四川盆地大型古隆起斜坡区微生物碳酸盐岩储层沉积演化特征与天然气规模成藏模式

杨跃明 王文之 文 龙 罗 冰 张 旋 陈 曦 贾 敏 龙虹宇

1.中国石油西南油气田公司 2.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院3.中国石油西南油气田公司川西北气矿 4. 中国石油西南油气田公司重庆气矿

0 引言

自2011 年川中古隆起核部高石梯—磨溪地区高石1 井在上震旦统灯影组获得天然气勘探重大突破以来，灯影组再次成为四川盆地油气勘探及科学研究的热点领域。2013 年高石17 井钻探证实德阳发育—安岳裂陷，在此基础上系统刻画全盆地灯影组地层展布、沉积格局，并指出了震旦系灯影组的天然气勘探方向——沿台缘带扩展勘探[1]。2014 年部署钻探的磨溪22 井首次钻遇了川中磨溪地区灯影组灯四段气水界面，明确有利含气区面积达7 500 km2。2016 年相继钻探的磨溪52 井、磨溪101 井进一步证实磨溪北部地区发育统一的气水界面。磨溪北—九龙山地区与高石梯—磨溪主体区具有相似的含油气地质条件，前者仅灯四期台缘带发育面积就达8 000 km2，储层普遍发育，烃源岩条件优越。对该区寒武系筇竹寺组烃源岩埋藏史、热史研究的结果表明，筇竹寺组烃源岩在二叠纪进入生烃高峰期，并且位于古构造高部位，与高石梯—磨溪地区古构造位置相当，属于油气聚集的有利指向区。三叠纪后，高石梯—磨溪地区继承性处于古构造高部位，磨溪北地区演化为古构造斜坡区，古油藏裂解成气向处于古隆起核部的高石梯—磨溪地区聚集，而在斜坡区规模成藏则难度极大。

2018 年中石油在川中古隆起北斜坡区针对灯影组台缘带部署实施风险探井角探1 井，该井完钻井深为7 766 m，完钻层位为灯四段，灯四段钻厚348 m（未完），颗粒岩以凝块云岩为主（占比42%），藻云岩占比32%、泥粉晶云岩占比26%。测井解释储层厚度为166.6 m，孔隙度为2%～7.1%，储层面洞率为2%～13%，平均值为5.88%，气层8 层，累计厚度为101 m，取得了北斜坡灯四段台缘带天然气勘探的重要新发现[2]。该井在成功钻遇百米厚气层的同时，也提出一个科学问题，灯影组台缘带储层普遍发育的情况下，在低于高石梯—磨溪近2 000 m 之下的斜坡区发育气藏，其圈闭的主控因素是什么？本文基于角探1 井的实钻资料，从区域构造背景、沉积特征、演化过程、成藏模式等方面，探讨了川中古隆起斜坡区微生物碳酸盐岩储层油气成藏的关键控藏要素，以期为斜坡区的天然气勘探指明方向。

1 区域地质背景

四川盆地是一个在上扬子克拉通板块上发展起来的叠合盆地，盆地基底为中元古代末的晋宁运动形成的褶皱基底[3]。震旦纪由于罗迪尼亚大陆裂解[4]，全球大陆发生大规模地离散拉张，在中国表现为古中国地台逐渐裂解，此时期称为兴凯旋回[5]或兴凯地裂运动旋回[6]。华南扬子板块同时期发生广泛的地壳幕式上升运动，宏观上表现为大规模地壳垂直差异隆升（桐湾运动），桐湾Ⅱ幕区域构造抬升，灯影组顶部普遍遭受溶蚀改造[7-10]，形成区域性岩溶型储层。

