四川盆地中部嘉二段儲層特征及成因

丁 熊 譚秀成 周 彥 陳景山 唐青松 胡雯雯

（1.西南石油大學 資源與環(huán)境學院，成都610500；2.西南油氣田公司 川中油氣礦勘探科，四川 遂寧629001；3.西南油氣田公司 川東北油氣礦勘探科，四川 達州635000）

據(jù)Halbouty的資料統(tǒng)計，世界上313個大型碳酸鹽巖油氣田探明可采油氣總量為143.45×109t，其中，油約占52%，為75.01×109t；氣占48%，為68.44×109t油當量。碳酸鹽巖儲層中的油氣約占世界常規(guī)油氣儲量的60%，產量約占50%［1］，表明了碳酸鹽巖儲層在全球油氣勘探中具有十分重要的地位。

近年來，國內外學者對碳酸鹽巖儲層進行了較多研究，具代表性的有：阿拉伯板塊阿爾布階－土侖階的白云巖儲層［2］、美國Texas盆地東緣上侏羅統(tǒng)Haynesville組臺緣鮞粒灘儲層［3］、墨西哥灣東北部上侏羅統(tǒng)Smackover組臺緣顆粒灘儲層［4］、大?？颂K馬群島巴哈馬的顆粒灘儲層［5］、美國南達科他州北部的Mission Canyon組的碳酸鹽巖儲層［6］、美國路易斯安那州下白堊統(tǒng)Sligo組臺緣鮞粒灘儲層［7］、美國威利斯頓盆地奧陶系Red River組的碳酸鹽巖儲層［8］、伊朗西南部晚阿爾布階－早期土侖階Sarvak組的碳酸鹽巖儲層［9］、阿曼北部白堊紀的碳酸鹽巖儲層［10］、四川盆地東北地區(qū)普光、渡口河、鐵山坡、羅家寨、黃龍場等二疊系長興組生物礁儲層和三疊系飛仙關組鮞粒巖儲層［11－13］、四川盆地南部地區(qū)寒武系顆粒巖儲層［14－17］、塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖儲層［18，19］、鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組顆粒巖儲層［20，21］等，展示了碳酸鹽巖儲層巨大的勘探潛力。

下三疊統(tǒng)嘉陵江組第二段（簡稱嘉二段，T1j2）是四川盆地中部地區(qū)重要的天然氣產層之一。嘉陵江組氣藏的勘探工作可追溯到20世紀50年代，通過60多年的勘探開發(fā)，氣藏產出程度較高。近年來，勘探表明本區(qū)嘉二段碳酸鹽巖儲層勘探潛力較大，但目前對儲層的成因機理認識不清，嚴重地制約了嘉陵江組氣藏的進一步勘探開發(fā)。鑒于此，本文通過巖心、薄片、物性、壓汞等基礎資料分析結果，深入研究嘉二段儲層特征以及儲層成因機制，旨在為該區(qū)嘉二段下一步勘探開發(fā)提供可靠的地質依據(jù)。

1 區(qū)域地質背景

研究區(qū)的區(qū)域構造位置隸屬于四川盆地川中古隆中斜平緩構造帶（圖1），東部與川東古斜中隆高陡斷褶帶相連，南部為川南古拗中隆低陡穹形帶，西接安岳－通賢平緩構造帶，北部緊鄰南充－廣安構造，勘探面積約為1.5×104km2（圖1）。區(qū)內下三疊統(tǒng)嘉陵江組（T1j）為海相沉積，以發(fā)育碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖為主。根據(jù)電性、巖性、古生物及沉積旋回特征，可將本區(qū)嘉陵江組自下而上分為5個巖性段，其中嘉二段鉆厚79～116m，與下伏嘉一段、上覆嘉三段地層呈整合接觸。嘉二段又可細分為嘉二1亞段、嘉二2亞段A層、嘉二2亞段B層、嘉二2亞段C層和嘉二3亞段，總體上表現(xiàn)出東厚西薄的變化趨勢，巖性組合表現(xiàn)為深灰色泥晶灰?guī)r、灰褐色鮞粒灰?guī)r、褐灰色砂屑云巖、土黃色粉晶云巖與膏質云巖、硬石膏巖互層的特征。儲層主要發(fā)育于嘉二2亞段A層的鮞?；?guī)r、嘉二2亞段C層－嘉二3亞段的砂屑云巖和嘉二2亞段B層的粉晶云巖中（圖1）。目前，區(qū)內已獲29口工業(yè)氣井，獲天然氣產能約1.45×106m3／d，展現(xiàn)出較好的勘探潛力。

