川北閬中地區震旦系-寒武系油氣成藏條件與過程

董 軍， 劉樹根, 卿 萍， 陳小梅， 王 東

(1. 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)， 成都 610051； 2. 中石化西南油氣分公司勘探開發研究院， 成都 610041； 3. 西華大學， 成都 610039)

四川盆地下古生海相油氣資源豐富。其中，下寒武統筇竹寺組是深層碳酸鹽巖沉積中重要的烴源巖發育層系之一，加之震旦-寒武系海相碳酸鹽巖地層分布范圍廣，臺緣礁灘儲集層物性好、規模大，具有良好的勘探前景。從塔里木盆地塔北斜坡的順北、哈拉哈塘地區，鄂爾多斯盆地中央古隆起東斜坡的靖邊、靖邊西地區等油氣勘探實踐認為[1-4]，對于深層海相碳酸鹽巖勘探的目標主要是圍繞古隆起、古斜坡開展[5-7]。截至2017年，川中古隆起的安岳碳酸鹽巖特大型氣田已探明天然氣地質儲量為近萬億m3，三級儲量超萬億m3[8-9]，證實了震旦-寒武系巨大的資源潛力。2018年JT1井在川中古隆起北斜坡燈影組獲得良好的油氣顯示，并在寒武系獲得工業產能，進一步證實了北斜坡良好的資源潛力[10]。川北閬中地區位于北斜坡南部，CS1井在鉆遇震旦-寒武系氣測顯示較好，為了進一步取得勘探突破，同時降低勘探風險，現運用具有區域廣、時間跨度大、動態直觀、結果豐富、投入少及獲得信息多等優點的盆地模擬技術，結合多種測試分析資料與地球物理資料，動態恢復油氣成藏史，以加深對油氣成藏過程及富集規律的認識，以期為下一步勘探指明方向。

1 區域地質概況

研究區位于四川盆地北部，古地理位置屬于川中古隆起北部斜坡帶，緊鄰綿陽-長寧拉張槽(圖1)。

圖1 四川盆地構造分區及寒武系古地理格局圖Fig.1 Tectonic regionalization and paleogeographic pattern of Cambrian in Sichuan Basin

震旦-寒武系地層埋深大，構造較為簡單，整體呈向西南方向的上傾的單斜構造，無大型統一的構造圈閉形態，僅發育一系列小型背斜或斷背斜構造。目前勘探認為，下寒武統筇竹寺組烴源巖分布廣、厚度大，同時晚震旦-寒武世高能灘沉積環境發育，縱向上存在多套儲蓋組合，具有油氣成藏的條件。

1.1 烴源巖條件

筇竹寺組烴源巖作為主力烴源巖長期以來受到廣泛關注[11]。該套地層在研究區廣泛沉積，厚度由東向西逐漸減薄。據CS1井鉆揭下寒武統筇竹寺組為一套灰黑色、深灰色的頁巖、炭質頁巖與泥巖、砂質頁巖互層，單層厚度為2 ～12 m，最大厚度為65 m(圖2)。烴源巖主要分布于筇其中，有效烴源巖(總有機碳TOC>0.5%)厚度為247 m。地化資料顯示，氯仿瀝青“A”中飽和烴平均含量59.41%，芳烴17.34%，非烴和瀝青質為20.79%，為腐泥型干酪根。有機質成熟度指標Ro為1.5%～2.94%，平均2.21%，表明熱演化程度高，總體上處于生干氣階段。竹寺組下部，總厚度為384 m，總有機碳(total organic carbon, TOC)為0.48%～4.58%，平均1.89%。

圖2 CS1井筇竹寺組綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of well CS1 Qiongzhusi Formation

1.2 儲層特征及儲蓋組合

沉積相是有利儲集體形成的基礎。四川盆地震旦系-寒武系發育震旦系燈影組二(Z2dn2)、四段(Z2dn4)丘灘體白云巖[12]、下寒武統龍王廟組(∈1l)顆粒灘白云巖[13-16]和中上寒武統洗象池組(∈2-3x)巖溶白云巖[17]共4套規模儲層。CS1井鉆揭研究區震旦-寒武系儲層具有特低孔、特低滲的特征(表1)。

表1 研究區震旦-寒武系儲層物性表Table 1 Physical properties of Sinian-Cambrian reservoirs in the study area

