Petroleum geological conditions and exploration potential of the Permian Qixia Formation in the middle segment of Western Depression, Sichuan Basin
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摘要: 近年来，四川盆地西部坳陷北段双鱼石构造、南段平落坝构造二叠系栖霞组勘探取得重大突破，而西部坳陷中段栖霞组勘探尚未突破。为了加快栖霞组超深层海相油气勘探节奏，基于西部坳陷中段周边大量野外露头剖面，结合区内及邻区部分地震和钻井资料以及前人研究成果，系统梳理了栖霞组油气地质条件，综合分析西部坳陷中段的勘探潜力。结果表明，研究区栖霞组具有与西部坳陷北段和南段相同的沉积背景，具备台缘优势相带，具有形成优质储层的条件；同时，该区栖霞组通源断裂发育，能有效沟通寒武系筇竹寺组生烃中心，上覆二叠系致密灰岩和泥页岩以及三叠系膏岩层可作为良好盖层，源—储—盖组合较好，具有形成规模性油气藏的条件。Abstract: In recent years, great breakthroughs have been achieved for the exploration in the Permian Qixia Formation of the Shuangyushi structure in the north and the Pingluoba structure in the south of the Western Depression of the Sichuan Basin (Chuanxi Depression), while the exploration of the same formation in the middle segment of the Chuanxi Depression has not been carried out. In order to accelerate the ultra-deep marine natural gas exploration of the Qixia Formation, based on a large number of outcrops around the middle segment of the Chuanxi Depression, combined with seismic and drilling data and previous research results, this study systematically combed the oil and gas geological conditions of the Qixia Formation and comprehensively analyzed its exploration potential. Results show that the Qixia Formation in the study area has comparable sedimentary background as the north and south segments of the Chuanxi Depression, and is a platform margin sedimentary facies with superior reservoir conditions. Moreover, the Qixia Formation in the study area is connected with the hydrocarbon generation center of the Cambrian Qiongzhusi Formation by source faults. The tight limestone and shale of Permian and the gypsolyte of Triassic can be potential excellent cap rocks. Therefore, the source-reservoir-cap assemblage of the Qixia Formation in this area is preferential for large-scale hydrocarbon accumulation.
