四川盆地震旦系灯影组跨重大构造期油气成藏过程与成藏模式

姜 华 李文正 黄士鹏 江青春 翟秀芬 谷志东 谢武仁 王瑞菊

1.中国石油勘探开发研究院 2.中国石油天然气集团有限公司天然气成藏与开发重点实验室3.成都理工大学 4.中国石油杭州地质研究院

0 引言

中国叠合盆地普遍经历了多期构造改造[1-2]，其中深层古老海相碳酸盐岩具有多期生烃、多期运聚、多期调整的显著特征，成藏要素时空配置及成藏过程异常复杂[3-6]。随着油气勘探向深层（4 500～6 000 m）、超深层（大于6 000 m）不断延展，针对叠合盆地油气富集规律的研究不断深入。总体上，叠合盆地深层油气生成、成藏受多期构造控制显著。研究跨重大构造期油气成藏的有效性和规模性对于中国深层碳酸盐岩油气勘探战略选区具有重要意义[5-7]。张水昌等[8]对塔里木盆地在构造变革期控制下的油气聚集规律开展研究，较早开展跨重大构造期成藏研究。相对而言，四川盆地作为中国最重要的天然气基地，相关研究较为薄弱。学者主要从盆地热演化史、古油藏裂解成气、保存条件等方面开展了相应的研究[9-13]，但缺乏系统性和针对性的跨重大构造期成藏研究。

为此，笔者以四川盆地上震旦统灯影组跨重大构造变革期为主线，探讨烃源灶动态演化与古构造演化匹配的阶段性和时空差异性，恢复油气成藏演化过程，建立跨重大构造期油气成藏模式，进一步明确深层碳酸盐岩勘探潜力和勘探方向。

1 四川盆地灯影组石油地质基本特征

灯影组是四川盆地常规天然气主力产层之一，是中国最古老的天然气产层[5-7]。自1964年发现威远气田气藏以来，仅发现3个气田，即威远气田、安岳气田及资阳含气区，勘探程度低。

四川盆地及周缘灯影组广泛分布，残余厚度介于0～1 150 m，自下而上可划分为4段（灯一段、灯二段、灯三段、灯四段）。其中，灯二段、灯四段发育规模台缘带和台内带两类丘滩体储集层[12-13]，为该层系规模成藏提供了必要条件。灯影组规模丘滩相岩溶型储层与上覆下寒武统筇竹寺组优质烃源岩构成高效源储配置[14-17]。筇竹寺组不仅是灯影组的主力供烃层系，也是直接盖层，有效地保障了灯影组油气成藏和保存（图1）。

2 重大构造变革期

2.1 四川盆地重大构造变革期

重大构造变革是指对盆地内部结构有明显改造、区域上普遍发生且可以对比的构造事件[8]。四川盆地是典型的叠合盆地，历经早期海相克拉通盆地、中期前陆盆地、晚期褶皱隆升改造3个重要演化阶段，并经历了多幕构造运动[9]。盆地演化进程中，不同阶段盆地原型垂向上叠置，横向上继承或迁移，隆坳格局变迁控制沉积中心动态变化。位于盆地底部的震旦系被卷入多期构造活动，其成藏过程与加里东期、海西期、印支期（早幕、晚幕）、燕山期、喜马拉雅期5个重大构造期的强烈改造密切相关（表1）。其中，加里东运动包括4个重要构造活动幕次，即桐湾运动、郁南运动、都匀运动以及广西运动。广西运动最为强烈，四川盆地西部强烈隆升剥蚀，形成了规模巨大的乐山—龙女寺古隆起，对其后构造格局产生重要控制作用。海西运动包括两个阶段：海西运动早期，继承加里东期地貌并持续隆升，造成广泛暴露，泥盆系至石炭系仅在川东、川西以及龙门山一带局限分布[9-10]。海西运动中期以后，受峨眉地裂运动影响，发生区域拉伸活动，在川北形成了开江—梁平海槽。印支运动是四川盆地由海相沉积转化为陆相沉积的重要构造沉积变革期，可划分为早幕和晚幕。印支运动早幕，在中三叠世末形成盆地东部的泸州—开江古隆起[18-19]。印支运动晚幕，四川盆地进入前陆盆地发育阶段，由海相沉积转为内陆湖泊沉积，西部龙门山前带迅速下沉并充填巨厚碎屑岩沉积[18-19]。燕山运动以升降运动为主，发育巨厚的陆相碎屑岩沉积。侏罗纪—早白垩世，龙门山北段向东冲断，山前带形成沉积中心。随后区域快速抬升，大幅暴露剥蚀[19]。晚白垩世，上扬子地区整体区域性隆升[19-21]。喜马拉雅期运动以水平挤压为主，褶皱作用强烈，造成强烈的差异隆升和改造剥蚀，四川盆地大部分地区出露侏罗系至白垩系，仅盆地西南等局部沉积新生代地层。受喜马拉雅期运动控制，威远地区继续快速隆升成为盆内最高构造部位，而川中地区继承性发育成为相对低缓的隆起部位，两个独立构造最终定型[10,14,20]。

