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层序格架下构造—沉积分异对页岩气储层特征的控制

刘瑞崟 周文 徐浩 周秋媚 曹茜 高雯璐 宋威国 蒋柯 蒲飞龙 杨国梁 尚福华

刘瑞崟, 周文, 徐浩, 周秋媚, 曹茜, 高雯璐, 宋威国, 蒋柯, 蒲飞龙, 杨国梁, 尚福华. 层序格架下构造—沉积分异对页岩气储层特征的控制———以四川盆地西南部筇竹寺组为例[J]. 沉积学报, 2023, 41(5): 1478-1494. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.003
引用本文: 刘瑞崟, 周文, 徐浩, 周秋媚, 曹茜, 高雯璐, 宋威国, 蒋柯, 蒲飞龙, 杨国梁, 尚福华. 层序格架下构造—沉积分异对页岩气储层特征的控制———以四川盆地西南部筇竹寺组为例[J]. 沉积学报, 2023, 41(5): 1478-1494. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.003
LIU RuiYin, ZHOU Wen, XU Hao, ZHOU QiuMei, CAO Qian, GAO WenLu, SONG WeiGuo, JIANG Ke, PU FeiLong, YANG GuoLiang, SHANG FuHua. Control of the Pattern of Tectonic-Depositional Differentiation on Shale Gas Reservoir Characteristics Within a Sequence Stratigraphic Framework: A case study from the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2023, 41(5): 1478-1494. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.003
Citation: LIU RuiYin, ZHOU Wen, XU Hao, ZHOU QiuMei, CAO Qian, GAO WenLu, SONG WeiGuo, JIANG Ke, PU FeiLong, YANG GuoLiang, SHANG FuHua. Control of the Pattern of Tectonic-Depositional Differentiation on Shale Gas Reservoir Characteristics Within a Sequence Stratigraphic Framework: A case study from the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2023, 41(5): 1478-1494. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.003

层序格架下构造—沉积分异对页岩气储层特征的控制———以四川盆地西南部筇竹寺组为例

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.003
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41972137

国家自然科学基金项目 42002157

四川省自然科学基金项目 2021YJ0349

国家留学基金委项目 202108510120

详细信息

Control of the Pattern of Tectonic-Depositional Differentiation on Shale Gas Reservoir Characteristics Within a Sequence Stratigraphic Framework: A case study from the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 41972137

National Natural Science Foundation of China 42002157

Natural Science Foundation of Sichuan Province, No. 2021Y J0349 2021YJ0349

China Scholarship Council 202108510120

  • 摘要: 为明确层序格架下不同构造—沉积分异格局内筇竹寺组富有机质页岩展布特征和页岩气储层差异特征。基于T-R层序模型划分筇竹寺组层序并建立层序地层格架,在层序格架约束下,对筇竹寺组岩心、测井、地球化学及孔隙结构资料进行分析。研究表明,筇竹寺组可识别及划分出4个层序界面与3个三级层序,各层序厚度表现为从绵阳—长宁裂陷的裂陷中心向裂陷外缘逐渐减薄,其中SQ2-RST的厚度在JS1—JY2地区大幅减薄,SQ3厚度减薄范围扩展至Z4—JS1一线。明确了层序格架内不同构造—沉积分异格局下筇竹寺组页岩气储层特征:TOC含量表现为TST大于RST,裂陷中心大于过渡带大于裂陷外缘;矿物含量表现为SQ1和SQ2以长石和石英为主,而SQ3以黏土和石英为主,过渡带的石英和黄铁矿含量高于裂陷外缘;孔隙度表现为过渡带大于裂陷外缘,SQ1低于SQ3和SQ2,且SQ1有机质孔发育较差。绵阳—长宁裂陷的构造—沉积分异作用控制了筇竹寺组沉积时期的地形地貌和水体深度,导致不同层序和构造—沉积分异格局下沉积水体的氧化还原条件、古生产力水平、自生矿物形成环境以及底板封闭性存在差异,并进一步影响了有机质的富集、矿物组分含量和孔隙发育特征。
  • 图  1  四川盆地早寒武世筇竹寺组构造—沉积分异格局(据文献[27,3233]修改)

    Figure  1.  Tectonic⁃sedimentary differentiation pattern of the Early Cambrian Qiongzhusi Formation in Sichuan Basin (modified from references [27,32⁃33])

    Fig.1

    图  2  W207井层序地层综合柱状图(空心圆数据点引自文献[14])

    Figure  2.  Sequence stratigraphic and geochemical histogram of well W207 (hollow circle data from reference [14])

    Fig.2

    图  3  四川盆地西南部筇竹寺组岩心特征

    (a)含钙质椭圆形结核与围岩突变接触,结核边缘发育黄铁矿团块,结核长轴直径40 cm,W207⁃SQ1⁃RTS,3 220.75 m;(b)鲍马序列CE段,W207⁃SQ1⁃RTS,3 186.42 m,鲍马序列AB段,W207⁃SQ1⁃RTS,3 226.26 m;(c)层序边界SB2,灰色粉砂岩与深灰色粉砂质泥岩接触,W207,3 165.15~3170.15 m;(d)黄铁矿交代的开腔骨骨片,W207⁃SQ2⁃RTS,3 108.69 m;(e)层序边界SB3,灰色砂质页岩与黑色页岩接触,W207,3 046.96~3 051.96 m;(f)黑色页岩,断面发育大量古生物化石,W207⁃SQ3⁃TST,3 016.24 m;(g)泥质粉砂岩与钙质粉砂岩互层,JY1⁃SQ1⁃RST,3 529.40 m,引自文献[34];(h)粉砂岩见低角度交错层理,JY1⁃SQ2⁃TST,3 408.52 m,引自文献[35];(i)粉砂质页岩,见水平层理,JY1⁃SQ2⁃RST,3 306.85 m,引自文献[35]

