四川盆地中侏羅統沙溪廟組致密氣成藏條件及勘探潛力

楊春龍 蘇 楠 芮宇潤 鄭 越 王曉波 張欲清 金 惠

（ 1中國石油勘探開發研究院；2中國石油天然氣集團有限公司天然氣成藏與開發重點實驗室；3中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院；4中國科學院大學 ）

0 引言

致密砂巖氣是中國天然氣勘探領域的重要組成部分，隨著能源結構的改變，不斷深化致密氣的勘探開發是中國能源發展的必經之路。以國際標準為例，致密砂巖氣指在孔隙度小于10%且滲透率在1mD以下的砂巖中富集的天然氣[1]，致密砂巖氣在中國大多數盆地內均有分布，探明儲量在5.5×1012m3以上，其中四川盆地致密砂巖氣做出了巨大貢獻[2]。根據最新的評價結果顯示，中國致密砂巖氣的勘探工作有很大的提升空間，目前的勘探程度僅為10%左右[3-5]，為實現中國能源結構的順利轉變，對四川盆地致密砂巖氣進行更深層次的研究剖析是下一步發展的重點。

四川盆地縱向上自震旦系至侏羅系具有20多個產層[6-7]，其中中侏羅統沙溪廟組淺層致密砂巖氣藏具有埋藏淺、投資少、效益高等特點，在四川盆地陸相天然氣勘探中占據重要地位。目前川西坳陷沙溪廟組已有大量油氣發現，勘探結果及地球化學分析表明沙溪廟組天然氣主要有兩套烴源巖，即下伏的中—下侏羅統烴源巖和上三疊統須家河組煤系烴源巖[8-12]，勘探實踐證實了斷層對沙溪廟組油氣成藏的重要作用，川西南部地區平落壩、大興場、蘇碼頭等氣藏的發現證實了逆斷層具有溝通作用[13]，整體具有“深源淺聚、相儲密切、斷裂輸導、圈閉富集”的成藏富集規律[13-14]。但當前勘探仍以須家河組生烴凹陷為主，對中—下侏羅統烴源巖重視不夠，沙溪廟組天然氣勘探程度依然較低[15]，氣藏大多數分布在川西地區（圖1），川中地區及川東地區分布較少，缺少盆地尺度兩套烴源巖發育特征、斷層發育匹配關系等成藏主控因素的綜合分析對比及不同地區成藏模式的建立。本文對四川盆地中侏羅統沙溪廟組氣藏相關烴源巖展布、地球化學特征等進行綜合評價，并根據不同地區天然氣成因及來源、斷裂發育等特征，分析成藏主控因素，建立成藏模式，結合沙溪廟組砂巖厚度分布特征，指出有利區，為油氣勘探提供支撐。

1 基本地質特征

四川盆地在古生代—中三疊世表現為統一的碳酸鹽臺地或被動大陸邊緣盆地，晚三疊世以后，盆地內構造分帶明顯，轉換為擠壓走滑型前陸盆地[3]，該階段沉降中心位于大巴山前的萬源—南江一帶，向龍門山前地層迅速減薄，呈明顯的不對稱箕形[16-17]，且沉積中心與沉降中心不一致，沉積中心位于川中北部地區，如自流井組沉積期位于儀隴—平昌一帶，該階段盆地內的構造變形與秦嶺造山帶活動密切相關。由于四川盆地擠壓應力方向為近南北向，盆地內部形成了一系列北北東向大型平緩背斜/向斜構造，川西地區沙溪廟組氣藏埋深最大，且沙溪廟組氣田主要分布在川西地區（圖1），整體呈現川中高、向盆地四周變低的格局，其中川西地區和川北地區發育埋深大于3000m的深凹，自深凹地區到川中隆起區形成大型斜坡帶。

圖1 四川盆地中侏羅統下沙溪廟組頂部構造等值線圖（左）及侏羅系綜合柱狀圖（右）（左圖據文獻[3]修改）Fig.1 Top structural contour map of the Lower Shaximiao Formation of the Middle Jurassic (left) and comprehensive stratigraphic column of the Jurassic (right) in Sichuan Basin (the left map is modified after reference [3])

