四川盆地下寒武統(tǒng)膏鹽巖發(fā)育特征與封蓋有效性分析*

林良彪 郝強(qiáng) 余瑜 淡永 彭勇民

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成都理工大學(xué)，成都 610059

2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059

3.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，桂林 541004

4.中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上45%的天然氣和11%的石油與含鹽盆地有關(guān)，特別是與鹽丘構(gòu)造有關(guān)，如墨西哥灣、波斯灣、北海等。含鹽盆地與油氣藏的關(guān)系如此密切，促使把膏鹽巖層作為成藏主控因素之一進(jìn)行分析，并被大多數(shù)學(xué)者認(rèn)同(康玉柱，2007;金之鈞和蔡立國，2006)。膏鹽巖在我國三大含油氣盆地內(nèi)廣泛分布，例如四川盆地寒武系、中下三疊統(tǒng)的膏鹽巖蓋層廣泛分布(宋巖和柳少波，2008;冉隆輝等，2008;張水昌等，2007;馮增昭等，2006)，塔里木盆地寒武系、石炭系巴楚組、下第三系(厚度可達(dá)100～1000m)膏鹽巖與鹽構(gòu)造非常發(fā)育(萬桂梅等，2008;賈承造等，2003);鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組五段硬石膏泥質(zhì)巖、含膏泥白云巖封蓋層發(fā)育于氣層之間，形成了鹽間儲層(戴金星等，2007;何自新等，2005)。這些充分說明膏鹽巖在含油氣盆地成藏起到了舉足輕重的作用，并引起了石油地質(zhì)學(xué)家們的重視，多年研究表明，膏鹽巖對成藏有以下幾大貢獻(xiàn):首先，膏鹽層為非常優(yōu)質(zhì)的蓋層，其形成環(huán)境利于有機(jī)質(zhì)和烴類保存;此外，膏鹽層保持了下伏儲層較高的孔隙度并形成次生孔隙;而且膏鹽層有利于形成異常壓力并封蓋油氣(Halbouty，2003;Edgell，1996;Aali et al.，2006);最后膏鹽巖層具有好的塑性、低的抗壓抗剪力學(xué)性質(zhì)、易流動的特征，導(dǎo)致產(chǎn)生復(fù)雜的鹽構(gòu)造和良好的油氣圈閉(Jackson，1995)。

寒武系是世界上最重要的蒸發(fā)巖沉積層位之一，四川盆地在早中寒武世也有廣泛的膏鹽巖分布，盡管20世紀(jì)60年代在威遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)了鹽下燈影組氣田，然而對膏鹽巖本身及與油氣關(guān)系卻有意無意地被忽略了。此外，多年的中國南方油氣勘探實(shí)踐表明，保存條件是中國南方海相油氣成藏的關(guān)鍵要素，然而作為優(yōu)質(zhì)蓋層的寒武系膏鹽巖的分布狀況、封蓋性能及其對寒武系之下地層的成藏影響等認(rèn)識程度明顯偏低。近年來，川中下寒武統(tǒng)龍王廟組氣田取得突破，黔中隆起、渝東鄂西地區(qū)寒武系鹽下大量的油氣顯示，均表明寒武系鹽下具有較大的勘探潛力。因此有必要深入開展四川盆地寒武系膏鹽巖時空分布規(guī)律、連續(xù)性分析及膏鹽巖封蓋有效性研究(中寒武統(tǒng)膏鹽巖特征見林良彪等，2012)，為四川盆地乃至整個中國南方的油氣勘探打開新的局面。

表1 四川盆地下寒武統(tǒng)膏鹽巖統(tǒng)計(jì)表Table 1 Thickness tables of Lower Cambrian gypsum rock in Sichuan Basin

