鄧 莉,劉君龍,錢玉貴,張世華,王天云,于海躍

[1.中國石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院,四川成都610041; 2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 3.中國石油 東方地球物理公司新興物探開發(fā)處,河北 涿州 072751; 4.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249]

四川盆地一直是我國天然氣勘探的重點目標,而川西陸相致密砂巖儲層則是其中最熱點地區(qū)之一[1-3]。近幾年,隨著勘探不斷深入,多口鉆井揭示,龍門山前帶侏羅系具有良好油氣顯示,是中石化西南油氣分公司2017年勘探重點突破區(qū)帶,對龍門山前帶侏羅系進行整體評價是十分有必要的,物源和沉積體系展布研究是開展后續(xù)工作的基礎和關鍵。然而,由于該區(qū)靠近龍門山前帶,物源與沉積體系展布復雜,制約了下一步勘探。因此,以高精度層序地層學理論為指導,借鑒川西坳陷內部較為成熟的勘探實踐經(jīng)驗,開展龍門山前帶侏羅系物源與沉積體系特征研究,具有重要的意義。

前人對前陸盆地山前帶物源與沉積體系開展了大量研究,如庫車前陸盆地、柴北緣前陸盆地、西加拿大前陸盆地和西班牙比利牛斯山脈前陸盆地等[4-6],認為山前帶主要以近源短軸物源為主。然而,前人對前陸盆地構造作用與物源、沉積體系之間耦合關系研究較少。侏羅系沉積期,研究區(qū)構造作用強烈[7-9],發(fā)育了一套以沖積扇—辮狀河三角洲為主的粗粒沉積體系[10-14]。此次研究,以龍門山前帶侏羅系為目的層,充分利用全區(qū)覆蓋的三維連片地震數(shù)據(jù)、測錄井、巖心及野外露頭資料,主要研究目的是在高精度層序格架內部開展沉積相研究,闡明在區(qū)域構造演化背景下,龍門山前帶近源沖積體系沉積演化過程。本文的研究不僅能夠為龍門山前帶侏羅系致密砂巖氣藏的勘探提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐,而且可以通過分析山前帶近源沖積體系的主控因素,建立其物源和沉積體系演化模式,完善對近源沖積體系粗粒儲層的認識。

1 地質概況

川西前陸盆地位于四川盆地西北部(圖1a),為晚三疊世印支運動的結果,是中國典型的前陸盆地之一。龍門山前帶是本次研究的目標區(qū)(圖1b),其范圍北至安縣,南至大邑,西至都江堰,東至彭州,勘探面積約為3 000 km2。截至目前,聚源—金馬—鴨子河地區(qū)已滿區(qū)三維覆蓋,面積為1 438.271 km2,是本文研究的重點地區(qū)。

侏羅世地層沉積時期,川西坳陷由晚三疊世的周緣前陸盆地逐漸演化為一個再生前陸盆地[15-16]。這一時期,由于揚子板塊向羌塘地塊和昆侖地塊的雙向俯沖作用[17],川西前陸盆地先后經(jīng)歷了印支Ⅲ幕、燕山Ⅰ幕、燕山Ⅱ幕和燕山Ⅲ幕4次較大規(guī)模的構造運動,進而導致了川西地區(qū)周圍山脈龍門山、米倉山和大巴山的交替式隆升[7-9,12]。基于造山帶的構造活動特征,可以將川西前陸盆地的構造演化劃分為3個階段(圖2,圖3):早侏羅世米倉山再生前陸盆地階段、中侏羅世大巴山再生前陸盆地階段和晚侏羅世龍門山北段再生前陸盆地階段。

圖1 川西地區(qū)龍門山前帶地質簡圖Fig.1 Geological scheme of the foothill belt of Longmen Mountain in the western Sichuan Basin

早侏羅世米倉山再生前陸盆地階段。早侏羅世,甘孜—阿壩印支造山帶形成[18],受板塊之間的差異擠壓應力的影響,前陸盆地的前緣坳陷由晚三疊世的龍門山前緣轉移到米倉山前緣[19],川西地區(qū)進入米倉山前陸盆地演化階段,盆地內部以大面積的暗色湖相泥頁巖沉積為主,指示了前陸盆地的欠補償過程。

