四川盆地大型古隆起斜坡區微生物碳酸鹽巖儲層沉積演化特征與天然氣規模成藏模式

楊躍明 王文之 文 龍 羅 冰 張 旋 陳 曦 賈 敏 龍虹宇

1.中國石油西南油氣田公司 2.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院3.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦 4. 中國石油西南油氣田公司重慶氣礦

0 引言

自2011 年川中古隆起核部高石梯—磨溪地區高石1 井在上震旦統燈影組獲得天然氣勘探重大突破以來，燈影組再次成為四川盆地油氣勘探及科學研究的熱點領域。2013 年高石17 井鉆探證實德陽發育—安岳裂陷，在此基礎上系統刻畫全盆地燈影組地層展布、沉積格局，并指出了震旦系燈影組的天然氣勘探方向——沿臺緣帶擴展勘探[1]。2014 年部署鉆探的磨溪22 井首次鉆遇了川中磨溪地區燈影組燈四段氣水界面，明確有利含氣區面積達7 500 km2。2016 年相繼鉆探的磨溪52 井、磨溪101 井進一步證實磨溪北部地區發育統一的氣水界面。磨溪北—九龍山地區與高石梯—磨溪主體區具有相似的含油氣地質條件，前者僅燈四期臺緣帶發育面積就達8 000 km2，儲層普遍發育，烴源巖條件優越。對該區寒武系筇竹寺組烴源巖埋藏史、熱史研究的結果表明，筇竹寺組烴源巖在二疊紀進入生烴高峰期，并且位于古構造高部位，與高石梯—磨溪地區古構造位置相當，屬于油氣聚集的有利指向區。三疊紀后，高石梯—磨溪地區繼承性處于古構造高部位，磨溪北地區演化為古構造斜坡區，古油藏裂解成氣向處于古隆起核部的高石梯—磨溪地區聚集，而在斜坡區規模成藏則難度極大。

2018 年中石油在川中古隆起北斜坡區針對燈影組臺緣帶部署實施風險探井角探1 井，該井完鉆井深為7 766 m，完鉆層位為燈四段，燈四段鉆厚348 m（未完），顆粒巖以凝塊云巖為主（占比42%），藻云巖占比32%、泥粉晶云巖占比26%。測井解釋儲層厚度為166.6 m，孔隙度為2%～7.1%，儲層面洞率為2%～13%，平均值為5.88%，氣層8 層，累計厚度為101 m，取得了北斜坡燈四段臺緣帶天然氣勘探的重要新發現[2]。該井在成功鉆遇百米厚氣層的同時，也提出一個科學問題，燈影組臺緣帶儲層普遍發育的情況下，在低于高石梯—磨溪近2 000 m 之下的斜坡區發育氣藏，其圈閉的主控因素是什么？本文基于角探1 井的實鉆資料，從區域構造背景、沉積特征、演化過程、成藏模式等方面，探討了川中古隆起斜坡區微生物碳酸鹽巖儲層油氣成藏的關鍵控藏要素，以期為斜坡區的天然氣勘探指明方向。

1 區域地質背景

四川盆地是一個在上揚子克拉通板塊上發展起來的疊合盆地，盆地基底為中元古代末的晉寧運動形成的褶皺基底[3]。震旦紀由于羅迪尼亞大陸裂解[4]，全球大陸發生大規模地離散拉張，在中國表現為古中國地臺逐漸裂解，此時期稱為興凱旋回[5]或興凱地裂運動旋回[6]。華南揚子板塊同時期發生廣泛的地殼幕式上升運動，宏觀上表現為大規模地殼垂直差異隆升（桐灣運動），桐灣Ⅱ幕區域構造抬升，燈影組頂部普遍遭受溶蝕改造[7-10]，形成區域性巖溶型儲層。

