孫長青，陳銀節(jié)，榮發(fā)準，任 春

(1.中國地質(zhì)大學，武漢 430074；2.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214151)

近年來，川東北地區(qū)天然氣勘探取得重大突破，在上二疊統(tǒng)的長興組(P2ch)、下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)臺地邊緣礁灘相儲層中發(fā)現(xiàn)了普光、龍崗等大型氣田，已成為四川盆地天然氣勘探的熱點地區(qū)。該區(qū)地處川、陜、鄂、渝四省市結(jié)合部，山地地形和復雜多變的表層及深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，使地震等天然氣主要勘探方法面臨復雜地表采集、高陡構(gòu)造成像、碳酸鹽巖儲層預測、巖性油氣藏識別、裂縫和壓力預測等眾多技術(shù)難題，天然氣勘探成本高且風險大[1-4]。

油氣化探技術(shù)是以檢測烴類氣體為主的直接找礦方法，在區(qū)域評價、圈閉評價和勘探評價等方面能發(fā)揮積極作用，是一種快速且經(jīng)濟的油氣勘探新技術(shù)[5-7]，在生產(chǎn)實踐中取得良好效果[8-13]。但在基巖大面積出露、第四系分布局限的山地條件下，天然氣化探方法及其應用效果的研究尚無報道。篩選適合川東北地區(qū)地表及地質(zhì)條件的天然氣化探方法并服務于勘探選區(qū)，有助于降低勘探成本和風險。本文以川東北地區(qū)的普光大氣田和元壩區(qū)塊為試驗研究對象，開展化探采集方法和有效指標研究，總結(jié)川東北地區(qū)天然氣化探工作方法和氣藏識別標志，可為該區(qū)的天然氣化探工作奠定方法基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

1.1 石油地質(zhì)特征

位于川東北地區(qū)的普光氣田是我國南方迄今發(fā)現(xiàn)的儲量規(guī)模最大的特大型整裝海相氣田。該氣田地處上揚子地臺東北部川東高褶背斜帶，北為大巴山弧形褶皺帶，西側(cè)以華鎣山斷裂為界與川中平緩褶皺帶相接。該構(gòu)造帶在地質(zhì)地貌上呈一向北西突出的弧形展布，主要由一系列軸面傾向南東或北西的背、向斜及與之平行的斷裂組成。該區(qū)經(jīng)歷了燕山期及早、晚喜馬拉雅期3期構(gòu)造變形，主要形成北北東、北西向構(gòu)造，總的特點是褶皺強烈，斷裂發(fā)育。根據(jù)鉆井揭示及地表露頭資料，本地區(qū)下古生界地層較完整，僅缺失上志留統(tǒng)。上古生界缺失了泥盆系全部和石炭系大部分，僅殘留中石炭統(tǒng)黃龍組，而二疊系齊全。中生界三疊系、侏羅系和下白堊統(tǒng)較全，上白堊統(tǒng)缺失。新生界地層基本上沒有殘留。中三疊世及之前地層為海相或海陸交互相沉積，晚三疊世及之后地層為湖泊—三角洲—河流沉積。

氣藏類型屬于構(gòu)造—巖性復合圈閉，儲層主要位于長興組(生物礁儲層)和飛仙關(guān)組(鮞粒灘儲層)，其中長興組上部礁蓋白云巖最為發(fā)育，下部的礁核相白云巖則不發(fā)育；飛仙關(guān)組主要發(fā)育臺地邊緣淺灘相儲層。飛仙關(guān)組上部飛四段的膏巖、致密含泥灰?guī)r及其二者的互層組成了飛一至飛三氣藏的直接蓋層，三疊系嘉陵江組和雷口坡組的巨厚膏巖層組成了該氣藏直接蓋層和區(qū)域蓋層。該區(qū)發(fā)育多套烴源巖，主要有下寒武統(tǒng)灰黑色泥頁巖、下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖、泥巖和上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M的煤系、暗色泥巖。其中龍馬溪組和龍?zhí)督M烴源巖是普光氣田的主力氣源[14-15]。

1.2 天然氣特征

普光氣田的天然氣為典型的干氣，甲烷含量在72%～80%，乙烷含量基本上在0.05%以下，乙烷以上的重烴幾乎檢測不到，二氧化碳的含量大致在3%～10.5%，硫化氫的含量在12.7%～17.2%的范圍內(nèi)，屬于高含硫化氫天然氣，也是國內(nèi)目前發(fā)現(xiàn)的硫化氫含量最高的天然氣之一[16]。

