四川盆地西北部三叠系须三段砂砾岩沉积特征

2021-08-08张本健田云英

岩性油气藏 2021年4期

张本健，田云英，曾琪，尹宏，丁熊

（1.中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川江油 621700；2.西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500）

0 引言

随着油气勘探的不断深入，砂砾岩油气藏在全球含油气盆地中均有发现，如挪威北部北海盆地三叠系砂砾岩油藏［1］、巴西Campos 盆地Itabapoana 组砂砾岩油藏［2］、加拿大Alberta 盆地上白垩统Cardium组砂砾岩油藏［3］和美国Coalinga 盆地三叠系砂砾岩油藏［4］等，展现了砂砾岩油气藏在全球油气勘探中具有十分重要的地位，我国在松辽盆地［5］、渤海湾盆地［6］、四川盆地［7］、准噶尔盆地［8］等含油气盆地中也均发现了砂砾岩油气藏。与常规砂岩沉积相比，砂砾岩往往具有快速堆积、岩性复杂和沉积特征复杂多样等特征［9-10］，因此明确砂砾岩沉积特征和展布规律是砂砾岩油气藏勘探的重要环节。

近年来，四川盆地西北部三叠系须三段天然气勘探取得了重要突破，在九龙山、中坝、剑阁、丰谷场、文兴场等三叠系须三段发现了一批气田或含气构造，剑阁地区须三段测试获气163.9 万m3/d［9］，展现了良好的勘探潜力。学者们［10-11］围绕四川盆地西北部须三段的物源、沉积相等方面开展过相关研究，提出其物源主要包括北面米仓山的陆源碎屑和西北边龙门山的碳酸盐岩岩屑，储集岩类型主要为冲积扇—扇三角洲沉积体系的砂砾岩，但对砂砾岩沉积特征的系统研究还相对薄弱，鉴于此，笔者通过系统取心资料、测井资料对四川盆地西北部须三段砂砾岩的沉积特征和展布规律做详细剖析，包括冲积扇和扇三角洲砂砾岩沉积微相的差异性，以期为四川盆地西北部三叠系须三段气藏的拓展勘探和精细开发提供指导作用。

1 地质背景

研究区位于四川盆地川北古中坳陷低缓带的西部，地处米仓山隆起以南和川中古隆中斜平缓带以北。行政区划上，北抵广元，南至绵阳（图1），面积约为1.9 万km2。上三叠统须家河组与下部的中三叠统雷口坡组和上部的下侏罗统自流井组均呈不整合接触，由下至上可分为须一段—须五段［12］，根据岩性组合特征，须三段可进一步细分为须三1亚段和须三2亚段，岩性以砾岩、砂岩和泥页岩互层为主，储集岩主要为砂砾岩。

图1 四川盆地西北部构造位置及须家河组典型剖面图Fig.1 Structural location of northwestern Sichuan Basin and stratigraphic column of Xujiahe Formation

2 沉积相类型及分布特征

四川盆地西北部须三段广泛发育冲积扇和扇三角洲沉积，可识别出扇中、扇缘、扇三角洲平原和扇三角洲前缘等沉积亚相（表1）。根据砂砾岩厚度与地层厚度的比值，结合区域地质背景［13］，应用优势相编图方法［14-15］，分别绘制了须三1亚段和须三2亚段的沉积相平面分布图（图2）。须三1亚段以发育冲积扇—扇三角洲沉积体系为特色，扇中位于西北部的剑阁以西地区，扇缘向南延伸，至安县、苍溪等地区发育扇三角洲平原，梓潼、阆中以南地区为扇三角洲前缘［图2（a）］。须三2亚段的沉积基本继承了须三1亚段的沉积格局，发育冲积扇—扇三角洲沉积体系，冲积扇的分布面积较须三1亚段有所扩大，扇中位于西北部的剑阁以西地区，向南延伸，至剑阁等区域为扇缘，梓潼以北地区发育扇三角洲平原，梓潼以南、绵阳等地区为扇三角洲前缘［图2（b）］。扇中和扇缘中的辫状河道、漫流微相砂砾岩与洪泛平原泥质沉积物呈相互交错分布，向扇三角洲平原、扇三角洲前缘方向有一定的延伸，而砂质辫状分流河道以及泥质为主的分流间平原、水下分流河道与水下分流间湾呈长带状间互分布（图3）。由于龙门山北段的持续抬升，沉积盆地被大量注入近源物质，同时秦岭、大巴山也有较多的远源物质被搬运至盆地［16］，须三段沉积期的物源方向主要为北西—南东向，岩性主要为砂砾岩，砾石成分包括碳酸盐晶粒、碳酸盐颗粒、石英、长石和岩屑。

