川東地區高陡構造帶寒武系洗象池群天然氣成藏條件

包漢勇，劉皓天，陳綿琨，盛賢才，秦 軍，陳 潔，陳凡卓

（1.中國石化江漢油田分公司勘探開發研究院，武漢 430223；2.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249）

0 引言

近年來，在四川盆地川東地區以上寒武統洗象池群為勘探目的層鉆探了12 口探井，鉆探成果顯示，川東地區古生界主要發育上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組泥頁巖與寒武系筇竹寺組頁巖2套優質烴源巖［1-2］。由于被高臺組膏鹽巖層封蓋，筇竹寺組烴源巖難以向洗象池群儲層供烴，而五峰組—龍馬溪組烴源巖沉積時間晚于洗象池群儲層，在正常的地層疊置樣式中無法為下伏儲層供烴［3］；洗象池群儲層巖性主要為砂屑白云巖與細—中晶白云巖，經取樣測試孔隙度平均為3.1%，滲透率大多小于0.1 mD［4］，因此，川東地區洗象池群氣藏缺乏有利的原始生儲配置與儲集空間。然而川東地區經歷多期次構造活動，形成高度變形的滑脫褶皺，可能形成次生的“源-儲配置”；此外，多期次的構造活動使儲層中普遍發育構造裂縫，有效改善了儲層物性，形成裂縫-孔隙型儲層［5］，因此川東地區寒武系洗象池群具有成藏的客觀條件。基于此提出了“源-儲對接側向供烴”的成藏模式［3］：斷穿志留系烴源巖的逆沖斷層可帶動斷層上盤的洗象池群儲層向上逆沖與斷層下盤的五峰組—龍馬溪組烴源巖側向對接，為天然氣側向運移提供輸導條件；洗象池群儲層上覆奧陶系致密泥巖層可作為直接蓋層；下三疊統膏鹽巖層在未被斷層斷穿的情況下可作為間接蓋層。

平橋1 井洗象池群天然氣的成功勘探，證實了川東地區洗象池群氣藏具有一定的勘探潛力，但由于多期次構造運動形成了復雜構造樣式，難以認識其天然氣富集規律：梓里場區塊和建南區塊與平橋區塊同屬于川東高陡構造帶，具有相似的構造條件，但僅有位于平橋區塊的平橋1 井洗象池群測試獲得工業氣流［1］。勘探現狀表明，川東地區洗象池群天然氣的富集不止是由“源儲側向對接”構造條件所控制的。為明確川東地區洗象池群天然氣勘探潛力，探明天然氣動態成藏過程與主控因素，利用巖心、測井與地震資料，采用地震解釋、平衡剖面以及包裹體檢測等技術，比較平橋、建南、梓里場構造的成藏條件差異，分別分析平橋1 井的成功原因以及建深1 井與太和1 井的失利原因，闡明川東地區寒武系洗象池群天然氣成藏的主控因素，以期為該區天然氣勘探開發提供依據。

1 地質概況

四川盆地川東高陡構造帶向西以華鎣山斷裂為界與川中褶皺帶相隔，向東以齊岳山斷裂為界與湘鄂西褶皺帶相隔，區內發育高陡背斜，走向以NE向為主。川東高陡構造帶以大池干構造為界可分為南東與北西2 段，北西段發育典型川東隔擋式褶皺，南東段為川東構造應力過渡帶，齊岳山斷裂帶以東的湘鄂西褶皺帶則發育隔槽式褶皺。研究區平橋、梓里場與建南區塊均位于川東構造應力過渡帶（圖1）。

圖1 川東地區構造（a）與平橋1 井寒武系洗象池群巖性地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Structural map of eastern Sichuan Basin（a）and stratigraphic column of Cambrian Xixiangchi Group of well Pingqiao 1（b）

川東地區經歷了多期構造演化階段，可分為加里東—海西期、印支—早燕山期、晚燕山—早喜山期以及晚喜山期4 個階段［6-8］。何龍［9］等研究表明，川東地區的構造裂縫形成時期主要集中在晚燕山—早喜山期與晚喜山期2 個階段。在加里東—海西期與印支期川東地區發育了部分基底斷裂與一些受基底斷裂控制的以NE 走向為主的褶皺；早燕山期受華南板塊推覆作用產生的自南東向北西的擠壓應力經過雪峰山傳遞至川東地區，根據以往通過磷灰石裂變徑跡定年的研究，建南區塊在136 Ma開始形成褶皺［10-12］；晚燕山期擠壓應力傳遞至川東隔擋式褶皺帶，由于逆沖推覆作用存在強弱差別，川東地區呈現不同的構造形變特征［13-15］（圖2），這一時期是川東構造應力過渡帶構造樣式形成的主要時期；早喜山期由印度板塊碰撞影響產生近東西向的水平擠壓作用，使不同時期形成的構造復合與疊加并區域性緩慢抬升，這一時期的構造活動相對穩定，使川東地區構造樣式定型；晚喜山期由于受太平洋板塊俯沖以及印度板塊碰撞的雙重影響，四川盆地受以整體區域性抬升為主的構造作用，使晚燕山期形成的褶皺隆起幅度增大，局部地區發育走滑斷層［16］。

