四川盆地威远—高石梯地区二叠系栖霞阶层序地层特征及有利储层分布

2022-11-19张照坤李明隆唐思哲杨文杰谭秀成

岩性油气藏 2022年6期

李凌，张照坤，李明隆，倪佳，耿超，唐思哲，杨文杰，谭秀成

（1.中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室西南石油大学分室，成都 610500；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；3.西南石油大学天然气地质四川省重点实验室，成都 610500；4.中国石油西南油气田分公司蜀南气矿，四川泸州 646000）

0 引言

近年来，四川盆地西部地区二叠系栖霞组中发现了一类优质砂糖状白云岩储层，储层厚度大，测试产能高，且证实其受到沉积相带控制［1］，往往呈规模性地分布在台地边缘高能滩相中，横向连续性较好［2］。随着这类白云岩储层勘探陆续取得重大突破，其越来越受到学者们的关注，但在广阔的台内地区寻找这类白云岩储层具有一定的挑战性，也是目前勘探的热点问题。近期，川中地区的磨溪31X1、磨溪42、高石18 等井均在栖霞组白云岩储层中获得高产工业气流［3］，展示出台内地区也具备良好的勘探前景。然而，台内地区栖霞组沉积相带与川西地区存在明显差异，前者沉积环境主要表现为由高能的台缘滩转变为相对低能的台内滩［5］，白云岩储层厚度明显减小，纵向上的分布不稳定，且非均质性强，横向分布范围难以预测，这些因素严重制约着台内地区栖霞组的勘探进展与开发效率。精细地层序地层特征研究可以为白云岩储层的形成与展布提供可靠的等时地层框架约束，有利于更好地理解储层的形成机制及其古地理背景［4］，进而能够在等时层序格架内探讨有利储层的发育和分布。学者们对四川盆地栖霞组的层序划分存在差异，且大多以盆地或川西台缘带为研究对象，台内地区精细的层序地层特征研究相对较少，等时层序格架的建立有利于约束白云岩储层的时空分布范围，同时对沉积相展布、地层内幕岩溶发育预测具有重要意义。

通过对威远—高石梯地区老井资料的复查和新井钻探情况的分析，发现栖霞组纵向上发育2 套优质的白云岩薄储层，且均具有良好油气显示，这为台内地区寻找白云岩储层提供了良好的研究素材。基于钻井岩心、岩屑、测录井、成像测井以及薄片等资料，在层序界面识别的基础上，将威远—高石梯地区栖霞阶划分为3 个三级层序，并进一步分析层序格架及平面分布，明确层序发育规律，指明有利储层分布及控制因素，以期为台内地区栖霞阶白云岩储层勘探提供理论依据。

1 地质概况

四川盆地是中国南方扬子准地台的一个次级构造单元，属于典型的含油气叠合盆地［6］。研究区位于川中低缓褶皱带—川南低陡褶皱带的过渡区，包括威远、资阳、富顺、永川等地，总面积约为1.3×104km2（图1）。石炭纪末期，云南运动导致研究区二叠系沉积之前的地层抬升暴露，遭受长时间的风化剥蚀，形成不同层位的准平原化基底，为早二叠世的广泛海侵创造了条件［7］。二叠纪开始，地壳开始全面沉降，受加里东期古地貌影响，海水分别从东南和西北方向侵入［8］，使得栖霞阶覆盖在寒武系、奥陶系及志留系等地层的不整合面之上［9］。

图1 四川盆地威远—高石梯地区二叠系沉积前古地质（a）及二叠系栖霞阶岩性地层综合柱状图（b）Fig.1 Predepositional paleogeology of Permian（a and stratigraphic column of Permian Qixia Stage（b）in Weiyuan-Gaoshiti area，Sichuan Basin

