地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (6): 911-922
引用本文
刘雯, 邱楠生, 马寅生, 徐秋晨. 川西坳陷北部断褶带中二叠统异常流体压力分布特征及成因分析[J]. 地质力学学报, 2020, 26(6): 911-922.
LIU Wen, QIU Nansheng, MA Yinsheng, XU Qiuchen. Distribution characteristics and genetic analysis of the abnormal fluid pressure in the middle Permian in the northern fault-fold zone of the western Sichuan Depression[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(6): 911-922.
川西坳陷北部断褶带中二叠统异常流体压力分布特征及成因分析
刘雯1,2,3,4,5, 邱楠生4,5, 马寅生1,2,3, 徐秋晨4,5,6    
1. 自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室, 北京 100081;
2. 中国地质调查局油气地质力学重点实验室, 北京 100081;
3. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
4. 中国石油大学 (北京) 油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249;
5. 中国石油大学 (北京) 地球科学学院, 北京 102249;
6. 中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 100083
摘要:含油气盆地中温压场的研究是探明油气成藏机理的核心问题,特别是古压力的恢复对研究油气的运移、聚集甚至储层的成岩、烃类的生成都起着至关重要的作用。文中以现今地层压力为约束,应用盆地模拟法恢复了川西北断褶带中二叠统的压力演化过程,并利用构造挤压应力模型定量分析超压主控因素。恢复结果显示,川西北中二叠统则发育两期超压,特别是侏罗纪—早白垩世末,受构造挤压应力作用超压快速累积,且不同构造单元受挤压应力的影响差别较大。近造山带发育弱超压,晚白垩世之后恢复至常压;远离造山带的褶皱带和前渊带则发育超压—强超压,且受侧向挤压应力的影响,构造抬升后仍然保持超压—强超压的状态。
关键词川西北断褶带    海相盆地    古流体压力    超压成因    挤压应力    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.06.072     文章编号:1006-6616(2020)06-0911-12
Distribution characteristics and genetic analysis of the abnormal fluid pressure in the middle Permian in the northern fault-fold zone of the western Sichuan Depression
LIU Wen1,2,3,4,5, QIU Nansheng4,5, MA Yinsheng1,2,3, XU Qiuchen4,5,6    
1. Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China;
2. Key Laboratory of Petroleum Geomechanics, China Geological Survey, Beijing 100081, China;
3. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
4. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China;
5. School of Geosciences, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China;
6. Oil and Gas Resources Survey, China Geological Survey, Beijing 100083, China
Abstract: The temperature and pressure field is the key point for studying on the mechanism of hydrocarbon accumulation in the petroliferous basin, and the reconstruction of paleo-pressure particularly plays an important role in the study of hydrocarbon migration and accumulation, and even diagenesis in reservoirs and hydrocarbon generation for source rocks. In this paper, with pressure distribution as constraint, the paleo-pressures in the middle Permian of the northwestern Sichuan Basin were reconstructed by adopting basin modeling. In the northwest fault-fold belt of the Sichuan Basin two stages of overpressure developed, in the middle Permian, especially from the late Jurassic to the end of early Cretaceous.The overpressure accumulated rapidly in reservoirs under the effect of compressive stress which varied greatly in different structural units. The weak overpressure developed near the orogenic belt, which recovered to normal pressure after the late Cretaceous; but the strong overpressure developed in the fold and foredeep zone far from the orogenic belt even after the structure uplift, which was mainly controlled by the external compressive stress from northwest.
Key words: northern fault-fold zone of the western Sichuan Depression    marine sedimentary basin    paleo-fluid pressure    causes for overpressure    compressive stress    

