川東北元壩及周邊地區(qū)早白堊世砂巖儲(chǔ)層特征及成因

四川東北部元水庫(kù)地區(qū)上三疊紀(jì)徐家河組是四川盆地天然氣的重要生產(chǎn)地層。由于目標(biāo)層埋深，元水庫(kù)區(qū)域局部結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)，早期勘探投資較低。近年來(lái)隨著勘探投入加大,在元壩除深層碳酸巖儲(chǔ)層外,須家河組陸相碎屑巖儲(chǔ)層也獲得重大突破,發(fā)現(xiàn)多個(gè)以巖性或低幅度構(gòu)造控制的氣藏,并首次在須家河組發(fā)現(xiàn)以石英砂巖為儲(chǔ)層的氣藏,在多口井的測(cè)試中獲得高產(chǎn),顯示出良好的勘探潛力。因此對(duì)石英砂巖的沉積、分布及儲(chǔ)層形成機(jī)理和控制因素的研究,對(duì)研究區(qū)及其它地區(qū)的勘探無(wú)疑具有重要指導(dǎo)意義。元壩地區(qū)上三疊統(tǒng)沉積是在中、下三疊統(tǒng)碳酸鹽巖之上沉積的一套以砂、泥巖為主的陸源碎屑“煤系地層”。工區(qū)構(gòu)造上處于龍門(mén)山北段前緣,米蒼山—大巴山前陸構(gòu)造帶以南,地理上屬于四川盆地北部的中、高山區(qū)(圖1)。印支運(yùn)動(dòng)以來(lái),在秦嶺、松潘—甘孜造山帶與四川盆地之間,發(fā)育了北東向的龍門(mén)山和北西向的米倉(cāng)山—大巴山兩個(gè)巨型推覆構(gòu)造帶,形成了造山帶—盆緣推覆山系—盆地組合格局。在這一復(fù)雜的組合格局中,研究區(qū)中、新生代陸相地層沉積厚度均在4000m以上,上三疊統(tǒng)須家河組至侏羅系的沉積層序完整,不僅為研究中、新生代陸相地層的理想地區(qū),而且賦存有豐富的石油和天然氣資源。近年來(lái)公開(kāi)發(fā)表眾多有關(guān)須家河組區(qū)域或局部構(gòu)造、地層、沉積和儲(chǔ)層方面的文獻(xiàn)[3~6],但這些文獻(xiàn)中均沒(méi)有涉及到石英砂巖沉積儲(chǔ)層方面的報(bào)道,因此我們無(wú)法知道在其它地區(qū)是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大規(guī)模石英砂巖沉積還是把石英砂巖與其它巖性合并在一起進(jìn)行了研究。1須一部分石英砂巖分布研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育上三疊統(tǒng)須家河組,地層特征與其它地區(qū)相似,須一、須三和須五段以細(xì)粒沉積為主,須二、須四以粗粒沉積為主,不同之處在于須二段由三個(gè)亞段組成,上下亞段為粗粒砂巖沉積,中段為泥頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖沉積等細(xì)粒沉積,分布穩(wěn)定,缺少須六段地層。石英砂巖沉積主要分布在須一段底部和須二段中亞段(俗稱“腰帶子”),須三段也局部分布。研究區(qū)砂巖主要為石英和巖屑砂巖,巖屑砂巖填屑物含量較高或巖屑具有放射性,GR值較高,純凈石英砂巖泥質(zhì)含量極少,具有極低的GR值,接近碳酸鹽巖,與其它砂巖巖性特征明顯不同(圖2),因此在本研究區(qū)石英砂巖較易識(shí)別。須一段石英砂巖分布:圖3是川西、元壩和通南巴地區(qū)三口典型井組成的連井剖面圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn)馬鞍塘組僅在川西地區(qū)發(fā)育,須一段地層從川西到川東北元壩地區(qū)均有發(fā)育,向東到通南巴須一段厚度逐漸減薄直至尖滅,這些地層的變化特征顯示出沉積古地形呈東高西低構(gòu)造格局,反映了早期龍門(mén)山造山帶與米倉(cāng)山—大巴山造山帶對(duì)該地區(qū)具有不同的影響。