2 沉積相特征

四川盆地嘉陵江組發(fā)育陸表海碳酸鹽巖臺地沉積，盆地中部地區(qū)嘉二段以發(fā)育局限－蒸發(fā)臺地相為特征。照M.E.Tucker的碳酸鹽巖臺地相模式［22］，可分為顆粒灘、臺坪、半局限潟湖、局限潟湖、蒸發(fā)潟湖等亞相，可進一步識別出鮞粒灘、砂屑灘、云坪、灰質潟湖、云質潟湖、膏質潟湖等微相。

鮞粒灘主要由淺灰－褐灰色、中厚層狀－塊狀亮晶鮞粒灰?guī)r組成，巖心上可見明顯的鮞狀結構和針狀孔隙，顯微鏡下鮞粒常呈圓形－橢圓形，分選較好，含量（面積分數(shù)）為50%～70%，砂屑含量（面積分數(shù)）＜10%，鮞粒被選擇性溶蝕，多表現(xiàn)為同心鮞或空心鮞；顆粒間通常被纖狀和粒狀兩期方解石膠結物部分充填或全充填，膠結物含量（面積分數(shù)）為10%～30%。研究區(qū)嘉二段鮞粒灘發(fā)育于嘉二2亞段A層，處于古微地貌高地的區(qū)域，受海平面下降以及灘體垂向加積的影響，灘體極易暴露至海平面附近，受大氣淡水淋濾作用的改造，發(fā)育組構或非組構選擇性溶蝕，發(fā)育粒內溶孔、鑄模孔等溶蝕孔隙（圖2－A，B）。

砂屑灘主要由發(fā)育于嘉二1亞段的灰色－淺褐灰色、薄層狀亮晶砂屑灰?guī)r和嘉二2亞段C層－嘉二3亞段的褐灰－土黃色、中厚層狀－塊狀亮晶砂屑云巖組成。亮晶砂屑灰?guī)r在巖心上可見明顯的砂屑結構，顯微鏡下砂屑主要由泥晶方解石組成，多呈次圓形，磨圓和分選中等到較好，含量（面積分數(shù)）為55%～80%，可含少量的棘皮、有孔蟲、腕足、介形蟲等生物碎屑，顆粒間主要被粒狀亮晶方解石膠結物充填，膠結物含量（面積分數(shù)）為15%～35%，孔隙一般不發(fā)育。受蒸發(fā)泵、滲透回流白云巖化作用的改造，方解石轉變?yōu)榘自剖?，亮晶砂屑灰?guī)r常常變?yōu)榱辆靶荚茙r，顯微鏡下可見殘余粒間孔、粒內溶孔等（圖2－C）。

圖1 研究區(qū)位置及嘉二段典型剖面圖Fig.1 The sketch showing the location of study area and the typical profile of T1j2

圖2 嘉二段主要儲集巖顯微照片F(xiàn)ig.2 The microstructure features of grainstones in T1j2

云坪主要由土黃色、中厚層狀－塊狀粉晶云巖組成，巖心上可見水平層理、變形層理、干裂構造等，顯微鏡下可見砂屑、生屑等顆粒殘余，這是由于原顆粒內部的包裹體或其他難被白云石交代的組分尚殘存而顯示原礦物的模糊輪廓，晶粒大小以粉晶為主（圖2－D）。研究區(qū)嘉二段云坪發(fā)育于嘉二2亞段B層，強烈的蒸發(fā)作用下形成的高鹽度孔隙水有利于準同生白云巖化作用的進行［23，24］，將先期灰質沉積物交代成粉晶云巖，粉晶間孔隙發(fā)育，后期埋藏流體可將其進一步溶蝕成晶間溶孔。