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二叠系栖霞组油气勘探始于20世纪70年代，是四川盆地重要的天然气勘探层系[1-2]。经过40余年的勘探实践，已相继发现了四川盆地西部坳陷(简称“川西坳陷”)北段双鱼石气田和南段大兴场、平落坝等含气构造，展示了川西坳陷二叠系栖霞组良好的天然气勘探前景[3-10]。该层位在川西坳陷中段埋藏超深(大部分地区埋深在8 000 m左右)，除东部构造位置较高的永胜1井(埋深近7 000 m)钻揭栖霞组，在西部构造位置较低的栖霞期台缘带[11-20]尚未钻遇栖霞组。因此，针对川西坳陷中段栖霞组的油气地质条件研究薄弱，勘探潜力认识不清。鉴于此，本文根据近年来积累的研究区周边大量的野外露头资料，结合区内及邻区部分地震资料，通过对构造沉积背景的再认识、邻区典型气藏的解剖和区内油气地质条件分析，对该区栖霞组的勘探潜力作了评价，旨在为川西坳陷中段栖霞组超深层碳酸盐岩油气勘探提供参考。
1. 川西坳陷区域地质背景
川西坳陷二叠系沉积之前，四川盆地经历了加里东和海西旋回的多幕构造抬升作用，从而导致古隆起区由于沉积间断或是风化剥蚀出现不同程度的地层缺失。具体而言，位于古隆起核心部位的盆地中西部(雅安—资阳一带)地层缺失最多，平面上表现为自西向东二叠系依次与震旦系、寒武系、奥陶系、中下志留统不整合接触(图 1a)。进入二叠纪之后，四川盆地内泥盆纪和石炭纪的古隆起开始大幅下沉，且伴随着海退过程中对前期沉积地貌的准平原化，四川盆地总体上形成了自西而东、由西南向北东方向低缓倾斜的古地貌特征，且因差异风化及古隆起等原因，盆地内部还存在着众多小规模的地形起伏差异。这些二叠系沉积前的地形起伏(古地貌)，对二叠纪栖霞期的地层和沉积相带展布具有明显的控制作用[16, 21-23]。
图 1 四川盆地二叠系栖霞组构造沉积背景及研究区位置Figure 1. Tectonic sedimentary setting of Permian Qixia Formation in Sichuan Basin and location of study area川西地区栖霞组厚度介于70~130 m之间，自下而上可进一步分为栖一段和栖二段。栖一段主要为中—薄层状深灰、黑灰色泥晶生物(屑)灰岩、生物(屑)泥晶灰岩、泥晶灰岩夹泥质灰岩，发育似“眼球”状构造；栖二段主要为厚层—块状灰、浅灰色泥—亮晶生物(屑)灰岩、“豹斑”状云质灰岩、粉—细晶白云岩和砂糖状白云岩。栖霞组生物化石丰富，主要发育有孔虫、珊瑚、腕足类等。
诸多学者常采用二叠系沉积前古地质图来反映和刻画二叠系沉积前古地貌，但是关于二叠系沉积前地层展布范围的认识并不统一[24-28]，而二叠系沉积前古地质图的精确刻画，将直接影响栖霞组沉积相的刻画。因此，本文在前人研究的基础上，通过137条区域二维地震剖面，进一步精确刻画了二叠系沉积前古地质图(图 1a)，并结合四川盆地栖霞组最新沉积研究成果[17, 20, 29]，重新编制了四川盆地及周缘二叠纪栖霞期岩相古地理图(图 1b)，明确了栖霞期丘滩体沿二叠系沉积前川西古地貌高地和川中古隆起周缘展布的特征，其中川西坳陷中段龙门山前带处于台地边缘丘滩体发育区(图 1b)。
野外地质调查表明，位于龙门山前带川西坳陷中段的都江堰虹口、绵竹高桥、北川通口等地的栖霞组剖面均有浅水高能滩体发育，岩性以亮晶砾屑鲕粒灰岩(图 2a)、亮晶砂屑生屑灰岩(图 2b)和生屑颗粒云岩(图 2c)为主，有利于储层的形成。地震剖面上，川西坳陷中段解释栖霞组时间厚度为50~70 ms，东部YS1井钻遇栖霞组114 m，地层向西北方向有增厚趋势(图 3a)；沿龙门山前栖霞组地震波具有明显的分段差异特征，整体厚度稳定的背景下，局部发育厚度变薄区波组特征明显(图 3b)，其中，绵阳—安县地区栖霞组具有与双鱼石地区类似的地震反射特征(图 3b)。
图 2 四川盆地西部坳陷中段二叠系栖霞组颗粒滩镜下特征露头位置见图 1。Figure 2. Microscopic characteristics of grain bank of Permian Qixia Formation in middle segment of Chuanxi Depression, Sichuan Basin
