基于FMI 相分析的巖溶儲層特征及控制因素研究

摘 要 【目的】川中地區(qū)燈影組四段經(jīng)歷多期次的巖溶作用，明確燈影組四段巖溶作用的溶蝕機理、巖溶儲層的分布規(guī)律及控制因素，有助于深入理解巖溶儲層的發(fā)育機制，并可為區(qū)內(nèi)有利儲層預測提供依據(jù)?！痉椒ā恐饕玫貙游㈦娮杪蕭呙铚y井（FMI）、巖心、薄片以及常規(guī)測井等資料，劃分巖溶相，對比分析巖溶儲層的巖溶相類型、儲層特征和發(fā)育規(guī)律。【結(jié)果】根據(jù)FMI圖像特征等資料將燈四段劃分為縫洞相（F1）、充填洞穴相（F2）、角礫巖相（F3）、順層孔洞相（F4）、分散孔洞相（F5）等7種巖溶相。巖溶相及有利儲層的分布與高頻層序結(jié)構(gòu)密切相關，早成巖期巖溶作用形成的孔洞型儲層（F4、F5）主要發(fā)育于高頻層序上部的丘灘相沉積中，在燈四段頂部三級層序界面附近的厚層丘灘體中發(fā)育厚層縫洞型儲層（F1～F4），為表生巖溶疊加早期巖溶作用的結(jié)果?！窘Y(jié)論】沉積相和層序控制巖溶作用類型和巖溶作用強度，控制著不同巖溶儲層的發(fā)育。丘灘相是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎，高頻海平面下降有利于早成巖期巖溶的發(fā)育，影響巖溶儲層的發(fā)育規(guī)模；燈四段頂部三級層序界面附近表生巖溶作用強烈，是形成優(yōu)質(zhì)儲層的主要因素。巖溶古地貌帶的水動力條件差異影響表生巖溶作用強度，巖溶斜坡區(qū)在儲層總厚度、儲層類型、儲能系數(shù)等方面均優(yōu)于巖溶臺地區(qū)。

關鍵詞 丘灘相；巖溶作用；燈影組；高頻層序；古地貌；成像測井；四川盆地

第一作者簡介 朱傳勇，男，1997年出生，碩士研究生，沉積學，E-mail： aoboco6530@foxmail.com

通信作者 高達，男，博士，副教授，沉積學和層序地層學，E-mail： gaoda18@gmail.com

中圖分類號 P588.24+5 文獻標志碼 A

0 引言

巖溶型儲層是碳酸鹽巖油氣儲層重要類型之一[1?2]，我國西部海相盆地的許多碳酸鹽巖型大規(guī)模油氣田的主力油氣產(chǎn)層屬于巖溶型儲集層，如塔里木盆地奧陶系良里塔格組[3]、四川盆地二疊系茅口組[4]和寒武系龍王廟組[5]以及鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組等[6]。巖溶作用可按其發(fā)生階段[1]、出露情況[7]、埋藏部位[8]、巖溶發(fā)育形態(tài)[9]等多種依據(jù)進行劃分。其中巖溶作用按照發(fā)生階段可劃分為同生期巖溶、準同生期巖溶、表生巖溶和埋藏巖溶。在同生期—準同生期，生物礁（丘）和顆粒灘等淺水碳酸鹽巖沉積易由小規(guī)模海平面下降導致短暫暴露，發(fā)生大氣淡水影響的早成巖期巖溶作用，對碳酸鹽巖儲層的早期形成和改善起到重要作用[10]；此外，表生期地層接受大氣淡水淋濾，對早期孔洞進行擴溶，并進行非組構(gòu)性溶蝕形成大量次生孔洞，是儲層改造的重要因素[11]。前人對巖溶作用開展了大量研究，對優(yōu)質(zhì)巖溶儲層進行了預測開發(fā)，但巖溶類型劃分與儲層發(fā)育關系尚未明確。

四川盆地川中地區(qū)燈影組發(fā)育顆粒灘、微生物丘型巖溶儲層，是安岳特大氣田的主要天然氣產(chǎn)層[12]。大量研究表明，燈影組巖溶儲層的發(fā)育受沉積相、構(gòu)造運動及海平面變化等因素的綜合控制，特別是受桐灣運動影響的兩期巖溶作用受到普遍關注[13?14]。前人對燈影組沉積相和層序進行了大量的研究，認為層序上部發(fā)育大套厚層丘灘相，易形成優(yōu)質(zhì)儲層[15?17]，然而關于巖溶作用與沉積和層序的關系研究不夠深入。此外，溶蝕作用是燈影組四段儲層發(fā)育的關鍵，整體上發(fā)育同生期—準同生期層間巖溶作用、表生期巖溶作用、埋藏期有機酸溶蝕和熱液溶蝕作用[13?14]，但是關于巖溶環(huán)境和巖溶期次等還存在爭議。

