四川盆地麥地坪組—筇竹寺組沉積充填規(guī)律及勘探意義

趙立可 李文皓 和 源 周紅飛 劉 冉 李 亞 王 尉鐘 原 王瑩瑩

1.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 2. 中國石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部3.中國石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院

0 引言

四川盆地磨溪—高石梯地區(qū)發(fā)現(xiàn)了萬億立方米級的震旦系—寒武系安岳特大氣田，成為當(dāng)前全球古老油氣藏的重要勘探目標(biāo)和經(jīng)典研究范例[1-3]。前人研究表明，下寒武統(tǒng)麥地坪組與筇竹寺組均是大氣田的重要的烴源層系[4]，最近在盆地西部的筇竹寺組又相繼獲得頁巖氣發(fā)現(xiàn)，成為四川盆地繼志留系龍馬溪組后的又一頁巖氣主力勘探層段，展現(xiàn)出良好的勘探前景[5-6]。然而，由于時代老、演化程度高以及取心長度有限等原因，麥地坪組和筇竹寺組烴源巖研究程度遠(yuǎn)低于龍馬溪組烴源巖，其中在沉積、地層層序方面，盡管前期已經(jīng)認(rèn)識到裂陷槽內(nèi)這套烴源層系較臺地區(qū)域厚度更大[7]，但麥地坪組和筇竹寺組具體的沉積旋回與充填過程至今尚不十分明朗，這在很大程度上限制了古老天然氣藏，包括該層系頁巖氣的下一步的勘探與開發(fā)步伐。

有鑒于此，基于當(dāng)前盆地中部（川中地區(qū)）勘探區(qū)塊，重點(diǎn)通過巖性、電性、地化等方法與手段對裂陷槽及其周緣麥地坪組—筇竹寺組進(jìn)行沉積旋回劃分與對比，揭示盆地不同區(qū)域麥地坪組和筇竹寺組沉積旋回及其差異充填特征，并進(jìn)一步結(jié)合各旋回有機(jī)質(zhì)含量探討天然氣勘探領(lǐng)域。目的是希望加深并細(xì)化對這套古老海相烴源巖沉積演化過程的認(rèn)識，同時為下一步油氣勘探部署提供參考，可望具有基礎(chǔ)理論與實(shí)踐應(yīng)用意義。

1 地質(zhì)背景

四川盆地位于中國西南部，是一個菱形天然氣田疊合盆地，總面積約18×104km2（圖1）。盆地可劃分為5個構(gòu)造區(qū)帶，安岳大氣田位于川中平緩帶（圖1）。

四川盆地屬于上揚(yáng)子板塊，受新元古代羅迪尼亞超大陸裂解的影響，整體處于拉張構(gòu)造環(huán)境[8]。震旦紀(jì)燈影期至早寒武世麥地坪期，上揚(yáng)子地區(qū)發(fā)生了桐灣運(yùn)動[9]，表現(xiàn)為弱拉張背景下的幕式區(qū)域性隆升與剝蝕，并相繼造成燈影組二段與四段頂部發(fā)育不整合暴露面[10]，局部區(qū)域下寒武統(tǒng)麥地坪組缺失[11]。下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積期，受全球海平面快速上升影響，黑色頁巖幾乎覆蓋了整個上揚(yáng)子地區(qū)[12]。已有研究表明，四川盆地綿陽—長寧地區(qū)在晚震旦世—早寒武世發(fā)育大型拉張裂陷槽，直到筇竹寺組沉積晚期才逐漸填平補(bǔ)齊[13-14]。

圖1 研究區(qū)位置及震旦系—寒武系生儲蓋組合情況圖

2 沉積旋回劃分

鑒于盆地內(nèi)部麥地坪組與筇竹寺組取心十分有限，因此本次沉積旋回研究主要基于取心段巖性、電性以及地化特征的綜合分析，在確立旋回界面劃分標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)而類推至整個研究區(qū)域。