陡山沱期气候变暖、冰川融化、海平面上升，发生大规模的海侵，除扬子板块西南缘的中滇古陆外，大部分地区均淹没于海水之下，黔东—湘西—鄂中一线以及以其东南地区为斜坡—盆地沉积环境[11]。四川盆地震旦系灯影组厚度介于70 ～1 200 m，岩性总体上为一套质纯色浅的藻白云岩，自下而上分为4 个岩性段：①灯一段为贫微生物段，厚度为0 ～100 m；②灯二段为富微生物段，厚度为450 ～550 m，主要发育藻白云岩、葡萄状白云岩；③灯三段为贫微生物段，厚度为10 ～120 m，在高石梯—磨溪地区平均厚度为60 m，具有由南向北逐渐增厚的特征；④与灯二段相比，灯四段整体贫藻，残厚为30 ～400 m，普遍发育硅质或硅质条带，不发育典型的葡萄状白云岩。桐湾Ⅰ幕和Ⅱ幕运动在灯二、灯四段顶部形成古侵蚀面，灯影组储层主要发育在距离侵蚀面之下100 m 的范围内[12-17]。

川中古隆起北坡整体为单斜构造背景，长约160 km，埋深介于－5 230 m ～－9 300 m，落差近4 000 m，寒武系底界不发育大型构造圈闭（图1）。

2 沉积特征对比分析

区域构造运动控制盆地的宏观格局，桐湾Ⅰ幕运动进一步奠定了灯四期开阔台地的沉积格局特征，由川中向北沉积环境越开阔，水体能量越强，台缘带越宽缓；其次，北斜坡地区发育的大量同沉积断层，进一步加剧沉积期微古地貌差异，蓝藻菌的趋光性特点促使微生物碳酸盐岩优先选择水下高地建隆。总之，大的沉积环境与微生物共同作用促进北斜坡碳酸盐岩沉积分异，为岩性圈闭的发育创造了条件。

2.1 岩石学特征

1987 年，Burne 和Moore 首次提出了微生物岩（microbolite）是由底栖微生物群落（BMC）捕获和黏结碎屑沉积物并形成矿物沉淀，通过这种方式加积的生物成因沉积即为微生物沉积岩[18-23]。前人研究将震旦系灯影组碳酸盐岩主要分为3个亚类、10个微类，灯影组颗粒岩主要有凝块和砂屑两种，其中以泥晶结构的凝块云岩为主，也是最重要的储集岩，其次是砂屑云岩。长期以来，该区的储层研究主要都集中在储集岩的特征及其分布规律上，而对其岩石类型或地质信息的解读和关注则较少，比如凝块云岩、角砾岩、含泥硅质泥晶云岩、硅质岩等（图2-c、d），其次对古侵蚀面、角砾化等现象背后的地质含义研究不深、不透。

2.1.1 颗粒岩

本文将凝块石定义为由大于2 mm 的塑性泥晶或含藻泥晶砾屑组成的岩石，宏观上藻的形态不明显，颜色通常较为斑杂，浅色凝块边缘模糊，与角砾岩棱角分明有明显的区别；微观上，多为泥晶结构，常伴随砂屑颗粒，储集空间以中小溶洞为主。通过对野外样品、钻井岩心资料详细研究，发现川中高石梯—磨溪地区凝块石主要分布在灯二段、灯四上亚段，多发育于海退期（图2-a）。微观上，凝块大小不一，粒径常大于2 mm 的泥晶颗粒，常与砂屑混杂堆砌，结构成熟度低（图2-j）；其次，凝块的边缘发生塑性变形与开裂，这说明凝块的母岩可能尚处在早成岩阶段的泥晶云岩或藻云岩，推测可能是由于海平面相对下降，导致泥晶云岩或藻云岩发生近距离搬运过程中形成的一种异化颗粒岩。

颗粒岩中第二大类是砂屑云岩，其粒径为0.125 ～2.00 mm。统计结果表明：灯影组砂屑云岩粒径介于0.25 ～2.00 mm，以0.40 ～1.00 mm 居多，磨圆度和分选性均较好。颗粒主要为泥晶云岩碎屑或藻屑，重结晶强烈，粒间多充填粉晶白云石。由于分选性好，在岩心上，该类岩石的颜色较为单一，常发育针孔，而中小溶洞欠发育，与凝块云岩形成鲜明的对比。

