四川盆地合川?潼南地區(qū)棲霞組白云巖天然氣地質(zhì)特征及有利勘探區(qū)帶

何文淵 蒙啟安 印長海 王顯東 張慧君 師江波

（1. 中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163002；2. 中國石油天然氣集團有限公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室大慶油田研究分室，黑龍江 大慶 163712；3. 中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

0 引 言

下二疊統(tǒng)棲霞組是四川盆地重要的勘探目的層之一，1976年，川中地區(qū)的女基井在棲霞組揭示孔隙型白云巖儲層，中途測試獲4.56×104m3/d 的工業(yè)氣流，標(biāo)志著川中地區(qū)下二疊統(tǒng)的勘探正式開始［1?2］。2015年以來MX31X1 井、MX42 井、GS18井等井相繼在棲霞組孔隙性白云巖獲工業(yè)氣流，2018年HS4 井在棲霞組酸壓測試獲得51.6×104m3/d高產(chǎn)工業(yè)氣流，進一步證實合川?潼南地區(qū)棲霞組巨大的勘探潛力。鉆井雖然普遍揭示棲霞組發(fā)育孔隙型白云巖，但由于其橫向連續(xù)性差、厚度變化大、非均質(zhì)性強［3］，尋找白云巖儲層成為棲霞組取得規(guī)模發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵。

前人對四川盆地棲霞組的沉積環(huán)境、儲層特征以及巖相古地理等［4?7］均開展過研究，但主要集中在川西北的雙魚石、礦山梁和九龍山地區(qū)以及蜀南地區(qū)，關(guān)于棲霞組的沉積模式主要以碳酸鹽臺地及碳酸鹽巖緩坡2種模式的觀點為主，而關(guān)于白云巖儲層成因的觀點主要包括“混合水白云巖化”“埋藏白云巖化”“玄武巖淋濾”及“構(gòu)造—熱液白云巖化”等［8?11］，其中以“淺埋藏期發(fā)生的熱液白云巖化模式”占主導(dǎo)，認(rèn)為灘相沉積是白云巖儲層的基礎(chǔ)，多期白云巖化作用疊加是成儲的關(guān)鍵。

目前，四川盆地合川?潼南地區(qū)共有24 口鉆井揭示棲霞組，10 口井見到較好的含氣顯示，由于勘探程度不均衡的問題，合川?潼南地區(qū)棲霞組沒有開展過系統(tǒng)的基礎(chǔ)地質(zhì)研究。HS4 井的工業(yè)突破確立了棲霞組白云巖為主力儲集層，在以前研究工作和最新勘探成果的基礎(chǔ)上，本文對研究區(qū)棲霞組白云巖開展了沉積相分布特征、儲層形成機理、儲蓋配置條件等方面研究，獲得了大量的實驗數(shù)據(jù)，提出了棲霞組白云巖化時間的新認(rèn)識，明確了棲霞組白云巖儲層的主控因素，有力支撐了合川?潼南地區(qū)棲霞組的層系評價及區(qū)帶優(yōu)選。

1 地質(zhì)背景

四川盆地在大地構(gòu)造上屬于上揚子地臺，合川?潼南地區(qū)處于四川盆地川中平緩構(gòu)造帶的東南翼部，受川中古隆起殘余地貌及二疊紀(jì)繼續(xù)活動的影響，棲霞期繼承了梁山期古地貌格局，具有“西高東低”的古地貌背景。眾多學(xué)者對川中古隆起做了大量的研究［1?5］。認(rèn)為川中古隆起是受基底隆起控制的繼承性隆起，受多次構(gòu)造運動的控制，具有多旋回發(fā)育的特點，經(jīng)過多次沉積和隆升剝蝕，該構(gòu)造最終在早二疊世形成（圖1），然后經(jīng)過印支、燕山和喜馬拉雅運動的調(diào)整和重建，形成了目前的構(gòu)造形態(tài)。在早二疊世的梁山組—棲霞組沉積時期，整個上揚子地區(qū)發(fā)生了大規(guī)模的海侵，研究區(qū)從早期梁山組含煤泥頁巖沉積逐漸過渡到棲霞組的碳酸鹽巖沉積環(huán)境；棲霞組覆蓋在梁山組之上，是一個陸表海碳酸鹽巖臺地沉積建造，曾發(fā)生過多次的海侵和海退，海平面整體上表現(xiàn)為逐步降低的特征，導(dǎo)致形成了緩慢增強的水動力條件和碳酸鹽顆粒緩慢開始富集的趨勢。

