龙门山山前复杂构造带双鱼石构造栖霞组超深层整装大气田的形成

杨 雨 姜鹏飞 张本健 肖 笛 汪 华 雷 程 张 亚 陈 骁 刘 冉 李 亚

1.中国石油西南油气田公司 2.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 3.西南石油大学天然气重点实验室

0 引言

盆—山结合部一直都是含油气盆地油气勘探关注的热点领域，在全球范围内已经发现了多个大油气田，例如著名的美国绿河盆地西缘Pineview油田、东委内瑞拉盆地北部埃尔富里尔/基里基雷油气区、哥伦比亚库西亚那油田以及中国塔里木盆地北缘克拉2气田等[1-4]。但是构造活动及其演化的复杂性也一直是困扰上述领域的研究难点，能否形成有效的构造圈闭系统以及后期油气是否稳定保存是决定其油气能否规模成藏的关键，因而对于该领域的油气勘探具有较高的风险[5-8]。另外，从当前全球的油气勘探情况来看，勘探对象主要还是以中深层（深度小于 4 500 m）为主[4,6,9-10]，超深层（深度超过 4 500 m）的勘探突破较少，原因在于后者构造识别难度大、储层预测风险高，相应地其油气成藏条件更难以落实[6-7,11-12]。由此造成上述领域的相关研究和油气勘探一直没有取得大的进展。

以往在四川盆地西北部（以下简称川西北）龙门山山前复杂构造带以冲断推覆带的勘探为主且主要集中在4 500 m以浅，中国石油西南油气田公司近期在该区中二叠统天然气勘探取得重大突破，发现了双鱼石构造中二叠统栖霞组超深层整装大气田[13-14]，并且揭示出一个油气规模成藏的勘探新领域——冲断掩伏带与前缘背冲带原地构造超深层。较之于该领域前期全球范围内的发现，双鱼石构造栖霞组气藏的新发现有两点本质不同：①前期的油气勘探主要侧重于冲断带上盘，而新发现则是在冲断带下盘及冲断带前缘的原地构造区；②前期冲断带油气勘探几乎以中深层为主，而新发现则是在超深层。因此双鱼石构造栖霞组气藏的勘探发现有望揭示一个全新的勘探领域，即冲断带原地构造的超深层[15-17]，展示出极其重要的基础理论研究与实践应用指导意义。为此，本文通过分析川西北双鱼石构造栖霞组气藏特征和油气成藏要素，梳理相关研究成果和认识，并进一步分析对比双鱼石冲断带原地构造与矿山梁冲断带上盘油气成藏的差异，总结双鱼石构造栖霞组气藏的形成机制与模式，以期为川西北龙门山山前带下一步的油气勘探部署提供依据，并为全球同类油气藏的勘探提供参考。

1 双鱼石构造栖霞组气藏的基本特征

1.1 气藏类型

双鱼石构造栖霞组气藏是在川西北龙门山推覆构造背景下，由断裂体系和岩性变化所控制的大型构造—岩性复合圈闭气藏，具体而言，是由一系列原地背冲背斜构造与具有储集性能的晶粒白云岩储层组合形成（图1）。该区不同复合圈闭内的气藏属于同一个压力系统，展现出具有一定规模的整装大气藏特征，含气面积合计达到 1 900 km2。

图1 双鱼石构造平面分布（a）及栖霞组气藏剖面（b）图

1.2 流体性质与压力系数

双鱼石构造栖霞组气藏天然气的组成为以甲烷为主（表1），为低—中含硫的干气气藏。从表1可以看出，双鱼石构造的天然气由烃类气体与非烃类气体组成，其中前者占绝大多数，尤其是甲烷含量占到气体总量的95%以上（96.42%～98.08%），乙烷含量均不到1%，平均值为0.12%，气体干燥系数[C1/∑(C1～C5)]大于0.99，属于典型的干气。非烃类气体整体含量偏低，主要包括二氧化碳、氮气以及极微量的氦气、氢气、硫化氢等，其中二氧化碳含量相对较高（在2%左右）。