中侏羅世大巴山再生前陸盆地階段。在中侏羅統(tǒng)沉積期,前陸盆地的前緣坳陷轉移到大巴山,構造應力由近EW向轉化為NE向[7],川西地區(qū)進入大巴山前陸盆地演化階段。受構造作用的影響,大量河湖相碎屑物質從周圍高聳山脈向坳陷內部匯聚。

晚侏羅世龍門山北段—米倉山再生前陸盆地階段。晚侏羅世,沉降中心由中侏羅世的大巴山前緣轉移到龍門山北段和米倉山前緣,蓮花口組(對應于蓬萊鎮(zhèn)組)在山前厚達千余米的礫巖發(fā)育表明龍門山北段發(fā)生了新的沖斷活動[20],龍門山北段逆沖推覆構造帶又重新活動,使盆地格局發(fā)生轉變,呈現(xiàn)NW深、SE淺的格局,川西坳陷進入龍門山北段—米倉山再生前陸盆地階段。晚侏羅世末,受燕山運動Ⅲ幕的影響,使隆起區(qū)上侏羅世地層遭受剝蝕,以下白堊世蒼溪組沖積扇礫巖強烈截切蓬萊鎮(zhèn)組頂部湖相砂、泥巖地層為特征。

2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

為了完成對侏羅世近源沖積體系物源與沉積演化特征的研究,本論文準備的基礎數(shù)據(jù)主要包括三維連片地震數(shù)據(jù)體、測錄井、巖心、野外露頭和分析測試資料等。

截至目前,在研究區(qū)內部,三維地震數(shù)據(jù)體覆蓋面積約為1 438 km2;此外,由于研究區(qū)勘探程度相對較低,鉆井資料不多,共計45口;在所有鉆井中,筆者共選取取心井9口,總心長約為126 m;侏羅系露頭在研究區(qū)內出露較好,筆者共選取12個露頭剖面進行重點踏勘?；谝陨蠑?shù)據(jù)資料,筆者主要采取以下物源和沉積相研究方法。

圖2 川西地區(qū)侏羅世前陸盆地構造地層演化特征(剖面位置見圖1)Fig.2 Tectono-stratigraphy evolution characteristics of the Jurassic foreland basin in western Sichuan Basin(see Fig.1 for the section location)

圖3 川西地區(qū)侏羅系沉積特征柱狀圖Fig.3 Column showing the Jurassic sedimentary characteristics in the western Sichuan Basin

2.1 碎屑組分法

陸相盆地碎屑組分是進行源區(qū)構造運動和沉積過程研究的直接證據(jù),可以在一定程度反映母巖區(qū)性質。一般地,在進行碎屑組分分析過程中,有以下3種主要的方法[21-23]:① 礫石成分分析法:同一個物源區(qū),在野外露頭出露和相鄰井區(qū)鉆井揭示的礫巖成分具有相似性;② 石英、長石和巖屑(QFR)三端元組分分析法:隨著沉積物搬運距離的增加,巖石中的穩(wěn)定礦物(石英)逐漸增加,而不穩(wěn)定礦物(長石和巖屑)由于遭受溶蝕等作用的影響,逐漸減少;Q/(F+R)為成分成熟度指數(shù),是這個方法中重要的參數(shù);③ 沉積巖、巖漿巖和變質巖三端元巖屑組分分析法:不同的母巖區(qū),其巖性組合是不同的,因此可以通過特定的巖屑成分及含量與母巖區(qū)進行類比,進而判斷物源方向。

前人對研究碎屑組分已經(jīng)開展了一部分的工作[24-25],然而由于資料的不斷完善,亟需對一些空白區(qū)開展進一步的研究工作。筆者在前人工作基礎之上,重點應用QFR三端元組分分析法,補充井位約為30口,對研究區(qū)侏羅系不同物源體系進行半定量分析。另外,筆者也整理了前人三端元巖屑組分分析法的數(shù)據(jù),對研究區(qū)碎屑組分分析結果進行驗證。

