川西南段大邑地区深层碳酸盐岩油气成藏探讨

钟川楠,孙玮、2*,李泽奇,徐宏远,邓宾,吴娟,宋金民,常雨琪

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都 610059; 2.自然资源部构造成矿成藏重点实验室,成都 610059)

2022年中国天然气进口量达1 515亿立方米,进口依存度41.5%,加之天然气作为国家政策“双碳”计划中重要的清洁能源,因此在未来的国家发展中占据重要的地位。中国天然气浅层勘探已达瓶颈,未来天然气勘探主要以深层为主,国际上深层天然气藏主要指储层深度在15 000 ft(约4 600 m)以下的天然气藏[1-3],中国南方超此深度的地层多为碳酸盐岩地层,因此,从天然气勘探的角度、深层、碳酸盐岩是未来勘探的重要领域[4]。四川盆地深层勘探很早(女基井,中国第一口钻深超7 000 m探井[5]),因此在该领域有重要的发言权。盆地西侧龙门山前缘的勘探始于海棠铺构造,突破于中坝气田,但多年未有大的突破[6]。近年来在龙门山前山带双鱼石、彭州等构造陆续取得突破,发现了一系列油气田[7],特别是在深层雷口坡组、栖霞组、观雾山组都取得了突破,钻探井深多数超过6 500 m,显示了在该区域深层碳酸盐岩的勘探前景。但随着埋深的增加,勘探中储层特征及预测难度较大。虽然用浅层的经验指导深层有其必要性,但更好的方式就是用深层来解释深层。因此,深层勘探对完善中国深层-超深层及古老层系油气地质理论体系具有重要的意义。龙门山地区在印支期发生强烈的逆冲形成推覆构造带,在其前端形成了前缘隐伏带,但由于缺少资料,目前对该复杂构造带的构造模式认识尚不清晰,特别是针对逆冲推覆断层下伏构造的变形特征及其地表构造响应的研究还不够深入,导致现阶段还未能明确推覆体下盘隐伏构造的侧向变化特征和空间分布规律,制约了该地区的油气勘探进程[8]。

大邑地区以往主要致力于上三叠统须家河组裂缝性致密砂岩气藏的勘探与开发,对深层海相碳酸盐岩层系是否具有油气勘探前景少有探讨,仅提过雷口坡组的可能勘探前景,深层基本处于勘探的空白区,特别是该区中三叠统雷口坡组、二叠系栖霞组和茅口组、上震旦统灯影组碳酸盐岩层系,能否形成规模较大的构造-古岩溶复合圈闭,是否具有较大的油气勘探潜力一直未有定论。随着邑深1井(2018年)钻遇中三叠统雷口坡组,使研究该构造单元深层海相油气成藏更具有了现实可能性。所以,深入研究川西大邑构造特征、演化模型,深入探讨该区海相油气成藏条件,不但能更新该区构造地质认识,也能为川西深层下一步油气勘探提供理论。

1 大邑地区地质背景

大邑地区地处四川盆地西缘,构造位置上属于龙门山南段山前隐伏构造带,为盆地与造山带间的过渡单元。如图1所示,龙门山前缘隐伏带的南段从南往北有大邑构造在内的邛西、平落坝等构造分布,大邑构造位于此带的北端,处于川西拗陷中段到南段的过渡带,为龙门山推覆构造带与成都拗陷的盆山接合部[9-11]。大邑地区总体上呈现为一个宽缓的背斜形态,构造轴向为北东向,长轴在11～16.4 km;短轴在2.1～2.7 km,两翼不对称,北西翼部完整,地层倾角13.4°～25.1°[12],海拔高度 520～1 900 m。该区地表出露地层为中生代侏罗纪-白垩纪棕红色、棕褐色泥岩和粉砂质泥岩和晚新生代砾石层。大邑地区后山区域地貌形态明显高于两侧区域,前山区域地貌形态较缓,整体展现出“耳”状地貌形态特征(图1)。