表1 双鱼石构造栖霞组气藏天然气组成表

储量区内测试井整体不产水（均为气层，未见水层），邻区LG70井测试产水1.1 m3/d。地层水总矿化度介于42.8～47.6 g/L，pH值介于6.35～8.41，Cl－含量为 25 300 ～ 27 500 mg/L，Br2+含 量 介 于101～108 mg/L，为氯化钙型水。据实测压力资料，折算气藏中部的地层压力介于95.32～96.15 MPa，压力系数介于1.29～1.36，地层温度为150℃，为高温、高压气藏；气藏中部埋深介于 7 100 ～ 7 600 m，为超深层天然气藏。

2 双鱼石构造栖霞组气藏的成藏要素

2.1 烃源岩

2.1.1 烃源岩条件

川西北在寒武纪沉积期位于绵阳—长宁裂陷槽北部的海槽沉积区，使得下寒武统发育一套巨厚的海相泥页岩[18-19]，随后受加里东、柳江以及云南运动的剧烈影响，寒武系至二叠系之间仅保存了有限的地层[20]。中二叠统梁山组在该区沉积厚度有限，并且局部以碎屑岩沉积为特征[21]；中二叠统栖霞组、茅口组均为碳酸盐岩台地沉积体系，沉积厚度大且下部发育一套泥灰岩层。由此可见，下寒武统泥页岩与中二叠统泥灰岩是双鱼石地区栖霞组气藏两套重要的烃源岩层系。具体而言，川西北下寒武统筇竹寺组烃源岩厚度可达400 m，是邻区的3倍；有机碳含量平均为3.27%，是邻区的2倍；累计生烃

强度介于 40×108～ 80×108m3/km2（图2-a），是邻区的3倍。川西北中二叠统烃源岩厚度可达300 m，有机碳含量平均为1.61%，累计生烃强度介于30×108～ 40×108m3/km2（图2-b），是整个四川盆地最优质的生气中心。从整体来看，川西北烃源岩条件优越、总生烃强度大。这是形成大气田的“物质”基础。

图2 四川盆地烃源岩生烃强度图

2.1.2 气源来自下寒武统与中二叠统

双鱼石构造栖霞组气藏天然气甲烷、乙烷碳同位素值与相关烃源岩碳同位素值对比结果（图3）表明，其天然气来源是下寒武统与中二叠统烃源岩共同贡献的结果。具体而言，双鱼石天然气碳同位素值表现为混合气特征（图3-a）；寒武系筇竹寺组烃源岩干酪根δ13C介于－30‰～－37‰，以偏腐泥混合型干酪根为特征，中二叠统烃源岩干酪根δ13C介于－24‰～－31.6‰，以偏腐殖混合型干酪根为特征，双鱼石天然气δ13C1和δ13C2分布于两类烃源岩碳同位素值区间（图3-b）。此外，栖霞组储层抽提物生物标记化合物地球化学分析发现，正构烷烃整体具有双峰特征（图4），综上表明双鱼石天然气具有下寒武统与中二叠统双源供烃特征。这也进一步暗示了该气藏的供烃资源量大、效率高。

图3 天然气碳同位素值特征（a）及其与潜在烃源岩碳同位素值对比（b）图

图4 储层抽提物生物标记化合物正构烷烃特征图

2.2 储层特征及储层发育主控因素

2.2.1 储层特征

双鱼石构造栖霞组气藏储集岩类以台地边缘滩微相基础上形成的晶粒白云岩为特征[22]，岩心上可见明显的针孔发育，局部可见小型孔洞、微裂缝，并且大多以块状产出（图5-a、b）。镜下观察发现，这类白云岩以半自形—他形中—粗晶白云石为主，粒径介于300～600 μm，晶间孔（岩心上为针孔）十分发育（图5-c、d）。这类白云岩的原始结构普遍被破坏，但通过对原岩结构进行恢复发现，白云岩晶粒内具有颗粒幻影轮廓，主要为砂屑、生屑组构（图5-d）。晶粒白云岩储层平均孔隙度为3.52%，平均渗透率为3.30 mD，孔隙度与渗透率呈正相关（图6）。由此说明，储层总体上以孔隙型为特征（图6中的A区域），局部发育微裂缝型储层（图6中的B区域）[23]。

