四川盆地高石梯地区震旦系灯影组四段硅质岩成因及地质意义

罗文军 徐 伟 朱正平 刘曦翔 王 强 申 艳 朱 讯

1. 西南油气田分公司勘探开发研究院 2. 西南油气田分公司 3. 西南油气田分公司页岩气研究院

0 引言

四川盆地中部地区震旦系灯影组四段气藏为受风化壳影响的大型古岩溶气藏[1-3]，已提交探明储量约4 000×108m3，其中高石梯地区提交探明储量约2 000×108m3，具有巨大的资源基础和良好的开发前景。前期研究认为上震旦统灯影组储层主要分布于灯影组顶界之下100 m 以内，具有非均质性强、横向变化大等特征，但是灯四段地层厚度大，岩性垂向变化小，储层发育分布却具有一定的成层性，应该与灯四段内部层序有一定的相关性；而灯四上亚段上部发育一套分布较为稳定的硅质岩，且普遍致密坚硬，渗透性差，尚不明确该套硅质岩与储层展布有何关系。前期研究工作主要针对灯四上亚段白云岩溶蚀孔洞中充填的硅质矿物进行分析，对“基岩”中的硅质成因、分布及对储层的影响未进行深入探讨。故笔者通过对研究区实钻井硅质岩的岩心、薄片、主要元素、微量元素资料的分析，探讨研究区硅质岩成因，寻求其与储层展布的关系，总结储层空间展布规律，以指导气藏高效开发。

1 地质背景

高石梯地区位于四川盆地川中古隆起平缓构造区，东接广安构造，西邻威远构造，北邻磨溪构造，西南邻荷包场、界石场潜伏构造（图1）。该区灯影组主要为碳酸盐岩台地沉积，以藻白云岩、晶粒白云岩、砂(粒)屑白云岩为主，夹少量薄层砂岩、泥岩、硅质岩及膏岩，自下至上可分为4 段。灯四段岩性主要由浅灰—深灰色层状粉晶云岩、含砂屑云岩、溶孔粉晶云岩、藻云岩、硅质岩组成。由于桐湾运动影响，该区灯四段遭受长时期的表生岩溶作用，岩溶储层发育。

2 硅质岩特征及成因分析

2.1 硅质岩特征

高石梯地区灯影组四段自下而上均含硅质，产出状态主要有2 类，即次生充填的硅质矿物和沉积形成的硅质岩，二者微观特征有明显区别，镜下易区分。热液充填的硅质矿物晶粒粗大，由白云石基岩垂直洞壁或裂缝生长（图2-a、2-b），孔洞及裂缝半充填或全充填；沉积形成的硅质岩镜下多表现为细晶或微晶、放射状玉髓以及隐晶质硅质（图2-c、2-d），SiO2含量大于70%。笔者主要讨论沉积成因的硅质岩分布及储层分布的控制因素。

图1 高石梯地区构造位置图

图2 高石梯地区灯四段硅质产出状态特征对比图

2.1.1 产状及结构

根据研究区岩心及薄片分析，硅质岩主要为藻纹层硅质岩、含云硅质岩和纯硅质岩（图3），呈薄层—中厚层状，单层厚度介于2 ～10 cm，具有条纹、条带结构，与藻纹层云岩和泥晶云岩伴生。岩心致密坚硬，受后期成岩作用改造程度低。

薄片分析显示硅质岩的结构主要有隐晶结构、显晶质粒状结构，放射状玉髓以及花瓣结核状等，其中纹层状硅质岩的纹层间分布大量的隐晶硅质，且藻纹层亦以硅质为主，纹层构造保存完整（图3）。