1.3 地表地質(zhì)條件

普光地區(qū)地貌以山地為主，海拔高度在300～1 300 m，最大高差近1 000 m。由于溝谷深切，出露的地層復雜多變，大部分為侏羅系—白堊系所覆蓋，出露的地層包括侏羅系中統(tǒng)的新田溝組(J2x)、下沙溪廟組(J2xs)和上沙溪廟組(J2s)；侏羅系上統(tǒng)的遂寧組(J3s)、蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)；白堊系下統(tǒng)的蒼溪組(K1c)、白龍組(K1b)、七曲寺組等(K1q)。中、上侏羅統(tǒng)紅色砂、泥巖互層是本區(qū)主要出露地層，第四系覆蓋的范圍極小，僅沿河流呈零星分布，占圖幅面積小于2%。

2 試驗研究方法

2.1 技術(shù)路線

以發(fā)現(xiàn)普光大氣田的普光地區(qū)為試驗區(qū)，通過野外踏勘和采集試驗，制定適合地表地質(zhì)條件的化探采樣方法，并對普光地區(qū)實施2次剖面采樣。第一期采樣，主要開展指標有效性研究，研究已知區(qū)上方化探指標特征及其對氣田的指示意義。第二期采樣，主要進行化探方法的穩(wěn)定性與異常的重現(xiàn)性分析研究。通過采集方法試驗和兩期剖面調(diào)查，篩選適用于本區(qū)地表地質(zhì)條件且對氣藏顯示最佳的3～5種化探方法，形成本地區(qū)的有效化探方法組合。以有效方法組合為基礎(chǔ)，探討氣藏的地球化學識別標志，并在元壩地區(qū)進行檢驗。

2.2 樣品采集

在調(diào)查試驗區(qū)化探取樣介質(zhì)(基巖、土壤、壤中氣、地下水等)分布的基礎(chǔ)上，分析取樣可行性和代表性，確定樣品采集方法和初選化探方法。

一期試驗，在普光氣田主要含氣構(gòu)造上方采用剖面測量。沿構(gòu)造高點走向和垂直構(gòu)造線走向各布置2條剖面，以500 m左右點距在4條剖面上采集土壤樣品196件。另外，在普光構(gòu)造近南北向剖面上同步采集壤中氣樣品57件，在基巖出露較好的毛壩南北向剖面上還采集基巖樣品53件(圖1)。

二期試驗是在時隔半年后進行的，在普光氣田A-A’剖面和重點構(gòu)造剖面上，以500 m左右點距采集土壤樣品100件，同步采集壤中氣樣品53件。

2.3 分析項目和方法

根據(jù)本次研究的需要，土壤樣品測試項目包括：頂空氣、酸解烴、熱釋烴、熱釋汞、蝕變碳酸鹽、碳酸鹽，微量元素(Fe2O3,Ba,Cl,Mn,Ni,S,Sr,V,Hg等9個元素或指標)；壤中氣樣品測試游離烴；基巖樣品測試項目為酸解烴、熱釋烴、熱釋汞、蝕變碳酸鹽、碳酸鹽，微量元素(Fe2O3,Ba,Cl,Mn,NiS,Sr,V,Hg等9個元素或指標)。,

圖1 普光地區(qū)化探測量點位示意Fig.1 Location of the sampling points of the geochemical exploration over Puguang Area

3 結(jié)果與討論

3.1 化探樣品采集方法

地表油氣化探主要檢測從下伏油氣藏沿斷層、裂隙和可滲透地層垂向運移至近地表的烴類物質(zhì)，檢測介質(zhì)以壤中氣、土壤(巖石)、地下水為主。

游離烴方法通過抽取土壤孔隙中氣體，檢測其中與油氣微滲漏有關(guān)的烴類組分,已在黃土、沙漠區(qū)油氣化探中得到應用[17-20]。針對山地區(qū)土壤層較薄并多含砂礫的特點，對游離烴鉆具進行了穿透性、密封性改進。但從試驗結(jié)果看，游離烴甲烷濃度較低(平均值2.80×10-6，標準偏差0.55×10-6)，與空氣中甲烷濃度(研究區(qū)實測平均值2.48×10-6)相差不大，且在氣田上方無明顯變化規(guī)律。這可能與基巖風化形成的土壤層較薄且裂隙發(fā)育、壤中氣與大氣頻繁交換有關(guān)。游離烴方法不適合在普光及類似地區(qū)應用。

