四川盆地东北部上三叠统须家河组沉积特征与控储作用

Sedimentary Characteristics and the Controlling Role of Sedimentation on Reservoirs of Upper Triassic Xujiahe Formation， Northeastern Sichuan Basin

摘要

本文应用岩心描述、野外剖面观测、测井解释和地震预测等技术方法，系统研究了四川盆地东北部上三叠统须家河组的沉积特征，建立了盆山耦合的沉积演化模式，并探讨了沉积对储层的控制作用，研究结果表明：川东北须家河组沉积时期受龙门山北段、北秦岭造山带和大巴山3个物源控制，每个物源供应能力的变化导致河道砂体发育程度的差异。须二段沉积期，龙门山北段物源供应充足，研究区西部水下分流河道砂体非常发育，砂地比 ≥ 0.8；须四段沉积期，大巴山物源的影响范围扩大，中、东部北东向叠置分支河道砂岩含量高。而且，3个物源区母岩性质存在差异，叠加距离物源区的变化，导致每个物源控制沉积体系砂岩类型的不同，进而影响后期孔隙演化过程和有利储层形成机制，受龙门山北段物源控制的元坝西北部，须二下亚段长石岩屑砂岩发育长石粒内溶孔，岩屑溶孔和残余粒间孔等多种孔隙类型，储集性能好。受北秦岭造山带物源控制的通南巴地区须二段，砂岩石英含量较高，强构造作用下裂缝广泛发育，渗透能力极好。受大巴山物源控制的巴中地区须四段，砂岩长石含量高，长石粒内溶孔较发育，后期叠加裂缝作用，孔、渗值均较高。本文明确多物源供给差异是控制川东北须家河组有利储层发育的关键因素，为下一步勘探和开发奠定坚实的基础。

Abstract

The sedimentary characteristics of the Xujiahe Formation in the northeastern Sichuan Basin were systematically studied， and the sedimentary evolution model based on orogenic belts tectonic movement was established through multiple methods such as core descriptions， field profile observations， logging interpretation and seismic prediction. Then the controlling roles of sedimentation on reservoirs were explored. The results indicate： during the Xujiahe Formation deposition in the northeastern Sichuan Basin， sediments originated from three source areas： the northern segment of the Longmen Mountains， the Northern Qinling Orogenic Belt and the Daba Mountains. Variations in the supply capacity of each source area control the difference of sandstone development degree. During the sedimentation period of Xu 2 Member， due to the relatively abundant sediment originating from the northern segment of the Longmen Mountains， the scale of the underwater distributary channels in the western part was large. During the sedimentary period of Xu 4 Member， sediment supply shifted to be dominated by the Daba Mountains， with large-scale northeast-trending superimposed sand bodies forming in the central and eastern regions. The different parent rock properties， coupled with the varying distances from source area to study area， result in distinct sandstone types in the northeastern Sichuan Basin， which influences pore evolution process of the sandstone and the formation mechanisms of favorable reservoirs. The sediment of Yuanba Area came from the northern segment of the Longmen Mountains， and various types of pores such as feldspar intragranular dissolution pores， lithic dissolution pores， and residual intergranular pores were developed in feldspar lithic sandstone. Therefore， the porosity of Xu 2 Member sandstone in the northwestern Yuanba Area is the highest. Within the Northern Qinling Orogenic Belt’ s source-sedimentary system， high quartz content promotes fracture formation under intense tectonic activity， effectively enhancing reservoir permeability. The sandstone of Xu 4 Member in Bazhong Area， which originated from the Daba Mountains， exhibits a relatively high feldspar content， with well-developed dissolution pores and superimposed cracks in the later stage. Therefore， the sandstone of Xu 4 Member in Bazhong Area is of higher porosity and permeability. This study has identified variations in multi-source supply as the key factor controlling the development of favorable reservoirs of the Xujiahe Formation in the northeastern Sichuan Basin， laying a solid foundation for subsequent exploration and development.

