川中地區(qū)中二疊統(tǒng)棲霞組優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層特征及發(fā)育模式

徐會(huì)林 羅文軍 楊東凡 蘭雪梅 楊亞男 閆夢楠 付 蕾 唐思哲

中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 四川成都 610041

0 引言

近年來，四川盆地中二疊統(tǒng)棲霞組不斷獲得勘探新發(fā)現(xiàn)和新苗頭，展現(xiàn)出良好的天然氣勘探前景，被認(rèn)為是四川盆地二疊系勘探的重要領(lǐng)域。四川盆地西部地區(qū)棲霞組氣藏勘探開發(fā)上已經(jīng)取得了顯著的成效，特別是在川西北雙魚石地區(qū)天然氣三級儲(chǔ)量超千億立方米、已建成年產(chǎn)天然氣20×108m3的產(chǎn)能規(guī)模。近年來四川盆地中部地區(qū)（簡稱“川中地區(qū)”）也相繼在MX42井、MX31X1井、GS18井等鉆遇白云巖儲(chǔ)層并連獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，特別是GS001-X45井測試獲得天然氣產(chǎn)量162×104m3/d，揭示了川中地區(qū)棲霞組也具有巨大的勘探開發(fā)潛力。但由于川中地區(qū)棲霞組薄層白云巖儲(chǔ)層預(yù)測難度大，制約了川中高石梯-磨溪區(qū)塊棲霞組氣藏效益開發(fā)。因此，厘清川中地區(qū)棲霞組白云巖儲(chǔ)層發(fā)育主控因素是預(yù)測研究區(qū)白云巖薄儲(chǔ)層分布的關(guān)鍵。

學(xué)者們針對四川盆地棲霞組白云巖儲(chǔ)層的成因進(jìn)行了大量研究工作，關(guān)于白云巖成因模式主要存在以下幾種觀點(diǎn)。金振奎[1]等研究認(rèn)為白云巖的成因主要為玄武巖淋濾作用，黃思靜[2]、陳軒[3]等研究成果認(rèn)為構(gòu)造—熱液白云石化為白云巖儲(chǔ)層的主要成因，江青春[4]等認(rèn)為中—粗晶云巖為埋藏期白云石化作用形成，楊光[5]等認(rèn)為白云巖的成因以混合水白云石化為主，白曉亮[6]等認(rèn)為川西地區(qū)白云巖成因?yàn)槁癫仄跓嵋撼梢?。這些前人的研究成果多為盆地尺度或集中于川西臺(tái)緣帶地區(qū)，而對于廣大臺(tái)內(nèi)川中地區(qū)的棲霞組相關(guān)研究相對較少，研究程度低。因此，筆者以川中地區(qū)棲霞組為研究對象，通過對研究區(qū)實(shí)鉆井的巖心觀察、薄片鑒定、成像測井、陰極發(fā)光和地球化學(xué)分析等方法，對白云巖儲(chǔ)層特征及成因模式進(jìn)行了研究，分析了薄層白云巖基本特征，建立白云巖成因發(fā)育模式，為加快川中地區(qū)棲霞組氣藏的效益開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

位于川中古隆起南部高石梯—磨溪地區(qū)，其地層展布和沉積格局受古隆起影響較大[7-10]。四川盆地為經(jīng)歷了6大沉積構(gòu)造旋回的多期構(gòu)造疊合盆地，其中加里東旋回晚期擠壓隆升—海西中晚期裂陷運(yùn)動(dòng)過程對四川盆地油氣成藏具有重要的控制作用。受加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響使四川盆地表現(xiàn)為局部隆升，形成了川中古隆起。川中高石梯—磨溪區(qū)塊二疊系與下伏的震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、石炭系（泥盆系普遍缺失）呈角度不整合接觸。二疊系上統(tǒng)包括龍?zhí)督M、長興組，中統(tǒng)包括梁山組、棲霞組、茅口組。研究區(qū)的目的層棲霞組與梁山組、茅口組之間均呈整合接觸關(guān)系。

