葉禹 ，李峰峰，宋新民，郭睿

（1. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2. 中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

0 引言

泥質(zhì)碳酸鹽巖沉積水體能量較低，包括深水環(huán)境和局限環(huán)境，巖石類型泛指泥灰?guī)r、含粒泥灰?guī)r、粒泥灰?guī)r和泥粒灰?guī)r，填隙物為灰泥或泥晶。中東地區(qū)油氣多產(chǎn)自白堊系高能的礁灘相，泥質(zhì)碳酸鹽巖儲集層受到的關(guān)注較少，油田開發(fā)中通常將其作為隔夾層或差儲集層[1-4]。然而，巨厚層泥質(zhì)碳酸鹽巖中蘊含規(guī)?？捎^的儲量，可作為油田開發(fā)上產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)的重要支撐資源，在伊拉克東南部已有油田開發(fā)泥質(zhì)碳酸鹽巖儲集層。中東白堊紀(jì)處于溫暖濕潤的熱帶氣候，生物群落繁多，沉積地層中生物擾動現(xiàn)象普遍。生物擾動指生物對其周圍沉積顆粒所進行攪動、混合和破壞形成的沉積構(gòu)造，包括可以鑒定和無法鑒定的潛穴、鉆孔、足跡和遺跡等[5]。早期研究對生物擾動取得了眾多突破性認識：生物擾動發(fā)育環(huán)境寬泛，風(fēng)暴沉積中亦可見[6-9]，但在低能環(huán)境中最為發(fā)育；生物潛穴和基底具有雙重物性，兩者滲透級差最大超兩個數(shù)量級[10]，通常情況下，生物擾動與儲集層物性呈正相關(guān)，生物擾動越強烈，儲集層物性越好[11-12]；對儲集層物性的影響取決于生物作用方式和潛穴充填物[13-14]。此外，基底與潛穴的滲透率級差、潛穴連通程度和密度等也影響儲集層物性[15]；溶蝕作用可顯著提高潛穴滲透率[14]，白云石化形成大量的晶間孔，滲透率可提高2～4個數(shù)量級[16]；連通的潛穴可形成高滲透條帶，注水開發(fā)中造成無效水循環(huán)[15]。然而，針對生物擾動作用，仍存在以下問題認識不清：①生物對泥質(zhì)碳酸鹽巖的改造方式；②生物擾動與準(zhǔn)同生溶蝕耦合作用機理；③潛穴中白云石化作用模式及演化；④生物擾動對泥質(zhì)碳酸鹽巖物性的主控因素。本文以伊拉克東南部A油田、H油田、M油田、W油田和R油田白堊系為例，探討生物擾動與成巖作用耦合對泥質(zhì)碳酸鹽巖的改造機制。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)位于美索不達米亞盆地構(gòu)造前緣帶，是中東地區(qū)重要的產(chǎn)油氣區(qū)（見圖1）。研究區(qū)白堊系巖心上生物擾動現(xiàn)象普遍發(fā)育，尤其在中白堊統(tǒng)Mishrif組和上白堊統(tǒng) Khasib組。Mishrif組為淺水碳酸鹽臺地環(huán)境沉積[17]，早期以開闊淺海為主，隨著全球海平面的下降，逐漸演化為臺地邊緣，沉積的厚層厚殼蛤礁灘體阻礙了水體的正常循環(huán)，在Mishrif組沉積晚期，伊拉克東南部以局限海環(huán)境為主[18]。Khasib組沉積期整體處于全球海平面上升時期，巖石泥質(zhì)含量較高。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置和美索不達米亞盆地白堊系地層柱狀圖

本文研究基于5個油田15口典型取心井資料，巖心累計長度2 403.39 m，取樣頻率1～8個/m，包含了1 085塊鑄體薄片和4 848塊物性分析樣品?；谶z跡學(xué)、巖石學(xué)、沉積學(xué)和層序地層學(xué)地質(zhì)理論，通過巖心與薄片相結(jié)合，準(zhǔn)確識別生物擾動構(gòu)造，對比擾動區(qū)與非擾動區(qū)巖石物理特征，恢復(fù)潛穴中成巖演化，探究生物擾動對巖石物性的改造機制。