水化學法是我國東部地區(qū)油氣化探最常用的方法之一，檢測淺層承壓水的烷烴、芳烴和無機組分，預測油氣富集區(qū)[21-22]。本區(qū)地下水主要類型為中上侏羅統(tǒng)砂泥巖層的風化裂隙水(山地)、第四系松散巖類孔隙水(溝谷)。降雨是地下水形成的主要來源，從降雨轉(zhuǎn)為地下水到排泄出來，其循環(huán)范圍通常只有數(shù)十米到數(shù)百米，補給很快就反映到排泄上。且紅層地區(qū)滲入系數(shù)只有0.01～0.04，導致地下水資源較貧乏[23]。油氣化探水樣采集所要求的淺層承壓水在本區(qū)資源有限，人工揭露極少，水樣采集在本區(qū)無法正常開展。

土壤化探方法(如：頂空氣、酸解烴、熱釋烴)是國內(nèi)外最常用的方法，主要檢測土壤顆粒物理吸附和化學吸附的烴類物質(zhì)[22,24-25]。由基巖風化形成的土壤層在本區(qū)分布廣泛，但厚薄不均。地形較高部位，基巖風化后保留在原地的殘積物厚度較薄，一般不超過1 m，最薄處只有幾cm。侏羅系紅色泥巖風化后的殘積物在本區(qū)較常見，成分較均一，化探指標含量穩(wěn)定，且與地形沒有明顯相關(guān)關(guān)系。溝谷等地形低洼處，由地表徑流所攜帶的泥沙被堆積下來的坡積物厚度較大，變化范圍從幾米到幾十米不等，但土壤均一性差，且混雜大量有機質(zhì)，雖易于采集，但不適合化探采樣，原因是：氣藏和重點構(gòu)造的位置并不與溝谷重合，如沿溝布置樣點則難以覆蓋重點勘探區(qū)域；坡積物成分混雜并含有大量植物碎屑，樣品代表性差；坡積物受水流沖刷淋濾作用影響，化探指標含量不穩(wěn)定。因此，從采集可行性和樣品代表性看，殘積物優(yōu)于坡積物，土壤采樣選擇侏羅系紅色泥巖風化后的殘積物，一般采集深度為0.5 m左右。

3.2 指標統(tǒng)計特征

烴類指標在普光地區(qū)呈低豐度、高離散度的特點(表1)。酸解烴甲烷平均值59.44×10-6，而極值范圍由極小的1.96×10-6變化到最高的2 774.38×10-6，相差達4個數(shù)量級，服從對數(shù)正態(tài)分布。 頂空氣、熱釋烴等烴類指標平均值也低于我國東部地區(qū)，但變異系數(shù)較高，與多年南方酸性土壤區(qū)的油氣化探經(jīng)驗相一致。川東地區(qū)近地表紅層區(qū)的化探指標低豐度特點，對化探樣品預處理技術(shù)及分析精度提出了較高要求。高離散度則有利于識別運移烴引起的近地表異常。

3.3 已知氣田上方異常特征

從統(tǒng)計特征看，普光構(gòu)造、毛壩構(gòu)造2個已知氣區(qū)與非氣區(qū)的近地表烴類存在明顯差異，如酸解烴甲烷均值分別為84.68×10-6,65.49×10-6,47.61×10-6，濕度系數(shù)(C2+/C1+)分別為4.28%,5.52%,5.58%，已知氣區(qū)具有甲烷含量高而濕度系數(shù)低的特點。非烴指標蝕變碳酸鹽和熱釋汞在氣區(qū)內(nèi)外未表現(xiàn)明顯的差異。

表1 普光地區(qū)地表化探指標特征Table 1 Characteristics of the surface geochemical indicators over Puguang Area

在通過普光已知氣區(qū)的化探剖面上(圖2)，頂空氣、酸解烴、熱釋烴等烴類指標表現(xiàn)為環(huán)狀暈為主的異常模式，即甲烷濃度高值點一般出現(xiàn)在氣藏的邊緣。選取頂空氣甲烷、酸解烴甲烷、熱釋烴甲烷進行累乘綜合異常分析，其高值出現(xiàn)在氣藏邊緣，反映烴類干度的C1/C2+比值指標高值點則多出現(xiàn)在氣藏主體部位的上方。通過重點構(gòu)造的化探剖面上(圖3)烴類異常特征也極為相似，普光4井處于東西兩側(cè)烴類單指標和輕烴累乘高值界定的異常范圍內(nèi)，其上方C1/C2+比值呈高值，表現(xiàn)為異常主體的特征，與其位于普光氣田主體部位且獲高產(chǎn)商業(yè)氣流相一致；普光3井上方為烴類高值，但C1/C2+比值較低，表現(xiàn)為異常邊緣的特征，與其位于普光氣田邊緣且未獲商業(yè)氣流吻合；毛壩3井和大灣1井分屬毛壩構(gòu)造和大灣構(gòu)造，分別在本次試驗前后獲高產(chǎn)商業(yè)氣流，但從化探異?？?，兩井應屬同一個烴類異常范圍內(nèi)，預示毛壩構(gòu)造和大灣構(gòu)造含氣具有連片性。

