四川盆地洗象池組顆粒灘沉積組合特征及沉積控儲機理

章學(xué)剛，熊冉，鄧慶杰，楊文杰

(1.荊州學(xué)院資源勘查工程學(xué)院，荊州 434020；2.中國石油杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023；3.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100)

顆粒灘儲層作為碳酸鹽巖儲層的主要類型之一，在中外油氣勘探工作中展現(xiàn)了巨大的資源潛力[1-3]。截至目前，世界上發(fā)現(xiàn)的多個大型油氣田的主力產(chǎn)層均與顆粒灘有關(guān)，如加瓦爾油田Arab組、四川盆地下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組、中三疊統(tǒng)雷口坡組及鄂爾多斯盆地馬家溝組均發(fā)育顆粒灘沉積[4-10]。

近年來，在四川盆地樂山-龍女寺古隆起及周緣地區(qū)，油氣地質(zhì)學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了多套碳酸鹽巖儲層，展現(xiàn)了四川盆地古老海相地層的油氣勘探前景[11-13]。在2005年老井復(fù)查中，洗象池組多口井獲工業(yè)氣流，展現(xiàn)了良好的油氣勘探潛力。此外，研究過程中通過薄片觀察，發(fā)現(xiàn)洗象池組孔隙內(nèi)存在大量瀝青充注，證實存在過油氣活動，進一步驗證了洗象池組顆粒灘儲層的勘探前景。

前人曾應(yīng)用INPEFA、碳氧同位素、自然伽馬能譜等技術(shù)對洗象池組層序地層展開定量研究[14-16]，同時對洗象池組的沉積相也做了大量研究，主要存在局限臺地、鑲邊臺地、緩坡型蒸發(fā)—局限臺地等不同觀點[15-16,21-22]，但卻普遍認為顆粒灘是優(yōu)質(zhì)儲層形成的基礎(chǔ)。盡管前人在顆粒灘是洗象池組有利儲層的觀點上取得共識，但是針對于洗象池組顆粒灘沉積組合及分布規(guī)律的研究十分稀少，特別是這類顆粒灘相儲層的形成與構(gòu)造背景、沉積環(huán)境等因素有著密切的關(guān)系[17]，不同沉積組合類型的顆粒灘對儲集性能的影響存在差異。由于洗象池組地層埋藏較深、儲層非均質(zhì)性強等因素的制約，四川盆地洗象池組整體勘探程度較低，其沉積相的分布規(guī)律及儲層特征仍需進一步深化研究。同時，為了厘清四川盆地及周緣地區(qū)洗象池組顆粒灘沉積組合特征及其控儲機制。以洗象池組顆粒灘沉積組合為研究基礎(chǔ)，利用巖心、薄片及測井資料，旨在探明四川盆地及周緣地區(qū)洗象池組顆粒灘沉積組合特征進行研究，為下一步油氣勘探工作提供理論基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地位于中國西南部，地理位置處于四川省、重慶市及其周緣地區(qū)[圖1(a)]。四川盆地寒武紀為克拉通相對穩(wěn)定時期，盆地內(nèi)寒武系地層發(fā)育完整；其中，上寒武統(tǒng)洗象池組受加里東運動的影響，形成了西北高、東南低的沉積格局[18]，沉積地層從北西-南東向呈明顯加厚的趨勢，而南西-北東向地層厚度基本相差不大。洗象池組自下而上可劃分為三段[圖1(b)]，地層在盆地西部被大量剝蝕，殘余地層巖石類型以灰色或淺灰色白云巖、泥質(zhì)白云巖、砂質(zhì)白云巖為主，局部發(fā)育顆粒白云巖。洗象池組沉積時期，四川盆地及周緣地區(qū)整體為陸表海碳酸鹽巖局限臺地沉積環(huán)境，水體較淺；臺地內(nèi)及臺地邊緣存在大量顆粒灘沉積，前人研究證實臺內(nèi)灘相具有良好的儲集性能[19-21]。