近年来,油气勘探在川西坳陷北部的中二叠统茅口组和栖霞组有重大突破。尤其是位于山前过渡带的双鱼石和九龙山构造带,获得高产气显示,初步展示出中二叠统良好的勘探开发潜力。四川盆地是一个典型的超压发育盆地,在盆地的不同构造单元自下而上发育多个超压系统。如川东北的飞仙关组孔隙型储层压力演化经历了增压—卸压过程,而裂缝性储层则经历了增压—卸压—再增压的过程;川中的须家河组地层压力的演化经历了常压—增压—卸压的发育过程(马德文等,2011Liu et al., 2016b)。对于陆相地层异常压力的恢复方法主要采用油包裹体及伴生盐水包裹体的热动力学模拟,欠压实作用、生烃增压、热化学硫酸盐还原反应等是常见的增压因素(Yang et al., 2016Liu et al., 2017)。随着古老海相地层勘探程度的增加,发育在震旦系—寒武系碳酸盐岩、志留系页岩中的异常高压逐渐被认识(刘一锋等,2015刘树根等,2015Gao et al., 2017)。西北褶皱带位于龙门山和米仓山山前交汇处,是四川盆地西北部晚三叠世以来形成的典型前陆盆地,其中二叠统的茅口组碳酸盐岩发育高成熟度天然气藏并伴有异常高的孔隙压力,是目前亟待勘探的深层油气资源。茅口组天然气藏的分布在川西北褶皱带具有明显的分带性,与实测流体压力的分布规律相吻合,表现出异常流体压力对气藏分布的控制作用。因此,异常流体压力形成的原因及演化过程是揭示不同构造单元天然气富集程度差异性的核心问题,是厘清川西北褶皱带深层天然气成藏机理的关键问题。

1 区域地质概况

川西坳陷北部断褶带位于四川省绵阳和广元地区,由龙门山推覆构造带、龙门山-米仓山山前褶皱带及川西北低平褶皱带三个二级构造单元组成,是一个北东—南西向的狭长区带(图 1)。研究区所属的川西坳陷是介于龙门山冲断带与川中稳定地块之间的中新生代前陆盆地(Luo et al., 2017Lu et al., 2017; 李斌等,2020)。据川西地区北部及临区钻井、露头剖面资料表明,研究区自震旦纪以来除了石炭系和泥盆系遭受大面积剥蚀外,其他地层发育较为完全(图 2)。自震旦纪至中三叠世,以海相克拉通盆地发育为主。震旦纪—寒武纪发育克拉通盆地内裂陷;寒武纪—志留纪发育宽缓斜坡,主要为广海陆棚的碳酸盐岩沉积;泥盆纪—石炭纪,川西北地区板块隆升遭受剥蚀,仅在龙门山一带保存有小部分的泥盆系和石炭系。二叠纪开始,地壳全面下沉,古太平洋海、古地中海海水经秦岭海槽侵入,在加里东运动隆升形成的志留系准平原化基础上开始了二叠系的沉积。梁山期末和栖霞期初,随着海平面的急剧上升,整个川西北部地区处于碳酸盐深缓坡环境中,沉积了一套富含有机质和泥质的黑灰色厚层生屑灰岩夹薄层黑色页岩,具有良好的生油能力。栖霞后期到茅口期,经历了海平面先下降再上升的过程,在川西北地区沉积灰色厚层块状的生屑灰岩。二叠纪长兴期—三叠纪飞仙关期发育克拉通盆地内裂陷。晚三叠世—白垩纪是前陆盆地发育和板块碰撞造山阶段,该时期川西北地区由海相沉积转为陆相沉积(江文剑等,2014刘刚和董树文,2018),主要发育碎屑岩,地层沉积厚度大(吕杰,2013)。

a—川西坳陷北段中二叠统顶部构造图;b—过ST1-L16井地层剖面图 图 1 川西坳陷北段区域构造图 Fig. 1 Regional tectonic map of the northern section of the western Sichuan Depression

图 2 川西坳陷北段综合柱状图 Fig. 2 Composite columnar section of the lithology in the northern part of the western Sichuan Depression

