川西中段山前带雷口坡组气藏形成条件及过程

2021-01-29汪玉贞刘树根宋金民叶玥豪李泽奇徐宏远

成都理工大学学报（自然科学版） 2021年1期

汪玉贞, 孙玮, 刘树根, 宋金民, 叶玥豪, 李泽奇, 徐宏远

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

2017年之前四川盆地中三叠统雷口坡组(T2l)被发现的气田仅有3个:川西中坝雷三气田、川中磨溪雷一1气田和川东卧龙河雷一1气田。第一个雷口坡组气田中坝气田被发现后，使得川西构造钻探中均将雷口坡组作为一个重要的目的层，但遗憾的是再无“第二个中坝气田”发现。自1973年到20世纪80年代末，先后钻探了苏码头、油罐顶、老关庙、大兴西、隆丰场、重华堰、青林口、汉王场等构造，雷口坡组测试的结果以产水为多[1]。川西中段则因为雷口坡组埋藏较深(普遍超过5.7 km)，一直未有探井；川合100井钻至雷口坡组顶部，未有发现。这说明川西雷口坡组的勘探有一定的难度。

到2010年Ck1井于雷口坡组测试日产量为数十万立方米，对川西雷口坡组的勘探与研究才又开始推进。2014年1月Pz1井雷口坡组测试日产量达百万立方米，加上近两年在该构造所钻的探井(Yas1井、Ys1井)均有较好的发现，其西南的川西中段雷口坡组已具备形成大气田的初步条件[1]。尽管前人对该地区也做了成藏方面的研究，但并没有完全解释清楚成藏的过程[2-4]，雷口坡组储层的分布特征和成藏规律并不完全清晰，有必要加强该方面的研究工作。制约四川盆地西部雷口坡组勘探主要的问题在于：(1)烃源不明；(2)储集层分布不明；(3)构造条件复杂及成藏过程不明；(4)保存条件不明[5-6]。本文即在此基础之上，系统分析川西中段彭州气田钻探成果和雷口坡组天然气成藏特征，结合近年来四川盆地勘探新理论和新认识，进一步探讨川西中段雷口坡组的天然气聚集成藏过程。

1 川西中段雷口坡组气藏特征

彭州气田是川西中段雷口坡组的代表性气藏，位于彭州至鸭子河地区一线，主要构造呈北东向沿龙门山山前展布(图1、图2、图3)。雷口坡组构造位于彭州断层北西盘(上盘)和安县-都江堰断层(下盘)之间形成的断背斜构造，该剖面特征如图2所示，构造圈闭的闭合线为海拔高度-5 km，闭合高度约335 m，面积约200 km2。该构造长轴方向为北东-南西向，北西向构造具有一致性，断层发育；而北东方向构造虽略有起伏，但整体构造稳定，构造高点位于鸭子河一带，是一个较完整的断背斜构造。该气藏压力系数为1.1，气柱高度为110～146 m。

彭州气田雷口坡组产气层如图2所示，位于雷四3亚段的上部距顶10～120 m处的叠层凝块白云岩和凝块叠层白云岩段。雷四段储集层主要为白云岩，与微生物作用有关的岩石结构有团块结构、叠层结构和层纹结构，发育2种微生物碳酸盐岩储层，即纹层状凝块白云岩和凝块叠层白云岩[7]。

据Pz1井、Yas1井和Ys1井的研究，裂缝并不发育，发育大量顺纹层分布的针状溶孔，面孔率4%～10%，孔隙较好，储层段总厚度为30～85 m。其中Ys1井雷四3亚段叠层凝块白云岩储集层段厚度约26.24 m，发育顺纹层分布的针状溶孔(图3-A、C)，面孔率为4%～10%；凝块叠层白云岩储集层段厚度约10.84 m(图3-B、D)，发育大量窗格孔、泡沫绵层结构孔、凝块团块粒内粒间溶蚀孔，面孔率为5%～15%，孔隙最优。Pz1井雷四3亚段主要发育凝块白云岩、纹层凝块粉晶白云岩、叠层凝块白云岩。凝块白云岩段的深度为5 765～5 770 m，面孔率<1%，孔隙不发育；叠层凝块白云岩发育井段深度为5 815～5 830 m，厚度约15 m，泡沫绵层溶蚀孔洞发育，面孔率为4%～10%，孔隙较好[8]。

综上，纹层状凝块白云岩储层孔隙度为2.5%～8%，渗透率为(0.01～10)×10-3μm2，属于低孔低渗储层。泡沫绵层叠层石白云岩储层孔隙度主要为5%～13%，渗透率主要为(2～10)×10-3μm2，为中低孔低渗储层[7]。而且该储层段沿龙门山前从西南的Gk003-5井至Ys1井、Pz1井和Yas1井都发育，可连续追综对比。

