四川盆地麦地坪组—筇竹寺组沉积充填规律及勘探意义

赵立可 李文皓 和 源 周红飞 刘 冉 李 亚 王 尉钟 原 王莹莹

1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 2. 中国石油西南油气田公司勘探事业部3.中国石油川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院

0 引言

四川盆地磨溪—高石梯地区发现了万亿立方米级的震旦系—寒武系安岳特大气田，成为当前全球古老油气藏的重要勘探目标和经典研究范例[1-3]。前人研究表明，下寒武统麦地坪组与筇竹寺组均是大气田的重要的烃源层系[4]，最近在盆地西部的筇竹寺组又相继获得页岩气发现，成为四川盆地继志留系龙马溪组后的又一页岩气主力勘探层段，展现出良好的勘探前景[5-6]。然而，由于时代老、演化程度高以及取心长度有限等原因，麦地坪组和筇竹寺组烃源岩研究程度远低于龙马溪组烃源岩，其中在沉积、地层层序方面，尽管前期已经认识到裂陷槽内这套烃源层系较台地区域厚度更大[7]，但麦地坪组和筇竹寺组具体的沉积旋回与充填过程至今尚不十分明朗，这在很大程度上限制了古老天然气藏，包括该层系页岩气的下一步的勘探与开发步伐。

有鉴于此，基于当前盆地中部（川中地区）勘探区块，重点通过岩性、电性、地化等方法与手段对裂陷槽及其周缘麦地坪组—筇竹寺组进行沉积旋回划分与对比，揭示盆地不同区域麦地坪组和筇竹寺组沉积旋回及其差异充填特征，并进一步结合各旋回有机质含量探讨天然气勘探领域。目的是希望加深并细化对这套古老海相烃源岩沉积演化过程的认识，同时为下一步油气勘探部署提供参考，可望具有基础理论与实践应用意义。

1 地质背景

四川盆地位于中国西南部，是一个菱形天然气田叠合盆地，总面积约18×104km2（图1）。盆地可划分为5个构造区带，安岳大气田位于川中平缓带（图1）。

四川盆地属于上扬子板块，受新元古代罗迪尼亚超大陆裂解的影响，整体处于拉张构造环境[8]。震旦纪灯影期至早寒武世麦地坪期，上扬子地区发生了桐湾运动[9]，表现为弱拉张背景下的幕式区域性隆升与剥蚀，并相继造成灯影组二段与四段顶部发育不整合暴露面[10]，局部区域下寒武统麦地坪组缺失[11]。下寒武统筇竹寺组沉积期，受全球海平面快速上升影响，黑色页岩几乎覆盖了整个上扬子地区[12]。已有研究表明，四川盆地绵阳—长宁地区在晚震旦世—早寒武世发育大型拉张裂陷槽，直到筇竹寺组沉积晚期才逐渐填平补齐[13-14]。

图1 研究区位置及震旦系—寒武系生储盖组合情况图

2 沉积旋回划分

鉴于盆地内部麦地坪组与筇竹寺组取心十分有限，因此本次沉积旋回研究主要基于取心段岩性、电性以及地化特征的综合分析，在确立旋回界面划分标准后进而类推至整个研究区域。

2.1 岩性特征

本次以位于裂陷槽内的GS17井筇竹寺组4 968～4 986 m取心段为例开展研究（图2）。该段大致具有两类岩性组合，一类以黑色页岩夹薄层粉砂岩为特征，但黄铁矿欠发育，分布在取心段下部4 976.5～4 986 m以及上部4 968～4 969 m区间；另一类以黑色碳质页岩为特征，分布在取心段4 969～4 976.5 m区间；且该区间上部发育大量黄铁矿。由此可以判断，取心段4 969～4 976.5 m区间为黄铁矿富集的黑色碳质页岩，意味着沉积水体深、平静，水动力条件弱，且水体可能具有还原性；相反，取心段下部4 976.5～4 986 m以及上部4 968～4 969 m区间由于粉砂岩沉积含量增加，表明沉积水体相对更浅且水动力条件相对更强。