图5 双鱼石构造栖霞组气藏储层特征照片

图6 双鱼石构造栖霞组气藏孔隙度—渗透率关系图

2.2.2 储层发育主控因素

双鱼石构造栖霞组气藏白云岩储层的形成主要受有利沉积相带与建设性成岩作用的耦合控制。具体而言，受加里东运动继承性的影响，川西北栖霞组自西向东发育盆地—斜坡、碳酸盐岩台地相，其中台地边缘滩沉积微相是储层发育的基础。由于该相带所处沉积环境具有强而稳定的水动力条件，淘洗走灰泥沉积物，滞留下各种粗的生物（屑）颗粒，发育各种原生粒间孔和生物格架体腔孔[24]。与此同时，台缘滩体往往处于沉积微地貌高地，加之高的沉积速率有利于早期高频暴露并遭受大气淡水的溶蚀改造，从而形成极为发育的溶蚀孔洞，大大优化了储层的储集性能[25-26]。在这个过程中，滩体由于生长可容空间不足开始侧向叠置迁移，进而导致局部水体受限[27]，加之栖霞组沉积期的构造张裂活动引发的海水加热效应，综合使得准同生期海水回流渗透—热循环白云石化作用的发生[28]，而白云岩对储层的贡献主要体现在较之于石灰岩其具有更好的抗压实性，有利于孔隙在深埋环境下的持续保存。综上表明，双鱼石构造栖霞组气藏优质规模白云岩储层的形成主要受“早成岩期相—云—溶”三元耦合的控制。

2.3 生、储、盖组合

双鱼石构造栖霞组与下寒武统、中二叠统烃源岩分别形成“下生上储”和“自生自储”的源储组合，栖霞组上部发育茅口组泥灰岩及上二叠统龙潭组泥岩、三叠系膏盐层，生、储、盖组合匹配良好，具有较好的天然气成藏条件。具体而言，一方面，龙门山山前带断层发育，可以有效沟通源岩和储层，形成天然气的近源高效充注；另一方面，栖霞组上覆茅口组泥灰岩与龙潭组泥岩厚度大，是良好的直接盖层，并且该区域发育广覆式稳定分布的巨厚膏盐岩，厚度可达400 m，是区域性优质盖层；此外，巨厚的稳定膏盐层作为滑脱层，在很大程度上阻碍了区域背冲断裂向上影响，进而保证了盖层的长期封闭性。

2.4 圈闭形成及演化

2.4.1 区域构造样式

川西北自二叠系沉积后经历了多期构造运动。印支—燕山运动使得川西北逐渐演变为前陆盆地的前缘凹陷区，随着后期喜马拉雅运动的进一步影响，龙门山逆冲推覆构造持续活动，由此使得现今盆地西北部边界处由西向东分异为龙门山构造前山带复杂逆冲断裂系统与冲断前缘坳陷内背冲断裂系统两大构造单元[29]（图1-b），在上述两大构造单元之间的过渡区域可以进一步划分出冲断掩伏带，并且由北向南冲断掩伏带面积逐渐增加；龙门山山前带坳陷内纵向上则以下寒武统筇竹寺组泥页岩和下三叠统嘉陵江组膏岩双滑脱层为界，上构造层（T2—J）以坳陷变形为主，断裂活动较弱，下构造层（以下）无明显变形，断裂欠发育，而中构造层（P—T1）以背冲断层为主，变形强烈，发育一系列背冲背斜构造[29]（图1-b）。双鱼石构造栖霞组气藏主体横向上位于冲断掩伏带和前缘背冲带的原地构造区[30]，纵向上属于中构造层，埋深普遍达到7 000 m。