表1 四川盆地主要构造运动与构造事件表

2.2 震旦系跨重大构造期演化特征

笔者以精细地震解释为基础，结合剥蚀量恢复，运用回剥法恢复与成藏过程密切相关的灯影组沉积地貌及其顶界面在5个关键构造期的埋藏地貌。

2.2.1 灯影组沉积期地貌

以灯影组残余厚度和上覆筇竹寺组残余厚度为依据，以残厚法与印模法相结合恢复灯影组沉积地貌。研究表明灯影组沉积期在弱拉张应力背景下，形成德阳—安岳克拉通内裂陷及川东宣汉—开江古隆起为主的大型隆坳格局。灯影组为碳酸盐台地沉积，构造—沉积分异作用明显（图2-a）。

2.2.2 广西运动后灯影组埋藏地貌

以灯影组至志留系累计厚度为依据，恢复志留纪末灯影组埋藏地貌。该时期灯影组地貌整体呈现西高东低，并在西部形成一个近NE向的似鼻状构造。由于德阳—安岳裂陷前地貌影响，形成近NW向的鞍部，导致川中地区形成宽缓的似穹隆构造（图 2-b）。

2.2.3 印支期早幕运动后灯影组埋藏地貌

以灯影组至中三叠世雷口坡组累计厚度为依据，恢复中三叠纪末灯影组埋藏地貌。该时期构造活动幅度相对较低，对灯影组地貌影响较小，以整体埋深增大为特征，与加里东期具有继承性。同时，隆起西翼微弱下沉，导致隆起轴部逆时针略有旋转，隆起幅度加强（图2-c）。

图2 四川盆地震旦系灯影组顶界面关键构造期地貌图

2.2.4 印支期晚幕运动后灯影组埋藏地貌

以灯影组至晚三叠世须家河组累计厚度为依据，恢复晚三叠纪末灯影组埋藏地貌。长期继承发育的“西高东低”古构造格局在该时期改变，“东隆西沉”形成局部构造反转，灯影组总体埋深达到1 200～8 000 m，隆起轴部持续逆时针迁移（图2-d）。

2.2.5 燕山期运动后灯影组埋藏地貌

以灯影组至下白垩统累计厚度为依据，恢复早白垩世末灯影组埋藏地貌。早白垩世末是四川盆地整体沉积厚度最大的时期，恢复剥蚀量后灯影组整体埋深达5 250～12 680 m，川西地区猛烈沉降，导致隆起轴部继续逆时针旋转（图2-e）。

2.2.6 喜马拉雅期运动后灯影组埋藏地貌

以灯影组至第四系累计厚度为依据，恢复经历喜马拉雅运动后的现今灯影组埋藏地貌。在该时期，总体继承了燕山期地貌形态，威远地区继续快速隆升成为盆内最高构造部位，而川中地区由于相对稳定，继承性发育成为相对低缓的隆起部位，两个独立构造最终定型。经过燕山期—喜马拉雅期构造变革，侏罗系—白垩系累计剥蚀总量达1 800～2 800 m，现今灯影组埋深介于1 980～12 000 m。古隆起最终定型为以威远隆起和川中低隆为核部的NEE向展布的似长轴背斜构造（图2-f）。