图1 川西南段地区地质略图及构造纲要图及震旦系-三叠系岩性综合柱状图

整个大邑构造为一典型造山带前展式逆冲推覆构造,其西部断层为都江堰-安县断层,而大邑构造自身构成了推覆前缘最前峰受大邑隐伏断层控制的褶皱。尽管自南向北的构造强度有所差异,断层的特征可能一些变化,但整体构造样式变化并不大。这种典型的前展式推覆可以从卷入构造的地层判断,大邑隐伏断层卷入地层主要是侏罗系,地表白垩系变形并不强烈,都江堰-安县断层地表三叠系变形强烈,上盘已缺失侏罗系,说明自西向东的递进变形关系,也说明大邑隐伏断层形成较晚。

2 成藏条件

2.1 烃源层

表1 绵阳—长宁拉张槽内下寒武筇竹寺组烃源岩特征对比表

图2 川西坳陷南段构造分区图及烃源岩厚度图及川西南下二叠统泥灰岩TOC等值线图

图3 大邑地区寒武系厚度特征剖面展示图

除筇竹寺组烃源岩外,二叠纪初的海侵覆盖于早期准平原化的基底之上,海侵初期主要堆积了一套厚度不大的滨岸-滨岸沼泽沉积,形成二叠系底部梁山组黑色泥页岩和栖霞组一段灰黑色泥质灰岩、灰质泥岩组成的烃源岩。下二叠统薄层状黑色泥页岩、灰黑色灰质泥岩,厚度分布范围为5～40 m,TOC为0.2%～2.3%[图2(b)],平均1.09%,为一套有机丰度含量一般的有效烃源岩,与筇竹寺组烃源岩层系相比可作为次要生烃层系。

2.2 碳酸盐岩储集层

大邑地区可能存在的海相碳酸盐岩储集层主要分为三类:灯影组表生岩溶、中二叠统白云岩、雷口坡组微生物白云岩,除此之外峨眉山玄武岩组储层是这一地区较独特的一类储层[16]。

2.2.1 灯影组表生岩溶储集层

前人对川西南地区灯影组以进行了很多研究工作,通过对资阳地区和威远地区灯影组储层类型、特征、成因及与储层的关系进行了研究,认为灯影组储集空间是多次岩溶经过长期改造的产物,储层发育主要受控于古岩溶作用[17-20]。四川盆地震旦系灯影组野外露头及钻井岩芯中普遍可见及储层沥青,说明灯影组形成过较好的储层并有过大规模的油气充注[21-23]。资阳—威远一带以西是古岩溶作用最强烈的地方[24],钻井和岩心多可见古岩溶作用形成的厘米级溶洞。由于大邑地区现今未有钻井钻至震旦系灯影组,故以距离较近的ZT-1井、天全龙门剖面以及宝兴剖面为例。2021年完钻的ZT-1井(图4),完钻深度为5 130.90 m,钻遇灯影组4 918.55～5 130.90 m(未钻穿),据测井资料显示,ZT-1井灯影组储层厚179 m,孔隙度1.3%～7.67%,平均孔隙度3.92%。

该区灯影组仅残留有灯一段至灯二段中部(葡萄-花边状白云岩层段),野外观察岩性主要为晶粒白云岩、藻纹层白云岩,夹少量的薄层鲕粒白云岩。硅化作用较为普遍,可见燧石条带及燧石结核;受淡水作用改造强烈,皮壳状、葡萄状构造发育,皮壳间可见白云石→沥青或白云石→石英→沥青充填,溶蚀孔洞中亦可见沥青充填,推测以前曾存在过古油藏,后遭受破坏。从岩相纵向发育特征来说,下部主要为潮下沉积,夹少量混合潮坪沉积;上部主要为潮下-潮间沉积,夹有鲕粒滩。早期淡水作用改造强烈,形成大量葡萄状花斑状构造及溶蚀孔洞,后期抬升遭受剥蚀。