圖2 普光氣田上方烴類異常剖面位置見圖1。Fig.2 Hydrocarbon anomaly over Puguang Gasfield

圖3 普光地區(qū)重點構(gòu)造上方烴類異常剖面位置見圖1。Fig.3 Hydrocarbon anomaly over some key structures of Puguang Area

非烴指標在氣田上方的效果相對較差。ΔC測值較低且離散度較小，雖與氣區(qū)有一定的響應關(guān)系，但異常的分離較為困難。分別采用熱釋汞法和原子熒光光譜法分析的汞指標具有較高的相似性，在部分斷裂上出現(xiàn)相對高值，對氣區(qū)的識別僅能起輔助作用。由X-熒光光譜法測定的Fe2O3,Ba,Cl,Mn,Ni,S,Sr,V等微量元素指標在已知氣田上方未顯示明顯的規(guī)律性，未能取得與其它研究區(qū)[26-27]相似的效果，原因可能是在川東北山地地形條件下，地表水和地下水沖刷淋濾作用強烈，微量元素隨水遷移有關(guān)。

3.4 烴類方法穩(wěn)定性及異常重現(xiàn)性

為研究化探方法的穩(wěn)定性與異常的重現(xiàn)性，在普光試驗區(qū)分別于秋季和春季進行了兩期地球化學樣品的采集工作。兩期采集點的點距最小值1.0 m、最大值336.4 m、平均值27.6 m、標準偏差55.9 m。重復測試的化探方法包括酸解烴、熱釋烴、頂空氣、游離烴及熱釋汞等5種。

兩期化探指標測量值存在一定的差異，但從相關(guān)分析結(jié)果看，酸解烴各組分、熱釋烴的各組分、頂空氣甲烷2期測量值為顯著相關(guān)(95%置信限)，說明這些指標穩(wěn)定性較好。而游離烴各組分、熱釋汞2期測量值不相關(guān)，反映出這2個方法在本地區(qū)的使用具有較大程度的局限性。同時，2期采樣化探指標的高值點和低值點集中出現(xiàn)區(qū)段基本相同，即異常區(qū)段具有可比性?？梢哉J為普光地區(qū)主要烴類指標穩(wěn)定性較好，異常具有重現(xiàn)性。

3.5 氣藏近地表識別標志

據(jù)實踐經(jīng)驗，深部熱成因遷移至地表的烴氣，其組分之間呈C1>C2>C3>C4>C5的變化規(guī)律，而污染或生油巖出露地表等情況下烴組分之間不存在上述特征。分析測試結(jié)果表明測區(qū)內(nèi)烴類具有這種明顯的變化規(guī)律。中科院蘭州地質(zhì)研究所的試驗研究成果指出：C1/(C2+C3) 在0～50 之間為深部成因氣，該比值大于1 000則完全反映地表生物成因特征。試驗區(qū)內(nèi)該比值為27.55 ，表明近地表檢測的游離烴與熱演化成因的油氣有關(guān)。據(jù)上述特征，結(jié)合地表景觀和地質(zhì)因素綜合分析，可以認為測區(qū)地表烴類異常應屬深部氣藏中的干氣經(jīng)微滲逸至地表的結(jié)果，其具有重要的找氣指示意義。

另外，據(jù)許衛(wèi)平等[28]的研究，在垂向運移過程中，地層對參與運移的烴類組分中的重質(zhì)組分有明顯的選擇性吸附作用。由此提出以甲烷/丙烷作為地球化學動力學指標，來定性地判斷油氣藏的保存條件和埋藏深度。當在近地表采集的烴類樣品中的地球化學動力學指標呈低值態(tài)勢時，說明油氣藏的保存條件差或埋藏深度較淺；反之則說明油氣藏的保存條件良好并且埋藏深度較深。區(qū)內(nèi)近地表酸解烴的地球化學動力學指標高達56.25～131.50 ，一般值在80.11 左右。頂空氣的地球化學動力學指標高達45.09～128.75，一般值在70.43左右。說明區(qū)內(nèi)氣藏保存良好，同時也說明油氣藏埋藏深度較深，這與區(qū)內(nèi)長興組(P2ch)和飛仙關(guān)組(T1f)臺地邊緣礁灘相儲層深達5 000多米相吻合。

