四川盆地高石梯-磨溪构造震旦系-寒武系含气层系流体特征

吴 娟, 刘树根, 赵异华, 孙 玮, 宋林珂, 宋金民, 梁 锋, 田艳红, 龙 翼, 李俊良

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;2.中国石油西南油气田分公司 川中油气矿，遂宁629001)

在含油气盆地中，地层水与油气共同存在于岩石孔隙中，是沉积和构造演化过程中水文地质、流体-岩石相互作用、流体流动及混合作用等的综合反映，是油气运移、聚集的动力和载体[1-5]。分析地层水的化学特征，对于判识储层的水文地球化学环境、揭示沉积成岩作用、评价油气保存条件都具有重要作用。地层压力是地层流体另一个重要的特征，与沉积盆地内油气的生、运、聚、保这一系列成藏过程息息相关。研究地层压力的分布特征及其作用对于阐明油气成藏动态过程具有重要意义。四川盆地震旦系-下古生界(简称下组合)的油气勘探活动始于20世纪50～60年代，在古隆起控制油气分布理论的指导下[6-8]，下组合勘探已进行多年并取得一定的成效，油气主要集中在震旦系-寒武系构造中；但是，在1964年发现了威远气田后，勘探就一直处于停滞状态。直到近年来，随着地质认识和资料的丰富与勘探技术的提高，四川盆地下组合天然气勘探不断取得突破，尤其是2013年川中古隆起高石梯-磨溪构造震旦系-寒武系特大型气田的发现，终于打破这种局面。该气田的主力含气层系为下寒武统龙王庙组和上震旦统灯影组，地质储量达到万亿方，是大型整装原生古油藏裂解气大气田[9, 10]。本文以川中高石梯-磨溪构造震旦系-寒武系主要含气层系为研究对象，从地层水化学特征和地层压力出发，结合近年来的油气勘探成果，系统剖析地层流体特征与天然气富集的关系，旨在为四川盆地下组合天然气勘探提供依据。

1 区域地质背景

川中地区位于四川盆地中部，属于典型的地台型构造(图1)，东西分别以华蓥山和龙泉山为界，以近东西-北东东向构造为主，构造幅度较小，变形相对较弱。高石梯-磨溪构造位于川中乐山-龙女寺继承性古隆起东部。该隆起经历了多期构造运动：上震旦统灯影组沉积期，古隆起已具雏形，主要发育在威远地区；早寒武世早期，受区域拉张活动控制，绵阳—长宁拉张槽继承性发育，沉积了厚度较大的麦地坪组和筇竹寺组[10-12]；志留纪末的加里东运动，使古隆起定型，志留系被大面积剥蚀；海西-燕山早期，古隆起继承性演化并不断深埋；燕山晚期-喜马拉雅期，受威远构造快速隆升影响，古隆起西段发生强烈构造变形，而东段构造变形微弱，使古隆起天然气保存条件呈现“西差东好”的格局，东段高石梯-磨溪-龙女寺构造带成为现今天然气聚集成藏最有利的地区[8,10,13]。

受多期构造作用叠加改造，下组合油气成藏经历了古油藏-古气藏-现今气藏的一系列演化过程[14,15]，天然气的分布受生气中心-储气中心-保气中心的控制[11,16,17]，形成了复杂的含油气系统，保存条件成为油气富集的决定性因素之一[18]。同时，天然气的大量生成形成了大幅度的超压，对下组合天然气聚集及成藏具有重要作用。

图1 四川盆地二叠纪前古地质图及研究区构造位置Fig.1 The paleogeologic map before Permian period and the location of the study area(据刘树根(2012)修改)

2 地层水化学特征

作为地下流体，地层水同油气一样，经历了复杂而漫长的地质演化过程[5]。在不同的水文地质发展阶段，地层水具有不同的化学组成、总矿化度、水型和水性系数等化学特征，能体现油气层流体分布特征，反映油气保存条件的好坏。

2.1 地层水离子组成

图2 灯影组-龙王庙组地层水离子浓度纵向变化特征Fig.2 Vertical changes of the ion concentration of the formation water in Dengying Formation-Longwangmiao Formation

