川东南地区寒武系洗象池群储层成因及分布规律

曹环宇，徐祖新，高俊杰，李炳弢

（中国石化勘探分公司勘探研究院，四川 成都 610041）

0 引言

随着油气勘探不断向深层、超深层推进，四川盆地震旦系—寒武系古老海相碳酸盐岩地层日益成为关注的重点。目前，川中地区震旦系灯影组与寒武系龙王庙组已经提交探明储量，揭示了四川盆地震旦系—寒武系巨大的勘探潜力。但是，对于中—上寒武统洗象池群的勘探、研究程度仍然较低，洗象池群油气显示较丰富，威远气田多口井发生井漏、气侵，MS1 井洗象池群测试日产气0.422×104m3，但储层发育与油气成藏规律复杂，多年来一直没有取得勘探突破。2020 年，部署在川东南平桥地区的PQ1 井洗象池群测试日产气25.13×104m3，揭示川东南地区洗象池群良好的勘探潜力。前人对洗象池群储层的研究主要集中在川中地区［1-4］，认为加里东末期的抬升剥蚀是洗象池群储层形成的关键，有关川东南地区洗象池群储层的成因与分布规律成为值得深入研究的问题。

本文在对前人四川盆地洗象池群的研究进行系统调研的基础上，结合川东南地区及邻区钻井资料、地震资料与新测野外露头剖面，重点针对洗象池群储层特征与成因开展研究与探讨，以期为后续洗象池群的研究提供新的思路。

1 研究区地质背景

四川盆地位于四川省中东部及重庆市大部分地区，是中国西部一个大型且古老的含油气叠合盆地（见图1a）。川东南地区构造单元上包括川东高陡断褶带与川南中—低缓断褶带，东起齐岳山断裂，西抵华蓥山断裂，北接大巴山推覆断褶带，南止黔中隆起，横跨四川、重庆、贵州三省市。区域构造线主体走向NNE，向北转变为NEE 并收敛。山体是以二叠系—三叠系为核心的背斜，两翼极不对称，一般缓翼地层倾角20°～30°，陡翼地层倾角40°～70°或地层直立倒转，山脉之间宽广的谷地是侏罗系组成的向斜，构造和地貌上都呈现典型的隔档式特征。

图1 四川盆地构造单元分区及寒武系地层综合柱状图Fig.1 Tectonic unit zoning and comprehensive column of Cambrian strata in Sichuan Basin

四川盆地中—上寒武统洗象池群普遍发育巨厚碳酸盐岩，地层厚度150～1 700 m（见图1b）。由南东向北西方向洗象池群地层厚度具有逐渐减薄的趋势，在盆地西部地层缺失。岩性以灰色、 深灰色泥—粉晶白云岩，泥质白云岩夹砂屑白云岩为主，生物化石稀少，仅偶见三叶虫、甲壳类碎片。

川东南地区整体地层发育较全，震旦系—侏罗系都有沉积，处于油气富集带［5］。截至目前，在石炭系，二叠系茅口组、长兴组，三叠系飞仙关组、嘉陵江组，侏罗系等层系已发现了石油沟、东溪、太和、旺隆等气田，但寒武系洗象池群的研究程度较低，至今仍未取得油气勘探大的突破。

2 洗象池群沉积特征

目前，针对四川盆地寒武系洗象池群的划分与对比仍存在较大分歧［6-8］。但前人的研究成果表明，洗象池群内部存在一次碳同位素组成正漂移事件（SPICE事件），为相对确定的等时界面［9-13］。碳同位素组成正漂移最本质的成因在于碳酸盐岩中12C 含量相对13C 减少，指示一次海侵事件，沉积有机质含量增加（见图2）。本次研究在川东南地区南川三汇苦竹垭实测了完整的洗象池群野外剖面，并系统开展了碳氧同位素分析，通过与盆内钻井联合分析，实现了这一套厚度差异巨大的白云岩地层在全盆的对比。