2 生物擾動特征

2.1 潛穴特征及強度

中東地區(qū) 白 堊系生物擾動主要發(fā)育在 潟 湖、灘間、中緩坡、外緩坡和深水盆地等。生物通常建造規(guī)律性的分枝狀或圓柱形潛穴，垂向上與沉積界面相連，可呈密集的離散狀、間隔很寬的離散狀及強烈擾動的厚層狀等[19-20]，未被生物擾動、保留了原始沉積結(jié)構(gòu)的巖層稱為基底。中東地區(qū)白堊系潛穴產(chǎn)狀多樣，巖心上，基底呈灰白色或黃白色致密狀，而潛穴通常呈深褐色、棕色或深灰色（見圖 2）。根據(jù)潛穴產(chǎn)狀分為斑點狀、斑塊狀、粗枝狀、脈絡(luò)狀、迷宮狀和厚層狀。斑點狀和斑塊狀潛穴孤立分布，與基底的界限清晰；粗枝狀和脈絡(luò)狀潛穴呈點狀接觸，具有一定連通性；迷宮狀潛穴的連通程度較高，與基底的界限不明顯；厚層狀潛穴輪廓模糊，基底特征被覆蓋，厚層狀擾動主要是潛穴發(fā)生強烈溶蝕所致。斑點狀、斑塊狀特征指示了水體深度較大，生物種群密度小或生物的活躍度低，海侵體系域上部和高位體系域下部最為發(fā)育；粗支狀、脈絡(luò)狀和迷宮狀指示水體深度較淺，生物種群密度較大，且生物活躍度較高，通常發(fā)育在海平面下降時期，而厚層狀通常反映了地層暴露溶蝕，主要分布在低位體系域。

圖2 生物擾動巖心特征

2.2 潛穴充填物

潛穴充填物包含 4大類：①顆粒組分，與基底同時期形成，基底呈泥粒結(jié)構(gòu)，砂屑充填物呈顆粒支撐結(jié)構(gòu)（見圖3a）。②同生碎屑，指潛穴形成過程中或廢棄后，潛穴再次充填的沉積物，包括以下幾類：含生物碎屑泥灰?guī)r，與基底類似，潛穴邊界模糊（見圖3b）；粒泥灰?guī)r，與基底區(qū)別明顯，潛穴邊界清晰，生物碎屑以似球粒和底棲有孔蟲類為主（見圖3c）；泥?；?guī)r，潛穴中生物碎屑發(fā)生溶蝕，形成次生溶孔（見圖3d）；孔隙可被再次充填，生物碎屑包括底棲有孔蟲、似球粒、雙殼類和少量棘皮類（見圖3e）；顆?；?guī)r，潛穴呈亮晶支撐結(jié)構(gòu)，生物碎屑被方解石致密充填（見圖3f）。③方解石，成巖作用的產(chǎn)物，可將整個潛穴致密充填，或在潛穴中部殘留孔隙（見圖3g）。④白云石，成巖作用的產(chǎn)物，根據(jù)白云石的粒徑和晶形可分為 3類：微晶白云石，通常呈離散狀分布于潛穴中（見圖3h）；細晶—中晶白云石，晶體自形程度較高，可見交代殘留的生物碎屑或灰泥（見圖3i），灰泥或生物碎屑組分可被溶蝕，與未被溶蝕區(qū)域形成明顯對比（見圖 3j）；半自形鑲嵌狀白云石，白云石呈線狀接觸，晶間孔減少（見圖3k），或白云石完全占據(jù)晶間孔隙（見圖3l）?？傮w而言，只有當(dāng)潛穴中充填了顆粒組分、粗粒同生碎屑和細晶—中晶自形白云石等，生物擾動才對巖石物性具有建設(shè)性作用。

圖3 生物潛穴中充填物照片

3 生物改造方式

生物通過倒置、壓縮、混合、挖掘、回填沉積物、再礦化、化學(xué)蝕變等多種方式，改變原始沉積物的組分和結(jié)構(gòu)，一般潛穴充填物比圍巖更加疏松，成巖流體的運移更加方便[21-22]。泥質(zhì)碳酸鹽巖中存在離散的、管狀的、粗顆粒填充的潛穴，在淺海和滲流帶中經(jīng)過溶蝕可形成大孔隙，顯著提高巖層有效滲透率[21]。如M油田 潟 湖相中，未擾動巖層的孔隙度平均值為6.0%，滲透率平均值為0.3×10-3μm2，被擾動巖層的孔隙度平均值為12.8%，滲透率平均值為3.1×10-3μm2，巖心上生物潛穴含油級別較高?？傮w上，生物擾動改善巖石物性主要通過 3種方式：①生物機械改造地層，使巖石結(jié)構(gòu)變得松散，提高巖石的滲流性能；②生物潛穴回填粗粒碎屑，并發(fā)生溶蝕作用；③生物潛穴發(fā)生化學(xué)蝕變、白云石化作用形成晶間孔隙。

