蜀南地区须家河组天然气成藏过程与裂缝形成的匹配关系

袁玉哲，李延钧，刘 欢

（1.河南油田分公司勘探开发研究院，河南郑州450046；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都610500）

在油气成藏过程中，油气的充注与作为运移通道的裂缝的发育密切相关，从某种意义上说，裂缝的形成时间即代表油气的充注时期。因此，准确地判断裂缝的形成时间不仅可以揭示油气运移和成藏过程，而且还可以定量—半定量化的分析油气成藏期次。

关于裂缝的形成时期，传统的方法是通过不同时期裂缝的相互切割关系来进行定性判断。近年来，随着ESR测年技术的不断发展，其在第四纪物质的定年研究中已得到普遍应用，且效果较好[1]；在油气地质方面，对裂缝形成时期的定量化研究也取得了一些成果和认识[1-3]。但基于ESR测年所确定的裂缝形成时期与通过常规方法所确定的油气成藏期次是否匹配，其相关性如何，仍未有定论。本文就以蜀南地区须家河组气藏为例，探讨裂缝形成与油气成藏过程的匹配性。

1 区域构造背景

蜀南地区位于四川盆地南部，跨越盆地西南低缓构造区和川南低陡构造区。中三叠世末的印支运动早幕，四川盆地整体隆升、发生海退，本地区逐渐结束了海相碳酸盐岩沉积史，演变成内陆湖盆。同时形成北东—南西向的以泸州和开江为中心的剥蚀古隆起带。至上三叠世须家河组地层沉积时，盆地已转变为内陆湖泊相和辫状河三角洲相，沉积了一套西厚东薄、呈“箕状”分布[4]的以砂、泥岩为主的煤系地层。三叠纪末的晚印支运动，四川盆地西部的甘孜—阿坝地槽区表现异常强烈，受此影响，四川盆地南部的泸州地区沉积地层进一步褶皱回返，局部构造始具雏形。侏罗纪，开始了盆地内分布广泛的河湖相红色碎屑岩沉积，至侏罗纪末燕山运动发生，盆地又一次抬升隆起，造成侏罗系地层大幅度被剥蚀。至第三纪喜山期，强烈的造山运动使沉积盖层纵横向上均发生了规模很大的褶皱隆起，并最终形成了现今的构造格局。

2 蜀南须家河组成藏期次

2.1 干酪跟生烃模式与生烃演化史

蜀南地区须家河组烃源岩主要为Ⅲ型煤系烃源岩，干酪根的显微组分中镜质组和惰质组的含量较高，壳质组含量非常低。国内外近年来有机岩石学研究的结果[5-9]表明，煤系有机质的成烃具有双峰模式，即存在Ro为0.4%～0.7%低演化阶段的生烃第一峰值和Ro为0.9%～1.3%成熟阶段的煤系有机质的第二峰值。在第一高峰期，基质镜质体、木栓质体、树脂体和部分角质体便发生沥青化作用，形成早期煤系烃类。由于树脂体是一种低熟油的潜在油源，而木栓质体和木栓质成分在低热应力条件下，可释放出来相当数量的脂族和芳香族成分，形成大量的液态烃类，因此这一时期形成的烃类主要是低熟液态烃。在第二高峰期，有机质普遍达到成熟阶段，角质体和孢子体则为烃类的主要贡献者，从煤成烃演化阶段来看，这一时期以生成湿气为主。

对须家河组煤系烃源岩来说，目前有机质成熟度分布在0.94%～1.36%之间，按照煤成烃演化阶段，自然也经过了2个生烃高峰期。根据蜀南须家河组埋藏演化史[10]，Ro为0.4%～0.7%（侏罗系地层沉积后期）时，烃源岩进入第一生烃高峰，该阶段主要是煤系低熟液态烃的形成时期，伴生的天然气普遍较湿；在Ro为0.9%～1.3%（白垩纪中期-早第三纪）为须家河组烃源第二生烃高峰期，以生成湿气为主。

2.2 储层演化与生烃演化的配置关系

从生烃演化与储层致密化的配置关系上看，在Ro为0.4%～0.7%时，须家河组储层演化处于晚成岩A期[11]，此时地层还没有被完全压实，储层物性较好，原生粒间孔发育，早期生成的低熟液态烃和重烃含量较高的湿气就会首先进入这些原生孔隙占据有利位置，形成初次油气藏。显微荧光显示在储层原生孔隙或泥质部位油质浸染、沥青充填非常普遍，并具有土黄色或浅黄色荧光，甚至一些残余沥青荧光很弱或发暗褐色、褐黄色荧光（图1-a），这正是液态烃类在储层中运移聚集所留下的痕迹。