    Figure  3.  Core characteristics from the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin

    Fig.3

    图  4  四川盆地西南部筇竹寺组薄片特征

    (a)黑色页岩,W207⁃SQ1⁃RTS,3 226.01 m;(b)含泥质粉砂岩,W207⁃SQ1⁃RTS,3 177.61 m;(c)黑色砂质页岩,W207⁃SQ2⁃TST,3 162.75 m;(d)黑色页岩,W207⁃SQ2⁃TST,3 132.01 m;(e)深灰色含泥质粉砂质页岩与灰色粉砂质页岩互层,W207⁃SQ2⁃RTS,3 076.30 m(f)黑色页岩,W207⁃SQ3⁃TST,3 046.07 m;(g)纹层状粉砂岩,见云母片,JY1⁃SQ1⁃RST,3 530.07 m,引自文献[36];(h)水平黏土纹层,JY1⁃SQ2⁃TST,3 399.08 m,引自文献[36];(i)黏土质页岩,JY1⁃SQ3⁃TST,3 294.60 m,引自文献[35]

    Figure  4.  Optical microscopic characteristics of the Qiongzhusi Formation in the southwest Sichuan Basin

    Fig.4

    图  5  四川盆地西南部筇竹寺组JY1井—ZY1井层序地层对比(部分数据引自文献[9,14,36,4143])

    Figure  5.  Sequence stratigraphic correlation of wells JY1⁃ZY1 in the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin(data from references [9,14,36,41⁃43])

    Fig.5

    图  6  四川盆地西南部筇竹寺组JS1井—ZY1井层序地层对比图(部分数据引自文献[42,44])

    Figure  6.  Sequence stratigraphic correlation of wells JS1⁃Z4 in the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin (data from references [42,44])

    Fig.6

    图  7  不同层序构造—沉积分异格局中筇竹寺组TOC含量特征

    裂陷外缘包含JS1井、JY1井和A3井,裂陷过渡带包含W207井和Z4井,裂陷中心包含ZY1井和GS17井,TOC数据引自文献[1011,35,4245]

    Figure  7.  Characteristics of total organic carbon (TOC) Content in the Qiongzhusi Formation in different sequence and tectonic⁃deposition differentiation patterns

    the outer edge of the rift contains well JS1, well JY1, and well A3; the transition zone of the rift contains well W207 and well Z4; and the center of the rift contains well ZY1 and well GS17; TOC data from references [10⁃11,35,42⁃45]

    图  8  裂陷外缘JY1井(a)和过渡带W207井(b)不同层序XRD矿物组分特征(JY1井数据引自文献[46])

    Figure  8.  X⁃ray diffraction (XRD) mineral composition characteristics of each sequence in well JY1 and well W207 (data for well JY1 from reference [46])

    Fig.8

    图  9  裂陷外缘A3井和过渡带W207井不同层序的孔隙度特征(A3井数据引自文献[11])

    Figure  9.  Porosity characteristics of different sequences in well A3 and well W207 (data for well A3 from reference [11])

    Fig.9

    图  10  四川盆地西南部筇竹寺组扫描电镜照片

    (a)黏土矿物粒间孔,充填黄铁矿,JY1⁃SQ3⁃TST,3 296.30 m,引自文献[47];(b)黏土矿物层间充填黄铁矿与有机质,有机质孔呈椭圆形,W207⁃SQ3⁃RST,3 020.91 m;(c)黏土矿物层间充填黄铁矿与有机质,有机质孔呈圆形或椭圆形,GS17,SQ3⁃TST,4 980.00 m;(d)有机质充填于磷灰石晶粒间,有机质孔与粒间孔发育,W207⁃SQ2⁃TST,3 232.01 m;(e)长石中的粒内孔,部分孔隙被有机质或黄铁矿充填,W207⁃SQ2⁃TST,3 232.01 m;(f)石英与有机质分布于金红石之间,有机质孔呈圆形或椭圆形W207⁃SQ2⁃TST,3 232.01 m;(g)方解石边缘的溶蚀孔呈不规则多边形,W207⁃SQ1⁃RST,3 178.30 m;(h)立方体黄铁间充填有机质与黏土矿物,W207⁃SQ1⁃RST,3 228.38 m;(i)图h黄框放大,见狭缝状有机质孔

    Figure  10.  Scanning electron microscope (SEM) photos of the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin

    Fig.10

    图  11  四川盆地西南部筇竹寺组TOC与U/Th和Cu+Zn交会图

    Figure  11.  Correlation between the TOC and (a) U/Th and (b) Cu+Zn of the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin

    Fig.11

    图  12  四川盆地西南部筇竹寺组TOC与孔隙度关系

    Figure  12.  Relationship between TOC and porosity of the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin

    Fig.12

    图  13  筇竹寺组页岩不同封闭系统中有机质孔发育特征模式图(据文献[13]修改)

    Figure  13.  Schematic diagram of organic matter (OM) pore development characteristics in different sealing systems of the Qiongzhusi Formation shale (modified from reference [13])

    Fig.13

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-31
  • 修回日期:  2023-01-07
  • 录用日期:  2023-02-27
  • 网络出版日期:  2023-02-27
  • 刊出日期:  2023-10-10