圖1 四川盆地二疊系沉積前古地質(zhì)與地層綜合柱狀圖（HS4井）Fig.1 Pre-Permian palaeogeology of Sichuan Basin and comprehensive stratigraphic column of Qixia Formation(Well HS4)

棲霞組厚度為90～130 m，根據(jù)巖性組合和電性特征，將下二疊統(tǒng)棲霞組細(xì)分為2 段。棲一段單井厚度為25～35 m，地層由東向西減薄。巖性為灰色厚層塊狀灰?guī)r，深灰色泥晶灰?guī)r、泥晶生屑灰?guī)r、云質(zhì)泥晶灰?guī)r，含少量泥質(zhì)，中上部見多層薄層具顆?；糜鞍自茙r，底部具有泥質(zhì)逐漸增多的趨勢，顏色過渡為灰黑色，見燧石條帶和燧石結(jié)核，下部常見層狀硅質(zhì)巖。單井鉆遇棲二段厚度70～100 m，以淺灰、深灰色生屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r為主，中上部見多層具顆粒幻影的薄層白云巖（圖1）。

2 沉積特征

通過單井相劃分、地層厚度分布研究，結(jié)合野外及地震剖面資料，綜合四川盆地的研究基礎(chǔ)［3，12］，得到了合川?潼南地區(qū)棲霞組沉積相平面分布（圖2）。合川?潼南地區(qū)棲霞組沉積時在整體上呈現(xiàn)出西高東低的古地質(zhì)背景，從西向東發(fā)育中緩坡—外緩坡的沉積相儲層。棲霞組沉積早期，上揚子地臺快速水進，水體普遍較深，合川?潼南地區(qū)整體發(fā)育較深水臺洼，巖性以黑灰色含生物碎屑的泥質(zhì)、泥晶灰?guī)r為主，常夾有泥質(zhì)條帶，局部見硅質(zhì)結(jié)核。棲霞組沉積中晚期，經(jīng)歷緩慢海退，相對海平面較低，沉積相變化較大，中緩坡成為研究區(qū)主要的沉積相帶，受川中古隆起影響，形成洼隆相間的沉積特征，圍繞川中古隆起呈弧形展布；其中中緩坡巖性以砂屑、生物碎屑灰?guī)r為主，顆粒間多為亮晶膠結(jié)，局部含生物碎屑白云巖，而外緩坡巖性以深色泥—微晶灰?guī)r為主。

圖2 合川?潼南地區(qū)棲霞組中晚期沉積相Fig.2 Sedimentary facies in middle and late periods of Qixia Formation in Hechuan-Tongnan area

根據(jù)實鉆資料，棲霞組在研究區(qū)西部主要發(fā)育薄層臺內(nèi)灘亞相，巖性以泥晶生屑灰?guī)r和少量亮晶生屑灰?guī)r為主，灘體單層厚度普遍2～5 m，局部可云化形成白云巖儲層，是棲霞組儲層發(fā)育的最有利相帶；在研究區(qū)東部，發(fā)育外緩坡亞相的低能灘間及深水臺洼沉積，巖性以泥晶灰?guī)r為主，儲層基本不發(fā)育?？v向上，灘體主要發(fā)育在棲二段，西部灘體較東部更為發(fā)育，灘體由東南部向西北部逐漸超覆，灘體單層厚度及總厚度明顯增大。處于中緩坡環(huán)境的MX42 井－HS4 井在棲霞組發(fā)育多層生屑灘、云化灘沉積組合，單層生屑灘厚度2～10 m，尤其在棲二段上部，多見具粗大生屑的亮晶生屑灰?guī)r，至外緩坡環(huán)境的L1 井－HX2 井，生屑灘沉積的厚度逐漸變薄，單層生屑灘厚度1～2 m，呈現(xiàn)少量薄層狀生屑灘與厚層灘間泥晶灰?guī)r的交互疊置（圖3）。

