川東北沙溪廟組天然氣地球化學特征及地質意義
——以五寶場地區為例

徐宇軒，代宗仰，胡曉東，徐志明，李 丹

（1.西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500；2.中國石油西南油氣田分公司川東北氣礦，四川達州 635000）

0 引言

近年來隨著國際低油價的影響，剩余經濟可采儲量和產量開始走低，國內勘探開發壓力增大。老油區采取挖潛增儲上產和降本增效的手段是國內外油氣勘探開發的重要選擇［1］，而新區新領域的勘探開發交替也尤為重要。川東北地區侏羅系沙溪廟組淺層致密氣具有投資成本低、見效快、分布廣、資源量大、埋深淺等諸多優勢，是一個高效的勘探開發對象，因此明確該區天然氣地球化學特征對指導勘探開發具有重要意義。川東北地區五寶場構造1999 年首鉆渡5 井，該井在侏羅系沙溪廟組具有良好的油氣顯示，鉆井中途測試獲氣4.57 萬m3/d，完井測試獲氣5.92 萬m3/d［2］。后面陸續鉆探了一批針對沙溪廟組氣藏的專層井對該地層進行鉆井勘探。截至2008 年5 月，構造范圍內（五寶場北部構造高點）共完鉆井15 口，除構造南端邊部的五寶淺6 井未獲工業氣流外（測試產微氣），其余14 口井均在沙溪廟組獲氣，共獲得測試天然氣產量116.64萬m3/d，凝析油2.85 t/d，天然氣無阻流量217.76 萬m3/d。2011 年以前，先后在川西龍門山前緣三疊系須家河組生烴凹陷附近發現了三皇廟、鹽井溝、平落壩、觀音寺、白馬廟等一大批侏羅系淺層致密氣藏，這些區域一直是四川盆地侏羅系淺層致密氣勘探開發的主力目標。2011 年以后，通過對川東北大巴山前緣五寶場地區沙溪廟組淺層致密氣的深入研究，發現其勘探開發潛力巨大，成為四川盆地天然氣上產300 億m3的重要后備領域。這一勘探成就打破了原先勘探開發中的思維定式（須家河組生烴凹陷是沙溪廟組淺層致密砂巖氣勘探開發的先決條件），而川東北五寶場地區須家河組生烴凹陷并不發育。摒棄這種思維定勢才能進一步加大和拓展沙溪廟組淺層致密氣的勘探開發范圍［3］。因此，查明川東北地區侏羅系沙溪廟組天然氣來源及有利烴源巖，將能提升川東北地區致密氣勘探效率，進而完成四川盆地天然氣的勘探任務。

通過對川東北五寶場地區侏羅系沙溪廟組天然氣與下伏烴源巖實地采集，進行相關的天然氣組分、碳同位素、鏡質體反射率、顯微組分測定以及總有機碳測定等地球化學實驗，結合天然氣與烴源巖樣品分析，對川東北地區侏羅系沙溪廟組進行氣源討論，最后，結合沙溪廟組典型成藏剖面和川東北致密氣現有開發程度，對川東北侏羅系沙溪廟組典型成藏模式進行分析，以期為川東北地區淺層致密氣進一步勘探開發提供依據。

1 區域地質概況

在沙溪廟組沉積演化時期，四川盆地西部構造開始逐漸抬升，造成東高西低的構造格局，因此湖水沿SW—NE 向向四川盆地外緩慢退出。受該沉積環境的影響，沙溪廟組沉積相帶由濱湖相向三角洲相過渡。沉積巖性主要為紫紅色、淺灰綠色泥巖，中間夾有淺灰色、灰綠色細砂巖和粉砂巖互層。地層分布廣，厚度大，一般為1 000～1 500 m。泥巖生烴能力較差，大部分有機碳質量分數小于0.5%，屬于非烴源巖。沙溪廟組底部與自流群組分界線為一套席狀展布的砂體，因其沉積環境屬于濱淺湖，水動力弱，主要為粉砂質泥巖，泥質含量高。隨著時間推移，四川盆地逐漸水退，向上演化至沙二段沉積時期，沉積模式已轉換為三角洲前緣（圖1）。在縱向上疊置的砂體具有多期次、大規模、縱橫向非均質性強的特征。在勘探開發過程中發現河道砂體是良好的儲集砂體，是淺層氣藏聚集的有利相帶，因此精確刻畫砂體和研究砂體疊置類型是勘探開發的重點方向［4］。

