四川盆地高石梯地區(qū)震旦系燈影組四段微生物碳酸鹽巖微相組合發(fā)育特征與儲層主控因素分析

張宇慧，朱正平，羅文軍，潘仁芳，劉曦翔

(1.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100；2.中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610000)

0 引 言

微生物巖最早是由Burne等[1]提出的，是由底棲生物群落的生長和生理活動引起沉積質點粘結和圈捕而產(chǎn)生的生物沉積巖[2-4]，其主要的類型包括疊層石、凝塊石、核形石等以及某些碳酸鹽顆粒，其中最為發(fā)育的是微生物碳酸鹽巖[5]。微生物碳酸鹽巖在四川盆地川中地區(qū)分布廣泛，發(fā)育多個大型氣藏，是四川盆地開發(fā)常規(guī)天然氣的有利層系[6-9]，具有廣闊勘探開發(fā)前景。

震旦系燈影組作為四川盆地極具開發(fā)潛力的微生物巖層系，一直以來是眾多學者關注和研究的熱點。前人對該地區(qū)燈影組進行了多方面研究，在微生物碳酸鹽巖的分類方面，大部分學者采納Riding所提出的依據(jù)形態(tài)學特征分類的方案[3]，將微生物碳酸鹽巖劃分為4類，即疊層石、凝塊石、樹形石和均一石[10-14](后梅冥相又補充核形石和紋理石兩類[15])，但微生物丘微相的分類，丘基、丘核、丘蓋和丘翼沒有明確的鑒別標志，巖石組合發(fā)育特征尚無統(tǒng)一概論。此外，對于儲層形成主控因素的認識也存在較大爭議。前人研究成果主要分為三類：一是以王興志為代表的相控論[16-18]，認為燈影組儲層的形成主要受顆粒灘相沉積的影響，儲集層為灘相沉積背景下發(fā)生白云石化作用的晶粒白云巖；二是以向芳為代表的巖溶作用主控論[19-22]，認為燈影組地層在桐灣運動抬升至地表后，頂部遭受表生巖溶作用形成多種巖溶空間，進而形成儲集層；三是以宋金民為代表的埋藏-熱液作用主控儲層形成的觀點[23-25]，認為燈影組儲集層是一套在拉張性區(qū)域構造地質背景下發(fā)生熱液交代作用的熱液白云巖。

高石梯地區(qū)燈影組四段(以下簡稱燈四段)高產(chǎn)工業(yè)氣流，是燈影組天然氣勘探開發(fā)的優(yōu)質儲層之一。針對燈四段巖石縱向組合發(fā)育特征不明、儲層發(fā)育主控因素存在爭議的問題，著重對燈四段開展微生物碳酸鹽巖微相厘定及儲層主控因素研究，重點收集了高石7井、高石18井、高石103井、高石124井等13口井(共486 m巖心)鉆井資料，選取云南會澤、峨眉先鋒、貴州松林等典型震旦系露頭剖面進行踏勘，觀測了不同樣式的微生物丘；再通過薄片鏡下鑒定、陰極發(fā)光等實驗手段對燈四段微生物丘進行精細分析；討論燈四段微生物碳酸鹽巖沉積微相組合發(fā)育模式，儲層特征以及儲層形成的主控因素。本文的研究以期為高石梯地區(qū)燈影組儲層預測提供理論支撐，為后續(xù)勘探開發(fā)工作提供借鑒。

1 區(qū)域地質概況

高石梯區(qū)塊燈四段氣藏位于四川盆地川中古隆起平緩構造區(qū)的威遠—龍女寺構造群，位于樂山—龍女寺古隆起的東端，是古隆起背景上的一個大型潛伏構造。整個川中地區(qū)在印支運動及其以前的漫長地質歷史中，由于受強剛性中、基性火成巖基底的影響，主要以差異升降運動為主，構造總體受力較弱，構造均較為平緩。

