徐維勝，何川，秦關(guān)，2

（1.北京大學(xué)石油與天然氣研究中心，北京 100871；2.懷俄明大學(xué)，美國(guó) 懷俄明 WY82071）

沉積相和成巖作用對(duì)生物礁儲(chǔ)層成因的控制研究

徐維勝1，何川1，秦關(guān)1，2

（1.北京大學(xué)石油與天然氣研究中心，北京 100871；2.懷俄明大學(xué)，美國(guó) 懷俄明 WY82071）

上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組臺(tái)地邊緣生物礁之所以是普光氣田的重要儲(chǔ)集層，主要受到沉積相和成巖作用的控制，而碳酸鹽巖臺(tái)地沉積格局、造礁生物的廣泛發(fā)育和有利的古氣候條件是生物礁發(fā)育的前提條件。生物礁在海洋環(huán)境、地表暴露環(huán)境和埋藏環(huán)境中主要經(jīng)歷了膠結(jié)、壓實(shí)、溶蝕、白云石化、重結(jié)晶等成巖作用的改造，導(dǎo)致了生物礁巖性和物性的巨大改變。生物礁石灰?guī)r上部由于白云石化作用的改造，巖性由石灰?guī)r轉(zhuǎn)變成白云巖，從上往下呈現(xiàn)白云巖、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和石灰?guī)r的巖性序列。膠結(jié)和壓實(shí)作用極大地破壞了生物礁石灰?guī)r的原生孔隙，而白云石化、溶蝕、重結(jié)晶作用的改造產(chǎn)生了大量的次生孔隙，成為重要的儲(chǔ)集空間。

生物礁；儲(chǔ)層；沉積相；成巖作用

1 區(qū)域概況

普光氣田屬于川東斷褶帶東北段雙石廟—普光NE向構(gòu)造帶上的一個(gè)鼻狀構(gòu)造，被普光3斷層分割為普光2和普光3兩個(gè)斷塊，含氣層位為三疊系飛仙關(guān)組和二疊系長(zhǎng)興組［1-2］。長(zhǎng)興組臺(tái)地邊緣生物礁相發(fā)育于上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組上亞段，是重要的天然氣儲(chǔ)集層。生物礁經(jīng)歷了由沉積、固結(jié)成巖、埋藏到一定規(guī)模抬升的漫長(zhǎng)地質(zhì)演化過(guò)程，成巖作用呈多期次、多類(lèi)型的長(zhǎng)期疊加［3-5］。儲(chǔ)層巖性主要為生物礁白云巖，而生物礁石灰?guī)r物性較差，幾乎不能作為儲(chǔ)層。臺(tái)地邊緣生物礁從沉積、成巖改造到形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的綜合研究，對(duì)我國(guó)南方古生界碳酸鹽巖油氣勘探具有重要意義。文中以普光氣田某井典型生物礁儲(chǔ)層為例進(jìn)行研究。該井生物礁沉積位于5 352.6～5 398.7 m，上部生物礁白云巖厚度約32.6 m，下部生物礁石灰?guī)r厚度約13.5 m，中間夾很薄的過(guò)渡巖性，分別為灰質(zhì)白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r。

2 沉積相的控制作用

2.1 沉積環(huán)境

晚二疊世長(zhǎng)興期，川東北地區(qū)平面上呈現(xiàn)“三凹兩隆”的沉積格局（見(jiàn)圖1），北部為廣元—旺蒼海槽，東部為鄂西—城口海槽，中間由開(kāi)江—梁平陸棚將元壩、通南巴和普光構(gòu)造分割［6-7］。沉積環(huán)境為開(kāi)闊臺(tái)地、臺(tái)地邊緣臺(tái)前斜坡、淺水陸棚、深水陸棚等，成熟的碳酸鹽巖臺(tái)地為生物礁發(fā)育提供了優(yōu)越的環(huán)境條件［8］。另外，在二疊世，川東北地區(qū)屬于低緯度熱帶—亞熱帶氣候區(qū)［9-11］，鈣質(zhì)海綿、鈣藻、水螅、苔蘚蟲(chóng)等造礁生物發(fā)育［12-13］，為生物礁沉積提供了廣泛的物源基礎(chǔ)。

