四川盆地東部中二疊統(tǒng)茅口組眼球狀石灰?guī)r儲層特征及成因

蘇成鵬，譚秀成，王小芳，李 飛，蘆飛凡，李明隆，胡 笙

1油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室；2中國石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲層重點(diǎn)實(shí)驗室西南石油大學(xué)研究分室；3西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；4中國石油杭州地質(zhì)研究院

0 前 言

中二疊統(tǒng)茅口組是四川盆地的重要勘探層系，已發(fā)現(xiàn)了多個大中型氣田［1-3］。研究表明：茅口組儲層包括灘相儲層［4-5］、風(fēng)化殼古巖溶型儲層［6-7］和白云巖儲層［8-11］。而茅口組中—下部普遍發(fā)育的眼球狀石灰?guī)r通常被看作非油氣儲集巖類，因此對眼球狀石灰?guī)r儲集性能的報道較少。事實(shí)上，20世紀(jì)70年代中期，就有關(guān)于在江蘇句容盆地眼球狀石灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)地表油苗的報道，區(qū)內(nèi)東風(fēng)3井、東風(fēng)13井測試分別產(chǎn)油逾 1 t/d 和 2.84 t/d［12-13］。 此后，對于眼球狀石灰?guī)r的研究多側(cè)重于其成因機(jī)制［14-17］和生烴潛力［18-19］，而且其成因機(jī)制一直存在分歧。

近年來，四川盆地JY1井和YH1井茅口組一段（茅一段）眼球狀石灰?guī)r中測試分別獲得1.67×104m3/d和3.06×104m3/d的工業(yè)氣流，尤其是2019年測試的TT1井茅一段眼球狀石灰?guī)r測試產(chǎn)能逾20×104m3/d，再一次表明茅口組眼球狀石灰?guī)r具有一定的儲集性能和勘探潛力。鑒于此，筆者對川東地區(qū)11條野外露頭剖面進(jìn)行了踏勘（剖面位置見圖1a），優(yōu)選了其中4條剖面進(jìn)行了詳細(xì)的野外觀察和描述，并進(jìn)一步結(jié)合室內(nèi)薄片、掃描電鏡和常規(guī)物性資料，研究茅口組眼球狀石灰?guī)r的儲層特征，并初步探討了其成因。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

四川盆地處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺西北部，是揚(yáng)子準(zhǔn)地臺的一個次一級構(gòu)造單元。中二疊統(tǒng)沉積前，四川盆地由加里東構(gòu)造旋回造就的大隆大坳格局，由于海西早期盆地基底大規(guī)模的整體抬升，遭受夷平補(bǔ)齊，使得中二疊統(tǒng)沉積時具有準(zhǔn)平原化的基底［20］。盆地基底古地貌格局與區(qū)域海平面升降共同作用，控制了四川盆地中二疊統(tǒng)沉積相帶的分布［21］。梁山期廣泛的海侵使中二疊統(tǒng)直接覆蓋在石炭系、泥盆系、志留系等不同時代地層的不整合面之上［22-23］。四川盆地中二疊世茅口期繼承了棲霞期海侵的面貌，川東地區(qū)茅口組在古地理格局上主要為一套開闊臺地相淺水碳酸鹽沉積，沉積厚度一般在150~400 m［24-25］。根據(jù)巖性茅口組從底至頂可分為4段（圖1b）：茅一段為灰色灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾黑色頁巖，巖石顏色較深，有機(jī)質(zhì)、泥質(zhì)含量較高，眼球狀構(gòu)造普遍發(fā)育，向上眼球狀構(gòu)造呈明顯減少；茅二段為灰色厚層塊狀泥晶灰?guī)r，泥質(zhì)含量低；茅三段主要以一套淺灰色、灰白色亮晶生物碎屑灰?guī)r為主，顆粒含量高；茅四段以黑灰色泥晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r為主［26］。中二疊世與晚二疊世之間發(fā)生了遍及整個四川盆地的東吳運(yùn)動，造成了沉積間斷以及下伏茅口組上部的風(fēng)化剝蝕[27-28］及巖溶改造［29-31］。