中二叠统茅口组厚120~140 m,自下而上可划分为四个岩性段。茅一段至茅三段主要由深灰色生物泥晶灰岩,局部夹有云质豹斑灰岩;茅四段主要为灰黑色硅质岩、泥页岩,富含有机质(傅饶,2015)。而栖霞组与下伏海陆过度相梁山组黑色炭质页岩夹砂岩呈整合接触,自下而下可分为两段。在西北地区栖霞组以浅灰白色块状灰岩为主夹白云质灰岩,约厚200 m(关新等,2018李博等,2020)。其中与较高能台地边缘滩成因有关的亮晶生物碎屑灰岩、细—中晶白云岩为主要的储集岩类型。储集空间主要包括粒间溶孔、晶间溶孔、溶蚀孔洞及裂缝等(杨天博等,2020)。受复杂构造活动的影响储层的非均质性较强,储层特征及主要控制因素尚不清楚。而川西坳陷北段受构造演化的控制,逆冲断层、滑脱层发育,都有可能作为油气运移的通道,且中二叠统的埋深在过渡带已达6000~8000 m,对下伏烃源岩的勘探更是难以实现。因此,对于烃源岩的研究还存在较大的争议。目前主要的观点认为下寒武统的筇竹寺组泥页岩、中二叠统的栖霞组—茅口组、上二叠统的大隆组都有良好的生烃潜力(李红敬等,2012Wang et al., 2017梁霄等,2018孙奕婷等,2019)。从有限的钻井资料及温压测试资料分析,龙门山前及米仓山前构造带,中二叠统的埋深在3000~5000 m,油气显示较弱,现今表现为常压状态,地层温度为80~100 ℃。而在褶皱带及山前过渡带,栖霞组和茅口组显示出中—强程度的超压,地层温度达到140~160 ℃。与山前带相比,位于过渡带的双鱼石、九龙山、关基等构造带气藏,属于高温高压型气藏。

2 现今压力分布特征

川西坳陷北部断褶区,断裂系统复杂、构造单元密集,不同单元的现今地层压力差异较大。由于区内下二叠统勘探程度较低,实测压力数据较少,因此需要根据泥浆密度和测井响应来识别缺少数据井区的异常压力层段,在构造趋势的背景上,进一步分析栖霞组和茅口组现今地层压力在纵向和平面上的展布特征。目前川西北断褶带钻遇栖霞组和茅口组的井区共有8个,矿山梁、河湾场、射箭河、吴家坝、张家扁、双鱼石、九龙山和老关庙(图 3)。共收集两个井区4口井的实测压力数据(表 1)。数据显示,位于盆地前渊的双鱼石和九龙山井区,中二叠统栖霞组和茅口组碳酸盐岩有强超压显示,压力系数为1.36~2.25。

图 3 川西坳陷北部断褶带构造单元分布(据王鼐等,2016修改) Fig. 3 Distribution of tectonic units in the northern fault-fold zone of the western Sichuan Depression (modified after Wang et al., 2016)

表 1 中二叠统实测压力 Table 1 DST data of the Mid-Permian

对于没有直接压力测试数据的井区,此次研究采用泥浆密度作为参考。为了钻井安全,钻井过程中泥浆重量通常与地层压力保持平衡或略高(图 4)。如ST1井,茅口组的泥浆比重与实测压力接近,但栖霞组的泥浆比重则大于实测压力。受资料限制,文中选取了4个井区5口井的泥浆数据。K1井(图 4a)、K3井(图 4b)位于山前带的矿山梁井区,泥浆比重较低,与静水压力线接近且趋势相同,无错断、突变等异常层段,表现为常压状态。其余井区在浅部地层钻进时,采用低密度钻井液,在一定深度开始偏离静水压力线,表现为中等超压—强超压。WJ1井(图 4c)在3500 m处开始偏离静水压力线,深部泥浆密度1.74~1.89 g/cm3;S1井(图 4d)在4500 m处泥浆比重开始增大,深部泥浆密度1.85~1.95;B1井(图 4e)在5720 m处泥浆比重突变增大,目的层泥浆比重达2.00~2.22。

图 4 川西北地区典型井钻井泥浆压力 Fig. 4 Drilling mud pressure of typical wells in the northwestern Sichuan Basin

