储层流体特征在天然气运移中的示踪意义探讨 ——以川西坳陷中段龙门山前中侏罗统上、下沙溪庙组气藏为例

阎丽妮，杨映涛，蔡李梅，南红丽

（中国石化西南油气分公司，四川成都 610041）

川西坳陷中段龙门山前带目前仅有A1 和A2 两口井获得工业产能，且主要集中在下沙溪庙组，上沙溪庙组尚未取得突破，整体勘探效果并不理想。前人针对龙门山前的研究主要集中在构造、沉积和储层方面[1-2]，对天然气的运移涉及甚少。但深入分析天然气运移机制可以为天然气成藏机理和富集规律的研究提供依据，且对推进研究区的勘探进程具有重要作用。目前常用CH4含量、N2含量、C1/C2值、iC4/nC4值等天然气地化指标研究天然气运移特征，且效果较好[3-6]，但用此种方法分析龙门山前天然气运移特征却存在诸多缺陷。首先各类地化指标会在烃源岩类型及成熟度、运移方式、距离、相态等多种因素的影响下表现出较强的多解性和不确定性，部分指标甚至出现截然相反的结论[6]；其次，龙门山前天然气样品分析数据缺乏，且多集中于同一口井的同一层段，导致纵向上和平面上无法有效地开展对比工作，因此，需要综合运用更多示踪指标研究天然气运移特征。

较多研究学者发现，地层水矿化度以及水化学特征参数异常、断层带和储层中方解石胶结物中的Mn 元素含量、碳氧同位素组成以及包裹体特征，都可以用于追踪油气的运移路径[7-9]。本文在分析地层水化学参数、方解石胶结物碳氧同位素组成、Fe-Mn 元素含量差异的基础上明确了储层流体特征，并结合孔隙类型差异对天然气的运移方式和路径进行判断。

1 地质背景

川西坳陷地处扬子地块西北缘，形成期始于晚三叠世，为龙门山推覆构造带的前陆盆地。研究区位于川西坳陷中段西部地区（图1），以大型隐伏断裂关口断层和彭县断层为西东两侧的边界。在两大断裂夹持的地区之间发育有多条沟通彭县断层的反向次级断层和4 个含油气构造，从西南到东北依次为：大邑构造（石羊镇以南）、聚源构造（石羊镇-聚源一带）、金马构造（聚源-金马场-隆丰一带）、鸭子河构造（隆丰以北）。目前钻井揭示聚源构造和金马构造含气性较好。

中三叠世末，印支运动造成龙门山造山带的隆升和陆相湖盆的形成，在研究区内自下而上依次发育上三叠统须家河组（T3x），下侏罗统白田坝组（J1b）， 中侏罗统千佛崖组（J2q）、下沙溪庙组（J2x）、上沙溪庙组（J2s）和上侏罗统遂宁组（J3sn）与蓬莱镇组（J3p）碎屑岩地层。龙门山前侏罗系沉积时期为氧化环境，烃源岩发育条件较差，烃源主要来自下伏须家河组暗色泥岩。

2 储层流体及碳酸盐胶结物特征

2.1 天然气及地层水特征

龙门山前天然气常规组分分析结果表明（表1），上沙溪庙组与下沙溪庙组天然气均以CH4为主（CH4含量大于90%），具有高CH4、低重烃、低CO2、低N2以及无H2S 的特点。垂向上，CH4含量、C1/C2值以及干燥系数等都表现出下沙溪庙组大于上沙溪庙组的特征（表1）。

川西坳陷中段龙门山前侏罗系上沙溪庙组与下沙溪庙组地层水阳离子主要包括K+、Na+、Mg2+、Ca2+，阴离子主要有Cl-、SO42-、HCO3-（表2）；水型为CaCl2型，显示地层水的封闭条件相对较好，各类离子的含量差异明显。其中，上沙溪庙组地层水表现出高K+、HCO3-，低Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、Na+/K+和低矿化度（小于30 000 mg/L）的特征；下沙溪庙组地层水中各离子含量则完全相反，且矿化度高达60 000 mg/L。对比发现，下沙溪庙组地层水特征与须家河组均呈现高Na+/K+、Ca2+和高矿化度的特征[7]，上沙溪庙组地层水特征与须家河组差异明显。平面上，A2 井上沙溪庙组构造位置高于A3 井，其地层水矿化度、Na+/K+值、Ca2+含量、Mg2+含量均低于A3 井（表3）。