龙王庙组(497件样品)灯四段(44件样品)灯二段(42件样品)均值范围均值范围均值范围ρB/g·L-1K++Na+10.900.01～67.239.120.96～43.1918.651.20～45.68Ca2+4.510～74.6521.007.04～34.8611.710.32～125.12Mg2+2.390～41.4712.463.84～24.593.470.13～10.30Cl-31.650.01～243.4679.5222.64～146.3948.738.34～104.96SO2-40.200～21.220.120～0.750.630～6.43HCO-30.290～1.530.040～0.750.010～0.27矿化度50.700.06～365.41123.3836.34～205.3484.8047.27～207.89r(Na+)/r(Cl-)0.660.01～14.040.140.04～0.521.060.04～6.55100×r(SO2-4)/r(Cl-)4.320～161.650.080～0.252.410～26.37r(Cl-)/r(Mg2+)30.680.15～615.284.862.13～18.7814.304.13～73.53r(Mg2+)/r(Ca2+)0.920～10.011.010.46～1.260.600.04～0.87

(r表示离子的毫克当量浓度)

图3 灯影组-龙王庙组地层水中离子浓度折线图Fig.3 The ion concentration of the formation water in Dengying Formation-Longwangmiao Formation

2.2 地层水矿化度及成因类型

矿化度(TDS)即单位体积水中无机矿物的含量，对地层水的化学性质起着主导作用，与油气藏的形成与分布有着密切关系。在地层水常量组分保持相对不变的情况下，保存条件较好的储层，地层水矿化度较高，反之，矿化度较低[20]；同时，矿化度升高的方向一般是油气的聚集方向[3]。故可以利用地层水矿化度大小来判断油气聚集保存条件。

地层水矿化度统计结果显示：龙王庙组矿化度(质量浓度)的分布范围较宽，从0.06 g/L到365.41 g/L，平均值为50.70 g/L；灯四段矿化度分布在36.34～205.34 g/L之间，平均值为123.38 g/L；灯二段矿化度介于47.27～207.89 g/L之间，平均值为84.80 g/L(表1)。矿化度随深度的增加呈先增大后减小的变化规律，各层矿化度平均值的大小关系为灯二段<龙王庙组<灯四段(图4)。总体上，研究区具有高的地层水矿化度，是长期的地层内水循环、水-岩相互作用及浓缩变质的结果[1]，有利于油气聚集保存。

水型是地层水化学特征研究的重要内容。沉积盆地中地层水的水型是由含油气构造的水文地质条件所决定的，是反映油气运聚和保存条件的重要水化学指标。地层水的划分方案很多，但实质上都是以6种常量组分作为分类基础，其中尤以苏林的分类方案最为简明而经典[21]。按照该分类标准，高石梯-磨溪构造主要含气层系中存在Na2SO4、NaHCO3、CaCl2和MgCl24种水型[22]，各水型分布存在较大差异(图4)。

CaCl2型地层水是研究区最主要的地层水类型，来自于深层水，代表与地表隔绝的区域水动力阻滞环境，总矿化度高，封闭条件好，对油气保存十分有利；NaHCO3型水在龙王庙组和灯二段均有出现，其交换能力相对于CaCl2型要强，矿化度值略小于相同深度的CaCl2型地层水，具有一定的保存油气的能力；MgCl2型水偶见于龙王庙组和灯四段中，主要来自于海水，矿化度较低，对油气保存较为不利；Na2SO4型水仅分布于局部井位龙王庙组上部，矿化度值远低于其他3种水型，一般该类型地层水多存在于裸露并遭到严重破坏的构造中，为地表水或浅层地下水，总矿化度低，不利于油气保存[1, 22]。根据众多油气田的勘探经验，水型对烃类聚集的有利程度依次为CaCl2型>NaHCO3型>MgCl2型>Na2SO4型[1,3-5,20,23,24]。据不完全统计，研究区约90%以上的天然气藏都存在于CaCl2型水分布区[1]，但并不意味着凡是CaCl2型水分布区都能发现天然气藏或者天然气藏只能存在于CaCl2型水分布区。例如，M9井龙王庙组天然气日产量1.542 9×106m3，在所测的55个水样中，NaHCO3型水样占32个，CaCl2型水样只有12个，说明NaHCO3型地层水存在区同样能聚集烃类(表2)。值得注意的是，M9井、M8井、M201井地层水矿化度明显低于其他井，推测其可能具有不同的地层水来源，具有独立的流体系统。