四川盆地在震旦紀時期屬于上揚子克拉通盆地，燈影組沉積時整個揚子地區(qū)古氣候相對溫暖干燥[26-28]，以細菌和低等藻類為代表的生物占據(jù)了此時期生物的主體，因此在燈影期形成并保存了大量形態(tài)各異的微生物建隆[28]。根據(jù)燈影組巖性變化可以將其分為4段，自下而上分別為燈一段、燈二段、燈三段與燈四段，其中燈四段沉積期藍細菌相對富集，形成區(qū)域性的富微生物段，發(fā)育大規(guī)模儲層，以碳酸鹽巖臺地微生物丘和顆粒灘相沉積為主[29](圖1(b))。沉積背景上，高石7井位于臺地邊緣，在燈三段陸棚沉積的基礎上，燈四段沉積時海平面緩慢下降，高石7井所在區(qū)域逐漸演化為碳酸鹽巖臺地及臺地邊緣，沉積了一套厚層的砂屑云巖(圖1(c))，為臺地邊緣灘沉積，隨著灘快速升上，在頂部逐漸演化為微生物丘組合，構成臺地邊緣丘沉積。

圖1 研究區(qū)井位分布圖(a)、四川盆地沉積相簡圖(b)(據(jù)鄒才能等[29]修改)及高石7井燈影組四段上部地層綜合柱狀圖(c)

2 巖石類型與組合特征

2.1 巖石分類

在Riding分類的基礎上，以巖心宏觀結構和鏡下微觀組構特征為依據(jù)，結合Dunham碳酸鹽巖的分類原則[30]，對燈四段13口井進行取心觀察分析。統(tǒng)計共486 m巖心的主要巖性，參考沉積構造+巖性的命名法則，將燈四段巖石學特征識別和歸納為：粘結巖類、顆粒巖類及泥晶-粉晶巖類。粘結巖類主要巖石類型有藻菌白云巖、疊層狀白云巖、紋層狀白云巖及凝塊石白云巖；顆粒巖類主要發(fā)育有顆粒白云巖，顆粒成分主要是藻粒及砂屑；泥晶-粉晶白云巖一般由<0.01 mm的白云石組成，該類型巖石在燈四段露頭區(qū)廣泛發(fā)育，一般為局限臺地潮坪相關的產(chǎn)物(圖2)。

圖2 四川盆地高石梯區(qū)塊燈四段主要巖石特征

2.2 微相組合特征

根據(jù)巖石學分類的結果，可知研究區(qū)燈四段主要發(fā)育微生物丘和顆粒灘微相，因此本次微相組合特征描述，主要是微生物丘與顆粒灘。燈四段沉積時期水體整體較淺，由于桐灣運動的影響，盆地整體西部抬升、東部沉降，表現(xiàn)為海退過程。盆地西部發(fā)育泥云坪相，盆地中部發(fā)育微生物丘和顆粒灘相，盆地東部邊緣以東地區(qū)為斜坡-盆地相沉積(圖1(b))。川中地區(qū)高石工區(qū)高石2井-高石10井-高石18井-高石119井以西的高部位為臺地邊緣相區(qū)，以東為臺內(nèi)(局限臺地)相區(qū)(圖1(a)和(b))。

2.2.1 縱向組合特征

2.2.1.1 微生物丘

結合燈四段露頭及巖心垂向微相疊置關系，可以建立丘基、丘核、丘蓋及丘翼的微相疊置序列：(1)丘基為低能的深灰色泥晶云巖、紋層狀云巖及藻菌云巖組合，從沉積學形態(tài)上看，丘基通常具有建隆的特征，這里可以理解為常見的灰泥丘。(2)丘核主要為紋層狀云巖、藻格架云巖及凝塊石云巖組合，代表丘建隆骨架，具有抗浪組合。藻格架及凝塊石相關的窗格孔、格架孔及粒間孔是孔隙形成的物質基礎，有利于形成良好的儲集空間。(3)丘蓋的巖性組成比較復雜，有海平面下降相關的潮間帶及潮上帶產(chǎn)物，也有海平面上相關的產(chǎn)物。前人對這幾個微相的巖石學構成及差異，并沒有明確的鑒定標志，加之在實際巖心及露頭觀察中難以找到丘核頂部沉積物，更難以區(qū)分微相類型，因此本次研究將發(fā)育在丘核頂部丘且造成丘體停止生長的地層單元統(tǒng)稱為丘蓋。(4)丘翼為丘建隆結構兩側沉積，滑動與改造是它的典型特征。

