南山坪古油藏?zé)粲敖M白云巖儲(chǔ)層成巖作用研究

田少亭，張雄華

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430074）

南山坪地理位置位于湖南省張家界市慈利縣內(nèi)，構(gòu)造位置位于揚(yáng)子板塊中部，處于江南隆起帶西部雪峰－武陵山隆起的北部邊緣，以慈利－保靖斷裂為界，與八面山褶皺帶的桑植－石門復(fù)向斜相鄰，屬于剪刀寺－車家峪斷褶帶［1］。南山坪地區(qū)褶皺與斷裂構(gòu)造發(fā)育，呈北東向展布，而在區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造為南山坪復(fù)式背斜，在該背斜的核部燈影組白云巖中發(fā)現(xiàn)大量的瀝青。研究認(rèn)為，在地質(zhì)歷史時(shí)期南山坪地區(qū)曾有過油氣聚集，后受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，油氣圈閉被打破，油氣散失，形成現(xiàn)今的南山坪古油藏［2］。南山坪古油藏是典型的南方海相隆起帶邊緣的后期被破壞的油氣藏，前人雖然對(duì)南山坪古油藏的形成演化及破壞已經(jīng)做過較多工作，在南山坪古油藏的的熱演化歷史及烴源巖判定分析等方面取得了一系列的科研成果，但對(duì)南山坪古油藏的儲(chǔ)集層上震旦統(tǒng)燈影組白云巖的相關(guān)分析研究相對(duì)卻較少。

1 古油藏儲(chǔ)層瀝青特征

南山坪古油藏上震旦統(tǒng)燈影組白云巖儲(chǔ)層主要發(fā)育臺(tái)地邊緣淺灘－灘間沉積相［3］，巖性以白云巖為主，約占80%，而其中大部分為細(xì)粉晶白云巖及泥晶白云巖，其次為鮞粒白云巖。受古巖溶作用及構(gòu)造作用明顯，其中受震旦紀(jì)末桐灣運(yùn)動(dòng)地殼抬升影響，與上覆地層表現(xiàn)為平行不整合。儲(chǔ)集空間主要為細(xì)粉晶白云巖、鮞粒白云巖及上部角礫白云巖的溶蝕孔，粒間孔和構(gòu)造裂縫，屬于孔隙－裂縫型儲(chǔ)層，儲(chǔ)集性能良好。南山坪燈影組上段粉細(xì)晶白云巖的面孔率（不包括裂縫）一般為3%～6%，高者可達(dá)8%以上；裂縫密度一般為2%～5%，高者可達(dá)20%以上?？紫缎蛢?chǔ)層在南山坪沉積區(qū)最厚為211 m［4］。

1.1 孔隙型原生油氣藏殘留瀝青特征

原生孔隙型油氣藏的構(gòu)造圈閉為受加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響在斜坡帶形成的寬緩古背斜和燈影組頂古巖溶體所控制的地層構(gòu)造復(fù)合圈閉［3］。據(jù)田海芹、金強(qiáng)（2001）通過微量元素及稀土元素進(jìn)行的油源對(duì)比分析［5］，這類殘留于白云巖成巖早中期溶蝕孔中的瀝青所代表的原生孔隙型油氣藏來源于寒武系牛蹄塘組海相滯留型黑色碳質(zhì)泥頁巖及石煤層。

