四川盆地川西坳陷三疊系鹽下超深層油氣成藏條件與勘探方向

李雙建，李 智，張 磊，李英強，孟憲武，王海軍

（1.中國石化 石油勘探開發研究院，北京 102206；2.中國石化 深部地質與資源重點實驗室，北京 102206；3.中國石化 西南油氣分公司，四川 成都 610041）

隨著中-淺層勘探開發程度不斷提高，全球油氣勘探向深層-超深層發展的趨勢越來越明顯［1］。從鉆井數量和油氣勘探發現儲量來看，中國是全球深層-超深層勘探最活躍的國家［2］。中國深層-超深層油氣勘探主戰場在中西部盆地，其中四川盆地作為天然氣最為富集的疊合盆地，勘探取得了大量成果，先后發現了普光、元壩、川西、安岳和蓬萊等一批深層-超深層海相大型碳酸鹽巖氣藏，探明儲量達2.5×1012m3。四川盆地7 000 m以深的超深層勘探領域主要分布在川西和川北山前坳陷帶，這些地區油氣藏歷經多期次構造運動疊加，地質條件復雜，勘探成本高且難度大，明確規模優質烴源巖與儲層的分布規律及油氣藏動態保存過程是亟待解決的關鍵科學難題。

2010 年以前，川西坳陷三疊系鹽下超深層油氣勘探活動較少，僅于1978 年在梓潼向斜老關廟構造鉆探GJ 井，完鉆井深7 175 m，茅口組獲得4.88×104m3/d 工業氣流［3］，此后該區的超深層勘探幾乎處于停滯狀態。直到2014年中國石油天然氣集團有限公司在川西北雙魚石構造部署的ST1井，在二疊系棲霞組和茅口組獲得工業突破，測試分別獲氣87.6×104m3/d 和126.77×104m3/d［4］，迄今為止，獲得天然氣探明儲量600×108m3。另外，川中蓬萊地區震旦系燈影組和茅口組也取得了勘探突破，獲得了超千億方的探明儲量，顯示該區發育多套有效的成藏組合，具有較大的勘探潛力。但是受山前帶構造變形復雜和坳陷帶埋藏深的影響，川西坳陷中部三疊系鹽下的勘探至今仍處于摸索階段，尚沒有鉆井針對鹽下碳酸鹽巖儲層進行勘探，其主要原因是對該區資源潛力、規模性儲層展布規律和油氣圈閉類型認識不清。本文依據最新的鉆井和地震資料，進一步刻畫川西坳陷超深層寒武系筇竹寺組、二疊系茅口組和龍潭組3 套烴源巖的展布，并計算其生烴潛力；明確了震旦系燈影組、二疊系棲霞組和茅口組優質儲層的成因與分布；分析了山前隱伏構造和坳陷基底斷裂的構造樣式和變形過程；在此基礎上，通過烴源巖生烴、斷裂輸導、圈閉形成的匹配關系研究，指出了有利勘探方向，以期能為推動川西超深層油氣勘探提供參考。

1 區域地質概況

川西坳陷位于四川盆地西部，呈NE-SW向展布，西以安縣-都江堰斷裂為界，東以龍泉山斷裂為界，南以峨眉-滎經斷裂為界，分別與龍門山沖斷帶、川中隆起和川滇構造帶相接，北至米倉山前緣，面積約4×104km2。沿走向上龍門山沖斷帶和川西坳陷大致以臥龍—懷遠、北川—安縣一線為界劃分為南、中、北3段（圖1a），本文重點討論中段超深層油氣地質特征與勘探潛力。

圖1 川西坳陷龍門山前帶造單元劃分（a）與海相地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Map showing the structural unit division（a）of the Longmen Mountains’ piedmont zone，western Sichuan Depression，and the composite marine stratigraphic column（b）