图1 川西地区构造单元划分图Fig.1 Tectonic unit divisions of western Sichuan

2 烃源条件及输导体系

2.1 雷口坡组的烃源条件

有关川西雷口坡组成藏的烃源目前还没有定论。雷口坡组天然气属于高演化天然气，因天然气组分受围岩影响较大，并不好确定其烃类来源；但从同位素特征分析看，偏向油裂解气[9](表1)。

但这就产生一个疑问，如果是古油藏内的油裂解气，其生成产物除天然气外，应该还有残余的固体沥青[10]。通过对目前四川盆地钻遇雷口坡组钻井分析和文献来看，并没有发现雷口坡组内部有明显的沥青存在[11-12]，说明并不是雷口坡组形成古油藏再裂解形成古气藏，更有可能的是从下伏古油藏内形成天然气向上运移至雷口坡组形成气藏，因此需要探讨雷口坡组下伏古老地层内的烃源才能说明这个问题。

图2 彭州气藏剖面图与川西雷口坡组顶面构造图Fig.2 Section lines of Pengzhou gas reservoir and contour of top surface of Leikoupo Formation

图3 川西中段Ys1井T2l4储层特征Fig.3 Characteristics of T2l4 reservoir in Well Ys1(A)叠层粉晶白云岩,窗格孔,深度6 200 m; (B)凝块叠层粉晶白云岩,深度6 202 m; (C)叠层石白云岩，深度6 220.39 m,(-); (D)凝块叠层白云岩,深度6 207.58 m，铸体薄片，(-)

表1 川西雷口坡组天然气与川中龙王庙组天然气特征对比Table 1 Comparison of natural gas characteristics of Leikoupo Formation in western Sichuan and Longwangmiao Formation in central Sichuan

关于雷口坡组烃源目前主流有2种：一类是雷口坡组自生碳酸盐岩烃源岩[13]，另一类是来自下伏二叠系碳酸盐岩泥质烃源[14]。除此之外，还有2套烃源与之可能有关：马鞍塘组-小塘子组泥岩烃源和下寒武统烃源。

川西中段雷口坡组储集层段微生物岩发育，因此，有成为烃源的可能；但是有机碳质量分数(wTOC)一般在0.2%～0.4%[4]，视为烃源是可以的，却并不能为大气田提供足够量的烃源。特别是雷口坡组为海相烃源岩，一般都是Ⅰ型干酪根，也会形成古油藏进而形成古气藏和沥青，这与勘探现状不符，因此其可能性较小。

二叠系烃源主要是依据四川盆地龙潭组煤系地层推测出川西应具有该类烃源。通过对川西中段的剖面观察[15]，龙潭组为一套以砂岩为主的地层，其生烃能力有限。整个龙门山也未发现以龙潭组为主要采煤的地区。尽管剖面中吴家坪组中泥质岩的有机碳质量分数较高，但厚度一般小于5 m，不足以供给雷口坡组这么大量的天然气。

对川西马鞍塘组-小塘子组研究表明，该套烃源厚度为22～150 m，具有较好的生烃潜力，据川西马鞍塘组20个样品的wTOC平均值为1.58%，小塘子组26个样品的wTOC平均为2.32%，为较好的烃源岩[16]。研究认为顶部不整合风化壳的气源有可能来自此地层。

综上，川西中段雷口坡组要形成大气田，必须有充足的烃源，而雷口坡组自身和二叠系可以提供烃源，但对形成大气田的贡献有限；而马鞍塘组-小塘子组与雷口坡组相距较近或直接接触，可以有一定的贡献，但由于其上生下储的匹配关系，减弱了其贡献的程度。从四川盆地勘探经验表明，大气田都有与之相对应的烃源，其wTOC值一般都是0.5%之上，且具有一定厚度。因此，靠这3套烃源供气难以形成雷口坡组大气田，因此要寻找确实能提供大气田形成的烃源层。

过去的研究中，因川西中段埋藏较深，对深部资料并不了解。加之川西南段H1井钻遇的下寒武统黑色泥岩仅有40余米，大邑露头灯影组直接与二叠系接触，因此推断川西地区可能缺失这套烃源。随着近十年来地震剖面数据的增多[6,11,17]，刘树根等[18]、刘殊等[19]通过地震剖面解释认为川西深部存在一个下寒武统绵阳-长宁拉张槽，拉张槽内下寒武统页岩厚度大、残余有机碳含量高，可以成为优质烃源[20]。据研究，拉张槽内下寒武统特征段的黑色页岩的wTOC一般都超过2%，达到了优质烃源岩的标准。据夏国栋等[21]对川西中段清平剖面下寒武统烃源研究表明，黑色页岩wTOC>2.0%的层段厚约142.6 m(含顶部碳质磷质岩)，说明该套烃源岩非常优质且厚度大，完全满足供烃条件。对比川西北地区的泥盆系观雾山组油气，就是下寒武统筇竹寺组泥质岩和下二叠统泥灰岩、泥质岩烃源岩共同贡献的结果，且以筇竹寺组为主，下二叠统是重要补充[22-23]。因此，川西中段最为有效的烃源可能是筇竹寺组烃源，其地层在川中中段基本上保持完整。川中地区已经证明筇竹寺组烃源岩对四川盆地内灯影组和龙王庙组成藏有重要的贡献[24-25]，而地震资料揭示川西地区该套地层厚度更大，质量应该也更好，没有理由不相信其在川西的作用。因此，本文推测雷口坡组的烃源应该来自筇竹寺组。

