四川盆地南川地區(qū)婁山關群碳酸鹽巖成巖作用研究

蔣小瓊，管宏林，劉光祥，李建明，羅開平，顏佳新 ，葉 愷，韓 彧

(1.中國地質大學(武漢) 地球科學院，武漢 430074； 2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126； 3. 長江大學 地球科學學院，武漢 430100)

四川盆地南川地區(qū)婁山關群碳酸鹽巖成巖作用研究

蔣小瓊1,2，管宏林2，劉光祥2，李建明3，羅開平2，顏佳新1，葉 愷2，韓 彧2

(1.中國地質大學(武漢) 地球科學院，武漢 430074； 2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126； 3. 長江大學 地球科學學院，武漢 430100)

四川盆地南川地區(qū)中—上寒武統(tǒng)婁山關群儲層主要為臺地邊緣灘沉積，以白云巖為主。主要成巖作用類型有：白云巖化、溶蝕、破裂、膠結充填及壓實壓溶作用，對儲層形成有重要貢獻的成巖作用是白云巖化作用、溶蝕作用及破裂作用。根據(jù)白云石標型特征、有序度、碳氧同位素的分析，認為婁山關群白云巖成因有3種：準同生、混合水以及埋藏白云巖化作用，以準同生白云巖化作用為主。儲層發(fā)育3期溶蝕作用：大氣淡水溶蝕、埋藏溶蝕和表生溶蝕，以表生溶蝕作用為主。白云巖化作用和表生溶蝕作用是形成優(yōu)質儲層的關鍵，而膠結、充填作用破壞了大量的原生和次生孔隙，不利于儲層的發(fā)育。

成巖作用；碳酸鹽巖；儲層；婁山關群；中—上寒武統(tǒng)；南川地區(qū)；四川盆地

隨著我國碳酸鹽巖油氣勘探的不斷深入，四川盆地震旦系、寒武系碳酸鹽巖的天然氣勘探也取得了較大的進展，目前全盆地寒武系已有12口井鉆遇天然氣，平均產氣量10×l04m3/d左右，龍王廟組、高臺組、洗象池群(婁山關群) 均有天然氣流發(fā)現(xiàn)[1-3]，具有良好的勘探前景。前人對四川盆地寒武系沉積體系、巖相古地理和勘探潛力做了大量研究，取得了一系列成果[1-5]，但針對寒武系儲層的研究較少[6]。本文通過對南川地區(qū)三匯場剖面中—上寒武統(tǒng)婁山關群儲層成巖作用的詳細研究，探討其成巖作用特征及儲層的主控因素，為該區(qū)碳酸鹽巖油氣勘探、儲層預測提供更充分可靠的依據(jù)。

1 典型剖面儲層基本特征

中晚寒武世，四川盆地演化為局限臺地沉積環(huán)境，呈現(xiàn)北西高、南東低的沉積格局，婁山關群地層具有東厚西薄的分布特征。南川地區(qū)位于四川盆地東南部，婁山關群主要為局限臺地和臺地邊緣灘沉積，儲層巖性以粉—細晶白云巖和顆粒白云巖為主。

三匯場剖面位于南川縣，婁山關群包括高臺組、石冷水組、平井組、后壩組、毛田組，地層厚約507 m，以粉—細晶白云巖為主，夾砂屑白云巖、含泥質白云巖、白云質灰?guī)r等。該套地層發(fā)育35層溶孔，單層厚度0.5～7 m不等，孔洞均順層分布，未充填(圖版a,b)；主要沉積相類型為局限臺地和開闊臺地，儲層主要發(fā)育于局限臺地、潮坪相帶內，尤其是臺內灘亞相帶；主要儲集巖性為粉—細晶白云巖和砂屑白云巖(圖1)。

根據(jù)三匯場剖面5個常規(guī)物性樣品分析統(tǒng)計，婁山關群儲層孔隙度為1.10%～5.00%，平均3.61%，滲透率為(0.004 4～0.062 4)×10-3μm2，平均0.021 4×10-3μm2，為低孔低滲型儲層，成巖作用是影響儲層儲集性能的關鍵因素。

2 儲層成巖作用類型及特征

以南川地區(qū)三匯場剖面為代表進行闡述。依據(jù)對孔縫的影響，可分為2大類型的成巖作用，即：主要包括白云巖化、溶蝕和構造破裂作用的建設性成巖作用和主要包括膠結充填、壓實作用的破壞性成巖作用。