圖1 四川盆地東部研究剖面位置和中二疊統(tǒng)茅口組巖性柱狀圖Fig.1 Outcrop location and lithology column of the Middle Permian Maokou Formation in East Sichuan Basin

2 眼球狀石灰?guī)r儲層特征

2.1 儲層巖石學(xué)特征

川東地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組眼球狀石灰?guī)r可劃分為“眼球”與“眼皮”2類組構(gòu)，二者宏觀、微觀特征均具有較大差異（圖2）。

野外露頭觀察發(fā)現(xiàn)，“眼球”的產(chǎn)出形態(tài)主要包括3種類型：順層連續(xù)串珠狀、順層斷續(xù)串珠狀（透鏡狀）和雜亂狀，“眼皮”常包繞“眼球”產(chǎn)出（圖2a，2b）?！把矍颉鳖伾^淺（淺灰色—灰色），為成分較純的石灰?guī)r，泥質(zhì)含量一般小于5%；發(fā)育大量淺水生物，包括藻類、腹足、苔蘚蟲、蟲筳、非蟲筳有孔蟲等，生物碎屑和生物隨機(jī)分布，排列無定向性，壓實(shí)作用欠發(fā)育（圖2c）。相比而言，“眼皮”顏色較深（深灰色—灰黑色），為泥質(zhì)含量較高的石灰?guī)r，多為含泥石灰?guī)r，呈波狀起伏的紋層狀；生物化石與“眼球”同等發(fā)育，但也存在一定差異性，如富含介殼碎屑和完整的腕足化石，腕足通常具有殼刺和較強(qiáng)的殼飾（圖2d）；受壓實(shí)作用改造較強(qiáng)，常見粗枝藻被壓扁后呈定向排列，局部藻體甚至被壓成直線（圖2c）。

鏡下觀察表明：“眼球”中顆粒大多保存完好，沒有被壓實(shí)的跡象，甚至易碎的米齊藻和始角藻等粗枝藻屬也保存完好（圖2e），顆粒間充填灰泥和微亮晶方解石（圖2e，2f），部分“眼球”明顯受到巖溶作用的影響（圖2f）。與之相比，“眼皮”中除了腕足、有孔蟲等部分方解石質(zhì)化石保存完好外，其他生物碎屑通常保存得不完整，很少發(fā)現(xiàn)成對的介形蟲殼體，生物碎屑顆粒大多細(xì)小而無法辨認(rèn)種屬，排列常常具有一定的定向性（圖2g，2h），可見粗枝藻被明顯壓扁（圖2i）。顆粒之間同樣是灰泥充填，但是灰泥中多殘留泥質(zhì)和瀝青等不溶物，局部發(fā)育巖性與“眼球”巖性一致的未被溶解的微晶方解石集合體（眼球巖屑）（圖2g）。

圖2 四川盆地東部中二疊統(tǒng)茅口組眼球狀石灰?guī)r特征Fig.2 C haracteristics of eyeball limestone of the Middle Permian Maokou Formation in East Sichuan Basin

2.2 儲集空間類型

通過對川東地區(qū)4條野外實(shí)測剖面（圖1a）的105張茅口組眼球狀石灰?guī)r薄片和10件掃描電鏡樣品的詳細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)茅口組眼球狀石灰?guī)r儲層的儲集空間復(fù)雜、類型多樣：主要為各類次生孔隙，包括次生的基質(zhì)溶孔、晶間溶孔、溶縫、縫合線和張裂縫等，非均質(zhì)性極強(qiáng)，且“眼球”和“眼皮”在各類次生孔隙的發(fā)育程度方面表現(xiàn)出明顯不同的特征（圖3）。

“眼球”巖性致密（圖3a），次生溶蝕孔隙不發(fā)育，僅發(fā)育少量縫合線和張裂縫。其中，縫合線多被瀝青充填，張裂縫多被白色方解石全充填（圖3b），局部偶見半充填張裂縫，方解石晶間孔見殘余瀝青（圖3c）。

