川南長(zhǎng)寧地區(qū)不同構(gòu)造單元五峰組—龍馬溪組流體包裹體特征及其地質(zhì)意義

梁志凱，姜振學(xué)，吳偉，郭婕，王孟，劉冬冬，聶舟，薛子鑫

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京，102249；3.中國(guó)石油西南油氣田公司 頁(yè)巖氣研究院，四川 成都，610051；4.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 勘探開(kāi)發(fā)部，四川 成都，610051)

流體包裹體是指地質(zhì)流體在礦物結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程中被捕獲、包裹在某礦物的晶格缺陷或穴窩中，如今還保存在礦物中并與礦物有清晰相界線那部分物質(zhì)，它保存了古流體被捕獲時(shí)的溫度、壓力和成分等重要信息[1]。目前，對(duì)流體包裹體進(jìn)行研究是一種最直接、最可靠的手段，在常規(guī)油氣成藏研究中，它被廣泛用于確定油氣組分、劃分油氣成藏期次、確定油氣成藏時(shí)間、溫壓條件以及油氣運(yùn)移通道等[2-6]。在非常規(guī)油氣當(dāng)中，由于頁(yè)巖粒度較小、結(jié)晶程度較低，在古流體活動(dòng)過(guò)程中不容易形成有效包裹體，但是部分頁(yè)巖裂縫充填的脈體中往往具有一定數(shù)量的包裹體，可以作為頁(yè)巖氣藏評(píng)價(jià)的關(guān)鍵證據(jù)[5]。目前，有關(guān)頁(yè)巖包裹體的研究主要是利用熒光光譜技術(shù)、顯微測(cè)溫技術(shù)和激光拉曼光譜技術(shù)等，通過(guò)獲得包裹體中烴類氣體和地質(zhì)流體特征，研究包裹體的溫度、鹽度、壓力等重要數(shù)據(jù)，從而開(kāi)展頁(yè)巖氣藏的生烴、恢復(fù)成藏過(guò)程、保存條件評(píng)價(jià)等工作[4-8]。

隨著四川盆地南部(以下簡(jiǎn)稱川南)長(zhǎng)寧、瀘州等地區(qū)深層頁(yè)巖氣井(L3 井測(cè)試產(chǎn)量為138×104m3/d；Y3 井測(cè)試產(chǎn)量為20×104m3/d)陸續(xù)取得一系列突破，2021年我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量也達(dá)到230×108m3，展現(xiàn)出了很強(qiáng)的勘探潛力。川南地區(qū)上古生界龍馬溪組頁(yè)巖氣經(jīng)歷了多期擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層剝蝕量較大，發(fā)育多期次斷裂，地質(zhì)流體較為活躍，裂縫脈體廣泛發(fā)育[8-12]。通過(guò)流體包裹體顯微測(cè)溫技術(shù)，恢復(fù)流體活動(dòng)時(shí)期的古溫度；利用激光拉曼光譜偏移計(jì)算甲烷包裹體的密度；利用鹽水包裹體均一溫度和甲烷包裹體密度恢復(fù)流體包裹體古壓力，從而明確頁(yè)巖氣藏地層壓力、超壓形成時(shí)間。前人針對(duì)川南焦石壩、長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖中發(fā)育高密度甲烷包裹體開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)包裹體多賦存于石英脈和方解石脈當(dāng)中，包裹體捕獲時(shí)間與頁(yè)巖裂解生氣階段具有高度時(shí)空一致性[8-13]。長(zhǎng)寧以及焦石壩地區(qū)埋藏史及熱史結(jié)果顯示，燕山期晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致龍馬溪組頁(yè)巖接近最大埋深，地層壓力處于中等—強(qiáng)超壓狀態(tài)[14-17]。

然而，前人針對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)不同構(gòu)造單元的古壓力和成藏演化過(guò)程的研究較缺乏，對(duì)長(zhǎng)寧不同構(gòu)造單元流體包裹體差異性研究不系統(tǒng)。本次研究聚焦于長(zhǎng)寧地區(qū)不同構(gòu)造區(qū)的裂縫脈體樣品，首先進(jìn)行了包裹體巖相學(xué)分析，明確不同構(gòu)造單元包裹體發(fā)育差異性；其次，對(duì)脈體中捕獲的氣-液兩相鹽水包裹體和烴類氣相包裹體進(jìn)行顯微測(cè)溫以及激光拉曼分析，計(jì)算古鹽度、均一溫度、古流體密度及地層壓力；最后，討論了不同構(gòu)造單元成藏過(guò)程差異及其對(duì)頁(yè)巖含氣性影響，以期為川南深層海相頁(yè)巖氣的地質(zhì)評(píng)價(jià)和勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