图 3 四川盆地西部坳陷二叠系栖霞组地震剖面特征地震剖面位置见图 1a。Figure 3. Seismic profile of Permian Qixia Formation in Chuanxi Depression, Sichuan Basin栖霞组沉积之后至晚三叠世早期，川西龙门山地区继承了晚古生代被动大陆边缘格局[30]，受印支早期构造运动影响，研究区地层抬升，雷口坡组顶部发生弱暴露(图 4a)；晚三叠世中—晚期，龙门山前挤压变形逐渐增强，二叠系栖霞组发育背斜构造雏形，以川西中段为中心的前陆盆地，上三叠统须家河组楔形沉积体形成，逆冲断层以前展式的方式进行，通济场断层形成，印支晚幕的构造活动使须家河组抬升(图 4b)；早侏罗世—中侏罗世早期，龙门山与四川盆地结合带发生陆内伸展和岩体侵位[29]；燕山中—晚期，中、下三叠统滑脱层之上的地层进一步挤压变形，广元—关口断裂、彭县断裂形成，龙门山持续抬升剥蚀(图 4c)；喜马拉雅期，受喜马拉雅构造运动的影响，中、下三叠统滑脱层之下的地层变形明显，并产生一些小断层，栖霞组构造基本定型，各主要断层位移进一步增大，龙门山迅速抬升(图 4d)。
图 4 四川盆地西部中段构造演化剖面Figure 4. Tectonic evolution section in middle segment of western Sichuan Basin2. 邻区栖霞组典型气藏解剖
双鱼石栖霞组气藏位于紧邻研究区的川西坳陷北段。该气藏构造复杂，发育多个近平行的北东—南西向展布的背斜、断背斜和断鼻构造[31]，圈闭类型为构造—岩性复合圈闭[8]，其中构造圈闭具有数量多、单个圈闭较小(0.9~46.7 km2)的特征[31]。
栖霞组沉积期，双鱼石区块位于台缘丘滩有利沉积相带[11, 17, 29]，白云岩发育且分布稳定，主要分布于栖二段中下部，厚度介于15~36 m之间[31]。在地震剖面上，该区栖霞组丘滩体通常表现为高频杂乱不连续反射。具体而言，栖霞组内部地震反射强度相较于丘滩体不发育区振幅变弱，地层厚度略有增大，表现为丘状、杏仁状或者不规则杂乱状地震反射特征[32]。双鱼石气藏储层岩性主要为晶粒白云岩和残余砂屑白云岩，储集空间以晶间(溶)孔和溶洞为主，裂缝较为发育，主要表现为裂缝—孔洞型和裂缝—孔隙型储层[32-33]。
烃源条件方面，绵阳—长宁裂陷槽内寒武系筇竹寺组泥质烃源岩大规模发育，双鱼石地区寒武系烃源岩厚度大于500 m，有机质类型为Ⅰ型，生烃强度为(40~80)×108 m3/km2 [8]。此外，该地区还发育厚度有限(通常为数米)的二叠系梁山组煤系烃源岩，以及厚度较大的栖霞组、茅口组碳酸盐岩烃源岩[4]。其中，梁山组有机质类型为Ⅲ型，平均有机碳含量为2.24%，栖霞组、茅口组有机质类型为Ⅱ型，平均有机碳含量为1.4%，整个二叠系烃源岩生烃强度为(18~40)×108 m3/km2 [8]，低于寒武系生烃强度。通过油气源对比分析表明，双鱼石栖霞组天然气主要来自于二叠系烃源岩，部分来自寒武系烃源岩，其原因在于双鱼石地区深大断裂欠发育，导致深部寒武系烃源岩供烃受限[4]。
3. 川西坳陷中段油气地质条件
3.1 烃源岩及输导条件
近年来，随着对四川盆地中二叠统勘探力度的逐步加大，油气勘探不断取得突破，尤其是川西和川中地区栖霞组勘探取得了实质性进展，因此对于中二叠统气藏的天然气成因和来源也取得了一系列成果认识[6, 8, 34-38]。研究表明，四川盆地中二叠统气藏主要烃源岩层共有4套，由下至上依次为寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组、二叠系栖霞组和茅口组。其中，筇竹寺组和龙马溪组为腐泥型泥岩烃源岩，栖霞组和茅口组为有机质类型Ⅰ—Ⅱ型的泥灰岩烃源岩[36, 39]。通过天然气、储层沥青和相关烃源岩地化指标相互对比表明，川西坳陷由于志留系烃源岩的缺失，一般情况下栖霞组天然气主要来源于寒武系筇竹寺组泥岩，其次为二叠系栖霞组和茅口组泥灰岩[6, 8, 38, 40]，而川西以外地区随着志留系龙马溪组厚度的逐步增厚，在无有效的深大通源断裂沟通的情况下，下伏寒武系筇竹寺组对中二叠统气藏的贡献急剧降低，如川东和蜀南地区中二叠统天然气主要来自龙马溪组[36]。此外，中二叠统天然气以甲烷为主，体积分数普遍高于95%，干燥系数大于0.98，为典型干气[38]，该特征与源岩埋藏深度大、热演化程度高相关；川西坳陷中二叠统天然气干燥系数最大、δ13C1和δ13C2最重[6, 8, 38]，而δ13C1作为成熟度参数[41-42]，说明川西地区天然气成熟度最高，这与该地区埋藏最深、干燥系数最大相吻合。
