四川盆地桐湾期古隆起震旦系储层沥青特征与天然气聚集机制
李伟, 胡国艺, 周进高
中国石油勘探开发研究院

作者简介:李伟,1963年生,高级工程师;主要从事油气地质综合研究工作。地址:(100083)北京市海淀区学院路20号中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心。E-mail:lwe@petrochina.com.cn

摘要

四川盆地桐湾期古隆起震旦系近期获得了天然气勘探的新突破,但是对其天然气成藏机理的认识还存在着较多的争议。该古隆起震旦系储层普遍发育沥青,使得据沥青的发育规律来研究其古油藏与气藏的关系成为一种可能。为此,开展了针对该区震旦系储层沥青发育特征与规律的研究。结果表明: ①古隆起震旦系储层沥青主要发育于四川盆地重要热液事件之后,即著名的二叠纪中晚期的峨眉地裂作用之后;②沥青的分布主要与印支期—燕山期古构造所控制的古油藏有关,这一时期的古构造高部位沥青含量较丰富;③桐湾期古隆起震旦系大规模的油气聚集发生于印支期—燕山期,形成了乐山—资阳古油藏与高石梯—磨溪—广安古油藏,这些古油藏主体部位原油的裂解控制了现今天然气藏的发育;④震旦系储层沥青的发育不仅反映灯影组古油藏的油气主要来自下寒武统烃源岩,而且还证明震旦系储层中聚集的天然气应为震旦系古油藏裂解晚期阶段的产物;⑤四川盆地印支期—燕山期震旦系的古构造是其古油藏发育的有利地区,寻找这一时期震旦系油气大规模聚集的区带,对开拓震旦系天然气勘探新领域具有重要的意义。

关键词: 四川盆地; 桐湾期古隆起; 震旦纪; 储集层; 沥青; 热液作用; 印支期—燕山期; 古构造; 古油藏; 天然气聚集
Asphalt features and gas accumulation mechanism of Sinian reservoirs in the Tongwan Palaeo-uplift, Sichuan Basin
Li Wei, Hu Guoyi, Zhou Jingao
Research Institute of Petroleum Exploration & Development, PetroChina, Beijing 100083, China
Abstract

Breakthroughs have been made in natural gas exploration in Sinian reservoirs in the Tongwan Palaeo-uplift, Sichuan Basin, recently. However, there are disputes with regard to the genetic mechanisms of natural gas reservoirs. The development law of asphalts in the Sinian reservoirs may play an extremely important role in the study of the relationships between palaeo oil and gas reservoirs. Accordingly, researches were conducted on the features and development patterns of asphalts in the Sinian reservoirs in this area. The following research results were obtained. (1) Asphalts in the Sinian reservoirs were developed after the important hydrothermal event in the Sichuan Basin, namely the well-known E'mei Fissure in the mid-late Permian Period. (2) Distribution of asphalts is related to palaeo oil reservoirs under the control of palaeo-structures of Indosinian-Yanshan Period, when the palaeo-structures contained high content of asphalts in high positions of the palaeo-uplift. (3) Large-scale oil and gas accumulations in the Sinian reservoirs occurred in the Indosinian-Yanshan Period to generate the Leshan-Ziyang and Gaoshiti-Moxi-Guang'an palaeo oil reservoirs. Cracking of crude oil in the major parts of these palaeo oil reservoirs controlled the development of the present natural gas reservoirs. (4) The development of asphalts in the Sinian reservoirs indicates that hydrocarbons in the Dengying Formation originated from Cambrian source rocks and natural gas accumulated in the Sinian reservoirs are products of late-stage cracking of the Sinian reservoirs. (5) The Sinian palaeo-structures of Indosinian-Yanshan Period in the Sichuan Basin are favorable regions for the development of the Sinian reservoirs, where discoveries and exploration practices will play an important role in the era of Sinian natural gas development in China.