陡山沱期氣候變暖、冰川融化、海平面上升，發生大規模的海侵，除揚子板塊西南緣的中滇古陸外，大部分地區均淹沒于海水之下，黔東—湘西—鄂中一線以及以其東南地區為斜坡—盆地沉積環境[11]。四川盆地震旦系燈影組厚度介于70 ～1 200 m，巖性總體上為一套質純色淺的藻白云巖，自下而上分為4 個巖性段：①燈一段為貧微生物段，厚度為0 ～100 m；②燈二段為富微生物段，厚度為450 ～550 m，主要發育藻白云巖、葡萄狀白云巖；③燈三段為貧微生物段，厚度為10 ～120 m，在高石梯—磨溪地區平均厚度為60 m，具有由南向北逐漸增厚的特征；④與燈二段相比，燈四段整體貧藻，殘厚為30 ～400 m，普遍發育硅質或硅質條帶，不發育典型的葡萄狀白云巖。桐灣Ⅰ幕和Ⅱ幕運動在燈二、燈四段頂部形成古侵蝕面，燈影組儲層主要發育在距離侵蝕面之下100 m 的范圍內[12-17]。

川中古隆起北坡整體為單斜構造背景，長約160 km，埋深介于－5 230 m ～－9 300 m，落差近4 000 m，寒武系底界不發育大型構造圈閉（圖1）。

2 沉積特征對比分析

區域構造運動控制盆地的宏觀格局，桐灣Ⅰ幕運動進一步奠定了燈四期開闊臺地的沉積格局特征，由川中向北沉積環境越開闊，水體能量越強，臺緣帶越寬緩；其次，北斜坡地區發育的大量同沉積斷層，進一步加劇沉積期微古地貌差異，藍藻菌的趨光性特點促使微生物碳酸鹽巖優先選擇水下高地建隆。總之，大的沉積環境與微生物共同作用促進北斜坡碳酸鹽巖沉積分異，為巖性圈閉的發育創造了條件。

2.1 巖石學特征

1987 年，Burne 和Moore 首次提出了微生物巖（microbolite）是由底棲微生物群落（BMC）捕獲和黏結碎屑沉積物并形成礦物沉淀，通過這種方式加積的生物成因沉積即為微生物沉積巖[18-23]。前人研究將震旦系燈影組碳酸鹽巖主要分為3個亞類、10個微類，燈影組顆粒巖主要有凝塊和砂屑兩種，其中以泥晶結構的凝塊云巖為主，也是最重要的儲集巖，其次是砂屑云巖。長期以來，該區的儲層研究主要都集中在儲集巖的特征及其分布規律上，而對其巖石類型或地質信息的解讀和關注則較少，比如凝塊云巖、角礫巖、含泥硅質泥晶云巖、硅質巖等（圖2-c、d），其次對古侵蝕面、角礫化等現象背后的地質含義研究不深、不透。

2.1.1 顆粒巖

本文將凝塊石定義為由大于2 mm 的塑性泥晶或含藻泥晶礫屑組成的巖石，宏觀上藻的形態不明顯，顏色通常較為斑雜，淺色凝塊邊緣模糊，與角礫巖棱角分明有明顯的區別；微觀上，多為泥晶結構，常伴隨砂屑顆粒，儲集空間以中小溶洞為主。通過對野外樣品、鉆井巖心資料詳細研究，發現川中高石梯—磨溪地區凝塊石主要分布在燈二段、燈四上亞段，多發育于海退期（圖2-a）。微觀上，凝塊大小不一，粒徑常大于2 mm 的泥晶顆粒，常與砂屑混雜堆砌，結構成熟度低（圖2-j）；其次，凝塊的邊緣發生塑性變形與開裂，這說明凝塊的母巖可能尚處在早成巖階段的泥晶云巖或藻云巖，推測可能是由于海平面相對下降，導致泥晶云巖或藻云巖發生近距離搬運過程中形成的一種異化顆粒巖。

顆粒巖中第二大類是砂屑云巖，其粒徑為0.125 ～2.00 mm。統計結果表明：燈影組砂屑云巖粒徑介于0.25 ～2.00 mm，以0.40 ～1.00 mm 居多，磨圓度和分選性均較好。顆粒主要為泥晶云巖碎屑或藻屑，重結晶強烈，粒間多充填粉晶白云石。由于分選性好，在巖心上，該類巖石的顏色較為單一，常發育針孔，而中小溶洞欠發育，與凝塊云巖形成鮮明的對比。