川南長(zhǎng)寧地區(qū)構(gòu)造位置屬川西南古隆起構(gòu)造單元。龍馬溪組沉積早期(O3w—S1l)，川南及川東南地區(qū)為深水陸棚相，威遠(yuǎn)—自貢—長(zhǎng)寧—昭通地區(qū)為深水陸棚沉積中心，沉積厚度達(dá)到500 m以上。川南地區(qū)受青藏高原和川滇地塊的聯(lián)合作用，在晚白堊世—新生代沉積地層發(fā)生大規(guī)模剝蝕，形成典型的NE向、WE向和近NS向?qū)捑彲B加—復(fù)合構(gòu)造[12]。受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力影響，長(zhǎng)寧地區(qū)發(fā)育大量與擠壓褶皺變形相關(guān)的多期次斷層和裂縫，斷層走向從WE 和NW 走向轉(zhuǎn)變?yōu)镹W 和NE 走向[15](圖1)。

圖1 川南長(zhǎng)寧地區(qū)構(gòu)造綱要圖及取樣井位圖Fig.1 Tectonic outline map and sampling well location map of Changning area,southern Sichuan

2 實(shí)驗(yàn)樣品及測(cè)試方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

研究區(qū)發(fā)育多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在不同擠壓應(yīng)力作用下形成了高角度裂縫，形態(tài)不規(guī)則，多數(shù)延伸程度較低，且多數(shù)被瀝青和方解石等所充填。本次研究的高密度甲烷包裹體主要存在于龍馬溪組一亞段3-4小層，宏觀上脈體充填于黑色頁(yè)巖內(nèi)的高角度的裂縫中，脈體厚度為0.5～3.0 cm，圍巖的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.5%～3.0%。本次收集了長(zhǎng)寧地區(qū)天宮堂背斜、雙龍—羅場(chǎng)向斜和建武向斜等地區(qū)巖心，覆蓋了研究區(qū)的大部分區(qū)域，能夠滿足測(cè)試需要。

2.2 測(cè)試方法

巖相學(xué)觀察主要通過(guò)NIKON-LV100 雙通道熒光、反射光—透射光顯微鏡完成；顯微測(cè)溫采用厚度為300 μm 的雙面拋光薄片，在Linkam-THMSG600冷熱臺(tái)進(jìn)行。在測(cè)溫過(guò)程中，冷熱臺(tái)升溫速率控制在0.1～5.0 ℃/min，校正測(cè)試誤差為±0.1 ℃。激光拉曼光譜分析主要采用LabRAM HR800 顯微激光拉曼光譜儀完成。實(shí)驗(yàn)環(huán)境測(cè)試溫度為22 ℃，測(cè)試波長(zhǎng)為532.06 nm，功率為14 mW，線寬小于0.1 nm，光譜儀共焦效果可以達(dá)到橫向0.1 μm、深度約0.3 μm 的空間分辨率。采用硅樣對(duì)儀器的波數(shù)進(jìn)行校正，拉曼峰位移為520.70 cm-1，利用1800 光柵對(duì)2 750～3 050 cm-1范圍內(nèi)的單窗口數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)單次收集時(shí)間為10～100 s，疊加2～5次。甲烷包裹體的真實(shí)拉曼散射峰由氖燈進(jìn)行校正。

3 頁(yè)巖裂縫脈體及包裹體巖相學(xué)特征

3.1 頁(yè)巖裂縫脈體形態(tài)特征

前人對(duì)川南地區(qū)頁(yè)巖裂縫脈體形態(tài)進(jìn)行了大量研究，按照裂縫脈體形態(tài)可以分為高角度縫、水平縫和網(wǎng)狀縫3種類型[16]。本次研究中對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)10 余口取心井開(kāi)展巖心裂縫的精細(xì)描述發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)寧地區(qū)裂縫脈體發(fā)育形態(tài)多樣，水平縫及高角度縫發(fā)育程度較高，網(wǎng)狀縫相對(duì)發(fā)育程度較低。圖2所示為長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖心裂縫脈體發(fā)育特征。由圖2(a)可見(jiàn)：水平裂縫內(nèi)部往往充填方解石脈體以及黃鐵礦條帶，常常與層面近平行。圖2(b)顯示天宮堂地區(qū)發(fā)育的網(wǎng)狀縫多為多期次水平縫和高角度縫組合形成，脈體寬度較為均一，與層理面呈現(xiàn)相似的交切關(guān)系。由圖2(c)可見(jiàn)：雙龍—羅場(chǎng)向斜內(nèi)部多數(shù)井發(fā)育穿層剪切裂縫，裂縫形態(tài)多與紋層面近斜交，寬度較為均勻，延伸長(zhǎng)度多為幾米。