2.2 电性特征

电性方面，取心段下部4 976.5～4 986 m以及上部4 968～4 969 m区间夹薄层粉砂岩的黑色页岩段对应的自然伽马值相对较低，分布在100～150 API之间，测井有机碳含量值不超过1%，相较而言，取心段4 969～4 976.5 m区间富黄铁矿的黑色碳质页岩段对应的自然伽马值相对较高，普遍大于220 API，测井有机碳含量值普遍超过2%。由此可见，岩性与电性具有极好的对应关系，富有机碳的碳质页岩与高自然伽马段具有很好的关联性。

2.3 地化特征

通过取样实测的有机碳含量与测井有机碳含量变化趋势大致相同，进一步证实高自然伽马段具有较高的有机碳含量，但也存在差异，具体表现在高自然伽马段的上部有机碳含量较下部明显更为富集（图2）。究其原因，展开该段有机质富集因素研究。已有研究表明，有机质的富集受沉积环境的控制，主要包括初级生产力、氧化还原环境以及陆源碎屑输入速率等因素[15-16]。初级生产力是指生态系统中在单位时间、单位面积上所产生有机物质的总量，鉴于Ba和Cu元素与上升流、表层生产力以及有机金属复合物的良好关联性，可作为恢复古生产力的有效指标，为了消除陆源碎屑物质的影响，通常取Ba/Al和Cu/Al作为古生产力的恢复指标[17]。选取Ba/Al和Cu/Al作为恢复指标[18]，该段Ba/Al值为178.5～395.4，平均值248.1，Cu/Al值为5.95～14.05，平均值7.56；氧化还原条件方面，鉴于U和Mo元素在还原条件下会富集，是分析海底氧化还原条件的重要指标，为了去除陆源碎屑输入的影响，通常采用富集因子计算微量元素富集程度，公式为X-EF = (X/Al)sample/ (X/Al)PAAS[17-18]，从而选取Mo-EF和U-EF作为恢复指标[18,19]。该段U-EF值为5.42～23.96，平均值9.90，Mo-EF值为13.48～67.74，平均值31.31；陆源输入方面，选取Al和Ti作为恢复指标[18-19]，该段Al含量为2.21%～5.38%，平均值4.63%，Ti含量为3 650～4 854 mg/L，平均值4 381 mg/L（图2）。通过有机碳含量与不同控制因素指标相关性发现，初级生产力指标（Ba/Al与Cu/Al）与有机碳含量相关性较差，相关系数分别为0.177和0.013（图3a, b）；同样，陆源输入指标（Al与Ti）与有机碳含量也几乎没有相关性，相关系数仅0.005和0.204（图3e,f）；然而，氧化还原指标（U-EF与Mo-EF）与有机质含量则具有强烈的正相关性，相关系数分别达到0.858和0.839（图3c, d）。鉴于U和Mo元素在还原条件下的富集速率更快，由此表明，对于筇竹寺组该段烃源岩，缺氧环境是有机质保存与富集的关键，而缺氧环境的形成往往是沉积水体变深的结果，这也恰恰与黄铁矿形成所需的还原环境相对应。

图2 GS17井筇竹寺组取心段岩性、电性及地球化学特征图

图3 GS17井筇竹寺组取心段有机碳含量与古生产力、氧化还原条件、陆源输入的相关性图

因此，综合上述推断，4 970～4 976.5 m区间内的富有机碳的碳质页岩段应该代表一次快速的海侵过程，在该区间上部，有机碳含量最大的富黄铁矿碳质页岩段大致对应最大海泛面，同时也是海侵向海退转换界面；在该区间底部，有机碳含量相对较高的碳质泥岩段与下伏贫有机碳的夹薄层粉砂岩的页岩段之间具有明显的岩性转换特征，大致对应海侵初泛面，同时也是海退向海侵转换界面。相较而言，取心段下部4 976.5～4 986 m与上部4 968～4 969 m区间则代表海退序列，相对较浅的沉积水体导致缺氧程度较低，这进一步造成该段有机碳含量相对较低。综合上述分析，针对没有取心的层段，可以通过自然伽马与有机碳含量对麦地坪组—筇竹寺组进行沉积旋回序列的划分，高自然伽马、富有机碳地层底部大致对应海侵初泛面，而自然伽马与有机碳含量最高点则大致对应最大海泛面。

