川西北地区中二叠统沉积相及与油气的关系

陈俊杰 王兴志 谢圣阳 周坤 曾楷

摘   要：本文根據大量野外及钻井资料，结合相关分析及前人研究成果，认为四川盆地西北部在中二叠世期间为一由西向北东方向低角度倾斜的远端变陡均斜台地环境，兼具有孤立台地和远端变陡缓坡的性质，这样的沉积环境主要受到峨眉地幔柱演化的控制。分布于广元—绵阳一线的栖二段和茅三段多为均斜台地边缘的产物，堆积的主要是灰白色泥-亮晶生物（屑）灰岩，该相带易于后期云化和溶蚀作用的改造，有利于后期储层的形成与演化;全区的栖一段、茅一段和茅二段主要属于深缓坡沉积相带，多由深灰色“眼球状-似眼球状”生物（屑）灰岩组成，具有一定的生烃和储集潜力，在有裂缝的沟通下可具有一定的储集能力;分布在广元—旺苍一线的茅四段属于拉张盆地（拉张槽）环境下的产物，主要由灰黑色硅质岩、硅质泥岩夹重力流沉积构成，生烃潜力良好。并根据碳酸盐岩均斜台地相与油气的关系，总结出3种模式：浅水高能滩模式、深水低能滩模式、深缓坡-盆地模式。

关键词：川西北  中二叠统  沉积相  储层  烃源岩

中图分类号：P534.46;P618.13                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（b）-0065-06

Abstract： According to a large number of field and drilling data， combined with relevant analysis and previous research results， it is believed that the northwestern Sichuan Basin during the Middle Permian was in a low-angled platform environment from west to northeast， which has the characteristics of steep distal end. It also has the property of isolated platform and distally steepened ramp. This sedimentary environment was mainly controlled by the evolution of the Emei mantle plume. The second member of Qixia Formation and the third member of Maokou Formation distributed in the Guangyuan-Mianyang area were platform margin facies sediments， characterized by gray-white mud-sparry bioclast limestone. This facies belt is beneficial to the later modification of dolomitization and dissolution， which is conducive to the formation and evolution of reservoirs. The first member of Qixia Formation， the first and second member of Maokou Formation of the whole study area were mainly deep ramp facies sediments， mostly composed of dark gray “eyeball-shaped” bioclast limestone， which has potential for hydrocarbon generation and storage， and has certain reservoir capacity under the connection of cracks. The fourth member of Maokou Formation distributed in the Guangyuan-Wangcang area was formed in the extensional basin （stretching trough） environment， mainly composed of gray-black siliceous rocks and siliceous mudstones with gravity flow deposition， which have good hydrocarbon generation potential. Finally， according to the relationship between carbonate platform and oil/gas， three models are summarized：shallow water bank with high energy， deep water bank with low energy， and deep ramp-basin.

Key Words： Northwestern Sichuan Basin; Middle Permian; Sedimentary Facies; Reservoir; Source Rock

前人对四川盆地中二叠统沉积相的研究有着较长的历史，但多属于区域上或集中在川东地区的研究，其观点也不盡相同。多数研究者根据当时的物源、地层厚度、岩石类型及分布、古生物、沉积构造和大地构造背景等资料认为：二叠纪期间，四川盆地总体属于一个由西向东水体逐渐变深的碳酸盐缓坡～盆地环境[1-2]或碳酸盐台地～盆地环境[3-5]下的产物。近年来，中二叠统地层油气勘探在川西北双鱼石、九龙山地区取得重大突破，该套地层已成为研究区现阶段最现实的接替层系。

为更深入地了解川西北地区中二叠统的含油气特征，本研究结合大量野外地质认识以及前人研究成果，以最新的钻井及薄片资料为基础，详细分析了不同沉积相带的岩石类型、沉积构造、测井响应等，对比分析了栖霞组、茅口组的储层特征，结合已有钻井及典型剖面的地化及孔渗数据，以探讨该套地层的沉积相特征及与油气的关系。

1  区域地质概况

四川盆地受前期加里东运动的影响，早二叠世初期，在四川盆地内形成了由西向东、从西南至北东方向低角度倾斜的古地貌特征，从而使得川西北地区在环境上表现为一种具有台地性质的均斜缓坡环境。川西北地区中二叠世地层整体发育完整，受到二叠世期间东吴运动影响，中二叠世上部存在一定风化并与上覆地层吴家坪为界，同时与下伏的梁山组成平行不整合接触。中二叠统栖霞-茅口组由老到新可以分为栖一、栖二、茅一、茅二、茅三和茅四6个岩性段。其中茅三与茅四段在川西地区内存在不同程度的剥蚀现象。前人重点勘探的地层主要集中在栖二段和茅三段，其中出现一定的孔渗率优良的储集型白云岩（见图1）。