圖2 川東地區區域構造剖面圖［11，14-15］Fig.2 Profile of regional tectonics in eastern Sichuan Basin

川東地區縱向上發育3 套塑性滑脫層，自下而上分別為寒武系膏鹽巖滑脫層、志留系泥頁巖滑脫層及三疊系膏鹽巖滑脫層。根據AA′剖面（位置如圖1所示）所展示的構造樣式特點，川東地區橫向上可分為3 個區段：南東段的隔槽式褶皺帶、中段的構造應力過渡帶與北西段的隔擋式褶皺帶（圖2）。構造應力過渡帶縱向上受三疊系與寒武系滑脫層影響可劃分出上、中、下3 個形變層，其中上、下形變層斷層發育均相對較少；中形變層發育斷穿志留系滑脫層的逆沖斷層，使斷層上盤的洗象池群儲層與斷層下盤的五峰組—龍馬溪組烴源巖側向對接，形成次生的“源-儲配置”，同時斷層收斂于三疊系滑脫層，保留了膏鹽巖間接蓋層的壓力封閉能力，因此，構造應力過渡帶是洗象池群天然氣有利的成藏區域。隔槽式褶皺帶由于發生構造形變時期早，受強烈擠壓應力，多發育斷穿至地表的斷層，破壞了間接蓋層的壓力封閉機制，不具備洗象池群氣藏的保存條件。隔擋式褶皺帶發生構造形變時期晚，擠壓應力已明顯減弱，斷層的發育未斷穿志留系滑脫層，不能形成源-儲側向對接關系，不具備洗象池群氣藏輸導條件。

2 “源-儲配置”條件

2.1 儲層特征

川東地區洗象池群的儲集巖主要為砂屑白云巖與殘余砂屑粉—細晶白云巖。其中，砂屑白云巖中砂屑體積分數大于55%，顆粒間為亮晶白云石膠結物，儲集空間為粒間孔（圖3a，3b）。部分顆粒白云巖受強烈重結晶作用改造，顆粒的原始結構被破壞，僅可見殘留顆粒幻影，形成殘余砂屑白云巖，儲集空間為粒間孔與晶間孔（圖3c，3d）。除粒間孔與晶間孔外，洗象池群發育的部分構造縫與溶蝕縫也可作為儲集空間，溶蝕縫具有明顯的溶蝕痕跡，產狀多不規則（圖3e），構造縫邊緣平直，延伸遠，且具有方向性（圖3f）。裂縫一般寬0.2 mm，具有一定的儲集能力，能夠改善孔隙之間的連通性，增強儲層的滲濾能力。由于沉積相帶影響儲集巖初始孔隙與準同生期的暴露與溶蝕作用［17］，因此，儲層主要集中在洗三段中顆粒灘亞相發育的位置。

圖3 川東地區寒武系洗象池群儲集巖類型及儲集空間特征Fig.3 Reservoir rock types and reservoir space characteristics of Cambrian Xixiangchi Group in eastern Sichuan Basin

2.2 平衡剖面模擬過程

盡管平橋、建南與梓里場區塊同屬于川東構造應力過渡帶，但發生構造形變的時間與程度均存在差異，導致其成藏條件也存在一定區別。為研究3個重點構造的演化過程，分別選取了BB′、CC′ 2 條SE—NW 方向剖面（位置如圖1 所示），通過運用2Dmove 軟件并遵循平衡剖面方法原理，模擬地層的縮短量與縮短率，恢復了平橋區塊與建南區塊的構造演化史（表1）。

表1 川東地區重點構造平衡剖面變形量Table 1 Deformation rate of balanced cross sections of key structures in eastern Sichuan Basin

