筠連地區(qū)晚二疊世樂平組沉積相與煤層氣有利層位分析

鄒 辰，梅 玨，李金平，周季安，張涵冰

（1.中國石油浙江油田分公司，浙江 杭州310023；2.北京萬普隆能源技術(shù)有限公司，北京100195）

中國南方二疊紀(jì)特殊的沉積古地理格局和豐富多彩的沉積體系類型，是研究沉積環(huán)境與聚煤規(guī)律的理想場所。前人在關(guān)于筠連及鄰區(qū)晚二疊世地層沉積相與煤層發(fā)育規(guī)律的研究成果主要集中在沉積相特征及其與烴源巖的關(guān)系[1]，沉積體系、沉積相（沉積環(huán)境）、古地理、層序地層、旋回曲線與聚煤特征等方面[2-9]，而從沉積相的研究入手總結(jié)聚煤規(guī)律、并預(yù)測有利相帶和有利層位來指導(dǎo)煤層氣的勘探選區(qū)、選層研究工作較少。筠連及鄰區(qū)為南方典型的多煤層發(fā)育區(qū)[10-11]，不同煤層的沉積環(huán)境、發(fā)育規(guī)模、分布范圍、橫向穩(wěn)定性、頂?shù)装宸馍w條件及煤巖煤質(zhì)等的差異導(dǎo)致其具備不同的產(chǎn)氣潛力，結(jié)合近幾年中國南方煤層氣的開發(fā)實踐，主力產(chǎn)氣層位的判斷對煤層氣的高效開發(fā)至關(guān)重要[12-13]。在筠連上二疊統(tǒng)樂平組煤系地層沉積相分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討煤層及其與沉積相帶的關(guān)系，對比不同沉積相的煤層發(fā)育的規(guī)模、厚度、穩(wěn)定性以及資源豐度等方面的差異，預(yù)測了煤層氣勘探開發(fā)的主力煤層和有利沉積相帶，為該區(qū)及鄰區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)地處云貴川三省交界處，大地構(gòu)造位置處于上揚(yáng)子地臺的西南緣[14]，研究區(qū)構(gòu)造位置如圖1。二疊紀(jì)的早期和中期總體為陸表海碳酸鹽沉積，中二疊世晚期發(fā)生的東吳運動，結(jié)束了此前的陸表海環(huán)境，伴隨著區(qū)內(nèi)大規(guī)模峨眉山玄武巖噴發(fā)，西側(cè)康滇古陸的隆升，形成了晚二疊世上揚(yáng)子地臺西高東低的古地理面貌和由西向東由陸到海的沉積古地理格局, 其沉積體系自西向東依次為沖積平原河湖-沼澤體系、海岸-潟湖沼澤體系（或三角洲-沼澤體系）、碳酸鹽巖臺地體系[15]。研究區(qū)主要位于沖積平原河湖-沼澤體系和海岸-潟湖沼澤體系。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖Fig.1 Structure outline map of study area

2 地層劃分

上二疊統(tǒng)（樂平統(tǒng)）及其所包括的吳家坪階和長興階均是國際地層界線層型，標(biāo)志著該層段地層學(xué)研究具有良好的年代地層學(xué)基礎(chǔ)，研究區(qū)和鄰區(qū)上二疊統(tǒng)地層劃分沿革圖如圖2。

圖2 研究區(qū)和鄰區(qū)上二疊統(tǒng)地層劃分沿革圖Fig.2 Stratigraphic subdivision of the upper Permian in study area and the vicinity

吳家坪階底界以牙形刺帶首現(xiàn)為標(biāo)志，吳家坪階頂界以牙形刺帶為限；長興階底界以牙形刺帶首現(xiàn)以帶首現(xiàn)為標(biāo)志，長興階頂界以牙形刺帶為限[16]。筠連地區(qū)及鄰區(qū)主要處于近海平原相區(qū)與海岸相區(qū)，前人對于研究區(qū)晚二疊世巖石地層名稱的使用如下：①吳家坪階下部區(qū)內(nèi)不同程度發(fā)育峨眉山玄武巖巖組；②近海平原沉積體系（以碎屑巖和煤系地層為主），采用龍?zhí)督M及其內(nèi)部分段的方案；③早期（吳家坪期）近海平原沉積和晚期（長興期）海岸相區(qū)沉積時，采用早期龍?zhí)督M和晚期長興組的劃分方案[17-19]。

