近年来，致密砂岩气逐渐成为国内外非常规天然气勘探开发的热点和现实领域，致密砂岩气在天然气产量中所占的比例越来越大，将是今后10~20年接替常规油气资源最重要的来源，具有良好的勘探开发前景^[1-2]。美国致密砂岩气的开采始于20世纪70年代，截至2013年，美国已在23个盆地中发现了900多个致密砂岩气田，可采资源量为13万亿m³，可采储量为5万亿m³。我国是继美国之后实现致密砂岩气较大规模商业开发的国家之一，据评估，我国的致密砂岩气可采资源量为11万亿m³，致密砂岩气的年均产量已占我国天然气年总产量的30%左右，未来我国每年新增天然气探明储量中，致密砂岩气将占40%以上^[3-4]。

川东北地区是四川盆地重点探区之一。继元坝超深层海相生物礁大气田被探明之后，区内陆相须家河组的勘探也取得重大突破，发现了继川中、川西之后四川盆地的第3个致密砂岩大型含气区^[5-6]。陆相致密砂岩气藏本身特有的“大面积、低丰度”的特征，导致川东北地区陆相须家河组大型致密砂岩含气区的商业开发难度较大。目前，川东北地区须家河组天然气勘探进入徘徊阶段^[7]。为弄清川东北地区须家河组致密砂岩气高产富集规律，寻找天然气高产富集区带，通过对烃源岩、储层、天然气来源、生储组合、输导体系等进行详细分析，构建川东北地区须家河组天然气高效成藏模式，以期为川东北地区须家河组天然气高效勘探提供理论依据。

川东北地区位于四川盆地北部低缓褶皱带的北缘，北邻米仓山―大巴山前陆冲断带，东接川东高陡断褶带，西为龙门山逆冲推覆带，南为川中古隆起（图 1）。印支早幕挤压构造运动导致四川盆地由海盆逐渐转变为陆盆，西北部龙门山构造带、北部米仓山构造带及东北部大巴山构造带向盆地供给物源，使得川东北地区沉积了巨厚的上三叠统须家河组―侏罗系陆相地层^[8-12]。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 四川盆地东北部构造位置 Fig. 1 Structural location of northeastern Sichuan Basin

在漫长的地质历史过程中，受龙门山、米仓山、大巴山等三大造山带的影响，川东北地区接受了多期次、多方向的构造改造，导致现今构造特征极其复杂（图 1）。须家河组沉积时期，川东北不同地区的断裂发育程度不一致，构造变形强度从西向东逐步增强、断层规模及数量逐渐变大、断层切割层位逐渐变多。根据基本构造样式及构造变形程度，将川东北地区划分为元坝西部陆相弱变形区、元坝中东部陆相强变形区及马路背海-陆相叠加强变形区等3个构造变形区（图 2）。元坝西部陆相弱变形区的地层发育相对平缓，仅在地层内部发育层间小断层。元坝中东部陆相强变形区内，断裂褶皱及局部构造发育，断层规模较元坝西部变大，断层向下断至雷口坡组，向上消失于侏罗系。马路背海相陆相叠加强变形区内，深大断裂发育，部分断层向下切穿嘉陵江组的膏岩层，断开吴家坪组，向上断至白垩系，少量断层断至地表（图 2）。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 川东北地区构造模式 Fig. 2 Brief structural character of northeastern Sichuan Basin

目前，川东北地区已经有30余口钻井在须家河组测试获得工业气流，但不同地区不同层段的产能差异较大。须家河组二段、三段、四段储层在元坝西部地区均较发育，须三段气藏产能最好，对元陆7井、元陆12井在须家河组三段进行测试，分别获得了日产100万m³和77万m³的高产工业气流。元坝中东部地区的元陆17井在须四段进行常规射孔测试，日产天然气22.63万m³。马路背地区的马101井在须二段进行测试，日产天然气60.11万m³。从区内已发现的产能较高的气藏来看，不同地区气藏的成藏模式不同，具备高效成藏模式的气藏往往产能更高。

川东北地区须家河组的烃源岩主要发育在须一段、须二段中亚段、须三段及须五段，厚度为90~360 m，岩性以暗色泥岩为主，平均TOC质量分数为2.97%，干酪根类型以Ⅲ型为主，烃源岩热演化程度高，已进入过成熟的干气阶段，生气强度为17~44亿m³/km²，具有累计厚度大、分布面积广、生气强度大等特征^[13-15]。

胡炜等^[13]对元坝地区须家河组各段气层中甲烷、乙烷等碳同位素进行测试，并结合天然气中C₁~C₄烷烃的δ¹³C值与碳数倒数（1/C_n，n = 1，2，3，4）的关系，对须家河组各层段中天然气的来源进行了详细的分析。结果表明，须家河组须一段与须二段的天然气主要来源于各自层段，同时夹有部分海相气源；须三段、须四段及须五段的天然气均来源于各自层段，无海相气源汇入。