总体而言，在多期构造演化过程中，灯影组埋藏地貌以川中地区为枢纽带不断变革，从“西高东低”向“东隆西沉”转化。乐山—广安一线长期处于正向构造单元，表现为构造轴部从NNE向NEE逆时针方向的持续迁移并最终定型，最终在盆地中部形成NE向展布的大型鼻状隆起，这一构造演化过程控制着灯影组成藏过程及天然气富集。

3 灯影组成藏特征与成藏过程

多旋回叠合盆地的幕次构造活动不仅控制成藏要素配置关系，同时控制有机质生烃演化的时序性、油气运移聚集的阶段性及油气成藏过程的复杂性[21-23]。中国南方海相深层烃源岩演化程度高，多处于高—过成熟阶段，经历多种类型烃源灶动态演化。从烃源岩热解型烃源灶到古油藏裂解型烃源灶、分散液态烃裂解型烃源灶（源内、源外两类）的转换及其接力供烃过程同构造活动及圈闭的时空配置关系控制着油气成藏过程和聚集规模[24-26]。

3.1 成藏特征及关键问题

四川盆地历经近60年勘探，灯影组成藏认识不断深化，其主要表现为以下特征：①已发现的气藏均分布在乐山—龙女寺古隆起范围内[14-17]，且发育于德阳—安岳裂陷槽两侧；在盆地边缘和川东复杂构造部位钻井多失利，以产水为主，而部分钻井产淡水揭示圈闭晚期完全破坏并与地表水沟通[16,27]。②灯影组储层内沥青普遍存在，主要表现为两种赋存类型：一种是沉淀型沥青，原油被晚期天然气气洗分馏沉淀形成，以沉淀产状赋存于孔隙中（图3-a、b）；另一种是热裂解型沥青，原油高温热裂解生气，由于受高温，热解后残余组分多缩聚成球状（图3-c、d），反映了液态烃充注的广泛性[27-29]。研究结果表明，灯影组天然气以原油热裂解成因为主，通过研究沥青分布及丰度进行液态烃分布预测，沥青分布的普遍性及丰度的差异性可以用分散型和聚集型进行区分，其中分散型沥青代表分散液态烃热裂解残留，聚集型沥青代表古油藏热裂解残留。③已发现的气藏均在构造背景下存在，威远气田灯影组气藏为充注度极低的构造圈闭气藏且具统一底水，安岳气田灯影组气藏为川中低隆区构造背景下的岩性气藏，而资阳、荷包场含气构造均为隆起斜坡部位的局部微型圈闭，灯影组气藏充满度低、气水分布复杂。④以筇竹寺组富有机质泥页岩原油裂解气（源内、源外两类）聚集成藏为主，干酪根晚期生气为补充[14,16,22,25,27]。

图3 四川盆地灯影组岩心及薄片中沥青充填特征照片

目前，关于灯影组天然气分布的关键问题是：①所有钻孔取心都能发现沥青赋存，但与是否产出天然气无关；②灯影组气藏普遍具有构造背景，但其规模不受构造幅度控制。如威远构造是四川盆地最大构造圈闭，但天然气充满度极低。如何解释这些现象，是认识灯影组天然气成藏与分布规律的关键。

3.2 跨重大构造期成藏过程

四川盆地灯影组成藏体系是深层古老碳酸盐岩含油气系统的典型实例。2011年，安岳气田被发现以来，灯影组天然气三级储量增长至近万亿立方米，勘探地位的不断提升，成为近年来成藏研究的热点。邹才能等[15]提出“四古”控藏认识；刘树根等[25]提出“四中心”耦合控藏的观点；杨跃明等[30]提出“优质成藏组合近源高效成藏”。总体上，对成藏静态要素及配置的研究已较为成熟。相对而言，从时空动态演化分析天然气成藏过程这一关键问题，研究相对薄弱。笔者以关键构造期古构造恢复为核心，运用盆地模拟方法分析跨重大构造期烃源灶成熟历史、古油气藏形成演化及油气运移聚集过程。