研究區(qū)晚二疊世巖性為下部峨眉山玄武巖組和中上部碎屑巖和煤系地層，相當(dāng)于龍?zhí)督M的概念。參考浙江油田近年在研究區(qū)開展煤層氣和頁巖氣工作中，采用樂平組的術(shù)語，并進(jìn)一步劃分為下段和上段，主要居于目前巖石地層單位的使用不太統(tǒng)一，龍?zhí)督M在整個華南地區(qū)使用，長興組典型剖面位于浙江長興縣。

3 沉積相類型與沉積演化

3.1 沉積相類型

近海平原相區(qū)屬于河湖-沼澤沉積體系，包括河流相、湖泊相、沼澤相；海岸相區(qū)為碳酸鹽巖與碎屑巖混源障壁海岸沉積體系，包括潮坪相、潟湖相、沼澤相。

1）曲河流相。以Y64 井為例，具有明顯的二元結(jié)構(gòu)，河道由厚度較大和相對較粗的中砂巖、細(xì)砂巖或粉砂巖組成，發(fā)育交錯層理，在測井響應(yīng)上表現(xiàn)為伽馬值低且曲線平直，呈箱型，密度曲線顯示密度大且波動較小，表明砂巖總體比較純；河漫灘沉積都具有相當(dāng)?shù)暮穸龋曰疑蛏罨疑鄮r或碳質(zhì)泥巖為主，發(fā)育水平層理或煤線，河漫灘沉積與河道沉積在測井響應(yīng)上具有明顯的差別，由于河漫灘沉積總體以泥巖或者碳質(zhì)泥巖等細(xì)粒沉積為主，因此伽馬值更高，密度明顯偏低，且波動大。沼澤相煤層常位于河漫灘相沉積層之上，測井響應(yīng)上以“低密度、低伽馬、高電阻率”為特征。曲河流沉積相（Y64 井）如圖3。

2）湖泊相。以Y65 井為例，總體以細(xì)粒的泥巖、頁巖和碳質(zhì)泥巖沉積為主，相對粗粒的粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖厚度較薄，Y65 井主要由下部單元淺湖亞相和上部單元深湖亞相組成正旋回結(jié)構(gòu)。淺湖沉積以灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖為主；深湖沉積以深灰色泥巖、碳質(zhì)泥巖和頁巖特征。測井特征為：淺湖相沉積表現(xiàn)為低伽馬，高密度的特征；而深湖相沉積則與之相反，表現(xiàn)為相對更高的伽馬值與更低的密度值，由于巖性變化頻繁、單層厚度薄形成測井曲線鋸齒狀波動頻繁的總體面貌。湖泊相沉積（Y65 井）如圖4。

圖3 曲河流沉積相（Y64 井）Fig.3 Meandering river sedimentary facies (hole Y64)

3）潮坪相和潟湖相。以Y50 井為例，包含潮坪相和潟湖相，并呈現(xiàn)潮坪相與潟湖相交替發(fā)育的特征。潮坪相由下部單元潮間帶亞相與上部單元潮上帶亞相組成，潮間帶亞相發(fā)育細(xì)砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r主要標(biāo)志，潮上帶亞相主要發(fā)育粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、碳質(zhì)泥巖為特征。潟湖為細(xì)粒沉積，包括泥巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和煤線，巖性與湖泊相相似，但是垂向上相鄰層序為潮坪相和碳酸鹽臺地相均含海相組分。測井響應(yīng)上，潟湖相沉積由于主要以細(xì)粒沉積為主，其伽馬值比潮坪相地層更高。當(dāng)巖性頻繁變化時，伽馬曲線呈鋸齒狀擺動。而由于本井的潮坪沉積主要以致密的砂巖、粉砂巖為主，因此，密度測井上表現(xiàn)為潮坪相密度更高，曲線平直；而潟湖相沉積密度相對更低，且變化更大。煤層則呈現(xiàn)出“低伽馬、低密度、高電阻率”的測井響應(yīng)特征。潮坪相和潟湖相沉積（Y50 井）如圖5。

圖4 湖泊相沉積（Y65 井）Fig.4 Lake sedimentary facies (hole Y65)