元壩地區(qū)須一段巖性整體變化不大,巖性以灰色細(xì)—粉砂巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖與深灰色泥巖和深灰色泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層為主,石英砂巖主要出現(xiàn)在不整合面或鄰近不整合面之上,局部含礫石英砂巖。薄片資料顯示石英砂巖以粉砂巖為主且致密,在平面上呈條帶狀分布,可能與早期海侵作用有關(guān)。須二段石英砂巖分布:川東北元壩地區(qū)須二段由3個(gè)巖性段組成,即上下砂巖段與中部泥巖段(俗稱“腰帶子”)。下砂巖段由川西地區(qū)至川東北地區(qū)厚度逐漸減薄直至尖滅,至通南巴地區(qū)可能已經(jīng)不再發(fā)育須二段下砂巖地層(圖3)。本區(qū)須二段下砂巖巖性變化特征不大,主要以灰色細(xì)砂巖為主,夾有薄層的泥巖。須二段中段“腰帶子”從川西地區(qū)至川東北地區(qū)都有發(fā)育,在區(qū)域上具有一定可對(duì)比性,在川西凹陷附近“腰帶子”沉積最厚,由川西地區(qū)至川東北地區(qū)厚度是逐漸減薄的,巖性變化特征不大,主要以深灰色泥巖為主夾有薄層的細(xì)砂巖和煤線,石英砂巖主要分布在該段底部,有人把石英砂巖劃分在下砂巖亞段,而我們認(rèn)為石英砂巖與下部巖屑砂巖具有明顯不同的沉積環(huán)境,應(yīng)該與腰帶子沉積環(huán)境一致。須二段“腰帶子”石英砂巖在GR曲線上表現(xiàn)為極低值,呈東西向展布(與須一段石英砂巖展布方向類(lèi)似),主要與湖(海)侵作用有關(guān)。須二段上砂巖由西向東沉積厚度逐漸增大,在靠近盆地內(nèi)部的元壩地區(qū),主要以灰色細(xì)砂巖沉積為主并夾有薄層的泥巖。在該段頂部局部也發(fā)育純凈石英砂巖,以前也將其劃分在須二段上砂巖亞段,現(xiàn)歸位須三段,但在現(xiàn)有鉆井資料中少見(jiàn)。2砂砂巖沉積相的微相特征通過(guò)對(duì)元壩地區(qū)鉆井資料的詳細(xì)研究,我們發(fā)現(xiàn)元壩地區(qū)石英砂巖沉積微相主要有5個(gè)方面的特征。2.1石英巖與巖屑砂巖沉積環(huán)境石英砂巖中石英含量達(dá)90%以上,含極少量的長(zhǎng)石及巖屑。顆粒分選好,次棱—次圓狀,顆粒呈緊密的凹凸接觸,雜基含量低,膠結(jié)物以石英次生加大為主,與下伏的巖屑砂巖在巖石成分成熟度及結(jié)構(gòu)成熟度上具有明顯的區(qū)別(圖4),顯示出石英砂巖與巖屑砂巖沉積環(huán)境具有明顯不同。研究區(qū)距物源較近,巖屑砂巖主要為辮狀河三角洲分流河道沉積,上下不同巖性地層出現(xiàn)明顯不同的結(jié)構(gòu)特征顯示出沉積環(huán)境存在明顯差異。2.2段粒度概率曲線純凈的石英砂巖具有高成分的成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度,多形成于有障壁或無(wú)障壁的濱岸沉積環(huán)境中,易受雙向水流的影響。本研究區(qū)石英砂巖段粒度概率曲線類(lèi)型主要為“高斜兩跳一懸式”,即發(fā)育兩個(gè)跳躍次總體和一個(gè)懸浮總體,缺少滾動(dòng)總體(圖5)。跳躍總體的含量較高,為70%~80%,說(shuō)明沉積水動(dòng)力較強(qiáng),發(fā)育兩個(gè)跳躍次總體則說(shuō)明可能受到了雙向水流的影響,而跳躍段的斜率也較高則說(shuō)明沉積的砂巖具有較高的成熟度,由此可推測(cè)本區(qū)須一段與須二段所沉積的石英砂巖主要發(fā)育于沉積水動(dòng)力較強(qiáng)且易受雙向水流影響的濱岸沉積環(huán)境中。