表1 四川盆地西北部须三段沉积体系与沉积相划分Table 1 Sedimentary system and sedimentary facies division of Xu-3 member in northwestern Sichuan Basin

图2 四川盆地西北部须三段沉积相平面分布图Fig.2 Distribution of sedimentary facies of Xu-3 member in northwestern Sichuan Basin

3 冲积扇砂砾岩沉积特征

四川盆地西北部须三段冲积扇以发育扇中和扇缘亚相为主，未发现扇根亚相。砂砾岩主要分布于扇中辫状河道微相和扇缘漫流沉积微相。

3.1 扇中辫状河道沉积

辫状河道是扇根辫状河道向扇中方向呈惯性流动并向前延伸的部分［17］。河道普遍出现分而复合和高频次的侧向迁移，同一时期发育的辫状河道在平面上常呈带状或似网状分布，具有成层性较好、可对比性较强的特征。辫状河道可构成扇中亚相的骨架砂砾体［18］，岩性主要由褐灰色碳酸盐质细—中砾岩（图4）、浅灰色细—粗粒长石岩屑砂岩组成，具有“砾多砂少”的特征，纵向上常具有向上变细的沉积序列，单砂砾岩体厚度一般为4～6 m（图5）。砂砾岩体的沉积构造以块状层理为主，显示快速堆积的特征。单个辫状河道砂砾岩体的GR曲线特征主要为中幅—高幅的箱形、钟形，多个砂砾体连续重复叠置的井段，GR曲线则为中幅—高幅的圣诞树形、微齿化箱形，通常情况下可将其视为向上变细沉积序列的辫状河道砂砾岩的沉积响应。剖面上，砂砾体的底部与辫状河道间细粒沉积物呈截切超覆关系，顶部与辫状河道间细粒沉积呈渐变关系，构成了向上变细的正韵律，砂砾体或被泥页岩、泥质粉砂岩分隔成孤立状，或因几个期次的辫状河道依次截切超覆作用，造成下伏辫状河道间沉积物被侵蚀缺失而形成多个砂体连续叠置，表现出“砂砾多泥少”或“砂（砾）包泥”的特征。辫状河道在平面上常呈伸长状向扇缘方向逐渐延伸，并由不同级次的辫状河道频繁汇合而成。

图4 四川盆地西北部须三段砂砾岩的岩心照片（a）JM105 井，4 115.29 m，褐灰色块状碳酸盐质中砾岩；（b）JM104 井，4 213.13 m，浅褐灰色块状碳酸盐质细砾岩；（c）JM107 井，4 312.56 m，浅灰色中粒长石岩屑砂岩，发育块状层理；（d）JM105 井，4 121.71 m，浅灰色细粒岩屑长石砂岩，见板状交错层理；（e）JM107 井，4 315.73 m，浅黑灰色细粒岩屑长石砂岩，见平行层理；（f）Z46 井，2 793.14 m，黑灰色粉砂岩，见沙纹交错层理Fig.4 Core photographs of sandy conglomerates of Xu-3 member in northwestern Sichuan Basin

图5 四川盆地西北部须三段砂砾岩垂向结构类型与特征Fig.5 Column showing types and characteristics of vertical structure of sandy conglomerates of Xu-3 member in northwestern Sichuan Basin

3.2 扇缘漫流沉积

漫流沉积是扇中辫状河道向扇缘方向继续作惯性流动和向前延伸后水体汇聚的部分［19］。因河道普遍出现分而复合和高频次的侧向迁移，因此同一时期发育形成的漫流沉积在平面上通常呈带状和似网状分布，表现出较好的成层性和较强的可对比性。漫流沉积是构成扇缘亚相的骨架砂砾体，岩性一般由浅灰色细—中粒长石岩屑砂岩、褐灰色碳酸盐质细砾岩组成，具有“砂多砾少”的特征，纵向上常具有向上变细的沉积序列，单砂砾岩体厚度一般为4～6 m。砂砾岩体中以块状层理为主，显示快速沉积的特征。单个漫流沉积砂砾岩体的GR曲线主要表现为中幅—高幅的箱形、钟形，而多个砂砾体连续重复叠置的井段，GR曲线则主要呈现为中幅—高幅的圣诞树形、微齿化箱形，通常情况下可将其视为向上变细沉积序列的漫流沉积砂砾岩的沉积响应。剖面上，砂砾体的底部与洪泛平原细粒沉积物呈截切超覆关系，顶部与洪泛平原细粒沉积呈渐变关系，共同构成了向上变细的正韵律，砂砾体或被泥页岩、泥质粉砂岩分隔成孤立状，或因几个期次的漫流沉积依次截切超覆作用，造成下伏洪泛平原间沉积物被侵蚀而缺失，从而形成多个砂体连续叠置，表现出砂砾多泥少或者“砂（砾）包泥”的特点。平面上，漫流沉积呈伸长状，而延伸方向为扇缘末端，由多级次的漫流频繁汇合而成。

