張 莊，蘇成鵬, 2，宋曉波，石國山，汪仁富，李素華，董 霞，胡永亮

1.中國石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041；2.中國石化 西南油氣分公司 地質(zhì)中心實驗室，成都 610081

二疊系棲霞組油氣勘探始于20世紀(jì)70年代，是四川盆地重要的天然氣勘探層系[1-2]。經(jīng)過40余年的勘探實踐，已相繼發(fā)現(xiàn)了四川盆地西部坳陷(簡稱“川西坳陷”)北段雙魚石氣田和南段大興場、平落壩等含氣構(gòu)造，展示了川西坳陷二疊系棲霞組良好的天然氣勘探前景[3-10]。該層位在川西坳陷中段埋藏超深(大部分地區(qū)埋深在8 000 m左右)，除東部構(gòu)造位置較高的永勝1井(埋深近7 000 m)鉆揭棲霞組，在西部構(gòu)造位置較低的棲霞期臺緣帶[11-20]尚未鉆遇棲霞組。因此，針對川西坳陷中段棲霞組的油氣地質(zhì)條件研究薄弱，勘探潛力認(rèn)識不清。鑒于此，本文根據(jù)近年來積累的研究區(qū)周邊大量的野外露頭資料，結(jié)合區(qū)內(nèi)及鄰區(qū)部分地震資料，通過對構(gòu)造沉積背景的再認(rèn)識、鄰區(qū)典型氣藏的解剖和區(qū)內(nèi)油氣地質(zhì)條件分析，對該區(qū)棲霞組的勘探潛力作了評價，旨在為川西坳陷中段棲霞組超深層碳酸鹽巖油氣勘探提供參考。

1 川西坳陷區(qū)域地質(zhì)背景

川西坳陷二疊系沉積之前，四川盆地經(jīng)歷了加里東和海西旋回的多幕構(gòu)造抬升作用，從而導(dǎo)致古隆起區(qū)由于沉積間斷或是風(fēng)化剝蝕出現(xiàn)不同程度的地層缺失。具體而言，位于古隆起核心部位的盆地中西部(雅安—資陽一帶)地層缺失最多，平面上表現(xiàn)為自西向東二疊系依次與震旦系、寒武系、奧陶系、中下志留統(tǒng)不整合接觸(圖1a)。進入二疊紀(jì)之后，四川盆地內(nèi)泥盆紀(jì)和石炭紀(jì)的古隆起開始大幅下沉，且伴隨著海退過程中對前期沉積地貌的準(zhǔn)平原化，四川盆地總體上形成了自西而東、由西南向北東方向低緩傾斜的古地貌特征，且因差異風(fēng)化及古隆起等原因，盆地內(nèi)部還存在著眾多小規(guī)模的地形起伏差異。這些二疊系沉積前的地形起伏(古地貌)，對二疊紀(jì)棲霞期的地層和沉積相帶展布具有明顯的控制作用[16,21-23]。

川西地區(qū)棲霞組厚度介于70～130 m之間，自下而上可進一步分為棲一段和棲二段。棲一段主要為中—薄層狀深灰、黑灰色泥晶生物(屑)灰?guī)r、生物(屑)泥晶灰?guī)r、泥晶灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，發(fā)育似“眼球”狀構(gòu)造；棲二段主要為厚層—塊狀灰、淺灰色泥—亮晶生物(屑)灰?guī)r、“豹斑”狀云質(zhì)灰?guī)r、粉—細(xì)晶白云巖和砂糖狀白云巖。棲霞組生物化石豐富，主要發(fā)育有孔蟲、珊瑚、腕足類等。

