川西北地区二叠系栖霞组超深层气藏流体演化过程与成藏模式

李建忠，白斌，白莹，鲁雪松，张本健，秦胜飞，宋金民，江青春，黄士鹏

（1. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2. 中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院，成都 610051；3. 成都理工大学能源学院，成都 610059）

0 引言

中国海相超深层主体为埋藏深度大于6 000 m 的前寒武系—下古生界古老海相层系，也包括了埋藏深度超过6 000 m的上古生界海相沉积地层，相关油气资源主要分布在四川、塔里木、鄂尔多斯 3大克拉通盆地，其勘探前景与战略地位受到高度关注[1-4]。近年来，四川盆地西北部（简称“川西北”）二叠系栖霞组ST-1井、ST-3井在7 200～7 500 m超深层相继获得87.6×104m3/d、41.86×104m3/d的高产工业气流，亦展示出四川盆地西部（简称川西）上古生界海相超深层良好的勘探开发前景。

针对川西复杂构造演化背景下的超深层气藏新领域，众多学者已开展了二叠系栖霞组—茅口组沉积储集层成因机制、有利储集层分布预测以及成藏模式等方面研究[5-9]。特别是集中在二叠系栖霞组—茅口组储集层白云石化作用及有利储集层形成和保存作用方面，利用主微量、稀土元素鉴别白云石化流体来源，如根据Ce、Eu元素的异常情况可以判断成岩流体是否处于还原环境，或是否混入热液等非海源流体。同时依据碳、氧同位素组成分别鉴别微生物与非微生物成因云岩以及表征后期成岩流体来源，对二叠系超深层气藏白云岩储集层成因机制取得了诸多进展。但由于川西北地区受多期构造叠加影响，因此对于埋深大于6 000 m 的超深层二叠系栖霞组白云岩来说，除却白云石化作用以外，该套储集层还受到了烃类充注、岩石破裂以及溶蚀等成岩作用的影响。而由于深埋藏环境下成藏过程整体复杂，恢复难度相对较大，所以相关成岩流体演化规律及成藏演化模式探讨较少，制约了川西北地区超深层气藏形成与富集规律的认识。

因此，本文基于川西北双鱼石地区超深层典型钻井解剖，以储集层白云石化作用为岩石学解剖线索，依托储集层成岩作用研究，聚焦二叠系栖霞组，利用岩石学、主、微量元素、碳氧同位素组成、方解石U-Pb定年及流体包裹体等综合分析，结合埋藏史和热演化史恢复，梳理深埋藏白云岩形成过程，对具体成岩-成藏阶段和时间进行再次厘定，力求明确川西北地区超深层气藏流体演化过程与成藏模式，以期推动川西北地区海相超深层油气勘探工作。

1 地质背景

川西北地区北起青川—广元一带、东以南江—苍溪一线为界、南至绵阳梓潼、西临阿坝藏族羌族自治州，面积约10 000 km2，构造上位于青藏高原东缘与秦岭造山带南缘的交界处。受加里东构造运动的影响，上扬子地台形成大规模古隆起，震旦系以及寒武系—志留系受不同程度的剥蚀，并一直持续到石炭纪末。印支期以来，受多期挤压构造作用的影响，尤其是新生代晚期以青藏高原东缘冲断隆升为主的构造作用影响，形成了现今四川盆地西部及邻区的周缘复杂冲断和盆内褶皱构造（见图1）[9-11]。研究区位于川西前陆盆地西北部，四周被多条构造带环绕，其西侧、北侧为龙门山—米仓山褶皱冲断带，发育多条北东—南西向断裂带（见图1）[9-11]。

图1 研究区位置及采样钻井分布图[11]

川西北地区经过中二叠统梁山组碎屑岩“填平补齐”之后，栖霞组整体分布稳定，发育碳酸盐台地至缓坡沉积，自下而上可分为栖一段和栖二段。其中栖一段发育开阔台地相，以深灰色泥质灰岩和泥晶灰岩为主；栖二段发育台地边缘相，以浅灰色滩相白云岩、豹斑灰岩和亮晶灰岩为主[7]。

川西北地区发育多套烃源岩，成藏条件优越，但川西北地区位于龙门山与四川盆地的结合部位，经历了多期次构造运动，断裂发育，油气藏经历多期充注、调整和改造。因此，准确厘定川西北地区二叠系栖霞组气藏的天然气来源、储集层成岩和成藏演化过程，明确气藏成藏关键要素并建立相应的成藏模式，将为中国构造改造较强地区的超深层油气勘探开发提供依据。