“眼皮”巖性疏松多孔，不僅發(fā)育縫合線和張裂縫，還大量發(fā)育各類次生溶蝕孔隙。其中，基質(zhì)溶孔極為發(fā)育，孔隙形態(tài)不規(guī)則，邊界不平整，孔徑分布范圍較廣，最大可大于1 mm，最小可低至0.01 mm以下，多為有機(jī)質(zhì)和黏土礦物半—全充填（圖3d-3f），亦可見未充填的基質(zhì)溶孔（圖3g）；張裂縫中充填的方解石晶體，常發(fā)育晶間溶孔和溶縫，相較于基質(zhì)溶孔，晶間溶孔孔隙形態(tài)為較規(guī)則的多邊形，孔徑0.01~0.5mm不等，溶縫寬為0.01~0.25mm，二者皆多與瀝青伴生（圖3h）；此外，生物碎屑粒內(nèi)溶孔偶有發(fā)育，孔徑為0.1~0.5 mm（圖3i）。

圖3 四川盆地東部中二疊統(tǒng)茅口組眼球狀石灰?guī)r儲集空間類型Fig.3 R eservoir space types of eyeball limestone in the Middle Permian Maokou Formation in East Sichuan Basin

2.3 儲層物性特征

對研究區(qū)茅口組4條野外實(shí)測剖面（位置見圖1a）的34個眼球狀石灰?guī)r的小直徑取心樣品（由于“眼皮”巖性較疏松，本次的物性樣品均是用鉆機(jī)在野外直接鉆取），包括17個“眼球”樣品和配套的17個“眼皮”樣品，進(jìn)行了基質(zhì)孔隙常規(guī)物性分析化驗。

分析結(jié)果（圖4）表明：茅口組眼球狀石灰?guī)r“眼球”和“眼皮”的物性總體較差，且“眼皮”的儲集能力和滲透能力均優(yōu)于“眼球”。在儲集能力方面（圖4a），“眼球”孔隙度極低，為0.05%~1.59%，均值為0.30%，其中孔隙度小于0.2%的樣品占總數(shù)的58.8%；相比而言，“眼皮”孔隙度相對較高，為0.19%~7.39%，均值為1.86%，孔隙度主要介于0.2%~2%之間，占樣品總數(shù)的64.7%，有29.4%的樣品孔隙度大于2%。在滲透能力方面（圖4b），“眼球”和“眼皮”滲透率均較低，均小于0.1×10-3μm2， 主體均介于(0.001~0.01)×10-3μm2之間，占各自樣品總數(shù)的66.7%?！把矍颉睗B透率平均值為0.005×10-3μm2， 最大值為0.052×10-3μm2；“眼皮”滲透率平均值為0.013×10-3μm2，最大值為0.093×10-3μm2。 相對高滲透率段（（0.01~0.1）×10-3μm2）中，“眼球”樣品占比（6.7%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于“眼皮”樣品（26.7%）。

圖4 四川盆地東部中二疊統(tǒng)茅口組眼球狀石灰?guī)r小直徑巖心物性頻率分布直方圖Fig.4 Percentage histogram of physical property of small diameter core of eyeball limestone of the Middle Permian Maokou Formation in East Sichuan Basin

將研究區(qū)茅口組眼球狀石灰?guī)r的30個孔滲配套的小直徑取心樣品分為“眼球”（n=15）和“眼皮”（n=15）2類，并繪制孔隙度—滲透率相關(guān)關(guān)系圖（圖5）。從圖5可以看出，眼球狀石灰?guī)r的“眼球”和“眼皮”分別表現(xiàn)為特低孔特低滲和低孔低滲的特征。具體而言，“眼球”孔滲相關(guān)性較差，表現(xiàn)為滲透率受孔隙度影響不大，具有裂縫滲流的特征，這與其主要發(fā)育縫合線和張裂縫的特征一致（圖3b，3c）；“眼皮”孔滲相關(guān)性較好，表現(xiàn)為滲透率隨孔隙度的增加而增加的孔隙型儲層特征，這與其主要發(fā)育基質(zhì)溶孔、晶間溶孔、溶縫等各類次生溶蝕孔隙的特征一致（圖3d—3i）。

圖5 四川盆地東部中二疊統(tǒng)茅口組眼球狀石灰?guī)r孔隙度－滲透率相關(guān)關(guān)系圖Fig.5 Correlation between porosity and permeability of eyeball limestone of the Middle Permian Maokou Formation in East Sichuan Basin

