黔北金沙巖孔地區(qū)燈影組儲(chǔ)層特征與成巖作用

王 旭,付小東,徐國(guó)盛,林雪梅,顏瑞晶,曹子顏

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059; 2.中國(guó)石油 杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023)

黔北地區(qū)及其相鄰的四川盆地東南緣震旦系燈影組(Z2dn)目前是南方油氣“下組合”天然氣勘探的重要目的層[1]。1964年，首次在四川盆地震旦系發(fā)現(xiàn)威遠(yuǎn)大氣田，后于樂(lè)山龍女寺古隆起的龍女寺、安平店、高石梯等構(gòu)造高部位的震旦系獲得產(chǎn)能，但均未獲得大的勘探成果。直到2012年，高石梯-磨溪地區(qū)高石1井的燈影組第二段測(cè)試獲得日產(chǎn)天然氣1.07×106m3高產(chǎn)氣量[2]，使得四川盆地及其周緣震旦系的研究有了突破，展示了巨大的勘探潛力[3-5]，為四川盆地及其周緣地區(qū)震旦系的勘探奠定了基礎(chǔ)，引發(fā)了更多學(xué)者去關(guān)注和研究古老碳酸鹽巖地層[6]。

四川盆地?zé)粲敖M儲(chǔ)層形成時(shí)代老、埋藏深、演化歷史長(zhǎng)，且受多期成巖作用和構(gòu)造活動(dòng)的改造，使得對(duì)于燈影組儲(chǔ)層的研究較為困難[7-8]。單秀琴等[9]和楊威等[10]認(rèn)為四川盆地?zé)粲敖M白云巖儲(chǔ)層具有相控型巖溶儲(chǔ)層的特點(diǎn)。張得彥等[11]認(rèn)為晚期構(gòu)造作用形成的裂縫為黔北金沙縣巖孔地區(qū)現(xiàn)今儲(chǔ)集巖提供了良好的滲流通道和儲(chǔ)集空間。林孝先等[12]和郝毅等[13]認(rèn)為燈影組第二段的“葡萄花邊”白云石是在原巖已存在的縫、洞中生長(zhǎng)的膠結(jié)物。前人針對(duì)燈影組儲(chǔ)層多類(lèi)型、多期次的成巖作用與儲(chǔ)集性能關(guān)系的研究認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，對(duì)于黔北地區(qū)燈影組白云巖儲(chǔ)層的研究也較少。本文以黔北金沙縣巖孔地區(qū)燈影組野外露頭為基礎(chǔ)，結(jié)合巖石薄片顯微鑒定、儲(chǔ)集巖物性分析、陰極發(fā)光以及原位激光微區(qū)痕量元素分析等手段，研究四川盆地南緣巖孔地區(qū)燈影組儲(chǔ)層特征以及成巖作用特征，為盆內(nèi)燈影組天然氣勘探提供借鑒。

1 研究區(qū)構(gòu)造及沉積背景

黔北地區(qū)經(jīng)歷了都勻運(yùn)動(dòng)、廣西運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)及燕山運(yùn)動(dòng)4個(gè)主要的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)階段，這一系列構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及地質(zhì)演化規(guī)律直接影響了黔北地區(qū)的構(gòu)造形態(tài)及地層展布，并且對(duì)盆地性質(zhì)的變遷和構(gòu)造變形的特點(diǎn)起著強(qiáng)烈的控制作用。區(qū)域內(nèi)發(fā)育多條褶皺，并且伴有劇烈的斷層活動(dòng)。巖孔剖面處于黔北地區(qū)黔北斜坡金沙凸起松林-巖孔背斜上(圖1)，該背斜在平面上較為開(kāi)闊，走向上呈“S”形分布，發(fā)育多條北東走向的高角度逆斷層。褶皺和斷裂的發(fā)育是黔北地區(qū)主要的特征之一，而且對(duì)于該地區(qū)的地層展布有明顯的控制作用[14]。其中背斜核部出露最老地層是燈影組，周?chē)植己湎档榷嗵椎貙?。黔北地區(qū)燈影組時(shí)期主要發(fā)育淺水碳酸鹽臺(tái)地沉積，為局限臺(tái)地沉積相帶，這為后期油氣的儲(chǔ)集提供了良好的物質(zhì)條件[15-20]。