圖1 四川盆地及周緣地區(qū)位置圖及洗象池組巖性柱狀圖

2 洗象池組主要巖石類型

綜合分析四川盆地及周緣地區(qū)最新鉆井巖心資料及鏡下薄片資料，認為研究區(qū)洗象池組主要發(fā)育顆粒白云巖、晶粒白云巖和泥晶白云巖等巖石類型。其中，臺內(nèi)灘主要巖石類型為顆粒白云巖及晶粒白云巖，顆粒類型以砂屑、鮞粒及礫屑為主，局部含少量藻團塊及藻砂屑。

2.1 顆粒白云巖

四川盆地洗象池組顆粒巖主要以淺灰-灰色砂屑白云巖、鮞粒白云巖及礫屑白云巖為主。顆粒種類多樣，主要包括砂屑、礫屑、鮞粒等，生屑含量不高，部分顆粒與藻類相伴生[圖2(a)～圖2(c)、圖3(a)、圖3(b)]。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，砂屑白云巖顆粒含量可達50%～90%，其中砂屑以殘余砂屑含量較高；局部砂屑白云巖內(nèi)可見陸源石英顆粒，約占5%。砂屑邊緣通常發(fā)育2～3期的白云石膠結(jié)物[圖3(a)]，含量約占20%。顆粒間發(fā)育大量粒間溶孔、粒間晶間孔及少量粒內(nèi)溶孔，局部溶孔被瀝青充填[圖3(c)、圖3(d)]；在巖心中同樣可見大量溶洞及順層發(fā)育的“針狀”溶孔[圖2(d)]。此類砂屑白云巖是洗象池組主要的儲集巖類型。

圖2 四川盆地及周緣地區(qū)洗象池組典型宏觀沉積特征

礫屑顆粒成分較為復(fù)雜，多呈條狀，成熟度相對較低，分選、磨圓較差，礫屑成分多由低能環(huán)境的泥晶白云巖組成，礫屑間以基質(zhì)支撐為主，局部可見明顯的底沖刷面[圖2(e)]，為典型的風(fēng)暴沉積所形成的礫屑灘沉積。

2.2 晶粒白云巖

研究區(qū)內(nèi)晶粒白云巖可分為兩種類型，一類晶粒白云巖的晶粒排列較為緊密，白云石晶體以粉晶白云石為主，晶體多為他形晶，晶體間孔隙不發(fā)育或發(fā)育極差[圖3(e)]，這類白云石不能形成有效儲集層；另一類晶粒白云巖晶體排列疏松，白云石晶體多為自形晶-半自形晶為主，白云石晶粒較大，多為粉晶及細晶白云石，部分含中晶白云石，晶間孔、晶間溶孔較為發(fā)育[圖3(f)]，為有效儲層的主要組成巖石類型。后一種晶粒白云巖可在鏡下看到殘余顆粒幻影，少部分完全被白云石重結(jié)晶改造，原始顆粒結(jié)構(gòu)被破壞[圖3(f)]，不能對原巖進行恢復(fù)，但可在野外剖面中見大型交錯層理，判斷為高能環(huán)境顆粒灘的產(chǎn)物，受成巖作用改造而失去了原始的顆粒結(jié)構(gòu)[20]。

圖3 四川盆地及周緣地區(qū)洗象池組鏡下沉積特征

2.3 泥晶白云巖

區(qū)內(nèi)泥晶白云巖多呈淺灰色-灰色、淺灰黃色的薄層狀產(chǎn)出，可見砂質(zhì)或泥質(zhì)條帶。局部以發(fā)育膏模孔，反映水體較淺、蒸發(fā)量高、鹽度相對較高的沉積環(huán)境。該巖石類型主要發(fā)育于水體能量較低的局限潟湖或潮坪相沉積。

3 顆粒灘結(jié)構(gòu)特征

3.1 垂向沉積序列特征

四川盆地洗象池期發(fā)育局限臺地沉積，臺地整體水體較淺，是一個相對安靜的環(huán)境。綜合分析洗象池組顆粒灘宏觀特征，區(qū)內(nèi)顆粒灘單灘體厚度整體較薄，通過對顆粒灘沉積特征進行統(tǒng)計分析，認為研究區(qū)內(nèi)發(fā)育了顆粒灘-顆粒灘疊置、顆粒灘-潮坪、潟湖-顆粒灘(-潮坪)3種向上變淺的沉積序列。

