四川高石梯地區(qū)燈影組第四段儲(chǔ)層巖溶期次

劉 文, 沈秋媛, 董樹(shù)義, 李 弢, 耿 超, 江 林, 蔡小紅, 宋榮彩

(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059；2.中國(guó)石油 西南油氣田分公司 蜀南氣礦，四川 瀘州 646002；3.中石化西南油氣分公司 成都龍星天然氣有限責(zé)任公司，成都，610100)

世界上大部分油氣資源都集中產(chǎn)于碳酸鹽巖中，如美國(guó)德克薩斯州二疊系Yates油田、墨西哥白堊紀(jì)Golden Lane大油田、加拿大Rosevear油田、中東阿拉伯盆地Zakum和Harmaliyah氣田、俄羅斯伏爾加-烏拉爾盆地Chinarevskoye氣田等眾多油氣田主要儲(chǔ)層均為碳酸鹽巖[1-7]。統(tǒng)計(jì)顯示，其中有20%～30%的油氣是賦存在風(fēng)化殼巖溶型儲(chǔ)層中，表明巖溶儲(chǔ)層是碳酸鹽巖儲(chǔ)層的重要類型之一[8-10]。

中國(guó)典型的巖溶儲(chǔ)層主要包括塔里木盆地的寒武系-奧陶系、四川盆地的震旦系-古生界及鄂爾多斯盆地的奧陶系[11-15]。其中，四川盆地震旦系燈影組巖溶儲(chǔ)層主要為臺(tái)緣和臺(tái)內(nèi)灘相含或富含底棲微生物的白云巖(包括藻黏結(jié)砂屑云巖、藻疊層云巖和藻凝塊云巖)[16-17]。燈影組先后經(jīng)歷多期桐灣運(yùn)動(dòng)區(qū)域性差異升降，遭受風(fēng)化剝蝕，形成多期疊合改造型巖溶儲(chǔ)層[18]。研究發(fā)現(xiàn)，四川盆地?zé)粲敖M巖溶儲(chǔ)層為低孔低滲型巖溶儲(chǔ)層，表現(xiàn)出溶洞數(shù)量多、大洞多、發(fā)育集中，并且溶洞特征和分布復(fù)雜，顯示出巖溶作用的復(fù)雜多期特征[19-20]，對(duì)儲(chǔ)層的發(fā)育與分布規(guī)律產(chǎn)生了重要影響。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有的鉆井、測(cè)井、地震及巖心等資料，利用薄片、鑄體薄片等手段，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，對(duì)四川盆地高石梯地區(qū)燈影組第四段(簡(jiǎn)稱“燈四段”)古巖溶識(shí)別標(biāo)志、巖溶期次及巖溶分帶特征進(jìn)行研究，探討巖溶作用對(duì)儲(chǔ)層的影響，為燈影組天然氣的開(kāi)發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

高石梯地區(qū)位于四川省資陽(yáng)市和重慶市潼南縣境內(nèi)，區(qū)域構(gòu)造位置處于四川盆地中部川中古隆起平緩構(gòu)造區(qū)威遠(yuǎn)至龍女寺構(gòu)造群(圖1)。

圖1 四川高石梯地區(qū)位置圖、區(qū)域構(gòu)造位置圖及地層綜合柱狀圖 [26]Fig.1 Tectonic setting, location of study area and stratigraphic histogram of the Gaoshiti area, Sichuan

