吳小奇，羅開平，王 萍，陳迎賓，王彥青，胡 燁，黎華繼

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041)

水溶氣資源是四川盆地未來天然氣發(fā)展的重要新類型與新領域[1]，水溶氣的脫溶是天然氣運移和聚集的重要機制之一[2]，在特定的條件下是天然氣成藏的重要方式[3]。國內學者對水溶氣的富集主控因素[4]、碳同位素分餾效應[5]和運移示蹤地球化學指標[6]、脫溶成藏的機理[1]和地球化學證據[7]等開展了廣泛研究。由于地質條件的變化使得地層溫度壓力降低，導致地層水中溶解的天然氣由于過飽和而釋放出來[8-9]。水溶氣脫氣成藏不僅是川西坳陷須家河組四段(簡稱須四段)天然氣成藏的主要模式之一[10]，如孝泉—豐谷構造帶古、今構造高部位有利于水溶氣脫氣成藏[11]，而且也是川中地區(qū)須家河組大面積巖性氣藏發(fā)育與天然氣規(guī)模聚集的重要成藏機理之一[1]，同時還解釋了須家河組氣藏普遍含水且氣水關系復雜的原因[12]。

氣體在水中的溶解機理主要有間隙填充和水合作用兩種[13]，天然氣在地層水中的溶解度主要受溫度、壓力、地層水礦化度等因素制約[14]，不同天然氣組分具有不同的溶解特征[15-16]。一些學者根據數據統計提出了溶解度方程[13,17]。盡管付曉泰等[18]認為鹽溶液中鹽的種類對溶解度的影響不顯著，但郝石生等[17]實驗研究表明，在礦化度相同的情況下，不同水型地層水中天然氣的溶解度存在一定的差異，即離子類型也對天然氣在地層水中的溶解度有影響，因此根據統計得到的溶解度方程并不具有普遍意義。前人提出了計算CH4、CO2等氣體在純水、NaCl溶液等中溶解度的熱力學模型，且理論計算結果與實驗結果吻合得非常好[14,19-20]，但實際地層水中包含了多種離子，因此天然氣在地層水中的溶解度主要通過對實際地層水樣品進行高溫高壓下溶解度實驗獲得[21]，而不能直接用在純水或NaCl溶液中的溶解度來代替。

川西坳陷新場氣田是四川盆地陸相天然氣勘探的重要陣地之一[22-23]，僅須家河組二段(簡稱須二段)和侏羅系探明儲量合計就高達2 045.22×108m3。近年來，新場地區(qū)須家河組五段(簡稱須五段，T3x5)成為勘探的熱點[24-25]。勘探開發(fā)現狀表明，水平段沿泥頁巖段鉆進的XY-1井試采效果并不理想，而沿砂體鉆進的XY-2井則試采效果相對較為理想①黎華繼,劉麗萍,陳俊.川西須五氣藏建產潛力分析[R].成都:中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院,2014.，此外，須五段天然氣試采初產量與測試段砂地比具有良好的正相關性，砂巖較為致密，表明須五段天然氣主體為典型的致密砂巖氣[26]。新場須五段氣水關系復雜，試采均表現出氣水同產[27]，因此天然氣除游離氣外，還有部分水溶氣，但究竟是以水溶氣還是游離氣為主尚無定論。受晚白堊世以來地層抬升影響，四川盆地須家河組具有水溶氣脫溶成藏的有利條件，但對于水溶氣資源規(guī)模的估算主要是根據甲烷在NaCl溶液中的溶解度或其他地方天然氣在地層水中的溶解度來進行推測[1]，缺少須家河組地層水中溶解度的實際資料，對氣藏中水溶氣和游離氣所占比例也缺少研究。因此，本文擬通過對新場地區(qū)須五段實際地層水開展不同溫壓條件下天然氣溶解度實驗，并與NaCl溶液中甲烷的溶解度進行對比，從而更加準確地估算新場須五段中水溶氣的規(guī)模及所占的比例，為明確流體賦存狀態(tài)和揭示天然氣成藏機理提供理論依據。