川西地區沉積了巨厚的震旦系-中三疊統海相沉積建造（圖1b），晚三疊世以來，受古特提斯洋和新特提斯洋閉合引起的一系列造山運動影響，該區由前期被動陸緣海相沉積進入前陸盆地陸相沉積，堆積了厚逾5 000 m 的陸相碎屑巖［5］，經喜馬拉雅運動后全面褶皺形成現今的構造擠壓盆地格局。坳陷內沉積蓋層總厚在5 000～10 000 m，震旦系-中三疊統是海相碳酸鹽巖沉積，厚度4 000～7 000 m，其中下古生界發育不完整，缺少中、上寒武統—志留系沉積；上古生界泥盆系—石炭系在西北部殘留，大部分地區缺失；二疊系發育完整。中生界中、下三疊統為連續的海相沉積，且發育厚層的膏鹽巖，厚度200～500 m，構成了優質的區域蓋層；上三疊統須家河組是一套由海相過渡到陸相的沉積建造，以碎屑巖為主，厚度250～3 000 m。侏羅系到新近系為陸相碎屑巖地層，厚度2 000～4 000 m。

川西三疊系鹽下超深層發育下寒武統筇竹寺組、中二疊統茅口組和上二疊統龍潭組3 套烴源巖；發育震旦系燈影組、二疊系棲霞組和茅口組3 套潛在優質儲層。除了烴源巖層本身可以作為油氣藏蓋層以外，該區發育厚層的中、下三疊統膏鹽巖蓋層，形成優越的封蓋條件。

2 烴源巖發育條件

2.1 寒武系

在綿陽-長寧拉張槽被發現之前，一度認為川西地區不發育寒武系烴源巖，這也是阻礙該區超深層勘探的原因之一。隨著綿陽-長寧拉張槽的發現及其范圍的精細刻畫，現今已經基本明確，川西坳陷超深層發育厚層深水陸棚相寒武系筇竹寺組頁巖烴源巖［6-9］。川西地區緊鄰綿陽-長寧拉張槽，槽內下寒武統麥地坪組、筇竹寺組烴源巖極其發育，主要發育在寒武系筇竹寺組，干酪根類型為Ⅰ型，烴源巖厚度在0～200 m，由東向西逐漸減??；有機碳含量（TOC）在0.5 %～4.0 %，向兩側逐漸降低（表1）。野外露頭江油平武剖面下寒武統泥質烴源巖鏡質體反射率（Ro）為2.68 %，什邡金河剖面下寒武統泥質烴源巖Ro為1.18 %～1.67 %，處于過成熟演化階段。初步估算寒武系烴源巖生烴強度在20×108～140×108m3/km2（圖2a），具有較大的生烴潛力，是三疊系鹽下海相層系主力烴源巖。

表1 川西地區超深層烴源巖特征及地球化學參數Table 1 Characteristics and geochemical parameters of ultra-deep source rocks in the western Sichuan Basin

圖2 川西地區烴源巖重點發育層系生烴強度等值線Fig.2 Contour maps depicting the hydrocarbon-generating intensities of major source rock intervals in the western Sichuan Basin

2.2 二疊系

川西地區在中二疊統茅口組和上二疊統龍潭組均發育碳酸鹽巖和泥巖烴源巖。由于區內尚無鉆井揭示，利用地震資料又難以預測，因此對這兩套烴源巖的評價主要依據野外露頭和川中、川西北的鉆井資料。

中二疊世茅口組沉積期，川西坳陷主體為碳酸鹽緩坡沉積相區，碳酸鹽巖烴源巖全區均有分布，平面上連片發育，分布穩定，厚度大，一般沉積厚度均超過50 m［10］。受古地貌控制，有效烴源巖由南西向北東方向逐漸增厚，TOC呈現出同樣的趨勢，川西坳陷中部綿竹漢旺剖面TOC為0.43 %～2.55 %，10個樣品平均值為1.83 %，估算該套烴源巖的生烴強度為5×108～30×108m3/km2（表1）（圖2b），在川西坳陷中部主要為5×108～10×108m3/km2［11］。

晚二疊世龍潭組沉積期，研究區沉積相帶有所改變，東北部為盆地-臺緣相區，在綿竹-南充一線為開闊臺地相區，在大邑-資陽一線為混積潮坪-局限臺地相區。碳酸鹽巖烴源巖連片分布，沉積中心主體在川西的什邡金河及川中的武勝-渠縣地區，分布范圍大，一般沉積厚度均超過50 m，沉積中心的什邡—金河一線，有效烴源巖厚度超過150 m；武勝-渠縣一帶，有效烴源巖厚度超過150 m，均是烴源巖的重要分布地區。泥質烴源巖全區分布，烴源巖厚度一般在10～20 m，厚度發育分布區在什邡—綿陽，有效烴源巖厚度大于20 m［12］。干酪根類型為Ⅱ1型，估算該套烴源巖的生烴強度為5×108～50×108m3/km2，在川西坳陷中部主要為10×108～20×108m3/km2（表1；圖2c）。