四川盆地位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西北側(cè)，為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)次一級(jí)構(gòu)造單元[21-23]。印支期盆地開(kāi)始形成，后經(jīng)喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)，奠定現(xiàn)代盆地構(gòu)造格局[21-23]。高石梯地區(qū)經(jīng)歷了四川盆地的歷次地質(zhì)事件，沉積了震旦系-中三疊統(tǒng)以碳酸鹽巖為主的海相地層和上三疊統(tǒng)-侏羅系以砂泥巖為主的陸相地層[24]。歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，桐灣運(yùn)動(dòng)和加里東運(yùn)動(dòng)對(duì)研究區(qū)影響最大。桐灣運(yùn)動(dòng)多期發(fā)育，使燈影組受到風(fēng)化剝蝕，形成風(fēng)化殼巖溶儲(chǔ)層；印支運(yùn)動(dòng)結(jié)束了該區(qū)的海相地臺(tái)沉積，轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喑练e；燕山運(yùn)動(dòng)使古陸塊再次隆起，為陸相沉積發(fā)育的主要階段[25]。印支運(yùn)動(dòng)以前(包括印支運(yùn)動(dòng))，在震旦紀(jì)強(qiáng)剛性火成巖基底的影響下，整個(gè)川中地區(qū)以差異升降運(yùn)動(dòng)為主，構(gòu)造平緩。高石梯地區(qū)一直處于樂(lè)山-龍女寺古隆起的高部位及斜坡地帶，是在繼承性古隆起基礎(chǔ)上發(fā)育形成的有利構(gòu)造[22]，其古構(gòu)造規(guī)模與現(xiàn)今構(gòu)造規(guī)模接近，未見(jiàn)同生斷裂或大型斷層。

四川盆地?zé)粲敖M主要為一套厚度較大、藻菌發(fā)育的白云巖，期間夾有一層薄細(xì)碎屑巖[27-28]。經(jīng)過(guò)桐灣期剝蝕影響，四川盆地及周邊燈影組殘余厚度一般在0～1.2 km；盆地西南和北部較厚，西部和東部薄，中部厚薄相間，高石梯地區(qū)厚度>700 m[29]。根據(jù)“四川盆地震旦系地層劃分對(duì)比研討會(huì)”達(dá)成的共識(shí)[24]，將四川盆地震旦系上統(tǒng)燈影組分為4段，自下而上分別簡(jiǎn)稱為燈一、燈二、燈三和燈四段。其中燈四段厚度為0～350 m，以砂屑云巖及藻白云巖為主，見(jiàn)硅質(zhì)條帶，含菌藻類及疊層石，為四川盆地震旦系重要的產(chǎn)氣層段[30-31]。

2 巖溶識(shí)別標(biāo)志

2.1 地層缺失及假整合接觸

桐灣運(yùn)動(dòng)對(duì)燈四段具有明顯影響，造成其不均一剝蝕。桐灣運(yùn)動(dòng)Ⅱ幕導(dǎo)致資陽(yáng)及其以西部分地區(qū)缺失該段，造成了燈四段與上覆麥地坪組之間的假整合接觸關(guān)系(圖2-A)。桐灣運(yùn)動(dòng)Ⅲ幕使四川盆地麥地坪組大部分缺失，造成燈四段與下寒武統(tǒng)筇竹寺組直接接觸，具有巖性突變界面(圖2-B)。部分地區(qū)麥地坪組未完全剝蝕，而與筇竹寺組之間假整合接觸(圖2-C)。在不整合面之下，燈影組和麥地坪組之上均可見(jiàn)風(fēng)化殘積層(原地殘積角礫巖、泥質(zhì)云巖和黏土巖)，是桐灣運(yùn)動(dòng)Ⅱ幕和Ⅲ幕的存在證據(jù)[31]。羅文軍等[32]通過(guò)對(duì)燈四段頂部灰?guī)r年代地層的分析，認(rèn)為高石梯北部的磨溪地區(qū)發(fā)育桐灣Ⅲ幕運(yùn)動(dòng)。燈影組上覆地層麥地坪組殘余厚度較薄，僅5～50 m。在桐灣運(yùn)動(dòng)Ⅱ幕和Ⅲ幕的抬升剝蝕背景下，高石梯地區(qū)燈影組也經(jīng)歷了2期表生巖溶作用的改造。

