蜀南地區(qū)須家河組天然氣成藏過程與裂縫形成的匹配關(guān)系

袁玉哲，李延鈞，劉 歡

（1.河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州450046；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610500）

在油氣成藏過程中，油氣的充注與作為運(yùn)移通道的裂縫的發(fā)育密切相關(guān)，從某種意義上說，裂縫的形成時(shí)間即代表油氣的充注時(shí)期。因此，準(zhǔn)確地判斷裂縫的形成時(shí)間不僅可以揭示油氣運(yùn)移和成藏過程，而且還可以定量—半定量化的分析油氣成藏期次。

關(guān)于裂縫的形成時(shí)期，傳統(tǒng)的方法是通過不同時(shí)期裂縫的相互切割關(guān)系來進(jìn)行定性判斷。近年來，隨著ESR測年技術(shù)的不斷發(fā)展，其在第四紀(jì)物質(zhì)的定年研究中已得到普遍應(yīng)用，且效果較好[1]；在油氣地質(zhì)方面，對裂縫形成時(shí)期的定量化研究也取得了一些成果和認(rèn)識(shí)[1-3]。但基于ESR測年所確定的裂縫形成時(shí)期與通過常規(guī)方法所確定的油氣成藏期次是否匹配，其相關(guān)性如何，仍未有定論。本文就以蜀南地區(qū)須家河組氣藏為例，探討裂縫形成與油氣成藏過程的匹配性。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

蜀南地區(qū)位于四川盆地南部，跨越盆地西南低緩構(gòu)造區(qū)和川南低陡構(gòu)造區(qū)。中三疊世末的印支運(yùn)動(dòng)早幕，四川盆地整體隆升、發(fā)生海退，本地區(qū)逐漸結(jié)束了海相碳酸鹽巖沉積史，演變成內(nèi)陸湖盆。同時(shí)形成北東—南西向的以瀘州和開江為中心的剝蝕古隆起帶。至上三疊世須家河組地層沉積時(shí)，盆地已轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)陸湖泊相和辮狀河三角洲相，沉積了一套西厚東薄、呈“箕狀”分布[4]的以砂、泥巖為主的煤系地層。三疊紀(jì)末的晚印支運(yùn)動(dòng)，四川盆地西部的甘孜—阿壩地槽區(qū)表現(xiàn)異常強(qiáng)烈，受此影響，四川盆地南部的瀘州地區(qū)沉積地層進(jìn)一步褶皺回返，局部構(gòu)造始具雛形。侏羅紀(jì)，開始了盆地內(nèi)分布廣泛的河湖相紅色碎屑巖沉積，至侏羅紀(jì)末燕山運(yùn)動(dòng)發(fā)生，盆地又一次抬升隆起，造成侏羅系地層大幅度被剝蝕。至第三紀(jì)喜山期，強(qiáng)烈的造山運(yùn)動(dòng)使沉積蓋層縱橫向上均發(fā)生了規(guī)模很大的褶皺隆起，并最終形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局。

2 蜀南須家河組成藏期次

2.1 干酪跟生烴模式與生烴演化史

蜀南地區(qū)須家河組烴源巖主要為Ⅲ型煤系烴源巖，干酪根的顯微組分中鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的含量較高，殼質(zhì)組含量非常低。國內(nèi)外近年來有機(jī)巖石學(xué)研究的結(jié)果[5-9]表明，煤系有機(jī)質(zhì)的成烴具有雙峰模式，即存在Ro為0.4%～0.7%低演化階段的生烴第一峰值和Ro為0.9%～1.3%成熟階段的煤系有機(jī)質(zhì)的第二峰值。在第一高峰期，基質(zhì)鏡質(zhì)體、木栓質(zhì)體、樹脂體和部分角質(zhì)體便發(fā)生瀝青化作用，形成早期煤系烴類。由于樹脂體是一種低熟油的潛在油源，而木栓質(zhì)體和木栓質(zhì)成分在低熱應(yīng)力條件下，可釋放出來相當(dāng)數(shù)量的脂族和芳香族成分，形成大量的液態(tài)烴類，因此這一時(shí)期形成的烴類主要是低熟液態(tài)烴。在第二高峰期，有機(jī)質(zhì)普遍達(dá)到成熟階段，角質(zhì)體和孢子體則為烴類的主要貢獻(xiàn)者，從煤成烴演化階段來看，這一時(shí)期以生成濕氣為主。