2.2.2 中二叠统白云岩储集层

四川盆地西南部中二叠统碳酸盐岩存在普遍的白云岩化作用[25]。通过岩石学、地球化学和流体包裹体分析,以前的观察表明热液流体可能参与了这些白云岩的形成。然而,热液流体流动的时间和地球动力学背景仍然不受限制。区域上,两大构造热事件,即中二叠世晚期被称为峨眉山火成岩的强烈火山活动和龙门山造山带晚三叠世以来的构造演化[26-28],可能对这些中二叠统碳酸盐岩成岩蚀变的热状态或流体来源有贡献。

川西地区中二叠统白云岩储层具有很大的勘探潜力,栖霞组岩性整体以生屑灰岩、颗粒灰岩夹白云岩为主,储层多发育于晶粒白云岩层段,储集层类型为裂缝-孔隙型、层状孔隙型储层,储集空间主要为溶蚀孔洞、晶间孔、粒间孔,受有利相带控制,后期经溶蚀及热液改造,沿台缘滩连片分布,平均孔隙度6%～10%,储层内沥青含量丰富。在川西北地区的龙4井、龙16井、矿3井、双探2井等13口井均发现有大套中二叠统的优质白云岩储层[29]。四川盆地西南地区ZG-1井、H-1井、DS-1井、PY-1井、ZT-1井、HS-1井等,在中二叠统栖霞组-茅口组钻遇厚层优质碳酸盐岩储层[30]。特别是川西南地区的大兴场构造、平落坝构造下部署的勘探井,在二叠系栖霞组近年来连续获得突破,如DS-1井栖霞组厚119.5 m,栖霞组-茅口组日产气12.22万m3;DS001-x4井栖霞组厚112 m,白云岩36 m,日产气32.68万m3;PT-1井栖霞组厚121 m,白云岩厚 28 m,日产气66.86万m3等(图5)。在石渣、金口河、沙湾等露头区均见有中二叠统大套白云岩,且断裂发育,ZG-1井、H-1井、HS-1井等井也证实白云岩的存在,可见白云岩平面分布范围较广,出现频率较高。该套白云岩在栖霞组、茅口组均有发育,一般集中在栖霞组的上部和茅口组的中上部。

2.2.3 雷口坡组微生物白云岩储集层

川西地区其主力产层储集岩位于雷四段第三亚段,雷四段第三亚段微生物白云岩的结构以凝块石(包括泡状凝块石)、藻纹层-叠层石、纹层石为主,局部夹微生物黏结组成的藻砂屑、藻核形石、泡沫绵层等结构。从微生物白云岩现存孔隙度来看,纹层石白云岩储层最优,藻纹层-叠层石白云岩次之,凝块石白云岩最次(表2),凝块石白云岩储层孔隙度和渗透率较低,为低孔特低渗储层。

表2 川西地区白云岩储集层岩性及物性特征对比表

川西地区雷四段第三亚段微生物碳酸盐岩储层整体呈北东南西向条带状展布,微生物岩在北东-南西向连续性较好,储层厚度介于17～55 m,储层最厚处位于川西地区中-南段的YS-1附近。储层西部尖灭点位于LS-1井附近,东部尖灭点位于CK-1井附近。微生物岩优质储层主要发育于研究区内潮间带下部-潮下带,可能顺龙门山水下隆起带平行展布。以彭州气田为例,雷口坡组雷四段上亚段沉积微相以藻云坪为主,纵向上呈多个藻云坪→藻砂屑滩→泥云坪的米级旋回,微生物结构较常见。由于微生物丰度纵向上受沉积微相的米级旋回控制,微生物结构控制下的格架非均质性较强。部分由藻砂屑组成的层段,其分选磨圆较差,藻屑形状很不规则,但其粒内与粒间溶孔却较为发育。整体上,雷四段上亚段储层先存孔隙发育较多,故储层性能较好。

