張璽華 陳 聰 張 亞 文 龍 羅 冰 陳雙玲 王麗英 李 亞 楊雨然
中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院
四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組是四川盆地天然氣勘探開(kāi)發(fā)的重要層系,油氣勘探歷史悠久,始于20世紀(jì)50年代。早期茅口組勘探主要集中在蜀南地區(qū),以尋找?guī)r溶縫洞型氣藏為主。截至2018年全盆地獲探明儲(chǔ)量852×108m3,其中蜀南地區(qū)占87.7%,分布在325個(gè)大小不一的縫洞體系中,且陸續(xù)進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期,急需要尋找茅口組氣藏的接替區(qū)域。川西北地區(qū)茅口組處于海西拉張旋回,臨近大型不整合面[1-3],若經(jīng)過(guò)后期巖溶改造,有利于形成規(guī)模性巖溶儲(chǔ)層[4-5],LT-1井鉆遇茅口組時(shí)的良好油氣顯示也展示了茅口組的勘探潛力。
據(jù)野外露頭資料,川西北部地區(qū)茅口組頂部地層發(fā)育深水相泥頁(yè)巖,其下為連續(xù)沉積的茅口組高能灘相地層,表明在茅口組晚期川西北部地區(qū)存在臺(tái)槽分異。該套泥頁(yè)巖的生物組合、巖性特征等與中下?lián)P子地區(qū)中二疊統(tǒng)孤峰組可對(duì)比[6],表明除了中下?lián)P子地區(qū)之外,在川西北部地區(qū)也有孤峰組沉積,但在井下未能有效識(shí)別,同時(shí)孤峰組的展布情況尚不明確,制約了川西北地區(qū)茅口組沉積相帶的認(rèn)識(shí)。筆者基于鉆井及30 000 km2二維地震和5 000 km2三維地震資料,在識(shí)別孤峰組的基礎(chǔ)上,刻畫(huà)了川西北地區(qū)孤峰組深水沉積展布,發(fā)現(xiàn)川西北地區(qū)茅口組晚期臺(tái)緣帶的分布,臺(tái)緣帶沉積水體能量強(qiáng),經(jīng)后期巖溶作用易形成規(guī)模型優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層
四川盆地西北部地區(qū)主要包括龍門(mén)山、大巴山、米倉(cāng)山前緣(圖1),自早二疊世,四川盆地開(kāi)始接受海侵[7],川西北地區(qū)全被淹沒(méi),整體位于碳酸鹽臺(tái)地[8]。早二疊世茅口早期,全盆地古地貌差異較小,沉積厚度較為穩(wěn)定;茅口晚期,由于受海西期峨眉地裂拉張作用控制,在平面上海槽相與臺(tái)地相表現(xiàn)為差異沉積,海槽相集中發(fā)育在川北地區(qū),巖性以泥頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r為主,臺(tái)地相分布較廣,全盆地均有發(fā)育,巖性以生屑灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r為主,局部基地?cái)嗔迅浇l(fā)育晶粒白云巖;茅口晚期,發(fā)生區(qū)域性海退,盆地內(nèi)茅口組地層發(fā)生暴露巖溶,形成巖溶孔隙型或裂縫孔隙型儲(chǔ)層。
