川西坳陷东坡差异构造变形及其油气意义

2021-01-30范厚江

宜宾学院学报 2020年12期

陈刚，范厚江，杨丹，欧蓉

（宜宾学院质量管理与检验检测学部，四川宜宾644007）

川西坳陷东坡中侏罗统沙溪庙组气藏为川西地区第2大中浅层气藏，多为构造-岩性气藏[1].从已获产的气藏解剖发现气藏分布具有差异性，与构造分布及其活动具有相关性[2-4]，但各次级构造带含气富集差异性控制因素认识不足，为气藏的开发评价及建产选区带来极大难度.

国内外开展的大量研究指出，断裂性质、断裂样式、断面形态、断裂演化、断裂内部结构及其封闭性等均对油气聚集具有重要的控制作用[4-10].基于这样的背景和研究现状，查明川西坳陷东坡的构造特征差异对天然气富集的影响作用，特别是断裂构造对油气的运聚富集与破坏逸散作用、以及古构造演化与油气成藏过程的关系等重要问题，明确构造差异对气藏的约束作用和控制规律，为推测潜在有利气藏富集区，认识天然气富集规律和增储上产将产生积极作用.

1 构造背景

川西坳陷位于四川盆地西部龙门山前，呈北东向展布，西以安县-都江堰断裂与龙门山冲断带为界，东以龙泉山-南江一线为界，南以峨眉-荥经断裂与川滇南北构造带为界，北至米仓山前缘.川西坳陷分为北、中、南三段，其中中段具有“三隆两凹一斜坡”的格局，包括龙门山前构造带、知新场构造带、孝泉-丰谷构造带、成都凹陷、梓潼凹陷和中江斜坡6个区带[11].川西坳陷东坡位于川西坳陷中段东部斜坡与川中古隆起的过渡斜坡地带.

川西坳陷东斜坡主要发育NNE 向、NEE 向和NW 向构造，包含高庙子、丰谷、永太、知新场-石泉场、中江-回龙等区块，研究区面积2 350 km2，共涉及四个构造区带，其中高庙子、丰谷区块属于孝泉-丰谷NEE 向构造带[12]，永太、中江及回龙区块属于中江斜坡带，主要包括黄鹿向斜和中江-回龙构造，知新场-石泉场区块属于知新场-石泉场南北向构造带（图1）.

2 构造变形特征

2.1 构造发育分布

总体上东坡地区构造显示出“三隆夹一凹”的特征[1]，“三隆”即西部知新场-合兴场南近北向构造带、东部中江-回龙构造鼻、北部高庙子-丰谷构造鼻，“一凹”为中部黄鹿向斜，构造高点位于南部石泉场.西部的知新场-合兴场近南北向构造带断裂发育，断裂走向主要为NNE 和SN 向.从构造带的形态样式看，构造带主要发育为两条主断裂夹持一个背斜构造，这两条夹持背斜的断裂多向下终止于嘉陵江组-雷口坡组滑脱层，向上分别终止于上侏罗统、白垩系以及地表.此断褶构造在不同区段可能再被内部的断裂分割成多个断块、断背斜（图2）.

图1 川西坳陷东坡构造纲要图

区内软弱层主要有嘉陵江组-雷口坡组膏盐岩、须家河组泥岩、自流井组-千佛崖组泥岩.其中嘉陵江组-雷口坡组膏盐岩对变形影响作用最为深刻，须家河组泥岩，自流井组-千佛崖组泥岩对构造变形约束作用较小，其影响推测可能主要是在泥岩软弱层内存在韧性剪切作用，部分断裂在泥岩段内断距有一定的减小，直至终止.受软弱层影响卷入构造变形的地层主要是须家河组及其以上地层（图2）.

区内主要断裂均分布于西部，东部整体上断裂构造欠发育.其中与沙溪庙组烃源疏导有关的断裂有21 条（按照序号命名为F1～F21），其中沟通油源的主要烃源断裂为7 条，分别包括F1-1、F1-2、F2、F3、F4、F5、F8，这些断裂里F2、F3、F4 基本未出露地表（图1）.将断裂投影到沙溪庙组顶面来统计断裂走向延伸长度，发现多为10 km～40 km 之间.断裂发育受区域上发育的中三叠统雷口坡组膏盐岩软弱滑脱层控制，局部受上三叠统须家河组、下侏罗统自流井组和千佛崖组泥页岩影响.因此断裂构造变形主要向下沿膏盐岩滑脱，个别向下沿自流井组和千佛崖组泥岩等滑脱，向上分别断开上三叠统及其以上地层.断裂断距变化较大，从几十米到上千米不等，大体上自南向北断距逐渐减小（表1）.