Graphical abstract

关键词

须家河组 / 上三叠统 / 沉积微相 / 物源分析 / 致密砂岩 / 四川盆地

Key words

Xujiahe Formation / Upper Triassic / sedimentary microfacies / provenance analysis / tight sandstone / Sichuan Basin

0 引 言

四川盆地上三叠统须家河组成藏条件较好，是重要的致密砂岩气勘探与开发层系。近年来元坝、巴中和通南巴等地区须家河组的探明地质储量稳定增长^{［1 - 4］}，使得须家河组成为研究的热点。受周缘造山带差异隆升影响，川东北须家河组具有物源多、相带变化快的特点。前人对物源开展过研究，但是在物源数量和物源区的认识方面存在争议。周霞等运用古水流法、岩矿分析法及重矿物法，认为川东北须四段沉积时期受龙门山造山带，米仓山—大巴山造山带和大巴山东缘3个物源控制，发育3个辫状河三角洲体系^［5］。田亚杰等基于川东北周缘4个野外剖面的分析化验数据，认为存在2个物源，西北部物源为松潘—甘孜褶皱带、西秦岭和龙门山造山带，东北部物源为秦岭造山带^［6］。淡永等认为须家河组沉积时期存在北西方向的龙门山、北东方向的秦岭古陆、米仓山和大巴山4个物源^［7］。

前人对川东北须家河组沉积相展布开展过大量研究，但是随着勘探的深入，部分认识与新钻井存在矛盾。毛琼等依据野外剖面和钻井等资料，明确川东北须家河组主要发育辫状河三角洲和湖泊沉积，认为须二段沉积期，平溪—通江地区为浅湖^［8］，但是M1等钻井证实该地区以三角洲沉积为主，辫状河道非常发育。朱如凯等认为元坝地区须四段为浅湖沉积^［9］，新钻井亦证实三角洲的存在。此外，前人对普光和元坝等地区开展过沉积微相、尤其是水下分流河道展布的表征^{［10 - 12］}，但是整个川东北须家河组沉积微相展布的研究较薄弱；四川和鄂尔多斯等盆地的油气开发实践证实，水下分流河道是主要的有利相带^{［13 - 15］}，如果该微相认识不清，将严重制约下一步高效勘探和有效开发。故有必要利用新钻井等资料，深化川东北须家河组物源和沉积发育规律的认识。

本文基于大量的野外剖面、钻井、分析化验和地球物理等资料，在对物源和沉积相类型深化认识的基础上，依据钻井沉积微相类型、砂地比等值线图和重点探区河道砂体地震预测结果，精细描述了须家河组重点层段沉积微相展布；并基于周缘造山带差异构造运动，建立了须家河组沉积演化模式。最后，探讨了沉积对储层的控制作用。本文精细表征了川东北须家河组水下分流河道等有利相带的展布，首次明确了须家河组沉积期受3个物源控制，各物源体系的砂岩类型与成岩演化过程存在变化，造成了差异化的有利储层形成机制，研究成果为川东北致密砂岩气的勘探和开发奠定坚实的基础。

1 地质背景

四川盆地东北部被西北部的龙门山、北部的米仓山和东北部的大巴山夹持，构造位置属于扬子板块的北缘，横跨川北低缓构造带，川中平缓构造带和川东高陡构造带3个一级构造带^{［16 - 18］}。须家河组沉积以后经历了印支期、燕山期和喜山期多期、多方向构造应力叠加改造^{［19 - 23］}，自北向南发育九龙山背斜、池溪凹陷、通南巴背斜和通江凹陷等褶皱构造，以及NW和NE向断层。西部的元坝地区断层欠发育，构造变形程度较弱；中部的巴中地区断层较发育，变形程度中等；东部的通南巴和普光地区断层非常发育，是强变形区（图1（a））。

须家河组为一套以陆相沉积为主的碎屑岩地层，与下伏的中三叠统雷口坡组和上覆下侏罗统自流井组均呈不整合接触。川东北须家河组自下而上划分为须一、须二、须三、须四和须五段，须二段进一步分为须二下、中和上三个亚段，须四段分为须四下和上两个亚段。须一、须二和须三段自西向东减薄，而须四、须五段则相反，自西向东增厚。通南巴、巴中和普光须一段和须二下亚段不发育，元坝西北部缺失须五段。全区须一、须五段以滨浅湖泥岩为主，巴中和通南巴须三段以滨浅湖泥岩为主，而元坝、阆中和普光地区须三段辫状河三角洲较发育。川东北须二、须四段以辫状河三角洲为主^［2，6］（图1（b））。