孤峰組與茅口組為同期異相沉積,在深水海槽區(qū)沉積孤峰組泥頁(yè)巖或泥質(zhì)灰?guī)r,在淺水臺(tái)地區(qū)沉積茅口組灰?guī)r。孤峰組的分布大多集中在中、下?lián)P子地區(qū)[9],其中華南板塊的北緣及中南部的湘桂盆地和欽防盆地分布最為廣泛,沉積厚度大;在華南板塊北緣地區(qū),孤峰組以硅質(zhì)—泥質(zhì)—鈣質(zhì)巖石的復(fù)雜組合為主;在湘桂盆地和欽防盆地孤峰組以硅質(zhì)巖為主,從整個(gè)揚(yáng)子地區(qū)來(lái)看孤峰組主要巖性為薄層硅質(zhì)巖、硅質(zhì)泥頁(yè)巖、碳質(zhì)泥頁(yè)巖局部地區(qū)下部頁(yè)巖含錳和磷質(zhì)結(jié)核。孤峰組生物化石豐富,常見(jiàn)的生物有腕足、雙殼類(lèi),放射蟲(chóng)、局部地區(qū)見(jiàn)海綿骨針,揚(yáng)子地區(qū)孤峰組總體以深水生物組合為主,也含有淺海碳酸鹽巖相常見(jiàn)的牙形類(lèi)生物化石。
圖1 研究區(qū)位置與川西北部地區(qū)二疊系綜合柱狀圖
表1 揚(yáng)子臺(tái)地二疊紀(jì)地層劃分對(duì)比表
孤峰組所在層位因地而異[10](表1),在下?lián)P子盆地蘇南、浙北位于棲霞組與龍?zhí)督M下部“不含煤段” (即堰橋組含Neomisellina蜒類(lèi)群之間;在皖南繁昌、銅陵及宿松地區(qū)孤峰組位于棲霞組(含Cancellina帶)與武穴組灰?guī)r (含Yabeina帶)之間;下?lián)P子地區(qū)的孤峰組僅與茅口組下部灰?guī)r(Neoschwagerina帶) 相當(dāng);而四川巫山—旺蒼—廣元一帶的孤峰組位于茅口組灰?guī)r與吳家坪組王坡頁(yè)巖段之間,時(shí)代為茅口組晚期。揚(yáng)子地區(qū)孤峰組自東向西由老變新,即由茅口早期至茅口晚期。孤峰組是一個(gè)明顯的穿時(shí)巖石地層單位。它與茅口組灰?guī)r段呈蹺蹺板式的沉積所致。筆者基于川西北部地區(qū)孤峰組的測(cè)井識(shí)別和地震解釋?zhuān)J(rèn)為川西北地區(qū)于茅口晚期沉積孤峰組,與茅口組頂部地層為同時(shí)異相沉積,為方便研究討論,將茅口組頂部海槽相地層稱(chēng)為茅口組孤峰段。
川西北地區(qū)吳家坪組是一套沉積在王坡頁(yè)巖之上的海相碳酸鹽巖,王坡頁(yè)巖為茅口組海退之后的風(fēng)化殘積物,根據(jù)層序沉積原則王坡頁(yè)巖屬于吳家坪組,也是茅口組與吳家坪組之間的沉積界面,是區(qū)域可對(duì)比的等時(shí)界面,王坡頁(yè)巖之下為茅口組孤峰段海槽相或茅三段臺(tái)地相沉積。因此識(shí)別王坡頁(yè)巖與茅口組孤峰段界面是基礎(chǔ),王坡頁(yè)巖與茅口組孤峰段均為一套高伽馬泥頁(yè)巖且上下相鄰發(fā)育,部分地區(qū)厚度較薄,在識(shí)別過(guò)程中容易忽略孤峰組的存在。前期研究過(guò)程中該2套地層均被識(shí)別為王坡頁(yè)巖,導(dǎo)致對(duì)茅口組的相帶認(rèn)識(shí)出現(xiàn)偏差。由于井下巖石樣品缺乏,筆者充分調(diào)研王坡頁(yè)巖與茅口組孤峰段泥頁(yè)巖的沉積成因、地球化學(xué)、巖石成分、物性等特征資料,在此基礎(chǔ)上對(duì)二者進(jìn)行測(cè)井響應(yīng)分析以準(zhǔn)確識(shí)別孤峰組。