2 样品与实验方法

在川西北地区选取 ST-3、ST-8、ST-9和 ST-10共4口取心井（见图1），其中，ST-3井样品取自7 433.50～7 494.62 m，ST-8井样品取自7 312.30～7 430.78 m，ST-9井样品取自7 704～7 759 m，ST-10井样品取自7 427～7 560 m。针对栖霞组基质白云岩及裂缝、溶洞充填的方解石/白云石开展岩石学特征（薄片鉴定、阴极发光分析）与流体包裹体特征分析。选取20块细晶、细—中晶以及粉—细晶白云岩，参照《硅酸盐岩石化学分析方法：GB/T 14506.29—2010》标准[12]，依次用圆盘粉碎机与玛瑙研钵将样品研磨至0.075 mm（200目）以下，进行稀土元素及碳氧同位素组成测试。

阴极发光分析在西南石油大学地球科学与技术学院完成，阴极发光分析在CL8200 MK5阴极发光仪（配合Leica显微镜）下进行，测试条件选择束电压9 kV，束电流300 μA。普通薄片、铸体薄片观察在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成，薄片经茜素红染色后在Nikon E600 Pol+偏光显微镜及照相系统下观察并拍照。碳、氧同位素组成测试在成都理工大学材料与化学化工学院专业综合实验室完成，采用McCrea正磷酸法，仪器为Finnigan MAT253气体同位素质谱仪，碳、氧同位素组成均采用PDB标准，测得的碳、氧同位素组成精度分别在±0.1‰和±0.2‰。稀土元素测试在中国科学院青藏高原环境变化与地表过程重点实验室完成，测试仪器为 Thermo X7 series电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS），实验结果用北美页岩进行标准化消除元素的奇偶效应。流体包裹体测试在成都理工大学地球科学学院完成，测试仪器为LINKAM THMS600 型冷热台。

3 储集层岩石学特征及成岩序列

3.1 岩石学特征

研究区栖霞组白云岩主要发育层段为栖二段，该段主要基质岩石类型为颗粒灰岩、细—中晶他形白云岩、细晶直面自形白云岩、细晶直面半自形—自形白云岩、粗晶曲面鞍状白云岩，主要胶结物类型为粗晶曲面鞍状白云石胶结物（见图2），具体特征如下。

图2 川西北地区栖霞组岩石类型

颗粒灰岩（见图2a）。原始结构基本保存良好，可和少量泥晶灰岩伴生，代表海水直接沉淀的产物。部分颗粒灰岩中可见少量自形—半自形白云石零星分布，可能指示弱白云石化产物，亦可见与部分细—中晶级别的低云化程度白云岩共生，见部分重结晶现象，可能为准同生等成岩作用早期的产物。

细—中晶他形白云岩（见图2b）。整体晶体粒径范围较大，约0.1～0.6 mm。单偏光镜下单个晶体呈曲面他形，晶面污浊，环带不明显，晶体之间以线接触为主，正交偏光镜下均匀消光。该类岩石可能指示准同生白云石化之后，再次接受埋藏白云石化作用的改造。

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细晶直面自形白云岩（见图2c）。整体晶体粒径为0.1～0.4 mm，多归入粉晶范畴，单偏光镜下单个晶体呈自形—半自形，晶面污浊，常具“雾心亮边”结构，正交偏光镜下均匀消光。细晶直面半自形—自形白云岩（见图2d）。整体晶体粒径为0.3～0.5 mm，以细晶为主，单偏光镜下单个晶体呈直面自形—半自形，部分晶面污浊，晶体以线接触为主，正交偏光镜下均匀消光，阴极发光下环带效应明显。这两种白云岩为典型的埋藏成因，其中前者为埋藏作用改造的前期，整体受埋藏改造作用较弱，并未结晶成良好的自形晶型，和细—中晶他形白云岩具有一个过渡特征。而后者为经埋藏白云石化作用完全改造的产物，晶体粒径较前者略大，且具有更完好的晶型。

粗晶曲面鞍状白云岩（见图2e）。整体晶体粒径可达厘米级，单偏光镜下单个晶面呈弯曲状或呈阶梯状，晶体内部常见丰富的微裂缝，晶面污浊，“雾心亮边”结构不明显，正交偏光镜下呈波状消光，晶体之间以曲面接触为主。粗晶曲面鞍状白云石胶结物（见图2f）可与发育典型双晶纹的方解石伴生。整体来说白云石晶面比较干净，“雾心亮边”结构不明显。这两种粗晶白云石基质和胶结物可能与热液活动有关。

