陳 聰 張 健 羅 冰 文 龍 林 怡 張 亞 謝 忱 徐國盛
1.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院 2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·成都理工大學
美國地質專家Hunt[1]給流體壓力封存箱定義為沉積盆地內由封閉層分割的油、氣、水系統,其內外壓力存在著較大的差異,稱之為流體壓力封存箱,箱內生、儲、蓋條件俱全,由主箱與次箱組成。所謂的壓力封存“箱”是一種理想的說法,“箱”作為獨立的地質體受各種地質因素的影響處于不斷地變化中,因而是一種動態的客觀存在,在三維空間內對流體及能量具有相對的封隔性[2]。封存箱一般由頂板、底板、側向隔板、烴源灶和倉儲空間等部分組成[3-5]。封存箱內是否含有烴源灶是非常重要的分類標志,含有烴源灶的被稱為自源型封存箱,不含烴源灶的則被稱為他源型封存箱[6],大中型油氣田大多分布在自源封存箱內或臨近其頂板、側板的部位[7]。
前人的研究成果和勘探實踐表明,利用“壓力封存箱”理論可以預測油氣藏分布[1-10]。戴金星[3]認為,四川盆地東部地區垂向上存在多個壓力封存箱,位于上、下封存箱之間的圈閉成藏受到箱外運聚成藏的復合作用。周興熙[8]認為把封存箱的研究作為油氣勘探決策程序的一個環節,找到大、中型的油氣藏的概率將會大大地提高。
依靠鉆井、地震等綜合技術手段可以較準確地識別壓力封存箱。首先識別出封存箱的垂向分隔層,即頂、底板,然后根據鉆井資料獲得地層流體壓力的數據,劃分出壓力的縱向分布,識別出壓力封閉帶。再運用連井剖面進行封隔層和壓力結構的對比,明確封存箱的分布范圍、類型、性質和對油氣成藏的控制機理。在識別封隔層和確定封存箱的邊界(側板)時,地震成果提供的低速帶、斷裂帶、負向構造軸部和巖性/巖相突變帶起重要參照作用[7]。
四川盆地西北部地區(以下簡稱川西北)龍門山斷裂帶北段存在多個壓力帶:常壓帶(壓力系數介于1.0~1.2)、高壓帶(壓力系數介于1.2~1.8)、超高壓帶(壓力系數大于1.8)。前人在研究“壓力封存箱”時,通常以目前盆地超壓的分布為依據劃分出“壓力封存箱”的范圍[9-10],但是很少對壓力封存箱的演化及其與油氣成藏的關系進行過研究。為此,筆者以地層超壓特征為依據,結合地震、測井、錄井、地球化學測試等資料劃分出了川西北雙魚石構造帶和九龍山構造的中三疊統—古生界“壓力封存箱”的分布范圍,并研究該封存箱的結構、壓力形成機制以及對油氣成藏的影響,分析勘探潛力,尋找油氣富集區,以期為該區的油氣勘探提供技術支撐。
研究區(川西北)西至龍門山北段逆掩推覆帶,東至川北古中坳陷低緩區,北至米倉山隆起南緣山前斷褶帶。從龍門山至盆地方向(從西向東),由于構造應力的差異,形成了逆沖推覆構造帶、背沖背斜構造帶和低緩褶皺帶等多個局部構造單元(圖1)。
逆沖推覆構造帶以3條主干大斷裂將其分隔成3個變形帶:青川大斷裂與北川—映秀斷裂之間為后山帶,北川—映秀斷裂和馬角壩斷裂之間為前山帶推覆體,馬角壩斷裂與①號斷裂之間為前鋒帶,前山帶推覆體與前鋒帶構成前山帶。后山帶和前山帶推覆構造活動劇烈,地層及構造形態復雜。前鋒帶是龍門山推覆帶與盆地之間的過渡帶,其顯著的特征是在馬角壩斷裂以東,向盆地方向產生數條隱伏斷裂。最東邊為①號斷裂,為逆沖推覆構造帶的東邊界。該隱伏斷裂東側(山前帶)主要是受到逆沖推覆擠壓作用,產生整體褶皺變形,形成背沖背斜構造帶和低緩構造帶(圖1)。低緩構造帶是區域上的活動帶,又是穩定的局部背斜構造,其展布受到龍門山推覆帶和米倉山隆起以及地臺北部巴中—通江旋轉構造體系的控制,是龍門山推覆帶擠壓力與米倉山隆起產生的旋轉垂直上升力共同作用形成。
