唐 娜，何幼斌油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢長江大學地球科學學院，湖北 武漢

川中地區(qū)寒武系大氣田成藏特征及主控因素分析

唐 娜1,2，何幼斌1,2
1油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢
2長江大學地球科學學院，湖北 武漢

川中地區(qū)寒武系發(fā)育有目前國內(nèi)單體規(guī)模最大的海相碳酸鹽巖大氣田——安岳氣田，近年來，勘探熱度在不斷增加。結合四川盆地寒武系區(qū)域地質資料以及安岳氣田近年來的勘探和研究成果，以戴金星院士提出的大氣田成藏理論為指導，分析川中地區(qū)寒武系氣田的成藏特征，探討成藏主控因素。研究表明：安岳氣田具有低層生氣中心、晚期成藏以及古構造聚氣滯后等特征。大氣田的形成不僅需要裂陷-隆起構造系統(tǒng)奠定優(yōu)越的物質基礎，形成筇竹寺組、龍王廟組等優(yōu)越的地質條件；還需要時間與空間的有機配置，空間上為下生上儲，時間上為晚期聚氣成藏，有機質接力生烴；最后在特殊的古環(huán)境因素(即寒武紀初期氣候變熱，冰川消融，海平面發(fā)生變化等)催化下，安岳氣田才能最終形成并得以保存。

安岳氣田，低層生氣中心，晚期成藏，古構造聚氣滯后，裂陷–隆起系統(tǒng)，接力生烴

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1. 引言

四川盆地是一個經(jīng)歷了多期次構造沉積演化，發(fā)育了多套烴源巖、多類型儲集層以及多變的生儲蓋組合的疊合盆地，油氣分布具有多層系富集、發(fā)育多個勘探“黃金帶”[1]的特點。自20世紀60年代以來，先后發(fā)現(xiàn)了震旦系威遠、石炭系五百梯、二疊系–三疊系普光等大氣田，并于近年在川中磨溪–高石梯地區(qū)寒武系發(fā)現(xiàn)了我國單體規(guī)模最大的海相特大型氣田——安岳氣田[2]。

川中地區(qū)的油氣勘探可追溯到20世紀40年代，在經(jīng)歷“三上威遠”后，終于在1964年發(fā)現(xiàn)了新中國成立以來的第一個大氣田——威遠氣田。然而，其后的 40年里，川中震旦系-寒武系油氣勘探始終未取得重大突破，在經(jīng)歷了持續(xù)探索階段(1965～2005年)、風險勘探階段(2006～2011年)，于2012磨溪-高石梯地區(qū)寒武系龍王廟組獲得高產(chǎn)氣流。截至2013年底，磨溪區(qū)塊龍王廟組氣藏探明儲量為4404 × 108m3，可采儲量為3082 × 108m3，含氣面積達800 km2，氣藏埋深為4600～5000 m，氣層平均厚度為36 m，儲量豐度為5.5 × 108m3，開發(fā)井單井平均產(chǎn)量為172.57 × 104m3/d，氣藏具有氣質好、開發(fā)效果好的特點[3]。川中地區(qū)寒武系龍王廟組氣藏的勘探地位也逐漸由“兼探”轉向主攻。

四川盆地寒武系發(fā)育比較完整，也是天然氣開發(fā)的重點層位。筆者主要針對川中地區(qū)勘探“黃金帶”，寒武系形成的安岳氣田成藏特征及成控因素進行深入探討。目前，學者對安岳氣田的研究成果較多，提出的理論也較多，但是仍有一定的問題亟待解決，例如高–過成熟烴源巖如何繼續(xù)大量生烴，古隆起現(xiàn)今構造斜坡及低部位能否規(guī)模富集等。筆者以戴金星院士提出的大氣田成藏理論為指導，結合安岳氣田的實際勘探情況，進一步總結其成藏特征，從成藏必備物質基礎、關鍵成藏條件以及外界輔助因素綜合分析大氣田的成藏主控因素，以期提高對安岳特大型天然氣藏形成規(guī)律的認識，為進一步勘探提供重要的理論指導。

2. 區(qū)域地質概況

川中地區(qū)位于四川盆地的腹部，地理位置上包括南充、遂寧和安岳等地，構造上位于川中古隆中斜平緩帶[4] (圖1)。研究區(qū)寒武系保存較好，巖相變化具有規(guī)律性，自下而上分別發(fā)育麥地坪組、筇竹寺組、滄浪鋪組、龍王廟組、高臺組以及洗象池群[5]。下部麥地坪組和筇竹寺組主要為一套巨厚的暗色泥頁巖；中部發(fā)育的滄浪鋪組主要由砂巖及粉砂巖組成，龍王廟組則以灰色白云巖、粉砂質白云巖為主；而上部的高臺組和洗象池組巖性組合與中部相似，分別發(fā)育紅色碎屑巖和灰黑色結晶白云巖。同時，寒武系作為蒸發(fā)巖最重要的層位之一，在龍王廟組和高臺組均有膏鹽巖發(fā)育(圖2)。

