張礦明， 范志偉， 馬成憲， 楊 鳳， 李旭文

( 中國石化勘探分公司 勘探研究院，四川 成都 610041 )

0 引言

目前，關(guān)于下石炭統(tǒng)同類型碎屑巖儲(chǔ)層研究有多個(gè)發(fā)現(xiàn)[1-4]，展現(xiàn)良好的資源潛力。桂中地區(qū)多口鉆井在寺門組砂巖中鉆遇豐富油氣顯示。繼大5(寺門組375 m砂巖井噴，噴高4 m)、柳熱1、洛1等井在下石炭統(tǒng)鉆遇良好油氣顯示后，2014年，柳城氣井于寺門組井深248.5 m處鉆遇砂巖儲(chǔ)層，并發(fā)生井涌和井噴，日產(chǎn)天然氣(3～4)×103m3。2016年，東塘1井于寺門組井深290.0～310.0 m處砂巖儲(chǔ)層浸水冒泡明顯，產(chǎn)氣量大而連續(xù)，氣測(cè)全烴體積分?jǐn)?shù)最大為26%；之后，發(fā)生井涌并點(diǎn)火可燃，揭示桂中地區(qū)寺門組砂巖儲(chǔ)層具有較好的勘探前景。桂中地區(qū)下石炭統(tǒng)寺門組發(fā)育有利砂巖儲(chǔ)層，孔隙度為1.0%～26.3%(51個(gè)樣品)，平均為8.2%；滲透率為(0.02～84.50)×10-3μm2(52個(gè)樣品)，平均為0.21×10-3μm2。寺門組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層與暗色烴源層大面積接觸，灰黑色—黑色泥質(zhì)烴源巖厚度將近100.0 m，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.94%～2.62%(8個(gè)樣品)，平均為1.50%，具有源內(nèi)成藏、近源充注的成藏背景。

近年來，人們研究滇黔桂地區(qū)石炭—二疊紀(jì)層序沉積相，如岳艷[5]、姜在興[6]、何幼斌等[7]、梅冥相等[8]、焦大慶等[9]認(rèn)為，滇黔桂地區(qū)石炭紀(jì)到二疊紀(jì)船山世的地層構(gòu)成一個(gè)二級(jí)構(gòu)造大層序，其底界面為紫云運(yùn)動(dòng)主幕的不整合面；趙明騰等[10]認(rèn)為，大塘期中期(寺門期)是廣西境內(nèi)最大海退時(shí)期，云開古島西北部已擴(kuò)大至平南、金秀、昭平一帶，由古島區(qū)的差異升降導(dǎo)致較粗陸源碎屑物質(zhì)注入臺(tái)盆，在該地區(qū)形成(辮狀河)三角洲相；隆軻[11]認(rèn)為，黔南桂中地區(qū)石炭紀(jì)由北向南為古陸—濱岸—碳酸鹽臺(tái)地—臺(tái)盆。人們對(duì)桂中地區(qū)寺門組碎屑巖物源與沉積模式的研究較少，存在的問題主要表現(xiàn)在兩方面：一是砂巖物源和成因分析還需實(shí)物分析資料的支撐，存在母巖來源與搬運(yùn)方向模糊不清的問題，影響沉積模式的可信度；二是雖然砂巖有利儲(chǔ)層發(fā)育，但有利砂巖相帶展布規(guī)律還需進(jìn)一步落實(shí)。筆者結(jié)合錄井、地震資料，對(duì)寺門組的8條野外剖面和鉆井剖面的分析資料進(jìn)行研究，深化對(duì)桂中地區(qū)寺門組砂巖的物源特征、搬運(yùn)方向與相帶展布認(rèn)識(shí)，為研究區(qū)尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層及油氣勘探評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