研究区下二叠统发育梁山组、栖霞组和茅口组，底部的梁山组为一套碎屑滨岸相沉积［10-11］，岩性主要为泥岩和粉砂质泥岩，偶见粉砂岩；随着海侵持续进行，向上逐渐过渡为栖霞组碳酸盐岩台地沉积体系［12-13］，岩性以石灰岩为主，局部地区发育云质灰岩、白云岩，厚度为70～150 m。栖霞组可划分为栖一和栖二2 个岩性段，内部界面均为整合接触，栖一段发育颜色相对较深的生屑泥晶灰岩、泥晶灰岩以及泥灰岩，顶部偶见薄层的燧石结核灰岩，其原岩多为泥晶生屑灰岩；栖二段整体为一个快速海侵—缓慢海退的过程，顶部为重要的滩（丘）建造［14-15］，可细分为栖二b 段与栖二a 段，其岩性组合相似，底部以泥晶灰岩、泥灰岩、生屑泥晶灰岩为主，向上逐渐过渡为颜色相对较浅的泥晶生屑灰岩、亮晶生屑灰岩，中上部常见云质灰岩、白云岩。栖霞组沉积末期，海平面下降，导致栖二段滩（丘）大面积暴露，遭受大气淡水淋滤溶蚀［16］，沉积物接受了较长时间的早成岩期岩溶改造［17］。茅口组底部为平行不整合面，随着海平面的上升，其上沉积了一套典型泥灰岩—灰岩（也称之为眼球、眼皮状灰岩）韵律互层［18-19］。

2 层序界面特征及划分方案

2.1 层序界面特征

基于钻井剖面的自然伽马和成像测井资料，结合岩心、岩屑的宏、微观特征，在四川盆地威远—高石梯地区二叠系栖霞阶自下而上识别出梁山组底界面（Ⅰ型）、栖一段顶界面（Ⅱ型）、栖二b 段顶界面（Ⅱ型）和栖霞组顶界面（Ⅰ型）等4 个三级层序界面。

关于梁山组与栖霞组的界线，已有研究揭示其并非三级层序界面，在露头上可见梁山组至栖霞组为连续沉积，由碎屑滨岸砂泥岩沉积逐渐过渡为海相台地碳酸盐岩沉积［20-21］。四川盆地梁山组的分布具有“范围广，厚度小”的特征，沉积物主要以相对低能的滨岸、沼泽沉积为主［22］，二叠系沉积前的准平原化夷平作用，使得河流等强动力水流体系不具备大规模发育的背景，这就意味着物源的输入能力不大，且研究区距物源较远，因此梁山组不具备等时沉积的条件，据此认为梁山组与栖霞组的界面不是三级层序界面。

2.1.1 梁山组底界面（Ⅰ型）

研究区二叠系栖霞阶梁山组与下伏地层接触面为加里东—海西构造旋回形成的不整合面，下伏地层在全盆均存在不同程度的侵蚀，是典型的Ⅰ型层序界面［13］。区内该界面之下地层岩性包括寒武系白云岩、奥陶系灰岩或页岩、志留系页岩；界面之上为梁山组，岩性以泥岩为主，局部地区发育薄层的粉砂质泥岩、粉砂岩（图2）。由于下伏地层剥蚀程度的差异，区内梁山组与下伏地层的岩性差异较大，相应的GR曲线形态、成像测井图像表现出多种组合类型。界面之下泥页岩富含放射性元素Th，K和U，GR曲线往往呈锯齿状高值，灰岩和白云岩由于黏土和有机质含量均较低，GR曲线多为锯齿状或箱状低值（图3）；成像测井显示页岩电阻率很低，为暗色薄层条带状，白云岩与灰岩电阻率较高，呈亮色中—厚层状（图4）。界面之上的泥岩、粉砂质泥岩对应的GR曲线往往表现为锯齿状高值；成像测井显示泥岩电阻率较低，为暗色薄层条带状，粉砂质泥岩电阻率较高，呈亮色条带状。当下伏地层为志留系或奥陶系泥页岩时常不易区分该界面。

图2 四川盆地威远—高石梯地区二叠系栖霞阶层序界面上、下岩性特征Fig.2 Lithologic characteristics of the upper and lower sequence boundaries of Permian Qixia Stage in Weiyuan-Goshiti area，Sichuan Basin

图3 四川盆地威远—高石梯地区二叠系栖霞阶三级层序界面岩电响应特征Fig.3 Rock electrical response characteristics of the third-order sequence boundary of Permian Qixia Stage in Weiyuan-Goshiti area，Sichuan Basin

图4 四川盆地威远—高石梯地区二叠系栖霞阶层序界面成像测井响应特征Fig.4 Imaging logging response characteristics of the third-order sequence boundary of Permian Qixia Stage in Weiyuan-Goshiti area，Sichuan Basin