3.2 沉積環(huán)境演化

3.2.1 筠連地區(qū)晚二疊世沉積環(huán)境演化

以筠連地區(qū)Y1 井為例，對鉆遇的上二疊統(tǒng)地層進(jìn)行觀察。四川筠連地區(qū)及鄰區(qū)晚二疊世沉積環(huán)境與煤層分布關(guān)系如圖6。

共識別出2 類沉積相組合。下段的下部為曲流河相，發(fā)育河道、河漫灘2 個亞相，不含煤，二元結(jié)構(gòu)和旋回性明顯。河道沉積為灰色、相對粗粒的細(xì)砂巖和粉砂巖；河漫灘沉積為灰色、灰黑色泥巖和粉砂質(zhì)泥巖。該段地層總體以相對粗粒的河道微相沉積為主。

下段的上部演變?yōu)榍骱?沼澤相，發(fā)育河道、河漫灘和沼澤微相，區(qū)內(nèi)主力煤層C7+C8 煤分布在該段的上部。該段地層河漫灘發(fā)育，巖性主體以細(xì)粒的灰色、灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖為主；河道微相發(fā)育較少，巖性以灰色細(xì)砂巖為主。沼澤微相以煤層分布為特征，發(fā)育在河漫灘微相之上，是河漫灘沼澤化后的產(chǎn)物。

上段同樣為曲流河-沼澤相，發(fā)育河道、河漫灘和沼澤微相，巖性和巖相組合與第三次層序類似。地層總體以河漫灘沉積為主，沼澤微相中沉積了區(qū)內(nèi)主要煤層C2+C3 煤。

圖5 潮坪相和潟湖相沉積（Y50 井）Fig.5 Tidal flat and lagoon sedimentary facies (hole Y50)

綜上，Y1 井在晚二疊世早期為曲流河沉積環(huán)境，無煤層沉積；隨著時間的演化，轉(zhuǎn)變?yōu)榍骱?沼澤沉積環(huán)境，并持續(xù)到了晚二疊世的末期，在曲流河-沼澤相中沉積了主力煤層C7+C8 煤、主要煤層C2+C3 煤層以及少量煤線。

3.2.2 鄰區(qū)沉積環(huán)境與沉積體系

四川筠連地區(qū)屬于川南煤田，地理位置與滇東北煤田、黔西北煤田相鄰，同屬于上二疊統(tǒng)含煤盆地，蘊(yùn)藏著豐富的煤炭和煤層氣資源。在筠連地區(qū)，煤層氣開發(fā)獲得了產(chǎn)量突破，為我國南方唯一的煤層氣生產(chǎn)基地，開發(fā)的主力層系為樂平組下段的C7+C8 煤層以及樂平組上段的C2+C3 煤層[20]。

結(jié)合鉆孔巖心觀察、野外露頭觀測以及實測剖面的綜合分析發(fā)現(xiàn)：四川敘永地區(qū)整個樂平組發(fā)育2 類沉積相組合，下段為潮坪-潟湖-沼澤相，呈現(xiàn)出潮坪-潟湖到潮坪-潟湖-沼澤的演化趨勢；上段為碳酸鹽臺地相，以厚層、巨厚層的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為特征，縱向上體現(xiàn)為海陸過渡相+淺海相組合。敘永小區(qū)往西到雄赫東區(qū)、洛旺-馬河地區(qū)，沉積環(huán)境發(fā)生了明顯的變化，樂平組下段自下而上發(fā)育河流-湖泊相和河流-湖泊-沼澤相，并呈現(xiàn)出河流-湖泊向河流-湖泊-沼澤演化的趨勢；而樂平組上段則演化為潮坪-潟湖-沼澤相，總體體現(xiàn)為陸相+海陸過渡相特征。橫向上已經(jīng)可以明顯看到大致由東向西的海水入侵作用，樂平組上下2 段沉積環(huán)境都與東部敘永地區(qū)相差別。而筠連及以西的小草壩地區(qū)，整個樂平組均表現(xiàn)為陸相沉積，發(fā)育2 類沉積相組合，分別為河流-湖泊相和河流-湖泊-沼澤相，并呈由河流-湖泊向河流-湖泊-沼澤演化趨勢（圖6）。