3.1 生物機械改造

生物改造巖屑、礦物顆粒和有機質(zhì)，從而改變沉積物的原始物理結(jié)構(gòu)[23]。泥質(zhì)沉積物經(jīng)歷弱壓實后呈現(xiàn)致密狀，孔喉較小，流體難以滲入。生物活動破壞了基底的致密結(jié)構(gòu)，潛穴沉積物變得松散，滲透性得到改善，粒間填隙物會遭受水體沖刷，并逐漸形成粒間孔。潛穴中的充填物與基底是同期沉積的，后期水體物理沖刷使其與基底具有不同的結(jié)構(gòu)。在 A油田Khasib組中，基底為泥質(zhì)生物碎屑砂屑灰?guī)r，呈淺白色致密狀，肉眼難見到孔隙（見圖4a—見圖4c），基底滲透率小于1×10-3μm2，潛穴與基底結(jié)構(gòu)不同，兩者界面明顯（見圖4d），潛穴中結(jié)構(gòu)疏松，顆粒比較潔凈，發(fā)育粒間孔隙，滲透率為（10～100）×10-3μm2（見圖 4e）。

圖4 中東A油田A-12-8井Khasib組2 665.40 m井深鑄體薄片照片及素描示意圖

3.2 生物潛穴回填

潛穴若充填了粗粒碎屑，則與基底具有雙重滲透率，兩者滲透率級差可達 8個數(shù)量級，潛穴便成為了流體滲透到沉積物的重要途徑[12,14-15,24]。在碳酸鹽沉積物-水界面以下幾厘米范圍內(nèi)，潛穴中可發(fā)生溶解、沉淀及孔隙水化學(xué)性質(zhì)變化[24]。充填物被溶蝕后物性大幅提高，從而增大了與基底的滲透率級差。但是，潛穴中的孔隙在大氣淡水潛流帶或埋藏成巖環(huán)境會發(fā)生膠結(jié)充填。如M油田Mishrif組，基底為含生物碎屑泥灰?guī)r（見圖 5a—圖 5c），充填物為亮晶生物碎屑灰?guī)r，生物碎屑包括底棲有孔蟲、雙殼類、厚殼蛤碎片、棘皮類和藻類，還含有少量的似球粒（見圖5d），生物碎屑溶蝕后又發(fā)生強烈的膠結(jié)作用，孔隙被再次充填呈致密狀（見圖5e），肉眼難以觀察到孔隙。

圖5 中東M油田M-46井2 937.65 m井深Mishrif組鑄體薄片照片及素描示意圖

3.3 生物潛穴化學(xué)蝕變

潛穴中化學(xué)蝕變通常為白云石化作用，細粒充填物和生物新陳代謝產(chǎn)生的有機質(zhì)均可促進白云石化作用，細粒物質(zhì)增加了與白云化流體接觸作用的表面積，并在給定體積內(nèi)提供更多的結(jié)晶核[25]。由于白云石比方解石體積小，等物質(zhì)的量的白云石交代方解石后會產(chǎn)生大量的晶間孔[26]?；夷嗤煌杆镌谀噘|(zhì)碳酸鹽巖掘穴，溝通海水和基底，成巖作用會首先改造潛穴，并影響潛穴附近的基底[25,27]。白云石化作用從潛穴向基底發(fā)生，基底中的白云石與潛穴中晶體相似[25]。在M油田白堊系Mishrif組，潛穴是以自形細晶白云石為主，可見交代后的殘余生物碎屑，晶體比較污濁，粒徑大小為10～50 μm，晶間孔連通性較好（見圖 6a—圖 6c）。潛穴暈為潛穴與基底之間的過渡區(qū)，寬度可達1 500 μm，白云石粒徑較小，以基質(zhì)微孔為主。潛穴暈的微孔是由于結(jié)構(gòu)松散，潛穴中流體擴溶所致。隨著遠離潛穴，微孔和白云石的發(fā)育程度逐漸降低至消失（見圖6d）?；诪槟嗷?guī)r，肉眼難以觀察到孔隙，偶含介形蟲和底棲有孔蟲等生物碎屑（見圖6e）。

