岩石学报  2017, Vol. 33 Issue (4): 1171-1188   PDF    
四川叠合盆地西部中北段深层-超深层海相大型气田形成条件分析
孙玮, 刘树根, 曹俊兴, 邓宾, 宋金民, 王国芝, 袁月, 王浩     
油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 成都理工大学, 成都 610059
摘要: 绵阳-长宁拉张槽的发现,大大地提升了四川叠合盆地西部深层-超深层海相层系的油气勘探前景。本文利用钻井、地震和野外露头资料和前人研究成果系统分析川西深层-超深层油气地质条件和目前发现的雷口坡组气藏的成藏过程。结果表明,四川叠合盆地西部深层-超深层海相层系有以下寒武统为主的多源供烃系统,多时代(震旦系灯影组白云岩,二叠系白云岩和礁滩体,三叠系雷口坡组微生物岩和颗粒白云岩等)储集层叠合,致密碳酸盐岩、巨厚陆相泥质岩和中下三叠统膏盐岩多级封盖,以断裂(及不整合面)和优质储层构成的立体输导网络等,使得深层-超深层海相层系具备形成大气田的基本条件,是原生气藏和次生气藏共存的天然气富集区。近年来,川西发现的中三叠统雷口坡组四段气藏,其可能成藏过程为生烃中心(下寒武统烃源岩等)→生气中心(灯影组和二叠系古油藏等)→储气中心(灯影组和二叠系古气藏等)→保气中心(雷口坡组次生气藏)。这揭示其深层-超深层既可能还存在着符合四中心耦合成藏的原生气藏,也可能发育着次生气藏,极有可能发现新的大气田。
关键词: 四川盆地     深层-超深层     碳酸盐岩     大气田     海相    
Analysis on the formation conditions of large-scale marine deep and super-deep strata gas fields in the middle-northern segments of western Sichuan Superimposed Basin, China
SUN Wei, LIU ShuGen, CAO JunXing, DENG Bin, SONG JinMin, WANG GuoZhi, YUAN Yue, WANG Hao     
State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
Abstract: The discovery of the Lower Cambrian Mianyang-Changning intracratonic sag heavily enhanced the petroleum exploration prospects of the deep to super-deep strata (marine carbonates) in western Sichuan Superimposed Basin (SSB). In this paper, we have used drilling, seismic and outcrop data and combined the results of the previous studies to analyze the petroleum geological conditions of the marine deep to super-deep strata and the petroleum accumulation process of the Middle Triassic Leikoupo Fm. in western SSB. It shows that the petroleum geological conditions are very good in the marine deep to super-deep strata in western SSB. There is a multi-source hydrocarbon-supply system in western SSB, which the Lower Cambrian huge mudstone is the main source rock. The superimposed marine reservoir rocks have developed in western SSB, including the Upper Sinian Dengying Fm. dolomite, Permian reef dolomite, and Middle Triassic Leikoupo Fm. dolomite and microbial rocks, and so on. There is a multi-sealing system of the petroleum accumulations in western SSB, which consisted of tight carbonate rocks, mudstone and gypsum strata. However, the three-dimensional conduit networks were developed, which consisted of faults, fractures, unconformities and high quality reservoir layers. These petroleum geological conditions mentioned above make the marine deep to super-deep strata probably form large-scale petroleum accumulations, and the western SSB is a gas-rich region of both primary gas pools and secondary gas pools because the deep burial made oil be cracked to gas. The formation process of the gas pools discovered in the fourth member of the Middle Triassic Leikoupo Fm. in western SSB probably includes four stages, which are hydrocarbon generating center (Lower Cambrian source rocks, etc.), gas generating center (paleo-oil pools in the Upper Sinian and Permian carbonates, etc.), gas accumulating center (paleo-gas pools in the Upper Sinian and Permian carbonates, etc.) and gas preserving center (the secondary gas pools in the Middle Triassic Leikoupo Fm. Carbonates).
Key words: Sichuan Basin     Deep Strata     Carbonate     Marine     Gas field    

四川叠合盆地西部为板缘突变型盆山结构区,发育典型的冲断带-前陆盆地二元结构 (刘树根等,2011),其上三叠统以上的碎屑岩地层巨厚,不仅致使目前上三叠统之下的海相地层埋深大于4500m (多数地区埋深大于6000m),而且该地区油气区域保存条件较佳。目前四川叠合盆地西部发现的深层 (埋深大于4500m)-超深层 (埋深大于6000m) 海相碳酸盐岩规模性气藏只有中三叠统雷口坡组气藏,其它层位还处于勘探的初期阶段。中三叠统雷口坡组是四川叠合盆地内区域分布最浅的海相碳酸盐岩层系,发现的雷口坡组气田有3个:川西中坝雷三气田,探明储量86.3×108m3;川中磨溪雷一1气田,探明储量349.47×108m3和川东卧龙河雷一1气田,探明储量145.92×108m3(以往划入嘉五段,重新分层后划入雷口坡组)。确定的雷口坡组含气构造或裂缝系统有5个:川中罗渡溪构造,川西南观音场构造和界石场构造,川北龙岗构造和元坝构造。

四川叠合盆地西部早在20世纪50年代就开始勘探海棠铺构造,但未有大的发现。至1968年原地矿部开始钻深探井川19井,1971年12月该井在雷口坡组一段 (T2l1) 发生井喷,产出轻质原油,但储量小,很快枯竭,次年11月测试雷三段 (T2l3),获25.8×104m3/d的高产气流,由此发现了中坝雷三气田。中坝构造钻入与完钻于雷口坡组的井共20口,获工业气井10口,气井成功率50%,天然气探明储量为86.3×108m3(张浩等,2013)。中坝气田的发现,使得川西构造钻探中均将雷口坡组作为一个重要的目的层,自1973年到20世纪80年代末,对认为雷口坡组可能存在有利储集层和良好保存条件的苏码头、油罐顶、老关庙、大兴西、隆丰场、重华堰、青林口、汉王场等构造进行了钻探,但遗憾的是再无第二个中坝气田发现,雷口坡组测试的结果以产水为多。川西中段则因雷口坡组普遍埋深超过6000m,至2006年之前未有探井,虽有部分钻井钻至雷口坡组顶部,但未有发现。