通过对典型井的压力系数分析,认为除位于山前带的井区外,川西北地区的栖霞组和茅口组普遍发育超压。由于理想情况下泥浆重量反映的是最大孔隙压力,因此泥浆密度代表的压力系数常高于实际值。根据ST1井的实测值与泥浆密度的差异(图 4f),其余井区的泥浆密度相应减小0.2。从超压的程度来看(图 5),矿山梁井区未发育超压,吴家坝井区发育中等程度超压,射箭河、双鱼石发育强超压,九龙山、张家扁超压程度最强。

图 5 川西坳陷北段中二叠统现今压力系数分布 Fig. 5 Present pressure coefficient of the Mid-Permian in the northern part of the western Sichuan Depression

结合构造形态分析,栖霞组和茅口组的超压从山前向盆地内部程度增强,龙门山前断裂带不发育超压,米仓山前带发育弱—中超压;龙门山一侧深部前渊带发育较强程度超压,米仓山前背斜带发育超压程度最大(图 6)。此外,超压的分布与产气量的分布吻合,位于远离造山带的前渊带或背斜带的双鱼石和九龙山井区产气量远高于山前带的矿山梁、河湾场和吴家坝井区。如ST1井茅口组日产气达126.77×104 m3、L16井茅口组日产气达251.74×104 m3,而K1井和WJ1井茅口组的日产气量仅为2.67×104 m3和2.28×104 m3

图 6 川西北地区压力系数平面分布与油气显示分布图 Fig. 6 Present pressure coefficients and gas show in the northwestern Sichuan Basin
3 横向挤压应力对异常压力的贡献量

研究区位于松潘-甘孜褶皱带,主要出露三叠系碎屑岩。当扬子地块三叠纪产生聚合现象时,边缘增生楔随着俯冲作用和碰撞作用而逐渐形成。与川中古隆起相比,川西北地区基底性质较软,使得上覆盖层更容易发生褶皱变形(图 1b)。龙门山构造带北段在垂向上存在三套区域性滑脱层系:下寒武统长江沟组为山前带下部的滑脱层;志留系龙马溪组页岩地层为上部滑脱层;飞仙关组上部的泥页岩段位山前浅层滑脱层系(王鼐等,2016Lu et al., 2017)。当扬子板块与青藏高原碰撞形成的挤压应力沿滑脱层传递到川西北山前带时,受滑脱层的影响,滑脱层上部和下部的地层会发生褶皱变形、剪切变形等作用,且变形的样式也会有所差异。例如,龙门山山前的矿山梁构造就是完整的背斜,总体沿北东方向分布,发育大量的推覆断层(图 1)。中二叠统的栖霞组和茅口组位于上下两套滑脱层之间,受晚燕山期和喜山期龙门山推覆作用的影响,一方面在水平方向上增加了地层的压实作用,另一方面发生了褶皱变形。很多研究的实例表明,构造挤压应力是引起地层中异常流体压力的主要因素。例如,美国太平洋西海岸地区沉积盆地内超压的增加机制就是构造挤压应力的作用;San Andreas大断裂附近长680~800 km、宽40~130 km的异常压力带内的超压是横向构造应力作用的结果(Luo et al., 2007)。因此,横向的构造挤压可能是形成川西北地区栖霞组和茅口组异常高流体压力的一个主要因素。

构造应力在水平方向上派生的侧向压实作用、强烈的褶皱作用及伴随的快速沉积-剥蚀作用等是前陆盆地中特有的增压作用,都可造成较高压力异常(Liu et al., 2016aGuo et al., 2016)。四川盆地不同构造单元的褶皱特点与它们的基底性质有关(梅庆华等,2014)。川中隆起区基底由一套强磁性的酸—基性岩浆岩及变质岩组成,刚性强、隆起高,来自盆地周缘不同方向的构造应力不易使它变动,沉积盖层变形很弱,褶皱平缓。川西—川北地区基底为弱磁性的浅变质岩组成,属柔性基底,当其受到侧向挤压时,较之刚性基底易于变形,褶皱强烈。当挤压力通过基底和沉积盖层继续向盆地中部传导时,因受阻于川中刚性基底而形成的反作用力又会反过来作用于川东和川西地区,这样挤压应力更集中,或沿早期断裂形成褶皱紧密的高背斜带,特别是以北东向为主体的线型褶皱发育,或沿断裂发生扭动形成雁行排列的背斜群。