2.1.2 藻云岩

依据藻云岩的宏观形态，可以进一步细分为层纹状云岩、叠层状云岩和黏连状云岩。层纹状云岩也称层纹石、纹理石，在手标本或镜下均可见到近于平直的暗色藻纹层组构；藻纹层横向上断续，起伏不大，较为平直；镜下观察各纹层之间缺乏空腔结构，且常见鸟眼结构，说明其沉积环境处于潮间—潮上带的浅水低能环境。叠层石的发现距今已有200 多年历史，在这200 多年中，人们对叠层石的认识在不断地深化。研究发现许多叠层石在生长形态上类似于珊瑚和海绵，认为这些穹形纹层的叠加和分叉柱体的生长趋向是生物寻求光线和食物的反映，因此其形态能对古地貌、古水流向、沉积环境分析等提供一定的参考。黏连状云岩颜色较为斑杂，多为泥晶结构，无论是手标本还是普通显微镜下都可见大量的蓝藻菌或藻类遗留的形态，较为杂乱，没有明显的规律。藻黏结灰泥形成凝块，凝块形状大小发育不一，凝块呈条带状—层状，极不规则（图2-b）。镜下观察，常见少量砂屑颗粒，其胶结物整体以泥晶结构为主，局部可见亮晶结构。这说明该类岩石沉积的水动力环境强于层纹状云岩、叠层状云岩等微生物碳酸盐岩的沉积环境。

通过对比川中古隆起北斜坡地区与核部高石梯—磨溪地区发现，两地岩石类型基本一致，但岩性组合存在一定程度的差异（图3）。主要表现在以下3 个方面：①北斜坡地区颗粒岩更为发育，颗粒比超过50%，而高石梯—磨溪地区一般在25%左右。结合角探1 井薄片鉴定、元素测井、成像测井等资料，综合分析发现，凝块云岩厚148 m，占比42.81%；藻云岩厚105 m，占比30.44%；砂屑云岩厚48 m，占比13.96%；泥晶云岩厚16 m，占比4.68%；颗粒岩总占比达57%。②北斜坡地区硅质云岩或硅质岩含量小于5%，而高石梯—磨溪地区硅质含量介于10%～30%，两者存在着显著的差异。③两个地区储层分布存在差异，北斜坡地区灯四段急剧增厚，颗粒岩主要发育在灯四段的中下部；高石梯—磨溪地区灯四段储层主要发育在中上部，且在灯四段中部地层中发现古侵蚀面（图2-i、l），说明在灯四期内发生一次区域性海退，在灯四段下亚段暴露期内，在北斜坡地区沉积了一套碳酸盐岩地层，而高石梯—磨溪地区不同程度缺失这套地层。因此高石梯—磨溪地区灯四段与北斜坡地区灯四段存在着时间上的差异，即分属于灯四期内的不同沉积小旋回。

图2 川中地区震旦系灯影组四段典型岩类及沉积特征

2.2 沉积水动力分析

图3 川中古隆起高石梯、磨溪、北斜坡地区震旦系灯影组四段台缘带沉积相图及对比表

桐湾Ⅰ幕后，川中地区大幅度隆升，古隆起北斜坡可容纳空间大幅度增加，沉积环境由灯二时期的局限台地向灯四时期的开阔台地演化，水体能量明显增强。主要表现在以下4 个方面：①台缘带宏观形态差异大，川中地区向北灯四期台缘带逐渐增厚，高石梯—磨溪地区厚度从300 m 增厚至400 ～500 m，台缘带宽度增加，高石梯—磨溪地区由10 km 增加至30 ～60 km；②电性特征差异大，角探1 井钻探证实该区灯四段自然伽马较低，高石梯—磨溪地区灯四段自然伽马值约5 API；③岩性组合差异大，角探1 井颗粒岩含量明显高于高石梯—磨溪地区，高石梯—磨溪地区灯四段颗粒岩含量一般在25%左右，而角探1 井颗粒岩含量达到57%；④特征元素差异大，灯四段普遍含有硅质，研究表明硅质含量与水体能量呈负相关关系，磨溪地区硅质平均含量为10%～30%，角探1 井仅为4%。综上表明，北斜坡沉积环境更为开阔，水体能量更强，沉积分异强度更大。