王坡頁(yè)巖是茅口組晚期廣泛海退的風(fēng)化殘積物沉積,在川西北部地區(qū)普遍發(fā)育,以粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖和鋁土質(zhì)泥巖為主,為氧化環(huán)境下的沉積物,由海平面下降,巖石暴露地表后受到長(zhǎng)期的風(fēng)化淋濾及剝蝕作用形成,可以作為吳家坪組與茅口組之間的等時(shí)界面。晚二疊世吳家坪組是在該風(fēng)化剝蝕界面基礎(chǔ)上的一次海侵產(chǎn)物[11],為一套連續(xù)沉積,即吳家坪組與茅口組之間只存在一套風(fēng)化界面即王坡頁(yè)巖。
王坡頁(yè)巖在川西北部地區(qū)的野外露頭均有出露(圖2),厚度較薄,介于1~2 m,為一套黃綠色的粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖。王坡頁(yè)巖之上為吳家坪組中—厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和硅質(zhì)灰?guī)r,下部為茅口組孤峰段的薄層深色地層,巖性主要為深色泥巖、灰質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖或者茅口組茅三段的生屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r,沉積特征表現(xiàn)為薄層狀沉積,見(jiàn)水平層理,厚度介于1~5 m。
圖2 劍閣縣上寺長(zhǎng)江溝茅口組頂部的風(fēng)化界面出露圖
王坡頁(yè)巖是一種近物源的風(fēng)化沉積巖,富含鋁制礦物,主要礦物成分是硬水鋁礦、三水鋁礦和一水軟鋁石,巖性較脆,硬度、密度大,沒(méi)有可塑性,主要由鋁硅酸鹽類(lèi)礦物受強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化、半風(fēng)化帶出溶解的氧化鋁、高嶺石等搬運(yùn)到巖溶洼地、湖泊、海灣、瀉湖盆地,直接沉積或陸解作用形成[12],覆蓋在殘余茅口組地層之上。王坡頁(yè)巖含有較多的副礦物,所以密度相對(duì)于其他成因的泥巖大。
孤峰段沉積時(shí)在海底熱泉附近由于營(yíng)養(yǎng)豐富,出現(xiàn)了硅質(zhì)生物及其他生物十分繁榮的局面[13],所以沉積中硅質(zhì)含量高,硅質(zhì)巖富Fe貧Al,富集As,Sb,Bi,Ga,Au,Ag,Cr等微量元素。孤峰段泥巖為深水還原環(huán)境形成,沉積水體安靜,生物保存較為完整,有機(jī)質(zhì)含量高,是潛在的烴源巖。孤峰段多見(jiàn)水平紋層,沉積物顆粒細(xì),成巖作用過(guò)程容易被壓實(shí),孔隙度低,僅剩納米級(jí)孔隙,表現(xiàn)出低孔低滲的特征。
川西北茅口組孤峰段發(fā)育區(qū),王坡頁(yè)巖與孤峰段泥頁(yè)巖直接接觸,均為高自然伽馬,難以區(qū)分[14]。但王坡頁(yè)巖與孤峰段泥頁(yè)巖是兩種不同成因的泥巖,前者為風(fēng)化暴露的氧化環(huán)境,后者為深水沉積的還原環(huán)境。因此,根據(jù)沉積成因的不同,可以利用伽馬能譜曲線和中子、聲波、密度3孔隙度曲線進(jìn)行綜合判別。
王坡頁(yè)巖中富含釷和鉀元素,鈾含量低,總結(jié)原因有3點(diǎn):①顆粒較細(xì),比表面較大,容易吸附釷、鉀等放射性元素;②釷化合物難溶于水,在暴露環(huán)境中容易堆積,所以風(fēng)化界面的鋁土質(zhì)泥巖中釷和鉀元素富集,釷含量尤其高;③鈾含量低是因?yàn)樗膬r(jià)鈾難溶于水,六價(jià)鈾溶于水,在氧化環(huán)境中四價(jià)鈾氧化為六價(jià)鈾,六價(jià)鈾隨著水流被帶入至還原環(huán)境變成四價(jià)鈾而沉淀,所以王坡頁(yè)巖中鈾含量低。由于釷、鉀的放射性作用,鋁土質(zhì)泥巖表現(xiàn)出高自然伽馬值。