相关学者通过节理分析法、古地磁法结合声发射实验,利用构造应力数值模拟技术恢复了龙门山山前地区构造应力场演化(操成杰,2005)。模拟结果显示川西北地区印支运动中幕区域构造应力场为近南北向挤压为主;印支运动晚幕区域构造应力场主应力方位为NW303°,构造应力大小为19.5 MPa;燕山运动早中幕区域构造应力场主应力方位为NE67°,构造应力大小为60.9 MPa;燕山运动晚幕以来主应力方位为NW296°,构造应力大小为32.8 MPa。在应力场分析的基础上,通过构造挤压应力模型(罗晓容, 2004, 2013Luo et al., 2007),可以模拟出每期的构造应力对地层压力的贡献量。该模型的基本假设是岩石孔隙流体饱和,体系是完全封闭体系。在应力作用的开始阶段,流体还没来得及运移,构造应力向流体压力的转化可以按照封闭型储层考虑。模型的基本原理是依据弹性理论,在应力作用下岩石骨架体积近似不变,即岩石体积的变化(ΔV)等于孔隙流体体积变化(ΔVp)。

$\Delta V=(\sigma-P) V / E$ (1)
$\Delta V_{\mathrm{p}}=P \cdot \phi / K_{\mathrm{v}}$ (2)
$K_{\mathrm{v}}=E /[3(1-2 \mu)]$ (3)

式中,V为岩石体积,σ平均有效应力,P为孔隙流体压力,E为岩石弹性模量,μ为岩石泊松比,ϕ为岩石孔隙度,Kv为岩石的体积变形模量。由ΔV≈ΔVp可得构造挤压应力对地层压力的贡献:

$P / \sigma=1 /[1+3(1-2 \mu) \phi]$ (4)

在完全封闭体系的假设下,通过模型(公式4)计算得到,从印支运动晚幕到喜山运动晚幕,由板块碰撞作用产生的挤压应力对川西北地区地层压力的贡献率达到92%~97%(表 2)。超压贡献率与地层孔隙度呈反比,孔隙度越小,即体系越封闭,构造挤压应力引起的地层压力增加就越大。由于不存在完全封闭的体系,在实际的地层条件下有流体向外排放,超压的实际贡献量应小于计算值。

表 2 构造挤压应力对川西北地区地层压力的贡献量 Table 2 Contribution of tectonic compressive stress to the formation pressure in the northwestern Sichuan Basin
4 晚古生代以来的压力演化过程

川西北地区处于龙门山和米仓山的山前构造带,受断裂带分隔,构造单元复杂,构造样式多变。中二叠统的栖霞组和茅口组为碳酸盐岩地层,从山前带到褶皱带埋深逐渐加大,地层超压也逐渐增大(图 6)。特别是远离山前带的双鱼石和九龙山构造区,中二叠统的埋深达到7000~8000 m(孙东,2011邓宾,2013),最高古地温超过200 ℃,碳酸盐岩地层经历了过成熟的演化形成气藏,恢复压力的传统图版和经验公式难以适用;且储层成岩作用复杂,缺乏有效的包裹体进行观测和压力模拟。由于研究区中二叠统的勘探程度较低,每个构造区只有1~2口井打到中二叠统作为控制点进行区域压力的评价。此次研究考虑构造挤压及流体膨胀是造成中二叠统超压的主要原因,采用盆地模拟法对川西北地区中二叠统的地层压力进行初步恢复。文中以Basinmod软件为工具,选择流体压实耦合模型、Bmod压力模型、Bmod 2-D孔隙模型、Power Function渗透率模型。埋藏史的建立以剥蚀量的准确恢复以及Ro与热史的匹配为标准;压力恢复过程由现今地层压力为约束条件,通过参数的调整模拟接近实际情况的压力演化。盆地模拟所需参数主要包括地层年龄、岩性组合、剥蚀量、热流演化史、岩石热导率等。其中,地层、岩性等资料来自收集的现场资料;构造时间、剥蚀量及镜质体反射率主要依据已有恢复结果(孙东,2011邓宾,2013Xu et al., 2018)。川西北地区构造单元密集,位于不同构造带的井区经历的构造演化差异较大,所处应力场及压力场的演化也有所不同。文中分别从矿山梁、射箭河、张家扁、九龙山及老关庙5个构造区选取典型井(图 1图 3),恢复了晚古生代以来中二叠统的地层压力。

