李昌峰，侯明才，張小青，李國蓉

(1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都610059;2.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，成都610051 3.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (成都理工大學(xué))，成都610059;4.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都610059)

0 引言

川東北元壩氣田構(gòu)造位置位于四川盆地川北坳陷與川中低緩構(gòu)造帶的結(jié)合部，西北與九龍山背斜構(gòu)造帶相接，東北與通南巴構(gòu)造帶相鄰，南部與川中低緩構(gòu)造帶相連。該氣田是中國石化繼普光氣田之后，在四川盆地發(fā)現(xiàn)的又一個千億立方儲量的大型海相氣田。元壩氣田目的層為上二疊統(tǒng)長興組白云巖儲層，已提交探明含氣面積242.14 km2，儲量1880.98×108m3，氣藏埋深6240～6950 m，平均埋深6675 m，鉆井均為超深井，實(shí)施的水平井水平段均在800 m以上，是目前國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最深的海相氣田。

長興組的儲層巖性主要為溶孔、殘余生屑溶孔白云巖，儲層儲集空間類型主要有粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄?？?、晶間孔、晶間溶孔等。儲層孔隙度介于0.79% ～24.65%之間，平均為5.27%;滲透率介于0.0028×10-3～1720.7190×10-3μm2之間，幾何平均值 0.61×10-3μm2，主峰值范圍0.002 ×10-3～0.250 ×10-3μm2，物性變化大，非均質(zhì)性強(qiáng)。

在如此超深層條件下，發(fā)育這么好的儲層，突破了通常情況下人們對深埋條件下儲層的認(rèn)識。為此，許多學(xué)者從儲層發(fā)育的沉積相類型、白云巖化作用和構(gòu)造破裂作用對儲層的改善等方面探討了川東北元壩地區(qū)長興組優(yōu)質(zhì)儲層的主控因素及成因［1～4］。這些工作主要集中在某一個或幾個方面地質(zhì)現(xiàn)象的描述和基于與儲層發(fā)育空間關(guān)系的定性推斷，而在深層—超深層條件下，從沉積微相類型、成巖作用和構(gòu)造破裂作用的關(guān)聯(lián)關(guān)系出發(fā)，深入開展優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲層成因機(jī)制的研究鮮見報道。然而，揭示深層—超深層條件下碳酸鹽巖的形成機(jī)制對有效開展儲層預(yù)測和拓展海相碳酸鹽巖的勘探開發(fā)領(lǐng)域具有重大指導(dǎo)意義。因此，本文從儲層巖石學(xué)特征、沉積微相類型、成巖環(huán)境和構(gòu)造破裂作用的關(guān)聯(lián)關(guān)系開展研究，進(jìn)一步詮釋川東北元壩氣田上二疊統(tǒng)長興組優(yōu)質(zhì)儲層形成的機(jī)制。

1 儲層巖石學(xué)特征

長興組儲層可分為上、下2段。下段巖性主要為細(xì)晶溶孔白云巖、(含)生屑粉—細(xì)晶白云巖、灰質(zhì)白云巖、殘余生屑白云質(zhì)灰?guī)r等，其中溶孔白云巖、(含)生屑粉—細(xì)晶白云巖物性最好;上段巖性以 (溶孔)中粗晶白云巖、殘余生屑 (粒屑)溶孔白云巖、(溶孔)細(xì)粉晶云巖、殘余生屑白云巖為主，其次為灰質(zhì)白云巖、生屑灰?guī)r、微晶灰?guī)r等。不同類型白云巖的物性特征見表1。

表1 長興組白云巖類儲層物性特征Table 1 Dolomite reservoir properties in the Changxing Formation

2 沉積微相特征

巖心、測井及地震資料綜合分析顯示，研究區(qū)長興組氣藏發(fā)育碳酸鹽緩坡和碳酸鹽臺地2種沉積背景，存在深緩坡、淺緩坡、臺地邊緣生物礁、臺地邊緣淺灘等亞相以及生屑灘、灘間、生物礁 (礁基、礁核、礁蓋)、礁間等多種微相類型 (見圖1)。

