四川盆地震旦系燈影組白云巖成巖作用研究

郝毅，王宇峰，楊迅，陳薇，李文正

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四川盆地震旦系燈影組白云巖成巖作用研究

郝毅1.2，王宇峰3，楊迅3，陳薇1.2，李文正1.2

（1.中國石油杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023；2. 中國石油天然氣集團(tuán)公司碳酸鹽巖儲層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310023；3.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川江油 621700）

四川盆地?zé)粲敖M是中國最古老的海相碳酸鹽巖地層，也是年代最為久遠(yuǎn)的含氣儲集層，其成巖作用較為復(fù)雜。根據(jù)鉆井巖心及野外露頭觀察，結(jié)合取樣實(shí)驗(yàn)分析對該白云巖進(jìn)行系統(tǒng)研究，其成巖作用經(jīng)歷了膠結(jié)、交代、生物、白云石化、溶蝕、壓實(shí)、壓溶、硅化、新生變形等作用。其中，早期的白云石化作用、不同時(shí)期的溶蝕作用對燈影組的儲層發(fā)育起到了建設(shè)性作用，而膠結(jié)作用、硅化作用是影響儲層發(fā)育的關(guān)鍵因素。

燈影組；白云巖；成巖作用；四川盆地

四川盆地（圖1）形狀接近菱形，面積約19×104km2[1]。震旦系是中國南方上揚(yáng)子臺地的第一個(gè)沉積蓋層，其同位素年齡大約為5.7～8.5億年，屬于上元古界地層[2]。其中上震旦統(tǒng)燈影組是我國最古老的海相碳酸鹽巖含氣儲集層之一，從上世紀(jì)40年代至今，已有約70年的勘探歷程，期間經(jīng)歷了1964年威遠(yuǎn)氣田發(fā)現(xiàn)的輝煌[3]以及2011年高石梯構(gòu)造的重大突破[4]，可謂勘探艱辛但成果頗豐。在學(xué)術(shù)研究方面，燈影組也一直屬于地質(zhì)學(xué)家們關(guān)注的層系。自上世紀(jì)80年代開始，前人就開始對四川盆地?zé)粲敖M進(jìn)行了大量的研究，主要涉及到巖石類型[5-6]、儲層特征[7-9]、烴源巖[10]、成巖作用[11-13]及成藏特征[14-15]等方面。有些研究著重于各種成巖作用，忽視了成巖作用本身所處的環(huán)境，還可能忽略了燈影組不同層段所經(jīng)歷的成巖作用的區(qū)別。本研究主要以野外露頭及巖心樣品入手，從宏微觀特征、顯微鏡下鑒定、微區(qū)多參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等方面入手，對燈影組不同層位的成巖作用進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，并明確了各種成巖作用的主控因素及成巖環(huán)境。

表1 國內(nèi)外主要的成巖階段劃分方案

圖1 四川盆地?zé)粲敖M主要露頭及鉆井地理位置圖

1 燈影組成巖階段劃分以及成巖環(huán)境

成巖作用是指沉積物沉積后直到發(fā)生變質(zhì)作用之前所經(jīng)歷的一系列物理、化學(xué)、生物及綜合作用。成巖階段是沉積物沉積后被漸進(jìn)埋藏直至變質(zhì)作用發(fā)生以前，或因構(gòu)造抬升遭受表生成巖改造所經(jīng)歷的各種成巖變化的進(jìn)程或階段。成巖環(huán)境、成巖階段、成巖作用像是一個(gè)有機(jī)整體，相同的成巖環(huán)境可能發(fā)生著不同的成巖作用，而不同的成巖階段也可能發(fā)生相同的成巖作用。成巖階段的劃分是研究成巖作用的基礎(chǔ)，成巖階段劃分的主要依據(jù)有巖石學(xué)特征、有機(jī)質(zhì)演化特征、古地溫特征以及鏡質(zhì)體反射率等等。目前國內(nèi)外學(xué)者有著不同的成巖階段劃分方案（表1），且各具特色。參照方少仙等2013年成巖作用劃分方案，即將燈影組碳酸鹽巖

