四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組天然氣大面積成藏的地質(zhì)條件

汪澤成 江青春 黃士鵬 周 慧 馮慶付 戴曉峰 魯衛(wèi)華 任夢怡

中國石油勘探開發(fā)研究院

研究表明，中國古老克拉通盆地海相碳酸鹽巖具備大型化成藏條件[1-3]，主要包括：相對穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境、“廣覆式”烴源巖及晚期規(guī)模生烴、層狀或似層狀儲集層大面積分布以及地層—巖性圈閉集群式分布等?？碧揭炎C實，我國海相碳酸鹽巖大油氣田以地層—巖性油氣藏為主體，單個油氣藏儲量豐度低，但油氣藏呈集群式分布，總體規(guī)模大。

四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組作為早期勘探的主力含氣層系，在2007年之前的50余年勘探歷程中，僅在蜀南地區(qū)發(fā)現(xiàn)一批裂縫性氣藏為主的小型氣田[4]。近10年來的甩開勘探，先后在川西北、川中地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一批高產(chǎn)氣井，初步展示了該層系良好的勘探前景。然而，茅口組能否成為四川盆地天然氣規(guī)?？碧降闹髁酉?？關鍵問題在于其是否具備天然氣大面積成藏的條件。近年來，筆者研究團隊緊緊圍繞這一問題持續(xù)開展研究，完成了大量的老井復查、地層劃分對比、沉積相研究與巖相古地理制圖、儲層特征與分布預測、烴源巖評價、氣藏解剖等基礎性工作，提出了有利勘探區(qū)帶與目標。本文重點分析茅口組成藏條件，以期推進對該領域的勘探潛力認識和勘探部署工作。

1 勘探成果及啟示

中二疊統(tǒng)是四川盆地天然氣勘探最早的層系之一，早期勘探主要集中在蜀南地區(qū)?；凇叭芏囱亓芽p分布”[5-7]的認識及勘探不斷深入，勘探模式由早期的“一占一沿”“三占三沿”，發(fā)展為“斷層裂縫圈閉六項布井原則和模式”[5]。

近幾年，按照“跳出蜀南尋找新區(qū)帶，突破裂縫探索儲層新類型”的勘探思路，對中二疊統(tǒng)棲霞組—茅口組開展區(qū)域甩開勘探，在川中古隆起斜坡、川西北九龍山背斜及山前斷裂帶均獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，顯示出良好的天然氣勘探前景。

通過總結(jié)四川盆地中二疊統(tǒng)多年來的天然氣勘探成果，得出如下認識：

1）中二疊統(tǒng)天然氣資源豐富，資源探明率不足6%，勘探潛力大。新近完成的資源評價結(jié)果顯示，中二疊統(tǒng)天然氣資源量為1.47×1012m3，而已獲探明儲量僅為811.68×108m3，剩余天然氣資源豐富。

2）中二疊統(tǒng)發(fā)育裂縫—溶洞型和白云巖孔洞型兩類主要儲集層。絕大多數(shù)井鉆遇裂縫—溶洞型儲層，且以茅口組為主，僅少數(shù)井鉆遇白云巖儲層且變化快。川西南地區(qū)漢深1、周公1等井，川西北地區(qū)礦2、雙探2、雙探3等井，川中地區(qū)南充2、廣探2等井分別鉆遇棲霞組和茅口組白云巖儲層。

3）中二疊統(tǒng)茅口組在全盆地均有勘探發(fā)現(xiàn)，且盆地內(nèi)中二疊統(tǒng)現(xiàn)有勘探開發(fā)成果主要集中在茅口組，如蜀南地區(qū)中二疊統(tǒng)已探明儲量中茅口組儲量占98%。川中—川西地區(qū)中二疊統(tǒng)16口出氣井中茅口組產(chǎn)層井就占了15口。

4）蜀南地區(qū)裂縫—溶洞型氣藏開發(fā)效果較好。以自2井為代表的一批高產(chǎn)井，累計產(chǎn)量高、效益好，單井累計產(chǎn)量超1×108m3的井140多口，其中大于50×108m3的井1口（自2井），大于10×108m3的井8口。

