四川盆地震旦系灯影组天然气的差异聚集分布及其主控因素
刘树根1, 孙玮1, 赵异华2, 王国芝1, 宋林珂2, 邓宾1, 梁锋2, 宋金民1
1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学
2.中国石油西南油气田公司川中油气矿

作者简介:刘树根,1964年生;教授,博士生导师,本刊第七届编委会委员、《Natural Gas Industry B》编委会委员;从事油气成藏与构造地质研究工作。地址:(610059)四川省成都市成华区二仙桥东三路1号成都理工大学。E-mail:lsg@cdut.edu.cn

摘要

为了揭示四川盆地震旦系灯影组油气藏之间的成生联系和古今气藏的转换机理,采用地质、地球物理与地球化学研究方法相互支撑,宏观、中观与微观研究结果相互印证的思路,利用多年来的钻探资料对该盆地灯影组天然气的差异聚集分布及其主控因素进行了研究。结果表明:①距今100 Ma以前灯影组古油藏的原油原位裂解形成早期超压古气藏,而在距今100~20 Ma期间,四川盆地持续隆升,特别是构造高点的迁移和威远构造的初步形成,使得早期超压古气藏调整形成晚期超压古气藏;②随着距今20 Ma以来隆升幅度的加大,威远构造上覆地层被快速剥蚀,盖层封盖能力大大降低,保存条件变差,致使灯影组天然气从威远构造顶部地表下三叠统嘉陵江组天窗开始泄漏和逸散,启动了四川盆地华蓥山以西地区灯影组天然气的差异聚集和逸散过程,位于资阳、金石和龙女寺—磨溪—安平店—高石梯等气藏构造圈闭溢出点以外的天然气沿灯影组顶部不整合面向威远构造运移聚集,并通过其顶部的嘉陵江组天窗向地表逸散,气藏压力系数由异常高压向正常压力过渡。四川盆地震旦系灯影组天然气的差异聚集分布模式与经典油气差异聚集理论既有相同点又有差异性,对该区天然气的勘探有着重要的启示和指导作用。

关键词: 四川盆地; 震旦纪灯影期; 天然气; 差异聚集; 分布模式; 主控因素; 不整合; 威远构造
Differential accumulation and distribution of natural gas and their main controlling factors in the Upper Sinian Dengying Fm, Sichuan Basin
Liu Shugen1, Sun Wei1, Zhao Yihua2, Wang Guozhi1, Song Linke2, Deng Bin1, Liang Feng2, Song Jinmin1
1.State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation∥Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan 610059, China
2.Chuanzhong Division of Southwest Oil & Gasfield Company, PetroChina, Suining, Sichuan 629001, China
Abstract

This paper aims to disclose the genesis-pooling relationship between the hydrocarbon reservoirs and the mechanism of transformation between ancient and modern gas reservoirs in the Sinian Dengying Fm in the Sichuan Basin. Therefore, based on the drilling data and the integrated study of geology, geophysics and geochemistry, we discussed the differential accumulation and distribution of natural gas and their main controlling factors in this study area. The results demonstrated that the crude oil in the paleo-oil pools of the Dengying Fm cracked into gas to form the early paleo-gas pools with overpressure 100 Ma ago. During the period of 100 Ma - 20 Ma, the Sichuan Basin uplifted and the Weiyuan anticline formed primarily, which made the structural high migrate and form the late paleo-gas pools with overpressure. Those processes were followed by a significant uplift, stronger deformation and cooling episode during the last 20 Ma. It resulted in a substantial erosion of the strata in the surface and a decrease of the sealing ability in the caprocks and overburden rocks of the the Dengying Fm. Therefore, the natural gas in the Dengying Fm leaked off from the eroded window of the Lower Triassic Jialingjiang Fm located on the top of the Weiyuan anticline. It started a process of differential accumulation and dissipation of the natural gas in the Dengying Fm across the Sichuan Basin. The gas below the spillpoint of the structural gas pools migrated to the Weiyuan anticline along the unconformity of the Dengying Fm from the Ziyang, Jinshi and Longnüsi - Moxi - Anpingdian - Gaoshiti gas pools. The gas escaped through the eroded window of the Jialingjiang Fm on the top of the Weiyuan anticline, resulting in a decrease of pressure to a normal pressure in the Dengying Fm. In conclusion, such a differential accumulation mode in the Dengying Fm in the Sichuan Basin shares some similarities and differences with the classic hydrocarbon differential entrapment theory, and will play a great inspiration and guiding role in the further gas exploration in this study area.