圖2 高石梯地區(qū)風(fēng)化殼巖溶地層標(biāo)志Fig.2 Formation marks of the weathering crust karst in Gaoshiti area(A)燈影組與麥地坪組假整合接觸，貴州省桐梓縣基東; (B)震旦系頂部不整合面，四川省南江縣橋亭鄉(xiāng); (C)麥地坪組與筇竹寺組假整合接觸，四川省峨邊縣先鋒剖面

2.2 巖石學(xué)標(biāo)志

巖溶作用形成的風(fēng)化縫、溶洞、巖溶充填及滲流粉砂、石英等，構(gòu)成了巖溶發(fā)育的重要標(biāo)志。研究區(qū)燈四段中發(fā)育明顯充填巖溶垮塌物的溶洞(圖3-A)。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，溶孔洞中常先后充填滲流粉砂、碎屑石英等2期充填物(圖3-B)，溶孔縫中也常發(fā)育2期淡水膠結(jié)物(圖3-C、D)。同時(shí)，燈四段在桐灣運(yùn)動(dòng)Ⅱ幕和Ⅲ幕作用下，2次受到表生期大氣淡水的溶蝕改造[32]，導(dǎo)致巖心上常見(jiàn)2期風(fēng)化裂縫(圖3-E)。上述均表明，在桐灣運(yùn)動(dòng)Ⅱ幕和Ⅲ幕的作用下，高石梯地區(qū)燈四段受到2期表生巖溶作用改造。

圖3 高石梯地區(qū)燈四段風(fēng)化殼巖溶巖石學(xué)標(biāo)志Fig.3 Petrological indicator of the weathering crust karst in Gaoshiti area(A)溶洞充填巖溶角礫，高石7井，深度5 311.57 m; (B)溶蝕孔洞內(nèi)充填的晶粒石英和滲流粉砂，部分石英可見(jiàn)環(huán)帶生長(zhǎng)，高石102井，深度5 045.53 m;(C)溶孔被2期淡水白云石及瀝青半充填，高石1井，深度4 986.15 m; (D)溶縫充填2期白云石，高石1井，深度4 980.17 m; (E) 2期風(fēng)化裂縫，高石7井，深度5 285.33 m

2.3 地球化學(xué)證據(jù)

2.3.1 C、O同位素

系統(tǒng)選取高石1井燈四段中的白云巖測(cè)試全巖C、O同位素。從δ13C和δ18O隨深度變化特征看出，二者表現(xiàn)出一致的負(fù)偏特征，表明燈四段儲(chǔ)層受到過(guò)大氣淡水的溶蝕改造作用(圖4)。同時(shí)，δ13C和δ18O在深度 4 975 m附近明顯分成2部分(圖4)，均表現(xiàn)出頂部負(fù)偏明顯的特征，表明研究區(qū)存在2期大氣淡水的影響。結(jié)合研究區(qū)經(jīng)歷的2期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，碳氧同位素垂向變化特征也同樣指示2期表生巖溶作用的存在。

2.3.2 流體包裹體

對(duì)高石1井燈四段溶孔洞縫中所充填石英觀察發(fā)現(xiàn)，石英中流體包裹體十分發(fā)育。不同深度段石英中流體包裹體均一溫度測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，4 980.17～4 981.87 m深度的均一溫度集中于140～150℃、170～180℃和190～210℃三個(gè)范圍(圖5-A)；4 958.40～4 958.47 m深度的均一溫度集中于110～130℃、140～150℃和160～190℃三個(gè)范圍(圖5-B)：表明研究區(qū)燈四段可能存在4期流體充注。在110～130℃和140～150℃的石英膠結(jié)物中均發(fā)現(xiàn)單一液相包裹體十分富集，且包裹體在加溫時(shí)未發(fā)生變化，表明表生成巖期石英即開(kāi)始結(jié)晶，在近地表?xiàng)l件下捕獲了大量單一液相包裹體。2期石英膠結(jié)物都形成于近地表的表生成巖階段，也充分說(shuō)明2期表生巖溶作用的存在。

