四川盆地東部二疊系茅口組層序地層特征及地質(zhì)意義

胡羅嘉，黃世偉，譚萬倉，譚秀成，蘇成鵬，胡 笙，李明隆，劉 菲，馮 亮

1油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室；2中國石油集團碳酸鹽巖儲層重點實驗室西南石油大學(xué)研究分室；3西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；4中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院；5大慶油田有限責(zé)任公司勘探事業(yè)部；6大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院；7中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院；8中國石油西南油氣田公司重慶氣礦

0 前言

近期，四川盆地東部地區(qū)（簡稱“川東”）的WT1井、QL50井和W67井均在中二疊統(tǒng)茅口組試獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，展示了該區(qū)茅口組良好的勘探前景［1］。層序地層學(xué)研究一直是茅口組沉積儲層研究的重點之一［2-3］，通過對沉積地層進行精確劃分、對比和分析，為沉積相帶劃分、巖相古地理重建、巖溶古地貌恢復(fù)和儲層預(yù)測等提供了良好的理論和實測方法。前人從不同角度開展了茅口組層序研究工作［4-14］，由于這些研究大多以整個盆地為對象，同時川東茅口組后期受剝蝕較為嚴重，層序界面可對比性較差，研究范圍、研究程度的差異使得茅口組層序地層劃分方案存在爭議，集中體現(xiàn)在三級層序數(shù)量、每一個三級層序?qū)?yīng)的巖性地層段等方面。

作者基于川東茅口組鉆井巖心、測錄井和成像測井、薄片觀察等資料，在層序界面特征研究的基礎(chǔ)上，通過地層精細劃分對比，將茅口組共劃分為5個三級層序，進一步明確等時地層格架內(nèi)地層充填規(guī)律，探討了古地理演化。該項研究可為川東茅口組油氣勘探提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于四川盆地東部，構(gòu)造位置大部分處于川東高陡褶皺帶，局部處于川北低陡褶皺帶、川中低緩褶皺帶、川南低陡褶皺帶（圖1a）。泥盆紀末期的柳江運動以及石炭紀的云南運動，使盆地沉積基底暴露剝蝕，導(dǎo)致研究區(qū)普遍缺失下二疊統(tǒng)［15-18］。在廣泛海侵背景下形成的中二疊統(tǒng)，分別超覆于石炭系、泥盆系、志留系或更老地層之上［14,19］，自下而上分為梁山組、棲霞組和茅口組（圖1b）。中二疊世早期研究區(qū)發(fā)生由東向西的廣泛海侵，形成梁山組碎屑濱岸相沉積［20］，到棲霞期過渡為碳酸鹽臺地沉積，棲霞末期海平面下降，沉積區(qū)轉(zhuǎn)化為暴露區(qū)受到大氣水淋濾溶蝕，形成一個區(qū)域性暴露侵蝕不整合面［16］。茅口早期再次廣泛海侵，茅口組下部茅一段發(fā)育一套典型泥灰?guī)r-灰?guī)r（也稱之為眼球眼皮狀灰?guī)r）韻律互層沉積［21］，向中上部過渡為灰色、深灰色含生物碎屑灰?guī)r、泥晶生物碎屑灰?guī)r，夾有泥質(zhì)灰?guī)r和含泥灰?guī)r，含較多的燧石結(jié)核或條帶，局部發(fā)育白云巖。某些地區(qū)茅二段中上部至茅四段發(fā)育一套名曰“孤峰段”的硅質(zhì)泥頁巖，它與茅口組碳酸鹽巖屬于同期異相（圖1b）［22-23］。受東吳運動引發(fā)的構(gòu)造抬升作用影響，茅口組中晚期盆地發(fā)生沉積分異，呈現(xiàn)隆凹相間的沉積格局。茅口組頂部遭到不同程度剝蝕，形成區(qū)域性暴露不整合面［24-26］。該剝蝕面與孤峰段的欠補償沉積共同控制了茅口末期的地貌特征。茅口組之上覆蓋了上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M濱岸—潮坪沉積，巖性以泥頁巖為主。平面上研究區(qū)茅口組為一套連續(xù)沉積，沉積分異不大，具備等時、可對比的條件。

