诸丹诚, 喻雅敏, 黎霆, 张雷, 李让彬, 杨明磊, 邹华耀. (2023). 四川盆地北部元坝地区茅口组岩溶: 发育特征与分布模式* [J]. 古地理学报, 25(3): 701-714.
ZHU Dancheng, YU Yamin, LI Ting, ZHANG Lei, LI Rangbin, YANG Minglei, ZOU Huayao. (2023). Karst development and distribution pattern of the Maokou Formation in Yuanba area,northern Sichuan Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(3): 701-714.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.03.040
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四川盆地北部元坝地区茅口组岩溶: 发育特征与分布模式*
诸丹诚1,2, 喻雅敏1,2, 黎霆1,2, 张雷3, 李让彬3, 杨明磊1,2, 邹华耀1,2
1 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
2 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
3 中国石油化工股份有限公司勘探分公司,四川成都 610041
通讯作者简介 邹华耀,男,1963年生,中国石油大学(北京)教授,博士生导师,主要从事油气成藏机理教学与科研工作。E-mail: huayaozou@cup.edu.cn。

第一作者简介 诸丹诚,男,1994年生,中国石油大学(北京)博士研究生,主要从事四川盆地碳酸盐岩储层研究。E-mail: foreverimage@126.com。

收稿日期:2022-09-20 修回日期:2022-11-30
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号:42172152)和国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目(编号: U19B6003)联合资助
摘要

中二叠世末期,海水退出四川盆地,元坝地区茅口组上部灰岩普遍可见暴露、岩溶现象,但岩溶带的发育特征及其分布规律尚不明确。基于井-震联合解释的思路,通过岩心观察、测井岩性解释、三维地震数据体的层位标定与地震相解译等,特别是通过相对声波阻抗转换、地震地层切片分析等技术手段提高了地震数据的解释分辨率,建立了茅口组的层序地层格架,进而描述茅口组的沉积与岩溶特征,预测岩溶带的分布规律及模式。结果表明: (1)元坝地区茅口组共发育3个三级海侵—海退层序,生屑滩发育于第2个和第3个三级层序的海退旋回内,其中前者是在沉积古地貌高部位发育台内生屑滩,后者是在YB7井一带的台地边缘坡折带发育台缘生屑滩; (2)岩溶带的发育和分布受生屑滩控制,在岩心尺度主要表现为地表岩溶带、垂直渗流带、深部缓流带的高角度溶缝和溶洞、水平潜流带的顺层溶洞; (3)平面上,岩溶带集中发育在生屑滩内部靠近海岸的一侧,发育模式具有海岸型岩溶的特点; (4)水平潜流带顶部发育的顺层溶洞为茅口组岩溶带主要的储集空间,但大多已在表生期被火山凝灰质和灰岩碎屑等流水搬运物质和方解石等化学沉淀物质充填,现今储集能力总体较差。在此基础上,提出了元坝地区茅口组岩溶带的分布模式,并对其油气勘探意义与风险进行了讨论。

关键词: 井-震联合研究; 生屑滩; 顺层溶洞; 相控岩溶; 海岸型岩溶
中图分类号:P618.130.2+1 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)03-0701-14
Karst development and distribution pattern of the Maokou Formation in Yuanba area,northern Sichuan Basin
ZHU Dancheng1,2, YU Yamin1,2, LI Ting1,2, ZHANG Lei3, LI Rangbin3, YANG Minglei1,2, ZOU Huayao1,2
1 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
2 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
3 SINOPEC Exploration Company,Chengdu 610041,China
About the corresponding author ZOU Huayao,born in 1963,is professor and doctoral supervisor of China University of Petroleum(Beijing). He is now engaged in research and teaching about hydrocarbon occurrence and enrichment mechanism. E-mail: huayaozou@cup.edu.cn.

About the first author ZHU Dancheng,born in 1994,is Ph.D. candidate of China University of Petroleum(Beijing). His current study field is carbonate reservoir of the Sichuan Basin. E-mail: foreverimage@126.com.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No. 42172152) and the Joint Funds of the National Nature Science Foundation of China(No. U19B6003)
Abstract