3 儲層發育條件

3.1 震旦系燈影組

四川盆地燈影組分布廣泛，總體為一套碳酸鹽巖沉積，是盆地范圍內最古老的碳酸鹽巖儲集層，屬于藻屑白云巖沉積，自下而上可以分4 段，盆地內殘余厚度300～1 200 m，燈影組儲層分布在燈四段和燈二段。在綿陽-長寧拉張槽發現之前，整個四川盆地燈影組被認為是局限臺地沉積［13］。在綿陽-長寧拉長槽發現并確定之后，越來越多的學者認為，燈影組發育兩期臺緣丘灘［14-17］。微生物巖丘灘和多期多級巖溶控制了燈影組優質儲層的發育［18-23］。

通過最新的三維地震資料，發現川西超深層發育拉張槽兩側燈二段臺緣，東側為知新場-中江-蓬萊臺緣，為近東西向斷控臺緣，東西向延伸遠、南北向展布窄（圖3a，c）。該臺緣帶PT1 井在燈二段測試獲得高產氣流，揭示古隆起斜坡區燈二段具有巖性氣藏獨立成藏的特征。燈二段儲層巖性主要為藻白云巖、顆粒白云巖，儲集空間以溶蝕孔洞和粒間孔、粒間溶孔為主，通過周邊鉆井巖心68 組測試數據的統計（圖4），儲層基質孔隙度為0.07 %～4.99 %（平均2.13 %），基質滲透率為0.002×10-3～1.98×10-3μ m2（平 均0.12×10-3μm2），屬于典型的非均質、低孔-低滲型儲層［24-25］。拉張槽西側臺緣的臺緣帶位于成都—大邑一帶（圖3b），與威遠—資陽臺緣帶相連，自東向西臺緣帶由緩變陡，大邑地區表現為明顯的陡坡臺緣帶，沿該臺緣帶鉆探的Z1 井和ZT1 井也均揭示了藻丘灘疊加巖溶儲層較為發育，屬于孔洞-孔隙型儲層［26-27］。

圖3 川西地區震旦系燈影組二段巖相古地理與臺緣帶地震響應特征Fig.3 Lithofacies paleogeography and platform-margin zones’ seismic response characteristics of the 2nd member of the Sinian Dengying Formation，western Sichuan Basin

圖4 川西地區震旦系燈影組二段儲層孔隙度（a）和滲透率（b）分布頻率直方圖（68個樣品）Fig.4 Frequency histograms of the porosity（a）and permeability（b）of reservoirs in the 2nd member of the Sinian Dengying Formation，western Sichuan Basin（68 samples）

3.2 二疊系棲霞組

棲霞組儲層受川西龍門山古裂陷和加里東期古隆起聯合控制，具有“一緣一帶”分布特征（圖5a），臺緣帶顆粒灘白云巖主要發育在龍門山前緣帶、廣元西北鄉-礦山梁及峨眉-瓦山前緣一帶的生物灘區，厚度5～70 m；廣元西北鄉白云巖累計厚度達69 m，寶興西大河厚度也達68 m，預測川西探區白云巖累計厚度大多在20～40 m［28-30］。棲霞組儲層巖性主要為藻屑、生屑灰巖、豹斑狀白云質灰巖、豹斑狀灰質白云巖以及結晶白云巖，川西坳陷中段的都江堰高川鄉天池剖面棲霞組中上部主要為灰-淺灰色微晶白云巖與淺灰色灰質白云巖互層沉積，白云化作用較強。綜合野外剖面和ST1、PT1 等鉆井實際資料分析，棲霞組發育層狀孔隙型儲層，主要儲集空間類型為晶間（溶）孔、粒間（溶）孔，還發育溶蝕縫洞、水力破裂擴溶縫洞和少量構造縫，55 個樣品統計，孔隙度范圍0.86 %～15.73 %，平均為4.51 %；滲透率范圍0.04×10-3～30.20×10-3μm2，平均為3.43×10-3μm2，總體為低孔-低滲型儲層（圖6）。