2.3 区域盖层

川西南段深层碳酸盐岩有效区域盖层主要以三套层系为主,分别为须家河组底的致密砂岩或泥岩、中-下三叠统雷口坡组和嘉陵江组膏盐岩以及二叠系底部的黑色泥页岩。其中须家河组泥岩和中-下三叠统(嘉陵江—雷口坡组)的膏盐岩发育广泛且厚度较大(表3),因此纵向上盖层条件较好。泥质岩层系主要分布在侏罗系-白垩系红色碎屑岩沉积建造中,厚度可达数百米至上千米。结合龙门山中—南段收集的部分钻井地层水资料来看,其深层海相碳酸盐岩地层保存条件自龙门山造山带向盆地内部逐渐变好的趋势,如位于雾中山构造上的雾1井保存条件相对较差,雷口坡组产淡水(含氯 3 100～3 200 mg/L);而更靠近盆地内的DS-1井,栖霞组产气1.72万m3/d,茅口组产气10.5万m3/d、产水5.05万m3/d。

表3 川西坳陷南段钻遇三叠系雷口坡组和嘉陵江组岩性及厚度表

综上,尽管研究区大邑所在的川西坳陷南段有断裂发育,位置正处于三叠系雷口坡组膏盐岩的沉积中心,上覆有巨厚的膏岩盖层,导致多数断裂消失于三叠系膏盐层中,因此浅层的构造变形和断裂并未影响深层海相的纵向封盖条件。

2.4 生储盖组合

大邑地区尽管在加里东期构造抬升造成了较多的地层被剥蚀(如寒武系大部分地层、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系),但也间接促成了由震旦系-二叠系-三叠系等多套生储盖组合叠合发育的特征(图6)。将该区深层海相油气成藏主要总结为三种生储盖组合模式。

(1)筇竹寺组(烃源)→灯影组(储集层)→筇竹寺组(盖层),上生下储,直接接触。这种类型生储盖组合是四川盆地灯影组油气成藏的经典模型,尽管上覆烃源岩和下伏储层的关系不利于油气充注,但受绵阳-长宁拉张槽的影响,使得在拉张槽内部的筇竹寺组优质烃源与两侧灯影组储层形成旁生侧储良好生储关系,并且上覆筇竹寺组-二叠系梁山组-栖一段底部致密的泥岩/页岩可作为盖层,形成烃源岩层系亦可作为灯影组盖层的独特生储盖模式。

(2)筇竹寺组(烃源)→栖霞组+茅口组+峨眉山玄武岩(储集层)→嘉陵江组(盖层),下生上储,直接接触。这种类型生储盖组合仅见于川西中—南段,受该地区加里东运动强烈的地层剥蚀影响,导致下伏下寒武统筇竹寺组和下二叠统梁山组直接接触,其黑色泥页岩组成的优质烃源岩,与上覆栖二段白云岩储层构成了高效的下生上储模型,油气直接向上运移至栖二段白云岩储层内。茅口早期三级海平面的快速上升沉积的茅一段灰黑色泥岩、泥灰岩组成了栖二段顶部盖层。

(3)筇竹寺组(烃源)→雷口坡组(储集层)→雷口坡组+须家河组(盖层),下生上储,跨运式运移。该生储盖组合也仅见于川西,受断裂影响,自震旦系灯影组或二叠系的气藏沿断裂向上运移至雷口坡组白云岩储层内,同时受雷口坡组巨厚膏盐岩封盖阻隔,最终形成雷口坡组次生气藏。该生储盖组合条件比较苛刻,但川西南段可以见到一些相应特征说明该生储盖组合有可能成藏。