1 實驗條件和結果

地層水中天然氣溶解度實驗在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研究所進行，采用的儀器為地層多相流體互溶度測定儀，所用地層水樣品采集自新場地區(qū)XC25井和X22-1H井須五段，其常量離子含量分析在國土資源部南京礦產資源監(jiān)督檢測中心進行，結果見表1；采用的天然氣為純甲烷氣體。在相同分壓下，天然氣中常見組分僅CO2在地層水中的溶解度略高于CH4[15]，但隨溫度和壓力的增加，CO2的溶解度逐漸降低，而CH4的溶解度逐漸升高，因此在高溫高壓條件下地層水中CO2的含量較低[17]。此外，新場須五段天然氣中甲烷占主導，平均含量為90.9%，而CO2平均含量僅為0.5%[26]。因此本次實驗中采用甲烷鋼瓶氣(純度99.9%)近似代替新場須五段天然氣來進行溶解度實驗，結果見表2。在不同溫壓條件下，XC25井和X22-1H井須五段地層水中CH4的溶解度基本一致(表2)，其差別主要源自地層水礦化度和離子組成的差異。

表1 川西坳陷新場氣田須五段地層水離子含量和礦化度Table 1 Ion contents and total dissolved solids of the T3x5 formation water in the Xinchang gas field in the Western Sichuan Depression

表2 川西坳陷新場須五段地層水與1 mol/kg NaCl溶液中CH4溶解度對比Table 2 Comparison of CH4 solubility in the T3x5 formation water of the Xinchang gas field in the Western Sichuan Depression with that in the 1 mol/kg NaCl solution

*據Duan和Mao[14]數據采用線性插值法計算而來。

2 須五段地層水與1 mol/kg NaCl溶液中CH4溶解度對比

新場須五段地層水水型均為CaCl2型，礦化度平均為76.044 g/L[27]。本次采集的XC25井和X22-1H井須五段地層水礦化度分別為65.633 g/L和76.81 g/L，與新場須五段地層水普遍特征一致，其中Na+含量分別為22 100 mg/L和24 070 mg/L，可以換算為0.96 mol/kg和1.05 mol/kg，Cl-含量分別為39 114 mg/L和46 540 mg/L，可以換算為1.10 mol/kg和1.31 mol/kg。因此，從Na+和Cl-含量來看，新場須五段地層水與1mol/kg NaCl溶液具有可對比性。Duan和Mao[14]提出了估算1 mol/kg NaCl溶液中CH4溶解度的熱力學模型，且計算結果與前人實驗結果高度一致，甲烷溶解度受溫度和壓力的明顯影響(圖1)，且相鄰的溫壓數據點之間具有近似線性分布的特征，因此可以采用線性插值的方法估算其余溫壓條件下甲烷的溶解度。通過線性插值法估算本次實驗溫壓條件下甲烷在1 mol/kg NaCl溶液中的溶解度，并換算為m3/m3的單位，結果詳見表2，其與本次工作中實驗測試所得新場須五段實際地層水中的甲烷溶解度對比關系詳見圖2。

圖1 不同溫壓條件下1 mol/kg NaCl溶液中CH4溶解度(數據據Duan和Mao[14])Fig.1 CH4 solubility in the 1 mol/kg NaCl solution under different temperatures and pressures (data from Duan and Mao[14])

圖2 川西坳陷新場須五段地層水與1 mol/kg NaCl溶液中CH4溶解度對比Fig.2 Comparison of CH4 solubility in the T3x5 formation water of the Xinchang gas field in the Western Sichuan Depression with that in the 1 mol/kg NaCl solutiona.溶解度與壓力的關系；b.溶解度與溫度的關系

在低溫(≤60 ℃)低壓(≤12 MPa)條件下，新場須五段地層水與1 mol/kg NaCl溶液中CH4溶解度具有不同的變化趨勢(圖2)。在礦化度相同的情況下，在60～80 ℃條件下，天然氣在NaHCO3水型中比在CaCl2水型中的溶解度要大，而在100～120 ℃條件下，二者則表現出相反的特征[17]，這表明，在不同離子存在的條件下，地層水中甲烷的溶解度對溫度的響應特征并不一致。因此，在相對低溫低壓條件下，新場須五段地層水與1 mol/kg NaCl溶液中CH4溶解度的不一致可能主要源自其離子組成方面的差異。

