四川盆地東北部中三疊統雷口坡組四段優質儲層發育特征及勘探方向

段金寶，金民東，范志偉，朱 祥，劉雁婷

(中國石化 勘探分公司，四川 成都 610041)

中三疊統雷口坡組是四川盆地最早開采天然氣和鹽鹵的層系之一，盆地內先后探明開發了川東臥龍河構造雷口坡組一段(雷一段)氣藏、川西北中壩構造雷三段氣藏和川中磨溪構造雷一段氣藏，這些氣藏均為一套潮坪相淺灘儲層控制下的巖性氣藏[1-3]，且集中發育于雷一段—雷三段。近年來，隨著油氣勘探的不斷深入，在川東北元壩和龍崗等地區雷口坡組頂部也相繼發現了一套高產工業氣層。但從所獲得的實鉆資料來看，這套氣層與川西和川中雷口坡組氣藏表現出明顯的差異性，儲層橫向非均質性極強。以元壩地區為例，YB4井、YB2井和YB22井在雷四段測獲高產氣流，而相臨近的YB204井和YB3井等卻僅見有較弱的油氣顯示。鑒于此，本文以元壩地區雷四段為研究對象，從儲層基本巖石學特征、儲集空間類型和物性特征出發，結合配套分析化驗資料，深入分析探討這套儲層成因及主控因素。研究結果可為該層系下一步勘探提供依據。

1 區域地質背景

研究區地理位置位于四川省廣元市蒼溪縣一帶(圖1)。中三疊統雷口坡組沉積時期該地區為上揚子克拉通穩定碳酸鹽臺地沉積，且由于該時期處于印支運動的初始階段，全球發生與構造運動相對應的海平面下降[4]，一方面研究區由開闊的陸表海環境逐漸演化為受限的陸表海環境，發育一套以局限-蒸發臺地相白云巖、膏質白云巖和石膏為主的碳酸鹽巖;另一方面，中三疊世末期，印支Ⅰ幕運動使地層抬升并遭受剝蝕，上三疊統須家河組陸源碎屑沉積直接覆于中三疊統雷口坡組(安尼階)之上，形成不整合。不整合面缺失以灰巖沉積為主的中三疊統黃蓮橋組、上三疊統馬鞍塘組(即天井山群)和垮洪洞組，時間間斷至少約20～26 Ma。雷口坡組頂部長期經受風化殼淋濾改造，具有發育不整合巖溶儲層的有利條件[5-7]。

圖1 四川盆地元壩地區雷口坡組巖溶地貌單元劃分(a)和研究區位置(b)

研究區鉆井資料分析揭示，雷口坡組區域上分為4段，其中雷四段遭遇不同程度剝蝕。元壩地區雷四段殘留厚度較大，為155～270 m。按照巖性和巖相特征，元壩地區雷四段又可細分為一和二兩個亞段，雷四二亞段巖性主要為灰白色石膏巖、膏質白云巖夾泥微晶白云巖，厚80～215 m。雷四一亞段巖性主要為微晶白云巖、砂屑白云巖和角礫云巖，夾薄層的微晶灰巖和砂屑微晶灰巖，厚31～88 m，為主要的儲層發育段(圖2)。從沉積微相來看，研究區可以分為膏質潟湖、云質潟湖、砂屑灘、灰云坪和云泥坪5種沉積微相，其中膏質和云質潟湖微相巖性為膏巖、白云質膏巖及膏質白云巖的巖石組合。石膏巖產狀有兩種，其一呈層狀，層厚較薄，多為毫米級，局部可達數厘米，色淡，其二呈層狀或板狀分散于白云巖中，這兩個微相主要分布于研究區以南平原縣—閬中市一帶。灰云坪和云泥坪為臺坪沉積，常見泥晶云巖、灰質白云巖和泥質白云巖巖性組合，主要分布于研究區以北及東部劍閣—通江—巴中地區。砂屑灘相為臺內高能沉積，環繞潟湖發育，巖性上由含砂屑云巖、微亮晶砂屑云巖和亮晶砂屑云巖組成。砂屑灘為研究區內優勢沉積相，取心上多發育晶間孔及溶孔。

圖2 四川盆地元壩地區YB4井雷四二亞段綜合柱狀圖

2 儲層特征

對于儲集層特征的準確描述有助于研究儲集層形成機理，評價儲集層質量[8-10]。川東北地區雷四段沉積后經歷了多期成巖作用的差異改造，不同區塊和層段呈現出不同的儲集空間類型組合特征，從而控制了儲集層質量[11]。通過對研究區豐富的鉆井和取心資料分析，認為雷四段儲層主要為與巖溶作用相關的角礫巖類和與高能灘相關的顆粒巖類。