圖1 長(zhǎng)興期沉積格局示意

2.2 沉積物特征

晚二疊世長(zhǎng)興期，研究區(qū)內(nèi)向陸棚方向依次發(fā)育有局限臺(tái)地相、開(kāi)闊臺(tái)地相、臺(tái)地蒸發(fā)巖相、臺(tái)地邊緣淺灘相、臺(tái)地邊緣生物礁相、臺(tái)前斜坡相及陸棚相等，相帶展布與經(jīng)典的威爾遜相模式十分相似。長(zhǎng)興組生物礁、礁后淺灘和下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組飛一、飛二段鮞粒灘的垂向加積形成川東北典型的鑲邊臺(tái)地，臺(tái)地邊緣生物礁發(fā)育于長(zhǎng)興組一段上亞段。

該地區(qū)高分辨率層序地層學(xué)和同沉積時(shí)期露頭生物礁的分析研究發(fā)現(xiàn)［14-16］，生物礁對(duì)應(yīng)于高頻海平面波動(dòng)經(jīng)歷了6個(gè)生長(zhǎng)旋回。巖性為海綿骨架巖、海綿障積巖和海綿黏結(jié)巖，并發(fā)育大量的格架孔隙、遮擋孔隙、腔內(nèi)孔隙。地震剖面上，生物礁形態(tài)為透鏡狀，具有透鏡體-中強(qiáng)變振幅-雜亂反射的影像特征。

3 生物礁成巖作用改造

生物礁沉積體主要經(jīng)歷了海洋環(huán)境、蒸發(fā)環(huán)境、地表暴露環(huán)境和埋藏環(huán)境的成巖改造，成巖作用主要包括膠結(jié)、壓實(shí)、白云石化、重結(jié)晶和溶蝕作用［17-19］。膠結(jié)和壓實(shí)作用對(duì)生物礁的原生孔隙具有很大的破壞性，白云石化作用實(shí)現(xiàn)了原始生物礁巖性從石灰?guī)r向白云巖的轉(zhuǎn)變，重結(jié)晶作用和溶蝕作用改變了生物礁灰?guī)r的顆粒結(jié)構(gòu)，這些改造作用產(chǎn)生了大量的次生孔隙。

3.1 蒸發(fā)回流白云石化作用

白云石化作用總的來(lái)說(shuō)對(duì)儲(chǔ)層孔隙具有很大的建設(shè)性，在不同的成巖環(huán)境中，白云石化的機(jī)理也各不相同?；旌蠋О自剖饔脤?duì)生物礁孔隙度具有一定的貢獻(xiàn)，由于地層流體鎂離子來(lái)源有限，埋藏白云石化作用的改造很小，而蒸發(fā)回流白云石化作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙的建設(shè)作用更大。

晚二疊世長(zhǎng)興期，川東北地區(qū)位于赤道附近，氣候炎熱潮濕［8］，臺(tái)地邊緣生物礁經(jīng)歷了強(qiáng)蒸發(fā)海水和大氣淡水的多期改造。由于生物礁的快速生長(zhǎng)，其高度明顯高于礁后淺灘，生物礁和礁后灘構(gòu)成局限環(huán)境。在這一環(huán)境中，上層流入的正常海水不斷蒸發(fā)，海水密度不斷增大，同時(shí)伴隨有石膏和方解石等礦物的沉淀，導(dǎo)致Mg/Ca急劇升高。高鎂鹵水由于密度增大而下沉，并在水動(dòng)力作用下沿底部向海方向回流（見(jiàn)圖2）。高鎂鹵水在回流過(guò)程中，一部分垂直向下滲流，另一部分向礁體滲流。由于生物礁體具有較好的原生孔隙，高鎂鹵水在生物礁發(fā)生廣泛的白云石化作用［20］。生物礁對(duì)應(yīng)于高頻海平面波動(dòng)經(jīng)歷了6個(gè)生長(zhǎng)旋回，局限蒸發(fā)環(huán)境周期性出現(xiàn)，蒸發(fā)回流白云石化作用也是周期性的發(fā)生。隨著交代作用的進(jìn)行，向礁體內(nèi)部滲流的海水的鎂離子濃度逐漸降低，交代作用能力逐漸減弱，而礁體底部沒(méi)有發(fā)生白云石化作用。生物礁上部36.2 m由于白云石化作用的改造，生物礁石灰?guī)r轉(zhuǎn)變成白云巖，并發(fā)育大量的晶間孔隙。而生物礁下部厚度為13.5 m的石灰?guī)r仍然保持其原始巖性特征。

