郝 毅，谷明峰，韋東曉，潘立銀，呂玉珍

1中國石油杭州地質(zhì)研究院；2中國石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 前 言

四川盆地二疊系棲霞組的油氣勘探最早始于20世紀(jì)50年代，勘探范圍主要集中在川南以及川東局部地區(qū)，其構(gòu)造背景總體屬于瀘州—開江古隆起范圍，約94.4%的氣井都集中在該區(qū)［1］。2012年中石油西南油氣田公司在川西北雙魚石構(gòu)造部署了風(fēng)險(xiǎn)探井（雙探1井）并獲得重大突破，測試日產(chǎn)天然氣87.6×104m3［2］；隨后川西雙探3、雙魚001-1、雙探7、雙探8、雙探12等井，以及川中磨溪31X1、磨溪42、高石18等井相繼鉆獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，揭示了棲霞組廣闊的勘探前景。

前人對(duì)四川盆地棲霞組的巖性組合［3-4］、沉積環(huán)境［5-6］、巖相古地理［7-12］、儲(chǔ)層特征和成 因［13-17］以及勘探方向［2，18］等均開展過研究：關(guān)于棲霞組的沉積模式主要有碳酸鹽臺(tái)地及緩坡兩種主流觀點(diǎn)，不同版本的巖相古地理圖差異較大，而且研究成果現(xiàn)象描述較多而深究成因的論述較少；關(guān)于棲霞組儲(chǔ)層的成因則有埋藏?zé)嵋焊脑欤?3-15］、有利相帶疊加溶蝕作用［16-17］等不同觀點(diǎn)。本文基于大量鉆井、野外露頭、測井、地震及實(shí)驗(yàn)分析測試等資料，對(duì)四川盆地棲霞組沉積儲(chǔ)層的關(guān)鍵地質(zhì)問題開展了系統(tǒng)研究，所獲得的新認(rèn)識(shí)為棲霞組下一步的勘探提供了支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地在大地構(gòu)造上屬于上揚(yáng)子地臺(tái)。盆地按地理-構(gòu)造屬性可劃分為5個(gè)構(gòu)造帶（圖1），棲霞組的油氣發(fā)現(xiàn)分布較廣。

石炭紀(jì)末期海水退出上揚(yáng)子地臺(tái)，在經(jīng)歷了短暫的沉積間斷后，中二疊世開始大范圍海侵，整個(gè)盆地廣泛接受了巖性單一、厚度穩(wěn)定的碳酸鹽沉積。該時(shí)期揚(yáng)子地塊已向南漂移至赤道附近［19］，處于濕熱的沉積環(huán)境。通過研究傘藻、二疊鈣藻的分布和有孔蟲的復(fù)合分異度，推測中二疊世水體較淺，水深一般為5～25 m。棲霞組沉積時(shí)期地殼穩(wěn)定、海域廣闊、生物繁盛，古生物主要有珊瑚、有孔蟲、蟲筳類、腕足和藻類等，以底棲生物發(fā)育為主，反映當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境為亞熱帶海域，水體清潔、養(yǎng)分充足、鹽度正常，適宜生物生長和繁殖。盆地內(nèi)棲霞組巖性以石灰?guī)r為主（圖2），局部地區(qū)含白云巖，厚度在100～200 m之間；棲霞組對(duì)應(yīng)一個(gè)三級(jí)層序，進(jìn)一步劃分為2個(gè)體系域（TST、HST）。

圖1 四川盆地二疊系棲霞組主要含氣構(gòu)造、鉆井及野外露頭分布Fig.1 Main gas bearing structures,wells and field outcrops of the Permian Qixia Formation in Sichuan Basin

加里東期—早海西期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)棲霞期沉積相帶的影響至關(guān)重要。加里東期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在四川盆地表現(xiàn)為局部隆升，形成了川中古隆起（樂山—龍女寺古隆起）［20］（圖3），在古隆起核部二疊系甚至與震旦系—寒武系直接接觸?；谧钚碌你@井、地震資料分析，在中江—鹽亭地區(qū)存在奧陶系地層厚值區(qū)，地層保存相對(duì)完整，在川西北廣元—綿陽地區(qū)有明顯的隆起剝蝕現(xiàn)象。因此，川中古隆起東緣并不是早期認(rèn)為的由廣安到梓潼地區(qū)的近直線分布［20］，而是近“S”形展布（圖3）。

