四川盆地高石梯地區(qū)震旦系燈影組四段硅質(zhì)巖成因及地質(zhì)意義

羅文軍 徐 偉 朱正平 劉曦翔 王 強(qiáng) 申 艷 朱 訊

1. 西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院 2. 西南油氣田分公司 3. 西南油氣田分公司頁巖氣研究院

0 引言

四川盆地中部地區(qū)震旦系燈影組四段氣藏為受風(fēng)化殼影響的大型古巖溶氣藏[1-3]，已提交探明儲(chǔ)量約4 000×108m3，其中高石梯地區(qū)提交探明儲(chǔ)量約2 000×108m3，具有巨大的資源基礎(chǔ)和良好的開發(fā)前景。前期研究認(rèn)為上震旦統(tǒng)燈影組儲(chǔ)層主要分布于燈影組頂界之下100 m 以內(nèi)，具有非均質(zhì)性強(qiáng)、橫向變化大等特征，但是燈四段地層厚度大，巖性垂向變化小，儲(chǔ)層發(fā)育分布卻具有一定的成層性，應(yīng)該與燈四段內(nèi)部層序有一定的相關(guān)性；而燈四上亞段上部發(fā)育一套分布較為穩(wěn)定的硅質(zhì)巖，且普遍致密堅(jiān)硬，滲透性差，尚不明確該套硅質(zhì)巖與儲(chǔ)層展布有何關(guān)系。前期研究工作主要針對(duì)燈四上亞段白云巖溶蝕孔洞中充填的硅質(zhì)礦物進(jìn)行分析，對(duì)“基巖”中的硅質(zhì)成因、分布及對(duì)儲(chǔ)層的影響未進(jìn)行深入探討。故筆者通過對(duì)研究區(qū)實(shí)鉆井硅質(zhì)巖的巖心、薄片、主要元素、微量元素資料的分析，探討研究區(qū)硅質(zhì)巖成因，尋求其與儲(chǔ)層展布的關(guān)系，總結(jié)儲(chǔ)層空間展布規(guī)律，以指導(dǎo)氣藏高效開發(fā)。

1 地質(zhì)背景

高石梯地區(qū)位于四川盆地川中古隆起平緩構(gòu)造區(qū)，東接廣安構(gòu)造，西鄰?fù)h(yuǎn)構(gòu)造，北鄰磨溪構(gòu)造，西南鄰荷包場、界石場潛伏構(gòu)造（圖1）。該區(qū)燈影組主要為碳酸鹽巖臺(tái)地沉積，以藻白云巖、晶粒白云巖、砂(粒)屑白云巖為主，夾少量薄層砂巖、泥巖、硅質(zhì)巖及膏巖，自下至上可分為4 段。燈四段巖性主要由淺灰—深灰色層狀粉晶云巖、含砂屑云巖、溶孔粉晶云巖、藻云巖、硅質(zhì)巖組成。由于桐灣運(yùn)動(dòng)影響，該區(qū)燈四段遭受長時(shí)期的表生巖溶作用，巖溶儲(chǔ)層發(fā)育。

2 硅質(zhì)巖特征及成因分析

2.1 硅質(zhì)巖特征

高石梯地區(qū)燈影組四段自下而上均含硅質(zhì)，產(chǎn)出狀態(tài)主要有2 類，即次生充填的硅質(zhì)礦物和沉積形成的硅質(zhì)巖，二者微觀特征有明顯區(qū)別，鏡下易區(qū)分。熱液充填的硅質(zhì)礦物晶粒粗大，由白云石基巖垂直洞壁或裂縫生長（圖2-a、2-b），孔洞及裂縫半充填或全充填；沉積形成的硅質(zhì)巖鏡下多表現(xiàn)為細(xì)晶或微晶、放射狀玉髓以及隱晶質(zhì)硅質(zhì)（圖2-c、2-d），SiO2含量大于70%。筆者主要討論沉積成因的硅質(zhì)巖分布及儲(chǔ)層分布的控制因素。

圖1 高石梯地區(qū)構(gòu)造位置圖

圖2 高石梯地區(qū)燈四段硅質(zhì)產(chǎn)出狀態(tài)特征對(duì)比圖

2.1.1 產(chǎn)狀及結(jié)構(gòu)