马路背地区须家河组天然气中的各组分与元坝地区组分特征基本一致，碳同位素分析数据与元坝地区相比非常特殊。马路背须家河组天然气中的甲烷、乙烷碳同位素组成不具备其他地区须家河组陆相煤型气二者差值高于8‰的普遍特征，却具有类似该区海相嘉陵江组、飞仙关组等油型气中碳同位素的组成特征（图 3）。且马路背地区须家河组天然气中的δ¹³C呈现δ¹³C₁> δ¹³C₂> δ¹³C₃的反序型倒转分布特征，这与该区须家河组典型的自生自储型陆相煤型气正好相反，与嘉陵江组、飞仙关组的天然气类似。这些特征均揭示出，马路背地区须家河组天然气来源与嘉陵江组、飞仙关组来源一致。前人研究表明，通南巴地区嘉陵江组、飞仙关组的天然气主要来自于上二叠统龙潭组烃源岩^[14-16]。据此认为，在马路背海-陆相叠加变形区，由于深大断裂发育，须家河组的天然气来源除了须家河组陆相烃源岩之外，还有上二叠统龙潭组海相烃源岩。二叠系龙潭组烃源岩的生气强度为10~30亿m³/km²，因此，马路背地区具有陆相须家河组、海相二叠系龙潭组等2套优质烃源岩“双重供烃”的优势。总体而言，川东北地区须家河组气藏的烃源岩条件十分优越，为大规模油气聚集提供了坚实的供烃基础。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 马路背地区天然气中甲、乙烷碳同位素交汇图 Fig. 3 Crossplot of carbon isotopes of methane and ethane from natural gases in Malubei area

勘探实践表明，川东北地区须家河组主要发育须二段、须三段及须四段等3套储层，储层岩石类型多样，储集空间以粒间溶孔、粒内溶孔及微裂缝等为主，基质孔隙度 < 10%，渗透率 < 0.1 mD，为典型的致密砂岩储层^[17-20]。须家河组储层的发育明显受物源、沉积微相和裂缝的共同控制。物源方向和源区母岩性质控制了砂岩的类型、骨架矿物成分及砂岩平面分布，同时还影响了砂岩的成岩作用路径与成岩产物类型；沉积微相控制了相对优质储层的分布，三角洲前缘水下分流河道微相的储层厚度大、基质物性相对较好，有利于成岩作用改造、次生孔隙发育，是致密砂岩储层发育的有利微相；川东北陆相储层普遍致密，裂缝的发育极大地改善了致密砂岩的渗透性，同时，裂缝的发育还有利于富含有机酸和无机酸的孔隙流体沿裂缝流动而形成溶蚀孔缝，使孔隙间的连通性变得更好。整体而言，川东北地区须家河组须二段、须三段及须四段沉积时期，物源供给充分，辫状河三角洲前缘厚层砂体大面积展布，因此，现今须家河组致密砂岩储层纵向上叠置连片、平面上大面积分布，为大规模油气聚集提供了良好的赋存场所。

川东北地区陆相沉积时期主要发育有上三叠统须家河组、下侏罗统自流井组、中侏罗统千佛崖组及中侏罗统下沙溪庙组等4套连续分布的陆相泥岩区域盖层，不同地区的累计厚度为300~1 500 m。这些盖层的存在为须家河组天然气运聚成藏提供了良好的封盖条件，为大规模油气聚集提供了坚实的保障。

按照天然气来源、烃源岩及储层形成的先后顺序及其在空间上的组合关系，将川东北地区须家河组的生储组合划分为陆生陆储、海陆双生陆储两大类，并进一步细分为自生自储、上生下储、下生上储及海陆双生陆储等4种生储组合（图 4）。其中自生自储、下生上储及海陆双生陆储这3种生储组合的成藏效率均较高。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 川东北地区须家河组生储组合类型示意图 Fig. 4 Different types of source-reservoir assemblage of Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin

川东北地区须家河组发育的陆生陆储生储组合可以进一步细分为自生自储式、上生下储式及下生上储式等3种生储组合（图 4），

自生自储式生储组合主要发育在元坝西部的须三段气藏中。气源对比分析结果表明，须三段的天然气主要来自其自身的优质烃源岩，须三段烃源岩厚度大、生气强度高，段内及侧缘发育的砂体是主要的储集体，为典型的“自生自储式”岩性气藏^[21]。元陆7井和元陆12井在须三段的累计产气量均已超过7 000万m³，这2口井的成功，证实了自生自储式生储组合的成藏效率较高，具备实现高效勘探的地质条件。