Keyword: Sichuan Basin; Tongwan palaeo-uplift; Sinian; Reservoirs; Asphalt; Hydrothermal; Indosinian-Yanshan period; Palaeo-structure; Palaeo oil reservoir; Natural gas accumulation

自20世纪60年代在四川盆地发现威远震旦系大气田后, 针对震旦系的天然气勘探从未间断过, 但一直未获得新的大突破。直到2011年, 在四川盆地高石1井震旦系获得高产工业气流后, 该层系才迎来了天然气勘探新的突破, 发现了安岳震旦系大气田[1, 2, 3, 4]。然而, 对安岳大气田的气体来源、气藏形成机制、震旦系天然气聚集规律等的研究, 由于可供利用的地质信息较少, 除天然气的组分、碳同位素值外, 很难找到其他直接的依据, 还有许多问题尚存在较大争议。为此, 笔者主要从震旦系储层沥青的发育机制与规律入手开展分析, 以震旦系储层沥青为视角来探讨其特征以及其与油气的关系, 以期为该区天然气藏的富集规律研究提供新的思路与方法。

1 桐湾期古隆起灯影组储层沥青特征

从以前的研究可知, 四川盆地最古老的古隆起是加里东期形成的乐山— 龙女寺古隆起[3, 5, 6, 7], 该古隆起主要是指志留纪末期在四川盆地西部乐山— 成都至川中龙女寺之间的三角区发育的一个完整联合古隆起[8], 面积约为60 000 km2, 其由东至西地层剥蚀越强烈, 靠近盆地西部边缘在加里东末期已剥蚀至震旦系灯影组[3, 5, 7]。根据近期的勘探进展与地质研究, 实际上有利于震旦系灯影组油气聚集最古老的古隆起是桐湾期形成的古隆起(笔者简称桐湾期古隆起), 而非加里东古隆起。桐湾期古隆起由震旦系灯影组沉积后抬升形成的岩溶古地形所造就, 即由发育于德阳— 泸州侵蚀谷[9]以东的高石梯— 磨溪— 龙女寺岩溶残丘[1]与分布于该侵蚀谷以西的乐山— 井研— 资阳岩溶残丘[1]演化而成。由此可知, 桐湾期古隆起明显与加里东期古隆起不同, 该古隆起是发育于川中— 川西南地区的2个孤立残丘, 由于其主要部位大都潜伏于加里东期乐山— 龙女寺古隆起之下, 人们很容易将其误认为加里东期古隆起。

对四川盆地灯影组储层沥青的研究始于20世纪80年代。宋文海、冉隆辉、王兰生等研究认为震旦系的天然气是原油裂解的产物, 同时也造成威远— 资阳地区震旦系储层普遍含有沥青[5, 6, 7, 10], 但更深入的研究很少。笔者主要从震旦系灯影组储层沥青的微观特征与宏观规律来进行论述。

1.1 储层沥青微观特征

四川盆地桐湾期古隆起灯影组储层沥青不仅在威远— 资阳地区普遍发育, 而且在高石梯— 磨溪地区也普遍发育。其不仅充填于各类孔隙中, 还展示出其与不同成岩矿物和区域热事件的关系。

1.1.1 岩心沥青特征

桐湾期古隆起区震旦系储层中的沥青可发育于晶间孔、粒间孔、粒间溶孔、溶蚀孔缝、溶蚀孔洞等多种孔隙中。从探井岩心观察发现, 沥青不仅在与裂缝相关的缝洞中发育, 而且也在溶蚀形成的孔洞与基质溶孔中发育。如:高石1井灯四段4 958.40~4 958.45 m深度白云岩, 不仅裂缝溶孔中充填石英、白云石与沥青, 而且还能看到沥青充填在热液作用形成的马牙状亮晶白云石[11]与石英形成后形成的溶蚀孔洞中(图1-a); 灯四段4 977.81 m深度, 岩心层面溶孔中充填的白云石与黑色反光沥青胶结在一起(图1-b)。这些现象还在高科1井灯二段白云岩孔洞与裂缝(图1-c)、安平1井灯四段白云岩裂缝与溶洞(图1-d)、磨溪8井灯四段溶孔(图1-e)及磨溪11井灯二段白云岩层间缝中可见(图1-f)。灯影组储层沥青的含量多介于0.17%~4.33%, 少量含量高的可超过5%。如安平1井灯四段5 055.4 m深度处沥青含量为6.19%; 威117井灯二段3 157.9 m深度处沥青含量非常高, 竟达20.73%。