沙溪廟組沉積時期主要為三角洲—河流沉積環境，由底部向上水體變淺，水動力條件增強，下沙溪廟組底部為席狀砂、灘壩砂體，以三角洲—濱淺湖沉積為主，至上沙溪廟組演化為河流—淺湖沉積為主。沙溪廟組沉積早期沉積環境變化較大，自盆地邊緣至盆地內部形成了廣泛分布的河道砂體，為沙溪廟組提供了主要的儲層。

2 天然氣烴源條件

四川盆地中侏羅統沙溪廟組氣藏為多層疊置且整體含氣的構造—巖性氣藏[3]，盆地內發育兩套陸相烴源巖，分別為上三疊統須家河組及中—下侏羅統烴源巖（圖2），其中須家河組為一套陸相含煤建造，深色泥巖和煤層為主要烴源巖；侏羅系烴源巖主要發育一套湖相泥質烴源巖，包括下統自流井組和中統涼高山組。

2.1 須家河組烴源巖

四川盆地上三疊統須家河組烴源巖主要發育在須一段、須三段和須五段，具有西厚東薄的展布特征，與沙溪廟組儲層密切相關的主要為須五段烴源巖。目前沙溪廟組氣田主要分布在川西地區，須五段烴源巖厚度多大于200m，川西南部地區厚度大于350m；川中—川北地區須五段烴源巖一般厚50～100m；川東南部地區須五段烴源巖厚度多小于50m（圖2a）。上三疊統須五段烴源巖TOC為0.5%～9%，TOC平面分布與烴源巖厚度分布具有一定的對應關系，TOC高值區主要位于川西地區，多為1%～3%，其次為川南—川東地區（圖2c），川西地區須五段烴源巖有機質豐度最高、覆蓋面積最大。干酪根碳同位素值為-28‰～-22.5‰，其中絕大部分在-25.5‰～-22.5‰之間[7,15]，其干酪根類型屬于Ⅱ型或Ⅲ型，有機質類型大部分為腐殖型，存在少量腐殖—腐泥型干酪根混合的情況。須五段烴源巖熱演化程度適中，鏡質組反射率Ro為1%～2%，屬于成熟—高成熟階段，處在大量生氣早—中期，熱演化程度具有一定規律性：川西南部—川西中段—川北地區熱演化程度較高，Ro基本大于1.2%，川中地區熱演化程度較低（圖2e）。

2.2 中—下侏羅統烴源巖

四川盆地中—下侏羅統烴源巖主要包括自流井組和涼高山組，其中自流井組發育黑色頁巖、介殼灰巖，有機質豐富，主要為一套濱淺湖—半深湖相沉積。涼高山組存在多個巖相分區，平面變化較大，陸源碎屑供給充足，整體以濱淺湖—半深湖相沉積為主，川西北部—川北—川東北部邊緣地帶為曲流河沉積，巖性為雜色泥巖夾砂巖，為非烴源巖地區；川西南部新都—簡陽—樂山一帶以西為河流相沉積，巖性為砂巖夾紫紅色泥巖，也為非烴源巖地區；其余大部分地區為三角洲—湖泊相沉積，主要烴源巖分布在川東北梁平—開縣一帶。中—下侏羅統烴源巖在川中北部及川東北部地區烴源巖厚度較大，在川東北部地區厚度為160～200m，川中北部地區厚度為100～140m，在南充—重慶一線的東北部，中—下侏羅統烴源巖有效厚度多分布在50m以上，烴源巖最大厚度達200m（圖2b），川西及川南地區厚度多小于20m。

圖2 四川盆地中侏羅統沙溪廟組天然氣相關烴源巖特征圖（據文獻[18]修改）Fig.2 Characteristic of source rocks supplying hydrocarbon for gas reservoir of the Middle Jurassic Shaximiao Formation in Sichuan Basin (modified after reference [18]）