The upper part of the Maokou limestones in the Yuanba area of the Sichuan Basin suffered from karstic modification during the regional regression stage at the end of the middle Permian. However,the development characteristics and distribution pattern of the karst zone are ambiguous. This paper combined core observations,well-logging lithology interpretation,horizon calibration of three-dimensional seismic data volume and seismic facies interpretation. Relative acoustic impedance inversion and seismic slice image analysis techniques can increase the interpretation resolution of the seismic data. All these data were used to establish the sequence framework,and the sedimentary facies and karst distribution were illustrated to predict the distribution pattern and mode of karst zones. The results show that(1)three third transgression-regression(T-R)sequences were developed in the Maokou Formation of the Yuanba area. The bioclastic shoals were developed in the regression cycles of the second and the third tertiary sequences. In the second sequence,the inner-platform shoals were located at the topograghic high position. Meanwhile,in the third sequence,the platform edge debris beach was developed along the margin of the platform around well YB7. (2)The development and distribution of karst zones were dominated by bioclastic shoals,which presented vertically as a surface karst zone,vertical seepage zone,high-angle dissolution fracture and cave of the deep slow flow zone,and layer-parallel caves in the phreatic zone at the core scale. (3)The karst zones are located along the coastline side of the bioclastic shoals on the plane,presenting the coastal karst development mode. (4)The layer-parallel caves at the top of the phreatic zone were the major reservoir space of the karst zone in the Maokou Formation. However,the caves were mostly occupied by sediments(mainly tuffs and limestone silts)and cements(mainly calcites)in the meteoric diagenetic realm,remaining relatively limited reserve capacity at present. The karst distribution pattern of the Maokou Formation in the Yuanba area was proposed,and its impacts on hydrocarbon exploration and risks were also discussed.

Key words: well-seismic combined study; bioclastic shoal; parallel cave; facies-dominated karst; coastal karst

中二叠统茅口组碳酸盐岩储集层是四川盆地重要的海相天然气产层, 最早发现于上个世纪50年代, 以岩溶缝洞型灰岩储集层为主, 集中分布于川南地区(翟光明, 1989; 陈宗清, 2007)。近年来, 随着深层—超深层碳酸盐岩勘探的推进, 在川北地区茅口组三段台缘生屑滩储集层、川中—川东地区茅口组二段—三段热液白云岩储集层以及川东南地区茅口组一段泥灰岩储集层中均获得了工业性气流(胡东风, 2019; 黎霆等, 2021; 张宇等, 2022), 彰显了四川盆地茅口组多层段、多领域、多区带的天然气勘探潜力。在元坝地区, YB7井茅口组三段—吴家坪组一段联合试获105.9×104 m3/d的高产工业气流, 揭开了川北茅口组台缘带勘探的序幕。

岩心观察与分析表明, 元坝地区茅口组台缘生屑滩相灰岩溶缝、溶洞发育, 经历了岩溶作用的改造(李素华等, 2021; 秦贞超等, 2021; 曾韬等, 2022)。然而, 茅口组岩溶带的发育特征与分布模式尚不明确, 导致后续探井未取得理想结果。文中以区域构造活动和海平面变化为背景, 结合岩心、测井和三维地震资料, 建立了茅口组灰岩的测井相与地震相解释方案, 在此基础之上对沉积相以及岩溶带的发育特征与分布模式进行分析预测, 并对岩溶带的充填状况与储集能力进行评估, 以期揭示后续勘探的潜在风险。

1 研究区概况

研究范围为茅口组钻井集中、三维地震资料覆盖的元坝工区西部(图1), 地处四川盆地北部的米仓山南麓, 构造分带上属于川西坳陷北段(何登发等, 2011)。该区域构造起伏整体较平缓, 没有发育深大断裂, 适合开展地震地层和沉积相解释工作。

图1 四川盆地北部元坝及邻区茅口组沉积晚期沉积相图与茅口组地层柱状图(据胡东风, 2019)Fig.1 Sedimentary facies during the deposional period of the upper Maokou Formation and stratigraphic column of the Maokou Formation in Yuanba and adjacent area, northern Sichuan Basin(after Hu, 2019)

中二叠统茅口组对应的地质年代为273~259.5 Ma(申博恒等, 2021), 此时四川盆地位于上扬子碳酸盐岩台地内部(Wang and Jin, 2000), 海洋水体温暖而安静, 生物种类繁多, 发育富含生物碎屑的灰岩沉积(苏旺等, 2015; 张健等, 2018)。元坝地区茅口组地层厚度介于180~310 m之间, 可划分为3个岩性段, 自下而上分别为茅一段、茅二段和茅三段。茅一段以深灰色含泥灰岩、泥质灰岩为主; 茅二段以灰色泥晶灰岩为主; 茅三段岩性在平面上具有较大差异, 其中研究区西南部发育泥质灰岩、泥晶灰岩与生屑灰岩组合, 厚60~160 m, 东北部发育泥质灰岩、硅质灰岩与泥岩组合, 厚10~40 m, 反映茅口组沉积晚期台地发生了沉积分异。前人研究表明, 受川北地区拉张性构造活动以及裂陷形成的影响, 茅口组沉积晚期元坝及邻区自南西至北东方向依次发育开阔台地—台地边缘—斜坡—陆棚4个沉积相带(胡东风, 2019)。

