四川盆地东部地区寒武系膏盐岩厚度定量预测及其油气地质意义

2022-06-07江青春李建忠汪泽成黄士鹏曾富英鲁卫华

天然气工业 2022年5期

江青春李建忠,2 汪泽成黄士鹏苏旺姜华曾富英鲁卫华毕赫

1.中国石油勘探开发研究院 2. 中国石油吐哈油田公司

0 引言

以膏盐岩为盖层的油气藏十分典型。据统计，全球约有8%的油气藏以膏盐岩为盖层，其蕴含的石油探明储量却可以占到世界油气探明储量的55%[1]，以膏盐岩为盖层的油气藏在全球大型油气藏中所占的比例极高。这类油气藏的特征是在膏盐岩边缘往往发育高能颗粒滩，而下部的洼陷区在海侵期多会发育厚层的烃源岩，进而形成下生上储的油气成藏组合。四川盆地川东地区[2-3]，鄂尔多斯盆地马家沟组[4]等地区的勘探都揭示存在以膏盐岩为盖层的油气藏。同时，不少学者也认为膏盐岩发育区之下的震旦系可能是未来深层天然气勘探的重要领域与方向[5-8]。研究膏盐岩分布特征，预测膏盐岩分布规律，对于发现和研究大型油气藏具有十分重要的意义。近年来，我国学者对于川东地区寒武系膏盐岩盖层和碳酸盐岩储层的研究，主要集中于膏盐岩构造与油气圈闭关系[9-13]、膏盐岩岩性特征与成因分析[14-17]、膏盐岩沉积模式[18-28]、膏盐岩层地震响应特征[29-35]以及通过地震属性等方法定性预测膏盐岩层的平面展布[27-29]等方面。然而，随着精细油气勘探和开发需求的发展，除了需要定性的岩性、沉积模型、地震响应特征分析外，定量的二维以及三维膏盐岩分布预测也成为一项亟待解决的难题。通过膏盐岩的精确刻画与分布识别，既能够从地质的角度精确描述盖层的发育特征，又能够从工程的角度事先做好准备，防止发生卡钻和工程事故，从而能够提高工程钻探效率，缩短钻井周期。对此，本文以川东地区的膏盐岩构造和沉积研究为基础，应用相控校正系数法，定量预测了该区寒武系的膏盐岩厚度平面分布。

构造特征上，川东地区高陡构造带构造十分复杂。震旦纪以区域性裂陷拉张伴随强烈的差异升降运动，形成多个近南北向展布的裂陷。寒武纪沉积期，在加里东运动挤压效应的影响下，盆地西南部形成一套陆棚—混积台地相沉积；盆地东南部华蓥山和七曜山一带，基底断裂形成了相对封闭的沉积凹陷，即“万州—宜宾凹陷”。这套构造体系的发育，为后期碳酸盐岩半局限台地和蒸发潟湖的形成创造了十分有利的条件。地层特征上看，川东地区寒武系自下而上发育有筇竹寺组、沧浪铺组、龙王庙组以及高台组（图1），沉积环境以碎屑陆棚、混积陆棚、开阔台地、半局限台地、蒸发潮坪—潟湖等沉积体系为主。其中寒武系碳酸盐岩—膏盐岩共生体系主要发育在寒武系高台组和龙王庙组中。龙王庙组的膏盐岩沉积中心位于重庆—合江地区（临7井附近）,膏盐岩最厚可达419.9 m。高台组膏盐岩沉积中心在石柱—利川附近，膏盐岩最厚可超过1 200 m。在两个膏盐岩沉积中心之间的部分地区（如座3井附近），高台—龙王庙组膏盐岩均发育（图2）。

图1 川东地区寒武系地层综合柱状图

图2 四川盆地寒武系膏盐岩沉积厚度趋势图

在构造分析和沉积分析的基础上，为了开展川东地区寒武系膏盐层厚度的定量预测，本文在膏盐/地层厚度之比分析基础上，利用模型正演建立了不同岩性组合地震识别模式，将川东地区二维地震数据转换成相控校正系数，进而实现相控校正系数平面图编制及寒武系膏岩层厚度定量预测。

