四川盆地西北部三疊系須三段砂礫巖沉積特征

張本健，田云英，曾 琪，尹 宏，丁 熊

（1.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川江油 621700；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500）

0 引言

隨著油氣勘探的不斷深入，砂礫巖油氣藏在全球含油氣盆地中均有發(fā)現(xiàn)，如挪威北部北海盆地三疊系砂礫巖油藏［1］、巴西Campos 盆地Itabapoana 組砂礫巖油藏［2］、加拿大Alberta 盆地上白堊統(tǒng)Cardium組砂礫巖油藏［3］和美國Coalinga 盆地三疊系砂礫巖油藏［4］等，展現(xiàn)了砂礫巖油氣藏在全球油氣勘探中具有十分重要的地位，我國在松遼盆地［5］、渤海灣盆地［6］、四川盆地［7］、準(zhǔn)噶爾盆地［8］等含油氣盆地中也均發(fā)現(xiàn)了砂礫巖油氣藏。與常規(guī)砂巖沉積相比，砂礫巖往往具有快速堆積、巖性復(fù)雜和沉積特征復(fù)雜多樣等特征［9-10］，因此明確砂礫巖沉積特征和展布規(guī)律是砂礫巖油氣藏勘探的重要環(huán)節(jié)。

近年來，四川盆地西北部三疊系須三段天然氣勘探取得了重要突破，在九龍山、中壩、劍閣、豐谷場、文興場等三疊系須三段發(fā)現(xiàn)了一批氣田或含氣構(gòu)造，劍閣地區(qū)須三段測試獲氣163.9 萬m3/d［9］，展現(xiàn)了良好的勘探潛力。學(xué)者們［10-11］圍繞四川盆地西北部須三段的物源、沉積相等方面開展過相關(guān)研究，提出其物源主要包括北面米倉山的陸源碎屑和西北邊龍門山的碳酸鹽巖巖屑，儲集巖類型主要為沖積扇—扇三角洲沉積體系的砂礫巖，但對砂礫巖沉積特征的系統(tǒng)研究還相對薄弱，鑒于此，筆者通過系統(tǒng)取心資料、測井資料對四川盆地西北部須三段砂礫巖的沉積特征和展布規(guī)律做詳細(xì)剖析，包括沖積扇和扇三角洲砂礫巖沉積微相的差異性，以期為四川盆地西北部三疊系須三段氣藏的拓展勘探和精細(xì)開發(fā)提供指導(dǎo)作用。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地川北古中坳陷低緩帶的西部，地處米倉山隆起以南和川中古隆中斜平緩帶以北。行政區(qū)劃上，北抵廣元，南至綿陽（圖1），面積約為1.9 萬km2。上三疊統(tǒng)須家河組與下部的中三疊統(tǒng)雷口坡組和上部的下侏羅統(tǒng)自流井組均呈不整合接觸，由下至上可分為須一段—須五段［12］，根據(jù)巖性組合特征，須三段可進(jìn)一步細(xì)分為須三1亞段和須三2亞段，巖性以礫巖、砂巖和泥頁巖互層為主，儲集巖主要為砂礫巖。

圖1 四川盆地西北部構(gòu)造位置及須家河組典型剖面圖Fig.1 Structural location of northwestern Sichuan Basin and stratigraphic column of Xujiahe Formation

2 沉積相類型及分布特征

四川盆地西北部須三段廣泛發(fā)育沖積扇和扇三角洲沉積，可識別出扇中、扇緣、扇三角洲平原和扇三角洲前緣等沉積亞相（表1）。根據(jù)砂礫巖厚度與地層厚度的比值，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景［13］，應(yīng)用優(yōu)勢相編圖方法［14-15］，分別繪制了須三1亞段和須三2亞段的沉積相平面分布圖（圖2）。須三1亞段以發(fā)育沖積扇—扇三角洲沉積體系為特色，扇中位于西北部的劍閣以西地區(qū)，扇緣向南延伸，至安縣、蒼溪等地區(qū)發(fā)育扇三角洲平原，梓潼、閬中以南地區(qū)為扇三角洲前緣［圖2（a）］。須三2亞段的沉積基本繼承了須三1亞段的沉積格局，發(fā)育沖積扇—扇三角洲沉積體系，沖積扇的分布面積較須三1亞段有所擴(kuò)大，扇中位于西北部的劍閣以西地區(qū)，向南延伸，至劍閣等區(qū)域為扇緣，梓潼以北地區(qū)發(fā)育扇三角洲平原，梓潼以南、綿陽等地區(qū)為扇三角洲前緣［圖2（b）］。扇中和扇緣中的辮狀河道、漫流微相砂礫巖與洪泛平原泥質(zhì)沉積物呈相互交錯分布，向扇三角洲平原、扇三角洲前緣方向有一定的延伸，而砂質(zhì)辮狀分流河道以及泥質(zhì)為主的分流間平原、水下分流河道與水下分流間灣呈長帶狀間互分布（圖3）。由于龍門山北段的持續(xù)抬升，沉積盆地被大量注入近源物質(zhì)，同時秦嶺、大巴山也有較多的遠(yuǎn)源物質(zhì)被搬運(yùn)至盆地［16］，須三段沉積期的物源方向主要為北西—南東向，巖性主要為砂礫巖，礫石成分包括碳酸鹽晶粒、碳酸鹽顆粒、石英、長石和巖屑。