2.2 砂地比展布法

在進行地下地層沉積相與物源分析過程中,砂地比(砂巖厚度與地層總厚度的比值)是一個十分重要的參考指標[22]。一般,在未遭受大規(guī)模構造抬升剝蝕的盆地,從母巖區(qū)向沉積中心方向,隨著沉積相帶的分異,砂地比值逐漸減小。研究區(qū)在地理位置上遠離前陸盆地逆沖推覆構造帶,在構造上比較穩(wěn)定,未遭受強烈剝蝕作用,因此可以用砂地比值進行物源分析。

本文通過對研究區(qū)鉆穿目的層的45口鉆井進行統(tǒng)計,分別對侏羅系不同組段進行砂地比展布圖的繪制。由于錄井過程中可能存在人為因素的誤差,因此,本文利用GR測井數(shù)據(jù)對錄井資料進行校正,然后再進行砂地比統(tǒng)計,在一定程度上增加了此方法的可信度。

2.3 其他方法

除了以上所述的一些常規(guī)物源分析方法外,還可以通過重礦、微量元素和古地貌等方法進行物源體系展布研究[26-27]。由于前人應用這些方法在研究區(qū)開展了大量詳實的工作,因此本論文主要通過參考前人研究成果,對研究區(qū)物源體系展布予以證實,僅針對重礦和古水流等方面進行數(shù)據(jù)補充。

3 物源與沉積特征

筆者綜合考慮前人對研究區(qū)侏羅系物源體系展布的認識,重點應用碎屑組分和砂地比分析等手段,對研究區(qū)侏羅系沉積期物源體系進行了系統(tǒng)研究,重新厘定了物源體系數(shù)量,討論了在區(qū)域構造背景下,物源體系的展布特征及時空變遷。

3.1 物源體系數(shù)量厘定

通過野外露頭踏勘和巖心精細描述,本文對侏羅系沉積期龍門山前帶周緣礫石進行了研究,并繪制了中侏羅統(tǒng)沙溪廟組和上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組礫石的平面展布范圍圖(圖4)。

在沙溪廟組共落實了2個主要礫巖發(fā)育區(qū)(圖4a,圖5),分別為龍門山中段和龍門山南段。通過對礫石成分統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),2個物源的礫巖組合有明顯不同,龍門山中段物源以變質巖礫石為主,而龍門山南段物源以灰?guī)r礫為主。

在蓬萊鎮(zhèn)組共落實了4個主要礫巖發(fā)育區(qū)(圖4b,圖6),分別為龍門山中段2個、龍門山南段和龍門山北段。通過對礫石成分統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),4個物源的礫巖組合有明顯不同,此外,礫巖發(fā)育程度自南向北逐漸增強。

圖4 川西地區(qū)龍門山前帶侏羅系礫巖平面分布Fig.4 Map showing distribution of the Jurassic conglomerates in the foothill belt of Longmen Mountain，western Sichuan Basina.沙溪廟組;b.蓬萊鎮(zhèn)組A.龍門山北段江油物源;B1.龍門山中段漢旺物源;B2.龍門山中段小魚洞物源;B3.龍門山中段都江堰物源;C.龍門山南段寶興、霧中山物源;P1.大邑斜源鎮(zhèn)剖面;P2.大邑青龍村剖面;P3.崇州文井江鎮(zhèn)剖面;P4.都江堰青城山剖面;P5.都江堰向峨鄉(xiāng)剖面;P6.彭州磁峰鎮(zhèn)剖面; P7.彭州丹景山剖面;P8.彭州葛仙山剖面;P9.什邡旗山村剖面;P10.什邡李冰陵剖面;P11.綿竹廣濟鎮(zhèn)剖面;P12.綿陽安昌鎮(zhèn)剖面

