川中磨溪?dú)馓锛瘟杲M“土黃色”粉晶云巖成因及其儲集層形成機(jī)制

唐浩，譚秀成, ，劉宏，周彥，李凌，丁熊，唐青松，鄒娟

（1. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實驗室；2. 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；3. 中國石油西南油氣田公司川中油氣礦；4. 中國石油西南油氣田公司川西北氣礦）

0 引言

四川盆地下三疊統(tǒng)嘉陵江組大型氣藏發(fā)育一類獨(dú)特的“土黃色”粉晶云巖儲集層，近年來連續(xù)取得勘探發(fā)現(xiàn)，其白云巖成因和儲集層形成機(jī)制引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。白云巖成因一直是地學(xué)界的研究難點(diǎn)與熱點(diǎn)，前人提出了微生物[1]、薩布哈[2]、鹵水滲透回流[3]、混合水[4]、壓實驅(qū)動[5]、構(gòu)造擠壓[6]、地形補(bǔ)給[7]、熱對流[8]、熱液[9]等白云石化模式，以解釋不同古水文、成巖、構(gòu)造背景下的白云巖成因。目前，查明白云石化作用古水文背景[10]和利用地球化學(xué)方法示蹤白云石化流體[11]是研究白云巖成因的主要手段。關(guān)于四川盆地下三疊統(tǒng)嘉陵江組“土黃色”粉晶云巖成因，李愛國等[12]通過對川東北嘉陵江組儲集層的研究，發(fā)現(xiàn)“土黃色”粉晶云巖晶體粗大、自形程度高并經(jīng)歷大氣淡水溶蝕作用，認(rèn)為是混合水白云石化成因；劉宏等[13]通過對川西南嘉五段儲集層的研究，提出嘉陵江組沉積期強(qiáng)蒸發(fā)局限環(huán)境促發(fā)準(zhǔn)同生期白云石化導(dǎo)致“土黃色”粉晶云巖形成；王文之等[14]則根據(jù)川南丹鳳—塘河嘉陵江組巖心及鄰區(qū)地球化學(xué)資料，認(rèn)為“土黃色”粉晶云巖形成于成巖期埋藏白云石化作用；黃文明等[15]通過對川中磨溪嘉二段儲集層特征的研究，認(rèn)為混合水白云石化和滲透回流白云石化作用共同形成“土黃色”粉晶云巖。

目前對于四川盆地嘉陵江組“土黃色”粉晶云巖儲集層形成機(jī)制有不同認(rèn)識，集中反映在儲集層晶間溶孔成因上，如張本健等[16]基于川西南部嘉陵江組儲集層研究，認(rèn)為埋藏溶蝕是形成晶間溶孔的主要原因；丁熊等[17]通過對磨溪地區(qū)嘉二段儲集層研究，認(rèn)為同生期大氣淡水淋溶才是儲集層的主要形成機(jī)制。本文以盆地內(nèi)典型嘉陵江組（T1j）“土黃色”粉晶云巖儲集層——川中磨溪?dú)馓锛瘟杲M二段2亞段B層（T1j22B）為例，通過分析白云巖體的宏觀、微觀地質(zhì)特征，研究該類白云巖成因和儲集層形成機(jī)制。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

磨溪?dú)馓镂挥诖ㄖ泄怕≈行逼骄弾|部（見圖1），主體構(gòu)造屬樂山—龍女寺古隆起上的一個次級隆起[18-19]。區(qū)內(nèi)嘉陵江組發(fā)育完整，與上下地層呈整合接觸[20]。嘉陵江組自下而上分為5段，嘉二段（T1j2）為川中地區(qū)天然氣主力產(chǎn)層之一[21]。通過海水咸化旋回、相對海平面變化旋回、古氣候變化旋回沉積特征與成因分析，嘉二段可分為3個亞段，其中T1j22亞段可進(jìn)一步細(xì)分為A、B、C層3個小層[22]，“土黃色”粉晶云巖儲集層集中發(fā)育于T1j22B層中（見圖1）。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置、井位分布、連井剖面及T1j22B層地層剖面圖[23]