諸多學(xué)者常采用二疊系沉積前古地質(zhì)圖來反映和刻畫二疊系沉積前古地貌，但是關(guān)于二疊系沉積前地層展布范圍的認(rèn)識并不統(tǒng)一[24-28]，而二疊系沉積前古地質(zhì)圖的精確刻畫，將直接影響棲霞組沉積相的刻畫。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過137條區(qū)域二維地震剖面，進一步精確刻畫了二疊系沉積前古地質(zhì)圖(圖1a)，并結(jié)合四川盆地棲霞組最新沉積研究成果[17,20,29]，重新編制了四川盆地及周緣二疊紀(jì)棲霞期巖相古地理圖(圖1b)，明確了棲霞期丘灘體沿二疊系沉積前川西古地貌高地和川中古隆起周緣展布的特征，其中川西坳陷中段龍門山前帶處于臺地邊緣丘灘體發(fā)育區(qū)(圖1b)。

圖1 四川盆地二疊系棲霞組構(gòu)造沉積背景及研究區(qū)位置

野外地質(zhì)調(diào)查表明，位于龍門山前帶川西坳陷中段的都江堰虹口、綿竹高橋、北川通口等地的棲霞組剖面均有淺水高能灘體發(fā)育，巖性以亮晶礫屑鮞粒灰?guī)r(圖2a)、亮晶砂屑生屑灰?guī)r(圖2b)和生屑顆粒云巖(圖2c)為主，有利于儲層的形成。地震剖面上，川西坳陷中段解釋棲霞組時間厚度為50～70 ms，東部YS1井鉆遇棲霞組114 m，地層向西北方向有增厚趨勢(圖3a)；沿龍門山前棲霞組地震波具有明顯的分段差異特征，整體厚度穩(wěn)定的背景下，局部發(fā)育厚度變薄區(qū)波組特征明顯(圖3b)，其中，綿陽—安縣地區(qū)棲霞組具有與雙魚石地區(qū)類似的地震反射特征(圖3b)。

圖2 四川盆地西部坳陷中段二疊系棲霞組顆粒灘鏡下特征

圖3 四川盆地西部坳陷二疊系棲霞組地震剖面特征

棲霞組沉積之后至晚三疊世早期，川西龍門山地區(qū)繼承了晚古生代被動大陸邊緣格局[30]，受印支早期構(gòu)造運動影響，研究區(qū)地層抬升，雷口坡組頂部發(fā)生弱暴露(圖4a)；晚三疊世中—晚期，龍門山前擠壓變形逐漸增強，二疊系棲霞組發(fā)育背斜構(gòu)造雛形，以川西中段為中心的前陸盆地，上三疊統(tǒng)須家河組楔形沉積體形成，逆沖斷層以前展式的方式進行，通濟場斷層形成，印支晚幕的構(gòu)造活動使須家河組抬升(圖4b)；早侏羅世—中侏羅世早期，龍門山與四川盆地結(jié)合帶發(fā)生陸內(nèi)伸展和巖體侵位[29]；燕山中—晚期，中、下三疊統(tǒng)滑脫層之上的地層進一步擠壓變形，廣元—關(guān)口斷裂、彭縣斷裂形成，龍門山持續(xù)抬升剝蝕(圖4c)；喜馬拉雅期，受喜馬拉雅構(gòu)造運動的影響，中、下三疊統(tǒng)滑脫層之下的地層變形明顯，并產(chǎn)生一些小斷層，棲霞組構(gòu)造基本定型，各主要斷層位移進一步增大，龍門山迅速抬升(圖4d)。

圖4 四川盆地西部中段構(gòu)造演化剖面

2 鄰區(qū)棲霞組典型氣藏解剖

雙魚石棲霞組氣藏位于緊鄰研究區(qū)的川西坳陷北段。該氣藏構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育多個近平行的北東—南西向展布的背斜、斷背斜和斷鼻構(gòu)造[31]，圈閉類型為構(gòu)造—巖性復(fù)合圈閉[8]，其中構(gòu)造圈閉具有數(shù)量多、單個圈閉較小(0.9～46.7 km2)的特征[31]。

