天然气地球科学 >

2023 , Vol. 34 >Issue 1: 23 - 34

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2022.10.012

天然气地质学

一种新的非常规天然气藏类型——川中地区雷三2亚段蒸发潟湖源储一体碳酸盐岩气藏

  • 张建勇 , 1, 2, 3 ,
  • 辛勇光 1, 3 ,
  • 张豪 1, 3 ,
  • 田瀚 4 ,
  • 朱心健 1, 2 ,
  • 陈薇 1, 2
展开
  • 1. 中国石油杭州地质研究院，浙江 杭州 310023
  • 2. 中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室，浙江 杭州 310023
  • 3. 中国石油四川盆地研究中心，四川 成都 610094
  • 4. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083

张建勇（1978-），男，山东莘县人，高级工程师，博士，主要从事油气地质、沉积储层及油气勘探部署研究.E-mail：.

收稿日期: 2021-05-19

  修回日期: 2022-10-28

  网络出版日期: 2023-02-07

收起

A new unconventional gas reservoir type： Source-reservoir integrated carbonate gas reservoir from evaporated lagoon facies in Lei3 2 sub-member in Central Sichuan Basin

  • Jianyong ZHANG , 1, 2, 3 ,
  • Yongguang XIN 1, 3 ,
  • Hao ZHANG 1, 3 ,
  • Han TIAN 4 ,
  • Xinjian ZHU 1, 2 ,
  • Wei CHEN 1, 2
Expand
  • 1. PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology，Hangzhou 310023，China
  • 2. CNPC Key Lab of Carbonate Reservoir，Hangzhou 310023，China
  • 3. PetroChina Research Center of Sichuan Basin，Chengdu 610094，China
  • 4. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development，Beijing 100083，China

Received date: 2021-05-19

  Revised date: 2022-10-28

  Online published: 2023-02-07

Supported by

The China National Science & Technology Major Project(2017ZX05008005)

the PetroChina Science & Technology Projects(2018A-0105)

Fold

本文亮点

川中地区雷三2亚段含有机质碳酸盐岩与膏盐岩互层沉积，已有钻井在含有机质碳酸盐岩中常见气侵显示，新钻井简阳1井、青探1井及充探1井获工业气流，展示出良好的勘探前景。为深化对川中地区雷三2亚段大面积连续分布、普遍含气的含有机质碳酸盐岩的认识，从沉积环境、生烃潜力、岩石孔隙类型等方面开展了系统研究。结果表明：①川中地区雷三2亚段蒸发潟湖相含有机质碳酸盐岩具有中等偏好的生烃能力，大面积连续分布，又是一套以微孔微缝为主的低孔低渗储层；②川中地区雷三2亚段含有机质灰岩顶板是厚5~80 m膏盐岩直接盖层，底板是厚层膏盐岩，形成大面积连续分布的非常规气藏。

本文引用格式

张建勇 , 辛勇光 , 张豪 , 田瀚 , 朱心健 , 陈薇 . 一种新的非常规天然气藏类型——川中地区雷三2亚段蒸发潟湖源储一体碳酸盐岩气藏[J]. 天然气地球科学, 2023 , 34(1) : 23 -34 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.10.012

Highlights

The organic rich limestone is interbedded with gypsum salt in the second sub-member of third member of Leikoupo Formation（Lei3 2 sub-member） in Central Sichuan Basin. Wells Jianyang-1， Qingtan-1 and Chongtan-1 have been drilled for industrial gas flow， which shows good exploration prospects. In order to deepen the study of organic carbonate rocks with large area continuous distribution and widespread gas bearing in the Lei3 2 sub-member in Central Sichuan Basin， a systematic study was carried out from the aspects of sedimentary environment， hydrocarbon generation potential， rock pore type， etc. The research results show that： （1） The gypsum lagoon facies organic rich limestone in the Lei3 2 sub-member in Central Sichuan Basin has medium preferred hydrocarbon generation ability， large area continuous distribution of hydrocarbon source rock， and is a set of reservoir with low porosity and low permeability and mainly with micro pores and micro fractures； （2） The roof of rich organic limestone in the Lei3 2 sub-member in Central Sichuan Basin is the direct caprock of 5-80 m thick gypsum salt rock， and the floor is the thick gypsum salt rock， forming a large area of continuous distribution of unconventional gas reservoir.