圖5 川西地區二疊系棲霞組二段巖相古地理與儲層地震響應特征Fig.5 Lithofacies paleogeography and reservoirs’ seismic response characteristics of the 2nd member of the Permian Qixia Formation，western Sichuan Basin

圖6 川西地區二疊系棲霞組儲層孔隙度（a）和滲透率（b）分布頻率直方圖（55個樣品）Fig.6 Frequency histograms of the porosity（a）and permeability（b）of reservoirs in the Permian Qixia Formation，western Sichuan Basin（55 samples）

通過三維地震資料，在川西坳陷北部和南部都識別出了棲霞組顆粒灘儲層（圖5b，c）。與鄰區PT1 井、PR1 井和雙魚石氣田優質儲層地震響應特征相似，為典型“兩谷夾一峰、中部弱波峰”地震響應特征［31］，由此可見，棲霞組儲層在川西超深層具有廣泛發育的特征。

3.3 二疊系茅口組

長期以來，二疊系茅口組勘探主要集中在背斜帶巖溶縫洞儲層領域，在蜀南探明儲量超過812×108m3。近年來，茅口組在川東北和川中等地區連續獲得勘探突破，展現良好的勘探前景。除了傳統的巖溶縫洞型儲層以外，還發現了新的儲層類型，包括熱液白云巖、茅三段臺緣淺灘和茅二段臺內灘等［32-33］，越來越多的高產井呈現出相帶控儲的特征，大大提升了對茅口組勘探的信心。川西坳陷鄰區JT1 井鉆遇了茅二段灘相孔隙型白云巖儲層，并獲得112.8×104m3/d 的高產工業氣流，實現了茅口組儲層類型的新發現，儲集空間以粒間溶孔、晶間溶孔和晶間孔為主［34］。結合CS1 和NC2 等鉆井巖心觀察與地震相分析，發現茅二段儲層受古地貌控制，局部高古地貌部位發育顆粒灘白云巖疊加準同生期巖溶，形成孔隙-孔洞型儲層，平均孔隙度為4.9 %。

通過地震沉積相對比發現，川西坳陷北部茅口組發育與JT1 井地區類似的沉積結構與地震響應（圖7b）。茅口組上部表現為隆-洼相間的特征，依據已鉆井的成果分析，丘狀隆起部位為邊緣灘相，表現為茅頂同相軸反射減弱，茅口組內部反射相對雜亂，而隆起之間的低部位為臺洼相，厚度相對較薄，茅頂為強軸，內部為空白反射（圖7c），依據多條地震剖面分析，川西坳陷北部發育NW-SE 向的隆-洼沉積格局，具備形成相控儲層的條件。

圖7 川西地區二疊系茅口組二段巖相古地理與儲層地震響應特征Fig.7 Lithofacies paleogeography and reservoirs’ seismic response characteristics of the 2nd member of the Permian Maokou Formation，western Sichuan Basin

4 構造變形樣式與演化

4.1 山前構造變形樣式

龍門山中段—川西中部自造山帶向盆地方向可依次劃分為基底沖斷帶、準原地沖褶帶和原地隱伏斷隆帶?；讻_斷帶位于北川-映秀斷裂以西，彭灌雜巖體沖斷至地表。準原地沖褶帶介于北川-映秀斷裂與安縣-灌縣斷裂之間，構造樣式以疊瓦式逆沖斷裂為主，斷裂突破地表，收斂于二疊系底界，局部發育“y”字形斷裂控制的斷褶。原地隱伏斷隆帶，介于安縣-灌縣斷裂與彭縣斷裂之間，以中-下三疊統含膏鹽層為滑脫層形成雙重變形結構，鹽上層系以斷背斜、背沖背斜為主，構造相對寬緩，鹽下層系以基底為滑脫層，構造樣式與北段類似，在二疊系形成背沖背斜、斷背斜以及斷塊構造。這些隱伏構造單個規模較小，但數量多、并且相對完整，是潛在的勘探目標（圖8a，b）。

圖8 川西坳陷典型剖面構造變形樣式（剖面位置見圖1）Fig.8 Diagrams showing the structural deformation styles of typical sections in the western Sichuan Depression（see Fig.1 for the section location）