21世纪初,中国石化就开始重视四川叠合盆地西部中段深层-超深层碳酸盐岩的油气勘探,2007年在大圆包构造完钻的龙深1井是当时川西钻探最深的探井 (完钻井深7180m,完钻层位为下三叠统嘉陵江组),虽然未有所突破,但对川西深层油气地质特征有了进一步的认识 (图 1);之后部署了川西中段重点钻探海相深层的系列探井,其中2010年完钻的川科1井 (完钻井深7182m,完钻层位嘉陵江组) 在上三叠统马鞍塘组-中三叠统雷口坡组测试产量86.8×104m3/d,2014年1月彭州1井雷口坡组测试产量115×104m3/d,加上近2年所钻的探井均在雷口坡组有较好的发现,由此可以看出川西中段雷口坡组已具备发现大气田的初步条件。尽管前人对该地区雷口坡组已做了储层和成藏等方面的研究,但并没有完全解释清楚其成藏的过程和机理 (汪华等,2009a罗啸泉和唐桂宾,2012许国明等,2013李书兵等,2016),其主要问题是雷口坡组储集层和烃源的分布特征以及成藏规律并未完全清晰。

图 1 四川叠合盆地西部构造单元划分及钻井位置图 Fig. 1 Tectonic units and well locations in western SSB

前人研究多认为乐山-龙女寺古隆起的剥蚀中心位于现今四川叠合盆地西部 (宋文海,1996; 徐世琦和熊荣国,1999),在剥蚀中心地区,缺失或残留很薄的四川叠合盆地内最重要的下寒武统烃源岩 (徐世琦等,2000许国明和林良彪,2010徐胜林等,2011)。然而,早寒武世绵阳-长宁拉张槽的发现,揭示了四川叠合盆地西部不仅发育巨厚的下寒武统烃源岩,而且可能是全盆地下寒武统烃源岩最厚且质量最佳的地区 (刘树根等, 2013, 2015钟勇等,2013);加之中三叠统雷口坡组微生物白云岩 (刘树根等,2016a) 和中二叠统白云岩优质储层 (汪华等,2014江青春等,2014) 的发现,大大地提升了四川叠合盆地西部的油气勘探前景。

近年来国内外对于深层特别是古生界油气系统的研究开始增多 (段毅和王先彬,1999妥进才,2002石昕等,2005Arouri et al., 2010Katz and Everett, 2016),与之相关的次生油气藏的形成和演化也有较好的实例 (McCullagh and Hart, 2010孙玮等,2011bTingay et al., 2013Hao et al., 2015Wood and Sanei, 2016),已有学者指出中国陆上深层是未来重要的勘探领域 (赵文智等,2014张光亚等,2015何治亮等,2016)。目前四川叠合盆地西部深层-超深层勘探最现实的层位是中三叠统雷口坡组和中二叠统栖霞-茅口组,目前制约其勘探的主要问题有:(1) 烃源不明;(2) 优质储层分布不清;(3) 构造条件复杂及成藏过程不明。本文利用近年来四川叠合盆地勘探新发现和新资料分析川西深层-超深层海相大型气田的形成条件和雷口坡组天然气成藏过程,进而探讨其勘探前景,供学术界和油气勘探界参考。

1 川西深层-超深层大型气田形成条件分析 1.1 川西烃源岩条件 1.1.1 主要烃源岩

目前,对川西深层-超深层烃源层系的认识主要有三套地层,即上三叠统马鞍塘-小塘子组、中三叠统雷口坡组和二叠系。

川西上三叠统马鞍塘 (T3m)-小塘子组 (T3t) 的黑色煤岩和深色泥页岩烃源层厚度约22~150m,主要分布在龙门山山前带,沉积中心主要位于都江堰-安县一带。据川西马鞍塘组20个样品分析,其TOC平均为1.58%;小塘子组26个样品分析,其TOC平均为2.32%,烃源岩质量较好。据叶军 (2003)研究,绵竹、什邡、彭县、蒲江等地T3m的干酪根类型以Ⅰ型为主,有Ⅱ、Ⅲ型;T3t的以ⅡB型为主,有Ⅲ型;九龙山、马鞍塘、中坝、文兴场等地的T3m的以Ⅰ型为主,有Ⅱ型和Ⅲ型;T3t的以Ⅰ、Ⅱ型为主,有Ⅲ型。因此,上三叠统马鞍塘-小塘子组烃源岩既可生油也可生气。

川西雷口坡组是近年来新发现的烃源层系 (许国明等,2013冯动军等,2013),主要发育在大面积分布的雷三、雷四段的泥质白云岩和藻白云岩中。其TOC值一般在0.1%~0.4%,干酪根类型为Ⅰ型。鉴于其TOC值较低,我们认为雷口坡组难以成为大型气田的主要烃源。

二叠系烃源岩主要有龙潭组、吴家坪组和栖霞-茅口组三套地层。川西地区龙潭组为一套以砂岩为主的地层 (赵兵,2001),其生烃能力有限,整个龙门山也未发现以龙潭组为主要采煤的地区。但龙门山北部地区的吴家坪组具有较好的生烃能力,TOC比较高,可达1.27%~1.58%(何江等,2015),但厚度较薄,一般厚约10~30m。中二叠统栖霞-茅口组也具有一定的生烃能力,据张长江等 (2012)对什邡二叠系烃源岩剖面有机碳数据研究表明,栖霞组TOC平均0.65%、茅口组平均0.87%、龙潭组平均0.41%、长兴组平均0.56%,厚度较薄,具有一定的生烃能力。