2.1.2 分布特征

测井数据中蕴含着大量地质信息，具有较高的分辨率，能较好地记录地质事件中有周期性变化的沉积构造运动，是普遍性和连续性最好的地质数据之一[4-6]。硅质岩在测井响应上表现为高电阻、低中子、低声波时差特征，测井较易识别，笔者利用ECS 元素俘获测井对岩性解释成果进行标定，测井岩性解释成果中硅质含量可靠，但该成果仅能较为准确地识别岩石中SiO2成分含量，并不能明确硅质成因。通过沉积层序分析可以进一步区分硅质成因，由沉积作用形成的硅质层分布于同一层序界面附近，所以可以利用测井曲线划分单井沉积层序，并开展连井对比，明确硅质纵向分布规律。

在大量测井数据中，各种测井曲线所蕴含的地质信息不同，对地层旋回信息识别和划分的敏感程度也不同。利用测井曲线能够反映出不同地层的旋回以及沉积特征，不同测井曲线的组合形态以及测井曲线频率的大小是界面识别与层序划分的最主要依据。常用的测井曲线有声波时差（AC）、自然伽马（GR）、自然电位（SP）、电阻率（R），其中GR对泥质含量的变化比较敏感，在常规地层划分中通常用GR曲线来进行地层旋回的划分与对比。

对于稳定环境沉积的海相碳酸盐岩地层，自然伽马（GR）和电阻率（R）的变化特征能准确反映海平面升降变化及沉积旋回。笔者综合分析测井曲线开展横向对比，根据变化规律将灯四上亚段划分为4 个沉积旋回（图4）。

对比结果表明高石梯地区硅质岩分布具有以下特征：①垂向上硅质岩均分布在由下到上第4 旋回底部（图4），大约在灯影组顶界之下10 ～40 m 处；平面上厚度主要介于5 ～15 m；向自西东厚度逐渐增大，其余硅质横向不可对比。

2.2 成因分析

2.2.1 地质特征分析

通过对硅质岩结构、沉积构造、平面分布等特征分析，可初步判断硅质岩为沉积成因。

1）前人研究[7-10]表明，热水沉积成因硅质岩普遍表现为薄层到中厚层状，致密坚硬、具条纹、条带状构造，且多与生物有关，镜下表现为隐晶质硅质、显晶质粒状硅质充填物、放射状玉髓以及花瓣状硅质结核等特征，岩心及薄片分析表明，该层硅质岩的内部结构、沉积构造等均与典型的沉积成因硅质岩相同，为沉积成因硅质岩。

2）后期充填硅质垂向发育位置变化较大，横向不能可追踪对比，而研究区硅质岩测井响应特征明确，横向可对比，且沉积旋回对比上看，硅质岩的发育位置均处在灯四上亚段第四旋回底部，等时可对比。

2.2.2 常量元素分析

1）前人对现代温泉和海底热泉的研究[7-10]表明, 只有与深部地热相关的热水沉积硅质岩才会具有SiO2含 量 高, 同 时TiO2、Al2O3、MgO 含 量 低的特征。分析高石梯地区灯四上亚段的上部硅质岩的主要化学成分，硅质岩SiO2含量均较高，介于94%～96%，普遍大于90%，且TiO2、Al2O3、MgO 含量低（表1），表明该层硅质岩为与深部地热相关热水沉积成因。

图3 高石梯地区灯四段硅质岩特征展示图

图4 高石梯地区灯四上亚段沉积旋回对比图

表1 高石梯地区灯四段硅质岩样品主要元素含量表

2）前人研究[7-10]认为，热液参与的沉积普遍具有Fe、Mn 富集的特征，而陆源物质会使Al、Ti元素富集。将样品分析结果投在Al—Fe—Mn 三角图中，数据均落在热液沉积区（图5），表明研究区硅质岩为热水沉积成因。

图5 高石梯地区灯四段硅质岩样品Al—Fe—Mn 三角图

2.2.3 微量元素分析

根据前人研究[7-15]，微量元素中高含量的Ba、Sb 可以作为热水沉积物的指示剂。通过与上地壳微量元素的对比，硅质岩样品的微量元素含量明显低于上地壳，但Ba, Sb 相对富集，具有热水沉积成因特征。

