一种多参数地球化学指标重建天然气运聚成藏过程的方法与流程

本发明涉及天然气运移和成藏技术领域，特别是针对天然气运移相态的判断以及天然气运聚成藏过程的重建，具体地，涉及一种多参数地球化学指标重建天然气运聚成藏过程的方法。

背景技术：

对天然气运移相态进行有效的判断，并重建天然气运聚成藏过程，对于寻找有利勘探目标具有重要作用。

前人针对天然气运移中的有机、无机地球化学示踪指标等开展了多轮研究。曹剑等(“准噶尔盆地储层的锰元素及其原油运移示踪作用”，《石油学报》，2009年)发现碳酸盐胶结物中锰元素的含量与含油气丰度呈正相关关系，认为是油源流体中初始富集锰元素并在运移过程中通过流体-岩石的相互作用将锰元素转移到了碳酸盐胶结物中，进而认为锰元素可以作为示踪原油运移的指标。叶素娟等(“川西坳陷中段侏罗系次生气藏地层水化学特征及与油气运聚关系”，《石油实验地质》，2014年)对川西侏罗系次生气藏地层水在垂向和平面上的特征进行了研究，认为低矿化度、高hco3^-浓度的地层水主要分布在构造位置较高或邻近烃源断层的地区，是由须家河组五段烃源岩的黏土矿物转化析出的大量低矿化度层间水与有机质热演化和硫酸盐还原作用形成的烃类和二氧化碳气体在断层沟通下上涌入侏罗系储层造成的，在断层欠发育的地区，地层垂向连通性差，次生气藏难以形成，地层水矿化度较高，hco3^-浓度较低。王鹏等(“地球化学指标示踪天然气运移机理及有效性分析——以川西坳陷侏罗系天然气为例”，《天然气地球科学》，2015年)对常用天然气地球化学指标甲烷(ch4)含量、ic4/nc4(异丁烷含量/正丁烷含量)、氮气(n2)含量、二氧化碳(co2)含量、芳烃/烷烃值天然气运移机理进行分析，认为甲烷(ch4)含量是最有效的天然气运移指标，氮气(n2)含量、芳烃/烷烃值在用于示踪天然气运移时需要充分考虑二者的运移相态，co2含量受碳酸盐矿物溶解影响，ic4/nc4示踪存在争议，都不是良好的示踪指标。叶素娟等(“天然气运移有机-无机地球化学示踪指标——以四川盆地川西坳陷侏罗系气藏为例”，《石油勘探与开发》，2017年)综合了天然气地球化学特征、地层水特征、储集层中碳酸盐胶结物碳、氧同位素及流体包裹体特征等多项有机-无机地球化学指标，分析了天然气的运移相态演变和各项指标的示踪机理。

总结前人已取得的成果可知，关于天然气运移相态的研究方法主要包括天然气地球化学指标、地层水、碳酸盐胶结物碳氧同位素、锰元素含量等方法。目前运用这些指标主要存在以下几个问题：(1)独立使用各项参数进行天然气运移相态和运移路径的判断，结果不确定性较强，因各参数本身受多种因素影响会出现异常现象，譬如天然气地球化学指标虽然应用广泛，但是受烃源岩类型与成熟度、运移距离、运移方式、运移相态、天然气混合作用、细菌氧化或降解作用等各种因素的影响，极易出现不确定性和多解性；地层水化学指标受大气水下渗、泥岩黏土矿物的压实脱水的淡化作用，水岩反应与蒸发、渗流的浓缩作用和深部地层水的上侵混合作用的影响，也会出现异常；(2)前人运用多指标结合判断天然气运移相态和方向，准确度较高，但仅限于解释各种表象，尚未重建天然气运聚成藏过程，对油气勘探部署的指导意义有限。