棲霞組沉積期，雙魚石區(qū)塊位于臺緣丘灘有利沉積相帶[11,17,29]，白云巖發(fā)育且分布穩(wěn)定，主要分布于棲二段中下部，厚度介于15～36 m之間[31]。在地震剖面上，該區(qū)棲霞組丘灘體通常表現(xiàn)為高頻雜亂不連續(xù)反射。具體而言，棲霞組內(nèi)部地震反射強度相較于丘灘體不發(fā)育區(qū)振幅變?nèi)?，地層厚度略有增大，表現(xiàn)為丘狀、杏仁狀或者不規(guī)則雜亂狀地震反射特征[32]。雙魚石氣藏儲層巖性主要為晶粒白云巖和殘余砂屑白云巖，儲集空間以晶間(溶)孔和溶洞為主，裂縫較為發(fā)育，主要表現(xiàn)為裂縫—孔洞型和裂縫—孔隙型儲層[32-33]。

烴源條件方面，綿陽—長寧裂陷槽內(nèi)寒武系筇竹寺組泥質(zhì)烴源巖大規(guī)模發(fā)育，雙魚石地區(qū)寒武系烴源巖厚度大于500 m，有機質(zhì)類型為Ⅰ型，生烴強度為(40～80)×108m3/km2[8]。此外，該地區(qū)還發(fā)育厚度有限(通常為數(shù)米)的二疊系梁山組煤系烴源巖，以及厚度較大的棲霞組、茅口組碳酸鹽巖烴源巖[4]。其中，梁山組有機質(zhì)類型為Ⅲ型，平均有機碳含量為2.24%，棲霞組、茅口組有機質(zhì)類型為Ⅱ型，平均有機碳含量為1.4%，整個二疊系烴源巖生烴強度為(18～40)×108m3/km2[8]，低于寒武系生烴強度。通過油氣源對比分析表明，雙魚石棲霞組天然氣主要來自于二疊系烴源巖，部分來自寒武系烴源巖，其原因在于雙魚石地區(qū)深大斷裂欠發(fā)育，導(dǎo)致深部寒武系烴源巖供烴受限[4]。

3 川西坳陷中段油氣地質(zhì)條件

3.1 烴源巖及輸導(dǎo)條件

近年來，隨著對四川盆地中二疊統(tǒng)勘探力度的逐步加大，油氣勘探不斷取得突破，尤其是川西和川中地區(qū)棲霞組勘探取得了實質(zhì)性進展，因此對于中二疊統(tǒng)氣藏的天然氣成因和來源也取得了一系列成果認(rèn)識[6,8,34-38]。研究表明，四川盆地中二疊統(tǒng)氣藏主要烴源巖層共有4套，由下至上依次為寒武系筇竹寺組、志留系龍馬溪組、二疊系棲霞組和茅口組。其中，筇竹寺組和龍馬溪組為腐泥型泥巖烴源巖，棲霞組和茅口組為有機質(zhì)類型Ⅰ—Ⅱ型的泥灰?guī)r烴源巖[36,39]。通過天然氣、儲層瀝青和相關(guān)烴源巖地化指標(biāo)相互對比表明，川西坳陷由于志留系烴源巖的缺失，一般情況下棲霞組天然氣主要來源于寒武系筇竹寺組泥巖，其次為二疊系棲霞組和茅口組泥灰?guī)r[6,8,38,40]，而川西以外地區(qū)隨著志留系龍馬溪組厚度的逐步增厚，在無有效的深大通源斷裂溝通的情況下，下伏寒武系筇竹寺組對中二疊統(tǒng)氣藏的貢獻(xiàn)急劇降低，如川東和蜀南地區(qū)中二疊統(tǒng)天然氣主要來自龍馬溪組[36]。此外，中二疊統(tǒng)天然氣以甲烷為主，體積分?jǐn)?shù)普遍高于95%，干燥系數(shù)大于0.98，為典型干氣[38]，該特征與源巖埋藏深度大、熱演化程度高相關(guān)；川西坳陷中二疊統(tǒng)天然氣干燥系數(shù)最大、δ13C1和δ13C2最重[6,8,38]，而δ13C1作為成熟度參數(shù)[41-42]，說明川西地區(qū)天然氣成熟度最高，這與該地區(qū)埋藏最深、干燥系數(shù)最大相吻合。