2.2 雷口坡组的输导体系

雷口坡组与下伏烃源筇竹寺组中间相隔了非常厚的地层，仅二叠系、飞仙关组和嘉陵江组的厚度就有2 km，雷口坡组自身的厚度为500～700 m，加之嘉陵江组和雷口坡组发育较厚的膏盐岩，因此储集层与烃源岩是被隔离开的，且隔离距离非常大，因此要想使得下伏烃源向上运移至雷口坡组，需要有效的输导体系。

雷口坡组和嘉陵江组的膏盐岩就像是锅盖，封盖了其下的流体向上运移[26]。川西中段雷口坡组上覆有天井山组，风化壳并不发育，因此通过风化壳运移的输导体系也并不发育。因此唯有断层才是有效的输导体系，特别是沟源断层(即断层同时断至深层烃源与雷口坡组)。

受多期构造活动影响，川西存在多种断裂组合类型(图4)，按是否切穿中三叠统膏盐岩对断裂输导系统进行分类，有背冲隆起构造和双层构造。背冲隆起构造沿震旦系底面滑脱，切穿中下三叠统膏盐岩，向上断至白垩系内，深部筇竹寺组生成的烃类物质可沿断裂向上运移，与浅部的茅口组、雷口坡组优质储层形成良好沟通。双层构造断裂系统受中三叠统膏盐岩滑脱层影响，存在两套输导系统。其中下部输导系统可将筇竹寺组烃类物质运移至二叠系储层；上部输导系统自成一体，将少量烃类物质运移至浅部。该类型断裂具有油气输导能力。但直接切穿雷口坡组膏盐岩的断层具有较好的输导能力，也是成藏的重要输导体系[27]。

根据川西地区北西-南东向地震剖面构造解释及演化示意图(图5)，须家河组沉积后，雷口坡组顶面构造整体呈东高西低的构造特征，但彭州一线以西存在一个相对独立的构造。

至侏罗纪后，该构造更为清楚和明显，而且上下具有一致性，下伏老地层的构造更为清楚，早白垩世彭州断层才开始发育，至今仍在形成过程中。因此，可以说明彭州断层的形成时间主要为早白垩世，形成输导体系也应该是这一时期之后，之前断层并未发育至雷口坡组。

因此，川西中段深层有优质的烃源岩(筇竹寺组)，有雷口坡组微生物型储集层，有沟源断层形成的输导体系，有形成较早的圈闭体系，因此具备了形成了大气田的基本条件。而且断层输导体系形成较晚，有利于下伏古油气藏在完全裂解形成古气藏后再通过断层向上运移。

图4 川西拗陷断裂输导系统类型Fig.4 Types of fault transport system in west Sichuan depression(A)大邑地区铲式构造; (B)石羊场地区断层相关背斜; (C)彭州地区背冲断块; (D)鸭子河地区双层构造

图5 过Ys1井北西-南东向地震剖面演化图Fig.5 Evolution of northwest-southeast seismic profile across Well Ys1

3 油气成藏探讨

3.1 烃源热演化分析

因为较深层位目前资料较少，不好研究，因此通过须二段泥质岩的镜质体反射率(Ro)可以推测下伏烃源的成熟度。川西中段钻井中须二段埋深>4.5 km，其Ro普遍大于1.6%，已达到过成熟阶段，因此推测其下伏地层烃源基本都达到了成熟至过成熟阶段，形成天然气，这也与川西中段目前的勘探一致。

根据川西钻井资料进行分析，其埋藏史如下：

川西中段雷口坡组沉积末期，下寒武统烃源达到成熟高峰。

须家河组沉积末期，下寒武统烃源达到成熟至过成熟阶段，而马鞍塘组-小塘子组烃源刚刚进入成熟阶段，开始排烃。

侏罗纪末期，马鞍塘组-小塘子组烃源达到高成熟产湿气阶段，因此推断下寒武统烃源埋深超过8 km，烃源完全过成熟，古油藏内的油可以充分裂解形成天然气。

喜马拉雅运动前，均达到高熟阶段。

3.2 雷口坡组及深层古构造演化及成藏分析

川西中段雷口坡组成藏是一个非常复杂的过程，与川西构造演化息息相关，与下伏烃源岩发育以及下伏古油气藏的发育也紧密相联。由前述可知，二叠系烃源、雷口坡组自身烃源和马鞍塘组-小塘子组烃源对于形成雷口坡组贡献不大，因此主要以下寒武统烃源来阐述成藏过程。

