龍門山山前復雜構造帶雙魚石構造棲霞組超深層整裝大氣田的形成

楊 雨 姜鵬飛 張本健 肖 笛 汪 華 雷 程 張 亞 陳 驍 劉 冉 李 亞

1.中國石油西南油氣田公司 2.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院 3.西南石油大學天然氣重點實驗室

0 引言

盆—山結合部一直都是含油氣盆地油氣勘探關注的熱點領域，在全球范圍內已經發現了多個大油氣田，例如著名的美國綠河盆地西緣Pineview油田、東委內瑞拉盆地北部埃爾富里爾/基里基雷油氣區、哥倫比亞庫西亞那油田以及中國塔里木盆地北緣克拉2氣田等[1-4]。但是構造活動及其演化的復雜性也一直是困擾上述領域的研究難點，能否形成有效的構造圈閉系統以及后期油氣是否穩定保存是決定其油氣能否規模成藏的關鍵，因而對于該領域的油氣勘探具有較高的風險[5-8]。另外，從當前全球的油氣勘探情況來看，勘探對象主要還是以中深層（深度小于 4 500 m）為主[4,6,9-10]，超深層（深度超過 4 500 m）的勘探突破較少，原因在于后者構造識別難度大、儲層預測風險高，相應地其油氣成藏條件更難以落實[6-7,11-12]。由此造成上述領域的相關研究和油氣勘探一直沒有取得大的進展。

以往在四川盆地西北部（以下簡稱川西北）龍門山山前復雜構造帶以沖斷推覆帶的勘探為主且主要集中在4 500 m以淺，中國石油西南油氣田公司近期在該區中二疊統天然氣勘探取得重大突破，發現了雙魚石構造中二疊統棲霞組超深層整裝大氣田[13-14]，并且揭示出一個油氣規模成藏的勘探新領域——沖斷掩伏帶與前緣背沖帶原地構造超深層。較之于該領域前期全球范圍內的發現，雙魚石構造棲霞組氣藏的新發現有兩點本質不同：①前期的油氣勘探主要側重于沖斷帶上盤，而新發現則是在沖斷帶下盤及沖斷帶前緣的原地構造區；②前期沖斷帶油氣勘探幾乎以中深層為主，而新發現則是在超深層。因此雙魚石構造棲霞組氣藏的勘探發現有望揭示一個全新的勘探領域，即沖斷帶原地構造的超深層[15-17]，展示出極其重要的基礎理論研究與實踐應用指導意義。為此，本文通過分析川西北雙魚石構造棲霞組氣藏特征和油氣成藏要素，梳理相關研究成果和認識，并進一步分析對比雙魚石沖斷帶原地構造與礦山梁沖斷帶上盤油氣成藏的差異，總結雙魚石構造棲霞組氣藏的形成機制與模式，以期為川西北龍門山山前帶下一步的油氣勘探部署提供依據，并為全球同類油氣藏的勘探提供參考。

1 雙魚石構造棲霞組氣藏的基本特征

1.1 氣藏類型

雙魚石構造棲霞組氣藏是在川西北龍門山推覆構造背景下，由斷裂體系和巖性變化所控制的大型構造—巖性復合圈閉氣藏，具體而言，是由一系列原地背沖背斜構造與具有儲集性能的晶粒白云巖儲層組合形成（圖1）。該區不同復合圈閉內的氣藏屬于同一個壓力系統，展現出具有一定規模的整裝大氣藏特征，含氣面積合計達到 1 900 km2。

圖1 雙魚石構造平面分布（a）及棲霞組氣藏剖面（b）圖

1.2 流體性質與壓力系數

雙魚石構造棲霞組氣藏天然氣的組成為以甲烷為主（表1），為低—中含硫的干氣氣藏。從表1可以看出，雙魚石構造的天然氣由烴類氣體與非烴類氣體組成，其中前者占絕大多數，尤其是甲烷含量占到氣體總量的95%以上（96.42%～98.08%），乙烷含量均不到1%，平均值為0.12%，氣體干燥系數[C1/∑(C1～C5)]大于0.99，屬于典型的干氣。非烴類氣體整體含量偏低，主要包括二氧化碳、氮氣以及極微量的氦氣、氫氣、硫化氫等，其中二氧化碳含量相對較高（在2%左右）。