圖4 高石1井燈四段C、O同位素值隨深度變化圖[33]Fig.4 Variation of C and O isotope values with depth of the Member 4 of Dengying Formation in Well Gaoshi 1

2.4 鉆井、錄井標(biāo)志

井漏放空(圖6)是巖溶存在的直接證據(jù)。高石梯地區(qū)在燈四段鉆進(jìn)過(guò)程中常發(fā)生鉆速加快，放空、蹩跳鉆、井漏及氣侵等現(xiàn)象。其中，高石1井、高石2井、高石7井及高石11井均出現(xiàn)過(guò)放空現(xiàn)象，高石6井、高石8井及高石12井發(fā)生井漏多處且漏失量較大(高石6井漏失鉆井液 3 588.2 m3)。一般認(rèn)為鉆井放空或井漏嚴(yán)重段為巖溶洞穴發(fā)育段，通過(guò)連井對(duì)比發(fā)現(xiàn)高石梯地區(qū)分布著上下2套巖溶洞穴層(圖6)。

圖5 高石梯地區(qū)燈四段石英中流體包裹體均一溫度直方圖[34]Fig.5 Homogeneous temperature histogram of fluid inclusions of quartz in the Member 4 of Dengying Formation

圖6 高石梯地區(qū)井漏放空連井圖Fig.6 Connecting histograms showing lost circulation and vent in Gaoshiti area

2.5 成像測(cè)井標(biāo)志

巖溶發(fā)育段若發(fā)育未被充填的溶洞時(shí)，在成像測(cè)井曲線上常表現(xiàn)為黑色斑塊等。高石1井燈四段成像測(cè)井圖像在深度為 4 982～4 983.1 m及5 145.2～5 146.6 m處出現(xiàn)明顯黑斑(圖7)，表明2處均發(fā)育有巖溶洞穴。前人研究認(rèn)為巖溶作用對(duì)儲(chǔ)層改造最為強(qiáng)烈段一般位于風(fēng)化殼以下約100 m深度范圍內(nèi)[14,19]，大的洞穴層一般出現(xiàn)在這個(gè)范圍內(nèi)；但成像測(cè)井中識(shí)別出的2個(gè)洞穴層相距達(dá)160 m，表明這2處洞穴層不是同一期巖溶作用的產(chǎn)物，從而暗示研究區(qū)發(fā)育有2期表生巖溶作用。

3 巖溶分帶

關(guān)于巖溶分帶問(wèn)題，前人對(duì)其研究較多。何江等[35]根據(jù)巖溶水動(dòng)力學(xué)特征及區(qū)域地質(zhì)背景將鄂爾多斯盆地馬家溝組風(fēng)化殼古巖溶劃分為地表巖溶帶、垂直滲流帶、水平潛流帶與深部緩流帶。其中，地表巖溶帶位于風(fēng)化殼最頂部層面上，見(jiàn)有殘積鋁土礦、紫紅色氧化層、巖溶角礫等，地表巖溶帶中的洞穴常被充填殆盡，在測(cè)井上GR曲線表現(xiàn)為高值；垂向滲流帶以形成近垂直的高角度溶溝、溶縫及小溶洞為特征(圖8-A、B、C、D)，測(cè)井上伽馬值整體較低，縫洞充填處伽馬值較高；水平潛流帶以形成較多近水平的溶蝕孔洞層為特征(圖8-E、F、G、H)，在測(cè)井上GR曲線一般呈鋸齒狀。

