川东地区高陡构造带寒武系洗象池群天然气成藏条件

包汉勇，刘皓天，陈绵琨，盛贤才，秦 军，陈 洁，陈凡卓

（1.中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院，武汉 430223；2.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249）

0 引言

近年来，在四川盆地川东地区以上寒武统洗象池群为勘探目的层钻探了12 口探井，钻探成果显示，川东地区古生界主要发育上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组泥页岩与寒武系筇竹寺组页岩2套优质烃源岩［1-2］。由于被高台组膏盐岩层封盖，筇竹寺组烃源岩难以向洗象池群储层供烃，而五峰组—龙马溪组烃源岩沉积时间晚于洗象池群储层，在正常的地层叠置样式中无法为下伏储层供烃［3］；洗象池群储层岩性主要为砂屑白云岩与细—中晶白云岩，经取样测试孔隙度平均为3.1%，渗透率大多小于0.1 mD［4］，因此，川东地区洗象池群气藏缺乏有利的原始生储配置与储集空间。然而川东地区经历多期次构造活动，形成高度变形的滑脱褶皱，可能形成次生的“源-储配置”；此外，多期次的构造活动使储层中普遍发育构造裂缝，有效改善了储层物性，形成裂缝-孔隙型储层［5］，因此川东地区寒武系洗象池群具有成藏的客观条件。基于此提出了“源-储对接侧向供烃”的成藏模式［3］：断穿志留系烃源岩的逆冲断层可带动断层上盘的洗象池群储层向上逆冲与断层下盘的五峰组—龙马溪组烃源岩侧向对接，为天然气侧向运移提供输导条件；洗象池群储层上覆奥陶系致密泥岩层可作为直接盖层；下三叠统膏盐岩层在未被断层断穿的情况下可作为间接盖层。

平桥1 井洗象池群天然气的成功勘探，证实了川东地区洗象池群气藏具有一定的勘探潜力，但由于多期次构造运动形成了复杂构造样式，难以认识其天然气富集规律：梓里场区块和建南区块与平桥区块同属于川东高陡构造带，具有相似的构造条件，但仅有位于平桥区块的平桥1 井洗象池群测试获得工业气流［1］。勘探现状表明，川东地区洗象池群天然气的富集不止是由“源储侧向对接”构造条件所控制的。为明确川东地区洗象池群天然气勘探潜力，探明天然气动态成藏过程与主控因素，利用岩心、测井与地震资料，采用地震解释、平衡剖面以及包裹体检测等技术，比较平桥、建南、梓里场构造的成藏条件差异，分别分析平桥1 井的成功原因以及建深1 井与太和1 井的失利原因，阐明川东地区寒武系洗象池群天然气成藏的主控因素，以期为该区天然气勘探开发提供依据。

1 地质概况

四川盆地川东高陡构造带向西以华蓥山断裂为界与川中褶皱带相隔，向东以齐岳山断裂为界与湘鄂西褶皱带相隔，区内发育高陡背斜，走向以NE向为主。川东高陡构造带以大池干构造为界可分为南东与北西2 段，北西段发育典型川东隔挡式褶皱，南东段为川东构造应力过渡带，齐岳山断裂带以东的湘鄂西褶皱带则发育隔槽式褶皱。研究区平桥、梓里场与建南区块均位于川东构造应力过渡带（图1）。

图1 川东地区构造（a）与平桥1 井寒武系洗象池群岩性地层综合柱状图（b）Fig.1 Structural map of eastern Sichuan Basin（a）and stratigraphic column of Cambrian Xixiangchi Group of well Pingqiao 1（b）