BB′與CC′ 2 條平衡恢復剖面經歷燕山期、喜山期構造運動，主要發育逆沖推覆構造，以侏羅紀末期—早白堊世末期經歷的早燕山期構造運動最為劇烈，2 條剖面的縮短率分別為19.6%與18.3%。梅廉夫等［10］通過平衡剖面分析計算得出，侏羅紀—早白堊世中期川東褶皺帶東南段自齊岳山—七里峽發生收縮變形的縮短率為21.2%；吳航［14］通過構造物理模擬與離散元數值模擬實驗計算得出，在170～70 Ma（侏羅紀末期—晚白堊世末期）川東構造帶縮短率為24.3%；張朝坤［15］通過對方斗山磷灰石樣品裂變徑跡熱史模擬與構造物理模擬實驗結果分析得出，在135～70 Ma（早白堊世中期—晚白堊世末期）方斗山構造帶縮短率為15.0%。本次實驗模擬結果與以往研究成果數據相近，說明此次模擬實驗結果與以往平衡剖面研究取得認識基本吻合。

2.3 構造演化下的源-儲配置

早燕山期，由板塊推覆作用產生的擠壓應力傳遞至川東構造應力過渡帶，平橋區塊自早白堊世起受燕山早期構造運動影響，褶皺開始形成。晚燕山期，在擠壓應力持續作用下發育逆沖斷層，下伏地層沿著斷層向上沖覆，在斷距增大的過程中，斷層上盤的洗象池群儲層與斷層下盤的五峰組—龍馬溪組烴源層形成源-儲側向對接關系（圖4），隨著斷層的發育，斷層上盤的地層上拱變形并發育斷展褶皺，與相關斷層組成斷背斜圈閉。平橋斷背斜圈閉與梓里場區塊斷背斜圈閉形成于晚白堊世；建南區塊受早燕山末期構造運動作用發育逆沖斷層，下伏地層沿著斷層向上沖覆，隨著斷層斷距增大，逐漸形成了次生的“源-儲配置”，使儲層通過斷層與烴源層側向對接，建南構造與平橋構造形態相似，由于受構造擠壓作用時期較早，于早白堊世形成建南斷背斜圈閉（圖5）。晚燕山期構造活動較弱，建南區塊與平橋區塊褶皺形態穩定；喜山構造運動時期，川東地區整體緩慢抬升，先存的褶皺隆起幅度增大，在褶皺隆起的過程中構造高部位發育部分走滑斷層，對斷背斜圈閉的保存起到調整改造作用。

圖4 川東地區平橋區塊構造演化剖面Fig.4 Tectonic evolution profile of Pingqiao structure

圖5 川東地區建南區塊構造演化剖面Fig.5 Tectonic evolution profile of Jiannan structure

3 斷層輸導與油氣運聚條件

川東地區通過逆沖斷層形成了“源-儲對接側向供烴”的成藏模式，與“自生自儲”等其他類型成藏模式的區別是：斷層的結構對油氣聚集具有重要控制作用。Sibson 等［18］研究表明，斷層活動時期產生的地震泵作用是流體運移的主要動力來源之一。當斷距大于10 m時，碳酸鹽巖層系斷裂帶分為斷層核與碎裂帶2 部分［19］，其中，碎裂帶是靠近斷層核，發育大量裂縫的圍巖帶，具有較強的滲透能力；斷層核主要由斷層角礫巖與斷層泥組成，其中，斷層角礫巖經歷長距離的擠壓性構造運動碾壓作用，導致巖石破碎，并發生致密膠結作用［20］，使孔隙度與滲透率大幅降低，因此，斷層核成為非滲透性的隔擋層［21-23］（圖6a）。Micarelli 等［24］研究表明，斷層核部分的滲透率比相鄰碎裂帶低約1～2 個數量級。當斷距大于10 m 時，斷裂帶中流體的輸導主要指流體沿斷層核兩側的碎裂帶向上輸導，側向輸導受斷層核的阻礙。然而在斷層活動期，斷層核可能存在尚未膠結閉合的部分裂縫，且斷層核的發育與分布具有不連續性［25］，當構造應力作用于斷層核區域巖層時，巖石裂隙擴張，流體在壓差的作用下充注到斷層核區域相對流體壓力較低的裂縫；隨著油氣不斷充注，裂縫中的流體壓力逐漸增大，流體在壓差與浮力的共同作用下從裂縫中被排出并運移至斷層上盤的儲層。因此，在斷層活動期，流體以穿過斷裂帶側向運移作為次要的運移方向。當五峰組—龍馬溪組烴源巖與洗象池群儲層之間發育單條活動斷層時，下盤烴源巖中的天然氣可以側向輸導至上盤儲層中聚集（圖6b）；當下盤烴源巖與上盤儲層之間發育多條斷裂帶時，由于多條非滲透斷層核的發育，天然氣難以側向運移至儲層（圖6c，6d）。