2.1.2 藻云巖

依據藻云巖的宏觀形態，可以進一步細分為層紋狀云巖、疊層狀云巖和黏連狀云巖。層紋狀云巖也稱層紋石、紋理石，在手標本或鏡下均可見到近于平直的暗色藻紋層組構；藻紋層橫向上斷續，起伏不大，較為平直；鏡下觀察各紋層之間缺乏空腔結構，且常見鳥眼結構，說明其沉積環境處于潮間—潮上帶的淺水低能環境。疊層石的發現距今已有200 多年歷史，在這200 多年中，人們對疊層石的認識在不斷地深化。研究發現許多疊層石在生長形態上類似于珊瑚和海綿，認為這些穹形紋層的疊加和分叉柱體的生長趨向是生物尋求光線和食物的反映，因此其形態能對古地貌、古水流向、沉積環境分析等提供一定的參考。黏連狀云巖顏色較為斑雜，多為泥晶結構，無論是手標本還是普通顯微鏡下都可見大量的藍藻菌或藻類遺留的形態，較為雜亂，沒有明顯的規律。藻黏結灰泥形成凝塊，凝塊形狀大小發育不一，凝塊呈條帶狀—層狀，極不規則（圖2-b）。鏡下觀察，常見少量砂屑顆粒，其膠結物整體以泥晶結構為主，局部可見亮晶結構。這說明該類巖石沉積的水動力環境強于層紋狀云巖、疊層狀云巖等微生物碳酸鹽巖的沉積環境。

通過對比川中古隆起北斜坡地區與核部高石梯—磨溪地區發現，兩地巖石類型基本一致，但巖性組合存在一定程度的差異（圖3）。主要表現在以下3 個方面：①北斜坡地區顆粒巖更為發育，顆粒比超過50%，而高石梯—磨溪地區一般在25%左右。結合角探1 井薄片鑒定、元素測井、成像測井等資料，綜合分析發現，凝塊云巖厚148 m，占比42.81%；藻云巖厚105 m，占比30.44%；砂屑云巖厚48 m，占比13.96%；泥晶云巖厚16 m，占比4.68%；顆粒巖總占比達57%。②北斜坡地區硅質云巖或硅質巖含量小于5%，而高石梯—磨溪地區硅質含量介于10%～30%，兩者存在著顯著的差異。③兩個地區儲層分布存在差異，北斜坡地區燈四段急劇增厚，顆粒巖主要發育在燈四段的中下部；高石梯—磨溪地區燈四段儲層主要發育在中上部，且在燈四段中部地層中發現古侵蝕面（圖2-i、l），說明在燈四期內發生一次區域性海退，在燈四段下亞段暴露期內，在北斜坡地區沉積了一套碳酸鹽巖地層，而高石梯—磨溪地區不同程度缺失這套地層。因此高石梯—磨溪地區燈四段與北斜坡地區燈四段存在著時間上的差異，即分屬于燈四期內的不同沉積小旋回。

圖2 川中地區震旦系燈影組四段典型巖類及沉積特征

2.2 沉積水動力分析

圖3 川中古隆起高石梯、磨溪、北斜坡地區震旦系燈影組四段臺緣帶沉積相圖及對比表

桐灣Ⅰ幕后，川中地區大幅度隆升，古隆起北斜坡可容納空間大幅度增加，沉積環境由燈二時期的局限臺地向燈四時期的開闊臺地演化，水體能量明顯增強。主要表現在以下4 個方面：①臺緣帶宏觀形態差異大，川中地區向北燈四期臺緣帶逐漸增厚，高石梯—磨溪地區厚度從300 m 增厚至400 ～500 m，臺緣帶寬度增加，高石梯—磨溪地區由10 km 增加至30 ～60 km；②電性特征差異大，角探1 井鉆探證實該區燈四段自然伽馬較低，高石梯—磨溪地區燈四段自然伽馬值約5 API；③巖性組合差異大，角探1 井顆粒巖含量明顯高于高石梯—磨溪地區，高石梯—磨溪地區燈四段顆粒巖含量一般在25%左右，而角探1 井顆粒巖含量達到57%；④特征元素差異大，燈四段普遍含有硅質，研究表明硅質含量與水體能量呈負相關關系，磨溪地區硅質平均含量為10%～30%，角探1 井僅為4%。綜上表明，北斜坡沉積環境更為開闊，水體能量更強，沉積分異強度更大。