圖3 合川?潼南地區(qū)棲霞組沉積微相連井剖面Fig.3 Well-tie section of sedimentary microfacies of Qixia Formation in Hechuan-Tongnan area

3 儲層特征及主控因素

3.1 儲層發(fā)育特征

合川?潼南地區(qū)棲霞組主要發(fā)育孔隙型或溶蝕孔洞型白云巖儲層。MX42 井、HP1 井、HS2 井、HS4 井等多口鉆井取心資料分析結(jié)果表明，棲霞組儲層均發(fā)育在白云巖、云質(zhì)灰?guī)r中，白云巖主要分為殘余顆粒白云巖和晶粒白云巖（圖4），儲層單層厚度為1～9 m。

圖4 棲霞組儲層孔隙類型微觀及巖心照片F(xiàn)ig.4 Microscopic and core photos of reservoir pore types of Qixia Formation

根據(jù)巖心觀察、薄片鑒定、測井資料分析等綜合分析，棲霞組白云巖主要分為晶粒白云巖和殘余顆粒白云巖（圖4（a）—（c）），儲集空間類型包括粒內(nèi)溶孔（圖4（a））、晶間（溶）孔（圖4（b））、溶蝕孔洞等（圖4（d）—（f）），形態(tài)分布不均，非均質(zhì)性較強，孔隙和（溶蝕）孔洞起主要作用，裂縫僅改善儲層的滲透作用［13］。巖心柱塞樣品分析資料表明，HS4 井區(qū)棲霞組孔隙度平均2.8%，中值2.8%；空氣滲透率平均值0.066×10-3μm2，中值0.009×10-3μm2，孔隙度大于等于2% 的 樣 品 滲 透 率 平 均 值0.02×10-3μm2，中 值0.008×10-3μm2。儲層物性整體以低孔?低滲為主，孔隙度與滲透率具有正相關(guān)關(guān)系，局部發(fā)育中孔—高孔層段［14］。

3.2 儲層分布主控因素

受控于川中古隆起的長期繼承性穩(wěn)定發(fā)展，合川?潼南地區(qū)棲霞組儲層的形成主要受沉積環(huán)境和成巖作用的控制［15］，研究認(rèn)為古地貌、準(zhǔn)同生白云巖化作用和巖溶作用共同控制了合川?潼南地區(qū)棲霞組白云巖儲層的分布。

3.2.1 古地貌

研究區(qū)在梁山組沉積后，棲霞組開始了大規(guī)模海侵，在棲二段早期基本完成對區(qū)內(nèi)西高東低古地貌格局的填平補齊過程［16］，并在棲一段頂部形成全盆地的初始海泛面，因此棲一段頂面可做為殘厚法求取棲霞組古地貌的基準(zhǔn)面。根據(jù)全區(qū)棲一段頂面至棲霞組頂面的殘余地層厚度，得到了合川?潼南地區(qū)棲霞組沉積期古地貌（圖5）。下二疊統(tǒng)沉積時期，古地貌高點逐漸由南向北遷移，主要位于研究區(qū)中部，整體上處于中緩坡沉積環(huán)境，地形變化幅度小，傾角小于0.5°，在古地貌較高部位和圍斜，更易于形成灘體，其原始的滲濾能力較好，同時相對高的古地貌，容易造成水體的流動受限，為后期白云巖化創(chuàng)造了條件［17］。

圖5 合川?潼南地區(qū)棲霞組沉積期古地貌Fig.5 Paleogeomorphology of Qixia Formation in Hechuan-Tongnan area

3.2.2 準(zhǔn)同生白云巖化作用

通過分析鏡下白云巖儲層可見原始顆粒結(jié)構(gòu)（圖4（a）、（c）），晶間（溶）孔與早期粒間孔具有明顯的繼承關(guān)系，說明灘相沉積是白云巖儲層發(fā)育的基礎(chǔ)條件；并且顆粒邊部見亮晶環(huán)邊（圖4（c）），具有滲透回流特征，為準(zhǔn)同生云化作用形成。