技术实现要素：

本发明的目的有两个，一是克服现有技术中所存在的独立使用天然气或地层水等地球化学指标进行天然气运移相态和运移路径判断时的不确定性和多解性，二是解决前人综合研究各类指标时，只判断天然气运移相态和运移方向，并不重建天然气运聚成藏过程，从而导致勘探目标的选择难度较大，油气上钻目标的成功率不高的技术问题，提供一种多参数地球化学指标重建天然气运聚成藏过程的方法，从而对油气勘探部署提供指导。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种多参数地球化学指标重建天然气运聚成藏过程的方法，包括以下步骤：

步骤一：确定研究区天然气地球化学指标、地层水地球化学指标、碳酸盐胶结物碳氧同位素、碳酸盐胶结物微量元素的垂向和平面变化特征。

步骤二：根据步骤一所述的垂向和平面变化特征，确定天然气运移相态和运移方向，最终得到的天然气运移相态和运移方向，由四个指标按照大数定律得到，可避免独立使用各项参数确定天然气运移相态和运移方向的不确定性和多解性。

步骤三：根据步骤二得到的天然气运移相态和运移方向，并结合研究区带有时间特征的孔隙特征、构造演化特征和断层演化特征重建研究区天然气运聚成藏过程，从而能对天然气成藏进行合理的解释，该研究成果对研究区天然气的勘探部署具有重要的指导意义，能够更好的指导研究区勘探目标的选择，提高油气上钻目标的成功率。

优选的，在所述步骤一中，所述天然气地球化学指标包括甲烷含量、c1/c2(甲烷含量/乙烷含量)、氮气含量、芳烃含量/烷烃含量、甲烷碳同位素含量中的一种或数种。

优选的，在所述步骤一中，所述地层水地球化学指标指地层水中所含各种离子含量及其相互数学组合关系，包括钾离子含量、钠离子含量、钙离子含量、镁离子含量、氯离子含量、硫酸根离子含量、碳酸氢根离子含量、钠钾比、矿化度(单位体积地层水中溶解的固体物质的总和)等指标中的一种或者数种。

优选的，在所述步骤一中，所述碳酸盐胶结物碳氧同位素包括碳酸盐胶结物中的碳同位素和氧同位素。

优选的，在所述步骤一中，所述碳酸盐胶结物微量元素包括碳酸盐胶结物中的铁元素、锰元素中的一种或数种。

优选的，在所述步骤二中，天然气运移相态包括游离相和水溶相。具体的判别原理如下：

(1)天然气地球化学指标

(1a)在没有其他因素的影响下，甲烷(ch4)含量、c1/c2(甲烷含量/乙烷含量)、氮气(n2)含量沿着天然气运移方向表现出逐渐增加的趋势，且不受运移相态的影响；

(1b)在没有其他因素的影响下，芳烃含量/烷烃含量受天然气运移相态的影响，当天然气以水溶相运移为主时，沿着天然气运移方向，芳烃含量/烷烃含量会增加；当天然气以游离相运移为主时，沿着天然气运移方向，芳烃含量/烷烃含量会降低；

(1c)在没有其他因素的影响下，当天然气以水溶相运移为主时，沿着天然气运移方向，甲烷碳同位素(δ¹³c1)变小；当天然气以游离相运移为主时，沿着天然气运移方向，甲烷碳同位素(δ¹³c1)变大。

(2)地层水地球化学指标

地层水是天然气运移的主要载体，当天然气来源相同，地层水中的各项指标变化可以用于判断天然气的运移方向和运移相态。在垂向和平面上，当地层水各项地球化学指标(k⁺、na⁺、ca⁺、mg⁺、cl^-、so4^2-、hco3^-、矿化度的含量及其数学相互组合关系等)近似或相同时，说明天然气以水溶相运移为主，当地层水各项地球化学指标差异较大或完全不同时，说明天然气以游离相运移为主。

(3)碳酸盐胶结物碳氧同位素

碳酸盐胶结物碳同位素可以指示成岩流体中碳的来源。根据自然界碳同位素分馏机理，正常海相碳酸盐岩的碳酸盐胶结物的δ¹³c值较高，主要分布在-4‰～4‰之间，属于无机碳源。当δ¹³c值小于-4‰时，以有机碳源为主，说明包含了有机成因co2的流体参与了碳酸盐胶结物的沉淀。碳酸盐胶结物中碳同位素值越小，表明受含有机co2的流体作用越强烈，天然气以水溶相运移为主。碳酸盐胶结物中碳同位素值越大，表明受含有机co2的流体作用越微弱，天然气以游离相运移为主。

