1. 引言
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 [1] [2] 。据中国石油第四次油气资源评价结果，四川盆地天然气地质资源量为38.18 × 1012 m3，探明率仅为10%，未来勘探潜力巨大 [3] 。岳池–丰都地区是该盆地内一个重要的油气勘探区，已在相国寺、福成寨、邻北、卧龙河等多个潜伏构造发现了大–中型天然气气藏，主产层为石炭系黄龙组。然而，该地区是否还存在其他大中型石炭系气藏呢？搞清主力烃源岩成熟度史及生烃史是最重要的基础工作之一。下志留统龙马溪组是石炭系黄龙组气藏的主力烃源岩，已经得到大家的公认 [4] [5] [6] 。关于下志留统龙马溪组烃源岩，前人研究多集中在沉积相 [7] [8] 、储层 [9] 、有机地球化学参数等方面 [10] [11] ，但对烃源岩成熟演化及生烃史方面的研究较少，制约了该区域天然气成藏特征的研究。四川盆地烃源岩的成熟演化均由古地温场控制 [12] ，恢复其成熟演化及生烃史，是解决天然气成藏规律必不可少的重要基础工作。因此，本文以构造–热历史为约束，利用盆地模拟技术对岳池–丰都地区下志留统龙马溪组烃源岩的成熟演化及生烃史进行模拟，为进一步天然气的勘探开发提供重要依据。
2. 区域地质概况
岳池–丰都地区位于四川盆地东部，区域构造上位于四川盆地东部高陡构造华蓥山构造带，西至龙女寺构造，南至相国寺，文献东至大池干潜伏构造，北至铁山构造，总面积约2.7 × 104 km2 (图1)。岳池–丰都地区现今构造为北北东及北东向隔档式褶皱，背斜带常具有多高点，呈狭长形。受加里东、印支、燕山、喜马拉雅等多期构造运动的影响，发育了多套含油气系统，其中志留系–石炭系含气系统是研究区重要的海相含气系统，该含气系统主产层为石炭系黄龙组，烃源主要来自下志留统龙马溪组(图2)。
岳池–丰都地区发育下志留统龙马溪组烃源岩，龙马溪组为一套深水陆棚相地层，主要发育一套暗色泥页岩，烃源岩厚度在0~135 m，主要分布在研究区东南部，烃源岩最厚可达135 m以上，往西部地区烃源岩逐渐减薄至0 m (图3)。全区烃源岩有机质丰度较高，龙马溪组烃源岩总有机碳含量(TOC)在0.5%~2.9%，研究区东北部烃源岩有机碳含量最大，达到2.9%以上(图4)。
该地区自晚元古代至今经历了“一升一降”的构造–热历史，具体可以划分为3个阶段：晚元古代至晚古生代之前表现为稳定的低热流阶段；早二叠世至早三叠世，大地热流急剧升高，在晚二叠世古热流值达到了最大；随后，在抬升剥蚀和盆地冷却效应的双重作用下，热流持续降低，现今热流较低，在47~53.2 mW/m2之间 [12] 。
Figure 1. Position and structural distribution of the Yuechi-Fengdu area in the Sichuan Basin
图1. 四川盆地岳池–丰都地区位置及构造分布图
Figure 2. Stratigraphic column map and hydrocarbon accumulation combination map of the Yuechi-Fengdu area in the Sichuan Basin (revised according to [9] )
图2. 四川盆地岳池–丰都地区地层柱状图及成藏组合图(据 [9] 修改)
Figure 3. Source rock thickness of the Lower Silurian Longmaxi Formation in the Yuechi-Fengdu area, Sichuan Basin
图3. 四川盆地岳池–丰都地区龙马溪组烃源岩厚度图