目录

    层序格架下构造—沉积分异对页岩气储层特征的控制

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.003
      基金项目:

      国家自然科学基金项目 41972137

      国家自然科学基金项目 42002157

      四川省自然科学基金项目 2021YJ0349

      国家留学基金委项目 202108510120

      作者简介:

      刘瑞崟,男,1991年出生,博士研究生,非常规油气地质学,E-mail: jacoblry@outlook.com

      通讯作者: 周文,男,教授,博士生导师,E-mail: zhouw62@cdut.edu.cn;; 徐浩,男,副研究员,硕士生导师,E-mail: xuhao19@cdut.edu.cn
    • 中图分类号: P618.13

    摘要: 为明确层序格架下不同构造—沉积分异格局内筇竹寺组富有机质页岩展布特征和页岩气储层差异特征。基于T-R层序模型划分筇竹寺组层序并建立层序地层格架,在层序格架约束下,对筇竹寺组岩心、测井、地球化学及孔隙结构资料进行分析。研究表明,筇竹寺组可识别及划分出4个层序界面与3个三级层序,各层序厚度表现为从绵阳—长宁裂陷的裂陷中心向裂陷外缘逐渐减薄,其中SQ2-RST的厚度在JS1—JY2地区大幅减薄,SQ3厚度减薄范围扩展至Z4—JS1一线。明确了层序格架内不同构造—沉积分异格局下筇竹寺组页岩气储层特征:TOC含量表现为TST大于RST,裂陷中心大于过渡带大于裂陷外缘;矿物含量表现为SQ1和SQ2以长石和石英为主,而SQ3以黏土和石英为主,过渡带的石英和黄铁矿含量高于裂陷外缘;孔隙度表现为过渡带大于裂陷外缘,SQ1低于SQ3和SQ2,且SQ1有机质孔发育较差。绵阳—长宁裂陷的构造—沉积分异作用控制了筇竹寺组沉积时期的地形地貌和水体深度,导致不同层序和构造—沉积分异格局下沉积水体的氧化还原条件、古生产力水平、自生矿物形成环境以及底板封闭性存在差异,并进一步影响了有机质的富集、矿物组分含量和孔隙发育特征。

    English Abstract

    刘瑞崟, 周文, 徐浩, 周秋媚, 曹茜, 高雯璐, 宋威国, 蒋柯, 蒲飞龙, 杨国梁, 尚福华. 层序格架下构造—沉积分异对页岩气储层特征的控制———以四川盆地西南部筇竹寺组为例[J]. 沉积学报, 2023, 41(5): 1478-1494. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.003
    引用本文: 刘瑞崟, 周文, 徐浩, 周秋媚, 曹茜, 高雯璐, 宋威国, 蒋柯, 蒲飞龙, 杨国梁, 尚福华. 层序格架下构造—沉积分异对页岩气储层特征的控制———以四川盆地西南部筇竹寺组为例[J]. 沉积学报, 2023, 41(5): 1478-1494. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.003
    LIU RuiYin, ZHOU Wen, XU Hao, ZHOU QiuMei, CAO Qian, GAO WenLu, SONG WeiGuo, JIANG Ke, PU FeiLong, YANG GuoLiang, SHANG FuHua. Control of the Pattern of Tectonic-Depositional Differentiation on Shale Gas Reservoir Characteristics Within a Sequence Stratigraphic Framework: A case study from the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2023, 41(5): 1478-1494. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.003
    Citation: LIU RuiYin, ZHOU Wen, XU Hao, ZHOU QiuMei, CAO Qian, GAO WenLu, SONG WeiGuo, JIANG Ke, PU FeiLong, YANG GuoLiang, SHANG FuHua. Control of the Pattern of Tectonic-Depositional Differentiation on Shale Gas Reservoir Characteristics Within a Sequence Stratigraphic Framework: A case study from the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2023, 41(5): 1478-1494. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2023.003
      • 2009年以来,我国成功建立了威远、长宁及焦石坝等一批商业化页岩气田,同时页岩气的勘探开发理论也取得了长足进步[12]。近年来,“双碳”目标的提出使页岩气的需求不断上升,也对当下页岩气的勘探开发提出了新的挑战。四川盆地筇竹寺组分布面积广且生烃潜力大,是页岩气勘探开发的重要后备层系[3]。因此,加快筇竹寺组的页岩气勘探开发,不仅助力“双碳”目标的实现,还对天然气增储上产和保障国家能源安全有重大意义[4]

        近年来,构造—沉积分异的内涵、原理以及地质意义获得了更为深入的阐述,例如,刘树根等[5]认为构造—沉积分异是稳定克拉通盆地内部在受周缘或深层构造活动影响下,发生差异隆升/沉降,形成隆凹(坳)相间格局,致使地形和地貌发生分异,造成岩相、沉积相和沉积厚度等在盆地内部发生分异。何登发等[6]将构造—沉积分异定义为由构造应力、热力、重力、地幔动力等因素引起地表地形差异,从而导致沉积物源、搬运体系与沉积作用变化的过程,即构造因素与深部地质过程引起了源—汇系统、沉积物分配与堆积的系统变化。尽管构造—沉积分异的定义有所差异,但学者们对构造分异影响沉积分异并进一步控制了油气资源的分布达成了共识[58]。在绵阳—长宁裂陷不同构造—沉积分异格局中已部署了多口筇竹寺组页岩气钻井,对筇竹寺组的岩石学、矿物学、无机与有机地球化学以及储层物性和孔隙结构特征有了一定的认识[914]。然而,不同构造—沉积分异格局的筇竹寺组页岩气开发效果存在明显差异,如在绵阳—长宁裂陷外缘的A1井筇竹寺组的测试产气量为2.88×104 m3;裂陷过渡带W201井直井压裂测试产量为1.08×104 m3,而相邻的W207井日产气量为0.2×104 m3[10,15]。此外,尽管研究者们认识到绵阳—长宁裂陷控制了筇竹寺组富有机质页岩的发育[1618],但由于筇竹寺组富有机质页岩厚度相对偏薄且纵向上具有多层叠置的特征[1011],导致不同构造—沉积分异格局下富有机质页岩的发育与展布特征仍不够明晰,且页岩气储层特征及其影响因素仍不完全明确,制约了筇竹寺组富有机质页岩“甜点段”的勘探与开发。