研究區相繼沉積了以震旦系—中三疊統碳酸鹽巖為主的海相地層和以上三疊統—白堊系砂泥巖為主的陸相地層。構造演化劃分為伸展拉張期(震旦紀—中三疊世末)、陸隆伸展演化期(晚三疊世—中侏羅世末)、擠壓抬升剝蝕期(晚侏羅世—現今)等3期[11]。自元古代以來最大主應力性質發生多次改變,控制該區的構造變形、生儲蓋組合的分布、斷裂特征和油氣運聚。沖斷帶下盤發育形成于印支期晚期的沖起構造,其內部斷層發育,將二疊系(P)、志留系(S)及寒武系烴源巖與二疊系儲層和圈閉串通,有利于烴類的運聚[12]。
本次研究層位包括中三疊統—寒武系。其中石炭系和泥盆系主要分布在雙魚石—中壩地區,向東逐漸減薄至尖滅;志留系在雙魚石構造以南缺失;泥盆系直接覆蓋在寒武系之上[13]。烴源巖主要發育在寒武系、志留系、下二疊統和上二疊統吳家坪組(P3w)等地層。泥盆系(D)、石炭系(C)、中二疊統棲霞組(P2q)均有儲層發育。中、下三疊統的巨厚膏鹽層為區域蓋層。

圖1 川西北構造特征及地層綜合柱狀圖
徐國盛等[14]為了擴大原始鉆井資料的使用范圍,統計并采用相關分析和回歸分析法得到了各地區儲層實測地層壓力與其氣侵、井涌時所用鉆井液密度之間的關系,建立了“視壓力系數”與鉆井液密度之間的關系式:

式中pc表示視地層壓力系數;h表示儲層中部深度,m;r表示氣侵、井涌時的鉆井液密度,g/cm3。
利用鉆井時出現氣侵與井涌時使用的鉆井液密度換算成“視壓力系數”,從而獲得各層段近似的地層原始壓力系數,為研究現今地層壓力的分布規律提供了很大的方便。以單井實測地層壓力系數作為約束,繪制了研究區內K2井、ST3井和L16井的壓力系數變化曲線(圖2),并根據計算的“視壓力系數”結合實測地層壓力系數將川西北劃分為3個地層壓力分布帶(圖3),研究區地層壓力帶的分布與構造帶分布具有很好的相關性,推覆構造帶多為常壓,背沖背斜帶發育高壓、低平褶皺帶發育超高壓,距推覆帶越遠的構造地層壓力系數越高。處于推覆構造帶的K2井鉆遇的三疊系—志留系為常壓,“視壓力系數”小于1.2(圖2-a);背沖背斜帶中的ST3井在進入三疊系后地層壓力為超壓,至吳家坪組和中二疊統茅口組(P2m)“視壓力系數”接近1.8,為超高壓,棲霞組“視壓力系數”明顯減小至1.4,仍為高壓氣藏,泥盆系、石炭系“視壓力系數”為1.5,為高壓地層(圖2-b);鄰區九龍山構造從上三疊統開始發育高壓(“視壓力系數”超過1.3),L16井的中三疊統及其以下地層發育超高壓(“視壓力系數”介于1.8~2.0),其中棲霞組和茅口組和志留系“視壓力系數”高達2.0(圖 2-c)。

圖2 川西北下二疊統視壓力系數變化圖

圖3 川西北茅口組地層視壓力系數等值線圖