表1 四川盆地西北部須三段沉積體系與沉積相劃分Table 1 Sedimentary system and sedimentary facies division of Xu-3 member in northwestern Sichuan Basin

圖2 四川盆地西北部須三段沉積相平面分布圖Fig.2 Distribution of sedimentary facies of Xu-3 member in northwestern Sichuan Basin

3 沖積扇砂礫巖沉積特征

四川盆地西北部須三段沖積扇以發(fā)育扇中和扇緣亞相為主，未發(fā)現(xiàn)扇根亞相。砂礫巖主要分布于扇中辮狀河道微相和扇緣漫流沉積微相。

3.1 扇中辮狀河道沉積

辮狀河道是扇根辮狀河道向扇中方向呈慣性流動并向前延伸的部分［17］。河道普遍出現(xiàn)分而復(fù)合和高頻次的側(cè)向遷移，同一時期發(fā)育的辮狀河道在平面上常呈帶狀或似網(wǎng)狀分布，具有成層性較好、可對比性較強(qiáng)的特征。辮狀河道可構(gòu)成扇中亞相的骨架砂礫體［18］，巖性主要由褐灰色碳酸鹽質(zhì)細(xì)—中礫巖（圖4）、淺灰色細(xì)—粗粒長石巖屑砂巖組成，具有“礫多砂少”的特征，縱向上常具有向上變細(xì)的沉積序列，單砂礫巖體厚度一般為4～6 m（圖5）。砂礫巖體的沉積構(gòu)造以塊狀層理為主，顯示快速堆積的特征。單個辮狀河道砂礫巖體的GR曲線特征主要為中幅—高幅的箱形、鐘形，多個砂礫體連續(xù)重復(fù)疊置的井段，GR曲線則為中幅—高幅的圣誕樹形、微齒化箱形，通常情況下可將其視為向上變細(xì)沉積序列的辮狀河道砂礫巖的沉積響應(yīng)。剖面上，砂礫體的底部與辮狀河道間細(xì)粒沉積物呈截切超覆關(guān)系，頂部與辮狀河道間細(xì)粒沉積呈漸變關(guān)系，構(gòu)成了向上變細(xì)的正韻律，砂礫體或被泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖分隔成孤立狀，或因幾個期次的辮狀河道依次截切超覆作用，造成下伏辮狀河道間沉積物被侵蝕缺失而形成多個砂體連續(xù)疊置，表現(xiàn)出“砂礫多泥少”或“砂（礫）包泥”的特征。辮狀河道在平面上常呈伸長狀向扇緣方向逐漸延伸，并由不同級次的辮狀河道頻繁匯合而成。

圖4 四川盆地西北部須三段砂礫巖的巖心照片（a）JM105 井，4 115.29 m，褐灰色塊狀碳酸鹽質(zhì)中礫巖；（b）JM104 井，4 213.13 m，淺褐灰色塊狀碳酸鹽質(zhì)細(xì)礫巖；（c）JM107 井，4 312.56 m，淺灰色中粒長石巖屑砂巖，發(fā)育塊狀層理；（d）JM105 井，4 121.71 m，淺灰色細(xì)粒巖屑長石砂巖，見板狀交錯層理；（e）JM107 井，4 315.73 m，淺黑灰色細(xì)粒巖屑長石砂巖，見平行層理；（f）Z46 井，2 793.14 m，黑灰色粉砂巖，見沙紋交錯層理Fig.4 Core photographs of sandy conglomerates of Xu-3 member in northwestern Sichuan Basin

圖5 四川盆地西北部須三段砂礫巖垂向結(jié)構(gòu)類型與特征Fig.5 Column showing types and characteristics of vertical structure of sandy conglomerates of Xu-3 member in northwestern Sichuan Basin

