川東北元壩地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組優(yōu)質儲層形成機制

李昌峰，侯明才，張小青，李國蓉

(1.成都理工大學沉積地質研究院，成都610059;2.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，成都610051 3.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室 (成都理工大學)，成都610059;4.成都理工大學能源學院，成都610059)

0 引言

川東北元壩氣田構造位置位于四川盆地川北坳陷與川中低緩構造帶的結合部，西北與九龍山背斜構造帶相接，東北與通南巴構造帶相鄰，南部與川中低緩構造帶相連。該氣田是中國石化繼普光氣田之后，在四川盆地發(fā)現(xiàn)的又一個千億立方儲量的大型海相氣田。元壩氣田目的層為上二疊統(tǒng)長興組白云巖儲層，已提交探明含氣面積242.14 km2，儲量1880.98×108m3，氣藏埋深6240～6950 m，平均埋深6675 m，鉆井均為超深井，實施的水平井水平段均在800 m以上，是目前國內發(fā)現(xiàn)的最深的海相氣田。

長興組的儲層巖性主要為溶孔、殘余生屑溶孔白云巖，儲層儲集空間類型主要有粒間溶孔、粒內溶孔、鑄?？住⒕чg孔、晶間溶孔等。儲層孔隙度介于0.79% ～24.65%之間，平均為5.27%;滲透率介于0.0028×10-3～1720.7190×10-3μm2之間，幾何平均值 0.61×10-3μm2，主峰值范圍0.002 ×10-3～0.250 ×10-3μm2，物性變化大，非均質性強。

在如此超深層條件下，發(fā)育這么好的儲層，突破了通常情況下人們對深埋條件下儲層的認識。為此，許多學者從儲層發(fā)育的沉積相類型、白云巖化作用和構造破裂作用對儲層的改善等方面探討了川東北元壩地區(qū)長興組優(yōu)質儲層的主控因素及成因［1～4］。這些工作主要集中在某一個或幾個方面地質現(xiàn)象的描述和基于與儲層發(fā)育空間關系的定性推斷，而在深層—超深層條件下，從沉積微相類型、成巖作用和構造破裂作用的關聯(lián)關系出發(fā)，深入開展優(yōu)質碳酸鹽巖儲層成因機制的研究鮮見報道。然而，揭示深層—超深層條件下碳酸鹽巖的形成機制對有效開展儲層預測和拓展海相碳酸鹽巖的勘探開發(fā)領域具有重大指導意義。因此，本文從儲層巖石學特征、沉積微相類型、成巖環(huán)境和構造破裂作用的關聯(lián)關系開展研究，進一步詮釋川東北元壩氣田上二疊統(tǒng)長興組優(yōu)質儲層形成的機制。

1 儲層巖石學特征

長興組儲層可分為上、下2段。下段巖性主要為細晶溶孔白云巖、(含)生屑粉—細晶白云巖、灰質白云巖、殘余生屑白云質灰?guī)r等，其中溶孔白云巖、(含)生屑粉—細晶白云巖物性最好;上段巖性以 (溶孔)中粗晶白云巖、殘余生屑 (粒屑)溶孔白云巖、(溶孔)細粉晶云巖、殘余生屑白云巖為主，其次為灰質白云巖、生屑灰?guī)r、微晶灰?guī)r等。不同類型白云巖的物性特征見表1。

表1 長興組白云巖類儲層物性特征Table 1 Dolomite reservoir properties in the Changxing Formation

2 沉積微相特征

巖心、測井及地震資料綜合分析顯示，研究區(qū)長興組氣藏發(fā)育碳酸鹽緩坡和碳酸鹽臺地2種沉積背景，存在深緩坡、淺緩坡、臺地邊緣生物礁、臺地邊緣淺灘等亞相以及生屑灘、灘間、生物礁 (礁基、礁核、礁蓋)、礁間等多種微相類型 (見圖1)。