2.3 早期斷層加劇沉積古地貌差異分析

最新的研究成果表明，震旦紀時期全球處于拉張的大背景之下，在古隆起北斜坡地區具體表現為發育大量北西向的走滑斷層。這些主要斷層形成在桐灣期或更早，為燈影組沉積分異奠定了良好的古地貌背景。北斜坡地區主要發育兩組斷裂共10 條，主走滑斷裂帶長1 245 km，總體上具有分帶、分層、分期、分段特征，7 條北西向走滑斷裂共993 km，3 條北東向走滑斷裂共252 km。與主斷裂伴生呈雁列狀分布的中小斷層在北斜坡廣泛分布。這些斷層與燈二段頂的巖溶古地貌共同構成燈四段沉積期的古地貌背景，對燈四段沉積物產生強烈的分異作用。通常在早期斷層兩側地層的厚度、巖性組合、地震相均有顯著的差異。以高石梯—磨溪地區磨溪①號斷層為例（圖4），斷層北部燈三段和燈四段累計厚度明顯增加，北側實鉆厚度為427 m，南側實鉆厚為397 m；北側灘體主要發育在頂部，向下逐漸減少，南側則有兩套灘體疊置發育；北側灘體北側地震相以上超為主，南側地震相以進積為主，反射特征差異大。這些早期斷層控制了沉積，后期斷層活動弱且斷距小。因此二維資料難以識別，使得深化北斜坡地區沉積演化過程研究難度增大（圖5）。

圖4 川中震旦系磨溪①號早期斷層控沉積地震反射圖

3 沉積演化過程及主控因素

圖5 川中地區震旦系燈影組丘灘體與灘間海地震反射剖面圖

圖6 川中地區震旦系燈影組沉積模式圖

四川盆地震旦系燈影組微生物碳酸鹽巖普遍發育，儲層縱向上多期疊置，臺緣、臺內均發育丘灘體（圖6）。沉積期，微生物在水下微古地貌高部位優先建造碳酸鹽巖，與生物礁具有相似的生長特征，隨海平面的上升持續垂向加積，沉積速率遠大于灘間海沉積速率，易形成隆洼相間的沉積體。短期海平面下降，古地貌高的丘灘體遭受同生期巖溶作用，形成早期溶蝕儲層。燈影組沉積晚期，區域性暴露使得燈影組長期遭受廣泛侵蝕、溶蝕改造，孔隙度進一步增加。海平面的升降與古侵蝕面共同控制燈影組儲層的分布，具有縱向上跨度大、儲層累計厚度大的總體特征。

3.1 海平面控制沉積期微古地貌格局

短期海平面的升降一方面控制微生物碳酸鹽巖的生長進度，又保持地層厚度的穩定性。在短期內，海侵期促使微古地貌高部位微生物丘灘體快速建隆，厚度增大；低洼區沉積厚度相對較薄，低洼區主要沉積含泥含硅類的泥粉晶云巖、泥質云巖等細粒碳酸鹽巖（圖7-a）；海退期海平面相對下降，高部位的丘灘體暴露遭受大氣淡水的淋濾侵蝕，侵蝕形成的細粒沉積物被搬運堆砌在丘灘體之間的潮道或低洼區，對沉積期地貌具有夷平作用（圖7-b），同時對高部位的丘灘體起到溶蝕增孔的作用。因此在一個短期旋回內，丘灘體與潮道或灘間洼地的地層厚度差異不大，在縱向上形成多期丘灘體的疊置（圖7-c）。

3.2 區域性構造運動控制巖溶古地貌

燈影組沉積晚期，桐灣Ⅱ幕促使燈影組頂部長期廣泛接受暴露，形成早寒武世燈影組巖溶古地貌[24]。與短期海平面相對下降不同的是構造運動的抬升不是以夷平作用為主，對高部位的丘灘體侵蝕作用相對較弱，而對潮道、灘間洼地易形成匯水區，對低洼區侵蝕作用則更強，從而進一步加大了寒武系底部的巖溶古地貌差異（圖7-d）。