碳酸盐胶结物中氧同位素可以指示胶结物形成时成岩流体的温度。氧同位素值越负，说明成岩流体温度越高。

(4)碳酸盐胶结物微量元素

碳酸盐胶结物微量元素主要包含铁(fe)、锰(mn)等元素中的一种或者数种，其元素含量主要取决内部与外部两种因素。内部因素是碳酸盐胶结物自身微量元素的初始丰度，外部因素是油气运移过程中流体所含元素对碳酸盐胶结物产生的影响。在垂向和平面上，当碳酸盐胶结物微量元素含量与初始丰度有较大差异或完全不同时，说明碳酸盐胶结物受到来自外部油气运移过程中的流体的影响，天然气以水溶相运移为主，当碳酸盐胶结物微量元素含量与初始丰度差异较小或基本相同时，说明碳酸盐胶结物受到来自外部油气运移过程中的流体的影响较小，天然气以游离相运移为主。

在确定天然气运移相态和运移方向时，可按照大数定律，选取四个指标指向的次数较多的运移相态和运移方向作为最终结果，同时可对发生异常的指标的异常原因进行研究，从而进一步指导研究工作。

优选的，在所述步骤三中，孔隙特征包括孔隙类型和孔隙度的大小，孔隙类型包括原生孔隙和次生孔隙。

优选的，在所述步骤三中，所述孔隙度的大小通过钻取单井岩心样品进行实验分析获得；所述孔隙类型通过显微镜下对铸体薄片观察获得。

优选的，在所述步骤三中，所述构造演化特征包括构造的形成以及生长过程，所述断层演化特征包括断层的形成以及生长过程。

优选的，在所述步骤三中，所述构造演化特征通过以下步骤获得：

步骤a：综合利用研究区内钻井、测井、地震、地质等各种资料，建立区域构造研究的骨架地震剖面，进行层位追踪和构造解释，确定不整合样式，获得不同层系的现今构造图和地层残余厚度图；

步骤b：运用镜质体反射率法对剥蚀厚度进行恢复，编制不同地质历史时期的剥蚀厚度图；

步骤c：利用沉积相、岩石类型、碳酸盐胶结物的平面分布进行去压实校正和古水深校正；

步骤d：利用模拟软件在现今构造图、残余厚度图、剥蚀厚度图的基础上，结合去压实和古水深参数，恢复不同地质历史时期的古构造图，从而对研究区不同地质历史时期的构造位置进行对比。

优选的，在所述步骤三中，所述断层演化特征通过以下步骤获得：

步骤e：在上述构造演化特征的基础上，根据断层所在的构造位置、断层平面展布特征、纵向上切割层位以及断层彼此之间的接触关系，进行平衡剖面的恢复；

步骤f：在平衡剖面恢复的基础上，对不同断层的形成期次进行判断，取得不同地质历史时期研究区断层的发育特征。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明在充分考虑了天然气、地层水、碳酸盐胶结物碳氧同位素、碳酸盐胶结物微量元素的各种影响因素的基础上，通过多参数多地球化学指标，来综合分析判断天然气的运移相态，并结合孔隙特征和构造演化特征重建了天然气的运聚成藏过程。与同类研究相比，本发明提供的方法避免了独立使用各项参数确定天然气运移相态的不确定性和多解性，并重建了天然气的运聚成藏过程，该研究成果对研究区天然气的勘探部署具有重要的指导意义，能够更好的指导研究区勘探目标的选择，提高油气上钻目标的成功率。

附图说明：

图1是本发明所述的一种多参数地球化学指标重建天然气运聚成藏过程的方法的流程图。

图2是本发明重建的天然气运聚成藏过程的模式图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1所示，一种多参数地球化学指标重建天然气运聚成藏过程的方法，包括以下步骤：