图2 构造解释剖面

表1 断开沙溪庙组断裂特征

2.2 构造变形差异

2.2.1 分带差异

西部发育断裂、褶皱带，构造变形强烈，断裂、断背斜、断块发育，具多期活动特征.东部主要存在高庙子-丰谷和中江-回龙两个构造鼻，整体构造活动弱.下部发育断开膏盐岩滑脱层至中下侏罗统的盲冲断裂，上覆地层减弱为平缓褶皱变形，为低幅度鼻状构造.

高庙子-丰谷构造位于构造平缓区北部，呈NEE 走向.构造向西延伸在合兴场与SN 走向断褶带叠加，为向NEE 丰谷区块逐渐倾没、开口向西的鼻状构造，区域上看属于孝泉-丰谷构造带一部分（图1）.该构造在中下侏罗统千佛崖组为完整的构造鼻，向上侏罗统蓬莱镇组幅度逐渐变缓，分化成两个局部构造高点（图2a）.中江-回龙鼻状构造位于构造平缓区东南部，长轴方向呈NW走向，大致跨中江和回龙两个区块.构造鼻往NW 方向与知新场F3断裂构造相接，向SE延伸出研究区，略呈NW 高、SE低的鼻状构造（图2c、d）.

综上所述，东部主要在深部发育盲冲断层，浅层转换为褶皱变形，从断裂未断开中侏罗统以上地层、后期缺乏强烈变形来看，变形活动应当在燕山早中期.

值得注意的是，东部已揭示出少数比较特殊的水下分流河道气藏，这些河道向西并未与西部断裂构造有效对接，说明东部有局部小规模供烃断裂的存在，这些断裂可能主要是沟通了须5段-沙溪庙组下部.地震剖面显示小断裂产状陡立，断距较小，断裂在须5 段和沙溪庙组有明显断点或错断，剖面上断开约半个相位，在自流井组和千佛崖组主要为同向轴发生挠曲（图3）.推断是由于自流井组-千佛崖组泥岩软弱层层间剪切作用导致断开特征弱化.平面分布上看小断裂为NE 走向，延伸长度短，一般在数公里以内，其展布大致与高庙子-丰谷、中江-回龙两个构造鼻位置相当.

图3 川西坳陷东坡东部小断裂地震解释剖面

2.2.2 断裂分层差异

此分层差异并非通常所指多滑脱层分层滑脱变形，而是根据断裂断开层位的差异对天然气富集的控制作用而进行的划分.其中特别关键的是断裂断开层位是否与沟通油源和水下分流河道储集层匹配.据此以断裂断开层位划分出：①只断开滑脱层至沙溪庙组的深层断裂；②断入沙溪庙组内部的中部断裂；③断穿沙溪庙组至上侏罗统的上部断裂；④断至地表或近地表的浅表层断裂.受多期构造运动和底部滑脱层的控制，深层断裂和上部断裂具有显著差异，中下部受滑脱层影响较大，甚至是经历了印支晚期以来的构造运动影响，以上陡下缓的滑脱断裂为主；上部和浅表层基本不受滑脱层直接影响，以高角度逆断裂为主（图2a⁃d）.

不同层系断裂密集程度也具有一定分布规律，按照中侏罗统沙溪庙组底面、上侏罗统蓬莱镇组顶面、下白垩统剑门关组分别投影断层分布，并追踪了浅表层断裂（通天断裂）的分布情况.结果表明沙溪庙组及其以下的深层断裂发育相对密集，特别是中西部断裂由北向南较为密集的收敛于石泉场的F5和F3 相接，几乎已经囊括了构造带所有油源断裂.此外东部小断裂也密集分布在此层系中（图4a），这些断裂集中于须家河组上部-沙溪庙组，多未断开沙溪庙组顶（图3）.上侏罗统蓬莱镇组中主要断裂分布特征大体上与沙溪庙组一致，但断裂数和密度明显减少，特别是东部平缓区小断裂几近消失（图4b）.上部断层在下白垩统剑门关组内以两“排”展布的SN 走向断裂为主，NNE 走向分布的断裂已不如侏罗系中突出（图4c）.区内近地表断裂仅余9 条，所谓近地表断裂也并非是断裂整体属于通天断裂，可能只是断裂的某一段，因此分布上看断裂整体连续性变弱，延伸长度减小（图4d）.