2.1 生屑灘

該區(qū)生物灘十分發(fā)育，類型較多，可以識別出臺地邊緣灘、開闊臺地臺內(nèi)灘、局限臺地臺內(nèi)灘及緩坡高能帶上的顆粒灘。根據(jù)灘體部位的不同，進(jìn)一步劃分為灘核和灘緣。生物碎屑較發(fā)育，最主要的碎屑類型是有孔蟲，其次為珊瑚、蜓類、腕足等。生物碎屑間膠結(jié)主要為亮晶方解石，局部為藻粘結(jié)結(jié)構(gòu)。生物灘灰?guī)r的白云化程度不同，從完全到未白云化均有。

從測井曲線分析，生屑灘白云巖層段自然伽瑪值低、密度與電阻率較低、聲波時差較大;生屑灘灰?guī)r層段自然伽瑪值低、聲波時差較小、密度較大、電阻率較高 (見圖1a)。

2.2 生物礁

圖1 YB-XA井長興組下段淺緩坡生屑灘及灘間沉積剖面圖Fig.1 Sedimentological section showing carbonate rampbioclastshoal and inter-shoal facies in the Lower Member of the Changxing Formation in the Well YB-XA

生物礁可進(jìn)一步細(xì)分為礁基、礁核及礁蓋微相。生物礁微相造礁骨架生物主要為海綿，礁灰?guī)r主要表現(xiàn)為骨架巖和障積巖。骨架巖造礁骨架生物含量較高，圍繞造礁生物有藻包覆層發(fā)育，骨架間孔洞內(nèi)皮殼狀方解石生長充填特征清楚，也可為微晶方解石及生物碎屑堆積，代表了能量較高的生物礁環(huán)境。巖性為灰色含云生屑灰?guī)r、云質(zhì)生屑灰?guī)r、生屑砂屑灰?guī)r、淺灰色溶孔白云巖、溶孔砂屑白云巖、含灰云巖、含云灰?guī)r等。

礁蓋表現(xiàn)出疏松多孔的測井響應(yīng)特征，如密度、電阻率值下降，聲波、中子孔隙度上升等 (見圖1b)，地層微電阻率掃描成像 (FMI)為暗色厚層狀，反映溶孔發(fā)育;礁基、礁核在電測曲線上表現(xiàn)為低伽馬、極高電阻，自然伽馬表現(xiàn)為平直的低值特征 (見圖1b)，指示礁灰?guī)r整體巖性較純，F(xiàn)MI為亮色塊狀特征。

3 成巖作用

長興組儲層成巖作用類型主要有白云石化作用、壓實(shí)壓溶作用、膠結(jié) (充填)作用、溶蝕作用、構(gòu)造破裂作用等。

3.1 白云石化

統(tǒng)計研究區(qū)12口鉆井部分白云石樣品的碳氧穩(wěn)定同位素分析結(jié)果 (見表2)，總結(jié)其碳氧穩(wěn)定同位素組成特征。

表2 元壩地區(qū)長興組白云石碳氧穩(wěn)定同位素部分樣品分析結(jié)果統(tǒng)計Table 2 Carbon and oxygen isotopic analysis of dolomites in the Changxing Formation in Yuanba area

從表2中可以看出:

①長興組白云石的δ13C值普遍較高，δ13C值均為正值，平均值3.95‰，主要在3‰～5‰?yún)^(qū)間;長興組正常海相微晶灰?guī)r的δ13C值在2.35‰～4.22‰，平均值3.52‰。白云石的δ13C值與同時期的正常海相灰?guī)r背景值較為接近或略高，揭示了白云石的碳來源于長興組時期的正常 (或高鹽度)海水，或者來源于長興組海相碳酸鹽巖地層本身。

②長興組白云石的δ18O值總體較高，δ18O平均值-5.19‰，多數(shù)為-3.32‰～5.82‰;正?；?guī)r的δ18O平均值為-5.68‰，多數(shù)為-4.79‰～6.30‰。白云石δ18O值與同時期的正?；?guī)r背景值非常接近，說明白云石形成與正常海水、高鹽度海水有關(guān)。對白云石的δ18O值進(jìn)行成巖溫度計算，形成溫度在29.4～41.8℃范圍內(nèi)，說明白云石形成溫度不高，白云石化發(fā)生在地表或者非常淺的埋藏環(huán)境中。長興組白云巖的碳、氧同位素分析結(jié)果Z值計算，值在128.5～136.0之間，且均大于120，說明成巖流體為海水或與海水性質(zhì)相似的地層水。