桂中坳陷位于華南板塊的西南緣，北部與江南古陸毗鄰，東部以龍勝—永福斷裂及大瑤山隆起為界，西部以南丹—都安斷裂為界，面積為4.6×104km2(見圖1)。桂中坳陷是在加里東運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上形成的晚古生代海相大型沉積坳陷，其基底是揚(yáng)子穩(wěn)定地塊的組成部分；自晚古生代以來，桂中坳陷周邊為隆起帶、造山帶圍限，以升降運(yùn)動(dòng)為特點(diǎn)，受褶皺擠壓變形較弱，獲得穩(wěn)定沉積與保存的時(shí)空條件[12-15]。

圖1 桂中坳陷區(qū)域構(gòu)造及研究區(qū)位置

早石炭世，桂中坳陷繼承黔桂地區(qū)泥盆紀(jì)西北向拉張裂陷盆地、北東向走滑盆地與臺(tái)地相間展布的沉積格局。受早石炭世初期紫云運(yùn)動(dòng)的隆升作用[16-19]影響，黔南地區(qū)大部分地區(qū)暴露，桂中地區(qū)靠近物源區(qū)發(fā)育碎屑巖。桂中地區(qū)下石炭統(tǒng)寺門組主要巖性為灰黑色頁巖、石英砂巖夾粉砂質(zhì)頁巖，根據(jù)巖石組合可分為三段：底部為深灰色薄層泥巖，下部為深灰色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖夾少量中層細(xì)粒石英砂巖，上部為灰—深灰色中層狀石英砂巖夾頁巖、泥質(zhì)粉砂巖。寺門組地層與上覆羅城組深灰—灰黑色中層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r呈整合接觸，與下伏黃金組灰—深灰色中—厚層細(xì)—粉晶生屑灰?guī)r呈整合接觸。

2 沉積相與沉積體系

在分析桂中地區(qū)8條露頭剖面、5口鉆井資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)巖石學(xué)特征、沉積構(gòu)造、地震相、砂地比和砂礫巖厚度分布等資料，以沉積特征和指相標(biāo)志的識(shí)別為依據(jù)，認(rèn)為桂中地區(qū)寺門組主要發(fā)育三角洲相沉積和障壁海岸相沉積兩種類型砂體。

2.1 單井相分析

2.1.1 三角洲相

環(huán)江水源土弄山剖面寺門組三角洲相沉積主要以三角洲前緣亞相發(fā)育為特征，由水下分流河道、河口砂壩、分流間灣等微相組成(見圖2(a))。水下分流河道微相具有底部礫巖發(fā)育并伴有沖刷構(gòu)造，粒度向上逐漸減小，以正韻律為特征，并于鄰近古昌剖面中觀察到河道遷移的現(xiàn)象。河口砂壩微相巖石類型以分選程度較好的中細(xì)粒砂巖為主，并以自下而上反粒序韻律為特征。分流間灣微相以細(xì)粒沉積為主，由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖組成，垂向上與水下分流河道砂體構(gòu)成較好的儲(chǔ)蓋組合。受河道的側(cè)向遷移與潮汐作用影響，可細(xì)分為5個(gè)短期旋回。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要發(fā)育于高位體系域的水下分流河道微相，孔隙度為1.7%～22.9%，平均為6.7%。

2.1.2 障壁海岸相

南丹車河剖面寺門組主要由障壁海岸相和河口灣相組成(見圖2(b-c))。障壁海岸相由沿岸砂壩、砂灘、潮汐水道等微相組成。沿岸砂壩砂巖以成分和結(jié)構(gòu)成熟度較高的厚層中粒石英砂巖為主，可見生物碎屑，局部可見反粒序韻律(見圖3(a-b、f))。砂灘相砂巖受水體的反復(fù)淘洗，分選磨圓較好，單層厚度以中層狀中—細(xì)粒石英砂巖為主，常夾有薄層狀泥巖條帶。潮汐水道以發(fā)育漸變正韻律的礫巖沉積為特征，分選與磨圓較差，常呈透鏡狀產(chǎn)出(見圖3(c-e、g-h))。受潮汐的進(jìn)退和潮道的側(cè)向遷移影響，可細(xì)分為3個(gè)短期旋回。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要發(fā)育在高位體系域的沿岸砂壩與砂灘微相中。