雖然經(jīng)歷了海西早期整體抬升的夷平化作用，但古隆起殘余古地貌對(duì)中二疊世沉積的影響仍然存在。從四川盆地棲霞組海侵期地層西薄東厚的分布來看（圖4），棲霞組沉積前古地貌呈現(xiàn)西高東低的特征，這與川中古隆起殘余古地貌的形態(tài)相吻合。

圖2 四川盆地二疊系棲霞組地層綜合柱狀圖Fig.2 Strata column of the Permian Qixia Formation in Sichuan Basin

圖3 四川盆地中奧陶統(tǒng)沉積前古地質(zhì)圖Fig.3 Paleogeological map of pre-Middle Ordovician in Sichuan Basin

圖4 四川盆地二疊系棲霞組層序地層連井對(duì)比剖面（剖面位置見圖1）Fig.4 Sequence stratigraphic correlation section of the Permian Qixia Formation in Sichuan Basin(section position is shown in Fig.1)

2 沉積特征

2.1 沉積相類型

在野外剖面與鉆井巖心觀察以及對(duì)地震、測井資料進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，筆者還針對(duì)與沉積相分布有著明顯相關(guān)性的古地理背景、白云巖成因和分布等進(jìn)行了研究，將四川盆地棲霞組劃分為3個(gè)主要相帶：即臺(tái)緣帶、碳酸鹽緩坡、斜坡—盆地（表1）。

表1 四川盆地二疊系棲霞組沉積相類型及巖性特征Table 1 Sedimentary facies and lithological characteristics of the Permian Qixia Formation in Sichuan Basin

2.2 沉積相展布

棲霞組沉積受到川中古隆起殘留地形的影響：川中古隆起區(qū)古地貌相對(duì)較高，主要發(fā)育中—淺緩坡，古隆起東緣向東南方向逐漸演化為中—深緩坡，而古隆起西緣處于古地貌最高部位，發(fā)育臺(tái)緣帶，向西變?yōu)樾逼隆璧兀▓D5）。

棲霞組沉積早期（海侵域） 受川中古隆起殘余古地貌影響，四川盆地總體呈西高東低之勢，海水整體由東—南面大舉侵入，水體普遍較深。如圖5a所示：川西地區(qū)發(fā)育一些古陸（雜巖體）；盆地內(nèi)主體屬于深緩坡沉積環(huán)境，如盆地東南部的重慶地區(qū)和東北部的通江—開江一帶，巖性以富含泥質(zhì)的深灰色泥晶生物碎屑灰?guī)r為主，常夾有泥質(zhì)條帶，局部含燧石結(jié)核；川西北—川西南—川中地區(qū)地勢相對(duì)較高，水動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)，屬于中緩坡沉積環(huán)境，如川西南的大深1井—漢深1井—周公1井及周緣地區(qū)，泥質(zhì)含量明顯變少，生物碎屑含量普遍較多。該時(shí)期水位整體偏高，高能灘較少，川西臺(tái)緣帶此時(shí)還未發(fā)育，但可能存在局部高點(diǎn)；盆地西側(cè)為相對(duì)深水的斜坡—盆地，為后期高位域臺(tái)緣發(fā)育的基礎(chǔ)。