2 層序地層格架建立

以經(jīng)典的層序地層學(xué)理論與方法為指導(dǎo)［27-28］，在鉆井巖心精細描述、取樣及薄片鑒定的基礎(chǔ)上，結(jié)合自然伽馬曲線的旋回變化特征，對研究區(qū)40多口探井的二疊系茅口組進行層序地層劃分、對比和追蹤。研究區(qū)茅口組的碳酸鹽巖依據(jù)顆粒含量由高到低可劃分為4種結(jié)構(gòu)類型：顆粒巖類、泥粒巖類、粒泥巖類和泥晶巖類，其中顆粒巖類包括亮晶生物碎屑（砂屑）灰?guī)r、泥-亮晶生物碎屑（砂屑）灰?guī)r等，泥粒巖類包括泥晶生物碎屑（砂屑）灰?guī)r等，粒泥巖類包括含生物碎屑泥晶灰?guī)r、砂屑泥晶灰?guī)r等，泥晶巖類包括泥晶灰?guī)r、含泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等（圖2）。

圖2 川東C67井茅口組層序地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive sequence stratigraphic column of Maokou Formation of Well C67 in eastern Sichuan Basin

2.1 層序地層方案

在川東茅口組中識別出兩種類型的層序界面，SB-Ⅰ和SB-Ⅱ，前者為暴露不整合面（Ⅰ型），后者為巖性-巖相轉(zhuǎn)換面（Ⅱ型）；從下到上劃分為5個三級層序（SQ1至SQ5），除上部的SQ5因后期缺失而僅殘存TST外，其余各層序均由TST和HST組成（圖2）。層序界面之下GR曲線多表現(xiàn)為相對低值，對應(yīng)沉積以顆粒巖類為主；界面之上GR曲線表現(xiàn)為相對高值，對應(yīng)沉積以泥粒巖類、粒泥巖類為主，泥質(zhì)含量增高。如圖2所示，該方案與巖石地層大致對應(yīng)關(guān)系為：SQ1對應(yīng)茅一段中下部，SQ2對應(yīng)茅一段上部，SQ3對應(yīng)茅一段頂部至茅二段，SQ4對應(yīng)茅二段頂部及茅三段，SQ5對應(yīng)茅四段。

2.2 Ⅰ型層序界面特征

海相碳酸鹽巖層系的Ⅰ型層序界面，是當(dāng)海平面迅速下降且速率大于碳酸鹽臺地或灘邊緣盆地沉降速率，海平面位置低于臺地或灘邊緣時所形成的。以侵蝕不整合面標志為依據(jù)，在茅口組頂、底及內(nèi)部共識別出以下3個Ⅰ型層序界面（圖2）。

茅口組與下伏棲霞組分界面為一典型侵蝕不整合面［29-30］。研究區(qū)Z8井揭示，棲霞組巖性主要為淺色生物碎屑灰?guī)r、泥晶生物碎屑灰?guī)r，茅口組SQ1巖性為眼球眼皮狀灰?guī)r、泥晶生物碎屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r等（圖3a）。茅一段下部有機質(zhì)含量增高，GR曲線由棲霞組頂部的鋸齒狀低—中值向上轉(zhuǎn)變?yōu)槊┛诮M底部的指狀中—高值（圖3a）。MX9井成像測井顯示，棲霞組頂部表現(xiàn)為亮色中—厚層夾暗色薄層條紋，向界面之上茅口組SQ1過渡為亮色中—薄層條帶夾暗色薄層條紋（圖4a）。