在Ro为0.9%～1.3%时，须家河组储层演化处于晚成岩B期，受强压实作用储层中的中—细砂岩已基本致密化，储层物性变差，原生粒间孔大量减少，但受到古构造及晚燕山运动影响，该阶段差异压实缝和构造微裂缝比较发育，同时大量酸性流体进入储层形成溶蚀孔。这一时期形成的大量湿气就会沿缝隙、裂隙进入储层，次阶段的烃类气体中重烃含量较前期明显减少，显微荧光下多呈现浅蓝色或蓝白色荧光，并分布于裂缝或残余自由孔隙或次生溶蚀孔中（图1-b）。综合干酪跟生烃模式以及储层演化与生烃演化的匹配关系，可以分析出研究区须家河组至少存在两期成藏，即燕山运动的中期阶段（上侏罗系地层沉积期）的初次成藏期和燕山运动晚期（白垩系地层沉积后期）的须家河组主要成藏期。

而喜山抬升运动时期，地层温度的降低使烃源岩有机质演化停滞（现今实测蜀南地区须家河组烃源岩的成熟度（Ro）普遍不超过1.4%）。由于构造运动的作用，发育大量的断层和构造裂缝，使本已致密化的储层物性得到一定改善，下伏须家河组烃源岩所生成的烃类气体和深层来源气就会沿断层向上运移进入储层，形成混源气藏[9，11]。储层晚期微缝中呈现浅蓝色荧光即为该期天然气转移、沟通和再调整的证据（图1-c）。

图1 储层显微荧光照片

2.3 包裹体均一温度与成藏期次

流体包裹体是指矿物生长过程中因晶格缺陷而捕获的、至今仍以封闭状态存在于矿物中的成矿介质[12]。根据流体的相态和组成可分为液态烃包裹体、气态烃包裹体和盐水包裹体。流体包裹体的均一化温度就是流体被捕获时的温度，反映当时的地层古地温。结合地热史和埋藏史的模拟结果，就可以估算出油气运移的时间（成藏期）。在实际操作中，盐水包裹体的均一化温度更容易测得且具有更好的稳定性，因此，我们通常所测的包裹体均一温度即与烃类包裹体共生的盐水包裹体的均一温度。

针对南井地区须家河组岩芯样品，制成薄片镜下观察，在石英晶体、石英次生边或微裂隙（或愈合微裂隙）中见有较多烃质包裹体和水质包裹体。对包裹体均一温度进行测试并根据测试结果做出南井地区须家河组包裹体均一温度频率分布直方图（图2），可以看出包裹体均一温度主要有3个峰值：85℃～105℃、115℃～125℃和135℃～155℃。其中第一阶段包裹体均一温度85℃～105℃，对应侏罗纪末至白垩纪早期（图3），须家河组烃源岩成熟度为0.5%～0.8%，主要形成低熟烃类；第二阶段包裹体均一温度115℃～125℃，对应白垩纪中后期—早第三纪，有机质成熟度达到0.9%～1.2%左右，进入生烃高峰期；另外，据南井地区热演化史，在白垩纪末期须家河组地层达到最大埋深前古地温不可能超过130℃，因此对于均一温度在135℃～155℃的包裹体，只能是喜山期深部流体向上运移所致，前人研究已证实该区嘉陵江组最大古地温曾达到了140℃～150℃[14]。这一时期为深层流体注入期与各类气藏的调整期。

综合以上分析，可以得出研究区须家河组存在3期成藏的结论：侏罗纪末至白垩纪早期（燕山运动中幕），为低熟烃类初次成藏期；白垩纪中后期—早第三纪（燕山运动晚幕—喜山早幕），为须家河组成熟阶段烃类主要成藏期；喜山运动中晚幕为混源气藏形成期，即各类气藏的转移、调整期。

图2 南井地区须家河组包裹体均一温度频率分布直方图

3 裂缝形成时期

图3 南井地区须家河组埋藏演化史

关于裂缝的形成期次，最常规、最简单的判识方法是通过观察不同时期裂缝的相互切割关系来进行定性判断。通过观察威远曹家坝剖面发现，在须家河组地层中至少存在3期裂缝的发育，其中有2组为斜交缝、一组为垂直缝。为了定量化判断裂缝的形成时期，本次尝试运用电子自旋测年法（ESR测年）进行分析，并进一步研究裂缝形成与油气成藏的匹配关系。

3.1 ESR测年基本原理

在室温条件下，经人工附加剂量法或热活化处理的α石英可测到3个诱发辐射信号[1]，具有测年意义的有E'心——氧空位的电子心（ESR信号不受风化影响）和Ge心——锗离子置换硅位置的电子心（ESR信号经风化后消失）。来自母岩的陆源碎屑石英经风化再沉积，其E'心ESR信号是一个累加过程，因而所测的年龄仅代表石英离开母岩前最后一次受热事件影响的结晶年龄，而Ge心ESR信号在风化过程中几近消失，在沉积成岩过程中重新积累，因此Ge心ESR年龄可代表其沉积期年龄。对于裂缝中充填石英，由于没有经过再搬运沉积，所以无论是Ge心年龄还是E'心年龄均代表石英结晶年龄[15]。