2.1 巖性特征

本次以位于裂陷槽內(nèi)的GS17井筇竹寺組4 968～4 986 m取心段為例開展研究（圖2）。該段大致具有兩類巖性組合，一類以黑色頁巖夾薄層粉砂巖為特征，但黃鐵礦欠發(fā)育，分布在取心段下部4 976.5～4 986 m以及上部4 968～4 969 m區(qū)間；另一類以黑色碳質(zhì)頁巖為特征，分布在取心段4 969～4 976.5 m區(qū)間；且該區(qū)間上部發(fā)育大量黃鐵礦。由此可以判斷，取心段4 969～4 976.5 m區(qū)間為黃鐵礦富集的黑色碳質(zhì)頁巖，意味著沉積水體深、平靜，水動力條件弱，且水體可能具有還原性；相反，取心段下部4 976.5～4 986 m以及上部4 968～4 969 m區(qū)間由于粉砂巖沉積含量增加，表明沉積水體相對更淺且水動力條件相對更強(qiáng)。

2.2 電性特征

電性方面，取心段下部4 976.5～4 986 m以及上部4 968～4 969 m區(qū)間夾薄層粉砂巖的黑色頁巖段對應(yīng)的自然伽馬值相對較低，分布在100～150 API之間，測井有機(jī)碳含量值不超過1%，相較而言，取心段4 969～4 976.5 m區(qū)間富黃鐵礦的黑色碳質(zhì)頁巖段對應(yīng)的自然伽馬值相對較高，普遍大于220 API，測井有機(jī)碳含量值普遍超過2%。由此可見，巖性與電性具有極好的對應(yīng)關(guān)系，富有機(jī)碳的碳質(zhì)頁巖與高自然伽馬段具有很好的關(guān)聯(lián)性。

2.3 地化特征

通過取樣實(shí)測的有機(jī)碳含量與測井有機(jī)碳含量變化趨勢大致相同，進(jìn)一步證實(shí)高自然伽馬段具有較高的有機(jī)碳含量，但也存在差異，具體表現(xiàn)在高自然伽馬段的上部有機(jī)碳含量較下部明顯更為富集（圖2）。究其原因，展開該段有機(jī)質(zhì)富集因素研究。已有研究表明，有機(jī)質(zhì)的富集受沉積環(huán)境的控制，主要包括初級生產(chǎn)力、氧化還原環(huán)境以及陸源碎屑輸入速率等因素[15-16]。初級生產(chǎn)力是指生態(tài)系統(tǒng)中在單位時間、單位面積上所產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)的總量，鑒于Ba和Cu元素與上升流、表層生產(chǎn)力以及有機(jī)金屬復(fù)合物的良好關(guān)聯(lián)性，可作為恢復(fù)古生產(chǎn)力的有效指標(biāo)，為了消除陸源碎屑物質(zhì)的影響，通常取Ba/Al和Cu/Al作為古生產(chǎn)力的恢復(fù)指標(biāo)[17]。選取Ba/Al和Cu/Al作為恢復(fù)指標(biāo)[18]，該段Ba/Al值為178.5～395.4，平均值248.1，Cu/Al值為5.95～14.05，平均值7.56；氧化還原條件方面，鑒于U和Mo元素在還原條件下會富集，是分析海底氧化還原條件的重要指標(biāo)，為了去除陸源碎屑輸入的影響，通常采用富集因子計(jì)算微量元素富集程度，公式為X-EF = (X/Al)sample/ (X/Al)PAAS[17-18]，從而選取Mo-EF和U-EF作為恢復(fù)指標(biāo)[18,19]。該段U-EF值為5.42～23.96，平均值9.90，Mo-EF值為13.48～67.74，平均值31.31；陸源輸入方面，選取Al和Ti作為恢復(fù)指標(biāo)[18-19]，該段Al含量為2.21%～5.38%，平均值4.63%，Ti含量為3 650～4 854 mg/L，平均值4 381 mg/L（圖2）。通過有機(jī)碳含量與不同控制因素指標(biāo)相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，初級生產(chǎn)力指標(biāo)（Ba/Al與Cu/Al）與有機(jī)碳含量相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)分別為0.177和0.013（圖3a, b）；同樣，陸源輸入指標(biāo)（Al與Ti）與有機(jī)碳含量也幾乎沒有相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)僅0.005和0.204（圖3e,f）；然而，氧化還原指標(biāo)（U-EF與Mo-EF）與有機(jī)質(zhì)含量則具有強(qiáng)烈的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.858和0.839（圖3c, d）。鑒于U和Mo元素在還原條件下的富集速率更快，由此表明，對于筇竹寺組該段烴源巖，缺氧環(huán)境是有機(jī)質(zhì)保存與富集的關(guān)鍵，而缺氧環(huán)境的形成往往是沉積水體變深的結(jié)果，這也恰恰與黃鐵礦形成所需的還原環(huán)境相對應(yīng)。