成巖階段劃分為三個(gè)階段：①同生成巖階段；②成巖階段（早成巖、中成巖、晚成巖）；③表生成巖階段。四川盆地?zé)粲敖M巖石主要在正常海水環(huán)境、大氣淡水環(huán)境、埋藏環(huán)境、表生環(huán)境經(jīng)歷了一系列的成巖作用，其經(jīng)歷的成巖階段、成巖作用以及所處的成巖環(huán)境具有不可分割的關(guān)系（表2）。

表2 燈影組主要成巖作用以及所處的成巖環(huán)境和成巖階段

2 燈影組主要成巖作用

2.1 壓實(shí)、壓溶作用

主要發(fā)生在同生期-成巖早期階段，是導(dǎo)致巖石原生孔隙快速下降的主要原因。據(jù)前人研究，碳酸鹽巖灰泥物質(zhì)原生孔隙最大可達(dá)80%。在正常壓實(shí)條件下，埋藏深度約3 000m時(shí)，孔隙基本消失殆盡。亮晶膠結(jié)顆粒原生孔隙度可達(dá)45%，在正常溫壓條件下，埋藏深度為5 000m時(shí)，可殘存5%的孔隙。

燈影組巖性有很大一部分是泥晶白云巖、泥質(zhì)泥晶白云巖，因此壓實(shí)作用對孔隙度保存的影響是非常大的，尤其是在燈一段以及燈四段。而對燈二段而言，很多地區(qū)都發(fā)育顆粒結(jié)構(gòu)或藻（微生物）格架、藻粘結(jié)結(jié)構(gòu)，在薄片中發(fā)現(xiàn)其機(jī)械壓實(shí)作用并不很明顯（圖2）。因?yàn)檎鸬┫邓{(lán)細(xì)菌、藻類在水沉積界面處即可快速大量地繁殖，并可能將碎屑顆粒粘結(jié)在一起，形成類似凝塊石的粘結(jié)體，或在碎屑邊緣形成泥晶套，保持了沉積物的穩(wěn)定，避免過早的經(jīng)歷壓實(shí)作用。抗壓實(shí)作用的另外一個(gè)原因是快速的膠結(jié)作用，在藻云巖或顆粒白云巖邊緣常見有形成于同生成巖期的纖狀或葉片狀白云石環(huán)邊膠結(jié)物，這些因素都無疑對壓實(shí)作用起到了一定的抑制作用。

圖2 壓實(shí)作用的影響在薄片中的反應(yīng)

壓溶作用多見于灰?guī)r地層，因此對燈影組較純的白云巖地層而言，化學(xué)壓溶作用不甚明顯，僅在細(xì)粒的不同組構(gòu)粉晶白云巖紋層間見到微縫合線[11]。

2.2 膠結(jié)作用

主要見于顆粒白云巖和藻粘結(jié)白云巖中，是四川盆地?zé)粲敖M原生孔隙降低的主要成巖作用之一，它存在于整個(gè)成巖作用階段，不僅充填原生孔隙，而且對后期溶蝕作用和構(gòu)造破裂作用產(chǎn)生的次生空間進(jìn)行破壞，堵塞次生孔隙。以“葡萄花邊”狀白云巖為例[16]，“葡萄花邊”單個(gè)紋層厚度約0.1～1mm，顏色可以為灰色、淺灰色、深灰色、黑灰色，或者幾種顏色的紋層不規(guī)則互層出現(xiàn)，形成獨(dú)特的瑪瑙紋構(gòu)造（圖3A）。據(jù)研究表明，“葡萄花邊”狀紋層就是一種膠結(jié)物。當(dāng)?shù)貙颖┞?，在表生期巖溶作用下形成縫洞系統(tǒng)，海平面再次上升時(shí)被大量的纖狀白云石膠結(jié)物分期次膠結(jié)充填縫洞，地層被埋藏后，在深部流體的作用下繼續(xù)膠結(jié)形成亮晶白云石。此類“葡萄花邊”狀白云巖往往可以看到三個(gè)世代膠結(jié)物（圖3B），有的可能只發(fā)育二期甚至只有一期明顯的膠結(jié)物。