4.2 坳陷帶構造變形樣式

前期認為川西坳陷深坳區主要為單斜構造，缺少必要的油氣輸導和圈閉條件，本次研究根據三維地震資料識別出深坳區三疊系鹽下發育基底高陡斷裂，局部具有走滑特征（圖8b）。剖面上，走滑斷層斷面高陡直立，多數斷層向下斷切至基底，向上斷止于中、下三疊統，并且具有向上變緩的特征，不同于正斷層與逆斷層上陡下緩的斷面特征。川西坳陷北部膏鹽巖滑脫層上下呈現分層變形特征，走滑斷層大都未影響膏巖層之上的地層變形，揭示走滑斷層主要形成于印支期［35］。川西坳陷南部，受走滑斷層的控制，海、陸相地層及滑脫面統一卷入變形，表明其形成較晚，為喜馬拉雅期構造。構造樣式上，部分斷裂發育正花狀構造和半花狀構造，走滑斷裂由深部向淺層傳播過程中多在二疊系-下三疊統撒開，形成花狀構造（圖8a，b），正花狀構造的廣泛發育反映了區內走滑斷裂主要發育于壓扭性構造環境。

5 油氣成藏條件與有利勘探方向

5.1 生-儲-蓋組合

川西三疊系鹽下發育統一的膏鹽巖蓋層，不同構造部位發育不同的源-儲組合，山前帶發育寒武系筇竹寺組烴源巖與棲霞組顆粒灘儲層的源-儲組合，主要為下生上儲、斷層輸導式成藏模式；坳陷帶發育寒武系筇竹寺組與震旦系燈影組臺緣丘灘、茅口組臺洼邊緣高能灘兩組源-儲組合；前者為源-儲側接式成藏模式，后者為下生上儲、斷層輸導式成藏模式（圖9）。不同的成藏組合，成藏過程和主控因素略有不同，與烴源巖生烴、斷裂發育和構造變形的匹配關系密切相關。

圖9 川西坳陷超深層海相含油氣系統演化模式Fig.9 Evolutionary pattern of the petroleum system in ultra-deep marine sequences in the western Sichuan Depression

5.2 構造變形與烴源巖生烴及斷裂發育的匹配關系

從須家河組四段以上的陸相地層超覆在山前隱伏構造之上，可以說明該構造形成較早，受印支期安縣運動控制，喜馬拉雅期構造變形對先前構造具有改造作用，但是受三疊系厚層膏鹽巖滑脫層保護作用影響，鹽下構造保存完整。坳陷內高陡斷裂主要切割三疊系鹽下地層，局部地區壓扭構造影響到須家河組變形，但是侏羅系基本不受影響。平面上走滑斷裂具有左行雁列式排列特征，與印支期勉略洋剪刀式閉合形成的區域構造應力場相吻合，這些證據都說明走滑斷裂初始形成期為印支期。

根據YS1 井和地震剖面揭示的地層沉積厚度、二疊系烴源巖的熱演化程度，結合區域熱流史演化特征［36］，恢復了川西坳陷主要烴源巖熱演化史特征（圖9）。寒武系烴源巖志留紀末開始生油，早三疊世達到生油高峰期，主要生氣期在早-中侏羅世，原油裂解期在中侏羅世。二疊系烴源巖中三疊世末開始生油，晚三疊世須家河組三段沉積末期達到生油高峰期，中侏羅世為主要生氣期，原油裂解期在侏羅紀末。

通過上述主要烴源巖演化過程、構造演化階段及儲層演化的綜合分析，認為研究區主要存在3 期油氣成藏過程（圖10）。

①早期油氣運聚階段：印支中、晚期，在盆地內形成寬緩背斜和圈閉雛型，是油氣運移的指向帶。印支晚期-燕山早期，區內寒武系、二疊系烴源巖已成熟生成液態烴，此階段龍門山前地區進入持續山前擠壓沖斷，形成寬緩沖斷背、向斜構造帶，油氣的排烴期與圈閉的形成期一致。液態烴生成過程中排出的富有機酸流體在有利位置的灘相白云巖內發生溶解作用形成埋藏溶解孔，使灘相白云巖成為孔隙性儲層［37］。這些儲層與背斜構造配套形成構造-地層復合圈閉，液態烴運移至圈閉中形成油藏。