通過對(duì)儲(chǔ)層瀝青的分布、類型及成因的研究分析，可以幫助我們進(jìn)一步了解油氣藏的規(guī)模、演化歷史等［6］。原生孔隙型油氣藏殘留的的瀝青為儲(chǔ)層瀝青，主要分布在燈影組上部的古巖溶帶中，瀝青充填的有效面孔率達(dá)10%～20%，局部甚至達(dá)到25%～30%。瀝青充填的孔、洞、縫類型多樣，大小懸殊，分布不均勻，并且呈網(wǎng)絡(luò)狀相互連接，而通過野外及室內(nèi)顯微鏡下觀察，瀝青主要以五種方式產(chǎn)出。①溶孔型：肉眼于野外觀察瀝青呈粉末狀、殘?jiān)鼱?、結(jié)晶塊狀（部分具有亮煤光澤）充填于晶間溶孔（如圖1中A和B）、粒內(nèi)溶孔等。瀝青鏡下呈粒狀、球狀及斑狀充填于暗色白云巖溶孔及亮晶白云石膠結(jié)物晶間晶內(nèi)溶孔之中（如圖2中A和D），粒度變化范圍通常較大。該類型瀝青約占總數(shù)的60%；②孔隙型：野外可觀察到白云巖的部分鮞粒中充填有瀝青［7］，而在鏡下也可見瀝青充填于白云石晶間原生孔隙中，少量屬一期充填，大多數(shù)為二期充填［3］，約占總數(shù)的15%；③溶縫型：呈脈狀、網(wǎng)狀、不規(guī)則帶狀充填，主要見于白云巖溶蝕縫和巖溶垮塌形成的不規(guī)則縫中（如圖2中B和C），往往相互連接或與次生脈中產(chǎn)出的較大塊體碳瀝青相連接，與其它產(chǎn)出類型瀝青構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀，含量約為20%；④浸染型：野外可見部分白云巖鮞粒重充填有瀝青，鏡下可見呈微粒浸染狀充填于白云巖、泥質(zhì)白云石顆粒間的微孔隙或包裹在泥質(zhì)基質(zhì)中，這類瀝青含量相對(duì)較少；⑤順層型：在燈影組上部發(fā)現(xiàn)瀝青順層分布，部分充填有方解石脈，瀝青層厚2～4cm，在顯微鏡下還可以觀察到沿層理縫方向連續(xù)分布的原生微縫瀝青。

圖1 野外瀝青照片

1.2 裂隙型次生混源油氣藏殘留瀝青特征

次生裂隙型混源油氣藏的構(gòu)造圈閉為受印支、燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制影響的斷控半背斜構(gòu)造圈閉［3］。而通過對(duì)裂縫性瀝青的飽和烴色譜分析，飽和烴中萜烷的含量組成與寒武系牛蹄塘組碳質(zhì)泥巖接近［2］，而甾烷的分布及含量與下志留統(tǒng)龍馬溪組碳質(zhì)頁巖接近，由此可以認(rèn)為這類裂縫性瀝青所代表的油氣藏是來源于原生油氣藏殘留烴二次降解和寒武系牛蹄塘組碳質(zhì)頁巖及志留系龍馬溪組碳質(zhì)頁巖的混源油氣藏。

次生裂隙型混源油氣藏所殘留的瀝青主要以構(gòu)造裂縫充填為主（如圖1中C和D），共兩組方向，132°和225°，少量孔隙型瀝青分布于碎裂巖和糜棱巖化的巖石中，大多以填滿式充填于寬裂縫中呈塊狀產(chǎn)出，還有一部分以薄膜狀賦存于裂縫壁上和充填在小裂縫及微裂縫中［8］。

圖2 鏡下瀝青照片

2 儲(chǔ)層演化

受沉積物的礦物成分、孔隙流體的化學(xué)成分和沉積物所受的埋藏－抬升運(yùn)動(dòng)等的影響，南山坪燈影組白云巖儲(chǔ)層在其發(fā)育及演化過程中經(jīng)歷了一系列階段性的變化，根據(jù)沉積作用、埋藏深度、成巖作用、成巖環(huán)境及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等特征（如圖3），將儲(chǔ)層演化劃分為六個(gè)階段，依次為：①沉積階段：成巖早期填積壓實(shí)作用；②第一次淺埋階段：膠結(jié)作用及白云石化→早期硅化及重結(jié)晶；③表生階段：構(gòu)造抬升→表生巖溶作用；④第二次淺埋階段：壓實(shí)變形作用→重結(jié)晶作用和硅化作用；⑤深埋階段：深埋溶蝕作用→壓溶作用和充填作用；⑥構(gòu)造運(yùn)動(dòng)階段：構(gòu)造破裂。