燈四段儲集巖性以臺緣藻丘相丘核沉積的藻疊層、藻凝塊、藻粘結格架白云巖為主[圖3(a)]。儲層類型為裂縫—孔隙型。儲集空間以殘余藻間窗狀孔洞和格架孔洞為主[圖3(a)和圖3(b)]，孔洞縫發育且分布較為均勻，具有順層發育和選擇性溶蝕特征。儲層集中分布在燈四中上部，具有多層疊置特性，向下孔隙發育程度降低。龍王廟組儲層巖性以顆粒灘沉積的殘余砂屑(鮞粒)微粉晶白云巖為主。儲層類型為孔隙型。儲集空間主要為粒間孔、晶間孔，以及微裂縫[圖3(c)和圖3(d)]。儲層展布明顯受高能顆粒灘展布及表生期順層巖溶作用范圍控制。有效儲層位于龍二段向上變淺旋回上部的顆粒灘核部，橫向上連續性較差，非均質性強。洗象池組儲層巖性以白云巖為主，儲層主要發育該組的中上部，發育溶蝕孔，局部見少量微裂縫，半充填-未充填[圖3(e)和圖3(f)]。綜合認為燈四段與龍王廟儲層較好。其中，燈四段儲層主要分布在研究區中部，呈南北向展布。龍王廟組儲層主要分布于研究區中西部，呈北西向展布。

(a) 8 156.03 m，深灰色含多孔細晶白云巖，格架孔，晶粒結構，微裂縫發育，CS1，Z2dn4；(b)8 278 m粉晶藻疊層白云巖，窗口孔被瀝青充填，CS1，Z2dn4，×100，-；(c) 7 435 m，殘余砂屑粉晶含灰白云巖，粒間孔被瀝青充填(黃箭頭)，晶間孔(紅箭頭)發育CS1，∈1l，×100；(d) 灰色細晶白云巖，成巖縫被瀝青充填，CS1，∈1l，×50，-；(e) 7 272 m，灰色含有機質粉晶白云巖，充填孔隙，CS1，∈2-3x；(f) 7 276 m，淺灰色粉晶白云巖，見數條泥質細紋。偶見晶間溶孔，CS1，∈2-3x圖3 研究區震旦-寒武系儲層鏡下觀察圖Fig.3 Microscopic observation of Sinian-Cambrian reservoirs in the study area

1.3 輸導條件

輸導體系是油氣成藏過程中連接源巖與圈閉之間的路徑網。研究區震旦-寒武系輸導體系主要為斷裂型及裂縫型，其中燈四段還發育輸導層型及不整合型輸導體系，輸導條件更好。采用最大曲率與螞蟻追蹤相結合的方法，有利于綜合預測斷裂及裂縫發育。預測結果顯示(圖4)，研究區斷裂-裂縫主要分布在東北及，以北西西向(NWW)和北北西向(NNW)為主，呈向上范圍減小的趨勢，西南部裂縫發育相對較弱。從剖面上看，裂縫較為發育。整體上具備油氣運移的通道。

圖4 研究區震旦系-寒武系斷裂-裂縫預測Fig.4 Prediction diagram of Sinian-Cambrian fault-fracture in the study area

2 烴源巖熱演化史恢復及成藏期次

2.1 恢復原理

采用國際上廣為接受的Easy%Ro化學動力學模型如式(1)所示[18-19]，該模型主要是依據構造演化建立地質模型，給定可能的沉積埋藏史和古大地熱流值，結合有機質活化能分布[20]，在地溫和壓力約束下，擬合計算干酪根熱降解動力學過程和鏡質體反射率并與實測值對比，不斷調整沉積埋藏史和熱歷史使計算的鏡質體反射率和實測值吻合。具體公式為

Ro=exp(-1.6+3.7Fk)， k=1,2,3,…

(1)

式(1)中：Ro為鏡質組反射率，%；Fk為地層底界的第k個埋藏點的化學反應程度，其值范圍是0～0.85。

2.2 參數設置

有機碳含量是評價烴源巖豐度的重要指標。對于發生過大量排烴作用的烴源巖，殘余有機碳的判定存在一定誤差，尤其是對達到高成熟-過成熟階段的烴源巖，誤差更為顯著[21]。因此，基于物質平衡法[22-23]，通過Ro恢復系數開展原始有機碳恢復(TOC0)，結果表明TOC0較實測TOC提高70%左右，平均值為4.47%。