2.4.2 圈闭形成及演化

运用平衡剖面方法对双鱼石构造栖霞组构造—岩性圈闭的形成演化进行了恢复，如图7所示。从图7可以看出，区域构造演化及圈闭的形成经历了晚二叠世的弱伸展、早三叠世强烈挤压、中晚三叠世至今持续挤压3个阶段。具体而言，受峨眉地裂运动的影响，研究区在晚二叠世出现了局部弱伸展，形成了小规模的板式正断层及构造圈闭雏形[31-32]。与此同时，该时期强烈的热液活动引起埋藏、热液白云化作用的发生，从而使得白云岩储层以及岩性圈闭的形成[24]。到了早三叠世，在早印支运动强烈的北西向挤压作用的影响下，先期形成的伸展正断裂反转为背冲断裂，并形成了一系列背冲背斜构造，早期挤压构造圈闭形成。中晚三叠世至今，在持续的北西向挤压力的作用下，先存的构造圈闭持续发育，但背冲断裂系统未切断上覆下三叠统嘉陵江组，一方面，上覆嘉陵江组厚层膏盐作为滑脱层与盖层，在一定程度上阻碍了背冲断裂向上影响，另一方面则显示其断裂活动终止于晚三叠世。综上表明，双鱼石构造栖霞组构造—岩性复合圈闭整体形成于早三叠世的早印支期，而后稳定保存至今。

图7 双鱼石地区过ST12井—ST3井—ST1井剖面构造圈闭演化图

3 双鱼石构造栖霞组气藏成藏机制与模式

鉴于双鱼石构造邻区的矿山梁构造栖霞组以产水为主，与双鱼石构造栖霞组的天然气规模成藏形成鲜明对比。因此，在以上分析的基础上，进一步结合上述两个区域的油气成藏要素对比分析认识，总结了双鱼石构造栖霞组气藏的成藏机制与模式，如图8所示。

图8 双鱼石构造栖霞组天然气成藏模式示意图

1）从烃源条件看，川西北矿山梁构造栖霞组储层沥青极其发育且天然气主要接受下寒武统供烃，表现为以油型气为主[33-34]。由此可见，矿山梁构造的气源特征与双鱼石构造存在着一定的差异，主要原因在于矿山梁构造位于龙门山断裂带推覆冲断带，深大断裂发育并沟通下伏下寒武统烃源岩，从而有利于原油的充注并形成古油藏。这也与其储层中大量发育沥青的特征相符。相反，双鱼石构造栖霞组处于冲断掩伏带与前缘背冲带的原地构造区，一方面该区域受推覆挤压应力远远弱于造山带，并且在上覆嘉陵江组膏盐层与下伏下寒武统泥岩两套滑脱层的夹持影响下，仅在上、下滑脱层之间形成层内原地背冲背斜构造，深大断裂欠发育，从而导致下伏油气运移相对缺乏纵向输导通道，深层烃源岩供烃相对受限。因此，从烃源条件来看，似乎矿山梁的条件还要优于双鱼石，故烃源条件不是双鱼石构造天然气规模成藏的核心机制。

2）从储层条件看，矿山梁构造以K2井为例，其栖霞组具有整个川西北最好的储集性能，岩心观察发现发育大量肉眼可见的孔洞体，优质储集段平均孔隙度近5.0%，平均渗透率可达40 mD；而双鱼石构造栖霞组岩心观察以针孔发育为主，优质储集段平均孔隙度介于3%～4%，平均渗透率在3 mD左右。由此可见，储层条件显然也不是双鱼石构造天然气规模成藏的核心机制。

3）从圈闭条件看，如上所述，矿山梁构造深大断裂发育，以大型逆冲断层构造圈闭为特征[28]，而双鱼石构造虽然仅发育层内原地背冲断层，但栖霞组在晶粒白云岩基础上发育岩性圈闭，从而以构造—岩性复合圈闭为特征[22]，同样具备良好的圈闭条件。不过，相比较而言，矿山梁的大型构造圈闭可能更具规模，栖霞组的复合圈闭优势在于平面连通性更好、延展范围更大。由此可见，圈闭条件也不应是双鱼石构造天然气规模成藏的核心机制。