60余年的勘探成果揭示，四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組具備大面積天然氣成藏的可能性。

2 茅口組天然氣大面積成藏的條件

四川盆地中二疊統(tǒng)包括梁山組、棲霞組、茅口組，為一套海侵背景下的碳酸鹽巖沉積[8]。茅口末期，經(jīng)歷了東吳運動，導致了茅口組普遍遭受剝蝕[9-11]。晚二疊世的海侵作用，使得龍?zhí)督M與茅口組呈假整合接觸。區(qū)域性的構(gòu)造演化為茅口組天然氣的大面積成藏奠定了基礎。下文從中二疊統(tǒng)烴源巖的再認識、茅口組顆粒灘分布、風化殼型巖溶儲層形成與分布等方面，分析茅口組成藏條件。

2.1 茅口組發(fā)育良好的烴源條件

四川盆地棲霞組—茅口組氣藏存在3套潛在烴源巖，從下至上依次為下志留統(tǒng)龍馬溪組泥巖、中二疊統(tǒng)棲霞—茅口組石灰?guī)r和上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤系。

龍馬溪組是四川盆地主力烴源巖層系之一[12]，不僅形成了川東石炭系常規(guī)氣藏群，更是目前中國頁巖氣勘探開發(fā)的主力層系。烴源巖在樂山—龍女寺古隆起軸部缺失，斜坡區(qū)大面積分布，川東、蜀南地區(qū)厚度介于100～600 m。有機質(zhì)類型為腐泥型，TOC介于0.50%～8.75%，Ro介于2.0%～4.5%，生氣強度介于20×108～80×108m3/km2[13]。

龍?zhí)督M（吳家坪組）發(fā)育海陸過渡相—海相的泥質(zhì)烴源巖和煤系，有機質(zhì)類型和厚度變化上明顯受控于沉積環(huán)境[14]，盆地中部—南部發(fā)育龍?zhí)督M煤系烴源巖[15]，盆地北部發(fā)育吳家坪組和大隆組海相泥質(zhì)烴源巖。龍?zhí)督M烴源巖厚度介于10～ 140 m，TOC主要分布在3%～5%，Ro介于1.9%～2.9%[16]。

中二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組以石灰?guī)r為主，烴源巖厚度介于150～200 m，大多數(shù)層段有機碳含量偏低。為了進一步明確中二疊統(tǒng)烴源巖質(zhì)量及分布，筆者立足于鉆井資料，在實測巖心TOC基礎上（表1），建立了自然伽馬曲線與實測TOC值的關系（GR＝38.501×TOC＋20.201，R2＝0.878 9），運用自然伽馬測井評價TOC方法，對全盆地117口井棲霞組—茅口組烴源巖進行了評價。

1）中二疊統(tǒng)棲霞組—茅口組計算烴源巖TOC與實測TOC相關性較好（計算TOC＝0.755 6×實測 TOC＋0.203，R2＝0.724 3）。

2）棲霞組烴源巖巖性以泥質(zhì)灰?guī)r為主，主要分布在棲一段，烴源巖厚度10～70 m，具有西薄東厚特征，有機碳含量分布范圍在0.5%～2.0%，為差—中等烴源巖。

3）茅口組烴源巖巖性以泥質(zhì)灰?guī)r、生物灰?guī)r為主，主要分布在茅一段和茅二c層（圖1），在川西南地區(qū)茅四段也發(fā)育烴源巖段，厚度介于30～200 m，西薄東厚特征明顯，有機碳含量分布范圍為0.5%～3.0%，為中等—好級別烴源巖。

綜上分析后認為，茅口組為天然氣主要目的層，縱向上發(fā)育龍馬溪組、茅口組一段—茅二c層及龍?zhí)督M（吳家坪組）3套烴源巖，為天然氣大面積成藏奠定了烴源基礎。

