川东北地区胡家坝震旦系灯影组古油藏特征及其油气勘探意义

2020-08-14郭旭升胡东风黄仁春段金宝姜智利

石油与天然气地质 2020年4期

郭旭升，胡东风，黄仁春，段金宝，姜智利，朱祥

(中国石化勘探分公司，四川成都 610041)

四川盆地纵向含油气层系多，自下而上在震旦系、奥陶系、志留系、石炭系、泥盆系、二叠系、三叠系和侏罗系等均有油气发现，以天然气藏为主，气藏热演化程度较高[1-3]。四川盆地震旦系的油气勘探从20世纪50年代开始，最开始发现威远灯影组气藏，后续勘探进入相对停滞阶段，直到2012年发现磨溪—高石梯地区灯影组大气田，震旦系勘探取得战略发现[4-7]。川东北地区震旦系油气勘探程度较低。近几年，中国石化勘探分公司针对川东北震旦系开展系统野外地质调查，首次发现震旦系灯影组台缘丘滩相大规模古油藏，证实川东北地区灯影组存在良好的储集相带及大规模油气充注过程。

本次研究色谱-质谱分析按照国标GB/T18606—2001《气相色谱-质谱法测定沉积物和原油中生物标志物》，由中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所实验研究中心采用5973I色谱-质谱仪进行分析；稳定碳同位素分析按照GB/T18340.2—2010《地质样品有机地球化学分析方法第2部分：有机质稳定碳同位素测定同位素质谱法》，由中国石化中原油田分公司勘探开发研究院石油地质实验中心采用DELTAV ADV同位素质谱仪进行分析。

1 古油藏基本特征

1.1 地质概况

胡家坝古油藏位于陕西省汉中市宁强县胡家坝镇(图1)，处于四川盆地东北缘米仓山前带，分布于局部断背斜北翼，主要受米仓山构造活动控制，地层走向为近东西向，倾角在60°～70°。结合前人对米仓山前带构造演化相关研究[8]，认为胡家坝地区构造隆升开始于印支中、晚期，在燕山期和喜马拉雅期经历两期强烈构造隆升变形，断裂发育，形成现今叠瓦状构造格局。

图1 川东北地区胡家坝古油藏区域地质简图Fig.1 Simplified regional geological map of the paleo-oil pools in Hujiaba section,Northeastern Sichuan Basin

胡家坝古油藏分布于震旦系灯(灯影组)四段，灯四段平行不整合于上覆下寒武统宽川铺地层，与下伏灯三段之间为整合接触关系，实测厚度为387.67 m。灯四段整体为一套浅灰-灰白色中层、厚层-块状白云岩，底部白云岩中常含粉砂质，泥-粉晶结构为主，硅质交代明显；向上粉砂质快速减少，岩石晶粒变粗，往细晶、中晶直至粗晶转变，藻类明显增多。本段藻类、藻格架构造、丘形构造发育，块状堆积，纵向上发育多个藻丘沉积序列，溶蚀孔洞发育，整体表现为台缘边缘丘滩相。

1.2 古油藏特征

野外地质调查发现，胡家坝灯影组古油藏分布于灯四段中部及上部，岩石敲开后有刺鼻的油味，沥青含量较高，野外最高可达23%，充注高度可达277.03 m。整体而言，沥青分布不连续，沥青丰度越往灯四段顶部越高，中部部分层段未见沥青，且中部沥青含量相对顶部较低，沥青含量小于10%。因此，以孔隙度(孔、洞、缝)≥5%，沥青充填度≥10%为标准，胡家坝古油藏有效沥青层段厚度达到128.08 m(图2)。沥青均表现为黑色粉末状，热演化程度较高。

图2 胡家坝古油藏储层沥青纵向分布Fig.2 Vertical distribution of the reservoir bitumen in paleo-oil pools in Hujiaba section

储层沥青一般分为原生沥青、运移沥青和油层沥青[9]。原生沥青主要为生油岩在成熟演化过程中残留于生油岩内部分子量较大的富碳沥青物质[10]；运移沥青及油层沥青均为后生沥青，主要是油气运移及成藏过程中原油裂解残留于储层内部的沥青物质。胡家坝剖面灯四段古油藏沥青主要为运移沥青和油层沥青。其中，运移沥青主要分布于灯四段中部，沥青纵向分布不连续，主要分布于溶蚀孔洞及微细裂缝中，多与石英及白云石充填于孔缝中(图3a，b)；沥青含量相对较低，普遍小于10%。油层沥青主要分布于灯四段中上部及顶部，基本沿生物格架顺层分布，沥青分布纵向上连续，与运移沥青一样分布于溶蚀孔洞及微细裂缝中；中上部充满度一般，沥青含量5%～18%，与自形石英及白云石共同充填于孔缝中(图3c)；顶部充满度高，沥青含量15%～23%，几乎将孔缝全部充满(图3d)。