中—下侏羅統烴源巖TOC主要在2%以下，相較于須五段，中—下侏羅統烴源巖整體TOC明顯降低（圖2c、f），其中川中、川東地區TOC為1%～2%，有機質豐度相對較高，川西地區中—下侏羅統TOC為0.2%～0.6%，川南地區為0.2%～0.4%，多數未達到陸相烴源巖的豐度標準[12-13]，因此中—下侏羅統有效烴源巖主要分布在川中北部、川東地區（圖2d）。中—下侏羅統烴源巖干酪根碳同位素值為-28‰～-22.5‰，中—下侏羅統烴源巖腐泥組組分含量很高，分布在26%～79%，大部分烴源巖干酪根樣品腐泥組組分含量達50%～70%，有機質類型以腐泥型、腐殖型為主，干酪根類型以II型為主[7,11-14]，少量為I型與Ⅲ型。中—下侏羅統烴源巖整體已達成熟—高成熟，達到大量生烴階段，Ro為0.6%～1.6%。川中北部地區熱演化程度最高，Ro最大可達1.6%，其次為川東地區。整體上，川中地區與川東地區烴源巖熱演化程度高于川南地區與川西地區，東部高于西部，北部高于南部。

3 天然氣成因及來源

3.1 天然氣組分特征

根據前人對四川盆地中侏羅統沙溪廟組天然氣組分研究及統計結果發現[19-25]，四川盆地沙溪廟組天然氣中烴類氣體以甲烷為主，含量為84.89%～97.5%；乙烷次之，含量為0.47%～8.87%；丙烷相對最少，含量僅為0.11%～1.34%。川西、川中、川東等地區沙溪廟組天然氣組分具有明顯差異，川西地區沙溪廟組天然氣甲烷含量為91.6%～97.34%，具有干氣的特征；川中地區沙溪廟組天然氣甲烷含量相對偏低，一般小于88.93%，具有濕氣的特征；川東地區沙溪廟組天然氣中烴類氣體組成特點與川西相似。

將四川盆地中侏羅統沙溪廟組天然氣組分投入謝增業等建立的考慮演化階段的干酪根降解氣和原油裂解氣ln(C1/C2)—ln(C2/C3)判識圖版中（圖3），結果顯示四川盆地中侏羅統沙溪廟組天然氣均屬于干酪根降解氣，但不同構造區域其成熟度具有一定差異。川中地區沙溪廟組天然氣成熟度最低，Ro在1.0%左右，該地區中—下侏羅統烴源巖Ro在1.1%左右 (圖2f) ；川西南地區沙溪廟組天然氣成熟度明顯高于川中地區，Ro為1.1%～1.5%，該地區須五段烴源巖Ro為1.1%～1.5%（圖2e）；川東北部地區沙溪廟組天然氣Ro為1.2%～1.4%，也明顯高于川中地區，該地區下侏羅統烴源巖Ro為1.3%～1.5%（圖2f)，熱演化程度與其更接近。

圖3 四川盆地中侏羅統沙溪廟組天然氣組分分布(圖版及部分數據據文獻[18])Fig.3 Characteristics of natural gas components of the Middle Jurassic Shaximiao Formation in Sichuan Basin（plate and some data are according to reference [18]）

3.2 天然氣碳同位素特征

四川盆地中侏羅統沙溪廟組天然氣甲烷碳同位素（δ13C1）值為-39.21‰～-28.20‰，乙烷碳同位素（δ13C2）值為-32.76‰～-21.80‰，丙烷碳同位素（δ13C3）值為-29.14‰～-18.52‰，表現出δ13C1＜δ13C2＜δ13C3的正碳同位素序列分布。川西、川中、川東地區沙溪廟組天然氣碳同位素特征受烴源巖熱演化程度變化影響具有一定區別。川西地區沙溪廟組天然氣以甲烷和乙烷碳同位素組成均較重為特征，反映了川西地區烴源巖熱演化程度高的特點，其甲烷碳同位素組成變化范圍相對較大，在-39.21‰～ -28.5‰；川中地區沙溪廟組天然氣甲烷和乙烷碳同位素組成均較輕，反映川中地區烴源巖熱演化程度普遍較低的特點，其甲烷碳同位素值普遍小于-37.6‰，最小僅為-38.2‰；川東地區沙溪廟組天然氣甲烷碳同位素組成均較重，反映了川東地區烴源巖熱演化程度相對較高的特點。