③不同類型白云石的δ18O值略有差異，呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。微晶白云石為主的樣品δ18O值最高，其次為粉—細(xì)晶它形臟白云石為主的樣品，而粉—細(xì)晶自形白云石為主的樣品δ18O值最低。這一結(jié)果表明微晶白云石是在蒸發(fā)條件下鹽度更高的環(huán)境中形成;粉—細(xì)晶它形臟白云石、粉—細(xì)晶自形白云石在鹽度正?；蚵愿叩沫h(huán)境中形成，是沉積埋藏過程中連續(xù)白云石化作用造成的。

研究區(qū)長興組白云石是在正常海水、濃縮海水環(huán)境 (或與正常海水相似的地層水環(huán)境)中形成的，形成后遭受過熱液地質(zhì)作用的改造［6～8］。長興組的白云石化系埋藏成巖環(huán)境下，在成巖壓實(shí)過程中，沉積物中富鎂流體向周邊或上覆沉積物運(yùn)移，從而引起碳酸鈣沉積物發(fā)生白云石化，其中包括白云石的交代和白云石的重結(jié)晶作用，形成晶粒較粗的白云巖 (見圖2)。因此，粉—細(xì)晶自形白云石是成巖早期淺埋藏狀態(tài)下地層水白云石化作用的產(chǎn)物，粉—中晶級它形臟白云石是同生期回流滲透白云石化作用的產(chǎn)物，異形白云石是成巖晚期熱液白云石化作用的產(chǎn)物，微晶白云石主要是同生期蒸發(fā)泵白云石化作用的產(chǎn)物。

圖2 長興組埋藏白云石化作用模式Fig.2 Schematic diagram showing the burial dolomitization in the Changxing Formation

3.2 壓實(shí)壓溶作用

壓實(shí)壓溶作用以各種類型的縫合線為典型標(biāo)志 (見圖3):微縫合線于壓實(shí)壓溶初期形成，往往不規(guī)則密集發(fā)育分布，與部分白云石化斑塊的發(fā)育有密切關(guān)系;平行層面縫合線是通常見到的縫合線，主要與上覆靜壓力作用下的壓溶作用相聯(lián)系;斜交或垂直層面縫合線與構(gòu)造應(yīng)力作用下的壓溶作用相聯(lián)系。壓溶縫合線的起伏幅度可大可小，差別較大?？p合線內(nèi)可為泥質(zhì)，也可為有機(jī)質(zhì) (瀝青)，還可以是兩者一起賦存。

3.3 膠結(jié) (充填)作用

膠結(jié)物成分有方解石、白云石、瀝青、石英、石膏，以白云石為主，瀝青及方解石次之，石英、石膏、黃鐵礦很少。

圖3 壓實(shí)壓溶作用特征Fig.3 Microphotograph and core photo showing mechanical compaction and pressure dissolution

研究區(qū)膠結(jié)作用主要分為4期。第1期為海底膠結(jié)作用。第2、第3期膠結(jié)作用發(fā)生于淺—中埋藏階段，屬中成巖膠結(jié)作用。第2期膠結(jié)作用是在烴類進(jìn)入之前或同時，形成半自形粒狀白云石或方解石晶體充填溶孔、溶洞及裂縫，晶體表面常有瀝青膜 (見圖4a);第3期膠結(jié)作用表現(xiàn)為瀝青充填晶間孔、晶間溶孔及粒間溶孔 (見圖4b)。第4期膠結(jié)作用表現(xiàn)為粗—巨晶方解石、白云石充填溶孔、裂隙 (圖4c、4d)，大多晚于瀝青侵位，形成于氣烴階段，晚期的方解石充填是儲層喪失各類孔隙的主要原因，其分布表現(xiàn)出較明顯的非均質(zhì)性。

3.4 溶蝕作用

巖心及薄片觀察表明，研究區(qū)長興組溶蝕作用較為發(fā)育，主要劃分為3期和2種類型:

第1期準(zhǔn)同生—同生期大氣水溶蝕作用，主要表現(xiàn)在部分生屑或砂屑顆粒具粒內(nèi)溶孔、鑄模溶孔，溶蝕作用較弱 (見圖5)。

第2期早成巖晚期—中成巖中期埋藏溶蝕作用在本區(qū)較普遍，以白云石晶間孔、晶間溶孔發(fā)育為特征，普遍具瀝青充注，溶蝕作用較強(qiáng) (見圖6)。