2.3 早期断层加剧沉积古地貌差异分析

最新的研究成果表明，震旦纪时期全球处于拉张的大背景之下，在古隆起北斜坡地区具体表现为发育大量北西向的走滑断层。这些主要断层形成在桐湾期或更早，为灯影组沉积分异奠定了良好的古地貌背景。北斜坡地区主要发育两组断裂共10 条，主走滑断裂带长1 245 km，总体上具有分带、分层、分期、分段特征，7 条北西向走滑断裂共993 km，3 条北东向走滑断裂共252 km。与主断裂伴生呈雁列状分布的中小断层在北斜坡广泛分布。这些断层与灯二段顶的岩溶古地貌共同构成灯四段沉积期的古地貌背景，对灯四段沉积物产生强烈的分异作用。通常在早期断层两侧地层的厚度、岩性组合、地震相均有显著的差异。以高石梯—磨溪地区磨溪①号断层为例（图4），断层北部灯三段和灯四段累计厚度明显增加，北侧实钻厚度为427 m，南侧实钻厚为397 m；北侧滩体主要发育在顶部，向下逐渐减少，南侧则有两套滩体叠置发育；北侧滩体北侧地震相以上超为主，南侧地震相以进积为主，反射特征差异大。这些早期断层控制了沉积，后期断层活动弱且断距小。因此二维资料难以识别，使得深化北斜坡地区沉积演化过程研究难度增大（图5）。

图4 川中震旦系磨溪①号早期断层控沉积地震反射图

3 沉积演化过程及主控因素

图5 川中地区震旦系灯影组丘滩体与滩间海地震反射剖面图

图6 川中地区震旦系灯影组沉积模式图

四川盆地震旦系灯影组微生物碳酸盐岩普遍发育，储层纵向上多期叠置，台缘、台内均发育丘滩体（图6）。沉积期，微生物在水下微古地貌高部位优先建造碳酸盐岩，与生物礁具有相似的生长特征，随海平面的上升持续垂向加积，沉积速率远大于滩间海沉积速率，易形成隆洼相间的沉积体。短期海平面下降，古地貌高的丘滩体遭受同生期岩溶作用，形成早期溶蚀储层。灯影组沉积晚期，区域性暴露使得灯影组长期遭受广泛侵蚀、溶蚀改造，孔隙度进一步增加。海平面的升降与古侵蚀面共同控制灯影组储层的分布，具有纵向上跨度大、储层累计厚度大的总体特征。

3.1 海平面控制沉积期微古地貌格局

短期海平面的升降一方面控制微生物碳酸盐岩的生长进度，又保持地层厚度的稳定性。在短期内，海侵期促使微古地貌高部位微生物丘滩体快速建隆，厚度增大；低洼区沉积厚度相对较薄，低洼区主要沉积含泥含硅类的泥粉晶云岩、泥质云岩等细粒碳酸盐岩（图7-a）；海退期海平面相对下降，高部位的丘滩体暴露遭受大气淡水的淋滤侵蚀，侵蚀形成的细粒沉积物被搬运堆砌在丘滩体之间的潮道或低洼区，对沉积期地貌具有夷平作用（图7-b），同时对高部位的丘滩体起到溶蚀增孔的作用。因此在一个短期旋回内，丘滩体与潮道或滩间洼地的地层厚度差异不大，在纵向上形成多期丘滩体的叠置（图7-c）。

3.2 区域性构造运动控制岩溶古地貌

灯影组沉积晚期，桐湾Ⅱ幕促使灯影组顶部长期广泛接受暴露，形成早寒武世灯影组岩溶古地貌[24]。与短期海平面相对下降不同的是构造运动的抬升不是以夷平作用为主，对高部位的丘滩体侵蚀作用相对较弱，而对潮道、滩间洼地易形成汇水区，对低洼区侵蚀作用则更强，从而进一步加大了寒武系底部的岩溶古地貌差异（图7-d）。