地層微電阻率掃描成像測井（FMI）能夠全井段采集地層電阻率信息并以圖像化形式呈現(xiàn)[18?20]，在研究沉積時代較老、埋藏較深、巖溶改造復雜且取心較少的地層時具有明顯的優(yōu)勢。因此，本文主要利用川中地區(qū)燈影組四段的FMI資料，結(jié)合連續(xù)取心段、盆地周緣相關剖面和常規(guī)測井資料綜合分析，開展巖溶相識別劃分和不同期次巖溶儲層特征研究，分析丘灘相巖溶型儲層的成因機制及控制因素。研究結(jié)果將有助于深入理解巖溶儲層的發(fā)育機制，并為區(qū)內(nèi)有利儲層預測提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究位于四川盆地中部（圖1a），構(gòu)造位置上處于高石梯—磨溪古隆起核部，該古隆起形成于震旦紀—早寒武世，是面積約2.7×104 km2的大型統(tǒng)一隆起構(gòu)造[21]。燈影組沉積期，古隆起主要發(fā)育穩(wěn)定的臺地沉積，其中燈二段、燈四段廣泛發(fā)育生物礁（丘）和顆粒灘沉積[22]。受桐灣運動作用，燈二段、燈四段被抬升暴露，遭受表生巖溶作用，黔中南麻江基東剖面和南江縣光霧山映水壩剖面等呈現(xiàn)出區(qū)域不整合面和褐紅色風化面等特征[23?24]。

研究區(qū)燈四段與其下伏燈三段地層呈整合接觸，與上覆下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖呈不整合接觸，界限明顯[25]。燈四段地層厚度介于200～350 m，以臺地邊緣和局限臺地沉積為主，發(fā)育藻丘、顆粒灘、灘間海等微相[26]（圖1b，c）。顆粒灘發(fā)育于構(gòu)造高點，具有相對高能的開闊的水體環(huán)境，主要巖性為顆粒云巖，其中藻砂屑為主要顆粒，原生孔隙發(fā)育，見針孔、晶間孔和粒間孔（圖2a，c）。藻丘的沉積水動能條件略低于顆粒灘，巖性以藻云巖為主，藻紋層發(fā)育，見晶間孔、窗格孔（圖2d，e）。灘間海水動力條件差，為深水低能沉積，巖性為泥晶云巖、含泥（泥質(zhì)）云巖等，巖性致密（圖2f）。顆粒灘和藻丘具有良好的原生孔隙，有利于后期溶蝕改造（圖2a，d），易形成良好儲層。前人針對燈影組層序結(jié)構(gòu)開展了大量研究[27?28]，燈四段劃分了5個層序（sq1～sq5），層序上部發(fā)育生物丘和顆粒灘沉積，層序下部主要為灘間海沉積[15，29]（圖1c）。

2 巖溶相類型及特征

在前人研究基礎上，主要依據(jù)鉆井的FMI圖像特征，結(jié)合巖心觀察及薄片鑒定，在研究區(qū)燈四段識別出7種主要的巖溶相。對各相的FMI圖像特征、發(fā)育巖性、分布及儲層質(zhì)量等描述見表1。

縫洞相（F1）、充填洞穴相（F2）、角礫巖相（F3）主要發(fā)育于燈四段頂部。F1以大量暗色低阻團塊和暗色條帶為特征，指示蜂窩狀孔洞（圖2a、圖3a，b）和高角度裂縫（圖3f），易形成優(yōu)質(zhì)儲層。當洞穴被泥質(zhì)充填，F(xiàn)MI圖像上呈現(xiàn)整體暗色，定義為充填洞穴相（F2）。F3中的亮色斑塊指示不同形態(tài)的碳酸鹽角礫，反映洞穴塌積或再沉積作用，礫間見泥質(zhì)充填（圖3d）；或指示表生巖溶作用殘留的巖溶角礫。燈影組頂部受不整合相關的表生巖溶作用，長期持續(xù)的強烈溶蝕改，形成大量的蜂窩狀孔洞，并進行非組構(gòu)溶蝕，對裂縫進行溶蝕擴大，連通上下儲層，使三種相在地層中多組合發(fā)育，如在高石18 井5 161～5 176 m，發(fā)育兩套溶洞及相關洞穴沉積，累計厚度約15 m（圖4）。常規(guī)測井均顯示具有較高的自然伽馬（GR）和較低的電阻率值（圖5）。洞穴底部大多發(fā)育角礫堆積和泥質(zhì)充填（F2、F3），向頂部過渡為厚層的發(fā)育高角度裂縫及充填物的洞穴圍巖（F1）。