2.1.2 栖一段顶界面（Ⅱ型）

研究区栖一段顶部普遍发生了短期暴露，可见明显的薄风化层和岩溶现象［20］，界面上、下岩性变化明显，界面之下岩性为泥晶生屑灰岩、亮晶生屑灰岩等，可见较完整的有孔虫、棘皮类等生屑颗粒，以亮晶充填为主，表现为中高能沉积；界面之上水体能量降低，沉积物普遍为泥灰岩、泥晶灰岩、生屑泥晶灰岩等，镜下可见以灰泥充填为主，表现为浪基面之下的低能沉积。该界面在岩心和露头上较难区分，但在测井资料上特征清晰，为典型的Ⅱ型层序界面。界面之下GR曲线特征整体对应平缓低值，且达到栖一段最低值，成像测井图像上，泥晶生屑灰岩和亮晶生屑灰岩均表现为电阻率高，呈亮色中—厚层状；界面之上GR曲线呈钟形，界面处数值明显升高，并迅速达到栖二b 段底部最大值，成像测井图像上，泥晶灰岩和泥灰岩电阻率均较高，呈现出暗色薄—中层状，生屑泥晶灰岩由于泥质含量的不同，导致电阻率存在差异，表现为亮、暗色薄层状互层。

2.1.3 栖二b 段顶界面（Ⅱ型）

栖二b 段顶界面在露头上较难识别，但研究区内该界面附近岩性变化明显，界面之下岩性主要为浅色中—厚层状亮晶生屑灰岩，镜下可见有孔虫、棘皮、腕足类等生屑颗粒，破碎程度较高，主要粒径为0.5～5.0 mm，颗粒边缘以亮晶胶结为主，向外侧泥晶含量增大，表现为泥晶和亮晶共存的“非典型”颗粒岩特征［23］；界面之上岩性主要为生屑泥晶灰岩，以泥质充填为主，可见棘皮、双壳类生屑颗粒，呈漂浮状分布，粒径明显减小，主要粒径为0.1～0.2 mm，据此推断界面之上水体加深，以低能的灰泥沉积为主，代表了一次相对短暂的海侵作用，为典型的Ⅱ型层序界面。界面之下GR曲线特征整体为平缓低值，局部为锯齿状或指状较高值；成像测井图像上，亮晶生屑灰岩表现为亮色中—厚层状，白云岩或云质亮晶生屑灰岩由于储层气侵的影响，表现为暗、亮色薄—中层状互层，且伴随着自然伽马（GR）、声波（AC）、密度（DEN）测井等孔隙度曲线跳动和深、浅双侧向（Rt和Rxo）曲线明显分离。界面之上地层GR曲线为箱状或钟形高值，在成像测井图像上，生屑泥晶灰岩表现为亮色薄—中层状夹暗色条带。

2.1.4 栖霞组顶界面（Ⅰ型）

研究区栖二段整体为一个“缓慢海退”的格局，海退持续时间较长，顶部地层沉积厚度大，沉积末期经历了一次大范围、相对长时间的暴露，栖霞组顶界面为平行不整合面，界面上、下岩石类型组合发生明显变化［16］，为典型的Ⅰ型层序界面。界面之下岩性主要为浅色中—厚层状泥晶生屑灰岩、亮晶生屑灰岩，镜下可见有孔虫、棘皮类、藻类等，泥晶和亮晶共存，且亮晶胶结具较强的非均质性；界面之上茅口组底部由黏土含量相对较高和富含有机质的泥灰岩—灰岩韵律互层组成，形成了一个界面特征明显的岩性转换面。该区家46 井岩心揭示该界面之下发生垂向岩溶，岩溶影响深度大多小于1 m，且岩溶通道发生白云岩化，而基岩基本不发生云化。界面之下GR曲线整体为平缓低值，局部为锯齿状或箱状低值，成像测井图像上，泥晶生屑灰岩、亮晶生屑灰岩电阻率均较高，表现为亮色中—厚层状；界面之上GR曲线表现为漏斗状或锯齿状高值，成像测井图像上，泥晶灰岩（眼球）电阻率较高，表现为亮斑状，泥灰岩（眼皮）电阻率较低，表现为暗色环带状，且围绕着泥晶灰岩分布。