本次取心井巖心描述中，共有5口鉆井取心段及先鋒剖面證實微生物丘的存在：高石124、20、102井由下至上解釋為丘基-丘核-丘蓋微相的組合，丘體頂部為潮坪相關的泥粉晶云巖，指示海平面下降造成丘體停止生長(圖3)；高石103井發(fā)現(xiàn)丘基-丘核-丘翼一個完整的成丘旋回，底部0.8 m深灰色泥晶云巖向上漸變?yōu)樯罨疑y層狀泥晶云巖，揭示較深水的潮下低能環(huán)境；向上深灰色泥晶云巖逐漸減少，紋層含量增多，指示著沉積水體的逐漸變淺(圖4(a))；高石18井下部為藻菌白云巖，上部為紋層狀白云巖，解釋為丘基-丘核微相組合(圖5)。

圖3 高石124井燈四段微生物丘微相組合特征

圖4 高石103井燈四段微生物丘、顆粒灘微相組合特征

圖5 高石18井燈四段微生物丘微相組合特征

2.2.1.2 顆粒灘

相對于微生物丘，顆粒灘的巖性組成及沉積特征相對簡單，且認識也相對明晰。碳酸鹽巖顆粒灘，一般是在波浪或風暴作用下，改造碳酸鹽巖原地沉積物，并搬運至鄰近地區(qū)堆積而成。顆粒成分主要為砂屑、生物碎屑及鮞粒等，顆粒的成熟度較好，通常具有交錯層理，顏色較淺，層厚較大。本次研究在先鋒剖面及高石7井及高石103井巖心觀察到淺灰色-灰白色厚層砂屑云巖。高石7井5331～5324 m段巖心位于燈四段下部，底部為約0.4 m厚的深灰色泥晶云巖夾泥晶砂屑云巖，見不規(guī)則層理；之上發(fā)育深灰色與淺灰色交互的泥晶砂屑云巖及泥晶云巖，見不規(guī)則層理，解釋為灘間海-風暴灘微相(圖6)。高石103井在5431～5426 m段巖心屬于燈四段底部，有4套米級的深灰色薄層泥晶云巖及淺灰色砂屑云巖組合，為向上變淺旋回(圖4(b))。

圖6 高石7井燈四段微生物丘微相組合特征

綜合巖心數(shù)據(jù)與連井剖面(圖7)分析，燈四段下部主要為顆粒灘微相，向上逐漸過渡到低能相帶，上部微生物丘占比高，呈現(xiàn)出由顆粒灘逐步演化為微生物丘的趨勢。

2.2.2 平面展布特征

與國內(nèi)絕大多數(shù)孔隙型白云巖儲層類似，燈四段溶蝕孔洞的形成離不開高能相帶的影響[18]。在單一的相單元內(nèi)，等值線圖能夠準確地表達微生物丘的空間變化規(guī)律，因此可以用丘地比等值線圖來刻畫沉積相平面圖。在巖石學特征、微相特征、單井沉積學特征及連井沉積對比的基礎上，結合地震相分析認識，編制丘地比等值線圖(圖8)，查明燈四段各沉積期沉積相的平面展布。

圖8 四川盆地高石梯地區(qū)燈四1、燈四2、燈四3小層丘地比等值線圖

燈四段大致歷經(jīng)三期沉積，燈四1小層沉積時期，主要發(fā)育顆粒灘及微生物丘相，以高石18井區(qū)臺內(nèi)洼地為代表，其西南部洼地邊緣(從北部高石2井區(qū)到南部高石109井區(qū))，依次發(fā)育顆粒灘沉積、顆粒灘與微生物丘疊合沉積。

燈四2小層沉積時主要為微生物丘沉積，微生物丘的規(guī)模及厚度向東逐漸減小，以存在高石18井-高石118井臺內(nèi)洼地為代表，洼地周緣主要生長微生物丘(也生長少量薄層的顆粒灘)。