图4 川西坳陷东坡断裂分层分布图

2.2.3 分段差异

首先从断裂走向及几何学样式看，断裂自南向北具有显著“三分”特征，可分为三个次级构造，即：①NNE 走向反“y”字样式的石泉场构造；②近SN走向“y”字样式的知新场构造；③NNE 走向高角度对冲样式的合兴场构造.断裂由南向北构造变形减弱，断距逐渐减小；断裂由上陡下缓的铲式逐渐变为高角度逆冲（图2）.

石泉场构造位于研究区西南端，为强烈逆冲的断裂及其伴生褶皱变形，是现今构造高部位.石泉场构造主要特征与龙泉山构造主体完全一致，属于川中隆起与川西坳陷之间边界龙泉山反冲断裂构造的北延部分（图2a），所以也称之为石泉场延续段.石泉场构造走向总体为NE向，主断裂倾向为SE向，主要发育向NW 逆冲的F5断裂、F3断裂和向SEE 逆冲的F6、F9 断裂.其中F5 断距较大是主断裂，主断裂断距可达2 126 m，向NE 方向转换为F3 断裂.F6和F9 是派生断裂，除F3 外三者均为通天断裂，形成反“y”字样式（图2a、b、c，图4a）.需要指出的是从断裂构造样式及其走向延续性来看，F3 断裂与知新场构造主断裂差异是比较大的，而与F5 断裂在走向和逆冲方向上完全一致，其区别仅仅是断裂逆冲强度向NE 逐渐变小（图5）.因此F3断裂作为F5断裂NE向延续部分的属性更加显著，将F3 断裂划入石泉场构造更为合适.

图5 知新场F3断裂沿走向断距变化折线图

知新场构造南部与石泉场构造相接，北部与合兴场构造相连，构成总体呈SN 走向的构造隆起带.该构造带由两条主断裂夹持的褶皱构造组成，局部被伴生断裂及褶皱改造.构造变形强度由南向北逐渐缓和，且构造带自南向北逐渐变宽（图2b）.知新场构造南部和北部略有差异，南部受石泉场构造NE延续段构造变形影响较大，在两套断裂变形系统叠加效应的作用下，知新场断背斜受到多条断裂交切而主逆冲方向不显著，表现出构造变形的干涉特征（图2c）.知新场南部主要发育向西逆冲的F1-2、向SEE 逆冲的F2 南段（NNE 走向段）、F7、F8 等.因为石泉场构造的F3 断裂在知新场南部延伸发育仍旧较强，断距可达845 m.F3断裂在知新场南部向下断入雷口坡组滑脱层，向上均断入遂宁组，在中下部与F7 或F2 共同组成铲式对冲样式.浅层F1-2 和F8 断裂及其夹持的断块形成背冲样式（图2c）.

知新场北部由向西逆冲的F1、F1-1、F1-2 和向东逆冲的F2、F8 组成，此外还有逐渐减弱终止的F3北段（SN 走向段）.知新场北部断裂明显可分为上下两组，一是深层的F2、F1，呈铲状逆冲发育，向下断入滑脱层，向上断至中上侏罗统；另一组是F1-1、F1-2 和F8，为平直状的逆断裂，向下断入中下侏罗统，向上断至上侏罗统及其以上（甚至断至近地表）.知新场北部F3 断裂逐渐变弱至消失（图5），尽管逆冲方向保持不变，但断开层位明显减少，变为向下断入须5段，向上断入蓬莱镇组（图2b）.知新场北部F2断裂占据主导变形地位，断距可达497 m，F1 为其派生断裂，二者共同组成“y”字样式背冲.F2和F1两条断裂背冲作用下，伴生褶皱变形整体形成箱状背斜（图2b）.