研究以鉆井分層出發，對各地層的沉積厚度和沉積年齡進行標定。其中混合巖性是客觀反映地層熱導率、影響烴源巖熱演化進程的基礎(圖5)。由于喜山期是盆地大規模隆升時期，大部分廣遭剝蝕，川中平緩褶皺區抬升隆升剝蝕幅度總體小于3 000 m[24-26]。

圖5 研究區地層巖性百分比圖Fig.5 Percentage diagram of stratigraphic lithology in the study area

古水深、古地溫、大地熱流是影響熱史模擬結果的重要參數。古水深主要根據沉積相和海平面的升降趨勢進行古水深的估算，研究區古生界沉積演化順序為濱淺海、濱海平原、濱岸潮坪、淺海開闊臺地，沉積水深0～130 m，中生界-新生界為河流-三角洲、半深湖、濱淺湖、河流相，沉積水深為0～45 m。古地溫采用wygrala模型，并用古水深進行約束。大地熱流值是地溫梯度與巖石熱導率的乘積，運用Easy%Ro模型模擬計算并標定了不同時期的大地熱流值。模擬結果用Ro驗證，符合客觀實際。

2.3 熱史恢復結果及成藏期次擬定

熱演化模擬結果顯示(圖6)，筇竹寺組烴源巖在晚二疊世末期(253 Ma)進入生烴門限，生油窗時期為中三疊世中期—中侏羅世末期(237～164 Ma)，中侏羅世末期(164 Ma)進入濕氣門限，晚侏羅世中期(151 Ma)進入干氣門限，早古新世(65 Ma)生烴停滯。最大生烴潛力模擬作為盆地模擬中必不可少的部分，根據盆地生油、氣的特點，選擇雙組分生烴化學動力模型進行模擬[27-31]，結果表明(圖7)：液態烴高峰在晚三疊世末-中侏羅世(208～161 Ma)，氣態烴高峰在晚侏羅世(160～145 Ma)。生烴強度42.6×108m3/km2，排烴強度40.1×108m3/km2，排烴效率為94%。

圖6 研究區筇竹寺組烴源巖熱演化恢復圖Fig.6 The thermal evolution recovery map of the Qiongzhusi source rock in the study area

圖7 研究區筇竹寺組烴源巖生排烴史圖Fig.7 The hydrocarbon generation and expulsion history of the Qiongzhusi Formation source rock in the study area

流體包裹體均一溫度表明(圖8)，震旦系燈四段存在3期油氣充注，分別為中三疊世末期(232 Ma)，晚三疊世末期(203 Ma)和中侏羅世末期(163 Ma)；寒武系龍王廟組存在2期油氣充注，分別為中侏羅世末期(161 Ma)和晚侏羅世中期(152 Ma)。

圖8 研究區筇竹寺組烴源巖油氣充注期次圖Fig.8 Hydrocarbon charging stages of the Qiongzhusi source rock in the study area

3 古構造背景下油氣運聚趨勢

3.1 運聚原理

基于流線模擬的達西-流體勢運移模型，主要是在基本網格上建立壓力方程，對流線進行正交運算，得出壓力等勢面。由此建立一個自然運移網絡，即流線場。流體沿流線運移，追蹤油、氣、水在油藏中的移動，主要表現為液體沿著流線在壓力梯度方向運移，而不是在網格內運動。這樣用流線來描述流體流動的方法，更接近流體的真實流動情況。

3.2 古構造恢復及油氣運聚趨勢

以研究區地震解釋層面出發，運用回剝法，結合油氣充注的關鍵時期，恢復震旦系燈影組頂以及下寒武統龍王廟組頂的古構造，并以此為基礎開展流線分析。

3.2.1 震旦系燈影組

燈影組油氣成藏期主要為：須家河組沉積初期以成熟油充注為主(Ro為0.7%～1.0%)，自流井組沉積初期以高熟油充注為主(Ro為1.0%～1.2%)，遂寧組沉積初期以濕氣充注為主(Ro為1.2%～2.0%)，白堊紀后為干氣充注(Ro>2.0%)及后期調整階段。

