四川盆地震旦系燈影組表生巖溶作用研究

郝 毅，楊 迅，王宇峰，陳 薇，谷明峰，厚剛福（1中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州 1002；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室，浙江 杭州 1002；中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川 江油621700）

四川盆地震旦系燈影組表生巖溶作用研究

郝 毅1，2，楊 迅3，王宇峰3，陳 薇1，2，谷明峰1，2，厚剛福1，2
（1中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州 310023；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室，浙江 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是中國最為古老的海相碳酸鹽巖沉積地層，也是年代最老的含氣儲集層之一，燈影組在漫長的地質(zhì)歷史時期中經(jīng)歷過多期次的巖溶作用改造，而表生巖溶作用是其中最為重要的一種。本文以野外露頭以及鉆井巖心樣品的宏觀、微觀特征為基礎(chǔ)，以不同結(jié)構(gòu)組分進(jìn)行微區(qū)取樣的多參數(shù)實驗分析方法為輔助手段，對燈影組白云巖表生巖溶作用進(jìn)行了研究。燈影組表生巖溶作用主要發(fā)育在三個層位，即燈四段頂部，燈二段頂部以及燈二段中、下部。其中桐灣Ⅰ幕和桐灣Ⅱ幕構(gòu)造運動是造成燈二段頂部以及燈四段頂部表生巖溶作用的主控因素，而燈二段早、中期的表生巖溶作用主要受氣候等原因引起的大規(guī)模海平面升降所控制。

四川盆地；震旦系；燈影組；表生巖溶作用

引言

四川盆地是中國西部一個大型而又古老的含油氣疊合盆地（圖1），面積約19×104km2［1］，呈NE向菱形展布特征。全盆地共發(fā)育20多套含油氣層系［2］，震旦系燈影組是其中最為古老的一套海相碳酸鹽巖含氣儲集層。1964年，天然氣探明地質(zhì)儲量達(dá)到400億立方米的威遠(yuǎn)燈影組氣藏被發(fā)現(xiàn)［3］，從此拉開了四川盆地?zé)粲敖M的勘探序幕。雖然在此之后，以震旦系燈影組為目的層又鉆探了多個構(gòu)造，除資陽地區(qū)三口鉆井達(dá)到工業(yè)氣流標(biāo)準(zhǔn)外，未再有新的發(fā)現(xiàn)。直到2011年，高石梯地區(qū)震旦系燈影組終于實現(xiàn)了重大突破，風(fēng)險探井高石1井在燈二段測試日產(chǎn)天然氣達(dá)到百萬立方米以上［4］，至此，四川盆地?zé)粲敖M步入了快速勘探階段。

表生巖溶作用是指松散的沉積物經(jīng)過固結(jié)成巖后，由于構(gòu)造抬升等原因使已經(jīng)固結(jié)的巖石再次暴露地表，在富CO2的大氣淡水作用下，巖石發(fā)生淋濾、溶解、侵蝕、搬運、再沉積等一系列作用，是眾多巖溶作用中的一種。前人曾對四川盆地以及周緣地區(qū)燈影組的巖溶作用做過一些研究工作，研究地區(qū)主要在威遠(yuǎn)地區(qū)［5］、資陽地區(qū)［6－7］、川中地區(qū)［8－10］、全盆地范圍［11－12］以及盆地外圍地區(qū)［13］。研究普遍認(rèn)為，四川盆地?zé)粲敖M巖溶作用分為三個階段，即準(zhǔn)同生期巖溶、表生期巖溶以及埋藏期巖溶，其中表生巖溶主要發(fā)育在燈影組頂部，是燈影組優(yōu)質(zhì)儲層的控制因素之一。本次通過研究細(xì)化了燈影組表生巖溶作用的期次,共分為三個階段,并提出燈二段中下部“葡萄花邊冶狀白云巖是表生巖溶作用的一種表現(xiàn)形式,并從野外宏觀、鏡下微觀特征、微區(qū)多參數(shù)實驗方法等方面入手,詳細(xì)解剖了該期表生巖溶作用的成因、主控因素及地質(zhì)意義。