本文在該研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合上述燈四段巖溶期次劃分，研究區(qū)燈四段發(fā)育的2期表生巖溶作用，并依據(jù)燈四段巖溶特點(diǎn)，建立高石梯地區(qū)燈四段巖溶分帶模式，將古巖溶在垂向上分為4個(gè)帶：地表巖溶帶、垂向滲流帶、水平潛流帶和深部緩流帶。由于受2期表生巖溶作用的影響，水平潛流帶發(fā)育2期，分別為第一水平潛流帶和第二水平潛流帶(圖9)。值得指出的是，在單井上第一水平潛流帶與第二水平潛流帶可依據(jù)水平潛流帶特征及洞穴層的連井分布(圖6)識(shí)別出來(lái)。鑒于巖溶分帶的連續(xù)性，自第二水平潛流帶向上追索，并結(jié)合地表巖溶帶與垂向滲流帶的特征及測(cè)井響應(yīng)，從第一水平潛流帶中分出地表巖溶帶與垂向滲流帶。

圖7 高石1井風(fēng)化殼巖溶發(fā)育段成像測(cè)井響應(yīng)特征Fig.7 Characteristics of imaging logging response of weathering crust karst development zone in Well Gaoshi 1

圖8 高石梯地區(qū)燈四段巖溶分帶標(biāo)志Fig.8 Marks of karst zoning of the Member 4 of Dengying Formation in Gaoshiti area(A)高角度風(fēng)化縫全充填泥質(zhì)，高石7井，深度5 295.19 m; (B)高角度溶縫被瀝青充填，高石7井，深度5 310.4 m; (C)高角度溶縫充填瀝青、白云石，高石7井，深度5 319.67 m; (D)高角度溶縫充填瀝青，高石7井，深度5 295.54 m; (E)水平大溶洞，半充填石英、瀝青，高石7井，深度5 287.02 m; (F)水平溶洞，高石7井，深度5 266.21 m; (G)水平溶洞中充填白云石，高石7井，深度5 308.79 m; (H)水平溶孔洞，半充填泥質(zhì)、瀝青、白云石，高石1井，深度4 967.46 m

高石梯地區(qū)燈四段主要發(fā)育垂向滲流帶和水平潛流帶。其中，垂向滲流帶常發(fā)育近垂直的高角度溶溝、溶縫及小溶孔洞(圖8-A、B、C、D)。水平潛流帶總厚度一般為236.4～316 m，平均為264.5 m，發(fā)育近水平的溶孔洞和溶縫(圖8-E、F、G、H)，溶洞規(guī)模較大，且局部發(fā)育洞穴層。其中，第一水平潛流帶在研究區(qū)常發(fā)育于燈四頂附近，在部分井位燈四段中其上未見(jiàn)垂向滲流帶(圖9)，推測(cè)為在燈四段上覆地層麥地坪組沉積完成后便受到桐灣運(yùn)動(dòng)Ⅲ幕的作用，發(fā)生第二次表生期巖溶作用，在麥地坪組中發(fā)育垂向滲流帶，后麥地坪組遭受剝蝕殆盡，致使研究區(qū)部分井中缺失該帶。

4 巖溶對(duì)儲(chǔ)層的控制

通過(guò)在單井上識(shí)別出各巖溶分帶，并對(duì)各巖溶帶物性及儲(chǔ)地比等因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)。結(jié)果表明，地表巖溶帶距離震旦系頂部較近，受地表水流改造強(qiáng)烈，平均孔隙度(q)達(dá)3%以上，物性相對(duì)較好；但其儲(chǔ)層厚度相對(duì)較薄，儲(chǔ)地比較低，在研究區(qū)不足2%；同時(shí)其距震旦系頂部近，易受其他作用改造，致使其不能成為良好的儲(chǔ)層。垂向滲流帶溶蝕孔洞縫發(fā)育，但多被上覆沉積物、圍巖垮塌物等充填，導(dǎo)致物性較差，研究區(qū)其孔隙度僅為1.53%。雖然垂向滲流帶可在縱向上延伸較遠(yuǎn)，但水流在此處一般快速通過(guò)，導(dǎo)致其受巖溶改造作用一般。從統(tǒng)計(jì)上看，垂向滲流帶其儲(chǔ)層厚度相對(duì)較薄，垂直累計(jì)厚度不足4m，儲(chǔ)地比1.22%，二者均較低，據(jù)此認(rèn)為，垂向滲流帶在研究區(qū)不能成為良好的儲(chǔ)層發(fā)育帶。深部緩流帶距震旦系頂部很遠(yuǎn)，位于最低排泄基準(zhǔn)面以下。該帶中的大氣淡水常處于飽和-過(guò)飽和狀態(tài)，溶蝕能力極弱，導(dǎo)致其物性較差，孔隙度<1.5%，在研究區(qū)其不利于儲(chǔ)層的發(fā)育。

