川西龍門山前雷口坡組四段白云巖儲(chǔ)層膠結(jié)物對(duì)早期孔隙的影響

王瓊仙，宋曉波，陳洪德，劉昊年

(1．成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，成都 610059；2．中國(guó)石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041)

形成在碳酸鹽巖孔隙中的膠結(jié)物對(duì)孔隙演化主要起到破壞性作用[1-3]，直接影響儲(chǔ)層的品質(zhì)。前人針對(duì)四川盆地不同地區(qū)的中三疊統(tǒng)雷口坡組灘相顆粒白云巖儲(chǔ)層、藻粘結(jié)白云巖和晶粒白云巖儲(chǔ)層、巖溶儲(chǔ)層均開展過(guò)成巖作用及孔隙演化方面的研究，認(rèn)為雷口坡組具有發(fā)育早期原生孔隙的沉積和成巖背景[4]，但膠結(jié)作用導(dǎo)致儲(chǔ)層原生孔隙難以保存下來(lái)[5]，雷口坡組儲(chǔ)層主要儲(chǔ)集空間為次生孔隙[6-9]。因此，前人重點(diǎn)從大氣淡水石膏溶蝕[5]、表生巖溶[10-13]、埋藏溶蝕[14]的角度分析了雷口坡組儲(chǔ)層的次生溶蝕孔隙形成演化過(guò)程，而針對(duì)早期孔隙保持過(guò)程及膠結(jié)作用對(duì)孔隙的影響研究較少。目前勘探結(jié)果證實(shí)，四川盆地西部龍門山前(圖1a)雷口坡組四段上亞段發(fā)育一套厚達(dá)55～84 m的潮坪相白云巖溶蝕孔隙型儲(chǔ)層[15-17]，該套儲(chǔ)層孔隙均形成于準(zhǔn)同生—淺埋藏期[18]，儲(chǔ)集空間主要為大量早期孔隙，但分布不均勻，孔隙發(fā)育段與孔隙欠發(fā)育段常疊置出現(xiàn)，孔隙欠發(fā)育段除了巖石自身孔隙欠發(fā)育外，各期膠結(jié)物的發(fā)育程度直接控制了現(xiàn)今儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能。因此，本文應(yīng)用研究區(qū)6口鉆井的薄片、陰極發(fā)光、探針微量元素、激光碳氧同位素及包裹體測(cè)溫等資料，對(duì)孔隙中膠結(jié)物成分、分布、期次、形成環(huán)境進(jìn)行分析，還原龍門山前該套白云巖儲(chǔ)層孔隙保持和破壞過(guò)程，以期為儲(chǔ)層的非均質(zhì)性及優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布規(guī)律認(rèn)識(shí)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

雷口坡組四段沉積時(shí)，川西地區(qū)主要為局限臺(tái)地潮坪沉積環(huán)境。根據(jù)巖性的差異，縱向上雷四段進(jìn)一步可劃分為3個(gè)亞段，其中雷四下亞段為大套膏巖沉積，中亞段為膏巖、白云巖互層沉積，上亞段為一套厚120～140 m的碳酸鹽巖沉積。龍門山前帶儲(chǔ)層均發(fā)育在雷四上亞段，其下部巖性為微粉晶白云巖、藻砂屑藻凝塊白云巖和藻紋層白云巖交互，上部過(guò)渡為白云質(zhì)灰?guī)r和藻砂屑灰?guī)r(圖1b)。中三疊世天井山期，雷口坡組進(jìn)入短暫淺埋藏環(huán)境；中三疊世末，受印支早期運(yùn)動(dòng)影響，地層抬升遭受剝蝕，造成龍門山前天井山組缺失，而雷口坡組則進(jìn)入“弱暴露”的近地表大氣淡水環(huán)境[12-13]；晚三疊世至今，雷口坡組進(jìn)入了漫長(zhǎng)的再埋藏環(huán)境。

