致密氣源層內沉積特征及與致密砂巖氣藏關系①——以川東北元壩地區(qū)須三段為例

湯建榮 王金友 章誠誠 宋廣增 石英濤 張 雷

(1.中國地質大學(武漢)資源學院 武漢 430074;2.中國地質大學(武漢)構造與油氣資源教育部重點實驗室 武漢 430074;3.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院 山東青島 266580;4.中國石油大學(北京)地球科學學院 北京 102249)

致密砂巖氣(致密氣)已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的重要領域之一。按照資源三角分布概念［1］，致密氣資源量應超過常規(guī)天然氣資源量，表明全球致密氣資源潛力非常巨大，具有廣闊的勘探前景。截止2011年年底，我國已累計探明致密氣地質儲量3.3×1012m3左右，約占全國天然氣總探明儲量的 39%［2］;2013 年致密氣產(chǎn)量大致在 340×108m3，約占全國天然氣總產(chǎn)量的1/4［3］，是目前最為現(xiàn)實的非常規(guī)天然氣勘探領域［4］。國外對于致密砂巖的開發(fā)已實現(xiàn)工業(yè)化［5-7］，而我國致密氣則進入大規(guī)?？碧介_發(fā)與快速發(fā)展階段，已形成鄂爾多斯盆地上古生界與四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組2大致密氣現(xiàn)實區(qū)［8-9］。

目前四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組致密氣藏的基本地質特征研究，主要可歸納為以下三點:①須一段、須三段及須五段烴源層具備形成大中型氣田的烴源巖條件［10-12］;②須家河組致密氣具有源儲緊鄰，呈“三明治”式生儲蓋結構［13-14］;③須二段、須四段及須六段為目前主力致密氣儲層［13，15-17］。在川東北元壩地區(qū)致密氣勘探實踐中，元陸7井在須三段試氣獲得120.8×108m3/d高產(chǎn)工業(yè)氣流，表明須三段致密氣勘探開發(fā)擁有巨大潛力，暗示氣源巖層段內的致密氣勘探前景廣闊。查明氣源巖層段內沉積環(huán)境與微相分布基礎上，開展源內找氣會是今后天然氣發(fā)現(xiàn)和儲量增長的重要領域［14］。然而，前人對須一段、須三段及須五段氣源巖層段內沉積微相展布、源儲配置特征等方面鮮有研究。本文依據(jù)鉆井取芯資料，充分應用測井、錄井等數(shù)據(jù)，運用多信息綜合研究方法，嘗試通過分析元壩地區(qū)東、西區(qū)須三段沉積微相特征及沉積演化，對比研究區(qū)東、西區(qū)須三段內部優(yōu)勢儲集相帶與有利烴源巖配置的差異，進而探討致密氣源層內致密砂巖氣藏的展布特征。

1 地質概況

元壩地區(qū)位于四川盆地東北部，構造位置上處于米倉山整體向南傾斜的復式單斜構造帶、大巴山弧形逆沖推覆帶和龍門山?jīng)_斷帶的疊合影響區(qū)域(圖1A)。晚三疊世開始，川東北地區(qū)在龍門山?jīng)_斷帶遠程效應和米倉山—大巴山逆沖推覆的影響下產(chǎn)生撓曲沉降形成了類前陸盆地［18-20］。須三段沉積期米倉山—大巴山構造山系尚處于低幅穩(wěn)定隆升狀態(tài)，碎屑物質經(jīng)長距離搬運在研究區(qū)東區(qū)沉積曲流河三角洲前緣沉積;而龍門山構造山系的逆沖推覆作用較為活躍，川東北前陸盆地主要受龍門山逆沖推覆作用遠端效應影響的前陸斜坡帶，粗碎屑物質沿前陸斜坡經(jīng)較短距離搬運，在研究區(qū)西區(qū)沉積辮狀河三角洲沉積，盆地前緣地帶向中心地帶則主要發(fā)育濱淺湖沉積［18，21-25］。須家河組縱向上劃分為須一段—須六段，其中，須一段、須三段、須五段為濱淺湖相粉砂質泥巖沉積;須二段、須四段、須六段為大規(guī)模辮狀河三角洲沉積，廣泛發(fā)育厚層砂巖儲層(圖1B)。研究區(qū)須家河組缺失須六段，依據(jù)高分辨率層序地層學原理及前人的研究成果，須三段可進一步劃分為2個中期、4個短期基準面旋回，每個短期基準面旋回所對應的地層單元為一期砂組，即自下而上劃分為Ⅰ～Ⅳ砂組［26-28］。