1 地質(zhì)背景

四川盆地位于揚(yáng)子板塊西北部，寒武紀(jì)整體處于加里東構(gòu)造旋回早期，是穩(wěn)定的上揚(yáng)子克拉通盆地的一部分。在經(jīng)歷震旦紀(jì)末期的桐灣運(yùn)動之后，四川盆地部分地區(qū)燈影組被抬升暴露，形成了良好的巖溶儲層;早寒武世早期(梅樹村期、筇竹寺期)四川盆地經(jīng)歷了大范圍海侵，伴有上升洋流和營養(yǎng)的生物鏈，并沉積了大套深水陸棚的黑色頁巖、炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖、粉砂巖和磷質(zhì)巖等;早寒武世中期(滄浪鋪期)海水下降，四川盆地由西向東由濱岸相碎屑巖→緩坡相頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r→陸棚相的泥巖、粉砂巖夾泥灰?guī)r。川中地區(qū)的滄浪鋪期由紫紅、灰綠色泥巖、粉砂巖、砂巖組成，說明當(dāng)時環(huán)境處于干旱、炎熱的古氣候環(huán)境，并一直持續(xù)到早寒武世晚期(龍王廟期)。同時，由于構(gòu)造原因在四川盆地局部地區(qū)形成沉降中心(曾良鍨等，1992)，這些因素都為巨厚膏鹽巖在四川盆地早寒武世龍王廟期連續(xù)沉積創(chuàng)造了條件。

2 膏鹽巖發(fā)育特征

2.1 分布特征

對于四川盆地寒武系膏鹽巖的分布，前人曾編制了相關(guān)圖件(曾良鍨等，1992;林耀庭，2009;金之均等，2006;張瑛等，1992;劉群和馬麗芳，1994)，但是他們無一例外的都是把中下寒武統(tǒng)作為整體編圖，未把不同沉積背景下的膏鹽巖區(qū)分編圖，其次對于野外膏溶角礫巖的識別上，過去并未得到應(yīng)有的重視。本文在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合寒武系最新鉆井中識別的膏鹽巖和野外剖面中重新認(rèn)識的膏溶角礫巖，對四川盆地24口深井及4條實(shí)測剖面的膏鹽巖的統(tǒng)計(jì)(表1)，編制了下寒武統(tǒng)膏鹽巖的分布等值線圖(圖1)。

圖1 四川盆地下寒武統(tǒng)膏鹽巖厚度等值線圖Fig．1 The thickness contour map of Lower Cambrian gypsum rock in Sichuan Basin

圖2 四川盆地下寒武統(tǒng)膏鹽巖巖性分區(qū)圖Fig．2 Lithology zonation of Lower Cambrian gypsum rock in Sichuan Basin

下寒武統(tǒng)膏鹽巖的分布主要集中在兩個區(qū)域，即川南聚鹽區(qū)和鄂西聚鹽區(qū)(圖1)。在川南地區(qū)，眾多鉆井的下寒武統(tǒng)剖面上顯示存在膏鹽巖。此外，在川西南的樂山范店及雷波的抓抓巖實(shí)測剖面上，還見有含膏層和膏溶角礫巖，這些充分表明在川南地區(qū)下寒武統(tǒng)應(yīng)有大片的膏鹽巖分布。川南聚鹽區(qū)主要分布在赤水-臨7井-重慶地區(qū)，呈近南北向展布。其北界達(dá)威遠(yuǎn)-合川-大竹附近，西界為峨眉-雷波抓抓巖附近，南界已入黔北畢節(jié)一帶，東界在桐梓-萬盛場一線(圖1)，南北跨度約420km，東西長約450km，為四川盆地早寒武世最大聚鹽區(qū)。川南聚鹽區(qū)聚鹽中心位于臨7井附近，聚鹽中心膏鹽巖厚度為690.40m。鄂西聚鹽區(qū)分布在恩施-酉陽地區(qū)，由于在本區(qū)下寒武統(tǒng)僅在李2井中見有膏鹽巖，所以推測此聚鹽區(qū)范圍較小，南北長度不足100km，東西約為50km。膏鹽巖厚度最大的53m(圖1)。

2.2 膏鹽巖巖性組合與分區(qū)