以上三套是目前大家比较公认的川西地区烃源岩。但也有研究认为上三叠统马鞍塘-小塘子组不是川西雷口坡组气藏的主要烃源岩 (谢刚平,2015)。雷口坡组碳酸盐岩和二叠系可以提供部分烃源,但对大气田的形成其规模和质量显得不够。勘探经验表明,大气田的主要烃源岩TOC一般都是0.5%之上,且具有一定厚度 (刘洛夫和金之钧,2002)。因此,若要在川西深层-超深层形成大气田,须另有优质烃源岩。

四川叠合盆地内深层海相较公认的优质烃源层系有两套,即下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组。在过去的勘探和研究中,因川西海相领域埋藏深,了解较少。特别是在天全一带的都江堰断层以西,震旦系之上覆盖地层为奥陶系及泥盆系,缺失寒武系,因此推断川西部分地区可能缺失下寒武统烃源岩。同时受加里东运动的影响下古生界被剥蚀,特别是志留系全部剥蚀殆尽,下寒武统也被部分剥蚀,据此推测川西主要地区可能缺失这两套四川叠合盆地内部最重要的烃源层系 (黄籍中等,1996徐胜林等,2011)。

但盆地内部的钻探结果表明,在天全以东的HS1井钻遇的下寒武统筇竹寺组黑色泥岩厚有73m (图 2a),在周公1井钻遇该套地层厚15m,龙泉山南段的油1井也揭示了该套黑色页岩的存在。茂汶地区雪隆包以东的地区有下寒武统 (清坪组) 的存在,为黑色碳质板岩、千枚岩。这些都说明在川西可能存在有下寒武统筇竹寺组烃源岩。据刘树根等 (2013, 2015, 2016b) 和钟勇等 (2013)研究表明,四川叠合盆地西部中北段地区是早寒武世绵阳-长宁拉张槽的主体部分,其下寒武统是四川全盆地最发育部位,也可能是下寒武统烃源岩厚度最大、质量最佳地区 (图 2b)。这是我们发现绵阳-长宁拉张槽最重要的意义之一。因此,下寒武统理应是四川叠合盆地西部,尤其是中北段地区最主要的烃源岩。

图 2 绵阳-长宁拉张槽在川西地区的表现及川西古油藏、沥青脉和雷口坡组高产井分布图 Fig. 2 Mianyang-Changning intrarcratonic sag and paleo-oil pools, bitumen veins and high product wells in Leikoupo Fm. in western SSB

图 2c为拉平二叠系阳新统顶面 (标志层) 的剖面图,可以清晰的看出川西受加里东隆升剥蚀的影响,确实剥蚀了大量地层,但由南向北下古生界逐渐增厚,说明古隆起的剥蚀作用是向北减弱的。从该图中可以清晰的看到拉张正断层的存在,与川中的特征非常相似 (刘树根等, 2013, 2016b);孙玮等 (2011a)刘殊等 (2015)也通过地震剖面解释认为川西深部存在一个兴凯地裂运动形成的拉张槽。图 2中HS1井筇竹寺组黑色泥岩的特征具有非常高的GR值,TOC一般都超过2%,达到了优质烃源岩的标准 (罗超等,2014)。

综上所述, 四川叠合盆地西部中北段深层最重要的烃源岩应该是下寒武统筇竹寺组的黑色泥岩,可能是全盆地烃源岩厚度最大和质量最佳的地区;除此之外,其上的二叠系、三叠系烃源层也可以供烃。因此, 川西的烃源岩条件是以下寒武统为主的多源供烃。

1.1.2 沥青脉和古油藏

川西龙门山地区地表有非常多的沥青脉和古油藏 (图 2)。龙门山前山带总共发现古生界沥青脉138条,分布在天井山、矿山梁和田坝三个轴向NE的背斜构造核部。按照沥青脉的产层统计,在古生界产出的138条沥青脉之中,寒武系占122条,奥陶-志留系有16条 (黄第藩和王兰生,2008代寒松等,2009王铁冠和韩克猷,2011),而且这些沥青是降解沥青,说明是古油藏破坏形成。上述学者指出这些沥青脉是来自震旦系-寒武系的古油藏 (图 2图 3)。

图 3 川西北矿山梁沥青脉特征图 Fig. 3 Bitumen veins in Kuangshanliang of the northern segment in western SSB

黄新翠等 (2011)付于真等 (2012)也指出龙门山南段灯影组和二叠系中大量沥青的存在说明龙门山南段发育有一定规模的古油藏。

除灯影组外,王顺玉等 (2006)也发现鱼洞梁、永平1井下三叠统飞仙关组孔、洞中沥青及残余油丰富,并通过分析认为其来自于寒武系泥质烃源岩形成的古油藏。戴鸿鸣等 (2007)罗茂等 (2011)对厚坝侏罗系下沙溪庙组油砂岩分析后指出,其中原油是寒武系泥质烃源岩生成的。邓虎成等 (2008)在天井山泥盆层系发现有油砂。

笔者研究团队曾对龙门山北段的沥青进行过取样分析,龙门山北段震旦系、寒武系中脉状炭沥青以及志留系中沥青具有相同的稀土元素配分曲线,可能为同源。寒武系中各种块状沥青稀土总量高,强烈富轻稀土,重稀土平坦,有轻微的Eu、Ce负异常 (表 1图 4)。据袁宏等 (2007)对下寒武统筇竹寺组的地球化学特征分析,与团队所测数据非常相似,说明沥青的来源可能为下寒武统的泥质岩。

表 1 龙门山构造带北段古沥青以及围岩样品中子活化分析结果表 (×10-6) Table 1 Neutron activation analysis of paleo-bitumen and matrix in the northern segment of Longmen Mountains (×10-6)