2.1 巖石學特征

2.1.1 與高能灘相沉積相關的砂屑云巖類

沉積相帶的分異使元壩地區雷四段還發育砂屑云巖類儲層，這類儲層受巖溶作用改造相對較弱，而更能反映出雷四段原始沉積物儲集性能，砂屑云巖在個別井局部層段分布，顏色以灰-深灰色為主，單層厚度變化極大，1～6 m不等，砂屑含量為60%～90%，粒徑為0.2～2.0 mm，以0.3～1.0 mm居多，分選和磨圓中等-好，粒間充填物以亮晶膠結物為主(圖3a，b)。由于分選和磨圓性好，巖心顏色較為單一，主要發育在潮下高能灘體，宏觀巖心上儲集空間主要為針孔。

2.1.2 與巖溶作用相關的角礫巖類

川北地區雷口坡組受印支Ⅰ幕構造運動抬升剝蝕，強烈的巖溶作用使雷四段中上部發育大量的巖溶角礫巖儲層，角礫類型多樣，按照成分可分為云質角礫巖和灰質角礫巖，前者占絕對優勢。角礫通常呈砂礫級，巖心上可見較大礫級為2.0～5.0 cm，較小為0.3～0.5 cm(圖3c—e)。角礫成分單一，與原巖一致，主要以粉晶白云巖和砂屑白云巖為主。角礫分選、磨圓較差，以棱角狀-次棱角狀為主，部分角礫局部被溶圓(圖3f)。顆粒支撐、基質支撐和基質-顆粒支撐均有，也見一些角礫大小不等，充填于更大的角礫之間，部分角礫可以拼接。角礫之間往往存在滲流粉砂、粘土或被后期方解石膠結。

灰質角礫巖與云質角礫巖具有明顯的相似性，所不同的是灰質角礫巖角礫成分主要為微晶灰巖和粉晶灰巖(圖3g—i)。由于雷口坡組主要為蒸發-局限臺地沉積環境，因而灰質角礫巖儲層發育的頻率要明顯低于云質角礫巖。

圖3 四川盆地元壩地區雷四段儲層巖石學特征

2.2 儲集空間特征

四川盆地雷口坡組沉積成巖后的200 Ma間先后經歷了印支、燕山和喜馬拉雅3次大地構造運動，多期次復雜成巖作用的疊合改造，使元壩地區雷四段呈現出多樣化的儲集空間面貌[12-13]。根據形成機理和形態表征的差異，將元壩地區雷四段二亞段儲層儲集空間分為孔隙、溶洞及裂縫3大類。

2.2.1 孔隙

根據形成方式將雷四二亞段孔隙劃分為原生孔隙和次生孔隙兩大類。原生孔隙與巖石本身形成時間一致，主要分為殘余粒間孔(圖4a)和殘余晶間孔。原生孔隙未完全被膠結物充填，也未經后期溶蝕擴大改造，所保留下來的孔隙即為殘余孔隙。由于絕大多數原生粒間孔均會經過后期溶蝕改造，所以原生孔隙在元壩地區發育較少。次生孔隙是指沉積物形成之后，受各種成巖作用(主要為巖溶作用等)改造而成的孔隙，主要是在原生孔隙的基礎上再溶蝕擴大，如粒間溶孔以及晶間溶孔(圖4b)。研究區內孔隙類儲集空間主要見于砂屑云巖中，因而相較于其他儲集空間類型，孔隙發育頻率相對較低。

2.2.2 溶洞

溶洞是元壩地區雷四段另一類重要的儲集空間類型，直徑大于2 mm的孔隙都稱為洞(圖4c，d)。溶洞一方面可以為早期孔隙系統的再溶蝕擴大，另一方面更多為受巖溶作用新形成的儲集空間。研究區雷四段溶洞洞徑一般為0.5～1.0 cm，最大可達5.0 cm。溶洞形態、邊緣均極其不規則，部分溶洞由溶縫連通呈帶狀分布，溶洞內部半充填中-粗晶白云石(圖3d)、方解石和瀝青(圖4d)以及滲流粉砂等物質。