圖2 長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖心裂縫脈體形態(tài)特征Fig.2 Vein morphology characteristics of natural fractures in Wufeng—Longmaxi Formation shale cores in Changning area

3.2 流體包裹體巖相學(xué)特征

通過(guò)顯微鏡下的單偏光和熒光聯(lián)測(cè)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)寧地區(qū)裂縫脈體形成過(guò)程中捕獲的原生流體包裹體主要包含氣-液兩相包裹體、氣相包裹體以及瀝青包裹體3 種類型(表1)，多存在于石英脈及方解石脈體之中(圖3和4)。由圖3可見(jiàn)：烴類包裹體在石英以及方解石脈體中大量發(fā)育，在單偏光下呈現(xiàn)包裹體邊緣灰黑、中心亮度較高且具有較高的透明度，包裹體內(nèi)部含有部分薄膜狀液態(tài)烴，導(dǎo)致紫外光下呈現(xiàn)微弱的黃綠色熒光。在紫外光下，高純度的甲烷氣相包裹體不發(fā)光，通常沿微裂縫定向發(fā)育，形態(tài)以次圓狀、長(zhǎng)條狀和橢圓狀為主，直徑為6～30 μm。

圖3 長(zhǎng)寧地區(qū)不同構(gòu)造單元裂縫脈體氣液兩相鹽水包裹體和氣態(tài)烴包裹體形態(tài)與產(chǎn)出特征Fig.3 Morphology and production characteristics of gas-liquid two-phase brine inclusions and gaseous hydrocarbon inclusions in fracture veins of different tectonic units in Changning area

表1 不同類型流體包裹體形貌及其顯微鏡下特征Table 1 Morphology and microscopic characteristics of different types of fluid inclusions

由圖4可見(jiàn)：瀝青包裹體在單偏光下常常呈黑色，主要是由于演化程度較高的焦瀝青充填于氣相包裹體當(dāng)中，透明度較低，甚至不透明，但在紫外光線下呈現(xiàn)藍(lán)白色熒光，主要產(chǎn)于方解石脈體中，形態(tài)多為四邊形或米粒狀，呈現(xiàn)孤立狀態(tài)分布，包裹體直徑介于3～5 μm。氣-液兩相包裹體氣相占比低于5%，多為四邊形和橢圓狀，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為2～14 μm，主體為5～13 μm，多數(shù)鹽水包裹體在紫外光下不發(fā)光，少部分含烴鹽水包裹體在紫外光下呈現(xiàn)淡藍(lán)色熒光。

3.3 激光拉曼檢測(cè)流體成分

在透射光下，氣態(tài)烴包裹體通常呈現(xiàn)灰黑色，透明度較低；相比較而言，高密度甲烷包裹體為半透明—透明的單相包裹體[17-18]。利用激光拉曼技術(shù)對(duì)包裹體內(nèi)部組分和宿主礦物進(jìn)行定性識(shí)別是分析包裹體內(nèi)部組分的有效手段[4,13,19]。

圖5為長(zhǎng)寧地區(qū)不同構(gòu)造單元方解石脈體中甲烷包裹體和瀝青包裹體拉曼光譜圖。由圖5可見(jiàn)：瀝青包裹體多近似橢圓形、不規(guī)則形狀，在透射光下顏色多為黑色—暗灰色，在D 峰和G 峰強(qiáng)度較高，其波數(shù)分別介于1 326.2～1 349.3 cm-1和1 587.4～1 603.0 cm-1附近(圖5)。利用D 峰和G 峰強(qiáng)度的峰高比可以恢復(fù)瀝青熱演化的過(guò)程，隨著熱演化程度增高，峰高比會(huì)逐漸增加[17,19]。當(dāng)峰高比大于1時(shí)，D峰強(qiáng)度高于G峰強(qiáng)度，為碳瀝青階段；當(dāng)峰高比接近1 時(shí)，D 峰強(qiáng)度與G 峰強(qiáng)度類似，為碳瀝青—變?yōu)r青過(guò)渡階段；當(dāng)峰高比低于1時(shí)，D 峰強(qiáng)度低于G 峰強(qiáng)度，處于變?yōu)r青階段[18]。統(tǒng)計(jì)顯示，雙龍—羅場(chǎng)向斜內(nèi)部部分井均出現(xiàn)D峰強(qiáng)度高于G 峰強(qiáng)度的情況，表明有機(jī)質(zhì)發(fā)生部分石墨化[19-20]。