Keyword: Sichuan Basin; Sinian; Dengying Fm; Natural gas; Differential accumulation; Controlling factors; Unconformity structure; Weiyuan anticline

1964年发现的四川盆地威远上震旦统灯影组气田曾是新中国建立后发现的第一个大气田[1], 众多学者对其进行了深入的研究[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12], 但对其气充满度仅是圈闭闭合高度的25%左右的原因并未取得一致认识。刘树根等[13, 14, 15, 16]通过对威远灯影组气田、资阳灯影组含气区、丁山— 林滩场灯影组古油气藏等的重点解剖, 认为四川盆地元古界震旦系灯影组, 时代老、埋藏深, 天然气藏形成经历了生气中心(古油藏和未成藏石油的富集区)— 储气中心(古气藏和未成藏天然气及水溶气的富集区)— 保气中心(现今气藏和未成藏天然气及水溶气的富集区)的变换过程。生气中心是储气中心的主要“ 气源” 、储气中心是现今保气中心的主要“ 气源” 。生气中心的形成受控于烃源岩所在部位的生烃中心(烃源灶)。震旦系灯影组天然气藏的形成是在多期构造作用控制下由油气的四中心(生烃中心、生气中心、储气中心和保气中心)的耦合关系决定的。生烃中心受控于盆地的原型格局, 形成后即无变动性; 而其余三中心受构造作用的控制而变动性较易和较大。“ 三中心” (生气中心、储气中心和保气中心, 下同)在空间上的分布关系, 决定了油气的最终分布。通过区域构造的深入研究, 刘树根等[17, 18]提出四川盆地下组合海相油气分布主要受拉张槽、古隆起和盆山结构的联合控制。拉张槽控制生烃中心(烃源灶)的分布, 古隆起控制生气中心(古油藏)和储气中心(古气藏)的分布, 盆山结构控制保气中心(今气藏)的分布。但限于资料和勘探程度, 以往的研究多着眼于宏观和局部气藏的解剖, 对“ 三中心” 转换的过程、机理和控制因素还有待于深入研究, 对各(古)油气藏之间的成生联系有待深入探讨。

随着高石梯— 磨溪震旦系灯影组气藏等的发现和深入研究, 使揭示四川盆地震旦系灯影组油气藏(资阳、金石、威远、高石梯、磨溪、龙女寺、广安等)之间的成生联系和古气藏(储气中心)向现今气藏(保气中心)的转换机理成为可能。国际上, Gussow[19]提出了具有成因联系的溢出点海拔逐渐变化的系列圈闭形成时烃类的差异聚集理论; Sales[20]在此基础上进一步提出盖层封闭强度与圈闭闭合度联合控制烃类聚集、逸散和分布的理论, 并把圈闭分为3种类型; Ohm等[21]提出了在隆升地区油气运移聚集和散失的模式。结合目前四川盆地震旦系灯影组的勘探成果, 从威远→ 高石梯→ 磨溪→ 龙女寺→ 广安均为喜马拉雅期在区域隆升过程中形成的溢出点海拔逐渐降低的灯影组系列圈闭, 天然气运聚过程和分布可能遵循前述学者提出的油气差异运聚模式。笔者在多年研究四川盆地震旦系灯影组的基础上, 采用地质、地球物理与地球化学研究方法相互支撑, 宏观、中观与微观研究结果相互印证的思路, 结合新近的勘探资料, 探讨四川盆地灯影组天然气的差异聚集和逸散及其主控因素和对天然气分布的控制作用。

1 四川盆地震旦系灯影组现今气藏特征
1.1 构造圈闭特征

目前四川盆地震旦系灯影组被探明的构造主要集中于华蓥山以西地区乐山— 龙女寺古隆起及周缘, 包括资阳、金石、威远、高石梯、安平店、磨溪、龙女寺、广安、周公山、汉王场、老龙坝、大窝顶、天宫堂、自流井、盘龙场、金石等二十多个小的构造圈闭。从地表地质特征就可以清晰辨识威远构造, 其也是四川盆地内较早进行油气勘探的构造之一。现今四川盆地灯影组构造以威远为最高点, 其他均为斜坡上的次级高点, 但又相对具有一定的构造幅度和规模(图1)。

威远构造震旦系灯影组的钻探始于1956年的威基井[22], 其震旦系灯影组圈闭是乐山— 龙女寺加里东古隆起中部南翼的一个巨型穹隆背斜构造, 震旦系顶部构造闭合面积850 km2, 闭合度895 m, 长轴51 km, 短轴27 km(图1)。目前威远灯影组气田的含气高度为240 m, 气充满度约为25%。威远构造震旦系顶面高点埋深约2 500 m, 海拔约为-2 200 m, 圈闭溢出点海拔约为-3 200 m, 溢出点位于构造的西南侧。

高石梯— 磨溪潜伏构造位于安岳县东, 灯影组顶面高点埋深约为4 900 m, 海拔约为-4 640 m, 闭合度约为360 m, 面积约为3 474 km2, 圈闭溢出点海拔约为-4 940 m, 溢出点位于圈闭的西侧, 气充满度超过100%。

龙女寺潜伏构造位于武胜县, 其灯影组的钻探始于1971年开钻的女基井[22]。震旦系顶部构造高点埋深为5 280 m, 海拔为-4 930 m, 闭合高度为80 m, 圈闭面积为269 km2, 溢出点海拔为-5 010 m。女基井在震旦系灯四段(5 197.92~5 239.92 m井段)测试产气1.85× 104 m3/d, 产水11.8 m3/d, 气藏充满度未明, 仍在勘探中。

广安构造位于广安县, 灯影组高点埋深约为6 020 m, 海拔为-5 300 m, 闭合高度为250 m, 溢出点海拔为-5 550 m, 面积为210 km2, 目前勘探结果在灯四段见气测异常, 仍在勘探中。