川東北五寶場地區位于四川省宣漢縣東北部“五寶場盆地”中央位置，地處七里峽構造帶北傾末端，大巴山弧形構造帶西南前緣地帶，南至溫泉井構造帶，西接黃金口構造帶［5］。該區域屬于大巴山低山及川東褶皺剝蝕-侵蝕山丘陵嶺谷地貌［6］。侏羅系沙溪廟組淺層氣藏是四川盆地重要的產層之一，而川東北五寶場地區沙溪廟組可劃分為沙二段和沙一段。四川盆地其他地區沙二段和沙一段的分界標志層為一套典型的含有植物碎屑和葉肢介化石的頁巖，但川東北地區這套“葉肢介頁巖”普遍缺失，因其相變轉換為一套紫紅色泥巖，故川東北地區沙二段和沙一段的分界標志層為沙二段中普遍存在的“嘉祥寨砂巖”［7］。川東北地區沙二段厚度一般為500 m，沙一段厚度一般為450 m，常以塊狀細—中粒的“關口砂巖”為底界與下伏泥巖地層涼高山組進行區別分隔［8-9］。

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集

天然氣樣品采自川東北五寶場地區沙溪廟組氣藏的A1井、A2井、A3井、A4井、A8井、A9井、A11井、A12井，渡口河沙溪廟組氣藏的A6井、A7井，黃龍場飛仙關組、長興組氣藏的A10井、A5井（圖2）。全部井位取樣點均采用鋼瓶從五寶場地區實際的生產井或者探井現場取樣，并且當天送回實驗室進行測試。所有氣樣都來自同一層位，同一展布砂體的天然氣樣品，以確保實驗誤差降到最低，外界干擾最小。

烴源巖樣品采自川東北地區沙溪廟組下伏烴源巖地層，包括自流井組和須家河組。野外剖面包括B1 剖面、B2 剖面、B3 剖面、B4 剖面、B5 剖面共5 個剖面。五寶場工區內2 口生產井巖心樣品：A13井、A14 井。五寶場工區及鄰區4 口鉆井巖屑樣：A13 井、A15 井、A7 井、A16 井（圖2）。

2.2 分析方法

本次天然氣組分分析實驗和碳同位素組成分析實驗均由西南石油大學地球科學與技術學院實驗測試中心完成。天然氣組分分析所用儀器為組分氣化儀，執行GB/T 13610—2014 分析測試標準［10］，在溫度為25℃、濕度為65% RH 的情況下完成測試。天然氣碳同位素組分檢測所用儀器為同位素分析儀，執行SY/T 5238—2008 標準［11］，在溫度為26℃、濕度為50%RH 的情況下完成測試。測試獲得的天然氣組分以及天然氣碳同位素數據如表1所列。

表1 川東北地區侏羅系沙溪廟組天然氣組分及碳同位素特征Table 1 Gas composition and carbon isotope characteristics of Jurassic Shaximiao Formation in northeastern Sichuan Basin

本次烴源巖鏡質體反射率測定、顯微組分鑒定和總有機碳分析實驗均由長江大學地球化學實驗室完成。鏡質體反射率測定實驗使用儀器為Leica MPV-SP，執行SY/T 5124—2012 測試標準［12］，將光度計波長調整至546±5 nm，在溫度為23℃、濕度＜60%RH 的情況下完成測試。顯微組分鑒定實驗使用儀器Leica DMRX，執行SY/T 6414—2014 測試標準［13］，在溫度為23℃、濕度＜60% RH 的情況下完成顯微組分鑒定?？傆袡C碳測定實驗使用儀器為LECO CS-230 碳硫分析儀，執行GB/T 19145—2003 測試標準［14］，在溫度為25℃、濕度為60%RH的情況下完成有機碳的測定。測試獲得烴源巖顯微組分數據如表2 所列，烴源巖鏡質體反射率和總有機碳數據如表3 所列。