依據(jù)林良彪等人對膏鹽巖巖性劃分方案(林良彪等，2012)，經(jīng)鑒定統(tǒng)計(jì)下寒武統(tǒng)含膏段巖性主要有純石膏巖、白云質(zhì)石膏巖、含白云質(zhì)石膏巖、膏溶角礫巖、泥質(zhì)石膏巖、石膏質(zhì)白云巖、含石膏質(zhì)白云巖、石膏質(zhì)泥巖、含石膏質(zhì)泥巖和石膏質(zhì)砂巖等(表1)。本文按照鹽類礦物組合、基本巖性及礦化巖石類型，將下寒武統(tǒng)膏鹽巖分為三大組合:含泥含云石膏巖類、含膏白云巖類及含膏砂泥巖類共三大類組合，其中含泥含云石膏巖類包括純石膏巖、白云質(zhì)石膏巖、含白云質(zhì)石膏巖、泥質(zhì)石膏巖、含泥石膏巖及膏溶角礫巖;含膏白云巖類包括石膏質(zhì)白云巖及含石膏質(zhì)白云巖;含膏砂泥巖類包括石膏質(zhì)泥巖、含石膏質(zhì)泥巖及石膏質(zhì)砂巖，各井或剖面膏鹽巖垂向發(fā)育特征如圖2?？梢园l(fā)現(xiàn)鄂西地區(qū)膏鹽巖僅在李2井上有發(fā)育，巖性為石膏質(zhì)白云巖，未見其它類膏鹽巖，因而此地區(qū)膏鹽巖應(yīng)屬于含膏白云巖類區(qū)(圖2)。

在川南膏鹽巖分布區(qū)內(nèi)，威基井、盤1井、宮深1井、窩深1井及老龍1井下寒武統(tǒng)剖面上主要膏鹽巖巖性為含云石膏巖、石膏巖及泥質(zhì)石膏巖并夾有石膏質(zhì)白云巖，其中在老龍1井和宮深1井上還發(fā)育有膏質(zhì)砂泥巖。此外，在抓抓巖剖面見石膏零星分布，范店剖面見膏溶角礫巖。整體上屬于含泥含云石膏巖類，在巖性分區(qū)圖上為白云質(zhì)石膏巖區(qū)(圖2);老龍1井及宮深1井發(fā)育膏質(zhì)砂泥巖，說明二者還屬于含膏砂泥巖類區(qū)(圖2)。而在自深1井、林1井、寧1井、丁山1井、方深1井及座3井下寒武統(tǒng)含膏段剖面上，膏鹽巖的巖性為石膏質(zhì)白云巖、含石膏質(zhì)白云巖為主，夾有白云質(zhì)石膏巖，屬于膏質(zhì)云巖組合，在巖性分區(qū)圖上為含膏白云巖區(qū)。臨7井主要為純石膏巖和泥質(zhì)石膏巖，為含泥含云石膏巖類，在巖性分區(qū)圖上為石膏巖區(qū)。

圖3 四川盆地早寒武世龍王廟期巖相古地理圖(據(jù)馬永生等，2009修改)Fig．3 The lithofacies and paleographic map of Early Cambrian Longwangmiao Period in Sichuan Basin(modified after Ma et al.，2009)

綜上所述，四川盆地下寒武統(tǒng)膏鹽巖在川南聚鹽區(qū)西部主要以含泥含云石膏巖類和含膏砂泥巖類為主，東部主要為含膏白云巖類，分界線在威遠(yuǎn)-宜賓-鹽津一線;而鄂西聚鹽區(qū)主要為含膏白云巖類(圖2)。

2.3 膏鹽巖沉積環(huán)境及成因模式

長期以來，人們把蒸發(fā)巖類看作化學(xué)沉淀物，由于蒸發(fā)巖的易溶性和易受交代變質(zhì)作用的特性，致使多期次改變成分，破壞了蒸發(fā)巖的沉積作用標(biāo)志，從而難以建立沉積相模式。20世紀(jì)80年代后，才將蒸發(fā)巖看作是在特定的沉積環(huán)境、條件和沉積作用中形成的沉積物，是沉積環(huán)境的物質(zhì)表現(xiàn)(張瑛等，1992;劉群和馬麗芳，1994)。本文依據(jù)膏鹽巖分布、膏鹽巖剖面結(jié)構(gòu)及巖性組合分區(qū)特征，結(jié)合馬永生等(2009)編制的早寒武世巖相古地理圖(圖3)分析了早寒武世膏鹽巖沉積環(huán)境，并根據(jù)這些特征建立起膏鹽巖的成因模式。