图3 胡家坝剖面古油藏沥青野外分布情况Fig.3 Field distribution of bitumen in the paleo-oil pools on Hujiaba outcrop a.灯四段中部，运移沥青分布于溶蚀孔洞中，充满度相对较低；b.灯四段中部，运移沥青与石英、白云石充填于孔缝中；c.灯四段中上部，油层沥青充满度一般，与自形石英、白云石共同充填于孔缝中；d.灯四段顶部，油层沥青充满度高，几乎将孔缝全充填

1.3 储层特征

胡家坝古油藏灯四段主要为台地边缘丘滩相沉积，储层厚229.82 m。其中，一、二类储层(划分标准见表1)厚85.9 m，岩性主要为藻格架云岩、藻叠层云岩、藻纹层云岩和晶粒白云岩；一、二类储层实测孔隙度5.02%～13.83%，平均7.61%，渗透率(0.000 1～20.9)×10-3μm2，平均0.015 9×10-3μm2；储集空间以藻格架孔、粒间(溶)孔、晶间(溶)孔、溶洞和裂缝为主，孔隙主要沿藻纹层顺层分布，被白云石、石英及半充填或全充填。

表1 碳酸盐岩储层类型划分标准Table 1 Standards of carbonate reservoir division

1.4 盖层特征

川东北地区筇竹寺组盖层条件优越，野外剖面地层厚度220～685 m；岩性以泥页岩为主，上部发育砂岩类，自下而上为深水陆棚至滨岸沉积，整体岩性较为致密。川东北地区的马深1井筇竹寺组实钻厚度358 m，其中粉砂岩29 m，泥岩类共329 m，岩性致密。因此，川东北地区巨厚及致密的筇竹寺组泥岩地层是灯四段古油藏良好的直接盖层。

2 油气来源

2.1 烃源岩特征

已有研究表明，震旦系灯影组油气来源主要有上覆寒武系筇竹寺组烃源岩、震旦系灯影组三段烃源岩及陡山陀组烃源岩[11-14]。针对这3套烃源岩，本次研究累计采集样品148件开展分析。

2.1.1 下寒武统筇竹寺组烃源岩

胡家坝剖面下寒武统筇竹寺组底部岩性主要为灰色-深灰色、黑灰色含粉砂质泥岩及粉砂质泥岩(图4b)，底部泥岩样品有机碳含量(TOC)为0.56%～1.22%，平均为0.86%，为较差烃源岩。在距胡家坝剖面以东约8 km的李家沟剖面处于绵阳-长宁裂陷槽中，筇竹寺组底部为灰黑色薄层炭质泥页岩与硅质岩互层，为典型深水沉积较好烃源岩(图4c)。筇竹寺组烃源岩平面分布整体沿绵阳-长宁裂陷槽和坳陷中心分布[7,15-16]，在绵阳—资阳一带最大厚度可达350 m以上，绵竹萤飞谷和清平剖面筇竹寺组烃源岩TOC为0.41%～42.68%，平均为7.45%[17]，资阳地区高石17井筇竹寺组烃源岩TOC为0.37%～6.00%，平均为2.17%[16]；巴中—通江一带厚度大于300 m，马深1井筇竹寺组烃源岩TOC为1.89%～8.95%，平均为4.70%。川东北地区下寒武统筇竹寺组烃源岩生烃强度最高可达160×108m3/km2，具有较好的生烃潜力。

2.1.2 震旦系灯三段烃源岩

胡家坝剖面震旦系灯影组三段岩性主要为灰色、灰绿色、灰褐色及紫红色泥岩、硅质泥页岩、粉砂岩及细砾岩(图4a)，实测TOC为0.09%～0.11%，平均值0.10%，TOC值较低，为非烃源岩岩性。灯三段烃源岩沿高石1井—绵阳—马深1井厚度最大；高石梯—磨溪地区高科1井灯三段烃源岩厚度相对较大，黑色泥岩厚度为35.5 m[16]。川东北地区马深1井灯三段厚42 m，其中烃源岩厚36 m，TOC为0.82%～2.42%，平均1.54%；野外露头南江桥亭灯三段烃源岩厚23 m。

