四川盆地下寒武统筇竹寺组烃源岩灶演化及其对成藏的启示

Hydrocarbon Kitchen Evolution of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in the Sichuan Basin and Its Enlightenment to Hydrocarbon Accumulation

摘要

研究下寒武统筇竹寺组烃源岩灶迁移演化能够为震旦-寒武系天然气成藏动力学及勘探方向提供重要的支撑. 以四川盆地热历史为基础，利用盆地模拟技术恢复筇竹寺组成熟度史及生烃史，揭示烃源岩灶迁移演化规律，建立烃源岩灶与规模成藏的耦合关系，进而指出震旦-寒武系天然气发育的有利区. 筇竹寺组烃源岩主要具有3期生油阶段：加里东旋回末期、海西旋回中-末期、印支旋回末期-燕山旋回早期；且具有4期生气阶段：加里东旋回末期、海西旋回中-末期、海西旋回末期-印支旋回中期、印支旋回中期-燕山旋回早期. 加里东旋回末期，川北和川南-川西南地区发育两个烃源岩灶，后者为主要生烃中心；加里东旋回末期-海西旋回末期，川北地区烃源岩灶向西迁移，为主要生烃中心，川南-川西南地区烃源岩灶未迁移，生烃强度少量增加；海西旋回末期-燕山旋回末期，川西北-川中地区发育一个新的烃源岩灶，生烃强度大且生烃面积广，该阶段为筇竹寺组烃源岩最主要的生烃阶段. 烃源岩以生油为主，生气为辅，震旦-寒武系气藏主要由原油二次裂解形成. 较大的生油强度、台缘带优质储层及构造高带的时空耦合为震旦-寒武系规模成藏奠定了坚实基础，研究成果可以为震旦-寒武系的天然气勘探提供重要的依据，针对震旦-寒武系的天然气下一步勘探应考虑中北部槽缘带的优质储层.

关键词

四川盆地 / 筇竹寺组 / 烃源岩 / 烃源岩灶演化 / 石油地质

Key words

Sichuan Basin / Qiongzhusi Formation / hydrocarbon kitchen evolution / hydrocarbon accumulation / petroleum geology

0 引言

在“碳中和、碳达峰”的推动下，中国正加快构建“清洁低碳、安全高效”的能源体系，能源结构发生显著变化，天然气作为最具潜力的清洁能源，将作为能源低碳转型的“伴侣”，替代高碳化石能源，成为主体化石能源，满足经济社会发展对能源的需求，保障我国能源供应安全（侯梅芳等，2021；邹才能等，2021）. 四川盆地一直是我国天然气的主产区，2021年天然气产量超过500×10⁸ m³，占全国天然气产量1/4. 资源潜力方面以深层海相碳酸盐岩天然气藏为主，其资源量占到四川盆地常规资源量的85%，探明储量的70%（张宁宁等，2014；马新华等，2019）.

震旦-奥陶系含气系统是四川盆地最古老的海相含气系统，大中型及特大型天然气藏主要发育在震旦系及寒武系，如1964年在震旦系灯影组发现了威远气田（陈宗清，2010）和2011年川中地区高石梯-磨溪古隆起核部发现安岳特大型气田（杨雨等，2020；赵文智等，2020），而奥陶系仅仅发现中小型气藏. 然而震旦-寒武系目前仅发现威远和安岳大型、特大型气田，是否还存在其他大中型及特大型气田呢？搞清主力烃源岩灶迁移演化规律及资源规模是最重要的基础工作之一. 下寒武统筇竹寺组烃源岩是震旦-奥陶系含气系统的主力烃源岩，已经得到大家的公认（Zou et al.， 2011， 2014； 邹才能等，2014；魏国齐等，2017；杨雨等，2020）. 关于筇竹寺组烃源岩的研究仅在烃源岩厚度（魏国齐等，2017）、发育的古地理环境（李皎等，2014）、烃源岩地球化学特征（Zou et al.， 2014；魏国齐等，2017；胡国艺等，2021）及现今生气强度取得了一些认识，但在烃源岩成熟演化、生烃史及烃源岩灶演化迁移方面的研究缺乏，制约了天然气成藏特征研究. 四川盆地烃源岩的成熟演化均由古地温场控制（Qiu et al.，2022），恢复其成熟演化及生烃史，是解决该类盆地天然气成藏规律必不可少的重要基础工作. 因此，本文以四川盆地热历史为约束，利用盆地模拟技术恢复了筇竹寺组烃源岩成熟演化及生烃史，揭示出不同烃源岩灶迁移演化规律及资源规模，指出烃源岩灶演化迁移与规模成藏的耦合关系，进而指出震旦-寒武系天然气分布有利区. 本文研究能够为震旦-寒武系天然气勘探选区提供基础参数和有利支撑.