川西北從中三疊統—寒武系為自源型超壓封存箱。封存箱的頂板為中三疊統雷口坡組(T2l)和下三疊統嘉陵江組(T1j)區域性巨厚膏鹽層,底板為寒武系和志留系的泥頁巖層,西側隔板為①號斷裂,東側隔板表現為巖性封閉(圖4)。封存箱范圍西至①號斷裂,東至九龍山構造,北至米倉山隆起南緣山前斷褶帶構造,南至雙魚石構造帶南段(圖3)。該壓力封存箱以九龍山構造至雙魚石構造帶中線為界分為東西兩個次箱。整個壓力封存箱與外界存在明顯的壓力差(圖3),箱內壓力系數大于1.4,箱外多為正常壓力系數,具有壓力封存箱的典型特征[3]。

圖4 川西北中三疊統—古生界壓力封存箱構成模式圖
壓力封存箱的頂板由中三疊統巨厚膏鹽層構成,累計厚度介于200~300 m。雷口坡期—嘉陵江期,四川盆地西部地區是沉積/沉降中心,沉積發育廣泛膏鹽層,膏鹽層橫向分布連續,沉積厚度大[15-17]。膏鹽層主要為灰白色硬石膏、灰白色塊狀石鹽巖和深灰色塊狀硬石膏巖,巖性致密具有塑形,①號斷裂及其伴生斷裂向上消失于膏鹽層中,均未斷穿膏鹽層,區域性的巨厚塑性地層是油氣有效的垂向分隔層[18-19]。從巖性、厚度、地層分布來看,封存箱的頂板對川西北下伏地層流體都具有強力的封蓋作用(圖5)。

圖5 川西北ST1井地震剖面圖
壓力封存箱的西側隔板為①號斷裂,該斷裂由龍門山造山帶多期活動擠壓形成,為逆斷層,呈北東南西向延伸,長度為174.3 km,斷距介于600~ 1 450 m,傾角介于30°~40°(圖1);該斷裂屬于隱伏斷裂,形成于印支期,喜馬拉雅期龍門山推覆體再活動時未突破上覆三疊系,斷裂東側下盤具有明顯的牽引斷凹特征,具有良好的封隔作用(圖4)。鉆探成果表明,①號斷裂西側緊鄰河灣場構造、礦山梁構造,H2、H6井茅口組測試日產天然氣量分別為9.6×104m3、35.53×104m3,K3井石炭系測試日產天然氣量為0.18×104m3。斷裂形態和鉆探成果均表明①號斷裂具有良好的封堵條件,為壓力封存箱的西側隔板。
壓力封存箱底板由志留系和寒武系構成(圖4),志留系自東向西減薄,尖滅于雙魚石構造帶南部[13],寒武系分布穩定且厚度大,與①號斷裂伴生的次生斷裂向下消失于志留系或寒武系中,因此志留系和寒武系組成了川西北壓力封存箱底板。前人將川西北棲霞組、石炭系、泥盆系和寒武系中的油苗、瀝青脈進行對比分析,認為其主要來源于寒武系烴源巖[20-23]。寒武系和志留系均發育泥質烴源巖且生烴條件優越,①號斷裂及其伴生斷裂作為烴源通道溝通了下部烴源巖與箱內多套儲層,為箱內成藏提供了有利的烴源和運移通道(圖4)。
烴源灶是壓力封存箱的重要組成部分,是異常壓力的重要來源,提供了箱內油氣資源,烴源灶可以發育在封存箱內也可以發育在封存箱外[3]。研究區壓力封存箱烴源灶發育在箱內,由4套烴源巖組成,根據發育位置可以分為上中下3部分(圖4):下部為寒武系和志留系泥頁巖烴源巖、中部為下二疊統泥灰巖烴源巖、上部為吳家坪組泥灰巖。下部烴源灶由下寒武統筇竹寺組和下志留統龍馬溪組烴源巖組成,其中筇竹寺組烴源巖沉積厚度超過500 m,龍馬溪組烴源巖沉積厚度介于100~200 m,筇竹寺組和龍馬溪組泥頁巖有機質類型均為腐泥型,生烴強度介于40×108~80×108m3/km2,均具備優越的生烴能力13[13,24]。中部的下二疊統烴源巖為泥質灰巖和泥巖,泥質灰巖有機質類型以偏腐殖混合型為主,有機質豐度高,平均有機碳含量為1.4%,泥巖有機質類型以腐殖型為主,平均有機碳含量為2.24%,生氣強度大,介于18×108~40×108m3/km2[24]。上部吳家坪組也具備一定的生烴能力。4套烴源巖組成的烴源灶為箱內提供充足的烴源。下部烴源巖由斷層溝通向上供烴,下二疊統烴源巖對其內部儲層供烴,吳家坪組烴源巖生烴增壓與上覆膏鹽地層封蓋的共同作用對下伏地層流體起到了有效的封堵作用。