早寒武世龍王廟期，由于整個上揚(yáng)子地區(qū)并沒有成片臺緣相的礁灘沉積，因此此時四川盆地整體處于碳酸鹽巖緩坡沉積環(huán)境中(馬永生等，2009;洪海濤等，2000)。在淺水緩坡亞相的川南、川東地區(qū)，龍王廟期發(fā)育有較多的孤立緩坡淺灘，這一定程度上阻隔了海水，減緩了水動力。這種水淺低能局限環(huán)境，在干旱、炎熱的古氣候條件下，強(qiáng)烈蒸發(fā)作用使海水不斷濃縮。在垂向上，組成含鹽巖系的巖石，依次由碳酸鹽-硫酸鹽組成韻律結(jié)構(gòu)。在水平方向上，也表現(xiàn)較明顯的分帶性，在靠古陸附近的成都-樂山地區(qū)出現(xiàn)了潮上混合潮坪沉積，往東至犍為-雷波地區(qū)為含云石膏巖、白云質(zhì)石膏巖夾膏質(zhì)白云巖，為一套潮上薩布哈沉積，到東部的永川-重慶-赤水地區(qū)為石膏質(zhì)白云巖、含石膏質(zhì)白云巖、白云巖，為一套半-局限環(huán)境下淺水緩坡蒸發(fā)沉積。而在李2井附近沉積的膏鹽巖很可能為另一個規(guī)模較小的緩坡蒸發(fā)巖沉積(圖3)。

根據(jù)早寒武世沉積特征，我們建立了碳酸鹽緩坡蒸發(fā)巖成因模式圖(圖4)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)膏鹽巖主要發(fā)育在水淺或局限低能的淺水緩坡帶，成因機(jī)制有潮上薩布哈蒸發(fā)和點(diǎn)沙壩(后)半-局限緩坡蒸發(fā)兩類，而靠盆地的深水緩坡則不具發(fā)育膏鹽巖條件。

圖4 四川盆地下寒武統(tǒng)膏鹽巖成因模式Fig．4 The genetic model of Lower Cambrian gypsum rock in Sichuan Basin

3 膏鹽巖封蓋有效性分析

對膏鹽巖封蓋有效性分析主要基于川南聚鹽區(qū)鉆井解剖及典型氣田成藏條件分析，首先，從空間角度分析膏鹽巖封蓋有效性，查明連續(xù)性分布的膏鹽巖與好的儲層成藏條件在空間上相匹配關(guān)系;其次，從后期改造角度分析膏鹽巖封蓋有效性，分析復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動是否改變了膏鹽巖的連續(xù)性;最后建立膏鹽巖封蓋有效性模式。