露頭觀察發(fā)現(xiàn)，川西坳陷中段筇竹寺組巖性主要為黑色富有機質(zhì)泥頁巖(圖5a)，棲霞組儲層可見油苗(圖5b)；地震剖面上，筇竹寺組在研究區(qū)均有發(fā)育，厚度主要介于50～300 m之間，整體上具有從南西向北東逐漸增厚的趨勢(圖5c)。TOC分析表明筇竹寺組殘余有機碳含量主要介于1.0%～2.0%之間，計算生烴強度為(30～170)×108m3/km2(圖5d)。川西坳陷中段東部YS1井證實，寒武系筇竹寺組泥巖和二疊系棲霞、茅口組泥灰?guī)r為YS1井上二疊統(tǒng)儲層的主要供烴層系。

圖5 四川盆地西部坳陷中段二疊系棲霞組烴源條件

就輸導(dǎo)條件而言，川西坳陷中段地震剖面可見深大斷裂斷至下伏寒武系筇竹寺組，可作為溝通二疊系儲層的通源斷層(圖6)。此外，川西地區(qū)棲霞組底部泥灰?guī)r可為自身儲層提供一定的供烴能力[6]，且通過斷層兩側(cè)源巖—儲層的側(cè)向?qū)樱部蓪崿F(xiàn)其上茅口組一段泥灰?guī)r[38]，甚至是龍?zhí)督M泥頁巖[43]生成的油氣側(cè)向進入棲霞組儲層中。但總體而言，推測川西坳陷中段棲霞組氣藏以寒武系供烴為主。

圖6 四川盆地西部坳陷中段二疊系棲霞組油氣輸導(dǎo)條件

綜上，研究區(qū)棲霞組烴源條件優(yōu)越，輸導(dǎo)條件較好，具備形成大規(guī)模氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)和運移通道。

3.2 儲層條件

露頭調(diào)查及鉆井揭示，川西坳陷北段和南段棲霞組發(fā)育臺緣優(yōu)質(zhì)白云巖儲層[23,44-48]。前期主流觀點認(rèn)為，該套白云巖形成機制為埋藏期的熱液白云巖化作用[12,49-54]，儲層分布受基底斷裂控制[47]，離斷裂越近白云巖厚度越大，往盆地內(nèi)部厚度減薄。隨著勘探不斷深入，多口鉆井在遠(yuǎn)離斷裂帶的盆地內(nèi)部鉆遇厚層白云巖，所以棲霞組白云巖的分布很可能與前期主流觀點認(rèn)識不同。近期越來越多的研究表明，棲霞組白云巖化流體主要為早期(準(zhǔn)同生期)海水[2,6,16,48,55-56]，后期熱液主要是對先期白云巖的進一步改造，且對儲層多為破壞性作用，而儲層的建設(shè)性成巖作用主要為準(zhǔn)同生期和早成巖期的暴露巖溶作用[2,44-45,57-59]。此外，劉詩琦等[60]基于四川盆地棲霞組、茅口組白云巖的原位溶蝕模擬實驗表明，封閉體系下的熱液白云巖化作用不具有增孔效應(yīng)。全子婷等[29]通過對川西北地區(qū)棲霞組微生物丘的剖析，認(rèn)為棲霞期水體較淺，海平面的頻繁升降變化和微生物丘的疊置遷移，導(dǎo)致緩坡型碳酸鹽臺地極易受限，從而引發(fā)與丘灘體發(fā)育相關(guān)的準(zhǔn)同生期白云巖化作用。因此，發(fā)育于川西臺緣帶和川中內(nèi)緩坡古隆起周緣的臺內(nèi)丘灘體為棲霞組白云巖儲層發(fā)育有利區(qū)(圖1b)。