2.1 白云巖化作用

白云巖化作用對改善孔隙具有重要意義，是南川地區(qū)儲層最重要的成巖作用之一；南川地區(qū)婁山關群有效儲層幾乎均為白云巖。白云巖化可改善儲層質量：一方面，當白云巖完全交代灰?guī)r時，按照分子交代理論，將增加12.5%的孔隙度；另一方面，白云巖化作用還可產生大量晶間孔，從而提高巖石有效孔隙度和滲透率,是優(yōu)質儲層形成的基礎[7-8]。根據(jù)儲層巖石學特征及白云巖有序度、碳氧同位素測試資料綜合分析，可識別出3種成因類型的白云巖，但以準同生白云巖化作用為主。

2.1.1 白云石有序度及碳、氧同位素分析

南川地區(qū)三匯場剖面婁山關群白云巖既有有序度低的泥晶白云巖(0.555～0.692)，又有有序度較高的粉晶白云巖(0.787～0.797)及高有序度的細—中晶白云巖(0.803～1.000)。由于準同生期白云石有序度一般低于0.7，埋藏期白云石一般大于0.95，而混合水成因白云石有序度值介于兩者之間[7-11]，表明研究區(qū)可能存在準同生期、混合水及埋藏白云巖化3種成因的白云巖(表1)。

碳酸鹽巖中的穩(wěn)定碳氧同位素可以定量恢復沉積環(huán)境的古鹽度[8-9]，這對于分析成巖環(huán)境及白云巖的成因具有重要的指導意義，碳、氧碳同位素的值越高，鹽度越高[8-9]。根據(jù)碳、氧同位素值可以推導出成巖流體的古鹽度值(Z)[7-12]，即：Z=2.048(δ13CPDB+50)+0.498(δ18OPDB+50)。一般認為Z>120為海相成巖環(huán)境，而Z<120為陸相成巖環(huán)境，準同生期或埋藏期形成的白云巖具有Z>120的高值，混合水白云巖化形成的白云巖Z<120。

南川地區(qū)三匯場剖面婁山關群白云巖δ18OPDB為-9.38‰～-5.53‰，δ13CPDB為-4.03‰～0.97‰(表2)，白云巖成巖流體的古鹽度Z值既有大于120，也有低于120，介于114.38～126.53之間，表明三匯場剖面婁山關群白云巖既有與海水相關的準同生期或埋藏期白云巖成因，也有與淡水相關的混合水成因的白云巖。

表1 四川盆地南川地區(qū)三匯場剖面中—上寒武統(tǒng)婁山關群白云巖有序度

圖1 四川盆地南川地區(qū)三匯場剖面中—上寒武統(tǒng)婁山關群地層綜合柱狀圖

表2 四川盆地南川地區(qū)三匯場剖面中—上寒武統(tǒng)婁山關群白云巖碳氧同位素值

注：Z=2.048(δ13CPDB+50)+0.498(δ18OPDB+50)。

由于婁山關群重結晶作用強烈，少量晶粒粗大、晶形較好、半自形—自形的細晶—中晶云巖為埋藏期成因白云巖，其余多數(shù)為準同生期白云巖。

綜合白云巖有序度、碳氧同位素資料分析認為，南川三匯場剖面婁山關群白云巖成因有3種：準同生期、混合水以及埋藏白云巖化，但以準同生期白云巖成因為主。

2.1.2 準同生白云巖化作用

包括蒸發(fā)泵白云巖化和回流滲透白云巖化作用。蒸發(fā)泵白云巖化作用主要形成泥粉晶白云巖，白云石晶體小，泥—粉晶，自形程度差，多為他形，常具紋層、鳥眼構造及干裂等特征，孔隙不發(fā)育，不能成為儲集層，主要發(fā)育于中寒武統(tǒng)平井組?；亓鳚B透白云巖化作用主要形成的巖石類型為粉晶云巖或亮晶粒屑云巖，常具殘余粒屑結構，白云石晶體較粗，細粉晶—粗粉晶，他形—半自形，膠結物常具一世代纖狀膠結及二世代粒狀膠結特征；巖石孔隙較發(fā)育，主要為晶間孔，可作為儲集層，研究區(qū)內常見，主要發(fā)育于上寒武統(tǒng)后壩組、毛田組。

2.1.3 混合水白云巖化作用

混合水白云巖化作用形成的主要巖石類型為粒屑云巖和粉晶云巖,常具殘余砂屑結構，白云石晶粒為細粉晶—粗粉晶，半自形—自形，溶孔發(fā)育。膠結類型既有形成于海底潛流成巖環(huán)境的一世代纖狀等厚環(huán)邊膠結，也有形成于大氣淡水成巖環(huán)境的粒狀膠結，這2種膠結類型在同一層段中均可見，表明研究區(qū)淺灘曾暴露于海平面之上，也曾處于海平面之下。當高能淺灘暴露出海平面時，因混合水白云巖化作用而形成多種類型的顆粒白云巖，并選擇性地溶蝕巖石組分及組構，形成粒內溶孔、晶間溶孔，若無后期充填和膠結，則成為較好的儲層，主要發(fā)育于毛田組。