0 引言

SCHMOKER［1-2］1995年提出“连续型油气聚集”的认识是开启非常规油气理论的里程碑，为非常规油气资源有效开发利用提供了科学依据。SINGH等［3］、OLD等［4］、MARTIN等［5］、CHENG等［6］将非常规油气资源定义为由于特殊的储层岩石性质、特殊的充注或者特殊的流体性质，只有采用先进技术、大型增产处理措施或特殊的回收加工才能获得经济开发的油气聚集。VIDAS等［7］认为非常规天然气资源可定义为资源丰度较低、分布较分散、需要采取增产措施或应用其他技术才能进行生产的天然气资源。邹才能等［8-10］指出，非常规油气是现今无法用常规方法和技术手段进行经济性勘探开发的资源，其特点是资源规模大、储层物性差，一般孔隙度小于10%，渗透率小于1×10-3 μm2，非常规油气主要地质特征表现为源储共生，在盆地中心、斜坡大面积分布，圈闭界限与水动力效应不明显。非常规油气主要包括致密油气、页岩油气、煤层气、油砂、天然气水合物等。2020年全球非常规天然气产量超过11 000×l08 m3，占天然气总产量的29%，其中页岩气产量为7 700×l08 m3，致密砂岩气产量为3 020×l08 m3。2020年，我国非常规天然气产量为732×l08 m3，约占天然气总产量的38%，其中，致密砂岩气产量为465×l08 m3，页岩气产量为200×l08 m3［11-14］。以页岩气、煤层气、致密砂岩气等为代表的非常规天然气勘探开发突破不断，改变了或者正在改变着世界天然气工业格局。新钻井发现，川中地区雷三2亚段录井显示丰富，其天然气特征既不同于产自雷口坡组顶部风化壳气藏的天然气，也不同于下部雷一1亚段气藏的天然气，该层段顶、底板均为致密的膏盐岩，碳酸盐岩中含有机质，自身具备生气能力且碳酸盐岩储层物性相对致密。老井复查发现该层段普遍显示丰富，只是常规储层并不发育，因此前期一直被忽略。随着“非常规油气”勘探思路拓展，猜测上述现象可能是该含有机质碳酸盐岩段生成的天然气被“原地”封存于碳酸盐岩中，形成一种新的非常规天然气藏类型——蒸发潟湖相源储一体碳酸盐岩气藏，本文对此进行了系统研究。

1 川中地区雷三2亚段沉积环境

四川盆地在中三叠统雷口坡组沉积期位于上扬子台地西北部，该时期上扬子台地东侧为江南古陆、北侧为秦岭—北方古陆、西侧为康滇古陆和龙门山岛链，“四川盆地”范围内又被泸州—开江古隆起、米仓山—大巴山古隆起、天井山古隆起及龙门山岛链所围限、分割，四川盆地内沉积环境表现为水体浅、盐度大、蒸发岩广泛分布（图1）［15］。
图1 上扬子地区中三叠统雷口坡组沉积期古地理背景

Fig.1 Paleogeographic background in Middle Triassic Leikoupo Formation sedimentary period in Upper Yangtze Region

受上述构造格局及海平面变化控制，根据岩性和测井旋回变化，川中地区雷口坡组纵向上可以划分为4段，自下而上依次为雷一段、雷二段、雷三段和雷四段。雷一段、雷二段以泥晶白云岩与膏盐岩互层为主，底部以“绿豆岩”与下三叠统嘉陵江组整合接触；雷三段下部和上部以泥质泥晶灰岩为主，中部以泥质泥晶灰岩与膏盐岩互层为主；雷四段中下部以泥晶白云岩与膏盐岩互层为主，上部在局部地区发育颗粒白云岩，顶部以印支期风化面与上三叠统须家河组不整合接触（图2）［16］。
图2 上扬子地区中三叠统雷口坡组地层综合柱状图