圖6 中東M油田M-46井2 868.78 m 深度Mishrif組鑄體薄片照片及素描示意圖

總體來看，除生物機械改造外，潛穴被回填和化學(xué)蝕變均與成巖作用密切相關(guān)。潛穴回填后發(fā)生溶蝕作用，而化學(xué)蝕變主要為白云石化作用。在生物擾動現(xiàn)象普遍發(fā)育的地層中，可見選擇性溶蝕形成的鑄模孔（見圖 7a），非選擇性溶蝕形成的溶蝕孔洞（見圖7b），還可見示頂?shù)拙w粉砂（見圖 7c），均指示了暴露淋濾和滲流的成巖環(huán)境[28]。伊拉克南部在白堊紀(jì)構(gòu)造穩(wěn)定，地層中斷裂不甚發(fā)育，埋藏環(huán)境難以發(fā)生大規(guī)模溶蝕，強烈的溶蝕作用主要發(fā)生在早成巖階段。白云石化作用從準(zhǔn)同生期到埋藏期均有發(fā)育，薄片中可見縫合線、粗晶含鐵方解石等埋藏成巖環(huán)境指示標(biāo)志，且縫合線中發(fā)育細晶白云石（見圖7d），粗晶含鐵方解石將潛穴致密充填（見圖7e），潛穴中粗晶含鐵方解石與白云石共存（見圖7f），均顯示潛穴中主要發(fā)生埋藏白云石化。

圖7 美索不達米亞盆地白堊系Mishrif組成巖環(huán)境判斷標(biāo)志照片

4 潛穴回填與溶蝕作用

4.1 生物擾動與準(zhǔn)同生溶蝕耦合類型

潛穴中富含的有機質(zhì)氧化產(chǎn)生 CO2與水反應(yīng)形成弱酸性環(huán)境，在早成巖環(huán)境中可促進充填物溶蝕，潛穴溶蝕后可進一步拓寬，使其具有比基底更高的滲透率[25]。米級旋回對沉積作用及早成巖環(huán)境具有重要的影響，為探究早成巖環(huán)境下生物擾動與溶蝕作用的耦合關(guān)系，以H油田Mishrif組MB1段為例開展研究。MB1段以潟湖為主，根據(jù)巖性變化和組合特征，識別出50個米級旋回，旋回地層厚度為0.35～4.10 m，平均值為2.00 m（見圖8）。根據(jù)溶蝕強度、擾動程度及潛穴分布產(chǎn)狀等因素，將生物擾動和溶蝕作用耦合關(guān)系劃分為7種類型。

圖8 H油田M316井Mishrif組MB1段生物擾動與溶蝕作用關(guān)系

Ⅰ類，整個旋回均遭受強烈溶蝕，以生物碎屑泥晶灰?guī)r為主，厚度為0.6～2.2 m，平均值為1.34 m，累計厚度為8.05 m。旋回底部偶含生物碎屑泥晶灰?guī)r，巖心呈深棕褐色，潛穴輪廓模糊（見圖9a）。Ⅰ類耦合關(guān)系主要受海平面 幅 度影響。 潟 湖較低的沉積速率為生物提供了充足的擾動時間，潛穴密度大且互相連通，充填粗粒碎屑后潛穴滲透率顯著提高，海平面大幅下降，地層處于大氣淡水環(huán)境，潛穴發(fā)生強烈溶蝕，規(guī)模不斷擴大。

Ⅱ類，整個旋回發(fā)生弱溶蝕，以生物碎屑泥晶灰?guī)r和含生物碎屑泥晶灰?guī)r為主，厚度為1.12～2.00 m，平均值為1.58 m，累計厚度為4.75 m。潛穴發(fā)生擴溶，規(guī)模擴大，但潛穴邊界依舊可以識別（見圖9b）。Ⅱ類耦合關(guān)系主要受海平面下降幅度影響。生物擾動比較充分，潛穴密度較大，海平面下降幅度較小，地層依舊處于海水成巖環(huán)境，溶蝕作用較弱。

Ⅲ類，米級旋回上段溶蝕強烈，下段弱溶蝕。旋回上段以泥晶生物碎屑灰?guī)r和生物碎屑泥晶灰?guī)r為主，厚度為0.25～1.15 m，平均值為0.73 m，累計厚度為2.20 m，潛穴邊界不易識別，下段以生物碎屑泥晶灰?guī)r為主，厚度為0.18～1.00 m，平均值為0.56 m，累計厚度為1.68 m，潛穴邊界清晰（見圖9c）。Ⅲ類耦合關(guān)系受控于海平面下降幅度和地層厚度。整個旋回的潛穴連通性較好，海平面下降幅度較小，僅地層頂部遭受大氣淡水淋濾，而旋回底部依舊處于海水成巖環(huán)境，溶蝕作用較弱。地層厚度越大，弱溶蝕帶范圍越大。