雷四上亞段儲(chǔ)層主要發(fā)育在藻砂屑藻凝塊白云巖、藻紋層白云巖、微粉晶白云巖和含灰質(zhì)白云巖中，儲(chǔ)集空間以大量早期孔隙為主，如晶間孔、晶間溶孔、鳥眼—窗格孔、藻(粒)間溶孔。在雷四上亞段沉積后的準(zhǔn)同生期—淺埋藏早期，由于潮坪強(qiáng)蒸發(fā)作用，雷四上亞段發(fā)生大規(guī)模白云化作用，形成廣泛分布的厚層狀微—粉晶半自形—自形晶白云巖，在白云化過(guò)程中發(fā)育了大量晶間孔；同時(shí)，研究區(qū)沉積時(shí)水體較淺、地勢(shì)平坦，海平面升降容易發(fā)生間歇性的暴露而受到大氣淡水溶蝕，晶粒白云巖晶間孔被溶蝕形成晶間溶孔，藻類白云巖被選擇性溶蝕形成了大量鳥眼—窗格孔、藻間溶孔等。它們共同搭建了雷四上亞段儲(chǔ)層早期孔隙格架，孔隙度可達(dá)40%。統(tǒng)計(jì)表明，這些早期形成的孔隙中8%可直接保存為現(xiàn)今有效儲(chǔ)集空間，17%的早期孔隙經(jīng)歷了后期膠結(jié)充填破壞后，殘余的孔隙仍可形成有效儲(chǔ)集空間，另外15%的早期孔隙在孔隙演化過(guò)程中被膠結(jié)充填完全破壞，而后期的溶蝕作用對(duì)孔隙的改造較弱，新產(chǎn)生的孔隙僅占2%左右。因此，對(duì)于研究區(qū)雷四上亞段這類以早期孔隙為主的潮坪相白云巖儲(chǔ)層，淺埋藏晚期—近地表—再埋藏期不同類型膠結(jié)物的產(chǎn)生和分布，直接影響了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能。

圖1 研究區(qū)位置和地層結(jié)構(gòu)Fig.1 Tectonic position and stratigraphic sequence division of the study area

2 膠結(jié)物特征及分布

根據(jù)孔隙中膠結(jié)物結(jié)構(gòu)、地球化學(xué)特征及形成環(huán)境，研究區(qū)白云巖儲(chǔ)層中主要識(shí)別出3期5種膠結(jié)物。

2.1 第一期膠結(jié)物

淺埋藏期形成的白云石膠結(jié)物，晶粒大小以微粉晶為主，主要呈粒狀等厚環(huán)邊(圖2a、3a)和近等軸粒狀鑲嵌(圖2b、d)2種方式充填于藻類白云巖的藻(粒)間溶孔及部分鳥眼—窗格孔中，使藻類白云巖早期孔隙降低10%～15%，而在晶粒白云巖中見少量膠結(jié)物以白云石次生加大邊的形式出現(xiàn)，對(duì)儲(chǔ)集空間影響較少。

微粉晶白云石膠結(jié)物常見與研究區(qū)第一期白云石充填的裂縫伴生(圖2b)，陰極射線下等厚環(huán)邊白云石發(fā)褐色光(圖3c-③)，基質(zhì)白云石也發(fā)褐色光(圖3c-①)，兩者發(fā)光基本一致，表明它們所含的Fe2+和Mn2+相似，形成環(huán)境基本相同。但這期白云石膠結(jié)物主要充填于準(zhǔn)同生大氣淡水溶蝕形成的孔隙中(圖3c-②)，證明形成時(shí)間稍晚于基質(zhì)白云石。另外，該期白云石膠結(jié)物探針微量元素分析顯示，F(xiàn)eO含量為0～0.39‰、MnO含量為0.05‰～0.43‰，為無(wú)鐵—微含鐵白云石；激光碳氧同位素分析顯示，δ13CPDB為1.29‰，δ18OPDB為-5.11‰(表1)，碳同位素低正值，表明膠結(jié)物成巖流體具同期海水特征，氧同位素負(fù)偏不明顯，表明膠結(jié)物形成環(huán)境埋深較淺，應(yīng)形成于中三疊世末期，此時(shí)雷四上亞段地層處于海水潛流帶或剛脫離海底環(huán)境，孔隙中充滿同期海水，進(jìn)入了中—低溫、弱還原—還原的較淺埋藏成巖環(huán)境。

2.2 第二期膠結(jié)物

印支構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期近地表大氣淡水環(huán)境形成滲流砂膠結(jié)物(圖2a)。這種膠結(jié)物多充填在被等厚環(huán)邊白云石膠結(jié)殘余的溶孔中心，分布極不均勻，平均含量5%～8%，常與第二期泥質(zhì)充填的裂縫伴生，主要破壞藻類白云巖中較大的殘余孔隙，晶粒白云巖中較少見。陰極射線下滲流砂發(fā)褐色—橙紅色光，為大氣淡水膠結(jié)物特征。

2.3 第三期膠結(jié)物

第三期膠結(jié)物為上三疊統(tǒng)馬鞍塘組沉積后的再埋藏期膠結(jié)物。根據(jù)薄片觀察和包裹體測(cè)溫結(jié)果分析(圖4)，再埋藏期膠結(jié)物包括：方解石、白云石、黃鐵礦、石英和瑩石等。