Fig.2 Stratigraphic comprehensive histogram in Middle Triassic Leikoupo Formation sedimentary period in Upper Yangtze Region

雷三2亚段沉积期，受开江—泸州古隆起控制，岩相古地理格局呈北东向展布，在川中地区为膏质潟湖中心，自膏质潟湖中心向外依次为灰泥质潟湖（发育灰质泥岩为主）、泥灰质潟湖（发育泥质泥晶灰岩为主）等（图3，图4）［15］。在此沉积背景下，雷三段下部及上部为泥质泥晶灰岩，中部为膏盐岩夹泥质泥晶灰岩，据此岩性分段特征结合测井曲线，将雷三段划分为雷三1、雷三2及雷三3共3个亚段，其中雷三2亚段厚度介于100~200 m之间，厚度较大的区域膏盐岩厚度相对较大，雷三2亚段TOC值大于0.5%的泥质泥晶灰岩厚度可达地层厚度的40%以上，具备生烃能力，称为“含有机质碳酸盐岩”（图4，图5）。
图3 四川盆地雷三2亚段沉积相分布特征

Fig.3 Sedimentary facies of the second sub-menber of third member of Leikoupo Formation （Lei3 2 sub-member） in Sichuan Basin

图4 川中遂宁—西充地区雷三2亚段地层厚度

Fig.4 Stratigraphic distribution features of the second sub-menber of third member of Leikoupo Formation (Lei3 2 sub-member) in Suining-Xichong area of Central Sichuan

图5 四川盆地简阳1井雷三2亚段地层综合柱状图

Fig.5 Comprehensive histogram of the second sub-menber of third member of Leikoupo Formation （Lei3 2 sub-member） in Well Jianyang1 of Sichuan Basin

2 川中地区雷三2亚段含有机质碳酸盐岩生烃潜力

2.1　多种证据表明雷三2亚段产层天然气为自生

前人认为雷口坡组主要有2套主力烃源岩。其中，川中地区磨溪气田雷一1亚段为干气，甲烷含量高、重烃含量低、含H2S。据前人研究，磨溪气田雷一1亚段气源主要是下伏二叠系烃源岩［17-18］；川西地区雷三3亚段和雷四3亚段天然气同样甲烷含量高、重烃含量低，为干气，前人［19-20］研究认为川西地区雷口坡组气源主要来自下伏烃源或上覆须家河组烃源。同为川中地区的雷三2亚段天然气主要为湿气，甲烷含量低，重烃含量高，不含H2S，产凝析油，以油型气为主（表1），说明川中地区雷三2亚段和雷一1亚段天然气气源不同，与川西地区也不同，据此判断雷三2亚段天然气主要来源于自身的烃源岩，雷三2亚段与雷一1亚段之间发育的致密膏盐岩使两者成为不同的成藏体系。
表1 不同地区雷口坡组天然气组分对比

Table 1 Comparison of natural gas components of Leikoupo Formation in different areas