圖6 四川筠連地區(qū)及鄰區(qū)晚二疊世沉積環(huán)境與煤層分布關(guān)系圖Fig.6 Map showing the sedimentary facies and coal measures distribution in Junlian and adjacent areas

4 沉積環(huán)境與有利層位

綜上，筠連及鄰區(qū)晚二疊世樂平組煤的沉積環(huán)境主要可分為2 大類：一類為河流-湖泊-沼澤相，另一類為潮坪-潟湖-沼澤相。對于C7+C8 煤層而言，潮坪-潟湖-沼澤相的煤主要分布在四川敘永及其以東的地區(qū)，筠連及其以西的地區(qū)成煤環(huán)境演化為河流-湖泊-沼澤相。

通過對比不同沉積環(huán)境的煤層特征發(fā)現(xiàn)：不同沉積環(huán)境下煤的規(guī)模、厚度、穩(wěn)定性和煤質(zhì)等各不相同，導(dǎo)致其具備不同的生烴潛力、保存條件，進(jìn)而影響煤層氣的開發(fā)潛力。筠連及鄰區(qū)河流-沼澤相帶的煤層厚度最大、穩(wěn)定性和煤質(zhì)最好，同時，由于煤層之上多為厚層的河漫灘細(xì)粒沉積，具備良好的保存條件，含氣量也相對更高；而潮坪-潟湖-沼澤相帶的煤層普遍規(guī)模更小、厚度更薄、橫向分布更不穩(wěn)定，煤質(zhì)相對也更差，生氣潛力和吸附能力差于河湖-沼澤沉積體系的煤。因此，有利的沉積相帶應(yīng)為河湖-沼澤沉積體系。同時也發(fā)現(xiàn)：小草壩地區(qū)煤層雖然也為河湖-沼澤相，但由于靠近西部物源區(qū)，成煤條件差，形成厚度薄、橫向變化大的不穩(wěn)定煤層。

通過對研究區(qū)及鄰區(qū)煤層的詳細(xì)對比，以筠連地區(qū)為參考標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一進(jìn)行煤層編號得出：數(shù)十層煤中，按照煤層發(fā)育的規(guī)模、厚度、穩(wěn)定性等條件可明顯分為3 個檔次。筠連的C7+C8 煤層（對應(yīng)于黔西的M16 和M18 煤層以及滇東北的C5+C6 煤層組）規(guī)模最大、厚度最厚、最為穩(wěn)定，應(yīng)為研究區(qū)及鄰區(qū)的主力煤層，產(chǎn)氣潛力最好。其次為樂平組上段的C2+C3+C4 煤層，為次一級有利層段。樂平組下段的潮坪-潟湖-沼澤相C9+C10+C11 煤層相對最差（圖6），根據(jù)晚二疊世沉積環(huán)境特征，C9+C10+C11 煤層組更有利的地區(qū)位于研究區(qū)更靠東的區(qū)域。

5 結(jié) 論

1）研究區(qū)晚二疊世樂平組自下而上，年代地層限于上二疊統(tǒng)吳家坪階和長興階；巖石地層采用樂平組，劃分為下段和上段。

2）研究區(qū)由西到東處于近海平原相區(qū)與海岸相區(qū)，近海平原相區(qū)屬于河湖-沼澤沉積體系，并呈現(xiàn)出從河流-湖泊→河流-湖泊-沼澤的演化趨勢；海岸相區(qū)為碳酸鹽巖與碎屑巖混源障壁海岸沉積體系（包括：潮坪相、潟湖相、沼澤相），并呈現(xiàn)出從潮坪-潟湖→潮坪-潟湖-沼澤的演化趨勢?？傮w呈現(xiàn)出由東向西的海侵過程。

3）煤層是河流、湖泊沼澤化和潮坪、潟湖沼澤化的產(chǎn)物，有利的沉積相帶為距離康滇古陸一定距離的河湖-沼澤相。

4）川南的C7+C8 煤層組對應(yīng)于黔西的M16 和M18 煤層組以及滇東北地區(qū)的C5+C6 煤層組，位于樂平組下段的頂部，其為研究區(qū)穩(wěn)定分布、最具煤層氣勘探潛力的主力煤層，應(yīng)為煤層氣勘探的最重要的有利層位。