2 沉积相类型与展布特征

2.1 物源分析

通过对野外剖面和取心井砂岩样品的重矿物分析和薄片鉴定，分层段开展重矿物、矿物组分和岩屑含量等数据的聚类分析，系统研究了川东北须家河组的物源特征。

（1）重矿物特征。

砂岩中的重矿物因其耐磨蚀、稳定性强，能够较多地保留其母岩的典型特征，不同的母岩类型具有特定的重矿物组合及相对含量，因此在物源分析中占有重要地位^{［24 - 26］}。锆石、电气石、金红石是3种最稳定的重矿物，其百分含量记作“ZTR”，高ZTR指数指示较高的矿物成熟度和较远的搬运距离^{［27 - 28］}。

依据重矿物聚类分析结果，川东北须二段可以划分为3个区域（图2（a））。元坝地区白钛矿、锆石、电气石和金红石含量较高，白钛矿含量 ≥ 35%，表明物源区曾经发生区域变质作用^［7］，锐钛矿遭受强烈蚀变，转化为白钛矿，再经历风化剥蚀、搬运作用在元坝地区聚集；元坝重矿物特征与西北的工农镇、离妻石剖面相似，推测为同一物源；且从西北向东南，ZTR指数从39%增加至53%，反映了矿物成熟度逐渐增加，推测物源来自西北。通南巴和巴中东部以锆石、电气石、金红石、绿帘石和尖晶石为主，与北部的甘溪、通江诺水河剖面相似，推测物源来自北部；ZTR指数均在70%以上，推测该地区沉积物经历了较远的搬运作用，碎屑颗粒中石英含量较高，亦反映该认识。普光地区以锆石、电气石和绿帘石为主，锆石含量高达40%，与东侧的万源李子溪剖面具有亲源性，推测沉积物来自东北部大巴山。须四段亦分为3个区域，每个区域重矿物特征与须二段相似（图2（b）），反映两个时期沉积具有继承性，但分布范围存在差异，须四段以锆石、电气石和绿帘石等为主的范围明显扩大。

（2）矿物组分和岩屑特征。

物源区母岩类型的差异以及随后的河流搬运、分异作用决定了沉积盆地中碎屑物组成的不同，故碎屑沉积物的成分可反映物源的组成、物源方向和古环境方面的信息^{［29 - 30］}。元坝和阆中地区须四段砂岩矿物组分特征较相似，岩屑含量较高，平均值 > 30%；石英含量从西北向东南方向逐渐增加，西北部的YB221井仅为42%，粒度较粗、分选差，磨圆度为棱角—次棱角状；东南部的X1井石英含量超过70%，粒度较细，磨圆和分选变好，反映后者经历更长距离的搬运。通南巴北部地区砂岩中石英含量较高，岩屑石英砂岩和石英砂岩较发育。通南巴南部、巴中和普光地区长石含量 ≧15%，较其他地区高，以岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主（图3）。总体上，根据矿物组分特征，川东北须四段分为3个区域，推测受3个物源控制。须二段砂岩矿物组分特征与须四段相似，亦划分为3个区域。

川东北不同地区须家河组砂岩的岩屑类型存在差异。元坝地区以变质岩岩屑和沉积岩岩屑为主，平均含量分别为48.9%和39.1%，火山岩岩屑含量较少。通南巴地区岩屑含量低，以沉积岩岩屑和火山岩岩屑为主。普光和巴中地区则以岩浆岩岩屑为主，平均含量达到43.0%。

综合重矿物、矿物组分和岩屑类型发育特征，结合周缘造山带差异演化过程，川东北须家河组沉积时期存在3个物源，分别为西北的龙门山北段，北部的北秦岭造山带和东北的大巴山。

由于多次搬运和成岩作用会改变重矿物组合，导致其无法准确反映原始物源特征；而且构造抬升、剥蚀作用及碎屑沉积过程会显著改变重矿物分布规律，故利用重矿物判断物源具有一定局限性。下一步有必要通过重矿物分析配合锆石U-Pb定年技术，进一步提高物源认识的可靠性。