茅口組內(nèi)部SQ3與SQ4分界面基于全盆地有關(guān)地質(zhì)資料，川東茅口組內(nèi)幕SQ3與SQ4之間同樣存在暴露不整合面。從W79井揭示的巖性看，SQ3主要為泥粒巖類和顆粒巖類（圖3b），鏡下可見微裂縫和溶洞發(fā)育，充填黑色碳質(zhì)和方解石晶粒；SQ4巖性為泥頁巖、灰質(zhì)泥巖。GR曲線由鋸齒狀低值向上突變?yōu)橹笭?、鋸齒狀高值（圖3b）。MX9井成像測井顯示，SQ3頂部亮色中厚層（灰?guī)r）向上突變?yōu)镾Q4底部亮色薄層（灰?guī)r），且在界面之下可見少量暗色溶洞（圖4b），這表明SQ3頂部曾經(jīng)由于暴露而遭受大氣淡水的溶蝕改造。

圖3 川東茅口組Ⅰ型層序界面上下巖性及自然伽馬特征Fig.3 Lithology and natural gamma characteristics of the upper and lower strata of SB-Ⅰof Maokou Formation in eastern Sichuan Basin

圖4 川東茅口組Ⅰ型層序界面上下成像測井響應(yīng)特征Fig.4 FMI image characteristics of the upper and lower strata of SB-Ⅰof Maokou Formation in eastern Sichuan Basin

茅口組與上覆龍?zhí)督M分界面中二疊世末—晚二疊世初發(fā)生的東吳運動，導(dǎo)致茅口組抬升出露地表，形成一個區(qū)域性不整合面［8-9,31］。研究區(qū)C67井揭示，茅口組頂部主要發(fā)育亮晶生物碎屑灰?guī)r、泥晶生物碎屑灰?guī)r，上覆龍?zhí)督M主要為泥頁巖（圖3c）和煤系地層，局部地區(qū)還發(fā)育火山巖，巖性有玄武巖、凝灰?guī)r（圖3d）、凝灰質(zhì)砂巖等。GR曲線由顆?；?guī)r的箱狀、鋸齒狀低—中值向上突變?yōu)殇忼X狀中—高值（圖3c，3d）。M1井成像測井中，茅口組頂部可見大量巖溶作用形成的暗色溶洞，上覆龍?zhí)督M呈現(xiàn)泥灰?guī)r、泥巖互層的亮—暗色薄互層（圖4c）。

2.3 Ⅱ型層序界面特征

海相碳酸鹽巖層系的Ⅱ型層序界面，是在海平面下降速率小于盆地沉降速率時形成的。主要以巖性-巖相轉(zhuǎn)換面作為判識標志，在茅口組內(nèi)自下而上共識別出3個Ⅱ型層序界面（圖2）。

總體上，Ⅱ型層序界面之下多為顆粒含量較高的砂屑、生物碎屑灰?guī)r，如SQ1頂部發(fā)育的泥晶-亮晶生物碎屑灰?guī)r、亮晶-泥晶生物碎屑灰?guī)r以及SQ4頂部的亮晶生物碎屑砂屑灰?guī)r（圖2）。界面之上的灰?guī)r，顆粒含量明顯減少，灰泥含量逐漸增多，結(jié)構(gòu)類型主要為粒泥巖類，巖石類型主要有SQ2底部、SQ3底部的生物碎屑泥晶灰?guī)r以及SQ5底部（茅四段底部）的砂屑泥晶灰?guī)r、含生物碎屑泥晶灰?guī)r、泥晶灰?guī)r等（圖2）。這表明轉(zhuǎn)換面之下以發(fā)育向上變粗的沉積序列為特征，而轉(zhuǎn)換面之上為向上變細的沉積序列，預(yù)示著又一海侵旋回的開始。

3 層序地層充填規(guī)律

在單井層序地層劃分和層序界面識別的基礎(chǔ)上，應(yīng)用碳酸鹽巖層序地層學(xué)理論和方法，在研究區(qū)建立茅口組層序地層格架。

3.1 層序格架與充填過程

以茅口組SQ2最大海泛面（MFS）作為等時界面進行層拉平和層序地層對比基準面，選取北東向的一條典型剖面進行層序地層橫向?qū)Ρ?，以展示茅口組層序格架內(nèi)的沉積充填特征（圖5）。

圖5 川東茅口組層序地層對比剖面圖（剖面位置見圖1）Fig.5 Sequence stratigraphic correlation section of Maokou Formation in eastern Sichuan Basin（section position is shown in Fig.1)