4 扇三角洲砂砾岩沉积特征

扇三角洲可划分为扇三角洲平原、扇三角洲前缘和前扇三角洲亚相［20］。四川盆地西北部须三段以发育扇三角洲平原和扇三角洲前缘较为普遍，未发现前扇三角洲。砂砾岩广泛分布于扇三角洲平原的辫状分流河道、扇三角洲前缘的水下分流河道、河口坝和远砂坝微相中。

4.1 扇三角洲平原辫状分流河道

辫状分流河道微相是构成扇三角洲平原砂砾岩体的骨架相，以堆积砂质沉积物为主，常分而复合和高频次的侧向迁移。同一时期发育形成的辫状分流河道在平面上常呈带状分布，表现出较好的成层性和较强的可对比性［21］。岩性主要为浅灰色细—中粒长石岩屑砂岩，自下而上由浅灰色中粒长石岩屑砂岩向上逐渐过渡为浅灰色细粒长石岩屑砂岩、粉砂岩、含泥质条带粉砂岩，具有向上变细的沉积序列，单砂体厚度一般为3～5 m。砂体底部一般可见冲刷面，其上普遍发育泥砾富集层，为河道滞留沉积。砂体底部常呈块状或发育槽状交错层理，上部以发育平行层理或板状交错层理为主，顶部多发育沙纹层理，反映出向上水动力逐渐变弱的特征。单个辫状分流河道砂体的电测曲线主要为中幅—高幅箱形或钟形，多个砂体连续叠置的井段，电测曲线形态主要为中幅—高幅的齿化箱形，这是对向上变细的沉积序列的分流河道砂质沉积的响应。剖面上，砂体的底部与分流间平原细粒沉积物呈截切超覆关系，顶部与分流间平原细粒沉积呈渐变关系，构成向上变细的沉积序列，砂体或被泥岩、泥质粉砂岩分隔成孤立状，或因几个期次的辫状分流河道依次截切超覆作用，造成下伏分流间沉积物被侵蚀而缺失，从而形成多个砂体连续叠置。

4.2 扇三角洲前缘水下分流河道

水下分流河道是入湖辫状河沿湖底水道向湖盆方向继续作惯性流动和向前延伸的部分［22］。水下分流河道常常分而复合且侧向迁移频繁，因而同一时期发育的水下分流河道在平面上常呈宽带状和网状分布，具有成层性好和可对比性强的特点，可构成扇三角洲前缘的骨架砂体。岩性主要包括浅灰色细粒长石岩屑砂岩和黑灰色粉砂岩，单个水下分流河道具有向上水动力变弱的特征，由于常受到湖浪的叠加改造作用，砂体常呈现水下沉积特征，自下至上由浅灰色细粒长石岩屑砂岩向上递变为黑灰色粉砂岩，构成向上变细的沉积序列，单砂体厚度一般为2～4 m。砂体底部可见冲刷面，其上可见泥砾富集层，泥砾分选磨圆均差，具有撕裂屑特征，属于河道底部滞留沉积。砂体中下部常发育块状层理和平行层理，向上递变为规模较小的沙纹交错层理。单个水下分流河道砂体的电测曲线为中幅—高幅的钟形，有多个砂体连续叠置的井段电测曲线为中幅—高幅的圣诞树形或箱形，这是对具有向上变细沉积序列的水下分流河道砂质沉积的响应。剖面上，砂体与下伏河口砂坝或水下分流间湾细粒沉积物呈截切超覆关系，顶部与水下堤泛、水下分流间湾或前缘席状砂呈渐变关系，构成连续向上变细的沉积序列，砂体或被泥岩、泥质粉砂岩分隔成孤立状，或因几个期次的分流河道依次截切超覆作用，造成下伏砂体上部的河口坝或水下堤泛等沉积物被侵蚀而缺失，从而形成多个水下分流河道砂体连续叠置，垂向剖面上总体显示出砂多泥少或“砂包泥”的特征。水下分流河道在平面上常呈具备一定离散度的辐射状向湖盆方向逐渐延伸，并由不同级次的频繁分流汇合而成，构成向湖盆方向不断推进和扩大的网状水系。