棲霞組沉積中晚期（高位域） 該期相對(duì)海平面較低，沉積相發(fā)生了較大的變化（圖5b）：淺緩坡開始成為盆地內(nèi)主要的沉積相帶，其向東北延伸到廣元地區(qū)，向西南延伸至峨眉山地區(qū)，向東延伸至南充地區(qū)，受川中古隆起殘余古地貌控制，其東緣呈“S”形展布；向東、向南水體逐漸加深，主要發(fā)育中—深緩坡，巖性以灰色、灰褐色泥—微晶灰?guī)r為主，局部含生物碎屑白云巖；龍門山一線以西主要發(fā)育斜坡—盆地相；臺(tái)緣帶沿川西北廣元—?jiǎng)﹂w至川西南寶興—雅安—峨眉山一帶分布，呈右傾的“L”形，大體上相當(dāng)于川中古隆起西緣的范圍。棲霞組臺(tái)緣帶的巖性以砂屑、生物碎屑白云巖及灰?guī)r為主，很少見抗浪骨架結(jié)構(gòu)，但略高的地貌可形成半障壁環(huán)境，因而屬于弱鑲邊臺(tái)緣帶，其向西突變?yōu)閺V海，向東則漸變?yōu)樘妓猁}緩坡。根據(jù)實(shí)際鉆井及露頭資料，臺(tái)緣帶發(fā)育高能顆粒灘，顆粒成分主要為生物碎屑，灘體單層厚度及累計(jì)厚度較大，連續(xù)分布；還可能存在一些北西向的灘間海。臺(tái)緣灘是儲(chǔ)層發(fā)育的最有利相帶，常見淺灰色、灰色顆粒白云巖，例如川西南地區(qū)的漢深1井、周公1井，川西北地區(qū)的礦2井、車家壩剖面以及何家梁剖面，白云巖儲(chǔ)層厚度均可達(dá)30 m以上。

圖5 四川盆地及鄰區(qū)二疊系棲霞組沉積相圖Fig.5 Sedimentary facies of the Permian Qixia Formation in Sichuan Basin and its adjacent area

3 儲(chǔ)層特征、成因和分布規(guī)律

3.1 儲(chǔ)層類型

四川盆地棲霞組儲(chǔ)層巖性主要有4類：晶粒白云巖、“豹斑”灰質(zhì)白云巖、“斑馬紋”白云巖及生物碎屑灰?guī)r，其儲(chǔ)集物性見表2。其中，晶粒白云巖在野外常常風(fēng)化為類似白砂糖一粒粒的單個(gè)晶體，因此又稱之為砂糖狀白云巖，其分布范圍廣、單層厚度大，儲(chǔ)集物性較好，平均孔隙度為3.43%，是棲霞組最主要的儲(chǔ)集巖（圖6a）。儲(chǔ)集空間主要為溶蝕孔洞、晶間孔、粒間孔和裂縫。

表2 四川盆地二疊系棲霞組不同類型儲(chǔ)集巖的物性Table 2 Physical properties of different reservoirs of the Permian Qixia Formation in Sichuan Basin

圖6 四川盆地二疊系棲霞組主要儲(chǔ)集巖宏觀及微觀特征Fig.6 Macro and micro characteristics of main reservoir rocks of the Permian Qixia Formation in Sichuan Basin

“豹斑”灰質(zhì)白云巖的宏觀特征較明顯，整個(gè)巖石經(jīng)歷了不均勻的白云石化作用，白云巖主要沿著灰?guī)r的裂縫或孔洞發(fā)育［21］，經(jīng)歷過風(fēng)化作用后兩者明暗相間，如同豹紋一般（圖6b）。該類巖石儲(chǔ)集物性一般，平均孔隙度為1.19%，其中白云巖部分孔隙度約為2.65%，而石灰?guī)r部分孔隙度較低，約為0.28%，但石灰?guī)r中裂縫相當(dāng)發(fā)育，可以有效溝通白云巖儲(chǔ)層。

“斑馬紋”白云巖目前僅見于川西南地區(qū)發(fā)育，外觀可見白色雁列式條帶，類似斑馬的紋路（圖6c）。該類白云巖平均孔隙度為2.67%，介于上述兩類儲(chǔ)集巖之間。但由于樣品較少，并且所選樣品均是該類白云巖中儲(chǔ)集物性最好的，因此該實(shí)測孔隙度值并不能完全反映這類儲(chǔ)層的性質(zhì)，實(shí)際上根據(jù)野外露頭和巖心觀察，大多數(shù)“斑馬紋”的紋路都被白云石充填，儲(chǔ)集物性相對(duì)較差。