研究區(qū)早三疊世嘉陵江組沉積期處于上揚(yáng)子克拉通海盆中央的川中海域，受周緣古陸和水下隆起圍限，嘉二段沉積期發(fā)育局限—蒸發(fā)海臺地沉積[24]。其中T1j22B層 以發(fā)育蒸發(fā)潮坪和局限 潟 湖沉積為特征，根據(jù)巖性和沉積特征，可進(jìn)一步識別出坪洼、云坪、膏云坪、膏坪、砂屑灘、云質(zhì) 潟 湖等微相以及過渡類型[25]。

2 儲集層特征

2.1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)“土黃色”粉晶云巖呈土黃色、褐黃色中厚層—塊狀，膏質(zhì)團(tuán)塊、結(jié)核發(fā)育（見圖2a）。偏光顯微鏡及掃描電鏡下晶粒呈砂糖狀、半自形—自形，多具溶蝕邊（見圖2b），粒徑0.05～0.10 mm。

2.2 儲集空間類型

研究區(qū)“土黃色”粉晶云巖儲集空間類型以晶間溶孔（見圖2c、2d）和晶間孔（見圖2d、2e）為主，晶間孔由白云石晶粒相互支撐堆積形成，一般呈規(guī)則多邊形，孔徑0.01～0.03 mm，部分為連晶方解石、硬石膏膠結(jié)充填（見圖2b、2f），分布廣泛；晶間溶孔為晶間孔遭大氣淡水溶蝕擴(kuò)大形成，孔隙形態(tài)不規(guī)則，孔徑0.01～0.50 mm不等，多為具溶蝕邊的細(xì)小白云石碎屑和伊利石等溶蝕殘余物質(zhì)組成的滲流粉砂及自生石英所充填（見圖2c），部分為連晶方解石（見圖2b）和硬石膏膠結(jié)充填（見圖2f）。

圖2 “土黃色”粉晶云巖巖心照片與顯微照片

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)

孔隙間喉道以片狀為主（見圖2e），排驅(qū)壓力較低，為0.31～15.19 MPa，平均8.72 MPa；中值喉道半徑較大，為0.33～8.82 μm，平均2.94 μm；退汞效率較高，為9.06%～49.09%，平均28.83%。壓汞曲線表現(xiàn)為排驅(qū)壓力較低、中值壓力較低，呈凹型曲線形態(tài)特征（見圖3）。由此可見，T1j22B層“土黃色”粉晶云巖儲集層孔隙結(jié)構(gòu)較好，孔喉配置較為有利。

圖3 “土黃色”粉晶云巖儲集層典型壓汞曲線

2.4 孔滲特征

研究區(qū)16口井381個巖心樣品孔滲分析表明，粉晶云巖平均孔隙度為 4.57%，平均滲透率為 3.07×10?3μm2。整套儲集層非均質(zhì)性較強(qiáng)，縱向上孔滲分布具有明顯分帶性。其中，上部儲集層晶間孔、晶間溶孔發(fā)育，但多被石膏等充填，其孔隙度平均值為3.99%，滲透率平均值為1.34×10?3μm2；中部儲集層晶間孔、晶間溶孔發(fā)育且保存較好，其孔隙度平均值為10.62%，滲透率平均值為0.54×10?3μm2；下部儲集層僅發(fā)育晶間孔，其孔隙度平均值為 3.04%，滲透率平均值為0.01×10?3μm2?？紫抖却笥?3%的樣品滲透率為（0.011～215.000）×10?3μm2，其中，滲透率為（0.1～10.0）×10?3μm2的樣品居多，呈“中孔低滲”特征（見圖 4）。儲集層樣品孔滲關(guān)系總體上表現(xiàn)為隨孔隙度增大滲透率緩慢增加的線性正相關(guān)（見圖4）。此外，以晶間溶孔為主的優(yōu)質(zhì)粉晶云巖儲集層樣品孔隙度多大于12%（見表1）。