260~259 Ma, 峨眉山地幔柱活动及伴生的火山事件致使上扬子地区发生构造抬升(罗志立, 2012; Zhu et al., 2019; Zhu et al., 2021b), 同时全球海平面下降(Haq and Schutter, 2008), 这造成海水完全退出上扬子碳酸盐岩台地, 茅口组灰岩暴露地表, 直至晚二叠世吴家坪期被海水重新淹没。在低水位时期, 四川盆地茅口组灰岩顶部遭受大气淡水溶蚀作用改造而普遍发育岩溶带(江青春等, 2018; 汪泽成等, 2018), 其中生屑滩相灰岩具有较好的基础物性、较高的沉积古地貌位置和较长的暴露溶蚀时间, 因此相较其他岩性发育更大规模的岩溶带(Xiao et al., 2016; 杨明磊等, 2020; Zhu et al., 2021a)。

2 研究资料和方法

针对元坝地区茅口组沉积相带多样、钻井密度较小、三维地震资料覆盖较全的特点, 笔者采用井—震联合解释的思路开展研究工作。具体是通过钻井资料明确沉积相与岩溶带的宏观特征, 结合地震资料, 实现生屑滩以及岩溶发育带垂向与平面上的分布预测。

1)钻井资料方面。以岩心尺度的宏观研究为主, 辅以对应的岩石薄片, 对4口茅口组取心井的岩性、岩相、岩溶发育特征进行观察和描述。将岩心柱与测井曲线对照, 总结各类岩性以及岩溶带的电性特征, 用以开展未取心的钻井和地震资料的解释工作。

2)地震资料方面。研究区共有三维地震资料500 km2。元坝地区茅口组地层内部地震波的主频f为35 Hz, 茅口组灰岩的声波时差测井值为50~60 μ m/ft, 换算得知茅口组地层中的地震波速v为5081~6098 m/s。由公式λ =v/f 计算出茅口组地层中的地震波长λ 约为145~174 m。因此, 原始的地震振幅剖面中能识别出的地质体的最小厚度(λ /4)约为33.75~43.5 m(Kallweit and Wood, 1982)。在这样的地震分辨率下, 难以开展地层界面的追踪和地质体(特别是生屑滩与岩溶带)的识别工作。因此, 文中采用相对声波阻抗转换(relative acoustic impetance inversion, Chopra et al., 2009)的方法来过滤地震数据体中的噪声, 并对地震反射同相轴进行-90° 相位转换以增强其振幅和连续性, 从而增强地震剖面中地层界面及同相轴的显示效果, 达到提升地层界面追踪、地震相识别、层序地层格架划分准确率的目的(图2)。同时, 采用地震地层切片分析(seismic slice image analysis, Posamentier, 2000; Brown, 2011; Zeng, 2018)的方法来提高地质体的纵向和平面分辨率, 以提升生屑滩与岩溶发育带分布预测准确率。

图2 经不同方法处理的四川盆地北部元坝地区茅口组地震波频谱及地震剖面显示效果
a, b—原始振幅剖面的频谱及Inline600剖面显示效果; c, d—振幅剖面(-90° 相位转换)的频谱及Inline600剖面显示效果; e, f—相对声波阻抗剖面(构造平滑处理)的频谱及Inline600剖面显示效果。相对声波阻抗剖面具有最少的噪声和最清晰的地层界面及地震反射同相轴显示效果, 地震剖面中各地层界面名称见图fFig.2 Seismic wave frequency spectrums and interpretation sections of seismic survey after different processes of the Maokou Formation in Yuanba area, northern Sichuan Basin

3)井-震结合。完成地震数据体的处理后, 基于5口茅口组钻井的全井段声波时差及密度测井资料制作合成地震记录, 对目标地层界面(茅口组底面、茅口组三段底面与茅口组顶面)进行标定, 以200 m×200 m的精度进行层面追踪。在地震剖面中划分不同的地震反射结构, 结合钻井资料所反映的各类岩性的电性特征解释得到沉积相剖面图。以地层界面为基础, 根据沉积相的垂向变化所反映的海侵—海退旋回划分层序地层格架, 分析研究区茅口组的沉积演化特征。最后, 选取生屑滩和岩溶发育的地层旋回, 开展地震地层切片分析和地层厚度对比工作, 实现沉积相与岩溶发育带的平面分布预测。

3 茅口组生屑滩发育分布特征
3.1 茅口组主要岩性特征

岩心观察表明, 元坝地区茅口组主要发育生屑灰岩、泥晶灰岩、富有机质灰岩(包括含泥灰岩、泥质灰岩、硅质灰岩)、钙质泥岩4类主要岩性。

1)生屑灰岩。为生物碎屑含量大于50%的石灰岩, 指示生屑滩沉积。该类岩石呈灰色, 具颗粒支撑结构, 按颗粒间主要填隙物类型可分为亮晶生屑灰岩与泥晶生屑灰岩。亮晶生屑灰岩的生物碎屑以类、红藻类为主, 生物颗粒保存不完整, 分选较好, 粒间灰泥含量低(图3-a, 3-b), 指示碳酸盐岩台地内部水体浅、频繁扰动、生屑异地搬运沉积的强水动力环境。泥晶生屑灰岩的生物碎屑以类、绿藻类、棘皮类、苔藓虫类为主, 生物颗粒保存较为完整, 分选较差(图3-c, 3-d), 指示碳酸盐岩台地内部水体较浅、时常扰动、生屑原地与异地沉积并存的中等水动力环境。