1 膏盐岩与地层厚度比率分析

通过对川东地区寒武系膏盐岩层发育段的岩性组合特征、水动力特征、沉积构造、连续沉积厚度及发育位置等方面差异进行对比，明确了寒武系含膏盐岩地层的3种沉积环境，分别为：静水潟湖、扰动潟湖、台地—缓坡沉积（图3）。并从岩性组合、膏盐岩单层层厚、凹陷程度、封闭情况、发育位置、典型岩性组合、膏盐岩厚度与地层厚度之比7个方面对3种沉积单元进行了对比，分析了各个沉积单元的具体特征。

图3 四川盆地下寒武统膏盐岩沉积模式图

3种沉积单元的典型沉积特征表现为：

1）开阔—半局限台地沉积：岩性主要发育白云岩、颗粒白云岩、重结晶白云岩，且白云岩发育厚度较大。在台地相沉积时，古地貌较高，受到了较强的潮汐作用，局部古地理的高部位可形成颗粒滩。半局限—台地沉积模式中局部古地理高沉积地层无膏盐岩发育，膏盐岩厚度与地层厚度之比为 0；在局部发育的薄层膏盐岩层的岩性组合中，膏盐岩厚度在地层厚度中占比在 10%～20% 之间。

2）半局限台洼沉积：岩性以白云岩、盐岩、石膏盐岩及石膏质白云岩等为主，膏盐岩单层厚度一般小于50 m，构造位置多位于相对低洼处的封闭—半封闭潟湖范围中。岩性组合主要为互层型组合，表现为多层膏盐岩与白云岩地层的互层沉积。膏盐岩厚度在地层厚度中占比在20%～30%之间。

3）静水潟湖沉积：主要发育石膏岩、盐岩等岩性，膏盐岩单层厚度大于50 m。构造位置多位于古地理沉积凹陷深部的封闭潟湖范围内，潟湖内部沉积能量低、水体盐度极高。静水潟湖区整体发育厚层膏盐岩型岩性组合，沉积物以膏岩层夹白云岩为主，膏盐岩厚度与地层厚度之比介于60%～80%之间；局部静水潟湖核心区岩性组合以巨厚膏岩、盐岩为主，膏盐岩厚度在地层厚度中占比大于80%（表 1）。

表1 川东寒武系膏盐岩岩性组合特征表

2 多岩性组合模型正演

川东寒武系不同岩性组合内的膏岩厚度在地层厚度的占比不同，其地震响应特征也有差异。为了实现寒武系膏盐岩层厚度预测，需要建立不同的岩性组合与地震反射之间的对应关系[6-8]。本文通过模型正演，建立了不同岩性组合与地震反射结构的对应关系，进而对寒武系不同层位的膏盐岩层厚度进行预测。

2.1 模型正演参数设计

2.1.1 速度、密度参数

用于模型正演的主要参数包括速度和密度参数[11]。通过对研究区典型钻井的测井声波数据及密度数据的分析，得到了寒武系膏盐岩层、砂泥岩层、石灰岩层以及白云岩层的速度与密度参数（表2）。

表2 模型正演中不同岩性的速度及密度参数表

2.1.2 地震子波主频

研究区主要地震测线振幅谱分析结果表明，研究区主要二维测线在寒武系地震资料主频约20 Hz左右。40 Hz以上地震信息能量迅速衰减，有效信号较弱。对此，模型正演的子波主频采用20 Hz。

2.1.3 二维模型的设计

二维地质模型的设计包括模型结构的设计以及模型中岩性厚度的设计。模型结构设计主要考虑外形特征。模型的外形特征通常由沉积相形态结构决定（如三角洲、生物礁滩体、河流相）等。研究区二维模型的设计以膏盐岩层沉积模式为主，并结合实际钻井的岩性组合来实现二维模型的建立。二维模型中的岩性厚度通常以实际典型钻井地层厚度进行约束[13]，对4种不同的膏盐岩岩性组合类型，选取就近典型井的实际地层厚度进行约束。