對須家河組煤系烴源巖來說，目前有機(jī)質(zhì)成熟度分布在0.94%～1.36%之間，按照煤成烴演化階段，自然也經(jīng)過了2個(gè)生烴高峰期。根據(jù)蜀南須家河組埋藏演化史[10]，Ro為0.4%～0.7%（侏羅系地層沉積后期）時(shí)，烴源巖進(jìn)入第一生烴高峰，該階段主要是煤系低熟液態(tài)烴的形成時(shí)期，伴生的天然氣普遍較濕；在Ro為0.9%～1.3%（白堊紀(jì)中期-早第三紀(jì)）為須家河組烴源第二生烴高峰期，以生成濕氣為主。

2.2 儲(chǔ)層演化與生烴演化的配置關(guān)系

從生烴演化與儲(chǔ)層致密化的配置關(guān)系上看，在Ro為0.4%～0.7%時(shí)，須家河組儲(chǔ)層演化處于晚成巖A期[11]，此時(shí)地層還沒有被完全壓實(shí)，儲(chǔ)層物性較好，原生粒間孔發(fā)育，早期生成的低熟液態(tài)烴和重?zé)N含量較高的濕氣就會(huì)首先進(jìn)入這些原生孔隙占據(jù)有利位置，形成初次油氣藏。顯微熒光顯示在儲(chǔ)層原生孔隙或泥質(zhì)部位油質(zhì)浸染、瀝青充填非常普遍，并具有土黃色或淺黃色熒光，甚至一些殘余瀝青熒光很弱或發(fā)暗褐色、褐黃色熒光（圖1-a），這正是液態(tài)烴類在儲(chǔ)層中運(yùn)移聚集所留下的痕跡。

在Ro為0.9%～1.3%時(shí)，須家河組儲(chǔ)層演化處于晚成巖B期，受強(qiáng)壓實(shí)作用儲(chǔ)層中的中—細(xì)砂巖已基本致密化，儲(chǔ)層物性變差，原生粒間孔大量減少，但受到古構(gòu)造及晚燕山運(yùn)動(dòng)影響，該階段差異壓實(shí)縫和構(gòu)造微裂縫比較發(fā)育，同時(shí)大量酸性流體進(jìn)入儲(chǔ)層形成溶蝕孔。這一時(shí)期形成的大量濕氣就會(huì)沿縫隙、裂隙進(jìn)入儲(chǔ)層，次階段的烴類氣體中重?zé)N含量較前期明顯減少，顯微熒光下多呈現(xiàn)淺藍(lán)色或藍(lán)白色熒光，并分布于裂縫或殘余自由孔隙或次生溶蝕孔中（圖1-b）。綜合干酪跟生烴模式以及儲(chǔ)層演化與生烴演化的匹配關(guān)系，可以分析出研究區(qū)須家河組至少存在兩期成藏，即燕山運(yùn)動(dòng)的中期階段（上侏羅系地層沉積期）的初次成藏期和燕山運(yùn)動(dòng)晚期（白堊系地層沉積后期）的須家河組主要成藏期。

而喜山抬升運(yùn)動(dòng)時(shí)期，地層溫度的降低使烴源巖有機(jī)質(zhì)演化停滯（現(xiàn)今實(shí)測蜀南地區(qū)須家河組烴源巖的成熟度（Ro）普遍不超過1.4%）。由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，發(fā)育大量的斷層和構(gòu)造裂縫，使本已致密化的儲(chǔ)層物性得到一定改善，下伏須家河組烴源巖所生成的烴類氣體和深層來源氣就會(huì)沿?cái)鄬酉蛏线\(yùn)移進(jìn)入儲(chǔ)層，形成混源氣藏[9，11]。儲(chǔ)層晚期微縫中呈現(xiàn)淺藍(lán)色熒光即為該期天然氣轉(zhuǎn)移、溝通和再調(diào)整的證據(jù)（圖1-c）。