地区 井号或气田

层位

（亚段）

 井深/m 天然气组分/%

干燥

系数

甲烷 乙烷 丙烷 异丁烷 正丁烷 异戊烷 正戊烷 CO2 N2 H2 He H2S
川中 充探1 雷三2 3 498~3 618 89.56 5.7 2.04 0.81 0.62 0.32 0.12 0.17 0.52 0 0.02 0 0.9
磨153 雷三2 2 402~2 402.6 85.83 7.76 3.2 0.898 0.892 0.453 0.219 0.06 0.31 0 0.017 0 0.865
磨溪3 雷三2 2 360~2 388 87.6 5.85 2.17 0.82 0.71 0.37 0.13 1.12 0.98 0 0.03 0 0.897 1
简阳1 雷三2 2 586~2 645 83.87 1.2 0.24 0.16 0.11 0.11 0.05 14.02 0.22 0 0 0 0.978
磨溪气田 雷一1 95.22 0.19 1.3 0 0 0 0 0.13 1.53 0.003 0.003 1.61 0.985
川西 中坝气田 雷三3 84.01 1.86 0.5 0.124 0.181 0.077 0.086 4.42 1.82 0.003 0.059 6.86 0.967 4
兴探1 雷四3 4 302~4 470 89.8 0.33 0.02 0 0 0 0 7.57 1.17 0 0.04 1.07 0.996 1
灌口003-5 雷四3 5 870~6 021 95.02 0.37 0.02 0 0 0 0 2.97 0.77 0 0.03 0.81 0.995 9
从充探1井天然气同位素特征来看（图6），充探1井甲烷碳同位素值低于-40‰，且与大部分须家河组差别较大，乙烷碳同位素值低于-27‰，低于大部分须家河组天然气的乙烷碳同位素值；同时，甲烷氢同位素值高于-150‰为海相烃源岩特征，不可能来源于须家河组。综合前文所述，从组分上来看雷三2亚段与雷一1亚段差别较大，从同位素来看与须家河组差别同样较大，据此判断气源既不可能来自二叠系也不可能来自须家河组，只能是雷三2亚段自生自储。
图6 充探1井雷三2亚段天然气碳同位素与氧同位素图版

Fig.6 Carbon isotope and oxygen isotope chart of natural gas of the Lei3 2 sub-member of Well Chongtan1

为了进一步论证雷三2亚段天然气气源，对雷三2亚段储层内沥青生物标志物进行了对比（图7），分析显示雷三2亚段沥青具有高含量的长链三环萜烷且C27R—C28R—C29R峰值呈“L”型，而二叠系烃源岩及须家河组烃源岩均表现为高含量的长链三环萜烷且C27R—C28R—C29R峰值呈反“L”型，特征差别较大，且Ts、Tm以及藿烷特征差别也较大，而与雷三2亚段内含有机质碳酸盐岩抽提物特征高度相似，进一步表明雷三2亚段油气为自生自储。
图7 雷三2亚段储层沥青与二叠系烃源岩、须家河组烃源岩生物标志物图谱

Fig.7 Biomarker compounds of Xujiahe Formation source rock， Permian source rock and reservoir bitumen of the Lei3 2 sub-member

2.2　雷三2亚段含有机质碳酸盐岩具备较大的生气潜力

受间歇性海侵—封闭蒸发的影响，川中地区雷三2期主要是蒸发潟湖和灰泥质潟湖交替的沉积环境，形成了一套蒸发岩和含有机质灰岩互层的沉积序列。充探1井及简阳1井全岩X射线衍射矿物分析表明，雷三2亚段含有机质灰岩中黏土矿物含量最高可达41%，黄铁矿含量为1.2%以上，为厌氧还原环境。因此，川中地区雷三2亚段含有机质灰岩是正常/略高盐度、水体较深循环受限、厌氧还原环境下的灰泥质潟湖沉积物，有利于有机质的形成和富集，而随后的海水强烈蒸发沉积了膏盐岩，膏盐岩隔绝空气防止有机质氧化，为有机质高效保存创造了条件（图8）。
图8 四川盆地川中地区雷三2亚段蒸发潟湖相沉积模式

Fig.8 Sedimentary model of the Lei3 2 sub-member evaporation lagoon in Central Sichuan Basin