(1) 老关庙构造带

GJ井位于梓潼向斜老关庙构造近顶部轴线上,属于高陡背斜构造带。该井钻遇白垩系下统剑门关组至二叠系下统茅口组,在剑门关、须家河、雷口坡及茅口组顶部都发育不整合,剥蚀特征明显。根据已有研究表明,晚白垩世以来的剥蚀量在2000~2500 m(孙东,2011邓宾,2013)。压力演化结果显示茅口组自沉积至三叠纪初期一直保持常压状态,三叠纪中晚期出现短暂超压后恢复至常压(图 7)。从侏罗纪开始地层超压快速累积,直到早白垩世末期达到最大,压力系数达1.70~1.80,晚白垩世以来随着地层的抬升压力有所降低,但至今仍保持较高程度的超压,与实测情况吻合。

图 7 川西北断褶带茅口组剩余压力演化 Fig. 7 Excess pressure evolution of the Maokou Formation in the northwestern Sichuan Basin

(2) 九龙山构造

九龙山构造位于米仓山前造山带与川中地台的过渡带,为北陡南缓的不对称短轴背斜。L4井钻遇侏罗系蓬莱镇组至二叠系茅口组,所钻地层层序正常,无断层。龙潭组底部见铝土质泥岩,表明茅口组顶部遭受了风化剥蚀。受印支运动早幕影响,雷口坡顶面有较弱的剥蚀作用,受印支晚幕影响,须三段以上至早侏罗地层剥蚀。燕山期—喜山期运动使本区受到强烈抬升与褶皱。压力演化结果显示,L4井压力演化过程与GJ井相似,三叠纪末期出现一期短暂超压,现今保存的超压形成于侏罗纪初期,到早白垩世末期达到最大,但增大的速度要小于GJ井区,后期压力有所降低,但至今仍保持超压(图 7)。从构造背景上分析,老关庙与九龙山都属于高陡背斜构造带,有独立的背斜单元,远离造山带与断裂带,有相似的沉积背景。

(3) 张家扁构造带

张家扁构造是米仓山前缘广元—旺苍地区深层二叠系潜伏断褶带内一个褶皱较强,构造形态完整的潜伏背斜构造,位于九龙山背斜北侧。本区三叠系以上为南倾的单斜构造,深层构造形态复杂明显受断裂控制。B1井钻遇侏罗系蓬莱镇组至二叠系茅口组。早二叠世东吴运动使扬子海盆抬升,区内茅口组三、四段地层全部被剥蚀。受印支运动Ⅰ幕影响,雷口坡末期遭受弱剥蚀作用;受印支运动Ⅱ幕影响使须三段至须六段遭受剥蚀。燕山—喜山期运动使该区受到强烈抬升,地层遭受大于2000 m的剥蚀。压力演化结果显示,B1井茅口组的超压演化开始于侏罗纪,到早白垩世达到最大,晚白垩世以来压力下降(图 7)。但超压形成的程度要低于L4井和GJ井。