3.2.1 烃源岩热演化阶段性与差异性

筇竹寺组烃源岩的热演化史受到盆地埋藏史、地热演化史综合控制。对某一位置而言，烃源岩热演化具有阶段性，随着地层埋深持续增加烃源岩成熟度（Ro）不断升高，可依次发育未成熟（Ro＜0.5%）→低成熟（0.5%＜Ro＜0.7%，产生少量重质油）→早成熟（0.7%＜Ro＜1.0%，产生少量正常油）→晚成熟（1.0%＜Ro＜1.3%，产生大量正常油，即成油高峰）→高成熟（1.3%＜Ro＜2.0%，产生湿气）→过成熟（2.0%＜Ro＜4.0%，产生干气）→石墨化（Ro＞4.0%）6个演化阶段[31]，最终热成熟度代表该位置经历最高热演化阶段。例如：高石1井筇竹寺组烃源岩（以灯影组顶界埋深计算）在晚白垩世经历最大埋深，经历最高212 ℃埋藏温度，烃源岩等效镜质体反射率达2.85%，为过成熟演化阶段。

对盆地不同构造部位而言，受盆地充填的不均衡及地温梯度变化等条件约束，烃源岩热演化具有明显的时空差异性。笔者对盆地不同地区重点井开展埋藏史研究，恢复筇竹寺组烃源岩在不同部位的热演化史，并与高石1井进行对比（图4）。结果表明筇竹寺组普遍经历高—过成熟演化阶段，但演化时序上具有明显差异性。乐山—龙女寺古隆起的烃源岩热演化时序上总体晚于其他地区，即生排烃时间晚于川北、蜀南、川东等地区。

图4 高石1井埋藏史与四川盆地其他地区筇竹寺组底界热演化图

3.2.2 液态烃裂解演化阶段性与差异性

深层天然气成藏具有多种类型的烃源灶。除烃源岩外，早期形成的液态烃同样是重要的烃源灶[25]。灯影组天然气为典型干气，其成因以原油热裂解气为主[14,16,22,25,27]。原油裂解生气发生在灯影组储层内，裂解时机受灯影组埋藏历史及埋藏地貌控制。原油裂解从Ro达到1.5%时开始，生气窗Ro介于1.5%～2.5%。由于灯影组顶界面与筇竹寺组底界面一致，结合图4中不同构造部位典型井筇竹寺组底界面热演化特征，可分析四川盆地不同地区液态烃裂解的差异性。蜀南（自深1井）、川东地区（五探1井）在中二叠世液态烃开始裂解生气，并在三叠世中期基本完全裂解；川北地区（马探1井）在早三叠世液态烃裂解生气，在早侏罗世基本完全裂解；川中高石梯（高石1井）、威远（威28井）地区裂解时间最晚，主要发生于晚三叠世，并在侏罗纪末基本完全裂解。总体来看，川中地区液态烃裂解时间最晚，有利于天然气的最终保存。

3.2.3 多烃源灶差异聚集

多烃源灶供烃的实质是不同烃源灶或同一烃源灶不同阶段混合供烃。灯影组气藏主力烃源岩为筇竹寺组泥页岩，其早期形成的古油藏、分散液态烃与后期排出的不同阶段烃类产物混合，并最终裂解成气。最终形成的天然气藏正是这一复杂相态转化和多源混合的产物。

通过流体包裹体结合埋藏史间接定年方法明确以筇竹寺组烃源岩为核心的含油气系统具有两期原油充注和三期天然气充注的复杂成藏历史（图5）。将川中高磨地区油气充注期与该区域烃源岩成熟史对比发现：第一期原油充注于晚奥陶世，但该区烃源岩并未成熟，由此可判断该期充注的原油来自于周缘已成熟烃源岩排烃并侧向运移；同理，在二叠纪发生第二次原油充注和第一期天然气充注，此时该区烃源岩Ro约为1.0%，并未进入生气阶段。由此推断，该期充注原油应以本区烃源岩为主，而天然气由邻近已进入生气窗的烃源岩供烃。而晚三叠世—早侏罗世的第二期天然气充注及中晚白垩世的第三期天然气充注则既与该区烃源岩成熟度匹配，又与原油裂解成气阶段匹配，气藏具有多来源多期充注的特征。