2.1 生屑灘

該區(qū)生物灘十分發(fā)育，類型較多，可以識別出臺地邊緣灘、開闊臺地臺內灘、局限臺地臺內灘及緩坡高能帶上的顆粒灘。根據(jù)灘體部位的不同，進一步劃分為灘核和灘緣。生物碎屑較發(fā)育，最主要的碎屑類型是有孔蟲，其次為珊瑚、蜓類、腕足等。生物碎屑間膠結主要為亮晶方解石，局部為藻粘結結構。生物灘灰?guī)r的白云化程度不同，從完全到未白云化均有。

從測井曲線分析，生屑灘白云巖層段自然伽瑪值低、密度與電阻率較低、聲波時差較大;生屑灘灰?guī)r層段自然伽瑪值低、聲波時差較小、密度較大、電阻率較高 (見圖1a)。

2.2 生物礁

圖1 YB-XA井長興組下段淺緩坡生屑灘及灘間沉積剖面圖Fig.1 Sedimentological section showing carbonate rampbioclastshoal and inter-shoal facies in the Lower Member of the Changxing Formation in the Well YB-XA

生物礁可進一步細分為礁基、礁核及礁蓋微相。生物礁微相造礁骨架生物主要為海綿，礁灰?guī)r主要表現(xiàn)為骨架巖和障積巖。骨架巖造礁骨架生物含量較高，圍繞造礁生物有藻包覆層發(fā)育，骨架間孔洞內皮殼狀方解石生長充填特征清楚，也可為微晶方解石及生物碎屑堆積，代表了能量較高的生物礁環(huán)境。巖性為灰色含云生屑灰?guī)r、云質生屑灰?guī)r、生屑砂屑灰?guī)r、淺灰色溶孔白云巖、溶孔砂屑白云巖、含灰云巖、含云灰?guī)r等。

礁蓋表現(xiàn)出疏松多孔的測井響應特征，如密度、電阻率值下降，聲波、中子孔隙度上升等 (見圖1b)，地層微電阻率掃描成像 (FMI)為暗色厚層狀，反映溶孔發(fā)育;礁基、礁核在電測曲線上表現(xiàn)為低伽馬、極高電阻，自然伽馬表現(xiàn)為平直的低值特征 (見圖1b)，指示礁灰?guī)r整體巖性較純，F(xiàn)MI為亮色塊狀特征。

3 成巖作用

長興組儲層成巖作用類型主要有白云石化作用、壓實壓溶作用、膠結 (充填)作用、溶蝕作用、構造破裂作用等。

3.1 白云石化

統(tǒng)計研究區(qū)12口鉆井部分白云石樣品的碳氧穩(wěn)定同位素分析結果 (見表2)，總結其碳氧穩(wěn)定同位素組成特征。

表2 元壩地區(qū)長興組白云石碳氧穩(wěn)定同位素部分樣品分析結果統(tǒng)計Table 2 Carbon and oxygen isotopic analysis of dolomites in the Changxing Formation in Yuanba area

從表2中可以看出:

①長興組白云石的δ13C值普遍較高，δ13C值均為正值，平均值3.95‰，主要在3‰～5‰?yún)^(qū)間;長興組正常海相微晶灰?guī)r的δ13C值在2.35‰～4.22‰，平均值3.52‰。白云石的δ13C值與同時期的正常海相灰?guī)r背景值較為接近或略高，揭示了白云石的碳來源于長興組時期的正常 (或高鹽度)海水，或者來源于長興組海相碳酸鹽巖地層本身。

②長興組白云石的δ18O值總體較高，δ18O平均值-5.19‰，多數(shù)為-3.32‰～5.82‰;正常灰?guī)r的δ18O平均值為-5.68‰，多數(shù)為-4.79‰～6.30‰。白云石δ18O值與同時期的正常灰?guī)r背景值非常接近，說明白云石形成與正常海水、高鹽度海水有關。對白云石的δ18O值進行成巖溫度計算，形成溫度在29.4～41.8℃范圍內，說明白云石形成溫度不高，白云石化發(fā)生在地表或者非常淺的埋藏環(huán)境中。長興組白云巖的碳、氧同位素分析結果Z值計算，值在128.5～136.0之間，且均大于120，說明成巖流體為海水或與海水性質相似的地層水。