4 流體包裹體均一溫度及鹽度和古壓力計(jì)算

4.1 流體包裹體均一溫度與鹽度測(cè)定

流體包裹體的均一溫度以及鹽度是流體包裹體重要的參數(shù)，可以有效地反映五峰組—龍馬溪組裂縫開(kāi)啟后流體被捕獲時(shí)的溫度。長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組發(fā)育的包裹體多賦存于石英及方解石脈體中。圖4顯示方解石脈體內(nèi)部的氣-液兩相包裹體周圍發(fā)育大量的氣態(tài)烴包裹體，說(shuō)明該類型包裹體形成于飽和甲烷和鹽水的不混容兩相系統(tǒng)，氣-液兩相鹽水包裹體和甲烷包裹體具有演化歷史同一性的特點(diǎn)，可以用氣液兩相鹽水包裹體的均一溫度代表甲烷氣體捕獲溫度。本次針對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)的脈體與高密度甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體均一溫度和冰點(diǎn)溫度分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖6，表2)，根據(jù)公式計(jì)算得到氣液兩相包裹體的鹽度。圖7所示為長(zhǎng)寧地區(qū)不同構(gòu)造單元包裹體均一溫度及其與鹽度相關(guān)性圖。

圖4 長(zhǎng)寧地區(qū)典型井的裂縫脈體單偏光下包裹體形態(tài)與產(chǎn)出特征Fig.4 Inclusion morphology and production characteristics of fracture veins in typical wells in Changning area

圖5 長(zhǎng)寧地區(qū)不同構(gòu)造單元方解石脈體中甲烷包裹體和瀝青包裹體拉曼光譜圖Fig.5 Raman spectra of methane inclusions and bitumen inclusions in calcite veins of different tectonic units in Changning area

圖6 五峰組—龍馬溪組流體包裹體均一溫度分布圖Fig.6 Homogenization temperature distribution diagram of fluid inclusions in Wufeng—Longmaxi Formations

羅場(chǎng)向斜N19井在方解石脈中氣-液兩相鹽水包裹體的均一溫度主要分布為112.2～128.7 ℃，呈單峰特征，冰點(diǎn)溫度介于-4.4～-0.1 ℃，鹽度區(qū)間為4.02%～7.02%(表2)。鹽度和均一溫度的關(guān)系圖也顯示只存在1期的流體充注作用(圖7(a))。

雙龍向斜N22井、N28井和N31井的均一溫度呈現(xiàn)多峰特征，第1 期為與瀝青共生的鹽水包裹體，均一溫度為102～130 ℃，冰點(diǎn)溫度為-9.8～-0.3 ℃，鹽度為0.53 %～13.82 %；第2期為與氣態(tài)烴共生的兩相鹽水包裹體，均一溫度為140～160 ℃，冰點(diǎn)溫度為-4.5～-0.6 ℃，鹽度為5.41%～7.16%。從鹽水包裹體鹽度與均一溫度關(guān)系圖中可以看出：N22井和N28井均呈現(xiàn)2個(gè)區(qū)帶，在均一溫度介于100～200 ℃時(shí)，多數(shù)包裹體鹽度小于8%，說(shuō)明可能存在淡水淋濾作用，造成古流體鹽度下降，保存條件較差(圖7(b)～(d))。

圖7 長(zhǎng)寧地區(qū)不同構(gòu)造單元包裹體均一溫度及其與鹽度(w(NaCl))相關(guān)性圖Fig.7 Diagram of inclusions homogenization temperature of different tectonic units in Changning area and its correlation with salinity

天宮堂地區(qū)以NX2井和Y1井為例，根據(jù)包裹體的均一溫度測(cè)定，結(jié)合流體包裹體的均一溫度與鹽度分布特征可以將天宮堂地區(qū)流體活動(dòng)劃分為3 期(圖7(e)～(f))：第1 期包裹體多為瀝青包裹體伴生的鹽水包裹體，其均一溫度為151～159 ℃，冰點(diǎn)溫度介于-1.3～9.9 ℃，鹽度介于2.24%～9.89%，具有低鹽度的流體特征，表明原油大量生成時(shí)可能存在淡水的影響；第2期為與氣態(tài)烴包裹體共生的鹽水包裹體均一溫度為172～179 ℃，冰點(diǎn)溫度介于-3.8～-1.6 ℃，鹽度介于2.74%～6.16%；第3期鹽水包裹體均一溫度為201～208 ℃，冰點(diǎn)溫度介于-3.9～-1.7 ℃，鹽度介于2.90%～6.30%。該期次鹽度與第1期和第2期充注的類似，代表了包裹體捕獲時(shí)期的地層流體可能受到大氣淡水淋濾的影響，保存條件遭受破壞。