表1 雙魚石構造棲霞組氣藏天然氣組成表

儲量區內測試井整體不產水（均為氣層，未見水層），鄰區LG70井測試產水1.1 m3/d。地層水總礦化度介于42.8～47.6 g/L，pH值介于6.35～8.41，Cl－含量為 25 300 ～ 27 500 mg/L，Br2+含 量 介 于101～108 mg/L，為氯化鈣型水。據實測壓力資料，折算氣藏中部的地層壓力介于95.32～96.15 MPa，壓力系數介于1.29～1.36，地層溫度為150℃，為高溫、高壓氣藏；氣藏中部埋深介于 7 100 ～ 7 600 m，為超深層天然氣藏。

2 雙魚石構造棲霞組氣藏的成藏要素

2.1 烴源巖

2.1.1 烴源巖條件

川西北在寒武紀沉積期位于綿陽—長寧裂陷槽北部的海槽沉積區，使得下寒武統發育一套巨厚的海相泥頁巖[18-19]，隨后受加里東、柳江以及云南運動的劇烈影響，寒武系至二疊系之間僅保存了有限的地層[20]。中二疊統梁山組在該區沉積厚度有限，并且局部以碎屑巖沉積為特征[21]；中二疊統棲霞組、茅口組均為碳酸鹽巖臺地沉積體系，沉積厚度大且下部發育一套泥灰巖層。由此可見，下寒武統泥頁巖與中二疊統泥灰巖是雙魚石地區棲霞組氣藏兩套重要的烴源巖層系。具體而言，川西北下寒武統筇竹寺組烴源巖厚度可達400 m，是鄰區的3倍；有機碳含量平均為3.27%，是鄰區的2倍；累計生烴

強度介于 40×108～ 80×108m3/km2（圖2-a），是鄰區的3倍。川西北中二疊統烴源巖厚度可達300 m，有機碳含量平均為1.61%，累計生烴強度介于30×108～ 40×108m3/km2（圖2-b），是整個四川盆地最優質的生氣中心。從整體來看，川西北烴源巖條件優越、總生烴強度大。這是形成大氣田的“物質”基礎。

圖2 四川盆地烴源巖生烴強度圖

2.1.2 氣源來自下寒武統與中二疊統

雙魚石構造棲霞組氣藏天然氣甲烷、乙烷碳同位素值與相關烴源巖碳同位素值對比結果（圖3）表明，其天然氣來源是下寒武統與中二疊統烴源巖共同貢獻的結果。具體而言，雙魚石天然氣碳同位素值表現為混合氣特征（圖3-a）；寒武系筇竹寺組烴源巖干酪根δ13C介于－30‰～－37‰，以偏腐泥混合型干酪根為特征，中二疊統烴源巖干酪根δ13C介于－24‰～－31.6‰，以偏腐殖混合型干酪根為特征，雙魚石天然氣δ13C1和δ13C2分布于兩類烴源巖碳同位素值區間（圖3-b）。此外，棲霞組儲層抽提物生物標記化合物地球化學分析發現，正構烷烴整體具有雙峰特征（圖4），綜上表明雙魚石天然氣具有下寒武統與中二疊統雙源供烴特征。這也進一步暗示了該氣藏的供烴資源量大、效率高。

圖3 天然氣碳同位素值特征（a）及其與潛在烴源巖碳同位素值對比（b）圖

圖4 儲層抽提物生物標記化合物正構烷烴特征圖

2.2 儲層特征及儲層發育主控因素

2.2.1 儲層特征

雙魚石構造棲霞組氣藏儲集巖類以臺地邊緣灘微相基礎上形成的晶粒白云巖為特征[22]，巖心上可見明顯的針孔發育，局部可見小型孔洞、微裂縫，并且大多以塊狀產出（圖5-a、b）。鏡下觀察發現，這類白云巖以半自形—他形中—粗晶白云石為主，粒徑介于300～600 μm，晶間孔（巖心上為針孔）十分發育（圖5-c、d）。這類白云巖的原始結構普遍被破壞，但通過對原巖結構進行恢復發現，白云巖晶粒內具有顆粒幻影輪廓，主要為砂屑、生屑組構（圖5-d）。晶粒白云巖儲層平均孔隙度為3.52%，平均滲透率為3.30 mD，孔隙度與滲透率呈正相關（圖6）。由此說明，儲層總體上以孔隙型為特征（圖6中的A區域），局部發育微裂縫型儲層（圖6中的B區域）[23]。