圖4 “土黃色”粉晶云巖儲集層孔滲散點(diǎn)圖（N—樣品數(shù)；

表1 以晶間溶孔為主的優(yōu)質(zhì)粉晶云巖儲集層樣品孔隙度統(tǒng)計表

3 白云巖成因

3.1 白云石化作用垂向演化特征

川中磨溪?dú)馓锛瘟杲M二段2亞段B層為一向上變淺咸化旋回，其白云石化作用垂向演化具有明顯的分帶性。以磨13井為例（見圖5），其序列底部自下而上依次為深灰色泥質(zhì)灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r（見圖6a）、泥晶灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r（見圖6b）；序列中部自下而上依次為土黃色粉晶云巖（見圖6b）、溶孔粉晶云巖、含膏質(zhì)團(tuán)塊（泥）粉晶云巖；序列頂部為褐灰色膏溶角礫巖（見圖6c）、膏質(zhì)云巖、膏巖及泥晶云巖?？傮w表現(xiàn)為自上而下白云石化程度逐漸減弱。此外，在發(fā)生白云石化的序列中上部，白云石晶粒自上而下逐漸增大、自形程度逐漸變好、晶間孔隙也逐漸增多（見圖6d—6f），表現(xiàn)為白云石化作用遠(yuǎn)端儲集物性相對變好（見圖5）。

3.2 白云石化作用橫向演化特征

選取區(qū)內(nèi)磨16井等8口T1j22B層全取心井，建立橫貫研究區(qū)的北東向連井對比剖面（見圖7），對比剖面各井沉積微相，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)東部以膏云坪、膏坪微相為主，向西逐漸過渡為膏坪、云坪、灰云質(zhì)湖微相，至研究區(qū)西部則相變?yōu)樯靶紴┖突屹|(zhì)湖微相，海域環(huán)境逐漸開闊，海水鹽度逐漸降低。白云巖橫向演化與之對應(yīng)，表現(xiàn)為自東向西發(fā)育層位不斷抬升，白云石化程度逐漸減弱。

3.3 對區(qū)內(nèi)白云石化作用的討論

膏鹽巖和白云巖組合的蒸發(fā)相地層中，膏鹽類礦物若遭受淡水溶解將導(dǎo)致巖層內(nèi)部失穩(wěn)，發(fā)生原地垮塌堆積，形成膏溶角礫巖[26]。而 T1j22B層頂部膏溶角礫巖中土黃色的泥—粉晶云巖角礫具有塑性變形特征（見圖6c），說明石膏溶蝕時泥—粉晶白云巖尚未完全固結(jié)，區(qū)內(nèi)膏溶角礫巖是準(zhǔn)同生期暴露的產(chǎn)物。而膏溶角礫巖中角礫白云石化時間顯然要早于角礫形成時間，因此白云石化作用應(yīng)早于準(zhǔn)同生期暴露。這也與晶間溶孔中滲流粉砂含有具溶蝕邊的細(xì)小白云石碎屑（見圖2c、6f）相吻合。

圖5 磨13井T1j22B層沉積相綜合柱狀圖

圖7 研究區(qū)T1j22B層連井沉積微相、沉積古地貌綜合對比剖面圖（剖面位置見圖1）[27-28]

白云巖在空間上與蒸發(fā)巖緊鄰（見圖7），“土黃色”粉晶云巖內(nèi)部發(fā)育膏質(zhì)團(tuán)塊（見圖2a），均表明研究區(qū)白云石化作用與蒸發(fā)海水關(guān)系密切，而高鎂鹵水正是常見的白云石化流體類型[2-3,29-30]。

T1j22B層自上而下由膏質(zhì)云巖、泥—粉晶云巖、粉晶云巖逐漸過渡為云質(zhì)灰?guī)r、泥晶灰?guī)r，過渡部分完整、清晰（見圖6b），很好地反映了白云石化流體自上而下不斷消耗、導(dǎo)致序列下部白云石化作用減弱的過程；序列中上部的白云巖中，自上而下白云石晶粒自形程度變好、粒徑相對增大、晶間孔隙增多。Saller等[29]認(rèn)為這是一種過白云石化現(xiàn)象，即距離鹵水源近的區(qū)域會沉淀更多的白云石，造成白云巖體物性變差，白云石晶粒自形程度降低。區(qū)內(nèi)白云石化作用的這種垂向演化特征表明白云石化流體是自上而下流動的，序列頂部膏云坪等微相是重要的鹵水來源。