2.2 不同岩性组合模型正演

2.2.1 无膏盐岩型岩性组合正演特征

高台组顶部表现为强波峰反射特征，龙王庙组底部表现为强波谷反射特征，地震反射波组稳定。在高台—龙王庙组内部，由于没有明显的地层岩性变化，整体岩性比较单一，故而层间无明显的地震反射界面。对于无膏盐岩型岩性组合，整体表现为“弱振幅—空白”反射特征的地震响应（图4）。

图4 无膏盐岩型岩性组合二维模型正演图（以资阳1井为参考）

2.2.2 薄层膏盐岩型岩性组合正演特征

对于录井上的薄膏盐岩层岩性组合的区域（膏盐岩厚度小于10 m的区域），在高台—龙王庙组间出现了弱波峰反射。薄层膏盐岩波阻抗略低，在正演剖面上表现为空白反射背景下的中强振幅反射特征。与无膏盐岩型模型正演结果有一定差异。值得注意的是，厚层膏盐层反射强度比薄层膏盐层的反射强度强，表明膏盐岩反射强度与膏盐岩厚度正相关。正演结果表明高台—龙王庙组的白云岩地层内部发育单层一定厚度膏盐岩（膏盐岩厚度大于10 m）（图 5）。

图5 薄层膏盐岩型岩性组合二维模型正演图（以丁山1井为参考）

2.2.3 互层膏盐岩型岩性组合正演特征

录井上为互层型岩层岩性组合的区域，且在正常应力条件下，模型正演表现为极低的波阻抗特征，在地震剖面上表现为“多个强振幅”地震反射特征，反射波组特征与薄层膏盐岩层的差异非常明显，易于识别。模型正演结果表明在高台—龙王庙组稳定白云岩地层内部发育多套膏盐层，膏盐层具有一定厚度（单层厚度在16～25 m之间）（图6）。

图6 互层型膏盐岩岩性组合二维模型正演图（以座3井为参考）

录井上为互层型岩层岩性组合的区域，且处于挤压环境下，由于膏盐岩层具有强烈的塑性特征，相对较厚层的膏盐岩层易于发生塑性变形，原来相对稳定的膏盐岩层逐渐变为“揉皱状、香肠状”构造，其地震响应特征由原来的稳定强反射逐渐变为“短轴状不稳定强反射”地震响应，在地震剖面上易于识别（图7）。

图7 互层型膏盐岩岩性组合二维模型正演图（挤压应力条件下）

2.2.4 厚层膏盐岩型岩性组合正演特征

厚层膏盐岩型岩性组合是指在高台—龙王庙组之间发育多套巨厚的膏盐岩层。膏盐岩层的厚度基本超过数百米。从沉积环境来看，该类岩性组合地层均发育在静水潟湖中。沉积水体很深，水体沉积能量很弱且盐度极高。这类区域的在中心的正演特征表现为空白反射特征，在两侧的互层型膏盐岩发育区，表现为多个强振幅反射特征（图8）。

图8 厚层型膏盐岩岩性组合二维模型正演图

在强烈应力挤压条件下，厚层膏盐岩层形成强烈的塑性变形，形成向上冲的构造挤压应力，在厚层膏盐岩层发育大型的盖层滑脱型断层，并在膏盐岩滑脱层上部通常形成盖层滑脱构造。这类岩性组合的正演特征表现为中心区典型的空白反射特征，部分地区表现为“眼球状”的变形特征，其受到挤压应力影响明显；在膏盐岩层上部形成凸起的背斜构造，通常伴随大型膏盐岩滑脱断裂系统。而两侧的互层型膏盐岩区，表现为多个强反射波组合特征（图 9）。

图9 厚层型膏盐岩岩性组合二维模型正演图（挤压变形条件下）

利用二维模型正演建立了不同岩性组合下的膏盐岩层地震响应特征。各岩性组合的地震响应特征为：薄层膏盐岩型为弱—中强反射特征；互层膏盐岩型为多个中—强振幅反射，在构造变形较强地区变成“短轴不稳定强反射组合”；厚层膏盐岩型呈现“空白反射”特征，在挤压应力条件下，常形成滑脱构造体系，表现为“眼球状”的反射特征（表 3）。