圖2 GS17井筇竹寺組取心段巖性、電性及地球化學(xué)特征圖

圖3 GS17井筇竹寺組取心段有機(jī)碳含量與古生產(chǎn)力、氧化還原條件、陸源輸入的相關(guān)性圖

因此，綜合上述推斷，4 970～4 976.5 m區(qū)間內(nèi)的富有機(jī)碳的碳質(zhì)頁巖段應(yīng)該代表一次快速的海侵過程，在該區(qū)間上部，有機(jī)碳含量最大的富黃鐵礦碳質(zhì)頁巖段大致對應(yīng)最大海泛面，同時也是海侵向海退轉(zhuǎn)換界面；在該區(qū)間底部，有機(jī)碳含量相對較高的碳質(zhì)泥巖段與下伏貧有機(jī)碳的夾薄層粉砂巖的頁巖段之間具有明顯的巖性轉(zhuǎn)換特征，大致對應(yīng)海侵初泛面，同時也是海退向海侵轉(zhuǎn)換界面。相較而言，取心段下部4 976.5～4 986 m與上部4 968～4 969 m區(qū)間則代表海退序列，相對較淺的沉積水體導(dǎo)致缺氧程度較低，這進(jìn)一步造成該段有機(jī)碳含量相對較低。綜合上述分析，針對沒有取心的層段，可以通過自然伽馬與有機(jī)碳含量對麥地坪組—筇竹寺組進(jìn)行沉積旋回序列的劃分，高自然伽馬、富有機(jī)碳地層底部大致對應(yīng)海侵初泛面，而自然伽馬與有機(jī)碳含量最高點(diǎn)則大致對應(yīng)最大海泛面。

3 麥地坪組—筇竹寺組沉積旋回特征

3.1 典型井沉積旋回特征

基于上述分析，以GS17井為例，對麥地坪組—筇竹寺組進(jìn)行沉積旋回序列劃分（圖4）。GS17井麥地坪組—筇竹寺組大致可劃分出5個沉積旋回序列，分別為SC1、SC2、SC3、SC4和SC5，依次對應(yīng)麥地坪組、筇竹寺組一段、二段、三段和四段。具體而言，SC1厚120 m，下部高自然伽馬段與上部低自然伽馬段組成一個完整的海侵—海退旋回序列，有機(jī)碳含量具有類似自然伽馬的變化特征；與此同時，SC2、SC3、SC4以及SC5厚度分別為65 m、176 m、114 m和225 m，與SC1的自然伽馬、有機(jī)碳含量變化特征相似，其下部高自然伽馬、富有機(jī)碳地層厚度較小，而上部低自然伽馬、富有機(jī)碳地層厚度較大，表現(xiàn)為一個快速海侵—緩慢海退的變化特征。相比較而言，SC2與SC3下部高自然伽馬、富有機(jī)碳地層厚度較其他層段相對更大，這可能意味著富有機(jī)碳頁巖層厚度更大，是烴源質(zhì)量最好的層段。