图5 川中地区油气充注期次与烃源岩成熟情况对比图

3.2.4 关键构造期成藏演化

四川盆地灯影组天然气成藏普遍经过了古油藏→古气藏→现今气藏的演化阶段，既有相态的转化，又有位置的变迁[26-28]。由于烃源岩演化程度高、干气烃类信息少，对应烃源灶全演化过程的恢复缺乏有效手段。笔者在关键构造期古构造恢复基础上，运用盆地模拟方法对烃源灶演化及其与构造动态配置关系进行研究，恢复相态转化与复杂成藏过程。

3.2.4.1 海西期

中二叠世初期，经加里东运动盆地整体抬升导致筇竹寺组烃源岩终止生烃后，四川盆地重新下沉深埋。川东、蜀南及川西部分地区重新生烃。模拟表明：虽然川中地区烃源岩普遍未再进入生油门限，但深凹区形成的原油沿不整合侧向运移，在隆起高部位资阳—龙女寺一线形成最早期的古油藏，在斜坡区形成了分散液态烃滞留（图6-a）。

图6 四川盆地震旦系灯影组关键构造期油气聚集特征图

3.2.4.2 印支早期

中三叠世末，除乐山—威远—龙女寺一线构造高部位仍处于低成熟阶段，其他地区筇竹寺组均开始规模生烃，川东等地区进入高成熟生湿气阶段，并在局部圈闭形成气藏；乐山—龙女寺地区继承性隆起区的古油藏则仍以侧向不整合供烃为主捕获新生成的多阶段烃类规模不断扩大，准原地持续聚集油气（图6-b）。在该阶段，来自烃源岩新生成的天然气混入部分古油藏或在运移路径输导过程中，会导致早先液态烃发生气洗作用，形成沉淀型沥青。

3.2.4.3 印支晚期

晚三叠世末，乐山—威远—龙女寺隆起区西翼快速沉降深埋，总体上继承了加里东期形成的大型鼻状构造。筇竹寺组烃源岩在隆起轴部整体进入成熟阶段，而周围地区主体进入高成熟生湿气阶段，部分埋深较大地区则进入生干气阶段（图6-c）。灯影组在鼻状构造核部古油藏持续充注新生成油气，规模继续扩大，性质发生改变。而早先周围形成的古油藏及分散液态烃不仅发生调整，由于埋深大，地层温度超过160 ℃（原油在温度大于160 ℃时发生裂解生气，并在200 ℃左右全部裂解，形成热解沥青残余，该过程对应等效镜质体反射率介于1.5%～2.5%），发生原油热裂解生气，生成的裂解气藏继续调整逸散，成为向构造高部位接力供烃的新烃源灶。

3.2.4.4 现今阶段

燕山期灯影组埋深达最大，筇竹寺组烃源岩整体进入高—过成熟生干气阶段。后受喜马拉雅期构造改造快速隆升剥蚀，形成现今地貌。该阶段高磨地区等继承性古油藏裂解生气，并接受斜坡区古油藏及分散烃类裂解后经构造变革调整散失的天然气，而更多古圈闭被改造调整，最终形成现今气藏分布格局（图6-d）。

3.2.5 气藏类型及成藏模式

四川盆地深层碳酸盐岩成藏过程受构造控制，油气藏的形成、保持、改造、破坏均与构造活动密切相关[1,7-8,12,16-17,28-31]。笔者以重大构造期古构造格局演化为背景，依据筇竹寺组烃源灶演化阶段性与灯影组圈闭时空配置关系进行灯影组天然气藏类型划分，除因构造活动过于强烈造成的古油气藏破坏，以成油期和成气期是否已形成圈闭条件为依据将其划分为2种类型：原生型和次生型（图7、8）。

