川东北元坝地区须家河组第三段天然气富集主控因素

王 威

(中国石化勘探分公司物探研究院，成都 610041)

20世纪50年代以来，针对四川盆地东北部元坝地区陆相油气开展了大量工作，均未取得实质性突破，勘探处于停滞状态。进入21世纪，特别是在二叠系、三叠系海相层系中发现普光、元坝等大气田后，通过加强“立体勘探”，部署实施的多口井在元坝地区上三叠统须家河组(T3x)试获工业气流，展示了元坝地区须家河组具备良好的勘探潜力。

通过多年的攻关研究和勘探实践，基本明确了元坝地区须家河组构造、沉积、储层等地质特征。笔者前期研究认为元坝地区须家河组第三段(简称“须三段”)为一套辫状河三角洲-滨浅湖沉积体系，储层主要发育在分流河道砂体中，岩石类型主要为钙屑砂岩(指碎屑组分中碳酸盐岩屑的质量分数>50%的砂岩)，埋藏深度在3.5～4.5 km，属于深层致密砂岩储层[1-3]。郭彤楼[4]认为元坝地区须家河组天然气高产富集受控于物源、烃源、构造及缝储匹配等因素。本文在前人研究的基础上，基于2 000余件次分析测试资料，结合43口井岩性录井资料以及700余张岩石薄片资料，对须三段的气源条件、砂体分布和储层特征以及气藏的保存条件进行重点解剖，并结合勘探开发实际情况，探讨须三段天然气富集主控因素，为探区不断实现高质量勘探突破夯实理论基础。目前，元坝地区多口井在须三段试获工业气流，其中元陆7井、元陆12井在须三段测试分别获得了日产100×104m3、77×104m3的高产工业气流，两口井投入开发后累计产气均已超过80×106m3。截至2020年底，元坝地区须三段已探明天然气地质储量数百亿立方米，已成为川东北陆相须家河组气藏高质量勘探开发的重要目标之一。总结元坝地区须三段气藏的特征和富集主控因素将丰富陆相致密砂岩成藏理论，提高对气田形成规律的认识，对下一步勘探部署和拓展新领域勘探都具有重要意义。

1 地质概况

元坝地区构造上位于四川盆地东北部造山带前缘拗陷内，西部为龙门山构造带，北部为米仓山隆起构造带，东北部为大巴山推覆构造带，南部紧邻川中平缓构造带[4](图1)。

图1 元坝地区位置及主要构造分布图Fig.1 Geographic location and main structures of Yuanba area(据郭彤楼[4]修编)

元坝地区须家河组是一套辫状河三角洲—湖泊相煤系地层，自下而上分为5段(表1)，其中须一、须三、须五段以泥岩为主，夹粉细砂岩和薄煤层或煤线，是主要的烃源岩层段；须二段、须四段以中-细粒砂岩、砾岩为主，夹泥页岩，是主要储集层段[5]。须家河组储层整体表现为低孔低渗的特征，实测孔隙度为2%～6%，渗透率为(0.01～0.1)×10-3μm2，属于致密-超致密储层。须家河组烃源岩有机质主要为Ⅲ型，少部分为Ⅱ2型，以生气为主，烃源岩实测镜质体反射率在2.0%左右，达到了过成熟生干气阶段[6]。

2 天然气富集主控因素

天然气的富集成藏通常都与充足的气源、有利的生储盖组合关系、有效的圈闭以及良好的保存条件有关[7]。元坝地区须三段气藏属于典型的致密砂岩气藏，在垂向上发育多套生储盖组合，并且储层发生了强烈的成岩作用，天然气藏又经历了中晚侏罗世岩性气藏成藏阶段和晚白垩世以来构造抬升天然气调整运移阶段，因此，须家河组天然气的成藏可能受到多方面因素的控制。

2.1 天然气来源与烃源岩

2.1.1 天然气来源

关于须家河组天然气来源，前人已有较多的研究。胡炜等[6]曾对元坝地区须家河组各段气层中甲烷、乙烷碳同位素值进行了测试，结合天然气的C1～C4烷烃δ13C值与它们的碳数倒数(1/Cn；其中n=1,2,3,4)的关系对须家河组各层段天然气的来源进行了详细的分析，结果表明须一、须二段天然气主要来源于自身，同时还有部分海相气源；而须三、须四、须五段天然气均来源于自身，没有海相气源。