3.2 扇緣漫流沉積

漫流沉積是扇中辮狀河道向扇緣方向繼續(xù)作慣性流動和向前延伸后水體匯聚的部分［19］。因河道普遍出現(xiàn)分而復(fù)合和高頻次的側(cè)向遷移，因此同一時期發(fā)育形成的漫流沉積在平面上通常呈帶狀和似網(wǎng)狀分布，表現(xiàn)出較好的成層性和較強(qiáng)的可對比性。漫流沉積是構(gòu)成扇緣亞相的骨架砂礫體，巖性一般由淺灰色細(xì)—中粒長石巖屑砂巖、褐灰色碳酸鹽質(zhì)細(xì)礫巖組成，具有“砂多礫少”的特征，縱向上常具有向上變細(xì)的沉積序列，單砂礫巖體厚度一般為4～6 m。砂礫巖體中以塊狀層理為主，顯示快速沉積的特征。單個漫流沉積砂礫巖體的GR曲線主要表現(xiàn)為中幅—高幅的箱形、鐘形，而多個砂礫體連續(xù)重復(fù)疊置的井段，GR曲線則主要呈現(xiàn)為中幅—高幅的圣誕樹形、微齒化箱形，通常情況下可將其視為向上變細(xì)沉積序列的漫流沉積砂礫巖的沉積響應(yīng)。剖面上，砂礫體的底部與洪泛平原細(xì)粒沉積物呈截切超覆關(guān)系，頂部與洪泛平原細(xì)粒沉積呈漸變關(guān)系，共同構(gòu)成了向上變細(xì)的正韻律，砂礫體或被泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖分隔成孤立狀，或因幾個期次的漫流沉積依次截切超覆作用，造成下伏洪泛平原間沉積物被侵蝕而缺失，從而形成多個砂體連續(xù)疊置，表現(xiàn)出砂礫多泥少或者“砂（礫）包泥”的特點。平面上，漫流沉積呈伸長狀，而延伸方向為扇緣末端，由多級次的漫流頻繁匯合而成。

4 扇三角洲砂礫巖沉積特征

扇三角洲可劃分為扇三角洲平原、扇三角洲前緣和前扇三角洲亞相［20］。四川盆地西北部須三段以發(fā)育扇三角洲平原和扇三角洲前緣較為普遍，未發(fā)現(xiàn)前扇三角洲。砂礫巖廣泛分布于扇三角洲平原的辮狀分流河道、扇三角洲前緣的水下分流河道、河口壩和遠(yuǎn)砂壩微相中。

4.1 扇三角洲平原辮狀分流河道

辮狀分流河道微相是構(gòu)成扇三角洲平原砂礫巖體的骨架相，以堆積砂質(zhì)沉積物為主，常分而復(fù)合和高頻次的側(cè)向遷移。同一時期發(fā)育形成的辮狀分流河道在平面上常呈帶狀分布，表現(xiàn)出較好的成層性和較強(qiáng)的可對比性［21］。巖性主要為淺灰色細(xì)—中粒長石巖屑砂巖，自下而上由淺灰色中粒長石巖屑砂巖向上逐漸過渡為淺灰色細(xì)粒長石巖屑砂巖、粉砂巖、含泥質(zhì)條帶粉砂巖，具有向上變細(xì)的沉積序列，單砂體厚度一般為3～5 m。砂體底部一般可見沖刷面，其上普遍發(fā)育泥礫富集層，為河道滯留沉積。砂體底部常呈塊狀或發(fā)育槽狀交錯層理，上部以發(fā)育平行層理或板狀交錯層理為主，頂部多發(fā)育沙紋層理，反映出向上水動力逐漸變?nèi)醯奶卣?。單個辮狀分流河道砂體的電測曲線主要為中幅—高幅箱形或鐘形，多個砂體連續(xù)疊置的井段，電測曲線形態(tài)主要為中幅—高幅的齒化箱形，這是對向上變細(xì)的沉積序列的分流河道砂質(zhì)沉積的響應(yīng)。剖面上，砂體的底部與分流間平原細(xì)粒沉積物呈截切超覆關(guān)系，頂部與分流間平原細(xì)粒沉積呈漸變關(guān)系，構(gòu)成向上變細(xì)的沉積序列，砂體或被泥巖、泥質(zhì)粉砂巖分隔成孤立狀，或因幾個期次的辮狀分流河道依次截切超覆作用，造成下伏分流間沉積物被侵蝕而缺失，從而形成多個砂體連續(xù)疊置。