③不同類型白云石的δ18O值略有差異，呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。微晶白云石為主的樣品δ18O值最高，其次為粉—細晶它形臟白云石為主的樣品，而粉—細晶自形白云石為主的樣品δ18O值最低。這一結果表明微晶白云石是在蒸發(fā)條件下鹽度更高的環(huán)境中形成;粉—細晶它形臟白云石、粉—細晶自形白云石在鹽度正?；蚵愿叩沫h(huán)境中形成，是沉積埋藏過程中連續(xù)白云石化作用造成的。

研究區(qū)長興組白云石是在正常海水、濃縮海水環(huán)境 (或與正常海水相似的地層水環(huán)境)中形成的，形成后遭受過熱液地質作用的改造［6～8］。長興組的白云石化系埋藏成巖環(huán)境下，在成巖壓實過程中，沉積物中富鎂流體向周邊或上覆沉積物運移，從而引起碳酸鈣沉積物發(fā)生白云石化，其中包括白云石的交代和白云石的重結晶作用，形成晶粒較粗的白云巖 (見圖2)。因此，粉—細晶自形白云石是成巖早期淺埋藏狀態(tài)下地層水白云石化作用的產(chǎn)物，粉—中晶級它形臟白云石是同生期回流滲透白云石化作用的產(chǎn)物，異形白云石是成巖晚期熱液白云石化作用的產(chǎn)物，微晶白云石主要是同生期蒸發(fā)泵白云石化作用的產(chǎn)物。

圖2 長興組埋藏白云石化作用模式Fig.2 Schematic diagram showing the burial dolomitization in the Changxing Formation

3.2 壓實壓溶作用

壓實壓溶作用以各種類型的縫合線為典型標志 (見圖3):微縫合線于壓實壓溶初期形成，往往不規(guī)則密集發(fā)育分布，與部分白云石化斑塊的發(fā)育有密切關系;平行層面縫合線是通常見到的縫合線，主要與上覆靜壓力作用下的壓溶作用相聯(lián)系;斜交或垂直層面縫合線與構造應力作用下的壓溶作用相聯(lián)系。壓溶縫合線的起伏幅度可大可小，差別較大?？p合線內可為泥質，也可為有機質 (瀝青)，還可以是兩者一起賦存。

3.3 膠結 (充填)作用

膠結物成分有方解石、白云石、瀝青、石英、石膏，以白云石為主，瀝青及方解石次之，石英、石膏、黃鐵礦很少。

圖3 壓實壓溶作用特征Fig.3 Microphotograph and core photo showing mechanical compaction and pressure dissolution

研究區(qū)膠結作用主要分為4期。第1期為海底膠結作用。第2、第3期膠結作用發(fā)生于淺—中埋藏階段，屬中成巖膠結作用。第2期膠結作用是在烴類進入之前或同時，形成半自形粒狀白云石或方解石晶體充填溶孔、溶洞及裂縫，晶體表面常有瀝青膜 (見圖4a);第3期膠結作用表現(xiàn)為瀝青充填晶間孔、晶間溶孔及粒間溶孔 (見圖4b)。第4期膠結作用表現(xiàn)為粗—巨晶方解石、白云石充填溶孔、裂隙 (圖4c、4d)，大多晚于瀝青侵位，形成于氣烴階段，晚期的方解石充填是儲層喪失各類孔隙的主要原因，其分布表現(xiàn)出較明顯的非均質性。

3.4 溶蝕作用

巖心及薄片觀察表明，研究區(qū)長興組溶蝕作用較為發(fā)育，主要劃分為3期和2種類型:

