四川盆地川西气田中三叠统雷口坡组气藏气源再认识

2022-03-21苏成鹏宋晓波吴小奇

石油与天然气地质 2022年2期

苏成鹏，何莹，宋晓波，董波，吴小奇

［1. 中国石化西南油气分公司彭州气田（海相）开发项目部，四川彭州 611930； 2. 中国石化西南油气分公司勘探开发研究院，四川成都 610041； 3. 中国石化石油勘探开发研究院，四川成都 610041］

2020 年底，中国石油化工股份有限公司西南油气分公司在四川盆地西缘新增天然气探明储量830 ×108m3。至此，川西气田累计天然气探明储量达1 140×108m3，相当于亿吨级当量大油田，将为中国西南地区以及川气东送沿线提供更多的清洁能源支撑。

四川盆地中三叠统雷口坡组的油气勘探已经有40余年的历史［1］。然而，目前对于川西坳陷雷口坡组气藏的川西气田和其他气田的天然气来源仍未形成统一观点，且分歧较大，成藏模式也是多种多样，主要包括自生自储［2］、下生上储［3］、旁生侧储［4］和上生下储［5］等。杨克明研究认为川西坳陷雷口坡组碳酸盐岩烃源岩总有机碳含量（TOC）相对较低，但有机质类型好，厚度大，可作为气田主力烃源岩，形成自生自储型气藏［2］。吴小奇等研究认为雷口坡组烃源岩有机质丰度低，不足以形成规模性油气聚集［6］，气源为下伏二叠系［3］、下寒武统［7］或多套烃源层系的混合［1］，形成下生上储型气藏。亦有学者认为，川西雷口坡组气藏主要为雷口坡组自身烃源岩和下伏二叠系烃源岩的混合供气形成［8-11］。此外，还有学者认为断层下盘须家河组一段烃源岩可通过断层与雷口坡组储层直接对接，形成旁生侧储型气藏［4，12］；或者由于地层压力系数的差异，须家河组烃源直接倒灌到雷口坡组顶部储层，形成上生下储型气藏［5］。

对于川西坳陷龙门山前构造带川西气田而言，雷口坡组埋藏深（约6 000 m），勘探起步晚，首口预探井PZ1 井在2012 年10 月开始实施。在第一批开发井实施前，前期钻井较少，获取资料相对缺乏，对气藏的分布特征认识不足，导致川西气田气源认识存在较大争议［2-3，6-10］。其原因除了雷口坡组烃源的争议外，另一个重要原因为：前期在有限的钻井资料情况下，认为川西气田金马-鸭子河构造为同一个气藏，具有统一的气-水界面；同时，金马构造和鸭子河构造气藏天然气地球化学特征又具有一定差异。2019 年以来，中国石油化工股份有限公司西南油气分公司又陆续部署开发井11口，已完钻的7口井均获高产气流，对川西气田气藏分布有了更精细的认识，且新气样的补充分析将有利于落实该气田的气源认识，进而为下一步气藏的高效开发提供有力的理论支撑，同时为四川盆地雷口坡组气藏的勘探部署提供借鉴。

1 地质背景

川西气田所处区域在构造上属于四川盆地西缘龙门山前构造带，其西侧为龙门山构造带，向东往盆地内依次为成都凹陷、龙泉山构造带和中江斜坡带，东北侧依次为新场构造带和梓潼凹陷［13］（图1a，b）。川西气田位于龙门山前构造带中段南部石羊场短轴背斜、中部金马和北部鸭子河断背斜3 个次级构造上［1］，圈闭形态和规模主要受气藏东侧彭县断裂控制，气田面积约138 km2，气藏中普遍含有H2S和CO2等酸性气体，属大型酸性气田（图1c）。

