元壩氣田長興組生物礁儲(chǔ)層特征及主控因素研究

景小燕，張小青，高蕾，張明迪，李國蓉

(1.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041；2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059)

元壩地區(qū)位于四川盆地川東北部蒼溪縣—閬中市一帶。其構(gòu)造主體為川中低緩構(gòu)造帶北部斜坡，東鄰?fù)习蜆?gòu)造帶西南端、北為九龍山背斜南端(圖1)。

圖1 川東北元壩—通南巴地區(qū)構(gòu)造簡圖Fig.1 Structural map of Yuanba-Tong Nanba area in the northeastern Sichuan basin

元壩氣田勘探工作始于20世紀(jì)50年代，相繼歷經(jīng)了普查勘探階段(1967～2005年)、發(fā)現(xiàn)及成果擴(kuò)大階段(2006～2009年初)和勘探開發(fā)一體化階段(2009年初—至今)。2009年A井鉆獲低產(chǎn)氣標(biāo)志著長興組氣藏的發(fā)現(xiàn)，是川東北地區(qū)繼普光、龍崗氣田之后油氣勘探的又一次突破，使得元壩地區(qū)成為目前的研究熱點(diǎn)地區(qū)之一。同時(shí)也顯示沿“梁平—開江”陸棚一帶分布的碳酸鹽巖臺(tái)地礁灘相帶具有良好的勘探前景(馬永生等，2005，2006a；祝海華等，2013；王一剛等，2006a，2006b)。長興組儲(chǔ)層具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性，明顯受沉積相及成巖作用的控制(郭彤樓，2011；馬永生等，2007)。通常情況下，在生物礁相儲(chǔ)層中，儲(chǔ)集層一般發(fā)育于礁核亞相。然而，隨著元壩氣田進(jìn)入試開發(fā)階段，大量的巖性與實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)揭示元壩氣田的儲(chǔ)集層主要發(fā)育于礁蓋微相，這一點(diǎn)與常規(guī)的認(rèn)識(shí)不同。因此，深入研究長興組礁灘相儲(chǔ)層的發(fā)育規(guī)律對(duì)于指導(dǎo)該地區(qū)下一步的滾動(dòng)勘探開發(fā)工作具有重要的意義。

1 沉積特征

長興期川東北地區(qū)古地理面貌呈北西—南東展布，呈現(xiàn)陸棚-臺(tái)地相間格局(圖2)。中部為梁平-開江陸棚，向北與廣旺-鄂西深水陸棚相通，沉積大隆組碳質(zhì)頁巖夾硅質(zhì)巖，沿梁平-開江陸棚東西側(cè)兩臺(tái)地邊緣發(fā)育邊緣礁灘相沉積(馬永生等，2006b；王一剛等，2009；郭川等，2011)。陸棚西側(cè)沿元壩—龍崗一帶發(fā)育生物礁；陸棚東側(cè)在普光1井—開江一帶發(fā)育生物礁。

圖2 川東北地區(qū)長興期沉積相圖Fig.2 Sedimentary facies graph of the Upper Permian Changxing Formation in the northeastern Sichuan Basin

元壩地區(qū)位于梁平-開江陸棚西側(cè)，主要發(fā)育開闊臺(tái)地、臺(tái)地邊緣礁灘、斜坡、淺水陸棚沉積相帶，古地形總體為西南高東北低，西南部為臺(tái)地，東北為淺水-深水陸棚。綜合利用巖心、測(cè)井資料，及地震資料分析(陳勇，2011)，認(rèn)為長興組氣藏區(qū)發(fā)育碳酸鹽緩坡和碳酸鹽臺(tái)地2種沉積背景，深緩坡、淺緩坡、臺(tái)地邊緣生物礁、臺(tái)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。