壓力封存箱內發育多套儲層,為壓力封存箱的“倉儲空間”,主要有棲霞組、下石炭統總長溝組、中泥盆統觀霧山組,其中棲霞組和觀霧山組已發現厚層孔隙型白云巖儲層。
泥盆系為古隆起背景之上沉積的一套前海陸棚相沉積物,其中觀霧山期水體較淺,水動力較強,白云巖及造礁生物發育,有利于白云巖儲層發育。石炭紀時期沉積環境與下伏泥盆系類似,具有繼承性。至下二疊世沉積期,棲霞期繼承了云南運動對泥盆系、石炭系改造后的古地貌背景,海侵范圍遠遠大于泥盆紀和石炭紀,上揚子地區全面接受沉積,加里東古隆起核部形成地勢相對較高的寬緩高帶,奠定了棲霞期臺地邊緣灘相沉積的基礎,棲霞組厚度穩定,雙魚石地區棲霞組厚度介于110~120 m。
棲霞組巖心、巖屑常規薄片鑒定分析結果表明,棲霞組儲層主要以褐灰色、淺灰色細—中晶云巖、中—粗晶云巖為主,晶粒較粗大,孔隙類型以晶間溶孔為主(圖6-a、b)。晶粒大小較均勻,半自形粒狀鑲嵌結構為主,見生物碎屑。根據川西北K2井、ST3井的棲霞組151個樣品的物性分析資料(圖6-c),棲霞組白云巖孔隙度最小值為0.42%,最大值為16.51%,平均值為3.58%??紫抖确植贾饕橛?%~6%;滲透率介于1.51×10-4~784.00 mD,平均值為10.90 mD,主要介于0.01~1.00 mD??紫抖群蜐B透率總體上具有較好的正相關關系,隨著孔隙度的增大滲透率呈上升趨勢,表明研究區內棲霞組氣藏的儲集空間主要為孔隙,兼有少量微裂縫,具有良好的儲滲性。棲霞期為臺地邊緣灘相沉積,厚度穩定,為一套厚度大且分布穩定的孔隙型白云巖,是壓力封存箱內最有利的倉儲空間。
觀霧山組儲層主要以淺灰色—淺褐灰色生屑云巖、紫紅色角礫狀細—中晶云巖為主,儲集空間主要為晶間溶孔、粒間溶孔及溶洞,局部見生物體腔孔(圖7-a、b)。據對ST3井、ST8井、野外露頭等89個樣品的物性實驗分析(圖7-c),觀霧山組白云巖孔隙度最小值為0.76%,最大值為5.17%,平均值為1.74%,孔隙度分布主要介于1%~3%,孔隙度大于2%的樣品的孔隙度平均值為2.74%,占總數的27.6%;滲透率分布介于3.30×10-4~1.91 mD,平均值為0.14 mD,主要分布介于1.00×10-3~ 0.10 mD,占樣品總數的69.0%??紫抖却笥?%的24個樣品滲透率分析結果統計顯示,滲透率主要分布介于2.29×10-3~1.81 mD,平均值為0.37 mD。從儲層孔滲關系來看,孔隙度和滲透率具有較好的正相關關系(圖7-c)。隨著孔隙度的增大滲透率呈上升趨勢,揭示了觀霧山組氣藏的儲集空間主要為孔隙??傮w來看,觀霧山組白云巖發育,厚度介于40~100 m,儲層中溶洞和溶孔發育兼有微裂縫溝通,儲滲性能較好,但分布具有一定的非均質性,是潛在的倉儲空間。

圖6 川西北棲霞組儲層特征圖

圖7 川西北觀霧山組儲層特征圖
壓力封存箱的形成是一個動態過程,存在多期的改造最終形成現今的封存箱特征[8,25],在這一系列演化過程中形成箱內或者箱外的多種油氣成藏模式[3]。