4.3 扇三角洲前缘河口坝和远砂坝

由河流携带的碎屑物质在河口地区沉积可形成河口坝和远砂坝［23］。岩性主要为浅灰色细粒长石岩屑砂岩和黑灰色粉砂岩，单个砂体常呈向上粒度变粗、泥质含量降低的反粒序沉积特征，厚度一般为2～4 m。单砂体底部以发育沙纹层理为主，向上递变为平行层理或块状层理，反映水动力向上逐渐变强的特征。河口坝和远砂坝砂体的电测曲线主要为单个中幅漏斗形或指形，局部存在着多个幅度向上变大的齿化漏斗形或指形、箱形台阶状叠合构成的复合体，呈现出进积作用强、泥质含量向上减少、粒度变粗等特征。河口坝和远砂坝与水下分流河道之间的相转换面，有时出现测井曲线的跳波现象，说明其之间存在较大规模的截切冲刷面。剖面上，河口坝和远砂坝常位于三角洲沉积旋回的下部，通常由多个河口坝与远砂坝相互叠置，形成向水下分流间湾或前三角洲下超的进积复合体，其顶部常被向湖盆方向延伸的水下分流河道所截切超覆，或被水下分流间湾细粒沉积物所覆盖，通常情况下主要呈现为向上变浅、粒度逐渐变粗的反韵律沉积序列。河口坝和远砂坝在平面上常位于水下分流河道末端，为向湖盆方向加宽的扇形或舌形堆积体。

5 不同沉积微相砂砾岩特征对比

四川盆地西北部三叠系须三段砂砾岩主要发育于冲积扇辫状河道、漫流、扇三角洲辫状分流河道、水下分流河道、河口坝和远砂坝等微相中。通过统计各微相砂砾岩累计厚度，结合岩性特征、沉积构造、沉积序列等对研究区不同沉积微相砂砾岩特征进行了对比（表2）。

表2 四川盆地西北部须三段各沉积微相砂砾岩特征对比Table 2 Sedimentary features of different microfacies of Xu-3 member in northwestern Sichuan Basin

辫状河道以沉积块状褐灰色碳酸盐质细—中砾岩为主，具有“砾多砂少”和向上变细的正粒序特征。漫流沉积的岩性包括浅灰色细—中粒长石岩屑砂岩和褐灰色碳酸盐质细砾岩，具有“砂多砾少”和向上变细正粒序的特征。辫状分流河道以浅灰色细—中粒长石岩屑砂岩为主，底部多为河床滞留沉积，上部发育板状交错层理和平行层理，整体上具有向上变细的正粒序特征。水下分流河道的岩性主要为浅灰色细粒长石岩屑砂岩和黑灰色粉砂岩，中下部发育块状层理和平行层理，向上递变为沙纹交错层理，具有向上变细的正粒序特征。河口坝和远砂坝的岩性主要为浅灰色细粒长石岩屑砂岩和黑灰色粉砂岩，底部发育沙纹交错层理，向上递变为平行层理等，整体上具有向上变粗的反粒序特征。辫状河道、漫流和辫状分流河道微相的砂砾岩累计厚度均较大，多大于70 m，水下分流河道、河口坝和远砂坝微相的砂砾岩累计厚度均较小，多小于30 m。

6 油气地质意义

四川盆地西北部三叠系须三段沉积中，辫状河道、漫流以及辫状分流河道微相的砂砾岩体较发育，水下分流河道、河口坝和远砂坝微相次之，其中相对优质储层主要为泥质含量低、粒度较粗的岩石，多发育于辫状河道、辫状分流河道以及水下分流河道中下部，漫流沉积、河口坝和远砂坝的中上部也少量发育。辫状河道间、洪泛平原、分流间平原和水下分流间湾发育的黑色泥页岩可作为烃源岩，也是良好的盖层［24-25］。因此，扇中、扇缘和扇三角洲平原、扇三角洲前缘均具有较好的成藏组合，辫状河道、漫流沉积和辫状分流河道砂砾岩累计厚度较大，可作为下一步天然气勘探的重要目标。