川西北双鱼石地区下二叠统栖霞组气水分布特征及主控因素

2022-01-31徐诗雨曾乙洋赵春妮何开来

岩性油气藏 2022年1期

徐诗雨，林怡，曾乙洋，赵春妮，何开来，杨京，黎洋，祝怡

（中国石油西南油气田公司勘探开发研究院，成都 610041）

0 引言

四川盆地下二叠统天然气资源丰富，总地质资源量为1.47 万亿m3。该层系勘探工作始于20 世纪50 年代，截至2014 年底，累计提交天然气探明储量884.02 亿m3，均集中于茅口组岩溶缝洞型石灰岩储集体中，尚未形成可规模动用的优质储量区，资源探明率仅为6%。2014 年钻探的ST1 井，首次在四川盆地下二叠统栖霞组厚层孔隙型白云岩储集体中获得天然气勘探重大突破［1］。已有勘探成果表明，川西北双鱼石地区栖霞组是目前最有潜力的勘探领域之一［2-5］。研究人员［6-18］对川西北双鱼石地区烃源岩规模及质量、沉积相模式及展布、储层特征及主控因素、白云岩成因等方面已有较为系统的研究，但大多从区域角度出发，侧重于沉积条件和储层成因探讨，而对于成藏过程、气水分布特征及主控因素的分析则相对薄弱。随着近年来实钻井的不断增加，气藏评价不断深化，该地区部分钻井（如ST10 井）测试产地层水，部分初期测试产纯气的钻井（如ST8 井、SY133 井）在后续投产过程中见水，显示出较复杂的气水关系，其勘探重点和难点正逐渐由单一化的储层特征向综合性的气藏特征和气水关系聚焦。

综合利用川西北双鱼石地区栖霞组储层的实验测试资料、钻测井资料、地震资料以及生产动态数据，阐明流体性质及气水分布特征，进而分析气水分布主控因素，以期进一步指导该区块栖霞组有利勘探区带评价，为加快栖霞组油气勘探进程和寻求规模储量接替领域提供理论支撑。

1 区域地质概况

川西北双鱼石地区位于四川省广元市剑阁县—江油市境内，构造上处于四川盆地龙门山断褶带与川北古中坳陷低缓带的过渡区，北面为米仓山隆起南缘山前断褶带［图1（a）］。研究区栖霞组受龙门山推覆构造挤压作用影响，产生一系列呈北东—南西向展布的近平行的褶皱断高构造群，而北东方向受米仓山推覆构造挤压作用影响，呈帚状散开［图1（b）］。区内褶皱强度较大，断层较发育，在各主体构造和潜伏高带上发育多个圈闭和高点，构造总体向北东方向逐渐抬升，向南西方向倾没。

图1 川西北双鱼石地区栖霞组地质概况断裂名称：①安宁河断裂；②龙门山断裂；③城口断裂；（1）彭灌断裂；（2）熊坡断裂；（3）龙泉山断裂；（4）华蓥山断裂；（5）齐岳山断裂；（6）万源断裂；（7）峨眉-瓦山断裂；（8）汉源断裂；（9）普雄河断裂；（10）垭都-马山断裂Fig.1 Geological overview of Qixia Formation in Shuangyushi area，NW Sichuan Basin

栖霞组总体为一套碳酸盐岩台地沉积，存在一个大的海侵—海退相对海平面变化旋回，下伏与梁山组含煤碎屑岩整合接触，上覆与茅口组石灰岩整合接触［图1（c）］。研究区内栖霞组厚度一般为100～130 m，自下而上分为栖霞组一段（栖一段）和栖霞组二段（栖二段）。其中，栖一段颜色较深，单层厚度较薄，下部主要为深灰色薄—中层状泥晶灰岩、生屑泥晶灰岩，偶夹薄层泥岩，上部主要为浅灰色中层状泥晶生屑灰岩，在个别地区栖一段表现为大套深灰色薄层状泥晶灰岩；栖二段颜色较浅，单层厚度较大，自下而上主要为浅灰色厚层状亮晶生屑灰岩，浅灰白色厚层块状白云岩，浅灰色中—厚层豹斑状云质石灰岩，该段为川西北栖霞组储层发育的主要层段［19-20］。