川西坳陷中段具有與北段雙魚石地區(qū)棲霞組丘灘體類似的地震反射特征，如大邑地區(qū)和綿陽—安縣地區(qū)(圖3b)；此外，在川西坳陷中段西部的棲霞組露頭剖面上，如都江堰虹口、綿竹高橋、綿竹燕子巖、北川通口等剖面均可見到云化的棲霞組丘灘體優(yōu)質(zhì)儲層(圖7)，且研究區(qū)地腹三維地震波阻抗反演剖面顯示，棲霞組波阻抗低值異常儲層段特征明顯，丘灘相儲層整體較為發(fā)育(圖8)。因此，本次研究認(rèn)為川西坳陷中段棲霞組臺緣白云巖儲層大面積連片穩(wěn)定發(fā)育，儲層條件優(yōu)越。

圖7 四川盆地西部坳陷中段二疊系棲霞組儲層特征

圖8 四川盆地西部坳陷中段連片三維二疊系棲霞組波阻抗反演剖面

3.3 蓋層及保存條件

研究區(qū)棲霞組上覆直接蓋層為茅口組一段致密灰?guī)r—泥灰?guī)r韻律層(眼球狀石灰?guī)r)，厚度約100 m。另外，茅口組上覆上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥頁巖，厚度主要介于100～150 m；中下三疊統(tǒng)嘉陵江組和雷口坡組致密膏巖層發(fā)育，厚度大于200 m；上覆上三疊統(tǒng)、侏羅系和白堊系陸相巨厚泥頁巖發(fā)育，累計厚度在320～1 600 m之間[61]，三者均可作為棲霞組儲層的區(qū)域性間接蓋層(圖9)。

保存條件方面，已有研究表明川西坳陷沖斷帶—盆地系統(tǒng)不同構(gòu)造區(qū)油氣成藏過程存在較大差異[4]。具體來說，棲霞組前期形成的油氣藏在沖斷帶遭到破壞，含氣性差，如川西坳陷北段的礦山梁和河灣場構(gòu)造；而沖斷前鋒帶和前緣隆起帶的構(gòu)造穩(wěn)定保持區(qū)，棲霞組氣藏常保存至今，含氣性好，如川西坳陷北段的雙魚石和九龍山構(gòu)造[4]。對于川西坳陷中段，西南部大邑及山前帶地區(qū)大斷裂發(fā)育，保存條件可能欠佳，但其他地區(qū)(如綿陽—安縣地區(qū))不發(fā)育斷至淺層的大斷裂和出露地表的通天斷層，保存條件相對較好(圖9)。此外，研究區(qū)北部局部儲層發(fā)育區(qū)，整體構(gòu)造為單斜形態(tài)，但二維地震測線解釋存在側(cè)向封堵的可能性較大。因此，川西坳陷中段棲霞組儲層的蓋層和保存條件整體較好。

圖9 四川盆地西部坳陷中段斷裂發(fā)育及蓋層特征

4 勘探潛力分析

從整個四川盆地來看，盆內(nèi)棲霞組烴源條件較好，川西坳陷中段亦是如此，成藏的關(guān)鍵在于儲層、保存條件以及油氣運聚與圈閉的匹配關(guān)系。

目前，川西坳陷中段北側(cè)雙魚石構(gòu)造、南側(cè)平落壩構(gòu)造經(jīng)多年勘探，已經(jīng)明確其棲霞組地質(zhì)背景及油氣勘探潛力。棲霞組儲層發(fā)育的主控因素為有利沉積相帶和古地貌雙重控制，其中臺緣丘灘體是儲層形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，沉積古地貌控制丘灘體相帶展布，同時有利于準(zhǔn)同生期白云巖化作用和暴露巖溶作用。本次研究開展了ST3井、PT1井地震解剖，結(jié)合正演模擬分析結(jié)果，建立了棲霞組臺緣白云巖儲層發(fā)育的地震響應(yīng)特征，并對川西坳陷中段棲霞組白云巖儲層的分布范圍進行了預(yù)測(圖1b，圖10)。結(jié)果表明，川西坳陷中段與雙魚石及平落壩構(gòu)造類似，棲霞組同樣處于龍門山前臺緣帶，具備優(yōu)質(zhì)儲層形成的條件。