圖1 儲(chǔ)層顯微熒光照片

2.3 包裹體均一溫度與成藏期次

流體包裹體是指礦物生長過程中因晶格缺陷而捕獲的、至今仍以封閉狀態(tài)存在于礦物中的成礦介質(zhì)[12]。根據(jù)流體的相態(tài)和組成可分為液態(tài)烴包裹體、氣態(tài)烴包裹體和鹽水包裹體。流體包裹體的均一化溫度就是流體被捕獲時(shí)的溫度，反映當(dāng)時(shí)的地層古地溫。結(jié)合地?zé)崾泛吐癫厥返哪M結(jié)果，就可以估算出油氣運(yùn)移的時(shí)間（成藏期）。在實(shí)際操作中，鹽水包裹體的均一化溫度更容易測得且具有更好的穩(wěn)定性，因此，我們通常所測的包裹體均一溫度即與烴類包裹體共生的鹽水包裹體的均一溫度。

針對南井地區(qū)須家河組巖芯樣品，制成薄片鏡下觀察，在石英晶體、石英次生邊或微裂隙（或愈合微裂隙）中見有較多烴質(zhì)包裹體和水質(zhì)包裹體。對包裹體均一溫度進(jìn)行測試并根據(jù)測試結(jié)果做出南井地區(qū)須家河組包裹體均一溫度頻率分布直方圖（圖2），可以看出包裹體均一溫度主要有3個(gè)峰值：85℃～105℃、115℃～125℃和135℃～155℃。其中第一階段包裹體均一溫度85℃～105℃，對應(yīng)侏羅紀(jì)末至白堊紀(jì)早期（圖3），須家河組烴源巖成熟度為0.5%～0.8%，主要形成低熟烴類；第二階段包裹體均一溫度115℃～125℃，對應(yīng)白堊紀(jì)中后期—早第三紀(jì)，有機(jī)質(zhì)成熟度達(dá)到0.9%～1.2%左右，進(jìn)入生烴高峰期；另外，據(jù)南井地區(qū)熱演化史，在白堊紀(jì)末期須家河組地層達(dá)到最大埋深前古地溫不可能超過130℃，因此對于均一溫度在135℃～155℃的包裹體，只能是喜山期深部流體向上運(yùn)移所致，前人研究已證實(shí)該區(qū)嘉陵江組最大古地溫曾達(dá)到了140℃～150℃[14]。這一時(shí)期為深層流體注入期與各類氣藏的調(diào)整期。

綜合以上分析，可以得出研究區(qū)須家河組存在3期成藏的結(jié)論：侏羅紀(jì)末至白堊紀(jì)早期（燕山運(yùn)動(dòng)中幕），為低熟烴類初次成藏期；白堊紀(jì)中后期—早第三紀(jì)（燕山運(yùn)動(dòng)晚幕—喜山早幕），為須家河組成熟階段烴類主要成藏期；喜山運(yùn)動(dòng)中晚幕為混源氣藏形成期，即各類氣藏的轉(zhuǎn)移、調(diào)整期。

圖2 南井地區(qū)須家河組包裹體均一溫度頻率分布直方圖

3 裂縫形成時(shí)期

圖3 南井地區(qū)須家河組埋藏演化史

關(guān)于裂縫的形成期次，最常規(guī)、最簡單的判識(shí)方法是通過觀察不同時(shí)期裂縫的相互切割關(guān)系來進(jìn)行定性判斷。通過觀察威遠(yuǎn)曹家壩剖面發(fā)現(xiàn)，在須家河組地層中至少存在3期裂縫的發(fā)育，其中有2組為斜交縫、一組為垂直縫。為了定量化判斷裂縫的形成時(shí)期，本次嘗試運(yùn)用電子自旋測年法（ESR測年）進(jìn)行分析，并進(jìn)一步研究裂縫形成與油氣成藏的匹配關(guān)系。