川东地区经历了多期构造演化阶段，可分为加里东—海西期、印支—早燕山期、晚燕山—早喜山期以及晚喜山期4 个阶段［6-8］。何龙［9］等研究表明，川东地区的构造裂缝形成时期主要集中在晚燕山—早喜山期与晚喜山期2 个阶段。在加里东—海西期与印支期川东地区发育了部分基底断裂与一些受基底断裂控制的以NE 走向为主的褶皱；早燕山期受华南板块推覆作用产生的自南东向北西的挤压应力经过雪峰山传递至川东地区，根据以往通过磷灰石裂变径迹定年的研究，建南区块在136 Ma开始形成褶皱［10-12］；晚燕山期挤压应力传递至川东隔挡式褶皱带，由于逆冲推覆作用存在强弱差别，川东地区呈现不同的构造形变特征［13-15］（图2），这一时期是川东构造应力过渡带构造样式形成的主要时期；早喜山期由印度板块碰撞影响产生近东西向的水平挤压作用，使不同时期形成的构造复合与叠加并区域性缓慢抬升，这一时期的构造活动相对稳定，使川东地区构造样式定型；晚喜山期由于受太平洋板块俯冲以及印度板块碰撞的双重影响，四川盆地受以整体区域性抬升为主的构造作用，使晚燕山期形成的褶皱隆起幅度增大，局部地区发育走滑断层［16］。

图2 川东地区区域构造剖面图［11，14-15］Fig.2 Profile of regional tectonics in eastern Sichuan Basin

川东地区纵向上发育3 套塑性滑脱层，自下而上分别为寒武系膏盐岩滑脱层、志留系泥页岩滑脱层及三叠系膏盐岩滑脱层。根据AA′剖面（位置如图1所示）所展示的构造样式特点，川东地区横向上可分为3 个区段：南东段的隔槽式褶皱带、中段的构造应力过渡带与北西段的隔挡式褶皱带（图2）。构造应力过渡带纵向上受三叠系与寒武系滑脱层影响可划分出上、中、下3 个形变层，其中上、下形变层断层发育均相对较少；中形变层发育断穿志留系滑脱层的逆冲断层，使断层上盘的洗象池群储层与断层下盘的五峰组—龙马溪组烃源岩侧向对接，形成次生的“源-储配置”，同时断层收敛于三叠系滑脱层，保留了膏盐岩间接盖层的压力封闭能力，因此，构造应力过渡带是洗象池群天然气有利的成藏区域。隔槽式褶皱带由于发生构造形变时期早，受强烈挤压应力，多发育断穿至地表的断层，破坏了间接盖层的压力封闭机制，不具备洗象池群气藏的保存条件。隔挡式褶皱带发生构造形变时期晚，挤压应力已明显减弱，断层的发育未断穿志留系滑脱层，不能形成源-储侧向对接关系，不具备洗象池群气藏输导条件。

2 “源-储配置”条件

2.1 储层特征

川东地区洗象池群的储集岩主要为砂屑白云岩与残余砂屑粉—细晶白云岩。其中，砂屑白云岩中砂屑体积分数大于55%，颗粒间为亮晶白云石胶结物，储集空间为粒间孔（图3a，3b）。部分颗粒白云岩受强烈重结晶作用改造，颗粒的原始结构被破坏，仅可见残留颗粒幻影，形成残余砂屑白云岩，储集空间为粒间孔与晶间孔（图3c，3d）。除粒间孔与晶间孔外，洗象池群发育的部分构造缝与溶蚀缝也可作为储集空间，溶蚀缝具有明显的溶蚀痕迹，产状多不规则（图3e），构造缝边缘平直，延伸远，且具有方向性（图3f）。裂缝一般宽0.2 mm，具有一定的储集能力，能够改善孔隙之间的连通性，增强储层的渗滤能力。由于沉积相带影响储集岩初始孔隙与准同生期的暴露与溶蚀作用［17］，因此，储层主要集中在洗三段中颗粒滩亚相发育的位置。

图3 川东地区寒武系洗象池群储集岩类型及储集空间特征Fig.3 Reservoir rock types and reservoir space characteristics of Cambrian Xixiangchi Group in eastern Sichuan Basin

2.2 平衡剖面模拟过程

尽管平桥、建南与梓里场区块同属于川东构造应力过渡带，但发生构造形变的时间与程度均存在差异，导致其成藏条件也存在一定区别。为研究3个重点构造的演化过程，分别选取了BB′、CC′ 2 条SE—NW 方向剖面（位置如图1 所示），通过运用2Dmove 软件并遵循平衡剖面方法原理，模拟地层的缩短量与缩短率，恢复了平桥区块与建南区块的构造演化史（表1）。

表1 川东地区重点构造平衡剖面变形量Table 1 Deformation rate of balanced cross sections of key structures in eastern Sichuan Basin