表3 寒武系膏盐岩层的地震识别模式及预测表

3 应用相控校正系数法进行膏盐岩厚度预测

由于膏盐岩层发育以及厚度受到岩性组合控制明显，如无膏盐型岩性组合的膏盐岩厚度约为0，互层膏盐型岩性组合的膏盐岩厚度占地层厚度的20%～30%。可以通过不同岩性组合地震响应特征的识别结果，首先实现地层岩性组合的平面特征分析，然后根据不同岩性组合中膏盐岩厚度与地层厚度之比的关系，分析相控校正系数的平面分布，最后实现相控条件下不同岩性组合的膏盐岩层厚度预测。

3.1 各岩性组合平面特征分析

利用高台—龙王庙组岩性组合的地震响应差异，将各条地震剖面划分为不同岩性组合类型（无膏盐岩型、薄层膏盐岩型、互层膏盐岩型、厚层膏盐岩型）。进而在各条二维地震剖面的地层解释和岩性解释的基础上，对研究区高台—龙王庙组岩性组合进行平面插值，开展研究区的岩性组合平面特征分析（图10）。

图10 川东地区高台—龙王庙组岩性组合平面图

研究区高台—龙王庙组岩性组合平面特征显示，从西到东沉积水体具有逐渐变深的特征，沉积相横向分带性明显。研究区西侧整体沉积水体较浅，沉积岩性组合以无膏盐岩型与薄层膏盐岩型岩性组合为主；中部大部分地区为互层膏盐型岩性组合，表明当时沉积水体整体较深，互层型膏盐岩层普遍发育；东部沉积水体更深，同时能够沉积厚度较大的膏盐岩，主体为厚层膏盐型岩性组合；在研究区的东部建深1井附近为静水潟湖沉积中心，发育厚层膏盐岩，表现为厚层膏盐岩型岩性组合。

3.2 膏盐校正系数分析

在岩性组合平面特征分析的基础上，根据不同岩性组合中膏盐岩层与地层厚度比的关系（表3），将不同岩性组合区赋予不同的校正系数值（如在无膏盐岩型与薄层膏盐岩型边界，膏盐岩层厚度占比为0.1；将薄层膏盐与互层膏盐型边界，膏盐厚度赋值0.2；以此类推），从而得到整个研究区不同岩性组合条件下膏盐岩厚度的校正系数。以膏盐岩厚度的校正系数为基础，利用反网格化成图方法，对研究区沉积相控膏盐岩赋值，并对其进行网格化，得到研究区相控膏盐岩厚度校正系数的平面展布（图11）。

图11 川东地区高台—龙王庙组膏盐岩厚度校正系数平面图

从膏盐岩相控校正系数平面图看出，研究区西部膏盐岩相控校正系数较低，校正值为0，中东部大部分地区校正系数在0.2～0.4之间，东部以及东南部静水潟湖区，膏盐岩层校正系数较大（校正系数基本大于0.5）；在工区建深1井东北部以及西南部的部分地区，膏盐岩层校正系数甚至超过0.8。

3.3 沉积相控校正系数下的膏盐岩厚度预测

在分析膏盐岩相控校正系数平面特征的基础上，结合地层厚度预测结果，将两套数据网格相乘，得到基于相控校正系数膏盐岩厚度预测结果。预测结果表明：研究区膏盐岩层厚度自西向东逐渐增厚的特征，研究区西部膏盐岩层的厚度多小于10 m，中部大部分地区膏盐岩层的厚度为几十到数百米，而研究区东部膏盐岩层的厚度超过1 300 m。膏盐岩层沉积厚度巨大（图12）。

图12 川东地区高台—龙王庙组相控系数校正下的膏盐岩厚度预测平面图

定量的膏盐岩层厚度预测，对于优选勘探区十分重要。从钻井施工角度看，在川东地区的石柱—利川附近，寒武系厚层膏盐岩非常发育，钻井工程风险较高；同时，从勘探选区的角度看，厚层膏盐岩区为沉积水体较深地区，水动力能量较弱，不利于高能浅滩发育。勘探有利区以膏盐岩不发育的台地—浅滩沉积环境为主（图13），主要分布在合川—广安西部以及座3井东部的局部地区。