Ⅳ類，米級旋回上段弱溶蝕，下段未溶蝕。弱溶蝕段主要為生物碎屑泥晶灰?guī)r，厚度為0.2～2.3 m，平均值為1.1 m，累計厚度為3.32 m，潛穴邊界模糊，但依舊可以識別，未溶蝕段主要為泥晶灰?guī)r，厚度為0.35～1.00 m，平均值為0.62 m，累計厚度為1.85 m，潛穴保存完整，孤立分布（見圖9d）。Ⅳ類耦合關(guān)系受海平面下降幅度、擾動強度和巖石類型控制。地層上部潛穴連通性較好，且顆粒組分含量高于下部，海平面下降的幅度較小，海水成巖環(huán)境中溶蝕作用較弱。地層底部潛穴不連通，溶蝕作用難以發(fā)生。

Ⅴ類，米級旋回上段溶蝕強烈，下段未溶蝕。Ⅴ類在MB1段最為發(fā)育，溶蝕段厚度為0.25～3.60 m，平均值為1.19 m，累計厚度達32.10 m，以生物碎屑泥晶灰?guī)r和泥晶生物碎屑灰?guī)r為主，局部為含生物碎屑泥晶灰?guī)r，生物潛穴不易識別。未溶蝕段厚度為0.10～2.30 m，平均值為0.56 m，累計厚度達15.16 m，以泥晶灰?guī)r為主，局部為含生物碎屑泥晶灰?guī)r，潛穴多為斑點狀或斑塊狀。溶蝕段與未溶蝕段呈突變關(guān)系，兩者界限明顯（見圖 9e）。該類型主要受控于海平面下降幅度、巖石類型和生物擾動強度。旋回上部顆粒組分含量較高，大氣淡水環(huán)境下可發(fā)生強烈溶蝕，旋回底部潛穴連通性較差，且?guī)r石泥質(zhì)組分含量較高，成巖流體無法滲入，未遭受溶蝕。

Ⅵ類，米級旋回上段溶蝕強烈，厚度為1.4 m，下段未擾動，厚度為0.4 m，巖心上米級旋回自頂向底溶蝕強度減弱，未擾動帶以泥晶灰?guī)r為主，巖心呈白色致密狀（見圖 9f）。Ⅵ類耦合關(guān)系主要受水體深度影響，層序早期水體深度大，不利于底棲生物生存，地層未發(fā)生改造，旋回上部水體變淺，顆粒組分含量增多且潛穴發(fā)育，海平面下降發(fā)生溶蝕作用。

Ⅶ類，米級旋回地層上段溶蝕強烈，中間發(fā)育過渡帶，下段未溶蝕。強烈溶蝕段厚度為0.30～2.00 m，平均值為0.88 m，累計厚度為6.13 m，以生物碎屑泥晶灰?guī)r為主，局部為含生物碎屑泥晶灰?guī)r，生物潛穴不易識別。過渡帶厚度為0.35～0.95 m，平均值為0.54 m，累計厚度為3.78 m，主要為生物碎屑泥晶灰?guī)r，底部潛穴邊界易于識別，隨著溶蝕強度的增加，頂部潛穴邊界逐漸模糊。未溶蝕段厚度為0.45～0.90 m，平均值為0.64 m，累計厚度為4.50 m，主要為泥晶灰?guī)r，潛穴呈斑點狀或斑塊狀（見圖9g）。Ⅶ類耦合關(guān)系受海平面下降程度、潛穴連通程度及巖石類型控制。強烈溶蝕帶顆粒組分含量高，潛穴連通性好，大氣淡水環(huán)境下溶蝕強烈，過渡帶處于海水成巖環(huán)境，潛穴連通性較好，但溶蝕作用較弱，旋回下部潛穴不連通，且泥質(zhì)組分含量較高，難以發(fā)生溶蝕。