2.2.3 裂縫

裂縫作為一種特殊類型的儲集體，即可直接作為儲集空間，亦可作為流體運移的滲濾通道。元壩地區裂縫產狀以構造縫和溶蝕縫為主(圖4e，f)，幾種傾向不同的開啟裂縫交織在一起，形成網狀溶縫。在白云巖段，FMI成像圖上也可見大量的裂縫，同時在裂縫周圍還發育有大量的溶蝕孔洞(圖4f)，推測為溶蝕流體順著裂縫進入已有孔隙，溶擴優化改善先期的孔滲體(同時裂縫自身也見溶擴現象)(圖4e)，裂縫對溶蝕孔洞起到良好的溝通作用，最終形成有效的縫洞儲集系統。部分溶縫被化學充填物(白云石和方解石)(圖4e)及機械充填物(黑色泥質、石英砂和少量的碳酸鹽巖角礫)充填-半充填。裂縫是區內雷四段最發育、巖心中常見的儲集類型之一，是碳酸鹽巖儲層油氣運移的良好通道及儲集場所。

圖4 四川盆地元壩地區雷四段儲集空間類型

2.3 物性特征

物性參數是儲集性能最直接的體現，可以直接明確儲集巖的儲滲能力[14-15]，研究區多樣化的儲集空間形態各異、大小懸殊，因而導致儲層的非均質性較強。從取心樣品分析來看，雷四段儲層具有較好的物性特征，小樣樣品氦氣孔隙度最大7.95%，最小1.19%，平均值3.15%(表1)；其中孔隙度大于2.00%的樣品占總樣品的84.21%，主要集中分布于2.00%～5.00%。滲透率最大值為313.944 7×10-3μm2，最小值為0.001 2×10-3μm2，并主要分布于0.002×10-3～10.000×10-3μm2。因此，總體上，雷四二亞段儲層為低孔-低滲和中孔-低滲儲層。而結合孔-滲關系散點圖來看(圖5)，大約一半儲層孔-滲樣品具有較好的正相關性；而另外一半樣品孔隙度分布在2.00%～4.00%，但滲透率卻較高，說明該部分儲層內裂縫十分發育。綜合分析雷四二亞段儲層以裂縫-孔洞型儲層為主，其中微裂縫的溝通作用較大。

圖5 四川盆地元壩地區雷四段儲層孔-滲關系散點圖

表1 四川盆地元壩地區雷四段物性分析數據

3 儲層發育主控因素

3.1 潮坪相淺灘沉積是儲層發育的基礎

中三疊世末期，區域性海平面下降使四川盆地雷口坡組演化為局限-蒸發臺地沉積環境，從前述儲層表征來看，經歷了多期復雜成巖作用改造后，仍存在與原始高能相帶相關的砂屑白云巖儲層，表明淺灘相帶仍是儲層發育的主要控制因素之一。而從元壩地區儲層縱向展布來看，儲層集中發育于雷四二亞段中、上部—頂部，這也與沉積期高部位相關，高部位淺灘水體能量更強，波浪淘洗和沖刷作用使高部位淺灘具有更多的原始孔-滲系統，這些孔-滲系統一方面可直接保留下來，形成現今面貌的砂屑云巖儲層，另一方面原巖的高孔滲性也有利于早期溶蝕流體的運移、交換及溶解物質的排出，形成大量的有效的儲集空間，因而中、上部淺灘是儲層發育的最有利層段。

3.2 不整合巖溶作用改造是儲層形成的關鍵

川北地區雷口坡組沉積后，印支Ⅰ幕構造運動使雷四段整體抬升暴露，強烈的巖溶作用一方面使地層發生剝蝕，如位于研究區北部的YB204井雷四一亞段殘余厚度僅31.0 m，而南部和西部的YB12井和YB102井殘余厚度確分別達86.5，89.5 m。另一方面，巖溶作用對潮坪相淺灘的溶蝕改造，形成大量的溶蝕孔洞，盡管有滲流粉砂、再埋藏期白云石、石英和方解石等充填，但仍然保留了較多的有效孔洞空間。這是雷四段優質儲層形成的關鍵因素。

3.2.1 巖溶作用識別標志

油氣勘探成果證明，世界上許多含油氣盆地均發育有碳酸鹽巖巖溶型含油氣層(體)。據統計，世界油氣的20%～30%是賦存在與不整合有關的風化殼巖溶型儲層中,如墨西哥白堊紀戈爾登萊恩(Golden Lane)大油田，美國德克薩斯州二疊系圣安德烈斯(San Andres)組耶茨(Yates)油田等[16-18]。對于元壩地區雷四段，風化殼巖溶影響尤為強烈，除見有明顯的地層剝蝕和巖溶角礫等標志外，在巖石學、古生物和地球化學等方面還見有特殊的巖溶改造痕跡。