四川盆地中三叠统雷口坡组主要为局限蒸发台地相碳酸盐岩和膏岩沉积，与下伏下三叠统嘉陵江组呈整合接触［14］。中三叠世末，四川盆地受印支运动影响发生了广泛的构造抬升，导致雷口坡组暴露地表并发生大气淡水淋滤溶蚀作用，之后海水退出，四川盆地逐渐过渡到陆相沉积演化阶段［14］。研究区雷口坡组上覆地层为海-陆过渡相马鞍塘组-小塘子组，即陆相须家河组一段的同期异相沉积［15-17］。川西龙门山前构造带雷口坡组由下而上可划分4段，即雷口坡组一段、二段、三段和四段；其中，雷口坡组四段（雷四段）自下而上可进一步划分为3个亚段，即一亚段、二亚段和三亚段。川西气田储层主要发育于最顶部的雷口坡组四段三亚段（雷四三亚段）。雷四三亚段储层岩石类型以藻粘结白云岩、微-粉晶白云岩为主；储集空间以晶间（溶）孔和藻格架孔为主，其次为微裂缝，是典型的裂缝-孔隙型储层［18-21］。根据岩性和电性特征还可将雷四三亚段储层细分为下（厚30～45 m）和上（厚15～20 m）两个储层段，二者之间为厚约20～25 m的致密灰岩隔层段，横向分布相对稳定［22］。岩性方面，下储层段以微-粉晶白云岩、藻粘结白云岩为主，上储层段以泥微晶云质灰岩、微晶白云岩为主［23］。最新钻井表明，川西气田雷四三亚段上、下储层段气藏埋深在5 700～6 300 m，石羊场构造、金马构造和鸭子河构造发育3个独立的气藏，除金马构造下储层气藏为底水气藏外，其余气藏均为受构造控制的边水气藏（图1d）。

图1 四川盆地川西气田概况Fig.1 Overview of western Sichuan gas field，Sichuan Basin

2 天然气地球化学特征

2.1 组分特征

天然气组分分析结果（表1，n= 46）显示，川西气田烷烃气为干气，CH4和C2H6含量平均分别为88.99%和0.15%，基本不含丙烷和丁烷，干燥系数（C1/C1-4）大于0.99；非烃气体主要为N2，CO2和H2S，其平均含量分别为1.03%，4.71%和5.10%。气田整体为一个中含CO2、高含H2S的酸性气田。

不同构造对比表明，天然气组分存在一定的横向差异，平面投图分异明显，即石羊场构造和鸭子河构造天然气中烷烃气含量略低、非烃气含量略高，而金马构造烷烃气含量略高、非烃气含量略低（图2）。具体而言，石羊场构造和鸭子河构造CH4含量相对较低，分布范围分别介于88.13 %～90.09 %（均值89.28 %）和86.69%～89.23%（均值87.95%）；金马构造CH4含量相对较高，分布范围介于89.82 %～91.44 %（均值90.53%）（图2a）。在非烃气体组成方面，石羊场构造和鸭子河构造CO2和H2S 含量相对较高，CO2分布范围分别介于4.59%～5.79%（均值5.08%）和4.99%～6.66%（均值5.60%），H2S分布范围分别介于3.70%～4.41 %（均值4.03 %）和3.60 %～5.86 %（均值5.36%）；而金马构造CO2和H2S含量相对较低，分布范围分别介于4.04%～4.59%（均值4.35%）和3.29%～4.53%（均值3.82%）（图2b）。相比之下，同一构造纵向上不同产层段天然气组分无明显差异（表1）。

图2 川西气田不同构造雷口坡组气藏天然气组分特征Fig.2 Characteristics of natural gas compositions of the Leikoupo Formation at different structures，Western Sichuan gas field

表1 川西气田不同构造雷四三亚段气藏天然气组分分析数据Table 1 Data of natural gas compositions in the Lei 43 at different structures，Western Sichuan gas field

2.2 烷烃碳同位素组成

川西气田不同构造雷四三亚段上、下储层段气藏天然气烷烃碳同位素分析结果显示，所有构造不同产层段甲烷碳同位素值（δ13C1）无明显差异，介于-31.6 ‰ ~ -30.6 ‰，均值-31.2 ‰（表2）。然而，不同构造间乙烷碳同位素值（δ13C2）具有显著差异，表现出与前述天然气组分相同的分异趋势（图2）。具体表现为石羊场构造和鸭子河构造δ13C2偏轻（均值-32.5 ‰）、烷烃气碳同位素值倒转（δ13C1＞δ13C2），金马构造δ13C2偏重（均值-27.5‰）、烷烃气碳同位素正序分布（δ13C1＜δ13C2）。相比之下，同一构造不同产层段δ13C2无明显差异（表2），也表现出与前述天然气组分相同的特征（表1）。