與上述3類儲(chǔ)層相比，生物碎屑灰?guī)r儲(chǔ)集性最差，平均孔隙度為0.76%，巖心樣品鏡下很少能見到明顯的基質(zhì)孔隙，但在局部地區(qū)發(fā)育巖溶縫洞，是棲霞組在早期主要的勘探對(duì)象。

3.2 儲(chǔ)層成因

由于篇幅所限，本文只論述棲霞組最主要的儲(chǔ)集巖即晶粒白云巖的成因。通過野外露頭、鉆井巖心和巖石薄片的觀察，結(jié)合大量的碳氧鍶同位素、微量元素、稀土元素及同位素測年等實(shí)驗(yàn)分析，認(rèn)為白云石化流體為沉積期海水而非熱液，白云巖在準(zhǔn)同生期富鎂流體滲透回流作用下逐漸形成，在埋藏環(huán)境下經(jīng)歷調(diào)整改造后定型。

白云石化流體來源 由于碳同位素受后期成巖作用影響較小，因此巖石的碳同位素最能反映沉積時(shí)期的水體性質(zhì)。從碳氧同位素交會(huì)圖中可以看到（圖7），無論川西北、川西南還是川中地區(qū)，晶粒白云巖的碳氧同位素都落在中二疊世海水同位素的范圍之內(nèi)。從川西棲霞組巖石稀土元素配分模式來看（圖8），與反映棲霞組海水的稀土元素配分模式（由13個(gè)泥晶灰?guī)r樣品的平均值繪制而成）相比，晶粒白云巖稀土元素總量可能有所不同，但是配分模式十分相似，都有明顯的Ce負(fù)異常、Y正異常以及Sm正異常。結(jié)合一些其他地球化學(xué)分析資料，綜合分析認(rèn)為白云石化流體為沉積期海水而非熱液。

圖7 四川盆地二疊系棲霞組碳酸鹽巖碳氧同位素交會(huì)圖（據(jù)文獻(xiàn)［23］修編）Fig.7 Carbon and oxygen isotopic crossplot of carbonate rocks of the Permian Qixia Formation in Sichuan Basin(cited from literature［23］,modified)

圖8 川西二疊系棲霞組不同類型巖石稀土元素配分模式圖Fig.8 REE distribution patterns of different types of rocks of the Permian Qixia Formation in Western Sichuan

白云巖形成時(shí)間 縫合線是碳酸鹽巖中常見的一種由壓溶作用形成的鋸齒狀裂縫構(gòu)造。既然能產(chǎn)生壓溶作用，說明地層埋深已經(jīng)非常大，巨大的地層壓力迫使巖石發(fā)生擠壓溶解。從薄片中可看到，白云石晶體明顯被縫合線切割（圖9），這是白云石晶體形成較早的直接證據(jù)（至少形成于大規(guī)模壓溶作用之前）。此外，利用U-Pb同位素測年法對(duì)晶粒白云巖的數(shù)塊樣品進(jìn)行了分析，得到的年齡范圍為（235～247）Ma，說明棲霞組晶粒白云巖在中三疊世末期已經(jīng)基本形成。

圖9 川西二疊系棲霞組白云石晶體被縫合線所切割的照片F(xiàn)ig.9 Photo showing dolomite crystal cut by suture in the Permian Qixia Formation in Western Sichuan