图2 南川三汇苦竹垭剖面洗二段—洗三段界线示意Fig.2 Boundary between Xi 2 and Xi 3 Member of Kuzhuya section in Nanchuan Sanhui

川东南地区洗象池群地层保留较全，发育1 个完整的三级层序，内部可进一步划分出4 个完整的四级层序，分别对应洗一段—洗四段。受加里东晚期剥蚀作用的影响，向西与向北部分缺失洗四段与洗三段，导致洗象池群地层厚度在平面上出现巨大的差异。川东南地区洗一段—洗二段沉积期继承早期隆凹相间格局，以填平补齐作用为主，地层厚度差异较大，反映川中古隆起对其沉积控制作用明显； 洗三段—洗四段沉积期地貌差异小，地层厚度稳定，为相对稳定浅水沉积，反映不同地区差异剥蚀特征。

川东南地区典型地震剖面揭示，洗象池群底部存在自东向西的上超现象，厚度自东向西明显减薄；洗三段、洗四段的层厚与地震相较稳定（见图3，剖面位置见图1）。

图3 川东南地区洗象池群典型地震剖面Fig.3 Typical seismic profile of Xixiangchi Group in southeastern Sichuan

前人多认为，四川盆地洗象池群沉积期呈自西向东稳定的混积陆棚—局限台地—开阔台地—台地边缘环境［14-16］。本次重点通过钻井与野外露头资料分析，认为川东南地区洗象池群洗一段—洗二段以局限台地沉积为主，颗粒滩欠发育；洗三段—洗四段为陆表海潮坪沉积，发育薄层叠置颗粒滩。主要沉积相标志有4个：1）野外剖面清晰地展示洗象池群发育薄层沉积旋回，单个旋回厚度为1.5～2.0 m，自然伽马曲线具有严重齿化的特点，分布在10～120 API，变异系数为0.30～0.45，为频繁水深变化标志；2）川东南地区洗象池群野外剖面与钻井岩心中常见陆源碎屑与碳酸盐矿物混积，陆源碎屑成分以石英为主，多为粉—细砂级，磨圆度高，体积分数为5%～20%，常见较明显的互层韵律，为浅水沉积环境标志［17-18］；3）洗象池群常见鱼骨状交错层理与干裂纹，可能为潮坪环境潮间带与潮上带频繁暴露的重要标志；4）古代海相碳酸盐岩中稳定同位素组成继承了古代海洋的同位素组成，且在后期成岩作用过程中影响较小，从而可以间接反映古气候和古环境［19-23］。利用南川三汇苦竹垭剖面洗象池群73 个碳氧同位素样品数据，计算的古盐度指数Z 介于119.07～130.17，平均为121.56；利用δ18O 计算的古海水温度在15.78～27.39°C，平均为21.18°C，表明洗象池群沉积期整体处于气候温暖、 盐度较大的海水—咸化海水环境（见表1、图4）。

表1 南川三汇苦竹垭剖面洗象池群碳氧同位素测试数据Table 1 Testing data of carbon and oxygen isotope of Xixiangchi Group of Kuzhuya section in Nanchuan Sanhui

图4 川东南地区洗象池群主要沉积相标志照片Fig.4 Photos of main sedimentary facies markers of Xixiangchi Group in southeastern Sichuan

南川三汇苦竹垭剖面洗象池群厚649.11 m。洗一段地层厚度153.26 m，岩性以泥—粉晶白云岩与泥质白云岩互层为主，野外实测自然伽马曲线齿化程度高，碳同位素自下向上略具变轻趋势； 洗二段地层厚度169.35 m，岩性以粉—细晶白云岩为主，自然伽马曲线呈低平—微齿状，碳同位素自下向上逐渐加重；洗三段地层厚度160.50 m，岩性以（残余）颗粒白云岩与粉—细晶白云岩互层为主，自然伽马曲线呈低平—微齿状与低峰交互发育，碳同位素下部出现正飘移，向上逐渐变轻；洗四段地层厚度166.00 m，岩性以颗粒白云岩与粉—细晶白云岩互层为主，局部夹薄层泥质白云岩，自然伽马曲线整体以弱齿化特征为主，局部偶见低峰，碳同位素整体为低值。