第3期晚成巖期埋藏溶蝕作用以溶蝕孔洞發(fā)育、沿縫溶蝕、裂縫或縫洞方解石溶蝕、具粒狀亮晶自形白云石生長、缺乏瀝青充填物為特征，是液態(tài)石油進(jìn)入并裂解成天然氣后形成(見圖6)。

第2期和第3期進(jìn)一步溶蝕，局部溶蝕擴(kuò)大孔洞并被氣烴充注，形成了較多的有效儲集空間，是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的關(guān)鍵。

3.5 破裂作用

巖心及薄片觀察揭示，區(qū)內(nèi)大部分井長興組均發(fā)育有破裂作用和裂縫，見1期成巖縫洞和3期構(gòu)造裂縫 (見圖7)，破裂作用及裂縫發(fā)育特征如下:

圖4 長興組儲層充填膠結(jié)作用Fig.4 Microphotograph showing diagenetic cementation in the Changxing Formation

5 大氣水溶蝕作用特征Fig.5 Microphotograph showing meteoric dissolution

①成巖縫洞:與失水收縮作用有關(guān)，裂縫或縫洞具有不規(guī)則、延伸短、無組系、方解石完全充填的特征，可被縫合線及白云石化作用改造。

②第1期構(gòu)造裂縫:可能與印支期構(gòu)造應(yīng)力作用有關(guān)，裂縫往往以高角度斜交層面發(fā)育、縫壁較平直、平行或雁列式排列展布、方解石完全充填為特征，可被縫合線切割改造，限定了它是第1期破裂作用的產(chǎn)物。

圖6 長興組儲層兩期溶蝕作用特征 (左為中期，右為晚期;10倍，單偏光)Fig.6 Microphotograph showing two-stage dissolution occurred in the Changxing Formation

圖7 元壩地區(qū)長興組巖心的多期構(gòu)造裂縫Fig.7 Core photo showing multi-history tectonic-related fracture

③第2期構(gòu)造裂縫:可能與燕山期構(gòu)造應(yīng)力作用有關(guān)，裂縫以高角度斜交層面或不規(guī)則展布、裂縫面較平直、延伸較遠(yuǎn)。裂縫寬度變化較大，細(xì)裂縫內(nèi)為方解石完全充填，寬裂縫內(nèi)可為碳酸鹽巖角礫及方解石充填。裂縫明顯切割改造縫合線、改造有機(jī)質(zhì)侵染斑塊，限定了它是第2期構(gòu)造裂縫，形成于壓溶縫合線及液態(tài)烴類進(jìn)入之后。

④第3期構(gòu)造裂縫:與喜馬拉雅期構(gòu)造應(yīng)力作用有關(guān)，裂縫以高角度斜交或垂直層面，裂縫面平直，平行排列展布，延伸遠(yuǎn)，寬度小，未充填，可切割改造第2期構(gòu)造裂縫方解石。

4 優(yōu)質(zhì)儲層形成機(jī)制

元壩地區(qū)長興組優(yōu)質(zhì)儲層是在多因素綜合作用和配置情況下形成的，發(fā)育的基礎(chǔ)是有利沉積相控制有利的儲層巖石組合類型與展布，具有建設(shè)性成巖作用的白云石化進(jìn)一步提高巖石孔隙度，構(gòu)造活動形成多期裂縫提高了儲層滲流性能。

4.1 有利沉積微相

有利沉積相是控制儲層的基本要素，在平面上控制了儲層的發(fā)育范圍。對19口鉆井取心資料統(tǒng)計分析表明，臺地邊緣生物礁、灘相是儲層發(fā)育最有利相帶 (見圖8)。

圖8 元壩地區(qū)長興組不同相帶儲層物征對比Fig.8 Histogram showing depositional facies and the variation of porosity

從礁相的發(fā)育特征看，縱向上可分為礁基-礁核-礁蓋和礁核-礁蓋兩類成礁旋回 (見圖9);從沉積微相與儲層物性的關(guān)系來看，優(yōu)質(zhì)儲層主要發(fā)育于礁蓋，礁蓋的平均孔隙度為5.2%(見表3)。平面上優(yōu)質(zhì)儲層主要分布于礁頂，其次是礁后。礁前鉆遇儲層平均厚度33.3 m，Ⅰ+Ⅱ類儲層11.3 m;礁頂鉆遇儲層平均厚度87.4 m，Ⅰ+Ⅱ類儲層44.9 m;礁后鉆遇儲層平均厚度47.4 m，Ⅰ+Ⅱ類儲層16.1 m。