露头观察发现，川西坳陷中段筇竹寺组岩性主要为黑色富有机质泥页岩(图 5a)，栖霞组储层可见油苗(图 5b)；地震剖面上，筇竹寺组在研究区均有发育，厚度主要介于50~300 m之间，整体上具有从南西向北东逐渐增厚的趋势(图 5c)。TOC分析表明筇竹寺组残余有机碳含量主要介于1.0%~2.0%之间，计算生烃强度为(30~170)×108 m3/km2(图 5d)。川西坳陷中段东部YS1井证实，寒武系筇竹寺组泥岩和二叠系栖霞、茅口组泥灰岩为YS1井上二叠统储层的主要供烃层系。
就输导条件而言，川西坳陷中段地震剖面可见深大断裂断至下伏寒武系筇竹寺组，可作为沟通二叠系储层的通源断层(图 6)。此外，川西地区栖霞组底部泥灰岩可为自身储层提供一定的供烃能力[6]，且通过断层两侧源岩—储层的侧向对接，也可实现其上茅口组一段泥灰岩[38]，甚至是龙潭组泥页岩[43]生成的油气侧向进入栖霞组储层中。但总体而言，推测川西坳陷中段栖霞组气藏以寒武系供烃为主。
图 6 四川盆地西部坳陷中段二叠系栖霞组油气输导条件地震剖面位置见图 1b。Figure 6. Oil and gas channel conditions of Permian Qixia Formation in middle segment of Chuanxi Depression, Sichuan Basin综上，研究区栖霞组烃源条件优越，输导条件较好，具备形成大规模气藏的物质基础和运移通道。
3.2 储层条件
露头调查及钻井揭示，川西坳陷北段和南段栖霞组发育台缘优质白云岩储层[23, 44-48]。前期主流观点认为，该套白云岩形成机制为埋藏期的热液白云岩化作用[12, 49-54]，储层分布受基底断裂控制[47]，离断裂越近白云岩厚度越大，往盆地内部厚度减薄。随着勘探不断深入，多口钻井在远离断裂带的盆地内部钻遇厚层白云岩，所以栖霞组白云岩的分布很可能与前期主流观点认识不同。近期越来越多的研究表明，栖霞组白云岩化流体主要为早期(准同生期)海水[2, 6, 16, 48, 55-56]，后期热液主要是对先期白云岩的进一步改造，且对储层多为破坏性作用，而储层的建设性成岩作用主要为准同生期和早成岩期的暴露岩溶作用[2, 44-45, 57-59]。此外，刘诗琦等[60]基于四川盆地栖霞组、茅口组白云岩的原位溶蚀模拟实验表明，封闭体系下的热液白云岩化作用不具有增孔效应。全子婷等[29]通过对川西北地区栖霞组微生物丘的剖析，认为栖霞期水体较浅，海平面的频繁升降变化和微生物丘的叠置迁移，导致缓坡型碳酸盐台地极易受限，从而引发与丘滩体发育相关的准同生期白云岩化作用。因此，发育于川西台缘带和川中内缓坡古隆起周缘的台内丘滩体为栖霞组白云岩储层发育有利区(图 1b)。
川西坳陷中段具有与北段双鱼石地区栖霞组丘滩体类似的地震反射特征，如大邑地区和绵阳—安县地区(图 3b)；此外，在川西坳陷中段西部的栖霞组露头剖面上，如都江堰虹口、绵竹高桥、绵竹燕子岩、北川通口等剖面均可见到云化的栖霞组丘滩体优质储层(图 7)，且研究区地腹三维地震波阻抗反演剖面显示，栖霞组波阻抗低值异常储层段特征明显，丘滩相储层整体较为发育(图 8)。因此，本次研究认为川西坳陷中段栖霞组台缘白云岩储层大面积连片稳定发育，储层条件优越。
图 7 四川盆地西部坳陷中段二叠系栖霞组储层特征露头位置见图 1。
a.绵竹燕子岩，灰色云质灰岩，溶蚀孔洞发育；b.绵竹燕子岩，浅灰色白云岩，溶孔发育；c.绵竹燕子岩，浅灰色白云岩，晶间孔发育, 扫描电镜；d.北川通口, 生屑颗粒云岩，晶间溶孔发育，单偏光；e.绵竹高桥，浅灰色白云岩，溶蚀孔洞发育；f.绵竹高桥，浅灰色白云岩，溶孔发育；g.都江堰虹口，细—中晶白云岩，晶间孔发育，单偏光，铸体片；h.都江堰虹口，中—粗晶白云岩，晶间(溶)孔发育，单偏光Figure 7. Reservoir characteristics of Permian Qixia Formation in middle segment of Chuanxi Depression, Sichuan Basin