4.2 扇三角洲前緣水下分流河道

水下分流河道是入湖辮狀河沿湖底水道向湖盆方向繼續(xù)作慣性流動和向前延伸的部分［22］。水下分流河道常常分而復(fù)合且側(cè)向遷移頻繁，因而同一時期發(fā)育的水下分流河道在平面上常呈寬帶狀和網(wǎng)狀分布，具有成層性好和可對比性強(qiáng)的特點，可構(gòu)成扇三角洲前緣的骨架砂體。巖性主要包括淺灰色細(xì)粒長石巖屑砂巖和黑灰色粉砂巖，單個水下分流河道具有向上水動力變?nèi)醯奶卣?，由于常受到湖浪的疊加改造作用，砂體常呈現(xiàn)水下沉積特征，自下至上由淺灰色細(xì)粒長石巖屑砂巖向上遞變?yōu)楹诨疑凵皫r，構(gòu)成向上變細(xì)的沉積序列，單砂體厚度一般為2～4 m。砂體底部可見沖刷面，其上可見泥礫富集層，泥礫分選磨圓均差，具有撕裂屑特征，屬于河道底部滯留沉積。砂體中下部常發(fā)育塊狀層理和平行層理，向上遞變?yōu)橐?guī)模較小的沙紋交錯層理。單個水下分流河道砂體的電測曲線為中幅—高幅的鐘形，有多個砂體連續(xù)疊置的井段電測曲線為中幅—高幅的圣誕樹形或箱形，這是對具有向上變細(xì)沉積序列的水下分流河道砂質(zhì)沉積的響應(yīng)。剖面上，砂體與下伏河口砂壩或水下分流間灣細(xì)粒沉積物呈截切超覆關(guān)系，頂部與水下堤泛、水下分流間灣或前緣席狀砂呈漸變關(guān)系，構(gòu)成連續(xù)向上變細(xì)的沉積序列，砂體或被泥巖、泥質(zhì)粉砂巖分隔成孤立狀，或因幾個期次的分流河道依次截切超覆作用，造成下伏砂體上部的河口壩或水下堤泛等沉積物被侵蝕而缺失，從而形成多個水下分流河道砂體連續(xù)疊置，垂向剖面上總體顯示出砂多泥少或“砂包泥”的特征。水下分流河道在平面上常呈具備一定離散度的輻射狀向湖盆方向逐漸延伸，并由不同級次的頻繁分流匯合而成，構(gòu)成向湖盆方向不斷推進(jìn)和擴(kuò)大的網(wǎng)狀水系。

4.3 扇三角洲前緣河口壩和遠(yuǎn)砂壩

由河流攜帶的碎屑物質(zhì)在河口地區(qū)沉積可形成河口壩和遠(yuǎn)砂壩［23］。巖性主要為淺灰色細(xì)粒長石巖屑砂巖和黑灰色粉砂巖，單個砂體常呈向上粒度變粗、泥質(zhì)含量降低的反粒序沉積特征，厚度一般為2～4 m。單砂體底部以發(fā)育沙紋層理為主，向上遞變?yōu)槠叫袑永砘驂K狀層理，反映水動力向上逐漸變強(qiáng)的特征。河口壩和遠(yuǎn)砂壩砂體的電測曲線主要為單個中幅漏斗形或指形，局部存在著多個幅度向上變大的齒化漏斗形或指形、箱形臺階狀疊合構(gòu)成的復(fù)合體，呈現(xiàn)出進(jìn)積作用強(qiáng)、泥質(zhì)含量向上減少、粒度變粗等特征。河口壩和遠(yuǎn)砂壩與水下分流河道之間的相轉(zhuǎn)換面，有時出現(xiàn)測井曲線的跳波現(xiàn)象，說明其之間存在較大規(guī)模的截切沖刷面。剖面上，河口壩和遠(yuǎn)砂壩常位于三角洲沉積旋回的下部，通常由多個河口壩與遠(yuǎn)砂壩相互疊置，形成向水下分流間灣或前三角洲下超的進(jìn)積復(fù)合體，其頂部常被向湖盆方向延伸的水下分流河道所截切超覆，或被水下分流間灣細(xì)粒沉積物所覆蓋，通常情況下主要呈現(xiàn)為向上變淺、粒度逐漸變粗的反韻律沉積序列。河口壩和遠(yuǎn)砂壩在平面上常位于水下分流河道末端，為向湖盆方向加寬的扇形或舌形堆積體。