2.2 連井沉積對(duì)比

根據(jù)由北向南連井剖面地層對(duì)比(見圖4)，砂巖厚度由厚變薄。在柳城、鹿寨地區(qū)，自東北向西南，廣西鹿寨長盛坳剖面三角洲前緣相的分流河道砂發(fā)育，砂體厚度大，向西至廣西鹿寨洛埠，分流河道砂體厚度明顯減薄，至柳城氣井，沉積相變?yōu)檎媳诤０断嗟恼媳谏皦巍暫喑练e，砂體沉積主要受障壁島、潮汐水道的控制；至廣西柳江剖面，沉積相主要為清水環(huán)境的潟湖潮坪沉積。總體上，三角洲水下分流河道和障壁砂壩砂體多期疊置，與暗色烴源層大面積接觸，具有較好的成藏背景。根據(jù)地震測(cè)線(見圖5)，寺門組由北向南存在從三角洲體系—濱岸潮坪—障壁砂壩的沉積相帶的變化，表明致密砂巖類型多樣、分布范圍廣，具有良好的勘探潛力。

圖2 桂中地區(qū)寺門組典型單井相柱狀圖Fig.2 Typical stratigraphic columns of Simen formation in Guizhong depression

圖3 桂中地區(qū)寺門組野外露頭和鏡下薄片照片F(xiàn)ig.3 Photographs of outcrop and thin-sections of Simen formation in Guizhong area

圖4 長盛坳—鹿寨—柳城氣井—柳江下石炭統(tǒng)寺門組沉積層序格架Fig.4 Sedimentary sequence correlation of Changsheng'ao-Luzhai-well LCQ-Liujiang in Simen formation

3 物源特征與巖相古地理演化

3.1 物源分析

古物源控制砂體的分布和成因，古物源研究有利于探討砂體的展布及預(yù)測(cè)[20-23]。根據(jù)砂地比和砂礫巖厚度分布、重礦物組合、古流向等資料，探討研究區(qū)寺門組物源體系特征。

圖5 桂中地區(qū)寺門組地震相分析Fig.5 Seismic facies analysis in Simen formation in Guizhong area

3.1.1 砂地比及砂礫巖厚度

碎屑巖從物源口到盆地中心具有砂地比、砂礫巖厚度逐漸減小的趨勢(shì)，因此可利用砂地比、砂礫巖厚度平面等值線圖確定物源區(qū)和物源方向。

根據(jù)寺門組19口鉆井和野外剖面資料，確定桂中地區(qū)下石炭統(tǒng)寺門組砂地比(見圖6)和砂礫巖厚度(見圖7)分布規(guī)律，自雪峰古陸向南和云開古陸向西砂地比和砂礫巖厚度具有明顯減小的趨勢(shì)。其中，荔波地區(qū)自北向南砂地比由0.5降至0.2，鹿寨地區(qū)自東向西砂地比由1.0降至0.2，并于南丹—河池—羅城—柳城—柳江一線出現(xiàn)局部砂地比增大的趨勢(shì)，桂中地區(qū)寺門組存在北部雪峰古陸南緣和東部云開古陸西側(cè)兩個(gè)物源區(qū)，物源區(qū)向深水區(qū)搬運(yùn)遷移而形成三角洲，于南丹—柳江一線形成串珠狀砂壩沉積。

3.1.2 重礦物組合

碎屑巖中相對(duì)密度大于2.86 g/cm3的礦物為重礦物，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過1.00%。重礦物具有耐磨蝕、穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠較多地保留母巖的特征，為常用的物源分析方法。碎屑沉積物中，重礦物及其組合特征多取決于母巖的性質(zhì)、水動(dòng)力條件和沉積物的搬運(yùn)距離。在物源相同、古水流體系一致的碎屑沉積物中，重礦物組合具有相似性；母巖區(qū)不同的碎屑沉積物多具有不同的重礦物組合[8-13]。