2.2 层序划分方案

有关四川盆地栖霞阶层序划分的问题，一直存在不同观点，目前主要存在3 种不同划分方案［24-29］（图5）。本次研究揭示在康滇古陆前缘凹陷、德阳—绵阳凹陷等二叠系沉积前的盆内深坳区SQ1 层序之下发育了一套属于梁山组+栖一段的地层，并将其划分为SQ0 层序。目前层序划分方案的差异主要在于栖霞阶划分三级层序个数、梁山组是否参与栖霞组层序划分以及划分为哪种体系域、盆内凹陷区层序如何划分等方面。

图5 四川盆地威远—高石梯地区二叠系栖霞阶层序划分方案Fig.5 Classification scheme of sequences of Permian Qixia Stage in Weiyuan-Goshiti area，Sichuan Basin

综合对比全盆栖霞阶层序划分方案发现：①在研究区选取方面，学者们的层序划分研究区大多集中在盆地或川西台缘带，对台内地区的精细刻画不足；②梁山组归属问题上存在争议，且对梁山组至栖霞组沉积过程的认识尚未统一；③针对盆内凹陷区层序地层的研究较少，目前层序划分方案仍然存在一定的差异。

此次研究利用岩心、岩屑、GR测井以及成像测井等资料，在识别栖霞阶三级层序界面特征的基础上，根据GR曲线旋回特征，结合已有研究成果，应用钻测井资料的层序地层学分析理论和方法，划分出3 个三级层序，该方案与岩石地层单位的大致对应关系为：SQ1 对应梁山组+栖一段，SQ2 对应栖二段b 段，SQ3 对应栖二段a 段（图6）。研究区内栖霞阶沉积时长大约为5 Ma，按Vail 的层序周期划分标准［30］，三级层序对应的周期为0.5～3.0 Ma，因此，将梁山组+栖霞组作为整体划分为3 个三级层序也是恰当的。

图6 四川盆地威远—高石梯地区高石18 井二叠系栖霞阶层序地层综合柱状图Fig.6 Comprehensive column of sequence stratigraphy of Permian Qixia Stage of well Gaoshi 18 in Weiyuan-Goshiti area，Sichuan Basin

3 层序格架及充填规律

依据四川盆地威远—高石梯地区二叠系栖霞阶层序划分方案，选取区内典型井进行层序地层横向对比，建立层序格架，并结合层序平面分布，明确层序充填规律。

3.1 层序格架

以SQ1顶界面作为等时界面进行层拉平，选取近北西—南东向和北东—南西向2 条层序地层剖面进行横向对比，以展示研究区栖霞阶层序充填特征。结果显示，在北西—南东方向上，SQ1 层序呈现厚薄相间的变化特点；从资阳1 井、高石32 井区向高石26 井、永页1 井区（北西—南东向）地层呈逐渐减薄的变化趋势；尤其体现在下部的海侵体系域（TST）和梁山组，表现为向安岳以南、永川以南地区逐渐超覆的特征，且梁山组在海侵期穿时现象明显，由SQ1 的海侵体系域（TST）穿时到高位体系域（HST）（图7）。荣县—威远—安岳—潼南地区（南西—北东向）SQ1地层也展现出逐渐超覆的特征，但超覆程度较北西—南东向剖面低，梁山组亦表现出明显的穿时特征（图8）。总的来说，SQ1 整体厚度较小且分异明显，厚度小的区域只发育海侵体系域沉积。

图7 四川盆地威远—高石梯地区北西—南东向二叠系栖霞阶层序地层连井剖面对比Fig.7 Well-tie profile correlation of stratigraphic sequence of Permian Qixia Stage along NW-SE in Weiyuan-Gaoshiti area，Sichuan Basin

图8 四川盆地威远—高石梯地区南西—北东二叠系栖霞阶层序地层连井剖面对比Fig.8 Well-tie profile correlation of stratigraphic sequence of Permian Qixia Stage along SW-NE in Weiyuan-Gaoshiti area，Sichuan Basin