金石构造位于威远构造西侧, 走向北西西向, 长轴长8.2 km, 短轴长4.1 km, 闭合高度约为90 m, 圈闭面积为30.38 km2。中石化金页1井在灯影组取得突破, 测试产气4.73× 104 m3/d。

图1 四川盆地灯影组主要构造平面分布及剖面特征图

综上所述, 威远→ 高石梯— 磨溪→ 龙女寺→ 广安构造直线距离为110 km~80 km~30 km, 总长约220 km, 灯影组构造高点海拔逐渐加深, 从-2 400 m→ -4 640 m→ -4 930 m→ -5 300 m, 威远至广安的构造高点落差达2 900 m; 构造圈闭溢出点也逐渐加深, 从-3 200 m→ -4 940 m→ -5 010 m→ -5 550 m, 溢出点落差达2 250 m, 气藏充满度从威远至高石梯由25%→ 100%。

1.2 天然气特征

威远地区灯影组气藏天然气甲烷含量体积分数介于85%~87%, 比较稳定, 以惰性气体氦含量高(0.31%~0.4%)及高含硫(H2S体积分数平均约为2.5%)为主要特征(表1)。

表1 资阳、威远、高石梯、磨溪灯影组天然气化学性质表

高石梯— 磨溪灯影组气藏天然气的甲烷含量介于86%~90%, 较稳定, 含少量H2S(体积分数约为1%)(表1)。

高石梯— 磨溪灯影组气藏天然气的乙烷碳同位素值介于-30‰ ~-25‰ , 龙王庙组乙烷碳同位素值介于-33‰ ~-30‰ , 明显不同, 暗示为2个相对独立的气藏。

1.3 地层水特征

威远构造灯影组地层水水型较稳定, 纵横向基本一致, 相对密度在1.055左右, pH值介于7~8, 略呈碱性, 总矿化度介于76~81 g/L, 水型为CaCl2型; Ba2+高、无S O42-, 锂、钾、铷、锶、硼等微量元素含量相对较高, 是震旦系地层水的特征(表2)。资阳地区各井灯影组的水型与威远地区灯影组水型基本一致。

表2 资阳、威远、高石梯、磨溪地区灯影组地层水化学性质表

高石梯— 磨溪地区灯影组地层水也较稳定, 总矿化度介于37~207 g/L, 平均为85 g/L, 相对密度在1.07左右, pH值介于4~6, 略呈酸性, 水型为CaCl2型; Ba2+低, 含少量S O42-, 水矿化度要高于威远— 资阳地区, 显示封闭性更好[23]

1.4 地层压力特征

威远地区灯影组气藏属同一压力系统, 折算海拔以威12井产层中部深度海拔-2 291 m为准, 气藏原始地层压力为29.5 MPa, 压力系数介于1.03~1.04。资阳地区灯影组气藏地层压力与之相近(表3)。金石构造金页1井震旦系灯影组压力系数为1.03, 也为常压。

高石梯— 磨溪地区以磨溪27井产层中部深度海拔-4 500 m为准, 灯影组四段气藏原始地层压力为55.4 MPa, 压力系数介于1.06~1.14, 为常压— 弱超压; 灯二段压力系数平均为1.10, 为常压。

因此, 从地层压力来讲, 整个灯影组内的压力系数基本相似, 以常压为主; 仅从压力系数值来看, 整个灯影组内可能形成一个彼此联通统一的压力系统; 但从威远→ 高石梯— 磨溪→ 龙女寺→ 广安, 灯影组压力系数有微弱增加的趋势。

表3 威远、资阳、高石梯— 磨溪下组合地层流体压力表

据实测压力资料显示, 高石梯— 磨溪地区龙王庙组现今普遍发育超压, 压力系数最小为1.51, 最大为1.70, 平均值达1.64, 显示与灯影组有较大的区别, 二者为独立的压力体系, 暗示为2套独立的气藏系统。

2 灯影组古气藏(储气中心)特征
2.1 古构造特征

加里东古隆起经历漫长地史演化, 震旦系顶面构造未发生大的变化。晚三叠世— 早侏罗世, 古油藏原位裂解形成古气藏, 而乐山至广安仍为一大型古构造隆起, 但有2个高点, 一位于乐山— 资阳, 一位于高石梯— 磨溪— 龙女寺, 轴向北东, 长轴长度为280 km, 短轴平均长度约为70 km, 共同圈闭线海拔在-4 400 m, 面积为19 600 km2, 是个构造幅度为850 m的大型构造圈闭(图2)。

图2 四川盆地震旦系灯影组古油藏原位裂解形成燕山期古气藏分布图(底图为沙溪庙组沉积前灯影组顶面古构造)

2.2 古气藏特征

2.2.1 古气藏规模

震旦系灯影组古气藏以乐至— 安岳为鞍部, 分为2个相对独立的古气藏:资阳— 威远古气藏和高石梯— 磨溪古气藏(图2)。其中资阳— 威远古气藏的高点位于资阳地区, 威远处于古构造南翼的斜坡带, 高石梯— 磨溪古气藏的高点位于安平店— 磨溪一线。宏观上2个古气藏是连通的, 闭合度为500 m, 具有统一的气水界面, 整个气藏的面积达16 000 km2。该古气藏为一个超压气藏, 古压力系数可达1.8(详见后文)。