分析桂中地區(qū)寺門組8個(gè)剖面、43塊重礦物樣品資料，重礦物主要包括鋯石、赤褐鐵礦、綠簾石、電氣石、白鈦礦、綠泥石、黃鐵礦等。根據(jù)重礦物組合平面分布特征(見圖8)，桂中地區(qū)寺門組可分為3個(gè)物源組合區(qū)：

(1)Ⅰ區(qū)。主要位于桂中西北部的南丹、環(huán)江地區(qū)，重礦物組合為鋯石、赤褐鐵礦、綠簾石和其他礦物等(電氣石、白鈦礦、綠泥石、錫石和黃鐵礦)。結(jié)合砂地比分析，該區(qū)母巖來源于北部雪峰古陸，重礦物組合具有相似性。

(2)Ⅱ區(qū)。主要位于桂中東部的柳城、鹿寨地區(qū)，重礦物組合為赤褐鐵礦和其他礦物等(綠簾石、黃鐵礦和白鈦礦)，重礦物組分相對(duì)簡(jiǎn)單，母巖主要來源于東部云開古陸。

(3)Ⅲ區(qū)。主要位于桂中中部地區(qū)，重礦物組合為赤褐鐵礦、綠簾石、鋯石和其他礦物等(電氣石、綠泥石和白鈦礦)，具有Ⅰ、Ⅱ區(qū)重礦物組合過渡變化的特征，為Ⅰ、Ⅱ區(qū)的混源區(qū)。

重礦物種類繁多，根據(jù)抗風(fēng)化穩(wěn)定性，可將重礦物分為穩(wěn)定重礦物和不穩(wěn)定重礦物兩類。穩(wěn)定重礦物抗風(fēng)化能力強(qiáng)，距離沉積物源越遠(yuǎn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)越高；不穩(wěn)定重礦物抗風(fēng)化能力相對(duì)較弱，距離母巖越遠(yuǎn)，相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低。ZTR指數(shù)是指穩(wěn)定礦物鋯石、電氣石和金紅石在透明重礦物中所占比例，代表重礦物的成熟度，可以指示沉積物的搬運(yùn)距離和物源方向。Ⅰ區(qū)ZTR指數(shù)相對(duì)較大，車河剖面ZTR指數(shù)為36.40，水源剖面ZTR指數(shù)為32.26，古昌剖面ZTR指數(shù)為21.27，整體表現(xiàn)為自南向北方向ZTR指數(shù)逐漸降低，揭示Ⅰ區(qū)自雪峰古陸區(qū)向南物源搬運(yùn)方向；由于Ⅱ區(qū)無鋯石、電氣石和金紅石等穩(wěn)定重礦物，無法采用ZTR指數(shù)分析。

3.1.3 古流向

桂中地區(qū)寺門組古流向分析所用指向特征，以野外露頭中的交錯(cuò)層理、波痕、礫石最大扁平面的排列方向等為標(biāo)志。在野外測(cè)量交錯(cuò)層理、波痕、礫石最大扁平面的排列方向沉積標(biāo)志的產(chǎn)狀，并投射到研究區(qū)平面圖上，推斷古水流方向(見圖9)。

圖6 桂中地區(qū)寺門組砂地比Fig.6 Sand ratio map in Simen formation in Guizhong area

環(huán)江水源剖面29層發(fā)育波痕構(gòu)造，波痕走向?yàn)?40°(見圖9(a))，推測(cè)古水流方向垂直于波痕走向，為330°；21層礫石顆粒較為發(fā)育，礫石最大扁平面的排列方向?yàn)?39°(見圖9(b))。南丹車河剖面交錯(cuò)層理傾向?yàn)?40°(見圖9(c))。柳江坡廟剖面礫石最大扁平面的排列方向?yàn)?05°(見圖9(d))。古昌剖面河道遷移方向?yàn)?50°(見圖9(e))。Ⅰ區(qū)古水流方向主要為南東(330°～350°)和西南(240°)2個(gè)方向，Ⅱ區(qū)古水流方向主要為南西方向(205°)。

