重慶馬槽壩-黑樓門地區(qū)上石炭統(tǒng)黃龍組白云巖儲(chǔ)層類型及其控制因素

鄭 博，曹竣峰

(成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，四川 成都 610081)

引言

碳酸鹽巖廣泛分布于各地質(zhì)時(shí)代，約占沉積巖總面積的20%［1］。世界上有大約三分之一的油氣資源賦存在碳酸鹽巖中，其中又有一半是在白云巖中［2，3］。白云巖中的各種次生孔隙被認(rèn)為是潛在的油氣儲(chǔ)集空間［4，5］。川東、渝北地區(qū)自1977年于上石炭統(tǒng)黃龍組獲高產(chǎn)工業(yè)氣流以來(lái)，前人已對(duì)該地區(qū)黃龍組沉積相和成巖作用特征進(jìn)行了較深入的研究，積累了豐富的資料，但對(duì)成巖作用、沉積相與儲(chǔ)層發(fā)育關(guān)系的研究尚存不足。本文對(duì)川東、渝北地區(qū)白云巖儲(chǔ)層的巖石類型、成巖作用、成巖環(huán)境進(jìn)行綜合研究，探討成巖作用與巖石物性、儲(chǔ)層特征的關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

馬槽壩-黑樓門地區(qū)位于重慶市云陽(yáng)、奉節(jié)和巫山縣境內(nèi)，構(gòu)造上位于四川盆地東北部大巴山前緣坳陷帶，被西面的川東高陡褶皺帶構(gòu)造帶、東面的齊岳山高陡背斜構(gòu)造帶和北面的南大巴山前陸褶斷帶等3個(gè)構(gòu)造帶夾持控制。上石炭統(tǒng)黃龍組為海相蒸發(fā)巖-碳酸鹽巖沉積建造，超覆在志留系烴源巖層之上(圖1)。

2 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

2.1 儲(chǔ)層巖石類型

研究區(qū)內(nèi)白云巖儲(chǔ)層的巖石類型主要有微晶白云巖、粉-細(xì)晶白云巖、顆粒白云巖3類。

2.1.1 顆粒白云巖

顆粒白云巖是黃龍組二段最主要的巖石類型，根據(jù)沉積微相可分為潮坪-瀉湖相的白云巖顆粒白云巖、粒屑灘相的顆粒白云巖和潮道高能帶的顆粒白云巖(圖版1-3，1-4)，其中潮坪-瀉湖相白云巖主要為藻屑藻跡白云巖、藻砂屑白云巖、砂屑白云巖、球粒白云巖等;粒屑灘相白云巖主要為(含)生物屑白云巖、藻砂屑白云巖、蟲屑白云巖等;潮道高能帶的顆粒白云巖主要為砂礫屑白云巖，由于此類顆粒白云巖溶蝕孔洞非常發(fā)育，往往呈溶蝕孔洞殘余顆粒白云巖產(chǎn)出，部分受古表生期大氣淡水溶蝕作用而轉(zhuǎn)化為巖溶角礫巖。

圖1 馬槽壩-黑樓門地區(qū)黃龍組2段巖相古地理圖Fig.1 Sedimentary facies and palaeogeographic map of the second member of the Huanglong Formation in the Macaoba-Heiloumen region

2.1.2 微晶白云巖

主要形成于潮坪或?yàn)a湖環(huán)境中，由微晶白云石組成，含有微-隱粒雜質(zhì)或有機(jī)質(zhì)，偶見(jiàn)發(fā)育水平藻紋層或具殘余藻屑紋層，也見(jiàn)有含石膏或石膏假晶的微晶云巖，局部裂縫發(fā)育(圖版1-1)。

2.1.3 粉-細(xì)晶白云巖

大部分具有殘余顆粒結(jié)構(gòu)，白云石晶形較好，晶體較粗，部分可達(dá)細(xì)晶級(jí)，呈半自形-自形的晶粒支撐結(jié)構(gòu)，發(fā)育針孔狀溶孔，有利儲(chǔ)層發(fā)育，往往分布于粒屑灘環(huán)境中(圖版1-2)。