圖9 高石7井燈四段巖溶分帶Fig.9 Karst zoning of the Member 4 of Dengying Formation in Well Gaoshi 7

前人研究認(rèn)為高石梯地區(qū)有利的巖溶縫洞型儲(chǔ)層主要是沿著水平潛流帶順層分布[32]。研究區(qū)在2期表生期巖溶作用下，受巖溶改造作用明顯，發(fā)育有2期水平潛流帶。上部的第一期水平潛流帶形成時(shí)間晚于第二期，應(yīng)為桐灣運(yùn)動(dòng)Ⅲ幕的結(jié)果；在桐灣運(yùn)動(dòng)Ⅱ幕時(shí)，該帶處于垂向滲流帶和地表巖溶帶發(fā)育區(qū)，表明其疊加了2期表生巖溶作用。在該帶，順層分布的溶孔洞和垂直或高角度溶縫洞均發(fā)育，使其物性相對(duì)較好，平均孔隙度為2.78%。同時(shí)，第一水平潛流帶穩(wěn)定分布在距震旦系頂部100 m左右范圍內(nèi)，表生期溶蝕改造時(shí)間長(zhǎng)、程度深，儲(chǔ)層累計(jì)厚度達(dá)47 m，儲(chǔ)地比接近15%。因此，認(rèn)為第一水平潛流帶為高石梯地區(qū)有利的儲(chǔ)層發(fā)育帶。第二水平潛流帶應(yīng)為桐灣運(yùn)動(dòng)Ⅱ幕作用的結(jié)果，距震旦系頂部較遠(yuǎn)(表1)，巖溶改造作用相對(duì)較弱一些，雖然比地表巖溶帶、垂向滲流帶及深部緩流帶稍好，但與第一水平潛流帶相比仍有差距，是次一級(jí)的儲(chǔ)層發(fā)育帶。

5 結(jié) 論

a.高石梯地區(qū)燈影組第四段經(jīng)歷2幕桐灣運(yùn)動(dòng)，造成2期表生巖溶作用。鉆井液漏失、鉆頭放空和成像測(cè)井指示了2期表生巖溶作用下的上下2套洞穴層的發(fā)育。

b.巖石學(xué)證據(jù)、碳氧同位素和包裹體測(cè)試也支持了2期表生巖溶作用的存在。2期淡水膠結(jié)物和風(fēng)化縫，深度剖面上C、O同位素的2次負(fù)偏，2期石英膠結(jié)物中均捕獲了近地表的單一液相包裹體，表明2期大氣淡水作用對(duì)燈四段儲(chǔ)層的影響。

表1 高石梯地區(qū)各巖溶帶儲(chǔ)層影響因素統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of influence factors of karst zones on reservoirs in Gaoshiti area

“-”表示數(shù)據(jù)未統(tǒng)計(jì)。

c.通過(guò)對(duì)各巖溶帶儲(chǔ)層物性及儲(chǔ)層厚度等的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)水平潛流帶物性好、儲(chǔ)地比高、儲(chǔ)層較厚，為研究區(qū)有利的儲(chǔ)層發(fā)育帶。其中桐灣運(yùn)動(dòng)Ⅲ幕形成的第一水平潛流帶比第二水平潛流帶物性好，是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育帶。