表1 元坝地区陆相地层表Table 1 The development of continental strata in Yuanba area

2.1.2 烃源岩分布特征

元坝地区须家河组为一套煤系地层，其烃源岩主要为暗色泥岩和煤层。本文结合钻井过程中岩性录井资料，分别统计了须三段暗色泥岩和煤层的厚度并对其分布进行详细分析(图2、图3)。

从图2中可以看出，须三段暗色泥岩主要分布在元坝西部地区，向中部变薄，而向东北部泥质烃源岩厚度又逐渐增加。在元坝西部地区，泥岩厚度基本都在60 m以上，其中在元坝27井、元坝21井以及元坝3井附近泥岩厚度达到100 m以上。在元坝中部大部分地区，泥岩厚度基本在20 m以下，元坝东部地区泥岩厚度也主要集中在20～40 m。须三段煤层相对较发育，累计厚度≤9 m，平面分布差异明显，区域上也主要分布在元坝西部地区，其他地区煤层很薄甚至不发育(图3)。

2.1.3 烃源岩有机质丰度

元坝地区须三段26口井232个泥岩样品测试结果表明，须三段泥岩的有机碳质量分数(wTOC)在0.32%～11.2%，大部分在1%～3%。实验中采集到了一部分炭质泥岩，这种样品测试的有机碳含量较高，质量分数基本都在6%以上。本次研究将所有的样品测试结果进行了统计并求平均值，结果表明须三段泥岩有机碳质量分数平均值约为3.21%(图4)。另外，采集到的几个煤样品，测试有机碳质量分数均在60%以上。根据陆相泥岩优质烃源岩的标准[7]，须三段烃源岩整体上有机质丰度高，属于优质烃源岩。

图2 元坝地区须三段泥岩厚度分布图Fig.2 Mudstone thickness distribution of the third member of Xujiahe Formation in Yuanba area

图3 元坝地区须三段煤层厚度分布图Fig.3 Coal bed distribution of the third member of Xujiahe Formation in Yuanba area

综合须三段的天然气来源、烃源岩的分布及其有机质丰度，认为元坝西部地区须三段烃源岩厚度较大，泥岩和煤层较发育，并且烃源岩有机质丰度较高，达到优质烃源岩的标准，这为须三段天然气的成藏提供了良好的物质基础。

2.2 天然气近源成藏的影响因素

勘探评价研究及钻探资料证实，须三段砂体主要分布在元坝西部地区，元坝中部及东部地区砂体很薄甚至不发育；西部地区砂体厚度在60～150 m，自九龙山背斜向金碧向斜带逐渐变薄。须三段砂体的展布主要受沉积物源与沉积微相的控制。在须三段沉积时期，元坝地区的物源主要来自西北部的龙门山地区，其砂体展布也主要是从龙门山前缘向中心湖盆推进。元坝地区须三段自西向东依次为辫状河三角洲平原-辫状河三角洲前缘-滨浅湖沉积，主要发育辫状河道、水下分流河道以及河口坝砂体[8]，砂体沿着辫状河道向湖盆推进并向两边扩展(图5)。须三段砂体在垂向上呈现砂泥互层、“三明治式”的生储盖组合特征(图6)。须三段砂体的这种分布格局非常有利于天然气的充注成藏。首先，主要砂体和优质烃源岩都分布在元坝西部地区，有利于天然气的近源成藏，不仅可以有效减少天然气的散失，而且可以提高天然气的聚集效率，利于天然气富集成藏[9]。其次，须三段多套砂砾岩与泥岩垂向叠置分布，并且大面积直接接触，而且在主要生烃期(中晚侏罗世)地层平缓，烃源岩呈蒸发式面状排烃(图6)，生成的天然气可直接进入储层，避免了由于储层致密，充注过程中输导不畅、动力不足的“短板”。