3.2 成岩序列和成岩特征

依据前人的埋藏史和成岩研究工作[10]，以及岩石学组合排列特征，对栖霞组成岩序列进行分析，认为其具有如下成岩序列（见图3）和成岩特征（见图4）：泥晶化作用→海底胶结作用→准同生白云石化（见图4a）-浅埋藏白云石化（见图2b）→压实压溶作用→埋藏白云石化（见图2c、图4d）→重结晶作用（见图2d、图4e）→第1期破裂和热液作用（粗晶曲面鞍状白云石）（见图2e、图4f）→第Ⅰ期原油充注及残余沥青（见图4b）→第1期埋藏溶蚀（见图4c）→第2期破裂和方解石脉充填作用（见图4g、图4h）→第Ⅱ期油气充注与残存沥青（见图4g、图4h）→第2期埋藏溶蚀（见图4g）。

图3 川西北地区栖霞组埋藏史、热史、储集层成岩序列（a）及成藏史（b）

图4 川西北地区栖霞组储集层成岩特征

可见川西北地区栖霞组经历了两期白云石化和 1期热液作用，两期油气充注作用与伴生的埋藏溶蚀作用。其中，第 1期沥青主体沿缝合线或切穿细—中晶白云石颗粒的微裂缝分布（见图4b、图4e、图4f），或者沿着热液粗晶鞍状白云石的晶间孔或晶间溶孔分布，与第1期埋藏溶蚀作用相关（见图4c），反映第Ⅰ期油气充注作用发生在热液鞍状白云石之后，推测可能与下二叠统烃源岩在三叠纪末期进入规模生油阶段后的第Ⅰ期充注有关[13]；第 2期沥青较少，主要分布于晚期方解石脉的边缘或晶间溶孔中，可以见到晚期方解石脉切穿含有第1期沥青的细脉，第2期沥青与第 2期埋藏溶蚀作用相关（见图4g、图4h），可能与下二叠统烃源岩在晚侏罗世—早白垩世进入大量生凝析油气阶段的第Ⅱ期规模充注对应[13]（见图3）。

4 流体发育特征

4.1 稀土元素

研究区样品的稀土元素总量为19.211×10-6～89.476×10-6，平均值为 40.812×10-6。除却一个灰岩样品稀土元素总量高达89.476×10-6，基本处于正常海相碳酸盐岩范围（1×10-6～50×10-6）。稀土元素标准化曲线整体表现为左倾型，轻稀土元素与重稀土元素的比值为0.185～0.552，均值为0.370，指示轻稀土元素亏损而重稀土元素富集。δCe值总体为0.085～3.545，其中绝大多数样品表现为Ce含量负异常，说明白云石化作用发生于低温偏碱、氧化环境下；仅有少量样品表现为Ce含量正异常，可能受到了热液的影响。δEu值为0.153～7.688，平均值为2.425。大量样品出现了Eu含量正异常，说明研究区样品受热液改造作用明显，即受埋藏作用影响较大。特别是粗晶曲面鞍状白云岩和细—中晶他形白云岩样品的δEu异常值可达3～7，为典型的热液成因。而两个细晶直面自形白云岩样品的δEu值均为1左右，可能指示其基本源自海水，即该类岩石基本为准同生期产物。

4.2 碳氧同位素组成

碳氧同位素组成能够反映岩石形成时的盐度和温度，从而判断白云石化流体的来源和白云岩的成因。以全球二叠系作为参照，其δ13C值为1‰～6‰，δ18O值为-6‰～0[14]。研究区样品整体δ13C值为-2.24‰～3.37‰，均值为1.44‰；δ18O值为-9.24‰～-3.00‰，均值为-6.36‰，整体具有δ13C、δ18O“双负偏移”的特征，其中δ13C值负偏移指示成岩过程中有明显的有机碳源，而δ18O值负偏移可能指示非海源流体改造，如埋藏期的深部流体、热液等等，结合相关沉积背景和岩石学特征[15-17]，认为这种指标异常的成因是由于碳酸盐岩层在成岩作用早期受大气淡水淋滤作用影响形成孔隙，在埋藏成岩期孔隙被由微生物降解烃类形成的胶结物充填[18]，进而形成这种“双负偏移”特征。

4.3 流体包裹体测温与U-Pb定年

为了进一步确定油气藏成藏年龄，在明确成岩序列的基础上，对第Ⅰ、Ⅱ期烃类充注前发育的方解石脉进行 U-Pb年龄的测试（见图5）。测定结果表明，第Ⅰ期烃类充注前方解石脉U-Pb年龄为（221±11）Ma，指示烃类充注为晚三叠世；而第Ⅱ期烃类充注前方解石脉 U-Pb年龄为（143.6±6.9）Ma，指示烃类充注为早白垩世，与包裹体的测量结果基本一致。