進一步對川中地區(qū)棲霞組白云巖2 組樣品采用激光剝蝕多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)（LA-MCICPMS）進行碳酸鹽礦物U-Pb 同位素年齡測定（圖6），得出棲霞組白云巖激光U-Pb 同位素年齡分別為286±10 Ma 和256±12 Ma，證實了白云巖形成于準(zhǔn)同生期，為早期云化的產(chǎn)物；同時，碳氧同位素和鍶同位素的存在也證實了棲霞組白云巖形成于準(zhǔn)同生—淺埋藏期，白云巖δ13C值與同期海水相當(dāng)，白云巖δ18O、N（87Sr）/N（86Sr）值略高于同期的海水范圍（圖7）。

圖7 棲霞組白云巖碳氧及鍶同位素特征圖版Fig.7 Isotope charts of C,O and Sr of dolomite in Qixia Formation

早期的準(zhǔn)同生白云巖化，是指原始巖石在還原條件下的交代作用，原始巖石的結(jié)構(gòu)基本上得以保存，早期形成的白云石晶粒相對較小、具有較多雜質(zhì)和較差的晶體形狀［3，18?19］。當(dāng)儲層埋深增加并發(fā)生再次結(jié)晶時，白云巖晶粒變?yōu)榘胱孕巍⒆孕?，晶粒尺寸為中粗晶，開始發(fā)育晶間孔。隨著白云巖化作用程度的增強，儲層的物理性質(zhì)得到進一步改善。

3.2.3 巖溶作用

研究區(qū)棲霞組的高位域灘體，受后期淋濾溶蝕作用，在準(zhǔn)同生期發(fā)生溶蝕形成了較早期的基質(zhì)孔洞［20］。鉆井取心揭示了棲霞組儲層巖性主要為白云巖和云質(zhì)灰?guī)r，儲集空間為溶蝕孔洞，相比棲霞組上部茅口組的強巖溶作用［16］，棲霞組巖溶作用相對較微弱，但仍然可以見到巖溶作用對白云巖儲層的改造。

巖心、薄片和成像測井等證據(jù)均證明棲霞組白云巖儲層發(fā)生巖溶作用，層間巖溶作用對白云巖儲層改造，形成孔洞型儲層。顯微鏡下也顯示明顯的巖溶改造特征，MX42 井砂屑生屑云巖鏡下可見選擇性溶蝕形成的殘留粒內(nèi)溶蝕孔（圖4（a））；MX42 井棲二段鉆井取心也揭示溶洞白云巖，溶洞中充填馬鞍狀白云巖（圖4（d）），HS4 棲霞組見到較大巖溶洞穴（圖4（f））；同時多口井在棲霞組錄取的成像測井資料也可以觀察到棲霞組白云巖儲層中發(fā)育的層狀溶蝕孔洞。

綜上可知，棲霞組儲層具有相控性，發(fā)育在古地貌高部位的顆粒灘或生屑灘相，灘體的遷移易于圍限形成較局限的水體環(huán)境，隨后的高頻暴露導(dǎo)致發(fā)生溶蝕作用，最終形成云化儲層（圖8）。

圖8 合川?潼南地區(qū)棲霞組白云巖儲層發(fā)育模式Fig.8 Development pattern of dolomite reservoir in Qixia Formation in Hechuan-Tongnan area

4 成藏要素

4.1 烴源條件

合川?潼南地區(qū)寒武系—二疊系發(fā)育多套烴源巖（表1）。研究表明，筇竹寺組泥巖厚50～400 m，平均140 m，w（TOC）平均值可達(dá)1.9%，生氣強度平均值40×108～45×108m3/km2，為四川盆地最優(yōu)質(zhì)的烴源巖［21］。本區(qū)志留系龍馬溪組黑色泥頁巖厚度0～200 m，w （TOC） 平均值2.2%，w（氯仿瀝青“A”）平均值0.015%，為腐殖型干酪根，烴源巖的厚度和有機質(zhì)豐度均呈現(xiàn)出由西北往東南逐漸增大的趨勢，熱演化程度高，生烴強度10×108～40×108m3/km2。鉆井揭示合川?潼南地區(qū)茅口組一段碳酸鹽巖烴源巖厚度50～60 m，全區(qū)穩(wěn)定分布，w（TOC）平均值1.1%，以高—過成熟為主，生氣強度26×108～40×108m3/km2，具備形成大中型氣田的物質(zhì)基礎(chǔ)［22?23］。

