天然气扩散散失率定量评价——以苏里格气田苏X区块为例

李志远，杨仁超，张 吉，王 一，杨特波，董 亮

（1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590；2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，西安 710071）

0 引言

近年来，天然气扩散作用日益受到地质研究人员的重视，其不仅被视为气源岩向外排烃的重要机制，也被认为是导致气藏毁坏的重要因素之一［1］。前期学者们在天然气扩散量计算方面进行了大量的研究，如：以大庆油田长垣以东地区侏罗系烃源岩为例，计算出该套烃源岩的天然气扩散散失量达4 200 亿m3［2］；松辽盆地三肇凹陷气源岩的天然气扩散损失量计算结果表明［3］，其扩散损失量达3.764万亿m3；以准噶尔盆地五彩湾凹陷彩25 井石炭系巴山组油气藏为例［4］，计算出该气藏天然气扩散散失量达137 亿m3，但前期的研究主要集中于天然气扩散量的计算［2-9］，或其研究方法方面［10-17］，而天然气扩散对气藏破坏的影响程度的定量评价尚未受到关注。

为了定量评价天然气扩散对气藏破坏的影响程度，本文提出天然气扩散散失率的概念及其计算方法：首先，计算出烃源岩生烃强度，将其与排烃系数相乘，得出排烃强度P；其次，在菲克第一定律的原理上推导出天然气扩散散失量估算公式，计算出气藏天然气扩散散失量，将其与面积相比得出气藏天然气扩散散失强度S；最后，将天然气扩散散失强度S与烃源岩排烃强度P相比，得出气藏天然气扩散散失率L，即L=S/P·100%。并以苏里格气田苏X 区块为例，对该区块的天然气扩散散失率进行计算，以期利用该系数定量评价天然气扩散量对气藏的破坏影响程度。

1 地质背景

1.1 盆地区域背景

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通的西部［18］，整体呈近南北向矩形的中、新生界内陆坳陷盆地［19］，盆地总体构造面貌呈东缓西陡的不对称向斜［20-21］。苏里格气田地处鄂尔多斯盆地中西部，主体位于伊陕斜坡西北部，其北部和西部分别跨伊盟隆起和天环坳陷2 个构造单元［22-23］，勘探面积约4 万km2。苏X区块位于苏里格气田西部地区，总面积2 220 km2，区内构造平缓［图1（a）］。

图1 鄂尔多斯盆地构造单元划分（a）和石炭系—二叠系岩性柱状图（b）［（a）据文献［19］修改］Fig.1 Structural unit division（a）and stratigraphic column of Carboniferous-Permian（b）in Ordos Basin

1.2 构造演化

苏里格气田苏X 区块构造与沉积演化方面，经历了寒武纪—早奥陶世的被动陆缘坳陷沉积阶段，中奥陶世—早石炭世的抬升剥蚀阶段，晚石炭世—中二叠世克拉通内坳陷沉积阶段及晚二叠世—中生代早期的陆内坳陷沉积阶段［24］。受晚白垩世构造抬升影响，研究区地层遭受强烈剥蚀，剥蚀厚度约为1 000 m；现今构造较为单一，呈现出向西缓倾的单斜构造［25］。

1.3 地层与气藏地质概况

本文以石炭系—二叠系为主要研究层位。以韩城洰水河剖面为例［图1（b）］，研究区经历了本溪组—太原组障壁海岸沉积，山西组三角洲沉积［26］，石盒子组辫状河三角洲沉积和石千峰组扇三角洲沉积为主的沉积演化。

本溪组顶部以及太原组发育的煤层是该气田最主要的烃源岩［22，27-28］。山西组自下而上分为山2、山1共2 段，其中，山2段不仅有可以作为烃源岩的煤层［29］，而且发育物性和含气饱和度较高的储集砂岩；山1段储集砂岩发育［30］。石盒子组由下到上分依次为盒8段—盒1段等8 个气层组。山1段、盒8段均是苏里格气田最主要的产气层位［30］。盒4段—盒1段泥岩以及石千峰组泥岩均是主要的盖层。

2 研究方法与资料来源

通过对鄂尔多斯盆地苏里格气田103 口井测井资料的分析，明确了研究区内石炭系—二叠系的烃源岩分布特征。依据烃源岩厚度、密度、原始有机碳恢复系数、残余有机碳含量和原始有机质气态烃产率等数据，计算出烃源岩生烃强度；在前期研究的基础上，查清烃源岩排烃系数，运用生烃强度乘以排烃系数得出烃源岩排烃强度；在菲克第一定律的原理上推导出天然气扩散散失量计算公式，计算出天然气扩散散失量，将天然气扩散散失量除以面积得出天然气扩散散失强度；最后由天然气扩散散失强度除以烃源岩排烃强度得出了天然气扩散散失率。