據(jù)薄片觀察統(tǒng)計(jì)，方解石膠結(jié)物中，以第三期嵌晶方解石較常見(形成溫度140～180 ℃)(圖4),主要分布在晶間孔、晶間溶孔中(圖2c)，是晶粒白云巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能變差及形成非儲(chǔ)層的主要原因，孔隙下降10%～15%；在藻類白云巖溶孔中，嵌晶方解石分布極不均勻，但這類膠結(jié)物一旦出現(xiàn)，可完全破壞藻類白云巖早期孔隙(圖2a、b、e)。白云石膠結(jié)物，包括細(xì)—粗晶白云石(圖3d)、鞍狀白云石(圖2f)和嵌晶白云石(圖2e)。其中，細(xì)—粗晶白云石和嵌晶白云石較鞍狀白云石更為常見；薄片觀察白云石膠結(jié)物對(duì)孔隙破壞作用較有限，孔隙下降2%左右。另外膠結(jié)物中見到少量自生石英(圖2f)、黃鐵礦、瑩石等，對(duì)孔隙破壞作用不明顯。

圖2 川西龍門山前雷口坡組四段上亞段白云巖儲(chǔ)層孔隙充填特征

a.鳥眼—窗格孔充填第一期等厚環(huán)邊白云石+第二期滲流砂+第三期嵌晶方解石，裂縫和溶孔中方解石為同期產(chǎn)物，A2井，6 199.51 m，25-，染色薄片；b.粒間溶孔充填第一期粒狀鑲嵌白云石+第三期嵌晶方解石，發(fā)育2期裂縫，被白云石充填的裂縫早于方解石充填裂縫，A2井，6 200.82 m，25-，染色薄片；c.微粉晶含灰質(zhì)白云巖，白云石晶間(溶)孔部分被第三期嵌晶方解石充填，A2井，6 195.5 m，100-，染色藍(lán)色鑄體片；d.藻間孔充填第一期晶粒白云石，見殘余孔隙，A5井，5 785.65 m，40-，藍(lán)色鑄體片；e.粒間溶孔被第一期等厚環(huán)邊白云石+第三期嵌晶方解石、黃鐵礦、嵌晶白云石充填，A2井，6 227.6 m，50-，染色薄片；f.埋藏環(huán)境的第三期馬鞍狀粗晶白云石及自生石英充填溶孔，A2井，6 219.45 m，50-，藍(lán)色鑄體薄片

表1 川西龍門山前雷口坡組四段上亞段白云巖儲(chǔ)層孔隙主要膠結(jié)物地球化學(xué)特征Table 1 Geochemical characteristics of cements in the dolomite reservoir of in Longmen Mountain front, western Sichuan Basin

圖3 川西龍門山前雷口坡組四段上亞段膠結(jié)物薄片、掃描電鏡和陰極發(fā)光照片

a.①②為基質(zhì)白云石，③為溶孔邊緣充填的第一期(淺埋藏期)馬牙狀微粉晶白云石環(huán)邊，④為溶孔中心充填嵌晶方解石，A5井，5 769.35 m，100-，普通薄片照片；b.①②③均為白云石，背反射光為灰黑色，④為嵌晶方解石，背反射光呈淺白色，A5井，5 769.35 m，背反射光照片；c.①基質(zhì)白云石發(fā)褐色光，②被準(zhǔn)同生期淡水改造的溶孔外邊緣，陰級(jí)發(fā)光呈橙紅色，③溶孔內(nèi)邊緣充填的馬牙狀微粉晶白云石環(huán)邊發(fā)褐色光(與基質(zhì)發(fā)光相似)，④溶孔中心充填的嵌晶方解石不發(fā)光，A5井，5 769.35 m，陰極發(fā)光照片；d.含灰質(zhì)藻白云巖，溶孔充填的第三期(再埋藏期)粗晶白云石+嵌晶方解石，A5井，5 769.09 m，100-，普通薄片照片；e.①白云石背反射光為灰黑色，②嵌晶方解石為淺白色，A5井，5 769.09 m，背反射光照片；f.①粗晶白云石發(fā)環(huán)帶狀褐紅色、桔紅色光，②嵌晶方解石不發(fā)光，A5井，5 769.09 m，陰極發(fā)光照片

根據(jù)包裹體測(cè)溫分析及薄片觀察，再埋藏期主要的膠結(jié)物形成順序依次為：

(1)細(xì)—粗晶白云石膠結(jié)物(圖3d)：陰極射線下發(fā)橙紅色光，且白云石晶體多具埋藏期膠結(jié)物特有的環(huán)帶發(fā)光結(jié)構(gòu)(圖3f-①)。