表1 合川?潼南地區(qū)烴源巖基本特征Table 1 Basic characteristics of hydrocarbon source rocks in Hechuan-Tongnan area

氣源對比研究結(jié)果表明，棲霞組天然氣主要為油型氣，甲烷含量高，天然氣表現(xiàn)為筇竹寺組、龍馬溪組和二疊系自身烴源巖的混源特征，因此廣泛分布的烴源巖為棲霞組天然氣的富集提供了優(yōu)異的條件。

4.2 源儲匹配

棲霞組儲層發(fā)育于中緩坡生屑灘之中，縱向上儲層主要集中在棲霞組的中上部，并且儲層厚度變化大，縱橫向非均質(zhì)性強，為多套薄儲層疊加而成。綜合分析認(rèn)為，合川?潼南地區(qū)發(fā)育“下生上儲”“旁生側(cè)儲”和“自生自儲”3種源儲匹配關(guān)系（圖9）。

圖9 合川?潼南地區(qū)棲霞組成藏模式Fig.9 Accumulation pattern of Qixia Formation in Hechuan-Tongnan area

“下生上儲”表現(xiàn)在2 個方面：一是縱向上，寒武系筇竹寺組優(yōu)質(zhì)烴源巖生成的油氣經(jīng)過震旦系—二疊系走滑斷裂的溝通，輸入到上部的棲霞組白云巖儲層［24］；二是受加里東運動影響，志留系地層僅存在于研究區(qū)中東部，棲霞組白云巖儲層疊置發(fā)育在龍馬溪組頁巖之上，由盆地中部向東部龍馬溪組烴源巖的厚度和豐度逐漸變大，同時棲霞組白云巖儲層與下伏志留系龍馬溪組烴源巖縱向距離普遍小于50 m，因此能在全區(qū)近源高效聚集成藏?！芭陨鷤?cè)儲”主要發(fā)生在東部，志留系龍馬溪組烴源巖與棲霞組儲層直接對接，但研究區(qū)東部以較深水沉積環(huán)境為主，灘體不發(fā)育，直接影響了優(yōu)質(zhì)烴源巖與棲霞組儲層的側(cè)向?qū)有Ч瑢?dǎo)致匹配關(guān)系較差（HS4 井區(qū)）。下二疊統(tǒng)的棲霞組和茅口組在海侵早期形成了穩(wěn)定分布的泥質(zhì)灰?guī)r烴源巖，在縱向和橫向上，下二疊統(tǒng)烴源巖與棲霞組白云巖儲層廣泛接觸，形成“自生自儲”的源儲匹配關(guān)系（TT1 井區(qū)）。

4.3 蓋層

棲霞組發(fā)育多套有利蓋層。下二疊統(tǒng)茅口組一段是棲霞組的直接蓋層，為一套以泥質(zhì)和泥晶灰?guī)r為主的深緩坡相沉積，厚度50～60 m；上二疊統(tǒng)的龍?zhí)督M發(fā)育100～150 m 的厚層泥頁巖，三疊系雷口坡組和嘉陵江組50～450 m 的厚層塑性膏巖，均可作為有利的區(qū)域性間接蓋層，保存條件良好［25］。

4.4 沉積期古隆起

川中地區(qū)古地溫梯度結(jié)合HS4 井包裹體研究表明，合川?潼南地區(qū)棲霞組可能存在3 期成藏：一是中—晚三疊世為早期原油充注階段，形成古油藏；二是晚侏羅世—白堊紀(jì)的中期原油裂解階段，進入生氣高峰，至白堊紀(jì)沉積末期古油藏原油已經(jīng)基本裂解形成氣藏；三是晚期調(diào)整階段，喜馬拉雅構(gòu)造運動時發(fā)生氣藏調(diào)整，地溫降低，生氣量逐漸減少并最終定型。從下二疊統(tǒng)古構(gòu)造演化分析可知，川中地區(qū)在關(guān)鍵成藏期的須家河組沉積前整體上處于構(gòu)造高部位并持續(xù)至現(xiàn)今，始終為早期油氣聚集與晚期調(diào)整的運聚指向區(qū)［26］。