图 4 川西北古沥青及围岩球粒陨石标准化微量元素蛛网图 (标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 4 Chondrite-normalized rare earth elements spidergram of paleo-bitumen and matrix in the northern segment in western SSB (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

此外,在川西 (龙门山) 地区,甚至是在推覆带内都发育有古油藏,而且古油藏的规模较大、分布层位多。结合川西古生界地质特征,有理由相信川西深层发育有多个古油藏,其中在川西中北段应该至少发育有灯影组和二叠系两个层位的古油藏。据四中心耦合成藏理论 (刘树根等, 2012, 2016b孙玮等,2011b),这些古油藏是古气藏的主要烃源,推测川西中段中三叠统雷口坡组天然气主要来自这些下伏的古气藏。

除古油藏外,目前川西所发现的海相气藏也推测来自深层的气源,中坝气田的气源就推测可能来自须家河组和古生界烃源岩 (王廷栋等,1989),河湾场二叠系气田来自二叠系烃源岩 (蔡开平等,2003),周公1井二叠系玄武岩气藏可能来自二叠系、下寒武统烃源岩 (杨毅等,2010),双探1井二叠系气田可能来自二叠、志留系烃源岩 (宋晓波等,2016)。这些都表明深层烃源对于气藏形成有重要作用。

综上,川西地区中北段深层-超深层烃源岩发育,龙门山造山带内沥青脉和古油藏发育也证明了这些烃源层为川西提供了大量的液态烃; 此外,深埋高温作用使得深层海相地层中一切能生成天然气的有机质 (干酪根、原油、沥青等) 无论在何处和以何种形态赋存均充分而完全地转化成天然气,致使有机质成气率极高 (刘树根等,2016b)。因此,四川叠合盆地西部中北段深层烃源丰富,这为其大型气田的形成提供了坚实的物质基础。

1.2 川西地区保存条件

川西前陆盆地内部保存条件非常优越,主要从以下几个方面阐述。

1.2.1 膏盐岩分布

川西中三叠统雷口坡组和下三叠统嘉陵江组两套地层的膏盐岩非常发育。膏盐岩一直是非常好的区域盖层 (吴桐等,2016)。据川西所钻深井可知 (表 2),川西坳陷内雷口坡组加上嘉陵江组的膏盐岩在川西分布非常广泛,以川西中南段为中心,向北和向东逐渐减薄,石膏厚度可达200m,平均也超过15m,形成很好的区域盖层。

表 2 川西钻遇三叠系雷口坡组和嘉陵江组岩性及厚度 (m) Table 2 Lithology and thickness (m) of Triassic Leikoupo Fm. and Jialingjiang Fm. of wells in western SSB
1.2.2 陆相碎屑岩地层分布

受川西前陆盆地发育的影响,川西地区上三叠统以上碎屑岩厚度非常大,以川科1井为例,须家河组厚达2485m。侏罗、白垩系分布则以大邑和江油为两个沉降中心,厚度也非常大,如川科1井厚度达2625m。因此,整个川西地区雷口坡组上覆碎屑岩厚度非常大,平均厚度约3500m,且泥质岩厚度也大,形成很好的间接区域盖层

1.2.3 地表剥蚀特征

四川盆地总体发生3000~4000m地表抬升剥蚀量,但川西坳陷地表剥蚀量相对较少,约1000~2000m (刘树根等,2008邓宾等,2009),基于钻井和地表磷灰石裂变径迹热隆升史研究揭示,川西坳陷北段约50~40Ma和20~10Ma曾发生快速抬升剥蚀作用,其地表抬升剥蚀量约2000m,川西坳陷中南段约20~10Ma发生快速抬升剥蚀作用,其地表抬升剥蚀量普遍为1000~2000m (刘树根等,2008邓宾等,2009; Li et al., 2012)。尽管四川盆地范围内新生代地层普遍遭受剥蚀殆尽,但川西坳陷内仍然保留了较厚的白垩系。因此,基于川西坳陷差异性地表剥蚀量和残存陆相地层等,我们推测其陆相地层保存条件未遭受大规模的破坏。加之陆相气藏的存在也说明了这一点。

1.2.4 川西断裂发育特征

受控于扬子板块西缘龙门山褶皱冲断带北西-南东向前展式扩张变形过程 (刘树根等,2009; Liu et al., 2013),川西前陆盆地断裂的形成演化可能也具有相似的盆地向扩张变形与活动、形成演化等过程。川西坳陷内主要隐伏断层有金马-鸭子河断裂带 (即彭州断层)、合兴场-石泉场断裂带和龙泉山断裂带等,其断层构造变形强度、活动特性等也具有盆地向逐渐减弱的总体特征。这些隐伏断层变形与形成演化过程主要受控于龙门山褶皱冲断带,因此推测其对于保存条件的破坏性也具有从盆地边缘向盆地内逐渐减弱的特征,尤其是川西坳陷内巨厚的陆相地层和差异性地表剥蚀量 (刘树根等, 2008, 2011邓宾等,2009Deng et al., 2013),导致坳陷内隐伏断裂可能相对于龙泉山断裂具有更弱的保存条件破坏性。龙门山褶皱冲断带-川西前陆盆地盆山系统中-新生代走向上具有明显的NE-SW向分段式序次性演化趋势 (刘树根等,2009; Deng et al., 2012; Liu et al., 2013),断层构造变形与活动性上龙门山冲断带北段明显强于其中南段,这与2008年汶川地震活动特征一致 (Zhang, 2013)。因此,我们认为川西坳陷中段内隐伏断裂系统相对于坳陷北段内断裂系统可能具有更佳的油气保存条件。

1.2.5 天然地震特征

龙门山天然地震的震中多分布在江油-都江堰断层至茂汶断层之间的区域,北川-映秀断裂和彭灌断裂之间为地震密集区。地震震源在纵向上分布的深度一般为5~20km,而在彭灌断裂下盘地震分布明显减少,进入盆地后,主要分布在彭州断层一线,向东则过渡为稳定无震区。