        运用层序模型划分层序并建立层序地层格架是地层对比的有效工具[19],有助于分析沉积体系特征及明确优质页岩展布规律[2021]。然而,富有机质页岩的沉积水体深度较大,沉积物粒径小,宏观均质性较好,导致其层序地层学的研究深度不够,存在沉积物对海平面变化响应弱,体系域标志不发育,层序界面识别困难等问题[2122]。T-R层序模型以最大海退面为层序边界并以最大海泛面划分海侵体系域和海退体系域[23],最大海退面和最大海泛面易在岩心、测井上识别,从而克服层序界面识别困难的问题,有利于层序对比[24]。已有学者对筇竹寺组的层序地层学进行了研究[22,2526],但对关键层序界面的识别及层序划分上仍存在争议,制约了筇竹寺组页岩气地质“甜点区”的评价。

        本文对四川盆地西南部筇竹寺组岩心、测井资料、无机与有机地球化学数据以及物性和孔隙结构资料进行分析,运用T-R层序模型识别关键层序界面并划分层序和建立层序地层格架。在层序格架约束下,研究不同构造—沉积分异格局下各层序特征和页岩气储层特征及其影响因素,以期为筇竹寺组页岩气的勘探开发提供参考和帮助。

      • 四川盆地是多旋回构造运动影响下形成的大型叠合盆地,经历了震旦纪—中三叠世海相沉积和晚三叠世以来的陆相沉积演化阶段[27]。晚震旦世—早寒武世,受罗迪尼亚超大陆裂解和冈瓦纳大陆聚合的影响,四川盆地处于拉张为主,弱挤压为辅构造地质背景[2829]。同时,在隆升为主的桐湾运动和裂陷为主的兴凯地裂运动的共同作用下四川盆地形成了隆凹相间的构造格局,并在绵阳—长宁一线发育近南北向的大型裂陷区[7,30]。该裂陷具有“北深南浅,东陡西缓”的特征,裂陷内部发育北西向张性断层,寒武系底界断距在300~400 m,除边界断层外多数断层消失于龙王庙组[31]。受裂陷构造—沉积分异的影响,下寒武统地层的沉积厚度和沉积相在裂陷中心与裂陷外缘具有明显的分异特征。麦地坪组在裂陷区发育斜坡—盆地相,厚度介于100~200 m,而在裂陷外发育碳酸盐台地相,厚度常小于50 m[31]。筇竹寺组的沉积相展布呈带状分布(图1),裂陷中心地区以碳泥质深水陆棚为主,厚400~800 m,向裂陷外缘逐步转变为砂泥质浅水陆棚与泥质浅水陆棚,厚为100~300 m[8,32]。为明确构造—沉积分异对筇竹寺组页岩气储层特征的影响,选取绵阳—长宁裂陷中段及其西侧的典型井开展研究,其中GS17井和ZY1井位于裂陷中心,Z4、Z3、W201和W207井位于裂陷过渡带,JY1、JY2和JS1井位于裂陷外缘(图1)。

        图  1  四川盆地早寒武世筇竹寺组构造—沉积分异格局(据文献[27,3233]修改)

        Figure 1.  Tectonic⁃sedimentary differentiation pattern of the Early Cambrian Qiongzhusi Formation in Sichuan Basin (modified from references [27,32⁃33])

      • 以T-R层序地层模型为基础[23],在筇竹寺组中识别出3个三级层序和4个三级层序界面(图2),并结合筇竹寺组岩心(图3[3435]、薄片(图4[3536]、测井曲线及地球化学特征,阐述筇竹寺组各层序界面、体系域及其沉积特征。

        图  2  W207井层序地层综合柱状图(空心圆数据点引自文献[14])

        Figure 2.  Sequence stratigraphic and geochemical histogram of well W207 (hollow circle data from reference [14])

        图  3  四川盆地西南部筇竹寺组岩心特征

        Figure 3.  Core characteristics from the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin

        图  4  四川盆地西南部筇竹寺组薄片特征

        Figure 4.  Optical microscopic characteristics of the Qiongzhusi Formation in the southwest Sichuan Basin