圖1搖四川盆地?zé)粲敖M主要露頭及鉆井地理位置圖Fig.1搖Geographic location of main outcrops and wells in the Dengying Formation,Sichuan Basin

圖2搖四川盆地震旦系地層柱狀圖Fig.2搖Stratigraphic column of the Dengying Formation in the Sichuan Basin

1搖燈影組表生巖溶作用發(fā)育階段的劃分

燈影組巖性復(fù)雜[14],其自下而上分為四個段[15](圖2)。其中燈一段巖性主要為泥微晶白云巖,菌藻類不發(fā)育;燈二段為富菌藻類白云巖段,除了泥鄄粉晶白云巖外,富含菌藻類的砂屑、凝塊、團(tuán)塊等含菌藻類白云巖普遍發(fā)育。此外在燈二段還可見“葡萄花邊冶狀白云巖;燈三段主要為一套碎屑巖為主的砂、泥巖,全盆地廣泛分布,厚度從幾十公分至幾十米不等;燈四段主要為一套富含硅質(zhì)的泥微晶白云巖,菌藻類紋層局部發(fā)育,硅質(zhì)條帶及硅質(zhì)紋層是燈四段的主要識別標(biāo)志。

表生巖溶作用主要發(fā)育在燈四段頂部、燈二段頂部以及燈二段中下部(表1),其表現(xiàn)形式以及控制因素在下文中進(jìn)行探討。

表1 四川盆地?zé)粲敖M表生巖溶作用特征Table 1 Description of the supergene karstification in the Dengying Formation，Sichuan Basin

11 燈四段末期的表生巖溶作用

眾所周知，震旦系燈影組與下寒武統(tǒng)之間存在一個大的不整合面，地層長時間暴露在地表，因此表生巖溶作用在燈影組末期廣泛發(fā)育。該階段表生巖溶作用發(fā)育的直接證據(jù)就是直徑大于2mm的溶洞大量出現(xiàn)。從川中地區(qū)gs1、mx9以及mx10三口鉆井的燈四段資料來看［8］，巖心溶洞發(fā)育段長度約25m，各類溶洞2301個（圖3A、B）。溶洞發(fā)育層段洞密度926個／m，其中直徑大于20mm的溶洞有141個［8］。

圖4 燈影組二段孔洞發(fā)育特征A.含菌藻白云巖，溶蝕孔洞發(fā)育，gs6井，燈二段；B泥粉晶白云巖，溶孔較發(fā)育，直徑多小于5mm，gk1井，燈二段；C.巖溶縫洞系統(tǒng)垮塌并被滲流粉砂、泥質(zhì)充填，南江楊壩剖面，燈二段Fig.4 Characteristics of caves and vugs in the 2nd member of the Dengying Formation

由于燈影組末期暴露時間較長，形成的大型洞穴較多，但是從巖心以及薄片上無法直觀地捕捉到這些信息，只能通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計以及現(xiàn)代化鉆井技術(shù)來實現(xiàn)。在威遠(yuǎn)和高石梯磨溪地區(qū)鉆井過程中常遇到放空和井漏現(xiàn)象，如對威遠(yuǎn)氣田鉆達(dá)燈影組儲層的78口鉆井的統(tǒng)計表明，鉆具放空的井共有15口，即使未考慮單井重復(fù)多次放空，其放空鉆遇率也已經(jīng)達(dá)1923%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于茅口組放空鉆遇率994%以及嘉陵江組的404%［3］。此外，繼深1井距燈影組頂部7m處發(fā)生井漏之后，深1井距燈影組頂部1m處也發(fā)生了井漏［12］。這些放空、漏失的鉆井主要在燈影組頂部，且并未鉆遇斷層，其成像測井顏色多表現(xiàn)為暗黑色，與其他巖性的橙色背景形成很大反差（圖3C）。