因此，母巖主要來源于北部雪峰古陸與東部云開古陸沉積巖再搬運(yùn)、火成巖和變質(zhì)巖組合。

3.2 沉積體系平面分布與物源搬運(yùn)模式

由桂中地區(qū)寺門組沉積相平面展布(見圖10)可知，桂中坳陷北部地區(qū)為受物源和障壁島控制的混水碎屑巖沉積，南部地區(qū)為清水碳酸鹽巖沉積。北部緊靠雪峰古陸和云開古陸邊緣，以濱岸—三角洲沉積為主，隨著與物源區(qū)距離的增大，砂礫巖和砂地比減小，出現(xiàn)混積潮坪相沉積；在南丹—河池—羅城—柳城—柳江一線，受繼承性高古地貌遮擋的影響，平行于岸線方向，形成串珠狀的沿岸砂壩砂體。沿岸砂壩以南地區(qū)砂體消失，為臺(tái)地相和臺(tái)盆相清水碳酸鹽巖沉積。

圖7 桂中地區(qū)寺門組砂礫巖等厚圖Fig.7 Sand isopach map in Simen formation in Guizhong area

下石炭統(tǒng)寺門組砂體形成于海岸三角洲和潮汐三角洲，在河池、環(huán)江地區(qū)的水源、古昌、后社一帶，以及柳州區(qū)塊的鹿寨、坡廟一帶為海岸三角洲沉積；在南丹車河、德勝一帶障壁島發(fā)育。受潮汐作用影響，三角洲相的碎屑物質(zhì)在沿岸流與潮汐作用下，形成潮汐三角洲沉積，發(fā)育受障壁島影響控制的串珠狀障壁砂壩(沿岸砂壩)、潮汐水道砂體、沙灘等沉積，砂壩沿障壁島分布，縱向砂體多期疊置。總體上，寺門組砂巖來源于雪峰古陸南部與云開古陸西緣三角洲相區(qū)，受潮汐流與波浪流作用遷移至高古地貌遮擋處，在沿岸流與反向潮汐流的作用下逐漸堆積成砂壩或?yàn)?見圖11)。

圖8 桂中地區(qū)寺門組砂地比、重礦物平面分布Fig.8 Sand ratio and heavy mineral map in Simen formation in Guizhong area

圖9 桂中地區(qū)寺門組古流向指示標(biāo)志Fig.9 The sigh of paleo flow direction in Simen formation in Guizhong area

圖10 桂中地區(qū)寺門組沉積相Fig.10 Sedimentary facies map in Simen formation in Guizhong area

圖11 桂中地區(qū)寺門組沉積相與物源搬運(yùn)模式Fig.11 Sedimentation and transpostion model in Simen formation in Guizhong area

4 結(jié)論

(1)桂中地區(qū)下石炭統(tǒng)寺門組可分為3個(gè)物源組合區(qū)。Ⅰ區(qū)主要位于桂中西北部的南丹、環(huán)江地區(qū)，母巖來源于北部雪峰古陸周緣；Ⅱ區(qū)主要位于桂中東部的柳城、鹿寨地區(qū)，母巖主要來源于東部云開古陸周緣；Ⅲ區(qū)為Ⅰ、Ⅱ區(qū)的混源區(qū)。其中，Ⅰ區(qū)古水流方向主要為南東(330°～350°)和西南(240°)2個(gè)方向，Ⅱ區(qū)古水流方向主要為南西方向(205°)。

(2)桂中地區(qū)寺門組砂巖靠近雪峰古陸南部與云開古陸西緣發(fā)育三角洲相，受潮汐流與波浪流作用遷移至高古地貌遮擋處；之后，在沿岸流與反向潮汐流的作用下逐漸堆積成砂壩或?yàn)Ｓ欣皫r儲(chǔ)層主要分布于雪峰隆起南側(cè)和云開古陸西緣三角洲水下分流河道微相，以及南丹—河池—羅城—柳城—柳江一線的沿岸砂壩。