2.2 儲(chǔ)集空間類型

2.2.1 原生粒間孔

原生粒間孔是指沉積前形成的孔隙。研究區(qū)原生粒間孔隙主要表現(xiàn)為碳酸鹽重結(jié)晶形成的晶間孔隙(圖版 1-3，1-5)。

2.2.2 次生粒內(nèi)及粒間溶孔

粒內(nèi)溶孔主要分布于部分生物碎屑、藻屑中，形態(tài)不規(guī)則，大小不等，孔徑一般為0.05～0.3mm，是較為常見(jiàn)孔隙類型。其孔隙有效面孔率不高，僅為1%～5%。粒間溶孔是顆粒之間的膠結(jié)物和基質(zhì)被溶蝕而形成。這種孔隙在研究區(qū)的生物碎屑砂屑白云巖、粉-細(xì)晶白云巖中較發(fā)育，其成因與古表生期的大氣淡水溶蝕有關(guān)(圖版1-3，1-4)。

2.2.3 鑄?？?/p>

螺殼和辯鰓多形成粒內(nèi)溶孔，當(dāng)溶蝕作用繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，粒內(nèi)溶孔進(jìn)一步擴(kuò)大，直到顆粒全部被溶蝕掉，形成鑄?？?圖版1-5)。而棘屑、腕足等基本不發(fā)生溶蝕。不同的巖石中鑄?？椎臄?shù)量不同，通常在0% ～8%之間，對(duì)儲(chǔ)層的貢獻(xiàn)較大。

2.2.4 晶間溶孔和超大溶孔

伴有溶蝕作用形成擴(kuò)大的晶間溶孔或超大溶孔在欠壓實(shí)的埋藏交代成因的晶粒狀白云巖中很發(fā)育，是最重要的儲(chǔ)集空間(圖版1-6)。多為中孔和大孔，部分為溶洞，鏡下測(cè)量孔徑為 0.15～1.4mm，面孔率5% ～18%。大多數(shù)白云石晶間溶孔被晚期中-粗晶方解石、細(xì)-中晶白云石、瀝青、天青石、螢石、石英等充填。影響了空隙的有效性。

2.3 儲(chǔ)層成巖作用類型

對(duì)馬槽壩-黑樓門地區(qū)石炭系黃龍組巖石薄片進(jìn)行鏡下觀察表明，研究區(qū)碳酸鹽儲(chǔ)層成巖作用主要有:膠結(jié)作用、壓實(shí)壓溶作用、白云石化作用、石膏化作用、硅化作用和大氣淡水溶解作用、去云化作用等。

圖版1說(shuō)明:a.微晶白云巖，充填溶洞的白云石具有晶間孔.門南1井，C2h2，照片對(duì)角線長(zhǎng)4mm(-);b.粉-細(xì)晶含灰質(zhì)白云巖，大量白云石晶間溶孔被方解石充填，局部晶間孔被黃鐵礦充填.馬槽1-1，C2h3，照片對(duì)角線長(zhǎng)1.6mm(-);c.粉晶蟲屑白云巖，裂縫中充填白云石.云安6井，C2hl2，照片對(duì)角線長(zhǎng)4mm(-);d.具溶蝕孔亮晶砂屑白云巖，粒內(nèi)溶孔、粒間孔.門南1井，C2hl2，照片對(duì)角線長(zhǎng)4mm(-);e.亮晶藻砂屑白云巖，生物屑內(nèi)溶孔并充填白云石.門南1井，C2hl2，照片對(duì)角線長(zhǎng)1.6mm(+);f.具溶蝕孔硅化微晶粉屑白云巖，溶蝕洞，洞內(nèi)充填自生石英和有機(jī)質(zhì).茨竹1井，第1回次，C2hl2，對(duì)角線長(zhǎng)1.6mm(-);g.殘余生物屑微-粉晶白云巖，充填生物體腔的灰泥重結(jié)晶，具粒內(nèi)溶孔.茨竹1井，C2h2，照片對(duì)角線長(zhǎng)1.6mm(-);h.硅化殘余砂屑細(xì)-粉晶白云巖.云安6井126號(hào)，C2hl3，照片對(duì)角線長(zhǎng)1.8mm(-);i殘余生物屑微-粉晶白云巖，膏?？妆话自剖糠殖涮?茨竹1井，C2h2，照片對(duì)角線長(zhǎng)4mm(+)