2.1 沉積階段

沉積環(huán)境是控制碳酸鹽巖儲(chǔ)集層形成的基本因素，它控制了儲(chǔ)集巖的空間分布規(guī)模，沉積物的礦物組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及原生孔隙特征等的發(fā)育，形成了儲(chǔ)集巖進(jìn)一步演化的物質(zhì)基礎(chǔ)［9－10］。南山坪古油藏?zé)粲敖M白云巖儲(chǔ)集巖的的沉積條件為淺水高能環(huán)境的臺(tái)地邊緣淺灘－灘間相，水體淺、風(fēng)和波浪作用強(qiáng)，易于顆粒的形成和灰泥基質(zhì)的帶出，是形成分選、磨圓較好的灘體沉積的有利地帶。

在同生－準(zhǔn)同生期，南山坪地區(qū)在沉積過程中為地貌上的隆起區(qū)，沉積水體較淺，在頻繁海平面升降或?yàn)w加積作用的影響下，白云石化不徹底的白云巖及灰質(zhì)白云巖處于大氣淡水和海水的混合帶，發(fā)生混合水白云石化作用，同時(shí)發(fā)生混合水溶解作用，形成小規(guī)模的溶蝕孔隙。由于強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，海水的鹽度升高從而使鈣質(zhì)沉積物發(fā)生準(zhǔn)同生白云石化作用，發(fā)育了細(xì)粉晶白云巖。由于藻類的腐爛造成了一定程度的酸性環(huán)境，因此形成的白云石又發(fā)生硅化作用，形成了硅質(zhì)白云巖［10］；同時(shí)發(fā)生纖維狀白云巖發(fā)生膠結(jié)作用，充填在溶蝕孔隙的內(nèi)環(huán)周邊。

2.2 第一次淺埋階段

成巖作用是控制儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵因素。隨著沉積物的堆積，底部沉積物進(jìn)入了第一次淺埋階段，成巖作用以壓實(shí)作用、充填作用和膠結(jié)作用為主，并伴有較弱的溶解作用和白云石化作用。壓實(shí)作用使原巖經(jīng)歷一系列的物理和化學(xué)變化，其中包括脫水，孔隙度降低，沉積物的顆粒和沉積構(gòu)造的變形及重組，而在一些孔隙發(fā)育的部位發(fā)生了一程度的細(xì)粉晶白云石膠結(jié)［9，11］。

圖3 南山坪儲(chǔ)層演化示意圖

2.3 表生階段

在表生階段，溶解作用占主導(dǎo)地位。震旦紀(jì)末期，由于桐灣運(yùn)動(dòng)抬升作用影響，燈影組白云巖儲(chǔ)層暴露于地表，處于表生成巖環(huán)境，受到風(fēng)化剝蝕和淡水溶蝕作用，形成高低不平的古巖溶地貌，水向下淋濾溶解，形成巖溶孔洞及溶塌角礫巖，由于第一次淺埋階段白云巖發(fā)生的硅化作用對(duì)古巖溶作用的繼續(xù)向下滲透起到了一定阻礙作用，因此古巖溶作用主要發(fā)生在燈影組的頂部，在燈影組頂部形成了古巖溶風(fēng)化殼［12］。除了溶解作用外，還發(fā)生一定的膠結(jié)作用和文石及高鎂方解石向低鎂方解石的礦物轉(zhuǎn)變作用［9］。