2  沉积相类型及特征

在前人研究中普遍认为川西北地区的沉积环境为一个台地边缘-深水斜坡的沉积环境[6-9]，而本文依据野外及井下岩性具体表征所反映出的水体环境，认为均斜台地[10-11]的沉积模式更切合实际（见图2）。

川西北地区中二叠世期间经历了多期构造运动使整个地区内水体变化较大，对地区内沉积环境影响较大，产生多样的岩性组合，进而会影响本地区的油气配置。在栖一时内受板块运动，区域内水体较深，主要表现深缓坡环境;在栖二时出现一个大规模的海退，表现为台地边缘环境或浅缓坡环境;在茅一时和茅二时内板块迅速下降，使水体变深，沉积环境表现为深缓坡环境;在茅三时板块快速上升，水体变浅，水动力增强，表现为台地边缘环境或浅缓坡环境;在茅四段时期出现整体的海侵，而叠加峨眉地裂运动作用，使得川西北地区水体变得极深，水动力极弱，表现为深缓坡-盆地环境（见图3）。

2.1 浅水高能生屑滩

中二叠世川西北地区整体沉积格局为碳酸盐岩缓坡，但在绵阳—江油—剑阁一线受到中二叠世3次大规模海侵及峨眉地裂运动抬升作用的地区，处于一个均斜台地边缘的沉积环境。该环境是一个潜水高能的沉积环境，发育大规模的、连续的近东北-西南向的高能生屑滩相沉积物。此类沉积产物主要存在于川西北地区的栖二段和茅三段地层之中。

在生屑滩内沉积的同一旋回中的中上部往往发育大量的基岩为泥晶生屑灰岩的云质“豹斑”灰岩，在云质“豹斑”灰岩（见图4 DE）之下则发育厚层块状的粉-中晶的晶粒白云岩（见图4 ABC）。在大量野外露头和测井数据中显示，云质“豹斑”灰岩中的云质“豹斑”往往近垂向分布并与下伏晶粒云岩接触。且整套云质中往往发育大量的晶间孔、洞和粒间孔、洞，具有优质的油气储集性。

2.2 深水低能生屑滩

在剑阁—广元一线，随着时期内盆地水体向东北方向逐渐加深，整体环境趋于较深水环境，但仍然受到风暴浪的影响，发育一些近东北西南向的规模较小、不连续的低能生屑滩沉积。

在野外露头和测井曲线上识别时，此类环境产物主要出现在区内栖一段、茅一段和茅二段，在栖二段底部和茅三段也有一定的分布。其主体岩性为典型较深水环境的“眼球眼皮”状构造的深灰色泥晶生屑灰岩（见图4 GH）。其中“眼球体”是生屑泥晶灰岩受风暴浪改造的残剩体，“眼皮”是风暴间歇期间先前沉积残剩碎屑裹挟悬浮泥质再次沉积的产物[10]。“眼皮”中的泥质含量较大，岩性致密，孔渗能力较差并不是优质的储集岩体，但大量的泥晶生屑物质具有较高的有机质，具有作为烃源岩的潜质。

2.3 深水斜坡——盆地

在广元—旺苍一线，受峨眉地裂运动影响，出现一定的拉张下陷现象，使水体环境进一步加深至风暴浪基面之下，进而发育一套具有深水重力流的斜坡—盆地沉积产物。

在野外露头和测井曲线上识别出在川西北的广元—旺苍地区茅四段为一套硅质泥页岩沉积（见图4 JK）。在黑灰色的含硅质泥岩中可见一定生物碎屑，岩体致密，其中还存在重力流成因的泥晶生屑灰岩透镜体，岩性整体的有机质含量极高，是优质的烃源岩类。

3  沉积相与油气的关系

众所周知，碳酸盐岩滩、礁是油气勘探的重点关注对象。而在整个川西北地区均斜台地环境中，生屑滩体主要发育在浅水高能的地区

在天井山-广元西北乡一线台地边缘环境和浅缓坡环境中的浅水高能滩呈近北东向展布，其中栖霞组厚度一般为20～60m，其中以青川松盖坪剖面最厚，向四周逐渐变薄。岩性以中-粗晶白云岩和云质“豹斑”灰岩为主，生物（屑）白云岩和亮晶生物（屑）灰岩较少。其中中-粗晶白云岩孔、洞、缝等发育，常规孔隙度一般2～14.8%，高值可达18%左右，平均渗透率>1×10-3μm2，储集性良好，普遍为Ⅱ级储层，部分可达Ⅰ级。相比之下，云质“豹斑”灰岩中孔隙较少，孔隙度一般0.5～3.5%，渗透率一般<1×10-3μm2，储集性能差，局部可构成Ⅲ级储层。广元余家沟—曾家山一线储层厚度为12～35m，岩性同样以中—粗晶白云岩和云质“豹斑”灰岩为主。孔隙类型主要为晶间孔和晶间溶孔，具有一定的储集性能，多为Ⅱ-Ⅲ级储层。通口—团山和文胜—水根头一带栖霞组储层厚度为9～55m，主要为云质“豹斑”灰岩，偶见晶粒白云岩。其中云质“豹斑”灰岩储集性能差，仅有少量晶间孔和晶间溶孔，孔隙度为0.8%～2.1%，一般仅能构成Ⅲ级储层（见图5）。