白云石化作用橫向演化特征進(jìn)一步表明，隨著與鹵水源距離的增加，白云石化程度在不斷減弱，表現(xiàn)為海域鹽度最高的東部區(qū)域白云石化程度明顯更強(qiáng)，白云石化發(fā)生時間也最早（見圖7）。

3.4 白云石化作用模式

上述分析表明，研究區(qū)白云石化作用發(fā)生在準(zhǔn)同生期暴露之前，富鎂鹵水是主要白云石化流體，白云石化作用隨著遠(yuǎn)離鹵水源而減弱。從現(xiàn)有的白云石化模式來看，鹵水滲透回流模式與之最為相符。

滲透回流白云石化模式由Adams和Rhodes[3]首先提出，用以解釋美國德克薩斯州西部二疊系障壁型盆地白云石化作用。此后滲透回流模式一度被廣泛用來解釋盆地級油氣儲集層白云石化作用，如美國東德克薩斯州上侏羅統(tǒng) Smackover組[30]和二疊系瓜德魯普統(tǒng)San Andres組的白云巖成因等。Warren[2]也認(rèn)為古代盆內(nèi)灰?guī)r早期大規(guī)模白云石化通常與鹵水滲透回流作用密切相關(guān)。Moore[31]指出古代滲透回流成因白云巖與蒸發(fā)巖地層在空間上關(guān)系密切，白云石化作用發(fā)生在成巖早期；白云石化程度隨與鹵水源距離的增大而減弱。

譚秀成等[24]認(rèn)為研究區(qū)中部、東部沉積期微地貌較高，這與巖心觀察中研究區(qū)中部—東部的磨13井—磨48井區(qū)T1j22B層頂部暴露溶蝕組構(gòu)和膏溶角礫巖更為發(fā)育一致（見圖 7）。區(qū)內(nèi) T1j22B層以發(fā)育膏云坪、坪洼、云坪等微相為主（見圖 7），環(huán)境受限、蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，因而容易在坪洼和云坪、膏云坪的巖石孔隙中形成重鹵水，并在重力作用下向下部和側(cè)向的微地貌低地回流，導(dǎo)致下伏及鄰區(qū)地層白云石化（見圖8）。隨相對海平面的持續(xù)下降（見圖 5），滲透白云石化作用由東至西逐漸發(fā)生，最終形成了層位穩(wěn)定、分布廣泛的“土黃色”粉晶云巖。

圖8 “土黃色”粉晶云巖滲透回流白云石化作用模式

4 儲集層形成機(jī)制

4.1 白云石化作用

小直徑巖心儲集層物性分析和配套鏡下薄片觀察發(fā)現(xiàn)，未見明顯溶蝕現(xiàn)象的他形—半自形粉晶白云巖儲集空間以晶間孔為主（見圖 6e），其實測孔隙度為5.27%，但在晶間孔基礎(chǔ)上擴(kuò)溶形成的晶間溶孔卻使儲集層孔隙度大幅增加至12%左右（見表1），說明滲透回流白云石化形成的晶間孔為后期儲集層的改造提供了優(yōu)質(zhì)滲流通道。

