孙 玮 刘树根 王国芝 徐国盛
罗志立2 韩克猷3 袁海锋2 黄文明3
(1.成都理工大学地球科学学院,成都610059;2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室,成都610059;3.中国石油西南分公司勘探开发研究院,成都610051)
威远地区是四川盆地现今唯一在震旦系至寒武系均有气藏存在、奥陶系有产气井存在的地区。威远气田寒武系气藏发现较晚,2004年威42井上寒武统洗象池组上返测试获工业气流才取得突破。2005年威97井中奥陶统宝塔组上返测试获工业气流后发现了宝塔组气藏[1]。威远气田的这种从下至上(元古宇-下古生界)形成多套气藏在四川盆地Z-S勘探中较为罕见。但由于先天储集性能不好和加里东期隆升剥蚀形成“天窗”,制约了寒武和奥陶系的天然气大规模成藏。除威远气田外,四川盆地其他地区Z-S(俗称“下组合”)勘探效果很差。通过对四川盆地下组合的几个重点勘探地区威远-资阳-安平店、高石梯-丁山构造震旦系天然气成藏条件的对比分析,在烃源、盖层和储集层条件相似的情况下对应的最终成藏结果却不同,这与前期古油气藏的分布有关,也与后期隆升构造调整有关。这些都是制约震旦系的成藏关键,也说明四川盆地下组合勘探的苛刻性和复杂性。本文试图总结出威远气田震旦系-下古生界的天然气分布规律,找出关键的控制因素,对于Z-S进一步勘探有着重要的意义。
四川盆地下古生界存在两套烃源岩 下寒武统和下志留统黑色碳质泥页岩。从成烃量来看,分别占四川盆地烃源岩生烃量的34.1%和25.08%,所成烃占整个四川盆地成烃量的59.18%(黄籍中等,1996)[2]。威远地区及其南部地区这两套烃源层均存在(图1)。过去在研究烃源时只注意到了震旦系天然气的气体来源,认为主要来自下寒武统(黄籍中,1993;戴金星,2003)[3,4],对于寒武系的天然气也认为来自下寒武统,但对于二叠系阳新统天然气并未深入探讨其来源(戴金星,2003,2006)[4,5]。奥陶系气藏的研究极少,对于气源问题笼统地划为震旦系-志留系烃源(尹宏等,2006)[6]。但作者研究表明,奥陶系气藏与下伏震旦系、寒武系气藏存在差异,与二叠系气藏气体相似,暗示为两种不同来源的气体。
威远大部分地区奥陶系直接与二叠系接触。为了更好地分析气体特征,把二叠系的气体成分也列入表1中。
从威远气田震旦系-二叠系天然气藏的气体成分(表1)可知,震旦系与寒武系较为相近,可以划为一个系统,奥陶系与二叠系为一个系统。它们的异同性如下:(1)均为干气,含少量乙烷,极少含丙烷,无丁烷及以上重烃;但奥陶-二叠系甲烷含量较震旦-寒武系高。(2)氮气含量随着层位向上变低。(3)震旦-寒武系CO2气含量较高,奥陶系含量较低,二叠系威7井的含量也较低,其质量分数仅1.8%。(4)氦气含量也有明显的分区,震旦-寒武系氦气的质量分数1.8%左右,奥陶-二叠系为1%左右。
因此,从气体成分来看,可以分为两个系统,震旦-寒武系为一个系统,奥陶-二叠系为一个系统。陈宗清(2007)[7]认为四川盆地志留系烃源岩是上覆储集层(石炭-二叠-三叠系)的良好烃源岩,威远气田南部此套烃源岩发育,同样可为其下伏奥陶系提供烃源。曾庆辉(2006)[8]通过对四川盆地下志留统黑色页岩生、排烃的研究表明,烃源层中含沥青质,表明有排液态烃的过程,而且有机碳含量高,是生烃、含烃性能很好的烃源岩。