保存條件方面，通過對川西坳陷中段新處理連片三維地震資料進行了解釋，解釋網(wǎng)格密度為2×5，對目的層棲霞組構(gòu)造特征、斷裂特征進行了詳細(xì)研究，落實了本區(qū)域構(gòu)造特征(圖10)。結(jié)果表明，研究區(qū)油氣保存條件有差異：大邑、山前帶地區(qū)大斷裂發(fā)育，而綿陽—安縣地區(qū)保存條件相對較好。針對龍門山—川西地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有分帶、分段、分層的構(gòu)造變形特征，山前原地(準(zhǔn)原地)隱伏構(gòu)造保存條件最為有利，是重點勘探突破區(qū)帶。

成藏匹配方面，川西坳陷中段寒武系烴源巖在三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)初總體處于生烴高峰期，研究區(qū)在燕山期以前古構(gòu)造位置較為有利，有利于油氣運移和保存，但在燕山期和喜馬拉雅期該區(qū)長期處于盆地的斜坡和低洼位置，不利于油氣的運移和保存。棲霞組已有氣井分布顯示，氣藏受控于白云巖儲層，氣藏圈閉類型為構(gòu)造—巖性圈閉，研究區(qū)具備“早期巖性控藏、晚期構(gòu)造弱調(diào)整、局部構(gòu)造控富”的條件，在該地區(qū)進行風(fēng)險勘探，有望能取得重大勘探突破。具體而言，綿陽—安縣、鴨子河、大邑地區(qū)棲霞組發(fā)育優(yōu)質(zhì)臺緣丘灘體(圖10)。綿陽—安縣地區(qū)緊鄰生烴中心，且埋深相對較淺(圖10)，三疊系以上地層構(gòu)造簡單，優(yōu)選為重點勘探目標(biāo)，待突破后，再逐步甩開。綿陽—安縣地區(qū)，靠近山前帶地區(qū)受推覆構(gòu)造影響，地震資料品質(zhì)相對較差，構(gòu)造落實程度不高；而遠(yuǎn)離山前帶地區(qū)，雖然整體為單斜構(gòu)造形態(tài)，但其棲霞組儲層質(zhì)量較沉積期靠川西廣海的山前帶地區(qū)差，使得側(cè)向封堵形成構(gòu)造—巖性圈閉的可能性較大，因此綿陽—安縣地區(qū)遠(yuǎn)離山前帶的儲層發(fā)育區(qū)為前期風(fēng)險勘探的最優(yōu)選擇。

圖10 四川盆地西部坳陷中段二疊系棲霞組區(qū)帶評價

5 結(jié)論

(1)二疊系沉積前古地貌控制了棲霞組沉積，棲霞期丘灘體沿二疊系沉積前川西古地貌高地和川中古隆起周緣展布，川西坳陷中段龍門山前帶棲霞組處于臺地邊緣丘灘體發(fā)育區(qū)。

(2)臺緣丘灘體是棲霞組白云巖儲層形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，準(zhǔn)同生期白云巖化作用和暴露巖溶作用是優(yōu)質(zhì)儲層形成的關(guān)鍵，川西坳陷中段棲霞組儲層條件優(yōu)越。

(3)川西坳陷中段棲霞組規(guī)模儲層鄰近寒武系筇竹寺組生烴中心，溝通烴源的斷裂發(fā)育，上覆中下三疊統(tǒng)巨厚膏巖層，成藏要素匹配關(guān)系好，具備規(guī)模性油氣成藏條件。