順層孔洞相（F4）和分散孔洞相（F5）在FMI圖像上共同表現(xiàn)為暗色斑點和斑塊，其中F4中暗斑的分布具有成層性，指示層狀分布的厘米級孔洞（圖2d、圖3e），反映早成巖期大氣淡水對顆粒灘和藻丘沉積順層紋層溶蝕，易形成優(yōu)質(zhì)儲層。F5中分散暗斑指示零星發(fā)育的孔洞（圖3c），反映溶蝕程度較低。F4、F5均具有較高的電阻率和較低的GR值（圖5）。

高阻塊狀致密相（F6）和低阻層狀致密相（F7）中溶蝕作用發(fā)育均較弱，為主要的隔層。F6以高電阻率和低GR為特征（圖5），無明顯的層理構(gòu)造；F7則相反，以低電阻率和高GR為特征（圖5），F(xiàn)MI動態(tài)圖像中可見明顯的紋層，反映了陸源黏土質(zhì)紋層，為最大海泛期的沉積標志。

3 巖溶儲層特征及分布

3.1 高頻層序格架內(nèi)的巖溶垂向序列

根據(jù)巖相及微相的垂向變化，結(jié)合測井曲線特征分析，可將燈四段劃分為五個高頻層序（sq1～sq5）。各層序內(nèi)部由下至上通常依次發(fā)育灘間海、顆粒灘、藻丘等微相，在下部一些層序內(nèi)，還可識別出以含泥（泥質(zhì)）云巖沉積為特征的最大海泛沉積，主要表現(xiàn)出向上變淺的沉積旋回，這與前人沉積微相及高頻層序的研究認識一致[17]?；诔上駵y井資料開展的巖溶相研究表明，巖溶相和有利儲層的分布與層序結(jié)構(gòu)密切相關，且早成巖期巖溶作用和表生巖溶作用影響著巖溶相的發(fā)育，從而巖溶作用與層序是否也能建立相關聯(lián)系？

以高石18井為例（圖6），該井燈四段底部層序（sq1）以致密的灘間海沉積為主（F6和F7），僅在sq1頂部的小規(guī)模臺內(nèi)灘沉積中發(fā)育3層1～3 m厚的孔洞層（F4和F5）。層序sq2和sq3中丘灘體厚度變大，其中斷續(xù)紋層和順層孔洞發(fā)育較多（圖7a），識別出3層10～20 m 的孔洞層（F4 和F5），平均面孔率為4.6％。燈四段上部層序（sq4和sq5）中蜂窩狀溶洞、高角度裂縫和順層孔洞均發(fā)育顯著增多（圖7b），可劃分出4 套15～40 m 厚的巖溶儲層，其中縫洞相（F1）、充填洞穴相（F2）和順層孔洞相交替組合發(fā)育（F4），在頂部出現(xiàn)厚達40 m的縫洞層（F1；圖7c，d），燈四段上部丘灘體沉積面孔率通常介于6%～13%，平均可達8％?？傮w上，巖溶孔洞層（F4和F5）主要發(fā)育在高頻層序上部的丘灘相地層中，發(fā)育厘米毫米級層狀孔洞為特征，反映了四級層序海平面下降時發(fā)生的早成巖期巖溶對丘灘相進行組構(gòu)性溶蝕；燈四段的上部孔洞層的厚度和層數(shù)增加，且出現(xiàn)厚層的縫洞層（F1），溶蝕孔洞規(guī)模擴大，溶縫發(fā)育，反映三級層序界面附近持續(xù)強烈的表生期巖溶作用。

3.2 連井高頻層序格架內(nèi)的巖溶序列

基于多口鉆井的高頻層序及巖溶相分析發(fā)現(xiàn)，早成巖期巖溶作用溶蝕形成的順層孔洞相（F4）和分散孔洞相（F5）經(jīng)常組合發(fā)育構(gòu)成孔洞型儲層，在上部的層序中早成巖期巖溶疊加表生巖溶作用形成的縫洞相及溶洞相關的巖溶相（F1～F4）經(jīng)常組合發(fā)育構(gòu)成縫洞型儲層。在此基礎上，通過編制連井對比剖面，分析了高頻層序地層格架內(nèi)的巖溶相及兩類儲集層的分布規(guī)律。

