川西北地区茅口组海槽相地质特征及其油气地质意义

张玺华 陈 聪 张 亚 文 龙 罗 冰 陈双玲 王丽英 李 亚 杨雨然

中国石油西南油气田公司勘探开发研究院

四川盆地中二叠统茅口组是四川盆地天然气勘探开发的重要层系，油气勘探历史悠久，始于20世纪50年代。早期茅口组勘探主要集中在蜀南地区，以寻找岩溶缝洞型气藏为主。截至2018年全盆地获探明储量852×108m3，其中蜀南地区占87.7%，分布在325个大小不一的缝洞体系中，且陆续进入开发后期，急需要寻找茅口组气藏的接替区域。川西北地区茅口组处于海西拉张旋回，临近大型不整合面[1-3]，若经过后期岩溶改造，有利于形成规模性岩溶储层[4-5]，LT-1井钻遇茅口组时的良好油气显示也展示了茅口组的勘探潜力。

据野外露头资料，川西北部地区茅口组顶部地层发育深水相泥页岩，其下为连续沉积的茅口组高能滩相地层，表明在茅口组晚期川西北部地区存在台槽分异。该套泥页岩的生物组合、岩性特征等与中下扬子地区中二叠统孤峰组可对比[6]，表明除了中下扬子地区之外，在川西北部地区也有孤峰组沉积，但在井下未能有效识别，同时孤峰组的展布情况尚不明确，制约了川西北地区茅口组沉积相带的认识。笔者基于钻井及30 000 km2二维地震和5 000 km2三维地震资料，在识别孤峰组的基础上，刻画了川西北地区孤峰组深水沉积展布，发现川西北地区茅口组晚期台缘带的分布，台缘带沉积水体能量强，经后期岩溶作用易形成规模型优质储层

1 区域地质背景

四川盆地西北部地区主要包括龙门山、大巴山、米仓山前缘（图1），自早二叠世，四川盆地开始接受海侵[7]，川西北地区全被淹没，整体位于碳酸盐台地[8]。早二叠世茅口早期，全盆地古地貌差异较小，沉积厚度较为稳定；茅口晚期，由于受海西期峨眉地裂拉张作用控制，在平面上海槽相与台地相表现为差异沉积，海槽相集中发育在川北地区，岩性以泥页岩、泥质灰岩、硅质灰岩为主，台地相分布较广，全盆地均有发育，岩性以生屑灰岩、云质灰岩为主，局部基地断裂附近发育晶粒白云岩；茅口晚期，发生区域性海退，盆地内茅口组地层发生暴露岩溶，形成岩溶孔隙型或裂缝孔隙型储层。

2 孤峰组（段）沉积特征

孤峰组与茅口组为同期异相沉积，在深水海槽区沉积孤峰组泥页岩或泥质灰岩，在浅水台地区沉积茅口组灰岩。孤峰组的分布大多集中在中、下扬子地区[9]，其中华南板块的北缘及中南部的湘桂盆地和钦防盆地分布最为广泛，沉积厚度大；在华南板块北缘地区，孤峰组以硅质—泥质—钙质岩石的复杂组合为主；在湘桂盆地和钦防盆地孤峰组以硅质岩为主，从整个扬子地区来看孤峰组主要岩性为薄层硅质岩、硅质泥页岩、碳质泥页岩局部地区下部页岩含锰和磷质结核。孤峰组生物化石丰富，常见的生物有腕足、双壳类，放射虫、局部地区见海绵骨针，扬子地区孤峰组总体以深水生物组合为主，也含有浅海碳酸盐岩相常见的牙形类生物化石。

图1 研究区位置与川西北部地区二叠系综合柱状图

表1 扬子台地二叠纪地层划分对比表

孤峰组所在层位因地而异[10]（表1），在下扬子盆地苏南、浙北位于栖霞组与龙潭组下部“不含煤段” （即堰桥组含Neomisellina蜒类群之间；在皖南繁昌、铜陵及宿松地区孤峰组位于栖霞组（含Cancellina带）与武穴组灰岩 （含Yabeina带）之间；下扬子地区的孤峰组仅与茅口组下部灰岩（Neoschwagerina带） 相当；而四川巫山—旺苍—广元一带的孤峰组位于茅口组灰岩与吴家坪组王坡页岩段之间，时代为茅口组晚期。扬子地区孤峰组自东向西由老变新，即由茅口早期至茅口晚期。孤峰组是一个明显的穿时岩石地层单位。它与茅口组灰岩段呈跷跷板式的沉积所致。笔者基于川西北部地区孤峰组的测井识别和地震解释，认为川西北地区于茅口晚期沉积孤峰组，与茅口组顶部地层为同时异相沉积，为方便研究讨论，将茅口组顶部海槽相地层称为茅口组孤峰段。