乙烷碳同位素則是其母質來源的主要依據。天然氣碳同位素未發生倒轉的前提下，煤型氣的乙烷碳同位素值一般大于-27‰，油型氣的乙烷碳同位素值一般小于-29‰，介于二者之間的一般為煤型氣和油型氣的混合氣[19]。沙溪廟組具有完全的正碳同位素序列，川西地區天然氣甲烷含量高，干燥系數大，乙烷碳同位素值均大于-27‰，具有典型的煤型氣特征；川中地區沙溪廟組天然氣甲烷含量低，具有濕氣特征，天然氣乙烷碳同位素值明顯低于川西地區，且均小于-29‰，具典型的油型氣特征；川東地區沙溪廟組天然氣甲烷含量處在川西地區與川中地區之間，乙烷碳同位素值為-31.3‰～-26.9‰，具有油型氣與煤型氣混合的特征（圖4）。

圖4 四川盆地中侏羅統沙溪廟組天然氣碳同位素分布（圖版及部分數據據文獻[9]）Fig.4 Carbon isotope of natural gas of the Middle Jurassic Shaximiao Formation in Sichuan Basin（plate and some data are according to reference [9]）

4 儲蓋組合

下沙溪廟組主要沉積環境為三角洲—濱淺湖，儲層主要儲集空間為三角洲前緣砂體、水下分流河道砂體；上沙溪廟組三角洲前緣砂體相對不發育，水下分流河道砂體規模變大，單砂體厚度大，物性較好，為上沙溪廟組儲層主要儲集空間。沙溪廟組巖石類型以巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖為主，儲層孔隙類型以殘余粒間孔、粒間溶孔及長石粒內溶孔為主（圖5）。

圖5 四川盆地中侏羅統沙溪廟組儲層孔隙特征Fig.5 Reservoir pore characteristics of the Middle Jurassic Shaximiao Formation in Sichuan Basin

沙溪廟組儲層測井響應具有低自然伽馬、低密度、低孔隙度、高聲波時差、中等電阻率的特征（圖6）。聲波時差、補償中子、補償密度三孔隙度曲線能夠較好地反映儲集性能的差異。高聲波時差、低孔隙度、低密度值對應含氣性較好層段，密度曲線與聲波時差曲線變化一致性較好，與補償中子曲線的反向交叉特點明顯，即“天然氣挖掘效應”明顯（圖6）。沙溪廟組儲層整體屬于中—低滲透率，隨著孔隙度增大，滲透率也增大，滲透率主要受孔隙發育程度的影響[3]。

圖6 四川盆地中侏羅統沙溪廟組儲層測井響應特征Fig.6 Characteristics of reservoir logging response of the Middle Jurassic Shaximiao Formation in Sichuan Basin

沙溪廟組相關蓋層主要有兩套：下沙溪廟組內部的泥頁巖作為其直接蓋層或組內封隔層（圖1b），如下沙溪廟組的“葉肢介頁巖”或紫紅色頁巖層可以作為區域蓋層，其孔隙度一般小于1%[3]；除沙溪廟組內部的泥頁巖蓋層外，上覆廣泛發育的遂寧組、蓬萊鎮組紫紅色、暗紫紅色泥巖為一套區域性蓋層。下沙溪廟組的組內封隔層呈現泥包砂的分布狀態，有利于形成側向、橫向封堵，致使天然氣局部富集；而遂寧組、蓬萊鎮組為優質的垂向封堵蓋層，有利于沙溪廟組天然氣整體富集。

5 油氣成藏模式

四川盆地上三疊統須家河組及中—下侏羅統烴源巖是沙溪廟組致密氣的來源，前人通過勘探實踐及示蹤法[26-29]等研究證實，斷層是川西坳陷地區油氣運移的主要方式。根據區域斷層發育特征，可以分為逆斷層及正斷層兩種類型，其展布范圍及輸導條件具有差異：川西、川東北部等地區逆斷層發育，能夠溝通須家河組烴源巖與沙溪廟組儲層；而川中北部地區遠離須家河組生烴中心且大規模逆斷層不發育，但其廣泛發育的正斷層能夠實現侏羅系內部的下生上儲。

逆斷層的發育主要受燕山—喜馬拉雅期盆地西側龍門山沖斷帶及北側米倉山—大巴山沖斷帶演化的控制，在川西—川北地區廣泛發育，大量逆斷層自須家河組以下地層發育貫穿至上侏羅統及白堊系，并發育斷層相關褶皺，形成有利構造圈閉。川西南部地區多個已發現氣田均屬于該類型，須家河組氣源通過逆斷層向上運移至沙溪廟組儲層并保存形成氣藏，包括大興西、白馬廟、平落壩等地區氣藏（圖7），以往研究也提出逆斷層發育的構造及區帶為現階段致密油氣勘探有利區帶。