图4 川东北地区灯四段古油藏可能烃源岩野外照片Fig.4 Field photos showing the possible source rocks of paleo-oil pools in Deng 4 member,Northeastern Sichuan Basin a.胡家坝剖面，灯三段，紫红色泥岩；b.胡家坝剖面，筇竹寺组，底部灰黑色粉砂质泥岩；c.李家沟剖面，筇竹寺组，灰黑色薄层炭质泥页岩与硅质岩互层；d.鼓城剖面，筇竹寺组，灰黑色炭质泥岩

2.1.3 震旦系陡山陀组烃源岩

胡家坝剖面震旦系陡山陀组岩性主要为冰碛砾岩，生烃能力较小。陡山陀组烃源岩主要分布于盆地周缘，川东北地区厚度在20～100 m。紫阳紫黄剖面陡山陀组泥岩厚度为96 m。

2.2 油源对比

为了明确胡家坝灯四段古油藏的油源，本次研究采集了古油藏不同部位储层沥青，以及灯三段和筇竹寺组泥岩做色谱-质谱及稳定碳同位素分析。m/z=191质量色谱图上检测的萜类化合物中(图5)，所有储层沥青样品和烃源岩样品以五环三萜烷占优势，相对丰度五环三萜烷>三环萜烷>四环萜烷。三环萜烷中几乎未检测出C19，以C23丰度最高，且C21，C23和C24的分布呈倒“V”字型，一般认为这种分布特征与咸水环境有关，表明了菌藻类等低等生物输入[18-19]。五环三萜烷丰度较高，以C30藿烷为最高峰，Ts小于Tm，有一定含量的伽马蜡烷，伽马蜡烷/C30藿烷值介于0.11～0.20，表明原油母质形成于具有一定盐度的海水环境[20]。旺苍灯三段黑色泥岩伽马蜡烷含量明显高于其他样品，表明其形成环境盐度相对较高。从储层沥青与烃源岩的萜烷生物标志物参数对比可以看出(图6)，胡家坝灯四段中部储层沥青与灯三段泥岩有可对比性，顶部沥青与筇竹寺组泥岩有可对比性，反映其储层沥青来源的差异性。

图6 胡家坝储层沥青与烃源岩萜烷生物标志物参数对比Fig.6 Parameter comparison of terpane biomarkers between the bitumen and source rocks in Hujiaba section

m/z=217质量色谱图上检测出的甾类化合物主要有规则甾烷、重排甾烷及孕甾烷。从图5中可以看出，除旺苍灯三段黑色泥岩外，不管是储层沥青还是泥岩，规则甾烷含量均表现为C29> C28> C27。一般认为，C27甾烷来自于藻类，C28甾烷为海洋灌类繁盛的标志，C29甾烷既可来源于藻类也可来源于高等植物[22-23]。但前人研究表明，C29甾烷作为陆源标志物的可靠性存疑，部分含有丰富C29甾烷的原油，其母质来源很少或没有高等植物输入[19,24]。胡家坝灯影组古油藏中部储层沥青C27-C28-C29甾烷分布呈反“L”型，C28甾烷含量相对顶部沥青及筇竹寺组烃源岩较低，与胡家坝灯三段泥岩相似，但由于胡家坝灯三段紫红色泥岩TOC较低，为非烃源岩，不能作为供烃烃源岩。旺苍灯三段黑色泥岩为有效烃源岩，C27-C28-C29甾烷分布呈不对称“V”型，C28甾烷含量低，推测中部沥青C28甾烷含量相对较低可能与混入灯三段生成的原油有关。而胡家坝灯四段顶部储层沥青C27-C28-C29甾烷分布呈阶梯型，与筇竹寺组泥岩相似，此特征与萜类分布情况相同。

图5 胡家坝储层沥青与烃源岩萜烷(m/z=191)及甾烷(m/z=217)质谱对比(*数据来源于肖玉亮，2016[21])Fig.5 Mass spectrometry comparison of terpane(m/z=191) and sterane(m/z=217) between the reservoir bitumen and source rocks in Hujiaba section(Data marked with * sourced from reference[21]) 1. 13β，14α-C20萜烷；2. 13β，14α-C21萜烷；3. 13β，14α-C22萜烷；4. 13β，14α-C23萜烷；5. 18α(H)-22，29，30-三降藿烷(Ts)；6. 17α(H)-22，29，30-三降藿烷(Tm)；7. 17α，21β-30-降藿烷；8. 17α(H)，21β(H)-藿烷；9.伽马蜡烷；10. 5α，14β-C21孕甾烷；11.重排甾烷；12. C27甾烷；13. C28甾烷；14. C29甾烷