Figure 4. Total organic carbon content (TOC) of the source rock of the Longmaxi Formation in the Yuechi-Fengdu area, Sichuan Basin
图4. 四川盆地岳池–丰都地区龙马溪组烃源岩总有机碳含量图
3. 方法与参数
3.1. 研究方法
以构造–热历史为约束，结合有机地球化学、地质、古温标等参数，以及各地层厚度、烃源岩厚度建立该地区三维地质模型，利用BasinMod 1D和BasinView盆地模拟软件，恢复下志留统龙马溪组烃源岩典型井和层系的成熟度史及生烃史。在本次模拟中，生烃动力学模型采用Easy% Ro模型。该模型是将有机质的热降解反应视为一系列具有相同频率因子的平行反应，并考虑到镜质组化学组成的不均匀性，通过数值模拟技术，采用有限元方法，对镜质组反射率进行大量的计算，以准确估计其真实反射率，从而推断出烃类的生成情况 [13] 。为了确保模拟结果的准确性，首先需要以构造–热历史为约束，根据地质背景预先设定地温梯度或大地热流的演化模型，在重建构造–热历史的基础上，结合Easy%Ro模型模拟出Ro在不同地质时期随地温的演化过程，然后将模拟得到的镜质体反射率与实际测量值进行对比校正，直至两者吻合，从而确保建模的准确性 [12] 。目前，该模型在生烃动力学领域的应用十分广泛，并且其对于Ro的预测精度也相当高，是目前最为可靠的生烃动力学模型之一。本文以构造–热历史为约束，预先设定大地热流的演化模型，采用岳池–丰都地区不同区域的8口典型井的实测镜质体反射率与模拟值进行拟合校正，其拟合程度高，表示该次模拟结果正确。
3.2. 基础参数
模拟计算中涉及到的基础参数主要包括地质参数、烃源岩地球化学参数和热参数。其中，各层系的地层等厚图、剥蚀量等采用四川盆地第四次油气资源评价结果，岩石热导率 [14] 、烃源岩地球化学参数 [15] 、现今地温场及热史 [12] 采用前人的研究成果。地层分层采用钻井分层资料，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 [16] 。模拟过程中以四川盆地年平均温度15℃作为古地表温度，并假设地史上的地表温度不变 [17] 。模拟的关键地质历史时期包括：晚志留世末期(405 Ma)、早二叠世早期(270 Ma)、早二叠世末期(256 Ma)、晚三叠世末期(195 Ma)、早侏罗世末期(160 Ma)和现今(0 Ma)。
4. 结果
4.1. 下志留统龙马溪组烃源岩成熟度史
本文选取了四川盆地岳池–丰都地区不同区域的8口典型井进行了成熟度演化模拟，并在单井模拟的基础上，利用BasinView盆地模拟软件恢复了下志留统龙马溪组烃源岩层系在关键地质历史时期的成熟度演化史。成熟度演化阶段划分按照Ro < 0.5%为未成熟阶段，0.5% ≤ Ro < 0.7%为低成熟阶段，0.7% ≤ Ro < 1.0%为中成熟阶段，1.0% ≤ Ro < 1.3%为高成熟阶段(生油高峰期)，1.3% ≤Ro < 2.0%为过成熟阶段(生湿气阶段)，Ro ≥ 2.0%为生干气阶段 [18] 。
典型井的成熟度模拟结果表明，四川盆地岳池–丰都地区龙马溪组烃源岩现今总体处于生干气阶段，东部和西部有一定区别，东部较西部更早进入生烃门限。龙马溪组烃源岩总体上经历了三期成熟度增加阶段，分别为早志留世早期–晚志留世末期，早二叠世早期–早二叠世末期以及早三叠世末期–早侏罗世末期。其成熟度演化过程具体表现为志留系沉积时期，龙马溪组烃源岩顶部成熟度快速增加，除Z3、LB5井外，其余井尚未进入生烃门限。早二叠世早期，成熟度再一次升高，至早二叠世末期，除G3、GC2井龙马溪组烃源岩未进入生烃门限外，其余井均进入生烃门限，其中Z3、LB5井进入中成熟演化阶段。早三叠世末期成熟度迅速增加，早侏罗世早期进入生湿气阶段，早侏罗世末期进入生干气阶段，随后成熟度不再增加(图5)。