步骤一：确定研究区天然气地球化学指标、地层水地球化学指标、碳酸盐胶结物碳氧同位素、碳酸盐胶结物微量元素的垂向和平面变化特征。其中：

所述天然气地球化学指标包括甲烷(ch4)含量、c1/c2(甲烷含量/乙烷含量)、氮气(n2)含量、芳烃含量/烷烃含量、甲烷碳同位素(δ¹³c1)含量中的一种或数种。

所述地层水地球化学指标指地层水中所含各种离子含量及其相互数学组合关系，包括钾离子(k⁺)含量、钠离子(na⁺)含量、钙离子(ca⁺)含量、镁离子(mg⁺)含量、氯离子(cl^-)含量、硫酸根离子(so4^2-)含量、碳酸氢根离子(hco3^-)含量、钠钾比(na⁺/k⁺)、矿化度(tds，单位体积地层水中溶解的固体物质的总和)等指标中的一种或者数种。

所述碳酸盐胶结物碳氧同位素包括碳酸盐胶结物中的碳同位素(δ¹³c)和氧同位素(δ¹⁸o)。

所述碳酸盐胶结物微量元素包括碳酸盐胶结物中的铁元素(fe)、锰(mn)等元素中的一种或数种。

步骤二：根据步骤一所述的垂向和平面变化特征，确定天然气运移相态和运移方向，其中天然气运移相态包括游离相和水溶相两种。具体的判别原理如下：

(1)天然气地球化学指标

(1a)在没有其他因素的影响下，甲烷(ch4)含量、c1/c2(甲烷含量/乙烷含量)、氮气(n2)含量沿着天然气运移方向表现出逐渐增加的趋势，且不受运移相态的影响；

(1b)在没有其他因素的影响下，芳烃含量/烷烃含量受天然气运移相态的影响，当天然气以水溶相运移为主时，沿着天然气运移方向，芳烃含量/烷烃含量会增加；当天然气以游离相运移为主时，沿着天然气运移方向，芳烃含量/烷烃含量会降低；

(1c)在没有其他因素的影响下，当天然气以水溶相运移为主时，沿着天然气运移方向，甲烷碳同位素(δ¹³c1)变小；当天然气以游离相运移为主时，沿着天然气运移方向，甲烷碳同位素(δ¹³c1)变大。

(2)地层水地球化学指标

地层水是天然气运移的主要载体，当天然气来源相同，地层水中的各项指标变化可以用于判断天然气的运移方向和运移相态。在垂向和平面上，当地层水各项地球化学指标(k⁺、na⁺、ca⁺、mg⁺、cl^-、so4^2-、hco3^-、矿化度的含量及其数学相互组合关系等)近似或相同时，说明天然气以水溶相运移为主，当地层水各项地球化学指标差异较大或完全不同时，说明天然气以游离相运移为主。

(3)碳酸盐胶结物碳氧同位素

碳酸盐胶结物碳同位素可以指示成岩流体中碳的来源。根据自然界碳同位素分馏机理，正常海相碳酸盐岩的碳酸盐胶结物的δ¹³c值较高，主要分布在-4‰～4‰之间，属于无机碳源。当δ¹³c值小于-4‰时，以有机碳源为主，说明包含了有机成因co2的流体参与了碳酸盐胶结物的沉淀。碳酸盐胶结物中碳同位素值越小，表明受含有机co2的流体作用越强烈，天然气以水溶相运移为主。碳酸盐胶结物中碳同位素值越大，表明受含有机co2的流体作用越微弱，天然气以游离相运移为主。