3.1 ESR測年基本原理

在室溫條件下，經(jīng)人工附加劑量法或熱活化處理的α石英可測到3個(gè)誘發(fā)輻射信號(hào)[1]，具有測年意義的有E'心——氧空位的電子心（ESR信號(hào)不受風(fēng)化影響）和Ge心——鍺離子置換硅位置的電子心（ESR信號(hào)經(jīng)風(fēng)化后消失）。來自母巖的陸源碎屑石英經(jīng)風(fēng)化再沉積，其E'心ESR信號(hào)是一個(gè)累加過程，因而所測的年齡僅代表石英離開母巖前最后一次受熱事件影響的結(jié)晶年齡，而Ge心ESR信號(hào)在風(fēng)化過程中幾近消失，在沉積成巖過程中重新積累，因此Ge心ESR年齡可代表其沉積期年齡。對于裂縫中充填石英，由于沒有經(jīng)過再搬運(yùn)沉積，所以無論是Ge心年齡還是E'心年齡均代表石英結(jié)晶年齡[15]。

通常裂縫充填石英的形成時(shí)期稍晚于裂縫形成時(shí)期，但在地質(zhì)時(shí)期中可以忽略不計(jì)。因此我們常以裂縫充填石英的年齡來表示裂縫形成時(shí)期。

3.2 裂縫充填石英的ESR年齡

本次研究共取樣5塊進(jìn)行了石英脈ESR測年分析（表1），同時(shí)又收集到了前人做的包界地區(qū)包淺003-16井2個(gè)測點(diǎn)和威遠(yuǎn)威東構(gòu)造3個(gè)測點(diǎn)的測年資料。

表1 蜀南地區(qū)須家河組裂縫中充填石英脈ESR測年分析表

3.3 裂縫的形成時(shí)期

根據(jù)表2中構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次的劃分成果（賈承造等，2004），對須家河組裂縫期次進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：ESR測年反映出須家河組裂縫形成有3個(gè)時(shí)間段：（1）形成于129.8個(gè)百萬年前的裂縫為燕山中期的產(chǎn)物；（2）形成于63.4～51.7個(gè)百萬年前的裂縫為燕山末期—早喜馬拉雅期的產(chǎn)物；（3）36.5～21.6個(gè)百萬年的裂縫形成于中喜馬拉雅期，為中喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)早期的產(chǎn)物，而6.7～14.9個(gè)百萬年的裂縫則為中喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)晚期的產(chǎn)物。

4 匹配性研究

前文關(guān)于成藏期次的分析表明，侏羅紀(jì)末至早白堊紀(jì)（相當(dāng)于燕山中期），須家河組煤系烴源巖進(jìn)入低演化階段（Ro＝0.4%～0.7%），低熟烴類開始產(chǎn)生。由于此時(shí)壓實(shí)作用不很強(qiáng)烈，儲(chǔ)層物性好，形成的烴類物質(zhì)就會(huì)通過垂向運(yùn)移或沿著層間通道橫向短距離運(yùn)移進(jìn)入儲(chǔ)層，這一時(shí)期稱為初次成藏期或次要成藏期（所生成的烴類物質(zhì)有限）。該時(shí)期整體構(gòu)造相對平穩(wěn)，仍以持續(xù)沉降為主，斷層不很發(fā)育，但從測到的129.8個(gè)百萬年（對應(yīng)燕山中期）的測年結(jié)果還是證實(shí)了有裂縫的存在，無疑該時(shí)期形成的裂縫對初次成藏起到了一定的作用。