圖7 川西南部地區侏羅系氣藏剖面[9]Fig.7 Gas reservoir profile of the Jurassic in southwestern Sichuan Basin [9]

川東北部地區大巴山前緣沙溪廟組致密氣藏目前主要在五寶場地區取得較大突破，主要產層為上沙溪廟組，巖性主要為三角洲前緣河口壩及分流河道砂體[10]，沙溪廟組砂體縱向上被兩套泥巖層分隔：下部為下侏羅統自流井組大安寨段泥巖、中侏羅統涼高山組泥巖，上部為遂寧組泥巖，氣藏類型以巖性氣藏為主、構造氣藏為輔（圖8）。燕山期和喜馬拉雅期形成大量逆斷層，存在自須家河組貫穿至上侏羅統的逆斷層，該區域性斷層為川東北部地區須家河組和中—下侏羅統烴源巖生成的天然氣運移至沙溪廟組提供了必要條件。

圖8 川東北部地區中侏羅統沙溪廟組氣藏剖面[10]Fig.8 Gas reservoir profile of the Middle Jurassic Shaximiao Formation in northeastern Sichuan Basin [10]

正斷層主要廣泛發育在川中—川北地區的侏羅系中，包括川西前陸坳陷地區、川中高石梯—磨溪地區、大巴山前前陸坳陷區及米倉山前九龍山—劍閣地區等，主要溝通沙溪廟組儲層與中—下侏羅統烴源巖。以龍崗地區為例（圖9），該地區淺層地層中存在兩套斷層體系，一套為發育在三疊系嘉陵江組滑脫層以上、侏羅系底界以下的逆斷層，與川西等地區不同的是這些逆斷層并不切穿侏羅系，無法形成沙溪廟組與須家河組烴源巖之間的油氣運移通道。而在侏羅系以上地層中發育一套正斷層，該組斷層發育密集，正斷距較小，主要自下侏羅統貫穿至上侏羅統遂寧組底界，多不切至蓬萊鎮組底界，正斷距具有上小下大的特征，判斷其形成時間為侏羅紀中晚期。

圖9 龍崗地區三維地震測線斷層解釋結果Fig.9 3D seismic fault interpretation results in Longgang area

正斷層的展布和方向與逆斷層具有明顯的差異。以川中北部公山廟地區為例（圖10），該地區斷裂主要為北東東和北東兩個方向（淺色彎曲部分反映了區塊內河道的特征），對應觀察地震剖面發現兩個方向斷裂與前文所述龍崗地區正斷層特征一致，正斷層單條長度較短但方向較為穩定。另外三維區內少量發育北西—南東向斷裂，為大巴山沖斷帶向南西方向擠壓形成的逆斷層。而對于川西地區及川北地區斷裂特征前人做了較多研究，其中川西坳陷沙溪廟組斷裂主要為南北向逆斷層[30-31]，其他方向斷裂發育不明顯，而在川中—川北地區逆斷層為北西—南東向[9]。對比可見，正、逆兩套斷層的方向和展布范圍明顯不同。

圖10 公山廟地區上沙溪廟組底界順層相干體切片Fig.10 Bedding coherence slice of the base Upper Shaximiao Formation in Gongshanmiao area

公山廟地區沙溪廟組正斷層的發現對于沙溪廟組致密油氣的未來油氣勘探區域優選具有重要意義。前期沙溪廟組致密氣勘探主要圍繞兩個關鍵要素進行，一個是川西地區須家河組生烴中心，另一個是大規模逆斷層的發育。而對于川中北部地區，須家河組烴源巖并不發育，自嘉陵江組膏鹽巖發育的逆斷層也較少延伸至中—上侏羅統，但中—下侏羅統烴源巖厚值區、TOC高值區及鏡質組反射率高值區位于川中北部地區，上、下沙溪廟組內部發育多層泥巖使得油氣垂向擴散較為困難，而正斷層的發育能夠溝通沙溪廟組致密儲層與下伏烴源巖，形成油氣運移通道（圖11）。因此，未來圍繞川中北部地區下侏羅統生烴中心及正斷層發育區，可以進一步探索致密氣成藏模式及有利勘探區帶。

