四川盆地東北部茅口組巖溶儲層控制因素

曹 華 陳延貴 陳 聰 高兆龍 山述嬌 李天軍 胡羅嘉 謝靜平

中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

巖溶儲層是四川盆地海相碳酸鹽巖儲層中一種重要類型。中二疊統(tǒng)茅口組作為四川盆地勘探層系之一，其巖性主要為石灰?guī)r，由于物性差，孔隙度普遍低于2%，滲透率小于 0.08 mD[1]，難以作為有效儲層，因此沉積后的巖溶改造對于儲層的形成具有重要作用。由于巖溶儲層的形成受沉積、成巖、構(gòu)造、古地貌與古水文條件等諸多因素的控制，其分布表現(xiàn)為較強(qiáng)的非均質(zhì)性，導(dǎo)致古巖溶儲層分布預(yù)測極其困難[2]。針對四川盆地茅口組巖溶儲層，前人做過大量的研究：肖笛等認(rèn)為茅口組巖溶受沉沉積相及古地貌控制作用明顯，高能顆粒灘巖溶作用明顯，巖溶臺地與巖溶斜坡是巖溶作用發(fā)育的有利部位[2]；江青春對四川盆地茅口組巖溶古地貌進(jìn)行了刻畫，認(rèn)為巖溶高地與巖溶斜坡是巖溶儲層發(fā)育較好[3]；汪澤成提出侵蝕微古地貌及后期走滑斷裂改造控制了該區(qū)大型縫洞體的分布，顆粒灘—風(fēng)化殼巖溶—走滑斷裂“三位一體”控制了天然氣富集高產(chǎn)的有利區(qū)帶[4]。由于四川盆地東北部茅口組巖溶儲層分布非均質(zhì)性強(qiáng)，已發(fā)現(xiàn)氣藏儲量規(guī)模小，具有“一井一藏”的特點(diǎn)，長期以來，由于對其儲層發(fā)育控制因素認(rèn)識不清，從而制約了該區(qū)茅口組的勘探。本文通過對研究區(qū)構(gòu)造背景、火山活動、古地貌及古氣候進(jìn)行綜合研究，結(jié)合單井巖溶儲層發(fā)育情況，分析了巖溶儲層控制因素，認(rèn)為四川盆地東北部茅口組巖溶儲層發(fā)育情況具有特殊性，有別于盆地其他區(qū)域。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地東北部高陡構(gòu)造帶（圖1），以發(fā)育隔擋式褶皺和逆沖斷層為特征。二疊紀(jì)前的云南運(yùn)動期間，四川盆地形成了由不同地層組成的準(zhǔn)平原化古地貌，在此基礎(chǔ)上廣泛海侵沉積了中二疊統(tǒng)開闊臺地相碳酸鹽巖沉積，分別超覆于石炭系、泥盆系、志留系或更老地層之上[5]。中二疊統(tǒng)自下而上包含梁山組、棲霞組和茅口組。茅口組可劃分為4個(gè)巖性段（圖1）：茅一段為黑灰色泥質(zhì)生屑灰?guī)r與含泥質(zhì)的泥晶綠藻屑灰?guī)r，沉積水體較深，有機(jī)質(zhì)較發(fā)育，具眼球眼皮構(gòu)造；茅二段為灰褐色泥晶生屑灰?guī)r、蟲藻灰?guī)r夾亮晶生屑、紅藻灰?guī)r；茅三段為淺灰、灰白色亮晶灰?guī)r、亮晶紅藻灰?guī)r與泥晶生屑灰?guī)r互層；茅四段受剝蝕作用影響大多保存不全，研究區(qū)僅東南部邊緣殘余部分茅四段，主要為深灰—黑灰色含生屑泥晶灰?guī)r、泥晶綠藻灰?guī)r和泥晶蟲屑灰?guī)r。