3.1 膏鹽巖的連通性與儲層匹配關(guān)系

前已論述，川南-黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)膏鹽巖沉積環(huán)境屬于蒸發(fā)瀉湖環(huán)境，發(fā)育有連續(xù)分布的且厚度較大的膏鹽巖(圖2)，為較好的區(qū)域蓋層;此外，在川南-黔北地區(qū)鹽下震旦系燈影組發(fā)育有優(yōu)質(zhì)的白云巖儲層。據(jù)研究，燈影組優(yōu)質(zhì)儲層的形成分布受巖相及桐灣運(yùn)動后巖溶發(fā)育程度的控制，縱向上孔洞層多為透鏡狀，橫向上巖溶孔洞主要發(fā)育在淺灘相區(qū)、碳酸鹽巖古風(fēng)化帶、古隆起頂部及鼻狀突起帶。川南-黔北地區(qū)整體處于有利的潮坪環(huán)境，洪海濤等(2000)對燈影組頂部古巖溶研究也表明川南-黔北地區(qū)整體處于巖溶發(fā)育較強(qiáng)的巖溶斜坡區(qū)，在這樣的地質(zhì)背景下形成了震旦系氣田-威遠(yuǎn)氣田。威遠(yuǎn)氣田燈影組是一套潮坪沉積白云巖，含大量藍(lán)綠藻;儲層總體為低孔低滲，但在燈影組二段發(fā)育有高孔白云巖層段，構(gòu)成了威遠(yuǎn)氣田的優(yōu)質(zhì)儲層。此外，近年來川東南丁山1井、林1井鉆井揭示震旦系燈影組也有油氣顯示，勘探實(shí)踐表明川南-黔北地區(qū)鹽下燈影組廣泛發(fā)育有優(yōu)質(zhì)的白云巖儲層。

圖5 川東南丁山1井-三匯場剖面的膏巖封蓋圖Fig．5 The sealing map of gypsum rock from Well Dingshan1 to Section Shanhuichang in Southeast Sichuan

圖6 川東南-黔北寒武系出露與剝蝕情況Fig．6 The outcropping and erosion conditions of Cambrian in southeastern Sichuan-northern Guizhou

圖7 威遠(yuǎn)氣田下寒武統(tǒng)膏鹽巖分布圖Fig．7 Gypsum rock distribution of Lower Cambrian in Weiyuan Gas Field

川南-黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)優(yōu)質(zhì)的膏鹽巖蓋層與優(yōu)質(zhì)的燈影組儲層形成了良好的匹配。但是這種良好的匹配關(guān)系為什么在威遠(yuǎn)氣田能成藏，而在丁山1井油藏卻被破壞?這可能主要與后期構(gòu)造有關(guān)。

3.2 后期構(gòu)造改造與膏鹽巖連續(xù)性關(guān)系

后期構(gòu)造對膏鹽巖連續(xù)性的破壞，主要體現(xiàn)在兩方面，一是斷層是否斷開膏巖層，二是寒武系是否被抬升至地表，膏鹽巖層被剝光或溶蝕了。

從圖5看，近東西向的丁山1井-三匯場對比剖面顯示膏巖在縱向上多層疊加、累計(jì)厚度大、封閉性好;側(cè)向上，上部的膏鹽巖連通性好，平面上，這些膏鹽巖疊合在一起，可以構(gòu)成連片分布。但是，由于側(cè)向上通天斷層切穿，由西的丁山1井向東，跨過四川盆地邊界大斷層即齊躍山斷裂，垂向上膏鹽巖被錯開幾百米，形成了油氣通道，導(dǎo)致膏鹽巖垂向上的封堵失效。

同時，從四川盆地南部的情況看，以盆地邊界為限，盆地外側(cè)黔北地區(qū)發(fā)育寒武系(圖6)，像是開了一個一個的天窗;這意味著這些地區(qū)的寒武系膏鹽巖在側(cè)向上是通天了，油氣可以沿著膏鹽巖層跑到地表上，所以膏鹽巖封堵也失效，說明保存條件很差。相反，越過邊界向盆地內(nèi)部，寒武系被近5000m的巨厚三疊系-侏羅系覆蓋并深埋，保存條件相對好。

類似地，川西南地區(qū)的膏鹽巖封蓋有效性也受斷層與剝蝕這2個因素的影響，并且影響更強(qiáng)烈，盆地邊界大斷裂為界，盆地內(nèi)封蓋較好，盆地外被破壞。因此，下寒武統(tǒng)膏鹽巖在川南-黔北地區(qū)出盆地邊界外的膏鹽巖封蓋已失效，而在盆地內(nèi)膏鹽巖封蓋性較好。本文重點(diǎn)就盆地內(nèi)威遠(yuǎn)氣田封蓋性進(jìn)行解剖。