图3 四川盆地北部元坝地区茅口组主要岩性的岩心及显微照片
a—亮晶生屑灰岩, A2井, 7259.1 m; b—a的单偏光显微照片, 生屑含量约65%, 以红藻和小型有孔虫为主, 分选较好; c—泥晶生屑灰岩, A2井, 7287 m; d—c的单偏光显微照片, 生屑含量约60%, 以绿藻为主, 棘屑、苔藓虫、腹足类次之, 分选较差; e—泥晶灰岩, A2井, 7325.4 m; f—e的单偏光显微照片, 生屑含量约40%, 绿藻为主, 棘屑、有孔虫类次之; g—泥质灰岩, 含少量腕足化石, A7井, 6866.1 m; h—钙质泥岩, A7井, 6867.5 mFig.3 Photos of core and thin section of major lithologies form the Maokou Formation in Yuanba area, northern Sichuan Basin

2)泥晶灰岩。是研究区茅口组最常见的岩性, 具灰泥支撑结构, 灰泥含量大于50%, 生屑含量小于50%, 指示中缓坡或开阔台地沉积。该类岩石呈灰色至深灰色, 普遍含有少量生物碎屑, 以介形虫、绿藻类、腕足类、类为主(图3-e, 3-f), 指示碳酸盐岩台地内部水体开阔、缺乏扰动、灰泥堆积、生屑原地沉积的较弱水动力环境。

3)富有机质灰岩。为了便于地震相划分, 泛指外缓坡、斜坡和陆棚环境发育的含泥灰岩、泥质灰岩以及硅质灰岩。与泥晶灰岩相比, 具有富含有机质和黏土矿物的特点。该类岩石呈深灰色, 常含灰白色腕足类化石, 且由于埋藏阶段遭受压实作用而使化石具有定向排列的形态特点(图3-g), 指示碳酸盐岩台地内部深水区安静贫氧、灰泥堆积、有机质富集的弱水动力环境。

4)钙质泥岩。见于A7井茅口组三段岩心(图3-h), 黏土矿物含量大于50%, 碳酸盐矿物含量小于50%, 滴稀盐酸微弱起泡。钙质泥岩常与富有机质灰岩呈互层沉积, 颜色为深灰色至灰黑色, 含少量腕足类、放射虫类化石。指示海侵时期陆棚相带内缺氧、水体安静、有机质富集、碳酸盐矿物供给不充分的弱水动力环境。

基于矿物含量和岩石物理性质的差异, 上述4类岩石具有明显的电性特征差异, 因此可以通过测井曲线加以分辨。文中以A1井和YB7井为例(图4)进行分析。在自然伽马及自然伽马能谱测井曲线中, 生屑灰岩具有GR值、U含量和Th含量最低的特点, 泥晶灰岩的相应测井值相对略高, 富有机质灰岩和钙质泥岩由于富含黏土矿物导致GR值和U含量显著高于生屑灰岩和泥晶灰岩。对于生屑灰岩和泥晶灰岩, 可以借助由声波时差和密度测井计算得到的声波阻抗曲线进行区分, 其中泥晶灰岩较为致密, 声波阻抗值显著高于生屑灰岩。对于富有机质灰岩和钙质泥岩, 前者具有更小的密度以及更高的U、Th含量, 因此可据此加以区分。值得注意的是, 受岩溶作用影响, YB7井6970~7010 m段的生屑灰岩具有高GR值、高U含量的特点, 因此对于类似的层段, 需要借助岩心和岩屑录井资料复核岩性, 同时根据高电阻率值、低声波时差值的特点将其与富有机质灰岩和泥岩进行区分。

图4 四川盆地北部元坝地区A1井与YB7井茅口组地层柱状图
测井曲线代号的全称: GR—自然伽马测井, RD—深侧向电阻率测井, RS—浅侧向电阻率测井, DEN—密度测井, AC—声波时差测井, TH—能谱测井中的Th含量(质量分数), U—能谱测井中的U含量(质量分数), AI—声波阻抗(波速与密度的乘积)Fig.4 Stratigraphical column of the Maokou Formation at Wells A1 and YB7 in Yuanba area, northern Sichuan Basin