前人的研究表明：眼球狀石灰?guī)r遍及華南地區(qū)中二疊統(tǒng)［14，17］，其中的“眼皮”富含有機(jī)質(zhì)，可作為中國南方區(qū)域性烴源巖［18-19］。這也在近期勘探實(shí)踐中得到了證實(shí)，如ST1井、NC1井(井位見圖1a)中二疊統(tǒng)灰質(zhì)烴源巖的平均有機(jī)碳含量分別達(dá)5.67%和3.68%［32］。結(jié)合上述儲層特征分析，認(rèn)為這一特殊巖類可作為茅口組又一類致密灰?guī)r型儲集體，而且其分布較廣，富含有機(jī)質(zhì)，勘探潛力不容忽視。

3 眼球狀石灰?guī)r儲層成因

3.1 巖石成因

眼球狀石灰?guī)r屬灰?guī)r—泥灰?guī)r韻律層的范疇［33-34］，當(dāng)然灰?guī)r—泥灰?guī)r韻律層也只是作為一個野外描述性的術(shù)語，其在碳酸鈣含量方面沒有實(shí)際意義［35］；因其形狀似眼球，石油行業(yè)習(xí)慣于將其稱為眼球狀石灰?guī)r［17］。它們通常被視為沉積環(huán)境頻繁變化的記錄者［36-37］。關(guān)于茅口組眼球狀石灰?guī)r的成因，國內(nèi)主要有以下2類觀點(diǎn)：陸源碎屑的稀釋旋回成因［14］和上升流旋回成因［18］。 成巖作用對其有重要的影響，然而，關(guān)于灰?guī)r—泥灰?guī)r韻律層為沉積成因的觀點(diǎn)一直被懷疑，因為灰?guī)r易受成巖作用改造［38-40］。例如，關(guān)于華南中二疊統(tǒng)棲霞組眼球狀石灰?guī)r的成因，國內(nèi)就有學(xué)者認(rèn)為是成巖作用［15，34］。產(chǎn)生爭議的主要原因是“眼球”和“眼皮”經(jīng)歷了截然不同的沉積后作用［41］，即所謂的差異成巖作用［42］。具體來說，“眼球”在早期成巖作用階段已經(jīng)被碳酸鈣膠結(jié)，并在很大程度上未壓實(shí)而使其保存狀態(tài)較好［43］；相比之下，“眼皮”中的碳酸鈣在受到溶解時，同時被增加的沉積物負(fù)荷壓實(shí)［44］。差異成巖作用是由于有機(jī)質(zhì)在微生物活動或作用下腐爛而使孔隙水化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化引起的［45］：“眼皮”中的不穩(wěn)定碳酸鹽礦物文石因為孔隙水化學(xué)梯度的改變而被溶蝕，產(chǎn)生的鈣離子運(yùn)移到“眼球”中，形成微亮晶膠結(jié)物（圖6）［46-47］，而且這一過程發(fā)生在早期成巖階段的海水埋藏成巖環(huán)境［34］。

3.2 儲層成因

圖6 灰?guī)r―泥灰?guī)r韻律的差異成巖作用（據(jù)文獻(xiàn)［47］修改）Fig.6 D ifferential diagenesis of limestone marlstone rhythm(cited from literature ［47］,modified)

基于眼球狀石灰?guī)r宏觀、微觀特征，結(jié)合前人研究成果，筆者初步認(rèn)為川東地區(qū)茅口組眼球狀石灰?guī)r儲層的形成與該類巖石的成巖過程密切相關(guān)。前已述及，眼球狀石灰?guī)r中發(fā)育大量粗枝藻類（圖2c，2e，2i），說明其沉積環(huán)境應(yīng)在透光帶以內(nèi)［48］?，F(xiàn)代粗枝藻類主要生活在淺水海洋環(huán)境中，通常在5~6 m水深、較高水溫的水域最繁盛，在10~30 m水深開始變得稀少，最深可至90 m水深［49］。此外，在眼球狀石灰?guī)r中見到大量腕足化石，其個體保存完整、種類豐富，發(fā)育殼刺，殼飾相對較強(qiáng)（圖2d）。而淺水碳酸鹽臺地環(huán)境中食物和氧氣相對豐富，腕足類分異度較高、個體較大、殼飾較強(qiáng)，而且在水體相對較淺的環(huán)境中，水動力較強(qiáng)，腕足類為了穩(wěn)定殼體，殼刺大量發(fā)育［50］。結(jié)合研究區(qū)的區(qū)域地質(zhì)背景，認(rèn)為茅口組眼球狀石灰?guī)r沉積期應(yīng)為一個淺水—極淺水的開闊碳酸鹽臺地沉積環(huán)境。