1)巖溶作用機械充填識別標志

元壩地區雷口坡組風化殼巖溶最特殊的巖石學特征之一就是雷口坡組溶蝕形成的孔隙常被須家河組細粒石英粉砂和含氧化鐵的粘土所充填(圖6a—c)。在鏡下根據粘土滲流物顏色的差異，可分為黃色與風化期產物相關的粘土和黑色與須家河組沉積相關的形成的滲流砂(圖6a)，陰極發光下，須家河組滲流砂中的石英發藍色光、紫藍色光、長石發粉紅色光和暗綠色光(圖6b)，為陸源沉積的典型標志。進一步通過對這些黑色滲流粉砂內的礦物進行能譜分析，發現存在Ti和Fe含量較高，正交光下呈明顯黑色的鈦鐵礦(圖7a—c)和Ba，C含量高，正交光下呈高級白干涉色的毒重石(圖7a，d，e)。這些重礦物的存在與須家河組富含超穩定型重礦物沉積環境相關[19]，也是巖溶機械充填的特殊識別標志。另一方面，在雷口坡組頂部風化殼中，還發現屬于上覆地層須家河組的古生物，元壩周緣MA201井黑色砂泥質充填物中炭屑還可見細胞結構。這些炭屑為須家河組地層沉積時，植物碎屑附存于溶蝕流體內沿溶蝕通道進入下伏雷口坡組形成的殘余。

圖6 四川盆地元壩地區雷四段巖溶作用機械充填識別標志

圖7 四川盆地元壩地區雷四段滲流物內重礦物掃描電鏡-能譜分析

2)巖溶作用化學識別標志

受構造運動的抬升，須家河組由埋藏階段進入表生暴露溶蝕階段，所處環境發生明顯改變，因而也會發生與化學作用水巖反應相關的特殊變化。從元壩地區雷四段的常規鏡下來看，發現了典型的去膏化(圖8a)和去云化現象(圖8b)，這也是后期大氣淡水淋濾環境的重要化學識別標志之一[20]。同時從穩定礦物的轉換來看，雷四一亞段見有星散狀、浸染狀、斑點狀和斑塊狀褐鐵礦[化學式為Fe2O3·nH2O或FeO(OH)·H2O或Fe(OH)3](圖8c)，分析認為由埋藏還原環境下形成的黃鐵礦在大氣淡水環境下經氧化轉變形成褐鐵礦，其化學式為：

圖8 四川盆地元壩地區雷四段去膏化、去云化及褐鐵礦化特征

(1)

從雷四段不同巖性的地化特征分布來看(圖9)，受后期成巖作用改造較弱的泥晶灰巖、微晶云巖碳同位素值為-1.05‰～-0.12‰，均值為-0.54‰，與黃思靜[21]所研究的中三疊世四川盆地原始海水碳同位素值-1.00‰～4.20‰相當。而巖溶角礫巖類，及其內部脈體和充填物的碳同位素則相對于原始海水碳同位素值發生了明顯負偏，表明這些樣品成巖過程中受到大氣淡水淋濾的顯著影響。淡水淋濾通過土壤帶溶解了有機質氧化形成的CO2，有機質中含有大量的δ12C，富含δ12C的水溶液與風化殼中海相環境中沉積的碳酸鹽沉積物(巖)作用，使其δ13C值降低，這正是古風化殼碳酸鹽巖的特點。同樣，δ18O值的高低取決于成巖溫度和孔隙水的鹽度[22]，孔隙水的鹽度越低，即淡水淋濾作用越強，δ18O值降低。從δ18O分布來看，與巖溶作用相關的樣品相對于微晶云巖樣品也發生了明顯的負偏，揭示了研究區強烈的巖溶作用背景。此外，研究區白云石樣品的電子探針分析K2O，Na2O和SrO含量均低，表明受到大氣淡水影響而導致Na+，K+和Sr2+丟失(表2)[19]。

圖9 四川盆地元壩地區雷四段不同巖類碳、氧同位素特征

表2 四川盆地元壩地區雷四段白云石電子探針元素分析

3.2.2 巖溶古地貌對儲層分布的控制

前人的研究表明，巖溶型儲層的發育分布與巖溶古地貌控制的古水文活動規律密切相關[23-25]，由于雷四段頂部地層受地表河流沖刷剝蝕嚴重，殘留厚度明顯減薄，這些區域即為古溶溝的發育區。因而可用雷四二亞段的殘留厚度來表征巖溶地貌(圖1)。溶溝的存在使元壩地區古地貌呈現溝臺相間的特征，在溶溝內部，水體匯聚，水勢較低，高部位丘臺位置的溶蝕物質帶至溶溝內堆積，故溶溝內的鉆井多以垮塌和充填相為主，如YB204井和YB3井，這些井測井解釋未見儲層，油氣顯示微弱。而位于丘臺主體區的鉆井，地層殘留厚度大，巖溶水勢能強，飽和度低，溶蝕物質能及時帶走排出，因而可見發育良好的儲層，如YB22井和YB4井等井儲層解釋厚度分別為46.5，22.9 m，測試產能則達36.00×104m3/d和68.37×104m3/d。