表1 威远构造震旦系-奥陶系天然气成分(w/%)对比Table 1 Comparison of gas ingredients from Sinian to Ordovician in the Weiyuan structure
图1 二叠纪前威远地区古地质图和寒武-奥陶系产气井分布图Fig.1 Distribution graph of the productive gas wells and paleo-geology map before Permian in the Weiyuan area(据西南石油管理局资料修改补充)
这种特征与烃源有关。威远震旦系气田的烃源岩主要为下寒武统黑色泥岩,寒武系气体成分与其相同,显示烃来源一致,是以寒武系为气源的油裂解气(孙玮等,2007)[9]。奥陶-二叠系的天然气也是油裂解气;但气体成分有差异,应不是同源。下古生界存在两套烃源岩,除了下寒武统外,上奥陶统五峰组页岩至下志留统龙马溪组页岩也是很好的烃源岩(Ⅰ型干酪根,以生油为主)(刘若冰等,2006)[10]。因此,奥陶-二叠系天然气来自下志留统。威远地区寒武系与奥陶系整合接触,下寒武统烃源生成的油气较易向上和向下进入上寒武统和震旦系,但不易于进入奥陶系;志留系则夹持于奥陶系与二叠系之间,生成的油气较易通过不整合面向上进入二叠系、向下进入奥陶系(图1)。
由此,威远地区天然气可分为两大类,一类以下寒武统为烃源的震旦-寒武系天然气;一类是以下志留统为烃源的奥陶-二叠系天然气。
威远气田处于乐山-龙女寺加里东古隆起的南斜坡带,受加里东运动的影响,加里东期隆升剥蚀了部分地层(宋文海,1996)[11]。威远地区地层分布都是近北东向,与乐山-龙女寺古隆起的走向一致(图1),未剥蚀至寒武系,出露的地层从西向东依次为奥陶系罗汉坡组+大乘寺组、宝塔组、五峰组和志留系的龙马溪组。但断层的分布与地层剥蚀分布正相反,主要是北西向,与构造并不一致,说明断层形成时期与剥蚀期并不一致。
罗汉坡组和大乘寺组在威远地区西边的厚度仅100多米,向西被剥蚀殆尽,向东逐渐增厚,下部为砂岩与白云岩互层,向上逐渐过渡到页岩夹砂岩;宝塔组为生屑灰岩;五峰组和龙马溪组为黑灰色页岩。
威远气田震旦系的成藏条件用一句话概括就是生储盖齐备。即上覆有下寒武统黑色页岩作为盖层,而且没有缺失,盖层条件好;储层为灯影组白云岩;生油岩为下寒武统黑色页岩。这些条件一直都未有大的变动,生储盖之间的匹配关系良好(表2,图2)。
寒武系成藏条件与震旦系相比,具有烃源不缺、储层复杂、较好盖层的特点。寒武系烃源与震旦系烃源一致,储层是中上寒武统洗象池组白云岩,具有西北薄东南厚的特点,说明沉积时乐山-龙女寺古隆起已有了隆起的形态,轴部在威远地区的西北部。储层为裂缝-孔洞型,非均质性较强。盖层为下奥陶统砂泥岩,封盖性能较好。与震旦系相比,储层条件和盖层条件都要差一些,但也算完备(表2,图1,图2)。
奥陶系成藏条件与震旦-寒武系相比要差得多,具有较好烃源条件、储层复杂、局部封盖的特点。奥陶系的烃源层为下志留统,但在这一地区多已被剥蚀,只在威远地区的东南部还存在,西北部缺失,来自东南拗陷下志留统的烃源可通过不整合面运移,但要比震旦-寒武系直接与烃源接触导致的成藏效应差一些。储层为宝塔组灰岩,致密,储集空间为裂缝-孔隙型。盖层为上奥陶统五峰组页岩和下志留统龙马溪组,但在威远地区仅局部存在,威远中部和西北部直接与二叠系接触,封盖能力较差(表2,图1,图2)。