1 区域地质概况

四川盆地地处青藏高原东侧，地质构造上位于扬子板块西北缘，面积约为18×10⁴ km²（Liu et al.，2021），是一个经历了复杂构造演化过程的叠合盆地（苏楠等，2021）（图1）. 盆地四周被米仓山-大巴山、大凉山、娄山、龙门山、邛崃山、齐岳山所环绕，整体呈菱形展布，构造表现为受各深大断裂控制的多构造边界、多构造体系特征（刘树根等，2015）.

四川盆地自下而上沉积了震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系等地层，地层厚度大、分布面积广（图2）. 其中震旦系-中三叠统为海相沉积，以碳酸盐岩沉积为主，厚4 100~7 000 m；上三叠统为海陆过渡相沉积，厚250~3 000 m，侏罗系-第四系为陆相沉积，主要发育陆相碎屑岩，厚2 000~5 000 m. 受加里东运动的影响，川东地区缺失上志留统、泥盆系与下石炭统大部分地层，中石炭统仅残留黄龙组地层；受燕山-喜马拉雅造山运动的影响，中侏罗统-第四系遭受不同程度的抬升剥蚀（刘树根等，2020）.

筇竹寺组为一套浅水-深水陆棚相地层，发育有一套暗色泥岩，厚度在0~694 m，在盆地西缘被剥蚀殆尽（杨雨等，2021）. 泥质烃源岩主要发育于绵竹-长宁古拉张槽内部，厚度最大超过450 m，向古拉张槽两侧烃源岩逐渐减薄，在川东高陡构造带东部及川中低平构造区东部无筇竹寺组烃源岩发育（图3）. 筇竹寺组烃源岩总有机碳含量（TOC）在0.5%~6.0%，四川盆地西北缘烃源岩有机碳含量最大，达到6.0%以上（图4）.

四川盆地热历史表现为3个阶段：（1）早二叠世之前表现为稳定的低热流阶段，热流值在45~55 mW/m²，在平面呈现自川西向川东方向逐渐降低的变化特征；（2）早二叠至早三叠世，受峨眉山地幔柱热效应及岩石圈拉张作用下的基底热流上涌的影响，在中晚二叠世古热流值达到了高峰，最大古热流值在60~124 mW/m²，在区域上表现为古热流值从峨眉山地幔柱中心向外部地区逐渐减小的特征；（3）早三叠世至今，热流开始逐渐降低，现今热流较低，在47.0~53.2 mW/m²之间（Qiu et al.，2022）.

2 方法与参数

2.1　烃源岩灶演化的研究方法

以热历史为约束，结合地球化学、地质、古温标等参数，首先利用各地层及烃源岩厚度建立四川盆地三维地质模型，利用BasinView盆模拟软件恢复下寒武统筇竹寺组烃源岩成熟演化及生烃史，再利用BasinFlow盆地模拟软件计算筇竹寺组烃源岩生烃速率，最后以生烃史为基础，揭示筇竹寺组烃源岩灶迁移演化特征（Zuo et al.，2011；Yang et al.，2021）. 在模拟中，生烃动力学模型采用Easy%R _o模型.

2.2　基础参数

基本参数包括地质参数、烃源岩地球化学参数和热参数. 其中，地质参数包括各层系的地层厚度、剥蚀量、地层分层和岩性等. 各层系的地层等厚图、剥蚀量等采用四川盆地第4次油气资源评价结果，岩石热导率（徐明等，2011）、热史（Tian et al.，2020， 2021；Qiu et al.， 2021；饶松等，2022）、烃源岩地球化学参数（邹才能等，2014；魏国齐等，2017）来自前人的研究成果，地层分层采用钻孔实际测量值，利用Sclater and Christie（1980）的方法进行回归得到初始孔隙度和压实系数. 模拟过程中古地表温度取四川盆地年平均温度（15 °C）（于真，2017），并设地史上的地表温度不变. 模拟的关键地质历史时期包括：加里东旋回末期（405 Ma）、海西旋回末期（256 Ma）、燕山旋回末期（100 Ma）及现今（0 Ma）.

3 结果

3.1　典型井埋藏史

在模拟中，选择了不同构造单元的8口典型井进行埋藏史、热史恢复，利用实测镜质体反射率与成熟度模拟值进行拟合及校正，其拟合程度高，表示该次模拟结果正确（图5）.

下寒武统筇竹寺组烃源岩在早古生代随埋深的增加开始演化，由于受到加里东期构造作用导致的地层抬升剥蚀，温度降低，烃源岩演化暂停，二叠纪-三叠纪，地层再次深埋，温度迅速升高，到白垩纪中晚期（燕山旋回晚期），地层温度达到最大，烃源岩热演化程度达到最高，随后，随着地层开始抬升，温度降低，成熟度不再增加，烃源岩热演化停止.