洗象池群发育2 种类型的沉积序列：1）潮下带—潮间带沉积序列。下部岩性为泥晶白云岩、 泥质白云岩，向上粒度变粗，岩性为深灰色砂屑白云岩，多个滩体叠置发育，构成累计厚度较大的溶孔（洞）砂屑白云岩发育段，颗粒白云岩占比30%～40%，野外剖面中主要发育在洗三段。2）潮下带—潮间带—潮上带沉积序列。下部岩性为泥晶白云岩、泥质白云岩，中部为颗粒白云岩，上部为泥—粉晶白云岩，颗粒白云岩占比30%～40%，野外剖面中主要发育在洗四段。分析认为，洗三段—洗四段沉积时期，川东南地区整体为水体较浅、 水深变化频繁的环境。洗三段水体变浅，以潮下带—潮间带沉积序列为主，单期浅滩厚度大，在旋回中占比高；洗四段水体持续变浅，以潮下带—潮间带—潮上带沉积序列为主，浅滩发育程度较洗三段降低（见图5，图5a，b 岩性剖面中白点代表溶蚀孔洞，图5c 中w为质量分数）。川东南地区洗象池群颗粒滩发育受微古地貌控制，高地貌区周缘潮间带为颗粒滩发育有利区，纵向上具有“滩-坪”频繁叠置的组合样式。

图5 川东南地区洗象池群沉积序列和南川三汇苦竹垭剖面沉积层序综合柱状图Fig.5 Sedimentary sequence of Xixiangchi Group in southeastern Sichuan and comprehensive column of sedimentary sequence of Kuzhuping section in Nanchuan Sanhui

3 储层发育特征

野外露头、钻井岩心等资料表明，川东南地区洗象池群储层岩性主要为细—中晶白云岩、 颗粒白云岩与粉—细晶白云岩。储集空间以晶间孔、晶间溶孔和裂缝为主，可见少量的粒内溶孔和铸模孔（见图6）。

图6 川东南地区洗象池群储层主要岩石类型与储集空间Fig.6 Main rock types and reservoir space of Xixiangchi Group reservoir in southeastern Sichuan

洗象池群储层纵向上主要位于洗象池群中上部，具有单层厚度小、多层叠置、非均质性较强的特征。储层类型为孔隙型与裂缝-孔隙型。常规测井表现为“两低三高”特征，即低伽马、低电阻率、中—高密度、高中子值、高声波时差。从川东南地区200 多个样品的物性分析资料来看，洗象池群储层孔隙度多集中在2%～4%，占比52%，孔隙度大于4%的样品占比20%（见图7）。南川三汇苦竹垭剖面实测资料与物性数据揭示，洗三段与洗四段储层具有差异性：洗三段面孔率为1%～15%，实测孔隙度为1.0%～6.2%，平均为2.5%，实测平均渗透率为0.28×10-3μm2，连续厚度大，孔渗相关性较好，具有孔隙型储层特征； 洗四段面孔率为1%～8%，实测孔隙度为0.7%～3.4%，平均为2.1%，实测平均渗透率为0.04×10-3μm2，孔渗相关性差，具有裂缝-孔隙型储层特征（见图8）。

图7 川东南地区洗象池群储层孔隙度分布Fig.7 Porosity distribution of Xixiangchi Group reservoir in southeastern Sichuan

图8 南川三汇苦竹垭剖面洗三段与洗四段孔渗交会图Fig.8 Porosity and permeability intersection diagram of the third and fourth Member of Xixiangchi Group of Kuzhuya section in Nanchuan Sanhui