3.1.1 顆粒灘-顆粒灘疊置組合

區(qū)內(nèi)顆粒灘沉積厚度較薄，單灘體厚度一般小于2.5 m。當海平面出現(xiàn)頻繁的震蕩性活動，就會導(dǎo)致灘體垂向上多期次疊加，形成厚度較大的垂向疊置型灘體[圖4(a)]。這時，往往可形成累計厚度達幾米至幾十米厚的顆粒灘層段，顆粒巖厚度可達70%以上，即表現(xiàn)為這種顆粒灘-顆粒灘疊置的沉積組合。這種灘體組合類型主要集中分布于川中地區(qū)，縱向上，以洗二段為主要發(fā)育時期。

該組合主要由砂屑白云巖、鮞粒白云巖、殘余顆粒白云巖及少量礫屑白云巖組成，中下部以顆粒白云巖為主，過渡到組合中上部漸變?yōu)闅堄囝w粒白云巖。但個別單灘體旋回沉積組合中，底部由少量泥晶白云巖組成，中上部變?yōu)樯靶及自茙r、殘余顆粒白云巖等顆粒巖。研究過程中，把這種顆粒巖占單旋回發(fā)育灘體的70%以上，也劃分為該種沉積組合類型。

3.1.2 顆粒灘-潮坪組合

這種顆粒灘沉積組合主要表現(xiàn)在底部以局限臺地臺內(nèi)灘相沉積為主，表現(xiàn)為由淺灰色-灰色砂屑白云巖組成；中上部過渡為泥晶白云巖、粉晶白云巖、藻紋層白云巖等巖石類型[圖4(b)]，且局部地區(qū)陸源物質(zhì)含量較高，巖性以含砂白云巖等混積巖類為主，這種類型主要分布于盆地西北緣靠近古隆起的區(qū)域。這一沉積時期，由于盆地西北緣地區(qū)受古隆起的影響，陸源物質(zhì)較高，發(fā)育潮坪(或混積潮坪)沉積環(huán)境，局部由于水體持續(xù)變淺，甚至發(fā)育潮上蒸發(fā)沉積環(huán)境。顆粒灘-潮坪組合類型主要出現(xiàn)在海平面不斷下降、水體持續(xù)變淺的沉積環(huán)境中，單灘體厚度較薄，一般小于2 m。

3.1.3 潟湖-顆粒灘(-潮坪)組合

該種顆粒灘沉積組合中下部多為灰色-深灰色為主的泥晶白云巖，向上逐漸過渡為灰色-淺灰色為主的砂屑白云巖[圖4(c)]。若海平面持續(xù)降低，使灘體處于潮上環(huán)境且并未發(fā)生暴露，則易形成以藻紋層白云巖為主的潮上沉積環(huán)境。易構(gòu)成由潟湖-顆粒灘(-潮上)的向上變淺的沉積旋回。該組合顆粒灘沉積厚度較薄，多小于2 m。

圖4 四川盆地洗象池組顆粒灘沉積組合特征

3.2 顆粒灘橫向展布特征

顆粒灘的發(fā)育受沉積期水體能量及微古地貌環(huán)境的控制，洗象池組儲層的發(fā)育與顆粒灘的分布密切相關(guān)。選取盆地內(nèi)一條北西-南東向連井剖面(圖5)，分析顆粒灘在該方向上分布情況。橫向上，受川中古隆起的影響，四川盆地洗象池組地層在北西-南東向厚度變化較大，自北西向至南東向處，地層呈變厚的趨勢。通過區(qū)域沉積相研究，剖面穩(wěn)定發(fā)育局限臺地相沉積，而至秀山溶溪剖面則過渡到開闊臺地相沉積，而整個洗象池組沉積期局限臺地內(nèi)部發(fā)育一定規(guī)模的臺內(nèi)顆粒灘相沉積。

靠近古隆起一側(cè)受陸源物質(zhì)影響，發(fā)育顆粒灘-潮坪的沉積組合為主，東深1井-丁山1井一帶則發(fā)育了顆粒灘-顆粒灘多期顆粒灘疊置沉積和潟湖-顆粒灘-(潮坪)兩種沉積組合。