3.2 裂陷槽及其周緣區(qū)域?qū)Ρ?/h3>

在上述研究基礎(chǔ)上，通過對沿北東向分布于裂陷槽及其周緣區(qū)域的5口鉆井進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，裂陷槽與其周緣臺地區(qū)域的麥地坪組—筇竹寺組沉積充填特征具有明顯的差異性（圖5）。裂陷槽區(qū)域內(nèi)的GS17、ZY1井可識別出完整的5個沉積旋序列，這一方面表明上述旋回序列具有橫向連續(xù)性和可對比性，另一方面也表明上述劃分方案具有實(shí)用性、可行性。其中裂陷槽核部靠北的ZY1井麥地坪組—筇竹寺組各旋回厚度均較靠南面的GS17井更大，可能暗示裂陷槽北面發(fā)育規(guī)模較南面更大。

圖4 GS17井麥地坪組—筇竹寺組沉積旋回特征圖

在裂陷槽西側(cè)的Wei28井僅識別出SC3、SC4與SC5三個沉積旋回序列，SC1與SC2缺失。在裂陷槽東側(cè)，從川中GS1井至川東北WT1井，均僅能識別出SC5一個沉積旋回序列，而SC1—SC4均缺失。由此可見，與裂陷槽區(qū)域相比，其周緣區(qū)域麥地坪組—筇竹寺組沉積充填厚度明顯變薄的同時，整體缺失下部沉積旋回地層，而裂陷槽西側(cè)缺失程度較東側(cè)小，西側(cè)具有漸變特征，如Wei28井相較于ZY1井僅缺失下部SC1、SC2，而東側(cè)則具有突變特征，如GS17井無缺失，而GS1井缺失SC1—SC4，且向北東方向區(qū)域各井均僅保留SC5。

與此同時，通過單井合成記錄制作發(fā)現(xiàn)，上述沉積旋回界面均可在地震剖面上進(jìn)行標(biāo)定與追蹤（圖6），該剖面橫穿裂陷槽，在裂陷槽及其周緣區(qū)域追蹤的沉積充填特征與上述連井對比具有類似的特征[20]。由此可以判斷，麥地坪組僅在裂陷槽區(qū)域沉積充填，而在裂陷槽周緣及臺地區(qū)域普遍缺失，筇竹寺組在裂陷槽及其周緣區(qū)域均有沉積，但槽內(nèi)沉積充填相對完整，裂陷槽西側(cè)整體發(fā)育筇二至筇四段，而東側(cè)廣大區(qū)域僅發(fā)育筇四段。綜上，麥地坪組與筇竹寺組整體以典型的填平補(bǔ)齊沉積充填過程為特征，且麥地坪組、筇一、筇二及筇三段主要分布在裂陷槽內(nèi)，筇四段以廣覆式分布為特征。

4 筇竹寺組烴源巖分布特征

鑒于裂陷槽與其周緣區(qū)域麥地坪組—筇竹寺組沉積充填具有差異性，尤其針對分布于裂陷區(qū)的筇竹寺組一段、二段、三段以及盆地范圍廣覆式分布的筇四段，其沉積厚度及有機(jī)碳含量是預(yù)測有利烴源發(fā)育區(qū)的重要參考指標(biāo)。

通過對裂陷槽與周緣地區(qū)筇竹寺組烴源巖進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)（圖5，表1），主要分布于裂陷槽區(qū)域內(nèi)的筇一至筇三段沉積厚度普遍大于350 m，平均有機(jī)碳含量以筇一、筇二段最高，普遍大于2.00%，筇三段次之，上述筇一、筇二段高自然伽馬、富有機(jī)碳地層相對較高可以驗(yàn)證；相反，筇四段平均有機(jī)碳含量最低，普遍小于2.00%，最小僅0.26%，且裂陷周緣地區(qū)筇四段沉積厚度普遍較裂陷區(qū)筇四段小，整體不大于 200 m。由此可見，從烴源巖厚度以及有機(jī)碳含量綜合判斷，裂陷槽區(qū)烴源巖質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于周緣區(qū)域。