2.2.2 古气藏具异常高压

通过安平1井、高石1井灯影组岩心和薄片观察, 发现在石油热裂解形成沥青之后存在自型锥状石英和/或石英+白云石充填; 在这些石英中普遍存在液相甲烷包裹体。通过对高石1井生气窗(原油裂解)后古气藏调整时期所形成石英中的包裹体研究表明, 取自于深度4 980.17~4 981.87 m处石英包裹体峰温集中于190~210 ℃; 取自于深度4 958.40~4 958.47 m处石英包裹体峰温集中于118~130 ℃和160~188 ℃。利用气液两相包裹体所获得的均一温度, 选择一些成分相对单一的与气液两相盐水包裹体共生的甲烷包裹体进行均一温度和密度的测定, 利用Duan[24]所提供的方法可以计算出流体包裹体捕获时的压力。由此获得样品GS46在峰温200 ℃时的压力为79.4~92.51 MPa, 对应的压力系数为1.35~1.57; 样品GS61在峰温120 ℃的压力为64.85~76.03 MPa, 对应的压力系数为1.95~2.28, 在峰温180 ℃的压力为81.724~98.13 MPa, 对应的压力系数为1.56~1.88。

安平1井灯影组储层样品A7(5 040.16~5 043.50 m)中生气窗(原油裂解)后古气藏调整时期所充填石英的均一温度为220~320 ℃, 峰温为270~290 ℃, 根据石英中甲烷包裹体的均一温度, 计算获得在280 ℃条件下的捕获压力介于101.6~228.52 MPa, 大部分的压力集中于150.08~159.59 MPa, 对应的压力系数为1.77~1.88; 另一部分的压力集中于160.06~169.79 MPa, 对应的压力系数为1.88~2.00。

因此, 四川盆地震旦系灯影组不仅当油裂解气时形成的古气藏(称为早期古气藏)具超压特征, 而且灯影组古气藏在调整的早期阶段(称为晚期古气藏)仍然具有异常高压特征。

3 灯影组古气藏(储气中心)向现今气藏(保气中心)的演变
3.1 构造改造作用和圈闭的演变

3.1.1 古构造大圈闭的解体和众多小型构造圈闭的形成

前文已述, 灯影组古气藏圈闭面积达19 600 km2(图2)。但现今在灯影组发育有资阳、金石、威远、高石梯、安平店、磨溪、龙女寺、周公山、汉王场、老龙坝、大窝顶、天宫堂、自流井、盘龙场、金石等20多个小的构造圈闭, 其中最大的威远构造面积约为850 km2, 所有圈闭面积总和不超过4 000 km2, 不到前期古圈闭面积的1/3[25, 26], 现今圈闭总的构造轮廓是西高东低, 轴向北东, 轴线大致位于老龙坝— 威远— 资中— 安岳一线(图1)。在古圈闭解体的过程中圈闭闭合高度发生了较大的变化, 如威远构造的闭合高度达895 m, 但更多的构造闭合度都较小, 如资阳、金石、高石梯、磨溪、龙女寺、广安地区的闭合高度一般都在250 m左右。

因此, 古构造大圈闭的解体和众多小型构造圈闭的形成是喜马拉雅期构造改造作用非常重要的结果之一, 有些构造被重新调整, 如高石梯— 磨溪构造; 有的构造重新形成, 如威远构造; 有些则消失, 如资阳古构造。

3.1.2 构造高点的迁移

乐山— 龙女寺古隆起轴线从加里东期至今一直在发生迁移, 加里东期古隆起的轴线近北东东向, 轴线从雅安— 乐至— 磨溪— 广安; 印支期轴线自北向南迁移, 但自西向东迁移量在逐渐变小, 轴线在资阳迁移了31 km, 在高石梯— 磨溪地区仅迁移了6 km; 喜马拉雅期资阳高点向威远迁移了25 km, 高石梯— 磨溪仅迁移了3 km。因此, 自加里东期至现今, 资阳— 威远地区高点总迁移量达56 km, 但高石梯— 磨溪高点仅迁移了9 km, 迁移量自东向西是逐渐变大的, 显示构造稳定性资阳、威远地区小于高石梯— 磨溪地区。

3.1.3 隆升剥蚀作用

通过对威远和磨溪地区22个磷灰石裂变径迹样品的测试分析表明[27], 威远地区晚中生代— 新生代隆升速率高、幅度大, 地表核部已被剥蚀至下三叠统嘉陵江组, 中三叠统雷口坡组碳酸盐岩大面积出露, 目前形成四川盆地地表面积最大和华蓥山以西地表出露最老地层(碳酸盐岩)的背斜构造[27, 28]

图3 威远背斜磷灰石裂变径迹模拟热史曲线图(图中ws35等为样品编号)