巖溶古地貌差異越大，越有利于成儲、成圈和成藏。區域性構造運動促使海平面下降至波折帶以下，整個碳酸鹽巖臺地暴露，高部位的丘灘體被進一步溶蝕改造，在潮道區或灘間洼地形成匯水區對潮道或低洼區深度侵蝕，形成巖溶溝谷。巖溶溝谷越深，高部位丘灘體潛流帶順層巖溶作用越強，有利于后期筇竹寺組烴源巖與丘灘體的側向對接充注、成藏。

4 油氣成藏演化及模式

圖7 古隆起斜坡區沉積充填過程及成儲模式圖

川中古隆起北斜坡地區與古隆起核部地區在生、儲、蓋、圈、運、保等成藏要素方面存在諸多相似的地質條件，其中烴源巖條件、儲集條件、源儲配置條件優于高石梯—磨溪地區（圖8）。①源儲配置條件與高石梯—磨溪地區烴源條件相似，都緊臨德陽—安岳生烴中心，具有近源成藏的先天條件，越靠北部地區，烴源巖條件越好，生烴強度更大；②具有相似的儲集相帶，均位于震旦系燈四期臺緣帶，儲集條件好，從沉積條件看，北部地區更接近廣海，丘灘體規模和厚度更大，儲集條件更好；③具有相似的成藏組合特征，兩區都是立體供烴模式，即下伏地層發育燈三段烴源巖，與燈四期臺緣帶形成下生上儲的供烴模式，橫向與筇竹寺組烴源巖側向對接，形成側生旁儲的供烴模式，此外上覆筇竹寺組烴源巖直接覆蓋在儲層上，形成立體供烴的成藏模式[25]。

北斜坡地區位于古油藏聚集區，角探1 井鉆探證實瀝青普遍發育[26]，與高石梯—磨溪地區具有相似的古構造演化背景，高石梯—磨溪地區屬于繼承性構造高部位，至今仍是構造高部位，長期處于油氣運聚有利區[27]；生油高峰期后，高石梯—磨溪地區繼承性處于古隆起高部位，北斜坡地區逐漸演化為構造斜坡區，如果在斜坡區上傾方向沒有良好的封堵條件，斜坡區將不具備規模化成藏的地質條件。北斜坡走滑斷層控制巖性圈閉發育，地震預測刻畫表明，在古隆起北斜坡發育大量早期走滑斷層，走滑斷層繼承性控制燈影期、滄浪鋪期微古地貌，間接控制灘體與致密帶展布，致密帶在上傾方向與灘體共同構成巖性圈閉；早二疊世是四川盆地生油高峰期，處于拉張背景下，走滑斷層也是油氣充注期重要的輸導體系的一部分。總之，古隆起北斜坡區微生物碳酸鹽巖規模化成藏取決于規模化的烴源灶、儲層及巖性圈閉等關鍵要素在時間和空間上的良好配置。

5 結論

1）與川中古隆起核部相比，古隆起北斜坡地區臺緣帶更寬緩，丘灘體規模更大，藍藻菌的趨光性促使丘灘體優先選擇水下高地建造碳酸鹽巖，進一步加劇沉積期古地貌差異，沉積分異作用更強，為巖性圈閉的形成奠定物質基礎，具備形成規模化巖性圈閉的條件。

2）沉積期內，短期海平面相對下降對高部位的丘灘體淋濾、溶蝕改造作用，有利于同生期溶蝕改造；晚期區域構造抬升，碳酸鹽巖臺地整體暴露，高部位丘灘體進一步被溶蝕改造，為有利區內丘灘相儲層的規模化發育創造了條件。

3）北斜坡地區源儲配置條件優越，燈影組臺緣帶緊臨德陽—安岳生烴中心，并被筇竹寺組厚層優質烴源巖包裹、與下伏燈三段烴源巖緊密接觸，源儲在空間形成了立體的高效成藏組合。

圖8 四川盆地川中古隆起—北斜坡震旦系—寒武系組油氣演化模式圖

4）巖性圈閉是川中古隆起北斜坡區規模化成藏的關鍵控藏要素，由丘灘相儲層及其上傾方向低滲帶共同形成多個大型巖性圈閉。在關鍵生烴高峰期，北斜坡區內大型巖性圈閉處于古構造高部位，有利于早期形成古油藏，晚期巖性圈閉位置演化為斜坡區，但受上傾方向低滲帶的遮擋作用，油氣能有效充注到大型巖性圈閉中，進而富集成藏。