第一世代多為纖狀白云石膠結(jié)物。該類膠結(jié)物往往垂直于圍巖呈纖狀等厚環(huán)邊生長，環(huán)邊厚度多為0.03~0.06mm。第二世代膠結(jié)物一般為葉片狀或等軸粒狀白云石膠結(jié)物，是在第一世代膠結(jié)物的基礎(chǔ)上對殘余孔洞繼續(xù)膠結(jié)充填的表現(xiàn)?！捌咸鸦ㄟ叀奔y層在顯微鏡下主要表現(xiàn)為這兩種膠結(jié)物特征，但從掃描電鏡分析來看，“葡萄花邊”紋層并沒有想象中的那么明顯，甚至幾乎無法識別（圖3C），這可能與做樣品時(shí)需要在表面噴金有一定的關(guān)系，第三世代膠結(jié)物為埋藏期形成的亮晶膠結(jié)物，是在前兩個(gè)世代白云石膠結(jié)物的基礎(chǔ)上繼續(xù)向孔洞中心膠結(jié)生長的結(jié)果，且越向孔洞中心晶粒就會變得越大，多可以達(dá)到中晶-粗晶（圖3B）。

圖3 燈影組白云石“葡萄花邊”狀膠結(jié)物特征

在四川南江楊壩剖面系統(tǒng)采樣，分別對圍巖、“葡萄花邊”膠結(jié)物、亮晶白云石膠結(jié)物三種不同結(jié)構(gòu)組分進(jìn)行了微區(qū)取樣，并做了碳、氧、鍶同位素分析。因?yàn)閲鷰r（泥晶白云巖）是正常海水環(huán)境下的沉積產(chǎn)物，其碳、氧、鍶同位素?cái)?shù)值可以作為一個(gè)基準(zhǔn)來對其他組構(gòu)的同位素進(jìn)行成巖環(huán)境的判別。從碳、氧同位素?cái)?shù)據(jù)做成的圖版（圖4）可以明顯的看到，圍巖和“葡萄花邊”的δ18O值較為接近，反映了成巖流體的鹽度和形成溫度都較為相似；而粗晶白云石δ18O明顯較低，反映了其形成的鹽度較低，且成巖時(shí)間較晚、成巖溫度較高。三種組分δ13C比較接近，而數(shù)值相對最低的是“葡萄花邊”，表明成巖過程中有少量大氣淡水的參與。鍶同位素研究認(rèn)為，殼源鍶的87Sr /86Sr要大于幔源鍶（黃思靜 2001）。從實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)來看（圖5），除一個(gè)圍巖樣品數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常外，圍巖和“葡萄花邊”樣品的87Sr /86Sr值較為接近，應(yīng)受到同時(shí)期海水幔源鍶的影響，整體偏低。而粗晶白云中石的87Sr /86Sr值則明顯偏高，正反映了成巖流體來自深部而受到更為古老的地殼沉積物所影響（研究區(qū)燈影組下部存在較厚的古老碎屑巖沉積層-南沱組及觀音崖組），因此87Sr /86Sr值偏高。綜上分析來看，纖狀膠結(jié)物、葉片狀膠結(jié)物為表生期巖溶作用形成縫洞之后，海水再次上升，在與圍巖形成時(shí)相似的正常海水環(huán)境下的成巖作用產(chǎn)物，而中-粗晶白云石膠結(jié)物則為埋藏環(huán)境熱液流體作用下的成巖作用產(chǎn)物。

圖4 碳、氧同位素分析圖版[16]

圖5 鍶同位素87Sr /86Sr分析圖版[16]