3.2 茅口组沉积演化与生屑滩垂向分布

利用研究区茅口组各类岩性的声波阻抗差异, 在相对声波阻抗地震剖面中共划分出5类地震反射结构(图5)。 (1)高声波阻抗(红色—亮橙色)、低频、高连续反射结构, 对应以泥晶灰岩为主、层厚较大、横向展布稳定的中缓坡或开阔台地沉积。 (2)低声波阻抗(蓝色)、中频、中连续反射结构, 对应以富有机质灰岩或钙质泥岩为主、层厚中等、横向展布较稳定的外缓坡或陆棚沉积。 (3)较高声波阻抗(淡红色)、中频、低连续反射结构, 对应以生屑灰岩为主、层厚中等且岩性与地层厚度横向变化大的生屑滩沉积。 (4)生屑滩沉积相内部中等声波阻抗(灰白色)、高频、低连续且分布范围局限的反射结构, 对应生屑滩内部的岩溶发育带。 (5)中等—较低声波阻抗(灰白色—淡蓝色)、高频、中连续且分布范围大的反射结构, 对应泥晶灰岩和富有机质灰岩互层、层厚较小的外缓坡或斜坡沉积。

图5 四川盆地北部元坝地区A1井—YB7井连井相对声波阻抗地震剖面(a)和对应的茅口组沉积相、层序地层格架解释剖面(b)(茅口组底拉平, 剖面位置见图1)Fig.5 RAI section across Wells A1 and YB7 in Yuanba area, northern Sichuan Basin(a)and corresponding sedimentary facies and sequency stratigraphic interpretation of the Maokou Formation(b)(bottom of the Maokou Formation been flatten, and profile location seen in Fig.1)

基于井震结合的思路对元坝地区茅口组进行层序划分: 钻井层序划分的依据为岩性及反映岩石有机质含量变化的自然伽马、自然伽马能谱测井曲线(图4); 地震层序划分的依据为地震反射结构的垂向叠置关系。将钻井的测井曲线显示于地震剖面中, 以检验2种划分方案的一致性(图5)。结果表明, 研究区茅口组发育3个三级海侵—海退(TR)层序(图5-b)。

第1个三级层序(TR1)对应于茅口组一段下部。底部为一套区域上厚度较稳定的外缓坡相富有机质灰岩沉积, 指示茅口组的第1个海侵旋回。之后, 相对海平面下降, 发育海退旋回, 沉积物以中缓坡相泥晶灰岩为主。此时研究区西南部具有相对更快的碳酸盐沉积速率, 因此在泥晶灰岩之上还发育了薄层的生屑灰岩沉积。

第2个三级层序(TR2)对应于茅口组一段上部和茅口组二段。海侵旋回发育外缓坡相富有机质灰岩和泥晶灰岩的互层沉积, 海退旋回发育中缓坡相泥晶灰岩和台内生屑滩相生屑灰岩沉积。生屑滩仍集中发育于研究区西南部, 分布范围扩大至A1井区, 最大厚度约50 m, 较TR1层序更为发育。

第3个三级层序(TR3)对应于茅口组三段。由于TR2沉积物形成了南西高、北东低的沉积古地貌, 且TR2沉积末期海水短暂退出台地, 因此在YB7井西南侧, TR3海侵旋回的沉积物厚度具有从南西向北东增大的特点, 从而对先前的古地形起到了填平补齐的效果。受中二叠世末生物灭绝事件影响, 上扬子台地边缘的碳酸盐岩工厂生产力下降, 台地范围萎缩(Meng et al., 2022)。在YB7井的东北侧地区, TR3海侵和海退旋回均发育陆棚相富有机质灰岩和泥岩的欠补偿沉积, 累积厚度小, 使得该地区演化为具有一定坡度的台地边缘斜坡带。因此, 海退期在YB7井一带来自台地的沉积物堆积形成台地边缘生屑滩, 最大厚度约50 m, 其中台地内部(YB7井西南侧)发育开阔台地相泥晶灰岩和小型生屑滩, 台地外部(YB7井东北侧)发育斜坡相和陆棚相的富有机质灰岩和泥岩。由于沉积模式发生了变化, 与前2个三级层序相比, TR3沉积物厚度在平面上具有很强的非均质性, 如YB7井的沉积物比A1井厚约80 m(图4)。

综上所述, 茅口组生屑滩主要发育于TR2和TR3的海退旋回中。同时, 反射结构④反映了出岩溶发育带的垂向分布特点, 它们分布于A1井区TR2海退旋回以及YB7井区TR3海退旋回的生屑滩内部(图5-b), 与生屑滩空间分布有一定关联性。