      • 层序界面SB1具有不整合面和岩性转换面的双重特征。四川盆地在晚震旦世—早寒武世受桐湾运动影响发育区域性不整合面,导致筇竹寺组不整合于麦地坪组或灯影组之上。该不整合面上下地层的岩性由白云岩、含磷质白云岩、含磷质硅质岩变为黑色富有机质页岩[3738]。层序界面SB1处的总有机碳(TOC)、U/Th及自然伽马(GR)曲线均呈突变特征,W207的U/Th在SB1处由0.9快速上升至41.4,指示沉积水体的氧化还原条件由氧化环境快速转变缺氧环境。层序界面SB2表现为岩性岩相转换面。SB2的岩性由灰色粉砂岩转变为深灰色粉砂质页岩(图3a);GR曲线由低值(70 API)突变成高值(211 API),U/Th由0.2升高至1.3,指示氧化还原条件由氧化环境转变为贫氧环境,同时也反映出海平面变化由海退向海侵的转变特征。层序界面SB3同样表现为岩性岩相转换面。SB3在岩性上表现为从互层状的深灰色含泥质粉砂质页岩与灰色粉砂质页岩转变为黑色页岩(图3b);GR曲线由低值(87 API)小幅上升至高值(127 API),U/Th由0.3升高至1.2。

      • 层序SQ1海侵体系域和海退体系域呈非对称型,具有快速海侵且持续海退的特点。SQ1-TST主要为深水陆棚相中沉积的深灰、黑色页岩。U/Th、Babio、TOC及GR曲线均呈高值,反映沉积水体具有高古生产力和缺氧条件的特点。SQ1-RST为半深水陆棚和浅水陆棚沉积。岩性由下至上从黑色页岩向深灰色砂质页岩和灰色粉砂岩转变,岩石颗粒由细变粗反应出水体深度降低与反应水动力条件增强(图4a,b)。同时,可见椭圆形含钙质结核与深灰色围岩突变接触,结核边缘发育黄铁矿团块(图3c)。筇竹寺组早期的结核主要为深水相同生结核,是沉积物在成岩早期还原菌降解有机质而形成,是对构造活动的重要沉积响应[39]。此外,在SQ1-RST中观察到不完整的鲍马序列,在SQ1-RST下部为鲍马序列AB段,向上观察到CE段(图3d)。指示W207井SQ1-RST沉积时期古地貌存在一定坡度,早期坡度较大浊流流速大,后期坡度缓浊流流速低。此外,U/Th、Babio、TOC及GR曲线均呈阶梯式减小,表明沉积水体的古生产力降低且氧化还原条件由缺氧向贫氧条件转变。

        层序SQ2海侵体系域和海退体系域呈对称型,具有持续海侵与海退的特点。SQ2-TST的沉积相由砂泥质半深水陆棚向碳泥质深水陆棚转变,岩性由深灰色粉砂质页岩过渡为黑色页岩(图4c,d)。Babio、U/Th、TOC及GR曲线由低值持续上升至高值(TOC和GR最大值分别为3.93%和341 API),反映沉积水体的古生产力提高,氧化还原条件从贫氧—氧化向缺氧转变。在SQ2-RST中,岩性由黑色页岩变化为灰色粉砂质页岩与薄层深灰色含泥质粉砂质页岩互层,镜下薄片可见明暗相间的条带互层(图4e)。同时,可见黄铁矿交代的开腔骨骨片化石(图3d),开腔骨类在浅海环境以底栖固着方式生活,依靠顶口从水体中吸纳营养物质[40],暗示沉积水体在此时期相对较浅。此外,U/Th、TOC及GR曲线均呈降低趋势并保持低值至SB3。

        层序SQ3海侵体系域和海退体系域呈非对称型,表现为快速海侵与持续海退的特点。从SQ3-TST至SQ3-RST,沉积相由深水陆棚快速转变为半深水陆棚并向浅水陆棚相转变。U/Th、TOC及GR曲线均快速增大后持续降低。陆源输入指标Zr和Babio在SQ3-TST和RST早期呈增大趋势,并且可在岩石断面中观察到大量生物碎屑(图3f),暗示陆源输入为高生产力提供了积极帮助。

      • 在单井层序界面识别与划分的基础上,分析不同构造沉积格局中岩性、测井及地球化学差异特征,编制研究区内的连井剖面,建立了四川盆地西南部筇竹寺组层序地层格架(图5,6)。总体而言,筇竹寺组均发育3个三级层序,各层序的海侵体系域和海退体系域在研究区内可对比,但受构造—沉积分异的影响,裂陷中心、过渡带及裂陷外缘的层序特征有明显差异。

        图  5  四川盆地西南部筇竹寺组JY1井—ZY1井层序地层对比(部分数据引自文献[9,14,36,4143])

        Figure 5.  Sequence stratigraphic correlation of wells JY1⁃ZY1 in the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin(data from references [9,14,36,41⁃43])

        图  6  四川盆地西南部筇竹寺组JS1井—ZY1井层序地层对比图(部分数据引自文献[42,44])

        Figure 6.  Sequence stratigraphic correlation of wells JS1⁃Z4 in the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin (data from references [42,44])