4.2 生物擾動與準(zhǔn)同生溶蝕耦合序列

基于以上研究，建立了生物擾動與溶蝕作用耦合序列（見圖10），米級旋回自上而下發(fā)育溶蝕帶、弱溶蝕帶、過渡帶、未溶蝕帶和未擾動帶，單期旋回可發(fā)育一個或多個帶。溶蝕帶厚度為 0.25～3.60 m，平均為1.17 m，通常位于米級旋回的頂部，顆粒含量較高，滲流性質(zhì)較好，海平面下降幅度決定了其是否處于大氣淡水環(huán)境，連通的潛穴回填粗粒碎屑促進溶蝕作用。弱溶蝕帶厚度為0.18～2.30 m，平均值為0.97 m，巖石類型與溶蝕帶類似，潛穴連通程度較高，流體溶蝕能力較弱，形成弱溶蝕帶，海平面下降幅度是其主控因素，地層通常處于海水成巖環(huán)境。過渡帶厚度為0.35～0.95 m，平均值為0.54 m，主要為生物碎屑泥晶灰?guī)r，位于米級旋回中部，上部通常發(fā)育溶蝕帶，過渡帶的發(fā)育受海平面下降幅度和潛穴連通程度控制，過渡帶通常處于海水成巖環(huán)境，上部溶蝕帶富 Ca2+流體向下運移，流體的溶蝕能力較弱，雖然潛穴連通性好，但溶蝕作用不明顯。未溶蝕帶厚度為0.10～2.30 m，平均值為0.54 m，主要發(fā)育于米級旋回底部，受巖石類型和潛穴連通程度控制，未溶蝕帶以泥晶灰?guī)r為主，滲透性較低，潛穴通常為孤立的斑點狀或斑塊狀，成巖流體難以滲入。未擾動帶受巖石類型和水體環(huán)境控制，水體較深，以泥晶灰?guī)r為主，且水體環(huán)境不利于底棲生物生存，地層未被生物潛穴改造，巖石保留了其原始致密結(jié)構(gòu)。

圖10 米級旋回控制下生物擾動與溶蝕作用耦合改造序列

綜上所述，生物擾動與溶蝕作用的耦合關(guān)系主要受巖石類型、海平面下降幅度、潛穴密度、充填物和水體環(huán)境控制。巖石顆粒組分含量越高，溶蝕作用對生物擾動的依賴性越低，潛穴僅促進了巖石的溶蝕作用。米級旋回頂部沉積速率高，生物擾動不充分，而在旋回底部巖石泥質(zhì)含量較高，潛穴密度和連通性較高。只有地層處于大氣淡水環(huán)境，溶蝕作用才強烈。潛穴密度和充填物決定了生物擾動是否有效性，只有潛穴互相連通且充填粗粒碎屑，潛穴才能作為成巖流體的運移通道，而水體環(huán)境控制了生物的種群密度和活動范圍。

5 潛穴化學(xué)蝕變與白云石化作用

5.1 潛穴有利于白云石化作用

潛穴為白云石化流體提供了運移通道，白云石化作用通常沿著潛穴軌跡發(fā)生[29]。潛穴中具備有利于發(fā)生白云石化的物質(zhì)條件、氧化還原條件、酸堿環(huán)境。

①物質(zhì)條件。潛穴中白云石化對Mg2+離子的需求量巨大，唯一能夠提供大量鎂離子來源的依然為海水[30-31]。海洋水中的鎂及有機質(zhì)中的金屬導(dǎo)致潛穴中陽離子富集，有助于白云石化[32]。裂縫或縫合線等連通潛穴與其他成巖系統(tǒng)，提供外來的Mg2+離子。除此之外，潛穴中硫酸鹽還原菌將Mg2+離子從MgSO4中釋放出來，提高了游離的Mg2+離子含量[33-34]。當(dāng)潛穴處于地表氧化帶時，有機質(zhì)氧化產(chǎn)生大量CO2，CO2發(fā)生水合作用形成H2CO3，脫質(zhì)子反應(yīng)可形成CO32-離子，有機碳被細菌礦化和pH值增加也有助于形成CO32-離子[34]。

②氧化還原條件。在氧化環(huán)境中，SO42-根離子綁定Mg2+離子，降低了Mg2+離子含量，抑制了白云石的沉淀[25]。白云石化傾向于在還原環(huán)境中發(fā)育，潛穴會形成還原性的微環(huán)境[25]。現(xiàn)代環(huán)境中，硫酸鹽還原細菌在近地表溫度下早期白云石沉淀中起著不可或缺的作用[34]，有機質(zhì)的存在會產(chǎn)生硫酸鹽還原細菌。潛穴中硫化物濃度升高[35]，硫酸鹽還原發(fā)生在潛穴內(nèi)或周緣[34]。

③酸堿環(huán)境。白云石化必要的地球化學(xué)條件包括去除 SO42-離子、提高 pH值、增加 CO32-離子、二價陽離子富集和化學(xué)擴散梯度，而潛穴的微環(huán)境恰好符合[36]。早成巖環(huán)境中，pH值的升高和 SO42-離子的降低是白云石沉淀的主要原因[32]。潛穴中富含的NH3與水反應(yīng)形成堿性環(huán)境，高pH值可提高HCO3-離子的活性，促進白云石的沉淀[25]。值得注意的是，有機碳的氧化（或礦化）也可導(dǎo)致潛穴堿性增加，pH值可以提高 2～5[34]。