在整体川西北深缓坡环境中，主要沉积产物为栖一段、茅一段和茅二段的“眼皮眼球”状灰岩，对此类特殊产状泥晶生物（屑）灰岩分析可知，其岩性平均空隙在1%～2%，平均渗透率在0.59×10-3μm2左右。数据表明此沉积产物具有一定的储集性。栖霞组灰岩干酪根的碳同位素值为–29.91‰～-27.47‰，平均为–28.54‰，干酪根类型属I～II2型;茅口组灰岩干酪根的碳同位素值为-30.86‰～-26.61‰，平均为–28.79‰，干酪根类型属I～II2型。表明整体深缓坡沉积的“眼皮眼球”状灰岩有较高的有机质，具有一定的生烃潜力，同时大量“眼皮”状泥晶生屑灰岩较为致密具有良好的储层封盖能力（见图6）。

在天井山-广元西北乡-旺苍一线斜坡-盆地环境中的深水硅质岩沉积产物近西北东南向展布，其中茅四段厚度一般为10～25m，岩性以硅质泥岩、钙质泥岩为主，含有大量生物化石碎屑，测井数据RT平均2504.5Ω·m，地球化学检测表示其有机碳丰度在2%～4%左右，是良好的烃源岩。

4  垂向生儲盖配置

笔者通过综合川西北地区中二叠统的各方井位资料、剖面资料、岩石物性资料和地球化学资料，结合上述区域内构造特征，总结出研究区内碳酸盐岩均斜台地相与油气的关系，分为以下3种模式。

（1）浅水高能滩模式（见图7（a）），在地区内栖霞后期由于构造运动造成板块抬升，使海平面下降较快，缓坡上位于高地貌并处于高能量地区，从而形成台地边缘亚相。在台地边缘的高水动力的条件下堆积大量的浅水高能颗粒滩，此类滩型是油气极好的储集区域。由于栖霞期是出现滩丘导致地貌相对高于周边，在后期茅口期的沉积中可以得以继承，或者出现又一次的板块抬升运动，导致茅三段较大幅度的海平面下降，使得此地区又可以堆积大量浅水高能颗粒滩。表现出良好的生储盖层相互叠置的纵向模式，此类模式是油气勘探中最重点的部分。

（2）深水低能滩模式（见图7（b）），在栖霞后期缓坡地层仍处于水位较深的部位，只能时而受到海浪的波及，在地貌相对高位形成了一些零星分布的颗粒点滩沉积，而此类滩只能发育成较差的储层。随着时期的变化在茅口期三段海平面下降时，当时点滩所在地区依旧为相对地貌高点，或由构造运动出现新的相对地貌较高的微隆起，从而发育深水低能颗粒点滩。表现出具有一定生储盖能力的模式，较台地边缘滩模式的储集能力差距较大。

（3）深缓坡—盆地模式（见图7（c）），整个区域由于前期的构造运动影响，整体海水深度都较深，海平面下降时区域地层依旧只能受到风暴浪影响，同时在茅四段时期出现地史构造运动使区域断开下降造成极深的的构造盆地，使风暴浪也难以影响到区域内沉积。在这些时期地层内大量发育“眼皮眼球”灰岩以及茅四段发育大量的深水硅质泥岩、页岩。这类岩石储集性能不佳，却具有一定的生烃能力和对油气的阻隔封盖能力，特别是茅四段中大量的硅质泥岩，是优质的烃源岩。表现为整体巨厚的生油层模式，此类模式是烃源岩研究的重点部分。

5  结论

（1）川西北地区沉积相分布特点具有台地和均斜缓坡的双重性质，根据其特征相标志的沉积分布，将此类环境定义为均斜台地环境，且分为台地边缘、浅缓坡、深缓坡、斜坡—盆地4个亚相。

（2）栖二段和茅三段多为均斜台地边缘的产物，堆积的主要是灰白色泥—亮晶生物（屑）灰岩，该相带易于后期云化和溶蚀作用的改造，有利于后期储层的形成与演化;栖一段、茅一段和茅二段多为缓坡亚相的产物，堆积大量的深灰色“眼球状—似眼球状”生物（屑）灰岩组成，具有一定的生烃和储集潜力;茅四段主要是为斜坡—盆地环境，沉积大量的深灰色硅质泥岩并含有较高的有机质，具有良好的生烃和封盖储层的能力。

（3）根据中二叠统内不同亚相的纵向叠合关系，将川西北地区内中二叠统油气配置分为3种模式，即具有优质储集性能的台地边缘滩模式、具有一定生烃及储集能力的浅缓坡深水低能滩模式、具有良好生烃能力的深缓坡-盆地模式。

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