(4) 射箭河构造带

射箭河构造是门龙山台缘断褶带北段的潜伏构造,属于断层相关褶皱带。受东吴运动、苏皖运动、印支运动Ⅰ幕、Ⅱ幕及喜山运动影响,茅口组上部、二叠系顶部、雷口坡组、须家河组均遭受剥蚀,蓬莱镇组以上地层全部遭到剥蚀。飞仙关组和茅口组构造褶皱较强,发育逆断层遮挡,至今发育超高压异常。压力演化结果显示,S1井茅口组压力演化与高陡背斜构造带的井区过程相似,一期短暂超压发育在三叠纪末期,后随地层抬升而恢复(图 7)。侏罗纪初期超压再次发育,并快速增大,知道早白垩世末期超压达到最大程度,压力系数达1.70,晚白垩世以来地层抬升,超压程度有所降低,现今超压系数为1.40~1.50。

(5) 矿山梁构造带

矿山梁构造带宝轮镇构造,属于断层相关褶皱带。矿山梁构造带位于龙门山推覆体与龙门山-米仓山山前断褶构造带的过渡带上。受龙门山推覆、挤压,地面为寒武系—三叠系推覆体,地腹为潜伏构造。构造整体表现为西北高、东南低,由西北向东南推覆。受印支Ⅱ幕的影响,龙门山强烈推覆作用,矿山梁三叠纪末期遭受强烈剥蚀。燕山—喜山期运动使本区受到强烈抬升,地层剥蚀量大于2500 m。K3井压力演化结果显示,早侏罗末期开始形成超压;至早白垩世末期超压程度最大,属于弱超压状态,压力系数1.25;晚白垩世开始地层抬升,压力降低,至古近纪恢复至常压状态(图 7)。

综上所述,川西北断褶带茅口组整体上先后经历了短暂弱超压阶段、超压快速累积阶段以及剩余压力降低阶段,但不同构造单元显示超压的程度有很大差异(图 7)。在晚三叠世期间,川西北地区的茅口组整体经历了一起短暂的弱超压。随着三叠末期的抬升,压力逐渐降低,地层恢复常压。从侏罗纪开始直到早白垩世末期,盆地整体快速沉降接受沉积,受挤压作用、埋藏作用或生烃作用的影响(李三忠等,2019),龙门山前褶皱带整体处于超压累积阶段。由于不同构造区受造山带影响程度不同,超压保存的能力不同。位于造山带矿山梁和吴家坝井区发育弱超压,而位于褶皱区的老关庙、九龙山、射箭河、张家扁井区发育中—强超压。晚白垩世以来,受整体抬升作用的影响,川西北地区超压开始下降,造山带井区茅口组超压逐渐散失恢复至常压状态,而褶皱区构造带超压程度虽然有所下降,但至今仍发育较强程度的超压。

5 主控因素贡献量对比

压力恢复的结果显示,川西北地区栖霞组和茅口组发育两期超压,不同构造单元压力演化差别较大(图 7)。中三叠世—晚三叠世末期,地层发育一期短暂的超压,这一时期正是龙门山推覆带开始形成的阶段。可能由于生烃作用或初期挤压作用的影响,位于山前带的川西北地区形成弱超压,而随着龙门山推覆构造带的隆升使得这期超压消失。随着推覆作用的加剧,由龙门山向川中方向逐渐形成前渊带和褶皱带,且地层温度随着埋深增大也逐渐升高,达到原油裂解所需要的温度。因此,从早侏罗世至早白垩世末期的超压可能受到原油裂解生气作用及构造挤压作用控制。位于造山带的矿山梁和吴家坝构造区,中二叠统的埋深较浅,构造抬升时间早,原油裂解生气过程短暂,早期形成的超压程度较小;加之造山带晚白垩世以来构造抬升幅度大,压力降低的幅度及速度都要超过前渊带及褶皱带。而位于前渊带及褶皱带的构造区,虽然受构造抬升及温度降低因素的影响,中二叠统的超压程度降低,但受晚燕山期—喜山期挤压应力的影响,现今仍保持很大程度的超压。在现有勘探资料的条件下,文中对晚白垩世以来由温度降低引起的气层压力的降低及晚燕山期—喜山期挤压应力对中二叠统地层压力的贡献量进行初步的定量计算,并以此来评价川西北地区中二叠统异常压力的主控因素。