图13 川东地区高台—龙王庙组沉积相平面图

3.4 预测结果可靠性评价

研究区范围内钻至寒武系钻井4口（太和1、五探1、座3、建深1），膏盐岩厚度预测时，将太和1井、五探1井、座3井参与厚度校正，而建深1井作为盲井进行验证。对比实钻膏盐岩厚度以及地震预测厚度，参与校正井预测误差均小于10 m，而验证井（建深1）预测误差为95 m，整体误差较小（表4）。

表4 寒武系膏盐层地震预测厚度与实钻厚度对比表单位：m

4 油气地质意义

针对膏盐层厚度的精确预测，对于碳酸盐岩油气勘探部署具有十分重要的油气地质意义。首先，碳酸盐岩盆地内油气藏的形成，与膏盐层的存在有着密切的关系。膏盐层的形成环境往往是在高位体系域时期海平面下降的强蒸发背景下形成（图13），在此之前的海侵期，膏盐湖盆沉积中心的低洼区，有利于筇竹寺组优质海相烃源岩的发育。同时膏盐层的形成环境具有水体受限、能量低的特点，易于形成有机质富集的还原环境，从而发育与膏盐相伴生的烃源岩，因此川东地区的两个膏盐湖盆中心区推测筇竹寺地层较厚，且可能发育优质的厚层烃源岩和与膏盐岩相伴生的烃源岩。

其次，此次膏盐层的精确刻画，对于川东地区膏盐湖盆之下震旦系的天然气勘探具有十分重要的现实意义。川东厚层膏盐岩发育区，其下为震旦系灯影组，该套地层受桐湾运动的区域性暴露溶蚀影响，可形成规模性的丘滩相岩溶储层，与其上的筇竹寺组烃源岩可构成上生下储或旁生侧储的成藏组合。同时膏盐层的发育可以为灯影组提供良好的盖层及保存条件，川东地区寒武系膏盐岩厚度在100～1 500 m，平均厚度在500 m以上（图12），因此膏盐岩发育区之下的震旦系保存条件优越，未来随着该区地震资料品质的提升，必将能够识别出规模的丘滩体，海侵期膏盐湖盆区优质的筇竹寺组烃源岩在高过成熟阶段其生成的液态烃经规模裂解后通过断裂或者不整合输导进入震旦系丘滩体，在上覆寒武系高台组—龙王庙组膏盐盖层的封盖下得以成藏和保持。构成了优越的生储盖成藏序列，未来盐下震旦系必将成为川东深层天然气勘探的重要领域与方向。

同时，围绕膏盐岩湖盆边缘的古地貌高部位往往会形成高能颗粒滩，与下部膏盐湖盆中心区筇竹寺组烃源岩构成下生上储的成藏组合。这一成藏特点在世界范围内碳酸盐岩盆地油气勘探实践中得到了证实[36-41]，如国外的滨里海盆地、墨西哥湾盆地等地区，国内的鄂尔多斯盆地都存在湖盆边缘高能颗粒滩型储集体，发现大中型油气藏的勘探案例。本次通过对川东地区二维地震资料的深入分析，对川东寒武系膏盐岩边缘颗粒滩进行了精细的刻画，在两个膏盐湖盆边缘识别出6个大型颗粒滩体（图13），未来通过进一步深化该区带的成藏条件，在该区带部署风险探井，必将获得川东地区寒武系膏盐湖盆边缘颗粒滩的勘探突破。

最后，膏盐岩的精确刻画和定量预测，对于工程施工方面也具有重要的指导意义[42]。在实际钻探过程中，可以根据精确预测的膏盐层厚度做出施工部署，同时可避开膏盐岩区域开展勘探工作。或应用预测结果，对于潜在的膏盐岩区事先做好工程技术准备，防止发生卡钻和工程事故，从而达到缩短钻井周期，提高工程钻探效率的目的。