第1期準同生—同生期大氣水溶蝕作用，主要表現(xiàn)在部分生屑或砂屑顆粒具粒內溶孔、鑄模溶孔，溶蝕作用較弱 (見圖5)。

第2期早成巖晚期—中成巖中期埋藏溶蝕作用在本區(qū)較普遍，以白云石晶間孔、晶間溶孔發(fā)育為特征，普遍具瀝青充注，溶蝕作用較強 (見圖6)。

第3期晚成巖期埋藏溶蝕作用以溶蝕孔洞發(fā)育、沿縫溶蝕、裂縫或縫洞方解石溶蝕、具粒狀亮晶自形白云石生長、缺乏瀝青充填物為特征，是液態(tài)石油進入并裂解成天然氣后形成(見圖6)。

第2期和第3期進一步溶蝕，局部溶蝕擴大孔洞并被氣烴充注，形成了較多的有效儲集空間，是優(yōu)質儲層發(fā)育的關鍵。

3.5 破裂作用

巖心及薄片觀察揭示，區(qū)內大部分井長興組均發(fā)育有破裂作用和裂縫，見1期成巖縫洞和3期構造裂縫 (見圖7)，破裂作用及裂縫發(fā)育特征如下:

圖4 長興組儲層充填膠結作用Fig.4 Microphotograph showing diagenetic cementation in the Changxing Formation

5 大氣水溶蝕作用特征Fig.5 Microphotograph showing meteoric dissolution

①成巖縫洞:與失水收縮作用有關，裂縫或縫洞具有不規(guī)則、延伸短、無組系、方解石完全充填的特征，可被縫合線及白云石化作用改造。

②第1期構造裂縫:可能與印支期構造應力作用有關，裂縫往往以高角度斜交層面發(fā)育、縫壁較平直、平行或雁列式排列展布、方解石完全充填為特征，可被縫合線切割改造，限定了它是第1期破裂作用的產(chǎn)物。

圖6 長興組儲層兩期溶蝕作用特征 (左為中期，右為晚期;10倍，單偏光)Fig.6 Microphotograph showing two-stage dissolution occurred in the Changxing Formation

圖7 元壩地區(qū)長興組巖心的多期構造裂縫Fig.7 Core photo showing multi-history tectonic-related fracture

③第2期構造裂縫:可能與燕山期構造應力作用有關，裂縫以高角度斜交層面或不規(guī)則展布、裂縫面較平直、延伸較遠。裂縫寬度變化較大，細裂縫內為方解石完全充填，寬裂縫內可為碳酸鹽巖角礫及方解石充填。裂縫明顯切割改造縫合線、改造有機質侵染斑塊，限定了它是第2期構造裂縫，形成于壓溶縫合線及液態(tài)烴類進入之后。

④第3期構造裂縫:與喜馬拉雅期構造應力作用有關，裂縫以高角度斜交或垂直層面，裂縫面平直，平行排列展布，延伸遠，寬度小，未充填，可切割改造第2期構造裂縫方解石。

4 優(yōu)質儲層形成機制

元壩地區(qū)長興組優(yōu)質儲層是在多因素綜合作用和配置情況下形成的，發(fā)育的基礎是有利沉積相控制有利的儲層巖石組合類型與展布，具有建設性成巖作用的白云石化進一步提高巖石孔隙度，構造活動形成多期裂縫提高了儲層滲流性能。

4.1 有利沉積微相

有利沉積相是控制儲層的基本要素，在平面上控制了儲層的發(fā)育范圍。對19口鉆井取心資料統(tǒng)計分析表明，臺地邊緣生物礁、灘相是儲層發(fā)育最有利相帶 (見圖8)。

圖8 元壩地區(qū)長興組不同相帶儲層物征對比Fig.8 Histogram showing depositional facies and the variation of porosity