四川盆地內(nèi)川西臺(tái)緣和川中古隆起高帶控制了高能灘體的分布和優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層規(guī)模發(fā)育，形成盆地內(nèi)“一緣一環(huán)帶”規(guī)模灘相白云巖分布的格局，川西海盆邊緣和川中地區(qū)環(huán)古隆起周緣發(fā)育了規(guī)模分布的臺(tái)緣灘和環(huán)帶狀臺(tái)內(nèi)灘，灘體規(guī)模大、分布范圍廣，白云巖儲(chǔ)層發(fā)育[11-13]。研究區(qū)位于川中地區(qū)高石梯—磨溪區(qū)塊，構(gòu)造位置處于四川盆地中部，川中古隆起中斜平緩構(gòu)造帶（圖1）。川中地區(qū)棲霞組厚度介于90～120 m，為開闊臺(tái)地相沉積環(huán)境，處于臺(tái)內(nèi)顆粒灘發(fā)育的有利相帶，巖性以石灰?guī)r為主，局部發(fā)育薄層白云巖[14-15]。

圖1 研究區(qū)地理位置及地層綜合柱狀圖

2 層序地層格架建立

精細(xì)的等時(shí)層序格架建立可為川中地區(qū)棲霞組白云巖儲(chǔ)層的形成與展布特征確定地層框架的約束，進(jìn)而能夠在等時(shí)層序格架內(nèi)探討有利儲(chǔ)層的發(fā)育和分布規(guī)律[16]。目前國內(nèi)學(xué)者們對四川盆地棲霞組的層序劃分存在差異，且大多以川西臺(tái)緣帶為研究對象，針對川中地區(qū)棲霞組精細(xì)的層序地層特征研究相對較少。

綜合野外及鉆井巖石學(xué)特征、電性特征、地球化學(xué)特征，可將川中地區(qū)棲霞組劃分為SQ1、SQ2兩個(gè)三級層序，SQ2可進(jìn)一步劃分為兩個(gè)四級層序。棲霞組整體電性特征表現(xiàn)為從下到上GR曲線值下降特征。底部的高GR、低電阻率段從取心井的巖性觀察和薄片鑒定上看，為深灰色泥晶灰?guī)r，代表一種深水低能沉積環(huán)境，在區(qū)域上可橫向追蹤對比(圖2-b、c)。SQ2段的GR曲線值及泥質(zhì)含量明顯變低，代表沉積水體能量變強(qiáng)，巖性以相對高能的亮晶顆粒灰?guī)r沉積為主（圖2-d、e）。因此，可以將棲霞組劃分為棲一段和棲二段。

圖2 棲一段和棲二段劃分依據(jù)圖

SQ2段可進(jìn)一步劃分為兩個(gè)向上變淺的旋回：①電性標(biāo)志：每段旋回電阻率自下而上逐漸變低，GR表現(xiàn)為箱狀特征；②巖性標(biāo)志：旋回界面巖性變化清楚；③地球化學(xué)特征：界面附近碳同位素和微量元素均具有突變特征，旋回界面巖性變化清楚（圖3-a、b）。因此，可以將棲二段劃分為棲二下亞段和棲二上亞段。

圖3 SQ2四級層序劃分依據(jù)圖

3 儲(chǔ)層基本特征

3.1 儲(chǔ)集巖性與儲(chǔ)集空間類型

通過對川中地區(qū)取心井大量巖心、薄片觀察和實(shí)驗(yàn)分析表明，川中地區(qū)棲霞組儲(chǔ)集巖性以細(xì)—中晶殘余砂屑云巖為主。儲(chǔ)集空間類型包括孔隙、溶洞和裂縫，其中孔隙類型主要為晶間（溶）孔、粒間溶孔，通過對7口井取心段的巖心統(tǒng)計(jì)，洞密度在2～32個(gè)/m之間，局部裂縫發(fā)育，縫密度1.67～2.96條/m（圖4）。

3.2 儲(chǔ)層物性特征

研究區(qū)7口取心井大量的巖心孔滲實(shí)驗(yàn)表明，川中地區(qū)棲霞組白云巖儲(chǔ)層總體表現(xiàn)為低孔隙度、低滲透率的特征。其中，儲(chǔ)層巖心柱塞樣品孔隙度分布在2%～5%之間，中值4%，具有低孔特征，儲(chǔ)層巖心柱塞樣品滲透率分布在0.003～35.000 mD之間，中值0.100 mD，具有低滲透特征。