地層高壓存在多種發育機制,如烴類生成作用、構造擠壓、欠壓實作用、水熱增壓、礦物的轉化等[26-31]。
川西北中三疊統—古生界異常高壓形成機制可以為兩大類:①烴類生成作用,隨著有機質熱演化,烴源巖排烴和原油裂解對地層發育高壓有重要影響;②構造擠壓,推覆作用對地層的擠壓造成地層內天然氣體積壓縮從而形成高壓。
采用Easy%Ro動力學模型[32],結合實鉆數據模擬雙魚石構造帶ST3井的地層埋藏史—熱演化史過程如圖8所示。從圖8可以看出,雙魚石構造帶寒武系烴源巖在志留紀末(距今約410 Ma)至晚三疊世(距今約210 Ma)為生油高峰(0.7%<Ro<1.0%),原油在中侏羅世(距今約180 Ma)以后開始裂解(Ro>2.0%)。雙魚石構造帶的下二疊統和上二疊統烴源巖分別在晚侏羅世(150 Ma)和早白堊世(130 Ma)進入主要生氣階段(Ro>2.0%)。
4.2.1 加里東—海西期
加里東期,川西北屬于被動大陸邊緣環境,拉張背景下龍門山地區發育多條北東—南西向同沉積正斷層[33-34]。馬角壩斷裂以東地區位于斷裂下盤,持續抬升,大部分區域奧陶系和志留系地層剝蝕,出露寒武系地層,形成加里東古隆起,加里東古隆起在海西期繼續發展,雙魚石構造帶泥盆系至二疊系直接覆蓋在寒武系之上,形成有利的源儲配置(圖9-a)。
4.2.2 印支期
印支期—燕山期為油氣早期聚集期。
印支早期,加里東古隆起西側受龍門山擠壓抬升,褶皺變形,成為現今盆地西北部邊界雛形。加里東期古隆起核部以東地區位于早期斷裂下盤,受擠壓整體抬升,雙魚石—中壩地區處于古構造高部位形成印支期古隆起(圖9-b)。印支期古隆起形成時間與寒武系生油高峰期匹配較好,有利于古油藏的形成。嘉陵江組及雷口坡組膏鹽層殘厚可超過300 m,壓力封存箱頂板開始形成,為古隆起范圍內的下二疊統、泥盆系—石炭系儲層的油氣早期成藏創造了優越的保存條件,形成早期的高壓古油氣藏(圖9-c)。
4.2.3 燕山期
侏羅紀沉積期,①號斷裂停止活動,侏羅紀末雙魚石—中壩地區持續隆起,形成相對隆起帶,而斷裂東側下盤的背沖背斜帶表現為在印支期古隆起背景下的繼承性隆起高帶,烴源灶在中侏羅世之后大量生成的天然氣,在箱頂板和西側隔板的封堵下開始形成下二疊統以及泥盆系—石炭系的高壓油氣藏。而①號斷裂西側推覆構造帶地層保存條件被破壞,印支期形成的高壓油氣藏遭到破壞,為常壓地層。

圖8 川西北ST3井埋藏史—熱演化史圖

圖9 川西北構造演化與油氣成藏過程示意圖
白堊紀沉積期,作為封存箱側向隔板的①號斷裂未進一步突破上覆的三疊系,這對該斷裂東側下盤的背沖背斜帶油氣藏起到良好的封堵性,形成現今壓力封存箱格局,即推覆帶演變為箱外常壓帶,背沖背斜帶演變為壓力封存箱的西次箱(高壓帶),低緩褶皺帶的九龍山構造演化為壓力封存箱的東次箱(超高壓帶),東次箱由于在侏羅紀時期沒有經歷西側的泄壓過程,因此比西次箱保存了更高的地層壓力(圖9-d)。
4.2.4 喜馬拉雅期