如圖5所示，由東北至西南方向，SQ1地層厚度總體上呈現(xiàn)出逐漸減薄的變化趨勢，具有超覆沉積的特征。尤其是下部的TST表現(xiàn)更為明顯，地層不僅逐漸減薄，并且在西部的TF2井、SH2井等井區(qū)完全缺失（反映該區(qū)在SQ1海侵期未接受沉積）。由于研究區(qū)SQ1廣泛發(fā)育淺水眼球眼皮狀灰?guī)r［21］，黏土含量低，有機質(zhì)含量高，導(dǎo)致部分井SQ1的TST下部GR值總體低于HST。

SQ2地層遍布全區(qū)，在對比剖面中可追蹤對比；其中的TST沉積為茅口期最大海泛沉積，全區(qū)穩(wěn)定分布，易追蹤對比，可作為區(qū)域?qū)Ρ鹊臉酥緦印Q2地層厚度出現(xiàn)了一定的分異，主要表現(xiàn)為持續(xù)沉降區(qū)和顆粒灘發(fā)育區(qū)地層厚度較大，而且HST地層厚度普遍大于TST地層厚度。

SQ3地層在北東—南西方向上發(fā)育相對完整，但橫向變化較大。由C67井區(qū)到J1井區(qū)，再到F1井區(qū)SQ3，地層厚度急劇減小，巖性特征也發(fā)生了明顯變化，由C67井區(qū)的泥晶顆?；?guī)r變化為F1井區(qū)的泥巖、頁巖。巖性和厚度的空間變化，是對沉積環(huán)境分異（從中西部的淺水碳酸鹽臺地到東部的欠補償?shù)纳钏h(huán)境）的響應(yīng)。

SQ4地層繼承性地呈現(xiàn)出西南厚東北薄的變化趨勢，并且HST地層厚度普遍大于TST地層厚度。然而，由于受后期東吳運動引發(fā)的構(gòu)造抬升和差異剝蝕的影響，該層序地層保存不全，C34井區(qū)以東，J1井、F1井區(qū)SQ4地層完全缺失。

SQ5地層在研究區(qū)東北部完全缺失，僅在西南部殘存少量TST地層，厚度一般小于30 m，如TF2井、SH2井、C67井等井區(qū)。

綜上所述，研究區(qū)茅口組層序地層總體上具有下部超覆、頂部削蝕的特征：下部的SQ1層序由東北往西南向海西期古隆起和古地貌高地逐漸超覆、減?。豁敳科毡榇嬖诿黠@的地層減薄缺失現(xiàn)象，而且在東北部更為明顯。

3.2 層序地層分布規(guī)律

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)40多口探井的茅口組5個三級層序的分層與厚度數(shù)據(jù)，分別編繪SQ1至SQ5層序地層厚度分布圖（圖6），展示地層充填特征及演化。

圖6 川東茅口組各層序厚度等值線圖Fig.6 Thickness contour map of each sequence of Maokou Formation in eastern Sichuan Basin

SQ1層序地層厚度分布在20～80 m之間，總體上表現(xiàn)出東西分異、厚薄相間的分布趨勢（圖6a）：在研究區(qū)中部，大致在TS6井—TS8井—W78井—C67井區(qū)一帶，厚度較大，一般大于60 m；該帶以西，地層厚度逐漸減薄，在MX9井—MX39井區(qū)一帶，厚度普遍小于50 m；該帶以東，在J1井—DX5井—F1井區(qū)一帶及其以東地區(qū)，厚度普遍小于60 m。

SQ2層序地層厚度平面分布具有一定繼承性。SQ2層序總體上厚度較大，普遍超過50 m（圖6b），尤其是在東南部的DX5井—石柱—南川一帶，最大厚度可達90多米，例如C34井、TH1井等井區(qū)。然而，在西部的MX39井區(qū)和東部的F1井區(qū)附近，厚度較?。ㄐ∮?0 m）。