已有学者通过物理模拟实验证实由温度降低引起的压力降低幅度与温度的降低幅度呈线性关系(刘一锋等,2015)。川西北地区茅口组晚白垩世以来地层温度降低57~77 ℃,造成压力降低60~85 MPa,不同构造单元温度及压力降低的幅度有不同(表 3)。从盆地模拟恢复的压力可知,晚白垩世抬升以来压力降低了30~60 MPa,远小于由温度降低引起的压力降低。如果只考虑温度降低为压力卸载的主要机制,则茅口组现今的地层压力都应接近静水压力,而实测结果显示除位于造山带的K3井,其余井茅口组现今都保持一定程度的超压,而且与造山带的距离越远,保持超压的程度越高。因此,除了温度因素外,晚燕山期和喜山期的构造挤压作用使中二叠统的超压得以保存。

表 3 川西北地区中二叠统温度降低量及其引起的压力下降幅度 Table 3 Pressure reduction caused by temperature reduction in the Mid-Permian in the northwestern Sichuan Basin

晚三叠世以来,川西北地区中二叠统超压快速累积。以九龙山构造区L4井为例,将由盆地模拟恢复的剩余压力与构造挤压应力对超压的贡献量、构造抬升降温引起的压力降低量综合分析(图 8),认为晚三叠世至中侏罗世茅口组发育的超压主要由构造挤压应力及原油裂解增压控制,其中挤压应力对剩余压力的贡献超过80%。中侏罗世末期至早白垩世末期,地层温度达到180 ℃之后,挤压应力对超压的控制程度降低,原油裂解生气增压的影响增大。晚白垩世以来,随着构造抬升作用开始,生烃作用对超压的贡献停止。虽然晚燕山期以来的构造挤压应力有所增大,但大幅的抬升剥蚀使得茅口组的地层温度迅速下降,气藏的压力也随之减小。如果不存在挤压应力的作用,则茅口组现今地层的压力恢复至静水压力。而在挤压应力和温度降低的共同作用下,晚白垩世至今茅口组的剩余压力约降低20 MPa,但位于L4井茅口组现今仍保持约32.7 MPa的剩余压力。由于L4井更靠近米仓山造山带,受侧向挤压的程度较小。而位于九龙山褶皱带轴部和翼部的L16井和L17井,茅口组现今实测的地层压力可达到120~130 MPa,压力系数约为2.20,受侧向挤压的程度可以抵消褶皱轴部的剥蚀作用。

图 8 不同主控因素对L4井茅口组剩余压力的贡献量 Fig. 8 Contribution of main control factors to excess pressure in the Well L4 of the Maokou Formation
6 结论

(1) 川西北地区中二叠统现今压力分布受构造作用控制,靠近造山带的构造区表现为常压—弱超压,远离造山带的前渊带和褶皱带表现为超压—强超压。

(2) 川西北断褶带茅口组整体上先后经历了短暂弱超压阶段、超压快速累积阶段以及剩余压力降低阶段,但不同构造单元显示超压的程度有很大差异。晚三叠世发育一期短暂弱超压,随着三叠末期的抬升,压力降低,恢复常压;侏罗纪到早白垩世末,位于造山带矿山梁和吴家坝井区发育弱超压,位于褶皱区的老关庙、九龙山、射箭河、张家扁井区发育中—强超压;晚白垩世至今造山带井区恢复至常压,褶皱区构造带仍发育超压。

(3) 川西北地区中二叠统超压的形成主要受构造挤压应力和原油裂解生气作用控制,且不同构造单元受挤压应力的影响程度差别较大。位于造山带的矿山梁和吴家坝构造区,中二叠统地层的埋深较浅,构造抬升时间早,原油裂解生气过程短暂,早期形成的超压程度较小;加之造山带晚白垩世以来构造抬升幅度大,压力降低的幅度及速度都要超过前渊带及褶皱带。而位于前渊带及褶皱带的构造区,虽然受构造抬升及温度降低因素的影响,中二叠统地层的超压程度降低,但受晚燕山期—喜山期挤压应力的影响,现今仍保持很大程度的超压。

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