3.3 膏鹽巖在威遠(yuǎn)氣田的封蓋特征

威遠(yuǎn)氣田膏鹽巖主要發(fā)育于下寒武統(tǒng)，厚度為0～20m(圖7)，從圖8的南北向剖面看出，威遠(yuǎn)氣田的高點(diǎn)威117井的頂部海拔為－2208.9m，位于氣田邊界的威52井測試獲得氣水邊界面的海拔為－2374.5m(即氣溢出點(diǎn)的海拔)。在威117井以南至自深1井，下寒武統(tǒng)膏鹽巖層是連片分布的(圖8)，并不缺失膏鹽巖;然而，由威117井向北則有缺失石膏現(xiàn)象，具體表現(xiàn)在:威15井外發(fā)育幾米的成分不同、巖性有差異的下寒武統(tǒng)膏鹽巖類，其膏鹽巖類的頂部海拔為－1960m，再向北至資4井則無膏鹽巖類;而資4井中寒武統(tǒng)頂界的海拔為－3089.1m(圖8)，如果取威15井與資4井之間海拔差的1/3，那么，膏鹽巖類的尖滅點(diǎn)海拔為－2336.1m。這意味著，膏鹽巖類尖滅點(diǎn)的海拔與氣水界面非常接近，膏鹽巖封蓋起到了決定作用。如果以下寒武統(tǒng)九老洞組泥頁巖封蓋，其溢出點(diǎn)的海拔至少可深達(dá)－2900m，與現(xiàn)今的氣水界面相去甚遠(yuǎn)，這從側(cè)面上也證實(shí)泥頁巖封蓋的效果遠(yuǎn)比膏鹽巖類差，膏鹽巖封蓋作用比泥頁巖更重要。

因此，盡管威遠(yuǎn)地區(qū)的膏鹽巖沉積厚度薄且受小斷層影響，但膏鹽巖封蓋非常有效，這也從另一個側(cè)面解釋了在有膏鹽巖分布的威遠(yuǎn)地區(qū)勘探能取得成功，而在無膏鹽巖發(fā)育的資陽地區(qū)勘探卻失利的原因。

圖8 威遠(yuǎn)氣田膏巖封蓋模式圖Fig．8 The sealing model of gypsum rock in Weiyuan Gas Field

4 結(jié)論

(1)四川盆地下寒武統(tǒng)分布主要集中在兩個區(qū)域，即川南聚鹽區(qū)和鄂西聚鹽區(qū)。川南聚鹽區(qū)南北跨約420km，東西長約450km，為四川盆地早寒武世最大聚鹽區(qū)。膏鹽巖最大厚度為690.40m。鄂西聚鹽區(qū)分布在酉陽地區(qū)，聚鹽區(qū)范圍較小，南北長度不足100km，東西約為50km，最大厚度53m。

(2)巖性分區(qū)表明川南地區(qū)分為白云質(zhì)石膏巖區(qū)、含膏白云巖區(qū)、含膏砂泥巖區(qū)和石膏巖4個區(qū)，其中，含膏砂泥巖區(qū)位于川南白云質(zhì)石膏巖區(qū)的北部，是混合區(qū);川南含膏白云巖區(qū)與白云質(zhì)石膏巖區(qū)分界線在威遠(yuǎn)-宜賓-鹽津一線;而鄂西地區(qū)主要為含膏白云巖區(qū)。

(3)四川盆地膏鹽巖發(fā)育于潮上蒸發(fā)和淺水緩坡蒸發(fā)環(huán)境，即成因機(jī)制主要是潮上薩布哈蒸發(fā)機(jī)制及點(diǎn)沙壩(灘)后局限蒸發(fā)機(jī)制。

(4)川南-黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)膏鹽巖與震旦系燈影組優(yōu)質(zhì)儲層有良好的匹配關(guān)系，但由于四川盆地邊界大斷裂的斷開及盆地外地層的抬升使得盆地外膏鹽巖連續(xù)性及封蓋有效性遭到破壞;而在盆地內(nèi)，膏鹽巖封蓋作用比泥頁巖更重要，膏鹽巖對威遠(yuǎn)氣田成藏起到了至關(guān)重要的作用。

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