3 儲層特征

3.1 物性特征

嘉二2亞段A層亮晶鮞?；?guī)r、嘉二2亞段C層—嘉二3亞段亮晶砂屑云巖和嘉二2亞段B層粉晶云巖均具有一定的儲集能力，它們是研究區(qū)嘉二段主要的儲集巖。分別統(tǒng)計這3種儲集巖的巖心平均孔隙度、平均滲透率，亮晶鮞?；?guī)r的平均孔隙度為4.03%，平均滲透率低，為0.07×10－3μm2，孔隙間喉道連通性欠佳，滲透條件差；亮晶砂屑云巖的平均孔隙度為4.12%，平均滲透率為2.54×10－3μm2，滲透條件較好；粉晶云巖的平均孔隙度為4.57%，平均滲透率為3.07×10－3μm2，滲透條件最好。

3.2 孔隙類型

研究區(qū)嘉二段碳酸鹽巖儲層有以下4類主要的孔隙類型。①殘余粒間孔和粒間溶孔：殘余粒間孔為顆粒間經膠結物壓實、膠結或充填后殘留的孔隙，多呈不規(guī)則多邊形狀，孔徑一般介于0.01～0.2mm之間。粒間溶孔為后期埋藏流體將先期顆粒間膠結物溶蝕形成的孔隙，多呈不規(guī)則港灣狀（圖2－C）。②粒內溶孔：為砂屑、鮞粒等碳酸鹽顆粒內部被溶蝕形成的孔隙，形態(tài)不規(guī)則，孔徑0.05～0.5mm，可被硬石膏、自生石英、螢石、方解石所充填（圖2－A，C）。③鑄?？祝簽樯靶?、鮞粒等碳酸鹽顆粒被全部溶解，僅保留顆粒外部形態(tài)的孔隙，孔隙多呈圓形—次圓形（圖2－B）。④晶間（溶）孔：晶間孔為白云石晶體間的孔隙，晶間溶孔為在晶間孔基礎上溶解擴大形成的孔隙，孔隙形態(tài)不規(guī)則，大小不等，孔徑0.02～0.20 mm，部分被方解石、硅質、有機質、硬石膏等充填－半充填（圖2－D）。

通過統(tǒng)計研究區(qū)嘉二段596件儲集巖薄片鑒定結果表明（圖3），鮞粒灰?guī)r儲層以粒內溶孔和鑄?？诪橹?，分別占樣品總數(shù)的51.62%和45.8%；殘余粒間孔和粒間溶孔所占比例較少，為2.55%；不具有晶間（溶）孔。砂屑云巖儲層以殘余粒間孔和粒間溶孔為主，占樣品總數(shù)的62.86%；粒內溶孔和鑄?？状沃?，分別為28.33%和8.4%；晶間（溶）孔極少，為0.5%。粉晶云巖儲層以晶間（溶）孔為主，占樣品總數(shù)的99.79%；其他類型的孔隙所占比例極小。

圖3 嘉二段各類儲集巖孔隙類型分布頻率直方圖Fig.3 The histogram showing the frequency distribution of pore types of various reservoir rocks in T1j2

3.3 孔滲關系

分別對研究區(qū)嘉二段3種儲集巖的巖心實測孔隙度與滲透率的關系進行分析，結果表明這3類儲集巖在孔滲關系上存在一定差異（圖4）。

鮞?；?guī)r儲層樣品的孔滲線性正相關性差，相關系數(shù)（R）為0.294 9，隨著孔隙度的增大，滲透率變化不大；結合鑄體薄片鑒定結果表明，孔隙類型主要由粒內溶孔或鑄模孔組成?？紫抖龋?%的樣品點滲透率分布范圍為（0.000 1～0.098 0）×10－3μm2，樣品點的滲透率均為＜0.1×10－3μm2，儲層的滲透性差，具有 “中孔低滲”的孤立孔隙特征。