2.3須一卷較明顯的石英砂巖通過(guò)對(duì)現(xiàn)有鉆井資料研究發(fā)現(xiàn),元壩地區(qū)須家河組石英砂巖的分布層位具有明顯的特殊性(圖2),須一段石英砂巖主要分布在須家河組底部不整合面或鄰近不整合面之上,其上覆為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖,石英砂巖在須一段只出現(xiàn)一層,說(shuō)明與早期不整合面上發(fā)生的海泛有關(guān),部分井石英砂巖含有燧石或石英礫,其特征與海侵砂礫巖相似。須二段出現(xiàn)的石英砂巖也與之類(lèi)似,下伏為巖屑砂巖或薄層泥巖,GR呈漸變過(guò)渡特征,但GR值比巖屑砂巖明顯要小;上覆為泥頁(yè)巖或碳質(zhì)泥頁(yè)巖,在GR曲線上與上覆泥頁(yè)巖形成明顯的分界,所以前期分層多將其歸位于下伏砂巖段,但其巖性特征與下覆砂巖段明顯不同,這同樣反應(yīng)了石英砂巖沉積處于沉積環(huán)境的突變位置。2.4須一部分石英砂巖根據(jù)元壩地區(qū)井資料的控制,分別編制了須一段、須二段石英砂巖厚度分布圖:(1)須一段石英砂巖厚度分布圖須一段底部石英砂巖主要以粉—極細(xì)砂巖為主,較為致密。其測(cè)井曲線GR值極低(與碳酸鹽巖相似),說(shuō)明砂巖成熟度極高,幾乎不含泥質(zhì),從現(xiàn)代沉積觀察,產(chǎn)生這種高成熟度石英砂巖的主要原因是河流入海(湖)后,在岸線附近沉積下來(lái)的砂巖受波浪、潮汐或湖浪的長(zhǎng)時(shí)間的分選和淘洗,從而形成分選好、穩(wěn)定重礦物富集、顆粒磨圓較好的高成熟度石英砂巖。須一段石英砂巖在研究區(qū)分兩個(gè)區(qū)域沉積(圖6),砂體呈條帶狀沿東西向上分布,存在兩個(gè)較厚的沉積中心,一個(gè)是位于Y14井以東,另一個(gè)沉降中心位于Y9井以南,沉積的最大厚度均超過(guò)15m。從圖6上可見(jiàn)砂體南北寬度有井控制,東西方向是否連片還無(wú)法確定。(2)須二段石英砂巖厚度分布圖須二段石英砂巖主要以細(xì)砂巖為主。與須一段石英砂巖一樣,也具有極低的GR值,這說(shuō)明砂巖成熟度極高,幾乎不含泥質(zhì),其形成的局部環(huán)境與須一段石英砂巖類(lèi)似。根據(jù)井資料確定,其沉積厚度和沉積范圍較須一段有所擴(kuò)大,砂體的連通性較須一段也有所增強(qiáng),平面分布與須一段基本類(lèi)似(圖7)。沉降中心位于研究區(qū)西南部,Y4井地區(qū),沉積的最大厚度超過(guò)30m。2.5巖石形態(tài)特征從巖性、產(chǎn)出層位及分布特征可以看出,在研究區(qū)以三角洲分流河道沉積為主體的背景下還存在相對(duì)特殊的沉積背景,石英砂巖主要出現(xiàn)在海泛(或湖泛)作用的早期,原有沉積環(huán)境被改變,形成類(lèi)似的濱岸環(huán)境,水動(dòng)力以波浪或潮汐+波浪的作用對(duì)原有或搬運(yùn)來(lái)到沉積物重新改造,從而形成研究區(qū)這種高成熟度的石英砂巖。由于須一段沉積主要為海陸交互相,受地形影響,研究區(qū)處于河口灣沉積環(huán)境,石英砂巖屬于潮汐砂壩,發(fā)育于河口灣河口處,由于遭受潮汐與波浪的雙重改造,泥巖一般不存在,砂巖成熟度較高,一般形成大量質(zhì)純的石英砂巖砂壩體疊置連片分布。測(cè)井曲線形態(tài)多樣,其旋回性和波浪強(qiáng)度有關(guān),既有正旋回又有反旋回,發(fā)育板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理和潮汐層理。石英砂巖在縱向上相互疊置,平面上呈條帶狀展布,與米倉(cāng)山推覆帶形成的前淵走向一致,據(jù)此我們推測(cè)米倉(cāng)山前淵凹陷與龍門(mén)山前淵凹陷可能相通,這一時(shí)期的海侵作用沿米倉(cāng)山前淵向東推進(jìn)較遠(yuǎn)。