2 儲(chǔ)層特征

2.1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

通過(guò)對(duì)巖孔剖面野外勘探以及剖面實(shí)測(cè)可知，燈影組主要為一套潮坪-灰泥丘-臺(tái)內(nèi)灘的局限臺(tái)地沉積[21]，與下伏地層陡山沱組(Z2ds)不整合接觸，與上覆地層寒武系筇竹寺組(C-1q)黑色頁(yè)巖為不整合接觸。該剖面出露地層為燈影組第二段(簡(jiǎn)稱(chēng)“燈二段”)、燈影組第三段(簡(jiǎn)稱(chēng)“燈三段”)和燈影組第四段(簡(jiǎn)稱(chēng)“燈四段”)，實(shí)測(cè)厚度為276.6 m(圖2)。燈二段(未見(jiàn)底)為一套以藻粘結(jié)白云巖、葡萄花邊狀白云巖、藻砂屑白云巖為主的臺(tái)內(nèi)灘-潮坪-灰泥丘沉積(圖3-A、B、D、E、F)，厚度為233.8 m；燈三段為一套以泥粉晶白云巖為主的潮坪沉積(圖3-G)，厚度為18.0 m；燈四段為一套以殘余藻砂屑粉晶白云巖、殘余砂礫屑粉晶白云巖、藻粘結(jié)白云巖為主的臺(tái)內(nèi)灘沉積(圖3-C、H、I)，厚度為24.8 m。

2.2 儲(chǔ)集空間特征

通過(guò)巖石薄片觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)燈影組主要的儲(chǔ)集空間類(lèi)型有：晶間孔、粒內(nèi)溶孔、藻格架(溶)孔等。燈二段葡萄花邊狀白云巖及泡沫綿層白云巖中多發(fā)育藻格架溶孔(圖4-A、B)，但孔隙一般較小，這類(lèi)晶間孔的面孔率為1%～2%。燈四段中的殘余藻砂屑粉晶白云巖以及含礫屑砂屑白云巖中發(fā)育粒內(nèi)溶孔(圖4-C、D)、晶間溶孔(圖4-E)、藻粘結(jié)白云巖中發(fā)育藻格架殘余孔(圖4-F)，面孔率可達(dá)8%～10%，孔隙連通性好，少有裂縫；碎屑顆粒第一次遭受溶蝕后被白云石礦物充填，之后再遭受第二次溶蝕，易形成粒內(nèi)溶孔或者鑄?？?。

2.3 儲(chǔ)層物性特征

選取36塊燈二段、燈三段、燈四段的野外巖石樣品進(jìn)行孔隙度測(cè)試，結(jié)果表明燈影組儲(chǔ)層孔隙度(q)范圍為1.56%～11.94%，平均孔隙度為4.55%，90%的樣品孔隙度都大于2%，僅有10%左右的樣品孔隙度大于8%(圖5)。分析不同巖性的平均孔隙度可知(表1)，葡萄花邊狀白云巖、藻團(tuán)塊白云巖以及藻粘結(jié)白云巖孔隙度相對(duì)較高，泥粉晶白云巖孔隙度相對(duì)較低。對(duì)11塊樣品進(jìn)行了滲透率測(cè)試，滲透率(K)范圍為(0.005～1.981)×10-3μm2，平均滲透率為0.226×10-3μm2，且絕大多數(shù)樣品滲透率小于1.00×10-3μm2，半數(shù)以上樣品滲透率小于0.01×10-3μm2(圖6)，表明該地區(qū)燈影組儲(chǔ)層巖石滲透率低、孔隙連通性差。總體上，研究區(qū)的儲(chǔ)層物性表現(xiàn)為低孔低滲的特點(diǎn)，且非均質(zhì)性強(qiáng)。

表1 巖孔剖面燈影組不同巖性不同層位孔隙度統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of porosity in different lithologies and different horizons of Dengying Formation in Yankong section