2.3.1 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用在黃龍組層位中普遍發(fā)育(圖版1-1)，常見(jiàn)的膠結(jié)物為泥-微晶結(jié)構(gòu)，微-亮晶膠結(jié)結(jié)構(gòu)，亮晶膠結(jié)結(jié)構(gòu)。淡水膠結(jié)主要發(fā)生在淡水滲流帶和潛流帶，形成等軸粒狀亮晶方解石膠結(jié)物。由于膠結(jié)作用，使顆粒碳酸鹽巖的原巖或呈二世代結(jié)構(gòu)，有的還可見(jiàn)三世代結(jié)構(gòu)。第一世代為纖狀-短柱狀方解石，第二世代開始粒間孔隙完全被充填，因此，膠結(jié)作用是破壞巖石儲(chǔ)集性能的的成巖作用，其結(jié)果是使部分或全部原生孔隙遭到破壞，使巖石孔隙度、滲透率下降。

2.3.2 壓實(shí)作用

碳酸鹽沉積物在埋藏過(guò)程中，受到壓實(shí)作用出現(xiàn)失水、流動(dòng)及塑性變形等現(xiàn)象。受壓實(shí)后可發(fā)生礦物的穩(wěn)定化作用，如不穩(wěn)定的高鎂方解石向穩(wěn)定的低鎂方解石轉(zhuǎn)化。同時(shí)形成顆粒變形，使顆粒間變?yōu)槲⒖p合線接觸關(guān)系。通常發(fā)生在淺埋藏-半深埋藏的早成巖階段早期至晚期。

2.3.3 壓溶作用

壓實(shí)作用的持續(xù)會(huì)使巖石發(fā)生溶解并有自生礦物和充填縫合線的形成，充填物有黑色有機(jī)質(zhì)及黃鐵礦、粗晶方解石、白云石等礦物，有時(shí)伴有白云石化等，其特征受原巖性質(zhì)和應(yīng)力強(qiáng)度的控制。壓溶作用則是在物理作用的基礎(chǔ)上疊加了化學(xué)作用，是淺埋-深埋藏環(huán)境下的地質(zhì)事件，對(duì)巖石的儲(chǔ)集性能有較大的影響。

2.3.4 重結(jié)晶作用

重結(jié)晶作用在各巖性中的結(jié)晶程度和分布不同。白云巖的重結(jié)晶作用相對(duì)灰?guī)r更強(qiáng)烈一些，礦物晶體粒度呈微晶-粉晶或粉晶-中晶，最發(fā)育的是粉晶-細(xì)晶結(jié)構(gòu)。強(qiáng)烈的重結(jié)晶作用使原巖的組構(gòu)消失或僅留下部分殘余結(jié)構(gòu)。重結(jié)晶強(qiáng)度對(duì)儲(chǔ)層孔隙的影響甚為明顯，中等重結(jié)晶程度的粉-細(xì)晶白云巖有利于孔隙度和滲透率的提高(圖版1-8)。

2.3.5 巖溶作用

巖溶作用是溶解作用的一種特殊類型，不飽和富有溶蝕性和流動(dòng)性的水溶液對(duì)已固結(jié)成巖的碳酸鹽巖可溶巖產(chǎn)生溶解作用。而古巖溶儲(chǔ)層又是其中非常重要一類。馬槽壩-黑樓門地區(qū)石炭系儲(chǔ)層就是古巖溶儲(chǔ)層。按巖溶作用形成時(shí)期可分為表生期的巖溶作用和埋藏期的溶蝕作用(圖版1-5，1-7，)。

3 儲(chǔ)層物性特征

3.1 孔滲物性特征

據(jù)研究區(qū)白云巖儲(chǔ)層的物性資料分析結(jié)果，孔隙度分布范圍為0.14% ～15.24%，平均值為3.35%，在孔隙度分布直方圖上主峰位于1.0% ～6.0%之間(圖2)，約占孔隙總量的84%;滲透率分布范圍為(＜0.01～290)×10-3μm2，平均值為1.51 ×10-3μm2，滲透率主峰有兩個(gè)，一個(gè)為位于 ＜0.01×10-3μm2，另一在(1 ～100)×10-3μm2之間(圖2)。由上述的孔滲數(shù)據(jù)可知，研究區(qū)黃龍組儲(chǔ)層總體上屬于低孔低滲儲(chǔ)層。

圖2 馬槽壩-黑樓門地區(qū)黃龍組儲(chǔ)層分布直方圖Fig.2 Bar charts showing the distribution of the dolostone reservoirs in the Macaoba-Heiloumen region

圖3 馬槽壩-黑樓門地區(qū)黃龍組儲(chǔ)層孔滲相關(guān)圖Fig.3 Correlation of porosity and permeability of the dolostone reservoirs in the Macaoba-Heiloumen region