圖5 雙魚石構造棲霞組氣藏儲層特征照片

圖6 雙魚石構造棲霞組氣藏孔隙度—滲透率關系圖

2.2.2 儲層發育主控因素

雙魚石構造棲霞組氣藏白云巖儲層的形成主要受有利沉積相帶與建設性成巖作用的耦合控制。具體而言，受加里東運動繼承性的影響，川西北棲霞組自西向東發育盆地—斜坡、碳酸鹽巖臺地相，其中臺地邊緣灘沉積微相是儲層發育的基礎。由于該相帶所處沉積環境具有強而穩定的水動力條件，淘洗走灰泥沉積物，滯留下各種粗的生物（屑）顆粒，發育各種原生粒間孔和生物格架體腔孔[24]。與此同時，臺緣灘體往往處于沉積微地貌高地，加之高的沉積速率有利于早期高頻暴露并遭受大氣淡水的溶蝕改造，從而形成極為發育的溶蝕孔洞，大大優化了儲層的儲集性能[25-26]。在這個過程中，灘體由于生長可容空間不足開始側向疊置遷移，進而導致局部水體受限[27]，加之棲霞組沉積期的構造張裂活動引發的海水加熱效應，綜合使得準同生期海水回流滲透—熱循環白云石化作用的發生[28]，而白云巖對儲層的貢獻主要體現在較之于石灰巖其具有更好的抗壓實性，有利于孔隙在深埋環境下的持續保存。綜上表明，雙魚石構造棲霞組氣藏優質規模白云巖儲層的形成主要受“早成巖期相—云—溶”三元耦合的控制。

2.3 生、儲、蓋組合

雙魚石構造棲霞組與下寒武統、中二疊統烴源巖分別形成“下生上儲”和“自生自儲”的源儲組合，棲霞組上部發育茅口組泥灰巖及上二疊統龍潭組泥巖、三疊系膏鹽層，生、儲、蓋組合匹配良好，具有較好的天然氣成藏條件。具體而言，一方面，龍門山山前帶斷層發育，可以有效溝通源巖和儲層，形成天然氣的近源高效充注；另一方面，棲霞組上覆茅口組泥灰巖與龍潭組泥巖厚度大，是良好的直接蓋層，并且該區域發育廣覆式穩定分布的巨厚膏鹽巖，厚度可達400 m，是區域性優質蓋層；此外，巨厚的穩定膏鹽層作為滑脫層，在很大程度上阻礙了區域背沖斷裂向上影響，進而保證了蓋層的長期封閉性。

2.4 圈閉形成及演化

2.4.1 區域構造樣式

川西北自二疊系沉積后經歷了多期構造運動。印支—燕山運動使得川西北逐漸演變為前陸盆地的前緣凹陷區，隨著后期喜馬拉雅運動的進一步影響，龍門山逆沖推覆構造持續活動，由此使得現今盆地西北部邊界處由西向東分異為龍門山構造前山帶復雜逆沖斷裂系統與沖斷前緣坳陷內背沖斷裂系統兩大構造單元[29]（圖1-b），在上述兩大構造單元之間的過渡區域可以進一步劃分出沖斷掩伏帶，并且由北向南沖斷掩伏帶面積逐漸增加；龍門山山前帶坳陷內縱向上則以下寒武統筇竹寺組泥頁巖和下三疊統嘉陵江組膏巖雙滑脫層為界，上構造層（T2—J）以坳陷變形為主，斷裂活動較弱，下構造層（以下）無明顯變形，斷裂欠發育，而中構造層（P—T1）以背沖斷層為主，變形強烈，發育一系列背沖背斜構造[29]（圖1-b）。雙魚石構造棲霞組氣藏主體橫向上位于沖斷掩伏帶和前緣背沖帶的原地構造區[30]，縱向上屬于中構造層，埋深普遍達到7 000 m。