根据磷灰石裂变径迹模拟揭示出威远地区隆升剥蚀作用(样品热史过程)为以下3类(图3):①沉降— 隆升型(图3-a)。晚白垩世以来(距今100 Ma以来)发生埋深沉降与增温作用, 到早新生代达最大埋深(普遍埋深大于磷灰石完全退火等温面), 短时间滞留后, 发生快速抬升退火冷却至地表温度。②滞留退火— 快速隆升型(图3-b)。晚白垩世— 古近纪长时间滞留于磷灰石裂变径迹部分退火带, 以缓慢抬升冷却作用为主, 新近纪(距今20~15 Ma)以来发生快速抬升退火作用, 抬升冷却至地表温度。③阶段性快速隆升型(图3-c)。以阶段式的快速抬升冷却— 缓慢抬升— 快速抬升冷却为特征, 总体滞留磷灰石裂变径迹部分退火带时间较短, 晚古新世— 早始新世(距今60~45 Ma)和新近纪(距今20 Ma以来)发生快速抬升冷却退火作用。因此, 威远背斜地区晚白垩世以来总体以抬升冷却退火过程为主, 新生代以来抬升冷却作用明显, 尤其是新近纪以来(距今20~15 Ma)快速抬升冷却退火作用显著。结合威远地区古地温场计算(古地温梯度为26.6 ℃/km、地表温度为20 ℃), 威远背斜晚白垩世以来隆升剥蚀量普遍大于4 000 m, 显著隆升剥蚀作用发生在新近纪(剥蚀量平均达2 000 m)。与之相似的是, 通过对磨溪地区磨24井和磨58井取样裂变径变分析结果表明, 磨溪地区自距今60 Ma以来隆升剥蚀量为1 743~2 030 m[29], 地表出露沙溪庙组。

根据实际钻探资料研究, 威远地区与高石梯— 磨溪地区灯影组上覆地层相似。但现今威远地区隆升最高处地表出露下三叠统嘉陵江组, 其上地层全部被剥蚀; 高石梯— 磨溪地区雷口坡组及其上地层残厚约为2 850 m。这表明威远地区最大隆升幅度要比高石梯— 磨溪地区高2 850 m。

综上, 喜马拉雅期的构造活动以大构造圈闭的解体、构造高点迁移以及隆升剥蚀作用为主。其中威远地区隆升幅度大、构造变形强、圈闭改造作用强, 而川中地区隆升幅度弱、构造变形弱、圈闭改造作用弱。其演化过程可分为两大阶段:①距今100~20 Ma, 挤压褶皱作用阶段。此阶段以挤压作用为主, 隆升剥蚀作用较弱, 威远、高石梯、磨溪等局部构造初步形成, 对原油裂解形成的早期超压古气藏进行调整形成晚期超压古气藏; ②距今20 Ma至今, 快速隆升剥蚀作用阶段。此阶段以隆升剥蚀作用为主, 尤其在威远构造顶部剥蚀最快最多, 对晚期超压古气藏进行进一步的调整或破坏形成现今的常压气藏。

3.2 早期超压古气藏— 晚期超压古气藏— 现今常压气藏的演变

通过对高科1井、高石1井、安平1井的充填序列的研究表明, 灯影组储层中存在多期流体充注。特别是在原油热裂解形成天然气和沥青之后, 仍然存在石英或白云石+石英或方解石的充填, 造成这些矿物与沥青并存的现象。如高石1井和安平1井灯四段不同深度储层中, 石英+白云石/石英与沥青或方解石与沥青并存于同一孔洞内。

前面对热裂解沥青后所充填石英的流体包裹体研究表明, 石英中富含液态甲烷包裹体和气— 液两相盐水包裹体, 它暗示着形成石英的流体具有油田卤水的性质。因而, 石英的结晶和沉淀的部位代表的应当是晚期古气藏底水或边水的位置, 而热裂解沥青产出的位置代表的应当是古油藏位置。相应地通过沥青和石英的分布位置可以恢复确定晚期古气藏的气水界面位置。如前所述, 高石梯和磨溪构造储层中部分石英形成于沥青之后, 并与热裂解沥青相伴生, 暗示着两个构造中的古气水界面上移, 原为古气藏占据的空间已为底水或边水所占据。

1)古油藏原油裂解形成早期的超压古气藏(距今100 Ma以前), 储层中沥青与天然气共存; 由于油热裂解时体积的改变和由此引起的增压, 必然会导致古油水界面向下移动形成新的古气水界面(该气水界面至今未找到恢复的标志); 在超压的作用下部分甲烷溶于水形成水溶气。

2)早期超压古气藏调整形成晚期超压古气藏(距今100~20 Ma)。从生气窗(原油裂解)后所充填的石英在灯四段中出露的最浅部位为4 957.7 m处, 十分接近于灯四段顶界的埋深(4 954.5 m), 由此暗示着早期超压古气藏形成后, 该井所在位置储层中的古气藏几乎全部被破坏或调整迁移到其他地方, 原来为古气藏所占据的空间此时为油田卤水所占据。但, 此时地层流体仍然具有超压特征。

3)晚期超压古气藏调整形成现今常压气藏(距今20 Ma至今)。通过实钻发现, 该井现今灯四段的气藏主要发育于埋深4 956~5 093 m处。由此说明, 天然气在该井重新进行了聚集。