2.3 天然气富集的关键因素

元坝地区须家河组成岩演化阶段已经处于中成岩阶段B期-晚成岩期，储层经历了压实压溶作用、胶结交代作用、溶蚀作用和破裂作用，最终形成了储层现今的面貌[10-11]。在成岩作用过程中，强烈的压实和胶结作用是砂岩储层致密的核心要素，而溶蚀作用和破裂作用能在一定程度上改善储层的物性。通过对元坝地区须三段的铸体薄片及扫描电镜观察分析，发现须三段储层中粒间溶孔和微裂缝比较发育，粒间溶孔主要表现为碳酸盐岩屑颗粒及胶结物(方解石、白云石、黏土矿物等)溶蚀形成的粒间溶孔(图7-A、B、C)，孔隙边缘表现出明显的溶蚀痕迹，形态多样，具有较好的连通性。微裂缝多表现为砾石边缘的贴砾缝(图7-D、E)，以及切穿多个颗粒的网状缝。这种裂缝不仅在显微镜下可以看到，在岩心上也可以看到，如元陆7井须三段就发育大量这样的网状缝(图7-F)。

图4 元坝地区须三段烃源岩有机碳含量分布图Fig.4 The organic matter abundance of source rocks of the third member of Xujiahe Formation in Yuanba area

图5 元坝地区须三段沉积相分布图Fig.5 Sedimentary facies distribution map of the third member of Xujiahe Formation in Yuanba area

图6 元坝地区须三气藏成藏模式示意图Fig.6 The schematic diagram demonstrating the accumulation model of gas reservoir of the third member of Xujiahe Formation in Yuanba area

本文基于岩石薄片鉴定的研究，认为须三段溶蚀孔隙发育的一个重要原因在于储层中碳酸盐岩屑和胶结物含量高，容易被有机酸溶蚀形成次生孔隙。须三段储层岩石类型主要为钙屑砂岩和钙屑砂砾岩，钙屑砂岩中碳酸盐岩屑的体积分数超过70%，石英和长石含量较低。钙屑砂砾岩中砾石成分以碳酸盐岩砾石为主，砾石的体积分数多在70%以上，砾内成分以灰岩、白云岩为主，砾石间多被石英、钙屑砂岩等颗粒及方解石胶结物充填。由于储层中碳酸盐岩屑及胶结物含量高，在烃源岩热演化产生的有机酸的作用下，这些碳酸盐岩屑和钙质胶结物会被溶解[12]，从而形成大量的粒内和粒间溶孔。这些粒内和粒间溶孔能成为天然气赋存的空间[13]。

岩心(图7)以及成像测井资料均显示，元坝地区西部九龙山背斜带须三段裂缝特别发育。九龙山背斜带由于受到来自龙门山和米仓山两个方向的挤压应力，背斜核部和倾没端均是裂缝发育的有利区带，元陆7井须三段裂缝特别发育就是一个例证。另外，须三段单层岩石厚度较薄，主要呈现砂泥互层展布，岩层的非均质性很强，这种岩性组合非常利于裂缝发育。成像测井解释结果可以看出，在一些岩性变化的地带裂缝更加发育，并且产气位置也主要在这些裂缝发育地带。

图7 元坝地区须三段储层典型溶蚀孔隙与裂缝Fig.7 Typical dissolution pores and fractures in the reservoir of the third member of Xujiahe Formation in Yuanba area(A)中粒岩屑砂岩，粒间溶孔,元坝2井，深度4 375 m; (B)钙屑砂岩,元陆12井，深度4 325 m; (C)中粒岩屑砂岩，黏土微孔隙,元陆4井，深度4 459.64 m; (D)贴砾缝,元陆6井，深度4 181.88 m; (E)岩屑粉砂岩，裂缝,元陆4井，深度4 456.06 m; (F)砾岩，网状裂缝,元陆7井，深度3 326 m