根據(jù)研究區(qū)巖心及薄片分析，硅質(zhì)巖主要為藻紋層硅質(zhì)巖、含云硅質(zhì)巖和純硅質(zhì)巖（圖3），呈薄層—中厚層狀，單層厚度介于2 ～10 cm，具有條紋、條帶結(jié)構(gòu)，與藻紋層云巖和泥晶云巖伴生。巖心致密堅(jiān)硬，受后期成巖作用改造程度低。

薄片分析顯示硅質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)主要有隱晶結(jié)構(gòu)、顯晶質(zhì)粒狀結(jié)構(gòu)，放射狀玉髓以及花瓣結(jié)核狀等，其中紋層狀硅質(zhì)巖的紋層間分布大量的隱晶硅質(zhì)，且藻紋層亦以硅質(zhì)為主，紋層構(gòu)造保存完整（圖3）。

2.1.2 分布特征

測井?dāng)?shù)據(jù)中蘊(yùn)含著大量地質(zhì)信息，具有較高的分辨率，能較好地記錄地質(zhì)事件中有周期性變化的沉積構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，是普遍性和連續(xù)性最好的地質(zhì)數(shù)據(jù)之一[4-6]。硅質(zhì)巖在測井響應(yīng)上表現(xiàn)為高電阻、低中子、低聲波時(shí)差特征，測井較易識(shí)別，筆者利用ECS 元素俘獲測井對(duì)巖性解釋成果進(jìn)行標(biāo)定，測井巖性解釋成果中硅質(zhì)含量可靠，但該成果僅能較為準(zhǔn)確地識(shí)別巖石中SiO2成分含量，并不能明確硅質(zhì)成因。通過沉積層序分析可以進(jìn)一步區(qū)分硅質(zhì)成因，由沉積作用形成的硅質(zhì)層分布于同一層序界面附近，所以可以利用測井曲線劃分單井沉積層序，并開展連井對(duì)比，明確硅質(zhì)縱向分布規(guī)律。

在大量測井?dāng)?shù)據(jù)中，各種測井曲線所蘊(yùn)含的地質(zhì)信息不同，對(duì)地層旋回信息識(shí)別和劃分的敏感程度也不同。利用測井曲線能夠反映出不同地層的旋回以及沉積特征，不同測井曲線的組合形態(tài)以及測井曲線頻率的大小是界面識(shí)別與層序劃分的最主要依據(jù)。常用的測井曲線有聲波時(shí)差（AC）、自然伽馬（GR）、自然電位（SP）、電阻率（R），其中GR對(duì)泥質(zhì)含量的變化比較敏感，在常規(guī)地層劃分中通常用GR曲線來進(jìn)行地層旋回的劃分與對(duì)比。

對(duì)于穩(wěn)定環(huán)境沉積的海相碳酸鹽巖地層，自然伽馬（GR）和電阻率（R）的變化特征能準(zhǔn)確反映海平面升降變化及沉積旋回。筆者綜合分析測井曲線開展橫向?qū)Ρ龋鶕?jù)變化規(guī)律將燈四上亞段劃分為4 個(gè)沉積旋回（圖4）。

對(duì)比結(jié)果表明高石梯地區(qū)硅質(zhì)巖分布具有以下特征：①垂向上硅質(zhì)巖均分布在由下到上第4 旋回底部（圖4），大約在燈影組頂界之下10 ～40 m 處；平面上厚度主要介于5 ～15 m；向自西東厚度逐漸增大，其余硅質(zhì)橫向不可對(duì)比。

2.2 成因分析

2.2.1 地質(zhì)特征分析

通過對(duì)硅質(zhì)巖結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造、平面分布等特征分析，可初步判斷硅質(zhì)巖為沉積成因。

1）前人研究[7-10]表明，熱水沉積成因硅質(zhì)巖普遍表現(xiàn)為薄層到中厚層狀，致密堅(jiān)硬、具條紋、條帶狀構(gòu)造，且多與生物有關(guān)，鏡下表現(xiàn)為隱晶質(zhì)硅質(zhì)、顯晶質(zhì)粒狀硅質(zhì)充填物、放射狀玉髓以及花瓣?duì)罟栀|(zhì)結(jié)核等特征，巖心及薄片分析表明，該層硅質(zhì)巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造等均與典型的沉積成因硅質(zhì)巖相同，為沉積成因硅質(zhì)巖。

2）后期充填硅質(zhì)垂向發(fā)育位置變化較大，橫向不能可追蹤對(duì)比，而研究區(qū)硅質(zhì)巖測井響應(yīng)特征明確，橫向可對(duì)比，且沉積旋回對(duì)比上看，硅質(zhì)巖的發(fā)育位置均處在燈四上亞段第四旋回底部，等時(shí)可對(duì)比。