圖1 川東北元壩地區(qū)構造位置(據(jù)鄭榮才等修改，2003)、井位(據(jù)田成偉等修改，2012)及地層綜合柱狀圖(據(jù)印峰等修改，2012)(A.構造位置;B.地層綜合柱狀圖;C.井位圖)Fig.1 Structure location(according to Zheng，2003)，well location(according to Tian，2012)and generalized column of stratigraphic(according to Yin，2012)in Yuanba area，NE Sichuan Basin(A.structure location;B.generalized column of stratigraphic;C.well location)

2 沉積相特征

本文結合巖芯觀察、測井曲線及成分成熟度資料，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)沉積相及碎屑成分存在明顯分區(qū)特征(圖1C)。與野外剖面巖屑特征統(tǒng)計［25］和地球物理及地質統(tǒng)計物源方向［29］一致。

2.1 東區(qū)沉積相

研究表明研究區(qū)東區(qū)僅沉積曲流河三角洲前緣。主要微相類型包括:水下分流河道、支流間灣、河口壩、遠砂壩及席狀砂沉積(圖2)。水下分流河道微相沉積物以細砂巖、粉砂巖為主，發(fā)育沖刷—充填構造(圖2B)、交錯層理及波狀層理(圖2C)等沉積構造，整體為下粗上細的正韻律，對應的自然伽馬曲線為中幅鐘形或齒化箱形。支流間灣以黏土沉積為主，含少量粉砂和細砂巖，炭質泥巖中偶夾灰質團塊，黃鐵礦顆粒不均勻分布于泥巖中，發(fā)育水平層理和透鏡狀層理;其上發(fā)育富含有機質的沼澤沉積。河口壩由質純、分選好、磨圓好的細砂巖和粉砂巖組成，發(fā)育槽狀交錯層理，整體為下細上粗的反韻律，對應自然伽馬曲線為中幅的漏斗形。遠砂壩及席狀砂，沉積物較河口壩細，以粉砂巖為主，整體為下細上粗的反韻律，對應自然伽馬曲線為低幅漏斗形或指形。

圖2 曲流河三角洲前緣沉積特征元陸4井須三段2砂組;井位置見圖1BFig.2 Sedimentary features of meandering fluvial delta Well Yuanlu 4，2 group of T3x3;well location is shown in Fig.1B

2.2 西區(qū)沉積相

龍門山北段物源區(qū)發(fā)育以碳酸鹽巖為主的沉積巖地層［22］，此物源控制研究區(qū)西部地區(qū)。根據(jù)巖性組合特征、沉積構造和砂體形態(tài)等研究，西區(qū)發(fā)育辮狀河三角洲相，并進一步識別出辮狀河三角洲平原、辮狀河三角洲前緣亞相(圖3)。

2.2.1 辮狀河三角洲平原亞相

高度的河道化、持續(xù)深切的水流及河口壩較不發(fā)育為辮狀河三角洲平原亞相的典型特征。在研究區(qū)的平原亞相中，識別出了辮狀河道、沖積平原等沉積微相。

(1)辮狀河道微相 本區(qū)該微相以沉積色雜、粒粗、分選較差、磨圓較好礫巖為主，且礫巖與暗色泥巖突變接觸(圖3B)為特征。發(fā)育塊狀層理、平行層理(圖3A，I)，整體為下粗上細的正韻律，細粒沉積薄或缺失。對應的自然伽馬曲線為微齒化的高幅箱型特征。