白堊紀(jì)后期至早第三紀(jì)（燕山運(yùn)動(dòng)晚期—早喜山期），須家河組烴源巖進(jìn)入大量生排烴高峰期（Ro＝0.9%～1.3%），是煤系烴源巖的主要生氣期。從ESR測年結(jié)果來看，已測到年齡為63.4和51.7個(gè)百萬年的裂縫充填石英樣品，對應(yīng)地質(zhì)時(shí)期為燕山晚期—喜山早期。受晚燕山運(yùn)動(dòng)影響，地層由持續(xù)沉降轉(zhuǎn)向擠壓隆升，這一時(shí)期裂縫的形成對油氣的運(yùn)移和聚集非常有利，能很好地溝通烴源巖和儲(chǔ)層，再加之充足的油氣供應(yīng)，形成須家河組主要的一期氣藏，稱為主要成藏期。

而喜山抬升運(yùn)動(dòng)時(shí)期，地層溫度的降低使烴源巖有機(jī)質(zhì)的進(jìn)一步生烴演化停滯（現(xiàn)今實(shí)測蜀南地區(qū)須家河組烴源巖的成熟度Ro普遍不超過1.4%）。喜山運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致構(gòu)造活動(dòng)進(jìn)一步加強(qiáng)，大量晚期斷裂活動(dòng)和構(gòu)造裂縫形成。ESR測年結(jié)果也很好地印證了這一點(diǎn)，如表1所示，10個(gè)測年數(shù)據(jù)中有7個(gè)數(shù)據(jù)均分布在36.5～6.7個(gè)百萬年之間，為喜山中、晚期的構(gòu)造裂縫。由于第一期裂縫作為油氣運(yùn)移通道，將早已生成的油氣向圈閉運(yùn)移，因此這一期裂縫主要對油氣藏起調(diào)整作用。①形成于36.5～21.6個(gè)百萬年的裂縫屬喜山中期早幕的構(gòu)造產(chǎn)物，為斷層伴生裂縫，一方面使一部分原有氣藏遭受破壞、油氣散失；另一方面形成新的圈閉，原始?xì)獠刂械臍怏w和早先被致密砂巖層封存起來的彌散天然氣發(fā)生重新調(diào)整，在新形成的局部圈閉中聚集成藏，同時(shí)由于一些深大斷層的出現(xiàn)，深層烴源氣就會(huì)沿?cái)鄬酉蛏线\(yùn)移進(jìn)入圈閉，形成混源氣藏（李延鈞等《蜀南地區(qū)須家河組成藏主控因素研究及構(gòu)造分類評價(jià)》）。總體上來說，這一期裂縫的形成之于油氣的保存和成藏仍以正面作用為主。②形成于14.9～6.7個(gè)百萬年的裂縫屬喜山中期晚幕（晚喜山期）的構(gòu)造產(chǎn)物，也為斷層伴生裂縫，古圈閉進(jìn)一步遭到破壞，同時(shí)由于地層的抬升，造成油氣的散失，因此該期裂縫的形成對油氣的保存有負(fù)面作用。

表2 中國喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)劃分對比表（賈承造等，2004）

5 結(jié)論

裂縫充填石英ESR測年法是一種定量化的裂縫期次分析方法，本文的研究表明，基于該方法所確定的研究區(qū)須家河組裂縫形成與天然氣成藏過程之間顯示出良好的匹配關(guān)系。但在實(shí)際應(yīng)用中必須要注意：

（1）對受單一要素控制的裂縫型油氣藏，該方法無疑是一種相對合理、準(zhǔn)確的成藏期次劃分方法；對多期成藏的復(fù)雜性油氣藏，該方法只能準(zhǔn)確地反映和刻畫斷裂作用發(fā)生后的一系列成藏過程，只有配套其他方法才能全面分析和研究其成藏期次。

（2）受客觀條件影響，有時(shí)所取樣品未必能完全代表裂縫形成的所有期次。因此，在條件允許的情況下，盡量采用多種方法綜合分析。

（3）由于瀝青的干擾作用可能影響測年結(jié)果，因此，如果裂縫中同時(shí)有瀝青充填，運(yùn)用ESR測年要慎重，必要時(shí)需對充填物進(jìn)行碳氧同位素分析，以確定裂縫的形成時(shí)期。

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