3.3 儲(chǔ)層類型劃分

根據(jù)巖心、薄片、成像測井資料，基于孔洞縫搭配關(guān)系及其成因等綜合評價(jià)，將川中地區(qū)棲霞組白云巖儲(chǔ)層劃分為裂縫-孔洞型、孔洞型和孔隙型3種類型，其中，裂縫-孔洞型和孔洞型儲(chǔ)層為相對優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層（表1）。裂縫-孔洞型白云巖儲(chǔ)層從巖心和成像測井圖上溶蝕孔洞和裂縫均發(fā)育，常規(guī)物性孔隙度大于4%，滲透率大于1 mD，常規(guī)測井值為補(bǔ)償中子大于2.3%，聲波時(shí)差大于55 μs/ft；孔洞型白云巖儲(chǔ)層溶蝕孔洞發(fā)育，常規(guī)物性孔隙度大于4%，滲透率介于0.1～1.0 mD，常規(guī)測井值為補(bǔ)償中子大于2.3%，聲波時(shí)差介于50～55 μs/ft；孔隙型白云巖儲(chǔ)層溶蝕孔洞和裂縫均欠發(fā)育，常規(guī)物性孔隙度介于2%～4%，滲透率小于0.100 mD，常規(guī)測井值為補(bǔ)償中子介于2.0%～2.3%，聲波時(shí)差介于48～50 μs/ft。川中地區(qū)棲霞組優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層為低孔低滲透、厚度薄且多層，非均質(zhì)強(qiáng)的儲(chǔ)層，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層單井累計(jì)厚度0.6～10.7 m，平均厚度僅5.8 m。

4 優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層的主控因素與發(fā)育模式

通過對川中地區(qū)棲霞組沉積作用、巖溶作用、白云石化作用和構(gòu)造作用的綜合分析，認(rèn)為有利沉積相帶控制了研究區(qū)優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層的展布，準(zhǔn)同生期巖溶作用和準(zhǔn)同生期白云石化作用控制了白云巖儲(chǔ)層發(fā)育的規(guī)模，斷裂疊加改造作用控制了白云巖儲(chǔ)層品質(zhì)，三者共同控制了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的展布和品質(zhì)。

4.1 沉積作用

通過對川中地區(qū)棲霞組7口取心井進(jìn)行精細(xì)的巖心觀察與描述，并結(jié)合巖性、測井曲線、成像測井等測井資料進(jìn)行單井相研究。研究表明，川中地區(qū)棲霞組為開闊臺(tái)地相沉積，可識(shí)別出3種亞相——臺(tái)坪亞相、臺(tái)內(nèi)灘亞相以及臺(tái)內(nèi)緩坡亞相，4種微相——緩坡灰泥、灘間海、顆粒灘、潮坪，其中顆粒灘微相為有利沉積微相（表2），并建立起了川中地區(qū)棲霞組沉積演化模式（圖5）。從沉積演化模式圖可知：①棲一段沉積期為梁山組后規(guī)模海侵的低能泥晶灰?guī)r沉積物，為梁山組之后的繼續(xù)補(bǔ)償沉積。②棲二下亞段沉積期，隨著海平面下降高石梯高帶（高地、次高）—上斜坡—下斜坡泥晶生屑灰?guī)r沉積厚度逐級增厚；當(dāng)海平面下降至適宜深度后，高帶—上斜坡開始發(fā)育高能顆粒灘，但由于受海平面高頻震蕩影響，高地頻繁接近海平面，不適宜灘體生長，灘體厚度薄，而微地貌次高、上斜坡在適宜深度發(fā)育厚度較厚的高能灘。③棲二上亞段沉積期，經(jīng)歷初期短暫海侵后，高帶—上斜坡沉積可容納空間有限而基本被填平，海平面整體較淺，不適宜灘體發(fā)育，灘體在下斜坡灘體開始生長，規(guī)模相對較小。