3 麦地坪组—筇竹寺组沉积旋回特征

3.1 典型井沉积旋回特征

基于上述分析，以GS17井为例，对麦地坪组—筇竹寺组进行沉积旋回序列划分（图4）。GS17井麦地坪组—筇竹寺组大致可划分出5个沉积旋回序列，分别为SC1、SC2、SC3、SC4和SC5，依次对应麦地坪组、筇竹寺组一段、二段、三段和四段。具体而言，SC1厚120 m，下部高自然伽马段与上部低自然伽马段组成一个完整的海侵—海退旋回序列，有机碳含量具有类似自然伽马的变化特征；与此同时，SC2、SC3、SC4以及SC5厚度分别为65 m、176 m、114 m和225 m，与SC1的自然伽马、有机碳含量变化特征相似，其下部高自然伽马、富有机碳地层厚度较小，而上部低自然伽马、富有机碳地层厚度较大，表现为一个快速海侵—缓慢海退的变化特征。相比较而言，SC2与SC3下部高自然伽马、富有机碳地层厚度较其他层段相对更大，这可能意味着富有机碳页岩层厚度更大，是烃源质量最好的层段。

3.2 裂陷槽及其周缘区域对比

在上述研究基础上，通过对沿北东向分布于裂陷槽及其周缘区域的5口钻井进行对比发现，裂陷槽与其周缘台地区域的麦地坪组—筇竹寺组沉积充填特征具有明显的差异性（图5）。裂陷槽区域内的GS17、ZY1井可识别出完整的5个沉积旋序列，这一方面表明上述旋回序列具有横向连续性和可对比性，另一方面也表明上述划分方案具有实用性、可行性。其中裂陷槽核部靠北的ZY1井麦地坪组—筇竹寺组各旋回厚度均较靠南面的GS17井更大，可能暗示裂陷槽北面发育规模较南面更大。

图4 GS17井麦地坪组—筇竹寺组沉积旋回特征图

在裂陷槽西侧的Wei28井仅识别出SC3、SC4与SC5三个沉积旋回序列，SC1与SC2缺失。在裂陷槽东侧，从川中GS1井至川东北WT1井，均仅能识别出SC5一个沉积旋回序列，而SC1—SC4均缺失。由此可见，与裂陷槽区域相比，其周缘区域麦地坪组—筇竹寺组沉积充填厚度明显变薄的同时，整体缺失下部沉积旋回地层，而裂陷槽西侧缺失程度较东侧小，西侧具有渐变特征，如Wei28井相较于ZY1井仅缺失下部SC1、SC2，而东侧则具有突变特征，如GS17井无缺失，而GS1井缺失SC1—SC4，且向北东方向区域各井均仅保留SC5。

与此同时，通过单井合成记录制作发现，上述沉积旋回界面均可在地震剖面上进行标定与追踪（图6），该剖面横穿裂陷槽，在裂陷槽及其周缘区域追踪的沉积充填特征与上述连井对比具有类似的特征[20]。由此可以判断，麦地坪组仅在裂陷槽区域沉积充填，而在裂陷槽周缘及台地区域普遍缺失，筇竹寺组在裂陷槽及其周缘区域均有沉积，但槽内沉积充填相对完整，裂陷槽西侧整体发育筇二至筇四段，而东侧广大区域仅发育筇四段。综上，麦地坪组与筇竹寺组整体以典型的填平补齐沉积充填过程为特征，且麦地坪组、筇一、筇二及筇三段主要分布在裂陷槽内，筇四段以广覆式分布为特征。

4 筇竹寺组烃源岩分布特征

鉴于裂陷槽与其周缘区域麦地坪组—筇竹寺组沉积充填具有差异性，尤其针对分布于裂陷区的筇竹寺组一段、二段、三段以及盆地范围广覆式分布的筇四段，其沉积厚度及有机碳含量是预测有利烃源发育区的重要参考指标。