图1 桐湾期古隆起灯影组岩心沥青发育特征照片及薄片鉴定图版

上述现象说明:①灯影组储集体中的裂缝、溶洞、溶孔与基质孔隙中都曾充满过油气, 并在原油裂解后普遍残留了沥青; ②沥青在储集体中的分布并不均一, 含量多占岩石中体积的1%~3%, 但也存在沥青局部含量非常集中的储集段; ③储层沥青形成于震旦系区域性热液成岩作用之后, 由于灯影组第一期区域性热液作用发生在寒武纪早期, 这时烃源岩还未生烃。因此, 灯影组储层沥青只能形成于二叠纪峨眉地裂运动[12]之后。

1.1.2 岩石薄片沥青特征

桐湾期古隆起区灯影组储层中的沥青与孔隙胶结物的关系具有自己独有的特征, 展示出与不同热液事件的关系。灯影组储层岩石薄片沥青的特征也有少数人做过研究, 主要讨论了沥青与成岩矿物充填序列的关系。如黄文明等人研究了川东南地区震旦系储层沥青后, 发现存在白云石→ 沥青→ 白云石→ 沥青→ 石英的充填序列[13]。笔者研究加里东古隆起的震旦系储层沥青后, 认为岩石薄片中的沥青不仅在各种孔隙中都有存在, 而且也具在一定的充填序列, 但又与川东南地区的震旦系储层明显不同。如在粒间孔、晶间孔、溶孔、溶洞与裂缝等中都存在沥青充填(图1-g~1-p)。有的完全充填粒间孔与晶间孔(图1-g~1-h), 有的与方解石共同充填于晶间孔(图1-i), 有的几乎完全充填溶蚀孔(图1-j~1-l、图1-m~1-p)。这些特征展示灯影组储层中的各类孔隙都曾聚集过油气, 说明油气曾经大规模地聚集于此, 并在后期的热裂解后不同程度地在各类孔隙中残留了沥青。

经过沥青与胶结物的相关性研究, 认为桐湾期古隆起灯影组储层中存在纤维状白云石胶结→ 亮晶白云石胶结→ 沥青→ 白云石或石英的充填序列。如:资6井灯二段蓝细菌粉晶白云岩, 其溶蚀孔洞发育, 先由粗粒亮晶白云石半充填, 而后残余孔被沥青充填, 最后在残余孔中又发生了热液白云石的胶结(图1-k); 安平1井灯四段深度5 040.3 m, 蓝细菌黏结砂屑白云岩, 溶缝中为粗粒亮晶白云石半充填, 而后被沥青充填, 并形成了沥青收缩缝(图1-l); 安平1井灯四段深度5 062 m, 蓝细菌黏结泥晶和粉屑白云岩, 溶洞先被粒状石英半充填, 晚期沥青充填, 残余少量溶孔, 并在沥青充填后的残余孔中又发育热液石英的胶结(图1-p); 威117井灯二段深度3 057 m, 蓝细菌黏结粉屑和泥晶白云岩, 其溶洞充填先后顺序为纤状白云石、粒状白云石及沥青, 而后发育沥青收缩缝与构造裂缝(图1-n); 高石1井灯四段深度4 975.29 m, 角砾白云岩, 其粗粒白云石沿早期溶孔充填, 而后晶间孔充填沥青(图1-o); 高石1井灯四段深度4 986.57 m, 角砾状泥晶白云岩, 溶孔发育, 蓝细菌泥晶白云岩溶洞溶缝中先后充填亮晶白云石与沥青, 并留下大量溶蚀缝洞空间(图1-m)。而前人认为沿储层孔壁发育的马鞍状亮晶白云石、粗晶白云石、马牙状白云石等都是热液作用的产物[11, 13, 14, 15, 16]。因此, 震旦系储层沥青形成前发生过区域性的热液作用事件, 而其后发生过局部的热液作用事件。