2.3 白云石化作用

眾多學(xué)者對白云巖的生成機(jī)制已提出了諸多假設(shè)模式，大家比較熟悉和認(rèn)知的主要有四種：毛細(xì)管濃縮（蒸發(fā)泵）、滲透回流、混合水及埋藏白云石化作用。但無論那種模式都很難對整個(gè)中國南方這么大范圍內(nèi)厚度可達(dá)數(shù)百上千米較純白云巖的成因作出解釋，因此很有可能是多種白云石化模式多階段反復(fù)作用的結(jié)果。值得注意的是，當(dāng)時(shí)的海水成分跟現(xiàn)今是有很大區(qū)別的，因此在準(zhǔn)同生時(shí)期甚至巖石還未固結(jié)就很有可能發(fā)生了較為廣泛的白云石化作用。當(dāng)然，前面提到的一般孔洞中最后一期中-粗晶白云石有數(shù)據(jù)支持是埋藏中晚期形成的，由于鞍狀白云石的存在，其形成可能與熱液活動有一定的關(guān)系。

2.4 硅化作用

是發(fā)育在研究區(qū)的一種破壞儲層的交代成巖作用，其中燈四段硅化作用尤為普遍。燈影組硅化作用主要可以分為兩種類型：第一類為選擇性硅化作用，主要發(fā)育在燈四段。硅質(zhì)可以選擇性交代菌藻類及其他碳酸鹽巖顆粒，或者對藻凝塊、藻紋層等格架孔進(jìn)行有規(guī)律的充填，原巖多為菌藻類白云巖（圖6AB），野外觀察硅質(zhì)產(chǎn)狀多為紋層狀。此類硅化作用形成時(shí)間較早，很可能是海水環(huán)境中形成的。此時(shí)可能由于深部物質(zhì)的大量噴發(fā)，海水中富含硅質(zhì)，因此在準(zhǔn)同生期便形成此類硅化作用；第二種是非選擇性硅化作用，硅質(zhì)主要對各類孔洞進(jìn)行充填或者發(fā)生交代作用，主要發(fā)育在燈二段。鏡下可見硅質(zhì)多為較大的自形石英晶體，甚至呈自形狀態(tài)生長在碳酸鹽原巖之中（圖6C），其成因可能與熱液有關(guān)，成巖作用可能發(fā)生在埋藏環(huán)境。硅化作用對燈影組白云巖儲層無疑起著很大的破壞性作用，不但使巖石結(jié)構(gòu)變得致密，更為重要的則是減少了儲集空間并且阻礙了儲層之間的連通性。

2.5 其他非硅質(zhì)礦物的交代作用

燈影組內(nèi)常見的主要有黃鐵礦。黃鐵礦一般呈草莓球狀或細(xì)分散立方體狀、粒狀、結(jié)核狀交代碳酸鹽巖顆粒、基質(zhì)或早期膠結(jié)物（圖7A），此外還可以見到閃鋅礦、方鉛礦等熱液礦物，這幾種礦物的交代作用在燈二段及燈四段都可以看到。這些都說明了此類礦物交代作用主要發(fā)生在埋藏階段，由熱液流體經(jīng)過時(shí)發(fā)生了礦物的沉淀、交代等作用。

圖6 燈影組硅化作用特征

2.6 重結(jié)晶作用

四川盆地?zé)粲敖M白云巖重結(jié)晶現(xiàn)象普遍發(fā)育，白云巖中灰白色砂屑白云巖、顆粒白云巖和泥晶白云巖，由于菌藻類、有機(jī)質(zhì)及泥質(zhì)含量少，很容易發(fā)生重結(jié)晶作用，常形成具有顆?；糜盎蝾w粒殘留結(jié)構(gòu)的粉-晶、中晶白云巖。重結(jié)晶作用一般不會使原巖的孔隙度增加，但卻能使晶粒增大趨于自行，而將原巖的微孔隙調(diào)整為較大的晶間孔隙（圖7B），吼道也相對變得比較平直，從而提高了巖石的滲透率。燈影組的重結(jié)晶作用發(fā)育在埋藏環(huán)境，主要在中-深埋藏成巖作用階段。