3 川西北茅口组孤峰段识别

川西北地区吴家坪组是一套沉积在王坡页岩之上的海相碳酸盐岩，王坡页岩为茅口组海退之后的风化残积物，根据层序沉积原则王坡页岩属于吴家坪组，也是茅口组与吴家坪组之间的沉积界面，是区域可对比的等时界面，王坡页岩之下为茅口组孤峰段海槽相或茅三段台地相沉积。因此识别王坡页岩与茅口组孤峰段界面是基础，王坡页岩与茅口组孤峰段均为一套高伽马泥页岩且上下相邻发育，部分地区厚度较薄，在识别过程中容易忽略孤峰组的存在。前期研究过程中该2套地层均被识别为王坡页岩，导致对茅口组的相带认识出现偏差。由于井下岩石样品缺乏，笔者充分调研王坡页岩与茅口组孤峰段泥页岩的沉积成因、地球化学、岩石成分、物性等特征资料，在此基础上对二者进行测井响应分析以准确识别孤峰组。

3.1 王坡页岩与孤峰段沉积特征

王坡页岩是茅口组晚期广泛海退的风化残积物沉积，在川西北部地区普遍发育，以粉砂质泥页岩和铝土质泥岩为主，为氧化环境下的沉积物，由海平面下降，岩石暴露地表后受到长期的风化淋滤及剥蚀作用形成，可以作为吴家坪组与茅口组之间的等时界面。晚二叠世吴家坪组是在该风化剥蚀界面基础上的一次海侵产物[11]，为一套连续沉积，即吴家坪组与茅口组之间只存在一套风化界面即王坡页岩。

王坡页岩在川西北部地区的野外露头均有出露（图2），厚度较薄,介于1～2 m，为一套黄绿色的粉砂质泥页岩。王坡页岩之上为吴家坪组中—厚层状灰岩、泥质灰岩和硅质灰岩，下部为茅口组孤峰段的薄层深色地层，岩性主要为深色泥岩、灰质泥岩、碳质泥岩、硅质泥岩或者茅口组茅三段的生屑灰岩、泥质灰岩，沉积特征表现为薄层状沉积，见水平层理，厚度介于1～5 m。

图2 剑阁县上寺长江沟茅口组顶部的风化界面出露图

3.2 王坡页岩与孤峰段地化、地物特征

王坡页岩是一种近物源的风化沉积岩，富含铝制矿物，主要矿物成分是硬水铝矿、三水铝矿和一水软铝石，岩性较脆，硬度、密度大，没有可塑性，主要由铝硅酸盐类矿物受强烈化学风化、半风化带出溶解的氧化铝、高岭石等搬运到岩溶洼地、湖泊、海湾、泻湖盆地，直接沉积或陆解作用形成[12]，覆盖在残余茅口组地层之上。王坡页岩含有较多的副矿物，所以密度相对于其他成因的泥岩大。

孤峰段沉积时在海底热泉附近由于营养丰富，出现了硅质生物及其他生物十分繁荣的局面[13]，所以沉积中硅质含量高，硅质岩富Fe贫Al，富集As，Sb，Bi，Ga，Au，Ag，Cr等微量元素。孤峰段泥岩为深水还原环境形成，沉积水体安静，生物保存较为完整，有机质含量高，是潜在的烃源岩。孤峰段多见水平纹层，沉积物颗粒细，成岩作用过程容易被压实，孔隙度低，仅剩纳米级孔隙，表现出低孔低渗的特征。

3.3 王坡页岩与茅口组孤峰段泥岩测井识别方法

川西北茅口组孤峰段发育区，王坡页岩与孤峰段泥页岩直接接触，均为高自然伽马，难以区分[14]。但王坡页岩与孤峰段泥页岩是两种不同成因的泥岩，前者为风化暴露的氧化环境，后者为深水沉积的还原环境。因此，根据沉积成因的不同，可以利用伽马能谱曲线和中子、声波、密度3孔隙度曲线进行综合判别。

王坡页岩中富含钍和钾元素，铀含量低，总结原因有3点：①颗粒较细，比表面较大，容易吸附钍、钾等放射性元素；②钍化合物难溶于水，在暴露环境中容易堆积，所以风化界面的铝土质泥岩中钍和钾元素富集，钍含量尤其高；③铀含量低是因为四价铀难溶于水，六价铀溶于水，在氧化环境中四价铀氧化为六价铀，六价铀随着水流被带入至还原环境变成四价铀而沉淀，所以王坡页岩中铀含量低。由于钍、钾的放射性作用，铝土质泥岩表现出高自然伽马值。