表1 龙门山前上沙溪庙组与下沙溪庙组天然气组分特征

表2 龙门山前上沙溪庙组与下沙溪庙组地层水化学特征纵向分布 (mg·L-1)

表3 龙门山前上沙溪庙组地层水化学特征平面分布 (mg·L-1)

2.2 碳酸盐胶结物碳氧同位素及微量元素特征

川西坳陷中段龙门山前储层中的自生碳酸盐胶结物中碳氧同位素值在上沙溪庙组与下沙溪庙组地层中差异显著，数据统计显示上沙溪庙组90%以上的样品δ13C 值大于-5‰，δ18O 值大于-13‰；下沙溪庙组72.8%以上的样品δ13C 值小于-5‰，54.5%以上的样品δ18O 值小于-13‰，下沙溪庙组δ13C、δ18O 同位素值比上沙溪庙组相对更富（图2）。川西地区中侏罗统砂岩的含气性与自生方解石的碳氧同位素值具有明显的相关性，砂岩含气性越好，自生方解石的碳氧同位素值越低[5]，但研究区砂岩含气性与碳氧同位素值的相关性并不明显。平面上，上沙溪庙组所检测到的含碳氧同位素样品有限，没有明显规律；下沙溪庙组碳氧同位素值具有构造低部位相对更低的特点，如聚源构造碳氧同位素值低于金马构造（A4 井低于A6 井、A1 井，图1）。

图2 上沙溪庙组与下沙溪庙组方解石碳、氧同位素组成

碳酸盐胶结物中微量元素的电子探针分析结果表明（图3），Mn 元素含量大于1.0%的样品全部集中在下沙溪庙组，Fe 元素含量大于0.7%的样品也主要分布在下沙溪庙组。综合分析可知，纵向上，同一 井位Mn 元素含量具有下沙溪庙组高于上沙溪庙组的特点，Fe 元素含量虽然整体上也具有下沙溪庙组高于上沙溪庙组的特点，但局部地区正好相反，如A1 井FeO 含量下沙溪庙组为0.32%，而上沙溪庙组为0.47%（图1）；平面上，下沙溪庙组Fe、Mn 元素含量基本遵循从西南到东北、由构造低部位向构造高部位逐渐降低的变化规律，而上沙溪庙组Fe、Mn元素含量则没有明显变化规律。

图3 上沙溪庙组与下沙溪庙组Fe(a)、Mn（b）元素的变化规律

3 储层流体特征的示踪作用探讨

川西坳陷中段龙门山前上沙溪庙组与下沙溪庙组在天然气组分、地层水、碳酸盐胶结物的碳氧同位素及微量元素等储层流体特征方面存在诸多差异，但这些差异对天然气的运移相态和路径是否具有良好示踪作用尚有待探讨。

3.1 天然气组分的示踪作用

不论是游离相还是水溶相，CH4和C1/C2值增大的方向代表天然气运移方向。然而，在龙门山前天然气组分中不论是CH4，还是C1/C2，都表现出下沙溪庙组高于上沙溪庙组的异常现象。通过对比分析认为：由于龙门山是由北向南逐渐隆升的，构造形成的多期性造成断裂形成的多期性，继而引发烃源供烃的多期性，在烃源断层多期供烃作用的影响下不同成熟度的天然气混合，使得CH4含量、C1/C2值出现异常，即天然气组分不能作为判断区内天然气运移方向的证据。

3.2 地层水特征的示踪作用

地层水一般随埋深增加，矿化度逐渐增大，按此规律，龙门山前下沙溪庙组的地层水矿化度和离子含量均应低于须家河组，但实际上二者各类参数相似，上沙溪庙组则表现出中侏罗统原始地层水低矿化度、低Na+/K+、低Ca2+、高HCO3-的特征（表2），据此推断龙门山前断层是下部流体上升的主要运移通道，且天然气在高温高压下溶解于须家河组的地层水中，并以水溶相向上运移至下沙溪庙组，上沙溪庙组则以游离相运移为主，受须家河组流体影响较小。这一点在上沙溪庙组与下沙溪庙组孔隙类型差异上也得到证实：薄片镜下观察发现，A6 井上沙溪庙组孔隙度仅3.3%，溶蚀作用微弱，镜下难见孔隙发育（图4A）；下沙溪庙组见大量方解石溶蚀孔（图4B），孔隙度高达13.2%，水岩反应作用强烈。平面上，上沙溪庙组A3 井比A2 井地层水矿化度高，说明构造低部位受流体作用较强，天然气从构造低部位向构造高部位逐渐运移。