從古構造演化來看，油氣成藏期古構造整體北傾，局部演化為東高西低到西高東低最后到兩凹夾一隆的構造格局。其中變化最為明顯的為東北部長條狀低隆在濕氣充注階段消亡，東部坳陷在晚白堊世后的調整中向北部移動，造成了油氣的重新分配。油氣運聚趨勢演變為成熟油—高熟油充注期的由西向東，南北分區到濕氣充注階段的由東向西，最后整體向南調整。油氣運聚有利區分布在西北部、中部穩定低隆及北部、中南部低隆的北翼(圖9)。

圖9 震旦系燈影組頂面油氣成藏關鍵時期古構造及流線分布圖Fig.9 Distribution of paleo-tectonics and streamlines in the top surface of Sinian Dengying Formation during the key period of hydrocarbon accumulation

3.2.2 下寒武統龍王廟組

龍王廟組油氣充注主要為：上沙溪廟組沉積初期以成熟-高熟油充注(Ro為0.7%～1.2%)，遂寧組沉積初期以濕氣充注(Ro為1.2%～2.0%)，白堊系后為干氣充注(Ro>2.0%)及后期調整階段。

古構造演化與震旦系有所不同。油氣成藏期古構造從東傾逐漸轉變了東北傾，局部則同樣表現為東部凹陷在持續擴大后向北調整。油氣運聚趨勢演變為高熟油—濕氣充注期的由東向西、南北分區，最后到整體向西南調整。有利的油氣聚集帶為西北部穩定古低隆、東北部低隆及中部低隆北翼、中南部低隆起東北翼(圖10)。

圖10 下寒武統龍王廟組頂面油氣成藏關鍵時期古構造及流線分布圖Fig.10 Distribution map of paleotectonics and streamlines in key periods of oil and gas accumulation at the top of Lower Cambrian Longwangmiao Formation

4 資源前景及有利區預測

4.1 運聚系數

油氣從排出源巖到聚集成藏和保存是一個非常復雜過程，其間的一切地質作用和因素都對其有影響。而運聚系數則是表征這一結果的關鍵參數。結合圈閉資源量，分別計算出下寒武統龍王廟組地質單元的運聚系數為4.2%，震旦系燈四段地質單元的運聚系數為10.2%。相比而言，燈四段資源前景更好(表2)。

表2 研究區震旦-寒武系油氣運聚系數表Table 2 Oil and gas migration and accumulation coefficient table of Sinian -Cambrian in the study area

4.2 有利區預測

研究區震旦-寒武系發育灘控巖性氣藏，灘相儲層發育、生烴期古構造位置、構造調整是控制油氣成藏的關鍵因素。

結合儲層預測結果，震旦系燈四段有利區(圖11)為：保存較好的古構造高點背景下的有利區為西北部1號與中部2號區域。構造調整后的有利區為北部3號與中南部4號區域。寒武系龍王廟組有利區(圖12)為：保存較好的古構造高點背景下的有利區為西北部1號區域。構造調整后的有利區為中部2號區域。

圖11 震旦系燈影組四段有利區預測圖Fig.11 Forecast diagram of favorable area in four sections of Dengying Formation

圖12 寒武系龍王廟組有利區預測圖Fig.12 Forecast map of favorable area of Cambrian Longwangmiao Formation

5 結論

基于盆地模擬技術對川北地區筇竹寺組烴源巖熱演化恢復和震旦系-寒武系油氣成藏過程的分析，得出以下結論。

(1)閬中-南部地區筇竹寺組烴源巖發育，質量好。儲層主要發育在震旦系燈影組四段與下寒武統龍王廟組，縱向上發育良好的儲蓋組合。輸導體系主要以斷裂和裂縫為主。整體上具備油氣成藏的基本條件。

(2)筇竹寺組烴源巖生烴時間較晚，主要生烴期為晚二疊世末期到白堊世末期。液態烴高峰在晚三疊世末-中侏羅世，氣態烴高峰在晚侏羅世。生烴強度大，排烴效率高。燈影組四段油氣充注位于中-晚三疊世和中侏羅世，龍王廟組油氣充注則為中-晚侏羅世。

(3)燈影組四段成藏期古構造呈現整體北傾，演變順序東高西低、東低西高、兩凹一隆。油氣運聚趨勢表現為由西向東、南北分區到向南調整。龍王廟組成藏期古構造從東傾逐漸轉變了東北傾，油氣運聚趨勢表現為由東向西、南北分區，最后到西南調整。

(4)結合資源量計算結果，認為燈影組四段的資源前景較龍王廟組更好，分別提出4個及2個勘探有利區。