图 8 四川盆地西部坳陷中段连片三维二叠系栖霞组波阻抗反演剖面地震剖面位置见图 6。Figure 8. Three dimensional wave impedance inversion of Permian Qixia Formation in middle segment of Chuanxi Depression, Sichuan Basin3.3 盖层及保存条件
研究区栖霞组上覆直接盖层为茅口组一段致密灰岩—泥灰岩韵律层(眼球状石灰岩)，厚度约100 m。另外，茅口组上覆上二叠统龙潭组泥页岩，厚度主要介于100~150 m；中下三叠统嘉陵江组和雷口坡组致密膏岩层发育，厚度大于200 m；上覆上三叠统、侏罗系和白垩系陆相巨厚泥页岩发育，累计厚度在320~1 600 m之间[61]，三者均可作为栖霞组储层的区域性间接盖层(图 9)。
图 9 四川盆地西部坳陷中段断裂发育及盖层特征地震剖面位置见图 1b。Figure 9. Fault development and cap rock characteristics in middle segment of Chuanxi Depression, Sichuan Basin保存条件方面，已有研究表明川西坳陷冲断带—盆地系统不同构造区油气成藏过程存在较大差异[4]。具体来说，栖霞组前期形成的油气藏在冲断带遭到破坏，含气性差，如川西坳陷北段的矿山梁和河湾场构造；而冲断前锋带和前缘隆起带的构造稳定保持区，栖霞组气藏常保存至今，含气性好，如川西坳陷北段的双鱼石和九龙山构造[4]。对于川西坳陷中段，西南部大邑及山前带地区大断裂发育，保存条件可能欠佳，但其他地区(如绵阳—安县地区)不发育断至浅层的大断裂和出露地表的通天断层，保存条件相对较好(图 9)。此外，研究区北部局部储层发育区，整体构造为单斜形态，但二维地震测线解释存在侧向封堵的可能性较大。因此，川西坳陷中段栖霞组储层的盖层和保存条件整体较好。
4. 勘探潜力分析
从整个四川盆地来看，盆内栖霞组烃源条件较好，川西坳陷中段亦是如此，成藏的关键在于储层、保存条件以及油气运聚与圈闭的匹配关系。
目前，川西坳陷中段北侧双鱼石构造、南侧平落坝构造经多年勘探，已经明确其栖霞组地质背景及油气勘探潜力。栖霞组储层发育的主控因素为有利沉积相带和古地貌双重控制，其中台缘丘滩体是储层形成的物质基础，沉积古地貌控制丘滩体相带展布，同时有利于准同生期白云岩化作用和暴露岩溶作用。本次研究开展了ST3井、PT1井地震解剖，结合正演模拟分析结果，建立了栖霞组台缘白云岩储层发育的地震响应特征，并对川西坳陷中段栖霞组白云岩储层的分布范围进行了预测(图 1b，图 10)。结果表明，川西坳陷中段与双鱼石及平落坝构造类似，栖霞组同样处于龙门山前台缘带，具备优质储层形成的条件。
图 10 四川盆地西部坳陷中段二叠系栖霞组区带评价Figure 10. Play assessment of Permian Qixia Formation in middle segment of Chuanxi Depression, Sichuan Basin保存条件方面，通过对川西坳陷中段新处理连片三维地震资料进行了解释，解释网格密度为2×5，对目的层栖霞组构造特征、断裂特征进行了详细研究，落实了本区域构造特征(图 10)。结果表明，研究区油气保存条件有差异：大邑、山前带地区大断裂发育，而绵阳—安县地区保存条件相对较好。针对龙门山—川西地区地质结构具有分带、分段、分层的构造变形特征，山前原地(准原地)隐伏构造保存条件最为有利，是重点勘探突破区带。
成藏匹配方面，川西坳陷中段寒武系烃源岩在三叠纪—侏罗纪初总体处于生烃高峰期，研究区在燕山期以前古构造位置较为有利，有利于油气运移和保存，但在燕山期和喜马拉雅期该区长期处于盆地的斜坡和低洼位置，不利于油气的运移和保存。栖霞组已有气井分布显示，气藏受控于白云岩储层，气藏圈闭类型为构造—岩性圈闭，研究区具备“早期岩性控藏、晚期构造弱调整、局部构造控富”的条件，在该地区进行风险勘探，有望能取得重大勘探突破。具体而言，绵阳—安县、鸭子河、大邑地区栖霞组发育优质台缘丘滩体(图 10)。绵阳—安县地区紧邻生烃中心，且埋深相对较浅(图 10)，三叠系以上地层构造简单，优选为重点勘探目标，待突破后，再逐步甩开。绵阳—安县地区，靠近山前带地区受推覆构造影响，地震资料品质相对较差，构造落实程度不高；而远离山前带地区，虽然整体为单斜构造形态，但其栖霞组储层质量较沉积期靠川西广海的山前带地区差，使得侧向封堵形成构造—岩性圈闭的可能性较大，因此绵阳—安县地区远离山前带的储层发育区为前期风险勘探的最优选择。