前面的分析表明, 灯影组古气藏形成后, 古气水界面是不断变化的, 这种变化一直持续到现今。古气水界面的变化指示古气藏在不断地调整, 这种调整也可从古气藏的超压演变为现今的常压得到极好的印证。前面对石英中的流体包裹体研究表明, 高石梯— 磨溪地区灯四段古气藏流体压力为异常超压, 其压力系数可达1.56~2.00。而现今高石梯— 磨溪地区灯四段气藏的压力系数介于1.06~1.14, 为常压— 弱超压; 灯二段气藏压力系数平均为1.10, 为常压(表3)。威远和资阳地区现今灯影组中气藏的压力系数集中于1.01~1.03, 也显示常压的特征(表3)。如果将现今气藏压力系数与古气藏压力系数对比不难发现, 从生气窗(原油裂解)后到现今, 古气藏从超压气藏演变为现今常压气藏, 整体是一个降压的过程。

4 灯影组天然气的差异聚集分布及其主控因素

前文已述, 侏罗系沙溪庙组沉积前, 四川盆地震旦系灯影组曾形成一个东至广安西至雅安的古气藏, 该气藏为统一的气藏系统, 为超压气藏, 压力系数约为1.8(图2)。晚燕山— 喜马拉雅早期, 构造作用在灯影组形成了资阳、金石、威远、高石梯、安平店、磨溪、龙女寺、周公山、汉王场、老龙坝、大窝顶、天宫堂、自流井、盘龙场等二十多个小的构造圈闭(图1)。有理由认为, 在早期古气藏范围内新形成的构造圈闭最有利于天然气的重新聚集形成晚期古气藏。据储层孔洞中的充填物和其中的包裹体成分推测, 在大规模快速隆升剥蚀作用发生前(距今20 Ma以前), 威远构造、高石梯、安平店、磨溪、龙女寺等早期古气藏范围内的构造圈闭均形成了气充满度大于或等于100%的晚期超压古气藏。

距今100~60 Ma开始隆升时, 威远圈闭初始形成, 构造和闭合幅度都不大, 威远上覆地层剥蚀较少, 此时古气藏虽然发生了调整, 但由于封盖条件较好, 仍未发生大规模的泄露, 古气藏仍具异常高压。

随着距今20 Ma以来隆升幅度的加大, 威远地区上覆地层被快速剥蚀, 特别是构造核部剥蚀至下三叠统嘉陵江组, 雷口坡组大面积出露, 盖层封盖能力大大降低[21], 加之裂缝系统的形成和流体异常压力的联合作用致使保存条件不能封盖威远构造灯影组大于240 m的气柱高度, 致使灯影组天然气从威远顶部地表下三叠统嘉陵江组天窗开始泄漏和逸散, 威远灯影组圈闭从Sales[20]的1类圈闭演化成3类圈闭, 启动了四川盆地华蓥山以西地区灯影组天然气的差异聚集和逸散过程, 即位于资阳、金石和龙女寺— 磨溪— 安平店— 高石梯等气藏构造圈闭溢出点以外的天然气沿灯影组顶部不整合面向威远构造运移聚集并通过其顶部的下三叠统嘉陵江组天窗向地表逸散(图4), 使早期的构造— 岩性气藏向构造气藏转变, 气水界面上移, 圈闭气充满度由大于100%向近于100%, 在威远天然气泄漏区小于100%(目前仅为约25%)转变, 气藏压力系数由异常高压向正常压力过渡并有越靠近威远越向1.0逼近的趋势。

图4 四川盆地震旦系灯影组天然气的差异聚集分布特征图

天然气之所以能在灯影组发生盆地尺度的大规模长距离差异运移和聚集的原因如下:

1)充注灯影组的气源是充足的, 就灯影组而言四川盆地应为天然气过充注盆地(Overfilled或Oversupplied Basin)。灯影组气源岩有下寒武统筇竹寺组、上震旦统陡山沱组和灯影组三段, 尤其筇竹寺组分布广、厚度大, 有机质含量高, 是四川盆地最好的烃源岩[30]。现今灯影组中的天然气多来源于原油高温裂解, 从灯影组储层沥青分布可知, 灯影组古油藏大面积存在, 这为灯影组提供了充足的气源[18, 31]

2)喜马拉雅期形成了自北东至南西从广安— 龙女寺— 磨溪— 高石梯— 威远地区, 溢出点海拔逐渐递升的系列圈闭构造。

3)作为天然气主要运移通道的灯影组顶部不整合面不仅孔洞发育, 渗透性好, 且在全盆地稳定分布 [32-33]。

4)由于隆升剥蚀作用, 在威远构造顶部形成了天然气逸散的“ 天窗” 。雷口坡组和嘉陵江组膏盐岩发育且稳定分布, 是四川盆地海相油气的区域盖层, 是使其下的天然气保存和不易逸散最重要的因素[34, 35]。然而, 威远构造顶部嘉陵江组已出露地表(此也是华蓥山之西四川盆地内唯一出露嘉陵江组的地方), 其上的上三叠统— 侏罗系陆相地层、中三叠统膏盐层和部分嘉陵江组膏盐层已被剥蚀, 且在威远构造形成了不少断层, 加之威远构造地表海拔是目前四川盆地海拔较高的部位(高点为902 m)。因此, 威远构造应是四川盆地中西部灯影组逸散的主要通道。目前在威远构造核部老场村附近的河里, 可以发现自民国时期就发现的气苗目前仍在泄露天然气(图5), 且在该地区有较明显的H2S气味。由此可推断灯影组天然气盆地尺度的长距离运移、调整和逸散过程目前仍在进行, 四川盆地灯影组气藏仍处在动态成藏过程中。