從礁相的發(fā)育特征看，縱向上可分為礁基-礁核-礁蓋和礁核-礁蓋兩類成礁旋回 (見圖9);從沉積微相與儲層物性的關系來看，優(yōu)質儲層主要發(fā)育于礁蓋，礁蓋的平均孔隙度為5.2%(見表3)。平面上優(yōu)質儲層主要分布于礁頂，其次是礁后。礁前鉆遇儲層平均厚度33.3 m，Ⅰ+Ⅱ類儲層11.3 m;礁頂鉆遇儲層平均厚度87.4 m，Ⅰ+Ⅱ類儲層44.9 m;礁后鉆遇儲層平均厚度47.4 m，Ⅰ+Ⅱ類儲層16.1 m。

圖9 長興組生物礁沉積模式Fig.9 Schematic diagram showing carbonate reef deposition occurred in the Changxing Formation

表3 生物礁不同位置鉆遇儲層參數(shù)統(tǒng)計Table 3 Parameters of the reservoirs in different locations of carbonate reef

緩坡和臺地邊緣與礁共生的碳酸鹽巖顆粒灘是最有利的儲層沉積相，其中的灘核厚度大、物性好，為儲層最有利微相，灘緣儲層逐漸變薄，灘間儲層不發(fā)育。

優(yōu)質儲層之所以發(fā)育在臺地邊緣礁灘相中，是因為臺地邊緣礁灘的水動力條件強，有利于形成規(guī)模性的抗浪生物骨架巖 (礁)和貧灰泥的碳酸鹽巖顆粒灘，其原生孔隙發(fā)育，形成了天然的優(yōu)質儲層。同時其沉積表面水體相對較淺，頻繁的海平面升降，導致頂部短時間受到大氣淡水的溶蝕，形成較多的溶蝕孔，而且為埋藏期成巖過程中白云石化及溶蝕作用奠定了基礎。

4.2 建設性成巖作用進一步改善儲層品質

建設性成巖作用會進一步提高巖石孔隙度。具有建設性的成巖作用主要為白云石化作用，構造活動形成多期裂縫提高了儲層滲流性能。儲層發(fā)育的好壞，還受成巖作用的強烈程度制約。YB2井長興組巖心分析表明，儲層物性的好壞與白云石化程度密切相關。當白云石含量大于90%時，樣品的孔隙度大于5%，儲層為Ⅰ、Ⅱ類;當白云石含量小于80%時，樣品的孔隙度在4%以下，儲層品質較差［12］。溶孔生屑白云巖、殘余生屑白云巖平均孔隙度較高，其次為結晶白云巖。

準同生成巖階段未固結或半固結的巖石遭受早期暴露溶蝕，形成了一些選擇性孔隙，盡管被后期充填膠結得很完全，但還是容易遭受晚期的溶蝕，有利于大量溶孔的形成。隨著埋深、溫度、壓力的增高，在構造活動和有機質成熟時釋放的大量有機酸等熱液的影響下，巖石發(fā)生了大規(guī)模新生變形作用和溶解作用。雖然晚期成巖階段也有白云石、方解石對少量孔隙、裂縫空間的充填作用，造成了儲層儲集性被破壞，但是這種破壞性的作用遠小于溶解作用和新生變形作用對儲層儲集性能的改造。

4.3 構造破裂作用改善了儲層的滲透能力和連通性

構造破裂形成的裂縫對儲集空間及滲透性的改善起到明顯的作用，主要有兩方面:一方面，油氣或有機酸等流體以儲層裂縫作為運移通道，對儲層中白云石、方解石進行溶蝕，增加了儲集空間，改善了滲透性;另一方面，儲層以微、細喉道為主，由于裂縫的溝通，形成了統(tǒng)一的孔、洞、縫系統(tǒng)，使其滲透性得到明顯改善。

5 結論

長興組優(yōu)質儲層的形成機制與沉積微相、成巖作用、構造活動等密切相關。優(yōu)質儲層主要發(fā)育于礁蓋，平面上優(yōu)質儲層主要分布于礁頂，其次是礁后;對儲層發(fā)育具有建設性的成巖作用主要為白云石化作用和溶蝕 (大氣水、埋藏)作用，液態(tài)烴充注和破裂也起到積極作用;構造破壞性成巖作用形成的裂縫可明顯改善儲集空間及滲透性。

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