图5 川西北地区栖霞组U-Pb同位素年龄

综上，川西北地区中二叠统栖霞组至少存在两期油气充注，根据包裹体和方解石U-Pb定年结果结合烃源岩生烃演化历史，可知两期油气充注相态均以原油、轻质油气为主。栖霞组现今为原油裂解气，天然气干燥系数大于 0.997，为干气，C2H6含量低，几乎不含C3H8、C4H10[21]，这与原油充注后在中—晚白垩世经历进一步埋深、成熟度和原油裂解程度高有关。

5 成藏演化模式

川西北地区栖霞组天然气乙烷碳同位素组成主要为-28.5‰～-25.6‰，表现为油型气特征，甲烷碳同位素组成比较重，主要为-31.1‰～-29.27‰，依据δ13C1=25.55lgRo-40.78经验公式计算得出栖霞组天然气Ro值为2.21%～2.89%[22]，处于过成熟阶段，表明气藏经历了高温演化。前人通过天然气碳氢同位素组成、轻烃组分组成以及储集层沥青与区域烃源岩生物标志化合物对比，发现川西北地区栖霞组天然气为原油裂解气，且为寒武系筇竹寺组泥岩和中二叠统茅口组泥灰岩混源供烃[23-25]。川西北二叠系普遍发育中二叠统碳酸盐岩和上二叠统泥质烃源岩和龙潭组煤系烃源岩，烃源岩与储集层互层分布或等时异相分布，组成自生自储优质生储盖组合[22-25]，因此，二叠系天然气主要呈现出自生混源的特征。从图6中可以看出，双鱼石构造栖霞组、茅口组天然气甲烷、乙烷碳同位素组成与高磨地区龙王庙组和川东地区石炭系典型油型裂解气的分布范围明显不同，但与普光、元坝、龙岗二叠系长兴组—三叠系飞仙关组天然气分布范围相似，应主要为二叠系自生自储天然气。九龙山构造栖霞组、茅口组天然气与之类似，也主要以二叠系自生自储为主。高国辉等通过对双鱼石构造栖霞组烃源岩和储集层抽提物生物标志化合物对比发现[26]，认为栖霞组储集层沥青与研究区茅口组和栖霞组烃源岩的具有同源关系，这也证明了栖霞组天然气应为二叠系烃源岩生成原油早期聚集、晚期原位裂解的产物。ST-3井泥盆系观雾山组天然气与栖霞组、茅口组天然气虽然乙烷碳同位素组成相近，但泥盆系甲烷碳同位素组成明显偏轻，指示泥盆系天然气与栖霞组、茅口组天然气可能不是同一来源；ST-3井泥盆系与安岳气田震旦系天然气甲乙烷碳同位素组成特征十分相近，而与安岳气田寒武系龙王庙组、川中二叠系天然气虽然甲烷碳同位素组成接近，但乙烷碳同位素组成则相差较大，可能预示着泥盆系观雾山组天然气并不是在观雾山组储集层中聚集来自寒武系的原油原位裂解的天然气，而应是从深部震旦系储集层中经历高裂解程度的天然气晚期通过断裂调整运移而来的。与之类似，矿山梁二叠系天然气也与安岳气田震旦系天然气甲乙烷碳同位素组成特征十分相近，推测同样为震旦系古气藏垂向运移调整形成。通过以上气源分析和对比表明川西北栖霞、茅口组天然气应整体以二叠系自生自储为主。在远离断裂的稳定构造区以二叠系自生自储为主，如九龙山二叠系天然气，双鱼石构造虽然断裂较为发育，但受下三叠统和下寒武统两套滑脱层的影响主要表现为分层构造变形的特征，断裂主要集中在二叠系内部[27]，多数未切割到深部震旦系（见图7a—图7c），因此双鱼石二叠系天然气同样以二叠系自生自储为主。靠近山前带断裂发育区，深部的震旦系天然气通过断裂上运形成天然气聚集，如矿山梁二叠系、河湾场二叠系天然气，ST-3井比ST-1井更加靠近山前断裂带，深大断裂沟通了深部震旦系，因此ST-3井观雾山组天然气来自于深部震旦系的裂解气，其天然气甲烷和乙烷的碳同位素组成与安岳震旦系天然气特征一致。