威远气田震旦系-下古生界有3套储集层、2套烃源层和3套盖层,由下至上组成了由烃源岩控制的2套成藏体系:C-1q/Z2dn/C-1q,C-1q/C-2x/O1d与S1l/O2b/O3w+S1l。
表2 四川盆地威远气田震旦系-下古生界成藏条件对比Table 2 The comparison of conditions for gas accumulation of Sinian to Lower Paleozoic in Weiyuan gas field
图2 威远气田成藏演化图Fig.2 The revolution map of gas accumulation in the Weiyuan gas field
以下寒武统烃源岩组成的成藏体系储集层有2套。灯影组的生储盖组合从位置上看属于旁生侧储顶盖型,从层位上看属于上生下储顶盖型(图2)。
上覆的下寒武统泥页岩是一套富含三叶虫和小壳动物化石的黑色碳质页岩,有机质的丰度较高,平均质量分数为0.197%,以腐泥组为主(徐世琦,2006)[12]。烃源的烃潜量强度很高,平均可达1.331×1015m3,是四川盆地最好的烃源之一(表3)。
灯影组的盖层仍是下寒武统。威远气田下寒武统九老洞组泥岩层的突破压力:威28井为94.4 MPa,威106井为75MPa,具有良好的封盖条件(孙玮等,2007)。
储层为灯影组隐藻白云岩,下部为灰-深灰色灰质、泥质云岩,中部为灰色葡萄状结构云岩,上部为灰白色云岩含燧石条带,为浅海碳酸盐岩台地相(王兴志,2000)[13]。四川盆地灯影组储集层属低孔低渗型。
寒武系洗象池组的生储盖组合则是典型的下生上储顶盖型,顶部是奥陶系罗汉坡组和大乘寺组盖层,以下部九老洞组为烃源,在生储盖组合关系上较灯影组有利(图2)。
表3 威远地区古生界烃源体系对比Table 3 The comparison of the source systems of Paleozoic in the Weiyuan area
威远地区洗象池组厚150~240m,早期为局限台地潮上灰云坪与潮下潟湖沉积,中后期为碳酸盐潮坪沉积,岩性主要为浅灰色泥晶云岩。储集体为透镜状,侧向分布不稳定;储集类型为裂缝-孔洞白云岩型,属低孔型,局部层段见微裂缝及溶蚀孔洞层发育,如安平1井深4 520m以下孔洞发育段累计厚度37.86m。
洗象池组成藏系统上覆盖层是罗汉坡组和大乘寺组。罗汉坡组主要是砂岩,封盖性并不好;但大乘寺组主要是灰色页岩,在威远地区厚160~200m,可起到好的封盖作用。
威远气田下志留统烃源体系储集层下古生界为奥陶系宝塔组,与灯影组相似,都是上生下储型。
下志留统龙马溪组烃源岩在乐山-龙女寺古隆起部分剥蚀,主要为暗色页岩层,有机碳的质量分数平均为1.1%(93个样),属I型干酪根,烃潜量值可达9.79×1014m3,生烃能力仅次于下寒武统(表3)。
南方宝塔组灰岩以“龟裂纹”著名,为浅海深水碳酸盐岩沉积环境(许效松,2001)[14],含大量角石化石。但从物性来看,宝塔组灰岩岩性致密,孔隙度小于1%,与裂缝一起搭配形成产能(除威远气田外,与之相邻的川南东深2井宝塔组产层与此相同),储集层为裂缝-孔隙型。
五峰组和龙马溪组页岩共同构成了宝塔组的直接盖层。这两套地层在威远地区有缺失,残厚0~200m,主要分布在威远的东南部(图1)。奥陶系的产气井威97井即分布在这一区域。