喜馬拉雅期為氣藏調整期,上古生界聚集的烴類物質已全面進入氣態烴階段。地震和鉆井資料證實,在喜馬拉雅運動期間,即使印支運動早期斷裂得到加強,背沖背斜帶內的伴生斷裂向上仍未能突破中下三疊統膏鹽層的有效覆蓋,具備優越的成藏封閉條件,燕山期形成的壓力封存箱未被破壞。在壓力封存箱內,天然氣重新調整聚集,并富集成藏。陳綏祖和曾恕蓉[35]在對壓力封存箱與油氣藏分布的研究中認為高壓封存箱內相對低壓的位置為油氣富集區。從研究區壓力封存箱來看,背沖背斜帶中(西次箱)茅口組由于更加接近封存箱頂部且巖性更為致密,泄壓相對較少,所以保存了更高的地層壓力形成現今壓力封存箱的壓力系統,即箱內茅口組發育超壓(壓力系數為1.8~2.0)、棲霞組發育高壓(壓力系數為1.4~1.6)、泥盆系—石炭系發育高壓(壓力系數為1.5~1.8),棲霞組為倉儲空間中壓力系數最低的儲集段,由于有箱內上下高壓的保存,位于壓力封存箱內相對低壓的棲霞組為油氣富集區,另外與封存箱下部烴源灶(寒武系泥頁巖)直接接觸的泥盆系白云巖儲層也是潛在的有利勘探層系(圖9-e)。
從圖9的壓力封存箱形成過程可以看出,推覆斷裂在燕山期破壞了礦山梁等構造的壓力保存性造成壓力釋放,天然氣逸散,形成現今的常壓,原有的封存箱破壞。燕山早期(侏羅紀)背沖背斜帶壓力部分釋放,燕山后期(白堊紀)由于①號斷裂的封閉性,在下部斷層和上覆膏鹽層以及吳家坪組生烴、下二疊系內部生烴的促使下再次形成高壓氣藏,尤其是頂板附近的茅口組形成了超高壓,即形成西次箱現今壓力封存狀態,九龍山構造未經歷泄壓過程所以在構造擠壓、持續生烴以及原油裂解等增壓機制下形成了現今的超高壓,即形成東次箱的超高壓帶。
通過以上分析可以看出,川西北中三疊統—古生界存在壓力封存箱,油氣在箱內成藏,箱內烴源灶、隔板、倉儲空間和輸導體系在時空上配置關系良好,壓力封存箱經歷了從形成到破壞到再形成的過程,原先存在異常高壓的推覆構造帶由于上覆保存條件的破壞,古壓力散失,至今為常壓。從封存箱的形成過程來看,由于隔板封堵性好,形成時期又早于大量生氣期,隨著生氣量的加大形成異常高壓,壓力封存箱內的異常高壓是充足氣源和良好保存條件的表現,油氣首先富集在距離頂板較近的優質儲層內,雙魚石—中壩地區的下二疊統棲霞組發育臺緣灘相厚層孔隙型白云巖儲層且靠近封存箱頂板,是有利天然氣富集區。另外,泥盆系觀霧山組白云巖儲層發育,且直接與下伏寒武系烴源巖接觸,與封存箱內的烴源斷裂配合,源儲匹配良好,是潛在的有利勘探層系。從構造來看,作為西側隔板的①號斷裂在雙魚石—中壩地區具有良好的封閉性且停止活動的時期早于大規模生氣期,由于推覆作用,①號斷裂東側(斷下盤)形成成排成帶的背斜構造帶,具備良好的圈閉條件,因此①號斷裂東側(斷下盤)背斜構造是潛在的勘探目標。
1)川西北從中三疊統—寒武系存在自源型超壓封存箱。封存箱范圍西至①號斷裂,東至九龍山構造,北至米倉山隆起南緣山前斷褶帶構造,南至雙魚石構造帶南段。該壓力封存箱以九龍山構造至雙魚石構造帶中線為界分為東西兩個次箱。整個壓力封存箱與外界存在明顯的壓力差,箱內壓力系數大于1.4,箱外多為正常壓力系數。
2)川西北古生界壓力封存箱形成于印支運動早期。燕山早期龍門山斷裂帶北段的推覆構造帶古壓力釋放,原有的封存箱被破壞,燕山后期①號斷裂的封閉作用,在下部斷層和上覆膏鹽層以及內部烴源生烴的共同作用下形成高壓封存箱,離主干斷裂帶越遠超壓越明顯。
3)川西北中三疊統—寒武系油氣為箱內成藏,主要成藏期為喜馬拉雅期,隔板的良好封堵性且形成時期早于大量生氣期,氣源充足、保存條件良好,油氣首先富集在距離箱頂板較近的優質儲層中。其中,雙魚石構造帶棲霞組為有利的油氣富集層系,觀霧山組是潛在的有利勘探層系;①號斷裂東側(斷下盤)背斜構造是潛在的勘探目標。