2.2 沉积相类型

基于39口钻井岩心描述，系统总结了川东北须家河组颜色、沉积构造、粒度和含有物等相标志特征。砂岩颜色以灰白色和灰色为主，粉砂岩和泥岩以深灰色和黑色为主，整体反映水下还原沉积环境^{［31 - 32］}。沉积构造类型较多，砾岩中以正粒序层理为主，砂岩中正粒序层理和块状构造较发育（图4（a）和（b））、其次为平行层理和斜层理（图4（c）和（d）），厚层砂体由多个正粒序层理组成，反映了多期叠置河道沉积特征。粉砂岩中多见沙纹层理（图4（e）），泥岩中以块状构造为主（图4（f））。砂岩与下伏泥岩或粉砂岩多呈突变接触，部分底部含泥砾，泥砾磨圆差，呈定向排列（图4（g）），为河道底部滞留沉积。部分砂岩含碳屑，常成簇出现（图4（h）），泥岩可见植物碎屑（图4（i））。

依据6条野外剖面，川东北地区须二、须四段以块状、交错层理中—厚层中砂岩为主（图5（a）和（b）），须四段砂岩底部可见砾石，多为燧石和石英质岩，向上粒度变细，顶部偶尔发育厚度约0.4 m的泥岩（图5（c））；部分野外剖面观察到多期叠置分支河道、局部夹分流间湾（图5（d））。广元工农镇剖面须一段泥岩较发育，夹薄层石英砂岩。宣汉七里峡剖面须三段泥地比较须二、须四段增大，泥岩发育段遭受剥蚀较严重。

砂、砾岩段GR和RD等测井曲线多表现为箱形，少量钟形，漏斗形较少。泥岩段呈现两种特征：高频齿化低幅和低频低幅，前者多见，为碳质泥岩和粉砂岩互层，后者以纯泥岩为主。

依据取心段和野外剖面沉积特征，川东北须家河组共发育2类沉积相，4类亚相和8类微相，本文系统总结了每类沉积微相的岩性、沉积构造和测井曲线特征（表1）。

2.3 沉积相展布

（1）纵向分布。

基于单井相划分结果，结合地震相，明确沉积相纵向分布特征。元坝地区须二下亚段叠置水下分流河道非常发育，次为须四段，以辫状河道为主，两个层段局部发育薄层泥岩；须三段为辫状河三角洲沉积，但是分支河道不稳定，岩性为砂、泥岩互层。巴中地区须四下亚段叠置水下分流河道非常发育，须二上水下分流河道较发育，而须三、须五段为滨浅湖泥岩（图6（a））。通江地区须二、须四段均为水下分流河道和分流间湾互层，除了须四段底部，水下分流河道分布不稳定；须二中、须三和须五段为滨浅湖沉积（图6（b））。

（2）平面展布。

为了准确刻画钻井之间沉积相展布，本次基于不同的岩性组合，形成差异化的砂体预测技术。针对砂岩和泥岩互层段，波峰总能量地震属性能够较好地预测砂体展布，分支河道轮廓刻画较清楚。针对厚层砂岩发育段，采用相控叠前储层反演技术，首先通过井上砂地比数据机器学习沉积微相图和叠后确定性反演得到的纵波阻抗平面图，得到砂地比概率图，控制井上砂体展布；然后利用砂地比概率图，开展相控叠前地质统计学反演，实现各类岩石物理参数的准确反演；最后，利用纵横波速度比预测河道砂体分布，预测砂岩厚度与72口钻井的吻合率达到89%。

在砂体准确预测的基础上，结合物源和钻井沉积微相类型，精细刻画川东北须家河组沉积微相展布。须二段以辫状河三角洲为主，南部局部发育湖泊沉积；元坝和阆中属于龙门山北段物源体系，北西向水下分流河道宽度大、研究区内延伸长度可达78 km；通南巴和巴中受北秦岭造山带物源控制，距物源较远，发育北东向水下分流河道，研究区内延伸长度 ≤ 40 km；普光受大巴山物源影响，北东向水下分流河道较发育（图7（a））。