②天然氣成藏階段：燕山運動中、晚期，持續的沉降使烴源巖進入氣態窗，同時使前期形成的油藏因高溫裂解轉變為氣藏并在儲層中形成焦瀝青，地層水中CO2含量增高，在儲層中發生溶解形成晚期埋藏溶解孔，改變儲層分布狀況和復合圈閉的形態，原油裂解氣和干酪根熱解氣共同聚集形成早期氣藏，此時寒武系和二疊系烴源巖生成的天然氣通過斷裂、裂縫和不整合面等輸導層向隆起高部位運移聚集，氣藏形態逐漸定型。

③最終定型階段：強烈的喜馬拉雅運動對早期氣藏有明顯的改造。抬升、剝蝕作用使氣藏埋藏變淺、溫度降低，同時巖層經受構造作用，使構造軸部的白云巖層產生較多的構造裂隙。這些裂隙和微裂隙起輸導作用，致使天然氣再次向構造高點運移富集；喜馬拉雅運動還使氣藏圈閉形態改變、高點遷移，從而造成氣藏的調整、改造，最終定型為現今的氣藏。

5.3 油氣成藏主控因素與有利勘探方向

本文在對川西坳陷油氣成藏條件進行了重新評價和認識的基礎上，結合鄰區雙魚石氣田二疊系棲霞組、蓬萊氣田震旦系燈影組、二疊系茅口組近期勘探突破帶來的啟示［38-40］，認為山前帶推覆體下盤準原地構造、坳陷帶走滑斷裂與高能相帶復合體和燈影組斷控臺緣帶是下一步勘探的有利方向（圖10）。

山前帶推覆體下盤準原地構造形成原生型油氣藏，構造形成于印支期且后期相對穩定，勘探目的層主要為二疊系棲霞組、茅口組，其成藏模式為下生上儲、斷裂垂向輸導、膏鹽巖封蓋、構造-巖相控藏、原位調整富集，氣藏成藏的主控因素為構造-巖性圈閉側向封閉性。

坳陷帶走滑斷裂與高能相帶復合體，主要形成原生改造型油氣藏，主要勘探目的層為二疊系棲霞組、茅口組。高陡斷裂具有“溝源、優儲、促聚”的作用，斷裂形成期與寒武系烴源巖生烴期具有良好的匹配關系，印支期形成原生巖性油藏，燕山期發生油氣轉化，喜馬拉雅期發生調整改造，在局部構造高部位富集。其成藏模式為下生上儲、斷裂垂向輸導、膏鹽巖封蓋、巖相控藏、原位調整富集，氣藏成藏的主控因素為臺內灘儲層的發育程度。

坳陷帶燈影組斷控臺緣帶，主要形成原生型油氣藏。燈影組丘灘體被寒武系烴源巖包圍，具備優越的源儲配置關系，早期為古隆起區，有利于油氣運聚，現今為大型單斜構造背景，其成藏模式為側生旁儲、巖性控藏、油藏原位裂解富集。氣藏為巖性圈閉，受巖性致密帶及上傾方向巨厚泥巖有效遮擋的控制。

6 結論

1）川西超深層三疊系鹽下海相層系發育多套烴源巖，具備形成大中型油氣田的物質基礎，其中下寒武統筇竹寺組烴源巖厚度大，生烴強度高，是最有利的一套烴源巖。

2）川西坳陷內發育震旦系燈影組臺緣丘灘、二疊系棲霞組-茅口組顆粒灘白云巖等多種類型優質儲層，其中二疊系的儲層分布面積最廣，最具勘探潛力。

3）川西龍門山山前帶推覆體下盤發育鹽下準原地背斜構造，坳陷帶斜坡區發育高陡斷裂和走滑壓扭構造，主要形成于印支期，與寒武系烴源巖主生烴期具有良好的匹配關系，具備油氣早期成藏條件。

4）山前帶推覆體下盤原位構造、坳陷內與基底高陡斷裂溝通的二疊系高能相帶和震旦系燈影組臺緣帶，普遍具有原生古油藏形成條件，晚期原位裂解、局部構造富集的成藏模式，是下一步勘探有利目標。