表2 川中地區(qū)棲霞組沉積相及對應(yīng)巖電特征表

圖5 川中地區(qū)棲霞組灘體沉積演化模式圖

由于棲一段、梁山組均為低能沉積物，因此，可用“棲一段+梁山組”厚度間接反映棲二段沉積前古地貌，“棲一段+梁山組”厚度薄的地方為棲二段沉積前地貌高部位，“棲一段+梁山組”厚度厚的地方為棲二段沉積前地貌低部位。從沉積微相連井剖面可知（圖6），顆粒灘發(fā)育受到“棲一段+梁山組”厚度的控制，主要發(fā)育在棲二下亞段頂部和棲二上亞段中部和上部。據(jù)棲一段和梁山組厚度可將棲二段沉積前古地貌劃分為高地、次高、上斜坡、下斜坡4個(gè)微地貌單元（表3）。實(shí)鉆井證實(shí)顆粒灘發(fā)育受地貌控制，灘體主要發(fā)育于次高、上斜坡區(qū)域，微地貌高地由于頻繁接近海平面，不適宜灘體生長，灘體欠發(fā)育（圖7）。同時(shí)，鏡下巖心薄片可以觀察到，高能灘環(huán)境下沉積的亮晶生屑、亮晶砂屑灰?guī)r易遭受溶蝕，形成粒間溶孔。低能灘沉積環(huán)境下，以沉積泥晶顆?；?guī)r、泥晶灰?guī)r為主，巖性相對致密，沉積期處于相對低地貌，不易接受同生期、準(zhǔn)同生期流體改造，導(dǎo)致后期溶蝕改造和次生孔隙的難以形成（圖8）。

表3 古地貌單元?jiǎng)澐直?/p>

圖6 高石102—磨溪108井棲霞組沉積相剖面對比圖

圖7 棲一段+梁山組厚度與灘地比關(guān)系圖

圖8 不同沉積環(huán)境灘體孔隙發(fā)育特征圖

4.2 準(zhǔn)同生期巖溶作用和準(zhǔn)同生期白云石化作用

在準(zhǔn)同生期隨著海平面下降，顆粒灘暴露接受大氣淡水淋濾溶蝕作用，可使顆粒灘形成粒間溶孔、針狀溶孔、毫米—厘米級孔洞，且由于微地貌的次高、上斜坡灘體沉積相對更厚，加之大氣淡水水流方向向著次高、上斜坡流動(dòng)，使得次高、上斜坡的溶蝕孔、洞更發(fā)育，形成優(yōu)勢的滲流通道。與此同時(shí)，富鎂流體向下滲透回流，對先存孔洞的灘體進(jìn)行白云石化，不僅增加基質(zhì)孔隙（從鏡下可以觀察到溶蝕成因的孔隙邊緣不規(guī)則，白云石化成因的孔隙在晶粒之間，且邊緣規(guī)則），還增強(qiáng)巖石抗壓性。從鏡下薄片可以觀察到細(xì)—中晶殘余砂屑云巖為他形晶，以非平直晶面為主，晶面較臟，晶體形態(tài)和輪廓多不清晰，多具有波狀消光的特點(diǎn)，偶見殘余生物碎屑，陰極發(fā)光呈昏暗發(fā)光或不發(fā)光（圖9）。通過對研究區(qū)稀土元素進(jìn)行分析（圖10），認(rèn)為細(xì)—中晶殘余砂屑云巖的稀土元素分配模式與石灰?guī)r相似，說明白云巖繼承了石灰?guī)r特征，表明白云石化流體來源于海水，即富鎂白云石化流體與海水環(huán)境中沉積的石灰?guī)r具有同源性，白云石化作用發(fā)生于準(zhǔn)同生期，此時(shí)白云石化流體供應(yīng)充足，使白云石快速結(jié)晶，可見明顯的殘余顆?；糜啊?/p>

圖9 準(zhǔn)同生期大氣淡水和白云石化特征圖

圖10 研究區(qū)棲霞組細(xì)—中晶、細(xì)晶白云巖與石灰?guī)r稀土元素分配模式圖

四川盆地二疊系的白云巖成因，大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為是由于二疊紀(jì)峨眉地裂運(yùn)動(dòng)引發(fā)的構(gòu)造-熱液作用形成的，本次研究認(rèn)為川中地區(qū)高石梯—磨溪區(qū)塊棲霞組白云巖形成主要受準(zhǔn)同生期巖溶作用和準(zhǔn)同生期白云石化作用而形成。