合兴场构造走向为NNE向，大致与石泉场构造平行延伸.石泉场构造断裂主要为平直型的逆断裂，逆冲性质不明显.断裂向下断入须3 段-中下侏罗统，向上断至上侏罗统及其以上，多数断裂断距较小，以小于50 m 为主.合兴场构造主要发育向NWW 逆冲的F4、F16 和向SEE 逆冲的F15、F17、F19两组断裂，两组断裂对冲并相互交切，形成“X”样式组合.断裂中F4 和F15 延伸长度较之其余相对大，二者向下断入须3 段，向上断入蓬莱镇组和白垩系，二者呈高角度对冲发育.其中F4 沿倾向产状有变化，具一定程度坡坪式断面特征（图2a）.

3 断裂构造演化

川西坳陷三叠纪以来经历的区域构造运动主要包括：①印支晚期；②燕山早期；③燕山中期；④燕山晚期；⑤喜山期.对于东坡地区来说主要关注的是燕山中期以来的三期构造运动，这三期构造运动及其变形直接与目标层天然气富集有关.

区域上看，中三叠世末期印支早期构造运动中，川西凹陷发生整体抬升，区内上三叠统经受不同程度剥蚀，残余的上三叠统西厚东薄，形成类似箕状的坳陷特征.印支晚期构造运动使得须家河组地层强烈抬升剥蚀，造成龙门山前侏罗系角度不整合于下伏须五段[13].对于较远的东坡地区来说，复原剖面显示整个研究区构造相对较为平缓，响应并不强烈.但印支运动期间的变形仍旧奠定了区内侏罗纪沉积和高庙-丰谷、中江-回龙鼻状构造的基础.

燕山早期知新场-石泉场构造开始发育，孕育了极少数断层及其相关褶皱，从而形成早期的低缓断背斜构造.与须家河组显著的西厚东薄的展布特征不同，早侏罗纪地层厚度差异不大，显示出须五段沉积剥蚀以后，早侏罗纪区内整体平缓.区内不仅断裂构造走向为NNE 向和SN 向为主，沙溪庙组水下分流河道的整体走向也基本与构造方向一致，特别是水下分流河道的分布，几乎全部位于西部构造带以东，可能就是受限于早期低缓构造和地层.

燕山中期南部构造变形开始形成.燕山中期构造主要是继承的基础上发展，断裂构造发育比较局限，为断裂发育的雏形阶段，断裂总体上表现为隐伏状态（图6 中沙溪庙组沉积前）.燕山中期断裂主要集中在区内西南部石泉场和知新场南部，合兴场地区断裂欠发育，仅分布有2 条小断裂，成为后期断裂发展的基础.燕山中期东部大量出现高角度小断裂，小断裂分布区间明显，位置与两个构造鼻重合度高，其间为永太向斜断裂空白区所分隔，小断裂发育应与两个构造鼻的展布有关（图7a）.沙溪庙组水下分流河道自北向南呈NNE走向为主，证实燕山中期沙溪庙组沉积期间，区内古地形为北高、南低，物源来自于北部.但从中上侏罗统厚度较为一致来看，沉积期古地形差异较小，沉积背景基本一致.另外褶皱变形幅度下部比上部要大得多，所以在上侏罗统蓬莱镇组内断褶构造影响向相对较小，对地层沉积过程控制不明显（图6，图7a）.

燕山晚期构造运动区域上大规模抬升，白垩系严重剥蚀，区内仅残存下白垩统.毫无疑问燕山晚期是区内构造主要发展时期，断裂构造自南向北均有发育，南部石泉场、知新场断裂强烈继承发展，北部合兴场新生F4断裂和F1-1断裂.受其影响，西南部沿断裂褶皱带发生较强烈的断隆，形成了对冲、背冲等构造样式，在其内部密集的断裂相互交切，构成断背斜和大量断块构造.知新场北部则以断层相关褶皱为主（图6白垩系沉积前）.