5.2 潛穴白云石化演化模式

潛穴中白云石晶體形態(tài)多樣，白云石化作用具有連續(xù)和多階段特征[37]。綜合考慮沉積過程、氧化還原條件及成巖環(huán)境等建立了潛穴白云石化模式。適宜的溫度、壓力條件，充足的作用時間、適量的白云石化流體供應(yīng)及溶蝕作用有利于潛穴發(fā)育晶間孔隙[38]。

生物通常生存在有氧至輕度缺氧的環(huán)境中，在較深的缺氧海水中，海水能量、食物供給、水文和基底特征適宜的條件下也會發(fā)育[39]。潛穴開口處有機物氧化不利于白云石化。潛穴深處的有機質(zhì)粒度較細，滲透性較差，流體對其改造較弱而得以保存（見圖11a）。

圖11 潛穴中白云石化作用演化模式圖

潛穴上部有機質(zhì)分解后回填同生粗粒碎屑，滲透性改善。海水向潛穴提供大量Mg2+離子，還原環(huán)境中，微生物發(fā)酵產(chǎn)生的還原細菌促進白云石化作用，生物沉淀物可充當(dāng)結(jié)晶核[25,36]，形成微晶白云石（見圖11b），由于白云石化的反應(yīng)時間較短，白云石的粒徑較小，晶體自形程度較低，離散分布于潛穴泥晶中。

隨著沉積作用的持續(xù)，潛穴逐漸脫離沉積界面，處于封閉的淺埋藏環(huán)境，潛穴向還原環(huán)境過渡，海水中殘留的大量Mg2+離子供白云石化作用持續(xù)進行，微晶白云石含量不斷增加（見圖11c）。

隨著埋藏深度的增加，潛穴處于還原環(huán)境，壓實作用造成潛穴體積減小，地層溫度和壓力升高有利于白云石化作用。由于反應(yīng)時間比較充分，晶體自形程度較高，以細晶白云石為主，晶體粒徑為100～200 μm。鄰近潛穴的基底中也會有少量的白云石析出，形成潛穴暈，潛穴暈的白云石粒徑和含量均低于潛穴。該階段潛穴處于封閉的成巖體系，白云石化所需要的Mg2+依舊是早期殘留的海水。白云石等交代泥晶方解石，殘留的不飽和流體會溶蝕泥晶基質(zhì)，形成晶間溶孔。沉積界面處又將形成新的潛穴，經(jīng)歷相似的演化過程（見圖11d）。

埋藏環(huán)境中地層可形成裂縫，裂縫可連通外來流體，使?jié)撗ㄌ幱陂_放的成巖系統(tǒng)，不飽和流體會溶蝕殘留的泥質(zhì)組分[26]（見圖11e）。若溶蝕作用比較強烈，潛穴邊界、圍巖及裂縫均會發(fā)生擴溶[26]。

若白云石化所需要的物質(zhì)持續(xù)供給，灰質(zhì)成分被完全交代后，發(fā)生過白云石化。只要形成的白云石間有一定的滲透率，且有Mg2+供應(yīng)，就會發(fā)生新的白云石化[26]，Mg2+來源于混合地下水和早期的白云石[25]。白云石充填早期形成的晶間孔和晶間溶孔，由于生長空間不斷減小，晶體逐漸由自形—半自形、點線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)樗?、凹凸接觸[27]，晶體粒徑為 120～250 μm（見圖11f）。

6 生物改造巖石物性的主控因素

6.1 巖石類型

泥質(zhì)碳酸鹽巖顆粒組分含量越高，原始物性越好，成巖改造越容易[40-41]，對生物擾動的依賴性越低。巖石類型主要受沉積環(huán)境控制，海平面下降過程中，沉積水動力不斷增強，導(dǎo)致米級旋回的頂部顆粒組分含量較高，且易暴露于大氣淡水環(huán)境發(fā)生溶蝕。隨著旋回頂部沉積速率的增加，生物擾動程度也會降低。