茅口組孤峰段泥巖是深水相沉積,為還原環(huán)境沉積的深色有機(jī)質(zhì)泥巖,是優(yōu)質(zhì)的烴源巖,在泥質(zhì)烴源巖內(nèi)富含放射性鈾元素,巖石中有機(jī)質(zhì)對(duì)鈾的富集起著重要作用,還原環(huán)境和有機(jī)質(zhì)的富集,可以使泥質(zhì)沉積物吸附大量的鈾,從而使烴源巖的鈾含量明顯升高,由于鈾的放射性作用,在泥質(zhì)烴源巖內(nèi)同樣表現(xiàn)出高自然伽馬值。另外,遠(yuǎn)物源沉積,也導(dǎo)致釷和鉀含量極低。
測(cè)井曲線自然伽馬為地層中不同放射性核素的總效應(yīng),其數(shù)值為各核素放射性的總計(jì)數(shù)率(API),反應(yīng)的是釷含量(μg/g)、鈾含量(μg/g)和K40含量(%)。王坡頁(yè)巖和孤峰段泥巖自然伽馬均較高,前者富含釷、鉀元素,鈾含量低,密度及中子孔隙度值相對(duì)較大,后者則相反。
根據(jù)王坡頁(yè)巖和孤峰段泥巖的巖性和地球化學(xué)特征(圖3),可以總結(jié)出二者的識(shí)別特征:王坡頁(yè)巖為一套黃褐色砂質(zhì)、粉砂質(zhì)泥巖或鋁土質(zhì)泥巖,測(cè)井特征表現(xiàn)為高自然伽馬、高釷、低鈾(或低鈾鉀比U/K)、高中子孔隙度、高密度、高聲波;孤峰段為一套深灰黑色碳質(zhì)、硅質(zhì)泥巖,富含浮游類(lèi)生物,測(cè)井特征表現(xiàn)為高自然伽馬、低釷、高鈾(或高鈾鉀比U/K)、低中子孔隙度、低聲波(表2)。
通過(guò)川西北劍閣—九龍山地區(qū)多口老井復(fù)查,發(fā)現(xiàn)川西北地區(qū)茅口組頂部發(fā)育完整的海槽相至碳酸鹽臺(tái)地相沉積(圖4),在龍門(mén)山北段推覆構(gòu)造的K2井、龍門(mén)山北段山前帶背沖背斜構(gòu)造北部的ST2井和川西北低緩褶皺帶的L17井、L16井以及LT1井發(fā)育茅口組孤峰段海槽相沉積,巖性以黑色、深灰色碳質(zhì)泥頁(yè)巖、硅質(zhì)泥頁(yè)巖為主,多為片狀和薄層狀,厚度5~25 m。龍門(mén)山北段山前帶背沖背斜構(gòu)造的雙探1和川中地區(qū)NC1井發(fā)育臺(tái)地相,巖性為生屑灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r,生屑顆粒含量中等,為典型的臺(tái)內(nèi)沉積。據(jù)單井沉積相對(duì)比,川西北部地區(qū)茅口組孤峰段海槽相廣泛發(fā)育(圖5),川西北部地區(qū)茅口組孤峰段海槽呈北西南東向展布,從川西北部向川東方向延伸,茅口期海槽與開(kāi)江—梁平海槽展布方向一致,且分布范圍相對(duì)較小,表明在川北地區(qū)在茅口組末期已形成臺(tái)槽分異,該時(shí)期的海槽為開(kāi)江—梁平海槽的雛形。海槽西側(cè)的LG70井發(fā)育生屑灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r互層,表現(xiàn)出臺(tái)地斜坡相的特征(圖4),根據(jù)沉積相帶的完整性推測(cè),在海槽—斜坡相與臺(tái)內(nèi)相之間應(yīng)該存在二者過(guò)渡的臺(tái)地邊緣相,川西北地區(qū)茅口組頂部海槽—斜坡相和臺(tái)內(nèi)相之間也應(yīng)該存在高能臺(tái)地邊緣相帶沉積,臺(tái)緣帶的沉積厚度大于海槽相和臺(tái)內(nèi)相,由于臨近海槽,水體能量高,該相帶生物組合應(yīng)以抗浪型生物為主。