在近地表地球化學調(diào)查時，氣藏識別標志可以初步概括為：以近地表泥巖風化形成的土壤殘積物為取樣對象，檢測頂空氣、酸解烴和熱釋烴等指標，采用烴類濃度及烴類累乘高值確定異常邊界、烴類干度(C1/C2+)高值區(qū)確定異常主體部位，可以快速識別有利區(qū)。究其原因，由于氣藏上方普遍存在的微滲漏作用，甲烷更易于運移至近地表，使氣區(qū)上方土壤中烴類組分變得更干，烴類干度系數(shù)在氣區(qū)上方呈現(xiàn)高值。另外，氣藏邊緣是烴類微滲漏的優(yōu)勢通道，導致烴類濃度、烴類累積高值點主要分布在異常邊緣。

4 元壩勘探區(qū)的應用

元壩地區(qū)位于通南巴背斜西南翼，是川東北天然氣勘探開發(fā)后備基地之一。二維地震初步落實了區(qū)域構(gòu)造格架并發(fā)現(xiàn)大型飛仙關(guān)—長興組礁灘地震異常體，地質(zhì)綜合研究也認為梁平—開江陸棚東、西兩側(cè)長興組—飛仙關(guān)組具有相似的沉積背景，預測該區(qū)有較豐富的天然氣資源量，并部署元壩1、元壩2井的天然氣鉆探工作。

為驗證普光地區(qū)天然氣化探方法的效果，在元壩區(qū)布置2條化探剖面，分別通過當時正在鉆探的元壩1井和元壩2井。元壩地區(qū)地表主要為白堊系所覆蓋，主要是白堊系下統(tǒng)的蒼溪組(K1c)、白龍組(K1b)、七曲寺組等(K1q)，第四系覆蓋的范圍較小，僅沿河流呈零星分布。按500～1 000 m不等點距采集白堊系風化形成的土壤殘積物110個，分析頂空氣、酸解烴、熱釋烴指標，按上述氣藏近地表識別標志進行化探預測。

過元壩1井的NE向剖面(圖4)，化探預測的有利區(qū)位于剖面中段，元壩1井位于該異常區(qū)段內(nèi)。同時可以注意到，元壩1井西南側(cè)烴類濃度和干度指標配合更好，可能更為有利。過元壩2井的SN向剖面(圖5)，化探預測的有利區(qū)位于剖面中段的元壩2井及其以北。其中最有利區(qū)可分為2段，即：元壩2井附近、剖面北段。

圖4 元壩地區(qū)過元壩1井剖面烴類異常Fig.4 Hydrocarbon anomaly profile cross Well Yuanba 1 of Yuanba Area

圖5 元壩地區(qū)過元壩2井剖面烴類異常Fig.5 Hydrocarbon anomaly profile cross Well Yuanba 2 of Yuanba Area

近期鉆探證實，元壩1井未獲商業(yè)氣流，但定向井元壩1-側(cè)1井在飛仙關(guān)組(T1f)獲高產(chǎn)商業(yè)氣流，元壩2井在長興組(P2ch)也獲商業(yè)氣流，與預測結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論

從普光氣田和元壩地區(qū)的試驗結(jié)果看，川東北地區(qū)天然氣化探以地表較常見的由紅色泥巖風化形成的殘積物為取樣介質(zhì)，進行頂空氣、酸解烴、熱釋烴等烴類測試，采用烴類濃度高值及烴類累乘確定異常邊界、烴類干度(C1/C2+)確定異常主體，能快速識別天然氣富集區(qū)。 雖然試驗采用剖面調(diào)查方式其結(jié)果可能存在一定的局限性，但氣區(qū)內(nèi)外烴類濃度及結(jié)構(gòu)存在明顯差異，化探異常界定的范圍與已知氣區(qū)相對應，近地表烴類異常與天然氣富集區(qū)存在成因聯(lián)系。因此，在川東北及類似的復雜地表條件區(qū)部署化探工作，作為地震勘探的有效補充，可以為區(qū)塊優(yōu)選和勘探部署提供地球化學依據(jù)，降低勘探成本和風險。

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