通过对裂陷槽与周缘地区筇竹寺组烃源岩进行对比发现（图5，表1），主要分布于裂陷槽区域内的筇一至筇三段沉积厚度普遍大于350 m，平均有机碳含量以筇一、筇二段最高，普遍大于2.00%，筇三段次之，上述筇一、筇二段高自然伽马、富有机碳地层相对较高可以验证；相反，筇四段平均有机碳含量最低，普遍小于2.00%，最小仅0.26%，且裂陷周缘地区筇四段沉积厚度普遍较裂陷区筇四段小，整体不大于 200 m。由此可见，从烃源岩厚度以及有机碳含量综合判断，裂陷槽区烃源岩质量远远优于周缘区域。

基于钻井以及地震标定与追踪，重点对烃源质量较好的筇一至筇三段厚度平面分布特征进行分析发现（图7），盆地范围内绵阳—长宁裂陷槽区域筇一至筇三段沉积厚度明显较其他区域更大，从裂陷槽向周缘方向筇一至筇三段沉积厚度逐渐减薄甚至尖灭。在近南北向展布的裂陷槽内部，北部的资阳—绵阳—剑阁一带筇一至筇三段沉积厚度普遍超过300 m，加之分布范围均较南部威远—长宁一带更大，是该套烃源岩层最为发育的沉积中心区域。

5 天然气勘探意义

图5 Wei28-GS17-WT1井麦地坪组—筇竹寺组沉积旋回横向对比图（剖面位置见图1）

基于上述分析，针对震旦系—寒武系天然气藏的勘探方向，裂陷槽及周缘区域仍是下一步勘探的重要领域，而北斜坡区域则应为首选[21]。从储层方面来看，北斜坡区域与安岳大气田区域可能没有大的差异性，储层均以裂陷槽边缘控制的台缘带孔洞型藻云岩为特征，鉴于裂陷槽北缘发育规模整体较南缘更大，因此北斜坡区域受拉张裂陷影响时间可能更长，断陷过程更加复杂，如近期PT1井在裂陷区内发现灯二段台缘带，从而大大细化并拓展了勘探目标；从烃源岩方面来看，裂陷槽北缘筇竹寺组较南缘沉积厚度更大分布、范围更广，因此可能具有更优质的烃源条件；从成藏方面来看，北斜坡可能更多以岩性-地层圈闭为主，气藏的保存条件与整体规模上有待进一步探究。

图6 过井地震剖面旋回标定特征图（剖面位置见图1）

表1 四川盆地筇竹寺组有机碳含量统计表

图7 四川盆地及其周缘地区筇竹寺组一段至三段厚度分布图

综上，四川盆地范围内，拉张裂陷槽两侧的台缘带隆起区依然是震旦系—寒武系天然气最有利的勘探区域，以磨溪—高石梯为中心，沿台缘带北斜坡方向拓展将是当前勘探重要领域。

6 结论

1）四川盆地麦地坪组—筇竹寺组可划分出5个沉积旋回序列SC1、SC2、SC3、SC4和SC5，并依次对应于麦地坪组、筇一段、筇二段、筇三段和筇四段。

2）绵阳—长宁裂陷槽与其周缘区域麦地坪组—筇竹寺组沉积充填具有差异性，裂陷槽可识别出完整的5个沉积旋回，而裂陷槽东侧及广大台地区域仅能识别出上部的1～2个沉积旋回，缺失下部旋回序列。麦地坪组、筇一、筇二以及筇三段主要分布在裂陷槽内，筇四段以广覆式分布为特征。

3）分布于裂陷槽区域的筇一至筇三段沉积厚度大，有机碳含量高，裂陷槽区域是最为有利的烃源中心，当前勘探仍需紧紧围绕裂陷槽及周缘展开，且北斜坡将是下一步重点勘探区域。

4）结合岩性、电性以及地球化学方法与手段对麦地坪组—筇竹寺组烃源岩的沉积旋回划分方案似乎行之有效，有望成为普适性方法，可应用于类似的地层分析。