2 生物礁及儲(chǔ)層巖石特征

元壩地區(qū)長興組生物礁由礁基、礁核及礁蓋三部分組成(圖3)。礁基為碳酸鹽巖緩坡淺灘相灰色厚層狀生物碎屑白云巖、生物碎屑白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，生物碎屑包括有孔蟲、蜓、珊瑚、腕足、苔蘚蟲、三葉蟲、棘皮、雙殼、腹足、介形蟲、綠藻等，其中有孔蟲是最主要的生物碎屑類型，生物碎屑間可為粒狀亮晶方解石、泥晶灰?guī)r膠結(jié)，局部為藻黏結(jié)結(jié)構(gòu)。測(cè)井曲線上(圖4)，生物碎屑灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r層段顯示出自然伽瑪值低、聲波時(shí)差較小、密度較大、電阻率較高的特征；生屑碎屑白云層段則顯示出自然伽瑪值低、密度較低、電阻率較低、聲波時(shí)差升高的特征。礁核巖性為灰色塊狀海綿骨架巖。造礁生物主要為串管海綿，見少量板狀珊瑚，含量可達(dá)50%～80%。附礁生物主要為腕足類、棘皮類、有孔蟲。礁骨架間填隙為為泥晶灰?guī)r，見少量泥質(zhì)及生物碎屑。海綿骨架巖白云巖化程度低。礁核在電測(cè)曲線上表現(xiàn)為低伽瑪、極高電阻的特征，自然伽馬表現(xiàn)為平直的低值特征，指示礁灰?guī)r整體巖性較純，F(xiàn)MI為亮色塊狀特征。礁蓋為潮坪相淺灰色殘余生屑(粒屑)白云巖、結(jié)晶白云巖及灰色藻黏結(jié)微粉晶白云巖。礁蓋白云巖中溶蝕孔洞發(fā)育，充填有大量的瀝青。礁蓋表現(xiàn)出疏松多孔的測(cè)井響應(yīng)特征，如密度，電阻率值下降，聲波、中子孔隙度上升等，F(xiàn)MI為暗色厚層狀，反映溶孔發(fā)育。

圖3 A井生物礁地震剖面圖Fig.3 Seismic profiles of reef in the A well, Yuanba gas feild

圖4 C井長興組上段臺(tái)地邊緣生物礁沉積相圖Fig.4 Sedimentary facies graph of reef of the Upper Permian Changxing Formation in the C well, Yuanba gas feild

據(jù)此，可將元壩地區(qū)長興組按巖石組合特征及測(cè)井響應(yīng)特征可分為上、中、下三段。下段地層為灰色白云巖、灰質(zhì)白云巖、含灰白云巖、含云生屑灰?guī)r、生屑灰?guī)r、砂礫屑灰?guī)r，為礁基。中段地層底部為深灰色含泥灰?guī)r、灰色灰?guī)r、生屑灰?guī)r、礁灰?guī)r和云質(zhì)灰?guī)r，為礁核。頂部為淺灰色中粗晶白云巖、溶孔白云巖、生屑白云巖、生屑灰?guī)r，為礁蓋。

研究表明，儲(chǔ)層的發(fā)育程度與白云巖化程度密切相關(guān)，如上述生屑灘灰?guī)r，發(fā)生完全白云石化時(shí)溶蝕孔洞較發(fā)育，在FMI測(cè)井上反應(yīng)明顯(圖5)；未完全白云石化時(shí)則巖性相對(duì)致密。

圖5 長興組氣藏儲(chǔ)層成像測(cè)井特征Fig.5 Characteristics of imaging of reservoir in Changxing Formation

根據(jù)野外剖面和23口鉆井巖心詳細(xì)觀察、鏡下鑄體薄片鑒定以及掃描電鏡分析，認(rèn)為長興組儲(chǔ)集巖類型主要包括以下幾種。

2.1 晶粒白云巖

晶粒較粗以粗-中晶為主，粉-細(xì)晶次之。晶粒自形程度較高，以半自形至自形晶粒為主，有時(shí)具霧心亮邊結(jié)構(gòu)。無生物或其他殘余結(jié)構(gòu)。該類白云巖除發(fā)育大量的晶間孔外，還容易發(fā)生溶蝕作用形成晶間溶孔和晶體鑄?？?。此類白云巖多發(fā)育于礁灘頂部及礁蓋潮坪環(huán)境中。