从威远构造至广安构造的直线距离约为210 km, 以此计算, 威远至南部盆地边界叙永的直线距离约为190 km, 北部210 km至绵阳市区, 按此模式四川盆地震旦系灯影组晚期(距今20 Ma以来)成藏调整基本涉及华蓥山以西地区6× 104 km的区域, 占盆地内面积的1/3(图1)。

图5 威远构造顶部天然气泡溢出点示意图

5 讨论
5.1 四川盆地震旦系灯影组天然气差异聚集分布与经典油气差异聚集理论的异同

Gussow[19]提出的经典油气差异聚集理论认为:静水条件下, 如果在油气运移的主方向上存在一系列溢出点自下倾方向向上倾方向递升的圈闭, 当油气源充足和盖层封闭能力足够大时, 在浮力作用下, 系列圈闭中将出现自上倾方向的空圈闭向下倾方向变为纯油藏— 油气藏— 纯气藏的油气分布特征(图6-a)。Sales[20]从圈闭闭合高度、盖层封盖强度和气柱高度相互关系角度进一步完善了Gussow提出的经典油气差异聚集理论[19], 将圈闭分为1类、2类和3类(图6-b), 其中Gussow[19]讨论的仅是Sales[20]提出的1类圈闭的情况。

图6 四川盆地灯影组天然气差异聚集与经典油气差异聚集的异同图

综合各种文献[19, 20, 36, 37, 38], 油气差异聚集的发生必须具备以下4个基本条件:①在区域倾斜的下倾方向存在丰富的油气源区; ②具备良好的运移通道, 使油气在较大范围内作区域性运移; ③在区域背景上存在相互连通的系列圈闭, 且溢出点向上倾方向递升; ④储层中充满静止地层水。

显然, 四川盆地灯影组天然气差异聚集分布与此有以下不同:①差异运移和聚集的初始源动力不同。灯影组天然气的大规模长距离运移不是由下倾方向的丰富油气源启动的, 而是由威远构造天然气泄漏和逸散引起的; ②圈闭内的初始流体不同。在发生天然气大规模长距离运移前, 灯影组圈闭中充满着天然气而不是地层水, 且其气充满度可能大于100%; ③天然气差异运移的结果不同。经典油气差异聚集理论要求烃源岩连续生烃和排烃, 圈闭中的天然气越来越多, 其流体压力系数也可能有增加的趋势。天然气在灯影组发生大规模长距离运移和差异聚集时, 灯影组的烃源岩筇竹寺组几乎已停止生烃和排烃, 并且天然气从威远顶部持续泄漏和逸散, 因此灯影组中的天然气越来越少, 其压力系数越靠近威远构造有越逼近1.0的趋势。

然而, 目前四川盆地灯影组天然气藏与发生经典油气差异聚集的油气藏一样, 具有下列特征:①单一运聚动力。以浮力为主的连续运移运动方式和单一受控于构造形态(上倾地层或溢出点海拔递升)的动力(浮力)过程。②均质输导体系。以渗透性连通输导体系(输导层)为主要形式, 在空间上和时间上不存在间断。对于灯影组即是其顶部的不整合面。③统一流体动力系统。即地层压力系数相等或有规律的变化。

5.2 四川盆地震旦系灯影组天然气差异聚集分布对天然气勘探的启示

灯影组天然气沿其顶部不整合面发生盆地尺度的长距离运移和差异聚集分布, 对油气勘探具有重要的启示和指导作用。

1)在勘探对象上, 灯影组天然气勘探应以构造圈闭气藏为主。由于天然气沿震顶不整合面发生盆地尺度的长距离大范围运移, 若没有构造圈闭, 天然气难以聚集, 难以形成规模较大的地层— 岩性气藏。

2)在地区上, 灯影组天然气勘探应以威远构造邻近地区的构造圈闭为重点。威远构造顶部是灯影组天然气逸散的“ 天窗” , 四川盆地内(华蓥山以西地区) 灯影组的天然气均应向威远方向运移, 这些天然气只有充满运移途中的构造圈闭后才能继续向威远构造运移和逸散, 位于天然气运移路径上的构造圈闭均有成藏的条件。前文已述, 灯影组顶不整合面在全盆地稳定分布, 连续性好, 因此可推测在灯影组储层发育的前提下, 四川盆地灯影组的构造圈闭均可能成藏。据此, 川北地区的通南巴构造灯影组很值得勘探和研究。然而, 受早寒武世绵阳— 长宁拉张槽控制, 拉张槽及两侧烃源最丰富、灯影组优质储层最发育[18, 32], 因此威远构造邻近地区绵阳— 长宁拉张槽及两侧地区灯影组构造圈闭是最有利的勘探对象。

3)下寒武统底部页岩气保存条件欠佳。下寒武统底部一般是上震旦统灯影组顶部, 显然其保存条件不好, 在一定程度上通过威远构造与地表相连(威201井下寒武统筇竹寺组压力系数1.01)。这与焦石坝下志留统龙马溪组有很大区别[39, 40]