5 不同沉積微相砂礫巖特征對比

四川盆地西北部三疊系須三段砂礫巖主要發(fā)育于沖積扇辮狀河道、漫流、扇三角洲辮狀分流河道、水下分流河道、河口壩和遠(yuǎn)砂壩等微相中。通過統(tǒng)計各微相砂礫巖累計厚度，結(jié)合巖性特征、沉積構(gòu)造、沉積序列等對研究區(qū)不同沉積微相砂礫巖特征進(jìn)行了對比（表2）。

表2 四川盆地西北部須三段各沉積微相砂礫巖特征對比Table 2 Sedimentary features of different microfacies of Xu-3 member in northwestern Sichuan Basin

辮狀河道以沉積塊狀褐灰色碳酸鹽質(zhì)細(xì)—中礫巖為主，具有“礫多砂少”和向上變細(xì)的正粒序特征。漫流沉積的巖性包括淺灰色細(xì)—中粒長石巖屑砂巖和褐灰色碳酸鹽質(zhì)細(xì)礫巖，具有“砂多礫少”和向上變細(xì)正粒序的特征。辮狀分流河道以淺灰色細(xì)—中粒長石巖屑砂巖為主，底部多為河床滯留沉積，上部發(fā)育板狀交錯層理和平行層理，整體上具有向上變細(xì)的正粒序特征。水下分流河道的巖性主要為淺灰色細(xì)粒長石巖屑砂巖和黑灰色粉砂巖，中下部發(fā)育塊狀層理和平行層理，向上遞變?yōu)樯臣y交錯層理，具有向上變細(xì)的正粒序特征。河口壩和遠(yuǎn)砂壩的巖性主要為淺灰色細(xì)粒長石巖屑砂巖和黑灰色粉砂巖，底部發(fā)育沙紋交錯層理，向上遞變?yōu)槠叫袑永淼?，整體上具有向上變粗的反粒序特征。辮狀河道、漫流和辮狀分流河道微相的砂礫巖累計厚度均較大，多大于70 m，水下分流河道、河口壩和遠(yuǎn)砂壩微相的砂礫巖累計厚度均較小，多小于30 m。

6 油氣地質(zhì)意義

四川盆地西北部三疊系須三段沉積中，辮狀河道、漫流以及辮狀分流河道微相的砂礫巖體較發(fā)育，水下分流河道、河口壩和遠(yuǎn)砂壩微相次之，其中相對優(yōu)質(zhì)儲層主要為泥質(zhì)含量低、粒度較粗的巖石，多發(fā)育于辮狀河道、辮狀分流河道以及水下分流河道中下部，漫流沉積、河口壩和遠(yuǎn)砂壩的中上部也少量發(fā)育。辮狀河道間、洪泛平原、分流間平原和水下分流間灣發(fā)育的黑色泥頁巖可作為烴源巖，也是良好的蓋層［24-25］。因此，扇中、扇緣和扇三角洲平原、扇三角洲前緣均具有較好的成藏組合，辮狀河道、漫流沉積和辮狀分流河道砂礫巖累計厚度較大，可作為下一步天然氣勘探的重要目標(biāo)。

7 結(jié)論

（1）四川盆地西北部須三段以發(fā)育沖積扇以及扇三角洲為主，可分為扇中、扇緣、扇三角洲平原以及扇三角洲前緣等4 種沉積亞相。沖積扇砂礫巖主要發(fā)育于扇中辮狀河道微相和扇緣漫流微相，辮狀河道和漫流沉積分別具有“礫多砂少”和“砂多礫少”的特征，均具有向上變細(xì)的正粒序特征。

（2）四川盆地西北部須三段扇三角洲砂礫巖主要發(fā)育于扇三角洲平原的辮狀分流河道微相、扇三角洲前緣的水下分流河道、河口壩和遠(yuǎn)砂壩微相。辮狀分流河道和水下分流河道具有向上變細(xì)的正粒序特征，河口壩和遠(yuǎn)砂壩具有向上變粗的反粒序特征。

（3）四川盆地西北部須三段辮狀河道、漫流、辮狀分流河道砂礫巖較發(fā)育，水下分流河道、河口壩和遠(yuǎn)砂壩砂礫巖次之，這些相對優(yōu)質(zhì)的儲集體與辮狀河道間、洪泛平原、分流間平原和水下分流間灣發(fā)育的黑色泥頁巖構(gòu)成了良好的生儲蓋組合，為下一步天然氣勘探的重要目標(biāo)。