3.3 生屑滩平面分布预测

地震剖面分析表明, 茅口组不同沉积相具有较显著的相对声波阻抗差异(图5), 且不同沉积相带, 特别是颗粒滩亚相的沉积厚度与地层厚度具有关联性。因此, 对于TR2与TR3层序生屑滩的平面分布预测步骤如下: (1)基于相对声波阻抗属性的三维地震地层切片进行沉积相平面预测; (2)通过层序地层时间厚度平面图对地震属性的沉积相预测结果进行校正, 并在地层厚度较大的区域划分生屑滩发育区。

TR2层序顶部的地层切片(图6-a)表明, 除A1井区具有中等的相对声波阻抗外, 其余地区均为高声波阻抗。结合沉积相解释剖面(图5-b)与平面地层厚度情况(图6-b), 认为A1井区发育生屑滩, 其余地区则发育中缓坡相泥晶灰岩沉积(图6-c)。

图6 四川盆地北部元坝地区茅口组TR2、TR3层序海退旋回沉积相与岩溶发育带平面分布预测
a—TR2层序顶面(茅三段顶面)之下5 ms处相对声波阻抗平面图(向下5 ms时窗); b—TR1、TR2层序地层总时间厚度平面图; c—TR2层序海退旋回沉积相与岩溶发育带平面分布预测图; d—TR3层序上部1/5厚度处相对声波阻抗平面图(向下5 ms时窗); e—TR3层序地层总时间厚度平面图; f—TR3层序海退旋回沉积相与岩溶发育带平面分布预测图。研究区位置见图1Fig.6 Planal distribution prediction of sedimentary facies and karst zones in regression cycles of the TR2 and TR3 of Maokou Formation in Yuanba area, northern Sichuan Basin

TR3层序的地层厚度平面图(图6-e)表明, 研究区地层厚度具有自南西至北东方向先增大后减小的特点, 最大的厚度出现在YB7井—A5井—A2井一带, 与沉积相解释剖面(图5-b)一致, 表明该区域发育台地边缘相带。其北东方向沉积厚度迅速减小, 反映较大的地形坡度, 为斜坡和深水陆棚相带; 南西方向沉积厚度缓慢减小, 地形较为平缓, 为开阔台地相带。由于TR3的地层厚度平面差异较大, 故采用等厚度比例的方法对三维地震数据体进行地层切片, 发现层序上部1/5厚度处切片对于沉积相分异响应较明显(图6-d)。相对声波阻抗切片的分析结果表明, 研究区自南西向北东方向依次发育开阔台地—台地边缘—斜坡—深水陆棚沉积相带(图6-f)。台地边缘相带的宽度2~4 km, 根据地层时间厚度的差异, 划分了生屑滩累积厚度>15 m的区域范围(5 ms的TWT值对应于约15 m的生屑灰岩厚度)。生屑滩在YB7井—A5井一带最为发育, 其他区域厚度较小(累计厚度<15 m)。同时, 斜坡带也具有在YB7井—A5井附近最窄(坡度最大)、向两翼逐渐变宽(坡度变缓)的特点, 反映研究区茅口组沉积时期台缘的生屑滩在坡折带较陡处发育规模最大。

4 茅口组岩溶带宏观特征与分布模式
4.1 岩溶带宏观特征

在研究区YB7井、A4井和A2井第3个三级层序(TR3)海退旋回的岩心中, 可观察到岩溶带的发育。受取心层位、收获率和岩心完整程度限制, YB7井岩心中仅观察到具有岩溶充填带的泥晶生屑灰岩小碎块, 充填带横截面积约为岩心总横截面积的20%~70%, 充填物为灰色的粉砂级—砂级灰岩碎屑、灰白色的亮晶方解石胶结物以及灰黑色的溶蚀残余物质等(图7-c)。位于开阔台地相带的A4井取心位置为茅口组顶部与吴家坪组底部, 岩心收获完整, 可清晰地看到茅口组灰岩与吴家坪组底部凝灰质泥岩之间起伏的不整合面(图7-a), 不整合面之下发育厚约3 m、具高角度溶缝和溶洞的泥晶生屑灰岩, 最大宽度可超过岩心直径, 充填灰色粉砂—砾级灰岩碎屑、黄灰色吴家坪组凝灰质泥岩及其伴生的黄铁矿团块(图7-b)。生屑灰岩之下的泥晶灰岩未见岩溶带发育。

图7 四川盆地北部元坝地区茅口组岩溶带填充物岩心及显微照片
a—茅口组顶部灰岩与吴家坪组底部凝灰质泥岩分界, A4井, 6958.7~6960.3 m; b—泥晶生屑灰岩的溶缝中充填灰岩碎屑、吴家坪组凝灰质泥岩及其伴生的黄铁矿团块, A4井, 6961.6 m; c—泥晶生屑灰岩的溶缝中充填灰岩碎屑、溶蚀残余物以及亮晶方解石胶结物, YB7井, 6900.1 m; d—泥晶灰岩的溶缝中充填吴家坪组碳质泥岩, A2井, 7248.9 m; e—亮晶生屑灰岩发育顺层溶洞, 充填灰岩碎屑和凝灰质, 充填物发育流水层理, A2井, 7255.9 m; f—e中岩溶带充填物的显微照片, 可见灰岩碎屑具定向排列的特点, 单偏光; g—泥晶灰岩的高角度溶洞中充填亮晶方解石胶结物, A2井, 7286.6 mFig.7 Photos of core and thin section of karst fills from the Maokou Formation in Yuanba area, northern Sichuan Basin