砂屑云巖儲層樣品的孔滲關系較好，總體上表現(xiàn)為隨孔隙度增大滲透率緩慢增加的線性正相關性，相關系數(shù)為0.773 6；結合鑄體薄片鑒定結果表明，孔隙類型主要由殘余粒間孔或粒間溶孔組成?？紫抖龋?%的樣品點滲透率分布范圍為（0.013～13.88）×10－3μm2，其中，滲透率位于（0.1～10）×10－3μm2的樣品點居多。

粉晶云巖儲層樣品的孔滲關系好，總體上表現(xiàn)為隨孔隙度增大滲透率緩慢增加的線性正相關性，相關系數(shù)為0.880 6；結合鑄體薄片鑒定結果表明，孔隙類型主要為晶間（溶）孔。孔隙度＞3%的樣品點滲透率分布范圍為（0.011～19.2）×10－3μm2，其中，滲透率位于（0.1～10）×10－3μm2的樣品點居多，表現(xiàn)出“中孔中滲”特征。

3.4 孔喉結構

儲層孔隙結構是指儲層所具有的孔隙和喉道的大小、形態(tài)、分布及其相互連通關系。巖石中喉道的大小和形態(tài)決定了孔隙之間連通性的好壞，是影響儲層滲透性的關鍵因素［25－30］。

區(qū)內嘉二段鮞粒灰?guī)r儲層孔隙間喉道欠發(fā)育，以微喉為主，孔喉配置關系差（圖2－A，B）；砂屑云巖儲層孔隙間喉道發(fā)育，喉道以縮頸喉道為主，孔喉配置關系較好（圖2－C）；粉晶云巖儲層孔隙間喉道以片狀喉道為主，孔喉配置關系較好（圖2－D）。分別將19個砂屑云巖儲層、20個鮞粒灰?guī)r儲層、23個粉晶云巖儲層巖心壓汞分析樣品進行統(tǒng)計，結果表明，鮞粒灰?guī)r儲層壓汞樣品的孔隙度分布范圍為3.13%～12.06%，平均為5.46%；滲透率分布范圍為（0.002～0.093）×10－3μm2，平均值為0.049×10－3μm2；排驅壓力值大，分布范圍 為 1.24～179.53MPa，平 均 值 為 50.32 MPa；中值喉道半徑小，分布范圍為0.000 1～0.64μm，平均值為0.013μm；退汞效率低，分布范圍為0.33%～18.37%，平均值為5.21%。

圖4 嘉二段各類儲集巖孔滲分布圖Fig.4 Relationship between porosity and permeability of various reservoir rocks in T1j2

砂屑云巖儲層壓汞樣品的孔隙度分布范圍為3.43%～13.17%，平均值為5.27%；滲透率分布范圍為（0.01～10.02）×10－3μm2，平均值為2.42×10－3μm2；排驅壓力值較小，分布范圍為0.36～31.53MPa，平均值為13.85MPa；中值喉道半徑較大，分布范圍為0.21～6.64μm，平均值為2.63μm；退汞效率較高，分布范圍為7.33%～41.37%，平均值為25.62%。

粉晶云巖儲層壓汞樣品的孔隙度分布范圍為3.59%～11.35%，平均值為5.52%；滲透率分布范圍為（0.02～11.93）×10－3μm2，平均值為3.02×10－3μm2；排驅壓力值較小，分布范圍為0.31～15.19MPa，平均值為8.72MPa；中值喉道半徑較大，分布范圍為0.33～8.82μm，平均值為2.94μm；退汞效率較高，分布范圍為9.06%～49.09%，平均值為28.83%。