龙马溪组烃源岩层系的成熟度史模拟结果表明，在晚志留世末期，岳池–丰都地区西北部龙马溪组烃源岩顶部处于未成熟阶段，东南部进入生烃门限，达到低成熟阶段(图6(a))；早二叠世早期，烃源岩顶部成熟度增加，进入中成熟阶段，西北部仍处于未成熟阶段(图6(b))；早二叠世末期，成熟度快速增加，研究区东部进入生油高峰(图6(c))；晚三叠世末期，全区进入生烃门限，龙马溪组烃源岩顶部在西北部处于低成熟阶段，中部处于中成熟阶段，西南部处于高成熟阶段(图6(d))；早侏罗世末期，龙马溪组烃源岩顶部成熟度进一步增加，全区达到生干气阶段，成熟度介于3.4%~4.5%，西部成熟度达到3.4%，北部地区成熟度达到4.0%，东南部最大成熟度达到4.5% (图6(e))；早侏罗世末期至今，下志留统龙马溪组烃源岩成熟度不再增加(图6(f))。
Figure 5. Maturity history of top surface of typical wells in the Lower Silurian Longmaxi Formation in the Yuechi-Fengdu area, Sichuan Basin
图5. 四川盆地岳池–丰都地区下志留统龙马溪组典型井烃源岩顶部成熟度史
4.2. 下志留统龙马溪组烃源岩生烃史
在构造–热历史和烃源岩成熟度史研究的基础上，进一步结合烃源岩有机地球化学参数，利用BasinMod 1D和BasinView盆地模拟软件对四川盆地岳池–丰都地区下志留统龙马溪组烃源岩典型井和平面的生烃史分别进行了模拟。
典型井生烃史的模拟结果表明，下志留统龙马溪组烃源岩经历了早二叠世早期–早二叠世末期、早三叠世末期–早侏罗世末期两期快速生烃阶段(图7)。龙马溪组烃源岩在二叠世开始快速生烃，随后由于受到燕山–喜山运动的持续影响，川东地区发生隆升剥蚀，早侏罗世末期龙马溪组烃源岩停止生烃。整体来看，由于早三叠世末期成熟度急剧升高，持续时间较短，各典型井之间的生烃规律基本一致，然而受龙马溪组烃源岩厚度及TOC差异分布的影响，各典型井之间的最大单位岩石生油量具有一定的区别，其中位于研究区东部的C13井的单位岩石生油量最大，达到910 kg/m2，位于西部的GC2井最小，仅150 kg/m2，整体上东部比西部稍大。
平面生烃史的模拟结果表明，晚志留世末期，下志留统龙马溪组烃源岩在岳池–丰都地区东南部开始生烃，生烃强度达到15 × 108 m3/km2 (图8(a))；早二叠世末期，生烃范围有所扩大，东南部生烃强度增加，最大达到30 × 108 m3/km2 (图8(b))；晚三叠世末期，生烃范围进一步扩大，东南部生烃强度急剧增加，最大达到100 × 108 m3/km2，并发育为生烃中心(图8(c))；晚三叠世末期，全区普遍生烃，整体上由西北至东南生烃强度逐渐增大，最大生烃强度仍为100 ×108 m3/km2 (图8(d))；早侏罗世末期，达到生烃高峰，中部和东北部生烃强度增加，最大为30 × 108 m3/km2，东南部生烃强度变化不大，生烃中心位于东南部，最大生烃强度仍为100 × 108 m3/km2 (图8(e))；早侏罗世末期至今，生烃强度未发生变化，烃源岩不再生烃(图8(f))。
(a) 晚志留世末期；(b) 早二叠世早期；(c) 早二叠世末期；(d) 晚三叠世末期；(e) 早侏罗世末期；(f) 现今