图6 知新场构造带构造演化剖面图（剖面位置见图2中CC’）

图7 川西坳陷东坡古断裂分期分布图

喜玛拉雅构造运动形成自东向西大规模的构造应力挤压，受到川西龙门山推覆体向东南方向大规模挤压应力的影响，区内构造强烈发育并最终定型，西部断褶带和东部构造鼻定型.形成断裂以老断层继承活动和上部新生高角度断层为主，全区断裂构造多为继承发展，新生断裂数量相对较少，主要分布在合兴场.此外区内上白垩统-第三系全部缺失，可见喜山期具有长期持续隆升的特点（图7c）.

对断裂活动规律的统计分析揭示南部断裂早期发育相对密集，晚期发育相对稀疏；北部断裂早期发育局限，晚期发育相对增多.因此断裂自南向北除强度减弱外，形成演化也具有逐渐变晚的特点，即不同期断裂演化及其分布由南向北迁移发育（图7a），这与排烃成藏由西南往北东逐渐变晚的认识一致[14].

进一步对断层形成期次进行分类分析，断层构造形成演化可分为：①早期活动型，即燕山中期活动的断层；②早中晚3 期活动型，即燕山中期、燕山晚期和喜山期多期活动的断层；③早中期2 期活动型，即燕山中期、燕山晚期活动的断层；④中晚期2期活动型，即燕山晚期-喜山期活动的断层；⑤晚期活动型，即喜山期形成的断裂.其中燕山中期开始活动、燕山晚期继承发育的一般为铲式或坡坪式逆冲断裂，仅在喜山期活动的一般为平直型的逆断裂.这5种活动类型的断裂构造对天然气运移、聚集作用具有不同作用.

4 差异构造变形的油气意义

关于构造控藏作用（特别是断裂控藏）有为数不少的学者进行过探讨，从油气藏圈闭性来看认为构造高点控制油气富集，从断裂构造产状探讨认为断面倾角变化、断面上凸有利于油气疏导，还有从断裂封堵性分析认为断距、断层泥涂抹、断裂结构等多种因素影响油气运聚.

川西坳陷东坡沙溪庙组天然气聚集的构造控制因素不外乎上述诸因素起作用，但同时本区也有其不同之处.勘探研究明确指出区内沙溪庙组天然气主要富集在三角洲水下分流河道砂体中，该区水下分流河道最重要的两个特点就是河道迁移变化大，河道“窄”[1,15].区内沙溪庙组上下分成13 个砂组，每个砂组均有多条自东北向西南或自东向西流向的窄河道，这些河道宽度为数十米至数百米级别.由于东部缺少沟通油源的断裂构造，且受“窄”河道的影响，天然气主要来源于西部断裂构造带供烃.考虑到河道叠置等因素，可能存在侧向叠置砂体来源的天然气，但从现有研究看此种情形不应该是主要来源，且即使是侧向供烃其最终来源仍旧主要来自西部断裂构造带疏导.

西部断裂构造供烃的窄河道成藏，需要考虑的关键因素包括：①河道与断裂对接情况；②断裂沟通油源情况；③断裂是否断及地表造成天然气溢散；④断层产状对天然气疏导能力的影响；⑤断裂活动与生排烃时间匹配情况.

基于上述考虑分别对主要烃源断裂的上述特征开展分析.研究发现，区沙溪庙组砂岩储层发生过3期与油气成藏有关的流体活动，分别发生在距今141 Ma～128 Ma (J3-K1)、105 Ma～88 Ma (K1-K2)、83 Ma～68 Ma (K2)，成藏关键时刻主要在烃源岩的生烃高峰期130 Ma～68 Ma (K1-K2)，分别对应燕山中期、燕山晚期断裂活动疏导运移天然气、喜山期调整破坏的成藏研究认识[14].据此可以确定早中期活动断裂与成藏高峰期匹配、喜山期稳定断裂断开层位在蓬莱镇组及其以下，断面发散、铲式或坡坪式，变形较强（断距较大）的断裂为有利控藏断裂.早中晚期和中晚期断裂与成藏高峰期匹配，但断裂晚期活动可能在浅层具有平直型逆断裂性质，对气藏形成破坏调整而次之，仅在晚期活动的断裂对天然气富集可能有不利影响，或原生气藏破坏调整至别处.上述分析与研究区沙溪庙组13个砂组和典型河道已勘探发现气藏符合较好.