12 燈二段末期的表生巖溶作用

四川盆地?zé)舳文┢谠l(fā)生過一次構(gòu)造抬升，其規(guī)?？赡鼙炔簧蠠粲敖M末期，但也造成了長時間的沉積間斷，巖層大范圍暴露出水面，遭受了淋濾溶蝕作用。該期表生巖溶作用也造成了大量優(yōu)質(zhì)巖溶型儲層的富集。從川中高石梯磨溪地區(qū)gs2、gs6、mx9、mx11這四口鉆井燈二段的取心資料來看，溶洞發(fā)育段約98m，占整個巖心長度的915%。其中直徑大于等于20mm的溶洞約277個，大于等于2mm但小于5mm的溶洞約755個，直徑小于2mm的孔洞數(shù)量最多（圖4A、B），超過6000個［8］。除了孔洞發(fā)育外，在野外也可以見到類似表生巖溶縫洞系統(tǒng)垮塌并被滲流粉砂、泥質(zhì)物充填的現(xiàn)象（圖4C）。

13 燈二段早、中期的表生巖溶作用

該時期表生巖溶作用的主要表現(xiàn)形式是“葡萄花邊”狀白云巖出現(xiàn)［16］。該類巖石從正面看像一顆顆的“葡萄”（圖5A），從側(cè)面看則像一層層的“花邊”狀紋層（圖5B、C）。單個紋層厚度約01～1mm，顏色可以為灰色、淺灰色、深灰色、黑灰色，或者幾種不同顏色的紋層呈不規(guī)則互層狀，形成獨特的瑪瑙紋構(gòu)造?！捌咸选迸c“花邊”兩者一同構(gòu)成一個有機(jī)整體?！捌咸鸦ㄟ叀睜畎自茙r的發(fā)育產(chǎn)狀有三種：順巖層面生長（圖5B）、沿角礫外緣包繞生長（圖5B、C）、垂直或斜交巖層面生長（圖5D）。另外，“葡萄花邊”狀白云巖從結(jié)構(gòu)組分上可以分為圍巖、“葡萄花邊”狀紋層、亮晶膠結(jié)物三種（圖5E、F）。“葡萄花邊”構(gòu)造與燈影組另一種大規(guī)模發(fā)育的“紋層狀”白云巖最大的區(qū)別是，“葡萄花邊”的生長有明顯的對稱性。大家所熟悉的疊層狀、紋層狀菌藻類巖石為沉積型成因，因此其生長方向都是自下而上符合生物向上生長的規(guī)律。而在野外露頭及巖心中見到的“葡萄花邊”狀紋層，其生長時具有明顯的對稱性（圖5E、F）?！捌咸鸦ㄟ叀绷硗庖粋€特征是可以穿過層面生長，沉積型的藻紋層往往都是在巖層表面依附生長，即使生長形態(tài)略有起伏，也不會垂直或斜交層面發(fā)育。而“葡萄花邊”紋層則經(jīng)?？梢砸姷狡浯┻^層面生長，即在垂向為主的裂縫中生長（圖5D）。

本次針對這種特殊巖石類型，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（圖5E、F）進(jìn)行了微區(qū)取樣，并做了碳、氧、鍶同位素分析。由于圍巖（以泥晶白云巖為主）是正常海水環(huán)境下的沉積產(chǎn)物，因此，圍巖的碳、氧、鍶同位素數(shù)值基本反映了正常海水沉積物的特征。（碳、氧同位素，送樣單位：中國石油天然氣集團(tuán)公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室；執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：《SY／T52382008有機(jī)物和碳酸鹽巖碳、氧同位素分析方法》；使用儀器：DELTA V Advantage同位素比質(zhì)譜儀；檢測環(huán)境：溫度：24℃，濕度：50%RH。精度：小數(shù)點后2位。鍶同位素，送樣單位：中國石油天然氣集團(tuán)公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室；執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：《巖石中鉛、鍶、釹同位素測定方法》GB／T 176721999；使用儀器：熱電離同位素比質(zhì)譜儀TRITON PLUS；測試條件：單帶：Ta帶，電離溫度：1450℃；檢測環(huán)境：溫度：20℃，濕度：40%RH。精度：小數(shù)點后6位；誤差：±2σ）