3.3 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主控因素

優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層形成的主控因素有沉積相帶、層序界面、微古地貌、快速埋藏、早期白云石化等，已有較多的討論［13-17］，本文著重探討微古地貌對(duì)儲(chǔ)層的影響。筆者注意到：在數(shù)千米范圍內(nèi)白云巖儲(chǔ)層的厚度會(huì)相差很大，是勘探面臨的重要問題。通過測井曲線分析可知，白云巖并不發(fā)育的大深1井、礦3井、雙探2井等鉆井，亮晶生物碎屑灰?guī)r的厚度卻非常大，約40～71 m不等。亮晶生物碎屑灰?guī)r也是高能灘相的產(chǎn)物，其最終沒能完成白云石化可能與微古地貌有關(guān)。如圖10所示，同為高能顆粒灘，古地貌相對(duì)較高的部位暴露機(jī)會(huì)多，加上并未發(fā)現(xiàn)大量石膏之類的濃縮蒸發(fā)巖，因此推測高部位可能形成大規(guī)模滲透回流白云石化作用，而低部位則容易形成早期海水膠結(jié)物，從而導(dǎo)致粒間孔隙被過早充填。據(jù)此分析，臺(tái)緣帶范圍內(nèi)如白云巖儲(chǔ)層不發(fā)育，可能與它們位于垂直或斜交于臺(tái)緣方向的灘間海、潮道等相對(duì)較低部位有關(guān)。

圖10 川西北二疊系棲霞組灘體展布模式圖（剖面位置見圖1）Fig.10 Distribution pattern of shoals of the Permian Qixia Formation in Northwest Sichuan(section location is shown in Fig.1)

3.4 有利儲(chǔ)層分布區(qū)

棲霞組白云巖儲(chǔ)層主要分布在臺(tái)緣—淺水緩坡相帶，厚度自西北向東南逐漸變薄，這與二疊系沉積前的古地貌有關(guān)。川西地區(qū)白云巖儲(chǔ)層主要發(fā)育在廣元—江油以及雅安—峨眉山一帶(圖11)，厚度為20～40 m(何家梁剖面等局部可達(dá)60 m以上)。川西地區(qū)棲霞組白云巖平均厚度很大，局部地區(qū)的橫向變化也大，如礦2井與礦3井相距約5km，白云巖厚度由45m減至不足2m。川中地區(qū)白云巖儲(chǔ)層主要發(fā)育在南充—磨溪—高石梯一帶，總厚度及單層厚度都較小。川東—川南等地區(qū)白云巖儲(chǔ)層零星可見，但幾乎都不成規(guī)模。

圖11 四川盆地二疊系棲霞組白云巖儲(chǔ)層厚度預(yù)測圖Fig.11 Thickness contour map of dolomite reservoir of the Permian Qixia Formation in Sichuan Basin

4 結(jié) 論

（1）四川盆地二疊系棲霞組沉積相展布主要受到川中古隆起殘余地貌控制：川中古隆起區(qū)范圍主要發(fā)育淺—中緩坡，古隆起東緣呈“S”形，向東南方向逐漸演化為中—深緩坡；古隆起西緣地貌最高，川西地區(qū)棲霞中晚期發(fā)育右傾的“L”形弱鑲邊臺(tái)緣帶，向東北延伸至廣元地區(qū)，向西南延伸至峨眉山地區(qū)。

（2）棲霞組有效儲(chǔ)層的巖性主要有4類：晶粒白云巖、“豹斑”灰質(zhì)白云巖、“斑馬紋”白云巖及生物碎屑灰?guī)r，其中晶粒白云巖分布范圍廣、單層厚度大，物性較好，是最主要的儲(chǔ)集巖。晶粒白云巖的白云石化流體為沉積期海水而非熱液，它是在準(zhǔn)同生期富鎂流體滲透回流作用下逐漸形成，在埋藏環(huán)境下經(jīng)歷調(diào)整改造后定型，其最終形成的時(shí)間大概在中三疊世末期。

（3）沉積相帶決定規(guī)模儲(chǔ)層的分布范圍，而微古地貌可能決定了儲(chǔ)層的局部發(fā)育程度。亮晶生物碎屑灰?guī)r是高能灘相的產(chǎn)物，其最終沒能完成白云石化可能與微古地貌有關(guān)。推測顆粒灘高部位可能形成大規(guī)模滲透回流白云石化作用，低部位容易形成早期海水膠結(jié)物，從而導(dǎo)致粒間孔隙被過早充填。四川盆地優(yōu)質(zhì)中—厚層晶粒白云巖主要分布在川西廣元—江油以及雅安—峨眉山一帶，中—薄層晶粒白云巖主要分布在川中南充—磨溪—高石梯一帶。