3 主要成巖作用類(lèi)型

3.1 壓實(shí)、壓溶作用

壓實(shí)、壓溶作用貫穿于該地區(qū)碳酸鹽巖成巖的全部過(guò)程中。在顆粒碳酸鹽巖中，壓實(shí)作用表現(xiàn)為顆粒的破裂和重新排列，顆粒的接觸方式由漂浮狀變?yōu)辄c(diǎn)接觸-線(xiàn)接觸。隨壓實(shí)強(qiáng)度的增大，會(huì)發(fā)生壓溶作用，產(chǎn)生縫合線(xiàn)。研究區(qū)燈影組埋藏深度一般>6 km，在如此深的埋藏過(guò)程中會(huì)受到較強(qiáng)的壓實(shí)作用，在經(jīng)歷壓實(shí)、壓溶作用后，巖石原生孔隙大量減少。

3.2 膠結(jié)充填作用

儲(chǔ)層孔、縫、洞中膠結(jié)充填的礦物特征可以用于指示相應(yīng)的地質(zhì)事件，礦物的膠結(jié)充填序列則指示對(duì)應(yīng)地質(zhì)事件發(fā)生的相對(duì)時(shí)序。碳酸鹽巖儲(chǔ)層膠結(jié)充填礦物的發(fā)育期次往往可以根據(jù)不同成巖環(huán)境和成巖階段的特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別[22]，碳酸鹽巖膠結(jié)物及充填物的陰極發(fā)光特性則為成巖環(huán)境和成巖礦物期次的識(shí)別提供了重要依據(jù)[23]。研究區(qū)燈二段的葡萄花邊狀白云巖、藻粘結(jié)白云巖中藻格架孔非常發(fā)育。早期形成的孔洞都被不同期次的白云石膠結(jié)物充填。通過(guò)孔洞中充填的白云石膠結(jié)物的形態(tài)、大小、陰極發(fā)光特征以及原位激光微區(qū)痕量元素分析，將孔洞中充填的白云石膠結(jié)物分為3個(gè)世代。

第一世代為海底環(huán)境白云石，形態(tài)以纖柱狀、葉片狀、馬牙狀為主，是沿著藻格架窗格孔或者泥晶顆粒孔邊緣生長(zhǎng)的環(huán)帶狀膠結(jié)物，晶體的長(zhǎng)軸一般<0.5 mm，這一類(lèi)膠結(jié)的白云石是原生格架孔洞減少的主要原因之一(圖7-A)。這一世代白云石的痕量元素?cái)?shù)據(jù)(表2)表明，Na、K、Ba含量較其他膠結(jié)物要高，F(xiàn)e、Mn含量較低，F(xiàn)e/Mn含量比值較高，在陰極射線(xiàn)下不發(fā)光(圖7-B)，說(shuō)明纖柱狀膠結(jié)物可能形成于鹽度較高的水體環(huán)境中，依然保持著原始海水的信息，是海底環(huán)境下的產(chǎn)物。

第二世代為淺埋藏期的粉晶粒狀白云石，這類(lèi)白云石以等軸粒狀的形態(tài)形成于纖柱狀、葉片狀白云石之后的藻格架孔洞中，或直接以粉-細(xì)晶粒狀充填于較小的藻格架孔中，晶體較為干凈，晶粒一般<0.1 mm(圖7-C)。這類(lèi)膠結(jié)物在顆粒巖中較為發(fā)育，可能由于開(kāi)放的孔隙系統(tǒng)和較強(qiáng)的水動(dòng)力條件不利于海底膠結(jié)物生長(zhǎng)，更有利于淺埋藏期的膠結(jié)物發(fā)育。該期白云石Na含量相對(duì)于海底膠結(jié)物有明顯減少，K、Ba含量減少不明顯，但又高于第三世代埋藏期白云石，F(xiàn)e、Mn含量明顯增加，F(xiàn)e/Mn含量比值降低，在陰極射線(xiàn)下發(fā)暗紅色光(圖7-D)。因此，該世代白云石可能形成于封閉在地層中的海水和下滲的大氣淡水的混合水環(huán)境中，是淺埋藏成巖環(huán)境下的產(chǎn)物。