馬槽壩-黑樓門地區(qū)黃龍組儲(chǔ)層孔隙度與滲透率相關(guān)圖反映黃龍組孔隙度與滲透率呈弱正相關(guān)性(圖3)，相關(guān)系數(shù)為0.35，說(shuō)明孔喉對(duì)儲(chǔ)層滲流能力仍有較大影響。但在同一孔隙度范圍內(nèi)，滲透率的變化可達(dá)2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明裂縫對(duì)改善儲(chǔ)層的滲流能力起關(guān)鍵作用，與鏡下可見(jiàn)較發(fā)育的溶縫吻合。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

孔隙結(jié)構(gòu)是指巖石孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布特征及其相互連通關(guān)系，由于它能較好地表征儲(chǔ)層的儲(chǔ)滲能力、流體分布、油氣產(chǎn)層的產(chǎn)能、油水在油層中的運(yùn)動(dòng)、水驅(qū)油效率及原油采收率的大小等特征，因而成為儲(chǔ)層研究的的重要內(nèi)容之一。

3.2.1 喉道形態(tài)類型

馬槽壩-黑樓門地區(qū)黃龍組儲(chǔ)層喉道以孔隙小型、宿頸型、管狀喉道型與片狀喉道型為主，而點(diǎn)狀喉道基本未見(jiàn)。

3.2.2 喉道大小

最大連通孔喉半徑(Rc10)為 0.0214～13.3046μm，平均值2.3187μm;中值孔喉半徑(Rc50)為0.0115 ～0.9356μm，平均值0.3209μm，在產(chǎn)出規(guī)模上，多以中、細(xì)喉為主，次為微喉。

3.2.3 孔喉組合關(guān)系

研究區(qū)黃龍組儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間雖由多種類型的孔隙組合而成，但往往以其中一種或幾種孔隙占主導(dǎo)地位。從鑄體薄片資料來(lái)看，巖石的各種溶孔雖然較發(fā)育，但孔隙之間的連通性仍然較差，其孔喉關(guān)系以中、小孔-中細(xì)喉組合為主，小孔-細(xì)、微喉型組合與小孔-微喉型組合次之，少部份為中、小孔-中喉組合，以及微孔-微喉型組合。

4 儲(chǔ)層控制因素

4.1 巖性

巖石是儲(chǔ)層存在與發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同的巖石類型在不同的環(huán)境中其分布及組合也不盡相同，孔隙的發(fā)育特征和分布特征也有很大的差異。根據(jù)研究區(qū)的儲(chǔ)層特征可以看出，儲(chǔ)層主要發(fā)育在顆粒白云巖、晶粒白云巖和白云質(zhì)巖溶角礫巖等巖性中，而且在這3種儲(chǔ)集巖中，其孔隙類型和孔隙組合特征也不相同，反映了原始沉積組構(gòu)對(duì)儲(chǔ)層物性的控制，其在顆粒云巖和云質(zhì)巖溶角礫巖中最為明顯。

4.2 沉積微相

由研究區(qū)儲(chǔ)層的巖性與物性關(guān)系可知，顆粒白云巖與晶粒白云巖的物性特征整體較好，而這兩種巖石類型的發(fā)育和分布顯然是受沉積相的控制。顆粒白云巖本身的沉積特征表明它的沉積環(huán)境主要為高能的粒屑灘、潮道，在這種環(huán)境中，由于波浪和潮汐的簸選和改造，細(xì)粒的灰泥及云泥被帶走，沉積粗粒碎屑;原始滲透率較高;加之較短的埋藏時(shí)間和較淺的埋藏深度，后又被抬升改造，使得滲透率更為發(fā)育，因此粒屑淺灘、潮道是研究區(qū)儲(chǔ)層發(fā)育的最有利沉積環(huán)境(圖1)。泥粉晶白云巖的分布特征及沉積特征主要受到局限的瀉湖環(huán)境所控制，雖然在這一環(huán)境中能量低，沒(méi)有大量的顆粒物質(zhì)沉積，然而在蒸發(fā)條件下，它為其埋藏白云化提供了一個(gè)極好的沉積成巖環(huán)境;高鹽度的海水在埋藏過(guò)程中，造成了沉積物的白云化，從而發(fā)育白云石晶間孔隙，因此局限的蒸發(fā)瀉湖環(huán)境有利于儲(chǔ)層的發(fā)育。