2.2 茅口組茅二—茅三段顆粒灘分布特征

四川盆地茅口期繼承了棲霞期沉積古地理格局，總體表現(xiàn)為西南高、東北低的緩坡臺地格局（圖2）。淺緩坡帶主要分布在綿陽—安岳—瀘州以西地區(qū)，巖性以亮晶生屑灰?guī)r、亮晶藻屑灰?guī)r及泥晶生屑灰?guī)r為主，顆粒灘厚度介于60～100 m，典型相序表現(xiàn)為高能顆粒灘和灘間海。中緩坡帶主要分布在廣元—廣安—重慶以西地區(qū)，巖性以中等能量的生屑灰?guī)r為主，局部發(fā)育亮晶生屑灰?guī)r，灘間以泥灰?guī)r為主，顆粒灘厚度介于30～80 m，典型相序表現(xiàn)為中緩坡顆粒灘及灘間海為主。深緩坡帶主要分布在廣元—廣安—重慶以東地區(qū)，巖性以生屑泥晶灰?guī)r和泥灰?guī)r為主，典型相序表現(xiàn)為深緩坡臺洼及灰泥丘為主。茅口組顆粒灘在盆地中西部大面積分布，累計厚度大于30 m的顆粒巖分布面積超過10×104km2，為似層狀巖溶儲層的形成奠定了物質(zhì)基礎。

由于茅口組顆粒灘體單層厚度只有5～15 m，因此地震預測顆粒灘難度較大。為了進一步明確顆粒灘體空間分布，筆者基于川中地區(qū)的鉆井資料，采用測井相構(gòu)型方法識別顆粒灘體空間分布，即：根據(jù)測井GR值和曲線形態(tài)，建立高能環(huán)境顆粒灘以及灘間低能環(huán)境含泥質(zhì)灰?guī)r的測井響應模型。

研究表明，茅口組縱向上發(fā)育兩期顆粒灘：第一期顆粒灘主要發(fā)育于茅二b層、第二期顆粒灘則主要發(fā)育于茅二a層—茅三段。第一期顆粒灘測井響應表現(xiàn)以測井相類型3（LF3）型為主，單個灘體厚度介于5～10 m，平面上主要分布于高石梯—磨溪（以下簡稱高磨）、威遠地區(qū)，其余地區(qū)零星分布。第二期顆粒灘體測井響應表現(xiàn)以LF1型和LF2型為主（圖3），單個灘體厚度介于10～15 m，川中地區(qū)廣泛分布。

表1 四川盆地中二疊統(tǒng)棲霞組—茅口組典型單井巖心實測TOC表

圖1 四川盆地茅口組烴源巖TOC縱向分布圖

2.3 茅口組風化殼型巖溶儲層分布特征及成因

四川盆地茅口組普遍發(fā)育風化殼巖溶儲層[17]。層序地層對比表明，巖溶儲層段主要分布在茅口組二段、三段[17]?；趯有虻貙訉Ρ纫约把佬问瘞笔Х治?，筆者曾提出了四川盆地存在面積可超過8×104km2的東吳期古隆起，命名為“瀘州—通江古隆起”，指出古隆起斜坡帶是風化殼巖溶儲層發(fā)育的有利地區(qū)[18]。圖4是在補充新近鉆井資料基礎上修改完善的茅口組巖溶古地貌與顆粒巖厚度疊合圖。按殘留地層厚度可分為“侵蝕高地”“侵蝕上斜坡”“侵蝕下斜坡”3個侵蝕地貌單元。侵蝕高地分布在盆地西南地區(qū)及川東石柱地區(qū)，主要特征為茅四段部分被保留；侵蝕上斜坡分布在南充—瀘州一帶，主要特征為茅四段剝蝕殆盡、茅三段部分遭受剝蝕；侵蝕下斜坡分布在川北地區(qū)，主要特征為茅三段剝蝕殆盡，茅二段部分遭受剝蝕。侵蝕上斜坡區(qū)茅三段顆粒巖發(fā)育，長期遭受風化淋濾作用，有利于形成溶蝕孔洞型儲層。