3.2　下寒武统筇竹寺组成熟度史

地层的成熟度史主要受控于地质时期的温度演化规律，而温度演化规律又取决于地层埋藏史和盆地热历史，因此在地层埋藏史和盆地热历史恢复的基础上，获得地层温度史，从而正演出地层的成熟度史.

加里东旋回末期，川西低陡构造区筇竹寺组顶部处于未成熟阶段；川中低平构造区处于未-低成熟阶段；川北低平构造区筇竹寺除东部部分地区处于中成熟阶段外，其余地区处于未-低成熟阶段；川西南低缓构造区西北部处于低-中成熟阶段，而东南部已达到高成熟阶段；川南低陡构造区普遍达到生湿气阶段；川东高陡构造区西部处于中-高成熟阶段，而东部边缘已达到生湿气阶段（图6a）. 海西旋回末期，川西低陡构造区筇竹寺组顶部仅南部部分地区达到低-中成熟度，进入生烃门限；川中低平构造区成熟度变化不大，普遍处于未-中成熟阶段，边缘地区达到高成熟-生湿气阶段；川北低平构造区成熟度明显增大，普遍达到高成熟-生湿气阶段，西部部分地区处于未-中成熟阶段；川西南低缓构造区成熟度差异较大，北部主要处于中-高成熟阶段，而南部已到达生干气阶段，成熟度最大达4.2%；川东高陡构造区和川南低陡构造区基本处于高成熟-生干气阶段（图6b）. 燕山旋回末期，四川盆地筇竹寺组顶部成熟度进一步增加，除川中低平构造区中部部分地区处于生湿气阶段外，川中低平构造区其余地区和其他五个构造区成熟度均已达到生干气阶段，其中川东高陡构造区和川北低平构造区成熟度最大达4.6%（图6c）. 燕山旋回末期至今，四川盆地筇竹寺组顶部成熟度未再增加（图6d）.

3.3　下寒武统筇竹寺组烃源岩生烃史

生烃强度是单位面积烃源岩的生烃量，它能够反映烃源岩的生烃能力，本次研究基于烃源岩的成熟度演化及地球化学等参数，利用BasinView软件对不同地质历史时期下寒武统筇竹寺组烃源岩的生烃强度进行模拟.

晚加里东旋回末期，川东高陡构造区、川南低陡构造区、川西南低缓构造区和川北低平构造区筇竹寺组烃源岩开始生烃，生烃中心主要位于川北和川南-川西南地区，川西南低缓构造区最大生油强度超过30×10⁶ t/km²（图7a），最大生气强度超过5×10⁶ m³/km²（图8a）. 海西旋回末期，筇竹寺组烃源岩生烃范围略有扩大，川北低平构造区大量生烃，最大生油强度达到45×10⁶ t/km²以上（图7b），最大生气强度超过9×10⁶ m³/km²（图8b），川中低平构造区生烃范围扩大，但生烃强度较小，川东高陡构造区和川南低陡构造区烃源岩生烃强度变化不大. 燕山旋回末期，四川盆地筇竹寺组烃源岩，尤其在拉张槽北部地区，生烃强度明显增大生烃中心开始向川西低陡构造区北部、川中低平构造区西部以及川北低平构造区西部迁移，其中川西低陡构造区北部烃源岩和川北低平构造区西部烃源岩生油强度最大可达55×10⁶ t/km²（图7c），生气强度达到10×10⁶ m³/km²（图8c）. 燕山旋回末期至今，四川盆地筇竹寺组烃源岩生烃强度未有变化，生烃停止（图7d和图7d）.

为进一步明确筇竹寺组烃源岩主要生烃时期及阶段，在关键地质时期生烃强度的基础上，利用BasinFlow软件模拟筇竹寺组烃源岩生烃速率，划分主要生烃阶段. 下寒武统筇竹寺组烃源岩共经历了三期生油阶段，分别为：加里东旋回末期、海西旋回中-末期、印支旋回末期-燕山旋回早期，其中印支旋回末期-燕山旋回早期为主要生油阶段；共经历了4期生气阶段，分别为：加里东旋回末期、海西旋回中-末期、海西旋回末期-印支旋回中期、印支旋回中期-燕山旋回早期（图9）.

综合筇竹寺组烃源岩不同地质历史时期生烃强度及生烃速率，筇竹寺组烃源岩以生油为主，生气为辅，震旦-寒武系的气藏主要为原油二次裂解气组成.

4 烃源岩灶迁移演化对震旦-寒武系天然气成藏的启示

通过分析不同地质历史时期筇竹寺组烃源岩的生油、生气强度发现，四川盆地各构造区带生烃时间及生烃过程各不相同，但生油和生气过程具有相似性（图10）.