(2)沖積平原微相 該微相由辮狀河道的遷移擺動形成，巖性以砂礫質沉積為主，發(fā)育塊狀層理(圖3H)、板狀交錯層理等，對應的自然伽馬曲線為中幅鐘形特征。發(fā)育河漫沼澤沉積，由炭質泥巖，偶夾炭屑條帶及煤層，可見植物化石。

2.2.2 辮狀河三角洲前緣亞相

研究區(qū)辮狀河三角洲前緣主要發(fā)育水下辮狀河道、水下辮狀河道間、河口壩、遠砂壩及席狀砂沉積。巖性較細，主要由鈣屑砂巖、粉砂巖、少量含礫砂巖和煤及泥巖組成旋回層系。由于受分流河道遷移、波浪和岸流作用影響，本區(qū)河口壩發(fā)育規(guī)模較小。遠砂壩和席狀砂為辮狀河三角洲前緣邊部的末端沉積，巖性以粉砂巖為主，橫向分布范圍廣，砂體沉積厚度薄，常發(fā)育波狀層理，自然伽馬曲線表現(xiàn)為中—低幅的指形特征。主要沉積微相類型如下:

(1)水下辮狀河道微相 該微相是平原辮狀河道在水下的延伸部分，沉積物粒度較細，以中砂巖、細砂巖為主，整體為向上粒度變細，單砂體厚度減薄，分選中等—好，磨圓較好，呈次棱—次圓狀;發(fā)育沖刷充填構造(圖3F)、平行層理(圖3C)及波狀層理(圖3E);垂向剖面結構常顯示下粗上細的正韻律，對應的自然伽馬曲線為中幅鐘形。

(2)水下辮狀河道間微相 該微相沉積于水動力相對較弱的環(huán)境中，沉積物粒度較細，以泥巖與粉砂巖為主，常見水平層理及植物化石(圖3D，G)，自然伽馬曲線為指形或齒化線形特征。

3 東西區(qū)沉積相時空演化配置特征及對比

3.1 東西區(qū)沉積相平面配置特征

根據(jù)須三段殘留地層的分布特征、43口井錄井測井資料、砂巖和礫巖百分含量及砂巖碎屑組分特征(圖4)，劃分不同砂組的沉積相平面分布圖(圖5)。結合不同砂組炭質泥巖及煤層分布，研究東西區(qū)沉積相平面配置演化特征。

Ⅰ砂組沉積時期，龍門山北段逆沖推覆帶低幅隆升［30］，遭受剝蝕，為西區(qū)提供粗粒沉積，但由于物源供給速率較小，僅在北西方向發(fā)育范圍較小的辮狀河三角洲平原沉積，同時水下辮狀河道延伸距離較短。北東方向為主控物源，水下分流河道較寬、延伸距離遠，呈指狀由北東方向往西南方向切入，薄層砂體在元壩東部及中部連片分布(圖4-Ⅰ砂組)。穩(wěn)定的構造背景使得該砂組沉積期炭質泥巖及煤層最為發(fā)育，最大厚度可達13 m;相對于東區(qū)，西區(qū)炭質泥巖及煤層具有更厚的沉積厚度，和更廣的與砂體疊置面積(圖 5-Ⅰ砂組)。

圖3 辮狀河三角洲沉積特征(元陸11井須三段Ⅲ砂組;井位置見圖1B)Fig.3 The sedimentary characteristics of braided fluvial delta(Well Yuanlu 11，3 group of T3x3;well location is shown in Fig.1B)

Ⅱ砂組沉積時期，龍門山北段逆沖推覆增強［30］，物源供給速率大于可容空間增加速率，導致北西方向辮狀河三角洲平原的粗碎屑物質沉積范圍更廣(圖4-Ⅱ砂組)，辮狀河三角洲前緣在西區(qū)連片分布，水下辮狀河道延伸至中部地區(qū)，分流河道間常形成以煤及炭質泥巖為主的間灣沉積。北東方向米倉山—大巴山造山帶推覆作用減弱［24］，不再是主控物源，此時水下分流河道延伸距離較短，砂巖展布范圍變小;相對Ⅰ砂組，西區(qū)煤及炭質泥巖沉積厚度減小、沉積范圍縮小，東區(qū)煤及炭質泥巖沉積厚度減小、沉積范圍向東略微收縮(圖5-Ⅱ砂組)。

