源岩，为Ⅲ型过成熟烃源岩。

（3）川东北地区侏罗系沙溪庙组浅层致密气的勘探应向沙溪庙组、自流井组、须家河组部署，其中对于五宝场地区须家河组、自流井组增加探井向外辐射，取得更多的地质资料，以开展川东北地区浅层致密砂岩气的研究勘探工作，进一步加大拓展沙溪庙组浅层致密气的勘探开发范围。