表2 不同世代白云石膠結(jié)物的原位激光微區(qū)痕量元素持征Table 2 In-situ laser micro-region microelement data of dolomite cement of different generations

測(cè)點(diǎn)位置為圖7中紅點(diǎn)位置。測(cè)試儀器為GeoLas-HD-ICP-MS;激光束直徑為30 μm

第三世代為埋藏期的中-粗晶白云石，這一期白云石主要形成于前兩個(gè)世代白云石之后的藻格架殘余孔洞中，晶體明亮粗大，形態(tài)較規(guī)則，半自形-自形晶，晶粒大小0.1～1.5 mm(圖7-E)，減少10%～50%的孔隙空間，對(duì)儲(chǔ)層的破壞性較大，但也可見(jiàn)部分殘余晶間孔。該期白云石的Na、K、Ba含量較前兩期白云石明顯減少，F(xiàn)e、Mn含量大幅度增加，F(xiàn)e/Mn含量比值<5，陰極射線(xiàn)下發(fā)紅光(圖7-F)，白云石中含有較多液態(tài)有機(jī)烴包裹體，均一溫度較高[24]。該期白云石膠結(jié)物主要充填于與液烴伴隨的有機(jī)酸溶蝕作用有關(guān)的溶孔洞、溶縫內(nèi)，這說(shuō)明該期白云石已經(jīng)脫離海水，形成于鹽度較低的水體環(huán)境中，是中-深埋藏環(huán)境下的產(chǎn)物。

3.3 白云石化作用

該地區(qū)燈影組的巖相基本表現(xiàn)為白云巖。前人研究表明，在燈影組沉積時(shí)，受蒸發(fā)作用影響，四川盆地?zé)粲敖M發(fā)育較多的膏巖類(lèi)蒸發(fā)礦物，并且在四川盆地南部長(zhǎng)寧-甘洛一帶，以及寧1井燈一段都發(fā)育大量的膏巖層[14]，表明燈影組在沉積時(shí)水體受限，鹽度較高。該地區(qū)燈影組白云巖主要為泥-粉晶白云巖，白云巖的陰極發(fā)光普遍比較昏暗，多為暗紅、褐紅色(圖8-A、B)，表明海源流體是白云石化的主導(dǎo)流體[25]。痕量元素分析表明(表3)，基質(zhì)白云石中K、Na、Sr含量均較高，F(xiàn)e、Mn含量較低，表明其形成于鹽度較高的海源流體環(huán)境，白云巖的形成時(shí)間較早，對(duì)應(yīng)于準(zhǔn)同生期—早成巖階段[26]。從孔洞海底膠結(jié)物的生長(zhǎng)習(xí)性看，以纖狀、葉片狀和錐纖狀為特征(圖8-C)，其仍為文石后期云化的產(chǎn)物，非直接沉淀成因。從干凈明亮的大氣淡水白云石對(duì)基質(zhì)白云石的交代來(lái)看(圖8-D)，沉積物沉積時(shí)也并非是白云石。所以，燈影組沉積物形成時(shí)水體持續(xù)受限，海水鹽度高，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，且由于燈影組大量繁殖菌藻類(lèi)消耗Ca2+，導(dǎo)致Mg2+富集，燈影組海水演化為高鎂高鹽度的水體，在鹽度梯度驅(qū)動(dòng)下向下不斷與早期沉積的灰泥或文石接觸，最終沉積物發(fā)生回流滲透白云石化作用[27]。因此，研究區(qū)燈影組白云石化機(jī)理為微生物參與的蒸發(fā)海水回流滲透白云石化。

表3 泥晶白云石的原位激光微區(qū)痕量元素特征Table 3 Trace element data of in-situ laser micro-regions of mud crystal dolomite