由天然地震的同震破裂、震中和震源的分布特征综合推断,平面上现今盆地边界断层都江堰-江油断裂主断裂面以东地区地表应具有较佳的保存条件,以西地区地表保存条件较差。映秀-北川断裂以西地区保存条件均较差;都江堰-江油断裂以东地区保存条件较佳;介于这两条断裂之间的区域, 则位于都江堰-江油断裂上盘部分的保存条件差, 其下盘部分保存条件较好。

1.2.6 钻井揭示的保存条件

龙门山北段矿山梁构造钻探有矿1井和矿2井,其中矿2井中二叠统栖霞组产淡水,证明保存条件已被破坏。川西龙门山中段龙深1井主滑脱面上盘不具有保存条件, 但下盘保存条件较佳。安县-都江堰断层的下盘构造带由南段的平落坝、雾中山、大邑构造等至中段的鸭子河、马井构造等均为气田,证明具有较好的保存条件。龙门山南段,洪雅以南的周公山构造所钻的周公1井,震旦系也产淡水 (井深3581~3709m),证明该带也无保存条件。

通过对龙深1井的分析表明,龙深1井主推覆面 (4522m) 以下存在巨厚的石膏层, 其原地系统具有较好的保存条件。此外,从充填物中可发现,推覆面以上的须家河组充填的是方解石和石英,以下的中三叠统天井山组裂缝中充填的是方解石,雷口坡组和嘉陵江组缝洞中充填的是石膏,说明之间流体相互独立,并不连通,各体系间不存在流体交换,从一个侧面反映出滑动面以下的地层具有相对好的保存条件。上部流体体系与下部流体体系互不连通,流体主要是沿断裂带向上运移,并向断层两侧部位充注 (图 5)。

图 5 龙深1井构造解释及流体运移示意图 Fig. 5 Sketch showing the structural interpretation and fluid migration of Longshen 1 well

由前述可知,四川叠合盆地西部深层,尤其是中北段地区,不仅烃源丰富 (烃源岩厚度大、质量佳, 有机质成熟度高, 成气率高),而且保存条件佳。据四川盆地海相油气分布的三级三元联控理论 (刘树根等,2016b),四川叠合盆地西部深层,尤其是中北段地区应是油气非常富集的地区,具有巨大的勘探前景。

1.3 川西储集层条件

近年来川西深层-超深层钻井发现的优质储集层主要有三套:中三叠统雷口坡组微生物白云岩、中二叠统栖霞-茅口组白云岩和上震旦统灯影组白云岩。

1.3.1 中三叠统雷口坡组储集层特征

整个四川盆地雷口坡组储集层主要分为三类,一类是川中为代表的雷一段颗粒白云岩;一类以元坝、龙岗为代表的雷四段风化壳岩溶储集层;一类是以川西中段为代表的雷四段微生物白云岩 (谷顺华,1982李志高, 1993曾德铭,2005汪华等,2009b范志伟,2010秦川等,2012刘树根等, 2016a)。

通过剖面实测、岩心观察、薄片鉴定,发现川西地区雷口坡组微生物碳酸盐岩在雷一段至雷四段均有发育。雷口坡组四段与微生物作用有关的岩石多见于川西地区中部的雷四3亚段,雷四段微生物碳酸盐岩结构类型较丰富,以叠层石、凝块石为主,局部见核形石、泡沫绵层石等 (刘树根等, 2016a; 图 6),其中:凝块石孔隙度0.4%~11%,渗透率 (0.003~85)×10-3μm2,孔隙主要为粒间溶孔、晶间溶孔,孔径多小于1mm,溶孔呈针状或不规则状;叠层石孔隙度0.6%~13%,渗透率 (0.003~710)×10-3μm2,孔隙呈层状分布,孔隙类型为粒间和晶间溶孔,溶孔具有明显组构选择性;凝块石孔隙度0.2%~7%,渗透率 (0.0016~186)×10-3μm2,孔隙性差, 溶孔不发育,仅发育少量微裂缝;为中低孔低渗储集层。微生物碳酸盐岩储集层发育受控于微生物岩类型、发育形态和展布特征,微生物结构控制选择性溶蚀,白云石化作用、埋藏溶蚀作用和晚期热液作用有利于本区微生物碳酸盐岩储集层形成 (刘树根等,2016a)。

图 6 川西中三叠统雷口坡组微生物白云岩储层特征照片 (a) T-1井, T2l4段,叠层石,6200m; (b) T-1井, 凝块叠层石 (-),铸体, T2l4 Fig. 6 Microbial dolomite reservoir photos of Leikoupo Fm. in western SSB

川西除了雷四段微生岩储集层外,雷三段的边缘颗粒滩相也是优质的储集层。中坝产气层位即雷三段,厚100m左右,属台缘粒屑浅滩相,孔隙度一般为2%~5%, 含气面积不大 (13.4km2),但丰度高 (6.4×108m3/km2),探明储量86.30×108m3

川西中段雷口坡组并不发育岩溶型储集层,主要是因为川西中段天井山组 (雷五段)、马鞍塘组和小塘子组沉积稳定,相互间为整合接触。但在川西北部由于缺失天井山组,雷口坡组与上覆上三叠统为不整合接触,因此有可能发育岩溶型储集层。

1.3.2 中二叠统栖霞组-茅口组储层特征

四川盆地中二叠统是研究和勘探开发较早的天然气产层 (主要在川南地区),以碳酸盐岩为主且较为稳定的地层,海相化石极为丰富,对比划分统一,研究程度较高 (黄先平等,2004)。但在川西其储层特征并不清楚,川西北中二叠统在河湾场产气。最近在双鱼石构造钻探的双探1井在茅口组和栖霞组成功测试日获气131.03万立方米 (沈平等,2015)。