上生下储式生储组合主要发育在元坝西部的须二下亚段气藏中。须二下亚段的天然气主要来自于上覆的须二中亚段烃源岩，由于元坝西部须二下亚段的断裂不甚发育，天然气的运移聚集以“倒灌”为主，气藏的成藏效率较低，此类生储组合实现高效勘探的难度很大。

下生上储式生储组合在川东北地区须家河组最为常见，最具代表性的是元坝东部须四段气藏。气源对比分析结果表明，须四段的天然气主要来自于下伏的须三段优质烃源岩。元坝东部地区在构造上隶属于陆相强变形区，断裂发育，须三段生成的天然气通过断裂或渗透性砂体，源源不断地运移至上覆的须四段大面积致密砂岩储层中聚集成藏。因此，下生上储式生储组合也具备实现高效勘探的地质条件。

海陆双生陆储组合是指海相烃源岩生成的天然气经过运移之后和陆相烃源岩生成的天然气在陆相储集层中混合聚集成藏的生储组合方式。这种生储组合以川东北马路背地区的须二段气藏最为典型，具有混源充注的特征。马路背地区在构造上属于海相和陆相的叠加强变形区，区内深大断裂发育，沟通了海相二叠系烃源岩和须二段储层，二叠系生成的天然气经深大断裂进入须二段储层，与须三段生成的天然气一起，在须二段储层中聚集成藏。马路背地区须二段的多口钻井在试采时呈现出高产稳产的趋势，其中马101井在须二段累计产天然气近3亿m³，证实了该类生储组合的成藏效率高、具备实现高效勘探的地质条件。

川东北地区须家河组气藏的输导体系主要有渗透性砂体和断层2种类型。这2种类型并不是孤立存在的，它们往往在不同地区形成不同的组合方式，发挥不同的输导作用。

油气总是由高势区向低势区运移。烃源岩进入生排烃阶段后，以连通孔隙作为运移空间的渗透性砂体输导层是油气运移过程中最常见的通道。这种输导体系的优势运移路径主要取决于砂体的孔渗性能，油气总是会向输导层中孔隙连通性好的砂体运移。在陆相地层中，由于砂体的非均质性强，只有砂体连通性好的区域，才有利于油气的运移^[22-24]。元坝西部地区的须三段、元坝东部地区的须四段、马路背地区的须二段等储层中的砂体孔渗性能均相对较好，利于天然气运移，在生烃增压作用下，天然气可以在这些砂体中发生运移，进而聚集成藏。

断层是致密砂岩气藏中天然气运移的重要输导体系。其中，断裂体系、断层性质、断层活动期次、断层规模、断层产状以及断距等众多因素均对油气运移方向产生重要影响^[25-26]。

川东北部分地区的断裂发育，许多断层断至生烃中心，沟通了烃源岩与储层。尤其马路背地区的海-陆相叠加强变形区发育的深大断裂，直接沟通了深层海相烃源岩与浅层储层。断裂不仅可以作为油气垂向运移的通道、使主要烃源岩生成的天然气进入储层, 同时还能沟通渗透性好的砂体、使天然气在渗透性砂体中运移并富集成藏。

油气成藏模式是对一组具有类似的控制油气藏形成的基础条件、动力介质、形成机制及演化历程等要素的单一或复合模型的概括，是基于全部成藏要素的综合分析。成藏模式的建立方法和适用范围应与不同的勘探和研究程度相适应^[26-28]。在详细分析川东北地区须家河组不同区域构造特征差异的基础上，根据气源、储层特征、生储组合等条件，建立了3类天然气高效成藏模式，分别是元坝西部陆相弱变形区的“源储共生、源内充注”成藏模式，元坝中东部陆相强变形区的“近源充注、断砂输导”成藏模式，马路背海-陆相叠加强变形区的“双源供烃、立体输导”成藏模式等。

这类成藏模式多见于元坝西部须三段致密砂岩气藏，元坝地区的西北部为龙门山逆冲推覆带，北邻米仓山前陆冲断带，该区地层较为平缓，地层变形较弱，断裂发育少，断裂规模较小，多口井的测试及试采效果良好。

元坝西部地区须三段砂岩储层的岩石类型以钙屑砂岩（碳酸盐岩岩屑体积分数大于50%）为主，储集空间主要为粒间溶孔、粒内溶孔及裂缝等^[20]。须三段烃源岩在中侏罗世中期开始生气，天然气经过初次运移直接进入相邻的钙屑砂岩储层内；晚侏罗世之后，受燕山运动中期盆缘造山带隆升的影响，九龙山背斜逐渐形成，烃源岩也达到生气高峰，此时，除了天然气大量充注、进入储层外，大量伴成的有机酸发生强烈溶蚀作用，扩大了储集空间，储层中已聚集的天然气也在连通性储集体和裂缝的共同输导下向构造高部位运移聚集，表现为“源储共生、源内充注”的高效成藏特点[图 5（a）]。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 川东北地区须家河组高效成藏模式图 Fig. 5 High efficient reservoir accumulation models of Xujiahe Formation in northeastern Sichuan Basin