2.1.4 埋藏白云巖化作用

埋藏環(huán)境下白云巖化作用主要發(fā)生于深埋環(huán)境，形成的主要巖石類型為細—中晶白云巖，白云石晶體粗大，細—中晶，半自形—自形，常具環(huán)帶或霧心亮邊結構，主要發(fā)育于上寒武統(tǒng)。但是，由于研究區(qū)重結晶作用較發(fā)育，大部分細—中晶白云巖主要由重結晶作用形成。

2.2 溶蝕作用

溶蝕作用是改善儲層儲集性能最重要的成巖作用之一[13-15]。南川地區(qū)婁山關群儲層發(fā)育大氣淡水溶蝕、埋藏溶蝕和表生溶蝕等3期溶蝕作用。

2.2.1 準同生期大氣淡水溶蝕作用

發(fā)生于準同生期大氣淡水成巖環(huán)境，大氣淡水選擇性溶蝕部分顆粒和一世代纖狀膠結物，從而形成粒內孔、鑄?？椎瓤紫?，但被隨后的二世代粒狀膠結物充填。

2.2.2 埋藏溶蝕作用

發(fā)生在埋藏成巖環(huán)境，酸性流體(有機酸、CO2等)對早期構造縫、縫合線和晶間孔隙進行改造、擴溶，形成晶間溶孔、溶縫，規(guī)模不大，但成為油氣運移通道和有效儲集空間(圖版c,d)。

2.2.3 表生溶蝕作用

加里東運動使研究區(qū)婁山關群地層整體抬升并遭受風化剝蝕，在侵蝕面附近一定深度內發(fā)生溶蝕作用。該期溶蝕不受組構限制，形成不規(guī)則的溶洞和溶縫，并對前期埋藏溶孔進行擴溶，孔洞內常見半充填—全充填白云石、石英，為現(xiàn)今主要儲集空間(圖版c,d)。

2.3 構造破裂作用

構造破裂作用是改善儲層孔隙結構和物性特征的重要因素，裂縫對儲層孔隙度的貢獻較小，但對滲透率的改善顯著。研究區(qū)婁山關群巖層裂縫發(fā)育，以張性裂縫為主，根據(jù)裂縫充填物及相互切割關系，主要發(fā)育3期裂縫：第一期裂縫呈高角度狀或網狀，被細—粉晶方解石或瀝青全充填，并被后期多組裂縫切割，無儲集意義，可能為加里東構造運動的產物；第二期裂縫主要形成于印支—燕山期，多被方解石、石英半充填—全充填；第三期裂縫主要形成于喜馬拉雅期，切割前2期裂縫和縫合線，常未充填—半充填，是儲層的主要儲集空間和滲濾通道(圖版e)。

2.4 膠結充填作用

膠結充填作用在南川地區(qū)婁山關群儲層中十分發(fā)育，是儲層孔隙降低的主要因素之一，按成巖階段和成巖環(huán)境劃分，婁山關群儲層膠結作用分為3期：第一期為早期海底膠結，包括泥晶化、纖狀膠結等作用；第二期為大氣淡水—淺埋階段的粒狀膠結，以粉—細晶白云石膠結物為主，經過前2期的膠結作用，原生粒間孔幾乎全被充填；第三期為埋藏階段的充填膠結，包括溶孔、溶縫等半充填—充填的白云石、石英、方解石(圖版f,g)。

2.5 壓實壓溶作用

壓實作用是導致儲層孔隙度降低的主要成巖作用之一，顆粒灰(云)巖中常見顆粒嵌入、變形等壓實現(xiàn)象，明顯的壓實作用發(fā)生于淺埋藏環(huán)境。

壓溶作用具有建設與破壞孔隙的雙重效應，在晚成巖期最發(fā)育。最典型的特征就是縫合線(圖版h)，它既可為油氣提供儲集空間，同時也可使地層減縮、析出CaCO3，為方解石的膠結作用提供物質來源。