從碳、氧同位素數(shù)據(jù)可以明顯地看到（圖6），“葡萄花邊”和圍巖的δ18O值較為接近，反映了成巖流體的鹽度和形成溫度都近似于正常海水；而粗晶白云石的δ18O數(shù)值明顯偏負(fù)很多，反映了其形成的鹽度較低，且成巖時間較晚、成巖溫度較高，形成環(huán)境可能與熱液流體有關(guān)。三種組分δ13C數(shù)值比較接近，但相對最低的是“葡萄花邊”，表明成巖過程中可能有少量大氣淡水的參與（表生環(huán)境）。從鍶同位素數(shù)據(jù)來看（圖7），除一個圍巖樣品數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常外，其余圍巖和“葡萄花邊”樣品的87Sr／86Sr值較為接近且整體偏低，反映了同時期海水中以幔源鍶為主的特征。而粗晶白云石中的87Sr／86Sr值則明顯偏高，說明其成巖流體明顯不同。結(jié)合碳、氧同位素判斷，粗晶白云石的成巖流體可能來自深部，并受古老的殼源碎屑沉積物所影響（研究區(qū)燈影組下部存在南沱組觀音崖組碎屑巖地層以及更為古老的淺變質(zhì)碎屑巖地層），因此87Sr／86Sr值偏高。

圖5 燈影組二段“葡萄花邊”狀白云巖宏觀和微觀特征A.“葡萄花邊”狀白云巖正面特征，像一顆顆“葡萄”，峨邊先鋒剖面，燈二段；B.“葡萄花邊”狀白云巖側(cè)面特征，猶如一層層“花邊”，四川峨邊先鋒剖面，燈二段；C.“葡萄花邊”狀白云巖野外近照，南江楊壩剖面，燈二段；D.“葡萄花邊”狀白云巖，穿層生長，南江楊壩剖面，燈二段；E.“葡萄花邊”狀白云巖宏觀結(jié)構(gòu)特征，箭頭方向為“花邊”生長方向，w117井燈二段；F.“葡萄花邊”狀白云巖鏡下微觀特征，箭頭方向為“花邊”生長方向，w117井燈二段，普通薄片（正交偏光）Fig.5 Macroscopic and microscopic characteristics of“Botryoidal＆lacelike”dolostone in the Dengying Formation

圖6 碳、氧同位素圖版Fig.6 Chart of carbon and oxygen isotopes

圖7 鍶同位素圖版Fig.7 Chart of87Sr／86Sr isotopes

2 燈影組表生巖溶作用的控制因素

21 構(gòu)造抬升運動引起的表生巖溶作用

對于燈二段頂部以及燈四段頂部的表生巖溶作用來講，構(gòu)造運動是造成該時期地層抬升、暴露、溶蝕的主控因素。四川盆地震旦紀(jì)燈影組發(fā)生過兩期主要的構(gòu)造運動，即桐灣Ⅰ幕和桐灣Ⅱ幕運動，分別發(fā)生在燈二末期和燈四末期（圖2），因此桐灣Ⅰ幕和桐灣Ⅱ幕構(gòu)造運動分別是造成燈二段頂部以及燈四段頂部的表生巖溶作用的主控因素。