茅口组孤峰段泥岩是深水相沉积，为还原环境沉积的深色有机质泥岩，是优质的烃源岩，在泥质烃源岩内富含放射性铀元素，岩石中有机质对铀的富集起着重要作用，还原环境和有机质的富集，可以使泥质沉积物吸附大量的铀，从而使烃源岩的铀含量明显升高，由于铀的放射性作用，在泥质烃源岩内同样表现出高自然伽马值。另外，远物源沉积，也导致钍和钾含量极低。

测井曲线自然伽马为地层中不同放射性核素的总效应，其数值为各核素放射性的总计数率（API），反应的是钍含量（μg/g）、铀含量（μg/g）和K40含量（%）。王坡页岩和孤峰段泥岩自然伽马均较高，前者富含钍、钾元素，铀含量低，密度及中子孔隙度值相对较大，后者则相反。

根据王坡页岩和孤峰段泥岩的岩性和地球化学特征（图3），可以总结出二者的识别特征：王坡页岩为一套黄褐色砂质、粉砂质泥岩或铝土质泥岩，测井特征表现为高自然伽马、高钍、低铀（或低铀钾比U/K）、高中子孔隙度、高密度、高声波；孤峰段为一套深灰黑色碳质、硅质泥岩，富含浮游类生物，测井特征表现为高自然伽马、低钍、高铀（或高铀钾比U/K）、低中子孔隙度、低声波（表2）。

4 川西北地区茅口组晚期台槽分异

通过川西北剑阁—九龙山地区多口老井复查，发现川西北地区茅口组顶部发育完整的海槽相至碳酸盐台地相沉积（图4），在龙门山北段推覆构造的K2井、龙门山北段山前带背冲背斜构造北部的ST2井和川西北低缓褶皱带的L17井、L16井以及LT1井发育茅口组孤峰段海槽相沉积，岩性以黑色、深灰色碳质泥页岩、硅质泥页岩为主，多为片状和薄层状，厚度5～25 m。龙门山北段山前带背冲背斜构造的双探1和川中地区NC1井发育台地相，岩性为生屑灰岩夹泥质灰岩，生屑颗粒含量中等，为典型的台内沉积。据单井沉积相对比，川西北部地区茅口组孤峰段海槽相广泛发育（图5），川西北部地区茅口组孤峰段海槽呈北西南东向展布，从川西北部向川东方向延伸，茅口期海槽与开江—梁平海槽展布方向一致，且分布范围相对较小，表明在川北地区在茅口组末期已形成台槽分异，该时期的海槽为开江—梁平海槽的雏形。海槽西侧的LG70井发育生屑灰岩和泥质灰岩互层，表现出台地斜坡相的特征（图4），根据沉积相带的完整性推测，在海槽—斜坡相与台内相之间应该存在二者过渡的台地边缘相，川西北地区茅口组顶部海槽—斜坡相和台内相之间也应该存在高能台地边缘相带沉积，台缘带的沉积厚度大于海槽相和台内相，由于临近海槽，水体能量高，该相带生物组合应以抗浪型生物为主。

图3 川西北地区茅口组孤峰段识别图版（L17井）

表2 孤峰段识别特征表

茅口组晚期台槽分异下的古生物特征证实川西北地区发育茅口期台缘带。在川西北野外剖面观察到茅口组顶部发现了文氏珊瑚等抗浪浅水高能礁滩相生物（图4），也证实了茅口组顶部台缘带的存在。与海槽相和台内相生物对比（图6），也能明显看出川西北地区茅口组顶部地层的相带变化，海槽相以薄壳类、骨针类生物为主，主要是底栖生物和浮游生物，台内相以藻屑和腕足类生物为主，台缘相以珊瑚类等抗浪高能生物为主。

从地震剖面上也可以看出（图7），自北向南，茅口组顶部海槽相为薄层沉积，至台缘发育局部隆起，至台内厚度有所减薄，但厚度稳定，为典型的台内相特征，总体来看，茅口组晚期台缘的地震相特征清晰，台缘带隆起特征明显，顶部表现为杂乱反射，可能为台缘带遭受后期岩溶形成岩溶地层所致。

基于以上分析，利用井震联合解释，精细刻画了川西北部地区茅三段台缘滩相分布（图8），剑阁—元坝—龙岗台缘特征明显，滩体沿北西—南东向展布，剑阁—龙岗台缘带有变缓的趋势，剑阁台缘滩相宽介于8～9 km，面积约380 km2，龙岗地区台缘带宽9～12 km，面积约650 km2。