前人［21-24］研究表明，膏盐岩—碳酸盐岩体系在成熟阶段对烃源岩生烃均有明显催化作用，膏盐岩具有良好的导热性，使得其上覆和下伏地层烃源岩的生烃窗扩大。总之，川中地区雷三2亚段与含有机质碳酸盐岩互层沉积的蒸发潟湖相发育的蒸发岩（膏岩和盐岩）有利于含有机质灰岩有机质的生成和保存，促进了含有机质灰岩烃源岩的形成，并催化烃源岩生气。
统计表明，川中地区雷三2亚段含有机质灰岩、灰质泥岩有机碳含量较高，是烃源岩发育的主要岩石类型（图9）；岩心样品实测残余有机碳含量为 0.22%~1.98%，平均为0.89%，根据前人研究认为，原始有机碳含量一样的泥质岩与碳酸盐岩，经过同样的演化程度，碳酸盐岩残余有机碳更低，同样TOC的碳酸盐岩原始有机质含量比泥质岩更高，因此对有机碳进行恢复后的TOC值为0.33%~2.95%，平均为1.32%，具有较强的生烃能力，部分样品TOC>2.0%，达到优质烃源岩的标准（表2）［25-32］。
图9 四川盆地雷口坡组不同岩性岩心样品有机碳含量频率分布

Fig.9 Frequency distribution of organic carbon content in different rock core samples of Leikoupo Formation in Sichuan Basin

表2 川中地区雷三2亚段含有机质灰岩岩心样品有机碳含量统计

Table 2 Statistical table of organic carbon content in organic rich limestone core samples of Lei3 2 sub-member in Central Sichuan Basin

井号 地层 井深/m 实测残余TOC/% 恢复后TOC/%
平均值 0.89 1.32
充探1 雷三2亚段 3 560.20 0.60 0.89
充探1 雷三2亚段 3 565.81 0.96 1.43
充探1 雷三2亚段 3 566.41 0.59 0.88
充探1 雷三2亚段 3 568.25 1.08 1.60
充探1 雷三2亚段 3 567.40 0.83 1.24
简阳1 雷三2亚段 2 638.75 0.85 1.27
简阳1 雷三2亚段 2 639.99 1.63 2.43
简阳1 雷三2亚段 2 641.12 0.42 0.63
简阳1 雷三2亚段 2 636.95 0.62 0.92
简阳1 雷三2亚段 2 643.96 0.22 0.33
合平1 雷三2亚段 2 348.00 1.98 2.95
川中地区充探1井雷三2亚段岩心样品岩石热解检测结果（表3）表明，现今烃源岩中已经存在的烃量S 1值最高可达0.28 mg/g，平均值为0.19 mg/g，说明雷三2亚段含油气性较好；烃源岩中的有机质热解烃量S 2平均值为0.21 mg/g，最高可达0.30 mg/g，说明充探1井雷三2亚段含有机质灰岩烃源岩还能热解生烃且生烃量较大，烃源岩品质较好［31］。
表3 川中地区充探1井雷三2亚段岩心样品岩石热解检测结果

Table 3 Test results of rock pyrolysis of core samples of Lei3 2 sub-member in Well Chongtan 1 in Central Sichuan Basin

井号 层位 井深/m

气态烃（S 0）

/（mg/g）

液态烃（S 1）

/（mg/g）

热解烃（S 2）

/（mg/g）

 （S 1+S 2）/（mg/g）

热解烃峰温

（T max）/℃
平均值 0.19 0.21 0.40 472
充探1 雷三2亚段 3 560.20 <0.01 0.13 0.18 0.31 498
充探1 雷三2亚段 3 560.40 <0.01 0.14 0.21 0.35 529
充探1 雷三2亚段 3 560.75 <0.01 0.13 0.18 0.31 461
充探1 雷三2亚段 3 565.81 <0.01 0.26 0.24 0.50 444
充探1 雷三2亚段 3 566.41 <0.01 0.13 0.12 0.25 446
充探1 雷三2亚段 3 568.25 <0.01 0.28 0.30 0.58 489
充探1 雷三2亚段 3 567.40 <0.01 0.24 0.24 0.48 439
川中地区雷三2亚段大面积发育2~4层含有机质灰岩烃源岩，单层厚5~20 m，累计厚度为25~80 m，有利区面积为12 000 km2，生烃强度主体介于（6~10）×108 m3/km2之间，生烃量可达12×1012 m3（图10），考虑到该类型油气封存与膏岩盐之间几乎没有运移散失，评价单位面积资源量可达10×108 m3/km2，资源潜力较大。
图10 四川盆地雷三2亚段含有机质碳酸盐岩厚度图及生烃强度