Cr 为地幔元素, 岩石中Cr 的相对富集说明具有地幔物质混入（夏邦栋，1995 年）[11]。数据中Cr相对富集（表2），最高达17.88 mg/L，表明硅质岩形成与深部热液有关。

表2 高石梯地区灯四段硅质岩样品微量元素含量表mg/L

通常热水沉积中U 含量普遍高于Th 含量，故热水沉积岩中具有U/Th 大于1 的特征,而正常海水沉积中U/Th 小于1(Rona，1978 年)。该区硅质岩样品的U/Th 均大于1，表明灯四段硅质岩为热水沉积成因。

杨子板块东南大陆边缘上震旦统上部茶留坡组（或老堡组）为一套硅质岩建造，其分布范围广、分布层位稳定，厚度介于20 ～150 m，与高石梯地区灯四段上部硅质岩发育时期相同。前人研究[15-18]认为，中上扬子之间震旦纪末有频繁的火山喷发，茶留坡组硅质岩主要由该期火山喷发物中的硅质在海水中沉淀形成的热水沉积成因硅质岩。

该区灯四上亚段上部硅质岩具有以下特征：①呈薄层到中厚层状，致密坚硬，普遍具条纹、条带状构造，且多与生物有关，镜下一般表现为隐晶质硅质、显晶质粒状硅质、放射状玉髓，其分布横向可对比；②主要元素SiO2含量高，Al2O3、TiO2、MgO 含量较低，Fe、Mn 相对富集；③微量元素Ba、Sb 含量高，Cr 相对富集，U/Th 大于1。结合区域上前人的研究，认为该硅质岩为与海底火山喷发相关的热水沉积成因硅质岩。

3 地质意义分析与讨论

明确了研究区灯四上亚段上部硅质岩为沉积成因具有重要的地质意义，海底火山喷发是区域性地质事件，硅质岩的沉积物来源与此相关，故区域上硅质岩大范围沉积应为同时期的，且沉积旋回对比上看，硅质岩的发育位置均处在灯四上亚段第四旋回底部，具有等时性。故可将硅质岩底界作为等时地层对比界面，据此恢复岩溶古地貌、建立亚段等时地层格架、明确岩溶模式。

3.1 分析岩溶古地貌

灯四段储层与表生岩溶作用有关，岩溶储层发育带与岩溶古地貌的关系密切已被勘探实践证实。一般认为，岩溶残丘和岩溶斜坡是岩溶储层最发育的地区，而岩溶高地和谷地岩溶储层发育程度较差。因此，准确地恢复岩溶古地貌是岩溶储层发育带分布预测的关键。但恢复深埋地下的岩溶古地貌通常是困难的，当前常用的古地貌恢复方法主要为印模法和残余厚度法。由于岩溶地貌表征的是岩溶发生后的地貌形态，采用“残余厚度法”进行古地貌恢复时，古侵蚀面以下的标志层选取是关键，最好是一个基本与古海平面平行的水平面或近似的水平面，且是全区范围内分布的等时界面，能够代表当时的海平面。在之前的研究中通常采用灯三段底界作为残厚法古地貌恢复基准面，但由于灯二段遭受了大范围的风化剥蚀，部分地区剥蚀厚度较大，故而灯三段底界并不能代表古海平面，由灯三段底恢复的古地貌恢复结果也不能代表灯四段沉积前的古地貌。

笔者认为灯四上亚段上部硅质岩底界等时可对比，且其与上、下地层均为连续沉积，能够代表古海平面，故其上地层残厚能客观反映寒武系沉积前灯四段顶部古地貌。硅质岩之上的地层厚度主要介于10 ～45 m（图6），工区西侧主要介于10 ～30 m，并在高石3 及高石8 井区存在两个残余地层厚度较大的区域残余厚度大于30 m，之间地层显著减薄，主要在15 m 之下，向东地层增厚明显，厚度大于40 m。根据顶部地层残余厚度特征划分灯四段岩溶古地貌，平面上划分出岩溶残丘、岩溶斜坡、岩溶谷地及岩溶高地等4 个古地貌单元（图6），其中高石3、高石8 井区分别为2 个岩溶残丘，之间为岩溶沟谷，其东部为岩溶斜坡及高地。