茅口組之上為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M沉積，與茅口組呈不整合接觸，主要為開闊臺地、海灣瀉湖和盆地相沉積，濱海沼澤相含煤沉積不甚發(fā)育[6]，龍?zhí)督M下部和上部多為黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖，夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、薄煤層和泥質(zhì)灰?guī)r；中部多為灰色、深灰色薄—中層狀生屑泥晶灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r、中—厚層塊狀泥晶生屑砂屑灰?guī)r，部分地區(qū)則以海相泥巖為主，夾有少量碳酸鹽巖；底部發(fā)育風(fēng)化殼鋁土質(zhì)泥巖沉積。研究區(qū)龍?zhí)督M下部發(fā)育火山巖建造，巖性為玄武巖及凝灰?guī)r。

2 孤峰組的發(fā)現(xiàn)及其對巖溶作用的影響

孤峰組是廣泛分布于華南地塊的巖石地層單元，為茅口組同期異相的產(chǎn)物，其巖性主要為深灰、灰黑色薄層硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖、泥巖組成的韻律層；具水平層理，有星散狀黃鐵礦顆粒，錳、磷、有機(jī)碳含量高；所含化石主要為硅質(zhì)放射蟲、海綿骨針，另有菊石、牙形刺、小型薄殼腕足類等[7]。

2.1 孤峰組的識別標(biāo)志

長期以來，四川盆地東北部茅口組由于較盆地其他區(qū)域厚度薄，基于鉆井地層對比，被認(rèn)為是受剝蝕作用影響，自南向北依次缺失茅二b至茅二c亞段以上地層。通過野外地質(zhì)觀測及巖石薄片鑒定，自然伽馬能譜測井資料分析，在原認(rèn)為的上覆龍?zhí)督M底部識別出一套孤峰組深水相沉積，厚度介于5～20 m。孤峰組巖性自北向南依次為硅質(zhì)巖、頁巖及灰質(zhì)頁巖，顏色由黑色過渡為灰黑色。在研究區(qū)北部重慶開州雙河口野外剖面上（剖面位置見圖1），孤峰組為一套黑色薄層狀硅質(zhì)巖，單層厚度3～8 cm不等，質(zhì)地堅(jiān)硬；鏡下見大量放射蟲（圖2），反映沉積水體較深、能量弱。其下伏為茅口組中層狀灰—深灰色灰?guī)r沉積，上覆龍?zhí)督M底部發(fā)育一套灰白色鋁土質(zhì)泥巖，巖性對比特征清楚。

圖1 四川盆地構(gòu)造分區(qū)及研究區(qū)地層柱狀圖

在研究區(qū)中部鉆井巖屑及巖心資料中，孤峰組為黑色頁巖及灰黑色灰質(zhì)頁巖，與下伏茅口組灰色、淺灰色灰?guī)r差異明顯，而上覆龍?zhí)督M巖屑下部為灰色、淺灰色泥巖，底部發(fā)育風(fēng)化殼灰白色鋁土質(zhì)泥巖。孤峰組鉆井巖心、巖屑薄片中可見薄殼腕足、硅質(zhì)海綿骨針及放射蟲等生物（圖2），與研究區(qū)北部野外露頭孤峰組具有可對比性，指示一個(gè)深水的沉積環(huán)境。

圖2 研究區(qū)孤峰組照片

自然伽馬能譜測井在地層劃分及沉積環(huán)境研究方面具有重要作用。鈾的富集機(jī)理主要是有機(jī)物質(zhì)在成巖過程中對鈾的還原作用和吸附作用[8]，沉積巖中鈾遷移富集是U4+與[UO2]2+之間的相互轉(zhuǎn)化引起的，即：氧化環(huán)境下，U4+氧化成[UO2]2+而溶解于地層水，發(fā)生遷移；還原環(huán)境下，[UO2]2+還原成U4+而沉淀富集。因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)是沉積巖中最普遍的還原劑和吸附劑,它是調(diào)節(jié)沉積巖中U4+與[UO2]2+之間轉(zhuǎn)化的主要因素，即也就是制約沉積巖中鈾遷移-富集的主要因素[9]。