圖6 斷裂帶流體輸導模式（據文獻［20-22，24-25］）Fig.6 Fluid transport patterns in fault zones

川東地區五峰組—龍馬溪組烴源巖在早二疊世末期（270 Ma）開始向外排烴，在三疊紀末期（200 Ma）進入高成熟演化階段，于侏羅紀末期（145 Ma）進入過成熟演化階段［26］。白堊紀川東地區洗象池群儲層受燕山期構造抬升影響，通過單條斷層構成斷裂帶的溝通與五峰組—龍馬溪組烴源巖形成源-儲對接關系，天然氣在構造活動引發的地震泵抽吸作用與浮力共同提供的動力下，自斷層下盤側向運移至斷層上盤充注洗象池群儲層。

平橋構造發育5 條主要斷層，自西向東依次為：平橋西斷層、平橋西②斷層、平橋西①斷層、平橋東①斷層與平橋東②斷層（圖7）。受強烈擠壓作用，在平橋西斷層與平橋東①斷層之間的區域形成了沖起構造，巖層隨著斷層切割發生扭曲形成平橋背斜。平橋東①斷層的上、下盤分別對接了洗象池群儲層與五峰組—龍馬溪組烴源巖，形成了良好的源-儲對接關系。隨著平橋區塊發生構造抬升，志留系烴源巖停止生烴演化，此時烴源巖成熟度大于2.5%，已處于過成熟演化階段，天然氣穿過單條斷層側向輸導充注儲層（圖6b、圖7）；平橋西斷層的斷距較小，未形成良好的源-儲對接關系，且烴源巖與儲層之間發育了由多條斷層組合的斷裂帶，在側向上輸導能力極差，因此，平橋西斷層下盤的烴源巖不具備為平橋圈閉供烴的能力（圖6d）。

圖7 川東地區平橋構造天然氣運聚與散失模式Fig.7 Migration，accumulation and diffusion patterns of natural gas in Pingqiao structure

建南構造附近發育太平鎮斷層以及一系列平行分布的逆斷層，太平鎮斷層斷穿了志留系烴源巖，向上收斂于三疊系膏鹽巖中，斷層上盤地層發育斷展褶皺，與太平鎮斷裂組合形成建南斷背斜圈閉（圖8）。位于太平鎮斷層上盤的洗象池群儲層隨著逆沖推覆體沿斷層向上運動，與位于斷層下盤的五峰組—龍馬溪組烴源巖形成了源-儲對接關系。隨著建南區塊發生構造抬升，志留系烴源巖停止演化，此時烴源巖成熟度大于4.0%，已進入過成熟演化階段。由太平鎮斷層與一系列逆斷層組成的斷裂帶寬度大于500 m，發育連續的斷層核，使側向上的輸導能力極差（如圖6c，6d，圖8），因此，位于太平鎮斷層下盤的烴源巖幾乎不具備為斷層上盤儲層供烴的能力，建南圈閉輸導條件極差。

圖8 川東地區建南構造天然氣運聚與散失模式Fig.8 Migration，accumulation and diffusion patterns of natural gas in Jiannan structure

梓里場構造位于川東高陡構造帶焦石壩地區西南側，主要發育梓里場斷層以及分布于圈閉核部的逆斷層（圖9），在梓里場斷層上盤發育斷展褶皺。梓里場斷層為圈閉的邊界斷層，斷穿了志留系烴源巖，向上收斂于三疊系膏鹽巖中，斷層上盤的洗象池群儲層與下盤的五峰組—龍馬溪組烴源巖形成了源-儲側向對接關系。地層發生抬升時，烴源巖停止演化，此時烴源巖成熟度大于2.5%，已進入過成熟演化階段，根據斷裂帶流體輸導模式，天然氣可穿過單條斷裂帶側向輸導充注儲層（圖6b、圖9），梓里場圈閉輸導條件較好。

圖9 川東地區梓里場構造天然氣運聚與散失模式Fig.9 Migration，accumulation and diffusion patterns of natural gas in Zilichang structure

4 天然氣保存條件

古近紀—現今，受喜山末期構造運動影響，川東地區區域整體快速隆升，褶皺幅度隨之增大，這個時期在部分構造高點處發育了走滑斷層，這些小型斷層斷穿了洗象池群儲層上覆的直接蓋層，對圈閉保存條件產生了一定破壞作用（參見圖4、圖5），早期圈閉中部分天然氣沿著斷層發生散失，圈閉范圍調整為背斜構造高部位未發育斷層的區域。