3. 大氣田成藏特征

3.1. 低層生氣中心

生氣中心是指生氣強度最大區(qū)，同時也是烴源巖厚度以及有機質類型、豐度和成熟度的綜合體現(xiàn)。戴金星院士提出，高豐度的氣源往往來源于生氣中心及其周緣地區(qū)，且由于油氣運移距離較短，可以最大程度地避免天然氣的散失。根據(jù)生氣中心烴源巖與儲集層位的相互關系將其分為3類：① 同層生氣中心，烴源層與大氣田處于同一地層；② 低層生氣中心，烴源層生成的天然氣向上運移，聚集在上覆地層；③ 高層生氣中心，天然氣聚集在下伏地層中。從生儲蓋組合方式看，上述3類中心又可分別與自生自儲型、下生上儲型以及上生下儲型組合相對應[6]。

川中寒武系安岳氣田天然氣主要源于麥地坪組和筇竹寺組。黃籍中等[7]統(tǒng)計下寒武統(tǒng)156塊樣品總有機碳質量分數(shù)(w(TOC))平均為0.97%，杜金虎等[8]統(tǒng)計筇竹寺組409個樣品的w(TOC)介于0.5%～8.49% (平均為1.95%)，有機質豐度高。相關鉆井資料例如高科1井筇竹寺組黑色頁巖w(TOC)為0.40%～1.58% (平均為0.99%)，硫質量分數(shù)為0.93%～1.58% (平均為1.26%)，兩者均較高，適合生烴；高石17井麥地坪組烴源巖分析測試也表明w(TOC)較高，介于0.52%～4.00% (平均為1.68%)，為較好烴源巖[9]。麥地坪組干酪根碳同位素分布在?36.4‰～?32.0‰之間(平均為?34.3‰) (圖3)，屬于典型的腐泥型烴源巖；筇竹寺組烴源巖的顯微組分也顯示以腐泥型為主，但上述2套烴源層有機質成熟度均較高，處于高-過成熟階段。整體情況表明，麥地坪組和筇竹寺組在盆地內(nèi)具有分布廣、厚度大、有機質豐度高的特點，是研究區(qū)的生氣中心。

作為儲集層的龍王廟組在沉積期整體位于水下隆起，處于古隆起高部位——斜坡地帶，發(fā)育大面積的顆粒灘，儲集空間以次生的孔、洞、縫為主，主要的儲集類型有粒間(溶)孔、晶間(溶)孔、溶洞、溶蝕縫等[10]。由此可看出，麥地坪組與筇竹寺組生烴后，油氣可向上運移到龍王廟組的優(yōu)質儲層得到保存，屬于低層生氣中心。

Figure 1. Tectonic location of central Sichuan Basin (according to the reference [4])圖1. 川中地區(qū)構造位置圖(據(jù)文獻[4])

Figure 2. The column diagram of Cambrian stratigraphic division in central Sichuan Basin圖2. 川中地區(qū)寒武系地層劃分柱狀圖

Figure 3. The Cambrian geochemical section of Well Gaoshi 17 (according to the reference [3])圖3. 高石17井寒武系地球化學綜合剖面圖(據(jù)文獻[3])

3.2. 晚期成藏

晚期成藏對大氣田的形成具有重要的作用，甚至優(yōu)于大油田。從微觀上來看，天然氣的分子小、質量輕且易擴散[11]，因此，天然氣形成后是不斷向上運移和擴散的，如果在運移的過程中有很多擴散通道，儲量會不斷減少，甚至消失殆盡，使得大氣田的形成更加困難。所以，成藏時間上越晚就會減少天然氣的散失，相對于油田的形成來說，晚期成藏顯得更為重要。