2 气水分布特征

2.1 天然气地球化学特征

川西北双鱼石地区栖霞组天然气组分以甲烷（CH4）为主，摩尔分数为95.04%～97.53%，平均为96.81%，乙烷和更重组分的气体（C2H6+）摩尔分数为0.09%～0.23%，平均为0.12%，非烃组分以二氧化碳、硫化氢为主，摩尔分数为2.36%～4.86%，平均为3.07%，天然气干燥系数（C1/C1+）平均为0.998 9，是典型的干气，呈现高演化特征（表1）。

表1 双鱼石地区栖霞组天然气组分及碳同位素特征Table 1 Gas composition and carbon isotope characteristics of Qixia Formation in Shuangyushi area

研究区栖霞组天然气甲烷碳同位素（δ13C1）值为-31.22‰～-29.24‰，乙烷碳同位素（δ13C2）值为-28.61‰～-25.60‰，对有机成因烷烃气V 型图版［图2（a）］［21-22］进行分析，结果表明，天然气以煤型气为主，混有少量油型气。甲烷、乙烷碳同位素未发生倒转，即δ13C2-δ13C1＞0，其碳同位素差值为1.62‰～4.45‰；对天然气成因X 型图版［图2（b）］［23-24］进行分析，结果表明，天然气属于过成熟阶段的热成气。

图2 双鱼石地区栖霞组天然气成因鉴别Fig.2 Genetic identification of natural gas of Qixia Formation in Shuangyushi area

2.2 产出液类型及化学特征

水化学特征蕴含了水体形成环境与油气运移的相关信息，可指示地层流体的封闭性与开放性［25-30］。研究区栖霞组气藏钻井生产过程中产出液水型均为氯化钙型，阳离子以Na+为主，平均质量浓度为9 835.5 mg/L，Mg2+质量浓度最低，平均为369.5 mg/L，阴离子以Cl-为主，平均质量浓度为21 265.1 mg/L，SO42-质量浓度最低，平均为34.5 mg/L（表2）。水化学特征系数中，钠氯系数［r（Na+）/r（Cl-）］为0.02～0.88，平均为0.53，脱硫系数［r（SO42-）×100/r（Cl-+SO42-）］为0.03～0.10，平均为0.05，表明研究区水体相对停滞，属良好的封闭地层环境，气藏保存条件较好。矿化度为2 054～77152 mg/L，平均为33 010.9 mg/L，变化范围较大，分析结果受返排工作液（返排液）和凝析水的影响。

表2 双鱼石地区栖霞组产出液化学分析Table 2 Chemical analysis of produced liquid of Qixia Formation in Shuangyushi area

为进一步分析产出液的类型及化学性质，采用四川盆地实际生产中广泛应用的水化学相图方法［31-37］，结合研究区资料现状，选用K++Na+，Ca2+，Mg2+，HCO3-，SO42-，Cl-共6 组离子质量浓度作为判别系数，绘制栖霞组产出液的水化学相图，从相图特征上可直观地区分出地层水、返排液、凝析水3种不同类型的产出液（表3）。

表3 双鱼石地区栖霞组产出液化学相图特征Table 3 Characteristics of chemical phase diagram of produced liquid of Qixia Formation in Shuangyushi area

（1）地层水。栖霞组地层水的分布相对独立，不存在大规模的边水与底水。水化学相图呈“伞状”，阳离子以K++Na+为主，质量浓度一般为20 000 mg/L左右，占阳离子总质量浓度的90%以上，Ca2+，Mg2+质量浓度很低；阴离子以Cl-为主，质量浓度一般为30 000 mg/L 左右，占阴离子总质量浓度的90%以上，其次为HCO3-，而SO42-质量浓度极低，但总矿化度较高。

（2）返排液。栖霞组气藏埋藏深度大，储层非均质性强，裂缝较发育，钻井过程中存在不同程度的泥浆漏失，且研究区采用酸化压裂工艺对储层进行改造，大量工作液返排不彻底滞留在地层中，开井后，这部分工作液由于生产压差从地层中返排出来。返排液水化学相图呈“右斜镰刀状”，阳离子以Ca2+为主，阴离子以Cl-为主，离子质量浓度因工作液化学性质的差异而在较大范围内波动，总矿化度较高。

（3）凝析水。凝析水在井下高温高压条件下，一般呈气态，在压力温度较低的井口环境下凝结成水，矿物质质量浓度较低。水化学相图呈“棒状”，离子质量浓度均处于较低水平，Cl-质量浓度波动相对较大，总矿化度很低。