2.3 天然氣樣品結果與分析

川東北五寶場地區侏羅系沙溪廟組天然氣樣品的組分分析統計結果表明：五寶場和渡口河沙溪廟組天然氣烴類組成以甲烷為主，其體積分數主要為93.31%～97.59%，C2+重烴體積分數主要為0.66%～1.72%；非烴類氣體主要包括H2S 和CO2，其中H2S的體積分數為0.01%～2.33%，CO2的體積分數為1.31%～3.48%；非烴類氣體含量為微量，天然氣干燥系數為0.98～0.99，大于0.95，故全部為干氣。黃龍場長興組天然氣烴類組成以甲烷為主，體積分數為96.89%，C2+重烴體積分數為1.67%；非烴類氣體主要包括H2S 和CO2，其中H2S 的體積分數為0.01%，CO2的體積分數為1.43%；非烴類氣體含量為微量，天然氣干燥系數為0.98，大于0.95，故為干氣。黃龍場飛仙關組天然氣烴類組成以甲烷為主，體積分數為95.27%，C2+重烴的體積分數為0.86%；非烴類氣體主要包括H2S 和CO2，其中H2S 的體積分數為0.01%，CO2的體積分數為2.33%；非烴類氣體含量為微量，天然氣干燥系數為0.99，大于0.95，故為干氣。

表2 川東北地區烴源巖顯微組分數據Table 2 Data of source rock microstructures in northeastern Sichuan Basin

表3 川東北地區烴源巖Ro與TOC 含量數據Table 3 Data of vitrinite reflectance and TOC content of source rocks in northeastern Sichuan Basin

川東北五寶場地區侏羅系沙溪廟組天然氣甲烷碳同位素較重，同位素值為-33.28‰～-31.20‰，反映其熱演化程度較高，其乙烷碳同位素值為-31.76‰～-29.97‰，丙烷碳同位素值為-29.24‰～-27.70‰。

從天然氣δ13C1-δ13C3碳同位素特征圖（圖3）上可以看出，沙溪廟組氣樣碳同位素組成具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的正碳同位素序列特征，所有的甲烷、乙烷、丙烷碳同位素均未發生倒轉，并且甲烷碳同位素組成小于-30‰。結合戴金星等［15］于2008 年結合中國及國際大量數據研究結論，判定川東北五寶場地區烷烴氣是有機成因的，且為原生型。

川東北五寶場地區侏羅系沙溪廟組天然氣組分平面上由南到北整體變化趨勢不大（圖4），只有A8 井的H2S 含量最高，疑似有下伏地層H2S 混入，A8 井CO2含量最高，與H2S 含量高保持一致性。A8 井、A9 井、A2 井、A11 井甲烷與乙烷碳同位素差值相較于其他井低。A5 井和A10 井飛仙關組、長興組天然氣碳同位素相對較重，五寶場地區沙溪廟組天然氣碳同位素相對較輕，由此推測A8 井、A9井、A2 井、A11 井有少量混入下伏地層的甲烷。在垂向上由于五寶場地區地勢平緩，氣層深度變化不大，斷裂構造少，其垂向上天然氣組分無明顯趨勢變化。

2.4 烴源巖樣品結果與評價

川東北地區侏羅系沙溪廟組下伏烴源巖樣品顯微組分分析統計結果表明，侏羅系沙溪廟組下伏烴源巖為陸相烴源巖，故按照SY/T 5735—1995 評價標準［16］對其進行烴源巖評價。