趙文智等[12] [13]提出，主生氣期距今越近或者主要生氣層位越新，對形成大氣田更為有利。宏觀上來看，四川盆地發(fā)生過多次大的構造運動，具有多旋回性。志留紀末期，川中古隆起定型，在古隆起的頂部地區(qū)，由于埋深較淺，熱演化程度相對較低，Ro一般小于0.7%，處于未成熟–低成熟階段，斜坡及凹陷區(qū)，Ro達0.9%左右，進入成熟階段，有機質開始生成液態(tài)烴。隨后，由于加里東期的抬升作用，烴源巖埋深變淺，生烴基本處于停滯狀態(tài)。從二疊紀開始，下寒武統(tǒng)烴源巖再次開始生烴，古隆起頂部處于低成熟階段，而斜坡及凹陷為生油高峰階段。侏羅紀末，除古隆起頂部小部分區(qū)域處于高成熟階段，盆地其他區(qū)域都進入過成熟生干氣階段[8] (圖4)。喜馬拉雅期，四川盆地下寒武統(tǒng)烴源巖全部進入生干氣階段?？傮w看來，古隆起高部位烴源巖的熱演化明顯滯后于凹陷區(qū)，安岳氣田的生氣高峰在三疊紀，相對于烴源層和儲集層要晚，生氣層位較新，在一定程度上降低了多旋回性對天然氣保存帶來的損害。

3.3. 古構造聚氣滯后

古構造聚氣滯后是指聚氣成藏作用發(fā)生在古構造運動之后[14]，安岳氣田就是由該種方式形成的重要實例之一。川中古隆起圈閉位于成氣區(qū)內(nèi)，并且能夠作為長期接受天然氣聚集的有利場所。近年來，隨著鉆探井位的增加以及地震資料品質的提高，對古隆起的地質結構以及構造演化有了全新的認識。

Figure 4. The variation of organic matter maturity on the top and slope of the paleo-uplift in Central Sichuan Basin圖4. 川中古隆起頂部與斜坡凹陷有機質成熟度變化圖

通過對區(qū)域構造分析以及鉆井、地震資料的深入研究表明，在四川盆地腹部的德陽-安岳大型克拉通內(nèi)裂陷主要受張性斷裂控制，呈NNW向展布，南北長320 km、東西寬50～300 km?？死▋?nèi)裂陷于震旦紀發(fā)生活化并于晚震旦世燈影組沉積期開始活動，早寒武世早期活動增強，區(qū)域拉張強烈，導致裂陷槽內(nèi)部和兩側臺地差異沉積，并于東側臺地發(fā)育高石梯-磨溪的古地貌高地，西側發(fā)育威遠-資陽古隆起，構成了川中古隆起的雛形。早寒武世滄浪鋪期內(nèi)裂陷逐漸消亡，與此同時，兩側隆起地貌合并成了一個統(tǒng)一的古隆起，并且規(guī)模不斷擴大，一直持續(xù)到志留紀，古隆起定型[15]。之后志留紀末期，加里東運動使得地層抬升剝蝕，而聚氣成藏作用主要發(fā)生在三疊紀，明顯晚于成氣區(qū)內(nèi)重大地質構造運動之后，屬于古構造聚氣滯后型(圖5)。

4. 大氣田成控因素

大氣田的形成并不是某一因素單獨促進形成，而是多因素綜合影響的產(chǎn)物，對于川中寒武系安岳氣田來說，有學者從古裂陷或者古隆起出發(fā)，分析大氣田的成控因素，也有提出比較綜合的觀點，例如：四古“古裂陷、古丘灘體、古隆起、古圈閉”[3] [15]。筆者從大氣田的必備物質基礎、關鍵成藏因素以及外界輔助因素共同探討了安岳氣田的成藏條件。

Figure 5. The tectonic evolution of internal fractured depression and palae-uplift of central Sichuan Basin (modified from reference [3])圖5. 川中內(nèi)裂陷、古隆起構造演化(據(jù)文獻[3]，略修改)

4.1. 裂陷–隆起系統(tǒng)奠定必備的物質基礎

大地構造從宏觀上把控大氣田的形成，古隆起和古裂陷的形成密不可分，屬于一個整體的構造系統(tǒng)，為烴源層和儲集層的形成奠定了重要的基礎。

上述克拉通內(nèi)裂陷強烈活動期時，內(nèi)部沉積了2套厚度較大的優(yōu)質烴源巖(麥地坪組和筇竹寺組)，暗色泥頁巖發(fā)育，控制了川中寒武系的生烴中心，是烴源巖層形成的重要前提。龍王廟期古隆起的高部位沉積了顆粒白云巖和晶粒白云巖，可以作為油氣儲層，由于后期加里東運動造成古隆起抬升剝蝕，溶蝕作用改善了儲層的物性，發(fā)育了龍王廟組的優(yōu)質儲層。所以，古裂陷和古隆起的形成發(fā)育互為繼承，裂陷-隆起的構造系統(tǒng)為大氣田的形成奠定了必備的物質基礎。