圖3 川西北地區(qū)茅口組孤峰段識(shí)別圖版(L17井)
表2 孤峰段識(shí)別特征表
茅口組晚期臺(tái)槽分異下的古生物特征證實(shí)川西北地區(qū)發(fā)育茅口期臺(tái)緣帶。在川西北野外剖面觀察到茅口組頂部發(fā)現(xiàn)了文氏珊瑚等抗浪淺水高能礁灘相生物(圖4),也證實(shí)了茅口組頂部臺(tái)緣帶的存在。與海槽相和臺(tái)內(nèi)相生物對(duì)比(圖6),也能明顯看出川西北地區(qū)茅口組頂部地層的相帶變化,海槽相以薄殼類(lèi)、骨針類(lèi)生物為主,主要是底棲生物和浮游生物,臺(tái)內(nèi)相以藻屑和腕足類(lèi)生物為主,臺(tái)緣相以珊瑚類(lèi)等抗浪高能生物為主。
從地震剖面上也可以看出(圖7),自北向南,茅口組頂部海槽相為薄層沉積,至臺(tái)緣發(fā)育局部隆起,至臺(tái)內(nèi)厚度有所減薄,但厚度穩(wěn)定,為典型的臺(tái)內(nèi)相特征,總體來(lái)看,茅口組晚期臺(tái)緣的地震相特征清晰,臺(tái)緣帶隆起特征明顯,頂部表現(xiàn)為雜亂反射,可能為臺(tái)緣帶遭受后期巖溶形成巖溶地層所致。
基于以上分析,利用井震聯(lián)合解釋?zhuān)?xì)刻畫(huà)了川西北部地區(qū)茅三段臺(tái)緣灘相分布(圖8),劍閣—元壩—龍崗臺(tái)緣特征明顯,灘體沿北西—南東向展布,劍閣—龍崗臺(tái)緣帶有變緩的趨勢(shì),劍閣臺(tái)緣灘相寬介于8~9 km,面積約380 km2,龍崗地區(qū)臺(tái)緣帶寬9~12 km,面積約650 km2。
圖4 川北—中地區(qū)茅三段(孤峰)沉積相連井剖面圖
圖5 四川盆地茅口組晚期巖相古地理圖
綜合前文分析,識(shí)別出了川西北茅口組頂部孤峰段海槽相及其邊緣的碳酸鹽臺(tái)地相,海槽相為深色硅質(zhì)或碳質(zhì)泥頁(yè)巖,伽馬能譜中放射性元素鈾含量高,表明有機(jī)質(zhì)含量高,是潛在的優(yōu)質(zhì)烴源巖。地震剖面顯示劍閣地區(qū)處于茅口組孤峰段海槽邊緣,發(fā)育茅三段臺(tái)地邊緣相,臺(tái)緣相生物灰?guī)r中顆粒含量高,沉積水動(dòng)力強(qiáng),是有利的巖溶發(fā)育區(qū)。下面從臺(tái)緣帶巖溶儲(chǔ)層發(fā)育和臺(tái)槽組合的有利成藏條件探討茅口組孤峰段海槽相的石油地質(zhì)意義。
在單井上識(shí)別出茅口組孤峰段后,再進(jìn)行地震標(biāo)定,進(jìn)而在平面上識(shí)別川西北地區(qū)茅口組茅三段的臺(tái)緣特征。地震剖面顯示川西北部茅口組孤峰段海槽周緣發(fā)育陡坡型臺(tái)緣,川西北部茅三段臺(tái)地邊緣相沉積水體能量強(qiáng),沉積生屑灰?guī)r中顆粒含量高,原生粒間孔發(fā)育,提供了巖溶作用需要的巖性基礎(chǔ),茅口組末期海退,臺(tái)緣帶長(zhǎng)期處于暴露環(huán)境,接受大氣淡水淋濾,有利于形成灰?guī)r巖溶型儲(chǔ)層。