2.4.2 圈閉形成及演化

運用平衡剖面方法對雙魚石構造棲霞組構造—巖性圈閉的形成演化進行了恢復，如圖7所示。從圖7可以看出，區域構造演化及圈閉的形成經歷了晚二疊世的弱伸展、早三疊世強烈擠壓、中晚三疊世至今持續擠壓3個階段。具體而言，受峨眉地裂運動的影響，研究區在晚二疊世出現了局部弱伸展，形成了小規模的板式正斷層及構造圈閉雛形[31-32]。與此同時，該時期強烈的熱液活動引起埋藏、熱液白云化作用的發生，從而使得白云巖儲層以及巖性圈閉的形成[24]。到了早三疊世，在早印支運動強烈的北西向擠壓作用的影響下，先期形成的伸展正斷裂反轉為背沖斷裂，并形成了一系列背沖背斜構造，早期擠壓構造圈閉形成。中晚三疊世至今，在持續的北西向擠壓力的作用下，先存的構造圈閉持續發育，但背沖斷裂系統未切斷上覆下三疊統嘉陵江組，一方面，上覆嘉陵江組厚層膏鹽作為滑脫層與蓋層，在一定程度上阻礙了背沖斷裂向上影響，另一方面則顯示其斷裂活動終止于晚三疊世。綜上表明，雙魚石構造棲霞組構造—巖性復合圈閉整體形成于早三疊世的早印支期，而后穩定保存至今。

圖7 雙魚石地區過ST12井—ST3井—ST1井剖面構造圈閉演化圖

3 雙魚石構造棲霞組氣藏成藏機制與模式

鑒于雙魚石構造鄰區的礦山梁構造棲霞組以產水為主，與雙魚石構造棲霞組的天然氣規模成藏形成鮮明對比。因此，在以上分析的基礎上，進一步結合上述兩個區域的油氣成藏要素對比分析認識，總結了雙魚石構造棲霞組氣藏的成藏機制與模式，如圖8所示。

圖8 雙魚石構造棲霞組天然氣成藏模式示意圖

1）從烴源條件看，川西北礦山梁構造棲霞組儲層瀝青極其發育且天然氣主要接受下寒武統供烴，表現為以油型氣為主[33-34]。由此可見，礦山梁構造的氣源特征與雙魚石構造存在著一定的差異，主要原因在于礦山梁構造位于龍門山斷裂帶推覆沖斷帶，深大斷裂發育并溝通下伏下寒武統烴源巖，從而有利于原油的充注并形成古油藏。這也與其儲層中大量發育瀝青的特征相符。相反，雙魚石構造棲霞組處于沖斷掩伏帶與前緣背沖帶的原地構造區，一方面該區域受推覆擠壓應力遠遠弱于造山帶，并且在上覆嘉陵江組膏鹽層與下伏下寒武統泥巖兩套滑脫層的夾持影響下，僅在上、下滑脫層之間形成層內原地背沖背斜構造，深大斷裂欠發育，從而導致下伏油氣運移相對缺乏縱向輸導通道，深層烴源巖供烴相對受限。因此，從烴源條件來看，似乎礦山梁的條件還要優于雙魚石，故烴源條件不是雙魚石構造天然氣規模成藏的核心機制。

2）從儲層條件看，礦山梁構造以K2井為例，其棲霞組具有整個川西北最好的儲集性能，巖心觀察發現發育大量肉眼可見的孔洞體，優質儲集段平均孔隙度近5.0%，平均滲透率可達40 mD；而雙魚石構造棲霞組巖心觀察以針孔發育為主，優質儲集段平均孔隙度介于3%～4%，平均滲透率在3 mD左右。由此可見，儲層條件顯然也不是雙魚石構造天然氣規模成藏的核心機制。

3）從圈閉條件看，如上所述，礦山梁構造深大斷裂發育，以大型逆沖斷層構造圈閉為特征[28]，而雙魚石構造雖然僅發育層內原地背沖斷層，但棲霞組在晶粒白云巖基礎上發育巖性圈閉，從而以構造—巖性復合圈閉為特征[22]，同樣具備良好的圈閉條件。不過，相比較而言，礦山梁的大型構造圈閉可能更具規模，棲霞組的復合圈閉優勢在于平面連通性更好、延展范圍更大。由此可見，圈閉條件也不應是雙魚石構造天然氣規模成藏的核心機制。