通常裂缝充填石英的形成时期稍晚于裂缝形成时期，但在地质时期中可以忽略不计。因此我们常以裂缝充填石英的年龄来表示裂缝形成时期。

3.2 裂缝充填石英的ESR年龄

本次研究共取样5块进行了石英脉ESR测年分析（表1），同时又收集到了前人做的包界地区包浅003-16井2个测点和威远威东构造3个测点的测年资料。

表1 蜀南地区须家河组裂缝中充填石英脉ESR测年分析表

3.3 裂缝的形成时期

根据表2中构造运动期次的划分成果（贾承造等，2004），对须家河组裂缝期次进行了分析，得到以下结论：ESR测年反映出须家河组裂缝形成有3个时间段：（1）形成于129.8个百万年前的裂缝为燕山中期的产物；（2）形成于63.4～51.7个百万年前的裂缝为燕山末期—早喜马拉雅期的产物；（3）36.5～21.6个百万年的裂缝形成于中喜马拉雅期，为中喜马拉雅运动早期的产物，而6.7～14.9个百万年的裂缝则为中喜马拉雅运动晚期的产物。

4 匹配性研究

前文关于成藏期次的分析表明，侏罗纪末至早白垩纪（相当于燕山中期），须家河组煤系烃源岩进入低演化阶段（Ro＝0.4%～0.7%），低熟烃类开始产生。由于此时压实作用不很强烈，储层物性好，形成的烃类物质就会通过垂向运移或沿着层间通道横向短距离运移进入储层，这一时期称为初次成藏期或次要成藏期（所生成的烃类物质有限）。该时期整体构造相对平稳，仍以持续沉降为主，断层不很发育，但从测到的129.8个百万年（对应燕山中期）的测年结果还是证实了有裂缝的存在，无疑该时期形成的裂缝对初次成藏起到了一定的作用。

白垩纪后期至早第三纪（燕山运动晚期—早喜山期），须家河组烃源岩进入大量生排烃高峰期（Ro＝0.9%～1.3%），是煤系烃源岩的主要生气期。从ESR测年结果来看，已测到年龄为63.4和51.7个百万年的裂缝充填石英样品，对应地质时期为燕山晚期—喜山早期。受晚燕山运动影响，地层由持续沉降转向挤压隆升，这一时期裂缝的形成对油气的运移和聚集非常有利，能很好地沟通烃源岩和储层，再加之充足的油气供应，形成须家河组主要的一期气藏，称为主要成藏期。

而喜山抬升运动时期，地层温度的降低使烃源岩有机质的进一步生烃演化停滞（现今实测蜀南地区须家河组烃源岩的成熟度Ro普遍不超过1.4%）。喜山运动导致构造活动进一步加强，大量晚期断裂活动和构造裂缝形成。ESR测年结果也很好地印证了这一点，如表1所示，10个测年数据中有7个数据均分布在36.5～6.7个百万年之间，为喜山中、晚期的构造裂缝。由于第一期裂缝作为油气运移通道，将早已生成的油气向圈闭运移，因此这一期裂缝主要对油气藏起调整作用。①形成于36.5～21.6个百万年的裂缝属喜山中期早幕的构造产物，为断层伴生裂缝，一方面使一部分原有气藏遭受破坏、油气散失；另一方面形成新的圈闭，原始气藏中的气体和早先被致密砂岩层封存起来的弥散天然气发生重新调整，在新形成的局部圈闭中聚集成藏，同时由于一些深大断层的出现，深层烃源气就会沿断层向上运移进入圈闭，形成混源气藏（李延钧等《蜀南地区须家河组成藏主控因素研究及构造分类评价》）。总体上来说，这一期裂缝的形成之于油气的保存和成藏仍以正面作用为主。②形成于14.9～6.7个百万年的裂缝属喜山中期晚幕（晚喜山期）的构造产物，也为断层伴生裂缝，古圈闭进一步遭到破坏，同时由于地层的抬升，造成油气的散失，因此该期裂缝的形成对油气的保存有负面作用。

表2 中国喜马拉雅运动划分对比表（贾承造等，2004）

5 结论

裂缝充填石英ESR测年法是一种定量化的裂缝期次分析方法，本文的研究表明，基于该方法所确定的研究区须家河组裂缝形成与天然气成藏过程之间显示出良好的匹配关系。但在实际应用中必须要注意：

（1）对受单一要素控制的裂缝型油气藏，该方法无疑是一种相对合理、准确的成藏期次划分方法；对多期成藏的复杂性油气藏，该方法只能准确地反映和刻画断裂作用发生后的一系列成藏过程，只有配套其他方法才能全面分析和研究其成藏期次。

（2）受客观条件影响，有时所取样品未必能完全代表裂缝形成的所有期次。因此，在条件允许的情况下，尽量采用多种方法综合分析。

（3）由于沥青的干扰作用可能影响测年结果，因此，如果裂缝中同时有沥青充填，运用ESR测年要慎重，必要时需对充填物进行碳氧同位素分析，以确定裂缝的形成时期。

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