燈四3小層沉積期微生物丘最為繁盛，僅發(fā)育微生物丘(圖8)。燈四段3小層受桐灣運動Ⅱ幕的影響，巖溶作用強烈發(fā)育，厚度最小。

燈四段1、2小層主要受沉積相控制，厚度較大。但無論哪一期沉積，燈四段在平面上均沿臺緣帶呈西薄東厚的特征，微生物丘含量由臺緣帶至臺內(nèi)帶逐漸降低(圖7和圖8)。

3 微生物巖溶儲層特征

3.1 儲集巖類型

根據(jù)上述取心井巖石學特征及孔隙特征，統(tǒng)計巖心樣品主要巖性的孔隙度發(fā)育程度(圖9)，可以發(fā)現(xiàn)：砂屑云巖、疊層狀云巖、凝塊石云巖溶蝕孔發(fā)育程度比較高，為有利的儲集巖類；紋層狀云巖溶蝕孔發(fā)育程度中等，泥粉晶云巖及泥質白云巖溶蝕孔發(fā)育程度比較低，這三種巖類儲集性能較差。

圖9 四川盆地高石梯地區(qū)燈四段巖類平均孔隙度直方圖(基于13口井巖心/486 m數(shù)據(jù)統(tǒng)計)

3.2 儲集空間特征

高石梯地區(qū)震旦系燈四段儲層經(jīng)歷了沉積、埋藏成巖及多期次的構造作用，空間成因復雜，類型較多。既有受組構控制的粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄模孔、晶間溶孔等，也有不受組構控制的溶洞、溶縫和構造縫。通過宏觀巖心、微觀薄片等分析，再結合Choquette和Pray 1970年提出的碳酸鹽巖孔隙分類標準，發(fā)現(xiàn)燈四段儲層儲集空間以次生的孔隙、溶洞和裂縫為主。

研究區(qū)孔隙的主要儲集空間為粒間溶孔和晶間溶孔。粒間溶孔主要發(fā)育在顆粒云巖及紋層狀云巖中，以0.5～2 mm大小為主，局部與小型溶洞伴生，面孔率為2%～5%，多由瀝青半充填，孔隙直徑為0.05～1 mm(圖10(a)和(b))。燈四段白云巖多見藻類及藻顆粒影響孔隙形成的痕跡，說明沉積環(huán)境中的微生物能夠影響溶蝕孔隙的形成。

圖10 四川盆地高石梯區(qū)塊燈四段儲層儲集空間特征

晶間孔多為微晶白云巖經(jīng)重結晶轉變?yōu)檩^粗晶粒白云巖的過程中，由細小晶間孔重新調整而成?？讖揭话爿^大，多為0.1～2 mm，位于自形、半自形白云石晶體間，呈不規(guī)則多邊形，分布不規(guī)則，連通性較差 (圖10(c))。晶間溶蝕孔多發(fā)育在較粗粒的白云巖中，這種類型白云巖可能與埋藏或熱液白云巖化有關。

溶洞的形成與各類溶孔形成機理相似，只是與溶孔相比，溶洞的大小和規(guī)模更大。研究區(qū)燈四段溶洞主要特征見圖10(e)—(g)，常沿藻的紋層發(fā)育，長軸與構造裂縫方向一致。在凝塊石白云巖、凝塊白云巖及泥晶云巖中也有溶蝕洞發(fā)育，在砂屑白云巖中溶蝕孔洞發(fā)育程度較低。

燈四段微生物碳酸鹽巖性脆，易破裂，多發(fā)育裂縫，這是碳酸鹽巖中一種常見的地質現(xiàn)象。碳酸鹽巖儲集層中的裂縫既是儲集空間，又是重要的滲流通道。根據(jù)裂縫的成因，將研究區(qū)燈四段裂縫分為構造縫、溶蝕縫、壓溶縫。

由于區(qū)內(nèi)儲集空間類型并不是孤立的，孔、洞、縫三者大部分情況下可以在同一塊巖體中出現(xiàn)；因此基于儲層的復雜性，加之裂縫型儲層主要為構造成因，很少見到單一的裂縫型儲層，故本次研究將儲集空間歸納為孔隙型、孔洞型、孔洞縫型。裂縫不作為本次研究的重點。