综上所述,威远地区下古生界发育两套好的烃源 下寒武统九老洞组和下志留统龙马溪组暗色页岩,均为I型干酪根,生烃能力强,烃源条件较佳。
从储层方面来看,埋藏最深的灯影组储集性能较洗象池组好,洗象池组较宝塔组好。灯影组属于孔隙-裂缝型,洗象池组和宝塔组都是裂缝-孔洞型,后者如无裂缝发育,则不能形成产能。
灯影组的盖层条件最好,下寒武统厚度一般在400m,封盖能力强;其次是洗象池组,其上大乘寺组厚度也超过100m。封盖能力最差的是宝塔组,其上覆五峰组和龙马溪组页岩大面积被剥蚀,仅在威远地区东南部有分布。
因此,从生储盖条件上来看,灯影组最好,洗象池组其次,宝塔组最差,这与三套储层的产出状况也一致。
对威远地区下寒武统烃源演化研究较多,一般认为其成烃的过程主要为:加里东运动前有机质即进入成熟,加里东运动后的隆升停止生烃,二叠纪-三叠纪烃源岩由成熟-过成熟,是油气的主要生成期,经历了排油和排气的过程;早白垩世时Ro达3%,成熟度非常高,成烃结束 (黄籍中,1996)[2]。
志留系烃源岩埋藏较浅,二叠系沉积前还未成熟。三叠纪时进入成油高峰期,中晚侏罗世达到高成熟以排气为主,晚白垩世达到过成熟,成烃结束(黄籍中,1996)[2]。
九老洞组生烃过程明显早于龙马溪组,二叠纪即进入了成熟期,龙马溪组要到三叠纪才进入成熟期,但最终在晚白垩世前,两套烃源岩都达到了过成熟(图2)。
二叠系沉积之前威远地区一直处于乐山-龙女寺加里东古隆起的南斜坡带,此时即使川南下寒武统烃源成熟并向外排烃,古隆起虽然是好的聚集场所,但由于缺少盖层条件,油气不会大规模聚集。古隆起形成又抑制了本区的生烃,所以二叠系沉积前,威远地区并不具备成藏的条件,成藏的主要期次应是在二叠系沉积后。
威远地区震旦系-奥陶系的成藏过程如图3所示。
a.无论是九老洞组还是龙马溪组,在三叠纪时都达到了成熟并向外排烃。这时排出的油气主要向当时的高点资阳地区运聚,自上而下形成三套古油藏(图3、图4)。
图3 威远-资阳下组合成藏模式图Fig.3 The gas accumulation model map of Sinian to Silurian in the Weiyuan-Ziyang area
最下部的是震旦系灯影组古油藏,主要是构造圈闭的古油藏,高点位于资阳地区;中部是寒武系洗象池组古油藏,但这个古油藏属于岩性-构造圈闭,油藏的主体分布在资阳与威远之间洗象池组未剥蚀的地区,是一个由侧向封堵形成的古油藏;最上部是奥陶系宝塔组古油藏,这个古油藏受盖层的限制分布范围更小,主要是在五峰-龙马溪组页岩封盖的地区,也是侧向封堵形成的古油藏。洗象池组和宝塔组也受上覆的梁山组的直接封盖。这一阶段形成的这三套古油藏以震旦系规模最大,寒武系次之,奥陶系最小;震旦系为最完整的构造油藏,寒武系和奥陶系都是侧向封堵形成的古油藏。
b.燕山早中期,灯影组古油藏的石油最先开始热裂解成天然气,古油藏开始向古气藏转化,大量天然气在裂解时形成的高压下溶解于水中(孙玮等,2007)[9]。随后,洗象池组古油藏也步入这一阶段(只比灯影组平均浅几百米)。但由于洗象池组上覆梁山组仅厚10m,大量天然气向上逸散入二叠系,一部分天然气溶于水中,一部分形成气顶。燕山中晚期时,宝塔组古油藏也进入了裂解阶段,与洗象池组相似,形成岩性-构造古气藏。
从构造形态和封堵性来看,此时灯影组仍是最有利的,形成的古气藏也最有利,但是最远离威远地区,高点在资阳地区;奥陶系受封盖的限制仍是最小,古气藏却是最靠近威远地区;二者之间是寒武系古气藏。