（a)四川盆地含有机质碳酸盐岩（TOC大于0.5%）厚度图; (b)四川盆地含有机质碳酸盐岩生烃强度图

Fig.10 Thickness map and hydrocarbon generation intensity map of organic rich limestone of Lei3 2 sub-member in Sichuan Basin

3 雷三2亚段岩石孔隙类型

蒸发潟湖相富有机质灰岩发育2种类型孔隙：微米—纳米孔及膏质灰岩—灰质膏岩裂缝扩溶孔。

3.1　微米—纳米孔

含有机质泥岩段，孔隙度最高可达7.93%，显孔并不发育，但是样品通过氩离子抛光后，在场发射扫描电镜下，可以发现存在3种类型的孔隙：有机质孔、黏土矿物收缩孔及方解石晶间孔，进一步统计表明，孔隙度与TOC成正比，即有机碳含量越高、黏土矿物含量越高则孔隙度越高（图11）。
图11 微米—纳米孔扫描电镜照片（简阳1井，2 640.3 m）

（a）含有机质灰岩，有机质孔发育，扫描电镜照片; (b)含有机质灰岩，黏土矿物收缩孔发育，扫描电镜照片;(c)含有机质灰岩，方解石晶间孔，扫描电镜照片; (d) （c）图中红框处照片局部放大

Fig.11 Scanning electron microscopy photos of micro-nano pore（Well Jianyang1，2 640.3 m）

3.2　膏质灰岩—灰质膏岩裂缝扩溶孔

该类型主要发育在膏质灰岩及灰质膏岩段，膏盐岩揉皱或顺层滑脱导致脆性较强的灰岩发生破裂，灰质膏岩或膏质灰岩顺断裂或裂缝选择性溶蚀，形成裂缝扩溶孔（图12），平面上呈“网状集群式”分布（图13）
图12 膏质灰岩—灰质膏岩裂缝扩溶孔测井及显微照片特征

Fig. 12 Characteristics of well logging and micrograph of gypsum limestone-calcareous gypsum rock fracture solution expansion

图13 膏质灰岩—灰质膏岩裂缝扩溶缝洞体地震响应及平面分布特征

Fig.13 Seismic response and plane distribution of solution expanding pores in gypsum limestone-limestone fractures

4 结论

（1）天然气组分特征、碳同位素特征、氢同位素特征佐证川中地区雷三2亚段天然气源为其自身含有机质碳酸盐岩，进一步通过产层沥青及烃源岩抽提物的生物标志物对比分析，确认该类天然气藏为一种新的非常规天然气藏类型——蒸发潟湖相源储一体碳酸盐岩气藏。
（2）雷三2亚段沉积期，为蒸发潟湖相，水体较深循环受限、厌氧还原环境，有利于有机质的形成、富集和保存，膏盐岩间的TOC值大于0.5%的泥质泥晶灰岩（含有机质碳酸盐岩）厚度可达地层厚度的40%以上，部分烃源岩品质较好，具备生烃能力，单位面积资源量可达10×108 m3/km2，资源潜力较大。
（3）雷三2亚段发育微米—纳米孔，随有机碳含量越高、黏土矿物含量越高则孔隙度越高，最高可达7.93%，而膏盐岩揉皱或顺层滑脱导致灰岩发生破裂，顺断裂或裂缝选择性溶蚀，裂缝扩溶孔洞与微孔相连通形成天然气孔缝网，平面上呈“网状集群式”分布，具备高产条件。
从理论意义看，前人关于非常规气的研究主要侧重页岩气和致密气，关于蒸发潟湖相含有机质灰岩非常规油气的研究鲜有报道，本文研究虽然较为粗浅，但是基于研究认识部署的充探1井，测试日产气10.87×104 m3，凝析油47.04 m3，开拓了海相非常规油气勘探的新领域，而蒸发潟湖相在四川盆地、鄂尔多斯盆地及塔里木盆地的海相层系普遍发育，预计具有较大勘探潜力，值得进一步积极探索。

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