2.2.2 常量元素分析

1）前人對(duì)現(xiàn)代溫泉和海底熱泉的研究[7-10]表明, 只有與深部地?zé)嵯嚓P(guān)的熱水沉積硅質(zhì)巖才會(huì)具有SiO2含 量 高, 同 時(shí)TiO2、Al2O3、MgO 含 量 低的特征。分析高石梯地區(qū)燈四上亞段的上部硅質(zhì)巖的主要化學(xué)成分，硅質(zhì)巖SiO2含量均較高，介于94%～96%，普遍大于90%，且TiO2、Al2O3、MgO 含量低（表1），表明該層硅質(zhì)巖為與深部地?zé)嵯嚓P(guān)熱水沉積成因。

圖3 高石梯地區(qū)燈四段硅質(zhì)巖特征展示圖

圖4 高石梯地區(qū)燈四上亞段沉積旋回對(duì)比圖

表1 高石梯地區(qū)燈四段硅質(zhì)巖樣品主要元素含量表

2）前人研究[7-10]認(rèn)為，熱液參與的沉積普遍具有Fe、Mn 富集的特征，而陸源物質(zhì)會(huì)使Al、Ti元素富集。將樣品分析結(jié)果投在Al—Fe—Mn 三角圖中，數(shù)據(jù)均落在熱液沉積區(qū)（圖5），表明研究區(qū)硅質(zhì)巖為熱水沉積成因。

圖5 高石梯地區(qū)燈四段硅質(zhì)巖樣品Al—Fe—Mn 三角圖

2.2.3 微量元素分析

根據(jù)前人研究[7-15]，微量元素中高含量的Ba、Sb 可以作為熱水沉積物的指示劑。通過與上地殼微量元素的對(duì)比，硅質(zhì)巖樣品的微量元素含量明顯低于上地殼，但Ba, Sb 相對(duì)富集，具有熱水沉積成因特征。

Cr 為地幔元素, 巖石中Cr 的相對(duì)富集說明具有地幔物質(zhì)混入（夏邦棟，1995 年）[11]。數(shù)據(jù)中Cr相對(duì)富集（表2），最高達(dá)17.88 mg/L，表明硅質(zhì)巖形成與深部熱液有關(guān)。

表2 高石梯地區(qū)燈四段硅質(zhì)巖樣品微量元素含量表mg/L

通常熱水沉積中U 含量普遍高于Th 含量，故熱水沉積巖中具有U/Th 大于1 的特征,而正常海水沉積中U/Th 小于1(Rona，1978 年)。該區(qū)硅質(zhì)巖樣品的U/Th 均大于1，表明燈四段硅質(zhì)巖為熱水沉積成因。

楊子板塊東南大陸邊緣上震旦統(tǒng)上部茶留坡組（或老堡組）為一套硅質(zhì)巖建造，其分布范圍廣、分布層位穩(wěn)定，厚度介于20 ～150 m，與高石梯地區(qū)燈四段上部硅質(zhì)巖發(fā)育時(shí)期相同。前人研究[15-18]認(rèn)為，中上揚(yáng)子之間震旦紀(jì)末有頻繁的火山噴發(fā)，茶留坡組硅質(zhì)巖主要由該期火山噴發(fā)物中的硅質(zhì)在海水中沉淀形成的熱水沉積成因硅質(zhì)巖。

該區(qū)燈四上亞段上部硅質(zhì)巖具有以下特征：①呈薄層到中厚層狀，致密堅(jiān)硬，普遍具條紋、條帶狀構(gòu)造，且多與生物有關(guān)，鏡下一般表現(xiàn)為隱晶質(zhì)硅質(zhì)、顯晶質(zhì)粒狀硅質(zhì)、放射狀玉髓，其分布橫向可對(duì)比；②主要元素SiO2含量高，Al2O3、TiO2、MgO 含量較低，F(xiàn)e、Mn 相對(duì)富集；③微量元素Ba、Sb 含量高，Cr 相對(duì)富集，U/Th 大于1。結(jié)合區(qū)域上前人的研究，認(rèn)為該硅質(zhì)巖為與海底火山噴發(fā)相關(guān)的熱水沉積成因硅質(zhì)巖。