“東吳運動”性質(zhì)是水平擠壓的造山（褶皺）運動[19]還是整體抬升的升降運動，目前存在爭議[20]。筆者認為，這一運動受控于晚古生代全球冰期，是冰期全球海平面下降導致的區(qū)域性侵蝕作用。主要有如下證據(jù)：①晚古生代全球冰期始于泥盆紀末，鼎盛于石炭紀—早二疊世，可延續(xù)到中晚二疊世[21-23]，冰期海平面下降幅度為20～120 m[24]。二疊紀，揚子陸塊呈“孤島”立于古特提斯洋[25]，更易于受海平面升降變化影響。茅口組中期開始下降，末期大幅度快速下降到最低點，揚子大部分地區(qū)準平原化[26]。②受全球海平面下降影響，茅口組頂部地層普遍缺失。歐美等全球大部分地區(qū)茅口組頂部缺失1～2個化石帶；華南地區(qū)缺失2個以上牙形化石帶，四川盆地北部地區(qū)缺失4～6個牙形化石帶。③在廣西蓬萊灘[27-28]、川西北上寺、川東北渡口等剖面[29]，均可見茅口組上部無機碳同位素出現(xiàn)正漂移、吳家坪組底部出現(xiàn)負漂移，表明茅口末期發(fā)生冰川作用，而吳家坪期冰川發(fā)生消融。

圖2 茅口組巖相古地理及顆粒灘厚度等值線圖

圖3 茅口組第二期（茅二a層—茅三段）顆粒灘及灘間洼地的測井響應特征圖

圖 4 茅口組巖溶古地貌與顆粒巖厚度疊合圖

基于上述認識，建立了四川盆地茅口—吳家坪期沉積古地理演化剖面（圖5），茅口組沉積期四川盆地主體為碳酸鹽巖緩坡沉積，川北地區(qū)為深緩坡—斜坡相沉積，大巴山地區(qū)發(fā)育盆地相。茅口組沉積后，發(fā)生受全球冰期影響的海平面下降，剝蝕基準面可能下降到茅口組下部，其上覆地層均遭受剝蝕，沉積地層厚值區(qū)剝蝕后的殘留地層多，沉積地層薄值區(qū)剝蝕后的殘留地層少，西南高北東低的古構(gòu)造格局沒有發(fā)生改變。吳家坪期海平面上升，茅口組剝蝕后的古構(gòu)造格局仍得以保存，沉積環(huán)境及相帶的平面展布和茅口組相似。川北地區(qū)茅口組剝蝕層位多，按照“隆升剝蝕”的觀點，該地區(qū)要比四川盆地其他地區(qū)隆升的更高，但是在吳家坪期，該地區(qū)又迅速變?yōu)樯钏喑练e。這種急劇的構(gòu)造格局變化難以用“隆升剝蝕”解釋。而利用“海平面下降導致地層侵蝕” 的觀點，則合理地解釋了四川盆地北部地區(qū)茅口組剝蝕層位多與吳家坪組深水沉積兩者之間的矛盾。

圖5 四川盆地茅口—吳家坪期沉積古地理演化剖面示意圖

中二疊統(tǒng)茅口組縱向上存在3套烴源巖，顆粒灘在盆地中西部大面積分布，風化殼巖溶儲層在盆地內(nèi)普遍發(fā)育，源儲關系配置良好，構(gòu)成“三明治”式成藏組合（圖6），具備大面積天然氣成藏的條件。

圖6 川中—蜀南地區(qū)茅口組縫洞型儲層分布與成藏模式圖

3 茅口組天然氣富集條件

勘探揭示，盡管茅口組存在普遍含氣現(xiàn)象，但鉆遇的儲層發(fā)育程度及單井產(chǎn)量變化大，富集高產(chǎn)有利區(qū)評價優(yōu)選是當前勘探面臨的主要問題。研究表明，有利的侵蝕微古地貌及走滑斷裂發(fā)育帶是評價富集高產(chǎn)區(qū)的關鍵因素。