4 储层发育规律

在前人研究基础上，结合新钻井与野外资料开展进一步分析，认为川东南地区洗象池群储层发育受沉积作用、成岩作用与晚期构造作用的综合控制［24-27］。

洗象池群储层发育受沉积相带类型与微古地貌影响。有利沉积相是储层发育的基础。研究区洗象池群储层常具有残余结构，原始沉积时主要为颗粒灰岩，沉积时水动力较强，分选性较好，原生孔隙较发育，渗透性好；而泥晶白云岩孔隙不发育，岩石较致密，储集性能很差；粉晶白云岩主要发育少量晶间孔和晶间溶孔，主要为能量较低的滩间泥晶灰岩经白云石化作用或潮上带环境准同生白云石化作用形成的，原生粒间孔隙少，不易遭受后期溶蚀性成岩流体改造，即使白云石化，也能形成致密白云岩。因此，原岩的孔隙发育程度对能否形成良好储层至关重要，而这明显受沉积相带控制，进而控制孔隙的发育。沉积相对储层的控制是研究区储层发育的关键因素。

洗三段—洗四段潮间带主要发育砂屑白云岩、鲕粒白云岩、颗粒白云岩等颗粒型碳酸盐岩，为后期形成粒间溶孔型储层奠定了基础；潮下带与潮上带主要发育泥晶、粉晶白云岩，水体相对动荡，泥质含量少，有利于后期结晶形成粉—细晶白云岩，从而形成晶间溶孔白云岩储层。洗象池群潮下带—潮间带、潮下带—潮间带—潮上带薄层旋回组合决定了其储层以薄层叠置为主。

4.1 沉积作用是洗象池群储层发育的基础

洗三段—洗四段沉积期，川东南地区整体以陆表海潮坪环境为主，微古地貌的差异控制了浅滩发育的相对有利位置。另外，微古地貌相对高部位也有利于准同生期溶蚀作用的形成，由于大气淡水的渗入，形成选择性溶蚀，从而形成粒间溶孔、粒内溶孔、晶间溶孔等，这些孔隙在后期埋藏过程中得以保存，从而形成有效储层（见图9）。

图9 川东南地区洗象池群储层发育演化模式Fig.9 Development and evolution model of Xixiangchi Group reservoirs in southeastern Sichuan

南川三汇苦竹垭剖面在洗象池群沉积期，位于微古地貌相对高部位，沉积厚度略小，但浅滩发育程度高，累计厚度大，顶部溶蚀作用明显。通过研究不同微相储层发育程度、储集空间及物性，建立了洗三段—洗四段优质储层发育模式，高能滩相溶蚀孔洞发育，物性好，提供了优质储层形成的基础（见表2）。

表2 洗象池群不同微相储层发育程度、储集空间及物性统计Table 2 Statistics of reservoir development degree,reservoir space and physical properties of different microfacies in Xixiangchi Group

4.2 溶蚀作用是储层形成的重要保障

川中地区寒武系经历了加里东晚期抬升剥蚀，广泛发育表生期岩溶作用，在致密地层中形成大规模岩溶系统，发育溶洞、溶沟及溶缝，形成典型的岩溶型储层。AP1 井洗象池群岩心可见岩溶角砾，角砾形态呈长条状、次圆状，排列杂乱。与川中地区不同，川东南地区洗象池群远离剥蚀窗，受表生期岩溶作用较弱，成岩作用以充填与胶结作用为主。填隙物主要为白云石、方解石和石膏，其次为少量石英和泥质，无明显的表生期岩溶作用特征。

准同生期溶蚀和埋藏期溶蚀是川东南地区洗象池群主要的溶蚀作用类型，对改善洗象池群储层至关重要。溶蚀作用形成了晶间孔、晶间溶孔及裂缝等，成为研究区的主要储集空间（见图9）。

洗象池群沉积期，川东南地区局限化程度高，主体为陆表海潮坪环境，蒸发作用强烈，多见石膏沉积。在准同生期由于相对海平面下降，滩体及潮坪沉积出现暴露，在条件适宜时，滩体及潮坪沉积中的石膏发生溶蚀，形成大小不等、顺层分布的洞穴，这些准同生期形成的孔洞可以保存下来成为有效储层。在南川三汇剖面观察到的（部分）孔洞层推测与准同生期暴露有关。此外，在川东南地区洗象池群岩心中，常可见对早期溶蚀孔洞填隙物的再溶蚀现象，推测形成于埋藏期，与地层酸性流体沿晚期构造活动断层移动有关。