岩溶古地貌差异越大，越有利于成储、成圈和成藏。区域性构造运动促使海平面下降至波折带以下，整个碳酸盐岩台地暴露，高部位的丘滩体被进一步溶蚀改造，在潮道区或滩间洼地形成汇水区对潮道或低洼区深度侵蚀，形成岩溶沟谷。岩溶沟谷越深，高部位丘滩体潜流带顺层岩溶作用越强，有利于后期筇竹寺组烃源岩与丘滩体的侧向对接充注、成藏。

4 油气成藏演化及模式

图7 古隆起斜坡区沉积充填过程及成储模式图

川中古隆起北斜坡地区与古隆起核部地区在生、储、盖、圈、运、保等成藏要素方面存在诸多相似的地质条件，其中烃源岩条件、储集条件、源储配置条件优于高石梯—磨溪地区（图8）。①源储配置条件与高石梯—磨溪地区烃源条件相似，都紧临德阳—安岳生烃中心，具有近源成藏的先天条件，越靠北部地区，烃源岩条件越好，生烃强度更大；②具有相似的储集相带，均位于震旦系灯四期台缘带，储集条件好，从沉积条件看，北部地区更接近广海，丘滩体规模和厚度更大，储集条件更好；③具有相似的成藏组合特征，两区都是立体供烃模式，即下伏地层发育灯三段烃源岩，与灯四期台缘带形成下生上储的供烃模式，横向与筇竹寺组烃源岩侧向对接，形成侧生旁储的供烃模式，此外上覆筇竹寺组烃源岩直接覆盖在储层上，形成立体供烃的成藏模式[25]。

北斜坡地区位于古油藏聚集区，角探1 井钻探证实沥青普遍发育[26]，与高石梯—磨溪地区具有相似的古构造演化背景，高石梯—磨溪地区属于继承性构造高部位，至今仍是构造高部位，长期处于油气运聚有利区[27]；生油高峰期后，高石梯—磨溪地区继承性处于古隆起高部位，北斜坡地区逐渐演化为构造斜坡区，如果在斜坡区上倾方向没有良好的封堵条件，斜坡区将不具备规模化成藏的地质条件。北斜坡走滑断层控制岩性圈闭发育，地震预测刻画表明，在古隆起北斜坡发育大量早期走滑断层，走滑断层继承性控制灯影期、沧浪铺期微古地貌，间接控制滩体与致密带展布，致密带在上倾方向与滩体共同构成岩性圈闭；早二叠世是四川盆地生油高峰期，处于拉张背景下，走滑断层也是油气充注期重要的输导体系的一部分。总之，古隆起北斜坡区微生物碳酸盐岩规模化成藏取决于规模化的烃源灶、储层及岩性圈闭等关键要素在时间和空间上的良好配置。

5 结论

1）与川中古隆起核部相比，古隆起北斜坡地区台缘带更宽缓，丘滩体规模更大，蓝藻菌的趋光性促使丘滩体优先选择水下高地建造碳酸盐岩，进一步加剧沉积期古地貌差异，沉积分异作用更强，为岩性圈闭的形成奠定物质基础，具备形成规模化岩性圈闭的条件。

2）沉积期内，短期海平面相对下降对高部位的丘滩体淋滤、溶蚀改造作用，有利于同生期溶蚀改造；晚期区域构造抬升，碳酸盐岩台地整体暴露，高部位丘滩体进一步被溶蚀改造，为有利区内丘滩相储层的规模化发育创造了条件。

3）北斜坡地区源储配置条件优越，灯影组台缘带紧临德阳—安岳生烃中心，并被筇竹寺组厚层优质烃源岩包裹、与下伏灯三段烃源岩紧密接触，源储在空间形成了立体的高效成藏组合。

图8 四川盆地川中古隆起—北斜坡震旦系—寒武系组油气演化模式图

4）岩性圈闭是川中古隆起北斜坡区规模化成藏的关键控藏要素，由丘滩相储层及其上倾方向低渗带共同形成多个大型岩性圈闭。在关键生烃高峰期，北斜坡区内大型岩性圈闭处于古构造高部位，有利于早期形成古油藏，晚期岩性圈闭位置演化为斜坡区，但受上倾方向低渗带的遮挡作用，油气能有效充注到大型岩性圈闭中，进而富集成藏。