3 生烃强度定量评价

生烃强度的计算在判断烃源岩生烃能力强弱方面具有重要意义，单位面积的生烃强度计算模型［31］如下：

式中：H为烃源岩厚度，m；ρ为烃源岩密度，t/m3；K为原始有机碳恢复系数；C为烃源岩有机碳含量，%；Dg为原始有机质气态烃产率，m3/（t·TOC）；Qg为生烃强度，亿m3/km2。

苏里格地区石炭系—二叠系烃源岩包括煤层和暗色泥岩（煤系泥岩）［28，30，32］，煤层厚度一般为3～12 m，总体为南部较薄、东部较厚及西部较薄的特征；暗色泥岩平面上太原组和山西组分布范围较广，具有“广覆式”的分布特征［26］。有机质类型为Ⅲ型（腐殖型），生烃产物主要为天然气，产出液态烃的量较少，且多为天然气中溶解的凝析油。因此，计算生烃产量时，将液态烃的产量按1 t 油折算为700 m3天然气［33］。

依据王波［34］的研究结果，苏X区块石炭系—二叠系煤的密度取为1.55 t/m3，暗色泥岩的密度一般在2.5～2.7 t/m3，取平均值为2.6 t/m3。石炭系—二叠系煤的有机碳质量分数由表1 可知约为73.42%，石炭系—二叠系暗色泥岩的有机碳质量分数约为2.71%［35］。

表1 鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系烃源岩有机碳统计［35］Table 1 Organic carbon statistics of Carboniferous-Permian source rocks in Ordos Basin

石昕［36］和刘冬冬等［37］对煤系烃源岩的产烃率进行了热模拟实验，结果表明［38］，当模拟温度达到400～550 ℃时，气态烃累计产率为145～155 m3/（t·TOC）。依据杨天宇等［38］的褐煤热模拟实验结果，建立了Ⅲ型（腐殖型）有机质的累计产烃率图版［34］（图2）。采用该模板进行投图，由于苏X 区块煤的Ro为1.3%～2.0%，取中间值1.6%，投图得：产气率为135 m3/（t·TOC）；产油率为7.5 kg/（t·TOC），将产油折算为产气，得原始有机质气态烃产率Dg为140.25 m3/（t·TOC）。

图2 Ⅲ型有机质的累计产烃率曲线图版［34］Fig.2 Cumulative hydrocarbon yield curve of type Ⅲorganic matter

经过模拟计算，可以得出苏X 区块石炭系—二叠系煤岩生烃强度和暗色泥岩生烃强度等的有关结果；依据不同井区计算结果，可以勾绘出煤岩生烃强度等值线［图3（a）］和暗色泥岩生烃强度等值线［图3（b）］。由图3（a）可知，苏X 区块煤岩生烃强度为（5～20）亿m3/km2，分布不均匀，高值区呈近南北向条带状和不规则斑块状展布，如在S45，S173，15-44 井区一带，S183 井区，33-76 至36-69 井区一带，46-39 井、44-43 井和S185 井区一带，55-50至66-52 井区一带，煤岩的生烃强度计算结果较高，全部大于20 亿m3/km2。其高值区与煤岩的厚度呈正相关性。苏X 区块暗色泥岩的生烃强度分布较为均匀，为（11～17）亿m3/km2［图3（b）］。在其东北部3-76 井、6-73井、7-69 井、S158 井和M6 井一带、S149 井区，暗色泥岩的生烃强度计算结果较高，可达15 亿m3/km2；在东南部的S151 井区，最高可达17 亿m3/km2。

苏X 区块的原始有机碳恢复系数K根据Tissot等［39］划分标准得：煤层和暗色泥岩在成岩阶段K=1.57。

将［图3（a）］与［图3（b）］叠加，可得出苏X 区块石炭系—二叠系烃源岩总生烃强度［图3（c）］。从图3（c）上看，苏X 区块总生烃强度计算结果为（20～36）亿m3/km2，呈南北向条带状展布，在55-50井、44-43 井、S185 井、15-44 井以及8-52 井总生烃强度较高，普遍达到32 亿m3/km2，尤其在S173 井区总生烃强度最大值可达36 亿m3/km2。

图3 苏里格气田苏X 区块石炭系—二叠系生烃强度Fig.3 Hydrocarbon generation intensity of Carboniferous-Permian in Su-X block，Sulige gas field

4 排烃量定量评价

排烃系数由烃源岩的排烃量与生烃量相除得到，相当于排烃强度与生烃强度之比，因此其可用于生烃强度乘以排烃系数得出排烃强度。其可通过盆地模拟、热压模拟实验和有机地球化学分析等技术手段求得，但都存在较大误差。另外烃源岩的排烃能力受到有机质丰度、类型、热演化程度、烃源岩与储集岩之间的组合方式、烃源岩裂隙发育程度等多重因素制约［40］。由郝石生等［41］统计的国内外学者对排烃系数的研究得知，排烃系数多在10%～80%。