平橋圈閉以平橋西①斷層與平橋東①斷層作為圈閉邊界，洗象池群儲層上覆的奧陶系直接蓋層未受到斷層破壞（參見圖7），因此，平橋圈閉同時具備良好的天然氣輸導條件與保存條件，有利于洗象池群天然氣成藏。在平橋1 井洗象池群中裂縫較發育的巖心段進行取樣、磨制薄片，在包裹體薄片鏡下充填于砂屑白云巖的粒間孔洞及裂縫的方解石膠結物中收集了共21 個烴類包裹體測點。根據包裹體激光拉曼實驗結果，在方解石膠結物中的氣液兩相包裹體中識別出特征拉曼峰為2 915 cm-1的甲烷氣體成分（圖10a），證實平橋1井洗象池群曾發生過油氣充注，且平橋1 井洗象池群試氣結果獲25.13×104m3/d的高產工業氣流。

圖10 川東地區寒武系洗象池群儲層氣液兩相包裹體激光拉曼光譜圖Fig.10 Laser Raman spectra of gas-liquid two-phase inclusions of Cambrian Xixiangchi Group in eastern Sichuan Basin

建南斷背斜核部洗象池群儲層上覆的奧陶系直接蓋層在構造活動中保存完好，未被斷層破壞，因此，建南圈閉具有較好的保存條件（參見圖8）。綜合分析認為建南構造成藏條件不利于洗象池群天然氣成藏。在建深1 井洗象池群中裂縫較發育的巖心段進行取樣、磨制薄片，包裹體激光拉曼實驗結果顯示（圖10b），在來自建深1 井充填在裂縫中的方解石膠結物中包裹體的8 個測點中，均未識別出甲烷成分的特征拉曼峰，且建深1 井洗象池群測井解釋結果為水層，證實建深1 井洗象池群未發生油氣充注。

梓里場圈閉核部發育的斷層斷穿了儲層上覆的奧陶系直接蓋層（參見圖9），破壞了圈閉蓋層的封蓋能力，因此梓里場圈閉保存條件差，且太和1井洗象池群測井解釋結果為水層，證實梓里場構造成藏條件不利于洗象池群天然氣成藏。

5 結論

（1）川東地區洗象池群儲層缺乏原始的生-儲配置關系，但位于方斗山斷裂與齊岳山斷裂之間的構造應力過渡帶受構造運動影響，洗象池群儲層與五峰組—龍馬溪組烴源巖形成次生的“源-儲配置”，為天然氣穿過斷層的側向運聚提供了條件，同時又保留了三疊系間接蓋層的封蓋能力，是有利的洗象池群天然氣成藏區。

（2）通常在斷距大于10 m的斷裂帶中，流體以沿著碎裂帶向上運移為主要運移方向，以穿過斷裂帶側向運移為次要運移方向。因此在斷層活動期，當烴源巖與儲層之間發育單條活動斷層時，下盤的天然氣可以側向輸導至上盤儲層聚集；但下盤烴源巖與上盤儲層之間發育多條斷層時，由于多條非滲透斷層核的發育，天然氣很難側向運移至上盤儲層。

（3）川東地區洗象池群斷裂活動起始于早燕山期，主要發育于晚燕山期。平橋、建南、梓里場構造均于晚燕山期形成了源-儲側向對接關系，斷裂帶的輸導與天然氣的側向運移也主要發生在斷裂主要活動的晚燕山期。平橋背斜東翼與梓里場斷背斜東翼的單條斷層使圈閉形成了次生的“源-儲配置”，天然氣可以穿過斷裂帶向斷層上盤的儲層運移，輸導條件較好；建南斷背斜西翼的多條平行斷層的發育，降低了斷裂帶側向輸導的能力，導致建南圈閉輸導條件差。

（4）川東地區洗象池群喜山期構造運動表現為整體抬升以及發育次級走滑斷層，梓里場圈閉構造高部位發育斷層破壞了儲層上覆奧陶系直接蓋層的封蓋能力，導致圈閉不具有天然氣保存條件。綜合分析本次研究的川東地區重點構造中，平橋斷背斜圈閉同時具備良好的輸導條件與保存條件，具有最佳的成藏條件。川東地區洗象池群天然氣成藏是由使圈閉發育次生“源-儲配置”的斷層的規模與斷裂帶的側向輸導能力，以及圈閉蓋層的完整性所共同決定的。