測(cè)試儀器為GeoLas-HD-ICP-MS；激光束直徑為30 μm

3.4 溶蝕作用

溶蝕作用是酸性流體或大氣降水使碳酸鹽巖發(fā)生選擇性或非選擇性溶解作用，并產(chǎn)生孔洞的有利于儲(chǔ)層發(fā)育的成巖作用。研究區(qū)燈影組儲(chǔ)層經(jīng)歷的溶蝕作用可以劃分成3個(gè)階段：同生期溶蝕作用、表生期溶蝕作用、埋藏期溶蝕作用。

3.4.1 同生期溶蝕

由于在燈影組沉積時(shí)，該地區(qū)為潮坪環(huán)境，沉積水體較淺，加之丘灘復(fù)合體的生長(zhǎng)速率較快，形成等效海退和早期暴露，大氣淡水會(huì)選擇性溶蝕早期顆粒及丘格架，從而形成粒內(nèi)溶孔和鑄模孔，但都被淺埋藏期白云石充填。丘灘體頂部有暴露干裂特征(圖9-A)，海平面上升時(shí)，這些干裂縫又被海底纖狀白云石和淺埋藏粒狀白云石充填。干凈明亮的大氣淡水白云石膠結(jié)物的存在同樣也是大氣淡水作用的重要標(biāo)志(圖8-D)。

3.4.2 表生期溶蝕

震旦紀(jì)末期受到桐灣運(yùn)動(dòng)的影響，在燈二段/燈三段和燈四段/下寒武統(tǒng)之間形成2個(gè)不整合面，造成燈影組強(qiáng)烈、廣泛的表生期溶蝕。研究區(qū)燈二段和燈四段中藻粘結(jié)白云巖中發(fā)育大量溶蝕孔洞，并且可見(jiàn)巖溶角礫，角礫內(nèi)的孔洞也被后期白云石充填(圖9-B)。研究區(qū)燈二段白云巖中發(fā)育大量葡萄花邊狀構(gòu)造，發(fā)育較大的孔洞，但都被多期白云石、石英膠結(jié)充填(圖9-C)。前人研究認(rèn)為，“葡萄花邊”構(gòu)造的形成是與不整合面的淡水淋濾有著密不可分的關(guān)系[28-29]。

3.4.3 埋藏期溶蝕

埋藏期溶蝕一般與有機(jī)酸和熱液作用有關(guān)，埋藏過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)開(kāi)始大規(guī)模成熟，此過(guò)程中形成的含大量有機(jī)酸、CO2等腐蝕性組分的酸性地層水，對(duì)碳酸鹽巖進(jìn)行溶蝕。研究區(qū)內(nèi)溶蝕作用體現(xiàn)為優(yōu)先溶解前期各種孔、洞、縫中的亮晶膠結(jié)物，部分恢復(fù)或擴(kuò)大原來(lái)的儲(chǔ)集空間，溶蝕孔洞中可見(jiàn)瀝青(圖9-D)。

3.5 硅質(zhì)交代作用

在碳酸鹽沉積物或碳酸鹽巖中，原來(lái)的礦物和組分被硅質(zhì)礦物取代的作用稱(chēng)為硅質(zhì)交代作用。研究區(qū)內(nèi)硅質(zhì)交代孔洞中的纖狀白云石，并充填了原生孔洞，主要發(fā)生在早成巖階段，該期石英充填可減少5%～10%的孔隙空間(圖10-A)。

3.6 重結(jié)晶作用

重結(jié)晶作用是指在成巖過(guò)程中，礦物的晶體形狀和大小發(fā)生變化而主要礦物成分不改變的作用。研究區(qū)內(nèi)泥微晶白云石重結(jié)晶形成微亮晶白云石或細(xì)-中晶白云石，白云石晶體大，表面不光滑(圖10-B)，可以形成少量晶間孔隙，應(yīng)發(fā)生在埋藏成巖階段。