        层序SQ1的厚度介于81~218 m,裂陷中心厚度介于130~218 m,过渡带厚度介于81~136 m,裂陷外缘厚度介于114~144 m,表现出从裂陷外缘至裂陷中心厚度变大的特征。同时,SQ1-TST厚度小而SQ1-RST厚度大,呈非对称式发育,反应快速的海侵和持续海退的过程。从裂陷中心至裂陷过渡带和外缘,SQ1-TST的厚度减小而SQ1-RST的厚度增大,指示裂陷中心海侵彻底且水深较大。SQ1-RST在岩性上由裂陷过渡带的深灰色砂质页岩和灰色粉砂岩(图3d、图4b)向裂陷外缘转变为泥质粉砂岩与钙质粉砂岩互层(图3g、图4g)。层序SQ2厚度介于118~275 m,其沉积厚度在裂陷槽中心厚度大(ZY1井厚度275 m),而裂陷槽外缘变薄(JY1井厚度为118 m)。在裂陷中心与裂陷过渡带,SQ2-TST与SQ2-RST大致呈对称发育,指示沉积水体深度逐渐加深和减退的变化过程。值得注意的是,裂陷外缘JY1、JY2和JS1井的SQ2-TST和SQ2-RST呈非对称式发育,并且SQ2-RST的厚度有较为明显的减薄(图5,6),指示该时期裂陷外缘的沉积可容纳空间相对较小。过渡带和裂陷外缘SQ2-RST的岩性均表现出明显的岩性互层特征(图3h、图4h)。层序SQ3厚度介于83~245 m(图5,6),SQ3-TST的厚度薄,而SQ3-RST厚度大,呈非对称式发育。厚度在平面上表现为Z4井—JS1井一线厚度薄,介于80~100 m,而在其东南方向的ZY1井—W201井一线厚度较厚,厚度介于172~245 m。岩性上SQ3-TST在不同沉积分异格局中均呈现出泥质含量高的特征(图3i、图4i)。

      • 四川盆地西南部筇竹寺组TOC含量介于0.11%~5.53%,平均为1.15%。横向上,裂陷外缘TOC含量介于0.11%~2.1%,平均为0.44%;过渡带TOC含量介于0.14%~5.53%,平均为1.56%;裂陷中心TOC含量介于0.13%~5.21%,平均为1.97%;TOC含量表现出从裂陷中心至过渡区及裂陷外缘依次降低的特征。纵向上,层序SQ1的TOC含量介于0.14%~5.53%,平均为1.38%;SQ2的TOC含量介于0.12%~4.64%,平均为1.03%;SQ3的TOC含量介于0.11%~4.37%,平均为0.74%;表现出从SQ1至SQ3层序TOC含量降低的变化规律。图7进一步详细展示了不同体系域和构造—沉积分异格局下筇竹寺组TOC含量的差异特征,主要表现为各层序RST低于TST;裂陷外缘低于过渡带和裂陷中心。

        图  7  不同层序构造—沉积分异格局中筇竹寺组TOC含量特征

        Figure 7.  Characteristics of total organic carbon (TOC) Content in the Qiongzhusi Formation in different sequence and tectonic⁃deposition differentiation patterns

      • 筇竹寺组的矿物组分以石英、黏土矿物和长石为主,平均含量分别为34.4%、26.6%和24.1%。碳酸盐矿物和黄铁矿含量相对较低,平均含量分别为10.9%和4.1%。在层序SQ1和SQ2中,筇竹寺组各矿物组分的含量相似,以石英和长石含量较高为主要特征;而在SQ3-RST早期,裂陷外缘和过渡带筇竹寺组的矿物组分显示出突变特征,表现为黏土矿物含量明显增大,石英和长石含量减小(图8)。横向上,过渡带地区与裂陷外缘的长石含量无明显差异,但过渡带地区的石英与黄铁矿含量相对更高,而黏土矿物相对更低(图8)。

        图  8  裂陷外缘JY1井(a)和过渡带W207井(b)不同层序XRD矿物组分特征(JY1井数据引自文献[46])

        Figure 8.  X⁃ray diffraction (XRD) mineral composition characteristics of each sequence in well JY1 and well W207 (data for well JY1 from reference [46])

      • 筇竹寺组孔隙度介于0.53%~5.03%,平均为2.52%(图9)。筇竹寺组页岩孔隙度具有以下特征:(1)过渡带的孔隙度高于裂陷外缘,W207井筇竹寺组的平均孔隙度比A3井高1.05%;(2)裂陷外缘和过渡带SQ2-TST的孔隙度均较高,SQ2-TST的孔隙度相比其他体系域高0.54%~2.02%。值得注意的是,尽管SQ1具有相对较高的TOC含量(图7),但裂陷外缘与过渡带均表现出低孔隙度的特征(图9)。

        图  9  裂陷外缘A3井和过渡带W207井不同层序的孔隙度特征(A3井数据引自文献[11])

        Figure 9.  Porosity characteristics of different sequences in well A3 and well W207 (data for well A3 from reference [11])

        四川盆地西南部筇竹寺组的孔隙类型多样,粒内孔、粒间孔和有机质孔均有发育。粒内孔主要分布于长石、石英、碳酸盐矿物及黏土矿物层间(图10a,b,e),形态多呈不规则多边形。部分长石粒内孔可见有机质、黏土或黄铁矿充填(图10e)。粒间孔常发育在石英、长石或碳酸盐矿物的边缘,形态多为不规则多边形(图10d,g)。有机质孔主要发育在有机质—黏土复合体(图10a~c)、有机质—磷灰石复合体(图10d)、有机质—金红石复合体(图10f)中,此外也可在黄铁矿晶粒间有机质、粒间有机质以及条带状有机质中观察到有机质孔。有机质孔形态呈椭圆形、不规则多边形及狭缝形。值得注意的是,有机质孔在受到刚性颗粒支撑保护的有机质或有机质—矿物复合体中更为发育(图10b,c,f),而在缺乏支撑保护的有机质中则有机质孔较小(图10g)。

        图  10  四川盆地西南部筇竹寺组扫描电镜照片

        Figure 10.  Scanning electron microscope (SEM) photos of the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin

      • 缺氧保存条件和高初级生产力是有机质富集的两个重要因素[48]。四川盆地西南部筇竹寺组页岩的TOC含量与U/Th和Cu+Zn均呈正相关(图11),指示缺氧环境和高古生产力对于筇竹寺组有机质的富集都有积极作用。绵阳—长宁裂陷的构造分异控制了筇竹寺组沉积时期的古地貌,进而影响不同构造分异格局下的水体深度和氧化还原条件。从裂陷外缘至裂陷中心,地势由高向低变化,沉积水体深度逐渐增大。位于裂陷中心的ZY1井和GS17井各层序的水体深度整体较大,U/Th指示水体以缺氧—贫氧环境为主。而在过渡带,相对较高的古地貌使水体深度受海侵—海退作用影响明显,氧化还原条件表现出缺氧—贫氧—氧化波动变化的特点。到裂陷外缘地区地势进一步变高,除在各层序海侵时期水体表现出贫氧—缺氧特征,其余时期沉积水体均处于氧化环境(图5,6)。此外,海侵的规模也影响了各层序沉积水体的氧化还原条件。SQ1与SQ3的海侵规模较大,不同构造—沉积分异格局下的各井均有明显响应,U/Th指示沉积水体为缺氧环境。而SQ2的海侵规模则较小,裂陷外缘地势较高受海侵影响相对较弱,U/Th指示该时期水体为贫氧环境。

        图  11  四川盆地西南部筇竹寺组TOC与U/Th和Cu+Zn交会图

        Figure 11.  Correlation between the TOC and (a) U/Th and (b) Cu+Zn of the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin

        Ba、Cu和Zn是生物发育的催化因子和必需成分,其含量反应水体初级生产力的大小[48]。纵向上,W207井的Babio与ZY1井的Cu含量表现为各层序TST时期高于RST(图5),反映出海侵过程中带来的深部营养元素对提高古生产力有积极帮助。横向上,裂陷中心ZY1井SQ1的Cu含量介于(23.5~202.0)×10-6,平均为58.1×10-6[43];Z4井SQ1的Cu+Zn含量介于(43.1~3950.0)×10-6,平均为702.1×10-6[44],W207井SQ1的Cu含量介于(10.8~88.1)×10-6,平均为45.9×10-6,Cu+Zn含量介于(31.2~969.1)×10-6,平均为171.4×10-6;裂陷外缘JY1井的Cu+Zn含量介于(64.6~176.3)×10-6,平均为101.1×10-6[41]。上述结果指示裂陷外缘的古生产力小于过渡带与裂陷中心。热液活动不仅能刺激生物活动强度,还能为沉积水体带来丰富的营养元素并促进古生产力的提高。裂陷中心错巴沟剖面的地球化学结果指示筇竹寺组沉积时期受到了热液活动的影响[49]。因此,裂陷中心和过渡区相较于裂陷外缘受到的热液作用会更强烈,导致其古生产力更高。

        综上所述,构造—沉积分异和海侵作用共同影响了水体的氧化还原条件和古生产力,进一步影响有机质的富集,与之呼应的是裂陷中心的TOC含量高于过渡带和裂陷外缘,各层序TST的TOC比RST更高(图7)。值得注意的是,在裂陷中心和过渡带地区,各层序的RST早期的TOC含量仍然较高。尽管RST早期海平面开始下降,但裂陷中心和过渡带地势相对更低,水体深度变化较缓仍保持缺氧环境,因而仍具有较高的TOC含量。

      • 构造—沉积分异引起地形地貌差异,从而导致沉积物源、搬运体系以及沉积作用变化[6]。裂陷外缘和过渡带筇竹寺组矿物组分的一个特点是层序SQ1和SQ2长石含量较高,从SQ3-RST开始,筇竹寺组矿物含量呈突变式变化,表现为长石含量大幅下降而黏土含量大幅上升(图8)。物源区的母岩类型对于沉积岩的矿物组成有重要影响。研究表明,四川盆地西南部筇竹寺组的物源主要为康滇古陆在中—新元古代发育东川群、会理群深水相灰黑色泥岩(板岩)和深水浊流成因的灰色变凝砾岩以及大量石英含量不高的基性岩[50]。裂陷外缘与过渡带矿物组分相似的变化趋势指示二者具有相似的物源供给,而SQ3-RST时期矿物组分显著的改变暗示筇竹寺组的物源可能发生了改变。筇竹寺组矿物组分的另一特点是过渡带的石英和黄铁矿含量高于裂陷外缘。除陆源石英外,热液成因和生物成因的石英也是页岩中石英的重要来源[51]。地球化学结果指示裂陷外缘的JY1井筇竹寺组无Eu正异常特征,表明其沉积时期未受到热液活动的影响[35],缺乏形成热液石英的条件。同时,裂陷外缘的生产力相对较低,暗示其形成的生物石英相对较少。此外,缺氧硫化环境有利于黄铁矿的形成[52],而裂陷外缘以氧化条件为主不利于黄铁矿的形成。因此裂陷外缘筇竹寺组的石英和黄铁矿含量低于过渡带地区。