從溫壓相對較高條件下的溶解度對比來看，新場須五段地層水與1 mol/kg NaCl溶液中CH4的溶解度比值均在0.6左右，二者具有明顯的可對比性，因此，可以根據特定溫壓條件下1 mol/kg NaCl溶液中CH4的溶解度來估算相應溫壓條件下新場須五段地層水中CH4的溶解度，這就為研究新場須五段在不同埋深階段地層水中天然氣的溶解度提供了思路和途徑。

3 不同埋深狀態(tài)下新場須五段地層水中CH4溶解度

新場須五段初始產出水就具有較高的礦化度，與須二段產出水初期主要為礦化度非常低的凝析水[28]有明顯區(qū)別，這表明須五段產出水主要為地層水，受凝析水影響不明顯[27]，因此在白堊紀末區(qū)域性抬升過程中，新場須五段地層水的礦化度和離子組成可能并未發(fā)生明顯的改變，但不同埋深狀態(tài)下，地層溫壓條件具有明顯的差異，使得地層水中甲烷的溶解度也有所不同。

新場地區(qū)須五段實測地層溫壓資料表明，CL562井3 086.3 m和CX96井2 600 m深度實測溫度分別為81.3 ℃和71 ℃，地溫梯度均為21.3 ℃/km；CL562井3 299.1 m和3 536 m深度實測地層壓力分別為59.11 MPa和63.92 MPa，地壓系數為1.84①黎華繼,劉麗萍,陳俊.川西須五氣藏建產潛力分析[R].成都:中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院,2014,1-162.。以XC26井為例，須五段現今平均埋深約為3 000 m，歷史最大埋深約為4 000 m，根據須五段現今實測地層溫壓并結合埋藏史(圖3)，可以推算出須五段現今平均地層溫度和壓力分別為80 ℃和53 MPa，歷史最大埋深期平均地層溫度和壓力則分別為120 ℃和73 MPa，而現今地表產出狀態(tài)下的溫度壓力分別為20℃和0.101 325 MPa(表3)。采用Duan和Mao[14]的數據，通過線性插值法估算這三組溫壓條件下甲烷在1 mol/kg NaCl溶液中的溶解度，并換算為m3/m的單位，在地表、現今埋深和歷史最大埋深溫壓條件下，1 mol/kg NaCl溶液中甲烷的溶解度分別為0.028 m3/m3、3.766 m3/m3和5.324 m3/m3。由于新場須五段地層水與1 mol/kg NaCl溶液中CH4的溶解度具有明顯的可對比性，二者比值在0.6左右，因此新場須五段地層水中甲烷的溶解度分別約為0.017 m3/m3、2.260 m3/m3和3.194m3/m3(表3)。

圖3 川西坳陷新場氣田XC26井埋藏史和地溫史Fig.3 Burial and geothermal histories of the Well XC26 in the Xinchang gas field,Western Sichuan Depression

在現今地表狀態(tài)下，地層水中甲烷的溶解度非常低(0.017 m3/m3)，僅相當于現今埋深狀態(tài)下溶解度的0.75%；此外，由于現今地表產出流體經過了氣水分離，因此現今地表狀態(tài)下地層水中溶解的甲烷可以忽略不計，可以用0來代替(表3)。這表明，現今埋深狀態(tài)下地層水中溶解的天然氣在地表產出后均脫溶出來，每方水可脫溶出約2.26 m3天然氣。新場地區(qū)自白堊紀末開始經歷了區(qū)域性抬升(圖3)，從歷史最大埋深和現今埋深狀態(tài)下的溶解度對比來看，新場須五段地層水中甲烷的溶解度降低了0.934 m3/m3，即在白堊紀末以來的抬升過程中每方水可脫溶出近1 m3天然氣。

水溶氣脫溶成藏機理主要有地層抬升減壓降溫脫溶成藏和順層側向運移減壓脫溶成藏兩種模式[1]。氣源對比研究表明，新場須五段天然氣主要來自該區(qū)須五段自身烴源巖，天然氣沒有表現出大規(guī)模側向運移的跡象[26]，結合埋藏史(圖3)可知，新場須五段水溶氣脫溶以地層抬升減壓降溫脫溶為主。