4 成巖環(huán)境與成巖演化序列

研究區(qū)燈影組白云巖成巖作用復(fù)雜。壓實(shí)、壓溶作用，多期白云石膠結(jié)物充填作用以及硅質(zhì)交代作用都導(dǎo)致孔隙空間大幅度減少；多期溶蝕作用又形成大量?jī)?yōu)質(zhì)孔隙空間。研究區(qū)燈影組經(jīng)歷了多類(lèi)型，多期次的成巖作用的改造和疊加，其成巖過(guò)程經(jīng)歷了(準(zhǔn))同生成巖階段、早成巖階段、表生成巖階段、中-晚成巖階段(圖11)。

a.(準(zhǔn))同生成巖階段。該階段沉積物與沉積介質(zhì)還保持著聯(lián)系，在海底環(huán)境中準(zhǔn)同生期白云石化作用形成了泥微晶白云巖，產(chǎn)生大量原生孔隙；第一世代纖柱狀白云石的膠結(jié)充填將大量孔隙破壞；在大氣水、混合水環(huán)境中，沉積物周期性暴露于海平面之上，受大氣淡水影響，發(fā)生同生期的選擇性溶蝕作用，形成粒內(nèi)孔、鑄模孔等。

b.早成巖階段。隨著上覆地層的沉積，下伏地層所承受的壓力逐漸增大，開(kāi)始發(fā)生強(qiáng)烈的壓實(shí)、壓溶作用，破壞了孔隙空間；同時(shí)在第二世代粉晶粒狀白云石膠結(jié)充填作用以及硅質(zhì)交代作用，進(jìn)一步充填原生孔隙并且將同生期溶蝕形成的孔隙破壞。

c.表生成巖階段。受燈影組末期的桐灣運(yùn)動(dòng)影響，研究區(qū)燈影組被抬升至地表，遭受大氣淡水的淋濾改造，發(fā)生強(qiáng)烈的表生期溶蝕作用，形成大量溶蝕孔洞；同時(shí)這些孔洞也被葡萄花邊狀白云石以及巖溶角礫、滲流粉砂充填。

d．中-深埋藏階段。三疊紀(jì)晚期，燈影組埋深逐漸增大，地層壓力、溫度不斷升高，有機(jī)質(zhì)開(kāi)始大規(guī)模成熟，埋藏期溶蝕作用形成溶蝕孔洞，對(duì)孔隙進(jìn)行調(diào)整改造，形成瀝青殘余，主要充填第三世代中-粗晶的白云石膠結(jié)物，重結(jié)晶作用也主要發(fā)生在該階段。

5 結(jié) 論

a.巖孔地區(qū)出露燈影組第二段、第三段和第四段，主要發(fā)育葡萄花邊狀白云巖、藻粘結(jié)白云巖、泥粉晶白云巖、殘余砂屑粉晶白云巖、殘余藻砂屑粉晶白云巖等。研究區(qū)燈影組主要的儲(chǔ)集空間類(lèi)型為晶間孔、粒內(nèi)溶孔、藻格架(溶)孔等，儲(chǔ)層平均孔隙度為4.55%，平均滲透率為0.226×10-3μm2，屬于非均質(zhì)性強(qiáng)的低孔低滲儲(chǔ)層。

b.研究區(qū)燈影組儲(chǔ)層主要白云石化機(jī)理是微生物參與的蒸發(fā)海水回流滲透白云石化。該區(qū)白云巖經(jīng)歷了3個(gè)世代的白云石膠結(jié)充填作用，分別為：第一世代海底環(huán)境形成的纖狀白云石、第二世代淺埋藏環(huán)境下的粒狀白云石以及第三世代中-深埋藏環(huán)境下的中-粗晶白云石。同時(shí)，該區(qū)白云巖經(jīng)歷了3期溶蝕作用，分別為：同生期溶蝕作用、表生期巖溶作用及埋藏期溶蝕作用。

c.綜合燈影組白云巖的巖石學(xué)特征以及地球化學(xué)特征認(rèn)為，研究區(qū)燈影組經(jīng)歷了多類(lèi)型、多期次的成巖作用的改造和疊加，其成巖過(guò)程經(jīng)歷了(準(zhǔn))同生成巖階段、早成巖階段、表生成巖階段、中-晚成巖階段。在此基礎(chǔ)上建立了研究區(qū)燈影組成巖演化序列，可為今后四川盆地邊緣和盆地內(nèi)部的燈影組白云巖儲(chǔ)層研究提供理論基礎(chǔ)。