雷口坡组沉积末期，下寒武统烃源层的埋深约为2.8 km，超过生油门限，可以向灯影组和上覆二叠系提供烃源。川西深层是有构造圈闭的。事实上，由于二叠系与烃源的直接接触，反而极大地提高了二叠系的聚烃效率，形成灯影组和二叠系2个古油藏。由于雷二至雷三段存在较厚的膏盐岩，这时生成的油气并不能向上运移至雷口坡组中。

须家河组沉积末期(图5)，川西拗陷形成，构造的高点仍在东部；但从拉平须家河组顶面可以看出，以鸭子河、彭州、石羊场一线为推覆的前锋带，以东的区域才是须家河组沉积最厚的区域，鸭子河、彭州、石羊场一线古构造实际上是存在的。灯影组和二叠系古油藏开始裂解形成古油气藏。这一时期断层并不发育，还未断至雷口坡组上部，没有形成输导系统。

至侏罗纪末期(图5)，古油气藏已全部裂解成天然气，而彭州断层开始形成，为深层天然气向上运移提供了运移通道，天然气向上运移输送至雷口坡组中。断层上盘一方面接收深层天然气的灌入，另一方面断层下盘与之对接的须家河组烃源可以向上盘的地层提供部分天然气而形成混源气。断层的下盘膏盐层之下主要接收深层天然气，而膏盐层之上主要接收须家河组提供的天然气。

随着龙门山的进一步抬升，构造进一步定型，断层持续输导深部的天然气至雷口坡组储集层段，形成现今的雷口坡组气藏(图5)。

图6为雷口坡组及深层成藏的模式图，彭州断层在形成时未切穿中下三叠统的膏盐层，原油沿断层向上运移至二叠系内形成灯影组和二叠系古油藏；随着埋深和断层的持续进行，古油藏内的天然气裂解形成古气藏，此时的断层仍未切穿膏盐层；最终当断层切穿膏盐岩时古气藏内仅有天然气沿断层向上运移至雷口坡组内形成气藏。因此，雷口坡组气藏为次生气藏，其天然气来自下伏烃源形成的古气藏，雷口坡组此时接受的是天然气，并不是液态烃，也解释了为什么至今在川西所有钻至雷口坡组的储层段中未见到大量沥青。雷口坡组并未形成过古油藏，因为古油藏裂解后的产物中有沥青。

图6 川西中段雷口坡组及深层油气成藏模式图Fig.6 Diagram showing deep reservoir formation pattern of Leikoupo Formation

需要指出的是，雷口坡组成藏，尽管天然气可以通过断层输导体系进行运聚，但是川西长期处于挤压构造下，断层处于压性状态，不容易开启。以往在解释川西侏罗系的天然气来自下伏须家河组时，用到的天然气爆发式成藏理论或是气烟囱理论，都可以解释；但是都未解释动力来源，仅说压力系数过高，天然气挤开断层向上运移，发生幕式成藏。但这种解释有些牵强，因为压力系数过高，天然气完全有可能侧向运移，因为形成大气田的首要因素就是储层必须比较好，侧向完全可以运移调整压力。结合近年来研究成果，曹俊兴等[28]提出了震控成藏理论，该理论对于解释天然气的跨层运移非常适用：川西地区长期受地应力作用，至今仍是地震活动频繁地区，主要是与龙门山断裂带的形成有很大的关系。龙门山构造带是以扬子地块为主要应力源向龙门山及川西俯冲并引起龙门山仰冲造山，是在不同层次滑脱的基础上发育的大型推覆体，总体上为前展式扩展方式[29-30]。彭州断裂(山前隐伏断裂)形成时间约在早白垩世，说明其形成较晚，晚期地震也较为发育。根据中国地震台网中心及四川省地震局数据显示，仅从2011年至今，发生在彭州市境内的地震就有4次，2011年为4.8级，其他均为3级左右，因此彭州断层活动是比较频繁的，虽然震级不高，但叠加能量足以打开断层，使下伏古气藏内高压天然气沿断层运移至上部地层。通过统计，目前川西所有雷口坡组产气的构造(中坝、平落坝、鸭子河、彭州、石羊场等)，其附近都存在一条类似图3彭州断层的一条沟源断层，也从侧面印证了这个可能性。