4 地質歷史時期孔隙度演化影響

前人對川西坳陷須二段、須四段致密砂巖儲層孔隙演化特征開展了深入研究[29-31]，受白堊紀末區(qū)域性抬升(圖3)的影響，川西坳陷須二段、須四段致密砂巖孔隙度演化特征基本一致，大致可以分為兩個階段：①白堊紀末之前的持續(xù)埋深期，在該時期致密砂巖儲層表現出持續(xù)致密化、孔隙度持續(xù)降低的特征，其主要源自機械壓實和膠結作用(自生礦物充填)[29-31]；②白堊紀末之后的持續(xù)抬升期，在該時期致密砂巖儲層表現出孔隙度基本不變的特征[29,31]。姜振學等[32]在不考慮成巖作用影響條件下開展的砂體卸壓實驗表明，砂體在壓實后經歷抬升(卸壓)，孔隙會具有回彈現象；然而陳冬霞等[30]對川西坳陷中段須二段儲層特征研究表明，在地層抬升期依舊存在成巖作用，導致孔隙度的降低。因此，抬升期的砂體卸壓作用和成巖作用對孔隙度的影響效應在一定程度上是相互抵消的，從而導致抬升期致密砂巖儲層孔隙度基本不變。就川西坳陷新場地區(qū)而言，在后期地層發(fā)生抬升期(白堊紀末至現今)，須二段砂巖儲層孔隙度均為4.2%[33-34]，須四段砂巖儲層孔隙度均為9.6%[29,31,33]，均未發(fā)生明顯變化，孝泉地區(qū)須二段、須四段孔隙度同樣未發(fā)生變化，分別為3.3%和7.7%[33]。

目前有關川西坳陷須家河組致密砂巖儲層孔隙度演化的相關研究均針對須二段、須四段，未見到有關須五段的報道。考慮到川西坳陷新場地區(qū)須五段與須二段、須四段致密砂巖儲層時代接近且經歷了基本一致的埋藏史(圖3)，因此推測須五段致密砂巖儲層孔隙度演化趨勢與須二段、須四段基本一致，即白堊紀末之前表現出持續(xù)致密化、孔隙度持續(xù)降低的特征，白堊紀末之后孔隙度基本不變。下面對這兩個階段分別進行論述。

表3 川西坳陷新場須五段不同狀態(tài)下溫壓條件及地層水中甲烷溶解度對比Table 3 Comparison of temperatures,pressures and methane solubility in the T3x5 formation water of the Xinchang gas field in the Western Sichuan Depression under different conditions

* 據Duan和Mao[14]數據采用線性插值法計算而來；#常溫常壓下水中甲烷的溶解度很低，且須五段產出流體在地表經過了氣水分離，因此其中溶解的甲烷可以忽略，所以溶解度用“0”來代表。

在白堊紀末之前，新場地區(qū)須五段被持續(xù)深埋，一方面須五段砂巖儲層持續(xù)致密化，另一方面須五段烴源巖熱演化程度逐漸增大而持續(xù)生烴，孔隙度降低和生烴增壓作用均會導致須五段砂巖儲層中地層水的排出，該階段須五段儲層中流體的賦存狀態(tài)是持續(xù)變化的，因而難以評估，目前尚不具備研究條件。此外，在該階段，隨著地層溫度和壓力的逐漸升高，地層水中甲烷的溶解度呈逐漸增大的趨勢，即地層水在該階段以溶解天然氣為主，而不是脫溶出天然氣。