基于鉆井以及地震標(biāo)定與追蹤，重點(diǎn)對烴源質(zhì)量較好的筇一至筇三段厚度平面分布特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)（圖7），盆地范圍內(nèi)綿陽—長寧裂陷槽區(qū)域筇一至筇三段沉積厚度明顯較其他區(qū)域更大，從裂陷槽向周緣方向筇一至筇三段沉積厚度逐漸減薄甚至尖滅。在近南北向展布的裂陷槽內(nèi)部，北部的資陽—綿陽—劍閣一帶筇一至筇三段沉積厚度普遍超過300 m，加之分布范圍均較南部威遠(yuǎn)—長寧一帶更大，是該套烴源巖層最為發(fā)育的沉積中心區(qū)域。

5 天然氣勘探意義

圖5 Wei28-GS17-WT1井麥地坪組—筇竹寺組沉積旋回橫向?qū)Ρ葓D（剖面位置見圖1）

基于上述分析，針對震旦系—寒武系天然氣藏的勘探方向，裂陷槽及周緣區(qū)域仍是下一步勘探的重要領(lǐng)域，而北斜坡區(qū)域則應(yīng)為首選[21]。從儲層方面來看，北斜坡區(qū)域與安岳大氣田區(qū)域可能沒有大的差異性，儲層均以裂陷槽邊緣控制的臺緣帶孔洞型藻云巖為特征，鑒于裂陷槽北緣發(fā)育規(guī)模整體較南緣更大，因此北斜坡區(qū)域受拉張裂陷影響時間可能更長，斷陷過程更加復(fù)雜，如近期PT1井在裂陷區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)燈二段臺緣帶，從而大大細(xì)化并拓展了勘探目標(biāo)；從烴源巖方面來看，裂陷槽北緣筇竹寺組較南緣沉積厚度更大分布、范圍更廣，因此可能具有更優(yōu)質(zhì)的烴源條件；從成藏方面來看，北斜坡可能更多以巖性-地層圈閉為主，氣藏的保存條件與整體規(guī)模上有待進(jìn)一步探究。

圖6 過井地震剖面旋回標(biāo)定特征圖（剖面位置見圖1）

表1 四川盆地筇竹寺組有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)表

圖7 四川盆地及其周緣地區(qū)筇竹寺組一段至三段厚度分布圖

綜上，四川盆地范圍內(nèi)，拉張裂陷槽兩側(cè)的臺緣帶隆起區(qū)依然是震旦系—寒武系天然氣最有利的勘探區(qū)域，以磨溪—高石梯為中心，沿臺緣帶北斜坡方向拓展將是當(dāng)前勘探重要領(lǐng)域。

6 結(jié)論

1）四川盆地麥地坪組—筇竹寺組可劃分出5個沉積旋回序列SC1、SC2、SC3、SC4和SC5，并依次對應(yīng)于麥地坪組、筇一段、筇二段、筇三段和筇四段。

2）綿陽—長寧裂陷槽與其周緣區(qū)域麥地坪組—筇竹寺組沉積充填具有差異性，裂陷槽可識別出完整的5個沉積旋回，而裂陷槽東側(cè)及廣大臺地區(qū)域僅能識別出上部的1～2個沉積旋回，缺失下部旋回序列。麥地坪組、筇一、筇二以及筇三段主要分布在裂陷槽內(nèi)，筇四段以廣覆式分布為特征。

3）分布于裂陷槽區(qū)域的筇一至筇三段沉積厚度大，有機(jī)碳含量高，裂陷槽區(qū)域是最為有利的烴源中心，當(dāng)前勘探仍需緊緊圍繞裂陷槽及周緣展開，且北斜坡將是下一步重點(diǎn)勘探區(qū)域。

4）結(jié)合巖性、電性以及地球化學(xué)方法與手段對麥地坪組—筇竹寺組烴源巖的沉積旋回劃分方案似乎行之有效，有望成為普適性方法，可應(yīng)用于類似的地層分析。