圖2 蒸發(fā)回流白云石化作用原理

3.2 埋藏溶蝕作用

巖石薄片、沉積發(fā)育史和有機(jī)質(zhì)熱演化史綜合分析表明，長(zhǎng)興組生物礁經(jīng)歷了早期大氣淡水的組構(gòu)選擇性溶蝕和晚期埋藏階段的非組構(gòu)選擇性溶蝕［21-22］。在中晚期埋藏成巖過(guò)程中，烴類(lèi)有機(jī)質(zhì)熱成熟過(guò)程中的脫羧作用產(chǎn)生大量的二氧化碳和有機(jī)酸，對(duì)生物礁具有溶蝕作用；烴類(lèi)的熱降解和高溫TSR反應(yīng)產(chǎn)生大量的H2S，H2S與水混合的酸性流體促進(jìn)地層巖石溶蝕，從而改變生物礁的孔隙度和滲透率。該井的巖心和薄片觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，生物礁儲(chǔ)層發(fā)育大量的粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶間溶孔等，并且孔隙間連通性較好（見(jiàn)圖3）。

圖3 生物礁晚期溶蝕的主要孔隙類(lèi)型

4 生物礁儲(chǔ)層特征

4.1 巖性特征

該井生物礁儲(chǔ)層的主要巖性為上部的生物礁白云巖和下部的生物礁石灰?guī)r，中間夾薄層的灰質(zhì)白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r。生物礁白云巖以淺灰色生物障積礁白云巖為主，內(nèi)部夾有灰白色微粉晶或細(xì)晶的白云巖和灰白色殘余生屑微粉晶云巖，晶間孔隙較為發(fā)育。生物礁石灰?guī)r主要由生物礁骨架石灰?guī)r和障積白云質(zhì)石灰?guī)r組成，白云石化作用、重結(jié)晶作用和溶蝕作用不明顯，壓實(shí)和膠結(jié)作用破壞了大量的原生孔隙，因此孔隙度和滲透率非常低。

4.2 物性特征

生物礁白云巖和生物礁石灰?guī)r的物性存在很大差異。通過(guò)該井的測(cè)井資料綜合評(píng)價(jià)和儲(chǔ)層巖心的實(shí)驗(yàn)分析表明，生物礁白云巖以中、高孔隙度和中、高滲透率為主，生物礁石灰?guī)r以低孔隙度低滲透率為主，具體的孔隙度和滲透率定量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 生物礁儲(chǔ)層物性特征統(tǒng)計(jì)