须四段沉积时期，受大巴山物源影响，元坝东部地区主要发育辫状河三角洲前缘水下分流河道，砂体大面积展布，储层的岩石类型主要为长石岩屑砂岩，基质孔隙相对较好，下伏地层须三段为一套较好的烃源岩，是须四段气藏的主力烃源岩^[17]。

受米仓山和大巴山推覆构造带的影响，元坝东部地区的断层发育，这些断层切割了须家河组地层，须三段生成的天然气经断层运移至须四段砂岩储层中。同时，由于须四段大面积发育的长石岩屑砂岩基质孔隙好，从须三段运移过来的天然气在须四段砂体内侧向运移，并在有利部位富集成藏。断裂是该地区须三段生成的天然气“垂向”运移至须四段储层的重要通道，再加上断层附近裂缝发育，使得天然气在须四段更容易局部富集，表现为“近源充注，断砂输导”的高效成藏特点[图 5（b）]。

这类成藏模式主要发育在马路背地区的须二段，段内天然气来自于须家河组煤系烃源岩和深层上二叠统吴家坪组―大隆组烃源岩。形成于中燕山—喜山期、贯穿二叠系—三叠系的逆冲断裂是深层天然气发生运移进入须家河组的主要输导体系，须家河组内部发育的砂岩储集体和裂缝是层内煤系烃源岩生成的天然气发生运移的输导体系。马路背地区上二叠统的烃源岩在须家河组沉积末期已经开始生气，彼时研究区构造稳定，地层平缓，沟通龙潭组烃源岩与须家河组储层的断裂亦未形成。中—晚燕山期，大巴山构造带也发生了强烈地推覆挤压，大量贯穿二叠系—三叠系的北西向断裂开始发育，上二叠统烃源岩与须家河组储层之间的天然气运移通道逐渐形成^[20]。深层天然气沿断裂进入须家河组储层之后，与须家河组内部烃源岩生成的天然气一起，在裂缝和孔隙型储集体输导下向构造高部位运移聚集。晚白垩世以来，由于川东北地区整体大幅度抬升，上二叠统及须家河组的烃源岩皆停止生烃。通南巴背斜进一步隆升定型，断裂和裂缝更加发育，已聚集的气藏被进一步调整改造，局部更加富集，表现为“双源供烃、立体输导”的高效成藏特点[图 5（c）]。

川东北地区元坝西部的须二段、须三段和须四段均发育有大面积的辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体，但该区断裂不发育、构造变形弱，从产能情况来看，须二段及须四段的测试产能较差，多口井在须三段测试均获高产工业气流，如元陆7井和元陆12井，这2口井在须三段长期试采，累计产气量均超过7 000万m³。根据油气发现和现有认识，认为须三段具有“源储共生、源内充注”的高效成藏特点，是该区最有利的勘探目标。元坝东部地区须四段的长石岩屑砂岩储层物性好、规模大，有效断裂及裂缝发育，源储配置好，元陆17井在须四段常规射孔测试，获日产天然气22.63万m³，另外还有多口评价井在须四段测试获得高产工业气流，进一步证实了元坝东部地区须四段具有“近源充注、断砂输导”的高效成藏特点，勘探潜力巨大。通南巴背斜构造带上的马路背地区，深大断裂发育，沟通了海相烃源岩与渗透性好的砂体，使得天然气能够在渗透性砂体中运移并富集成藏。马101井在须二段测试日产气60.11万m³，截至2017年10月，已累计产气近3亿m³。气源分析及勘探实践均表明，马路背地区须二段气藏具有“双源供烃、立体输导”的高效成藏特点，是高效勘探的有利目标。

（1）按照天然气来源、烃源岩与储层形成的先后顺序及其在空间上的组合关系，将川东北地区须家河组划分为两大类4种生储组合，其中自生自储、下生上储、海陆双生陆储等3种生储组合的成藏效率均较高。

（2）受控于生储组合方式以及局部构造带变形程度的不同，川东北地区须家河组发育有3种天然气高效成藏模式，即陆相弱变形区的“源储共生、源内充注”高效成藏模式，陆相强变形区的“近源充注、断砂输导”高效成藏模式，海-陆相叠加强变形区的“双源供烃、立体输导”高效成藏模式。

（3）建立的3种高效成藏模式，指出元坝西部须三段、元坝中东部须四段、马路背地区须二段等是川东北地区须家河组能够实现天然气高效勘探开发的有利目标。