2.3 地层水化学特征参数

图4 灯影组-龙王庙组地层水矿化度纵向变化特征Fig.4 Vertical changes of the total salinity of the formation water in Dengying Formation-Longwangmiao Formation

高石梯-磨溪构造龙王庙组-灯影组化学特征参数在纵向上具有如下变化特征：随着深度的增加，钠氯系数和脱硫系数先减小后增大，氯镁系数呈增大-减小-增大的交替性变化；而钙镁系数与氯镁系数变化规律相反，呈减小-增大-减小的变化规律，与离子浓度纵向变化具有良好的对应关系(图5，表2)。龙王庙组上部地层水的钠氯系数、脱硫系数和镁钙系数较大，多数水样的钠氯系数>1.0，向下钠氯系数、脱硫系数和镁钙系数减小，说明下部封闭条件优于上部；灯四段地层水的氯镁系数相较于龙王庙组要小，但大多数水样的钠氯系数<0.50，脱硫系数在0.08左右，为停滞环境，反映地层水变质程度深、封闭性好、还原性强，对油气聚集保存非常有利；灯二段地层水的钠氯系数、脱硫系数均大于灯四段，化学特征参数显示该环境相对不利于油气保存。

3 地层压力分布特征

表2 高石梯-磨溪构造部分产气井日产量及流体特征参数Table 2 Gas production per day and fluid characteristics parameters of the gas wells in the Gaoshiti-Moxi structure

图5 灯影组-龙王庙组地层水化学特征参数纵向变化特征Fig.5 The Vertical changes of the hydrochemical characteristic parameters of the formation water in Dengying Formation-Longwangmiao Formation

图6 灯影组-龙王庙组地层压力及压力系数纵向变化特征Fig.6 The vertical changes of the formation pressure and the pressure coefficient in Dengying Formation-Longwangmiao Formation

研究区经历了古油藏向古气藏转化的热裂解过程，生成大量的天然气，在灯影组和龙王庙组古气藏内形成了大幅度的超压[27]，且有相当一部分被保存下来。据实测压力资料显示(图6)，高石梯-磨溪地区龙王庙组现今普遍发育超压，压力系数最小为1.51，最大为1.70，平均值达到1.64，且随着深度的增加，压力系数逐渐减小。龙王庙组超压主要由裂解生气而造成，上部压力系数大于下部，说明其整体封闭条件好，有利于天然气聚集，且上部天然气聚集程度更高。位于灯影组顶部的灯四段，压力系数从1.06到1.14，平均值为1.11，整体表现为常压带，压力系数值随深度增加表现出缓慢增大的趋势。而埋深更大的灯二段，压力系数由浅至深变化较大，上部表现为常压带，压力系数在1.10左右，到下部突然降至0.76，最小值仅为0.40，表现为异常低压。与异常高压相比，异常低压的形成更为复杂，往往是多种条件和因素综合作用而引起的，其成因主要可以概括为：地层剥蚀卸载后的反弹作用、流体供排不均衡、轻烃扩散作用、断裂和不整合面压力释放作用、渗透和过压实作用、构造抬升引起的温度变化等[28,29]。高石梯-磨溪地区在乐山-龙女寺古隆起定型后构造变形较微弱，且包裹体PVT模拟结果显示灯二段曾经发育过异常高压，故排除了地层剥蚀、构造抬升和原本压力过低的因素，认为低压最有可能是灯二段内部流体排出所造成的。