3 地質(zhì)意義分析與討論

明確了研究區(qū)燈四上亞段上部硅質(zhì)巖為沉積成因具有重要的地質(zhì)意義，海底火山噴發(fā)是區(qū)域性地質(zhì)事件，硅質(zhì)巖的沉積物來源與此相關(guān)，故區(qū)域上硅質(zhì)巖大范圍沉積應(yīng)為同時(shí)期的，且沉積旋回對(duì)比上看，硅質(zhì)巖的發(fā)育位置均處在燈四上亞段第四旋回底部，具有等時(shí)性。故可將硅質(zhì)巖底界作為等時(shí)地層對(duì)比界面，據(jù)此恢復(fù)巖溶古地貌、建立亞段等時(shí)地層格架、明確巖溶模式。

3.1 分析巖溶古地貌

燈四段儲(chǔ)層與表生巖溶作用有關(guān)，巖溶儲(chǔ)層發(fā)育帶與巖溶古地貌的關(guān)系密切已被勘探實(shí)踐證實(shí)。一般認(rèn)為，巖溶殘丘和巖溶斜坡是巖溶儲(chǔ)層最發(fā)育的地區(qū)，而巖溶高地和谷地巖溶儲(chǔ)層發(fā)育程度較差。因此，準(zhǔn)確地恢復(fù)巖溶古地貌是巖溶儲(chǔ)層發(fā)育帶分布預(yù)測的關(guān)鍵。但恢復(fù)深埋地下的巖溶古地貌通常是困難的，當(dāng)前常用的古地貌恢復(fù)方法主要為印模法和殘余厚度法。由于巖溶地貌表征的是巖溶發(fā)生后的地貌形態(tài)，采用“殘余厚度法”進(jìn)行古地貌恢復(fù)時(shí)，古侵蝕面以下的標(biāo)志層選取是關(guān)鍵，最好是一個(gè)基本與古海平面平行的水平面或近似的水平面，且是全區(qū)范圍內(nèi)分布的等時(shí)界面，能夠代表當(dāng)時(shí)的海平面。在之前的研究中通常采用燈三段底界作為殘厚法古地貌恢復(fù)基準(zhǔn)面，但由于燈二段遭受了大范圍的風(fēng)化剝蝕，部分地區(qū)剝蝕厚度較大，故而燈三段底界并不能代表古海平面，由燈三段底恢復(fù)的古地貌恢復(fù)結(jié)果也不能代表燈四段沉積前的古地貌。

筆者認(rèn)為燈四上亞段上部硅質(zhì)巖底界等時(shí)可對(duì)比，且其與上、下地層均為連續(xù)沉積，能夠代表古海平面，故其上地層殘厚能客觀反映寒武系沉積前燈四段頂部古地貌。硅質(zhì)巖之上的地層厚度主要介于10 ～45 m（圖6），工區(qū)西側(cè)主要介于10 ～30 m，并在高石3 及高石8 井區(qū)存在兩個(gè)殘余地層厚度較大的區(qū)域殘余厚度大于30 m，之間地層顯著減薄，主要在15 m 之下，向東地層增厚明顯，厚度大于40 m。根據(jù)頂部地層殘余厚度特征劃分燈四段巖溶古地貌，平面上劃分出巖溶殘丘、巖溶斜坡、巖溶谷地及巖溶高地等4 個(gè)古地貌單元（圖6），其中高石3、高石8 井區(qū)分別為2 個(gè)巖溶殘丘，之間為巖溶溝谷，其東部為巖溶斜坡及高地。

圖6 燈四上亞段硅質(zhì)層之上地層殘余厚度圖

3.2 建立等時(shí)地層格架

以往燈四段的儲(chǔ)層對(duì)比，主要按照儲(chǔ)層的相對(duì)位置進(jìn)行對(duì)比，指出儲(chǔ)層主要分布于燈影組頂界之下100 m 以內(nèi)，但不同區(qū)域儲(chǔ)層分布規(guī)律不明確，制約了氣藏開發(fā)。

硅質(zhì)巖底界為地層等時(shí)界面，故可將燈四上亞段自下而上細(xì)分為燈四上1 小層、燈四上2 小層； 結(jié)合燈四上、下亞段研究成果，建立了燈四段等時(shí)地層格架，在此格架內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)層精細(xì)對(duì)比（圖7），明確了燈四段不同區(qū)域儲(chǔ)層發(fā)育特征及分布規(guī)律：①高石3 井區(qū)燈四上2 小層儲(chǔ)層發(fā)育，1 小層儲(chǔ)層不發(fā)育；②高石2 井區(qū)燈四上2 小層儲(chǔ)層不發(fā)育，1 小層儲(chǔ)層發(fā)育；③高石9 井區(qū)燈四上1、2 小層儲(chǔ)層均發(fā)育；④磨溪109 井區(qū)燈四上2 小層剝?nèi)保?1小層儲(chǔ)層發(fā)育。