Ⅲ砂組沉積時期，龍門山北段物源供給速率低于盆地內可容空間的增加速率，辮狀河三角洲平原的粗碎屑物質沉積范圍變窄(圖4-Ⅲ砂組)，西區(qū)多條水下辮狀河道由北西方向往南東方向延伸，辮狀河三角洲朵體多孤立分布，朵體間常發(fā)育濱湖沼澤沉積。受“安縣運動”影響［31-32］，須三段Ⅲ砂組東區(qū)大部分地區(qū)遭受剝蝕，僅殘留兩條規(guī)模較小的水下分流河道。此沉積期，西區(qū)煤及炭質泥巖沉積厚度進一步變薄，沉積范圍向西收縮，相對于東區(qū)具有更大的與砂體疊置區(qū)，而東區(qū)煤及炭質泥巖則僅集中于YB1井附近(圖 5-Ⅲ砂組)。

圖4 元壩地區(qū)須三段不同砂組砂巖百分含量等值線、礫巖厚度等值線及碎屑組分含量分布圖Fig.4 Contour map of sand content and conglomerate thickness，and the distribution map of the content of clastic components of T3x3in Yuanba area

圖5 元壩地區(qū)須三段4個砂組沉積相與炭質泥巖及煤層平面分布疊合圖Fig.5 The congruency map of sedimentary facies and carbonaceous shale，coal in different group of T3x3in Yuanba area

Ⅳ砂組沉積時期，受“安縣運動”影響，東區(qū)及西區(qū)大部分地區(qū)遭受剝蝕，僅殘留西區(qū)辮狀河三角洲沉積，該沉積期龍門山逆沖推覆減弱，物源供給速率進一步降低，而可容空間進一步增大，導致辮狀河三角洲平原進一步往北西方向收縮，水下辮狀河道的延伸距離短，辮狀河三角洲前緣砂體分布范圍縮小。該沉積期，煤及炭質泥巖厚度約為2～4 m，沉積范圍收縮至YB6—YB271—YB221井區(qū)附近(圖5-Ⅳ砂組)。

3.2 東西區(qū)沉積相垂向配置特征

垂向上，東西區(qū)沉積相配置差異明顯。東區(qū)僅沉積Ⅰ至Ⅲ砂組，沉積厚度27.5～120 m，沿SW方向沉積微相展布為水下分流河道—河口壩—遠砂壩及席狀砂，砂地比逐漸降低，煤層及炭質泥巖厚度逐漸增加。YL3井Ⅰ砂組沉積厚套水下分流河道砂體，向上沉積物粒度變細，過渡為Ⅱ砂組薄層席狀砂與炭質泥巖互層;YL1和YB5井垂向表現(xiàn)為Ⅰ砂組沉積薄層水下分流河道砂體與炭質泥巖互層，向上砂泥比降低，Ⅱ砂組為較厚水下分流河道沉積但與炭質泥巖或煤層并不疊置，Ⅲ砂組零星分布遠砂壩及席狀砂砂體;YB10井與YL3井相類似Ⅰ砂組沉積厚套水下分流河道砂體，Ⅱ至Ⅲ砂組主要沉積薄層河口壩、遠砂壩及席狀砂砂體與炭質泥巖互層，零星分布薄層水下分流河道砂體;YB123井沉積河口壩、遠砂壩及席狀砂與煤層及炭質泥巖互層。東區(qū)垂向上整體表現(xiàn)為水體不斷加深，沉積物粒度逐漸變細;底部發(fā)育厚套曲流河三角洲水下分流河道砂體，逐漸過渡為頂部薄層河口壩及遠砂壩砂體與炭質泥巖及煤層互層(圖6)。

