張璽華 陳 聰 張 亞 文 龍 羅 冰 陳雙玲 王麗英 李 亞 楊雨然

中國石油西南油氣田公司勘探開發(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發(fā)的重要層系，油氣勘探歷史悠久，始于20世紀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年全盆地獲探明儲量852×108m3，其中蜀南地區(qū)占87.7%，分布在325個大小不一的縫洞體系中，且陸續(xù)進入開發(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)過后期巖溶改造，有利于形成規(guī)模性巖溶儲層[4-5]，LT-1井鉆遇茅口組時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)存在臺槽分異。該套泥頁巖的生物組合、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別，同時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識。筆者基于鉆井及30 000 km2二維地震和5 000 km2三維地震資料，在識別孤峰組的基礎上，刻畫了川西北地區(qū)孤峰組深水沉積展布，發(fā)現(xiàn)川西北地區(qū)茅口組晚期臺緣帶的分布，臺緣帶沉積水體能量強，經(jīng)后期巖溶作用易形成規(guī)模型優(yōu)質(zhì)儲層

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地西北部地區(qū)主要包括龍門山、大巴山、米倉山前緣（圖1），自早二疊世，四川盆地開始接受海侵[7]，川西北地區(qū)全被淹沒，整體位于碳酸鹽臺地[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)，巖性以泥頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r為主，臺地相分布較廣，全盆地均有發(fā)育，巖性以生屑灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r為主，局部基地斷裂附近發(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層。

2 孤峰組（段）沉積特征

孤峰組與茅口組為同期異相沉積，在深水海槽區(qū)沉積孤峰組泥頁巖或泥質(zhì)灰?guī)r，在淺水臺地區(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，從整個揚子地區(qū)來看孤峰組主要巖性為薄層硅質(zhì)巖、硅質(zhì)泥頁巖、碳質(zhì)泥頁巖局部地區(qū)下部頁巖含錳和磷質(zhì)結(jié)核。孤峰組生物化石豐富，常見的生物有腕足、雙殼類，放射蟲、局部地區(qū)見海綿骨針，揚子地區(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的牙形類生物化石。

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 揚子臺地二疊紀地層劃分對比表

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；而四川巫山—旺蒼—廣元一帶的孤峰組位于茅口組灰?guī)r與吳家坪組王坡頁巖段之間，時代為茅口組晚期。揚子地區(qū)孤峰組自東向西由老變新，即由茅口早期至茅口晚期。孤峰組是一個明顯的穿時巖石地層單位。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)孤峰組的測井識別和地震解釋，認為川西北地區(qū)于茅口晚期沉積孤峰組，與茅口組頂部地層為同時異相沉積，為方便研究討論，將茅口組頂部海槽相地層稱為茅口組孤峰段。

3 川西北茅口組孤峰段識別

川西北地區(qū)吳家坪組是一套沉積在王坡頁巖之上的海相碳酸鹽巖，王坡頁巖為茅口組海退之后的風化殘積物，根據(jù)層序沉積原則王坡頁巖屬于吳家坪組，也是茅口組與吳家坪組之間的沉積界面，是區(qū)域可對比的等時界面，王坡頁巖之下為茅口組孤峰段海槽相或茅三段臺地相沉積。因此識別王坡頁巖與茅口組孤峰段界面是基礎，王坡頁巖與茅口組孤峰段均為一套高伽馬泥頁巖且上下相鄰發(fā)育，部分地區(qū)厚度較薄，在識別過程中容易忽略孤峰組的存在。前期研究過程中該2套地層均被識別為王坡頁巖，導致對茅口組的相帶認識出現(xiàn)偏差。由于井下巖石樣品缺乏，筆者充分調(diào)研王坡頁巖與茅口組孤峰段泥頁巖的沉積成因、地球化學、巖石成分、物性等特征資料，在此基礎上對二者進行測井響應分析以準確識別孤峰組。

3.1 王坡頁巖與孤峰段沉積特征

王坡頁巖是茅口組晚期廣泛海退的風化殘積物沉積，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期的風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界面。晚二疊世吳家坪組是在該風化剝蝕界面基礎上的一次海侵產(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化界面即王坡頁巖。