圖5 川西地區(qū)龍門山前帶沙溪廟組野外露頭與巖心典型露頭照片(剖面與井位位置見圖4a)Fig.5 Photos showing the outcrop and representative cores of the Shaximiao Formation in the foothill belt of Longmen Mountain，western Sichuan Basin(see Fig.4 afor the locations of sections and wells)a,b.礫石成分以灰?guī)r礫為主,粒徑在0.1～12 cm,磨圓中等,分選中等-差,厚層,片流+牽引流,位置見圖4a中P1;c,d.礫石成分主要為硅質,粒徑在1～8 cm,磨圓好,分選中等,薄層,位置見圖4a中P4;e,f.礫石成分主要為硅質,灰質<10%,粒徑在3～10 cm,磨圓中等,分選較差,厚層,位置見圖4a中P5;g.礫石成分主要為硅質,粒徑在2.5～10 cm,磨圓中等,分選中等-差,薄-中層,位置見圖4a中P6;h.礫石成分主要為硅質,粒徑在1～8 cm,磨圓較好,分選中等,薄-中層,位置見圖4 P7;i,j.礫石成分主要為硅質,分選較差,磨圓中等-好,礫石直徑為0.2～6 cm,圖4 a A27井,2 988.65 m(i),2 986.5 m(j);k.礫石成分為火成巖和變質巖,磨圓和分選均較好,礫石直徑為0.2～1 cm,圖4a中A24井,埋深1 985.05 m;l.礫石成分為火成巖和變質巖,分選較好,磨圓較差,礫石直徑為0.2～1 cm,圖4a中A5井,埋深2 289.70 m;m,n.礫石成分主要為硅質,分選中等,磨圓中 等-好,礫石直徑為0.3～1.2 cm,圖4a中A7井,埋深2 135.70 m(m),2 135.30 m(n);o.a—h的礫石直徑分布特征

綜上分析,侏羅系沉積期,山前帶的物源區(qū)主要有5個(圖4),分別為龍門山北段江油一帶(A)、龍門山中段漢旺(B1)、小魚洞(B2)、都江堰(B3)一帶和龍門山南段寶興、霧中山一帶(C)。

3.2 沉積體系特征

在明確侏羅系沉積不同時期物源體系數(shù)量基礎上,本文總結了龍門山前帶早侏羅世、中侏羅世和晚侏羅世沉積體系特征。

3.2.1 早侏羅世

這一時期,川西前陸盆地的前淵坳陷位于米倉山山前,而龍門山主體為次要構造擠壓區(qū)[25]。川西地區(qū)的氣候繼承了晚三疊世的溫暖、潮濕的特征[19],發(fā)育了一個湖域面積較大的半深水湖盆。

在這樣的個構造與沉積背景下,研究區(qū)共發(fā)育短軸和近長軸2個方向的4套物源體系[11,28](圖7a)。以白田壩組沉積時期為例,發(fā)育1套近長軸方向的物源體系,主要來自龍門山北段江油一帶;發(fā)育3套短軸方向的物源體系,分別來自于龍門山中段小魚洞一帶、龍門山中段都江堰一帶、龍門山南段寶興及霧中山一帶。此外,根據(jù)研究區(qū)鉆遇白田壩組的11口井的215個薄片分析統(tǒng)計(圖7a),龍門山前帶白田壩組砂巖主要以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖和石英砂巖為主。沿短軸方向的來自龍門山中段小魚洞一帶的物源體系,從A28井向A10井、A12井和A11井方向,礦物成分成熟度呈遞增的趨勢;沿短軸方向的來自龍門山南段寶興及霧中山的物源體系,從A3井向A1井、A4井方向,礦物成分成熟度呈遞增的趨勢。

這一時期,研究區(qū)沉積了白田壩組,發(fā)育沖積扇-辮狀河三角洲-濱淺湖沉積體系(圖7b)。沖積扇發(fā)育在大邑以西地區(qū);辮狀河三角洲平原相帶主要分布在大邑—都江堰—安縣一帶,砂巖厚度普遍大于90 m,砂地比大于0.5;辮狀河三角洲前緣相帶相對較窄,其面積共約為1 000 km2,主要分布在溫江—彭州—文星一帶,呈條帶狀平行龍門山分布,砂巖厚度為50～90 m,砂地比為0.2～0.5;研究區(qū)東部主要發(fā)育濱淺湖沉積,而在馬井、郫縣、鴨子河等地區(qū),局部發(fā)育灘壩沉積。