5 生物礁成巖作用與孔隙演化

該井生物礁在沉積過(guò)程中發(fā)育大量的格架孔隙、遮擋孔隙、腔內(nèi)孔隙等原生孔隙。在海底環(huán)境中受到藻類(lèi)的黏結(jié)和方解石沉淀膠結(jié)，原生孔隙大部分消失，沉積物已經(jīng)半固結(jié)。由于生物礁向上加積生長(zhǎng)和高頻海平面的升降，生物礁周期性地處于蒸發(fā)環(huán)境和地表暴露環(huán)境，蒸發(fā)回流白云石化作用和混合帶白云石化作用使生物礁石灰?guī)r轉(zhuǎn)化為白云巖，并產(chǎn)生大量的晶間孔隙。而生物礁底部由于白云石化作用很弱，保持了生物礁原始巖性特征，因此造成了生物礁上下部分巖性和物性的分異。在埋藏環(huán)境中，由于生物礁白云巖具有較好的抗壓實(shí)能力而使孔隙度得到了保持，下部生物礁灰?guī)r在壓實(shí)作用孔隙度進(jìn)一步減小。另外，富含有機(jī)酸物質(zhì)和硫化氫的孔隙流體沿著孔隙和裂縫通道進(jìn)入生物礁白云巖，發(fā)生非組構(gòu)選擇性溶蝕，并產(chǎn)生大量的溶蝕孔隙，因此生物礁云巖成為很好的儲(chǔ)層。而底部的生物礁灰?guī)r孔隙度較低，地層流體活動(dòng)很弱，溶蝕作用的改造不明顯，因此生物礁灰?guī)r物性很差，極少部分能夠成為三類(lèi)儲(chǔ)層。

6 結(jié)論

1）川東北地區(qū)二疊紀(jì)長(zhǎng)興期碳酸鹽巖臺(tái)地沉積格局、造礁生物的廣泛發(fā)育和有利的古氣候條件是生物礁普遍發(fā)育的前提。

2）生物礁石灰?guī)r大量的格架孔隙、遮擋孔隙、腔內(nèi)孔隙等原生孔隙在膠結(jié)和壓實(shí)作用下很難保存下來(lái)，次生孔隙才是天然氣主要的存儲(chǔ)空間。

3）生物礁上部由于溶蝕、白云石化、重結(jié)晶作用的建設(shè)性改造，巖性從石灰?guī)r轉(zhuǎn)變成白云巖，并發(fā)育了大量的次生孔隙，白云巖的抗壓實(shí)能力使次生孔隙較好地保存下來(lái)，為晚期的埋藏溶蝕提供了很好的條件。而生物礁底部沒(méi)有發(fā)生白云石化作用，原生孔隙由于膠結(jié)和埋藏壓實(shí)作用的破壞，并且次生孔隙不發(fā)育。

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（編輯 王淑玉）

Control of sedimentary facies and diagenesis on genesis of reef reservoir

Xu Weisheng1,He Chuan1,Qin Guan1，2
(1.Oil&Gas Research Center,Beijing University,Beijing 100871,China;2.University of Wyoming,WY82071,US)

Platform edge reefs of Upper Permian in Changxing Formation are important reservoirs in Puguang Gas Field due to the controlling mechanism of sedimentary facies and diagenesis,but the depositional pattern,prosperity of reef-building organisms and favorable paleoclimates of carbonate platform are the predominant conditions for reef development.Altered by diagenesis of cementation,compaction,dolomitization,recrystallization and denudation in marine,exposure and burial environments,the lithological features and physical properties of reef have been severely changed,resulting in a vertical lithology sequence of dolomite to limestone interpolated by limy dolomite and dolomitic limestone.Though the primary porosities are destructed by cementation and compaction,a huge abundance of secondary porosities are created by dolomitization,recrystallization and denudation to serve as gas accumulation space.

reef;reservoir;sedimentary facies;diagenesis

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”子課題“碳酸鹽巖礁灘相儲(chǔ)層建模及數(shù)值模擬方法研究”（2008ZX05017）

TE122.2+1

：A

1005-8907（2012）01-0051-04

2011-06-21；改回日期：2011-11-20。

徐維勝，男，1974年生，工程師，2009年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），博士，現(xiàn)于北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地質(zhì)學(xué)博士后流動(dòng)站工作，從事石油與天然氣勘探開(kāi)發(fā)研究。電話(huà)：（010）62758723，E-mail：xuweisheng2008@sina.com。

徐維勝，何川，秦關(guān).沉積相和成巖作用對(duì)生物礁儲(chǔ)層成因的控制研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（1）：51-54. Xu Weisheng，He Chuan，Qin Guan.Control of sedimentary facies and diagenesis on genesis of reef reservoir［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（1）：51-54.