4.3 斷裂疊加改造作用

近年對四川盆地中部地區(qū)走滑斷裂研究表明，斷層及周圍裂縫可以有效提升儲(chǔ)集的孔隙度和滲透率，也可溝通烴源巖與儲(chǔ)層，起到聚氣高產(chǎn)的作用[17-20]。研究區(qū)實(shí)鉆井證實(shí)，在斷裂附近裂縫及孔洞發(fā)育程度明顯提高。部署的GS001-X45、GS045-H2等評價(jià)井位于斷裂附近，結(jié)合成像測井可知，其裂縫及溶蝕孔洞發(fā)育，進(jìn)一步證實(shí)了斷裂在灘相儲(chǔ)層發(fā)育基礎(chǔ)上具有優(yōu)儲(chǔ)作用（圖11）。

綜上所述，顆粒灘是優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，準(zhǔn)同生期溶蝕作用和準(zhǔn)同生期白云石化作用控制白云巖儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)模，埋藏期斷裂在儲(chǔ)層發(fā)育基礎(chǔ)上具有進(jìn)一步優(yōu)儲(chǔ)作用。即“灘體控有無、白云石化控規(guī)模、斷裂控品質(zhì)”的“三控”優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層發(fā)育機(jī)理。

4.4 優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層發(fā)育模式

根據(jù)實(shí)鉆井分析，建立川中地區(qū)棲霞組優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層發(fā)育模式。認(rèn)為研究區(qū)主要存在2種優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層發(fā)育模式：①高能灘相+準(zhǔn)同生期巖溶作用和準(zhǔn)同生期白云石化作用模式：顆粒灘暴露接受大氣淡水溶蝕，受到溶蝕作用形成毫米—厘米級溶蝕孔洞及粒間溶孔，由于次高、上斜坡微地貌的高能灘體更厚，且大氣水淋濾溶蝕更強(qiáng)，溶蝕孔、洞更發(fā)育；同時(shí)，富鎂流體向下滲透回流，對先存孔洞的灘體進(jìn)行白云石化，形成白云巖儲(chǔ)層。②高能灘相+準(zhǔn)同生期巖溶作用和準(zhǔn)同生期白云石化作用+斷裂疊加改造作用模式：在模式①基礎(chǔ)上，斷裂一方面增加巖層滲透性，另一方面進(jìn)一步改造白云巖儲(chǔ)層而形成更加優(yōu)質(zhì)的裂縫-孔洞型儲(chǔ)層（圖12）。

5 結(jié)論

通過對川中地區(qū)棲霞組實(shí)鉆井的巖心觀察、薄片鑒定、陰極發(fā)光等方法，對該層系儲(chǔ)層特征及發(fā)育模式進(jìn)行了研究，取得以下幾條認(rèn)識(shí)：

1）白云巖儲(chǔ)層巖性以細(xì)—中晶殘余砂屑云巖為主；

2）白云巖儲(chǔ)層厚度薄，孔隙度中值為4.0%，滲透率中值為0.100 mD，以低孔、低滲透為特征，可劃分為裂縫-孔洞型、孔洞型和孔隙型3種類型，其中裂縫-孔洞型、孔洞型儲(chǔ)層類型為優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層；

3）明確了顆粒灘是白云巖儲(chǔ)層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，顆粒灘受到準(zhǔn)同生期大氣淡水溶蝕作用和準(zhǔn)同生期白云石化作用形成白云巖儲(chǔ)層，埋藏期斷裂疊加改造作用進(jìn)一步改造白云巖儲(chǔ)層而形成更加優(yōu)質(zhì)的縫洞型白云巖儲(chǔ)層；

4）川中地區(qū)棲霞組存在“高能灘相+準(zhǔn)同生期巖溶作用和準(zhǔn)同生期白云石化作用”“高能灘相+準(zhǔn)同生期巖溶作用和準(zhǔn)同生期白云石化作用+斷裂疊加改造作用”兩種優(yōu)質(zhì)白云巖發(fā)育模式。