圖9 長興組生物礁沉積模式Fig.9 Schematic diagram showing carbonate reef deposition occurred in the Changxing Formation

表3 生物礁不同位置鉆遇儲層參數(shù)統(tǒng)計Table 3 Parameters of the reservoirs in different locations of carbonate reef

緩坡和臺地邊緣與礁共生的碳酸鹽巖顆粒灘是最有利的儲層沉積相，其中的灘核厚度大、物性好，為儲層最有利微相，灘緣儲層逐漸變薄，灘間儲層不發(fā)育。

優(yōu)質(zhì)儲層之所以發(fā)育在臺地邊緣礁灘相中，是因?yàn)榕_地邊緣礁灘的水動力條件強(qiáng)，有利于形成規(guī)模性的抗浪生物骨架巖 (礁)和貧灰泥的碳酸鹽巖顆粒灘，其原生孔隙發(fā)育，形成了天然的優(yōu)質(zhì)儲層。同時其沉積表面水體相對較淺，頻繁的海平面升降，導(dǎo)致頂部短時間受到大氣淡水的溶蝕，形成較多的溶蝕孔，而且為埋藏期成巖過程中白云石化及溶蝕作用奠定了基礎(chǔ)。

4.2 建設(shè)性成巖作用進(jìn)一步改善儲層品質(zhì)

建設(shè)性成巖作用會進(jìn)一步提高巖石孔隙度。具有建設(shè)性的成巖作用主要為白云石化作用，構(gòu)造活動形成多期裂縫提高了儲層滲流性能。儲層發(fā)育的好壞，還受成巖作用的強(qiáng)烈程度制約。YB2井長興組巖心分析表明，儲層物性的好壞與白云石化程度密切相關(guān)。當(dāng)白云石含量大于90%時，樣品的孔隙度大于5%，儲層為Ⅰ、Ⅱ類;當(dāng)白云石含量小于80%時，樣品的孔隙度在4%以下，儲層品質(zhì)較差［12］。溶孔生屑白云巖、殘余生屑白云巖平均孔隙度較高，其次為結(jié)晶白云巖。

準(zhǔn)同生成巖階段未固結(jié)或半固結(jié)的巖石遭受早期暴露溶蝕，形成了一些選擇性孔隙，盡管被后期充填膠結(jié)得很完全，但還是容易遭受晚期的溶蝕，有利于大量溶孔的形成。隨著埋深、溫度、壓力的增高，在構(gòu)造活動和有機(jī)質(zhì)成熟時釋放的大量有機(jī)酸等熱液的影響下，巖石發(fā)生了大規(guī)模新生變形作用和溶解作用。雖然晚期成巖階段也有白云石、方解石對少量孔隙、裂縫空間的充填作用，造成了儲層儲集性被破壞，但是這種破壞性的作用遠(yuǎn)小于溶解作用和新生變形作用對儲層儲集性能的改造。

4.3 構(gòu)造破裂作用改善了儲層的滲透能力和連通性

構(gòu)造破裂形成的裂縫對儲集空間及滲透性的改善起到明顯的作用，主要有兩方面:一方面，油氣或有機(jī)酸等流體以儲層裂縫作為運(yùn)移通道，對儲層中白云石、方解石進(jìn)行溶蝕，增加了儲集空間，改善了滲透性;另一方面，儲層以微、細(xì)喉道為主，由于裂縫的溝通，形成了統(tǒng)一的孔、洞、縫系統(tǒng)，使其滲透性得到明顯改善。

5 結(jié)論

長興組優(yōu)質(zhì)儲層的形成機(jī)制與沉積微相、成巖作用、構(gòu)造活動等密切相關(guān)。優(yōu)質(zhì)儲層主要發(fā)育于礁蓋，平面上優(yōu)質(zhì)儲層主要分布于礁頂，其次是礁后;對儲層發(fā)育具有建設(shè)性的成巖作用主要為白云石化作用和溶蝕 (大氣水、埋藏)作用，液態(tài)烴充注和破裂也起到積極作用;構(gòu)造破壞性成巖作用形成的裂縫可明顯改善儲集空間及滲透性。

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