      • 不同层序与构造沉积分异特征下的筇竹寺组孔隙度存在两个显著特征:一是过渡带的孔隙度高于裂陷外缘(图9);二是不同地区SQ1层序的孔隙度小于SQ2和SQ3层序。有机质孔是富有机质页岩中重要的储集空间,TOC含量与孔隙度常呈良好正相关关系,表明有机质孔对于页岩孔隙有积极贡献[53]。对筇竹寺组而言,裂陷外缘和过渡带中SQ2和SQ3的TOC含量与孔隙度呈正相关关系,且SQ2的相关性比SQ3更强(图12a),指示SQ2的有机质孔对总孔隙度具有更强的贡献。由于筇竹寺组的TOC含量呈现出SQ2高于SQ3,过渡带高于裂陷外缘的特点(图7),因此孔隙度也相应地表现出类似的特征。然而,SQ1层序的TOC含量与孔隙度却无明显相关性(图12b),指示SQ1的有机质孔发育较差,对总孔隙度的贡献较弱。W207井扫描电镜照片也指示SQ1有机质孔发育较差。SQ3和SQ2的有机质孔孔径较大,呈圆形或椭圆形(图10b,f);而SQ1有机质孔孔径小且多呈狭缝状(图10i)。此外,电镜图像孔隙定量统计结果表明,筇竹寺组SQ1的面孔率低,其有机质孔仅占总面孔率的18.7%,而SQ3和SQ2分别为72.1%和50.2%;SQ1层序页岩有机质孔孔径相较于SQ3和SQ2层序分别减少了46.8%和33.5%[13]

        图  12  四川盆地西南部筇竹寺组TOC与孔隙度关系

        Figure 12.  Relationship between TOC and porosity of the Qiongzhusi Formation in the southwestern Sichuan Basin

        顶底板的岩性、物性及其与富有机质页岩的整合关系对于富有机质页岩的保存条件和封闭性有重要影响[5455]。筇竹寺组SQ3和SQ2的富有机质页岩的顶底板为发育在RST中的砂质页岩、泥质粉砂岩、泥岩(图5,6),具有相对较低的孔隙度(图9);并且顶底板与富有机质页岩均呈整合接触关系,因而具有较好的封闭能力。然而,SQ1的富有机质页岩的底板则与SQ3和SQ2完全不同。筇竹寺组SQ1的底板为灯影组白云岩或麦地坪组硅质条带白云岩、磷块岩[56],其孔渗条件相比泥页岩更高;此外,受桐湾运动隆升剥蚀的影响,筇竹寺组与其下伏地层之间存在区域性不整合面,该不整合面成为筇竹寺组页岩排烃的窗口和运移的通道[57]。在较高孔渗条件的底板与不整合面的共同影响下,导致筇竹寺组SQ1层序的底板封闭性相比SQ2和SQ3更差。事实上,良好的封闭性不仅能够减缓页岩气的散失,还能维持页岩气储层的超压。超压能有效抑制地层对孔隙的机械压实作用,对于有机质孔的保存起到积极作用[5859]。此外,封闭性对于埋藏生烃过程中的超压和孔隙发育也有控制作用。在热演化过程中,烃类的生成和排出影响孔隙压力和外部应力之间的平衡状态[13]图13)。在成熟阶段,富有机质页岩具有较强的生烃能力,在顶底板封闭能力较强的半开放系统中烃类往往能够滞留于页岩中形成超压,高孔隙压力能够有效抵抗外部应力(图13a)。而在底板封闭能力较差的开放系统中,部分烃类沿着不整合面和底板向外运移致使孔隙压力相对较低,孔隙通过收缩来维持孔隙压力与外部应力的平衡(图13c)。在过成熟阶段,富有机质页岩的生烃能力开始衰竭,富有机质页岩内部的烃类持续向外排出导致孔隙压力持续降低,孔隙形态随着孔隙压力与外部应力的平衡状态不断发生改变(图13b,c)。开放系统由于更强的排烃作用导致孔隙压力更低,其孔隙受到了更强的改造(图13d)。

        图  13  筇竹寺组页岩不同封闭系统中有机质孔发育特征模式图(据文献[13]修改)

        Figure 13.  Schematic diagram of organic matter (OM) pore development characteristics in different sealing systems of the Qiongzhusi Formation shale (modified from reference [13])

      • (1) 基于T-R层序模型,在四川盆地西南部筇竹寺组中识别出4个层序界面和3个三级层序并建立了层序地层格架。绵阳—长宁裂陷的构造—沉积分异格局控制了筇竹寺组各层序的展布特征,各层序厚度总体上表现出从裂陷中心向裂陷外缘减薄的特征,其中SQ2-RST厚度在裂陷外缘JS1—JY2一线大幅减薄,至SQ3减薄范围扩展至Z4—JS1沿线。

        (2) 构造—沉积分异与海侵作用控制了筇竹寺组沉积时期的地形地貌和水体深度,并进一步影响了各层序沉积水体的氧化还原条件与古生产力水平。裂陷中心及过渡带地区海侵体系域至海退体系域早期,具有较强的缺氧环境和较高的古生产力条件,是有机质的有利富集段(区)。

        (3) 阐明了层序格架内不同构造—沉积分异格局下筇竹寺组的矿物组分特征,在纵向上,裂陷外缘与过渡带SQ1和SQ2具有高长石、高石英含量的特征,而SQ3矿物组分以黏土矿物和石英为主。在横向上,裂陷外缘的石英和黄铁矿含量较过渡带更低,裂陷外缘水体以氧化条件为主,未受热液作用影响且古生产力较低,缺乏形成热液石英、生物石英及黄铁矿的有利条件。

        (4) 明确了层序格架内不同构造—沉积分异格局下筇竹寺组的孔隙特征,孔隙度表现为过渡带大于裂陷外缘,层序SQ1低于SQ3和SQ2,且SQ1有机质孔发育较差。不整合面和高孔渗的底板破坏了SQ1的封闭性,制约了高孔隙压力的形成和维持,导致有机质孔易受外部应力改造进而变形甚至闭合,而SQ2和SQ3封闭性良好且有利于有机质孔的保存。

    参考文献 (59)

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