图6 四川盆地天然气甲烷、乙烷碳同位素特征及气源判识图

图7 川西北双鱼石构造—梓潼向斜—九龙山构造成藏演化剖面图（剖面位置见图1）

综上所述，可见川西北地区栖霞组具“多元供烃、复式输导、差异成藏、晚期定型”的成藏模式（见图7），包括了3个关键的成藏过程。

①晚三叠世。晚三叠世，川西北地区中二叠统栖霞组和茅口组海相混合型泥灰岩已经进入成熟阶段，筇竹寺组烃源岩达到成熟—高成熟阶段，但此时断裂不发育，原油主要沿着不整合面和储集层侧向运移，筇竹寺组生成原油通过侧向对接运移进入震旦系台缘带圈闭中形成古油藏。此时，双鱼石—梓潼—九龙山地区为区域构造高部位，两侧二叠系烃源岩生成的原油向构造高部位汇聚，发生第Ⅰ次原油充注，形成二叠系古油藏。

②晚侏罗世—早白垩世。进入晚侏罗世末期，中二叠统烃源岩均已大量进入高成熟阶段，生成大量轻质油气，发生第Ⅱ次充注，在栖霞组构造-岩性圈闭中再次充注。自早白垩世开始，二叠系储集层温度超过160 ℃（见图3b），并随着埋藏深度增大，储集层温度逐渐增高，早期聚集于储集层中的古油藏开始发生裂解，形成大量的原油裂解气。此时栖霞组储集层达中成岩阶段，双鱼石构造持续隆起，原油裂解气和干酪根裂解气在双鱼石地区不断混合，形成古气藏。双鱼石构造下伏的震旦系古油藏也发生了高裂解程度的原位裂解，形成类似于安岳气田的古气藏。

③晚白垩世末至第三纪。燕山期—喜马拉雅期，受龙门山的挤压冲断，山前带抬升掀斜，双鱼石构造和九龙山构造最终定型，由于双鱼石构造靠近龙门山前，断裂较为发育，使原先的大型古构造复杂化，形成以断层圈闭为主的圈闭群，古气藏局部发生分配调整，大部分稳定保持。靠近山前带地区，断裂规模大，切穿层位深，造成天然气的大量散失和垂向调整，深部震旦系古气藏通过断裂向上运移调整并在部分地区形成天然气聚集，如矿山梁二叠系、ST-3井观雾山组为典型的震旦系原油裂解气。双鱼石构造主体部位及以东地区，由于断裂规模小，没有切穿沟通震旦系气藏，因此仍以二叠系来源为主。九龙山构造此阶段形成并定型，但断裂不发育，二叠系和震旦系天然气为相互独立的成藏系统，各自向高部位富集。由于双鱼石—梓潼—九龙山地区二叠系发育古构造高和古气藏，燕山期—喜马拉雅期以来经历了构造调整和断裂改造，古气藏发生了调整，但总体上仍具有大面积成藏的特点，具有较大的勘探潜力。

6 结论

川西北地区栖霞组白云岩储集层成岩经历“泥晶化作用→海底胶结作用→准同生白云石化-浅埋藏白云石化→压实压溶作用→埋藏白云石化→重结晶作用→第1期破裂和热液作用（粗晶曲面鞍状白云石）→第Ⅰ期原油充注及残余沥青→第1期埋藏溶蚀→第2期破裂和方解石脉充填作用）→第Ⅱ期油气充注与残存沥青→第 2期埋藏溶蚀”多个阶段。成岩过程中流体来源可包括海水、大气淡水、烃类流体、深部热液流体。

川西北地区中二叠统栖霞组油气成藏表现为 2期原油充注和 1期裂解气成藏，第Ⅰ期原油充注为早期构造古油藏聚集阶段，成藏时间为距今207～216 Ma，对应晚三叠世；第Ⅱ期为油气充注为二叠系烃源岩大量生烃阶段，成藏时间为距今143～150 Ma，对应晚侏罗世—早白垩世；最后一期为原油大量裂解生气阶段，对应时间为中—晚白垩世，早期充注的原油大量裂解生气形成现今的干气藏。晚白垩世末期以来的抬升阶段，气藏可能经受了一定的调整和改造。

川西北栖霞组具“多元供烃、复式输导、差异成藏、晚期定型”的成藏模式。研究区二叠系天然气主要为二叠系海相混合型烃源岩生成的原油裂解气，局部混合有来自深部震旦系原油裂解气的贡献。断裂与下伏寒武系气源的连通程度是决定寒武系和二叠系气源差异的关键因素。古油气藏的规模发育及稳定良好的保存条件是天然气规模成藏的关键。