2.2 殘余生屑晶粒白云巖

殘余生屑晶粒白云巖為生屑灰?guī)r白云石化形成。巖石結(jié)構(gòu)以粉晶、細(xì)晶和中晶白云石為主，少量粗晶白云石、白云石晶體呈他型-半自形狀，見生屑幻影，這類巖石晶間(溶)孔、溶孔發(fā)育，可以形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

2.3 生物礁白云巖

長興期的造礁生物主要為海綿。海綿骨架生物含量高、個(gè)體大，一般直徑為1～3 mm，且較完整，形態(tài)各異，其內(nèi)部腦紋結(jié)構(gòu)特征明顯。海綿類生物間由亮晶膠結(jié)，膠結(jié)期次不明顯，局部海綿骨架間空隙部分由泥晶灰質(zhì)充填，形成直徑為1～1.5 mm不規(guī)則的團(tuán)塊，團(tuán)塊內(nèi)泥質(zhì)和細(xì)小生屑含量高，多被選擇性白云化。自形粉晶白云石沿海綿類生物邊緣形成等厚細(xì)晶白云石環(huán)，部分晶間被瀝青充填，局部瀝青呈條紋狀分布。

此外，灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、生物礁灰?guī)r、生屑(生物)灰?guī)r、泥-微晶灰?guī)r作為儲(chǔ)集巖較為少見，構(gòu)造裂縫構(gòu)成該類儲(chǔ)集巖的主要空間，以高角度斜交縫及垂直縫為主。

3 儲(chǔ)集空間類型及其結(jié)構(gòu)特征

3.1 儲(chǔ)集空間類型

前人的研究成果表明，元壩地區(qū)長興組的主要儲(chǔ)集空間類型包含以下4種：晶間孔、晶間溶孔、粒間溶孔及裂縫(郭彤樓，2011；王瑞華等，2007；彭光明等，2014)。筆者根據(jù)研究區(qū)長興組的普通薄片、鑄體薄片鑒定觀察及掃描電鏡分析認(rèn)為儲(chǔ)集空間類型還包括以下2類：粒內(nèi)溶孔和超大溶孔。

(1)粒內(nèi)溶孔。主要為鮞粒、生物(生屑)內(nèi)部溶蝕而成。鮞粒內(nèi)溶孔主要沿鮞粒同心圈層發(fā)育成環(huán)狀、半月形溶孔，局部鮞粒完全溶蝕形成鑄?？住Ｉ?生屑)內(nèi)溶孔儲(chǔ)集體包括海綿和珊瑚等造架生物的體腔孔、腹足類體腔孔、有孔蟲和蜓類房室溶孔和雙殼殼體溶孔等(圖5a)。這類孔隙是沉積后生物體內(nèi)軟體組織等不穩(wěn)定組分在早期溶蝕的基礎(chǔ)上疊加后期多期溶蝕和改造而成(黃勇等，2013)，其大小通常受生物體腔、蟲室、房室等大小的控制，孔隙直徑變化范圍較大，從0.01 mm到2 mm均有發(fā)育，面孔率一般為0.2%～1.5%，溶孔內(nèi)常充填或半充填瀝青(圖6a)。

a.生物的粒內(nèi)溶孔，C井；b.生屑灰云巖，白云石斑塊內(nèi)溶蝕孔洞發(fā)育，D井圖6 長興組儲(chǔ)層孔隙空間類型Fig.6 Reservoir Space types of the Changxing Formation