在諸多巖溶控制因素中,地層巖性是基礎(chǔ),地質(zhì)構(gòu)造是主導(dǎo),而水動(dòng)力條件是決定性的因素。不飽和的流動(dòng)的流體能有效溶解碳酸鹽巖,并把溶解產(chǎn)物遷移。因此只有在水循環(huán)體系內(nèi),巖溶才會(huì)發(fā)育。巖溶體系在水體循環(huán)的作用下常發(fā)育多個(gè)巖溶帶,中科院地質(zhì)研究所編著的《中國(guó)巖溶研究》劃分了4個(gè)巖溶帶,分別為垂直滲入帶、季節(jié)變動(dòng)帶、水平徑流帶和深部緩流帶。其中垂直滲入帶和水平徑流帶溶蝕孔洞發(fā)育,在地震剖面較容易識(shí)別,如塔河油田奧陶系鷹山組、良里塔格組等多套巖溶儲(chǔ)層中在地震剖面上呈現(xiàn)出“羊肉串”式的垂向溶洞分布。本次研究中發(fā)現(xiàn),川西北部茅口組頂部茅三段臺(tái)緣帶在地震剖面上呈現(xiàn)出明顯的水平徑流帶巖溶特征,臺(tái)緣帶之下發(fā)育近平行的復(fù)波(圖7)。
圖7 川西北地區(qū)茅三段沉積相地震剖面圖
圖8 劍閣—元壩—龍崗三維地震區(qū)茅三段地震反射時(shí)差立體圖
川西北地區(qū)茅口組孤峰段的海槽相沉積,沉積環(huán)境可能為開(kāi)江—梁平海槽的雛形,該套沉積與中下?lián)P子地區(qū)的孤峰組巖性相近,均為黑色泥巖或硅質(zhì)泥巖,具有可對(duì)比性,從測(cè)井曲線和巖屑觀察表明其具備較好的生烴能力,可以作為上伏地層有利烴源層。地震剖面顯示海槽西側(cè)發(fā)育坡度較大的碳酸鹽臺(tái)地斜坡相和碳酸鹽臺(tái)地邊緣相,臺(tái)緣帶儲(chǔ)層特征明顯,與海槽相側(cè)向?qū)?,其上的王坡?yè)巖具備一定的孔滲條件,可以作為油氣側(cè)向運(yùn)移的有利通道,上伏吳家坪組巖性致密,同時(shí)也有一定的生烴條件,在生烴和致密巖性的雙重作用下對(duì)茅口組臺(tái)緣灘相儲(chǔ)層形成有利封蓋,臺(tái)槽分異區(qū)源儲(chǔ)蓋配置良好(圖9),具備優(yōu)越的成藏條件。茅三段臺(tái)緣帶延伸至龍崗地區(qū),近北西向展布,面積超過(guò)1 000 km2,除孤峰組外,茅一段也發(fā)育優(yōu)質(zhì)泥灰質(zhì)烴源巖,具備形成規(guī)模性氣藏的源儲(chǔ)條件,可以作為川西北地區(qū)茅口組下一步勘探目標(biāo)。
圖9 川西北地區(qū)茅口組成藏模式圖
1)建立了吳家坪組底部王坡頁(yè)巖和茅口頂部孤峰段深水泥巖的測(cè)井識(shí)別特征,王坡頁(yè)巖的測(cè)井特征表現(xiàn)為,高自然伽馬、高釷鉀、低鈾(或低U/K)、高中子孔隙度、高聲波。孤峰段泥巖表現(xiàn)為高自然伽馬、低釷、低鉀、高鈾(或高U/K)、低中子孔隙度、低聲波。
2)首次識(shí)別出了川西北地區(qū)茅口組頂部孤峰段海槽相沉積,川西北地區(qū)茅三段頂部海槽相地層與中下?lián)P子地區(qū)的孤峰組為同期異相沉積,具備較好的生烴能力,為有利烴源層。研究表明開(kāi)江—梁平海槽于茅口組沉積末期已形成雛形。
3)刻畫(huà)了川西北地區(qū)茅口組三段沉積相,川西北地區(qū)茅三段發(fā)育完整的海槽相至碳酸鹽臺(tái)地相沉積,在川北劍閣以東至九龍山地區(qū)發(fā)育海槽相,LG70井西側(cè)一帶發(fā)育臺(tái)緣相,劍閣地區(qū)臺(tái)緣寬度約30 km,呈北西—南東走向,雙魚(yú)石地區(qū)至川中發(fā)育臺(tái)內(nèi)沉積。川西北部地區(qū)茅口組臺(tái)槽分異的沉積特征,為區(qū)內(nèi)茅口組提供了優(yōu)越的源儲(chǔ)配置,成藏條件優(yōu)越。