須二段腰帶子沉積是否受到海泛的影響,不同專(zhuān)家有不同看法,至少是一次湖泛沒(méi)有問(wèn)題的。本區(qū)的灘壩沉積主要出現(xiàn)于須二段“腰帶子”的底部,巖性主要以灰色細(xì)砂巖為主,在基準(zhǔn)面上升早期,受到海泛(或湖泛)的影響,形成大面積淺灘或?yàn)I岸沉積環(huán)境,組成灘壩砂體的砂巖成熟度較高,具有波狀層理、平行層理、低角度交錯(cuò)層理、浪成砂紋層理等。灘壩砂體的頂?shù)准瓤梢允菨u變的,也可以是突變的,在波浪或潮汐對(duì)原來(lái)沉積物或河道沉積物重新搬運(yùn)、改造和再沉積,形成大量純石英砂巖灘壩體分布,測(cè)井曲線即有向上變細(xì)的正旋回也有向上變粗反旋回(圖8)。3砂砂巖的儲(chǔ)層特征3.1須一部分石英砂巖儲(chǔ)集性能差通常情況下,成巖作用較強(qiáng)的石英砂巖中填隙物少,石英顆粒不容易被溶蝕,次生加大強(qiáng)烈,原始孔隙幾乎完全消失,只存在極少量的剩余原生孔隙,很難成為有效儲(chǔ)層。研究發(fā)現(xiàn)須二段石英砂巖儲(chǔ)集性能較好,而須一段石英砂巖儲(chǔ)集性能較差。裂縫發(fā)育是須二段石英砂巖儲(chǔ)集性能好的主要原因。須二段石英砂巖儲(chǔ)層石英顆粒內(nèi)部裂縫發(fā)育,而須一段石英砂巖粒度較細(xì),裂縫較為少見(jiàn)(圖9)。須一段石英砂巖儲(chǔ)集性能差的主要原因?yàn)槭⑸皫r粒度細(xì),為粉砂巖、極細(xì)砂巖,可能是由粒度較粗的石英顆粒破裂后再經(jīng)過(guò)沉積改造形成。須二段石英砂巖儲(chǔ)層孔隙的組合以裂縫為主,極少量的原生剩余粒間孔隙及少量粒內(nèi)溶孔(圖10)。石英砂巖中存在著極少量的原生粒間孔隙,當(dāng)裂縫溝通時(shí)利于流體的流通及溶蝕作用,石英砂巖中含少量的變質(zhì)巖巖屑,形成少量的粒內(nèi)溶孔,同時(shí)因?yàn)榱芽p的存在,增大了孔隙的連通性,使得儲(chǔ)層物性好。3.2裂縫發(fā)生的原因通過(guò)對(duì)多口井的石英砂巖及巖屑砂巖的普通薄片及鑄體薄片的分析,發(fā)現(xiàn)巖石中不僅石英砂巖石英顆粒內(nèi)部裂縫較為發(fā)育(圖10a),巖屑砂巖中的石英顆粒內(nèi)部也發(fā)育(圖10b),顯然這些顆粒內(nèi)部的裂縫或裂痕不是沉積后形成,應(yīng)該與物源有關(guān),石英砂巖中裂縫裂紋發(fā)育程度要高于巖屑砂巖,可能與巖屑砂巖脆性弱,后期擠壓造成裂縫發(fā)育少有關(guān)。我們推測(cè)裂縫裂痕形成的原因與變質(zhì)母巖有關(guān),變質(zhì)石英為高溫下形成的β石英。在抬升剝蝕過(guò)程中β石英會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)棣潦?轉(zhuǎn)變過(guò)程中石英晶體經(jīng)常發(fā)生破裂現(xiàn)象而形成原生裂縫。沉積后在成巖壓實(shí)作用原生裂縫可能封閉,由于石英砂巖性質(zhì)較脆,在構(gòu)造擠壓作用下容易形成裂縫,加之石英顆粒內(nèi)部裂縫的存在就更容易發(fā)生破裂,裂縫就更為發(fā)育。同時(shí)裂縫作為流體的通道,有利于對(duì)裂縫兩側(cè)的易溶組分進(jìn)行溶蝕,擴(kuò)大了孔隙空間。裂縫使得孔隙之間的連通性變好,從而使得石英砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能變好。4前陸前淵帶的控制(1)元壩地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組所發(fā)育的石英砂巖以粉—細(xì)砂為主,分選好,磨圓度高,雜基含量低,具有較高的成熟度,石英砂體呈近東西向展布,明顯受到