震旦系灯影组储层溶孔主要发育于桐湾期、加里东期末[9, 17], 而热液白云石化应主要形成于早寒武世、中二叠世地裂运动[18, 19, 20]。如果是早寒武世热液作用形成亮晶热液白云石, 则在经历加里东期的风化作用与下寒武统烃源岩生烃过程中大量有机酸的作用后, 其亮晶白云石应该有明显的溶蚀现象。然而, 从所有的薄片鉴定中未发现亮晶白云石的溶蚀作用。因此, 震旦系白云岩储层中热液白云石的形成应该发生于中二叠世的峨眉地裂运动, 也就是说, 震旦系储层中沿孔壁发育的热液粗粒亮晶白云石应该形成于中二叠世时的峨眉地裂运动。通过热液白云石的包裹体测温, 四川盆地南部边缘的峨边先锋剖面灯二段葡萄花边状早期粗粒柱状白云石包裹体的均一温度介于95~99.5 ℃。笔者根据四川盆地古地温研究成果[21], 完成了磨溪地区的地层埋藏史与热演化史研究(图2), 认为震旦系灯二段葡萄花边状白云石包裹体所形成的时代相当于志留纪— 中二叠统茅口组沉积末, 而志留纪— 早二叠世无区域性热作用事件发生, 因此这一期白云石应该是在茅口组沉积末期所形成。而威117井灯二段深度3 253.9 m粗晶棱柱状白云石包裹体的均一温度为129 ℃, 柱状石英中包裹体的高温介于129~169 ℃, 这应该是区域性热液作用背景下局部强热液作用的结果。

图2 四川盆地磨溪地区地层埋藏史与热演化史特征图

由此可知, 震旦系在中二叠统茅口组沉积末存在区域性的热液作用与热液粗晶白云石和石英的形成。而沥青充填后的残余孔中发生的热液白云石胶结与热液石英的胶结, 很可能是区域热液作用之后, 印支期— 喜马拉雅期局部构造运动引起的热液作用的产物。

1.2 储层沥青分布特征

四川盆地加里东古隆起灯影组储层沥青的分布虽然广泛, 但是其含量与分布还是有规律的。首先, 其储层沥青的含量分布主要集中在威远— 资阳与高石梯— 磨溪地区, 而其外围地区含量较低(图3)。如:储层沥青体积百分比平均含量在资阳— 威远地区介于0.8%~1.0%, 其中资1井较高, 为1.36%; 在高石梯— 磨溪地区介于0.7%~1.5%, 其中安平1井最高, 为3.61%。而其外围地区含量多低于0.5%, 如:汉深1井为0.02%、宫深1井为0.05%、盘1井为0.11%。图3中沥青含量的这一分布特征与侏罗系沉积前震旦系顶面构造的走向及顶部发育位置等特征相似(图4), 印支期的古构造对古油藏的发育具有重要控制作用。

图3 桐湾期古隆起震旦系沥青含量平面变化图

图4 桐湾期古隆起震旦系顶面构造特征及其与沥青发育和气藏的关系图(侏罗系沉积前)

其次, 沥青在震旦系中的垂向分布也有规律, 主要富集在灯影组上部— 顶部。通过威117井震旦系岩心的储层沥青分析(图5), 发现其上部— 顶部储层沥青含量普遍较高, 在灯影组上部发育206 m的储层沥青富集段, 储层沥青含量普遍介于0.5%~3.5%。并且在麦地坪组白云岩中也存在较多的储层沥青(0.3%~1.1%)。而在灯二段深度3 190 m以下的地层中储层沥青含量很少, 多低于0.3%, 只有个别样品超过0.3%。这种现象在资阳、磨溪与高石梯的探井中都存在。由此可知, 类似于威117井震旦系3 190 m以上储层沥青富集段很可能是古油藏的所在, 而其以下储层沥青较少且分散的部分则是水层。

图5 四川盆地威117井震旦系沥青含量分布特征图

根据古隆起上探井沥青发育特征的研究, 探井中震旦系沥青段及其以上储层的厚度在印支期古隆起核心部位较大, 如安岳气田所在的高石梯— 磨溪— 龙女寺地区厚度介于400~500 m, 威远气田与资阳含气构造区厚度介于200~280 m; 而外围地区的广安、大足、雅安— 乐山— 沐川等地其厚度明显减薄到20 m以下(图4)。这不仅展示桐湾期古隆起印支期古构造控制了沥青的发育, 而且其核心部位应该发育巨型古油藏。