3 儲層成巖序列、環(huán)境及模式

南川地區(qū)婁山關群儲層巖性主要為粉—細晶白云巖和砂屑白云巖。主要成巖序列大致為：海底環(huán)境的泥晶化作用→一世代纖狀膠結→大氣淡水溶蝕→二世代粒狀膠結→白云巖化作用→埋藏環(huán)境充填、壓溶作用→構造破裂、重結晶作用→埋藏溶蝕、充填作用→構造破裂、表生溶蝕作用(圖2)。

4 結論

(1)南川地區(qū)婁山關群儲層巖石學、白云巖有序度和碳氧同位素特征反映了白云巖成因有3種：準同生期、混合水以及埋藏期白云巖化，但以準同生期白云巖化為主。主要儲層巖性為粉—細晶白云巖和顆粒白云巖。

圖2 四川盆地南川地區(qū)婁山關群儲層成巖作用模式示意

(2)南川地區(qū)婁山關群儲層大致經歷了3期溶蝕作用：準同生期大氣淡水溶蝕、埋藏溶蝕和表生溶蝕作用，但以表生溶蝕作用為主。早期大氣淡水溶蝕形成的孔隙基本已被粒狀膠結物充填，現(xiàn)今發(fā)育的孔隙主要為埋藏溶蝕和表生溶蝕形成的晶間溶孔、溶洞及溶縫。

(3)白云巖化作用和表生溶蝕作用是形成優(yōu)質儲層的關鍵因素；膠結充填作用破壞了大量的原生孔隙和次生孔隙，不利于儲層發(fā)育。

[1] 張滿郎,謝增業(yè),李熙喆,等.四川盆地寒武紀巖相古地理特征[J].沉積學報,2010,28(1):128-139.

Zhang Manlang,Xie Zengye,Li Xizhe,et al.Characteristics of lithofacies paleogeography of Cambrian in Sichuan Basin[J].Acta Sedimentologica Sinica,2010,28(1):128-139.

[2] 李磊,謝勁松,鄧鴻斌,等.四川盆地寒武系劃分對比及特征[J].華南地質與礦產,2012,28(3):197-202.

Li Lei,Xie Jinsong,Deng Hongbin,et al.Study on characteristics and its stratigraphic classification and correlation of Cambrian in Sichuan Basin[J].Geology and Mineral Resources of South China,2012,28(3):197-202.

[3] 楊威,謝武仁,魏國齊,等.四川盆地寒武紀—奧陶紀層序巖相古地理、有利儲層展布與勘探區(qū)帶[J].石油學報,2012,33(S2):21-34.

Yang Wei,Xie Wuren,Wei Guoqi,et al.Sequence lithofacies paleogeography,favorable reservoir distribution and exploration zones of the Cambrian and Ordovician in Sichuan Basin,China[J].Acta Petrolei Sinica,2012,33(S2):21-34.

[4] 李天生.四川盆地寒武系沉積成巖特征與油氣儲集性[J].礦物巖石,1992,12(3):66-73.

Li Tiansheng.The characteristics of sedimentary rock and reservoir of oil and gas of Cambrian system in Sichuan Basin[J].Journal of Mineralogy and Petrology,1992,12(3):66-73.

[5] 冉隆輝,謝姚祥,戴彈申.四川盆地東南部寒武系含氣前景新認識[J].天然氣工業(yè),2008,28(5):5-9.

Ran Longhui,Xie Yaoxiang,Dai Tanshen.New knowledge of gas-bearing potential in Cambrian system of southeast Sichuan Basin[J].Natural Gas Industry,2008,28(5):5-9.

[6] 楊偉,胡明毅,宋海敬,等.四川盆地南部中—上寒武統(tǒng)儲層成巖作用[J].海相油氣地質,2008,13(4):29-36.

Yang Wei,Hu Mingyi,Song Jinghai,et al.Diagenesis of middle and upper Cambrian reservoirs in southern part of Sichuan Basin[J].Marine Origin Petroleum Geology,2008,13(4):29-36.

[7] 詹姆斯,肖凱.古巖溶[M].胡文海,譯.北京:石油工業(yè)出版社,1992.

James N P,Choquette P W.Paleokarst[M].Hu Wenhai,trans.Beijing:Petroleum Industry Press,1992.

[8] 李振宏,楊永恒.白云巖成因研究現(xiàn)狀及進展[J].油氣地質與采收率,2005,12(2):5-8.

Li Zhenhong,Yang Yongheng.Present situation and progress of research on dolomite genesis[J].Petroleum Geology and Reco-very Efficiency,2005,12(2):5-8.

[9] 王恕一,蔣小瓊,管宏林,等.川東北普光氣田下三疊統(tǒng)飛仙關組儲層成巖作用研究[J].石油實驗地質,2010,32(4):366-372.