內(nèi)部5個高頻層序及灘間?！馂w沉積旋回對比清晰（圖8）。下部層序中，以發(fā)育多套薄層（2～8 m）孔洞型儲層（以F4和F5為主），向上部過渡為大套近厚層（10～40 m）縫洞型儲層（F1～F4）。橫向上，位于臺地邊緣的高石19和高石7兩口鉆井各發(fā)育10余套丘灘體和巖溶儲層，單井的丘灘體和巖溶儲層總厚度平均值分別為165.1 m與114.2 m；位于局限臺地的高石18井僅發(fā)育8套丘灘體及巖溶儲層，厚度分別為89.3 m和69.0 m。在臺地邊緣的丘灘體厚度大的鉆井中，上部層序（sq1和sq2）中的縫洞型儲層的比例介于60%～70%。反映研究區(qū)燈四段巖溶儲層的發(fā)育及分布不僅受到高頻層序的明顯制約，而且在巖溶儲層數(shù)量、單層及總厚度上，臺地邊緣相帶好于臺地內(nèi)部。在燈四段頂部的厚層丘灘體中，縫洞型儲層比例增加。

4 丘灘相巖溶儲層控制因素

4.1 沉積相和高頻層序?qū)r溶儲層的控制

基于成像測井資料并結(jié)合巖心和薄片綜合分析發(fā)現(xiàn)，燈四段不同微相的儲層特征存在明顯差異。薄片觀察顯示，燈四段顆粒云巖和藻云巖中發(fā)育少量基質(zhì)孔，包括粒間孔、粒間溶孔和窗格孔等類型（圖9a，b），泥晶云巖幾乎不發(fā)育基質(zhì)孔，反映丘灘相沉積具有良好的原始孔隙。在巖心和成像測井圖像上，藻云巖中常見連續(xù)密集的順紋層發(fā)育的孔洞（圖9c），顆粒云巖中多見分散的孔洞（圖9d）。這些孔洞的發(fā)育具有明顯的沉積相選擇性，并且與原始的沉積紋層密切相關，反映其形成于早成巖期的溶蝕作用[18]。表生巖溶強烈作用下，大氣淡水進入丘灘沉積，對早期孔隙進行溶蝕改造，而形成順層的孔洞和分散的溶洞（圖7a，b），構(gòu)成優(yōu)質(zhì)的孔洞型儲層（F4和F5）。

通過對比高頻層序格架內(nèi)的巖溶相，發(fā)現(xiàn)燈四段巖溶儲層的發(fā)育分布受層序的控制，不同級別的層序界面控制著巖溶作用類型和強度。淺水碳酸鹽巖臺地礁（丘）灘沉積通常發(fā)育高頻層序，礁（丘）灘體在層序的上部發(fā)育規(guī)模變大[8，15，30]，是控制有利儲層的物質(zhì)基礎。在高頻層序頂部，海平面下降導致同生期—準同生期大氣淡水成巖透鏡體對丘灘體沉積發(fā)生溶蝕作用，是早成巖期巖溶儲層發(fā)育的關鍵因素[31]?；诙嗫阢@井的高頻層序及巖溶相分析發(fā)現(xiàn)，燈四段孔洞層（F4和F5）主要發(fā)育在高頻層序界面附近的厚層丘灘體中。在燈四段內(nèi)部，各層序中丘灘體的厚度及比例由下至上逐漸增大，巖溶儲層的厚度也逐漸增加（圖6）；在燈四段頂部，三級層序界面附近發(fā)生強烈的表生巖溶作用，形成大套厚約40 m的縫洞型儲層，以密集孔洞和高角度溶蝕縫為特征（圖6、圖7d），局部薄層的灘間海微相也可形成縫洞型儲層（圖7c、圖9e）。

4.2 不同巖溶古地貌帶的巖溶儲層差異研究

研究區(qū)位于磨溪—高石梯古隆起核部[22]，燈影組碳酸鹽巖沉積期一直處于構(gòu)造高部位，受桐灣運動構(gòu)造抬升影響，燈四段大面積暴露，形成區(qū)域性的剝蝕和不整合面，長期經(jīng)歷風化削蝕，形成高低起伏的巖溶地貌。不同古巖溶微地貌單元的水動力條件不同，影響巖溶水的補給條件和徑流方式等，控制了表生巖溶作用的強度和作用范圍，造成了不同地貌中巖溶儲層的發(fā)育特征和溶蝕程度存在差異[32?33]。