3.3 儲層物性特征

孔隙度與滲透率是直接反映儲集層滲流能力的物性參數(shù)，直接體現(xiàn)儲集層儲集性能的優(yōu)劣。統(tǒng)計研究區(qū)燈四段巖心樣品實測物性資料，制作燈四段取心井孔隙度與滲透率散點分布圖，發(fā)現(xiàn)樣品孔隙度總體位于2.0%～13.9%，絕大部分樣品的孔隙度在2.0%～4.5%之間，平均孔隙度為3.44%；樣品滲透率總體分布在0.01～10×10-3μm2之間，大部分樣品滲透率位于0.01～1.00×10-3μm2，平均滲透率為0.81×10-3μm2(圖11)。儲層總體表現(xiàn)為低孔低滲的特征，非均質性強。

圖11 四川盆地高石梯區(qū)塊燈四段巖心樣品孔隙度-滲透率分布散點圖(1 mD=10-3 μm2)

在連井沉積對比剖面中，燈四段下部儲層表現(xiàn)出薄層狀，而燈四段上部儲層表現(xiàn)出厚層狀(圖8)，連續(xù)性較好。高石18井由下至上孔隙度逐漸增大，向上變淺旋回(圖5)，說明在高頻層序中部及上部孔隙度明顯好于下部，孔隙度垂向上的發(fā)育具有明顯的旋回性，推測這種旋回性與高頻海平面下降相關的暴露作用有關。

4 儲層控制因素分析

儲層發(fā)育受沉積相帶、成巖作用、構造運動等因素的影響，燈四段儲層埋深大，演化歷史長，歷經(jīng)多期次構造運動，影響儲層發(fā)育的主控因素復雜多樣。前人研究表明，燈四段儲層形成歷經(jīng)沉積期造粒、造架成孔及準同生期溶擴，疊加表生期巖溶作用及埋藏巖溶作用，控制儲層發(fā)育的關鍵因素有沉積微相、風化殼巖溶作用、埋藏熱液作用。

4.1 微生物丘與顆粒灘為儲層發(fā)育提供良好的物質基礎

燈四段歷經(jīng)三期沉積，主要發(fā)育微生物丘與顆粒灘相(圖7)。沉積微相決定了原巖類型，使得燈四段巖石具有發(fā)育為優(yōu)質儲層的良好基礎。微生物丘與高能灘均為淺水高能環(huán)境下的沉積產(chǎn)物，高頻海平面下降可以造成微生物丘和顆粒灘的短暫暴露，進而發(fā)生大氣淡水溶蝕作用。在巖心沉積儲層特征中(圖3—圖6)，單一的灘體和丘體中，灘核及丘溶蝕孔洞發(fā)育程度最高，顯然溶蝕孔洞的發(fā)育具有選擇性，也可以進一步說明高頻海平面下降進一步改造灘核和丘核部分。以上均可說明燈四段溶蝕孔隙、孔洞主要與顆粒灘及微生物丘相關，主要表現(xiàn)為在微生物丘和顆粒灘中形成的顆粒間孔及格架間孔，保障了孔隙形成的物質基礎，準同生期高頻海平面暴露，大氣淡水可以進一步溶蝕早期顆粒與格架，為后期溶蝕孔隙發(fā)育提供良好的環(huán)境條件。