4.2 甲烷包裹體激光拉曼檢測(cè)及捕獲壓力計(jì)算

激光拉曼光譜是研究流體包裹體成分、恢復(fù)包裹體密度和捕獲壓力的重要手段[2]。流體包裹體的巖相學(xué)觀察結(jié)果顯示：川南龍馬溪組方解石及石英脈體中含有大量的甲烷包裹體，利用激光拉曼散射峰v1位移可以計(jì)算流體包裹體密度[4,9,21]。在玻璃毛細(xì)管系統(tǒng)中不同壓力條件下測(cè)定甲烷拉曼散射峰v1位移，分析散射峰位移和壓力、流體密度等關(guān)系。前人通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)高含量甲烷包裹體散射峰位移和甲烷包裹體密度進(jìn)行線性回歸，獲得適用于甲烷包裹體的密度計(jì)算公式[20]：

式中：ρ為甲烷包裹體密度，g/cm3；D=v1-v0；v1為氖燈校正后的實(shí)測(cè)甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰；vo為當(dāng)壓力接近于0時(shí)的甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰。

通過(guò)計(jì)算獲得3 個(gè)構(gòu)造區(qū)的6 口井包裹體密度，石英和方解石脈體的甲烷包裹體密度均高于甲烷包裹體的臨界密度(0.162 g/cm3)，表現(xiàn)為超臨界高密度純甲烷包裹體[13]。總體上，長(zhǎng)寧區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖方解石及石英脈體中純甲烷包裹體密度主要集中在0.192～0.318 g/cm3，但不同的構(gòu)造單元包裹體密度存在一定差異。雙龍向斜(N19)的純甲烷包裹體密度介于0.277～0.305 g/cm3；羅場(chǎng)向斜(N22，N28 和N31)的純甲烷包裹體密度介于0.208～0.318 g/cm3；而天宮堂向斜(NX2和Y1)井的甲烷包裹體密度差異較大，為0.173～0.318 g/cm3，表明雙龍—羅場(chǎng)向斜的裂縫脈體的成巖環(huán)境具有良好的封閉性。

甲烷包裹體記錄了其被捕獲時(shí)候的流體環(huán)境壓力、溫度等重要信息，結(jié)合甲烷包裹體密度和高純度的甲烷體系狀態(tài)方程，恢復(fù)流體包裹體捕獲壓力信息。川南龍馬溪組頁(yè)巖樣品熱演化程度處于高—過(guò)成熟度階段，泥頁(yè)巖裂縫方解石脈體包裹體捕獲了部分瀝青和氣態(tài)烴類，并形成了大量高純度的甲烷包裹體。前人建立了超臨界甲烷體系的狀態(tài)方程來(lái)計(jì)算頁(yè)巖裂縫脈體樣品中的甲烷包裹體的捕獲壓力。激光拉曼分析結(jié)果顯示，該地區(qū)均發(fā)育高密度甲烷包裹體，因此，用該公式計(jì)算甲烷包裹體捕獲壓力，具體公式及相關(guān)參數(shù)含義可以參考文獻(xiàn)[4,13,19]。

鑒于鹽水包裹體和甲烷包裹體形成時(shí)間類似，甲烷包裹體的捕獲溫度可使用共生的兩相鹽水包裹體的均一溫度來(lái)代替。頁(yè)巖裂縫脈體中與甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體的均一溫度分布范圍較廣，存在2個(gè)或3個(gè)峰值區(qū)間。因此，需要結(jié)合已計(jì)算獲得的長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組甲烷包裹體的不同期次捕獲溫度及密度范圍，統(tǒng)計(jì)甲烷包裹體捕獲壓力，如表3所示。由表3可見(jiàn)：雙龍向斜的甲烷包裹體捕獲壓力介于50.0～70.0 MPa；羅場(chǎng)向斜不同井的捕獲壓力存在差異，第1 期礦物的甲烷包裹體捕獲壓力介于119.9～132.7 MPa，第2 期介于137.7～147.6 MPa。天宮堂地區(qū)發(fā)育成藏過(guò)程中發(fā)育3 期流體充注過(guò)程：第1期捕獲壓力介于62.5～64.5 MPa，裂縫中部第2 期礦物的甲烷包裹體捕獲壓力介于88.3～90.5 MPa，第3 期礦物的甲烷包裹體捕獲壓力介于167.6～170.9 MPa。

表3 川南長(zhǎng)寧地區(qū)不同構(gòu)造單元甲烷包裹體拉曼散射峰波數(shù)、密度及捕獲壓力計(jì)算結(jié)果Table 3 Raman scattering peak wave number,density and trapping pressure of methane inclusions from different tectonic units in Changning area,southern Sichuan