4.3 晚期构造作用是现今相对优质储层发育的关键

川东南地区中寒武统陡坡寺组发育厚层膏盐岩，阻隔了下寒武统筇竹寺组烃源岩油气向洗象池群储层的纵向输导。近期勘探实践证明，川东南地区洗象池群具有“新生古储、源储对接、侧向供烃”型成藏特征，即在逆断层两侧，龙马溪组“源”与洗象池群“储”形成有效侧向运移［28-30］。

川东南地区志留系烃源岩生烃热演化史研究表明，志留系烃源岩早三叠世开始生油，三叠世末期进入生油高峰，中侏罗世为生气高峰。成藏演化研究表明，涪陵地区高陡构造于晚三叠世形成雏形，晚侏罗世形成源储对接，喜山期构造最终定型，期间龙马溪组烃源岩形成的天然气向上寒武统—奥陶系储层持续运移，并最终成藏。PQ1 井洗象池群天然气与平桥区块志留系页岩气稳定碳同位素分析结果表明，PQ1 井洗象池群气藏与五峰组—龙马溪组页岩气同源，且洗象池群中含有少量H2S。前人研究证实，天然气中的H2S 主要通过细菌还原作用（BSR）与高温热化学还原作用（TSR）形成［31-32］。川东南地区洗象池群储层性能与膏溶孔发育程度、 油气显示强度之间常具有正相关关系，推测H2S 为CH4干气与储层充填的石膏晚期发生TSR 反应形成。

岳长涛等［33-34］通过实验证明CH4与CaSO4反应在热力学上是可行的，能够自发进行，在200°C 时CaSO4的半衰期约为1.44 Ma。分析认为，在晚期构造活动形成洗象池群与龙马溪组源储对接的过程中，洗象池群地层破裂形成构造裂缝，改善了储集性能，为龙马溪组天然气的充注提供了空间，随后CH4与广泛发育的CaSO4填隙物发生TSR 反应，生成H2S 并形成新的储集空间，进一步改善了洗象池群的储集性能（见图9）。

4.4 川东南地区洗象池群储层分布特征

在以上研究的基础上，优选出了川东南地区洗象池群储层发育有利区。通过对地质与地球物理资料综合分析，沉积期微古地貌相对高部位沉积能量高，容易发育颗粒滩，经历准同生期溶蚀形成早期孔隙，在地震剖面上表现为中—高频、中—弱振幅、丘状反射特征；而微古地貌相对低部位沉积能量低，在地震剖面上表现为中—高频、中—强振幅、多轴平行反射特征。川东南地区现今发育多排高陡构造，断层断距大，背斜褶皱程度高，有利于裂缝的发育，断层两侧沟通志留系烃源岩，有利于储层的晚期改造。结合地震响应特征与现今构造分析，在川东南地区优选出4 个沉积相带有利、断层规模较大、褶皱程度较高的储层发育有利区，面积总计243 km2。

5 结论

1）川东南地区洗象池群洗三段—洗四段沉积期地层厚度稳定，为相对稳定浅水沉积，具有薄层旋回频繁叠置的特征，可划分为潮下带—潮间带沉积序列与潮下带—潮间带—潮上带沉积序列2 种类型。高地貌区周缘潮间带为颗粒滩叠置发育有利区。

2）川东南地区洗象池群储层纵向上主要发育于洗三段—洗四段，单层厚度小，多层叠置，非均质性较强，洗三段储层发育程度略好于洗四段。储集空间以晶间孔、晶间溶孔和裂缝为主，具有裂缝型与裂缝-孔隙型储层的特征。

3）川东南地区洗象池群储层发育受沉积作用、溶蚀作用与晚期构造作用三方面因素的控制。潮间带浅滩是川东南地区洗象池群储层发育的基础，受准同生期溶蚀与埋藏期溶蚀作用的影响形成储集空间，晚期构造作用改善储集性能，形成相对优质储层。