3.2.2 中侏羅世

中侏羅世,受板塊擠壓應力的影響,川西前陸盆地的前淵坳陷發(fā)生遷移,由米倉山轉移到大巴山山前,龍門山主體構造活動不強烈。由于秦嶺造山帶的隆升,導致研究區(qū)的氣候以炎熱、干旱為特征[7,29]。

這一時期,前陸盆地前淵坳陷在大巴山前緣,研究區(qū)主要發(fā)育短軸方向的物源體系[11,28](圖8a)。以沙溪廟組沉積時期為例,共發(fā)育5套短軸方向的物源體系,分別來自于龍門山北段江油一帶、龍門山中段漢旺一帶、小魚洞一帶、龍門山中段都江堰一帶、龍門山南段寶興及霧中山一帶。此外,根據(jù)研究區(qū)鉆遇沙溪廟組的13口井的842個薄片分析統(tǒng)計(圖8a),龍門山前帶沙溪廟組砂巖主要以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖和石英砂巖為主。由龍門山北段、中段向南東方向,砂巖類型逐漸由巖屑砂巖過渡為巖屑石英砂巖和石英砂巖。沿短軸方向的來自龍門山中段小魚洞一帶的物源體系,從A28井向A10井、A12井、A11井方向,礦物成分成熟度呈遞增的趨勢,從A8井向A7井、A24井方向,礦物成分成熟度呈遞增的趨勢;沿短軸方向的來自龍門山中段都江堰一帶的物源體系,從A27井向A6井、A4井方向,礦物成分成熟度呈遞增的趨勢;沿短軸方向的來自龍門山南段寶興及霧中山的物源體系,從A3井向A1井方向,礦物成分成熟度呈遞增的趨勢。

圖7 川西地區(qū)龍門山前帶下侏羅統(tǒng)白田壩組物源與沉積相特征Fig.7 Provenance and sedimentary facies characters of the Lower Jurassic Baitianba Fromation in the foothill beltof Longmen Mountain，western Sichuan Basina.白田壩組物源綜合分析；b.白田壩組沉積相

由龍門山至盆地內部,沙溪廟組發(fā)育沖積扇-辮狀河三角洲—湖泊沉積體系。但相對于早侏羅世,由于氣候逐漸炎熱干旱,湖平面下降,湖盆面積整體萎縮,在研究區(qū)內僅發(fā)育沖積扇和辮狀河三角洲沉積(圖8b)。這一時期,沖積扇相帶分布范圍進一步增大;辮狀河三角洲平原相帶主要分布在大邑—金馬—鴨子河—安縣一帶,砂巖厚度普遍大于250 m,砂地比大于0.4;辮狀河三角洲前緣相帶主要分布在溫江—馬井—德陽—綿陽一帶,在研究區(qū)范圍內,砂巖厚度小于250 m,砂地比小于0.4。

3.2.3 晚侏羅世

這一時期,龍門山北段再次隆升,川西前陸盆地的前淵坳陷由大巴山轉移到龍門山北段山前,相比于早侏羅世和中侏羅世,龍門山中段構造活動變強,山前沖積扇范圍有增大的趨勢。這一時期的氣候繼承了中侏羅世炎熱、干旱的氣候[29],湖盆中心位于盆地西南方向,湖域面積較小。

在這樣的構造與沉積背景下,研究區(qū)共發(fā)育短軸和近長軸2個方向的5套物源體系[11,28](圖9a),其中,短軸方向物源體系為主。以蓬萊鎮(zhèn)組沉積時期為例,發(fā)育1套近長軸方向的物源體系,主要來自龍門山北段江油一帶;發(fā)育4套短軸方向的物源體系,分別來自于龍門山中段漢旺一帶、小魚洞一帶、龍門山中段都江堰一帶、龍門山南段寶興及霧中山一帶。根據(jù)研究區(qū)鉆遇蓬萊鎮(zhèn)組的12口井的336個薄片分析統(tǒng)計(圖9a),龍門山前帶蓬萊鎮(zhèn)組砂巖石英含量相對較低,巖屑含量相對較高,主要以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖為主。沿短軸方向的來自龍門山中段小魚洞一帶的物源體系,從A10井向A12井、A11井方向,礦物成分成熟度呈遞增的趨勢;沿短軸方向的來自龍門山中段都江堰一帶的物源體系,從A7井向A24井、A5井、A4井方向,礦物成分成熟度呈遞增的趨勢;沿短軸方向的來自龍門山南段寶興及霧中山的物源體系,從A2井向A1井、A3井方向,礦物成分成熟度呈遞增的趨勢。