4.2. 生儲蓋層在時空上的有機配置是成藏的關鍵因素

安岳氣田的生儲蓋組合在空間上屬于下生上儲型，下部巨厚且生烴潛力較好的麥地坪組、筇竹寺組暗色泥頁巖與中上部滄浪鋪組、高臺組2套紅色碎屑巖和龍王廟組、洗象池群2套厚層白云巖互夾發(fā)育，整體上構成良好的生儲蓋組合，并且輔以膏鹽巖的高效封堵性，使得大氣田在空間上具有良好的配置。

在時間上，大氣田晚期成藏，于三疊紀到達生氣高峰，而其后新生代發(fā)生的喜馬拉雅運動使得川中古隆起西段發(fā)生強烈變形，但是東段高石梯–磨溪構造穩(wěn)定，也是安岳氣田得以保存的重要條件之一。

對于麥地坪組與筇竹寺組的優(yōu)質烴源巖有機質成熟度均較高的問題，趙文智等[12] [13]在2005年提出有機質的“接力生氣”模式，認為烴源巖進入“液態(tài)窗”規(guī)模排烴后，仍有相當數(shù)量的液態(tài)烴滯留于烴源巖內(nèi)部，而當該部分尚未排出的分散液態(tài)烴再次達到生烴條件后會大量裂解生氣，并且可能遠遠大于第一次干酪根降解形成的天然氣。如果用時間線來解釋，在凹陷和斜坡地區(qū)，麥地坪組與筇竹寺組烴源巖在志留紀末期進入低成熟階段，開始生成液態(tài)烴，但之后由于加里東運動的抬升，使得生烴過程停止，烴源巖內(nèi)滯留部分液態(tài)烴，接著古隆起一直埋深，直到二疊紀開始“接力生烴”，此后，構造穩(wěn)定，形成大氣田。

總體上，只有空間和時間上有機配置才是大氣田成藏的關鍵因素。

4.3. 特殊的古環(huán)境有利于大氣田的形成

寒武紀的氣候變化影響海平面變化，具體表現(xiàn)在早寒武世早期，冰塊迅速消融，海平面迅速上升，發(fā)生了寒武紀最大的一次海侵，在克拉通內(nèi)裂陷槽內(nèi)沉積了范圍廣、厚度大的麥地坪組和筇竹寺組海相泥質烴源巖。早寒武世中期，發(fā)生大規(guī)模海退，形成滄浪鋪組碎屑濱岸相沉積和三角洲相沉積，可作為油氣向上運移儲集的通道。早寒武世晚期，龍王廟期發(fā)生第2次海侵，形成局限臺地相、開闊臺地相，發(fā)育顆粒灘等優(yōu)質儲層，并且此時海平面較低，海水咸度增加，加上氣候干熱，沉積物中的膠結物相對匱乏，孔隙得以大量發(fā)育，對儲集層的形成多起到建設性的成巖作用，同時可形成部分膏鹽巖沉積，作為良好的儲蓋層。中寒武世發(fā)生第2次海退，形成了高臺組的局限臺地相，砂泥坪擴大，膏鹽巖繼續(xù)發(fā)育，晚寒武世第3次海侵，形成洗象池群局限臺地相，與龍王廟組類似，可以看出，油氣運移和保存的場所增加，從而有利于形成大氣田[16]。

4.4. 討論

大氣田的形成是多因素綜合控制的，同樣川中地區(qū)安岳氣田的形成還有一些可能的影響因素，例如膏鹽巖和古洋流的影響。

4.4.1. 膏鹽巖對油氣成藏的影響

膏鹽巖層可作為優(yōu)質的儲蓋層，從定性角度看，有利于形成異常壓力封蓋油氣；又具有一定的流動性，不僅隆起過程中使周圍巖石產(chǎn)生裂縫等作為油氣運移通道，鹽丘也可以作為油氣聚集的場所，有利于大氣田的形成；并且當膏鹽巖被埋深到一定程度會脫水變成硬石膏，水中富有有機酸，具有一定的溶解作用，從而有利于次生孔隙的發(fā)育，改善儲層的物性，但是如果硬石膏未能被溶解，堵塞在孔隙中，反而會使物性變差。有學者曾經(jīng)提出，在蒸發(fā)環(huán)境中，水體鹽度增加可以使生物大量死亡沉積在水底，膏鹽巖迅速沉積有利于隔絕有機質，形成烴源層[17] [18]。但如果膏鹽巖深埋脫酸可能會滲入烴源層對有機質產(chǎn)生腐蝕。所以，關于膏鹽巖的形成機理及影響的定性理論較多，還需從定量角度加以佐證。