圖11 川中北部地區正斷層控制的預測成藏模式圖Fig.11 Predicted gas accumulation pattern controlled by normal faults in the northern part of Central Sichuan Basin

6 勘探建議

四川盆地沙溪廟組天然氣運移受燕山運動和喜馬拉雅運動影響較大[3]，燕山期盆地內部以隆升為主，有利于油氣向高部位聚集，而喜馬拉雅期形成的隆坳配置格局則有利于須家河組和中—下侏羅統氣藏的調整，形成沙溪廟組次生氣藏。根據上述沙溪廟組天然氣相關烴源巖、天然氣來源、斷裂發育及成藏模式的研究，結合砂巖厚度分布（圖12），針對盆地內不同地區，提出不同勘探建議。

圖12 四川盆地中二疊統沙溪廟組砂巖厚度與勘探開發前景預測Fig.12 Sandstone thickness and prediction of exploration prospect of the Middle Jurassic Shaximiao Formation in Sichuan Basin

（1）川西地區侏羅系天然氣為典型的煤型氣，且處在須家河組優質烴源巖發育區，中—下侏羅統烴源巖不發育，川西地區發育大量自三疊系斷至侏羅系的逆斷層，形成三疊系—侏羅系致密砂巖遠源次生成藏組合。斷裂間的局部構造發育部位，易形成構造—巖性氣藏；構造不發育、須家河組生烴凹陷的斜坡部位，有利于形成非均質性較強的巖性氣藏。目前該區為沙溪廟組核心建產區，有望發現新氣田、實現儲量增加。

（2）川南地區由于遠離須家河組生烴凹陷和中—下侏羅統生烴凹陷，油氣成藏條件較差，可在下一步深化研究之后，尋找新的勘探目標。

（3）川中地區天然氣類型以高成熟油型氣為主，須家河組烴源巖整體厚度較川西地區小，但中—下侏羅統烴源巖發育良好，川中北部地區為優質烴源巖發育中心，且該地區沙溪廟組氣田較少，砂巖厚度大，發育溝通沙溪廟組與中—下侏羅統烴源巖的正斷層，應為下一步勘探重點突破區。川中古隆起地區侏羅系局部剝蝕或埋藏較淺，保存條件較差，難以規模聚集，從目前研究結果來看，是勘探不利地區。

（4）川東地區中—下侏羅統烴源巖厚度較大，成熟度適中，具備形成高成熟油型氣—煤型氣混合氣的條件。川東北部地區天然氣顯示為高成熟油型氣—煤型氣混合氣，該地區須家河組烴源巖厚度較薄，但發育溝通須家河組烴源巖和沙溪廟組儲層的逆斷層，該地區氣藏具有“深源淺聚、斷裂輸導、圈閉富集”的成藏富集規律，但儲層連通性差[12]，勘探應以巖性氣藏為主、斷裂伴生的構造氣藏為輔。同時，中—下侏羅統烴源巖處在生油高峰—生氣階段，除致密砂巖氣外，也應是致密油的有利勘探區。

7 結論

（1）通過對四川盆地不同地區沙溪廟組烴源巖、天然氣地球化學特征分析，認為上三疊統須家河組與中—下侏羅統自流井組、涼高山組是沙溪廟組主要烴源巖，其中川西地區以上三疊統須家河組為主力烴源巖，川中地區以中—下侏羅統自流井組及涼高山組為主力烴源巖，川東地區由兩套烴源巖共同供烴。

（2）斷裂為沙溪廟組氣藏的主要運移通道，對比不同地區斷裂發育特征和供烴模式，建立沙溪廟組天然氣成藏模式，認為川西地區和川東地區以逆斷層溝通、三疊系供烴的下生上儲為主，川中北部以正斷層溝通、侏羅系內部下生上儲為主。

（3）四川盆地沙溪廟組致密氣勘探潛力大，川中北部地區為中—下侏羅統烴源巖核心發育區，正斷層發育較多，勘探程度低，為下一步加快勘探的重點地區。