川西中二叠统储集层主要分布在栖霞组和茅口组,在天井山-广元杨家崖一线栖霞组厚度在70~130m,储层厚度一般为20~60m。储集岩以中-粗晶白云岩为主,其次是云质“豹斑”灰岩和泥-亮晶生物 (屑) 灰岩。晶粒白云岩的储集性能最好,其余岩性的较差。晶粒白云岩又以中-粗晶白云岩最为常见,其次是具或不具颗粒残余结构的粉-细晶白云岩。其中晶间孔、晶间溶孔、蜂窝状孔洞和溶洞发育,被粗晶白云石、巨晶方解石和沥青半充填,面孔 (洞) 率一般2%~10%,局部可达20%左右,常规平均孔隙度为3.41%,渗透率为21.21×10-3μm2,具有良好的储集性。茅口组具有发育台地边缘生物礁滩相的沉积背景,同时受峨嵋地裂运动的影响,在上-中二叠统之间形成了区域性的不整合面,对中二叠统茅口组碳酸盐岩储层起到了良好的溶蚀改造作用。

众多学者 (黄思静等, 2011, 2014舒晓辉等,2012陈轩等,2012江青春等,2014杨光等,2015) 对川西中二叠统白云岩储层研究后认为其成因与中二叠世末东吴运动期间峨眉山玄武岩喷发时岩浆活动的热效应有关,是热液成因。汪华等 (2014)通过对川中地区栖霞组和茅口组的白云岩研究后认为是热水成因,与热次盆微相有关。

1.3.3 上震旦统灯影组储层特征

目前川西钻至灯影组的井非常少,仅汉深1井和周公1井,野外剖面主要是雅安天全龙门剖面。根据龙门剖面实测表明其主要的岩石类型有藻纹层白云岩、藻砂屑白云岩、藻团块白云岩、核形石白云岩、晶粒白云岩、葡萄状花斑状白云岩、硅质白云岩,另有少量的泡状凝块石白云岩、鲕粒白云岩和角砾状白云岩 (图 7a-c)。

图 7 雅安天全龙门灯影组野外及镜下照片 (a) Z2dn, 葡萄花边构造与沥青; (b) Z2dn,花斑状藻白云岩:重结晶,皮壳间充填少量沥青,单偏光; (c) Z2dn,葡萄状花斑状白云岩,葡萄状构造中充填白云石-沥青-少量硅质,单偏光; (d) Z2dn, 孔洞充填沥青; (e) Z2dn, 葡萄花边构造与沥青; (f) Z2dn, 孔洞内充填大量沥青充填 Fig. 7 Outcrop and microscope photos of Dengying Fm. in Tianquan County, Yaan

龙门剖面震旦系灯影组孔隙类型主要是次生成因的溶孔、溶洞、溶缝、葡萄花边洞,并且有少量的晶间孔和粒间孔。溶蚀孔洞多顺层发育,大小约为1cm×1.5cm~1cm×10cm左右。溶蚀孔洞的发育对岩石组构不具选择性,一般在不整合面下100m范围内较多。葡萄花边洞主要发育在藻纹层白云岩、藻砂屑白云岩、核形石白云岩和泡状凝块石白云岩中,是前期孔洞未被葡萄状白云石完全充填而残留留下的孔隙。从照片中可以清楚的看到大量沥青充填于孔隙之中 (图 7d-f)。

川西南部所钻的汉深1井,震旦系灯影组储集层厚度可达39m,平均孔隙度为3.52%,储层较发育且主要集中在距顶部不整合面100m内。

因此,从储集层条件上来讲,川西纵向上从深至浅有震旦系灯影组、二叠系、三叠系等多套储集层,具有多时代 (Z、P、T) 储集层叠合特征。

1.4 输导体系

由前文可知, 近年来川西深层-超深层钻井发现的优质储集层主要有中三叠统雷口坡组微生物白云岩、中二叠统栖霞-茅口组白云岩和上震旦统灯影组白云岩, 其主要的烃源岩可能为下寒武统。显然, 雷口坡组储层和栖霞-茅口组储层与下寒武统烃源岩并不直接接触, 油气富集需有较好的辅导系统。如, 雷口坡组与下伏下寒武统烃源岩和古油气藏 (震旦系灯影组、二叠系等) 中间相隔了非常厚的地层,储集层与烃源 (烃源岩和古油气藏) 之间需要良好辅导系统才能使下伏烃源向上运移成藏。雷口坡组和嘉陵江组的膏盐岩就像是高压锅盖,封盖了其下的流体向上运移。在这种条件下唯有断层是非常有效的输导体系,特别是勾源断层 (即断层同时断至深层烃源 (或古油气藏) 与雷口坡组)。但是断层又不能像龙门山造山带内的断层那样断至地表,这样会彻底破坏保存条件。因此,适当的断层,一方面断至深层-超深层烃源岩和古油气藏,起到勾源的作用,一方面又不能断至地表,使调整的油气仍保留在地层中。龙门山山前隐伏断裂就是这样一条非常适合的断层。杨克明等 (2004)曹烈等 (2005)罗啸泉 (2005)等都揭示了该断层的存在,该断层隐伏于地下,主要发育在彭州-石羊场一线,是龙门山陆内复合造山带逆冲活动进一步向前陆扩展的结果。该断层向下断入基底,向上主要断入三叠系须家河组,部分地区断至侏罗系,白垩系、第四系受断层影响在断裂带附近有变形。断裂以西地层形成一系列牵引背斜构造,以东地区变形微弱 (图 5),断裂的存在为油气跨层运移提供了条件。