在白堊紀末之后至現今，新場地區(qū)地層(包括須五段)持續(xù)抬升，須五段砂巖孔隙度基本不變，烴源巖則生烴停滯。考慮到須五段致密砂巖的儲集空間主要為孔隙[25]，在地層厚度、分布面積基本一致的情況下，儲集空間總體積與孔隙度呈正相關，因此可以認為在地層抬升過程中須五段砂巖的總孔隙體積未發(fā)生變化。在這種條件下，須五段致密砂巖儲層中的流體賦存狀態(tài)主要受溫度、壓力和溶解度的控制。由于地層抬升導致溫度和壓力降低，相應的地層水中甲烷的溶解度也有所降低，因此部分天然氣從地層水中脫溶出來。換言之，在地層抬升階段，由于孔隙度基本未發(fā)生變化，因此其對天然氣在地層水中的脫溶基本沒有影響，脫溶量的大小主要取決于不同狀態(tài)下的溫度、壓力和溶解度。

對新場地區(qū)須五段氣藏開發(fā)而言，目前最大的困擾是氣水關系復雜，流體賦存狀態(tài)不清楚[27]，而烴源巖生烴在白堊紀末之后就停滯，即氣藏中的天然氣在白堊紀末之前就已生成，白堊紀末之后的抬升使得氣藏中流體的賦存狀態(tài)發(fā)生了改變，因此，研究最大埋深期至現今埋深狀態(tài)下流體賦存狀態(tài)的變化顯得尤為重要。

5 不同埋深狀態(tài)下須五段流體賦存狀態(tài)

5.1 地表產出須五段流體的氣水比

新場須五段在試采過程中，不同井日產氣量與產水量均具有逐漸同步遞減的特征，表現為較穩(wěn)定的氣水比[27]。至2015年底，除部分井由于產量太低而關井撤站外，單井試采時間均超過500天，因此，可以通過單井總的氣水比來反映地層中流體的氣水比。新場須五段單井總產氣量與氣水比之間具有一定的正相關性(圖4)；22口井中有13口單井總產氣量低于200×104m3，總產氣量高于500×104m3的相對高產井僅有5口。新場須五段單井產出流體總的氣水比介于80～2 000 m3/m3，大多數井的氣水比低于400 m3/m3，單井總產氣量較高(>500×104m3)的井其總的氣水比介于1 000～2 000 m3/m3(圖4)。

5.2 現今埋深狀態(tài)下須五段流體賦存狀態(tài)

新場須五段溫度、壓力和地層水中甲烷溶解度分別用T，p和S來表示，下標0，1，2分別代表現今地表、現今埋深、歷史最大埋深這3種狀態(tài)，相應的參數詳見表3。假設新場須五段現今埋深狀態(tài)下砂巖總孔隙體積為V，孔隙中均被流體(天然氣和地層水)所充填，其中游離氣和地層水(其中含水溶氣)所占體積比例分別為x和1-x。在試采過程中溫壓變化導致地層水體積的變化可以忽略不計，即V0-水=V1-水=V(1-x)，則水溶氣在地表溫壓下的體積為V1-水S1=V(1-x)·S1，而天然氣體積的變化可以根據理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT來進行估算。

現今地表狀態(tài)產出的天然氣總摩爾量為n0-氣=p0V0-氣/(RT0)，而在現今地層埋深狀態(tài)下這些天然氣表現為游離態(tài)和溶解態(tài)兩種，總摩爾量n1-氣為：

(1)

式中：n1-氣為現今埋深下天然氣總量，mol；n1-游離氣為現今埋深下游離氣總量，mol；n1-水溶氣為現今埋深下水溶氣總量，mol；p1為現今埋深下地層壓力，Pa；p0為現今地表

圖4 川西坳陷新場氣田須五段單井氣水比與總產氣量相關圖Fig.4 Correlation diagram of the gas/water ratio and total gas output of single well in T3x5 in the Xinchang gas field in the Western Sichuan Depression

大氣壓力，Pa；R為理想氣體常數，取8.314 Pa·m3·mol-1·K-1；S1為現今埋深下地層水中甲烷溶解度，m3/m3；T1為現今埋深下地層溫度，K；T0為現今地表溫度，K；V為現今埋深下砂巖總孔隙體積，m3；V1-氣為現今埋深下天然氣體積，m3；V1-水為現今埋深下地層水體積，m3；x為現今埋深下游離氣在地層孔隙中所占體積比例，小數。

由于不同狀態(tài)下天然氣的總量不變，即n0-氣=n1-氣。

式中：n0-氣為現今地表狀態(tài)下天然氣總量，mol。

結合理想氣體狀態(tài)方程和式(1)可得

p0V0-氣/(RT0)=p1Vx/(RT1)+p0V(1-x)S1/(RT0)