圖7A mx9井燈二段白云巖中見黃鐵礦4×（-）

圖7B mx9井燈四段粉晶白云巖晶間孔發(fā)育1.25×（-）

2.7 表生巖溶作用

溶蝕作用無論在哪個(gè)地區(qū)、哪個(gè)層位的地層中，都是有效改善碳酸鹽巖儲層的主要因素之一。在燈影組中溶蝕作用主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：準(zhǔn)同生期大氣淡水溶蝕作用階段、表生成巖環(huán)境的巖溶作用階段和埋藏期溶蝕作用階段。其中表生成巖環(huán)境形成的巖溶作用是對燈影組儲層最為有利的一種成巖作用。

四川盆地震旦紀(jì)發(fā)生兩期主要的構(gòu)造運(yùn)動，即桐灣Ⅰ幕和桐灣Ⅱ幕，分別發(fā)生在燈二末期和燈四末期，此外燈二段早中期由于氣候原因造成了海平面頻繁升降，巖層頻繁暴露并接受溶蝕作用。燈影組的表生巖溶作用主要就是發(fā)育在這三個(gè)階段。其中燈二段的表生巖溶作用在很大程度上對有利相帶中形成的孔洞給予了強(qiáng)烈改造、溶蝕擴(kuò)大，形成了規(guī)模的縫洞系統(tǒng)，“葡萄花邊構(gòu)造”就是在表生巖溶作用下形成的產(chǎn)物。而燈四末期的巖溶作用則主要形成了大規(guī)模的溶洞，這在鉆井的放空、井漏數(shù)據(jù)及成像測井中均可以明顯的看到。

3 結(jié)論

燈影組白云巖年代古老且埋藏較深，經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖作用演化過程，其主要成巖序列如下：碳酸鹽巖沉積物—正常海水環(huán)境（膠結(jié)作用、交代作用、生物作用、白云石化作用等）—早期暴露大氣淡水環(huán)境（膠結(jié)作用、溶蝕作用、新生變形作用等）—埋藏環(huán)境（壓實(shí)作用、壓溶作用、膠結(jié)作用、交代作用、白云石化作用、硅化作用、埋藏溶蝕作用、新生變形作用、重結(jié)晶作用、其他礦物沉淀充填作用等）—構(gòu)造抬升表生環(huán)境（風(fēng)化作用、巖溶作用等）—海平面再次上升的正常海水環(huán)境（膠結(jié)作用、交代作用等）—地層被再次埋藏（壓實(shí)作用、壓溶作用等）。

相同的成巖環(huán)境可能同時(shí)存在不同的成巖作用，而不同的成巖環(huán)境也可能發(fā)育相同的成巖作用。在眾多的成巖作用中，早期的白云石化作用、不同時(shí)期的溶蝕作用、破裂作用對燈影組的儲層發(fā)育起到了積極的建設(shè)性作用，而膠結(jié)作用、硅化作用則是影響儲層發(fā)育的關(guān)鍵因素。

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On Diagenesis of Dolostone of the Sinian Dengying Formation, in the Sichuan Basin

HAO Yi1，2WANG Yu-feng3YANG Xun3CHEN Wei1LI Wen-zheng1

（1-Hangzhou Institute of Petroleum Geology, PetroChina, Hangzhou 310023; 2-Key Laboratory of Carbonate Reservoir, CNPC, Hangzhou 310023; 3-Northwest Sichuan Division of Southwest Oil & Gas Field Company, PetroChina, Jiangyou, Sichuan 621700）

The Dengying Formation is the oldest marine carbonate formation and gas reservoir in the Sichuan Basin and is characterized by complicated diagenesis. A systematic diagenesis research indicates that main diagenesis for dolostone in the Dengying Formation includes cementation, metasomatism, biological action, dolomitization, dissolution, compaction, pressure solution, silicification, neomorphism and so on. From all these diagenesis, Early dolomitization and dissolutions in different stages would have constructive significance for the dolomite reservoir, while cementation and silicification would be key factors which had an influence on the development of the reservoir.

Sinian; Dengying Formation; dolostone; Diagenesis; Sichuan Basin

P581

A

1006-0995（2016）03-0367-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2016.03.002

2015-04-27

國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（編號：2016ZX05004-002）；中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)“深層油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究” （編號:2014E-32-02）

郝毅（1981-），男，山西平遙人，碩士，工程師，從事沉積儲層方面研究工作