c.晚白垩世-喜马拉雅期,威远地区受构造抬升的影响,隆升幅度大于资阳地区,圈闭重新调整,地下的流体势发生了变化。资阳-威远自下向上的三个古气藏全部被破坏且重新分配。震旦系灯影组天然气脱溶后形成威远气田,洗象池组天然气藏的形成与灯影组相似,也是天然气脱溶后形成的气藏。二者气体成分相近,可能是形成气藏的机理相近,烃源又相同,所以最终成藏后天然气性质也相近。宝塔组天然气则是由于调整前古气藏离威远最近,为就近调整成藏。
图4 四川盆地构造沉降(隆升)史Fig.4 The structure sedimentation(lift)history of Sichuan Basin(图中威117、女基、资1井曲线据四川石油管理局经校正后编绘)
制约威远地区寒武系和奥陶系成藏的一个主要原因是储集层。洗象池组和宝塔组比较致密,储集性能较灯影组差,须与裂缝搭配才能形成产能。桐湾运动使灯影组大面积遭受剥蚀,改善了储集性能。加里东运动抬升剥蚀仅使得隆起区顶部储层性能变好,但威远并不处于这一地区,先天储集性能就不好。这可能也是造成威远地区寒武系和奥陶系虽有气藏,但分布不均的主要原因。另一个主要的原因是封盖条件,由于加里东古隆起的长期隆升剥蚀,造成志留系、奥陶系和寒武系的剥蚀,寒武系和奥陶系的主要的直接盖层被剥蚀掉,形成古隆起大型“古天窗”,威远地区下志留统也仅在南部残余部分下志留统,先天盖层条件较差,限制了成藏。
四川盆地除了威远-资阳震旦系成藏外,乐山-龙女寺古隆起带的高石梯-安平店和女基井均见气显示,是除了威远-资阳地区外较被看好的一个有利区带。2005年在川东南以震旦系为目的层钻的丁山1井和林1井是川东南惟一的2口深井,虽然未获天然气,但其地质意义重要,因此通过这三个地区的成藏比较可以对四川盆地下组合有更清晰的认识(图4)。
有关高石梯-安平店的天然气成藏方面已有论述(姚建军等,2002)[15],但其主要是从含油气系统的角度及成藏条件的匹配上来论述,未从演化和动态的角度来论述。本文利用近年来研究的成果,从演化和动态的角度论述其成藏的过程。
高石梯-安平店-女基井构造带一直是乐山-龙女寺加里东古隆起的轴线位置,处于构造的高部位,顶部志留系被剥蚀,奥陶系残留下统南津关组,寒武系可与威远-资阳地区对比。现今测试高科1井灯四顶部测试产气7 000m3/d,安平1井灯四段测试产气1 248m3/d,相邻的女基井灯四段测试产气2 690m3/d,南津关组产气3.6×104m3/d。
高石梯-安平店的成藏过程二叠纪后也可分成3个阶段:
二叠纪末-三叠纪初,由于下寒武统烃源成熟并向外排烃,在这一地区形成古油藏。这一古油藏与资阳-威远古油藏同时形成,东西相对,从安平1井包体均一温度分布频率来看,对应温度主要是130~170℃。
持续埋深的过程中古油藏开始裂解,古油藏向古气藏转化,在侏罗纪-白垩纪形成古气藏,对应包体温度主要是210~250℃,这时构造未发生大的变化,与资阳-威远古气藏相对并存。
晚白垩世四川盆地的隆升作用对于高石梯-安平店地区垂直隆升作用较之资阳-威远地区弱,以安平1井为例,现在灯四顶埋深5 037m。按灯四段包裹体测温最后一期均一温度为240℃,古油藏的埋深应在超过7.5km(地表温度取15℃,古地温梯度取30℃/km),因此隆升仅2 463m,较之威远地区隆升4km幅度要小得多。晚白垩世-喜马拉雅期的隆升使得高石梯-安平店构造圈闭变小,古气藏重新调整,形成类似资阳含气区的一个含气带。