(2)

換算可得

V0-氣=p1T0Vx/(p0T1)+V(1-x)S1

(3)

因此，現今產出流體的氣水比r0-氣/水為：

(4)

式中：r0-氣/水為現今產出流體的氣水比，小數。

該方程式可以分別轉化為如下兩種格式：

x/(1-x)=p0T1(r0-氣/水-S1)/(p1T0)

(5)

x=1/{1+p1T0/[p0T1(r0-氣/水-S1)]}

(6)

由此可見，現今地層狀態(tài)下游離氣和地層水所占的體積比例x和1-x可以根據溫度、壓力、產出氣水比和地層水中甲烷的溶解度計算得到。

此外，結合式(1)可知，在現今埋深狀態(tài)下，須五段中游離氣與水溶氣的比例為：

(7)

式中：r1-游離氣/水溶氣為現今埋深下地層中游離氣與水溶氣的比例，小數。

將方程式(5)或(6)代入方程式(7)，即

(8)

因此，在現今埋深狀態(tài)下，游離氣與水溶氣的比例可以根據地層水中甲烷的溶解度和現今地表產出流體的氣水比計算得到，進而可以得出游離氣和水溶氣各自所占比例。

由于新場須五段單井產出流體總的氣水比存在一定的差異(圖4)，將現今地表和現今平均埋深狀態(tài)下的溫度、壓力和溶解度(表3)及不同的氣水比分別代入公式(6)和(8)，可以計算得到在現今埋深狀態(tài)下游離氣和地層水所占的體積比例、游離氣和水溶氣的比例，并進一步計算得出游離氣和水溶氣在總天然氣中所占的比例。計算結果(表4)表明，在現今平均埋深狀態(tài)下，氣水比越高，一方面反映出地層孔隙中游離氣所占的體積比例越大，而地層水所占體積比例越小(圖5a)；另一方面反映出總的天然氣中游離氣的比例越大，而水溶氣占的比例越小(圖5b)。從整體上看，盡管須五段現今產出流體的氣水比有一定的差異，但反映出來的游離氣的比例均高于97%，而水溶氣的比例均不足3%(表4；圖5b)，即以游離氣為主導，而水溶氣所占比例非常低。

表4 川西坳陷新場須五段不同埋深狀態(tài)和氣水比條件下不同流體所占比例Table 4 The proportions of fluids in T3x5 in the Xinchang gas field under different burial depths and gas/water ratios in the Western Sichuan Depression

圖5 川西坳陷新場須五段不同埋深狀態(tài)下地層孔隙中不同流體所占比例Fig.5 Volumetric proportions of different fluids in the pores of T3x5 in the Xinchang gas field in the Western Sichuan Depression under different burial depthsa.游離氣和地層水所占體積比例與氣水比關系；b.天然氣中水溶氣和游離氣所占比例與氣水比關系

5.3 歷史最大埋深狀態(tài)下須五段流體賦存狀態(tài)

新場地區(qū)白堊紀末以來發(fā)生的區(qū)域性抬升使得須五段溫度和壓力降低，地層中的游離氣體積發(fā)生膨脹，擠占了原先地層水占據的部分孔隙空間使得部分地層水被排出。由于在現今埋深條件下天然氣以游離氣為主，水溶氣所占比例很低(表4；圖5)，因此可以認為在地層抬升過程中只有地層水的排出而天然氣未發(fā)生明顯的逸散損失，且地層抬升過程中砂巖的總孔隙體積V未發(fā)生變化，如果最大埋深期游離氣和地層水占據的體積比例分別為y和1-y，則相應的游離氣和地層水體積為Vy和V(1-y)，水溶氣在常溫常壓下的體積則為V(1-y)S2。

由于假設在地層抬升過程中天然氣總摩爾量沒有損失，結合理想氣體狀態(tài)方程可知：

(9)