表2 川西气田不同构造雷四三亚段气藏天然气烷烃同位素分析数据Table 2 Isotopic analysis data of alkanes in the Lei 43 at dif⁃ferent structures，Western Sichuan gas field

考虑到δ13C2受烃源岩热演化程度影响远小于δ13C1，可较好的继承原始母质的碳同位素组成，所以δ13C2常作为区别油型气和煤型气的有效指标，并将δ13C2=-28‰作为判别界线，即天然气δ13C2小于-28‰为油型气，大于-28 ‰为煤型气［8，24-25］。由此可以得出，川西气田石羊场构造和鸭子河构造雷四三亚段气藏为油型气，金马构造为煤型气或偏煤型气。

将川西气田不同构造气藏烷烃碳同位素进行投图（图3）可以看出，金马构造天然气投点位于特拉华/范弗德盆地Ⅱ型干酪根趋势线附近［26］，并靠近萨克拉门托盆地Ⅲ型干酪根趋势线［27］，而石羊场构造和鸭子河构造天然气烷烃碳同位素投点位于倒转区，与金马构造天然气差异明显（图3a）；进一步将δ13C1与（δ13C2-δ13C1）进行投图可以看出，石羊场构造和鸭子河构造天然气为油型气，金马构造天然气为混源气（图3b）。

图3 川西气田不同构造雷口坡组气藏烷烃碳同位素特征Fig.3 Carbon isotopic characteristics of alkanes in the Leikoupo Formation 43 at different structures，Western Sichuan gas field

2.3 甲烷氢同位素组成

虽然目前对于川西坳陷雷口坡组天然气来源未形成统一认识，但基于前期研究，气藏为有机热成因气是共识［2-3，6-9］，而有机热成因天然气甲烷氢同位素值（δD1）主要受烃源岩成熟度和沉积环境所控制。一般而言，烃源岩热演化程度越高，所形成的天然气δD1越重；烃源岩沉积环境介质盐度越高，所形成的天然气δD1越重［28-29］。廖凤蓉等对四川盆地海相和陆相天然气氢同位素组成的对比研究表明，煤型气往往具有较低的δD1（＜-150 ‰），而油型气δD1普遍高于-150‰［30］。

将川西气田不同构造烷烃气的δD1与δ13C2进行投图（图4），结果显示石羊场构造和鸭子河构造的δD1与δ13C2正相关性明显，金马构造的δD1与δ13C2正相关性也明显。这表明川西气田天然气受成熟度控制显著，与前人认识相符［12］。同时，值得注意的是，烷烃碳同位素分析表明石羊场构造和鸭子河构造气藏为油型气，金马构造气藏为混源气，然而二者的δD1却无明显的差异性，均表现为油型气的特征。对出现该现象的具体原因将在下文进行详细解释。

图4 川西气田不同构造雷口坡组气藏δ13C2与δD1相关关系（判识图版根据参考文献［12］和［30］）Fig.4 δ13C2 vs.δD1 of Leikoupo gas reservoir at different structures，western Sichuan gas field（identification plot as modified from references［11］and［28］）

3 天然气成因和来源

近期，随着钻井数量的逐渐增加，对川西气田的气藏分布有了更为精细的认识。其中，最重要的一点认识为金马构造和鸭子河构造是两个独立的气藏，具有不同的气-水界面（图1c）；同时，新气样的补充分析进一步落实了川西气田不同构造间天然气具有明显差异（图2，图3）。具体的天然气成因和来源分析如下。

3.1 雷口坡组碳酸盐岩烃源岩认识

关于雷口坡组自身碳酸盐岩烃源岩，已有研究表明川西坳陷孝泉地区以及大邑—温江—彭州—广汉一带，雷口坡组烃源岩TOC介于0.4 %～0.6 %，厚度达250～350 m［2］，其能否作为有效烃源岩争议较大［5-6，17，31-32］，而争议的关键点在于碳酸盐岩烃源岩的评价标准。近十多年来，随着普光、元坝和龙岗等二叠系-三叠系大中型气田的发现及探井的增多，很多学者对碳酸盐岩烃源岩又进行了更深入的研究［33-37］，并认为碳酸盐岩的TOC达到0.2%或者0.3%就是烃源岩［33，38］，这与Gehman 统计的全球范围内的346 块碳酸盐烃源岩均值（0.24 %）相当［39］。该TOC下限值明显比目前国内外普遍认为的0.5 %的标准偏低［40-42］。