碳酸盐胶结物中氧同位素可以指示胶结物形成时成岩流体的温度。氧同位素值越负，说明成岩流体温度越高。

(4)碳酸盐胶结物微量元素

碳酸盐胶结物微量元素主要包含铁(fe)、锰(mn)等元素中的一种或者数种，其元素含量主要取决内部与外部两种因素。内部因素是碳酸盐胶结物自身微量元素的初始丰度，外部因素是油气运移过程中流体所含元素对碳酸盐胶结物产生的影响。在垂向和平面上，当碳酸盐胶结物微量元素含量与初始丰度有较大差异或完全不同时，说明碳酸盐胶结物受到来自外部油气运移过程中的流体的影响，天然气以水溶相运移为主，当碳酸盐胶结物微量元素含量与初始丰度差异较小或基本相同时，说明碳酸盐胶结物受到来自外部油气运移过程中的流体的影响较小，天然气以游离相运移为主。

步骤三：根据所述步骤二中的天然气运移相态和运移方向，并结合研究区孔隙特征、构造演化特征和断层演化特征重建研究区天然气运聚成藏过程。

以下再通过具体的实施例对本发明进行详细描述，其中，天然气的ch4、n2等地球化学指标通过采取天然气样品在实验室用仪器测定得到，含量单位为摩尔百分含量；地层水的k⁺、na⁺、矿化度等组分地球化学指标通过采取地层水样品在实验室用仪器测定得到，单位为mg/l；其他参数如钠钾比(na⁺/k⁺)等通过各组分之间的数学关系组合得到；碳酸盐胶结物碳同位素(δ¹³c)、氧同位素(δ¹⁸o)通过采取岩心样品在实验室用仪器测定得到，单位为‰；碳酸盐胶结物微量元素fe、mn含量等通过采取岩心样品进行电子探针实验分析测得，单位为％。

实施例1

如图1所示，一种多参数地球化学指标重建天然气运聚成藏过程的方法，包括以下步骤：

步骤一：确定研究区天然气、地层水、碳酸盐胶结物碳氧同位素、碳酸盐胶结物微量元素等地球化学指标的垂向和平面变化特征。

(1)通过实验分析测定天然气中ch4、n2等组分的具体含量，再通过数学关系计算c1/c2值，进而分析研究区天然气地球化学指标中的一种或数种指标的垂向和平面变化特征。本发明选取c1/c2值作为代表指标，结果如表1所示，在垂向上：南部聚源地区上沙溪庙组c1/c2值(26％)与下沙溪庙组(26.64％)基本相同，北部金马地区上沙溪庙组c1/c2值(19.5％)小于下沙溪庙组(31.25％)；在平面上：上沙溪庙组表现为北部金马地区低于南部聚源地区，下沙溪庙组表现为北部金马地区高于南部聚源地区。

表1天然气地球化学指标

(2)通过实验分析测定地层水中k⁺、na⁺、mg²⁺、ca²⁺、cl^-、so4^2-、hco3^-等离子的具体含量和总的矿化度，再通过数学关系计算na⁺/k⁺值，进而分析研究区地层水地球化学指标的垂向和平面变化特征。本发明选取k⁺、na⁺、hco3^-和矿化度作为代表指标。结果显示：垂向上，下沙溪庙组具有相对低k⁺(100.95mg/l)、高na⁺(18217.33mg/l)、低hco3^-(77.13mg/l)和高矿化度(63376.02mg/l)的特征，上沙溪庙组具有相对高k⁺(559.4～1305mg/l)、低na⁺(600～9370mg/l)、高hco3^-(139.5～505.7mg/l)和低矿化度(4956.9～27840.2mg/l)的特征。平面上，由于下沙溪庙组缺乏样品，不作对比分析。上沙溪庙组，研究区北部金马地区矿化度低于聚源地区。

表2地层水地球化学指标

(3)通过实验分析测定碳酸盐胶结物碳同位素(δ¹³c)和氧同位素(δ¹⁸o)值。结果表明：垂向上，下沙溪庙组碳同位素普遍小于-4‰，氧同位素普遍小于-13‰，上沙溪庙组碳同位素普遍大于-4‰，氧同位素普遍大于-13‰，下沙溪庙组比上沙溪庙组具有相对较负碳氧同位素；平面上，下沙溪庙组聚源构造比金马构造具有相对较负碳氧同位素值。