孤峰組頁巖及硅質(zhì)頁巖富含有機(jī)質(zhì)，雙河口剖面孤峰組有機(jī)碳含量2.74%～23.68%，平均10.87%，具有很強(qiáng)的還原和吸附作用，使得高價(jià)鈾還原為低價(jià)鈾而沉淀，因此孤峰組具有富鈾的特征。上覆龍?zhí)督M泥頁巖及含粉砂質(zhì)泥巖，為海陸過渡相沉積，富含風(fēng)化穩(wěn)定性強(qiáng)的釷元素，難溶于水，釷元素含量較高。因此在自然伽馬能譜測井上，孤峰組具有高U、低Th測井響應(yīng)特征。上覆龍?zhí)督M泥頁巖及粉砂質(zhì)泥巖，具有低U、高Th測井響應(yīng)特征（圖 3）。

圖3 LH2井孤峰組測井響應(yīng)特征圖

2.2 茅口晚期沉積演化

通過研究區(qū)連井地層對比分析認(rèn)為，孤峰組為茅口組晚期同期異相沉積，其沉積具有明顯的穿時(shí)性，發(fā)育時(shí)間北早南晚（圖4，剖面位置見圖1）。茅二c晚期，盆地東北部首先遭受海侵，開始發(fā)育深水相孤峰組沉積，隨后海侵范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，孤峰組沉積范圍也隨之增大，至茅二a初期，海侵的范圍達(dá)到最大，自北向南水體由深到淺，依次沉積了一套硅質(zhì)巖、頁巖至灰質(zhì)頁巖地層，南部則為正常淺海，繼續(xù)發(fā)育碳酸鹽巖沉積，隨后，相對海平面下降，深水相孤峰組的沉積范圍逐漸向北萎縮，取而代之的是茅口組石灰?guī)r沉積。

圖4 研究區(qū)茅口期地層對比剖面圖

2.3 孤峰組對巖溶作用的影響

茅口末期，受東吳運(yùn)動的影響，四川盆地整體抬升，使得先期沉積地層遭受不同程度的溶蝕，自南向北溶蝕程度逐漸增加，研究區(qū)東南部殘余部分茅四段，南部殘余茅三段，向北溶蝕程度增加，被溶蝕至孤峰組。由于孤峰組泥質(zhì)巖和硅質(zhì)巖具有難溶的特點(diǎn)，在東吳運(yùn)動期間得以保存，使得表生巖溶階段孤峰組發(fā)育區(qū)茅口組被孤峰組覆蓋而未出露地表（圖5）。孤峰組巖性致密，滲透性差，對大氣水下滲到茅口組產(chǎn)生巖溶起到了封隔作用，因此研究區(qū)巖溶作用具有其特殊性。

圖5 研究區(qū)龍?zhí)督M沉積前古地質(zhì)圖

3 巖溶儲層控制因素

碳酸鹽巖古巖溶與油氣關(guān)系密切，其巖溶縫洞系統(tǒng)是油氣富集的重要場所。研究區(qū)茅口組儲層主要是受巖溶作用控制的縫洞體，巖心中可見殘余巖溶縫洞，部分溶洞被滲流粉砂、巖溶角礫及上覆龍?zhí)督M碳質(zhì)泥巖充填，是風(fēng)化殼暴露巖溶的最直接證據(jù)。此外，鉆井過程中如鉆遇縫洞，則會出現(xiàn)井漏、放空等現(xiàn)象，是識別表生巖溶作用的重要標(biāo)志。研究區(qū)茅口組鉆井過程中放空、井漏等現(xiàn)象比較常見，具有典型巖溶型儲層特征。茅口組約有32口井顯示井漏，有3口井出現(xiàn)鉆具放空現(xiàn)象。從井漏、放空顯示的層位上看來，絕大多數(shù)位于茅口組頂部100 m深度內(nèi)。