因此，利用生产动态资料与产出液化学特征综合分析，可辨别不同时期产出液的性质，进一步明确气藏中地层水的分布情况。以研究区内SY133井为例，其储层测井综合解释均为气层，初期测试时不产地层水，该井于2020 年1 月投产，前期由于井筒内尚有大量工作余液，水化学相图表现出典型的“镰刀状”返排液特征［图3（a）—（c）］，开采至2020 年9 月，水中的溴离子质量浓度明显增加，大于200 mg/L，产气量由43 万m3/d 降至18 万m3/d，产液量由5 m3/d 快速升至44 m3/d，液气比远高于研究区凝析水气比0.19 m3/万m3，水化学相图呈“伞状”地层水特征［图3（d）］，产出液以地层水为主；随着开采时间的增长，水化学相图中“伞盖”的开合度增大，截止目前，水化学相图的形状趋于稳定［图3（d）—（f）］，表现出典型的产地层水特征。

图3 双鱼石地区栖霞组SY133 井开采过程中水化学相图变化Fig.3 Changes of water chemical phase diagram of Qixia Formation during exploitation of well SY133 in Shuangyushi area

2.3 气水纵、横向分布情况

研究区栖霞组气藏气水关系复杂，纵向上同时发育水层、气水同层、气层，气水界面低于局部构造圈闭（图4）。根据测试井的储层含水饱和度统计分析可知，纵向剖面上，含水饱和度整体受构造控制，表现为自上而下逐渐增大，气水分异较好；局部受纵向非均质性影响，渗透性较差，出现下部含水饱和度低于上部的情况，气水分异不明显。

图4 双鱼石地区栖霞组气水纵向分布（以ST10 井为例）Fig.4 Vertical distribution of gas and water of Qixia Formation in Shuangyushi area

根据实际生产动态特征及产出液化学特征分析，目前研究区构造-岩性圈闭内共有3 口井（ST10井、ST8 井、SY133 井）在栖霞组产地层水，其余井的产出液均表现出凝析水或返排液的特征。综合测井解释成果与测试、生产特征认为，产纯气井分布在构造高部位，气水同产井分布在构造低部位或紧邻构造低部位的断层附近，不同构造部位的天然气地球化学特征相似，气层连通性较好，而地层水化学特征存在差异，没有统一的气水界面，为局部发育的多个独立水体。因此，从整体来看，气藏不受局部构造控制，具有构造高部位储层连片含气，构造低部位受断层封堵局部含水的气水分布特征（图5）。

图5 双鱼石地区栖霞组气水平面分布Fig.5 Plane distribution of gas and water of Qixia Formation in Shuangyushi area

3 气水分布主控因素

3.1 构造位置和构造幅度

地震和钻井资料研究表明，双鱼石地区栖霞组整体表现出南缓北陡的构造格局，呈北高南低的特征，构造位置及构造幅度对气水分布具有重要影响。

如前文所述，气水同产井多分布在构造相对较低的部位，普遍表现出含气饱和度较低、水体较为孤立、连通性差等特点。同一地区同一产层中，气源条件与储层特征相似，早期成藏的差异性不明显，现今的气水分布特征主要受后期构造运动对气藏的调整改造作用控制。双鱼石地区栖霞组气藏历经了印支期、燕山期、喜山期等多期构造运动，在龙门山的推覆挤压应力下，形成继承性隆起高带，从而控制气藏的规模富集，逐渐形成气水分异较彻底的“甜点”区，实钻井富气高产。由于气水分异需要一定的构造幅度［38］，研究区内局部构造幅度较小的部位实钻井证实气水同产，表现出气水分异不彻底的特征。

气水过渡带的高度与储层孔喉条件有关，储层孔喉条件越差，毛管力越大，气水过渡带越高，气水彻底分异所需的构造幅度越大。研究区栖霞组以Ⅲ类储层为主，通过绘制该类储层毛管压力的J 函数与含水饱和度的关系曲线，可推算出气水分异所对应的气柱高度。结果表明，该气藏完成彻底的气水分异所需要的构造幅度约580 m（图6）。研究区的构造幅度约为200～700 m，部分构造幅度较低的区域气水分异不彻底，为气水同产区，但在相同构造幅度条件下，如果储层孔喉条件较好，发育有Ⅰ，Ⅱ类储层，则可能为纯气区。研究区储层非均质性较强，构造幅度变化范围广，因此呈现气水混杂的格局。