6.2 潛穴密度和連通性

生物對泥質(zhì)碳酸鹽巖的改造受潛穴密度、潛穴連通性、充填物、潛穴結(jié)構(gòu)等因素控制[12,16]。沉積速率控制了生物的擾動強度，緩慢的沉積速率是形成連通潛穴的必要條件。單一生物同一時期對沉積物的擾動深度有限，厚層快速沉積一般比慢速沉積所含遺跡化石數(shù)量少，薄層沉積物中生物擾動比厚層沉積物相對要強，厚層的頂部幾厘米內(nèi)被廣泛地改造，而在巖層底部僅稍被改動[5]。對M油田生物擾動樣品統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：Ⅰ級斑狀擾動幾乎對巖石物性無影響，隨著擾動程度增強，儲集層微觀孔喉、物性和含油性越好，Ⅳ級厚層狀擾動對巖石物性的改造最顯著。此外，隨著擾動程度的增強，細晶白云石的發(fā)育比例增高，溶蝕作用也容易發(fā)生（見表 1）。潛穴密度對于垂直滲透率具有重要影響，當(dāng)潛穴密度達 50%時，垂直滲透率將會顯著增加[15]。潛穴密度越大，可供流體流動的介質(zhì)數(shù)量越多，越容易形成連續(xù)流動路徑，越有利于成巖改造。

表1 M油田與生物擾動相關(guān)的儲集層特征參數(shù)

6.3 充填物

當(dāng)潛穴中充填粗粒碎屑和細晶白云石后，潛穴物性會優(yōu)于基底，再疊加溶蝕作用，泥質(zhì)碳酸鹽巖的物性會大幅提高，這里不再贅述。廢棄的潛穴被充填后，其物性可能會與基底類似甚至差于基底。如灰泥可堵塞潛穴，使巖石整體物性變差[13-14,27]；鑲嵌狀方解石占據(jù)孔隙，限制流體的運移，導(dǎo)致生物擾動強度和巖石物性呈負相關(guān)[14,42]。除此之外，微晶白云石對潛穴物性影響較小，過白云石化及重結(jié)晶作用造成白云石堵塞孔隙和喉道，降低潛穴滲透率[26]。

6.4 潛穴結(jié)構(gòu)

生物潛穴與圍巖具有不同的迂曲度和分形特征，迂曲度是影響多孔介質(zhì)有效流動和傳輸特征的重要參數(shù)之一[43]。盡管生物擾動在米級別上相對均質(zhì)，但在分米級別上的非均質(zhì)對流體性質(zhì)和采收率具有重要影響[44]。潛穴或鉆孔等遺跡分布規(guī)律性較弱，且空間變化頻繁，如晴天環(huán)境下，生物種類多樣且多以覓食為主，層狀構(gòu)造發(fā)育明顯，分布廣泛，濱岸帶生物遺跡較少且以居住型生物為主，風(fēng)暴作用會限制生物種類的多樣性[34]。同種生物具有不同的活動軌跡、不同生物具有不同的潛穴樣式和習(xí)性、不同生物的潛穴互相疊加等因素，造成潛穴具有復(fù)雜的迂曲度和滲流特征。通常情況下，生物種類越多，潛穴迂曲度越大，流體滲流阻力會越大，潛穴的滲流性質(zhì)越差。

7 結(jié)論

生物通過機械改造、潛穴回填粗粒碎屑和化學(xué)蝕變 3種方式改造泥質(zhì)碳酸鹽巖，改造作用強度受巖石類型、潛穴密度和連通性、充填物和潛穴結(jié)構(gòu)等因素控制。沉積速率越低，生物擾動越充分，潛穴密度和連通性越高。潛穴充填顆粒組分且迂曲度越小，流體的滲流阻力越小，越有利于改善泥質(zhì)碳酸鹽巖物性。

準(zhǔn)同生期，生物擾動與溶蝕作用耦合改造巖石物性，改造作用強度受巖石類型、海平面下降幅度、潛穴密度、充填物和水體環(huán)境控制。隨著顆粒組分含量的升高，溶蝕作用對生物擾動的依賴性降低。米級旋回地層中，不同帶垂向上交替發(fā)育，盡管溶蝕帶和弱溶蝕帶的物性最好、含油性較高、累計厚度較大，但單層厚度較薄，非均質(zhì)性較強，開發(fā)難度較大。

埋藏期，生物擾動主要與白云石化作用耦合改造巖石物性，只有封閉環(huán)境下發(fā)生充分的等物質(zhì)的量交代，潛穴中才會發(fā)育晶間孔。但白云石化改造巖石物性的能力有限，且封閉的埋藏環(huán)境難以發(fā)生大規(guī)模溶蝕，而開放的埋藏環(huán)境通常會發(fā)生過白云石化作用，破壞早期形成的孔隙；因此，白云石化作用對泥質(zhì)碳酸鹽巖的影響有限，難以形成規(guī)模儲集層。