從圖5中可見，將3類儲集巖（鮞?；?guī)r孔隙度為8.53%、砂屑云巖孔隙度為8.45%、粉晶云巖孔隙度為8.93%）分別做壓汞分析。鮞?；?guī)r儲層壓汞樣品的滲透率值為0.081×10－3μm2，壓汞曲線表現(xiàn)為排驅壓力高，中值壓力高，呈凸型的曲線形態(tài)特征。砂屑云巖儲層壓汞樣品的滲透率值為4.21×10－3μm2，壓汞曲線表現(xiàn)為排驅壓力中等，中值壓力較高，呈臺階型的曲線形態(tài)特征。粉晶云巖儲層壓汞樣品的滲透率值為8.21×10－3μm2，壓汞曲線表現(xiàn)為排驅壓力較低，中值壓力較低，呈凹型的曲線形態(tài)特征（圖5）。結果表明，以發(fā)育晶間（溶）孔、片狀喉道為主的粉晶云巖儲層孔喉配置最好，以發(fā)育殘余粒間孔、粒間溶孔和管狀喉道、縮頸狀喉道為主的砂屑云巖儲層孔喉配置次之，鮞?；?guī)r以發(fā)育粒內溶孔、鑄模孔和喉道欠發(fā)育為特征，孔喉配置關系差。

圖5 嘉二段各類儲集巖典型壓汞曲線Fig.5 The curves of typical pressure mercury of various reservoir rocks in T1j2

表1總結了研究區(qū)嘉二段3類碳酸鹽巖儲層的基本特征。

4 儲層成因分析

4.1 沉積微相是儲層形成的沉積基礎

研究區(qū)嘉二段碳酸鹽巖儲層具有典型的相控型儲層特征，沉積微相是儲層形成的沉積基礎。根據(jù)巖心孔隙度分析資料表明，不同微相的孔隙度由高至低分別為：云坪、砂屑灘、鮞灘、云質潟湖、灰質潟湖、膏質潟湖（圖6），云坪、砂屑灘、鮞灘是最有利于形成儲層的沉積微相，分別形成于云坪微相、砂屑灘微相和鮞灘微相中的粉晶云巖、砂屑云巖和鮞?；?guī)r為儲層的形成提供了早期物質基礎。

表1 嘉二段碳酸鹽巖儲集巖基本特征Table 1 The basic physical properties of carbonate rock reservoirs in T1j2

圖6 嘉二段不同沉積微相的巖心孔隙度分布直方圖Fig.6 The histogram showing distribution of core porosity of various sedimentary microfacies in T1j2

4.2 次一級微地貌高地為儲層形成提供了有益的微地貌條件

陸表海碳酸鹽臺地內部并非“一馬平川”，實際上也存在次一級的凹凸起伏變化，古地形既存在次一級相對較高的局部微地貌高地，也存在相對低洼的臺內洼地［32］。次一級微地貌高地為儲層形成提供了有益的微地貌條件。

微地貌高地在海退早期或是海侵晚期，均處于浪基面以上或附近，沉積水動力較強，能量較高，有利于顆粒灘發(fā)育，同時也有利于云坪微相的形成。顆粒灘受垂向加積和海退等因素影響，灘體極易出露海面，使顆粒巖接受大氣淡水淋濾改造，發(fā)生組構選擇性溶蝕，有利于顆粒巖儲層中粒內溶孔或鑄?？椎男纬?；同時，微地貌高地沉積速率大，有利于顆粒巖的垂向堆積，厚度大的顆粒灘體中顆粒巖抗壓實能力較強，有利于原生粒間孔的保存，殘余粒間孔奠定了顆粒巖儲層的先期孔隙基礎。在干旱少雨、蒸發(fā)環(huán)境中，位于臺坪的灰?guī)r可受蒸發(fā)泵白云巖化或是滲透回流白云巖化作用的影響，形成粉晶云巖，白云石晶體提供的晶間孔為粉晶云巖儲層的形成奠定了孔隙基礎。

臺內洼地無論在海侵或是海退，水體始終保持著一定深度，沉積水動力較弱，能量較低，以沉積細粒物質為主。由于長時間處于水下環(huán)境，巖石受大氣淡水淋濾改造相對較少，不利于粒內溶孔或鑄模孔的形成；細粒沉積物組成的巖石抗壓實程度較小，也不利于原生孔隙的保存；后期的云化作用只能交代先期細粒巖石，形成的泥晶云巖所能提供的孔隙較少，不利于儲層的形成。