碳酸鹽巖的內(nèi)在因素（結(jié)構(gòu)成因類型、物理力學(xué)性質(zhì)等）以及各地質(zhì)歷史時(shí)期所處的地質(zhì)環(huán)境構(gòu)成古巖溶的形成條件與影響控制因素[10]。在對研究區(qū)構(gòu)造背景、火山活動、古地貌、古氣候綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖心觀察及地震資料解釋，認(rèn)為茅口組巖溶縫洞系統(tǒng)發(fā)育受到東吳運(yùn)動、火山活動、古地貌單元、古氣候等因素的共同控制。

3.1 東吳運(yùn)動

二疊紀(jì)東吳運(yùn)動是華南非常重要的構(gòu)造事件之一。在揚(yáng)子板塊，東吳運(yùn)動主要發(fā)生在中、晚二疊世之間，茅口末期峨眉山地幔柱上升引起的地殼抬升、峨眉山玄武巖的噴發(fā)和東吳運(yùn)動這三者之間存在成因聯(lián)系，東吳運(yùn)動由地幔柱活動引起，表現(xiàn)為地殼的大規(guī)模抬升和大火成巖省的形成[11-12]。

碳酸鹽巖中溶蝕孔洞的發(fā)育往往與區(qū)域不整合有關(guān)，是直接或間接地暴露在大氣水滲流或潛流狀態(tài)下大氣水作用的結(jié)果。要形成長時(shí)間的巖溶作用，局部的構(gòu)造隆升則是必不可少的條件[13]。研究區(qū)中二疊統(tǒng)沉積后，受東吳運(yùn)動影響，茅口組被抬升到地表，經(jīng)歷了漫長的沉積間斷，期間遭受了長期的風(fēng)化剝蝕和大氣水淋濾溶蝕作用，一方面在茅口組內(nèi)部形成了大量的孔洞空間，另一方面在茅口組頂部形成了地表巖溶地貌。通過研究茅口組在東吳運(yùn)動中所處的環(huán)境以及經(jīng)歷的過程，基本可以確定東吳運(yùn)動是茅口組古巖溶形成的必要因素。

3.2 火山活動中形成的斷裂系統(tǒng)

四川盆地晚二疊世早期火山活動活躍，火山巖在盆地內(nèi)大面積分布。川西成都地區(qū)以及川東華鎣山地區(qū)火山巖地球化學(xué)特征表明該套火山巖屬于峨眉山大火成巖省的一部分[13-15]。峨眉山玄武巖廣泛分布于我國云貴川三省，其面積約50×104km2，是我國唯一被國際學(xué)術(shù)界認(rèn)可的大火成巖省。其巖性以基性玄武巖為主，主噴發(fā)期是陽新世（中二疊世）茅口晚期至樂平世（晚二疊世）宣威早期[16]，噴發(fā)時(shí)限大致為距今259～257 Ma。關(guān)于其成因機(jī)制，諸多學(xué)者分別從地球化學(xué)、地球動力學(xué)背景、古地磁、沉積響應(yīng)等方面開展了研究，目前比較公認(rèn)的觀點(diǎn)是地幔熱柱成因[16-19]。

鉆井資料揭示四川盆地東北部在晚二疊世存在火山活動，多口井的巖屑中見到玄武巖及凝灰?guī)r。研究區(qū)火山巖分布面積較廣（圖6），其中玄武巖分布面積約2 700 km2,火山活動中心玄武巖最厚可達(dá)52 m。巖漿上涌過程中，地殼處于拉張狀態(tài)，容易形成一些張裂縫和斷層，構(gòu)成拉張斷裂系統(tǒng)，在研究區(qū)火山巖發(fā)育區(qū)檀木場三維和龍會場三維等地震剖面上，均見到了這些拉張性斷層（圖7）。這些斷裂系統(tǒng)可以為大氣水穿過孤峰組遮擋層下滲到茅口組起到良好的通道作用，富含二氧化碳的大氣水沿著這些斷裂通道對茅口組灰?guī)r進(jìn)行垂向和側(cè)向溶蝕，形成大量的溶蝕縫洞。研究區(qū)WT1井錄井見方解石巖屑集中發(fā)育層段（圖8），說明溶蝕縫洞發(fā)育，為方解石生長提供了良好空間，測試獲得82.18×104m3/d高產(chǎn)氣流，地震上可見該井附近發(fā)育拉張性正斷層（圖7），該井附近鄰井在地震上顯示無斷裂發(fā)育，測井未見儲層響應(yīng)，表明巖溶作用與拉張性斷層關(guān)系密切。由于孤峰組硅質(zhì)—泥質(zhì)巖對茅口組巖溶的遮擋作用，因此研究區(qū)火山活動形成的拉張斷裂系統(tǒng)是茅口組縫洞系統(tǒng)形成的主控因素。