此外，過白云石化過程導(dǎo)致遠(yuǎn)離鹵水源一側(cè)粉晶云巖儲集物性更好，主要表現(xiàn)為垂向上白云石晶粒自上而下自形程度變好、粒徑相對增大、晶間孔隙增多。如磨13井T1j22B層頂部（3 100～3 104 m）白云巖中白云石顆粒為泥晶、他形，致密無孔（見圖6d），測井孔隙度平均小于1%（見圖5）；T1j22B層中部（3 104～3 112 m）則漸變?yōu)榉劬?、自形—半自形，晶間孔、晶間溶孔發(fā)育（見圖6e、6f），測井孔隙度平均為6%～8%（見圖 5）。橫向上，滲透回流白云石化作用遠(yuǎn)端的白云巖物性優(yōu)于緊鄰鹵水源（膏坪、坪洼）白云巖。如磨24井—磨13井—磨151井區(qū)處于滲透回流白云石化作用遠(yuǎn)端，其白云巖測井孔隙度平均可達(dá) 7%～8%，而緊鄰鹵水源的磨45井—磨27井—磨48井區(qū)白云巖測井平均孔隙度僅 4%～5%（見圖7）。滲透回流白云石化模式中過白云石化現(xiàn)象與鹵水濃度和白云石化速率有關(guān)[32-34]。咸化序列上部鹵水濃度較大，白云石化作用迅速進(jìn)行，因此形成的晶粒細(xì)小、他形，儲集物性較差；而序列中下部鹵水濃度較小，白云石化作用相對緩慢，形成的晶粒較大、自形程度高，儲集物性較好[32]。

另外，研究區(qū)中、東部微地貌高且受限，其內(nèi)坪洼、膏云坪為重鹵水源，不僅存在過白云石化，導(dǎo)致物性較差，而且由于膏巖相對較厚，后期準(zhǔn)同生期暴露巖溶形成的溶孔可能為暴露溶解形成的過飽和流體膠結(jié)充填。云坪微相相對遠(yuǎn)離鹵水源，處于滲透回流遠(yuǎn)端（見圖 7、圖 8），上覆的膏巖層較薄，后期暴露形成的溶孔充填較少，這也造成優(yōu)質(zhì)儲集層更易發(fā)育于滲透回流白云石化作用遠(yuǎn)端。

4.2 早期喀斯特巖溶作用

受樂山—龍女寺古隆起演化控制，二疊紀(jì)—早三疊世川中磨溪構(gòu)造為繼承性水下隆起[19]。隨沉積物的堆積，海平面相對變淺（見圖 5），其上發(fā)育的微地貌高地極易暴露，并接受早期大氣淡水的改造，形成相應(yīng)巖溶組構(gòu)?？v向剖面上，頂部的硬石膏巖層發(fā)生暴露溶蝕垮塌，形成膏溶角礫巖（見圖 5），膏溶角礫中除表明其形成于準(zhǔn)同生期的塑性變形角礫外（見圖6c），角礫間的硬石膏充填還說明暴露時間較短；而膏溶角礫巖和硬石膏巖橫向上僅分布于沉積期微地貌高地（見圖 7），表明該期暴露規(guī)模不大，與相對海平面下降引起的局部高地暴露有關(guān)。暴露過程中，未飽和淡水沿晶間孔下滲，使下部粉晶云巖的晶間孔溶蝕擴(kuò)大，形成晶間溶孔（見圖6f），并產(chǎn)生具溶蝕邊的白云石粉屑（見圖2c）、伊利石（見圖2c、2e）等，溶蝕殘余物質(zhì)組成的滲流粉砂粘附孔壁（見圖2f），或半充填孔隙形成示頂?shù)讟?gòu)造（見圖6f）。同時，受早期大氣淡水的影響，白云巖發(fā)生次生變化變?yōu)橥咙S色[33-34]。筆者曾在四川古宋剖面見深灰色泥晶云巖出露地表后，由于大氣水沿晶間孔漫流，巖石逐漸變?yōu)橥咙S色（見圖 9），粉晶云巖儲集層土黃色的次生特征表明其形成與同生期喀斯特作用密切相關(guān)。

晶間溶孔的空間分布規(guī)律則進(jìn)一步表明早期喀斯特巖溶為“土黃色”粉晶云巖儲集層主要溶蝕機(jī)制。平面上，晶間溶孔主要分布在磨24井—磨13井—磨151井等微古地貌高地，而磨16井—磨47井等微古地貌低地則不發(fā)育（見圖 7），這與古地貌高地容易發(fā)生早期喀斯特巖溶作用相吻合。垂向上，晶間溶孔較穩(wěn)定地分布在向上變淺序列的中上部（見圖7），這也是早期喀斯特巖溶成因儲集層的典型特征[35]。