3.3 深埋熱液溶蝕作用進一步提高儲滲性能

除表生溶蝕這一關鍵因素外，研究區雷四段還存在另一期建設性溶蝕作用-深埋熱液溶蝕作用。一方面從巖心和鏡下可發現基巖中存在天青石(圖10a)、瑩石和巨晶白云石等熱液礦物脈體。另一方面也見有與熱液溶蝕相關的溶洞。如在YB12井所發現的兩個保存完好的與裂縫相連的兩個溶洞(圖10b，c)。洞寬為2～3 mm，長1～3 mm，沿洞壁附著有黑色多孔凝膠狀物質。在超高倍鏡下凝膠狀物質二次電子圖像呈膠粒狀結構，探明成分為富鎂物質(尚未查明其礦物學特征)(圖10d)。同時，溶蝕洞內充填物成分從洞壁向外方向似有環帶分異現象(圖10e，f)。縫、洞之外圍巖中能譜分析存在大量中-低溫熱液標志礦物磁黃鐵礦。據此認為這兩個溶洞為熱液溶蝕形成。熱液溶蝕作用主要是對表生期形成的先期孔滲體的進一步疊加優化，在一定程度上提高儲滲性能。

圖10 四川盆地元壩地區雷四段熱液溶蝕特征

4 天然氣地質意義

基于以上分析，認為元壩地區雷口坡組既有傳統意義上優勢，即淺灘相帶疊合巖溶控制，又新發現熱液作用疊加改造。從國、內外油氣勘探實踐來看(順北油氣田和耶茨油田等)[16-17]，巖溶作用除了與古地貌有關外，還受到斷裂系統控制，由地表流體順斷裂系統向下溶蝕改造。而熱液作用也與深部斷裂有關，為熱液流體沿斷裂系統向上溶蝕改造，二者在斷裂系統產生交集。因此，在進一步尋找優質儲層過程中，需結合精細三維構造解釋，在巖溶丘臺高部位中尋找斷裂系統發育區，一方面可溝通地表淡水或地腹熱液流體改造，降低儲層非均質性影響，另一方面斷裂系統還可縱向溝通下伏下二疊統等多套海相地層烴源巖，有利于油氣及時充注，匯聚成藏。

此外，從整個川東北地區雷四段巖性分布來看，通江-馬路背地區亦大面積分布雷四段白云巖地層，且由于受到開江古隆起控制，該區域雷四段剝蝕作用強于元壩地區，易于形成丘臺-溝谷相間分布的古地貌格局，溝谷內所沉積的上覆須家河組泥質烴源巖與雷口坡組形成側生旁儲有利源-儲配置關系，同時由于該區域構造活動強烈，斷裂系統也較為發育，具備良好的成儲、成藏背景，是下一步尋找雷四段氣藏的有利目標區。

5 結論

1)川東北地區雷口坡組發育顆粒淺灘疊巖溶型儲層，儲集巖主要為巖溶角礫巖和砂屑云巖，儲集空間以溶洞和裂縫為主，含部分粒間和晶間溶孔，儲層整體發育質量較好，但非均質較強，為裂縫-孔洞型儲層。

2)除明顯的地層剝蝕和巖溶角礫外，雷四段還見有黑色與須家河組沉積相關的滲流粉砂、重礦物及植物炭屑等巖溶機械充填識別標志和去膏化、去云化，以及磁鐵礦褐鐵礦化等巖溶化學作用識別標志。受大氣淡水淋濾影響，碳、氧同位素相對于原始海水明顯負偏，金屬元素Na+，K+和Sr2+含量也相對較低。

3)潮坪相高部位淺灘是儲層發育的物質基礎，巖溶作用疊加改善是儲層發育的關鍵，古溶溝區域地層厚度較薄，儲層發育較差；丘臺主體區域，巖溶水勢能較強，有利于溶蝕物質帶出，儲層發育質量較好。深埋藏期熱液溶蝕作用進一步提升儲滲性能。