王坡頁巖在川西北部地區(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)泥頁巖。王坡頁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，見水平層理，厚度介于1～5 m。

圖2 劍閣縣上寺長江溝茅口組頂部的風化界面出露圖

3.2 王坡頁巖與孤峰段地化、地物特征

王坡頁巖是一種近物源的風化沉積巖，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，沒有可塑性，主要由鋁硅酸鹽類礦物受強烈化學風化、半風化帶出溶解的氧化鋁、高嶺石等搬運到巖溶洼地、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。王坡頁巖含有較多的副礦物，所以密度相對于其他成因的泥巖大。

孤峰段沉積時在海底熱泉附近由于營養(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，有機質(zhì)含量高，是潛在的烴源巖。孤峰段多見水平紋層，沉積物顆粒細，成巖作用過程容易被壓實，孔隙度低，僅剩納米級孔隙，表現(xiàn)出低孔低滲的特征。

3.3 王坡頁巖與茅口組孤峰段泥巖測井識別方法

川西北茅口組孤峰段發(fā)育區(qū)，王坡頁巖與孤峰段泥頁巖直接接觸，均為高自然伽馬，難以區(qū)分[14]。但王坡頁巖與孤峰段泥頁巖是兩種不同成因的泥巖，前者為風化暴露的氧化環(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孔隙度曲線進行綜合判別。

王坡頁巖中富含釷和鉀元素，鈾含量低，總結(jié)原因有3點：①顆粒較細，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鈾含量低是因為四價鈾難溶于水，六價鈾溶于水，在氧化環(huán)境中四價鈾氧化為六價鈾，六價鈾隨著水流被帶入至還原環(huán)境變成四價鈾而沉淀，所以王坡頁巖中鈾含量低。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，巖石中有機質(zhì)對鈾的富集起著重要作用，還原環(huán)境和有機質(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，遠物源沉積，也導致釷和鉀含量極低。

測井曲線自然伽馬為地層中不同放射性核素的總效應，其數(shù)值為各核素放射性的總計數(shù)率（API），反應的是釷含量（μg/g）、鈾含量（μg/g）和K40含量（%）。王坡頁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較大，后者則相反。

根據(jù)王坡頁巖和孤峰段泥巖的巖性和地球化學特征（圖3），可以總結(jié)出二者的識別特征：王坡頁巖為一套黃褐色砂質(zhì)、粉砂質(zhì)泥巖或鋁土質(zhì)泥巖，測井特征表現(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，富含浮游類生物，測井特征表現(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）。

4 川西北地區(qū)茅口組晚期臺槽分異

通過川西北劍閣—九龍山地區(qū)多口老井復查，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地相沉積（圖4），在龍門山北段推覆構造的K2井、龍門山北段山前帶背沖背斜構造北部的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)泥頁巖、硅質(zhì)泥頁巖為主，多為片狀和薄層狀，厚度5～25 m。龍門山北段山前帶背沖背斜構造的雙探1和川中地區(qū)NC1井發(fā)育臺地相，巖性為生屑灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，生屑顆粒含量中等，為典型的臺內(nèi)沉積。據(jù)單井沉積相對比，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，茅口期海槽與開江—梁平海槽展布方向一致，且分布范圍相對較小，表明在川北地區(qū)在茅口組末期已形成臺槽分異，該時期的海槽為開江—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)出臺地斜坡相的特征（圖4），根據(jù)沉積相帶的完整性推測，在海槽—斜坡相與臺內(nèi)相之間應該存在二者過渡的臺地邊緣相，川西北地區(qū)茅口組頂部海槽—斜坡相和臺內(nèi)相之間也應該存在高能臺地邊緣相帶沉積，臺緣帶的沉積厚度大于海槽相和臺內(nèi)相，由于臨近海槽，水體能量高，該相帶生物組合應以抗浪型生物為主。