5 茅口组孤峰段海槽相的石油地质意义

图4 川北—中地区茅三段（孤峰）沉积相连井剖面图

图5 四川盆地茅口组晚期岩相古地理图

综合前文分析，识别出了川西北茅口组顶部孤峰段海槽相及其边缘的碳酸盐台地相，海槽相为深色硅质或碳质泥页岩，伽马能谱中放射性元素铀含量高，表明有机质含量高，是潜在的优质烃源岩。地震剖面显示剑阁地区处于茅口组孤峰段海槽边缘，发育茅三段台地边缘相，台缘相生物灰岩中颗粒含量高，沉积水动力强，是有利的岩溶发育区。下面从台缘带岩溶储层发育和台槽组合的有利成藏条件探讨茅口组孤峰段海槽相的石油地质意义。

5.1 台地边缘相带储层发育模式

在单井上识别出茅口组孤峰段后，再进行地震标定，进而在平面上识别川西北地区茅口组茅三段的台缘特征。地震剖面显示川西北部茅口组孤峰段海槽周缘发育陡坡型台缘，川西北部茅三段台地边缘相沉积水体能量强，沉积生屑灰岩中颗粒含量高，原生粒间孔发育，提供了岩溶作用需要的岩性基础，茅口组末期海退，台缘带长期处于暴露环境，接受大气淡水淋滤，有利于形成灰岩岩溶型储层。

在诸多岩溶控制因素中，地层岩性是基础，地质构造是主导，而水动力条件是决定性的因素。不饱和的流动的流体能有效溶解碳酸盐岩，并把溶解产物迁移。因此只有在水循环体系内，岩溶才会发育。岩溶体系在水体循环的作用下常发育多个岩溶带，中科院地质研究所编著的《中国岩溶研究》划分了4个岩溶带，分别为垂直渗入带、季节变动带、水平径流带和深部缓流带。其中垂直渗入带和水平径流带溶蚀孔洞发育，在地震剖面较容易识别，如塔河油田奥陶系鹰山组、良里塔格组等多套岩溶储层中在地震剖面上呈现出“羊肉串”式的垂向溶洞分布。本次研究中发现，川西北部茅口组顶部茅三段台缘带在地震剖面上呈现出明显的水平径流带岩溶特征，台缘带之下发育近平行的复波（图7）。

图7 川西北地区茅三段沉积相地震剖面图

图8 剑阁—元坝—龙岗三维地震区茅三段地震反射时差立体图

5.2 川西北茅口组成藏模式

川西北地区茅口组孤峰段的海槽相沉积，沉积环境可能为开江—梁平海槽的雏形，该套沉积与中下扬子地区的孤峰组岩性相近，均为黑色泥岩或硅质泥岩，具有可对比性，从测井曲线和岩屑观察表明其具备较好的生烃能力，可以作为上伏地层有利烃源层。地震剖面显示海槽西侧发育坡度较大的碳酸盐台地斜坡相和碳酸盐台地边缘相，台缘带储层特征明显，与海槽相侧向对接，其上的王坡页岩具备一定的孔渗条件，可以作为油气侧向运移的有利通道，上伏吴家坪组岩性致密，同时也有一定的生烃条件，在生烃和致密岩性的双重作用下对茅口组台缘滩相储层形成有利封盖，台槽分异区源储盖配置良好（图9），具备优越的成藏条件。茅三段台缘带延伸至龙岗地区，近北西向展布，面积超过1 000 km2，除孤峰组外，茅一段也发育优质泥灰质烃源岩，具备形成规模性气藏的源储条件，可以作为川西北地区茅口组下一步勘探目标。

图9 川西北地区茅口组成藏模式图

6 结论

1）建立了吴家坪组底部王坡页岩和茅口顶部孤峰段深水泥岩的测井识别特征，王坡页岩的测井特征表现为，高自然伽马、高钍钾、低铀（或低U/K）、高中子孔隙度、高声波。孤峰段泥岩表现为高自然伽马、低钍、低钾、高铀（或高U/K）、低中子孔隙度、低声波。

2）首次识别出了川西北地区茅口组顶部孤峰段海槽相沉积，川西北地区茅三段顶部海槽相地层与中下扬子地区的孤峰组为同期异相沉积，具备较好的生烃能力，为有利烃源层。研究表明开江—梁平海槽于茅口组沉积末期已形成雏形。

3）刻画了川西北地区茅口组三段沉积相，川西北地区茅三段发育完整的海槽相至碳酸盐台地相沉积，在川北剑阁以东至九龙山地区发育海槽相，LG70井西侧一带发育台缘相，剑阁地区台缘宽度约30 km，呈北西—南东走向，双鱼石地区至川中发育台内沉积。川西北部地区茅口组台槽分异的沉积特征，为区内茅口组提供了优越的源储配置，成藏条件优越。