古拉张槽内筇竹寺组烃源岩厚度大、且拉张槽北部和南部总有机碳含量高，尤其是北部地区达到6.0%以上，受烃源岩厚度展布及总有机碳含量的影响，筇竹寺组烃源岩现今主要在川西北和川南-川西南地区发育有两个烃源岩灶，且川西北地区烃源岩灶生烃强度最大. 但是在地质历史时期，烃源岩灶发生了不同程度的演化迁移. 加里东旋回末期，筇竹寺组烃源岩发育有两个烃源岩灶，分别位于川西南-川南地区和川北地区（图10a，10d），川西南-川南地区烃源岩灶为主要生烃中心，虽然威远气田距川西南-川南烃源岩灶近，但此时威远地区圈闭未形成（李吉君等，2016），该阶段形成的油气无法为威远气田供烃. 加里东旋回末期-海西旋回末期，川北地区的烃源岩灶中心向西部迁移，生烃强度继续增大，为该阶段主要生烃中心，川西南-川南地区的烃源岩灶未发生迁移，生烃强度略有增大（图10b，10e），此时古拉张槽的两侧的下伏灯影组的古丘滩体储层已经形成，筇竹寺组烃源岩在该时期产生的油气可以为威远气田供烃（杨跃明等，2016a，2016b）. 海西旋回末期-燕山旋回末期，川西南-川南地区的烃源岩灶演化停止，生烃强度几乎不再增加，而川北地区的烃源岩灶中心继续向西迁移至盆地西北缘，形成新的烃源岩灶，烃源岩灶范围大且生烃强度大，该阶段也是筇竹寺组烃源岩的主要生烃阶段（图10c，10f）. 此时，油气向拉张槽两侧的高部位运移，安岳气田和威远气田圈闭已经形成，位于拉张槽两侧，且邻近烃源岩灶，筇竹寺组烃源岩在该阶段可以为两大气田提供大量油气. 烃源岩以生油为主，生气为辅，油气向圈闭运移形成古油藏，当储层温度达到150~160 ℃以上，原油开始裂解生成天然气（Zhu et al.，2018），形成古气藏，在燕山旋回末期，四川盆地发生地层抬升，古气藏发生调整，形成现今天然气分布格局. 结合烃源岩灶的演化规律、拉张槽位置及威远、安岳两大油气田位置发现，在加里东旋回末期-海西旋回末期和海西旋回末期-燕山旋回末期，构造高带、巨量的生油规模和台内、台缘带优质储层构成了极好的时空耦合关系，为形成大规模的天然气藏提供重要基础.

综合3个关键的生油阶段，针对震旦-寒武系常规天然气的接替勘探应着眼于中北部槽缘带的优质储层. 另外，川西南-川南、川北及川西北地区3个烃源岩灶发育的位置烃源岩厚度大且TOC含量高，筇竹寺组泥页岩既可以作为烃源岩也可以作为储层，页岩气成藏条件良好.

5 结论

（1）不同构造区成熟度史具有一定差异，川西低陡构造区在加里东旋回末期处于未成熟阶段，在海西旋回末期南部开始进入生油门限，并于燕山旋回末期达到生干气阶段；川西南低缓构造区在加里东旋回末期西部达到低-中成熟阶段，东部达到高成熟阶段，海西旋回末期达到生干气阶段，燕山旋回末期成熟度少量增加；川中低平构造区在加里东旋回末期和海西旋回末期均处于未成熟-低成熟阶段，燕山旋回末期达到生干气阶段；川北低平构造区在海西旋回末期达到低-中成熟阶段，在海西旋回末期达到高成熟阶段，燕山旋回末期达到生湿气阶段. 燕山旋回末期，筇竹寺组成熟度达到最大，至今不再增加.

（2）下寒武统筇竹寺组烃源岩共经历了3期生油和4期生气，主要生油阶段为：加里东旋回末期、海西旋回中-末期、印支旋回末期-燕山旋回早期；主要生气阶段为：加里东旋回末期、海西旋回中-末期、海西旋回末期-印支旋回中期、印支旋回中期-燕山旋回早期. 筇竹寺组烃源岩以生油为主，生气为辅，后期在埋深增加后，油裂解为天然气，形成气藏.

（3）加里东旋回末期由于乐山-龙女寺古隆起的形成和持续隆升导致各成藏组合的储层盖层被剥蚀，难以形成大规模气藏；加里东旋回末期-海西旋回末期和海西旋回末期-燕山旋回末期，构造高带、巨量的生油规模和台内、台缘带优质储层构成了极好的时空耦合关系. 3个烃源岩灶发育地区烃源岩厚度大，总有机碳含量高，页岩气成藏条件良好.

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基金资助

国家科技重大专项专题项目(2017ZX05008001-006;2016ZX05004005-002-001)

成都理工大学研究生拔尖创新人才培育计划(CDUT2022BJCX004)