5 儲(chǔ)層流體演化綜合分析

5.1 頁(yè)巖流體壓力特征及其成因

目前南方海相頁(yè)巖氣超壓形成機(jī)制主要包含流體膨脹和差異壓實(shí)，其中，流體膨脹主要有地層中自由水受熱產(chǎn)生超壓、黏土礦物的脫水作用以及有機(jī)質(zhì)生烴造成孔隙壓力急劇上升。通常流體膨脹會(huì)造成聲波和地震速度降低，但孔隙度及密度變化程度較小。差異壓實(shí)主要有：1) 泥頁(yè)巖中的流體無(wú)法及時(shí)排出，抵消一部分上覆巖石壓力，形成超壓；2) 在構(gòu)造抬升過(guò)程中，地層快速抬升接受剝蝕，上覆地層壓力降低，流體在短時(shí)間內(nèi)未大量排出造成異常高壓。相比正常壓實(shí)過(guò)程，差異壓實(shí)作用往往在測(cè)井上呈現(xiàn)較高的孔隙度和較低的測(cè)井密度[22-23]。

前人通過(guò)測(cè)井聲波速度和密度的交會(huì)圖確定超壓成因，正常壓實(shí)曲線中聲波速度和巖石密度存在較好的一致性[22-23]。本次研究結(jié)合前人建立的測(cè)井聲波速度-密度交會(huì)圖超壓判識(shí)圖版，針對(duì)長(zhǎng)寧不同構(gòu)造單元五峰組—龍馬溪組，對(duì)每一口井的一定深度間隔提取聲波時(shí)差和密度，將聲波時(shí)差轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的聲波速度，建立了頁(yè)巖測(cè)井聲波速度-密度交會(huì)圖，從而判斷超壓形成原因(圖8(a))。

雙龍羅場(chǎng)向斜(N22，N31 和N28)的測(cè)井聲波速度和密度交匯圖顯示五峰組和龍一1亞段①小層位于正常壓實(shí)曲線之上的不平衡壓實(shí)區(qū)域(圖8(b)～(d))。這主要是該地層發(fā)育大量有機(jī)質(zhì)孔，氣藏形成過(guò)程中欠壓實(shí)作用對(duì)孔隙流體壓力影響較小，具備良好的生烴增壓條件。但在五峰組和龍一1亞段①小層儲(chǔ)層邊緣，生成的油氣相對(duì)容易逸散，測(cè)井響應(yīng)特征不明顯。龍一1 亞段③-④小層和二亞段測(cè)井密度變化程度較小，并且呈現(xiàn)向低聲波速度偏移的特征(圖8(c)～(d))，符合圖版中頁(yè)巖生烴產(chǎn)氣超壓的測(cè)井響應(yīng)，說(shuō)明龍一2亞段處于一個(gè)生烴產(chǎn)氣機(jī)制下的超壓環(huán)境，與劉冬冬等[8-9]研究結(jié)果一致。

天宮堂向斜和雙龍羅場(chǎng)向斜的龍一1 亞段③-④小層和二亞段地層聲波速度與密度交會(huì)圖存在差異。由圖8(e)～(f)可見(jiàn)：天宮堂向斜(NX2 井和Y1 井)在龍一1 亞段③-④小層和二亞段地層測(cè)井響應(yīng)上聲波速度變化很小，但頁(yè)巖密度隨超壓程度增加而增加。這主要是由于天宮堂地區(qū)抬升時(shí)間較晚，抬升速度較大。在此過(guò)程中，上覆地層快速剝蝕，壓力卸載，巖石骨架回彈程度較低，儲(chǔ)層物性變化不明顯，流體在短時(shí)間內(nèi)未排出，造成部分壓力尚未完全釋放。

圖8 長(zhǎng)寧地區(qū)不同構(gòu)造單元五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖測(cè)井聲波速度-密度交會(huì)圖Fig.8 Crossplot of logging acoustic velocity and density of Wufeng—Longmaxi shale in different structural units in Changning area

5.2 長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖流體活動(dòng)特征及其地質(zhì)意義

本次研究將長(zhǎng)寧地區(qū)裂縫復(fù)合脈體中甲烷包裹體捕獲時(shí)共生的鹽水包裹體均一溫度與五峰組—龍馬溪組熱史恢復(fù)結(jié)果相匹配，將包裹體均一溫度測(cè)試結(jié)果投影到埋藏?zé)嵫莼穲D(圖9)上，可以確定油氣充注的大致時(shí)間。研究結(jié)果顯示：五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖經(jīng)歷了3期油氣充注，均一溫度的主要分布范圍分別介于120～140 ℃和160～180 ℃以及200 ℃以上。與瀝青相伴生的鹽水包裹體均一溫度多介于120～140 ℃和160～180 ℃，恢復(fù)的捕獲壓力分別介于50～140 MPa 和50～150 MPa。埋藏史及熱史顯示印支末期地層沉降，泥巖快速埋深時(shí)發(fā)生欠壓實(shí)作用和烴類流體大量生成形成超壓。雖然印支運(yùn)動(dòng)使地層發(fā)生不同程度的構(gòu)造變形與抬升剝蝕，但抬升幅度總體較小，地層壓力變化幅度不大，保持了較好的超壓條件。