图6 灯四上亚段硅质层之上地层残余厚度图

3.2 建立等时地层格架

以往灯四段的储层对比，主要按照储层的相对位置进行对比，指出储层主要分布于灯影组顶界之下100 m 以内，但不同区域储层分布规律不明确，制约了气藏开发。

硅质岩底界为地层等时界面，故可将灯四上亚段自下而上细分为灯四上1 小层、灯四上2 小层； 结合灯四上、下亚段研究成果，建立了灯四段等时地层格架，在此格架内进行储层精细对比（图7），明确了灯四段不同区域储层发育特征及分布规律：①高石3 井区灯四上2 小层储层发育，1 小层储层不发育；②高石2 井区灯四上2 小层储层不发育，1 小层储层发育；③高石9 井区灯四上1、2 小层储层均发育；④磨溪109 井区灯四上2 小层剥缺， 1小层储层发育。

3.3 建立灯四上亚段岩溶模式

硅质岩普遍致密，是岩溶流体的天然隔层，在此隔层之上，岩溶流体的向下渗流受到阻挡，在断裂和裂缝欠发育区[19-20]，岩溶流体难以进入灯四上1 小层，岩溶储层集中发育在2 小层（高石3 井）；当岩溶期及之前的断裂断穿硅质层时，断裂和裂缝为岩溶流体提供了向下流动的通道，岩溶储层在1、2 小层均有发育（高石8、9 井）；部分区域灯四上2 小层地层残余厚度较小，且断裂及裂缝较发育，该区仅灯四上1 小层储层发育（高石2 井）；当灯四上亚段2 小层遭受剥缺时，灯四上1 小层岩溶储层发育（磨溪109 井）。根据硅质层及之上残余地层分布，并结合断裂、裂缝及丘滩体发育分布研究成果，建立了高石梯地区灯四上亚段岩溶模式（图8），为岩溶储层预测提供了重要依据。

图7 高石梯地区灯四上亚段等时地层格架下储层对比图

图8 研究区灯四上亚段岩溶储层发育模式图

笔者认为灯四上亚段上部硅质岩为热水沉积成因，明确提出该层硅质岩底界可作为灯四上亚段内部等时地层对比界面，以此认识指导了灯四段等时地层格架的建立，同时指导了灯四段岩溶古地貌恢复，并建立了灯四上亚段岩溶模式，明确不同区域岩溶储层的分布特征，明确储层纵横向展布规律。形成成果支撑了高石梯地区有利区优选及开发井部署，划分了有利开发区3 个，并部署开发井55 口，完钻35 口井，靶体储层钻遇率较之前工艺井提高1 倍以上，百万立方米气井比例由不足30%提高到67%以上，应用成效显著。

4 结论

1）川中高石梯地区灯四上亚段上部硅质岩岩心表现为薄层到中厚层状，单层厚度2 ～10 cm，致密坚硬、普遍具条纹、条带状构造，镜下一般表现为隐晶质硅质、显晶粒状硅质、放射状玉髓以及花瓣状硅质结核，且横向可对比，具有明显的热水沉积成因硅质特征。

2）常量元素具有SiO2含量高、Al2O3、TiO2、MgO 含量较低，Fe、Mn 相对富集的特征；微量元素Ba、Sb 含量高，Cr 相对富集，U/Th 普遍大于1，结合区域资料分析，明确了高石梯地区该套硅质岩为与海底火山喷发相关的热水沉积成因。

3）灯四段上部硅质岩可作为灯四上亚段内部等时沉积界面，以硅质岩底界作为地层对比标准界面，将灯四上亚段细分为2 个小层，据此构建了灯四段等时地层格架，进而恢复了寒武系沉积前灯影组岩溶古地貌，明确了灯四段岩溶模式。