圖9 T1j22B層受大氣淡水影響變色的泥晶云巖標(biāo)本

圖10 “土黃色”粉晶云巖儲集層成因模式（以中部儲集層為例）

為了定量表征早期喀斯特巖溶作用對儲集層的影響，假定鏡下未見明顯溶蝕現(xiàn)象的他形—半自形粉晶白云巖的實測孔隙度（5.27%）代表白云石化后的原始孔隙度（見圖 10a），鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，早期喀斯特巖溶作用形成的溶孔主要為淺埋藏期石膏、硬石膏、方解石充填，其次為早期暴露階段少量滲流粉砂和中深埋藏期痕量石英充填（見圖2e），因而早期暴露巖溶增孔量近似等于φt+Sc?φi（φt為實測孔隙度，Sc為孔隙充填物含量，φi為原始孔隙度）?？紤]到下部儲集層并未受到大氣淡水影響產(chǎn)生晶間溶孔，上部儲集層形成的晶間（溶）孔又為石膏充填殆盡，因此以晶間（溶）孔發(fā)育的中部儲集層為例，計算得出其早期喀斯特巖溶增孔量為4.35%～28.76%，平均為15.14%（見表1）。粉晶云巖優(yōu)質(zhì)儲集層在經(jīng)歷早期喀斯特巖溶作用和充填后平均孔隙度變?yōu)?6.73%（見圖10b）。因此，早期喀斯特巖溶作用是粉晶白云巖優(yōu)質(zhì)儲集層形成的根本原因，也即暴露的開放體系階段是碳酸鹽巖大規(guī)模增孔時期。

4.3 埋藏期膠結(jié)充填與巖溶作用

在淺埋藏階段，受成巖環(huán)境區(qū)域地下水作用，連晶方解石（見圖 2b）充填相對活躍，導(dǎo)致平均孔隙度縮減 4.14%（見圖 10c），從而使淺埋藏階段后粉晶云巖優(yōu)質(zhì)儲集層平均孔隙度降為12.59%左右。

進(jìn)入中深埋藏階段后，區(qū)內(nèi)構(gòu)造相對穩(wěn)定，深大斷裂不發(fā)育[36]，以熱流體為酸性流體載體的大規(guī)模埋藏溶蝕難以發(fā)生[37]。巖心和鏡下觀察也發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)巖心中裂縫并不發(fā)育，且溶孔為滲流粉砂充填后，后期擴(kuò)溶現(xiàn)象也不明顯（見圖6f），僅在少數(shù)薄片見有痕量自生石英，對儲集層的影響不大（見圖10d）。因此該階段儲集層孔隙度變化不明顯，埋藏溶蝕對優(yōu)質(zhì)儲集層形成貢獻(xiàn)不大。

5 結(jié)論

川中磨溪?dú)馓锛瘟杲M“土黃色”粉晶云巖儲集空間以晶間孔和晶間溶孔為主，孔喉配置關(guān)系好、儲集性能優(yōu)良，為孔隙型儲集層，是四川盆地碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲集層的重要類型?！巴咙S色”粉晶云巖為滲透回流白云石化成因，主要依據(jù)有：白云石化發(fā)生于成巖早期；其空間演化規(guī)律明顯，垂向上自上而下白云石化程度逐漸降低，橫向上隨著遠(yuǎn)離鹵水源白云石化程度逐漸減弱；存在過白云石化現(xiàn)象，滲透回流遠(yuǎn)端白云巖物性優(yōu)于緊鄰鹵水源白云巖?！巴咙S色”粉晶云巖儲集層形成于滲透回流白云石化和早期喀斯特巖溶的共同作用，其中，滲透回流白云石化形成的晶間孔為后期儲集層的改造提供了優(yōu)越的物質(zhì)基礎(chǔ)，而早期喀斯特巖溶作用對晶間孔的擴(kuò)溶改造是儲集層形成的根本原因。

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