4)按Sales[20]的理论, 威远构造灯影组的上覆岩层有一定的勘探潜力, 但由于保存条件的限制难以形成规模较大的天然气藏。

6 结论

1)威远→ 高石梯— 磨溪→ 龙女寺→ 广安构造直线距离为110 km~80 km~30 km, 总长约220 km, 灯影组构造高点海拔逐渐加深, 从-2 400 m→ -4 640 m→ -4 930 m→ -5 300 m, 威远至广安的构造高点落差达2 900 m; 构造圈闭溢出点也逐渐加深, 从-3 200 m→ -4 940 m→ -5 010 m→ -5 550 m, 溢出点落差达2 250 m; 其灯影组天然气和地层水化学成分相似, 地层压力均为常压。

2)距今100 Ma以前灯影组古油藏原油原位裂解形成早期超压古气藏; 距今100~20 Ma期间, 四川盆地持续隆升, 特别是构造高点的迁移和威远构造的初步形成, 使早期超压古气藏调整形成晚期超压古气藏; 随着距今20 Ma以来隆升幅度的加大, 威远构造上覆地层被快速剥蚀, 盖层封盖能力大大降低, 保存条件变差, 致使灯影组天然气从威远顶部地表下三叠统嘉陵江组天窗开始泄漏和逸散, 启动了四川盆地华蓥山以西地区灯影组天然气的差异聚集和逸散过程, 位于资阳、金石和龙女寺— 磨溪— 安平店— 高石梯等气藏构造圈闭溢出点以外的天然气沿灯影组顶部不整合面向威远构造运移聚集并通过其顶部的下三叠统嘉陵江组天窗向地表逸散, 气藏压力系数由异常高压向正常压力过渡。

3)四川盆地震旦系灯影组天然气的差异聚集分布模式与经典油气差异聚集理论在单一运聚动力(浮力)、均质输导体系和统一流体动力系统等3方面具一致性, 但在差异运移和聚集的初始源动力、圈闭内的初始流体和天然气差异运移的结果等3方面有所差异。

4)威远构造邻近地区绵阳— 长宁拉张槽及两侧地区灯影组构造圈闭是灯影组天然气最有利的勘探对象。

致谢:成文中, 得到了中国石油西南油气田公司川中油气矿、中国石油集团川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司、中国石化西南油气分公司的大力支持, 在此深表谢意!

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 翟光明. 中国石油地质志: 卷10[M]. 北京: 石油工业出版社, 1989: 516.
Zhai Guangming. Petroleum geology of China: Vol. 10Sichuan oil and gas areas[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 1989: 516. [本文引用:1]
[2] 文华川. 威远气田的气水关系[J]. 天然气工业, 1986, 6(2): 14-19.
Wen Huachuan. Gas-water relation in Weiyuan Gas Field[J]. Natural Gas Industry, 1986, 6(2): 14-19. [本文引用:1] [CJCR: 0.833]
[3] 徐永昌, 沈平, 李玉成. 中国最古老的气藏——四川威远震旦纪气藏[J]. 沉积学报, 1989, 7(4): 3-13.
Xu Yongchang, Shen Ping, Li Yucheng. The oldest gas pool of China: Weiyuan Sinian Gas Pool, Sichuan Province[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 1989, 7(4): 3-13. [本文引用:1] [CJCR: 1.227]
[4] 黄籍中, 陈盛吉. 四川盆地震旦系气藏形成的烃源地化条件分析: 以威远气田为例[J]. 天然气地球科学, 1993, 4(4): 16-20
Huang Jizhong, Chen Shengji. The analysis of hydrocarbon source condition of Sichuan Basin formation of sinian gas reservoir: Taking Weiyuan Gas Field as an example[J]. Natural Gas Geoscience, 1993, 4(4): 16-20. [本文引用:1] [CJCR: 1.055]
[5] 邱蕴玉, 徐镰, 黄华梁. 威远气田成藏模式初探[J]. 天然气工业, 1994, 14(1): 9-13.
Qiu Yunyu, Xu Lian, Huang Hualiang. Weiyuan Gas Field accumulation model[J]. Natural Gas Industry, 1994, 14(1): 9-13. [本文引用:1] [CJCR: 0.833]
[6] 罗志立, 刘顺, 徐世琦, 熊荣国. 四川盆地震旦系含气层中有利勘探区块的选择[J]. 石油学报, 1998, 19(4): 1-7.
Luo Zhili, Liu Shun, Xu Shiqi, Xiong Rongguo. Selection of favorable area of exploration in Sinian bearing gas formation of Sichuan Basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 1998, 19(4): 1-7. [本文引用:1] [CJCR: 1.437]
[7] 尹长河, 王廷栋, 王顺玉, 林峰. 威远震旦系天然气与油气生运聚[J]. 地质地球化学, 2000, 28(1): 78-82.
Yin Changhe, Wang Tingdong, Wang Shunyu, Lin Feng. Natural gas and petroleum generation, migration and accumulation in Sinian reserviors of Weiyuan area, Sichuan[J]. Geology-Geochemistry, 2000, 28(