(4)通过实验分析测定碳酸盐胶结物微量元素含量，本发明选取锰(mn)含量作为代表指标。结果表明：垂向上，下沙溪庙组锰(mn)含量高于上沙溪庙组；平面上，北部金马地区锰(mn)含量低于南部聚源地区。

步骤二：根据步骤一所述的垂向和平面变化特征，确定天然气运移相态和运移方向。

根据上述步骤确定的天然气、地层水、碳酸盐胶结物碳氧同位素、碳酸盐胶结物微量元素等地球化学指标在垂向上和平面上的变化特征可以确定，下沙溪庙组天然气以水溶相运移为主，上沙溪庙组天然气以游离相运移为主。

步骤三：根据所述步骤二中的天然气运移相态和运移方向，并结合研究区孔隙特征、构造演化特征和断层演化特征重建研究区天然气成藏过程。

孔隙特征包括孔隙度的大小和孔隙类型。具体的，孔隙度的大小可以通过钻取单井岩心样品进行实验分析获得；孔隙类型可以通过显微镜下对铸体薄片观察获得。通过以上方式确定，研究区下沙溪庙组孔隙度大于上沙溪庙组；孔隙类型下沙溪庙组以次生孔为主，上沙溪庙组以原生孔为主。

具体的，构造演化特征可以通过以下步骤获得：

步骤a：综合利用研究区内钻井、测井、地震、地质等各种资料，建立区域构造研究的骨架地震剖面，进行层位追踪和构造解释，确定不整合样式，获得不同层系的现今构造图和地层残余厚度图。

步骤b：运用镜质体反射率法对剥蚀厚度进行恢复，编制不同地质历史时期的剥蚀厚度图。

步骤c：利用沉积相、岩石类型、碳酸盐胶结物的平面分布进行去压实校正和古水深校正。

步骤d：利用盆地模拟软件在现今构造图、残余厚度图、剥蚀厚度图的基础上，结合去压实和古水深参数，恢复不同地质历史时期的古构造图，从而对研究区不同地质历史时期的构造位置进行对比。

通过上述步骤确定研究区构造由北向南逐渐形成，即金马构造的形成早于聚源构造。

具体的，断层演化特征可以通过以下步骤获得：

步骤e：在上述构造演化的基础上，根据断层所在的构造位置、断层平面展布特征、纵向上切割层位以及断层彼此之间的接触关系，进行平衡剖面的恢复；

步骤f：在平衡剖面恢复的基础上，对不同断层的形成期次进行判断，取得不同地质历史时期研究区断层的发育特征。

通过上述步骤确定研究区主要的断层——彭县断层的演化特征：在燕山中期，彭县断层在金马地区发育；燕山晚期，彭县断层在金马和聚源地区发育，在喜山早期，金马地区发育与彭县断层相接的次级断层，聚源地区次级断层不发育。

总之，本实施例进行天然气、地层水、碳酸盐胶结物碳氧同位素和碳酸盐胶结物微量元素的变化特征与天然气运移相态的确定，再结合孔隙特征、构造和断裂演化特征重建了研究天然气的运聚成藏过程(图2)：

燕山中期：金马地区彭县断层发育，下沙溪庙组金马地区砂体与断层不相接，无油气充注；上沙溪庙组充入以游离相运移为主的相对低熟天然气；聚源地区断层不发育，上、下沙溪庙组均没有油气充注；

燕山晚期：彭县断层发育至聚源地区，下沙溪庙组充入以水溶相为主的相对高熟天然气，上沙溪庙组充入以游离相为主的相对高熟天然气；金马地区下沙溪庙组仍无油气充注，上沙溪庙组与燕山中期相同；

喜山早期：金马地区次生断裂发育，下沙溪庙组沟通烃源断层，储层孔隙度好，充入以水溶相为主的高熟天然气，上沙溪庙组储层物性差，含油气丰度与燕山晚期相同；聚源地区次级断层不发育，砂体含气丰度基本不变。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。