圖3 川西北地區(qū)茅口組孤峰段識別圖版（L17井）

表2 孤峰段識別特征表

茅口組晚期臺槽分異下的古生物特征證實川西北地區(qū)發(fā)育茅口期臺緣帶。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），也證實了茅口組頂部臺緣帶的存在。與海槽相和臺內(nèi)相生物對比（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、骨針類生物為主，主要是底棲生物和浮游生物，臺內(nèi)相以藻屑和腕足類生物為主，臺緣相以珊瑚類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，至臺緣發(fā)育局部隆起，至臺內(nèi)厚度有所減薄，但厚度穩(wěn)定，為典型的臺內(nèi)相特征，總體來看，茅口組晚期臺緣的地震相特征清晰，臺緣帶隆起特征明顯，頂部表現(xiàn)為雜亂反射，可能為臺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，精細刻畫了川西北部地區(qū)茅三段臺緣灘相分布（圖8），劍閣—元壩—龍崗臺緣特征明顯，灘體沿北西—南東向展布，劍閣—龍崗臺緣帶有變緩的趨勢，劍閣臺緣灘相寬介于8～9 km，面積約380 km2，龍崗地區(qū)臺緣帶寬9～12 km，面積約650 km2。

5 茅口組孤峰段海槽相的石油地質(zhì)意義

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地相，海槽相為深色硅質(zhì)或碳質(zhì)泥頁巖，伽馬能譜中放射性元素鈾含量高，表明有機質(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)育茅三段臺地邊緣相，臺緣相生物灰?guī)r中顆粒含量高，沉積水動力強，是有利的巖溶發(fā)育區(qū)。下面從臺緣帶巖溶儲層發(fā)育和臺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。

5.1 臺地邊緣相帶儲層發(fā)育模式

在單井上識別出茅口組孤峰段后，再進行地震標定，進而在平面上識別川西北地區(qū)茅口組茅三段的臺緣特征。地震剖面顯示川西北部茅口組孤峰段海槽周緣發(fā)育陡坡型臺緣，川西北部茅三段臺地邊緣相沉積水體能量強，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，茅口組末期海退，臺緣帶長期處于暴露環(huán)境，接受大氣淡水淋濾，有利于形成灰?guī)r巖溶型儲層。

在諸多巖溶控制因素中，地層巖性是基礎，地質(zhì)構造是主導，而水動力條件是決定性的因素。不飽和的流動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)，巖溶才會發(fā)育。巖溶體系在水體循環(huán)的作用下常發(fā)育多個巖溶帶，中科院地質(zhì)研究所編著的《中國巖溶研究》劃分了4個巖溶帶，分別為垂直滲入帶、季節(jié)變動帶、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別，如塔河油田奧陶系鷹山組、良里塔格組等多套巖溶儲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，臺緣帶之下發(fā)育近平行的復波（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)茅三段地震反射時差立體圖

5.2 川西北茅口組成藏模式

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，具有可對比性，從測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地斜坡相和碳酸鹽臺地邊緣相，臺緣帶儲層特征明顯，與海槽相側(cè)向?qū)樱渖系耐跗马搸r具備一定的孔滲條件，可以作為油氣側(cè)向運移的有利通道，上伏吳家坪組巖性致密，同時也有一定的生烴條件，在生烴和致密巖性的雙重作用下對茅口組臺緣灘相儲層形成有利封蓋，臺槽分異區(qū)源儲蓋配置良好（圖9），具備優(yōu)越的成藏條件。茅三段臺緣帶延伸至龍崗地區(qū)，近北西向展布，面積超過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)模性氣藏的源儲條件，可以作為川西北地區(qū)茅口組下一步勘探目標。

圖9 川西北地區(qū)茅口組成藏模式圖

6 結(jié)論

1）建立了吳家坪組底部王坡頁巖和茅口頂部孤峰段深水泥巖的測井識別特征，王坡頁巖的測井特征表現(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。研究表明開江—梁平海槽于茅口組沉積末期已形成雛形。

3）刻畫了川西北地區(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)育臺緣相，劍閣地區(qū)臺緣寬度約30 km，呈北西—南東走向，雙魚石地區(qū)至川中發(fā)育臺內(nèi)沉積。川西北部地區(qū)茅口組臺槽分異的沉積特征，為區(qū)內(nèi)茅口組提供了優(yōu)越的源儲配置，成藏條件優(yōu)越。