3.3 顆粒灘平面分布特征

中晚寒武世洗象池期上揚子區(qū)海域水體較為局限，在靠近西南緣康滇古陸區(qū)碎屑巖供應(yīng)較富集；研究區(qū)除西南部外，四川盆地洗象池期陸源碎屑供應(yīng)不充足，盆地內(nèi)部水體環(huán)境較為封閉，能量較低，發(fā)育以白云巖為主的碳酸鹽巖沉積，為局限臺地環(huán)境，向東灰?guī)r含量逐漸增加逐漸由局限臺地向開闊臺地-臺地邊緣環(huán)境轉(zhuǎn)變(圖6)。而膏巖分布面積較小，集中分布于金沙-遵義、兩岔河、永善、竹溪雙橋一帶，膏巖厚度大于10 m。

研究區(qū)平面上具自西向東水體逐漸加深的趨勢，自川中古隆起核部向斜坡帶沉積相逐漸從局限臺地逐漸過渡到開闊臺地沉積環(huán)境，在局限臺地環(huán)境中沉積了大量臺內(nèi)灘，臺內(nèi)顆粒灘的展布受古隆起和同沉積斷層的控制沿古隆起斜坡帶和斷層呈條帶狀展布(圖6)。

圖6 四川盆地洗象池組顆粒灘平面分布特征

4 顆粒灘沉積控儲機理

4.1 顆粒灘垂向沉積組合為儲層的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)

碳酸鹽巖儲層的形成往往受沉積、成巖及構(gòu)造運動等多方面的因素綜合控制。前人研究證實，四川盆地洗象池組儲層屬相控型儲層[13,19-20]，儲層的發(fā)育受臺內(nèi)顆粒灘微相的控制作用明顯。在對洗象池組儲層不同微相類型的孔隙度對比工作中，前人已經(jīng)進行了大量的研究，在此不再重復(fù)贅述，這些學(xué)者認為，顆粒灘微相為洗象池組儲層中最有利的微相類型，顆粒灘的分布控制著儲層的分布位置[21-23]。

不同的顆粒灘組合產(chǎn)生于不同的沉積環(huán)境，而儲層的形成與沉積環(huán)境及沉積微相有著密不可分的關(guān)系，進而對不同的顆粒灘沉積組合進行了物性對比分析，認為多期疊置的顆粒灘組合為最有利于優(yōu)質(zhì)儲層的形成，而顆粒灘-潮坪和潟湖-顆粒灘類型的顆粒灘組合難以形成有效的優(yōu)質(zhì)儲層(圖7)。

圖7 不同顆粒灘沉積組合孔隙度直方圖

顆粒灘-顆粒灘這類多期顆粒灘疊置的沉積組合多發(fā)育于川東及川中地區(qū)，具有發(fā)育良好儲層的孔隙基礎(chǔ)，平均孔隙度為4.12%。雖單期顆粒灘厚度較薄，但多期顆粒灘疊置組合累計厚度可達幾十米厚。最優(yōu)勢儲層主要集中于各期顆粒灘儲層的中上部[圖4(a)]，主要原因在于：①顆粒灘沉積期，灘體所處水體能量較高，灘體沉積時反復(fù)經(jīng)過高能海水淘洗，顆粒間黏土類物質(zhì)被海水帶走，而是顆粒間發(fā)育大量原生粒間孔隙，這時具有較高的孔隙度；②隨著海平面的快速上升，灘體以加積方式迅速沉積；長期的、頻繁的海平面升降變化導(dǎo)致灘體頂部間歇性暴露出水面，從而使灘體頂部發(fā)生大氣淡水的溶蝕作用，發(fā)育選擇性溶蝕孔隙，為儲層的形成提供了基本的物質(zhì)保障。

顆粒灘-潮坪沉積組合多分布于盆地西北緣靠近古隆起的區(qū)域，臺內(nèi)灘厚度一般小于2 m，整個組合厚度不大，多數(shù)不足十米。這類顆粒灘組合的平均孔隙度較低，約為1.93%(圖7)，較顆粒灘-顆粒灘這類多期顆粒灘疊置組合的平均孔隙度低[圖4(b)]，而組合上部的潮坪相中發(fā)育的粉晶白云巖中發(fā)育少量晶間孔、晶間溶孔。但受陸源物質(zhì)影響，部分組合內(nèi)上部潮坪相中存有陸源石英的組分，部分可達10%左右，這類混有陸源物質(zhì)的部分，往往不具有形成儲層的能力。