淺水碳酸鹽巖臺地中由于礁（丘）灘體的沉積速率相對較大，在沉積時易形成地貌高地，在海平面下降和構(gòu)造抬升作用下，容易發(fā)生暴露溶蝕形成巖溶儲層[32，34]。研究區(qū)位于磨溪—高石梯古隆起核部[22]，燈影組碳酸鹽巖沉積期一直處于構(gòu)造高部位，對比發(fā)現(xiàn)臺地上不同鉆井間的燈四段丘灘體地層厚度具有顯著差異（圖8）。受桐灣運動構(gòu)造抬升影響，燈四段沉積后受到暴露溶蝕，巖溶地貌控制著巖溶儲層發(fā)育程度[32?33]。

前人針對川中地區(qū)燈影組頂部古地貌恢復開展了大量研究[35?36]，通常將燈四段古地貌劃分為巖溶臺地、巖溶斜坡和巖溶洼地（圖10a），其中巖溶臺地和巖溶斜坡等地貌帶都可發(fā)育良好儲層[5]?；趨^(qū)內(nèi)鉆井的巖溶相分析發(fā)現(xiàn)，不同微地貌的丘灘相巖溶儲層質(zhì)量存在較大差異，巖溶斜坡的儲層質(zhì)量明顯優(yōu)于巖溶臺地（圖10b）。研究區(qū)巖溶臺地位于局限臺地沉積區(qū)（圖10a），高石11井、高石18井、高石21井、高石103井等的巖溶儲層總厚度介于62～69 m，（平均66.4 m），單層厚度多分布在2～10 m，儲層類型多為孔洞型儲層（圖6），儲能系數(shù)為0.78～2.26 m（平均1.59 m）。巖溶斜坡呈條帶狀分布于巖溶臺地附近（圖10a），以臺地邊緣沉積為主，高石2井、高石7井、高石12井、高石19井等的研究表明巖溶儲層總厚度介于101～119 m（平均111.4 m），其中縫洞型儲層（F1～F4）平均厚度為33.3 m，平均儲能系數(shù)為2.62～4.77 m（平均3.71 m）。這種差異是由于各巖溶地貌具有不同的原始沉積相和水文條件造成的。臺地邊緣丘灘體厚度大（圖8），向西側(cè)形成臺緣斜坡，坡度大，在表生期易形成窄斗的巖溶斜坡，巖溶斜坡帶巖溶水的流體勢能強、流速大，對地層的溶蝕作用強烈，有利于優(yōu)質(zhì)儲層的形成[20，36]。臺內(nèi)帶丘灘體發(fā)育較差，地形平緩（圖8），為巖溶水的補給區(qū)，巖溶水以水平徑流狀態(tài)進行運移流速較慢，表生巖溶作用強度較小，儲層發(fā)育較差。

5 結(jié)論

（1） 川中地區(qū)燈四段可識別出縫洞相（F1）、充填洞穴相（F2）、角礫巖相（F3）、順層孔洞相（F4）、分散孔洞相（F5）、高阻塊狀致密相（F6）和低阻層狀致密相等7種巖溶相。其中F4和F5發(fā)育厘米級層狀溶蝕孔洞為特征，反映早成巖期巖溶的溶蝕；相比之下，F(xiàn)1、F2和F3具有更大規(guī)模的蜂窩狀的溶蝕孔洞和高角度溶縫，指示表生巖溶疊加早期巖溶綜合作用的結(jié)果。

（2） 孔洞型儲層（F4和F5）主要發(fā)育于高頻層序上部的丘灘相沉積；向燈四段的上部，孔洞型儲層的厚度和層數(shù)增加，在燈四段頂部的厚層丘灘體中發(fā)育厚層的縫洞型儲層（F1～F4）。

（3） 丘灘相沉積為早成巖期巖溶發(fā)育提供了物質(zhì)基礎，高頻層序控制著丘灘體的沉積規(guī)模，影響著早成巖期巖溶儲層的發(fā)育程度。三級層序界面附近，表生巖溶作用增強，并對早期溶孔進行擴溶改造，是燈四段形成優(yōu)質(zhì)儲層的主要原因。

（4） 燈四段巖溶古地貌不同的水文條件影響著表生巖溶作用強度，是巖溶儲層發(fā)育的控制因素。巖溶臺地和巖溶斜坡是巖溶儲層的有利發(fā)育區(qū)，其中巖溶斜坡區(qū)的儲層在儲層總厚度、儲層類型、儲能系數(shù)等方面均優(yōu)于巖溶臺地區(qū)的儲層。

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基金項目：國家自然科學基金項目（41502104）；湖北省自然科學基金項目（2017CFB533）；油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室開放基金項目（K2018-06）