BB′与CC′ 2 条平衡恢复剖面经历燕山期、喜山期构造运动，主要发育逆冲推覆构造，以侏罗纪末期—早白垩世末期经历的早燕山期构造运动最为剧烈，2 条剖面的缩短率分别为19.6%与18.3%。梅廉夫等［10］通过平衡剖面分析计算得出，侏罗纪—早白垩世中期川东褶皱带东南段自齐岳山—七里峡发生收缩变形的缩短率为21.2%；吴航［14］通过构造物理模拟与离散元数值模拟实验计算得出，在170～70 Ma（侏罗纪末期—晚白垩世末期）川东构造带缩短率为24.3%；张朝坤［15］通过对方斗山磷灰石样品裂变径迹热史模拟与构造物理模拟实验结果分析得出，在135～70 Ma（早白垩世中期—晚白垩世末期）方斗山构造带缩短率为15.0%。本次实验模拟结果与以往研究成果数据相近，说明此次模拟实验结果与以往平衡剖面研究取得认识基本吻合。

2.3 构造演化下的源-储配置

早燕山期，由板块推覆作用产生的挤压应力传递至川东构造应力过渡带，平桥区块自早白垩世起受燕山早期构造运动影响，褶皱开始形成。晚燕山期，在挤压应力持续作用下发育逆冲断层，下伏地层沿着断层向上冲覆，在断距增大的过程中，断层上盘的洗象池群储层与断层下盘的五峰组—龙马溪组烃源层形成源-储侧向对接关系（图4），随着断层的发育，断层上盘的地层上拱变形并发育断展褶皱，与相关断层组成断背斜圈闭。平桥断背斜圈闭与梓里场区块断背斜圈闭形成于晚白垩世；建南区块受早燕山末期构造运动作用发育逆冲断层，下伏地层沿着断层向上冲覆，随着断层断距增大，逐渐形成了次生的“源-储配置”，使储层通过断层与烃源层侧向对接，建南构造与平桥构造形态相似，由于受构造挤压作用时期较早，于早白垩世形成建南断背斜圈闭（图5）。晚燕山期构造活动较弱，建南区块与平桥区块褶皱形态稳定；喜山构造运动时期，川东地区整体缓慢抬升，先存的褶皱隆起幅度增大，在褶皱隆起的过程中构造高部位发育部分走滑断层，对断背斜圈闭的保存起到调整改造作用。

图4 川东地区平桥区块构造演化剖面Fig.4 Tectonic evolution profile of Pingqiao structure

图5 川东地区建南区块构造演化剖面Fig.5 Tectonic evolution profile of Jiannan structure

3 断层输导与油气运聚条件

川东地区通过逆冲断层形成了“源-储对接侧向供烃”的成藏模式，与“自生自储”等其他类型成藏模式的区别是：断层的结构对油气聚集具有重要控制作用。Sibson 等［18］研究表明，断层活动时期产生的地震泵作用是流体运移的主要动力来源之一。当断距大于10 m时，碳酸盐岩层系断裂带分为断层核与碎裂带2 部分［19］，其中，碎裂带是靠近断层核，发育大量裂缝的围岩带，具有较强的渗透能力；断层核主要由断层角砾岩与断层泥组成，其中，断层角砾岩经历长距离的挤压性构造运动碾压作用，导致岩石破碎，并发生致密胶结作用［20］，使孔隙度与渗透率大幅降低，因此，断层核成为非渗透性的隔挡层［21-23］（图6a）。Micarelli 等［24］研究表明，断层核部分的渗透率比相邻碎裂带低约1～2 个数量级。当断距大于10 m 时，断裂带中流体的输导主要指流体沿断层核两侧的碎裂带向上输导，侧向输导受断层核的阻碍。然而在断层活动期，断层核可能存在尚未胶结闭合的部分裂缝，且断层核的发育与分布具有不连续性［25］，当构造应力作用于断层核区域岩层时，岩石裂隙扩张，流体在压差的作用下充注到断层核区域相对流体压力较低的裂缝；随着油气不断充注，裂缝中的流体压力逐渐增大，流体在压差与浮力的共同作用下从裂缝中被排出并运移至断层上盘的储层。因此，在断层活动期，流体以穿过断裂带侧向运移作为次要的运移方向。当五峰组—龙马溪组烃源岩与洗象池群储层之间发育单条活动断层时，下盘烃源岩中的天然气可以侧向输导至上盘储层中聚集（图6b）；当下盘烃源岩与上盘储层之间发育多条断裂带时，由于多条非渗透断层核的发育，天然气难以侧向运移至储层（图6c，6d）。