图7 四川盆地灯影组成藏特征及气藏类型图

图8 四川盆地下寒武统烃源灶演化与灯影组典型气藏形成过程图

3.2.5.1 原生型气藏成藏模式

原生型气藏特指圈闭形成时间早于或同期于成油期烃源岩排烃关键时刻，直接捕获原油而形成古油藏，且古油藏在成气期原位裂解成气，形成原油裂解气藏。根据油气圈闭调整改造过程，可将其划分为2个亚类：原生构造型和原生岩性型。其中，原生构造型气藏根据后期受构造改造强度不同，进一步划分为3个子类型：①原位构造型。长期稳定处于构造活动稳定区高部位或枢纽带，既是油气运聚指向区，又具有优质保存条件。如川中安岳地区继承发育隆起构造，在各时期均接受烃类充注。在成油期形成大型古油藏，随后深埋至古油藏原位裂解成气，形成万亿立方米级大气田。②调整型。早期形成圈闭接受烃类充注，中晚期由于强烈构造改造，圈闭幅度及规模变小，常由统一圈闭变为多个小型圈闭。如资阳地区早期形成大型古油藏群，晚期成为威远隆起斜坡，仅以若干微小圈闭保存少量残存天然气。③破坏型古油藏。成油期具备圈闭形成古油藏，晚期受多期构造活动改造破坏，未形成有效气藏。如四川盆地盆缘及川东等复杂构造区野外露头和丁山1井、汉深1井等揭示的已被破坏的古油藏。原位岩性型气藏由沉积及成岩改造作用在灯影组台缘、台内形成大量岩性遮挡的丘滩储集体形成的气藏。川中北斜坡区的蓬探1井区受上倾方向致密岩性带遮挡形成了规模岩性圈闭，且长期处于隆起斜坡区，有利于油气充注规模成藏。

3.2.5.2 次生型气藏成藏模式

次生型气藏特指圈闭形成晚，与烃源岩液态烃主排烃关键时刻不匹配，捕获晚期烃源灶排烃或早期其他部位形成的古油气藏散失的天然气而形成的气藏。可划分为3个亚类：①次生构造型。圈闭形成时间与成气期匹配，且圈闭形成后以加强或保持为主，持续充注成藏，是重大构造变革后相对稳定构造部位的成藏类型。如金页1井，燕山期形成圈闭后继承发育，捕获天然气成藏。②次生岩性型。在油气充注过程中因沥青充填等原因形成岩性型圈闭气藏。钻探揭示灯影组沥青异常丰富，作为一种潜在气藏类型应引起关注。③晚期调整构造型。喜马拉雅运动是对中国油气分布具重要影响，对已存在油气藏普遍进行改造、调整甚至破坏，并形成一批新的油气藏。威远气田为晚期调整成藏，喜马拉雅期形成大型背斜构造，与成油及成气高峰均不匹配，仅充注晚期周边古油气藏破坏逸散的天然气，形成次生构造气藏。

综合分析不同类型气藏分布，灯影组气藏不受埋深控制，在2 000～10 000 m以上均具有成藏条件，但不同构造部位气藏类型存在差异。在构造复杂区及强烈构造抬升区以次生气藏为主，或气藏被破坏。而构造相对稳定的隆起及斜坡区，可规模发育原位构造型和原生岩性型气藏，蓬探1、角探1等探井已证实川中北斜坡区具备寻找原生岩性型气藏的前景。

4 结论

1）跨重大构造期成藏是处于叠合盆地深部的中国古老海相碳酸盐岩含油气系统最显著的成藏特征。在多期构造复杂演化过程中，受古埋藏地貌演化变迁约束，烃源灶热演化具有阶段性与差异性，圈闭条件不断调整、改造甚至破坏，烃源岩与圈闭的动态配置控制油气成藏富集。

2）跨重大构造期成藏过程中烃源灶的动态演化是核心。由于四川盆地筇竹寺组烃源岩普遍经历高—过成熟演化阶段，不仅干酪根经历全过程生排烃过程，其生成原油也发生热裂解生气并作为新的烃源灶。干酪根热解与原油裂解构成的烃源灶接力供烃体系控制着跨重大构造期油气聚集过程中的烃类补给。

3）四川盆地灯影组跨重大构造期成藏可划分为原生型和次生型两种气藏类型。原生型气藏圈闭形成早，并经历多幕次构造调整改造，其中，原位型构造气藏最为有利；次生型气藏圈闭形成晚，通常成藏规模受限，次生岩性型值得关注。

致谢：感谢中国地质大学（武汉）陈红汉教授在流体包裹体定年方面给予的指导，感谢两位匿名审稿人提出的宝贵修改意见，感谢编辑在本文修改过程中给予的指导和帮助。