总体来看，龙王庙组-灯影组地层压力系数随深度增大呈减小-增大-减小的变化规律，根据压力系数分布特征，将龙王庙组-灯影组现今地层划分为3个压力发育带：龙王庙组为异常高压带，灯四段-灯二段上部为常压带，灯二段下部为异常低压带。地层压力的分带特征同时也能说明龙王庙组和灯影组现今为两个独立的压力系统，且天然气来源明显不同：龙王庙组天然气来自于下寒武统筇竹寺组，而灯影组天然气既有筇竹寺组的贡献，又有灯影组自身生成的天然气[30]。由此判断，气藏形成后流体未发生过跨层流动，筇竹寺组除作为下组合主要的烃源岩，还起到了有效的封隔作用。

4 地层流体特征与油气成藏

单从地层水化学特征来看，灯四段地层水矿化度高，氯镁系数大，钠氯系数、脱硫系数、镁钙系数小，水型主要为CaCl2型，对油气保存最有利；其次是龙王庙组，勘探结果已证实其保存条件的有效性；灯二段底部保存条件相对较差，但中上部仍具有一定的潜力。龙王庙组普遍发育超压，超压体系中高的孔隙流体压力具有很强的封盖作用，它能阻止包括油气水在内的任何流体的体积流动[31]。即使岩层发生破裂，只要这种高压存在，超压流体都能有效阻止油气以各种形式运移。从这个角度上说，超压使盖层的封闭性能更好，形成更有效的封闭体系[32]。

通过高石梯-磨溪构造主要含气层系的天然气日产量分布可以看到(图7)：从龙王庙组到灯二段，随着深度的增加，天然气日产量表现出减小-增大-“陡降”的变化规律，龙王庙组和灯二段天然气产量在局部随地层水矿化度增加而增加，但总体与压力系数的变化特征更为一致(图6，图7)，灯四段天然气产量则与地层水矿化度和压力系数同时正相关。因此，龙王庙组现今地层水矿化度虽不如灯四段高，但其内部发育的异常高压弥补了这一不足，尤其在M9井龙王庙组这样的低矿化度分布区，仍然获得了1.542 9×106m3的日产量，与异常高压的发育是密不可分的，超压的存在对天然气保存起到有利的作用。

图7 高石梯-磨溪构造灯影组-龙王庙组天然气日产量Fig.7 Gas production per day of Dengying Formation-Longwangmiao Formation in the Gaoshiti-Moxi structure

综合来看，高石梯-磨溪构造天然气高产区与地层水矿化度高值区和超压发育区具有较好的对应关系，因此可以通过地层流体特征辅助寻找潜力勘探区。下组合总体保存条件较好，能否找到工业性气藏与天然气在构造中聚集的规模有关。龙王庙组探明地质储量已达到数千亿方，灯影组尤其是灯四段也应具有良好的勘探前景。

5 结 论

a.川中高石梯-磨溪构造含气层系内地层水离子以Cl-、K++Na+和Ca2+为主，离子浓度随深度增加呈交替性变化。研究区总体具有高的地层水矿化度，且矿化度随深度的增加呈增大-减小的变化规律，灯四段矿化度平均值最大。CaCl2型水是研究区最主要的地层水类型，NaHCO3型水在龙王庙组和灯二段均有出现，MgCl2型水偶见于龙王庙组和灯四段中，Na2SO4型水仅分布于局部构造的龙王庙组上部。灯四段氯镁系数大，钠氯系数、脱硫系数、镁钙系数小，水型为单一的CaCl2型，对油气保存最有利；其次是龙王庙组；灯二段底部保存条件相对较差。

b.高石梯-磨溪构造含气层系普遍发育超压。龙王庙组-灯影组地层压力系数随深度增大呈减小-增大-减小的演化规律。根据压力系数分布特征，将龙王庙组-灯影组现今地层划分为3个压力发育带：龙王庙组为异常高压带，灯四段-灯二段上部为常压带，灯二段下部为异常低压带。

c.高石梯-磨溪构造天然气高产区与地层水矿化度高值区以及超压发育区具有良好的对应关系。从龙王庙组到灯二段，随着深度的增加，天然气日产量表现出减小-增大-“陡降”的变化规律，与压力系数的变化特征一致，灯四段天然气产量与地层水矿化度和压力系数同时正相关；相较于地层水化学特征，压力系数对天然气产量的影响更为明显。

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