图6 断裂带流体输导模式（据文献［20-22，24-25］）Fig.6 Fluid transport patterns in fault zones

川东地区五峰组—龙马溪组烃源岩在早二叠世末期（270 Ma）开始向外排烃，在三叠纪末期（200 Ma）进入高成熟演化阶段，于侏罗纪末期（145 Ma）进入过成熟演化阶段［26］。白垩纪川东地区洗象池群储层受燕山期构造抬升影响，通过单条断层构成断裂带的沟通与五峰组—龙马溪组烃源岩形成源-储对接关系，天然气在构造活动引发的地震泵抽吸作用与浮力共同提供的动力下，自断层下盘侧向运移至断层上盘充注洗象池群储层。

平桥构造发育5 条主要断层，自西向东依次为：平桥西断层、平桥西②断层、平桥西①断层、平桥东①断层与平桥东②断层（图7）。受强烈挤压作用，在平桥西断层与平桥东①断层之间的区域形成了冲起构造，岩层随着断层切割发生扭曲形成平桥背斜。平桥东①断层的上、下盘分别对接了洗象池群储层与五峰组—龙马溪组烃源岩，形成了良好的源-储对接关系。随着平桥区块发生构造抬升，志留系烃源岩停止生烃演化，此时烃源岩成熟度大于2.5%，已处于过成熟演化阶段，天然气穿过单条断层侧向输导充注储层（图6b、图7）；平桥西断层的断距较小，未形成良好的源-储对接关系，且烃源岩与储层之间发育了由多条断层组合的断裂带，在侧向上输导能力极差，因此，平桥西断层下盘的烃源岩不具备为平桥圈闭供烃的能力（图6d）。

图7 川东地区平桥构造天然气运聚与散失模式Fig.7 Migration，accumulation and diffusion patterns of natural gas in Pingqiao structure

建南构造附近发育太平镇断层以及一系列平行分布的逆断层，太平镇断层断穿了志留系烃源岩，向上收敛于三叠系膏盐岩中，断层上盘地层发育断展褶皱，与太平镇断裂组合形成建南断背斜圈闭（图8）。位于太平镇断层上盘的洗象池群储层随着逆冲推覆体沿断层向上运动，与位于断层下盘的五峰组—龙马溪组烃源岩形成了源-储对接关系。随着建南区块发生构造抬升，志留系烃源岩停止演化，此时烃源岩成熟度大于4.0%，已进入过成熟演化阶段。由太平镇断层与一系列逆断层组成的断裂带宽度大于500 m，发育连续的断层核，使侧向上的输导能力极差（如图6c，6d，图8），因此，位于太平镇断层下盘的烃源岩几乎不具备为断层上盘储层供烃的能力，建南圈闭输导条件极差。

图8 川东地区建南构造天然气运聚与散失模式Fig.8 Migration，accumulation and diffusion patterns of natural gas in Jiannan structure

梓里场构造位于川东高陡构造带焦石坝地区西南侧，主要发育梓里场断层以及分布于圈闭核部的逆断层（图9），在梓里场断层上盘发育断展褶皱。梓里场断层为圈闭的边界断层，断穿了志留系烃源岩，向上收敛于三叠系膏盐岩中，断层上盘的洗象池群储层与下盘的五峰组—龙马溪组烃源岩形成了源-储侧向对接关系。地层发生抬升时，烃源岩停止演化，此时烃源岩成熟度大于2.5%，已进入过成熟演化阶段，根据断裂带流体输导模式，天然气可穿过单条断裂带侧向输导充注储层（图6b、图9），梓里场圈闭输导条件较好。

图9 川东地区梓里场构造天然气运聚与散失模式Fig.9 Migration，accumulation and diffusion patterns of natural gas in Zilichang structure

4 天然气保存条件

古近纪—现今，受喜山末期构造运动影响，川东地区区域整体快速隆升，褶皱幅度随之增大，这个时期在部分构造高点处发育了走滑断层，这些小型断层断穿了洗象池群储层上覆的直接盖层，对圈闭保存条件产生了一定破坏作用（参见图4、图5），早期圈闭中部分天然气沿着断层发生散失，圈闭范围调整为背斜构造高部位未发育断层的区域。