图6 双鱼石地区栖霞组气水分布与气柱高度的关系Fig.6 Relationship between gas column height and gas-water distribution of Qixia Formation in Shuangyushi area

3.2 断层的局部封堵性

研究区地面构造断层欠发育，而地腹中受不同时期的构造作用影响，断裂十分发育。栖霞组被多条北东向断层切割，与构造走向大体平行，向下断裂强度减弱，向上未能断穿地表。

由图7 可看出，断层规模较大时，与断层有适当距离会有利于天然气的富集，太远或太近产能均变小，距离太远，断层的沟通输导作用不明显，距离太近，天然气不易保存，容易沿断层运移散失。研究区内还广泛发育规模较小的断层，此类断层主要起横向输导作用，封闭性较好，一般不会导致天然气的散失，距离其越近，次生断裂越发育，越有利于天然气的富集。若在紧邻低洼处的断层附近钻井，后期随着生产进行，气藏压力释放，打破原有的气水平衡状态，低洼处的水容易沿断裂侵入，甚至会有地层水产出。

图7 双鱼石地区栖霞组单井产能与基底断裂距离的关系Fig.7 Relationship between single well productivity and basement fracture distance of Qixia Formation in Shuangyushi area

综合分析认为，研究区栖霞组的断层具有局部封堵性，规模较大的断层封堵性较强，能控制气水分布，规模较小的断层主要起输导作用，从而表现出气水同产。

3.3 烃源岩生烃强度

段治有等［39］的研究表明，烃源岩生烃强度可控制气水分布。双鱼石地区具有广覆式生烃特征，主要发育2 套烃源岩，即下二叠统煤系烃源岩和下寒武统筇竹寺组烃源岩。下二叠统煤系烃源岩生烃强度由东北部向西南部减小，生烃强度为（14～30）亿m3/km2，下寒武统筇竹寺组烃源岩生烃强度由西部向东部减小，生烃强度为（150～200）亿m3/km2。生烃强度的差异可影响气水分布的差异，生烃强度大的区域，天然气供给充足，气层广泛分布，生烃强度小的区域，天然气供给能量不足，难以完全驱替储层中原有的地层水，出现水层和气水同层的格局。因此，在相同的构造背景下，生烃能力较强的区域气水分异较好，生烃能力较弱的区域气水混杂，常表现出气水同产的格局。

3.4 储层物性和非均质性

基于双鱼石地区栖霞组气层段测井综合解释和岩心柱塞样室内分析化验，对孔隙度与含水饱和度的关系进行综合分析。结果表明，含水饱和度随孔隙度增大而降低，且降幅逐渐变小，二者具有良好的对应关系（图8）。物性较好的储层，孔隙排驱压力较小，运移阻力较小，天然气优先充注，最后在构造高部位聚集，含气饱和度较高；物性较差的储层，排驱压力高，运移阻力大，天然气难以驱替储层中的地层水，含水饱和度较高。在气藏形成过程中，天然气主要聚集在储层品质较好的区域。

图8 双鱼石地区栖霞组含水饱和度与孔隙度关系Fig.8 Relationship between water saturation and porosity of Qixia Formation in Shuangyushi area

研究区栖霞组储层非均质性较强，主要发育3类不同品质的储层。非均质性使得储层内部连通性较差，储层在纵、横向上均不连续发育，因此同一构造内部不同水体没有统一的气水界面。非均质性强的区域，水体常滞留在储层品质较差处，难以被天然气驱替，形成相对独立的系统，从而影响气水分布。

3.5 古地貌

受加里东构造运动形成的古隆起影响，二叠纪前川西北地区古地貌控制了栖霞组台地边缘相颗粒滩展布［8］，不同的古地貌单元，气水的富集程度也不同［40］。研究表明，古地貌主要通过影响储层的分布和物性来控制气水分布。结合野外地质剖面，还原栖霞组沉积前古地貌特征，通过古地貌图与含气饱和度对比分析（图9），古地貌较高的区域，白云石化作用较强，形成的储层物性较好，含气饱和度较高，是天然气分布的有利区域；古地貌较低的区域，白云石化作用较弱，形成的储层物性较差，含气饱和度相对较低。