综上所述, 震旦系储层沥青的平面富集主要与燕山期古构造顶部有关, 而在纵向上的富集则主要是震旦系上部— 顶部储层, 同时也预示印支期古构造背景下可能发育巨型古油藏。

2 储层沥青与油气聚集的关系

从前面的分析中可知, 四川盆地震旦系储层沥青的发育与古油气藏存在密切的相关性, 现今的天然气分布与其的关系是否也很密切, 是很重要的问题。通过笔者的分析, 认为储层沥青的分布不仅与古油气藏裂解相关, 而且与烃源岩相关。

2.1 储层沥青与烃源岩的关系

灯影组储层沥青的碳同位素值展示其与下寒武统烃源岩具有较好的相关性。由于烃类大都由地层中的有机质热裂解而来, 根据同位素分馏原理, 从有机质中先期分离出来的烃类具有比干酪根略轻的同位素特征, 而较晚从有机质中分离出来的烃类具有较高的碳同位素特征[22, 23, 24]。虽然沥青是原油裂解的残余, 但其从干酪根上分离出来, 应该具有比干酪根略轻或相近的碳同位素特征。经过分析, 震旦系储层沥青的碳同位素值介于-37.0‰ ~-34.5‰ , 而震旦系干酪根的碳同位素值介于-33.0‰ ~-28.5‰ , 二者存在较大的不同。而寒武系麦地坪组与筇竹寺组烃源岩的干酪根碳同位素值介于-36.5‰ ~-31.5‰ , 这与灯影组储层沥青的碳同位素值具有相似性, 并比灯影组储层沥青碳同位素值略重, 说明二者具有亲缘性。另外, 徐国盛等人的研究也认为川中震旦系储层中的沥青来源于寒武系[25]。由此可知, 灯影组储层沥青应该主要来自下寒武统麦地坪组— 筇竹寺组烃源岩, 也就是说震旦系古油藏的油气应该主要来自下寒武统的烃源岩。

2.2 储层沥青与古油藏的关系

桐湾期古隆起上沥青的发育, 展示出古隆起上发育过巨型的古油藏。从前人的大量研究中可知, 储层沥青主要与古油藏有关[26, 27, 28, 29]。经过20多口井震旦系岩心的储层沥青研究, 发现老龙1井灯四段顶部存在16 m的储层沥青富集段, 资2井震旦系顶部有260 m灯二段储层沥青富集段, 威117井震旦系顶部有180 m灯二段储层沥青富集段与26 m灯二段储层沥青富集段, 高科1井分别在灯二段与灯四段存在160 m与348 m的储层沥青富集层, 磨溪8井分别在灯二段与灯四段存在160 m与350 m的储层沥青富集段, 广探2井则在灯四段顶部22 m岩心中发育较多的沥青, 储层沥青段也在22 m左右。根据侏罗系沉积前的古构造图与古埋深的分析, 以古沥青推测的古油藏高度而编制的古油藏剖面, 在油水界面上具有惊人的一致性(图6)。证明目前储层沥青发育与分布是由侏罗系沉积前的古油藏裂解残留而成, 而四川盆地印支末期的构造特点一直维持到了燕山中期[8, 30, 31, 32, 33], 因此储层沥青的发育很可能与印支末期— 侏罗纪的古构造相关。从图4可知, 印支末期的震旦系古油藏存在以资阳— 威远与高石梯— 磨溪为主的2个巨型油藏, 聚集石油规模分别介于111× 108~133× 108 t与389× 108~467× 108 t; 同时还存在广安、老龙场及荷包场等较小的古油藏。

图6 桐湾期古隆起震旦系古油藏剖面特征图(侏罗系沉积前)