4.4.2. 古洋流對烴源巖的影響

上升洋流富磷、鎂、鐵等營養(yǎng)元素，會增加有機質的生產(chǎn)力。已有研究證明，現(xiàn)代洋流也是烴源巖發(fā)育的一個重要因素，但是上升洋流并不穩(wěn)定，有時會變?yōu)橄陆盗?，對于古洋流的恢復就顯得更加困難。雖然有通過古緯度恢復方法擬合烴源巖發(fā)育位置與上升洋流出現(xiàn)位置是否相當，但也僅是定性地證明上升洋流可能與烴源巖的發(fā)育有關[19]。

5. 結論

1) 川中地區(qū)寒武系大氣田具有低層生氣中心，晚期成藏以及古構造聚氣滯后的特點，下部麥地坪組和筇竹寺組2套優(yōu)質烴源巖生烴后向上部龍王廟的優(yōu)質儲層運移和擴散，由于盆地內(nèi)多期次的構造運動，三疊紀到達生氣高峰，聚氣成藏時間明顯晚于或者層位新于烴源層和儲集層，且古隆起高部位區(qū)的生烴演化要滯后于凹陷及斜坡區(qū)。

2) 裂陷-隆起的構造系統(tǒng)為烴源層和儲集層的發(fā)育提供良好的先決條件，德陽-安岳克拉通內(nèi)裂陷與川中古隆起相繼發(fā)育活動，裂陷槽內(nèi)沉積麥地坪組與筇竹寺組烴源巖，古隆起高部位發(fā)育龍王廟組顆粒灘作為儲層，并且加里東運動對古隆起的抬升使得儲集層遭受溶蝕，從而進一步改善儲集層物性。

3) 安岳大氣田不僅在空間上具有良好的生儲蓋配置，在時間上晚期成藏，有機質得以“接力生烴”，同時避免油氣因為構造運動的影響而逸散，從而保證了氣田的產(chǎn)量。

4) 寒武紀初期氣候干熱、冰川消融、海平面上升，共發(fā)生3次海侵，分別為早寒武世早期、早寒武世晚期以及晚寒武世，進而控制了筇竹寺組、龍王廟組等沉積相的演化，對大氣田的形成起到不可或缺的輔助作用。而關于膏鹽巖對大氣田的成藏目前還缺乏相關的定量證據(jù)，古洋流對于大氣田的成藏是否起到明確的控制作用也還需要更多的證據(jù)加以佐證。

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[編輯] 鄧磊

Accumulation in Paleostructure, Chasmic-Uplift System, Successive Gas Generation

The Reservoir-Forming Characteristics and Major Controlling Factors of Cambrian Large Gas Field in Central Sichuan Basin

Na Tang1,2, Youbin He1,2
1Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources (Yangtze University), Ministry of Education, Wuhan Hubei2School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan Hubei

Received: Oct. 24th, 2016; accepted: Nov. 24th, 2016; published: Feb. 15th, 2017

The large gas field, Anyue Cambrian Gas Field developed in central Sichuan Basin has been the largest carbonate gas field in China at present. And its exploration heat has been continuously escalated in recent years. Combined with regional geological data of Cambrian in Sichuan Basin and some latest achievements in Anyue Gas Field in recent years, and guided by the theory of hydrocarbon accumulation in large gas field proposed by academician Dai Jinxing, the reservoir forming characteristics of Cambrian large gas field were analyzed and key controlling factors were discussed. Research shows that Anyue gas field has the following three characteristics such as low gas generating center, hydrocarbon accumulation at the late stage and the delay of gas accumulation in palaeo-structure. The formation of large gas field needs no fractured-depression and uplifted structural system to lay a superior material basis and it needs the superior geological conditions such as Qiongzhusi Formation and Longwanmiao Formation are formed and it also needs an organic configuration of time and space, the oil is generated in the position and stored in the lower position in the space and in time gas is accumulated in the late period, a successive hydrocarbon is generated by organic matter, eventually it is catalyzed by special palaeo-environmental factors (such as the climate becomes hot, glaciers are meltdown and sea level is changed etc.), therefore Anyue Gas Field is formed and preserved.

Anyue Gas Field, Low Gas Generating Center, Late Hydrocarbon Accumulation, Delay of Gas

唐娜(1993-)，女，碩士生，現(xiàn)主要從事沉積學方面的學習與研究。

2016年10月24日；錄用日期：2016年11月24日；發(fā)布日期：2017年2月15日

文章引用: 唐娜, 何幼斌. 川中地區(qū)寒武系大氣田成藏特征及主控因素分析[J]. 石油天然氣學報, 2017, 39(1): 1-9. https://doi.org/10.12677/jogt.2017.391001

國家科技重大專項(2011ZX05004-001-03)。