3.3 碳酸盐胶结物碳氧同位素的示踪作用

研究区下沙溪庙组的碳氧同位素值比上沙溪庙组的碳氧同位素值低，说明上沙溪庙组受酸性热流影响较小，溶蚀作用微弱（图4A），天然气以游离相运移；下沙溪庙组受含有机成因CO2的高温酸性流体作用更强烈，以水溶相运移为主，在高温酸性流体的作用下大量碳酸岩胶结物发生溶蚀，岩石溶蚀孔隙更发育（图4B）。龙门山前上沙溪庙组与下沙溪庙组的含气性及碳氧同位素值的关系不明显，通过分析认为造成这种现象的原因与构造位置有关：下沙溪庙组的气层主要分布在金马构造（A1 井及A2井），而水层和含气层主要分布在构造低部位（A6 井和A4 井），说明构造部位越低，受热流的影响越大，天然气由构造低部位向构造高部位运移。

3.4 碳酸盐胶结物Fe、Mn 元素的示踪作用

研究区上沙溪庙组与下沙溪庙组均具有Fe、Mn 元素含量早期低甚至不含，而晚期发育富含Fe、Mn 元素的方解石胶结物的特征；同时，须家河组也存在Fe、Mn 元素含量不同的早晚两期碳酸盐胶结物，这说明原始沉积水介质中并不富含Fe、Mn 元素，高Fe、Mn 元素含量来源于外部因素，即油气在运移过程中通过流体-岩石相互作用将其中的Fe、Mn 元素转移到碳酸盐胶结物中。故此推测研究区上沙溪庙组与下沙溪庙组均受到来自须家河组流体的作用，而下沙溪庙组受到的影响作用较上沙溪庙组更强烈，表现为下沙溪庙组Fe、Mn 元素更富集，其油气以水溶相运移，而上沙溪庙组以游离相运移。

在纵向和平面上，Mn 元素含量均表现为从下沙溪庙组向上沙溪庙组、从构造低部位向高部位逐渐下降的趋势；而Fe 元素含量的变化规律则并不明显。分析认为造成这种现象的原因是Fe 元素除了来自深部流体，成岩作用过程中富铁镁岩屑的溶蚀、绿泥石等黏土矿物的转化都对其含量有一定影响；而Mn 元素的来源则相对简单，以深部热液为主。矿物的微量元素丰度不仅与原始流体有关，还受到油气运移距离、储层岩石学特征、岩石孔隙结构等各种因素的影响，这些都决定了微量元素在成岩矿物中分布与组成的多样性，结合龙门山前复杂的构造背 景，认为龙门山前上沙溪庙组与下沙溪庙组中Fe、Mn 元素含量差异可以指征天然气运移路径，且Mn元素对油气运移的反映更为敏感。

图4 A6 井上沙溪庙组与下沙溪庙组孔隙类型及碳酸盐胶结物Fe、Mn 元素含量差异（单偏光，100 倍）

4 结论与认识

（1）龙门山前，在烃源断层多期供烃作用影响下不同成熟度的天然气混合，致使CH4含量、C1/C2值和N2含量变化异常，天然气有机地球化学指标不能作为判断天然气运移方向的证据。

（2）下沙溪庙组天然气以水溶相运移为主，随着流体运移的不断进行表现出地层水矿化度高、溶蚀孔隙发育、自生方解石胶结物中碳氧同位素值偏低、Fe-Mn 元素富集的特征。上沙溪庙组油气以游离相和气相渗流为主，表现出地层水矿化度低、原生孔隙发育、自生方解石胶结物中碳氧同位素值偏高、Fe-Mn 元素含量相对较低的特征。与构造低部位相比，构造高部位的地层水矿化度低、碳氧同位素值偏大，Mn 元素含量低，这些储层流体特征可作为油气从构造低部位向高部位运移的有效指标。

（3）构造-流体-岩石等相互作用的复杂性决定了油气运移过程的复杂性和单一判别指标的不确定性，但地层水、孔隙类型、碳氧同位素值和Fe-Mn 元素含量差异等多种储层流体特征的综合运用，可以对龙门山前天然气的运移方向、运移路径和相态进行判别。