由此可知, 现今的气藏发育区多为大型古油藏发育区, 而在较小的古油藏区未能形成油裂解后的天然气聚集。

2.3 储层沥青与气田的形成

前面的论述中展示在桐湾期古隆起, 只有在沥青发育较丰富、含沥青厚度较大的地区才能形成天然气的聚集, 这主要与巨型古油藏原油裂解成气晚期的产物聚集有关。

根据前人的研究, 原油多在160 ℃开始裂解成天然气, 至200 ℃左右原油基本裂解完全[34, 35, 36]。前面磨溪地区的埋藏史与热演化史图(图2)也展示在三叠纪早期灯影组的地层温度(简称地温)介于150~170 ℃, 进入油裂解成气的初期; 在中三叠世— 中侏罗世灯影组的地温介于160~200 ℃, 为大量原油裂解成气的高峰期; 在晚侏罗世— 早白垩世灯影组的地温介于190~210 ℃, 为原油裂解的末期。

从前面的分析中可知, 储层沥青的发育虽与古油藏关系密切, 但是与现今气藏的分布还存在较大的不同。如在远离印支期古构造轴线大型古油藏外围的古油藏区没有全部形成天然气藏, 尤其是储层沥青发育的广探2井与老龙1井所在的古构造未能形成气藏。为什么会造成这样的现象呢?笔者研究认为这主要是小型古油藏裂解晚期的产物不足以聚集成气藏造成。根据塔里木盆地英买201井奥陶系海相低成熟石油热裂解模拟实验, 天然气同位素测定与震旦系地质历史热演化过程分析, 发现了震旦系地质历史时期原油裂解气不同聚集阶段甲烷碳同位素演化的规律(图7)。震旦系储层中聚集的石油裂解气的甲烷碳同位素值经历了三叠纪— 早侏罗世早期逐渐变轻, 早侏罗世晚期— 侏罗纪末期又变重的过程, 即由三叠纪时的-43.5‰ 降至早侏罗世早期的-55.2‰ , 再升至侏罗纪末期的-23.5‰ 。而震旦系灯影组天然气甲烷碳同位素值分析数据为-32.3‰ ~-32.5‰ , 这与原油裂

图7 震旦系地质历史时期原油裂解气的甲烷碳同位素聚集演化规律图

解后期(即晚侏罗世)产物的碳同位素类似。这一结论与前面论述的震旦系埋藏史与热演化历史相一致, 磨溪地区震旦系原油也是在晚侏罗世进入热裂解成气的末期。因此, 震旦系中聚集的天然气应为震旦系古油藏裂解晚期阶段的产物, 而且这一时期应该在晚侏罗纪, 是原油裂解成气晚期阶段的产物。

综上所述, 灯影组储层沥青的发育不仅展示震旦系古油藏的油气主要来自下寒武统的烃源岩, 而且证明目前储层沥青发育与分布是由侏罗系沉积前古油藏裂解残留而成, 还证明震旦系中聚集的天然气应为古油藏裂解晚期阶段的产物, 气藏发育多与大型古油藏发育相关, 而较小古油藏并不能都形成原油裂解气藏。

3 结论

1)四川盆地桐湾期古隆起灯影组沥青在各种孔隙中都有存在, 如粒间孔、晶间孔、溶孔、溶洞与裂缝等中都存在沥青的充填; 储层沥青形成于二叠纪中晚期的峨眉地裂作用与热液事件之后。

2)四川盆地桐湾期古隆起灯影组储层沥青的分布主要与印支期— 燕山期的古构造有关, 这一时期的古构造高部位沥青含量较丰富; 该古隆起震旦系大规模的油气聚集发生于印支期— 燕山期, 并形成了乐山— 资阳古油藏发育带与高石梯— 龙女寺— 广安古油藏发育带, 这些古油藏主体部位原油的裂解控制了现今天然气藏的发育。

3)四川盆地灯影组储层沥青的发育不仅展示出灯影组古油藏的油气主要来自下寒武统的烃源岩, 而且证明震旦系储层中聚集的天然气应为震旦系古油藏裂解晚期阶段的产物。

4)四川盆地灯影组在印支期— 燕山期的古构造是其古油藏发育的有利地区, 寻找这一时期震旦系油气规模聚集的区带, 对开拓震旦系天然气的勘探新领域具有重要意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

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