圖4 川西龍門山前雷口坡組四段上亞段晚期膠結(jié)物包裹體均—溫度分布Fig.4 Homogeneous temperatures of gas-fluid inclusions of the late cementation of in Longmen Mountain front, western Sichuan Basin

(2)嵌晶方解石膠結(jié)物：在陰極射線下不發(fā)光(圖3c)，少量發(fā)褐黑色光，探針微量元素FeO為0.02‰～1.2‰、MnO為0.08‰～0.57‰(表1)，為微含鐵—含鐵方解石；激光碳氧同位素分析δ13CPDB為-0.36‰～1.66‰，δ18OPDB為-9.67‰～-5.34‰(表1)，碳同位素低負(fù)值表明成巖流體中碳來(lái)源于印支早期構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)造成的淡水下滲，氧同位素與第一期膠結(jié)物相比明顯負(fù)偏，說(shuō)明下滲的淡水封存于孔隙中進(jìn)入埋藏環(huán)境沉淀膠結(jié)。

(3)嵌晶白云石膠結(jié)物：陰極射線下發(fā)桔紅色光，探針微量元素FeO為0.07‰～0.9‰、MnO平均為0～0.28‰(表1)，為微含鐵—含鐵白云石；激光碳氧同位素δ13CPDB為2.11‰～3.74‰，δ18OPDB為-6.52‰～-4.07‰(表1)，同時(shí)根據(jù)伴生礦物黃鐵礦(圖2e)及石英、瑩石等，可推測(cè)膠結(jié)物形成與埋藏期含H2S的高溫?zé)嵋篬19]有關(guān)。

3 膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層孔隙的影響

3.1 淺埋藏晚期

中三疊世晚期，雷四上亞段多孔白云巖地層進(jìn)入海水潛流帶或剛脫離海底環(huán)境的淺埋藏成巖環(huán)境，沉積物和孔隙水由開放進(jìn)入半封閉—封閉環(huán)境。雖然準(zhǔn)同生及淺埋藏早期白云化作用消耗了大量Mg2+，但隨著埋深增加，溫度、壓力的增高，受孔隙封存海水和上覆地層下滲的沉積海水影響，在晶粒白云巖中形成少量次生加大邊，在藻類白云巖孔隙中形成兩種產(chǎn)狀的白云石膠結(jié)物占據(jù)早期孔隙空間，一種為粒狀等厚環(huán)邊白云石，平均含量為5%左右，這種內(nèi)襯環(huán)邊膠結(jié)物對(duì)孔隙破壞不明顯；另一種為近等軸粒狀鑲嵌分布的微粉晶白云石，平均含量為10%～15%。這期白云石膠結(jié)物普遍發(fā)育，是藻類白云巖孔隙下降的主要原因。但這期白云石膠結(jié)物大多數(shù)半充填孔隙，大量殘余孔隙可進(jìn)入下一個(gè)孔隙演化階段，部分孔隙能直接保存為現(xiàn)今有效儲(chǔ)集空間，形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。因此，白云石膠結(jié)物對(duì)晶粒白云巖孔隙影響不大，對(duì)藻類白云巖孔隙破壞明顯，但膠結(jié)物形成后對(duì)殘余孔隙起較好支撐保護(hù)作用，大量早期孔隙可較好保存。

3.2 近地表期

上三疊統(tǒng)沉積前，受印支運(yùn)動(dòng)影響，龍門山前雷四上亞段地層抬升進(jìn)入近地表大氣淡水環(huán)境。經(jīng)過(guò)上一階段淺埋藏白云石膠結(jié)充填后，具不同孔隙度的白云巖儲(chǔ)層再次受到大氣淡水改造，產(chǎn)生了不同程度的溶蝕及充填作用，鏡下觀察溶蝕作用較弱。這一階段以滲流砂充填破壞為主，滲流砂平均含量為5%～8%。這階段膠結(jié)物分布局限，且極不均勻，主要受印支晚期構(gòu)造抬升、卸載產(chǎn)生的裂縫(泥質(zhì)充填裂縫)分布的控制。經(jīng)過(guò)這一階段充填破壞，藻類白云巖中少部分相對(duì)較大的鳥眼—窗格孔和藻間溶孔消失，可直接形成非儲(chǔ)層，而大量未被充填的鳥眼—窗格孔、小孔徑的藻間溶孔和晶粒白云巖中晶間孔、晶間溶孔進(jìn)入下一孔隙演化階段，部分可直接保存為現(xiàn)今有效儲(chǔ)集空間。這期膠結(jié)物對(duì)晶粒白云巖儲(chǔ)層影響較小。