5. 结论
(1) 二叠系沉积前古地貌控制了栖霞组沉积，栖霞期丘滩体沿二叠系沉积前川西古地貌高地和川中古隆起周缘展布，川西坳陷中段龙门山前带栖霞组处于台地边缘丘滩体发育区。
(2) 台缘丘滩体是栖霞组白云岩储层形成的物质基础，准同生期白云岩化作用和暴露岩溶作用是优质储层形成的关键，川西坳陷中段栖霞组储层条件优越。
(3) 川西坳陷中段栖霞组规模储层邻近寒武系筇竹寺组生烃中心，沟通烃源的断裂发育，上覆中下三叠统巨厚膏岩层，成藏要素匹配关系好，具备规模性油气成藏条件。
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图 1 四川盆地二叠系栖霞组构造沉积背景及研究区位置
Figure 1. Tectonic sedimentary setting of Permian Qixia Formation in Sichuan Basin and location of study area
图 2 四川盆地西部坳陷中段二叠系栖霞组颗粒滩镜下特征
露头位置见图 1。
Figure 2. Microscopic characteristics of grain bank of Permian Qixia Formation in middle segment of Chuanxi Depression, Sichuan Basin
图 3 四川盆地西部坳陷二叠系栖霞组地震剖面特征
地震剖面位置见图 1a。
Figure 3. Seismic profile of Permian Qixia Formation in Chuanxi Depression, Sichuan Basin
图 4 四川盆地西部中段构造演化剖面
Figure 4. Tectonic evolution section in middle segment of western Sichuan Basin
图 6 四川盆地西部坳陷中段二叠系栖霞组油气输导条件
地震剖面位置见图 1b。
Figure 6. Oil and gas channel conditions of Permian Qixia Formation in middle segment of Chuanxi Depression, Sichuan Basin
图 7 四川盆地西部坳陷中段二叠系栖霞组储层特征
露头位置见图 1。
a.绵竹燕子岩，灰色云质灰岩，溶蚀孔洞发育；b.绵竹燕子岩，浅灰色白云岩，溶孔发育；c.绵竹燕子岩，浅灰色白云岩，晶间孔发育, 扫描电镜；d.北川通口, 生屑颗粒云岩，晶间溶孔发育，单偏光；e.绵竹高桥，浅灰色白云岩，溶蚀孔洞发育；f.绵竹高桥，浅灰色白云岩，溶孔发育；g.都江堰虹口，细—中晶白云岩，晶间孔发育，单偏光，铸体片；h.都江堰虹口，中—粗晶白云岩，晶间(溶)孔发育，单偏光Figure 7. Reservoir characteristics of Permian Qixia Formation in middle segment of Chuanxi Depression, Sichuan Basin
图 8 四川盆地西部坳陷中段连片三维二叠系栖霞组波阻抗反演剖面
地震剖面位置见图 6。
Figure 8. Three dimensional wave impedance inversion of Permian Qixia Formation in middle segment of Chuanxi Depression, Sichuan Basin
图 9 四川盆地西部坳陷中段断裂发育及盖层特征
地震剖面位置见图 1b。
Figure 9. Fault development and cap rock characteristics in middle segment of Chuanxi Depression, Sichuan Basin
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