燕山運(yùn)動(dòng)中后期發(fā)生第3期流體充注，鹽水包裹體均一溫度超過(guò)200 ℃，捕獲壓力介于160～170 MPa。LIU 等[23]認(rèn)為川南龍馬溪組頁(yè)巖經(jīng)歷了晚白堊世—中新世的緩慢抬升冷卻階段、中新世—現(xiàn)今快速隆升剝蝕階段。在緩慢抬升冷卻階段，上覆巖石壓力較高，裂縫開(kāi)啟程度較小，頁(yè)巖氣發(fā)生少量散失。隨著埋藏加深，部分裂縫作為地層薄弱面，會(huì)發(fā)生二次開(kāi)啟[8]，并且部分液態(tài)烴發(fā)生熱裂解形成干氣，造成頁(yè)巖地層壓力快速增大，壓力超過(guò)巖石破裂壓力。飽和甲烷的多相不混溶流體充注，裂縫脈體捕獲了大量的高密度甲烷包裹體及氣-液態(tài)兩相鹽水包裹體。圖9所示的超壓測(cè)井相關(guān)圖也證明了液態(tài)烴大量裂解生氣是造成超壓的主要因素。

長(zhǎng)寧地區(qū)流體包裹體出現(xiàn)了低鹽度特征，指示上覆陸相層系滑脫變形強(qiáng)烈，導(dǎo)致其保存條件被破壞，部分氣藏受大氣淡水淋濾作用，造成淺層低鹽度和深層高鹽度混染。地層不等速的抬升作用導(dǎo)致泄壓，造成部分氣體散失，氣藏保存條件被破壞?？偠灾?，長(zhǎng)寧地區(qū)志留系龍馬溪組頁(yè)巖在抬升前最大古埋深達(dá)6 500 m以上，所經(jīng)歷的最高古地溫約為230 ℃，包裹體中流體充注時(shí)間集中于三疊紀(jì)(距今240～200 Ma)和中—晚侏羅世(距今180～160 Ma)以及白堊紀(jì)(距今110～85 Ma) 3個(gè)時(shí)期，瀝青包裹體和氣態(tài)烴類包裹體混合發(fā)育，表示存在多期次油-氣混合充注過(guò)程[12,14,16]。均一溫度和捕獲壓力結(jié)果顯示，長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖氣藏在構(gòu)造抬升前均處于超壓狀態(tài)。

5.3 長(zhǎng)寧地區(qū)典型頁(yè)巖成藏演化過(guò)程

根據(jù)長(zhǎng)寧地區(qū)不同構(gòu)造單元的錄井巖心資料和地層分層資料，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景和前人磷灰石裂變徑跡、埋藏史、生烴史等相關(guān)成果，利用流體包裹體獲得均一溫度及冰點(diǎn)溫度，恢復(fù)流體充注古壓力和古鹽度等特征，將長(zhǎng)寧—長(zhǎng)寧西地區(qū)成藏過(guò)程可以劃分為5個(gè)階段(圖9)。

1) 低壓緩慢抬升階段。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖在志留紀(jì)就開(kāi)始進(jìn)入低成熟階段(成熟度Ro=0.5%～0.7%)，地層受到加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用而緩慢抬升，熱演化的速率比較慢，處于剛剛進(jìn)入生油窗的階段，地層壓力處于常壓階段。

2) 高壓快速埋藏階段。受晚二疊世受到海西運(yùn)動(dòng)影響，沉積速率較高，五峰組—龍馬溪組達(dá)到中等成熟階段(Ro=0.7%～1.3%)，主要生成大量的液態(tài)石油，生氣速率較低，地層發(fā)育超壓。

3) 高壓緩慢調(diào)整階段。受印支運(yùn)動(dòng)影響的影響，地層埋深增加，進(jìn)入中—高成熟階段(Ro=1.3%～2.0%)。雖然此期間有短暫的地層抬升，但對(duì)于熱演化過(guò)程影響并不顯著，超壓程度較低。由于此階段構(gòu)造活動(dòng)變強(qiáng)，頁(yè)巖內(nèi)部烴類流體活動(dòng)較為強(qiáng)烈，發(fā)育了多種相態(tài)的包裹體。

4) 超壓持續(xù)深埋階段。從晚侏羅世到白堊紀(jì)，埋藏沉積速率增大，由于持續(xù)埋深作用，有機(jī)質(zhì)處于過(guò)成熟階段。該階段高分子碳鏈烷烴持續(xù)熱裂解生成甲烷氣，五峰組—龍馬溪組儲(chǔ)層具有較高的自生封閉能力，發(fā)育的超壓得以良好保存(Ro＞2.0%)。