研究区SQ2 整体厚度较大，横向上变化较小，在北西—南东向剖面上，资阳1、包20、高石32 和螺3 井区地层厚度均较大，南西—北东向剖面上威寒103、资检1 和高石18 井区地层厚度均较大，其余井区地层相对较薄。从纵向上来看，SQ2 在SQ1沉积厚度大的区域或厚薄过渡区总体表现出快速海侵、缓慢海退的特征。SQ3 顶部受到一定地削蚀作用，但对地层厚薄分布影响较小，总体来看SQ3横向分布趋势与SQ2 具有一定继承性，横向上厚度变化较小，仅在高石26 井区厚度明显减小。

3.2 层序平面分布

在单井和连井层序划分对比的基础上，根据研究区内70 多口井栖霞阶层序厚度数据，采用内插法和相带约束法分别编制SQ1，SQ2 和SQ3 厚度等值线图（图9），以展示研究区层序平面分布。此次研究为了更好地展现栖霞阶沉积前古地貌和层序地层厚度演化趋势，用暖色调代表SQ1 厚度小的区域和SQ2，SQ3 厚度大的区域。

研究区SQ1 厚度总体上表现为北东—南西向分异的厚薄相间分布趋势，整体厚度为10～26 m，其中西北缘、西南缘以及东部局部地区沉积较厚地层，往西部、南部以及中部等地区逐渐减薄（图9a）。SQ2 沉积厚度相对较大，整体厚度为38～58 m；中部、西南缘等局部地区厚度小，普遍为40 m 左右；威远—资阳—安岳—潼南和观音场—自流井—富顺—隆昌2 个条带为沉积厚度大的区域；威寒103、资阳1、高石21 以及瓦4 等井区沉积厚度较大，普遍大于56 m（图9b）。SQ3 厚度平面分布与SQ2 相似，整体厚度为30～54 m；中部厚度小，普遍为32 m 左右；资阳、威远—自贡、大足—隆昌—永川等3 个地区的沉积厚度大；瓦4、孔17、孔27 以及螺观1 等井区沉积厚度较大，普遍大于50 m（图9c）。

图9 四川盆地威远—高石梯地区二叠系栖霞阶层序厚度分布Fig.9 Sequence thickness contour of Permian Qixia Stage in Weiyuan-Goshiti area，Sichuan Basin

3.3 层序充填规律

通过分析栖霞阶层序格架及平面分布，发现SQ1 层序具有逐渐向上超覆的特征，表现为不同的沉积地貌单元接受沉积的时间不同，低地较高地沉积早，沉积时间长，导致低处沉积较厚，高处沉积较薄，据此认为沉积较薄的地区为相对古地貌高地，沉积较厚的地区为相对古地貌低地（图10）。因此，认为全区栖霞阶沉积前古地貌总体上表现为北东—南西向分异的隆凹相间分布。SQ2 沉积初期，研究区仍为地貌起伏状态，SQ1 之上广泛发育一套较薄的海侵体系域沉积；沉积中后期，海平面频繁升降，在高位体系域发育高频旋回，旋回初期高地由于更接近正常浪基面而优先沉积，可容空间充足，有利于丘滩复合体生长，且以纵向加积为主；高频旋回晚期，由于海平面下降和丘滩复合体快速建造，可容空间变小，丘滩复合体不断发生侧向迁移，使得SQ2 在沉积期地貌高地和坡折带沉积相对较厚。SQ3 整体继承了SQ2 的层序充填特征，在沉积期地貌高地优先沉积且不断发生侧向迁移。

图10 四川盆地威远—高石梯地区二叠系栖霞阶层序充填规律示意图Fig.10 Diagram of sequence filling pattern of Permian Qixia Stage in Weiyuan-Goshiti area，Sichuan Basin

综上所述，栖霞阶底部地层（SQ1）穿时现象明显，具有向沉积前古地貌高地超覆的特征，中上部地层（SQ2和SQ3）由沉积期地貌高地不断向低地迁移，呈现“底超、中上部迁移”的地层充填规律，形成了威远—高石梯地区栖霞阶地层隆凹相间的分布格局。

4 有利储层的控制因素及分布

4.1 相控作用

许多学者曾对四川盆地下二叠统栖霞组沉积相做过大量的研究［13，31-32］，对于台内的沉积环境，较多研究者认为早二叠世栖霞期的古海洋环境总体可能受限［33-35］，能量普遍不高，露头上发育微生物灰泥丘［36］，镜下可见微生物黏结球粒、似球粒、生物碎屑等。结合区内沉积特征，此次研究识别出的栖霞阶沉积相类型主要为丘滩复合体、半局限海、台内洼地和碎屑滨岸。