须三段沉积时期经历三角洲退积，以湖泊沉积为主，仅元坝、阆中和普光发育辫状河三角洲（图7（b））。受安县运动影响，须四段沉积期川东北经历广泛的三角洲进积，三角洲平原亚相范围扩大，元坝、通南巴和普光靠物源一侧均发育三角洲平原亚相；此时，大巴山物源对川东北地区影响较大，该沉积体系的水下分流河道向西南延伸到元坝，延伸长度达100 km；而龙门山北段物源影响范围减小，延伸长度 ≤ 50 km（图7（c））。

2.4 沉积演化过程

结合周缘造山带差异构造运动，建立了川东北须家河组沉积演化模式。须二段沉积时期，龙门山造山带快速隆升、并向东南强烈逆冲推覆，四川盆地由海相沉积转向陆相沉积，该物源供应充足，沉积物供应量远大于或大于可容纳空间增量，元坝和阆中发育大型辫状河三角洲；北秦岭造山带和大巴山造山带处于相对稳定的低幅隆升状态^{［33 - 37］}，中、东部河道规模中等。须三段沉积期，周缘造山带处于休眠期，辫状河三角洲局部发育。

须四段沉积期，大巴山造山带进入强烈逆冲推覆阶段^［31］，这套物源供应非常充足，通南巴南部、巴中和普光均受其控制，发育大型辫状河三角洲。伴随着龙门山进一步隆升，元坝地区地形变陡，靠近物源的西北部发育三角洲平原亚相，向东南阆中过渡为三角洲前缘亚相（图8）。

3 沉积对储层控制作用

3.1 沉积控制砂体有利区

须家河组沉积期，川东北受3个物源控制，三角洲分支河道全区发育。由于不同物源供应能力的差异，平面上砂体发育程度存在变化。

须二段沉积期，龙门山北段物源供应充足，该沉积体系控制的元坝和阆中地区叠置水下分流河道砂体较发育，尤其是元坝须二下和阆中须二上亚段，砂体厚度分别为80 ~ 203 m和121 ~ 161 m，泥岩夹层少、单层薄，砂地比高（表2，图6（a））；通南巴和巴中距离北秦岭物源远，砂体发育程度中等—一般，两个地区的砂地比仅为0.63和0.54。须三段仅元坝、阆中和普光发育辫状河三角洲，元坝、阆中地区为砾、砂、泥岩互层，砂地比为0.33；普光水下分流河道砂体较发育，砂地比较高，达到0.60；巴中和通南巴以滨浅湖泥岩为主，砂地比仅为0.11（图6（a），表2）。

须四段沉积时期，大巴山物源供应充足，该物源控制的巴中和普光等地区分支河道砂体较发育，尤其是巴中须四下亚段，砂体厚度范围是74 ~ 118 m，砂地比高（图6（a），表2）；而龙门山北段物源供应量减少，靠近物源一侧的元坝砂体较发育，东南的阆中砂体发育程度中等，分支河道延伸短（表2）。通江地区处于三角洲前缘靠近湖泊一侧，水下分流河道砂体厚度薄、横向稳定性差（图6（b）），砂地比仅为0.3 ~ 0.5。

3.2 沉积控制砂岩类型

依据砂岩重矿物、矿物组分和岩屑类型特征，结合前人认识^{［5 - 7］}，龙门山北段、北秦岭造山带和大巴山三个物源的母岩类型不同，须二段沉积时期，龙门山北段主要供应变质岩，受其控制的元坝和阆中以变质岩岩屑含量较高的岩屑砂岩为主；须三段主要供应碳酸盐岩，故元坝须三段为一套以碳酸盐岩屑为主的岩屑砂、砾岩（图9（a））。须四段沉积期，大巴山母岩为岩浆岩，巴中和普光长石含量较高，以岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主（图9（b））。受北秦岭物源控制的通南巴地区由于距离物源远，砂岩成份成熟度较高，岩屑石英砂岩和石英砂岩较发育（图9（c））。