4）从保存条件看，矿山梁构造栖霞组含气量整体较差，其中，储层最好的K2井甚至测试产水[24,33]。由此可见，矿山梁栖霞组油气藏明显遭到破坏，推测主要原因在于矿山梁构造所处造山带构造活跃，喜马拉雅期至今龙门山持续的构造活动极易造成断裂的开启以及圈闭的破坏，进而导致矿山梁地区油气散失、油气藏保存条件不佳。相比较而言，双鱼石构造栖霞组处于龙门山山前坳陷区，属于冲断掩伏带与前缘背冲带，该区域构造活动较为稳定、大型断裂系统欠发育，并且上覆嘉陵江组厚层膏盐不仅作为滑脱层在很大程度上阻碍了区域背冲断裂向上影响，而且还作为盖层起到了良好的封闭作用。因此，双鱼石构造栖霞组气藏的天然气得以稳定保存至今。综上所述，鉴于其他油气成藏条件，包括烃源、储层及圈闭，矿山梁构造栖霞组都要优于或者不差于双鱼石构造栖霞组，所以稳定保存才是后者天然气能够规模成藏的核心机制。

总之，冲断掩伏带与前缘背冲带双滑脱层间多排连片分布的原地背冲背斜构造与多孔晶粒白云岩耦合形成规模性构造—岩性复合隐蔽圈闭群，加上良好的生、储、盖时空搭配关系，以及相对较弱的构造变形背景下的稳定保存，可以形成规模整装天然气聚集。据此确认，针对川西北盆山结合区域，剑阁至江油一线推覆体下盘的原地构造区均是下一步油气勘探的有利区，即立足于目前双鱼石构造勘探热点区域，还可以进一步向南延展，而向盆地外的冲断带一侧则需谨慎，尤其需要重点关注油气保存条件。中国石油西南油气田公司在本轮研究认识的基础上，在冲断掩伏带的原地构造上部署风险探井——HX1井，目前已钻揭茅口组，期待该井能有新的突破。

传统观点认为，前陆前缘坳陷区构造变形弱、圈闭不发育、油气成藏条件较差，难以形成规模性油气藏[5]。而双鱼石构造栖霞组气藏的发现，为上述领域的油气勘探提供了实例支撑，有望为全球其他盆—山结合带坳陷区的超深层油气成藏研究和勘探部署提供参考与借鉴。因此建议重视盆—山结合部坳陷区的深层乃至超深层原地构造的油气勘探工作。

4 结论

1）川西北龙门山山前带双鱼石构造栖霞组整装大气藏的勘探发现，揭示了一个油气规模成藏的新领域，即冲断掩伏带与前缘背冲带原地构造超深层，为全球同类地质背景的油气勘探提供了一个实例参考，盆—山结合部坳陷区的深层—超深层油气勘探工作值得关注。

2）双鱼石构造栖霞组气藏以孔隙型白云岩储层为特征，其形成主要受台缘丘滩体有利沉积相带与早成岩期岩溶、白云石化作用的耦合控制。

3）双鱼石构造栖霞组气藏的天然气来源于下寒武统和中二叠统，双源供烃为气藏提供了充足的气源，并形成下生上储和自生自储的源储组合，加之上覆发育茅口组泥灰岩及龙潭组泥岩、三叠系膏盐层，生储盖组合匹配良好。

4）双鱼石构造栖霞组气藏位于冲断掩伏带与前缘背冲带原地构造区，以发育双滑脱层间多排连片分布的原地背冲背斜构造与多孔晶粒白云岩耦合形成的构造—岩性复合隐蔽圈闭群为特征。该区域相对较弱构造变形背景下圈闭的稳定保存和良好的油气保存条件是天然气能够在此规模成藏的关键。