圖6 川東北龍?zhí)督M玄武巖分布圖

圖7 研究區(qū)張性斷裂特征圖

圖8 WT1井茅口組巖溶縫洞中充填的方解石晶體照片

3.3 古地貌

古巖溶地貌是巖溶作用與各類地質(zhì)作用綜合作用的結(jié)果，通常情況下，古地貌在控制碳酸鹽巖次生儲集空間的形成和展布方面起著決定性作用[20]。研究區(qū)由于孤峰組難溶性巖層的存在，使得孤峰組覆蓋區(qū)古地貌非常平緩，古地貌對巖溶儲層影響微弱，古地貌的影響主要在研究區(qū)南部孤峰組覆蓋區(qū)以外。

3.4 古氣候

古氣候?qū)艓r溶的發(fā)育起著非常重要的作用?，F(xiàn)代巖溶地貌多發(fā)育在熱帶-亞熱帶降雨量大、植被發(fā)育的地區(qū)，例如我國著名的廣西桂林山水巖溶景觀，即位于亞熱帶地區(qū)。按照“將今論古”的原則，這樣的氣候條件也應(yīng)有利于古巖溶的發(fā)育。

古地磁資料研究表明二疊紀(jì)四川盆地處于赤道附近[21]，晚二疊世早期揚(yáng)子板塊龍?zhí)督M泥炭沼澤相的出現(xiàn)說明當(dāng)時(shí)的氣候?qū)儆谘谉岢睗裥?，降雨充沛，為巖溶儲層發(fā)育提供了充足的外部營力。東吳運(yùn)動時(shí)期，研究區(qū)茅口組較長時(shí)間暴露于雨量充足的地表水酸性環(huán)境中，富含CO2的地表水進(jìn)入碳酸鹽巖地層中，易于形成一定規(guī)模的表生巖溶。

4 結(jié)論

1）四川盆地東北部地區(qū)中二疊世晚期發(fā)育孤峰組深水沉積，與茅口組同期異相，孤峰組沉積具有穿時(shí)性，發(fā)育時(shí)間北早南晚，巖性為黑色頁巖、硅質(zhì)頁巖及硅質(zhì)巖，滲透性和可溶性差，對產(chǎn)生巖溶作用的大氣水下滲起到了封隔作用。

2）茅口組巖溶縫洞系統(tǒng)主要受東吳運(yùn)動、火山活動、古地貌、古氣候綜合影響。其中，東吳運(yùn)動使茅口組灰?guī)r抬升暴露地表，經(jīng)歷了大氣水影響的表生巖溶作用階段，是茅口組古巖溶儲層形成的必要因素。

3）火山活動形成拉張斷裂系統(tǒng)，為大氣水通過孤峰組硅質(zhì)—泥質(zhì)巖下滲而產(chǎn)生溶蝕作用提供了通道，是茅口組巖溶儲層形成的主控因素；孤峰組覆蓋區(qū)，古地貌起伏很小，古地貌對巖溶儲層發(fā)育影響微弱；炎熱潮濕的古氣候?yàn)閹r溶儲層發(fā)育提供了充足的外部營力。