4.3 白云化作用

研究區(qū)較好的碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層，幾乎都為白云石化形成的白云巖(成巖白云巖)。有利儲(chǔ)層發(fā)育的巖石類型有微-粉-細(xì)晶白云巖、交代殘余狀的顆粒灰質(zhì)粉晶白云巖、藻紋層狀的灰質(zhì)微-粉晶白云巖等。因此，白云化作用是研究區(qū)碳酸鹽巖成巖過(guò)程中最為普遍和重要的成巖作用。理論上，由方解石轉(zhuǎn)化為白云石的過(guò)程可縮小14.81%的體積(即所謂的減體積效應(yīng))，由此產(chǎn)生規(guī)則的多面體晶間孔而使巖石的孔隙度增大。因此，白云巖化過(guò)程是形成次生孔隙的一個(gè)重要因素。根據(jù)薄片鏡下觀察，黃龍組碳酸鹽巖白云化作用具有多期次的特點(diǎn)，按儲(chǔ)層的白云巖化的階段，分為準(zhǔn)同生交代白云巖和成巖期交代白云巖。

4.3.1 準(zhǔn)同生交代白云石化

準(zhǔn)同生白云石化作用的產(chǎn)物主要為泥-微晶白云巖(圖版1-1)、含硬石膏或與硬石膏互層產(chǎn)出的膏質(zhì)泥-微晶白云巖、膏質(zhì)藻團(tuán)粒微晶等，白云石晶體細(xì)小，通常＜0.004mm，大小均勻，形態(tài)以它形晶為主。此類巖石較為致密，孔隙不發(fā)育，但在有裂縫發(fā)育時(shí)，可形成溶蝕孔隙。大多數(shù)孔隙被后期的方解石或白云石晶體充填或半充填?？捎脺?zhǔn)同生蒸發(fā)泵白云巖化模式加以解釋，即在干旱炎熱的蒸發(fā)潮坪環(huán)境中，由于孔隙水強(qiáng)烈蒸發(fā)濃縮，導(dǎo)致石膏結(jié)晶，形成高鎂鹵水鈣質(zhì)沉積物而發(fā)生白云巖化作用，主要分布在有強(qiáng)烈蒸發(fā)作用的薩勃哈潮坪和暴露的灘頂體相帶，常伴生有石膏、莓狀黃鐵礦等礦物。

4.3.2 成巖交代白云石化

黃龍組白云巖儲(chǔ)層原始結(jié)構(gòu)普遍遭到程度不同的破壞(如鮞粒、蟲屑和砂屑結(jié)構(gòu))。部分白云巖為原始結(jié)構(gòu)完全消失的晶粒白云巖(圖版1-8，1-9)，晶體大小為0.03 ～0.1mm，大小較均勻，形態(tài)以半自形～自形晶為主，晶體鏡下呈棕褐色，殘余大量原巖微晶或雜質(zhì)，重結(jié)晶作用明顯，具霧心亮邊結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象是由淺埋藏成巖作用與成巖孔隙流體演化造成的，為典型的粉-細(xì)晶結(jié)構(gòu)，是一類最有利儲(chǔ)層發(fā)育的巖石類型。

5 結(jié)論

(1)馬槽壩-黑樓門地區(qū)黃龍組儲(chǔ)層巖石類型主要為顆粒白云巖、微晶白云巖、粉-細(xì)晶白云巖。

(2)研究區(qū)黃龍組儲(chǔ)集空間以次生粒間及粒內(nèi)溶孔為主，并伴生有超大溶孔。儲(chǔ)層總體上屬于低孔低滲儲(chǔ)層，以小孔-中細(xì)喉組合為主。儲(chǔ)層成巖作用主要有膠結(jié)作用、壓實(shí)壓溶作用、白云化作用、石膏化作用、硅化作用和大氣淡水溶解作用、去云化作用等。

(3)控制儲(chǔ)層發(fā)育的最主要因素是白云巖化作用，按時(shí)間先后分為準(zhǔn)同生交代白云石化作用和成巖交代白云石化作用。古表生期大氣水的巖溶作用以及再埋藏期的構(gòu)造破裂和深部溶蝕作用對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育也產(chǎn)生了重要影響，而粒屑淺灘、潮道等沉積微相則是儲(chǔ)層發(fā)育的先決條件。

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