平桥圈闭以平桥西①断层与平桥东①断层作为圈闭边界，洗象池群储层上覆的奥陶系直接盖层未受到断层破坏（参见图7），因此，平桥圈闭同时具备良好的天然气输导条件与保存条件，有利于洗象池群天然气成藏。在平桥1 井洗象池群中裂缝较发育的岩心段进行取样、磨制薄片，在包裹体薄片镜下充填于砂屑白云岩的粒间孔洞及裂缝的方解石胶结物中收集了共21 个烃类包裹体测点。根据包裹体激光拉曼实验结果，在方解石胶结物中的气液两相包裹体中识别出特征拉曼峰为2 915 cm-1的甲烷气体成分（图10a），证实平桥1井洗象池群曾发生过油气充注，且平桥1 井洗象池群试气结果获25.13×104m3/d的高产工业气流。

图10 川东地区寒武系洗象池群储层气液两相包裹体激光拉曼光谱图Fig.10 Laser Raman spectra of gas-liquid two-phase inclusions of Cambrian Xixiangchi Group in eastern Sichuan Basin

建南断背斜核部洗象池群储层上覆的奥陶系直接盖层在构造活动中保存完好，未被断层破坏，因此，建南圈闭具有较好的保存条件（参见图8）。综合分析认为建南构造成藏条件不利于洗象池群天然气成藏。在建深1 井洗象池群中裂缝较发育的岩心段进行取样、磨制薄片，包裹体激光拉曼实验结果显示（图10b），在来自建深1 井充填在裂缝中的方解石胶结物中包裹体的8 个测点中，均未识别出甲烷成分的特征拉曼峰，且建深1 井洗象池群测井解释结果为水层，证实建深1 井洗象池群未发生油气充注。

梓里场圈闭核部发育的断层断穿了储层上覆的奥陶系直接盖层（参见图9），破坏了圈闭盖层的封盖能力，因此梓里场圈闭保存条件差，且太和1井洗象池群测井解释结果为水层，证实梓里场构造成藏条件不利于洗象池群天然气成藏。

5 结论

（1）川东地区洗象池群储层缺乏原始的生-储配置关系，但位于方斗山断裂与齐岳山断裂之间的构造应力过渡带受构造运动影响，洗象池群储层与五峰组—龙马溪组烃源岩形成次生的“源-储配置”，为天然气穿过断层的侧向运聚提供了条件，同时又保留了三叠系间接盖层的封盖能力，是有利的洗象池群天然气成藏区。

（2）通常在断距大于10 m的断裂带中，流体以沿着碎裂带向上运移为主要运移方向，以穿过断裂带侧向运移为次要运移方向。因此在断层活动期，当烃源岩与储层之间发育单条活动断层时，下盘的天然气可以侧向输导至上盘储层聚集；但下盘烃源岩与上盘储层之间发育多条断层时，由于多条非渗透断层核的发育，天然气很难侧向运移至上盘储层。

（3）川东地区洗象池群断裂活动起始于早燕山期，主要发育于晚燕山期。平桥、建南、梓里场构造均于晚燕山期形成了源-储侧向对接关系，断裂带的输导与天然气的侧向运移也主要发生在断裂主要活动的晚燕山期。平桥背斜东翼与梓里场断背斜东翼的单条断层使圈闭形成了次生的“源-储配置”，天然气可以穿过断裂带向断层上盘的储层运移，输导条件较好；建南断背斜西翼的多条平行断层的发育，降低了断裂带侧向输导的能力，导致建南圈闭输导条件差。

（4）川东地区洗象池群喜山期构造运动表现为整体抬升以及发育次级走滑断层，梓里场圈闭构造高部位发育断层破坏了储层上覆奥陶系直接盖层的封盖能力，导致圈闭不具有天然气保存条件。综合分析本次研究的川东地区重点构造中，平桥断背斜圈闭同时具备良好的输导条件与保存条件，具有最佳的成藏条件。川东地区洗象池群天然气成藏是由使圈闭发育次生“源-储配置”的断层的规模与断裂带的侧向输导能力，以及圈闭盖层的完整性所共同决定的。