5) 晚期抬升改造階段。在白堊紀(jì)末期，長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組成熟度Ro在2.5%以上，在距今80 Ma年左右地層達(dá)到最大埋深，增溫增壓過(guò)程逐漸停止。隨后，受晚燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)影響，地層發(fā)生快速抬升剝蝕，但是受不同期次擠壓應(yīng)力作用，部分氣藏的超壓被破壞(NX2)，部分氣藏的超壓得到較好的保存(N31)(圖9)。

圖9 川南長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組熱演化及流體演化模式綜合匹配圖Fig.9 Comprehensive matching diagram of thermal evolution and fluid evolution models of Wufeng—Longmaxi Formations in Changning area,southern Sichuan

在燕山晚期—新生代構(gòu)造抬升剝蝕過(guò)程中，不同構(gòu)造變形及斷層組合樣式導(dǎo)致目標(biāo)層系發(fā)生明顯不同的晚期調(diào)整及釋壓過(guò)程[15]。對(duì)于長(zhǎng)寧地區(qū)不同構(gòu)造單元來(lái)說(shuō)，燕山末期大量發(fā)育的NE向走滑斷層為雙龍—羅場(chǎng)向斜的主要斷層，部分?jǐn)鄬釉斐芍小氯B統(tǒng)膏鹽層系發(fā)生較強(qiáng)的應(yīng)變，形成切割頂部區(qū)域性蓋層的多條一級(jí)斷裂，氣藏超壓系統(tǒng)被破壞，壓力系數(shù)相較主體產(chǎn)區(qū)(建武向斜)明顯較低。天宮堂單元(NX2井)不僅受到了NE向擠壓應(yīng)力，而且之后受到喜山期NW向的擠壓作用，形成切穿區(qū)域蓋層的通天斷裂，并且新生代的大量抬升剝蝕和應(yīng)力疊加作用，白堊系形成的超壓環(huán)境未被保存下來(lái)，形成現(xiàn)今的常壓頁(yè)巖氣藏?？偟膩?lái)說(shuō)，晚期構(gòu)造改造(是否形成大型斷裂、抬升時(shí)間和抬升幅度)對(duì)于川南頁(yè)巖氣頁(yè)巖氣藏超壓富集具有至關(guān)重要的控制作用，地層超壓是評(píng)價(jià)川南頁(yè)巖氣藏具備有效產(chǎn)能的關(guān)鍵指標(biāo)。

6 結(jié)論

1) 川南長(zhǎng)寧地區(qū)裂縫主要發(fā)育高角度方解石脈體和部分順層方解石，其內(nèi)部富含大量的含烴包裹體及氣液兩相包裹體。按照包裹體內(nèi)部成分可以劃分為氣-液兩相包裹體、氣相包裹體以及瀝青包裹體3種類型，包含有微弱的黃綠色熒光的液態(tài)烴包裹體、淡藍(lán)色熒光的氣-液兩相烴類包裹體以及不發(fā)光的氣態(tài)烴包裹體。

2) 川南雙龍—羅場(chǎng)構(gòu)造和天宮堂構(gòu)造裂縫方解石內(nèi)發(fā)育液態(tài)烴包裹體，激光拉曼位移顯示多數(shù)包裹體D 峰高于G 峰，表明液態(tài)烴包裹體達(dá)到變?yōu)r青階段，拉曼成熟度較高，液態(tài)烴發(fā)生裂解生氣，有機(jī)質(zhì)存在石墨化現(xiàn)象。

3) 氣-液兩相包裹體捕獲溫度、古壓力及古鹽度顯示，不同構(gòu)造單元流體充注期次存在差異。雙龍—羅場(chǎng)向斜為2期流體充注，天宮堂地區(qū)受多期構(gòu)造作用，發(fā)生3期充注。結(jié)合埋藏史和熱史分析，將長(zhǎng)寧地區(qū)成藏過(guò)程劃分為低壓緩慢抬升、高壓快速埋藏、高壓緩慢調(diào)整、超壓持續(xù)深埋和晚期抬升改造5個(gè)階段。

4) 晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈程度直接關(guān)系著頁(yè)巖氣富集程度。雙龍—羅場(chǎng)向斜部分超壓原因主要是液態(tài)烴裂解生氣造成超壓，在后期改造過(guò)程中，雖然受燕山—喜山期NE向擠壓應(yīng)力影響，但氣藏超壓條件未被完全破壞。天宮堂地區(qū)在抬升過(guò)程中，分別受到NW 和NE 向疊加作用，形成NE 向通天斷裂，隨著上覆壓力減少，裂縫開(kāi)啟，超壓條件被破壞，形成現(xiàn)今的常壓氣藏。