位于台地边缘相带的A2井茅口组TR3海退旋回取心较全, 可见旋回顶部的泥晶灰岩发育高角度溶缝、溶洞, 充填吴家坪组碳质泥岩(图7-d)。茅口组上部的亮晶生屑灰岩中发育宽1~10 cm的顺层溶洞, 充填灰色粉砂—砾级灰岩碎屑、灰白色方解石胶结物、黄灰色火山凝灰质及其伴生的黄铁矿团块(图7-e, 7-f), 充填物发育斜层理, 表明是古地下暗河的流水堆积产物。茅口组下部泥晶灰岩中断续发育高角度溶缝、溶洞, 并被亮晶方解石完全胶结(图7-g)。旋回内不同位置的岩溶带具有不同的宏观特征, 展现了岩溶带的垂向分带特征(邹胜章等, 2016), 由茅口组顶部向下可分为地表岩溶带、垂直渗流带、水平潜流带和深部缓流带(图8)。水平潜流带位于生屑灰岩内, 表现为充填流水搬运堆积物的顺层溶洞; 深部缓流带的泥晶灰岩内部溶缝、溶洞规模有限, 指示茅口组的岩溶分带以及岩溶带规模均具有相控的特点。

图8 四川盆地北部元坝地区A2—YB7井茅口组TR3层序海退旋回岩溶带对比Fig.8 Comprison of karst in the TR3 regression cycle of Maokou Formation between Well A2 and Well YB7 in Yuanba area, northern Sichuan Basin

将A2井TR3层序海退旋回的测井曲线与岩心岩溶带发育情况进行对照, 发现研究区茅口组岩溶带的自然伽马能谱测井和声波阻抗计算测井具有特殊的响应特点(图8)。地表岩溶带部分充填了吴家坪组泥岩, 具有中—高伽马、高Th含量、低U含量、低声波阻抗值的特点; 垂直渗流带和水平潜流带充填了火山凝灰质, 且充填物吸附了地层水中的U元素, 具有中—高伽马、高Th含量、高U含量、中声波阻抗的特点; 深部缓流带岩溶带相对规模较小, 主要充填物为方解石, 因此仅声波阻抗值略低于普通灰岩, 自然伽马能谱测井曲线特点无明显差异。

根据A2井岩溶带的测井曲线响应特点, 可以对同属于台地边缘沉积相带的YB7井进行岩溶带划分。将2口井水平潜流带的顶部(潜水面)拉平后, 可见由于YB7井的TR3层序海退旋回生屑滩厚度更大, 使得其具有比A2井更高的岩溶古地貌位置, 同时生屑滩的发育使得古岩溶期岩石的基础物性更好, 有利于大气淡水沿原生孔隙系统扩溶形成规模性岩溶带(Esteban and Wilson, 1993), 从而发育厚度更大的垂直渗流带和水平潜流带。

上述岩心观察(图7)与钻井解释(图8)结果表明, 岩溶带发育程度与生屑滩规模正相关, 具有相控特点。这是因为海平面下降时, 颗粒滩发育区作为微地貌高点率先发生暴露, 同时较大的颗粒滩厚度与面积也有利于大气淡水沿孔隙系统溶蚀, 形成规模性岩溶带。近年对于四川盆地多套海相碳酸盐岩层系的研究均发现了类似现象(徐哲航等, 2020; 杨伟强等, 2020; 邓成昆等, 2022), 表明在相对稳定的克拉通台地沉积背景下, 碳酸盐岩岩溶的相控特征普遍存在。