SQ3層序地層厚度呈現(xiàn)出明顯的東西分異和厚薄相間的分布格局（圖6c）：大致在中部的TS8井—C34井—C67井區(qū)一帶，表現(xiàn)為一個向東凸出的弓形增厚帶，厚度普遍大于70 m；該帶以西，仍表現(xiàn)為厚薄相間的分布特征，厚度一般介于30～70 m；該帶以東，向東北逐漸減薄，在研究區(qū)東北緣的D4井—MC2井—F1井一帶，層序厚度最?。ㄐ∮?0 m）。

SQ4層序地層厚度分布表現(xiàn)出對SQ3層序的繼承與發(fā)展，東西分異明顯（圖6d）：大致在TS8井—QL1井—C10井—石柱—SH2井—TF2井一線以西，厚度較大，普遍大于70 m，局部可達90多米（例如S11井區(qū)），這一厚度帶總體上呈向東凸出的馬蹄形展布；該線向東北迅速減薄到30 m以下，局部被剝蝕殆盡，向東向南減薄至40 m以下。

受后期東吳運動引發(fā)的差異升降和差異剝蝕的影響，SQ5層序地層殘缺不全（圖6e）：研究區(qū)北部被剝蝕殆盡，僅在西南部的鄰水—江北—南川—石柱一帶殘存了層序下部（以TST為主），厚度普遍小于20 m，局部在20～30 m之間，例如JS1井、LS1井兩個井區(qū)。

4 地質(zhì)意義

4.1 巖相古地理演化

二疊系沉積前，四川盆地古地貌總體表現(xiàn)為西南高、東北低的特征［12］。中二疊世，受峨眉地裂運動的影響，揚子板塊處于拉張環(huán)境，海水主要從東、北、南等3個主要方向進入，四川盆地以發(fā)育棲霞組和茅口組為代表的海相碳酸鹽沉積為特征。川東茅口組下部SQ1層序向海西期古隆起和古高地超覆（圖5），整體上SQ1和SQ2沉積期為一具有微地貌起伏的開闊臺地環(huán)境，以廣泛發(fā)育臺內(nèi)灘和灘間海沉積為特征［21,32-33］。

在東吳運動的持續(xù)影響下，茅口組沉積環(huán)境由SQ1、SQ2的開闊臺地逐漸演變?yōu)镾Q3具緩斜坡的弱鑲邊碳酸鹽臺地沉積體系［12,17,30,34］。SQ3沉積期繼承了前期西南高、東北低的古地貌，疊加北西向隆洼相間的古地理格局，控制了SQ3的沉積演化及平面分布，開始出現(xiàn)北東—南西向古地貌分異和沉積分異（圖5）：東部F1井區(qū)開始發(fā)育以泥頁巖、硅質(zhì)頁巖等為代表的孤峰段深水沉積，在MC2井區(qū)具有同樣的特點（圖7a），表明研究區(qū)東緣開始加速沉降，水體變深；向西，大致在中部的TS6井—TS8井—C67井區(qū)一帶，發(fā)育了較厚的顆粒灘沉積，巖性以生物碎屑砂屑灰?guī)r為主（圖7b），推測為弱鑲邊的臺緣灘沉積。到SQ4沉積時期，研究區(qū)北東—南西向古地貌分異和沉積分異更加明顯：東部持續(xù)沉降，欠補償?shù)纳钏练e范圍向西擴大到TS8井—QL1井區(qū)一帶，巖性以硅質(zhì)頁巖、含生物碎屑泥晶灰?guī)r為主，厚度較?。▓D7c）；深水沉積區(qū)以南，巖性主要為生物碎屑砂屑灰?guī)r，厚度較大，推測為臺緣顆粒灘沉積（圖7d）［17,34］。因此，SQ3和SQ4沉積期研究區(qū)沉積古地理格局總體上表現(xiàn)為西淺東深，推斷為碳酸鹽臺地—陸棚體系，兩者之間可能有坡折帶的存在。茅口組沉積末期，東吳運動主幕導(dǎo)致上揚子臺地整體抬升暴露遭受剝蝕（圖5，圖6e）。