由上可知,川西深层-超深层具有以下寒武统优质的烃源岩为主的多源供烃系统,有包含了优质的雷口坡组滩相、微生物白云岩储集层,中二叠统白云岩储集层和上震旦统灯影组 (微生物) 白云岩储层等多时代储集层叠合层系,有非常佳的盖层 (中下三叠统膏盐岩和巨厚的陆相碎屑岩地层),有断层形成的有效输导体系勾通源储,其油气成藏要素齐备,具备形成大型气田的基本条件, 可能是原生气藏和次生气藏共存的天然气富集区。

2 川西雷口坡组四段油气成藏过程探讨 2.1 龙门山和川西前陆盆地的形成演化

龙门山褶皱冲断带-川西前陆盆地盆山系统是在印支期中国大陆主体拼合和秦岭造山带形成过程中开始发育、燕山期陆内构造活动中继承发展、喜马拉雅期印-亚碰撞和青藏高原隆升过程中遭受改造并定型的 (刘树根等,2009Liu et al., 2013)。印支期受控于龙门山造山带倾向上的前展式扩展和走向上的分段式递进性演化趋势,川西地区受控于板缘负载挠曲作用形成典型的川西前陆盆地,龙门山中北段挤压逆冲和左旋走滑活动强烈,川西前陆盆地具有明显的由北东向南西走向演化过程 (刘树根等,2009Deng et al., 2012),体现为造山期同沉积砾岩、不整合接触关系和沉积中心的逐渐迁移特征。侏罗-白垩纪,构造活动总体上趋于相对平静。川西坳陷有限的砾岩分布及侏罗系-白垩系相对稳定的沉积厚度也暗示龙门山造山带前缘构造平静期的沉积背景。同时,盆缘冲积扇砾岩和沉降中心的迁移说明这一时期龙门山具有由北向南的分段式构造活动特征 (郭正吾等,1996徐强等,2000Meng et al., 2005)。新生代以来,龙门山-川西前陆盆山系统,具明显挤压逆冲、隆升和右旋走滑变形作用,总体具由南西至北东的递进演化过程和变形时序特征,形成了现今龙门山板缘突变型盆山结构构造与地貌特征。因此,龙门山和川西前陆盆地现今构造面貌是扬子陆块向北漂移过程中产生的北西向推挤力、源自秦岭造山带的南北向推挤力和源自青藏高原的东西向推挤力三者联合作用的结果,形成了典型的陆内复合盆山系统。此过程是川西大部分圈闭构造和输导系统形成时期。

2.2 川西雷口坡组四段油气成藏过程探讨

由前述可知,川西深层海相层系有非常好的油气地质条件,但目前勘探程度非常低,没有一个二叠系之下的气藏发现,仅有零星探井产气 (如河深1井奥陶系宝塔组、双探3井泥盆系观雾山组),主要原因是埋藏较深 (普遍超过7000m),因此其是否成藏和成藏过程都是待探讨的问题。目前川西海相在雷口坡组 (含马鞍塘组) 发现有气藏 (中坝和彭州),但有关雷口坡组四段油气成藏的文章并不多。李书兵等 (2016)研究认为多源供烃和优质储层是其成藏的主要因素。对于多源,冯动军等 (2013)谢刚平 (2015)探讨认为其一方面来自雷口坡组自身,一方面可能来自二叠系烃源岩。雷口坡组四段天然气属于高演化天然气,天然气组分受围岩影响较大,尽管对其来源有分歧,但其油型气的特征比较明显 (表 3),推断是油裂解气。但这就产生一个问题,如果是古油藏内的油裂解气,石油裂解产物除天然气外,还有大量的沥青残余 (孙玮等,2007),但通过对目前四川盆地钻遇雷口坡组钻井分析和文献来看,并没有发现雷口坡组内部有明显的沥青段的存在。虽然在雷口坡组发现了一些黑色充填物,对此我们专门进行了扫描电镜分析,扫描电镜下观察深色物质为重晶石 (BaSO4) 和黏土混合物,综合鉴定结果为钻井液。由此证明川西雷口坡组基本上无沥青的存在,也就证明古油藏在雷口坡组并不发育。

表 3 川西雷口坡组天然气特征与川中龙王庙组天然气特征对比表 Table 3 The comparison of gas characteristic between Leikoupo Fm. in western SSB and Longwangmiao Fm. in central SSB

事实上,表 3列举了川西雷口坡组、威远灯影组和磨溪龙王庙组中的天然气特征,发现具有一定的共性,说明深层油裂解气在经过长期演化后,特征是趋向一致的。因此仅从地球化学参数上并不易论证天然气的来源。前述可知,要形成大气田,需要有好的烃源岩,川西多数古油藏都与下寒武统烃源有关 ((王顺玉等,2006戴鸿鸣等,2007黄第藩和王兰生, 2008邓虎成等,2008代寒松等,2009王铁冠和韩克猷,2011黄新翠等,2011罗茂等,2011付于真等,2012),因此, 川西雷口坡组的烃源更有可能主要是来自深部下寒武统烃源岩。

目前分析和研究雷口坡组四段油气成藏具有很大的局限性,但其成藏对于研究更深层的油气前景有重要的指示意义。雷口坡组四段的油气成藏与川西构造演化息息相关,构造对于其成藏有着非常重要的控制作用。四川盆地大气田成藏较为合理的解释都与四中心耦合成藏有关 (刘树根等, 2013, 2015, 2016b; 孙玮等,2011b)。本文利用前述川西深层碳酸盐岩油气地质条件结合构造演化,并采用四中心耦合成藏理论来分析川西雷口坡组四段的可能成藏过程。

生烃中心 (生烃灶) 川西中北段绵阳-长宁拉槽所处区域。图 2中展示了绵阳-长宁拉张槽在川西的特征,大邑一线以北即是拉张槽内的范围。据川中研究结果表明 (刘树根等,2016b杜金虎等,2015) 拉张槽内下寒武统是最佳烃源岩发育区,也是生烃潜力最大的地区,而从地震剖面及野外露头都显示川西中北段下寒武统烃源岩厚度大、质量佳。因此,有理由相信川西中北段是下寒武统烃源岩优质发育区,构成下寒武统的生烃中心。