须二段沉积时期，北秦岭造山带物源控制的通南巴地区距离物源远，大巴山控制的普光和龙门山北段控制的元坝距离物源较近；根据薄片鉴定结果，前者砂岩粒度较细，细砂岩占比达到48%；而后两个地区砂岩粒度较粗，细砂岩占比仅为20%左右。须四段沉积时期，随着三角洲进积，元坝西北部、通南巴北部和普光东北部砾岩较发育。基于不同粒度和沉积微相砂岩物性统计结果，中、粗粒砂岩储集性能优于砾岩、细砂岩和粉砂岩（图10（a）），水下分流河道物性较好（图10（b））。

3.3 沉积影响成岩作用

矿物组分和粒度影响后期成岩作用路径与孔隙演化过程，北秦岭造山带物源控制的通南巴地区，粒度偏细，细粒岩屑砂岩埋深过程中遭受压实严重，致密化时间较早；中、粗粒石英砂岩抗压实能力最强^{［38 - 40］}，致密化较晚，随着后期大巴山逆冲推覆作用，发生破裂，渗流能力得到极大的改善（图11（a），图12（a））；中粒岩屑砂岩遭受压实作用中等，后期酸性热液沿着断层进入储层，裂缝附近的部分岩屑发生溶蚀，形成孔隙—裂缝型储层（图11（a））。大巴山物源控制的巴中地区须四段，长石含量较高；晚侏罗世，煤系烃源岩开始生排烃，形成有机酸，选择性溶蚀部分碎屑颗粒，形成长石粒内溶孔和岩屑溶孔（图11（b），图12（b）），储集空间类型多样，孔隙度高，平均值为4.7%，储层厚度达到37.5 m，后期形成的断层的伴生缝进一步改善储层，形成裂缝—孔隙型储层；而中、粗粒岩屑砂岩仅发育少量岩屑溶孔，平均孔隙度值为2.7%。龙门山北段物源控制的元坝地区须二段岩屑砂岩，变质岩岩屑含量较高，遭受压实严重，后期仅发育部分岩屑溶孔（图12（c）），孔隙度低，多数 ≤ 3.0%，基质储层厚度 ≤ 10 m；元坝西北部须二下亚段以长石岩屑砂岩为主，发育长石粒内溶孔、岩屑粒内溶孔和部分残余粒间孔，储集性能好，平均孔隙度值为6.5%，储层厚度达到29.3 m，由于遭受后期断层作用较弱，裂缝欠发育，形成孔隙型储层。

川东北元坝西北部须二下亚段长石岩屑砂岩较巴中须四段长石岩屑砂岩孔隙度高，但是前者含水饱和度较后者高，下一步需深化流体作用对有利储层形成的影响。

4 结 论

（1）川东北须家河组沉积期受龙门山北段、北秦岭造山带和大巴山3个物源影响，须二段沉积时期，龙门山北段物源供应充足，西部叠置水下分流河道砂体较发育。须三段沉积期，周缘造山带活动弱，三角洲砂体局部发育。须四段沉积期，研究区经历区域性三角洲进积，平原亚相范围扩大，辫状河道砾岩广泛发育；且随着大巴山强烈逆冲推覆，该物源主导研究区，中、东部北东向叠置分支河道砂体较发育。

（2）沉积发育规律不仅控制砂体有利区，而且造成须家河组砂岩类型的差异，进而影响后期成岩作用路径和孔隙演化过程。巴中地区须四段以长石岩屑砂岩为主，发育长石粒内溶孔和部分岩屑溶孔，储集能力强，叠加后期形成的裂缝，有利储层较发育。北秦岭造山带控制的通南巴北部地区，细粒砂岩较其他地区发育，遭受压实严重，物性差；中、粗粒石英砂岩破裂与沿缝溶蚀作用较强，形成孔隙—裂缝型储层。

本文明确了元坝、阆中须二段为孔隙型储层有利区，巴中须四段为裂缝—孔隙型储层有利区，而通南巴地区为孔隙—裂缝型储层有利区，该认识为川东北须家河组致密砂岩气藏下步勘探开发有利区的优选奠定基础。

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基金资助

中国石油化工股份有限公司科技开发部项目(P23130)

中国石油化工股份有限公司科技开发部项目(P23201)