西區(qū)四個砂組均有發(fā)育，沉積厚度90～285 m，沿SE方向，沉積微相展布為辮狀河道—水下辮狀河道—河口壩—遠砂壩及席狀砂，砂地比逐漸降低。YL11、YL10及YL20井Ⅰ砂組至Ⅱ砂組底主要沉積薄層水下辮狀河道及河口壩砂體與煤層及炭質泥巖互層;Ⅱ砂組頂至Ⅲ砂組發(fā)育多期厚套辮狀河道砂體，且厚套砂體常與暗色泥巖接觸;Ⅳ砂組主要發(fā)育水下辮狀河道砂體，砂體間常有炭質泥巖分布。YB205及YB2在Ⅰ砂組頂、Ⅱ砂組底及Ⅲ砂組底發(fā)育厚套水下辮狀河道砂體，期間夾薄層炭質泥巖。YB21井炭質泥巖及煤層較為發(fā)育，Ⅰ砂組為薄層河口壩、遠砂壩及席狀砂砂體與炭質泥巖疊置;Ⅱ砂組沉積水下辮狀河道砂體為主，夾薄層炭質泥巖及煤層;Ⅲ砂組以薄層水下辮狀河道沉積為主，炭質泥巖零星分布。西區(qū)整體為辮狀河三角洲前緣—平原—前緣的垂向相序遞變規(guī)律，主體為辮狀河道和水下辮狀河道砂體與煤層及炭質泥巖垂向疊置，似“千層餅”狀特征(圖7)。

綜上所述，受龍門山北段及米倉山—大巴山雙物源影響，東西區(qū)沉積相類型存在差異，東區(qū)發(fā)育曲流河三角洲前緣沉積，西區(qū)發(fā)育辮狀河三角洲沉積。須三段整體處于湖侵的過程，東區(qū)物源供給速率低于可容空間增長速率導致砂體不斷往北東方向收縮;西區(qū)表現(xiàn)為，Ⅰ至Ⅱ砂組物源供給速率大于可容空間增長速率導致砂體不斷往盆內前積，Ⅲ至Ⅳ砂組物源供給速率小于可容空間增長速率導致砂體不斷退積。由Ⅰ砂組至Ⅳ砂組，全區(qū)煤及炭質泥巖的厚度及沉積范圍逐漸減小;西區(qū)整體煤及炭質泥巖與砂巖的疊置范圍大于東區(qū)。東區(qū)垂向上為底部厚套水下分流河道儲集砂體，頂部為薄層砂體與泥巖互層特征;西區(qū)垂向上為煤層及暗色炭質泥巖與辮狀河道和水下辮狀河道儲集砂體垂向疊置，似“千層餅”狀特征。

圖6 東區(qū)須三段沉積相垂向配置剖面圖(平面位置見圖1B)Fig.6 The profile of vertical facies configuration of T3x3in the east area(Location of profile A—A'is shown in Fig.1B)

圖7 西區(qū)須三段沉積相垂向配置剖面圖(平面位置見圖1B)Fig.7 The profile of vertical facies configuration of T3x3in the west area(Location of profile B—B'is shown in Fig.1B)

4 與致密砂巖氣藏關系

長期研究認為，元壩地區(qū)須一段、須三段、須五段煤系烴源巖以Ⅲ型為主，生烴強度高，具有持續(xù)充注的氣源條件，與須二段、須四段致密砂巖組成“三明治”式結構特征，是決定元壩地區(qū)致密氣富集的關鍵。以下將對比識別須三段內有利儲集相帶，并明確東、西區(qū)煤及炭質泥巖與有利儲集相帶的配置特征，探討須三段“源內”致密砂巖氣藏的成藏條件。