丁山构造位于川东南地区,属酒垭店背斜北西翼。丁山1井震旦系岩心见大量沥青,说明曾有过油气聚集形成古油藏。
丁山构造二叠纪成藏过程分为3个阶段:二叠纪开始时寒武系烃源岩就已成熟并排烃,在丁山构造处形成古油藏。
晚白垩世前,古油藏由于埋深超过6km,古油藏裂解形成古气藏。
喜马拉雅期由于隆升作用,抬升超过3km,震旦系出露地表,丁山构造附近断层发育且断至地表,古气藏的气沿断裂向上运移。由于顶部没有盖层覆盖(寒武系出露地表),天然气逸散,未能成藏。
表4为三个地区天然气成藏对比表,可知烃源相同,储集层一致,盖层相同,古油藏到古气藏的形成也具有一致性,导致成藏差异的主要原因是晚白垩世-喜马拉雅期的隆升作用。在喜马拉雅期运动之前,这些地区的保存条件都很好,都有古油气藏的存在。喜马拉雅期四川盆地总体隆升幅度大于3km,速率高,幅度大(刘树根等,2008)[16]。在隆升作用下,一方面改变了古隆起区域震旦系构造格局,古构造被破坏(资阳、安平店-高石梯),新构造形成(威远)使得气藏也最终重新调整和破坏,形成现今的天然气状态;另一方面,隆升破坏了保存条件,丁山构造隆升过程中,齐岳山断裂活动并断至地表,破坏了保存条件,最终破坏了先前已存在的油气藏。
表4 资阳-威远、安平店-高石梯、丁山构造震旦系天然气成藏对比Table 4 The comparison of gas accumulations in Sinian in the Ziyang-Weiyuan,Anpingdian-Gaoshiti and Dingshan structures
威远气田存在3套气藏:震旦系灯影组、寒武系洗象池组和奥陶系宝塔组。但从烃源角度划分,灯影组和洗象池组都属于下寒武统烃源体系;宝塔组的烃源则来自下志留统龙马溪组。这两套烃源演化的时间不同,但都是I型干酪根,在形成天然气的过程中有相似性;然而在时间上有所差异,在形成油气藏的过程上也有所不同。
下寒武统烃源成熟向上下排烃注入洗象池组和灯影组形成2套古油藏,2套古油藏先后裂解形成2套古气藏,古气藏的天然气溶于水中,在晚白垩世-喜马拉雅期隆升过程中脱溶并向威远高点聚集形成了现今灯影组和洗象池组气田。奥陶系气藏也经历了古油藏(古气藏)隆升调整现今气藏的过程。
制约洗象池组和宝塔组成藏的主要因素是储集性能和封盖条件。这两套储层都很致密,储集油气难度较大;同时,由于古隆起顶部这两套地层都缺少有效的盖层,因此寻找好的储盖组合发育区是关键。
通过威远-资阳-高石梯-安平店-丁山构造震旦系的成藏对比,发现存在很大的差异,烃源、盖层和储集层条件相似,对应的最终成藏却不同,与前期古油气藏的分布有关,也与后期隆升调整构造有关,这些都制约了震旦系的成藏。
综上所述,四川下古生界的天然气成藏很复杂,震旦系和寒武系的烃源来自下寒武统,奥陶系烃源来自下志留统,两套烃源层为下古生界的成藏提供了必要的物质基础。震旦系灯影组的储集条件受桐湾运动的影响,储集条件优越,上覆盖层未被剥蚀,是最有利的成藏组合,制约勘探主要因素是现今圈闭。寒武系洗象池组储集条件并不太有利,盖层下奥陶统在加里东古隆起处被剥蚀,成藏条件较差,制约条件有储集层和盖层。奥陶统上覆盖层下志留统被剥蚀面积较奥陶系更广,盖层条件要更差。宝塔组致密灰岩储集性能最差,制约勘探的条件是储集层和盖层。
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