2.5 疏导体系

2.5.1 不整合输导体系

研究区深层主要不整合面为灯影组顶面桐湾期不整合面、寒武系顶面加里东期不整合面、茅口组顶面东吴期不整合面、雷口坡组顶面印支期不整合面,其中灯影组顶面不整合研究最深入,最有利于全盆地大规模天然气运移。研究区最为特殊的是由于加里东作用在川西南地区大面积剥蚀影响,龙门山南段-中段-荥经一带寒武系至泥盆系地层直接剥蚀至下寒武统,形成了该区域桐湾期不整合与加里东期不整合叠加发育的特征[31-32]。直接导致大面积区域二叠系地层直接覆盖于下古生界或新元古代(震旦系)地层之上,如ZT-1井、HS-1井,均表现为下寒武统与二叠系地层不整合接触。如图7所示,大邑地区灯影组顶与下寒武统筇竹寺组不整合面表现为一套强连续反射轴特征。值得注意的是,自南东方向下寒武统泥岩/页岩层系的中等连续、弱-中等振幅反射轴,向北西方向逐渐歼灭,并且呈现出下寒武统与上覆地层下二叠统梁上组黑色泥岩的中等连续、中等振幅反射轴合并的特征,具有明显削截作用形成角度不整合接触特征。说明大邑地区在加里东期受不整合面向西剥蚀程度加剧,最终形成下伏桐湾期不整合面与加里东期不整合面重合,并对灯影组储层造成了二次岩溶改造。因此,灯影组顶面叠加改造不整合面最有利于油气的运移,使得筇竹寺组排出的油气直接侧向运移成藏。加之其他不整合面均已被证实为四川盆地主要油气运移通道,它们共同构成了大邑地区深层海相油气运移的不整合输导体系。

2.5.2 断裂输导体系

断裂为前陆盆地中大-中型气田天然气运移的主要输导通道。晚三叠世以来,龙门山南推覆构造带沿走向主要发育3条深大断裂和1条隐伏断裂,分别为耿达—陇东断裂、盐井—五龙断裂、大川—双石断裂和山前隐伏断裂(广元—大邑隐伏断裂),断裂倾向均以北西向为主,具有前展式构造特征[28,33-36]。合适的断裂输导系统,应一方面断至深层-超深层烃源岩和古油气藏,起到沟源的作用;另一方面又不能断至地表,使调整的油气仍保留在储层中,形成天然气的跨层运移成藏[37-38]。大邑地区的隐伏断裂就是一条非常有利于油气垂向运聚的沟源断裂。如图7所示,该隐伏断层为主体逆冲推覆断层,贯通震旦系、二叠系、三叠系,但整体并未断裂至地表。并且作为灯影组古油气藏、二叠系古油气藏向上覆三叠系次生油气藏运移的主要通道,为该地区多层系油气成藏起到了良好的沟源作用,为天然气跨层运移提供了断裂输导体系。而这条断裂带在整个川西南段普遍发育,有可能是纵向运移的有效运移通道。

3 油气成藏模式及油气充值期次

综上,研究区深层碳酸盐岩成藏受构造控制,并且要经过古油藏→古气藏→现今气藏的演化。

3.1 成藏模式

大邑地区所处的川西坳陷中-南段是四川盆地桐湾期不整合面与加里东期不整合面叠合的区域,这大大提高了油气沿灯影组运移的效率和范围,非常有利于油气沿不整合面大面积网毯式运移,提高了油气成藏的效率和规模。大邑构造作为龙门山构造自西向东的最后一个构造单元,向盆地内部延伸其灯影组构造高部位具有得天独厚的构造圈闭优势,促使以东灯影组更深部位的油气可以沿灯影组顶不整合面向大邑地区运移,从而形成灯影组油气藏(图8)。断裂为茅口组的主要输导运移要素,下寒武统筇竹寺组等生成的油气一方面可以直接运移至二叠,也可沿断裂向上运移至二叠系,聚集于断裂带附近(图8),沿加里东期不整合面、茅口组顶不整合面侧向运移,进入二叠系储层,主要为不整合面-断裂输导模式。受滑脱层影响,中三叠统雷口坡组断层发育较少,筇竹寺组生成的油气沿切穿膏盐岩断裂向上运移至雷口坡组(图8),或沿二叠系供烃中心运移至雷口坡组,汇聚于断裂带附近,沿优质储层运移至圈闭(图7),主要为断裂输导模式。

图8 川西南大邑地区成藏模式图(过2802测线)