Wang Shuyi,Jiang Xiaoqiong,Guan Honglin,et al.Diagenesis effects of lower Triassic Feixianguan Formation reservoir in Puguang Gas Field,northeast Sichuan[J].Petroleum Geology & Experiment,2010,32(4):366-372.

[10] 蔣小瓊,管宏林,鄭和榮,等.四川盆地普光氣田飛仙關組白云巖儲層成因探討[J].石油實驗地質,2014,36 (3):332-345.

Jiang Xiaoqiong,Guan Honglin,Zheng Herong,et al.Discussion on origin of dolomite reservoirs in Feixianguan Formation,Puguang Gas Field,Sichuan Basin[J].Petroleum Geology & Experiment,2014,36 (3):332-345.

[11] 管宏林,蔣小瓊,王恕一,等.普光氣田與建南氣田長興組、飛仙關組儲層對比研究[J].石油實驗地質,2010,32(2):130-135.

Guan Honglin,Jiang Xiaoqiong,Wang Shuyi,et al.A comparative study of reservoirs of the Changxing and Feixianguan Formation between Puguang Gasfield and Jiannan Gasfield in the Sichuan Basin[J].Petroleum Geology & Experiment,2010,32(2):130-135.

[12] Land L S.The isotopic and trace element geochemistry of dolomite:the state of the art[M].[S.l.]:SPEM Special Publication,1980:87-110.

[13] 范明,蔣小瓊,劉偉新,等.不同溫度條件下CO2水溶液對碳酸鹽巖的溶蝕作用[J].沉積學報,2007,25(6):825-830.

Fan Ming,Jiang Xiaoqiong,Liu Weixin,et al.Dissolution of carbonate rocks in CO2solution under the different temperatures[J].Acta Sedimentologica Sinica,2007,25(6):825-830.

[14] 蔣小瓊,王恕一,范明,等.埋藏成巖環(huán)境碳酸鹽巖溶蝕作用模擬實驗研究[J].石油實驗地質,2008,30(6):643-646.

Jiang Xiaoqiong,Wang Shuyi,Fan Ming,et al.Study of simulation experiment for carbonate rocks dissolution in burial diagenetic environment[J].Petroleum Geology & Experiment,2008,30(6):643-646.

[15] 范明,何治亮,李志明,等.碳酸鹽巖溶蝕窗的形成及地質意義[J].石油與天然氣地質,2011,32(4):499-505.

Fan Ming,He Zhiliang,Li Zhiming,et al.Dissolution window of carbonate rocks and its geological significance[J].Oil & Gas Geology,2011,32(4):499-505.

(編輯 徐文明)

圖版

Diagenesis of Middle and Upper Cambrian Loushanguan Group reservoirs in Nanchuan area, Sichuan Basin

Jiang Xiaoqiong1,2, Guan Honglin2, Liu Guangxiang2, Li Jianming3, Luo Kaiping2,Yan Jiaxin1, Ye Kai2, Han Yu2

(1.FacultyofEarthScience,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China;2.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China;3.CollegeofGeosciences,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China)

The Middle and Upper Cambrian Loushanguan Group reservoirs in the Nanchuan area of the Sichuan Basin mainly consist of platform margin shoal sediments. The main lithology is dolomite. The main diagenesis effects include dolomitization, solution, structural disruption, consolidated fill, compaction and pressure solution, among which, the first three of these work as the key effects for reservoir formation. According to dolomite types, order degree and C, O isotope analyses, the dolomites in the study area developed from three diagenesis effects, including penecontemporaneous dolomitization, mixing water dolomitization and burial dolomitization, among which the penecontemporaneous dolomitization is dominant. The Loushanguan reservoirs have experienced three periods of dissolution, including the corrosion action of atmospheric fresh water, the deep burial solution and the hypergene dissolution, among which the hypergene dissolution is the main controlling factor. Dolomitization and hypergene dissolution contribute to high-quality reservoir formation in the Middle and Upper Cambrian Loushanguan Group. Cementation and filling effects destroy a large number of primary and secondary pores, which is unfavorable for reservoir formation.

diagenesis; carbonate rock; reservoir; Loushanguan Group; Middle and Upper Cambrian; Nanchuan area; Sichuan Basin

1001-6112(2015)03-0314-06

10.11781/sysydz201503314

2014-08-01；

2015-04-29。

蔣小瓊(1975—)，女，在讀博士，高級工程師，從事沉積儲層研究。E-mail:jiangxq.syky@sinopec.com。

中國石化科技部項目“四川盆地及周緣下組合成藏條件與區(qū)帶評價”(P11087)資助。

TE122.2+21

A