式中：n2-氣為最大埋深下天然氣總量，mol；n2-游離氣為最大埋深下游離氣總量，mol；n2-水溶氣為最大埋深下水溶氣總量，mol；p2為最大埋深下地層壓力，Pa；S2為最大埋深下地層水中甲烷溶解度，m3/m3；T2為最大埋深下地層溫度，K；V2-氣為最大埋深下天然氣體積，m3；y為最大埋深下游離氣在地層孔隙中所占體積比例，小數。

將式(1)代入式(9)可得：

(10)

兩邊同時約去V和R，并轉換可得

(11)

因此，歷史最大埋深期游離氣和地層水所占的體積比例y和1-y可以根據不同狀態(tài)下的溫度、壓力、溶解度及現今埋深狀態(tài)下游離氣所占的體積比例計算得到。

此外，在最大埋深狀態(tài)下，須五段中游離氣與水溶氣的比例為：

(12)

式中：r2-游離氣/水溶氣為最大埋深下地層中游離氣與水溶氣的比例，小數。

據此可以計算得出歷史最大埋深狀態(tài)下游離氣與水溶氣的比例，進而可以得出游離氣和水溶氣各自所占比例。

將不同狀態(tài)下的溫度、壓力、溶解度、不同氣水比對應的現今埋深狀態(tài)下游離氣所占的體積比例(表3)分別代入公式(11)和(12)，可以計算得到在歷史最大埋深狀態(tài)下游離氣和地層水所占的體積比例、游離氣和水溶氣的比例，并進一步計算得出游離氣和水溶氣在總天然氣中所占的比例。計算結果(表4)表明，在歷史最大埋深狀態(tài)下，氣水比越高，地層孔隙中游離氣所占的體積比例越大，而地層水所占體積比例越小(圖5a)；總的天然氣中游離氣的比例越大，而水溶氣占的比例越小(圖5b)。從整體上看，盡管須五段現今產出流體的氣水比有一定的差異，但反映出來的游離氣的比例均高于95%，而水溶氣的比例均不足5%(表4；圖5b)，表明在歷史最大埋深狀態(tài)下，須五段天然氣仍然以游離氣為主，水溶氣所占比例較低。

5.4 不同埋深狀態(tài)下須五段流體賦存狀態(tài)對比

現今產出流體的氣水比差異比較大(圖4)，相應的現今平均埋深和歷史最大埋深狀態(tài)下游離氣和地層水均共存，表明氣水分異不明顯，且在孔隙中二者所占體積比例分布范圍也較廣(圖5a)，表明地層狀態(tài)下流體的賦存狀態(tài)具有明顯的不均一性，同時也說明須五段氣藏連通性相對較差，并沒有統一的氣水界面。

在不同埋深狀態(tài)下，氣水比均與地層孔隙中游離氣所占的體積比例呈正相關，而與地層水所占體積比例呈負相關(圖5a)。除部分高產井外，新場須五段現今產出流體的氣水比多數小于400 m3/m3(圖4)，反映出在地層現今平均埋深和歷史最大埋深狀態(tài)下，游離氣在孔隙中所占體積比例普遍小于50%，而地層水所占體積比例則多數高于50%；對于單井總產氣量較高(>500×104m3)的井而言，其總的氣水比介于1 000～2 000 m3/m3，反映出游離氣所占體積比例大于50%，而地層水所占比例低于50%(圖5a)。白堊紀末以來的區(qū)域性抬升使得地層溫度、壓力降低(表3)，導致須五段中游離氣體積發(fā)生膨脹，所占體積比例略有增大，同時地層水被驅替排出，其所占體積比例有所降低(圖5a)。