Figure 6. Maturity history of top surface of the Lower Silurian Longmaxi Formation in the Yuechi-Fengdu area, Sichuan Basin
图6. 四川盆地岳池–丰都地区下志留统龙马溪组烃源岩顶面成熟度史
Figure 7. Hydrocarbon generation history of typical wells in the Lower Silurian Longmaxi Formation in the Yuechi-Fengdu area, Sichuan Basin
图7. 四川盆地岳池–丰都地区下志留统龙马溪组典型井生烃史
5. 讨论
生烃中心控油气藏分布的基本思想(即“源控论”)，强调“油气田围绕生烃中心分布，受生烃区严格控制”，该理论是指导中国陆相含油气盆地油气勘探的重要理论 [19] [20] 。四川盆地的海相优质烃源岩总体控制了克拉通海相沉积体系中油气藏的纵横向分布，目前已发现的四川盆地海相碳酸盐岩大中型气田全部位于生烃中心及周缘，“源控论”依然适用 [21] 。综合构造–热历史、烃源岩特征、成熟度史和生烃史的研究结果，岳池–丰都地区龙马溪组烃源岩的生烃中心位于东南部，生烃强度最大达到100 × 108 m3/km2，生烃能力较强，具备形成大中型气田的气源基础。此外，石炭系优质储层直接覆盖于下伏下志留统龙马溪组烃源岩之上，烃类运移距离短，近源成藏条件优越。因此，龙马溪组烃源岩东南部生烃中心生成的大量油气(油为主，气为辅)可以有效地向石炭系的古构造高部位运移，并在圈闭中聚集，形成古油藏。当储层超过160℃，古油藏的原油开始裂解成天然气 [22] ，形成古气藏。之后，喜马拉雅运动使四川盆地发生大规模的构造变动，古气藏调整聚集，形成现今天然气分布格局。因此，对于四川盆地岳池–丰都地区天然气的接替勘探，应着眼于在东南部生烃中心及其周缘的优质储层中寻找大中型规模的天然气气藏。
6. 结论
1) 四川盆地岳池–丰都地区龙马溪组烃源岩主要经历了三期成熟度增加阶段，分别为早志留世早期–晚志留世末期，早二叠世早期–早二叠世末期以及早三叠世末期–早侏罗世末期。晚志留世末期，岳池–丰都地区东南部进入低成熟阶段；早二叠世早期，东南部进入中成熟阶段，西北部仍处于未成熟阶段；早二叠世末期，东南部进入生油高峰；晚三叠世末期，全区进入生烃门限；早侏罗世末期，全区达到生干气阶段，烃源岩成熟度达到最大，至今不再增加。
2) 岳池–丰都地区龙马溪组烃源岩主要经历了两期生烃阶段，早二叠世早期–早二叠世末期，东南部生烃强度增加，最大达到30 × 108 m3/km2；早三叠世末期–早侏罗世末期，生烃范围扩大，生烃强度快速增加，最大生烃强度达到100 × 108 m3/km2，中部和东北部生烃强度增加至30 × 108 m3/km2。
3) 岳池–丰都地区龙马溪组烃源岩的生烃中心位于东南部，最大生烃强度达到100 × 108 m3/km2，生烃中心生成的大量油气可以有效地向石炭系的古构造高部位运移，并在圈闭中聚集，形成古油藏。应着眼于在东南部生烃中心及其周缘的优质储层中寻找大中型规模的天然气气藏。
(a) 晚志留世末期；(b) 早二叠世早期；(c) 早二叠世末期；(d) 晚三叠世末期；(e) 早侏罗世末期；(f) 现今
Figure 8. Hydrocarbon generation history of Longmaxi Formation source rocks in Yuechi-Fengdu area, Sichuan Basin
图8. 四川盆地岳池–丰都地区龙马溪组烃源岩生烃史
基金项目
成都理工大学研究生拔尖创新人才培育计划(项目编号：CDUT2022BJCX004)。
NOTES
*通讯作者。