参照黄籍中和吕宗刚对碳酸盐岩烃源岩TOC的四级分级标准，即Ⅰ级（＞0.50 %）、Ⅱ级（0.35 %～0.50%）、Ⅲ级（0.20%~0.35%）和Ⅳ级（＜0.20%）［43］。川西坳陷雷口坡组碳酸盐岩烃源岩属于Ⅰ-Ⅱ级烃源岩。值得注意的是，TOC值是测试岩石中的残留有机碳量，其与原始有机质丰度存在较大差异，尤其是高热演化的烃源岩［44］。Jarvie 研究表明不同干酪根类型热演化过程中生烃潜力差异巨大，其中Ⅰ型干酪根油气转化率可达80%，Ⅱ型干酪根油气转化率50%，Ⅲ型干酪根油气转化率仅20 %［45］。研究区中三叠统烃源岩处于有机质热演化的过成熟阶段（Ro均大于2%）［5］，且有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1型，主要来自浮游生物，生烃潜力好［2］，据此推测烃源层原始沉积物的有机碳含量会更高，因此本次研究认为雷口坡组碳酸盐岩可以作为有效烃源岩。

3.2 天然气特征及来源分析

川西气田钻井揭示二叠系下伏地层为下寒武统［46］，奥陶系五峰组和志留系龙马溪组烃源岩缺失，因此，研究区雷口坡组气藏潜在的烃源岩主要包括海相下寒武统筇竹寺组和中三叠统雷口坡组，以及海-陆过渡相上二叠统龙潭组和上三叠统马鞍塘-小塘子组共4套烃源岩［6］。

石羊场构造和鸭子河构造天然气H2S 和CO2含量高、δ13C2偏轻（均值-32.5 ‰），且烷烃气碳同位素倒转，表现出典型的海相油型气特征，所以气藏烃源岩可能为筇竹寺组和雷口坡组。而油型气可进一步分为干酪根裂解气和原油裂解气［47］。考虑到川西气田前期探井（石羊场构造YS1 井、金马构造PZ1 井和鸭子河构造YaS1 井）取心段储层裂隙中均发育沥青，其中YaS1 井沥青分布段厚度达66 m；在川西坳陷中段的金河剖面，沥青广泛存在于砂屑和鲕粒白云岩中，厚度可达50 m 以上，且邻区LS1 井的局部层段亦发现了沥青充填［48］，这说明川西龙门山前构造带雷口坡组早期可能发育古油藏，晚期裂解为气藏。对川西坳陷龙门山前构造带雷四段沥青反射率进行分析测试，结果表明（表3），储层段沥青反射率（Rb）高，介于2.79 %～4.76 %，均值3.61 %。通过计算［49］其等效镜质体反射率（eqRo），结果均大于2 %，均值2.77 %，处于有机质过成熟演化阶段，进一步说明了原油裂解气的发育。此外，乙烷和丙烷的质量分数比值（C2/C3）与碳同位素差值（δ13C2-δ13C3）交会图［3］和流体包裹体研究成果［50］也表现出二次裂解气以及川西气田两期成藏（先期液态烃充注和后期气态烃充注）的特征。所以，川西气田油型气主体为原油裂解气。而原油裂解气会发生碳同位素二次分馏，其δ13C2通常比干酪根碳同位素值（δ13C）低3 ‰～5 ‰［47，51］。已有研究报道研究区筇竹寺组干酪根δ13C 介于-39.1‰～-29.3 ‰，雷口坡组干酪根δ13C 介于-31.0 ‰～-25.0 ‰［6］，因此石羊场构造和鸭子河构造天然气更有可能来自于雷口坡组自身。

表3 川西坳陷龙门山前构造带雷口坡组四段沥青反射率（Rb）和等效镜质体反射率（eqRo）Table 3 Bitumen reflectance（Rb）and equivalent vitrinite reflectance（eqRo）of the Lei 4 Member in the Longmenshan piedmont structural belt，Wwestern Sichuan Depression