3.3 再埋藏期

晚三疊世至今，雷四上亞段儲(chǔ)層進(jìn)入穩(wěn)定的埋藏環(huán)境，多期膠結(jié)作用破壞孔隙，其中嵌晶方解石膠結(jié)對(duì)孔隙破壞最嚴(yán)重，10%～15%的晶間孔、晶間溶孔及藻間孔隙遭到破壞，加劇了儲(chǔ)層非均質(zhì)性。其他膠結(jié)物，如細(xì)—粗晶白云石、嵌晶白云石及黃鐵礦、石英、瑩石等對(duì)孔隙破壞作用不明顯。再埋藏期發(fā)生膠結(jié)作用的同時(shí)，也發(fā)生了少量埋藏溶蝕作用(圖2f)，但埋藏期溶蝕較弱，產(chǎn)生新的孔隙較少，主要是沿著殘余孔、縫和龍門山推覆擠壓產(chǎn)生的構(gòu)造裂縫[20]的溶蝕擴(kuò)大，進(jìn)一步改善了儲(chǔ)層的儲(chǔ)滲條件，提高儲(chǔ)層的品質(zhì)。

雖然再埋藏期形成的膠結(jié)物破壞作用明顯，但這些膠結(jié)物分布極不均勻。統(tǒng)計(jì)表明，現(xiàn)今構(gòu)造高部位的鉆井揭示孔隙中埋藏期膠結(jié)物整體較少，儲(chǔ)層早期孔隙保存較好，而構(gòu)造相對(duì)低部位孔隙大量被方解石膠結(jié)物破壞，儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能變差。

前人研究表明，川西坳陷龍門山前帶等正向構(gòu)造單元自印支晚期即具雛形，燕山期進(jìn)一步發(fā)展，喜馬拉雅期定型[15]；而研究區(qū)雷口坡組氣源主要來(lái)自二疊系及雷口坡組自身，天然氣為混源油型氣[15，21]。其中，二疊系烴源巖在印支早期即達(dá)到生烴門限，印支晚期達(dá)到生烴高峰；雷口坡組自身烴源巖在印支晚期上三疊統(tǒng)須家河組三段沉積末期進(jìn)入生烴門限，須家河組五段沉積末期進(jìn)入生烴高峰，烴源巖演化與構(gòu)造演化匹配較好。從包裹體分析看出(圖4)，嵌晶方解石膠結(jié)物形成高峰期，含烴鹽水包裹體數(shù)量也變多，說(shuō)明嵌晶方解石形成的同時(shí)烴類活動(dòng)也較活躍。因此筆者推測(cè)，構(gòu)造高部位及斜坡區(qū)長(zhǎng)期處于烴類充注有利區(qū)，烴類充注后，抑制規(guī)模方解石膠結(jié)物的形成，較好地保存了早期孔隙；而構(gòu)造相對(duì)低部位烴類和油氣充注情況不佳，因此，大量構(gòu)造低部位的孔隙被方解石膠結(jié)破壞。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)膠結(jié)物主要有3期5種：第一期膠結(jié)物形成于淺埋藏晚期的無(wú)鐵—微含鐵微粉晶白云石，普遍分布在藻類白云巖各類早期孔隙中；第二期膠結(jié)物為構(gòu)造期近地表大氣淡水環(huán)境形成的滲流砂，主要分布在藻類白云巖殘余孔隙中，分布局限且極不均勻；第三期膠結(jié)物為再埋藏環(huán)境形成的含鐵嵌晶方解石和少量含鐵細(xì)—粗晶白云石、嵌晶白云石。其中，含鐵嵌晶方解石是晶粒白云巖晶間孔和晶間溶孔中最主要的膠結(jié)物，而在藻類白云巖中充填早期殘余孔隙，分布極不均勻。

(2)第一期淺埋藏白云石膠結(jié)充填是藻類白云巖孔隙下降的主要階段，但這期膠結(jié)物的形成對(duì)殘余孔隙有一定支撐保護(hù)作用，保存了大量早期孔隙；第二期滲流砂充填破壞部分藻類白云巖早期殘余孔隙，分布局限，對(duì)孔隙影響不大；第三期再埋藏含鐵嵌晶方解石膠結(jié)是晶粒白云巖孔隙變差的主要原因，在藻類白云巖儲(chǔ)層中，該期膠結(jié)物不均勻分布進(jìn)一步加劇了儲(chǔ)層非均質(zhì)性，但這期膠結(jié)物的產(chǎn)生受到烴類和油氣充注的抑制，因此構(gòu)造相對(duì)高部位的早期殘余孔隙在漫長(zhǎng)的再埋藏階段得到較好保存。