在不同埋深狀態(tài)下，氣水比均與總天然氣中游離氣所占的比例呈正相關，而與水溶氣所占比例呈負相關(圖5b)。水溶氣根據其形態(tài)可以劃分為兩種相態(tài)，一種是游離態(tài)，其為早期溶解在水中的天然氣后期脫溶而形成，另一種是溶解態(tài)，即當前仍以溶解態(tài)賦存于地層水中[4]。新場地區(qū)白堊紀末以來經歷的區(qū)域性抬升(圖3)使得須五段地層水中甲烷的溶解度降低了0.934m3/m3(表3)，反映到氣藏中具體表現為溶解態(tài)水溶氣總量降低，部分水溶氣轉變?yōu)橛坞x態(tài)，即脫溶變?yōu)橛坞x氣，因此在總的天然氣中游離氣所占比例增大而水溶氣所占比例降低(圖5b)。在不同埋深狀態(tài)下，不同的氣水比均反映出須五段天然氣以游離氣為主，而水溶氣所占比例不足5%(表4；圖5b)。根據溶解度的差異可以計算得出，在地層抬升過程中，有約29.3%[=(3.194-2.260)/3.194×100%]的水溶氣從溶解態(tài)轉為游離態(tài)，即脫溶成為游離氣。

前人研究表明，川中地區(qū)由于晚白堊世以來抬升幅度明顯大于川西坳陷，因此每方水脫溶出的天然氣量可達2m3，須家河組地層水脫溶氣的總體積可達1.53×1012m3以上[1]，其中廣安地區(qū)須家河組水溶氣脫溶量就達1.6×1011m3[4]，這表明川中地區(qū)須家河組水溶氣資源非?？捎^。川西坳陷新場須五段砂巖孔隙度平均僅為2.14%，含水飽和度普遍分布在50%左右①黎華繼,劉麗萍,陳俊.川西須五氣藏建產潛力分析[R].成都:中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院,2014.，分布面積和平均厚度分別約為775×106m2和233 m，根據現今埋深期和歷史最大埋深期地層水中甲烷溶解度分別為2.260 m3/m3和3.194 m3/m3(表3)計算可知，其水溶氣總量分別約為4.37×109m3和6.17×109m3，這表明新場須五段地層水在白堊紀末以來的抬升過程中脫溶出了約1.8×109m3的天然氣，其資源規(guī)模明顯小于川中地區(qū)須家河組水溶氣資源。

6 結論

1) 川西坳陷新場須五段地層水中甲烷溶解度的實驗表明，在溫壓相對較高條件下，須五段地層水與1 mol/kg NaCl溶液中CH4的溶解度比值均在0.6左右，二者具有明顯的可對比性，因而可以根據特定溫壓條件下1 mol/kg NaCl溶液中CH4的溶解度來估算相應溫壓條件下新場須五段地層水中CH4的溶解度，估算所得在現今平均埋深和歷史最大埋深狀態(tài)下須五段地層水中甲烷的溶解度分別約為2.260 m3/m3和3.194 m3/m3。

2) 受白堊紀末以來地層抬升影響，新場須五段水溶氣脫溶主要是地層抬升減壓降溫脫溶。須五段單井產出流體總氣水比介于80～2 000 m3/m3，其與地層孔隙中游離氣和地層水所占的體積比例分別呈正相關和負相關；除部分高產井外，多數井的氣水比低于400 m3/m3，反映出在不同埋深狀態(tài)下，游離氣和地層水在孔隙中所占體積比例分別普遍低于和高于50%。白堊紀末以來地層溫壓降低，使得須五段中游離氣體積發(fā)生膨脹，所占體積比例略有增大，同時地層水被驅替排出，其所占體積比例有所降低。

3) 新場須五段氣水比與總天然氣中游離氣和水溶氣所占的比例分別呈正相關和負相關。白堊紀末以來區(qū)域性抬升使得須五段地層水中甲烷的溶解度降低，導致氣藏中部分水溶氣脫溶出來，因此在總的天然氣中游離氣所占比例增大而水溶氣所占比例降低。在不同埋深狀態(tài)下，不同的氣水比均反映出須五段天然氣以游離氣為主，而水溶氣所占比例不足5%。溶解度差異表明，在地層抬升過程中，有約29.3%的水溶氣脫溶成為游離氣，新場須五段地層水共脫溶出了約1.8×109m3的天然氣。

致謝：劉光祥教授對相關工作給予了悉心指導，王君博士與作者進行了有益的討論，審稿專家對稿件修改提出了寶貴意見，資料收集和樣品采集得到了中國石化西南油氣分公司的大力協助，樣品分析測試得到了中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質研究所和國土資源部南京礦產資源監(jiān)督檢測中心的支持，在此一并表示衷心的感謝！

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