须家河组储层相对致密，不利于天然气成藏富集。但是须三段储层由于发生了强烈溶蚀作用并且裂缝比较发育，其储层物性存在较大的差异。实测物性资料表明，部分地区须三段孔隙度可达到7.16%以上，渗透率最大可达到363.21×10-3μm2，远远高于须三段孔隙度和渗透率的平均值(3.0%和0.008 1×10-3μm2)。因此本次研究认为，须三段储层中的粒间溶孔、杂基微孔以及构造裂缝能够有效地改善储层的物性，提高储层的渗滤能力，对油气的富集起到关键作用[14]。由于须三段为湖泊沼泽环境形成的煤系地层，其介质偏酸性，利于溶蚀作用的发生，这种溶蚀作用能形成一定的次生孔隙，改善储层的储集空间，为天然气的富集提供条件。同时，由于须三段部分砂体中裂缝比较发育，这种裂缝不仅作为储集空间和油气产出的主要渗滤通道，能有效改善储层的渗滤性能，更重要的是裂缝作为流体的运移通道，为溶蚀作用的产生提供了更好的条件。勘探实践也表明，元陆7井、元陆12井等是测试及后期开发效果均较好的钻井，其须三段储层基质孔隙和裂缝均发育。因此“甜点”的分布是元坝地区须三段天然气富集的关键。

2.4 气藏的保存条件

良好的保存条件是天然气富集成藏的重要保障，天然气藏能否很好地保存与盖层和垂向输导体系的发育密切相关。前人研究表明，元坝地区千佛崖组和下沙溪庙组是须家河组气藏的区域性盖层，而须三段和须五段又分别是须二段和须四段砂体的局部盖层，须家河组气藏在宏观上保存良好。同时由于须三段主要呈砂泥互层式展布，须三段暗色泥岩既可作为有效烃源岩也可以作为本层段砂体的良好盖层，这种生储盖一体的地层格架可以有效地阻挡气体的垂向运移，对天然气藏的保存至关重要。

沉积盆地的垂向输导体系主要由断层构成，断层可以沟通深部烃源岩生成的油气经垂向运移进入浅部层系中形成油气藏，同时断层的垂向输导作用也可能导致油气藏的破坏。如果天然气藏中发育一些大规模的断层，并且长期活动，那么这些断层很可能“通天”，很容易使天然气藏泄露。从图1中可以看出，元坝地区西部整体上断裂欠发育，构造背景相对较稳定，这是天然气藏保存良好的重要条件。元坝地区西侧九龙山背斜带为一个低角度的宽缓背斜，地层倾角5°～8°，该地区构造变形不是很强烈，大部分地区断层不发育，仅在九龙山背斜核部发育几条小断层，这些都是层内的小断层，很难对天然气藏产生明显的破坏作用。

另外，须三段为强超压地层，多口井实测地层压力为50～100 MPa，压力系数为1.48～2.37，特别是几口高产井，例如元陆7、元陆12等井地层压力系数均在2.0以上。强超压地层本身就说明该层段地层流体的保存条件非常好[15]。

因此，从地层格架、断层发育情况以及超压发育情况上看，元坝西部地区须三段天然气藏具有良好的保存条件，这是该地区富集高产的重要保障。

3 结 论

元坝地区须家河组第三段勘探潜力大。通过对须三段烃源、储集及保存条件的综合研究，认为须三段天然气富集成藏受4种因素的控制：①元坝地区须三段泥岩和煤层较发育，有机碳含量较高，为典型优质烃源岩，须三段天然气成藏具备良好的气源条件。②须三段砂体主要分布在元坝西部地区，垂向上多套砂体与泥岩交互展布，有利于天然气的近源成藏，避免了由于储层致密，充注过程中输导不畅、动力不足的“短板”。③须三段储层中碳酸盐岩屑和胶结物含量很高，在有机酸的作用下产生大量溶蚀孔隙，改善了储层的物性；元坝地区西侧九龙山背斜带是裂缝发育的有利区带，并且须三段单层厚度薄，砂泥互层展布，有利于裂缝的发育；溶蚀孔隙和裂缝的存在，为天然气的成藏富集提供了有利的储集条件。④须三段泥岩既是良好的烃源岩也是良好的盖层，有效地阻挡了天然气的散失；另外，九龙山背斜带断层欠发育也是该地区天然气保存良好的重要原因。