4.1 有利儲集相帶

沉積微相的分布從宏觀上控制著儲層的分布及儲集性能。根據(jù)7口井131個樣品沉積微相與儲層孔隙度的關系統(tǒng)計(圖8)，其中辮狀河道、水下辮狀主河道及水下分流河道微相的平均孔隙度在2%以上，分布在1.7%～7.7%之間，主要集中于3.0%～5.0%之間，平均滲透率一般在0.01×10-3～0.1×10-3μm2之間，儲集空間以粒間溶孔、黏土雜基微孔為主，局部發(fā)育裂縫;水下辮狀次河道及河口壩微相的孔隙度在1.5%左右，平均滲透率低于0.05×10-3μm2。總體來講，水動力較強、沉積物分選相對較好、礦物成熟度相對較高的辮狀河道、水下辮狀主河道及水下分流河道儲集砂體為元壩地區(qū)須三段最有利的儲集相帶，水下辮狀次河道及河口壩儲集砂體次之。須三段試氣結果證實了這一結論，辮狀河道及水下辮狀主河道儲集砂體獲得高產(chǎn)，水下辮狀次河道及河口壩儲集砂體獲得低產(chǎn)(表1)。

圖8 元壩地區(qū)須三段不同沉積微相孔隙度分布圖Fig.8 The distribution map of porosity in different microfacies of T3x3in Yuanba area

4.2 烴源巖與有利儲集相帶配置關系

四川盆地須家河組儲層致密化的時間發(fā)生在烴源巖生排烴高峰期前［33］，這一特征決定了天然氣在橫向上和縱向上的運移距離十分有限，因此在致密砂巖氣成藏過程中，烴源巖與有利儲集相帶配置顯得尤為重要。須三段沉積期東、西區(qū)物源供給體系的差異導致東、西區(qū)沉積相在平面和縱向上的配置存在差異性，進而東西區(qū)致密砂巖氣的成藏模式及氣藏分布存在差異。

表1 元壩地區(qū)須三段測試產(chǎn)氣層段沉積微相特征統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of gas test result under different microfacies of T3x3in Yuanba area

東區(qū)底部為厚套的水下分流河道砂體，頂部為薄層的砂體與煤及炭質泥巖互層。厚套水下分流河道砂體與煤及炭質泥巖零星疊置，在致密化的儲層中天然氣零星充注，導致底部厚套水下分流河道砂體勘探潛力較差;而頂部薄層河口壩及水下分流河道前緣砂體與煤及炭質泥巖疊置，具有較多油氣充注，但受限于儲層儲集性能，氣藏規(guī)模較小(圖9a)。

西區(qū)水下辮狀河道及辮狀河道砂體分布范圍廣，多層砂體疊置連片，西區(qū)砂體與煤系烴源巖構成互層，似“千層餅”狀特征。相對于東區(qū)，西區(qū)源儲更為緊鄰，成藏條件更為有利。在廣覆式生烴與大面積儲集砂體的有效配置下，伴隨著生烴增壓［34-35］，天然氣近距離垂向運移成藏，氣藏呈多層疊置“斑塊狀”，平面連片特征(圖9b)。其中水下辮狀河道砂體以儲集性能好，與煤及炭質泥巖緊鄰，具有最為可觀的油氣勘探前景。

5 結論

(1)受控于龍門山北段及米倉山—大巴山構造活動的影響，東西區(qū)沉積相類型存在差異，東區(qū)發(fā)育曲流河三角洲前緣沉積，西區(qū)發(fā)育辮狀河三角洲沉積。

圖9 元壩地區(qū)東西區(qū)須三段成藏模式對比圖Fig.9 The comparison diagram between the east models of gas reservoir and the west of T3x3in Yuanba area

(2)水動力較強、沉積物分選相對較好、礦物成熟度相對較高的辮狀河道、水下辮狀主河道及水下分流河道沉積為元壩地區(qū)須三段最有利的儲集相帶。東區(qū)底部為厚套的水下分流河道砂體，頂部為薄層的砂體與煤及炭質泥巖互層，厚套水下分流河道砂體與煤及炭質泥巖零星疊置，在致密化的儲層中天然氣零星充注，導致底部厚套水下分流河道砂體勘探潛力較差;西區(qū)水下辮狀河道及辮狀河道砂體分布范圍廣，多層砂體疊置連片，西區(qū)砂體與煤系烴源巖構成互層，似“千層餅”狀特征。相對于東區(qū)，西區(qū)源儲配置特征，對于致密氣成藏更為有利，勘探前景更為廣闊。

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