根據川東北地區烴源巖樣品顯微組分分析，將烴源巖有機質類型用“三類四分法”劃分為Ⅰ（腐泥型），Ⅱ1（腐殖-腐泥型），Ⅱ2（腐泥-腐殖型），Ⅲ（腐殖型）（參見表2）?？傻贸鲎粤骶M烴源巖有機質類型為Ⅱ1—Ⅱ2型干酪根，下伏須家河組烴源巖有機質類型為Ⅲ型干酪根。

根據川東北地區烴源巖樣品有機碳含量分析，自流井組烴源巖有機質豐度評價為中等—好。

川東北地區侏羅系沙溪廟組及下伏烴源巖樣品鏡質體反射率分析統計結果表明：自流井組烴源巖Ro平均值為1.794%～1.817%，所處演化階段為高成熟階段；須家河組烴源巖Ro平均值為2.087%～2.095%，所處演化階段為過成熟階段。

綜上得出川東北地區自流井組烴源巖為Ⅱ1—Ⅱ2型高成熟中等—好烴源巖，須家河組烴源巖為Ⅲ型過成熟烴源巖。

3 地質意義及勘探建議

3.1 沙溪廟組氣源討論

四川盆地侏羅系沙溪廟組主要為陸相沉積的砂泥巖地層，具體沉積環境為氧化環境。泥巖以紫紅色、灰綠色為主，夾少量灰色泥巖，實測有機碳質量分數小于0.5%，泥巖中的有機質含量少并且難以轉化為油氣，屬于非烴源巖［17-19］。故從烴源巖發育情況來看，川東北地區發育烴源巖的層系可能主要為侏羅系自流群組、三疊系須家河組［20-21］和下伏海相地層長興組、飛仙關組［22］。

3.1.1 下伏海相烴源巖的可能性

綜合前文西南石油大學所測長興組、飛仙關組天然氣組分和天然氣碳同位素特征，根據川東北其他地區沙溪廟組下伏海相地層的實測天然氣組分含量，可得知下伏海相地層的CH4體積分數低于95%，且都含有較高的H2S 和CO2，而且甲烷碳同位素較重（表4）［23-24］。這是由于川東北地區海相地層天然氣經過硫酸鹽熱化學還原作用（TSR 作用）改造，而形成的上述天然氣化學特征。

川東北地區沙溪廟組淺層致密氣明顯不含有大量H2S和CO2氣體，僅有A8井含有較高含量的H2S，說明沙溪廟組天然氣的烴源巖沒有經過TSR 作用改造，與長興組、飛仙關組是同一套海相地層烴源巖的可能性較小。根據相關地質解釋和斷層構造資料，川東北五寶場地區沙溪廟組構造平緩簡單，下伏沒有大型的斷裂構造溝通［2］。川東北沙溪廟組天然氣全部來源于下伏海相地層的條件可能性小，其相關地化數據相似性低，僅有A8井、A9井、A2井、A11井4口井具有少量混入下伏地層天然氣的可能性。

表4 川東北地區長興組、飛仙關組和須家河組天然氣組分及碳同位素特征Table 4 Characteristics of natural gas components and carbon isotopes of Changxing Formation，Feixianguan Formation and Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin

3.1.2 近源烴源巖

判斷氣源類型的主要依據是天然氣乙烷碳同位素，δ13C2值輕于-28.5‰為油型氣［25］。五寶場地區沙溪廟組的δ13C2都輕于-28.5‰，據此推斷沙溪廟組的主體氣源類型為油型氣。

趙文智等［26］綜合研究了由腐泥型有機質和混合型有機質生成油型氣的δ13C1-Ro回歸方程：

戴金星［27］提出的油型氣δ13C1-Ro回歸方程：

假設川東北五寶場地區沙溪廟組天然氣成因為腐泥型有機質，那么根據式（1）可計算得出川東北五寶場地區沙溪廟組Ro應該為3.21%～3.81%，而根據式（3）計算得出該區沙溪廟組Ro應該為4.24%～4.97%。