4.2 岩溶带预测与分布模式

根据元坝地区茅口组岩溶带的相控特征与具有中—低声波阻抗的特点, 通过地震数据体的相对声波阻抗剖面(图5)和地层切片(图6), 在沉积相解释的基础上对岩溶发育带的分布进行预测。结果显示, 岩溶发育带在垂向上主要分布于TR2和TR3层序生屑滩的中下部, 平面上主要分布于TR2层序的A1井区台内生屑滩靠近广海(北东)一侧以及TR3层序台地边缘的生屑滩发育区。这一岩溶带分布特点与海岸型岩溶模式类似, 该模式见于现代的墨西哥尤卡坦半岛、巴巴多斯岛等地区, 此外在与茅口组同时期沉积的美国二叠盆地San Andres组白云岩中也有报导(Mylroie and Carew, 1995; Moore, 2013)。岩溶发育带垂向上集中于淡水透镜体顶部, 平面上沿海岸线离散分布(Mylroie and Carew, 1990; 谭秀成等, 2015), 与元坝地区茅口组岩溶带的岩心观测以及地震解释结果一致。不同之处在于茅口组台地规模更大, 岩溶带分布范围可能更广, 也更容易受到来自台地内部的淡水流体影响。形成海岸型岩溶发育带需要岩石在低水位时期暴露数万年至数十万年的时间(Mylroie and Carew, 1995; Fournillon et al., 2020), 研究区TR2末期全球海平面变化引起的海退事件、TR3末期全球海平面变化与峨眉地幔柱运动共同引起的海退事件, 足以提供这样的时间跨度(何斌等, 2005; Shen et al., 2019)。

根据海岸型岩溶的特点, 建立了元坝地区茅口组岩溶发育模式(图9)。垂直渗流带主要发育高角度溶缝、溶洞, 沿溶缝、溶洞向下渗流的大气淡水与来自内陆的顺淡水透镜体补给的大气淡水混合, 在潜水面附近形成了碳酸盐不饱和带, 使得溶洞顺层发育于淡水透镜体(水平潜流带)的顶部。TR2末期和TR3末期发生的2期暴露、岩溶事件的叠加, 使得A1井区和YB7井区的生屑滩中、下部均发育这样的顺层溶洞。

图9 四川盆地北部元坝地区茅口组岩溶发育模式
a—TR2旋回沉积末期岩溶发育模式; b—TR3旋回沉积末期岩溶发育模式。图中溶洞大小有所夸张, 不代表实际大小; 剖面位置见图1Fig.9 Karst development model of the Maokou Formation in Yuanba area, northern Sichuan Basin

4.3 茅口组岩溶带的储集能力

虽然元坝地区茅口组生屑滩内部发育具一定规模的岩溶带, 然而在A2井和YB7井的岩心中, 均表现出储集空间大多被流水搬运物质和化学沉淀物质充填的特点(图7)。柱塞样实测孔隙度的最大值仅为2.3%, 测井解释结论为仅有少数含气层和三类气层(图8), 且无井漏、钻具放空等岩溶储集层的钻井响应, 表明这些岩溶带现今储集能力总体较差。A1井TR2层序顶部的生屑滩中同样只解释出了厚约3 m的三类气层, 推测该井的岩溶带也具有较高的充填程度。

元坝地区茅口组岩溶充填物主要为火山凝灰质、灰岩碎屑等流水搬运物质和亮晶方解石胶结物, 表明研究区海岸型岩溶带形成之后遭受了广泛的充填作用, 这可能与茅口组沉积末期海水完全退出四川盆地、元坝地区叠加了表生期的大陆型岩溶作用改造有关(Su et al., 2020)。由于同沉积断层活动(姚倩颖等, 2021), 元坝地区在茅口组沉积末期处于较低的古地貌位置, 因而岩溶作用形成的溶缝、溶洞易被地下流水搬运而来的溶蚀残余物质充填。同时, 水平潜流带与深部缓流带中的孔隙会因为海侵时期含水层的地下水碳酸钙浓度饱和而被亮晶方解石胶结, 前人研究也表明这些胶结物具有大气淡水胶结物的地球化学特征(曾韬等, 2022)。

基于以上分析可以推断, 元坝地区茅口组生屑滩中岩溶发育带的储集空间已大多在表生期被充填, 现今储集能力较为有限。YB7井试井获得的高产工业气流应该来自吴家坪组一段的生屑灰岩、生屑白云岩和沉凝灰岩储集层, 建议加强对元坝地区吴家坪组沉积演化和储集层发育分布规律的研究。

5 结论

1)四川盆地北部元坝地区茅口组发育3个三级海侵—海退层序。第2个三级层序发育台内生屑滩, 生屑滩分布受沉积古地貌控制。第3个三级层序发育台缘生屑滩, 生屑滩分布受台缘坡折带的坡度控制。

2)垂向上, 茅口组岩溶发育带表现为地表岩溶带、垂直渗流带、深部缓流带的高角度溶缝和溶洞、水平潜流带的顺层溶洞。岩溶带发育程度与生屑滩规模呈正相关, 具有相控的特点。岩溶带平面上集中发育在生屑滩内部靠近海岸的一侧, 发育模式具有海岸型岩溶的特点, 主要储集空间为生屑滩内部水平潜流带顶部发育的顺层溶洞。

3)岩心观察和勘探实践均表明, 元坝地区茅口组岩溶带已大多被表生期的火山凝灰质和灰岩碎屑等流水搬运物质和方解石等化学沉淀物质充填, 现今储集能力总体较差。

(责任编辑 张西娟; 英文审校 刘贺娟)

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