4.2 大規(guī)模風化殼巖溶作用形成優(yōu)質儲層

溶蝕作用對于任何儲層的發(fā)育都是不可或缺的條件。高石梯地區(qū)在燈影組沉積期及沉積后，受桐灣運動的影響，遭受多期次的巖溶改造作用。

燈四3小層在桐灣運動Ⅱ幕的影響下，抬升暴露，頂部遭受風化剝蝕與溶蝕作用，形成了燈四段頂部區(qū)域性的不整合面，表生巖溶作用強烈發(fā)育，孔隙度要明顯優(yōu)于燈四1、燈四2小層。最直接的證據(jù)是在巖心觀察分析中，通過巖心深度歸位，發(fā)現(xiàn)溶蝕孔發(fā)育的巖石在層位上均緊鄰風化殼面(燈四段頂)。另一條證據(jù)為大部分巖心在巖性上主要為深灰色云巖，具有明顯的顆粒結構且含有礫石；在沉積構造上，見突變接觸面、正粒序及礫石的定向排列(圖10(h)—(j))。這類沉積物與正常海相沉積物大相迥異，結合河流相沉積的特點及碳酸鹽巖洞穴體系充填物特征，本次研究將這類巖性解釋為洞穴內(nèi)流水搬運充填沉積物，進而間接指示巖溶洞穴的存在。此外，在顆粒云巖體系中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)角礫云巖，角礫成分單一，角礫分選磨圓差，大小不一，為洞穴垮塌沉積物。有時也可見裂縫內(nèi)充填巖溶滲流泥，也進一步指示風化殼巖溶作用的存在(圖10(g))。

風化殼巖溶作用的強烈發(fā)生，使得儲層溶蝕孔洞發(fā)育，極大地改善了儲層物性，與沉積微相疊合控制優(yōu)質儲層的展布，致使燈四段孔隙度垂向上具有明顯“上大下小”的旋回性。鑒于此，在儲層巖性及其孔隙類型特征的基礎上，可將燈四段儲層總結為兩種類型：

(1)沉積主控型孔洞巖溶儲層，主要發(fā)育在燈四段下部，儲集空間主要是溶蝕孔及溶蝕洞，主要在砂屑云巖、疊層狀云巖、藻格架云巖及凝塊石云巖中發(fā)育；

(2)表生巖溶主控型孔洞縫儲層，主要發(fā)育在燈四段上部，儲集空間主要為溶蝕孔洞縫，常見巖溶滲流及角礫化。

4.3 埋藏熱液作用改造儲層物性

在古老碳酸鹽巖地層中，埋藏階段的熱液作用可以經(jīng)常發(fā)生，這一類作用對儲層形成的影響一直是個復雜的科學問題。該研究涉及作用期次、流體性質及來源、成巖環(huán)境等諸多不確定性因素。在深埋藏階段，熱液溶蝕作用不僅可以擴大巖石孔隙[25]，例如研究區(qū)燈四段可見網(wǎng)狀溶蝕縫，網(wǎng)狀溶蝕縫充填瀝青和白云石，可見順裂縫發(fā)生溶蝕擴大形成孔洞(圖10(d))；還可以對孔隙產(chǎn)生封堵(圖10(e)—(f))。因此，從燈四段縫洞體的產(chǎn)出特征分析，埋藏熱液作用對儲層存在積極的改造意義，但同時也會產(chǎn)生消極影響，具有兩面性。

5 結 論

本文通過巖心觀察、鏡下鑒定、連井沉積相對比等研究，厘定了燈四段微生物碳酸鹽巖微相組合，并對儲層主控因素進行分析，結果表明：

(1)燈四段巖石類型包括，黏結巖類、顆粒巖類及泥晶-粉晶巖類。燈四段沉積微相主要有微生物丘與顆粒灘，垂向上疊置序列包括丘基-丘核-丘翼、丘基-丘核-丘蓋、丘基-丘核及灘間海-風暴灘4種類型，并由顆粒灘向上演化為微生物丘。平面上微生物丘含量由臺緣向臺內(nèi)逐漸降低且整體沿臺緣帶呈西薄東厚的特征。

(2)控制儲層發(fā)育的主要因素為沉積微相和風化殼巖溶作用，沉積微相為儲層發(fā)育提供良好物質基礎，風化殼巖溶作用極大地改善儲層的物性，二者疊合控制優(yōu)質儲層的展布。埋藏熱液作用對儲層發(fā)育具有兩面性。

(3)燈四段主要存在兩種成因儲層：沉積主控型孔洞巖溶儲層，主要發(fā)育在燈四段下部；表生巖溶主控型孔洞縫儲層，主要發(fā)育在燈四段上部。