4.3 同生期喀斯特作用、原生粒間孔保存和白云巖化作用是儲層形成的關鍵

同生期喀斯特作用發(fā)生于同生期大氣成巖環(huán)境中，受次級沉積旋回的控制，在沉積物垂向加積或海退時，處于碳酸鹽巖臺地內部的顆粒灘和臺坪等淺水沉積體極易受到富含CO2的大氣淡水的淋濾，發(fā)生以組構選擇性溶蝕，形成大量的粒內溶孔、鑄模孔［31］。本區(qū)鮞?；?guī)r儲層主要是同生期喀斯特作用改造的結果，孔隙類型以粒內溶孔和鑄?？诪橹鳎▓D3），儲層往往發(fā)育于灘體向上變淺序列的中上部。

單灘體較厚、同生期膠結作用不活躍、初期壓實效應顯著的顆粒灘有利于原生粒間孔的保存［33］，保存下來的殘余粒間孔及喉道奠定了本區(qū)砂屑云巖儲層的先期孔滲基礎，后期埋藏溶蝕流體更易在孔隙和喉道中流動、擴溶，儲層以發(fā)育殘余粒間孔、粒間溶孔和管狀喉道、縮頸狀喉道為主（圖3）；而單灘體較薄、同生期膠結作用較活躍、初期壓實效應不顯著的顆粒灘不利于原生粒間孔的保存。本區(qū)鮞粒灰?guī)r儲層由于原生粒間孔及喉道被膠結物充填，后期埋藏溶蝕流體流動不暢，儲層以發(fā)育粒內溶孔、鑄?？缀秃淼狼钒l(fā)育為特征。

在干旱少雨的情況下，隨著蒸發(fā)作用的進行，海水鹽度不斷升高，先期沉積于臺坪的灰?guī)r受蒸發(fā)泵白云巖化或滲透回流白云巖化作用的影響，形成粉晶云巖，產生白云石晶間孔。本區(qū)粉晶云巖儲層主要是這2種白云石化作用改造的結果，形成的孔隙類型以晶間（溶）孔為主，片狀喉道使孔隙之間連通性變好，儲滲能力優(yōu)越。

表2總結了研究區(qū)嘉二段主要的3類碳酸鹽儲集巖的成因機制。

表2 嘉二段碳酸鹽巖儲層成因Table 2 The genesis of carbonate rock reservoirs in T1j2

5 結論

a.鮞?；?guī)r儲層、砂屑云巖儲層和粉晶云巖儲層是四川盆地中部地區(qū)下三疊統(tǒng)嘉陵江組第二段主要的碳酸鹽巖儲層。

b.鮞?；?guī)r儲層以孤立的粒內溶孔和鑄模孔為主要儲集空間，孔隙間喉道欠發(fā)育，以微喉為主，中孔微喉的配置關系導致儲層多表現(xiàn)為高－中孔低滲，滲透率偏低的特征。砂屑云巖儲層以殘余粒間孔和粒間溶孔為主要儲集空間，孔隙間喉道發(fā)育，以縮頸喉道為主，較好的孔喉配置關系使儲層多表現(xiàn)為中孔中滲，儲滲能力較好的特征。云坪微相內發(fā)育的粉晶云巖以晶間孔和晶間溶孔為主要儲集空間，孔隙間喉道以片狀喉道為主，孔喉配置關系較好，儲層多表現(xiàn)為中孔中滲的特征。

c.沉積微相是儲層形成的沉積基礎，分別形成于云坪微相、砂屑灘微相和鮞灘微相中的粉晶云巖、砂屑云巖和鮞?；?guī)r為儲層的形成提供了物質基礎；臺地內次一級微地貌高地為儲層的形成提供了有益的微地貌條件；同生期大氣淡水淋溶、原生粒間孔保存和白云巖化作用分別是鮞?；?guī)r儲層、砂屑云巖儲層和粉晶云巖儲層形成的關鍵。

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