前人[16]通过对四川盆地震旦系-寒武系烃源岩研究，认为灯三段烃源岩干酪根碳同位素(δ13C)值介于-33.40‰～-28.50‰，筇竹寺组烃源岩干酪根δ13C值介于-36.00‰～-31.00‰，胡家坝剖面两个灯四段储层沥青样品δ13C值分别-35.69‰和-36.00‰(图7)，与筇竹寺组烃源岩有较好的对比性。本次筇竹寺组野外取样点为胡家坝、鼓城、福成和杨坝等地，均不处在绵阳-长宁裂陷槽中，烃源岩干酪根δ13C值介于-33.31‰～-31.65‰，而处于裂陷槽中的资4井筇竹寺组烃源岩干酪根碳同位素值明显偏低[25]，表明胡家坝灯四段储层沥青碳同位素特征与裂陷槽筇竹寺组烃源岩更具有对比性。

图7 胡家坝储层沥青与烃源岩碳同位素对比 (部分数据来源于魏国齐，2017[16])Fig.7 Comparison of carbon isotope between the reservoir bitumen and source rocks in Hujiaba section (part of the data sourced from reference[16])

川北地区野外剖面及钻井揭示震旦系-寒武系烃源岩成熟度较高，筇竹寺组烃源岩等效Ro(镜质体反射率)介于2.24%～2.87%，灯三段烃源岩等效Ro介于3.19%～3.45%，均处于高-过成熟度阶段。前人[26]研究成果表明，高成熟-过成熟样品常规生物标志物趋于一致，失去了指示原始生物组成特征的意义。因此，综合生物标志物及碳同位素对比特征，结合胡家坝灯四段古油藏向顶部富集的特点，认为胡家坝灯四段古油藏主要来源于裂陷槽筇竹寺组烃源岩，主要通过侧向运移聚集成藏，但不排除来源于灯三段烃源岩的可能性。

3 古油藏形成演化

3.1 烃源岩生烃演化史

根据川东北地区马深1井和天星1井实际钻探结果及相关资料，恢复了川东北地区震旦系-寒武系埋藏史及热史(图8)。志留系沉积期，筇竹寺组烃源岩埋深超过2 000 m，烃源岩开始逐步成熟，并进入了初期生油阶段(晚志留世)。志留纪末，由于加里东晚期运动的影响，川东北地区整体抬升，泥盆纪—石炭纪处于抬升状态，烃源岩生油停滞。二叠纪，川东北地区进入了整体稳定沉降阶段，在热流持续增加和埋深迅速增加的共同作用下，筇竹寺组烃源岩持续深埋并进入二次生油阶段，在二叠纪末进入生油高峰。中三叠统沉积期，筇竹寺组烃源岩埋深普遍大于4 000 m，温度超过120 ℃，达高成熟阶段，以生湿气为主。中侏罗统沉积期，筇竹寺组烃源岩埋深超过6 000 m，温度达170 ℃以上，进入了过成熟阶段，生气能力大大降低，并以生成干气为主。后期由于喜马拉雅运动，川东北地区快速隆升，烃源岩进入构造调整期。

图8 川东北地区震旦系-寒武系埋藏史及热史Fig.8 The burial and thermal history of the Sinian-Cambrian in Northeastern Sichuan Basin

3.2 古油藏形成和破坏史

根据烃源岩排烃史及区域演化特征[27-29]，胡家坝灯影组古油藏形成演化如图9所示。二叠纪末，筇竹寺组烃源岩进入生烃高峰，此时川东北地区构造活动弱，主要以地壳升降为主，油气运移主要为横向运移，台缘带为油气有利运移区。此时，相邻裂陷槽内筇竹寺组生烃中心及台地内部筇竹寺组优质烃源岩生成的油气通过侧向运移方式进入胡家坝灯影组台缘带古圈闭中形成早期油藏。晚三叠世—早侏罗世，古油藏中的古原油裂解形成古气藏，印支运动对米仓山山前构造作用并不强烈，仅表现为地壳的升降运动，油气往胡家坝古油藏高部位进行局部调整。晚白垩世至今，米仓山隆起，山前带断裂发育，地层抬升剥蚀，胡家坝灯影组早期古油藏遭到破坏，油气散失殆尽，最终残留固体沥青，形成现今残留古油藏。