圖7 川東茅口組SQ3、SQ4層序巖電響應(yīng)特征Fig.7 Rock electrical response characteristics of SQ3 and SQ4 of Maokou Formation in eastern Sichuan Basin

4.2 油氣儲集意義

四川盆地茅口組碳酸鹽巖巖溶儲層具備較好的天然氣儲集條件［35-36］，近年來在研究區(qū)G4井、WT1井、W67井、BD3井、S11井、JS1井等井茅口組中相繼獲得了高產(chǎn)工業(yè)氣流。沉積相是控制碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育與分布的一個關(guān)鍵要素［8］。臺地邊緣顆粒灘和開闊臺地內(nèi)顆粒灘為有利的儲集相帶［33,37］，其中，臺緣顆粒灘的規(guī)模一般大于臺內(nèi)顆粒灘，且更容易遭受早成巖期巖溶作用的疊加優(yōu)化改造，因而具有更好的儲集物性［38-39］，是最有利的儲集相帶。綜觀研究區(qū)茅口組5個三級層序的地層分布（圖6），只有SQ3和SQ4層序具備發(fā)育厚度較大的臺緣顆粒灘沉積的有利條件，因此這兩個層序是最有利于優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的層段（圖8）。正如前述有關(guān)沉積古地貌演化的分析，SQ3、SQ4沉積時期，研究區(qū)東部發(fā)育孤峰段以泥頁巖、硅質(zhì)頁巖等為代表的深水沉積，其西側(cè)發(fā)育了成排成帶、以生物碎屑灰?guī)r為代表的臺緣灘和臺內(nèi)灘沉積。這些通常發(fā)育于海底古地貌高地上的顆粒灘體，尤其是較厚的、具有弱鑲邊特征的臺緣灘體，更容易遭受早成巖期巖溶作用的疊加優(yōu)化改造。

巖溶改造作用是海相碳酸鹽巖形成優(yōu)質(zhì)儲層的關(guān)鍵要素之一［35］。研究區(qū)茅口組發(fā)育有3個Ⅰ型層序界面，其中茅口組內(nèi)部SQ3與SQ4之間和茅口組與龍?zhí)督M之間的界面均為暴露侵蝕不整合面，界面之下的碳酸鹽巖易遭受強烈的早成巖期巖溶改造，尤其是在SQ3與SQ4層序（茅二段—茅三段）灰?guī)r內(nèi)，形成了眾多形態(tài)各異、以巖溶縫洞為代表的儲集空間（圖8），不僅在巖心中清晰可見，而且在成像測井上有明顯的響應(yīng)。由一期或兩期以上的早成巖期巖溶作用形成的巖溶縫洞、殘余孔洞以及大量溶蝕孔洞，在區(qū)域上控制了儲集空間的分布。層序地層格架內(nèi)有利儲集相帶與早成巖期巖溶改造的疊合，形成了茅口組富有特色的巖溶型灰?guī)r儲層。

5 結(jié)論

（1）在四川盆地東部中二疊統(tǒng)茅口組中識別出3個Ⅰ型層序界面和3個Ⅱ型層序界面，據(jù)此將茅口組劃分為5個三級層序。

（2）茅口組層序地層總體上具有下部超覆、頂部削蝕的特征：下部的SQ1層序表現(xiàn)出由東北往西南向海西期古隆起和古地貌高地超覆、減薄，頂部的SQ5層序因后期東吳運動造成的削蝕而殘缺不全。

（3）茅口組層序格架內(nèi)地層總體上表現(xiàn)出東西分異、厚薄相間的分布特點：SQ3、SQ4層序在研究區(qū)中部均發(fā)育有一個成帶狀展布的地層增厚帶，可能對應(yīng)于弱鑲邊的臺緣灘相帶；該帶以東為地層減薄區(qū)，與發(fā)育孤峰段泥頁巖、硅質(zhì)頁巖的深水沉積區(qū)吻合。

（4）層序地層格架內(nèi)有利儲集相帶與Ⅰ型層序界面下早成巖期巖溶改造的疊合，有利于茅口組形成富有特色的巖溶型灰?guī)r儲層。