3.1 侵蝕古地貌對巖溶儲層的控制作用

對于碳酸鹽巖風化殼儲層而言，巖溶儲層分布受侵蝕古地貌控制。宏觀上，蜀南及高磨地區(qū)茅口組均處于侵蝕上斜坡帶（圖4），顆粒灘發(fā)育，具備形成大面積巖溶儲層條件。微觀上，侵蝕面微古地貌如溶蝕洞的垮塌體、侵蝕溝槽的側(cè)翼、侵蝕河谷（暗河和明河）等，巖溶儲層厚度大、儲集條件更為有利。蜀南茅口組大型的洞縫系統(tǒng)主要發(fā)育在古溶溝翼部及巖溶垮塌體邊緣。這些大型洞縫系統(tǒng)一旦含氣，可形成單體儲量規(guī)模均超過1×108m3的縫洞型氣藏，如陽7-陽33井、陽43井、井9等氣藏。

3.2 走滑斷裂相關的大型洞縫系統(tǒng)有利于天然氣富集高產(chǎn)

相對穩(wěn)定的克拉通盆地腹部通常發(fā)育大型走滑斷裂帶，不僅有利于油氣運移，而且有利于改善儲層物性，是油氣富集高產(chǎn)的有利區(qū)帶。這一認識越來越引起勘探家的高度重視，并用于指導塔里木等盆地碳酸鹽巖縫洞型油氣藏勘探部署[30-31]。

四川盆地中新生代受周緣構(gòu)造運動影響，華鎣山斷裂以西的廣大地區(qū)普遍發(fā)育高角度走滑斷裂。除少數(shù)規(guī)模較大的斷裂向上進入中淺層碎屑巖，大多數(shù)斷裂向上未穿越中三疊統(tǒng)膏鹽巖層。通過解剖研究蜀南荷包場及川中高磨兩個三維地震工區(qū)，分析走滑斷裂帶的儲層特征及含氣性。研究結(jié)果表明：

1）走滑斷裂有利于形成大型縫洞體，縱向多層縫洞體疊置（圖6），平面串珠狀分布?；谌S地震資料，荷包場地區(qū)可識別出兩條主走滑斷裂，一條位于包24井—包42井一線，呈NNE向展布，另一條位于包21井—包33井一線，呈NE向展布。鉆井證實，沿這兩條走滑斷裂帶巖溶縫洞體發(fā)育，已發(fā)現(xiàn)包33、包46、包21等富集高產(chǎn)的含氣縫洞體。

2）斷裂溝通氣源，斷裂與風化殼巖溶縫洞疊合區(qū)含氣性好。高磨地區(qū)鉆穿茅口組的鉆井很多，由于不是鉆探的主要目的層，絕大多數(shù)井未在茅口組試氣。對該區(qū)63口井茅口組儲層及含氣性開展測井評價。結(jié)果表明：有25口井巖溶發(fā)育，單井累計儲層厚度大于15 m、平均有效孔隙度大于3.5%，主要分布在高石梯及磨溪現(xiàn)今構(gòu)造高部位和斜坡區(qū)與古巖溶地貌較高部位的疊合區(qū)；41口井解釋出“氣層”或“差氣層”，占65%；22口井解釋出“水層”或“干層”，占35%，表現(xiàn)出不完全受構(gòu)造控制的大面積含氣特點，但“氣層”井呈現(xiàn)出沿斷裂分布的特點。

4 結(jié)論

1）四川盆地茅口組具備大面積天然氣成藏地質(zhì)條件。茅口組緩坡顆粒灘體在廣元—廣安—重慶以西地區(qū)大面積分布，為儲層形成奠定了物質(zhì)基礎；全球海平面下降導致的區(qū)域性侵蝕面有利于大面積巖溶型儲層形成；三套主力烴源巖（龍馬溪組、茅一段—茅二c層及龍?zhí)督M）與茅口組風化殼巖溶儲層構(gòu)成“三明治式”源—儲成藏組合，是天然氣大面積成藏的關鍵。

2）侵蝕微古地貌及后期走滑斷裂改造控制了大型縫洞體分布，顆粒灘—風化殼巖溶—走滑斷裂“三位一體”控制了天然氣富集高產(chǎn)的有利區(qū)帶。

3）川中高磨地區(qū)走滑斷裂發(fā)育，茅口組成藏條件良好，是勘探值得重視的有利區(qū)。

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