生气中心 (古油藏) 受绵阳-长宁拉张槽的影响,川西中北段下寒武统沉积厚度是相对较厚的地区,因此推测下寒武统烃源岩应该非常发育。四川盆地结束加里东运动后,二叠系沉积时川西中北部烃源岩埋深达到生烃门限,开始大量排烃形成一种纵向上叠置的古油藏 (灯影组和二叠系古油藏等)。特别是在川西中段南部,下寒武统直接与二叠系直接接触,形成二叠系古油藏 (图 8a),这一阶段一直持续至雷口坡组沉积期。但这一阶段,无论是古油藏内的石油还是烃源岩生成的石油都难以向上运移至雷口坡组四段,因为雷口坡组雷二至雷三段存在较厚的膏盐岩, 非常有效的阻止了下伏油气的向上运移。

图 8 川西中段Y1井构造雷口坡组油气成藏过程模式图 Fig. 8 Gas reservoir formation mode of Leikoupo Fm. of Y1 well structure in the middle segment of western SSB

储气中心 (古气藏) 上三叠统须家河组沉积时期 (图 8b),川西急剧下陷,坳陷内沉积巨厚的须家河组,这为古油藏向古气藏的转变形成了条件,古油藏内的石油热裂解形成古气藏。这一阶段内,虽然川西构造发生了变化,但在盆地内部仅是埋藏加深,对原有的古圈闭改造不大,古油藏仍原位裂解形成古气藏,构成了储气中心。这一阶段持续至侏罗系沉积末期。拉平须家河组顶面可以看出 (图 8c),盆地此时东高西低,现今的鸭子河、彭州、石羊场一线雷口坡组古构造并未完全成型,龙门山主要以前展式向盆地内逆冲推覆,盆地内的隐伏断层并不发育,未断至雷口坡组,雷口坡组二至三段膏盐岩仍然起到非常好的封堵作用。

保气中心 (现今雷口坡组四段气藏) 早白垩世随着龙门山进一步向盆地内推挤,彭州隐伏断层开始形成,同时,龙门山前鸭子河、彭州、石羊场一线雷口坡组构造也形成。彭州隐伏断层向上断至侏罗、白垩系,向下一直断入基底,勾通了深部与浅部地层,也为古气藏内的天然气再次运移提供了输导体系,雷口坡组的构造圈闭和雷四段优质储层为接受天然气也提供了充分条件,因此在合适的条件下,天然气沿断层向上运移,在雷四段储层内储存下来,形成天然气藏。因此,雷口坡组此时接受的是天然气,并不是液态烃,也解释了为什么至今在川西所有钻至雷口坡组的储集层段中未见到大量沥青。喜马拉雅期,随着龙门山的进一步隆升,构造进一步定型,断层的不断开启和闭合,使得深部古气藏的天然气不断的沿断层向上运移,气藏得以持续成藏并保存 (图 8c, d图 9)。

图 9 川西中北段油气藏分布示意 Fig. 9 Gas pool distribution sketch in the middle-northern segments of western SSB

造山带的油藏则因为地表剥蚀及断层作用的影响,古油藏露出地表,石油降解形成沥青,最终形成沥青脉或沥青矿,如广元下寒武统沥青矿。

目前, 川西雷口坡组四段气藏压力系数为1.1,属于常压,气源对比有混源气的特征,说明有深层天然气向浅层运移的特点。此外统计川西所有雷口坡组高产井的构造 (包括中坝),发现其附近都有一条断至深部的断层,这很可能并不是一种巧合,断层为雷口坡组的成藏起了关键性的输导作用,是天然气运移的重要通道。因此,推断川西雷口坡组四段气藏主要是次生气藏,其形成是生烃中心 (下寒武统烃源岩等)→生气中心 (灯影组和二叠系古油藏等)→储气中心 (灯影组和二叠系古气藏等)→保气中心 (雷口坡组次生气藏) 的成藏过程。

3 结论

综上所述, 四川盆地西部中北段是全盆地深层-超深层油气勘探最有利地区之一, 表现在:

(1) 以下寒武统为主的多源供烃。川西地区受绵阳-长宁拉张槽控制,下寒武统分布广且厚,有形成优质烃源岩的条件,加之二叠系和三叠系烃源岩,为川西油气成藏提供了坚实的物质基础。

(2) 多时代 (Z, , P, T) 储集层叠合。川西地区碳酸盐岩自下而上发育灯影组白云岩、寒武系储集层、二叠系白云岩和三叠系雷口坡组微生物白云岩等多类型纵向上叠合的储集层,为油气成藏提供了广阔的储集场所。

(3) 致密碳酸盐岩、泥质岩和膏盐多级封盖。川西中三叠统膏盐岩和上三叠统至白垩系巨厚陆相碎屑岩地层发育,可以非常有效的多级封盖下伏地层,形成很好的盖层条件。

(4) 以断裂 (及不整合面) 和优质储层构成的立体输导网络。川西地区受晚印支以来龙门山构造演化的影响,盆地内断裂发育,形成了纵向输导体系,有利于天然气跨层运移,与不整合面以及优质储层横向输导体系一起构成立体输导网络,使得油气运聚效率较高。

(5) 原生气藏和次生气藏共存的天然气富集区。因此,川西地区即可能存在四中心耦合原地成藏的原生气藏,如灯影组和二叠系气藏等,也存在天然气跨层运移形成的次生气藏,雷口坡组四段气藏就有可能是这种类型,其形成是生烃中心 (下寒武统烃源岩等)→生气中心 (灯影组和二叠系古油藏等)→储气中心 (灯影组和二叠系古气藏等)→保气中心 (雷口坡组次生气藏) 的成藏过程。

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