這一時期,近長軸方向的龍門山北段物源再次出現(xiàn),形成短軸方向的龍門山中段和近長軸方向的龍門山北段物源共存的格局。在研究區(qū)內,主要發(fā)育沖積扇和辮狀河三角洲沉積相(圖9 b,圖10)。相對于早-中侏羅世,蓬萊鎮(zhèn)組沉積時期的沖積扇最為發(fā)育,面積可達800 km2,砂巖厚度大于700 m,砂地比大于0.6,主要分布在崇州—鴨子河—安縣一帶,且連片發(fā)育;辮狀河三角洲平原相對較窄,主要分布在大邑—彭州一帶,呈條帶狀平行龍門山分布,砂巖厚度為500～700 m,砂地比為0.4～0.6;辮狀河三角洲前緣相帶主要分布崇州—馬井—綿陽一帶,面積約為1 200 km2。

圖9 川西地區(qū)龍門山前帶上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組物源與沉積相特征Fig.9 Provenance and sedimentary facies characters of the Upper Jurassic Penglaizhen Formation in the foothill belt of Longmen Mountain，western Sichuan Basina.蓬萊鎮(zhèn)組物源綜合分析；b.蓬萊鎮(zhèn)組沉積相

圖10 地點過A2—A4—A7—A12—A14井沉積相剖面(剖面位置見圖7—圖9)Fig.10 Sedimentary facies section crossing Well A2,A4,A7,A12 and A14(see Fig.7,8,and 9 for the section location)

圖11 川西地區(qū)龍門山前帶侏羅系沉積模式Fig.11 Depositional models of the Jurassic successions in the foothill belt of Longmen Mountain，western Sichuan Basina.早侏羅世;b.中侏羅世;c.晚侏羅世

4 沉積演化模式

伴隨著前陸盆地的幕式構造抬升作用,物源和沉積體系不斷發(fā)生變遷[7]。在龍門山前帶侏羅系,由于其地質背景的特殊性,可以進一步劃分為3個沉積模式(圖11),分別為早侏羅世、中侏羅世和晚侏羅世沉積模式。

在早侏羅世(圖11a),川西前陸盆地的前淵坳陷位于米倉山山前,龍門山主體為次要構造擠壓區(qū),山前帶共發(fā)育短軸和近長軸2個方向的物源;中侏羅世(圖11b),川西前陸盆地的前淵坳陷發(fā)生遷移,由米倉山轉移到大巴山山前,龍門山主體構造活動不強烈,研究區(qū)主要發(fā)育短軸方向的物源體系;晚侏羅世(圖11c),龍門山北段再次隆升,川西前陸盆地的前淵坳陷由大巴山轉移到龍門山北段山前,相比于早侏羅世和中侏羅世,龍門山中段構造活動變強,山前沖積扇范圍有增大的趨勢,研究區(qū)共發(fā)育短軸和近長軸2個方向的5套物源體系。

5 結論

1) 侏羅系沉積期,龍門山前帶共發(fā)育來自短軸和近長軸2個方向的5套物源體系,分別為短軸方向的龍門山中段漢旺一帶、小魚洞一帶、都江堰一帶和龍門山南段寶興、霧中山一帶,近長軸方向的龍門山北段江油一帶。

2) 在沙溪廟組沉積期,以短軸方向物源體系為主;在蓬萊鎮(zhèn)組沉積期,短軸方向物源體系為主,與近長軸方向物源體系共同為研究區(qū)供源。

3) 下侏羅統(tǒng)主要發(fā)育沖積扇-曲流河三角洲-濱淺湖-半深湖沉積體系;中、上侏羅統(tǒng)主要發(fā)育沖積扇-辮狀河三角洲-濱淺湖沉積體系?；诖苏J識,龍門山前帶可以劃分3種沉積模式,分別為早侏羅世、中侏羅世和晚侏羅世沉積模式。