3.2 成藏过程

综合前述的研究,对大邑地区的油气成藏的可能过程进行分析,确定其以寒武系烃源为主的含油气系统演化形成。

(1)生气中心(古油藏)。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)。特别是在川西中段南部,下寒武统直接与二叠系直接接触,有利于生成的液态烃向上运移至二叠系中成藏,这一阶段一直持续至晚三叠世沉积期,不同埋深的烃源相继成熟,接替成藏。

(2)储气中心(古气藏)。川西地区自须家河组巨厚地层快速沉积开始快速下陷(图9),造成震旦系灯影组和二叠系栖霞组-茅口组地温迅速上升,为上述两套地层内的古油藏向古气藏的转变提供了条件,此时古油藏内的烃类(原油)逐渐热裂解,形成古气藏。这一时期古圈闭改造不大,大邑地区震旦系灯影组和二叠系栖霞组-茅口组逐渐完成由古油藏向古气藏转变,形成两套储气中心。

图9 大邑地区以下寒武统烃源岩为主的海相含油气系统成藏过程图

(3)保气中心(原生气藏、次生气藏)。晚白垩世,随着喜马拉雅造山运动的发生,但大邑地区震旦系局部构造并未发生太大的变动也使得古气藏持续保持形成现今气藏,因此,震旦系属于原生油藏-原生气藏。二叠系的构造与震旦系相似,古气藏也得以保持,但由于断层沟通了深层震旦系,因此可能会接受部分运移的天然气,因此属于原生油藏-原生+次生气藏,以原生气藏为主。

但在这一阶段,龙门山山前的大邑隐伏断层开始形成。大邑隐伏断层上断至侏罗系-白垩系,下断至基底,连通深部-浅部地层,为震旦系灯影组和二叠系栖霞组-茅口组内的天然气向上运移提供了通道,而中三叠统雷口坡组独特的构造-岩性圈闭特征也为天然气聚集提供了有利条件。此时,下伏震旦系灯影组、二叠系栖霞组-茅口组古气藏内的天然气沿断层运移,储存在上部雷口坡组雷四段优质储层中,形成现今气藏。并且,由于雷口坡组为次生调整型气藏,也可从侧面解释了为何在研究区周边钻井中均未发现沥青充填,而多具气藏的情况。

4 结论

根据上述对大邑地区深层碳酸盐岩油气成藏的分析,研究区具有良好的成藏条件。

(1)从烃源角度方面,大邑地区发育筇竹寺组优质烃源岩,厚度由西向东整体呈现出逐渐增厚的特征,为研究区深层海相油气成藏提供了烃源岩条件;从储层发育方面,大邑深层存在灯影组、二叠系和雷口坡组三套有效的储集层;从盖层方面,有效区域盖层主要以三套层系为主,分别为须家河组底的致密砂岩或泥岩、中-下三叠统雷口坡组合嘉陵江组膏盐岩以及二叠系底部的黑色泥页岩,因此具备非常好的原生油气地质条件。

(2)大邑地区深层海相油气成藏主要包括两种生储盖组合模式:①自灯影组(储层)→筇竹寺组+梁山组(烃源+盖层)→栖霞组(储层)→茅口组(烃源+盖层)→峨眉山玄武岩(储层)→嘉陵江组(盖层),联合构成了多级叠合的三明治式生储盖组合;②自筇竹寺组(间接烃源)→灯影组和二叠系古气藏(直接烃源)+雷口坡组(储集层)+雷口坡组膏岩-须家河组泥岩(盖层)下生上储顶盖型生储盖组合。

(3)大邑地区油气成藏可分为古油藏→古气藏→现今气藏3个过程,该地区油气主要是沿四川盆地桐湾期不整合面与加里东期不整合面叠合的区域运移,提高了油气沿灯影组运移的效率和范围,断裂输导体系构建了纵向运移,因此从侧向与纵向立体输导成藏提高了成藏概率。加之该带的构造破坏较小,有利于气体的保存,因此大邑所处的构造带是未来深层勘探的有利区域。