4）從保存條件看，礦山梁構造棲霞組含氣量整體較差，其中，儲層最好的K2井甚至測試產水[24,33]。由此可見，礦山梁棲霞組油氣藏明顯遭到破壞，推測主要原因在于礦山梁構造所處造山帶構造活躍，喜馬拉雅期至今龍門山持續的構造活動極易造成斷裂的開啟以及圈閉的破壞，進而導致礦山梁地區油氣散失、油氣藏保存條件不佳。相比較而言，雙魚石構造棲霞組處于龍門山山前坳陷區，屬于沖斷掩伏帶與前緣背沖帶，該區域構造活動較為穩定、大型斷裂系統欠發育，并且上覆嘉陵江組厚層膏鹽不僅作為滑脫層在很大程度上阻礙了區域背沖斷裂向上影響，而且還作為蓋層起到了良好的封閉作用。因此，雙魚石構造棲霞組氣藏的天然氣得以穩定保存至今。綜上所述，鑒于其他油氣成藏條件，包括烴源、儲層及圈閉，礦山梁構造棲霞組都要優于或者不差于雙魚石構造棲霞組，所以穩定保存才是后者天然氣能夠規模成藏的核心機制。

總之，沖斷掩伏帶與前緣背沖帶雙滑脫層間多排連片分布的原地背沖背斜構造與多孔晶粒白云巖耦合形成規模性構造—巖性復合隱蔽圈閉群，加上良好的生、儲、蓋時空搭配關系，以及相對較弱的構造變形背景下的穩定保存，可以形成規模整裝天然氣聚集。據此確認，針對川西北盆山結合區域，劍閣至江油一線推覆體下盤的原地構造區均是下一步油氣勘探的有利區，即立足于目前雙魚石構造勘探熱點區域，還可以進一步向南延展，而向盆地外的沖斷帶一側則需謹慎，尤其需要重點關注油氣保存條件。中國石油西南油氣田公司在本輪研究認識的基礎上，在沖斷掩伏帶的原地構造上部署風險探井——HX1井，目前已鉆揭茅口組，期待該井能有新的突破。

傳統觀點認為，前陸前緣坳陷區構造變形弱、圈閉不發育、油氣成藏條件較差，難以形成規模性油氣藏[5]。而雙魚石構造棲霞組氣藏的發現，為上述領域的油氣勘探提供了實例支撐，有望為全球其他盆—山結合帶坳陷區的超深層油氣成藏研究和勘探部署提供參考與借鑒。因此建議重視盆—山結合部坳陷區的深層乃至超深層原地構造的油氣勘探工作。

4 結論

1）川西北龍門山山前帶雙魚石構造棲霞組整裝大氣藏的勘探發現，揭示了一個油氣規模成藏的新領域，即沖斷掩伏帶與前緣背沖帶原地構造超深層，為全球同類地質背景的油氣勘探提供了一個實例參考，盆—山結合部坳陷區的深層—超深層油氣勘探工作值得關注。

2）雙魚石構造棲霞組氣藏以孔隙型白云巖儲層為特征，其形成主要受臺緣丘灘體有利沉積相帶與早成巖期巖溶、白云石化作用的耦合控制。

3）雙魚石構造棲霞組氣藏的天然氣來源于下寒武統和中二疊統，雙源供烴為氣藏提供了充足的氣源，并形成下生上儲和自生自儲的源儲組合，加之上覆發育茅口組泥灰巖及龍潭組泥巖、三疊系膏鹽層，生儲蓋組合匹配良好。

4）雙魚石構造棲霞組氣藏位于沖斷掩伏帶與前緣背沖帶原地構造區，以發育雙滑脫層間多排連片分布的原地背沖背斜構造與多孔晶粒白云巖耦合形成的構造—巖性復合隱蔽圈閉群為特征。該區域相對較弱構造變形背景下圈閉的穩定保存和良好的油氣保存條件是天然氣能夠在此規模成藏的關鍵。