22 海平面升降引起的表生巖溶作用

“葡萄花邊”狀白云巖的發(fā)育有著明顯的規(guī)律性。雖然縱向上只發(fā)育在燈影組二段中、下部，但在平面上分布甚廣且穩(wěn)定，在大的沉積相帶未發(fā)生變化的情況下，四川盆地及周緣地區(qū)的野外露頭和鉆井巖心中幾乎都可以見到。該層位目前還沒有發(fā)現(xiàn)大的不整合標(biāo)志，因此，很可能是在海平面大規(guī)模下降的背景下，發(fā)育了范圍如此之廣的表生巖溶作用。海平面再次上升時，已經(jīng)存在的裂縫洞穴體系中便會形成多期次的海水纖狀膠結(jié)物。當(dāng)?shù)貙永^續(xù)埋深后，海水膠結(jié)物逐漸停止發(fā)育，而相對晚期形成的亮晶膠結(jié)物則繼續(xù)充填殘留的縫洞空間，因此，燈二段早中期的表生巖溶作用主要受大規(guī)模海平面下降所控制（圖8）。此外，考慮到地球在震旦紀(jì)早期剛經(jīng)歷冰期環(huán)境，因此海平面大規(guī)模下降的原因則可能與溫度等氣候因素的急劇變化有關(guān)。

圖8 “葡萄花邊”與海平面變化關(guān)系Fig.8 Relationship between“Botryoidal＆lacelike”dolostones and sea level changes

3 結(jié)論

在燈影組中，溶蝕作用主要經(jīng)歷了三個階段：（準(zhǔn)）同生期大氣淡水溶蝕作用階段、表生期的巖溶作用階段以及埋藏期溶蝕作用階段，其中表生成巖環(huán)境形成的溶蝕孔洞對燈影組優(yōu)質(zhì)儲層的形成有著巨大的貢獻(xiàn)。研究認(rèn)為，燈影組表生巖溶作用主要發(fā)育在三個時期，即燈四末期，燈二末期以及燈二早、中期。桐灣Ⅰ幕和桐灣Ⅱ幕構(gòu)造運動是造成燈二段頂部以及燈四段頂部表生巖溶作用的主控因素，而燈二段早、中期的表生巖溶作用主要受大規(guī)模海平面下降所控制。表生巖溶作用的地質(zhì)意義在于，其不但是燈影組儲層發(fā)育的重要因素，而且對燈影組各個時期沉積古地貌的研究具有指導(dǎo)意義。

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Supergene karstification in the Sinian Dengying Formation，Sichuan Basin

HAO Yi1，2，YANG Xun3，WANG Yu－feng3，CHEN Wei1，2，GU Ming－feng1，2，HOU Gang－fu1，2
（Hangzhou Institute of Petroleum Geology，PetroChina，Hangzhou 310023，Zhejiang，China；2.Key Laboratory of Carbonate Reservoirs，CNPC，Hangzhou 310023，Zhejiang，China；3.Northwest Sichuan Division，Southwest Oil＆Oil Field Company，PetroChina，Jiangyou 621700，Sichuan，China）

The Sinian Dengying Formation strata in the Sichuan Basin are interpreted to be the oldest marine carbonate strata and gas reservoirs in China.In the last geologic periods，the Dengying Formation underwent multiple phases of karstification，of which the supergene karstification have played an important part in the formation of the excellent reservoir rocks in the Formation.Therefore，the emphasis in the present paper is placed on the supergene karstification in the Sinian Dengying Formation on the basis of macroscopic and microscopic features，and multi－parameter experimental analysis of samples from the field outcrops and drilled cores in the Sichuan Basin.The supergene karstification occurs dominantly in three horizons，including the topmost parts of the 4th member and the 2nd member，and lower and middle parts of the 2nd member of the Dengying Formation.The tectonic movements during the Tongwan I and II episodes are believed to be the main controlling factors for the supergene karstification in the topmost parts of the 4th member and 2nd member of the Dengying Formation.The supergene karstification in the lower and middle parts of the 2nd member of the Dengying Formation is mostly constrained by the large－scale sea level changes caused by climatic variations..

Sichuan Basin；Sinian；Dengying Formation；supergene karstification

P512.2

A

10093850（2017）01004807

20161024；改回日期：20161127

郝毅（1981－），男，工程師／碩士學(xué)位，專業(yè)：沉積學(xué)。Email：haoy＿h(yuǎn)z＠petrochinacomcn

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（2016ZX05004002）；中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“深層油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究”（2014E32）