栖霞阶沉积初期经历了一次较大范围的海侵过程，SQ1 中下部以碎屑滨岸、半局限海沉积为主，上部发育较少的丘滩复合体，整体以泥岩、泥晶灰岩等低能岩性为主。栖霞阶沉积中后期，受短期快速海侵影响，SQ2 和SQ3 海侵体系域以薄层的泥灰岩、泥晶灰岩、生屑泥晶灰岩沉积为主，岩石较为致密，表现为水体较深的台内洼地或半局限海沉积，偶见丘滩复合体沉积，多为非储层；在高位体系域平均海平面相对稳定，古地貌高地和坡折带为高能沉积环境，发育厚度大、横向上具连续性规模分布的丘滩复合体，其原始孔隙较发育［37］，为后期的成岩改造奠定了良好的物质基础（图11）。

图11 四川盆地威远—高石梯地区资1—瓦4 井二叠系栖霞阶沉积相连井剖面对比Fig.11 Well-tie profile correlation of sedimentary facies of Permian Qixia stage across well Zi 1 to well Wa 4 in Weiyuan-Goshiti area，Sichuan Basin

4.2 岩溶作用

早期研究认为四川盆地二叠系栖霞组沉积末期经历了一次较大面积的抬升暴露［16］，顶部具有明显的暴露不整合面，发育区域性的早成岩期岩溶作用［17］，但未对内幕的高频暴露引起重视。此次研究发现栖霞组内幕高位体系域发育早期高频旋回暴露，岩心上可见明显暴露面（图12）。该暴露面之上为黄褐色纹层状泥质风化层，厚度为2～3 cm，风化层之上为下一个高频旋回初始海侵沉积，暗色泥质夹浅色碳酸盐岩碎屑沉积物沿层面分布，镜下可见黑色泥质充填物包裹生屑颗粒，推测与初始海侵搅动前期沉积物有关，表现为相对深水沉积物覆盖于暴露面之上；暴露面之下为中—厚层亮晶生屑灰岩。在这些高频暴露面之下，发育大量早期高频暴露溶蚀形成的岩溶系统，岩心宏、微观上可见垂向溶沟、网状溶沟、小型溶蚀孔洞等。成像测井图像上也能识别出受早期岩溶改造形成的暗色斑块，显示溶蚀孔洞较发育［38］，对储层起到建设性作用。这种向上变浅高频暴露旋回顶部的水体通常能量较高，丘滩复合体原始孔隙发育较好，为早期淡水溶蚀提供了流体通道，逐渐形成相控岩溶系统，溶沟或斑状溶洞充填物多发生白云岩化形成抗压溶格架，保存了原有孔隙结构，发育晶间溶孔等，从而形成现今的岩溶型白云岩薄储集层。

图12 四川盆地威远—高石梯地区二叠系栖霞组成岩作用微观特征Fig.12 Microscopic characteristics of diagenesis of Permian Qixia Stage in Weiyuan-Gaoshiti area，Sichuan Basin

4.3 有利储层分布

通过对研究区栖霞阶层序充填规律以及对沉积、岩溶作用的影响分析发现，栖霞阶高位体系域沉积时期，白云岩储层具有显著的相控性，相对高能的丘滩复合体是白云岩储层形成的重要物质基础，暴露期间接受早期岩溶作用形成相控型岩溶系统，叠加白云岩化后有利于储层保存。依照优势储集相带叠合古地貌单元的研究思路，结合白云质岩类厚度分布，对威远—高石梯地区栖霞阶有利储集区带进行预测，认为资阳、自贡、隆昌和环内江一带等地区为有利储集区带（图13）。四川盆地下二叠统栖霞组早期的勘探思路总体是寻找构造控制的缝洞型油气藏，主要集中在构造高点，而此次研究结果表明威远—高石梯地区发育优质白云岩薄储层，横向连续分布，栖霞期坡折带和高地具备规模成储的条件，为下一步白云岩岩性油气藏勘探的重点区域。