假設川東北五寶場地區沙溪廟組天然氣成因為混合有機質，根據式（2）計算得出五寶場地區沙溪廟組Ro應該為1.96%～2.37%。

根據前文所測實驗數據，五寶場地區沙溪廟組淺層致密氣下伏烴源巖Ro值約為2%，認為式（2）假設的產生天然氣的烴源巖可能是混和型油型氣的可能性較高。

根據天然氣地球化學分析實驗中常用的經驗公式［28-31］，結合四川盆地侏羅系沙溪廟組δ13C1-δ13C2氣源類型判斷圖版［3］（此圖版基于中國石油西南油氣田分公司川東北氣礦對于四川盆地侏羅系沙溪廟組天然氣地球化學特征研究），此次實驗樣品投點全部落在Ⅱb-高熟油型氣-煤層氣混合氣區域（圖5），由此得出川東北沙溪廟組天然氣屬于高熟油型氣-煤層氣混合氣的結論。

川東北五寶場地區天然氣成因識別圖版和Prinzhofer 等［32］的識別圖版（圖6）對比表明，川東北五寶場地區天然氣碳同位素具有天然氣隨裂解程度增加，ln（C1/C2）值和ln（C2/C3）值均基本保持不變，而ln（C2/C3）和δ13C2-δ13C3值均增加的特征，即五寶場地區沙溪廟組天然氣具有原油裂解氣特征。

川東北五寶場地區周圍須家河組天然氣地球化學特征為煤層氣（參見表4），而且本次實驗測定［33］須家河組烴源巖為Ⅲ型過成熟烴源巖，據此可以認為下伏須家河組煤層氣為川東北五寶場地區沙溪廟組天然氣中煤層氣的來源。根據圖版以及前面實驗測定的侏羅系自流井組烴源巖為Ⅱ1—Ⅱ2型高成熟中等—好烴源巖，可以得出五寶場地區侏羅系自流井組烴源巖具備形成高熟油型氣的條件。

綜上所述，川東北五寶場地區侏羅系沙溪廟組氣藏為高熟油型氣-煤層氣的混合氣，其氣源主要來自下伏侏羅系自流井組湖相烴源巖及其下伏三疊系須家河組陸相烴源巖，其來自下伏海相烴源巖的可能性小，只有少量井位可能有海相烴源巖天然氣混入現象。

3.2 成藏模式

川東北大巴山前緣五寶場地區淺層致密氣藏在勘探開發中取得了重大突破，其典型氣藏的成藏模式圖（圖7）顯示，該類氣藏具有“深源淺聚、相儲密切、斷裂輸導、圈閉富集”的成藏富集規律［34-35］。

根據已獲得的鉆井、測井及各種物性測試資料分析，沙溪廟組縱向上分布有多個產氣層，受砂體疊置和沉積相控制。五寶場地區沙溪廟組氣藏工業氣井的主要產層段為沙二段下部“嘉祥寨砂巖”。研究表明，五寶場地區“嘉祥寨砂巖”主要為三角洲前緣河口壩及分流河道疊加體，這些砂體間縱向上被泥巖分隔，互不連通，呈透鏡狀，同一砂體在平面上具有明顯的非均質性，且縱向上斷層和裂縫不發育，不同砂體在同一縱向剖面上也具有明顯的非均質性。此外，天然氣平面演化特征不明顯，A8 井天然氣含硫，而周邊井為不含硫，也表明儲層連通性差。因此，五寶場地區氣藏圈閉類型具有巖性氣藏的特征［2］。從五寶場地區實鉆成果分析，現有的高產氣井主要分布在構造高部位，微氣井所處構造位置明顯偏低，五寶場地區氣藏圈閉類型具有一定的構造氣藏的特征［36］。