石炭紀(jì)—二疊紀(jì)冰室氣候時期的大陸冰蓋是在一系列不連續(xù)的冰期形成的，二疊紀(jì)岡瓦納大陸冰蓋的推進(jìn)和消融在低緯度地區(qū)形成了許多高頻海平面升降變化［51］。川東地區(qū)茅口組眼球狀石灰?guī)r沉積期，對應(yīng)于中二疊世茅口早期可上超至臺地內(nèi)部的高頻低幅的海平面震蕩式上升時期，受海平面周期性升降變化影響，眼球狀石灰?guī)r頻繁暴露地表，并遭受大氣淡水淋溶作用?；谠缙诤Ｋ癫爻蓭r作用階段形成的層狀組構(gòu)差異（圖7a），“眼皮”由于文石的溶解而疏松多孔，“眼球”由于碳酸鈣的沉淀而膠結(jié)致密（圖7b），“眼皮”的孔滲性能優(yōu)于“眼球”，這使得“眼皮”巖溶作用發(fā)育強(qiáng)烈，不溶泥質(zhì)含量相對富集，發(fā)育各類次生溶蝕孔隙（圖3d，3g，3i），但仍可見些許溶蝕殘余（圖2g）?！把燮ぁ敝懈咝У膸r溶系統(tǒng)輸導(dǎo)體系有利于后期油氣的充注，使得瀝青含量相對富集，并產(chǎn)生相應(yīng)的埋藏期有機(jī)酸溶蝕孔隙（圖3h）。最后在深埋過程中，受差異壓實(shí)作用影響，“眼皮”中生物碎屑定向性、有機(jī)質(zhì)流動狀構(gòu)造進(jìn)一步加強(qiáng)，“眼球”因差異壓實(shí)作用的逐漸增強(qiáng)而依次呈現(xiàn)出順層連續(xù)串珠狀、順層斷續(xù)串珠狀和雜亂狀（圖2a，2b），并于“眼球”和“眼皮”中產(chǎn)生壓溶縫（圖3b），從而形成該類眼球狀石灰?guī)r儲層（圖7c）。

圖7 四川盆地東部中二疊統(tǒng)茅口組眼球狀石灰?guī)r儲層成因示意圖（（a）據(jù)文獻(xiàn)［46］修改；（b）（c）據(jù)文獻(xiàn)［17］修改）Fig.7 Genetic map of eyeball limestone reservoir in Maokou Formation of Middle Permian in East Sichuan Basin（(a)cited from literature ［46］,modified;(b)，(c)cited from literature ［17］,modified）

4 結(jié) 論

（1）四川盆地東部中二疊統(tǒng)茅口組眼球狀石灰?guī)r由“眼球”與“眼皮”兩部分組成，二者宏觀、微觀特征具有較大差異；“眼皮”部分孔滲性能相對較好，儲集空間主要為各類次生溶蝕孔隙，孔滲相關(guān)性好，為低孔-低滲的孔隙型儲層，可作為茅口組致密灰?guī)r儲層。

（2）眼球狀石灰?guī)r儲層的形成與該類巖石的成巖過程密切相關(guān)：早期海水埋藏成巖作用階段形成的層狀組構(gòu)差異為后期成巖流體的疊合改造奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)；準(zhǔn)同生期暴露期間，大氣淡水選擇性作用于孔滲性較優(yōu)的“眼皮”組構(gòu)，進(jìn)一步促成了眼球狀石灰?guī)r儲層物性的分異。沉積后的巖溶作用是該類儲層形成的關(guān)鍵。