潟湖-顆粒灘(-潮坪)沉積組合分布范圍較廣，具有普遍性，這類組合沉積厚度約為2 m。這類組合的顆粒灘沉積厚度較薄，平均孔隙度較低，約為1.27%，為三類沉積組合中平均孔隙度最低的沉積組合(圖7)。主要由于這類組合中有限的顆粒灘厚度難以形成有效儲層，并且下部的潟湖相沉積主要以泥晶白云巖為主，孔隙不發(fā)育，所以這類組合不具備發(fā)育成為儲層的能力。

4.2 層序演化控制著顆粒灘儲層的縱向分布規(guī)律

為了進一步探討層序演化與顆粒灘儲層的關(guān)系，基于Vail的層序地層學(xué)理論，通過對典型層序界面的識別，將洗象池組自下而上分為3個三級層序SQ1～SQ3，分別對應(yīng)于洗一段～洗三段，層序內(nèi)部均發(fā)育高位體系域和低位體系域(圖8)。

研究發(fā)現(xiàn)，洗象池組儲層段主要由顆粒灘相的顆粒巖和非顆粒灘相的晶粒巖組成。顆粒灘儲層主要發(fā)育于SQ2和SQ3兩個三級層序的高位體系域中(圖8)，這主要是由于高位體系域時期多形成淺水高能的沉積環(huán)境，而顆粒灘的形成需要在沉積時期水動力條件較強、海平面適宜、陸源物質(zhì)侵入較少的條件。

HST為高位體系域；TST為低位體系域

4.3 海平面變化對顆粒灘儲層的控制作用

顆粒灘相儲層具有較強的非均質(zhì)性，從而影響了對顆粒灘儲層的預(yù)測能力。從沉積角度來看，在海平面升降變化的過程中，導(dǎo)致了沉積微相及巖性的變化，從而控制著儲層形成的基礎(chǔ)物質(zhì)條件：即高能環(huán)境下形成的顆粒巖具有形成儲層的物質(zhì)基礎(chǔ)。此外，海平面的升降變化與古地貌特征還控制著顆粒灘的厚度，微古地貌高點有利于顆粒灘的形成，頻繁性、震蕩性的海平面變化，有利于顆粒灘的縱向疊加，總而形成上述不同種類的高頻旋回特征。

從成巖角度來看，在間歇性的快速海侵和緩慢海退過程中，灘體頂部易處于暴露環(huán)境而形成大氣淡水透鏡體，接受選擇性溶蝕作用的改造，從而為優(yōu)質(zhì)儲層的形成提供了保障。

5 結(jié)論

(1)四川盆地洗象池組主要識別出3種主要的巖石類型，即顆粒白云巖、晶粒白云巖及泥晶白云巖。臺內(nèi)灘主要由顆粒白云巖以及晶粒白云巖組成，其中顆粒類型以砂屑、鮞粒及礫屑為主，局部含少量藻團塊及藻砂屑。在垂向上，主要識別出3類與顆粒灘有關(guān)的沉積組合，分別為顆粒灘-顆粒灘的多期疊置組合、顆粒灘-潮坪組合及潟湖-顆粒灘沉積組合。

(2)橫向上，盆地自西向東地層厚度增加，顆粒灘受古隆起及同沉積斷裂主要沉積于局限臺地內(nèi)部。平面上，臺內(nèi)顆粒灘的展布受古隆起和同沉積斷層的控制沿古隆起斜坡帶和斷層呈條帶狀展布。

(3)通過對不同顆粒灘組合的孔隙度進行對比，發(fā)現(xiàn)顆粒灘-顆粒灘的多期疊置組合物性最好，為四川盆地洗象池組最有利的儲層發(fā)育組合類型，而顆粒灘-潮坪次之，潟湖-顆粒灘組合最差，不具備發(fā)育儲層的能力。

(4)顆粒灘垂向沉積組合、層序演化、海平面變化等因素共同控制著顆粒灘儲層的發(fā)育。顆粒灘垂向沉積組合為儲層的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，層序演化控制著儲層的縱向分布，而海平面不僅決定著微相及巖性變化，同樣控制著同生期成巖環(huán)境，為儲層的形成提供保障。