苏里格地区石炭系—二叠系烃源岩有机质类型主要为Ⅲ型，有机质丰度及有机质热演化程度均较高，源储组合呈近生近储关系，烃源岩中天然气的排烃方式主要为微裂隙和气体膨胀等［42］，而且气源岩排烃系数一般远比油源岩高，因此排烃系数采用75%。经计算并绘制苏X 区块石炭系—二叠系烃源岩排烃强度等值线（图4）。从图4 上看，苏X区块烃源岩排烃强度为（15～27）亿m3/km2，分布呈南北向条带状，在55-50 井、44-43 井、S185 井、15-44 井以及8-52 井总排烃强度达到较高值24 亿m3/km2时，S173 井区总排烃强度出现了最大值，达27亿m3/km2，高值区与生烃强度高值区对应。

图4 苏X 区块石炭系—二叠系烃源岩排烃强度Fig.4 Hydrocarbon expulsion intensity of Carboniferous-Permian source rocks in Su-X block

5 天然气扩散散失率定量评价

气藏天然气的散失包括天然气扩散散失、天然气渗透散失、水溶解散失和生物降解散失等［43-44］，其中天然气扩散散失具有较大影响。目前天然气扩散散失主要集中在天然气扩散散失量的计算上，包括其计算方法的研究及具体实例的研究，但缺乏对天然气扩散散失率的研究。天然气扩散散失率在评价气藏天然气扩散散失程度以及天然气扩散对气藏破坏影响程度方面具有重要意义。

气藏上覆地层的含气浓度与气藏的含气浓度存在差别，天然气可通过气藏上覆地层的岩石孔隙向地表方向发生扩散运移，该过程可用如下地质模型表示（图5）。

图5 砂岩气藏天然气扩散散失模型Fig.5 Model of natural gas diffusion loss of sandstone gas reservoirs

自然界的天然气扩散须要穿过上覆的地层，如砂岩、泥岩等，其扩散量大小可由菲克第一定律来描述［7］。鉴于地层埋深和岩性均可能影响天然气扩散系数，为了方便研究，依据图5 的地质模型，由菲克第一定律的原理推导出天然气扩散散失量的计算公式［45］：

式中：K为天然气扩散散失量，m3；D为上覆岩层的扩散系数，m3/s；M为气藏中的含气浓度，m3/m3；Mo为地表的含气浓度，m3/m3；S为气藏的扩散散失面积，m2；t为扩散散失时间，s；X为扩散散失距离，m。

由李建民等［45］的研究可知，苏X 区块气藏与地表含气浓度差（M-Mo）和上覆岩层天然气扩散系数D分别为2.66 m3/m3，0.8×10-10m3/s。

苏X 区块天然气扩散面积S 取气藏的含气面积，经统计气藏含气面积为1 773.788 km2。

天然气扩散散失距离X 取气藏埋深。气藏处于山1段和盒8段，平均埋深为3 579 m。

天然气扩散时间t：由于天然气成藏期主要集中在晚侏罗世至早白垩世，因此可采用140 Ma 作为气藏天然气的扩散时间。

经计算得二叠系天然气扩散散失量K为4 656.4亿m3，将其与扩散面积相除，得二叠系天然气扩散散失强度为2.63 亿m3/km2。

将天然气扩散散失强度与烃源岩排烃强度相除，得该区块天然气扩散散失率（表2）及天然气扩散散失率等值线（图6）。可见苏X 区块天然气扩散散失率大多为11%～17%。天然气扩散散失率较低，天然气扩散散失对气藏的破坏较小。这一点也在苏里格气田地质储量、开发数据等实际情况中得到了印证。苏里格气田储量高，天然气探明储量达5 336.52 亿m3，天然气开发稳定，已将近20 年［46］，因此苏里格气田保存条件较好，由此可以佐证天然气扩散散失对气藏破坏较小。

表2 苏里格气田苏X 区块各井区天然气扩散散失率计算结果Table 2 Results of natural gas diffusion loss rate in each well area of Su-X block，Sulige gas field

图6 苏里格气田苏X 区块二叠系气藏扩散散失率Fig.6 Diffusion loss rate of Permian gas reservoirs in Su-X block，Sulige gas field

6 结论

（1）天然气扩散散失率L可由天然气扩散散失强度S除以烃源岩排烃强度P得到，其中烃源岩排烃强度P可由生烃强度乘以排烃系数得到，天然气扩散散失强度S可在菲克第一定律的基础上运用天然气扩散散失量乘以面积算出。

（2）以苏里格气田苏X 区块为例，烃源岩排烃强度P为（15～27）亿m3/km2，天然气扩散散失强度S为2.63 亿m3/km2，将S/P·100%得天然气扩散散失率L大多介于11%～17%。表明该气田扩散散失率低，天然气扩散散失对气藏破坏较小。

（3）通过对苏里格气田苏X 区块扩散散失率的计算与检验，得到的天然气扩散散失率符合该区气田的地质储量、开发数据等实际情况，表明该研究思路与计算方法可适用于陆源碎屑岩气藏天然气扩散散失程度的定量评价。