(2)超大溶孔。超大溶孔孔徑大于巖石支撐顆粒直徑，常由粒間溶孔、晶間溶孔和鑄?？兹芪g擴(kuò)大形成非組構(gòu)性溶孔，形狀不規(guī)則，大小差異大，孔徑多大于2 mm。溶孔的發(fā)育常與裂縫相伴，呈串珠狀、補(bǔ)丁狀，以裂縫為中心向外側(cè)溶蝕孔徑逐漸變小(圖6b)，具有連通性好、分布廣泛的特點(diǎn)。超大溶孔孔中清潔、干凈，未見充填瀝青，可見其發(fā)育于原油演化為瀝青之后，是晚期溶蝕產(chǎn)物。

該類溶孔主要發(fā)育在長興組下段的殘余顆粒白云巖、晶粒白云巖、海綿礁白云巖、生屑白云巖等各類白云巖中，是本地區(qū)重要的儲(chǔ)集空間。

3.2 喉道類型

喉道是影響儲(chǔ)集巖滲透性的關(guān)鍵要素，是儲(chǔ)集空間的聯(lián)通通道，直接決定儲(chǔ)集空間是否有效。研究表明，長興組礁灘相儲(chǔ)層喉道類型主要為片狀、孔隙縮小型、縮頸型喉道(圖7)。

(1)孔隙縮小型喉道：是晶間孔之間的縮小部分，與孔隙很難區(qū)分，此喉道既是滲流通道又是孔隙的一部分，是儲(chǔ)集巖的最佳喉道(圖7a、圖7b)。

(2)縮頸型喉道：當(dāng)顆?；蚓Я＝?jīng)過壓實(shí)，之間常以點(diǎn)接觸形式，使兩顆粒之間喉道變成“瓶頸”狀，此種喉道由于在“瓶頸”處變得很小，因而其滲透作用比孔隙縮小型喉道要小得多(圖7a、圖7c)。

(3)片狀喉道：此類喉道是孔隙縮小型喉道的進(jìn)一步縮小，使顆粒間、白云石晶間溶孔隙呈網(wǎng)狀相連，喉道寬在0.1～0.5 μm，是區(qū)內(nèi)較普遍發(fā)育的一種喉道，對(duì)儲(chǔ)層孔隙連通具重要意義(圖7d)。

圖7 長興組儲(chǔ)層喉道類型特征Fig.7 Reservoir throat Characteristics of the Changxing Formation

3.3 儲(chǔ)集物性特征

通過對(duì)元壩氣藏19口取心井1 126個(gè)巖心樣品進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)，儲(chǔ)層具有如下特征：孔隙度分布區(qū)間為0.53%～24.65%，平均孔隙度為4.51%，其中孔隙度>2%的樣品平均值為5.46%。主要分布在2%～5%，約占48%；孔隙度<2%次之，約占24%；滲透率為0.001 8×10-3～2 571.903×10-3μm2，幾何平均為0.347 8×10-3μm2，主峰值位于0.002×10-3～0.25×10-3μm2，滲透率級(jí)差大、非均質(zhì)性強(qiáng)。元壩地區(qū)取心物性資料分析表明，臺(tái)地邊緣生物礁及臺(tái)地邊緣淺灘相是儲(chǔ)層發(fā)育最有利相帶(圖8)。在生物礁中以礁蓋微相的物性最好(平均孔隙度為5.5%)，礁核次之(平均孔隙度為3.2%)，而礁基的平均孔隙度僅為0.5%。

圖8 元壩氣田長興組不同相帶儲(chǔ)層物性征對(duì)比圖Fig.8 Reservoir properties comparative diagram of sedimentary facies in Yuanba gas field