就运移条件而言，雷口坡组虽然发育多套膏盐隔层，但是内部小断层同样十分发育，可作为其自身烃源岩的有效运移疏导体系。主要证据如下：川西坳陷龙门山前构造带，除关口断裂和彭县断裂两条主要断层外，基于构造主体部位25 m × 25 m 地震解释，仅金马构造-鸭子河构造圈闭内发育断层就高达144条，这与雷口坡组岩心破碎和裂缝发育的现象（图5）相吻合；此外，在钻井过程中由于雷口坡组井壁失稳而导致的憋泵和卡钻等工程故障频发，也可以从侧面佐证雷口坡组内部小断层极为发育。

图5 川西气田PZ8-5井雷四段岩心特征Fig.5 Core characteristics of the Lei 4 Member in Well PZ8-5，Western Sichuan gas field

金马构造天然气中H2S 和CO2含量相对较低、δ13C2偏重（均值-27.5‰），且烷烃气碳同位素正序分布，表现出混源气特征。基于上述分析，气藏天然气可能来源于雷口坡组和龙潭组的混合，或者雷口坡组与马鞍塘组-小塘子组的混合。前人通过计算发现金马构造天然气的母质演化程度明显高于马鞍塘组-小塘子组烃源岩成熟度，而与龙潭组和雷口坡组烃源岩成熟度较为吻合，且雷口坡组储层沥青生物标志化合物与马鞍塘组-小塘子组烃源岩生物标志化合物不具有亲缘关系［8］，因此金马构造天然气主要来源于雷口坡组和龙潭组烃源岩。

就运移条件而言，川西气田不同构造断裂发育程度具有明显差异，整体表现为南部石羊场构造和北部鸭子河构造断裂欠发育，而中部金马构造断裂较发育。不同方向地震剖面（图6）可明显看出，不管是彭县断裂，还是下伏二叠系烃源断裂，中部金马构造的断裂破碎带和断距规模均大于石羊场构造和鸭子河构造。因此，金马构造更容易沟通下伏龙潭组气源，进而充注到雷口坡组形成混源气。

图6 川西气田地震骨架剖面解释（剖面位置见图1c）Fig.6 Interpretation results on seismic skeleton section of Western Sichuan gas field（see Fig. 1c for the section location）

值得注意的是，虽然金马构造天然气地球化学特征没有表现出与马鞍塘组-小塘子组烃源岩的亲缘关系，但是其满足旁生侧储的供烃条件（图7），且彭县断裂既然可作为下伏龙潭组烃源的有效运移通道，那么同样可以作为断下盘马鞍塘组-小塘子组烃源的有效运移通道。所以，不排除马鞍塘组-小塘子组烃源对金马构造气藏有少许贡献。

图7 川西气田金马构造雷口坡组气藏成藏模式Fig.7 Gas accumulation pattern of the Leikoupo Formation at Jinma structural belt，Western Sichuan gas field

此外，川西气田雷口坡组气藏高含量的H2S（均值5.10 %）为硫酸盐热化学还原反应（TSR）成因［5］，这是因为含硫有机物热裂解（TDS）和硫酸盐细菌还原作用（BSR）形成的H2S 浓度一般不会超过3 %［52-54］。天然气中H2S 含量与CO2含量具有较好的正相关关系（相关系数R= 0.65）（图2b），同样表明气藏经历了TSR 改造。TSR 作用优先消耗乙烷及以上的重烃，同时生成H2S 和CO2［55-56］，使得川西气田干燥系数均大于0.99，并具有较高含量的H2S 和CO2。对于金马构造天然气H2S 和CO2含量整体低于石羊场构造和鸭子河构造，推测主要是因为龙潭组运移而来的天然气由于地质色层效应而导致烷烃气以轻烃甲烷为主，从而稀释了雷口坡组气藏中H2S和CO2的浓度。

最后，关于石羊场构造和鸭子河构造气藏为油型气，金马构造气藏为混源气，而二者的δD1却无明显差异性的现象（图4）可作如下解释：在相同成熟度的情况下，金马构造海陆过渡相龙潭组气源δD1应轻于石羊场构造和鸭子河构造局限蒸发台地相雷口坡组气源δD1；同时，龙潭组烃源岩热演化程度高于雷口坡组烃源岩热演化程度，又将导致龙潭组气源δD1偏重。二者相互作用共同导致了金马构造的混源气，与石羊场构造和鸭子河构造的油型气具有大致相当的δD1。