3.3 建立燈四上亞段巖溶模式

硅質(zhì)巖普遍致密，是巖溶流體的天然隔層，在此隔層之上，巖溶流體的向下滲流受到阻擋，在斷裂和裂縫欠發(fā)育區(qū)[19-20]，巖溶流體難以進(jìn)入燈四上1 小層，巖溶儲(chǔ)層集中發(fā)育在2 小層（高石3 井）；當(dāng)巖溶期及之前的斷裂斷穿硅質(zhì)層時(shí)，斷裂和裂縫為巖溶流體提供了向下流動(dòng)的通道，巖溶儲(chǔ)層在1、2 小層均有發(fā)育（高石8、9 井）；部分區(qū)域燈四上2 小層地層殘余厚度較小，且斷裂及裂縫較發(fā)育，該區(qū)僅燈四上1 小層儲(chǔ)層發(fā)育（高石2 井）；當(dāng)燈四上亞段2 小層遭受剝?nèi)睍r(shí)，燈四上1 小層巖溶儲(chǔ)層發(fā)育（磨溪109 井）。根據(jù)硅質(zhì)層及之上殘余地層分布，并結(jié)合斷裂、裂縫及丘灘體發(fā)育分布研究成果，建立了高石梯地區(qū)燈四上亞段巖溶模式（圖8），為巖溶儲(chǔ)層預(yù)測提供了重要依據(jù)。

圖7 高石梯地區(qū)燈四上亞段等時(shí)地層格架下儲(chǔ)層對(duì)比圖

圖8 研究區(qū)燈四上亞段巖溶儲(chǔ)層發(fā)育模式圖

筆者認(rèn)為燈四上亞段上部硅質(zhì)巖為熱水沉積成因，明確提出該層硅質(zhì)巖底界可作為燈四上亞段內(nèi)部等時(shí)地層對(duì)比界面，以此認(rèn)識(shí)指導(dǎo)了燈四段等時(shí)地層格架的建立，同時(shí)指導(dǎo)了燈四段巖溶古地貌恢復(fù)，并建立了燈四上亞段巖溶模式，明確不同區(qū)域巖溶儲(chǔ)層的分布特征，明確儲(chǔ)層縱橫向展布規(guī)律。形成成果支撐了高石梯地區(qū)有利區(qū)優(yōu)選及開發(fā)井部署，劃分了有利開發(fā)區(qū)3 個(gè)，并部署開發(fā)井55 口，完鉆35 口井，靶體儲(chǔ)層鉆遇率較之前工藝井提高1 倍以上，百萬立方米氣井比例由不足30%提高到67%以上，應(yīng)用成效顯著。

4 結(jié)論

1）川中高石梯地區(qū)燈四上亞段上部硅質(zhì)巖巖心表現(xiàn)為薄層到中厚層狀，單層厚度2 ～10 cm，致密堅(jiān)硬、普遍具條紋、條帶狀構(gòu)造，鏡下一般表現(xiàn)為隱晶質(zhì)硅質(zhì)、顯晶粒狀硅質(zhì)、放射狀玉髓以及花瓣?duì)罟栀|(zhì)結(jié)核，且橫向可對(duì)比，具有明顯的熱水沉積成因硅質(zhì)特征。

2）常量元素具有SiO2含量高、Al2O3、TiO2、MgO 含量較低，F(xiàn)e、Mn 相對(duì)富集的特征；微量元素Ba、Sb 含量高，Cr 相對(duì)富集，U/Th 普遍大于1，結(jié)合區(qū)域資料分析，明確了高石梯地區(qū)該套硅質(zhì)巖為與海底火山噴發(fā)相關(guān)的熱水沉積成因。

3）燈四段上部硅質(zhì)巖可作為燈四上亞段內(nèi)部等時(shí)沉積界面，以硅質(zhì)巖底界作為地層對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)界面，將燈四上亞段細(xì)分為2 個(gè)小層，據(jù)此構(gòu)建了燈四段等時(shí)地層格架，進(jìn)而恢復(fù)了寒武系沉積前燈影組巖溶古地貌，明確了燈四段巖溶模式。