長興組氣藏礁-灘相儲(chǔ)層的孔隙度與滲透率交匯圖中 (圖9)，孔隙度與滲透率在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈正相關(guān)關(guān)系，滲透率值的增加隨孔隙度呈正向區(qū)帶狀分布。A區(qū)孔隙度變化小而滲透率變化明顯，級(jí)差大、非均質(zhì)性強(qiáng)。該區(qū)的數(shù)據(jù)點(diǎn)主要為生物礁核微相的生物礁灰?guī)r、生物礁白云巖及泥-微晶灰?guī)r。此類儲(chǔ)層的原生孔隙不發(fā)育，構(gòu)造裂縫不僅占據(jù)相當(dāng)比例的儲(chǔ)集空間同時(shí)又是良好的滲濾通道，為裂縫-孔隙型儲(chǔ)層；B區(qū)內(nèi)孔隙度與滲透率呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，該區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)為生物礁蓋微相的晶粒白云巖及灘相的生物碎屑白云巖，晶間孔、晶間溶孔及粒間溶孔為主要儲(chǔ)集空間，發(fā)育孔隙縮小型和縮頸型喉道，屬于孔隙型儲(chǔ)層。

圖9 元壩氣田長興組氣藏儲(chǔ)層孔-滲相關(guān)關(guān)系圖Fig.9 Relationship between porosity and permeability of Changxing Formation in Yuanba gas field

4 儲(chǔ)層發(fā)育的主要控制因素分析

4.1 有利的沉積相帶是長興組儲(chǔ)層形成的物質(zhì)基礎(chǔ)

上述分析表明長興組儲(chǔ)層主要發(fā)育在高能相帶的礁、灘內(nèi)。研究表明，長興早期為碳酸鹽巖緩坡，晚期為鑲邊碳酸鹽巖臺(tái)地，灘具多期次發(fā)育特點(diǎn)而生物礁則僅發(fā)育于晚期(馬永生等，2007，2006b；彭光明等，2014)(圖2)。長興組早期為碳酸鹽緩坡沉積，地形總體較平緩，僅在地形稍高、水體能量較大的局部地方發(fā)育一些小規(guī)模的高能生屑灘，此為第一期灘，該期形成的灘相儲(chǔ)層厚度小分布也有限；隨著海平面的下降，灘體逐漸向梁平-開江陸棚推進(jìn)，該期灘體沉積范圍擴(kuò)大，發(fā)育一些厚度較大的高能生屑灘，此為第二期灘，灘體具有從西向東、從南向北進(jìn)積的特征；晚期海平面進(jìn)一步下降，元壩地區(qū)逐漸演化為鑲邊碳酸鹽臺(tái)地沉積，沿著臺(tái)地邊緣帶開始形成生物礁，同時(shí)，隨著生屑加積及礁屑不斷向礁后充填，在生物礁后發(fā)育礁后灘沉積，此為第三期灘，該期不僅形成了生物礁儲(chǔ)層且灘相儲(chǔ)層具厚度大、分布廣的特點(diǎn)，是長興組儲(chǔ)層形成的主要時(shí)期。長興組末期由于水體變得局限，主要發(fā)育潮坪及潟湖相。

淺灘儲(chǔ)層一般形成于浪基面附近，水動(dòng)力條件強(qiáng)，形成分選、磨圓好和貧灰泥的沉積體，常形成亮晶生屑白云巖、及生物骨架灰?guī)r、生物骨架灰質(zhì)白云巖，其粒間孔隙發(fā)育；同時(shí)其沉積表面水體相對(duì)較淺，在頻繁海平面升降的影響下，頂部常暴露于水體之上，短時(shí)間接受大氣淡水的選擇性溶蝕作用和蒸發(fā)濃縮白云石化作用的改造，形成較多的溶蝕孔、晶間溶孔，為埋藏期成巖過程中白云石化及溶蝕作用奠定了基礎(chǔ)。而生物礁礁蓋往往形成于晚期的潮坪環(huán)境，有利于白云巖儲(chǔ)層的形成。