2.4 第二次淺埋階段

南山坪地區(qū)在寒武紀(jì)又開始接受沉積，燈影組儲(chǔ)層再次進(jìn)入埋藏成巖環(huán)境。在第二次埋藏之初，主要以壓實(shí)壓溶作用和充填膠結(jié)作用為主。由于壓實(shí)作用的擠壓，大量孔隙被壓扁甚至消失。而壓溶作用使已經(jīng)受過機(jī)械壓實(shí)作用的碳酸鹽巖的厚度再減小20%～35%［6］，而且還產(chǎn)生一系列的溶解結(jié)構(gòu)，并為埋藏膠結(jié)作用提供大量CaCO3，這些沉淀出的CaCO3附著于碳酸鹽巖礦物顆粒表面或與這些顆粒構(gòu)成同軸次生加大，膠結(jié)作用使碳酸鹽巖儲(chǔ)層的孔隙度進(jìn)一步降低。

2.5 深埋階段

隨著埋深的增大，由于溫度升高而發(fā)生脫羧基作用從而形成有機(jī)酸，使得孔隙水變成富含二氧化碳的酸性溶液，這種具有侵蝕性的酸性溶液可對(duì)周圍碳酸鹽巖進(jìn)行溶蝕［13］，孔洞縫中充填的粗晶粒狀、塊狀富鐵白云石及異形白云石被溶蝕成片狀、殘縷狀，形成白云石晶間晶內(nèi)溶孔溶洞，甚至原來被膠結(jié)充填的孔隙被溶蝕復(fù)原。另外，在深埋環(huán)境中，由于Mg＋隨壓溶作用的進(jìn)行而溶出，因此在壓溶縫附近也發(fā)生白云石化作用，鐵白云石和異形白云石膠結(jié)充填在壓溶縫和其它孔隙中［3］。

2.6 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)階段

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)儲(chǔ)層的發(fā)育有重要的影響作用。南山坪地區(qū)燈影組白云巖普遍發(fā)育構(gòu)造裂隙和微裂隙，裂隙不僅是十分重要儲(chǔ)集空間，而且裂隙具有溝通儲(chǔ)集空間、提高滲透率的作用，利于儲(chǔ)集層孔、滲條件的改善，形成裂隙孔滲系統(tǒng)［14－15］。南山坪地區(qū)的裂隙主要與斷層和褶皺有關(guān)。根據(jù)節(jié)理及斷層產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)，南山坪地區(qū)主要有兩組斷裂方向135°和225°，碎裂帶最寬可達(dá)5 m，帶內(nèi)巖石多呈角礫狀，而且充填較多瀝青，次級(jí)斷裂發(fā)育，斷面清楚。而且在一些規(guī)模較小的北東向的背斜核部軸面劈理發(fā)育，破碎程度很高，在裂隙中也發(fā)與大量瀝青。最后，在中侏羅世末燕山運(yùn)動(dòng)主幕的強(qiáng)烈擠壓、褶皺作用下，南山坪地區(qū)抬升剝蝕，燈影組出露地表，油氣散失，油氣藏徹底破壞。

3 孔隙演化

南山坪古油藏儲(chǔ)層在沉積過程中的原生孔隙非常發(fā)育，包括粒間孔和粒內(nèi)孔，面孔率一般在20%～40%，而且孔隙的連通性也較好，易于后期白云化流體和溶蝕流體的通過，為次生溶孔的形成奠定了基礎(chǔ)。在同生－準(zhǔn)同生期由于接受大氣淡水、混合水的改造，由溶蝕作用形成小規(guī)模的溶洞和晶間溶孔等。同時(shí)也發(fā)生白云石化作用，白云石晶體增大和趨于自形，開始起到支撐骨架的作用，抵制了壓實(shí)作用，這樣隨著白云石化作用的加強(qiáng)，儲(chǔ)層孔隙性提高，而且白云石化作用使原巖中孔隙網(wǎng)絡(luò)得到調(diào)整，晶間孔之間相互連通，可以提高孔隙流體的滲透能力。而且白云巖的抗物理壓實(shí)性和化學(xué)穩(wěn)定性都要強(qiáng)于石灰?guī)r，因此在埋藏過程中能更好的起到支架作用，使白云巖孔隙一般將免遭進(jìn)一步的埋藏壓實(shí)，孔隙度隨深度的損失也較?。?6－17］。同時(shí)，由于白云石密度較大，因此在白云石化過程中由于沉積物體積減小也會(huì)產(chǎn)生一定的晶間孔。