從儲層分析來看，孔隙度發育相對較差，僅在顆粒分選好的河口壩（灘壩）砂巖中見殘余粒間孔及粒間溶孔，孔喉配位數低，因此裂縫對產能的貢獻尤為重要［37］。

根據熱演化史分析，下侏羅統烴源巖在中侏羅世末Ro值已演化至0.5% 以上，進入生烴門限，排出的液態烴在壓力差的影響下通過喉道向上覆的砂體中運聚。此時，生成的油氣量不大，液態烴就近聚集，難以形成規模較大的油氣藏。到了晚侏羅世—白堊紀，Ro值為1.2%～1.8%，烴源巖有機質演化至高成熟期，是油氣生成和運移的主要時期［38-39］。燕山期所形成的大量區域裂縫為油氣的運移提供了通道。且有機質的熱演化所產生的酸性流體溶蝕礦物形成的大量的粒間溶孔、粒內溶孔，為天然氣的聚集提供了大量的儲集空間?，F今構造圈閉條件在喜山運動時期形成，為侏羅系沙溪廟組油氣成藏提供了聚集場所。

通過實驗測試分析，自流井組烴源巖為Ⅱ1—Ⅱ2型高成熟中等—好烴源巖，須家河組烴源巖為Ⅲ型過成熟烴源巖。這2 套烴源巖生烴能力均較強，產生的烴類通過燕山期和喜山期所形成的區域性裂縫和斷層上移。這種區域性裂縫和斷層為油氣的運移提供了必要條件。

綜上所述，川東北五寶場地區沙溪廟組氣藏類型應是構造-巖性氣藏，從烴源巖類型及演化、孔隙演化、生儲蓋組合、圈閉形成、油氣運移等方面均形成良好的配置關系，具有形成致密氣藏的良好地質條件［40］。

3.3 勘探建議

根據上述侏羅系成藏模式，結合川東北五寶場地區天然氣及烴源巖地球化學特征以及現有的勘探開發現狀，認為下一步勘探開發應該重視大巴山—米倉山前緣的侏羅系勘探，注重沙溪廟組的大套砂巖及裂縫發育位置，而下伏侏羅系自流井組和三疊系須家河組烴源巖均具有很強的生烴能力，而且以湖相為主的自流井組和以三角洲相為主的須家河組具有很好的沙泥互層的巖性，有良好的生儲蓋優勢以及“自生自儲”的能力，應以大套的砂體或黑色泥頁巖為勘探目標?？碧焦ぷ鲬摷性诖|北沙溪廟組層位優選、儲集相帶研究和有利區帶評價，并且增加探井。對于須家河組，應進行更加詳細的地質資料獲取，以確定其生烴和儲集能力。對于自流井組，應進行試油測試，測試其是否具有工業生產價值。

4 結論

（1）川東北五寶場地區沙溪廟組天然氣烴類組成以甲烷為主，體積分數主要為93.31%～97.59%，C2+重烴體積分數主要為0.66%～1.72%；非烴類氣體主要包括H2S 和CO2，其中H2S 體積分數為0.01%～2.33%，CO2體積分數為1.31%～3.48%。川東北五寶場地區沙溪廟組氣樣碳同位素組成具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的正碳同位素序列特征，為有機成因的原生型烷烴氣。

（2）川東北五寶場地區侏羅系沙溪廟組淺層致密天然氣氣藏類型為高熟油型氣-煤層氣的混合氣。并在區域上發現2 套天然氣不同來源的烴源巖：一套為下伏的侏羅系自流井組湖相烴源巖，其為Ⅱ1—Ⅱ2型成熟中等—好烴源巖；另一套為下伏的須家河組烴源巖，為Ⅲ型過成熟烴源巖。

（3）川東北地區侏羅系沙溪廟組淺層致密氣的勘探應向沙溪廟組、自流井組、須家河組部署，其中對于五寶場地區須家河組、自流井組增加探井向外輻射，取得更多的地質資料，以開展川東北地區淺層致密砂巖氣的研究勘探工作，進一步加大拓展沙溪廟組淺層致密氣的勘探開發范圍。