5 有利勘探區(qū)帶

通過合川?潼南地區(qū)棲霞組白云巖儲層的沉積、儲層特征及相關(guān)成藏要素的研究，結(jié)合目前的勘探突破，證實了合川?潼南地區(qū)棲霞組氣藏具備較好的勘探前景，棲霞組古地貌圍斜—高部位和灘體發(fā)育的疊合部位是棲霞組白云巖儲層發(fā)育的優(yōu)勢地帶。根據(jù)這一認(rèn)識并結(jié)合源儲匹配關(guān)系，將合川?潼南地區(qū)棲霞組白云巖儲層劃分為2 個有利勘探區(qū)帶：一是工區(qū)中部GS16 井—HS4 井區(qū)；二是工區(qū)西部GS18 井—HS3 井區(qū)（圖10）。

圖10 合川?潼南地區(qū)棲霞組有利區(qū)帶分布Fig.10 Distribution of favorable plays of Qixia Formation in Hechuan-Tongnan area

5.1 工區(qū)中部GS16井—HS4井區(qū)勘探區(qū)帶

該區(qū)緊鄰川中古隆起龍女寺構(gòu)造帶，靠筇竹寺組、志留系烴源巖和下二疊統(tǒng)自身烴源巖供烴，與北部研究區(qū)外的NS1 井—NJ 井區(qū)整體處于微古地貌斜坡—高部位，灘體較發(fā)育，分布在古隆起斜坡部位，具備“下生上儲”“自生自儲”和“旁生側(cè)儲”的源儲匹配關(guān)系，源儲匹配關(guān)系較好。北部鄰區(qū)MX42 井近期在棲霞組二次完井獲日產(chǎn)氣57×104m3高產(chǎn)工業(yè)氣流，證實了該白云巖化中緩坡臺內(nèi)灘相帶具有良好的成藏條件，具備較大的勘探潛力，綜合評價為Ⅰ類區(qū)，面積為340 km2；其南部處于微古地貌較低部位，而東部區(qū)域處于較深水沉積環(huán)境，灘體總體不發(fā)育，源儲匹配關(guān)系較差，綜合評價均為Ⅱ類區(qū)。

5.2 工區(qū)西部GS18井—HS3井區(qū)勘探區(qū)帶

該區(qū)緊鄰川中古隆起磨溪構(gòu)造帶，依靠西側(cè)合川—墊江臺洼供烴［15］，筇竹寺組和下二疊統(tǒng)自身烴源巖生烴強度也較大，局部處于微古地貌斜坡部位，灘體發(fā)育也較好，具備“下生上儲”和“自生自儲”的源儲匹配關(guān)系。鄰區(qū)GS18 井的穩(wěn)定試采也驗證了該區(qū)具有較好的成藏條件，綜合評價為Ⅰ類區(qū)，面積為50 km2；其東南部處于微古地貌較低部位，源儲匹配關(guān)系較差，綜合評價為Ⅱ類區(qū)。

6 結(jié) 論

（1）棲霞組的沉積格局受川中古隆起控制，具有洼隆相間的特征，表現(xiàn)為圍繞川中古隆起發(fā)育緩坡臺內(nèi)灘相帶，其中白云巖灘體主要分布于局限的微古地貌高部位，早期準(zhǔn)同生白云化作用是棲霞組儲層形成的關(guān)鍵，疊加巖溶改造作用可形成優(yōu)質(zhì)白云巖儲集層。

（2）合川?潼南地區(qū)寒武系—二疊系發(fā)育多套烴源巖，為棲霞組天然氣成藏富集提供了優(yōu)越的生烴條件。同時具備較好的蓋層和保存條件，發(fā)育“下生上儲”“旁生側(cè)儲”和“自生自儲”3種源儲匹配關(guān)系，其中“下生上儲”和“自生自儲”2種源儲匹配關(guān)系成藏條件更好。

（3）棲霞組古地貌圍斜—高部位和灘體發(fā)育的疊合部位是棲霞組白云巖儲層發(fā)育的優(yōu)勢地帶。根據(jù)這一認(rèn)識并結(jié)合源儲匹配關(guān)系，將合川?潼南地區(qū)棲霞組白云巖儲層劃分為2 個有利勘探區(qū)帶：一是工區(qū)中部GS16 井—HS4 井區(qū)，二是工區(qū)西部GS18 井—HS3 井區(qū)。