在第一次淺部埋藏過程中，早期沉積物以發(fā)生充填作用和壓實(shí)壓溶作用為主，壓實(shí)作用使原巖經(jīng)歷一系列的物理和化學(xué)變化，其中包括脫水，孔隙度降低，沉積物的顆粒和沉積構(gòu)造的變形及重組。而壓溶作用使已經(jīng)受過機(jī)械壓實(shí)作用的碳酸鹽巖的厚度再減小20%～35%，而且還產(chǎn)生一系列的溶解結(jié)構(gòu)，伴隨膠結(jié)作用的進(jìn)行，孔隙度也進(jìn)一步降低。

在表生階段，由于受風(fēng)化剝蝕淡水淋濾溶解作用，燈影組儲(chǔ)層頂部形成古巖溶風(fēng)化殼，淡水向下淋濾滲透，形成巖溶漏斗和巖溶角礫巖等，巖溶作用形成大量溶蝕孔洞，儲(chǔ)層孔隙度顯著提高。巖溶作用對(duì)儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的影響也具有雙面性，因?yàn)樵趲r溶作用過程中同時(shí)發(fā)生沉積和充填作用，溶解在流體中的部分礦物部分會(huì)在已經(jīng)形成的孔隙中沉積，從而充填一部分孔隙，而且?guī)r溶儲(chǔ)集層各段之間水動(dòng)力聯(lián)系較少，這些充填的孔隙往往會(huì)聚集在特定部位，由此會(huì)造成儲(chǔ)層已形成的孔洞呈帶狀發(fā)育，而且?guī)c帶之間連通性較差，這樣就會(huì)破壞儲(chǔ)層的連續(xù)性，從而影響儲(chǔ)層整體的滲透性［9］。

在第二次埋藏過程的初期，由于壓實(shí)壓溶作用和充填膠結(jié)作用，表生期形成的溶蝕孔洞遭到一定程度的破壞，孔隙度降低。但隨著埋深增加，深埋溶蝕作用又產(chǎn)生大量溶蝕孔洞，并將早期形成的孔隙進(jìn)行擴(kuò)大和溝通，改善了儲(chǔ)層的滲透性；同時(shí)與壓溶作用有關(guān)的白云石作用和膠結(jié)作用充填了部分壓溶縫和壓溶縫附近的孔隙，降低了儲(chǔ)層的孔隙性［18］。

4 結(jié)論

（1）南山坪古油藏具有兩期成藏的特點(diǎn)，而殘留的瀝青也可以分為兩大類，分別代表不同期次的原生孔隙型油氣藏和次生裂隙型油氣藏。原生孔隙型油氣藏殘留瀝青主要以五種方式賦存在燈影組儲(chǔ)層中，分別是溶孔型、孔隙型、溶縫型、侵染型和順層型；次生裂隙型油氣藏殘留瀝青主要賦存在構(gòu)造裂縫和微裂縫中，還有一部分呈薄膜狀賦存在裂縫壁上。

（2）南山坪古油藏的燈影組白云巖儲(chǔ)層在漫長的地質(zhì)時(shí)代中主要經(jīng)歷了六個(gè)成巖階段：沉積階段、第一次淺埋階段、表生階段、第二次淺埋階段、深埋階段、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)階段。

（3）南山坪古油藏儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性控制因素主要有沉積作用、成巖作用和構(gòu)造作用，其中震旦紀(jì)末的表生巖溶作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙的發(fā)育和改造起到至關(guān)重要的作用，而桐灣運(yùn)動(dòng)對(duì)整個(gè)華南地區(qū)震旦系燈影組優(yōu)良儲(chǔ)層的形成也起到了一定的控制作用。

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