4.2 白云石化是區(qū)內(nèi)長興組儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵作用

大量的前人研究資料表明，川東北地區(qū)長興組的儲(chǔ)層發(fā)育與白云巖化作用密切相關(guān)(孟萬斌等，2014；田永凈等，2014；鄭榮才等，2007)。通過對(duì)YB2井長興組取心井段白云石含量與巖石孔隙度的關(guān)系分析，儲(chǔ)層物性的好壞與白云石化程度密切相關(guān)，當(dāng)白云石含量小于80%時(shí)，樣品的孔隙度都在4%以下，孔隙度大于5%的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層白云石含量大都在90%以上。如筆者統(tǒng)計(jì)海綿礁白云巖的平均孔隙度為5.0%，而海綿礁灰?guī)r僅為2.97%。研究表明長興組白云石(巖)作用的主要有3種模式：即礁灘頂部及礁蓋潮坪沉積物的蒸發(fā)濃縮白云石(巖)化作用、礁核回流滲透白云石化作用和埋藏成巖環(huán)境的壓實(shí)排擠流白云石化作用(圖10)。即在三級(jí)層序高水位體系域中晚期背景下，高頻層序(旋回)的海平面下降期，礁灘頂或潮坪沉積物頂部形成蒸發(fā)泵，海水被側(cè)向抽吸至上述部位，發(fā)生蒸發(fā)濃縮作用，使孔隙流體Mg/Ca值提高，從而導(dǎo)致礁灘頂部和潮坪沉積物白云石化。同時(shí)，在內(nèi)部蒸發(fā)濃縮的高鎂鹽水受自身重力作用向下回流滲透導(dǎo)致下部沉積物(礁核)完全或部分白云石化。埋藏成巖環(huán)境的壓實(shí)排擠流白云石化作用為成巖壓實(shí)過程中，這種白云巖化作用主要發(fā)生成巖晚期。沉積物中富鎂流體向周邊或上覆沉積物運(yùn)移，從而引起碳酸鈣沉積物發(fā)生白云石化(圖10)。其中包括白云石的交代和白云石的重結(jié)晶作用，形成晶粒較粗的白云巖，此類白云巖往往具霧心亮邊結(jié)構(gòu)。

圖10 長興組埋藏白云石化作用模式圖(據(jù)孟萬斌等，2014 修改)Fig.10 Burying dolomitization models of the Changxing Formation(Modified from MENG Wanbing, et al. 2014)

4.3 多期溶蝕作用，特別是晚成巖期溶蝕作用是長興組天然氣儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵

長興組存在3期溶蝕作用，前面2期溶蝕作用發(fā)生于液態(tài)石油充注之前，它們與埋藏白云石化作用形成的白云石晶間孔隙是液態(tài)石油成藏的重要儲(chǔ)集空間，但這些儲(chǔ)集空間現(xiàn)在多被液態(tài)石油熱裂解產(chǎn)生的瀝青占據(jù)；雖然殘存的空間在晚期溶蝕作用的通道作用對(duì)于晚期溶蝕孔洞的發(fā)育具有重要意義，但現(xiàn)今天然氣儲(chǔ)集的主要空間由晚期溶蝕作用而來，晚成巖期溶蝕作用是長興組天然氣儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵，有效溝通下酸性流體沿裂縫及前期殘余孔隙對(duì)巖石的進(jìn)一步溶蝕作用，局部形成溶蝕擴(kuò)大孔洞并多被氣烴充注，該期孔隙多無充填或見少量殘留瀝青。

5 結(jié)論

元壩氣田長興組主要儲(chǔ)集巖類型為晶粒白云巖、殘余生屑晶粒白云巖、生物礁白云巖。主要儲(chǔ)集空間類型為晶間孔、晶間溶孔、粒間溶孔及裂縫等4種，次要儲(chǔ)集空間類型為粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔；喉道類型主要為片狀、孔隙縮小型、縮頸型喉道。長興組儲(chǔ)集層主要發(fā)育于礁蓋及淺灘相帶中，沉積、溶蝕及白云巖化作用是儲(chǔ)層發(fā)育的主要控制因素。其白云石(巖)作用的主要有3種模式：即礁灘頂部及礁蓋潮坪沉積物的蒸發(fā)濃縮白云石(巖)化作用、礁核回流滲透白云石化作用和埋藏成巖環(huán)境的壓實(shí)排擠流白云石化作用。